2020/2019/2018/2017/2016/2015/2014/2013/2012/2011/2010/2009/2008/2007/2006/2005

Геотехнология

Разработана новая версия горно-геологической информационной системы MINEFRAME 8.0, развивающая методы комплексного решения задач горного производства на основе моделирования объектов и процессов горной технологии и обеспечивающая формирование единого цифрового пространства горнодобывающего предприятия. Усовершенствованы существующие и разработаны новые инструменты системы, реализующие работу с большими объемами данных. Разработанные инструменты проектирования и планирования горных работ нацелены на решение задачи цифровой трансформации горнодобывающей отрасли.

Развитие научно-методических основ применения геоинформационных (цифровых) технологий для обоснования инновационных решений по освоению месторождений твёрдых полезных ископаемых направлено на решение актуальной проблемы — цифровой трансформации горного производства. Ее основной целью является создание цифрового двойника горнодобывающего предприятия, где горно-геологическая информационная система (ГГИС) выступает в роли инструмента формирования виртуального пространства, в котором модели объектов и процессов горной технологии используются для решения задач инженерного обеспечения горных работ. Совершенствование программных средств ГГИС MINEFRAME 8.0 направлено на развитие и разработку инструментов автоматизированного проектирования и планирования горных работ. Такие алгоритмы, автоматизированные процедуры обработки данных и моделирования объектов горной технологии являются составными частями цифрового горнодобывающего предприятия. Ниже дано краткое описание наиболее важных и интересных разработок.

Для систем разработки с закладкой выработанного пространства разработан инструмент учета прочностных характеристик закладочного массива, позволяющий фиксировать временные границы технологических процессов затвердевания закладки и визуализировать области, ограничивающие работу в смежных выработках по требованиям безопасности ведения горных работ в процессе планирования очистной выемки.

Разработаны алгоритмы и программные средства расчета транспортных затрат для решения задач вскрытия и отработки месторождений открытым способом, обеспечивающие расчет технических и экономических показателей вывозки горной массы. Разработан и реализован алгоритм автоматизированного определения уровня потерь и разубоживания на ОГР, опирающийся на каркасную и блочную модели рудных тел, забалансовых запасов и вмещающих пород. Результатом расчета является таблица промышленных и эксплуатационных запасов в рассматриваемой временной прирезке (или в целом для карьера), ожидаемые уровни потерь и разубоживания для каждой выемочной единицы и каждого добычного уступа. Для обеспечения процесса оперативного управления горными работами, усреднения качества рудопотоков, предложены алгоритмы и методы моделирования процесса формирования границ отрыва и развала оторванной от массива горной массы с прогнозом распределения и перемешивания разновидностей пород, слагающих исходный взрывной блок на карьерах.

Для обработки маркшейдерских замеров на основе данных лазерного сканирования разработан инструмент автоматизированного построения и пополнения каркасных моделей выработок на основе облака точек. Усовершенствован инструмент создания маркшейдерского замера, с помощью которого выполняется подготовка данных по объектам, пройденным за отчётный период.  Усовершенствована реализация алгоритмов обработки геостатистических данных. Расширен набор методов по определению ураганных проб. Реализована методика ГКЗ по выделению кондиционных интервалов по скважинам.
ГГИС MINEFRAME готова к применению и используется на десятках отечественных горнодобывающих предприятий, успешно конкурируя с импортными программными продуктами аналогичного класса. Получены свидетельства о государственной регистрации ее компонентов.

Предложен методический подход и разработана модульная структура геоинформационной системы для инвестиционной оценки горнорудных проектов на основе 3D-моделирования горно-геологических и горно-технологических условий разработки месторождений при комплексном учете природных, инфраструктурных, технологических и экономических факторов. Особенностью данного подхода является тесная увязка моделей объектов горной технологии и инфраструктуры с процедурами автоматизированных экономических расчётов, базирующихся на базах данных типовых технологических решений.
Оценка инвестиционной привлекательности горнорудных проектов традиционно базируется на экономических расчетах. Для потенциального инвестора важным условием принятия решений является получение не только экономических показателей освоения месторождения, но и модельное представление объектов горной технологии и инфраструктуры, формирующих цифровую модель горнодобывающего предприятия.

Для решения задач инвестиционной оценки горнорудных проектов разработана структура базы данных месторождений (далее БДМ). Она содержит информацию о наиболее перспективных месторождениях и рудопроявлениях минерального рудного сырья Кольского полуострова (рис. 1).

