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

Геотехнология
Разработана технология формирования покрывающей породной подушки (внутреннего отвала) на дне выработанного пространства карьера с применением дистанционно-управляемой техники, позволяющая улучшить показатели извлечения запасов и повысить безопасность комбинированного способа разработки месторождений в условиях Арктического региона.

На примере исследования горно-геологических и горнотехнических условий отработки запасов месторождения Плато Расвумчорр разработаны технические решения, позволяющие повысить показатели извлечения рудной массы и безопасность ведения горных работ, а также обеспечить более комфортные условия при отработке подземных запасов месторождения. Дефицит мощности обрушенных покрывающих пород в выработанном пространстве карьера компенсируется за счёт формирования покрывающей породной подушки над рудной залежью в выработанном пространстве карьера с применением дистанционно-управляемой техники. Цифровая модель покрывающей породной подушки в выработанном пространстве карьера представлена на рисунке 1.

На основе анализа факторов, влияющих на разработку рудных месторождений в условиях Арктического региона, и компьютерного моделирования элементов комбинированной разработки, предложена методика решения задачи по созданию оптимальной конструкции покрывающей породной подушки на дне выработанного пространства карьера.

Обоснована необходимая мощность предохранительной породной подушки, обеспечивающей сохранение подземных выработок при потенциально возможном внезапном обрушении бортов западной чаши карьера «Центральный».

Обоснована необходимая мощность термоизоляционной породной подушки, необходимой для изоляции выпускаемого слоя рудной массы от дневной поверхности при ведении подземных горных работ в период отрицательных температур.

Определены конструктивные параметры и порядок формирования покрывающей породной подушки, выбрано горное оборудование, необходимое для формирования покрывающей породной подушки с учётом сложных климатических и горнотехнических условий. Произведена оценка влияния технических решений по формированию породной подушки в выработанном пространстве карьера на технологию и безопасность открыто-подземных работ.

Предложенная методика по созданию оптимальной конструкции покрывающей породной подушки в выработанном пространстве карьера реализуется на рудниках КФ АО «Апатит» и позволяет улучшить показатели извлечения при подземной отработке запасов месторождений апатит-нефелиновых руд.

Внедрение решений, связанных с дистанционно-управляемой техникой, позволит оптимизировать процесс внутреннего отвалообразования в опасных горнотехнических условиях Арктического региона.


 

Рисунок 1− Цифровая модель покрывающей породной подушки
в выработанном пространстве карьера.

Геоинформатика

Разработана цифровая технология планирования подземных горных работ, основанная на имитационном моделировании технологических процессов добычи и транспортирования горной массы. В основе алгоритма планирования лежит представление технологических процессов как комбинации циклов технологических операций, выбор которых осуществляется в автоматическом режиме с учётом технологических и геомеханических ограничений. Сценарий развития горных работ рассчитывается на основе целевых показателей с оптимизацией использования парка горной техники и персонала, а также минимизацией затрат на выполнение технологических операций.

Важнейшими критериями оптимизации плана горных работ являются: формирование стабильного рудопотока заданного качества, обеспечение безопасности горных работ, эффективное использование парка горной техники и рабочих бригад, минимизация затрат на выполнение технологических операций. Исходя из этих требований, были разработаны инструменты автоматизированного планирования, обеспечивающие формирование оптимального при заданных критериях сценария развития горных работ (рис. 1).


 
Рисунок 1 - Схема реализации алгоритмов цифрового планирования подземных горных работ

При планировании используются данные о парке горного оборудования и трудовых ресурсах, запасах ПИ и свойствах массива, проектных и пройденных выработках. Модели геологической среды обеспечивают информацию о залегании различных сортов руды и об особенностях пространственного распределения полезных компонентов, физико-механических и технологических характеристиках руд и пород. Модели технологических объектов (выработки и выемочные единицы) содержат информацию о запасах ПИ и геометрии выработанного пространства (рис. 2). Для моделей технологических объектов могут быть указаны дополнительные характеристики, такие как: склонность отдельных участков к разрушению, фактическая прочность закладки и т.п. Информация о наличии ресурсов (персонала, горной техники и оборудования) необходима для выбора наиболее подходящих циклограмм выполнения производственных процессов в определенных горно-геологических условиях.

Сценарий плана горных работ может быть рассчитан с полным или частичным учётом условий и ограничений. Это дает возможность производить расчёт сценариев средне- и долгосрочного планирования. Для получения сценария ведения горных работ формируется календарный график работы предприятия, задаётся период планирования и его целевые показатели.


 
Рисунок 2 - Модели объектов, используемые в процессе планирования

Результаты планирования представляются в виде динамической модели развития горных работ, показывающей последовательность реализации во времени процессов проходки, закладки и транспортирования ГМ. Кроме анимации инструмент предоставляет возможность формирования табличных и графических отчётов.

Геомеханика

  Выявлены закономерности формирования потенциально опасных зон на основе комплекса исследований свойств пород, структурно-геологических, геомеханических и технологических особенностей сложной горнотехнической системы с учетом гравитационно-тектонического поля напряжений. Разработаны основные принципы, порядок и оптимальные параметры безопасной отработки запасов перспективного участка Гакман Хибинского массива с минимизацией взаимного влияния открытых и подземных горных работ.

С использованием базы знаний о Хибинских апатит-нефелиновых месторождениях разработаны геологические, геомеханические и технологические модели участка Гакман Юкспорского месторождения и определены параметры потенциально опасных зон по факторам устойчивости и проявления горного давления (рис. 1).

Рисунок 1 – Последовательность проведения исследований с выделением опасных зон
и технологией отработки участка Гакман Юкспорского месторождения.

Уточнены параметры физико-механических свойств месторождения, что обеспечило адекватность разработанных моделей геологической среды и моделей оценки устойчивости элементов геотехнологии при совместном ведении открытых и подземных горных работ. На основе проведённых исследований предложен оптимальный вариант технологии отработки участка Гакман и ее параметров, обеспечивающих полноту извлечения запасов и безопасность горных работ в долгосрочной перспективе.

Значимость полученных результатов для науки и техники состоит в комплексном учёте факторов, влияющих на устойчивость горнотехнических конструкций при открытом, подземном и совмещённом способах отработки месторождения. Полученный результат по степени проработанности вопросов геомеханического обеспечения находится на уровне мировых стандартов и применим при отработке рудных месторождений со схожими горно-геологическими условиями и гравитационно-тектоническим типом напряженного состояния массива горных пород.


    Разработана и введена в эксплуатацию система микросейсмического мониторинга прибортового пространства глубокого Ковдорского карьера, обеспечивающая прогноз опасных динамических явлений в его рабочей зоне за счет контроля зон разрушения массива посредством сейсмодатчиков в глубоких скважинах.

Применение в системе сейсмосети на основе сейсмодатчиков, установленных в глубоких наклонных скважинах, с устьями, расположенными на поверхности за пределами карьера, установленного на конечный контур, позволяет обеспечить длительный срок жизни сейсмической сети, не зависящий от проводимых горных работ на борту карьера. Система обеспечивает длительный устойчивый непрерывный контроль микроразрушений практически по всему прибортовому массива карьера и позволяет заблаговременно выявлять процессы формирования поверхностей ослабления, по которым возможен сдвиг крупных породных блоков.

Система может быть применена при отработке карьеров в скальных массивах с развитой трещиноватостью.

Система практически реализована в карьере рудника «Железный» Ковдорского ГОКа на основе сейсмической сети из 12 датчиков, установленных в 4-х глубоких наклонных скважинах с устьями, расположенными на поверхности за пределами карьера, установленного на конечный контур (рис 1).

 
Рисунок 1 - Расположение скважин для установки сейсмических датчиков
в прибортовом массиве карьера.

 В процессе опытной эксплуатации системы с использованием методов кластерного анализа выявлена наиболее опасная зона в нижней части юго-западного участка борта под дном карьера на глубинах от -250м до -350м с проявлением мощных событий с энергией более 105 Дж и частичным проявлением обрушений участков борта над выявленной сейсмоактивной зоной (рис. 2). Можно полагать, что повышенная сейсмоактивность под дном карьера в юго-западной его части обусловлена активизацией геологических структур в процессе формирования контура карьера, затрагивающей и вышележащие участки борта.


  

Рисунок 2 - Пространственное распределение естественных сейсмических событий
в прибортовом массиве карьера (2020 год).
Сейсмические события обозначены кружками, размер которых определяется
линейными размерами очагов сейсмособытий.

Применение системы позволяет заблаговременно выявлять процессы формирования поверхностей ослабления в прибортовом массиве карьера, по которым возможен сдвиг крупных породных блоков. Как следствие, уменьшается возможность неконтролируемых нарушений бортов карьера.

Система микросейсмического мониторинга бортов карьера на основе глубоких наклонных скважин с устьями, расположенными на поверхности за пределами карьера, установленного на конечный контур, применена впервые в мировой практике.

Установлены закономерности формирования удароопасных зон в высоконапряженном массиве горных пород с учетом влияния природных и техногенных факторов. Для Кукисвумчоррского месторождения проранжированы триггеры, приводящие к дополнительной активизации сейсмической активности, реализующейся в виде толчков и горных ударов, включающие: формирование вторичных техногенных полей напряжений; динамическое воздействие технологических взрывов; проходку выработок в направлении, перпендикулярном действию максимальных сжимающих напряжений; сезонную обводненность массива горных пород. Обоснован комплекс мероприятий, позволяющих снизить удароопасность в зоне ведения горных работ.

Проведен анализ данных микросейсмического мониторинга за 2013-2020 гг. в районе продвигающегося в северном направлении фронта подземных горных работ на Кукисвумчоррском месторождении, где в течение нескольких лет наблюдался рост сейсмической активности, приводящие к разрушениям в динамической форме в выработках вплоть до толчков и микроударов.

Установлено, что рост сейсмоактивности в бл.4/7 и бл.7/10 Кукисвумчоррского месторождения происходил с 2013г (рис. 1). Ежегодно нарастающий уровень сейсмической активности и происходящие всё более сильные сейсмические события привели к реализации 27 января 2016г. мощного сейсмического события энергетического класса K=8 (на горизонте +170м).


 
Рисунок 1 − Ежегодное распределение событий по энергетическим классам
в бл.4/7 Кукисвумчоррского месторождения.

Событие классифицировано как микроудар, причиной которого являются: более высокий уровень тектонических напряжений в массиве пород северной части Кукисвумчоррского месторождения; особенности формирования вторичного поля напряжений с областью опорного давления от очистных работ горизонта +250м непосредственно над зоной активного ведения горных работ (рис. 2а); неравномерность техногенного воздействия на массив с периодами затишья и активизации горных работ на исследуемом участке. По схожему сценарию и под влиянием аналогичных факторов происходила дальнейшая активизация сейсмической активности. Например, с марта по июль 2020г. произошло 14 сильных сейсмособытий энергетического класса K=6 и два энергетического класса K=7, были зафиксированы разрушения в горных выработках. Дополнительным фактором активизации сейсмического процесса в 2019 -2020гг. стала сезонная обводненность массива в период снеготаяния и дождей (рис. 2б). Установлено также, что активизация сейсмичности совпадает с увеличением взрывного воздействия на массив: начиная примерно с 20 мая 2019г. наблюдается рост как количества взрывов (при проходке выработок и при добычных работах), так и их энергетических параметров.


   
Рисунок 2 − а) Сейсмические события и НДС массива (март – начало апреля 2020г.)
б) Зависимость активизации сейсмичности от рудничного водопритока.

С учетом результатов проведенного анализа напряженного состояния массива и параметров сейсмичности обоснован комплекс мероприятий, позволяющих снизить удароопасность в зоне ведения горных работ за счет отбойки запасов треугольника висячего бока по вышележащему горизонту +250м, уменьшения ширины разгрузочной зоны, перехода на ортовую подготовку запасов, а также снижения и стабилизации взрывного воздействия на массив горных пород.

Значимость полученных результатов заключается в уникальности объекта исследований: отработка месторождения ведется в удароопасных условиях, в которых неизбежно возникает опасность проявления геодинамических явлений различного масштаба от горных ударов до землетрясений. Исследования выполнены на основе комплекса современных методов, соответствующих современной практике контроля и оценки состояния массива горных пород.

Установлено влияние геометрии карьера и топоповерхности на результаты оценки коэффициента запаса устойчивости отдельных участков карьера. На основе сравнительных расчетов показано, что при прочих равных условиях коэффициент запаса устойчивости в плоской и объемных постановках может отличаться в 1,2 раза, что для вогнутого в плане участка борта карьера позволяет обосновать формирование борта с более крутым углом наклона.

Выполнена оценка устойчивости борта карьера с использованием компьютерного программного комплекса Slide3, SVOFFICE (пакет SVSlope) по методу Моргенштерна-Прайса (на примере участка Гакман Юкспорского месторождения). В объёмной постановке по методу Моргенштерна-Прайса выделяются две зоны с наименьшими значениями коэффициентов запаса устойчивости (КЗУ): со стороны северо-западного (КЗУ=1,6) и северо-восточного (КЗУ=1,3) участков борта перспективного карьера (рис. 1). Значения коэффициента запаса устойчивости для различных участков борта карьера с учётом влияния структурных неоднородностей составили от 1,3 до 2,6 (табл. 1). Установлено, что при оценке устойчивости в объёмной постановке (3D) в случае вогнутого в плане участка поверхности борта карьера коэффициент запаса устойчивости выше, чем в случае оценки устойчивости этого же участка в плоской постановке (2D). В случае если участок борта карьера в плане близок к линейному, результаты оценки устойчивости практически не отличаются как в объёмной, так и в плоской постановках (рис. 1, 2, табл. 1).

Таблица 1 - Значения коэффициентов запаса устойчивости по расчетным профилям


 
Рисунок 1 − Расчетная объемная (3D) модель с результатами оценки
коэффициента запаса устойчивости
   - контуры выхода сферических поверхностей ослабления,
по которым определены значения КЗУ.