БДМ включает традиционную горно-геологическую и горно-технологическую информацию (далее геолого-технологическую информацию) и цифровые модели для выполнения на их основе различных видов оценки инвестиционной привлекательности. Информация в БДМ сгруппирована по пространственному принципу распределения минерального сырья (горно-геологическое районирование), что позволяет учесть экономико-географические особенности районов освоения месторождений при проведении оценки эффективности реализации горнорудных проектов. Блок цифровых моделей служит основой для формирования инвестиционного горнорудного проекта и создания модели цифрового рудника.
Алгоритм инвестиционной оценки освоения месторождений на основе комплексного учёта природных, инфраструктурных технологических и экономических факторов представлен на рисунке 2.

 
Рисунок 1 − Структура БДМ

Рисунок 2 − Алгоритм оценки инвестиционного горнорудного проекта

Разработан алгоритм определения производительности выемочных единиц при различных сценариях развития подземных горных работ в высоконапряжённом массиве, включающий комбинацию методов моделирования технологических схем и их геомеханическую оценку по размерам областей критических напряжений и деформаций. Алгоритм учитывает комплекс геологических, горнотехнических и геомеханических факторов и апробирован для условий мощных рудных месторождений Хибинского массива.

Предложенный алгоритм включает в себя несколько этапов: определение всех возможных вариантов генерального развития горных работ, обеспечивающих необходимую производительность рудника; выбор наилучшего варианта по критериям геомеханической безопасности на основе результатов мелкомасштабного моделирования напряженно-деформированного состояния для фактических горно-геологических условий; определение безопасных параметров системы разработки на отдельных участках (крупномасштабное моделирование); моделирование производственной мощности при ведении подземных горных работ для принятых параметров системы разработки с учётом определенного горно-шахтного оборудования, технологий и организации работ.

Алгоритм  использован при разработке регламента, положенного в основу проекты на отработку запасов нижних горизонтов Кировского рудника АО «Апатит». Моделирование вариантов развития очистной выемки и прогнозных расчётов НДС массива при ведении подземных горных работ и производственной мощности по добыче руды в пределах Кукисвумчоррского и Юкспорского месторождений позволило составить долгосрочный прогноз развития горных работ на глубоких горизонтах рудника (рис. 1)


Рисунок 1 − а) Сравнение вариантов развития горных работ по размерам областей
критических сжимающих напряжений; б) Моделирование производственной мощности при ведении подземных горных работ в пределах горизонтов  Кировского рудника

Алгоритм выбора варианта развития очистной выемки с учетом прогнозных данных распределения напряжений и деформаций и определения производительности выемочных единиц в пределах всего шахтного поля, позволяет создать программный инструментарий автоматизированного долгосрочного планирования подземных горных работ, который выведет качество проектирования на более высокий уровень.

На основе технико-экономической оценки обоснован инженерно-технический подход к технологии крепления крутонаклонных структурно нарушенных бортов карьеров, по результатам которого подтверждена техническая возможность в современных условиях и экономическая эффективность внедрения инженерной защиты в целях стабилизации крупномасштабных деформаций породного массива для обеспечения безопасности открытых горных работ с сохранением проектных границ карьера.

В настоящее время на Восточном борте карьера «Железный» АО «Ковдорский ГОК», где размещен рудный дробильно-конвейерный комплекс (РДКК), добычные работы временно приостановлены по соображениям безопасности из-за угрозы обрушения группы структурно нарушенных уступов в средней и верхней его части. Приоритетный вариант развития горных работ в карьере предусматривает полный разнос и выполаживание данного борта (в том числе других) с переносом капитальных промышленных сооружений в другое местоположение, что предполагает значительный объем вскрышных и строительно-монтажных работ.

В качестве альтернативного варианта рассмотрены стабилизационные мероприятия по внедрению инженерной защиты рассматриваемого крутонаклонного борта на основе укрупненной ТЭО. По результатам анализа конъюнктуры современного рынка инженерной защиты для характерных условий рекомендована предварительно-напряженная анкерная крепь на основе стандартизованного стального каната для агрессивных сред, монтаж которой способствует стабилизации выявленной крупномасштабной деформации породного массива (до 14 млн. м³) и позволяет сохранить проектные (конечные) границы данного карьера. Также обоснована технология производства работ и параметры крепи. Выбранный тип крепи зарекомендовал себя положительно в гидротехническом строительстве. Предложенная технология инженерной защиты предусматривает поэтапное устройство крепи самоходным оборудованием с горизонтальных площадок (берм) во вниз сходящем порядке по мере постановки борта в конечное положение, что с экономической и технической точки зрения является наиболее эффективным и безопасным решением. Надежность данного высокотехнологичного способа защиты обеспечивается при соблюдении ряда определенных условий и действующих требований. Проведена сравнительная экономическая оценка стабилизационных мероприятий и мероприятий по разносу (выполаживанию) рассматриваемого борта в границах выявленной потенциально опасной зоны. В инженерно-техническом подходе при выполнении комплексных геотехнических расчетов и компьютерного моделирования крепи использованы сертифицированные САПР-платформы, где применены различные алгоритмы в поиске оптимальных конструкторских решений.