 
Рисунок 2 −Расчетные схемы для: а) профиля 1, б) профиля 6;
----- – уровень грунтовых вод,
---- – положение наиболее критической поверхности ослабления

Значимость полученного результата для горной науки состоит в дальнейшей проработке вопроса перехода от плоских схем оценки устойчивости бортов карьеров к объёмным, что стало возможным благодаря использованию новейших достижений геоинформатики при формировании 3D-моделей месторождений полезных ископаемых с учётом наполнения их элементами геотехнологий (открытые, подземные горные выработки, отвалы и др.), учета сложного рельефа поверхности, наличия на территории месторождения водных объектов, различия физико-механических свойств руд и вмещающих пород. При этом особенность разработки состоит в том, что формируемые 3D-модели месторождений с элементами геотехнологий комбинируются с применяемыми в настоящее время специализированными программными комплексами расчёта устойчивости откосов. Полученный результат соответствует общемировым трэндам развития способов оценки устойчивости бортов карьеров, состоящей в переходе от плоских расчётных схем к объёмным.

На примере ряда месторождений Хибинской апатитовой дуги установлен диапазон критических размеров блоков-целиков и вид зависимости уровня максимальных сжимающих напряжений от расстояния между фронтами подземных и открытых горных работ в условиях гравитационно-тектонического поля напряжений. Результат получен на основе трехмерного моделирования напряжённо-деформированного состояния с учетом геологических, геомеханических и горнотехнических факторов.

С использованием метода конечных элементов в объемной постановке получено напряженно-деформированное состояние (НДС) массива пород при пошаговом развитии подземных горных работ с постепенным сокращением расстояния до борта карьера Гакман Юкспорского месторождения (рис. 1).


 
Рисунок 1 − Распределение σmax при поэтапном приближении горных работ
горизонта +320м к карьеру Гакман.

Анализ результатов моделирования НДС позволил установить зависимость уровня действующих максимальных сжимающих напряжений от расстояния между фронтами горных работ, описываемую полиномом 2-ой степени y = 0,0001x2 - 0,11x + 57 (рис. 2). Расчет размера блока-целика проводился исходя из 10% изменения уровня максимальных напряжений в породах целика между сближающимися фронтами, по сравнению с начальным уровнем напряжений на данном участке массива.


 
Рисунок 2 − Зависимость максимальных главных напряжений от расстояния
между очистными фронтами (синяя кривая). Красной линией показан 10% уровень увеличения напряжений по сравнению с исходным и соответствующий ему размер блока-целика.

Таким образом, ширина блока-целика, исходя из критерия 10% увеличения максимальных напряжений между фронтами горных работ, составляет около 240м. В условиях блока-целика будут отрабатываться запасы горизонтов +320м и +250м Юкспорского месторождения. До достижения критического расстояния между фронтами подземные и открытые горные работы на исследуемом участке могут вестись независимо друг от друга.

Научная значимость полученных результатов заключается в подтверждении типа зависимости среднего уровня напряжений от расстояния между фронтом подземных горных работ и бортом карьера (полином второй степени) для месторождений с гравитационно-тектоническим типом НДС. Новизна результата обеспечена генерацией уточненной конечно-элементной геомеханической модели с учетом данных специальных лабораторных, натурных и численных исследований участка Гакман Юкспорского месторождения.

По результатам испытаний 34 разновидностей скальных горных пород месторождений Кольского полуострова установлено пороговое значение критической удельной энергии деформирования для разделения пород по характеру разрушений. В условиях одноосного сжатия при значениях критической удельной энергии до 50 КДж/м3 преобладает статическое разрушение. При больших величинах удельной энергии для пород характерны динамические разрушения, интенсивность которых возрастает с её увеличением.

На основе полученных экспериментальных данных выполнен сравнительный анализ энергоемкости и характера разрушения исследуемых скальных горных пород при одноосном сжатии. По результатам такого анализа установлено, что породы с величиной критической удельной энергии деформирования свыше 0,05 МДж/м3 разрушались в динамической форме с разлетом осколков и взрывоподобным звуком. Статический характер разрушения установлен для двух литологических разностей – ювитов с содовым налетом и кальцитового карбонатита, а также для некоторых образцов диабаза, критическая энергия которых в среднем ниже 0,05 МДж/м3.


 Рисунок 1 − Характер разрушения образцов исследуемых литологических разностей
скальных горных пород при одноосном сжатии.

В условиях трехосного сжатия для скальных пород Кольского полуострова впервые установлено, что при боковом давлении до 20-30 МПа значения прочности по сравнению с одноосным сжатием увеличились в 2-3 раза, а критической энергии - в 5-10 раз.

В условиях трехосного сжатия установлено, что величины критической удельной энергии деформирования скальных пород возрастают с увеличением бокового давления. При боковом давлении 20 МПа критическая энергия образцов уртита в среднем возросла в семь раз по сравнению с критической энергией при одноосном сжатии, а образцов ийолита - в пять раз. Для гнейса и туфогенно-осадочной породы при боковом давлении 30 МПа критическая энергия возросла в 4 и 3 раза соответственно. Наибольшее увеличение установлено для образцов апатит-нефелиновой руды - в десять раз. Эти закономерности необходимо учитывать при оценке удароопасности горных пород в условиях объемного напряженного состояния.


  Рисунок 2 − Зависимость значений критической удельной энергии деформирования
при трехосном сжатии образцов скальных горных пород от величин бокового давления.

Полученные результаты важны при выявлении условий разрушений горных пород в конкретной горнотехнической ситуации, что, в итоге, позволит прийти к научно обоснованному прогнозу склонности пород к динамическим формам проявления горного давления. На данном этапе исследований результаты могут быть использованы при оценке удароопасности пород на месторождениях Кольского региона. В целом, предлагаемый подход к оценке склонности скальных горных пород к разрушениям в динамической форме с позиции их энергоемкости сопоставим с подходами, предлагаемыми для выполнения этой оценки на мировом уровне.

Созданы методические основы построения трёхмерной гидрогеомеханической модели хвостохранилища горнорудного предприятия, отличающиеся от известных учётом фактора времени в фильтрационно-деформационных расчетах и позволяющие исследовать трансформацию гидростатического состояния в стационарную фильтрацию, а при определенном сочетании параметров механической и фильтрационной устойчивости грунтов - в гидродинамику водотока и размыва дамбы.

Разработана гидрогеомеханическая 3D модель ГТС хвостохранилища горнорудного предприятия как открытой природно-технической системы, подвергающаяся как экзогенным, так и эндогенным нагрузкам. Отличительной особенностью модели от известных является возможность реализации совместных фильтрационно-деформационных расчетов, в которых учитываются гидростатические (степень водонасыщения грунтов, разность напоров на верховом и низовом склонах дамбы), гидродинамические (образование водотоков, скорость и давление потока) и геомеханические (деформации и смещения грунтов под действием силы тяжести, а также вследствие гидростатического и динамического давления воды) условия и нагрузки.

Граничные условия для модели описываются известными уравнениями Бернулли (рис. 1), где: Нв и Нн – высота уровня воды на верховом и низовом склонах дамбы, соответственно; z(x) = Нв-Нн – геометрический напор в сечении x; p(x)/g – пьезометрический напор; 2/2g –скоростной напор фильтрации;  - коэффициент гидравлического сопротивления;  – скорость фильтрации воды; g – ускорение силы тяжести; – угол гидравлического уклона;  – плотность воды; х – рассматриваемое сечение.

 
Рисунок 1 − Гидрогеомеханическая 3D модель ГТС хвостохранилища горнорудного предприятия, реализующая совместные фильтрационно-деформационные расчеты с учетом фактора времени.

Разработанная модель позволяет исследовать трансформацию гидростатического состояния в стационарную фильтрацию и, при определенном сочетании параметров механической и фильтрационной устойчивости грунтов, в гидродинамику водотока и размыва дамбы. На основе многовариантных совместных фильтрационно-деформационных расчетов установлена зависимость устойчивости дамбы от степени фильтрации (рис. 2).


 
Рисунок 2 − Зависимость устойчивости дамбы от степени фильтрации на основе
совместных фильтрационно-деформационных расчетов.

Эта зависимость позволяет определить условия трансформации гидростатического состояния (Куст>1,2) в стационарную фильтрацию (1,2>Куст>1) и, при определенном сочетании параметров механической и фильтрационной устойчивости грунтов, в гидродинамику водотока (1>Куст>0,5) и размыва дамбы (Куст<0,5). Дальнейшее снижение показателя устойчивости незначительно в силу резкой трансформации гидростатических давления и фильтрации непосредственно в водоток.

В результате формирования водотоков (зон повышенной фильтрации), дополнительно генерируется гидродинамическое воздействие, которое имеет скоростные 2/2g и динамические 2/2 характеристики. Кроме того, гидродинамическое давление действует на стенки водотока и, преодолевая силы тяжести грунта, приводит к его разжижению. При этом возможно вымывание грунта вместе с водой – механическая суффозия, вследствие чего увеличиваются поперечные размеры водотока.

Созданные методические основы построения трёхмерной гидрогеомеханической модели хвостохранилища горнорудного предприятия получили подтверждение комплексными экспериментальными наблюдениями на ГТС хвостохранилища обогатительной фабрики ГОК «Олений ручей».

Установлены признаки наличия в теле насыпного гидротехнического сооружения (ГТС) локальных фильтрационных нарушений, что позволило сформировать единый комплекс визуальных индикаторов, включающий: следы суффозионного выноса материала сооружения; локальные оседания и поднятия поверхности полок насыпных ГТС; сконцентрированный выход фильтрующихся вод в основании сооружения или отдельных уступов; фонтанирование воды у основания сооружения.

Фильтрационные процессы имеют важное значение для безопасности и надежности насыпных ГТС, при этом наиболее опасными являются локальные нарушения фильтрационных процессов, которые являются причиной около трети всех аварий на подобных сооружениях. В данном исследовании на основании различных механизмов воздействия локальных фильтрационных нарушений на тело и поверхность ГТС разработан комплекс внешних проявлений (индикаторов). Разработанный комплекс индикаторов позволяет своевременно идентифицировать подобные нарушения при проведении предписываемого законодательными актами визуального обследования, которое в отличие от других методов не требует дорогостоящего специализированного оборудования, высококвалифицированного персонала или нарушения целостности сооружения.

К таким индикаторам относятся следы суффозионного выноса материала, так как локальные нарушения фильтрационных процессов приводят к смещению баланса сдвигающих и сдерживающих сил, воздействующих на частицы материала сооружения, что приводит к их вымыванию на поверхность. Суффозионный вынос материала сооружений приводит к формированию в теле сооружения полостей или участков разуплотненных пород, что в дальнейшем приводит к локальным оседаниям поверхности полок, в связи с этим подобные локальные оседания участков поверхности полки так же может служить внешним проявлением наличия фильтрационных нарушений. Еще одним индикатором является сконцентрированный выход фильтрующихся вод на поверхность сооружения или у его основания, так как фильтрационные нарушения обладают низкими противофильтрационными свойствами, что приводит к концентрации на них потоков фильтрующихся, а также за счет действия гидростатического давления. Кроме того, действие гидростатического давления, передаваемого от ограждаемого прудка через фильтрационные нарушения, может приводить к фонтанированию воды у основания сооружения, что тоже является индикатором наличия подобных нарушений. Индикатором наличия локального фильтрационного нарушения служит не только оседание поверхности полки, но и ее поднятие относительно соседних участков, которое происходит вследствие воздействия на данном участке высокого гидростатического давления.

Полученный комплекс индикаторов обладает научной новизной и имеет важное практическое значение для насыпных ГТС горнорудных и энергетических предприятий. Результаты исследования апробированы на насыпных ГТС крупных добывающих предприятиях западной части российского сектора Арктики: АО «Ковдорский ГОК», АО «Кольская ГМК», АО «Апатит», ОА «СЗФК», АО «ОЛКОН».

Как показывают результаты исследований, порядка трети всех аварий на насыпных ГТС происходят в результате негативного действия локальных нарушений противофильтрационных процессов. Однако, несмотря на это, воздействие таких нарушений на устойчивость насыпных ГТС остается недостаточно изученным. Так не существует индикаторов и методик проведения визуального осмотра, которые позволяли бы идентифицировать и устранять подобные нарушения.

Локальное нарушение фильтрационных процессов приводит к суффозионному выносу материала сооружения, который откладывается на поверхности сооружения и может служить индикатором наличия на данном участке фильтрационного нарушения (рис. 1).


 
Рисунок 1 − Следы суффозионного выноса хвостовых отложений.

Кроме того, суффозионный вынос материала сооружения приводит к образованию в теле ГТС полостей и участков разуплотненных пород, которые приводят к разрушению и проседанию поверхностей полок на данном участке. В связи с этим, проседания и локальные разрушения поверхностей полок насыпных ГТС могут служить индикатором наличия локальных фильтрационных нарушений.

Так же локальные нарушения приводят к перераспределению фильтрующихся в теле сооружения вод, которые обычно характеризуются положением депрессионной кривой. Так как локальные фильтрационные нарушения являются участками ГТС со сниженными противофильтрационными свойствами, происходит концентрация фильтрующихся потоков в области нарушения. Кроме того, локальные фильтрационные нарушения являются каналом передачи гидростатического давления от ограждаемого водного объекта. В результате локальное нарушение фильтрационных свойств проявляется на поверхности сооружения в виде сконцентрированного выхода фильтрующихся вод, а также может проявляться выходом воды или даже ее фонтанированием у основания сооружения (рис. 2).


  Рисунок 2 − Выходы фильтрующихся вод на поверхность.