Рисунок 1 − Результаты ТЭО эффективности технологии крепления Восточного борта
в районе РДКК на карьере «Железный» АО «Ковдорский ГОК»:
а – 3D-модель (Д.В. Жиров) и геологический разрез неустойчивой зоны (АО «МГРЭ»);
б – автоматизированный геотехнический расчет крепи и 3D-фрагмент крепи;
в – ТЭО эффективности технологии крепления

 Геомеханика

Обоснована концепция безопасной и эффективной технологии отработки сближенных месторождений Хибин в условиях трансформации гравитационно-тектонического поля напряжений в зонах взаимного влияния геодинамически активных разломных структур, открытых и подземных выемок. В основе концепции – цифровое моделирование геомеханических и технологических процессов на различных стадиях развития горных работ. Концепция апробирована при разработке комплекса геомеханических и технологических решений по отработке запасов горизонта +170м Кировского рудника в условиях стыковки двух подземных очистных выемок Юкспорского и Кукисвумчоррского месторождений с отработанным Саамским карьером и геодинамически активной разломной структурой.

При отработке запасов горизонта +170м в пределах разрезов 24 ÷ 37 Кировского рудника КФ АО «Апатит» осуществляется стыковка на ограниченном участке и временном интервале трех очистных выемок: подземных – Юкспорской, Кукисвумчоррской и открытой - Саамского карьера в условиях взаимного влияния, с дополнительным осложняющим ведение горных работ фактором – Саамским разломом.
 

Рисунок 1 − Положение горных работ в окрестности Саамского карьера
и их развитие в 2019 г.

Для комплексного обоснования  выемки запасов разработаны геологические, технологические и геомеханические 3D-модели, что позволило выявить особенности исследуемого участка месторождения и оценить различные варианты отработки в зоне стыковки подземных горных работ с Саамским карьером.

Рисунок 2 − Технологическая и геомеханическая модели
в зоне стыковки подземных горных работ с карьером

На основе прогнозных данных распределения напряжений при последовательном сближении горных работ с карьерной выемкой размеры блоков-целиков составили – 200 м со стороны Кукисвумчоррского месторождения и 150 м со стороны Юкспорского месторождения. По результатам исследований, оптимальной системой разработки запасов гор.+170м в зоне стыковки с карьером является вариант подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды и разделкой опережающей разгрузочной зоны в висячем боку залежи. Предложена технология горных работ на каждом подэтаже, учитывающая необходимость минимизации горно-проходческих работ в самом Саамском разломе и предполагающая отбойку массовыми взрывами как стыковочных секций, расположенных на верхнем подэтаже по обе стороны от Саамского карьера (рис. 3), так и определенной части запасов висячего бока в районе Саамского разлома на нижних подэтажах с последующей отбойкой стыковочных секций на Кукисвумчоррском месторождении. Минимальные размеры стыковочных секций от 40м на верхнем подэтаже до 48м на нижних.

Рисунок 3 − Схема расположения стыковочных секций подэтажа +236м
а) на Кукисвумчоррском месторождении; б) на Юкспорском месторождении

Для обеспечения возможности проходки выработок и ведения горных работ в защищенной от высоких напряжений области величина опережения разгрузочной зоны должна составлять не менее 30м. Ступенчатый фронт очистных работ в горизонтальной плоскости должен формироваться в пределах защитного угла не более 70 градусов.

Исключение открытого очистного пространства при выпуске отбитой руды прибортовых гор.+170 м и подкарьерных запасов гор. +10 м на участке с недостаточным или отсутствующим слоем обрушенных покрывающих пород достигается с помощью частичного магазинирования отбитой рудной массы на верхних подэтажах, что позволит создать рудную подушку, защищающую выработки при обрушении бортов Саамского карьера; улучшить показатели извлечения руды; не допустить нарушения вентиляционного режима и обмерзания горных выработок в период отрицательных температур наружного воздуха.

Полученные результаты могут быть использованы при отработке сближенных месторождений Хибинского массива.

Разработана и внедрена на АО «СЗФК» система прогнозной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС), включающая трехмерную конечно-элементную модель массива пород в окрестности зоны ведения фактических и планируемых подземных горных работ удароопасного месторождения Олений ручей и адаптированный для горного инженера программный интерфейс. Учтены разломные структуры, определяющие иерархично-блочное строение массива. Система позволяет выполнять региональный прогноз удароопасности на весь период отработки месторождения, а также оперативно оценивать влияние различных вариантов развития горных работ на НДС массива и состояние выработок.