Кроме выходов фильтрующиеся воды на поверхность и фонтанирование у основания сооружения гидростатическое давление, передаваемое через фильтрационные нарушения, может приводить к локальным поднятиям поверхности полки. Чаще всего поднятия могут наблюдаться при применении средств повышения противофильтрационных свойств сооружения, в результате чего могут перекрываться пути реализации гидростатического давления. При этом возросшее гидростатическое давление может приводить к усилению суффозионного выноса частиц материала сооружения, что впоследствии приводит к разуплотнению пород на данном участке, формированию полостей, и проседанию или обрушению пород в эти полости (рис. 3).


 
Рисунок 3 − Деформации поверхности насыпного ГТС: 1 – линия первоначального локального поднятия, 2 – линия последующего локального оседания и обрушения.

Предложены геофизические критерии оценки состояния скальных пород уступов карьера, заключающиеся в количественной оценке изменения амплитудной характеристики отраженного сигнала, диэлектрической проницаемости и показателя сплошности массива, что позволило повысить достоверность и технологичность интерпретации данных георадиолокации для оценки состояния пород и решения задач локализации структурных нарушений.

В результате исследований выполнено сопоставление изменений амплитудной характеристики отраженного сигнала, диэлектрической проницаемости пород и атрибутных значений волнового поля, являющимися показателем сплошности массива, с геологическими данными, участка горизонта +40м, карьера рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК», полученных по данным метода георадиолокации.

Результатом георадиолокационных измерений является радарограмма - массив амплитуд отражённых и дифрагированных волн. На фоне сильных низкочастотных помех, которые вызваны наличием воды в массиве горных пород, уровень грунтовых вод 10-12 м от поверхности, четко прослеживается граница структурной нарушенности пород, мощностью около 2-х метров на глубине 4-8 м, представленной в виде всплеска максимальных амплитуд георадиолокационного сигнала (рис. 1).


  Рисунок 1 − Интерпретация данных георадиолокации:
а - обработанная радарограмма, б - интерпретированная радарограмма, в - геологический разрез.

Основным параметром, характеризующим возможности применения георадиолокации в различных средах, является ее диэлектрическая проницаемость, влияющая на скорость прохождения электромагнитных волн. Учитывая то, что сухие/монолитные, слаботрещиноватые породы имеют низкие значения диэлектрической проницаемости (рис. 2а), а насыщенные водой, пористые, проницаемые, трещиноватые породы имеют высокие значения диэлектрической проницаемости (рис. 2б), необходимо разделять зоны нарушенности от водонасыщенных зон.

а)                                            б)


 
Рисунок 2 − Взаимосвязь диэлектрической проницаемости с нарушенностью (а)
и водонасыщенностью массива пород (б).

Как видно из рисунка 3а в приповерхностной зоне глубиной до 1.5-2 метров значения диэлектрической проницаемости колеблются в районе 10.5 ед. (голубая палитра), это, как правило, нарушенная зона от взрыва предыдущего этапа при постановке уступа на контур. Далее на глубине 2-4 м наблюдается незначительное понижение диэлектрической проницаемости до 9-9.5 ед. (желтая палитра), здесь породы менее нарушены. Далее на глубине 4-8 м профиля выделяется зона повышенных значений диэлектрической проницаемости 12 ед, где в интервале профиля 0-15 и 25-40 м достигает пиковых значений 12.5 ед (синяя палитра), здесь породы нарушены сильнее всего. Выявленная зона нарушенности по данным анализа значений диэлектрической проницаемости массива скальных пород совпадает с проведенным выше для рисунка 1 детальным анализом амплитудно-частотных характеристик электромагнитных трасс. На глубине 10-12 м, где по данным геологического разреза проходит уровень грунтовых вод, здесь значения диэлектрической проницаемости также высоки и составляют 11.5-12 ед, однако отделить границу воды и нарушенной зоны можно только субъективно или основываясь на геологические данные. Ниже 15 м глубины (красная палитра), значения диэлектрической проницаемости уменьшаются, доходя до значений 7.5-8 ед., что соответствует нетронутому монолитному массиву.

  Рисунок 3 − Разрез, построенный по данным распределения значений диэлектрической проницаемости (а) и показателя сплошности массива - атрибут Q фактор (б).

Рассматривая возможности атрибутного анализа волнового поля, выделяется разрез, построенный с использованием атрибута добротности поля обратного рассеяния (рис.3 б), так называемого Q фактора, который характеризует электромагнитные потери в среде и корреляционно связан с прочностью. Атрибут Q фактор, выступает как показатель сплошности, монолитности скальной породы, чем меньше его значение, тем более монолитна среда и наоборот. На основании анализа распределения атрибута Q фактор контрастно выделяется зона высоких значений 4.5 ед. (синяя палитра), которая отражает потерю сплошности массива и интерпретируется как нарушенная зона, глубина 4-10 м. Значения атрибута Q фактор в остальной части полученного разреза изменяется незначительно и лежит в интервале 1.5 ед.
Применение такого структурного подхода, с анализом геофизических признаков георадиолокационных данных, для оценки состояния скальных пород, позволяет существенно повысить достоверность и технологичность интерпретации данных неразрушающего подповерхностного исследования.

Разработан методический подход по оценке технического состояния горнопромышленных дамб, основанный на синхронизации методов оптико-электронного и инфракрасного дистанционного зондирования Земли посредством ретроспективного анализа геопространственных спутниковых данных по тематическим индексным показателям, что позволяет выявить качественные изменения фильтрационных характеристик гидротехнических сооружений с определением площади промышленных стоков.

В настоящее время цифровые технологии в сфере дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) активно развиваются и имеют глобальный рынок сбыта. Европейское космическое агентство (ESA) является одним из лидеров в этой области. В рамках программы Copernicus данным агентством разработана комплексная программа миссий под названием Sentinel с целью получения оперативных спутниковых данных высокого пространственного разрешения. В этих миссиях используется ряд инновационных технологий, таких как радары и приборы для получения многоспектральных изображений для мониторинга суши, океана и атмосферы с полным охватом Земной поверхности.

В Северо-Западном Арктическом регионе особенностью проектирования и строительства горнопромышленных дамб крупных горнодобывающих комплексов (АО АПАТИТ, АО СЗФК, АО Ковдорский ГОК, АО ОЛКОН и др.) является сопряженность их местоположения с природными (природно-охраняемыми) системами. В задачах обеспечения промышленной и экологической безопасности данного класса гидротехнических сооружений со стороны соответствующих надзорных организаций предусмотрены регулярные наблюдения на основе многоуровневых исследований и натурных измерений.

В развитии теории многоуровневых исследований был разработан методический подход по оценке технического состояния горнопромышленных дамб, основанный на синхронизации методов (оптико-электронного и инфракрасного) ДЗЗ посредством ретроспективного анализа геопространственных спутниковых данных по тематическим индексным показателям: Nature Color(NC), Normalized Difference Water Index(NDWI), Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Scene Classification Map(SCM) и Ulyssys Water Quality Viewer (UWQV). Использование метода позволяет по вышеприведенным качественным индексным показателям выявить наземные изменения фильтрационных характеристик гидротехнических сооружений в сопряженных природных системах с определением площади вероятных промышленных стоков.

В рамках проверки методического подхода был выполнен ретроспективный анализ технического состояния дамб горных предприятий АО «Апатит», АО «СЗФК», АО «Ковдорский ГОК» и АО «ОЛКОН» на основе спутниковых двухрежимных наблюдений. В качестве примера на рисунке 1 приведены результаты оценки рисков формирования опасных фильтрационно-деформационных процессов в районе Восточной дамбы АО Ковдорский ГОК, сопряженной с водной природно-охраняемой территорией - оз. Ковдор и устьем реки. Решение задачи было осуществлено путем поиска и интерпретации изображений высокого пространственного разрешения, полученных с помощью спутниковых систем CNES/Airbus и ESA Sentinel-2/3. Ретроспективный анализ динамических изменений фильтрационных характеристик гидротехнического сооружения был проведен на основе интерактивной цифровой обработки и сопоставления космоснимков по водным индексным показателям NDWI и UWQV (а также картографическим – NC и SCM)за последний годовой период наблюдений. Результаты ДЗЗ подтвердили функциональную надежность конструкции исследуемой дамбы гидротехнического сооружения в обеспечении промышленной безопасности горнорудного предприятия.

Научный подход также может быть применен на других аналогичных объектах региона.


  Рисунок 1 − Результаты ДЗЗ территории промышленного ГТС-отстойника и сопряженной с ним природной системы, полученные с помощью спутниковой системы ESA Sentinel.

Разрушение горных пород
На основе данных сейсмического мониторинга массовых взрывов и анализа результатов численных экспериментов в трёхмерной постановке по взрыву скважинных зарядов вблизи свободной поверхности разработана методика оценки сейсмовзрывного воздействия на законтурный массив. Методика позволяет производить оценку размеров зон трещинообразования и заколообразования, исходя из которых подбирать параметры взрывания, обеспечивающие минимизацию сейсмического воздействия на законтурный массив.

В настоящее время для описания процесса разрушения горных пород при взрыве удлиненных зарядов используются упрощенные модели, в которых удлиненный заряд представляется в виде непрерывного ряда элементарных сосредоточенных зарядов, инициируемых последовательно через равные промежутки времени и рассматриваются только параметры волн напряжений в заданной области по интенсивности которых судят о характере разрушения массива и практически не учитывается динамика процесса. При взрывании скважинных зарядов ВВ, расположенных на уступе скального массива, форма зоны дробления для отдельного заряда условно принимается в виде вертикального полуцилиндра с выпуклостью в сторону боковой открытой поверхности с примыкающими полусферами по концам зарядов. Но как показали результаты математического моделирования при наличии боковой открытой поверхности уступа симметрия распространения разрушений от заряда не соблюдается (рис. 1). Разрушения в основном направлены в сторону боковой и верхней открытых поверхностей. В противоположную тыльную сторону массива разрушения распространяются на небольшие расстояния в пределах зоны дробления напряжениями сжатия в прямой волне.


 
Рисунок 1 − Развитие зоны разрушения и перемещения отбиваемого слоя в различные моменты времени при взрыве скважинного заряда диаметром 250 мм при наличии открытых поверхностей по данным математического моделирования и сравнение выпучивания массива
с результатами взрыва в натурных условиях.

По результатам моделирования получены количественные значения давлений при взрыве скважинного заряда в различные моменты времени (рис. 2) и скоростей смещения в тыльной части массива на различных высотных уровнях заряда (рис. 3).


 
Рисунок 2 − Поле давлений в различные моменты времени при взрыве скважинного заряда
на свободную поверхность.

  Рисунок 3 − Графики изменения скорости смещения на различных расстояниях
и высотных уровнях от заряда.

Полученные результаты позволили расширить существующие представления о механизме действия взрыва скважинного заряда при уступной отбойке и в динамике оценить характер разрушения и движения отбиваемого слоя при взрыве на свободную поверхность, а количественные значения параметров волн напряжений оценить ширину зон трещинообразования и наведенной трещиноватости в тыльную часть массива на различных высотных уровнях уступа.

Рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Методом трехмерного численного моделирования на примере карьера рудника «Железный» Ковдорского ГОКа выполнена оценка процесса загрязнения атмосферы карьера во времени и пространстве при работе дизельной техники. Показано, что в условиях инверсионного состояния атмосферы карьера накопление вредных примесей происходит на подветренном борту и зависит от количества одновременно работающей техники и высотного уровня их расположения в карьере. Полученные результаты позволяют обоснованно прогнозировать состояние атмосферы карьера и корректировать организацию горных работ в карьере с учетом газовой обстановки.

Обогащение полезных ископаемых
Разработана техническая документация на промышленный магнитно-гравитационный сепаратор МГС-2.0 и передана производителю для серийного изготовления и реализации на предприятиях отрасли по переработке железистых кварцитов. Применение магнитно-гравитационной сепарации в технологии получения железорудных концентратов обеспечивает повышение их качества до уровня 70% содержания железа при существенном снижении себестоимости и потерь полезного минерала с хвостами обогащения.

Завершено внедрение магнитно-гравитационной сепарации на АО «Карельский окатыш» (ПАО «Северсталь»), позволяющей из труднообогатимой руды Костомукшского месторождения производить высококачественный железорудный концентрат с содержанием железа не менее 70% (рис.). На фабрике обогащения АО «Карельский окатыш» установлено 48 единиц разработанных Горным институтом КНЦ РАН магнитно-гравитационных сепараторов модели МГС-2.0, оснащенных современнейшей автоматизированной системой управления процессом разделения и соответствующих стандартам обогатительного оборудования мирового уровня. Общий объем инвестиций в 2020 году на оснащение производства железорудного концентрата высокоэффективным магнитно-гравитационным оборудованием составил 499 млн. рублей, при этом ожидаемый эффект от внедрения разработки составит не менее 300 млн. рублей в год. Также магнитно-гравитационные сепараторы МГС-2.0 в количестве 8 единиц внедряются на обогатительной фабрике ООО "ГРК "Быстринское" (ПАО «ГМК «Норильский никель») с целью повышения качества магнетитового концентрата и снижения содержания серы в нем.

Проведены промышленные испытания четырех магнитно-гравитационных сепараторов МГС-2.0 на АО «Стойленский ГОК» (ПАО «НЛМК»), результаты которых подтвердили высокую эффективность их применения для повышения качества производимого железорудного концентрата. Принято решение о внедрении 76 единиц сепараторов МГС-2.0 на фабрике обогащения АО «Стойленский ГОК» в 2021 году.

Промышленные испытания магнитно-гравитационного сепаратора МГС-2.0 на фабрике обогащения Соколовско-Сарбайского ГОКа (ФРПО АО «ССГПО», Казахстан) подтвердили эффективность использования магнитно-гравитационной сепарации для повышения качества производимого железорудного концентрата при переработке труднообогатимых руд. Принято решение о внедрении инновационной технологии обогащения с использованием магнитно-гравитационной сепарации. В настоящее время разрабатывается технологический регламент на проектирование технологической секции для модернизации существующего производства.