Сетка конечных элементов ограничена в плане разрезами Р0 – Р38 (3040 м) и магистралями М-500 – М1500 (2000 м), дно модели на отм.-1000 м. Область максимального сгущения сетки с элементами 5×5×5 м3 охватывает зону ведения горных работ на несколько десятилетий вперед. Размерность конечно-элементной модели  6млн. элементов.

При создании модели промоделировано актуальное рудное тело, крупные разломные структуры (Главный разлом 3 и разлом 1) и фактическое положение горных работ на конец 2019 года (рис. 1а). Численное моделирование проводилось с использованием программного комплекса SigmaGT, разработанного в Горном институте КНЦ РАН.

Разработанная экспертная система прогнозной оценки НДС массива в окрестности зоны ведения подземных горных работ обладает исключительной значимостью для рудника Олений ручей. Модель позволяет выполнять региональный прогноз удароопасности на весь период отработки месторождения, а также оперативно оценивать влияние развития горных работ на НДС массива (рис. 1б).

Рисунок 1 − а - 3D вид разработанной численной модели; б - распределение напряжений σmax
на гор. +120 м при фактическом состоянии горных работ на октябрь 2019 г.

Подобные численные модели НДС массива пород в окрестности отрабатываемых месторождений широко применяются для геомеханического обоснования горных работ во всем мире. С этой точки зрения применяемый авторским коллективом подход к созданию трехмерной численной модели месторождения с целью прогнозной оценки НДС массива не уступает мировым стандартам. Важным достоинством разработанной системы является ее адаптация для оперативных геомеханических расчетов непосредственно на предприятии. Кроме того, модель НДС массива в окрестности подземных горных работ месторождения Олений ручей с необходимой детализацией разработана для данного месторождения впервые и является уникальной.
Разработанная экспертная система полностью готова к практическому применению и внедрена в Службе прогноза и предупреждения горных ударов рудника «Олений ручей» АО «СЗФК».

На основе анализа объектов горной технологии и промышленной инфраструктуры Ковдорского горно-обогатительного комбината разработана структура комплексной системы мониторинга устойчивости конструктивных элементов карьера и объектов промплощадки, расположенных в зоне влияния горных работ крупного рудного карьера.

Комплексная система мониторинга устойчивости формируется в рамках концепции открытой системы, позволяющей изменять и дополнять номенклатуру контролируемых объектов, методов, параметров контроля, обеспечивая необходимый уровень безопасности при достижении требуемого объёма добычи руды на горнодобывающем предприятии с учётом углубления и расширения карьерной выемки и возможного перехода к комбинированному способу добычи.

Рисунок − Схема организации комплексной системы мониторинга
устойчивости объектов горнодобывающего предприятия

На основе комплексного анализа данных микросейсмического мониторинга за период 2008-2018 гг. установлено, что на активизацию сейсмичности в районе Саамского разлома влияют: интенсивность ведения горных работ, их глубина и близость к зоне разлома. Выявлен наиболее сейсмически активный участок массива, расположенный со стороны Кукисвумчоррского месторождения в лежачем боку рудной залежи. Показано, что дальнейшее продвижение горных работ вкрест простирания разлома может привести к подвижкам граничащих с ним блоков.

Проведен ретроспективный анализ данных микросейсмического мониторинга в районе Саамского разлома за период 2008-2018 гг. с целью выявления особенностей влияния приближающихся горных работ (со стороны как Кукисвумчоррского, так и Юкспорского крыльев Кировского рудника) на сейсмическую активность в районе разлома. Определены причины активизации сейсмической активности и ее миграции.

Установлено, что на сейсмическую активность разлома оказывает влияние не только расстояние до проводимых работ, но и их глубина. Рассмотрено влияние горных работ по мере их приближения к карьерной выемке Саамского карьера по простиранию рудного тела, а также по мере развития горных работ с глубиной и их приближения к нижнему уровню карьерной выемки (отм. +170м), т.к. наличие карьерной выемки оказывает существенное влияние на перераспределение напряжений.

Выявлено, что интенсификация продвижения подготовительных работ существенно отразилась в сейсмическом отклике массива горных пород на проводимые работы. Проходка выработок на Кукисвумчоррском крыле осуществляются в сторону Саамского разлома, а на Юкспорском крыле – от него. К концу 2018г. на Кукисвумчоррском крыле откаточные штреки на гор. +172м подошли к Саамскому разлому непосредственно в зону его влияния, на гор. +90м – отставание составляет примерно 380м по сравнению с гор. +172м. На Юкспорском крыле проходка выработок вблизи Саамского разлома на гор. +172м осуществлялась с 2013г., при этом в 2016-2018 гг. количество пройденных выработок значительно возросло, что также отразилось на росте сейсмоактивности (рис. 2).
 

Рисунок 1 − Динамика сейсмичности в зависимости от темпов проходческих работ
и приближения их к Саамскому разлому на отм.+183м

2