С АО «Южный ГОК» (Украина) подписан меморандум о проведении в 2021 году полномасштабных исследований по использованию магнитно-гравитационной сепарации в технологии переработки железистых кварцитов для повышения качества производимых на предприятии магнетитовых концентратов. Ведутся переговоры о поставке партии сепараторов МГС-2.0 для оснащения экспериментальной технологической секции.

Предложена математическая модель агрегирования тонких ферромагнитных частиц в разделительных объёмах обогатительного оборудования. В основе математической модели лежит решение системы дифференциальных уравнений идеального смешения для описания кинетики процессов агрегирования ферромагнитных частиц и их вывода в продуктивный класс.
Обогатительное оборудование, использующее в своей работе процессы агрегирования ферромагнитных частиц, имеет, как правило, сложную конструкцию, в отдельных частях которой происходят процессы, различающиеся по действию массовых сил. Конструктивно можно выделить отдельные зоны, в которых действуют комбинации сил гидродинамического сопротивления, магнитных сил различной природы, сил инерции, в том числе и центробежной.

Математический аппарат каждого функционального блока описывает изменение концентраций отдельных фракций в его объеме и представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 − Схема построения дифференциальных уравнений модели функционального блока технологического аппарата.

Действие магнитных сил различной природы приводит к структурированию тонких ферромагнитных частиц технологической суспензии. Магнитные межчастичные взаимодействия частиц в ферромагнитных суспензиях на основе внешних или собственных магнитных полей приводят к образованию агрегатов частиц. Процессы агрегирования модифицируют физические и физико-химические свойства частиц и делают их пригодными для проведения различных технологических процессов. В процессах гравитационного разделения агрегирование частиц изменяет скорости осаждения или гидравлические крупности частиц. Физические и физико-химические свойства образующихся агрегатов, такие как плотность, крупность, форма, гидравлическая крупность, магнитная восприимчивость, адсорбционная способность зависят от напряженности внешнего магнитного поля, распределения ферромагнитных частиц по крупности, магнитной восприимчивости и их объемного содержания в суспензии. Для математического описания нестационарных режимов процессов изменения концентраций частиц в объеме используем систему дифференциальных уравнений модели “идеального смешения” структуры потоков.

Изменение концентрации частиц исходной суспензии в объеме аппарата зависит от скорости подачи исходной суспензии, скорости гравитационного осаждения частиц, скорости флокуляции частиц исходной суспензии.

Уравнения покомпонентных балансов модели идеального смешения в общем виде записываются следующим образом

             
В рассматриваемом случае в объем входит поток тонких ферромагнитных частиц, обладающих собственными или индуцированными магнитными моментами. Индуцированный магнитный момент появляется у ферромагнетиков во внешнем магнитном поле. После снятия внешнего магнитного поля у частиц остается остаточный магнитный момент. Взаимодействие магнитных моментов приводит к межчастичному взаимодействию, которое проявляется как флокуляция или агрегирование частиц. Уравнения покомпонентных балансов должны учитывать массообмен между нефлокулированным и флокулированным состояниями частиц. Образовавшиеся флокулы и частицы исходной суспензии, которые не подверглись флокуляции, осаждаются под действием гравитационной силы и выводятся из рассматриваемого объема.


 

 

Изменение концентрации флокулированных частиц в объеме аппарата зависит от

С использованием математического аппарата прямого и обратного преобразований Лапласа получен явный вид решений кинетических уравнений процесса флокуляции магнетитовых частиц:


 
Центрами магнитных агрегатов становятся частицы с максимальными собственными или индуцированными внешним полем магнитными моментами. Скорость агрегирования ферромагнитных частиц в суспензии   [кг/с] зависит от вида и формы функций плотности их распределений по крупности и содержанию магнитного компонента и от гидродинамических условий в зоне агрегирования. Интенсивные сдвиговые потоки жидкости создают условия для разрушения магнитных агрегатов.

Магнитные агрегаты в виде шарообразных флокул, образовавшихся в результате взаимодействий собственных магнитных моментов частиц, или в виде цепочек под действием внешнего магнитного поля осаждаются в объеме аппарата. Скорости осаждения зависят от структуры, плотности, формы агрегатов.

На основе сравнительного изучения кинетики измельчения бедных и богатых лопаритовых руд установлены общие закономерности формирования эффективного обогащаемого класса крупности (0,63+0,07 мм), что позволяет, управляя режимом измельчения, достичь для бедных руд показателей разделения, сравнимых с показателями обогащения богатых руд.

На основе изучения кинетики измельчения бедной лопаритовой руды перспективной и руды текущей добычи проведена оценка закономерностей измельчения, анализ раскрытия полезного компонента, выявление склонности к ошламованию. Для исследуемых руд проведено их сравнение с точки зрения критерия оптимальности, т.е. исходя из обеспечения максимального выхода эффективно обогащаемого класса крупности (0,63+0,07 мм) при минимальном переизмельчении руды (класс -0,07 мм). Выявлено, что вбедных рудах по сравнению с рудами текущей добычи: содержание лопарита ниже практически на 50%; для получения продукта оптимальной крупности требуется в 1,5 раза больше времени измельчения; количество шламов увеличивается на 28 %; удельная производительность мельницы по вновь образованному классу снижается на 29 %; удельные энергозатраты возрастают на 50%; скорость измельчения крупных классов бедной руды на 30-40 % ниже, чем скорость аналогичных классов руды текущей добычи (табл. 1, рис. 1).


 
Рисунок 1 − Изменение скорости измельчения в стержневой мельнице различных остатков беднойлопаритовой руды (а) и руды текущей добычи (б) в зависимости от содержания классов.

Несмотря на различия в показателях измельчения, распределение лопарита в продуктивном классе и шламах для рассматриваемых руд сопоставимы, что свидетельствует об отсутствии переизмельчения полезного минерала при достижении оптимальной крупности, для обеих руд достигается одинаково высокая степень раскрытия лопарита 89-93 %, что создает предпосылки для достаточно эффективного ведения процесса гравитационного обогащения. Показано, что показатели разделения на винтовом сепараторе для обеих руд практически не отличаются при подаче материала оптимальной крупности (рис. 2).

Таблица 1 − Сравнительные значения показателей измельчения до оптимальной крупности 0,63 мм лопаритовой руды перспективной и текущей добычи


 
Рисунок 2 − Показатели винтовой сепарации лопаритовой руды

Выявленные особенности необходимо учитывать при вовлечении в переработку бедных руд для оптимизации технологических параметров рудоподготовительных операций.

Изучение основных закономерностей процесса измельчения в барабанных мельницах является необходимым фактором для анализа, расчета и рекомендаций при решении практических задач в области технологии раскрытия минералов и их эффективного разделения. Выявленные особенности необходимо учитывать при вовлечении в переработку бедных руд для оптимизации технологических параметров рудоподготовительных операций.

Обосновано верхнее значение крупности (80 мм) кускового материала железистых кварцитов Оленегорского месторождения при реализации процесса предконцентрации посредством сухой магнитной сепарации, обеспечивающей возможность эффективного разделения горной массы на три продукта – магнетит-гематитовый, преимущественно гематитовый и породный.

Установлено, что по текстурно-структурным особенностям и минеральному составу железистые кварциты можно разделить на два типа:

    1 тип – существенно магнетитовые железистые кварциты, в которых магнетит образует тонкозернистые плотные матовые прослои, гематит макроскопически не наблюдается; текстура полосчатая, слои залегают параллельно друг другу, плойчатость не наблюдается; магнетитовые слои чередуются с кварцевыми, сложенными черным кварцем, мощность рудных и кварцевых слоев варьирует (рис. 1 а-в, и-л);
    2 тип – железистые кварциты тонко- и слабополосчатые, рассеянные, от мелко- до крупнозернистых, характерная плойчатость; магнетитовые и гематитовые слои хорошо различимы; (рис. 1 г-з, м-о).

Определено, что основная часть железистых кварцитов 1 типа характеризуется малыми включениями гематита – основная масса кускового материала содержит не более 5-7% Feгемм (рис. 2). Зависимость, изображенная на рисунке 2 характерна также и для образцов крупностью от 25 до 150мм. Однако, технологическими исследованиями установлено, что верхняя граница крупности кускового материала горной массы, при которой обеспечивается формирование магнетит-гематитового, содержащего 20,7% Feмагн и 9,2%Feгем, преимущественно гематитового, содержащего 3,0% Feмагн и 7,9%Feгем и породного продукта, содержащего 0,2% Feмагн 1,9%Feгем, не должна превышать 80мм. Поскольку только при соблюдении этого ограничения наблюдается рост селективности разделения, выражающийся в минимизации разубоживания магнитной фракции породами. При этом потери Feобщс немагнитной фракцией в классе крупности материала-80+50мм составляют 6,1%, а в классах крупности -150+80мм – 10,5%.


 
Рисунок 1 − Железистые кварциты Оленегорского месторождения в образцах (а-з) и в аншлифах в отраженном поляризованном свете (и-о): Hem – гематит, Mgt – магнетит, Qz – кварц.


  Рисунок 2 − Распределение содержаний FeгемиFeмагн в исследуемых кусках
железистых кварцитов крупностью -80+50мм.

Предложен и апробирован способ повышения полноты извлечения полезного минерала при обогащении нефелинового сырья Горячегорского месторождения, основанный на включении в технологическую схему операции перечистной флотации темноцветных минералов с последующей магнитной сепарацией камерного продукта, обеспечивающий повышение выхода концентрата более чем на 2% и извлечения глинозема в концентрат на 3%.

По результатам ранее выполненных исследований обогатимости нефелиновых пород Горячегорского месторождения наилучшие показатели обогащения получены с использованием магнито-флотационной схемы. Получен нефелинсодержащий концентрат, содержащий 26,6% Al2O3общ., 2,2% Feобщ., пригодный для производства глинозема. Извлечение Al2O3общ. в концентрат составило 89%.

С целью повышения полноты извлечения полезного минерала в концентрат с учетом минералого-технологических свойств пород выполнены исследования по усовершенствованию технологической схемы их обогащения.

Усовершенствованная технологическая схема включает: измельчение пород до крупности -0,315 мм, операцию магнитной сепарации в слабом поле на барабанном сепараторе (индукция магнитного поля 0,1 Тл), обесшламливание материала немагнитной фракции по крупности 30 мкм, основную флотацию темноцветных минералов, перечистную флотацию темноцветных минералов, магнитную сепарацию камерного продукта перечистки при оптимальной магнитной индукции 0,55 Тл.

С использованием новой технологической схемы, отличающейся введением операции перечистной флотации темноцветных минералов с последующей магнитной сепарацией камерного продукта, достигнуты более высокие показатели обогащения нефелиновых пород. Выход концентрата, состоящего из камерного продукта основной флотации, магнитной фракции камерного продукта перечистки и шламов, в среднем увеличился на 2,3% при неизменном его качестве, а извлечение глинозема в концентрат в среднем повышено на 3%.

Сравнительные показатели обогащения нефелинового сырья
Горячегорского месторождения

Горная экология
Обоснована методология прогнозирования динамики восстановления природных экосистем при восстановлении нарушенных земель горнопромышленной отрасли в соответствии с принципом их самоорганизации созданием биологически активной среды. В основе методологии лежит анализ комплексного мониторинга объекта наблюдения, включающий временные ряды спутниковых данных вегетационного индекса и геоботанических описаний формирующегося фитоценоза в ходе эволюции системы «горная порода – биота» в климатических условиях Арктики. Анализ показал, что образование биологически-активной среды в результате создания сеяного злакового фитоценоза без нанесения плодородного слоя обеспечивает увеличение энергетического потенциала системообразующей функции биоты и приводит к формированию фитоценоза со структурой природного ландшафта значительно быстрее, чем при самозарастании.

Экологические проблемы освоения месторождений минерального сырья в значительной степени связаны с необходимостью складирования отходов добычи и переработки, являющихся источником загрязнения природной среды. Большие площади складированных отходов рудообогащения определяют целесообразность применения спутниковых данных наряду с наземными для комплексного мониторинга  экологического состояния нарушенных земель с целью принятия обоснованных решений по восстановлению целостности природных ландшафтов, что отвечает современным требованиям, предъявляемым к нарушенным землям, и имеет принципиальное значение для Арктических регионов, характеризующихся низким потенциалом самовосстановления природной среды.

Тестовым объектом определены складируемые отходы обогащения Хибинской группы месторождений апатитсодержащих руд, характеризуемые максимальным проявлением факторов, лимитирующих самозарастание, на котором в течение 40 лет проводится мониторинг динамики восстановления природных ландшафтов при реализации разработанной в Горном институте Кольского научного центра РАН технологии восстановления нарушенных земель в соответствии с принципом самоорганизации природных систем в рамках эволюции «горная порода – биота» созданием сеяного без нанесения плодородного слоя злакового фитоценоза, обеспечивающего образование биологически активной среды (рис. 1).

Анализ данных комплексного мониторинга динамики восстановления нарушенных земель горнопромышленной отрасли на основе временного ряда спутниковых данных вегетационного индекса и геоботанических исследований лесной стадии сукцессии сеяного злакового фитоценоза, характеризующейся формированием фитоценоза со структурой окружающего природного ландшафта, показал возможность прогноза динамики восстановления природных экосистем (рис. 1, 2).


 
Рисунок 1 – Этапы сукцессии сеяного злакового фитоценоза при восстановлении
нарушенных земель горнодобывающей отрасли в соответствии с принципом
самоорганизации природных систем созданием биологически активной среды
0 –до создания сеяного злакового фитоценоза, 1-5 – стадии сукцессии сеяного фитоценоза.

  Рисунок 2 – Временной ряд вегетационного индекса (NDVI),
характеризующий сукцессию сеяного злакового фитоценоза
(вегетационный индекс фитоценоза окружающего природного ландшафта 0.76).