«СПРАВКА о научной и научно-организационной деятельности Учреждения Российской академии наук Института горного дела Уральского отделения РАН 2006-2010 гг. Директор Института проф., д.т.н. Корнилков С.В. Ученый секретарь ...»

Тема 2: Теоретические основы ресурсосберегающих технологий добычи и переработки минерального и техногенного сырья с целью комплексного решения проблем развития минерально-сырьевой базы (рук. д.т.н. Корнилков С.В., чл.-корр. РАН Яковлев В.Л.).

Тема 3: Создание теоретических и методологических основ моделирования геосистем горного предприятия (рук. д.т.н. Корнилков С.В.).

Тема 4: Разработка геоэкологических основ предотвращения и ликвидации негативного воздействия на окружающую среду при освоении георесурсов (рук. д.т.н. Конорев М.М.).

Приоритетное направление – (06) Рациональное природопользование 56 – Физические поля Земли – природа, взаимодействие, геодинамика и внутреннее 64 – Катастрофические процессы природного и техногенного происхождения, сейсмичность – 16 – Технологии оценки ресурсов и прогнозирования состояния литосферы и биосферы 21 – Технологии снижения риска и уменьшения последствий 34 – Технологии экологически безопасной разработки месторождений и Рис. 3. Темы фундаментальных исследований ИГД УрО РАН на 2010-2012 гг.

В выполнении каждой из указанных тем участвуют коллективы нескольких лабораторий, направления фундаментальных исследований которых взаимоувязаны на основании утвержденных Ученым советом «Направлений научных исследований лабораторий» и координируются научными руководителями тем при формировании годовых планов исследований (рис. 4).

Рис. 4. Структура научной части Института горного дела УрО РАН 2.3. Участие Института в выполнении программ фундаментальных исследований Президиума РАН и отделений РАН 2.3.1. Программы Президиума РАН В отчетный период Институт участвовал в выполнении 4 программ фундаментальных исследований Президиума РАН:

- по программе Президиума РАН №16 «Изменение окружающей среды и климата:

природные катастрофы» (2006-2008 гг.) выполнялся проект «Влияние изменения солнечной активности на напряженное состояние и геодинамику земной коры Урала» (рук. д.т.н. Зубков А.В.).

- по программе Президиума РАН №19 «Прогноз технологического развития экономики России с учетом мировых интеграционных процессов» (2006-2008 гг.) выполнялся проект «Мировые тенденции и Российские проблемы производства и потребления минерального сырья»

(рук. чл.-корр. РАН Яковлев В.Л.).

- по программе Президиума РАН №14 ( в 2010 г.- №23, а в 2011 г.- №24) «Научные основы эффективного природопользования, развития минерально-сырьевых ресурсов, освоения новых источников природного и техногенного сырья» (2009-2011 гг.) выполняется проект «Научное обоснование и разработка новых методов эффективного и экологически безопасного освоения природных и техногенных месторождений Урала» (рук. чл-корр. РАН Яковлев В.Л., д.т.н.

Корнилков С.В.).

- по программе Президиума РАН №16 «Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные явления и катастрофы» (2009 г.) выполнялся проект «Исследование явления расширения и сжатия Земли, корреспондирующегося с циклами Солнечной активности»

(рук. Зубков А.В.).

2.3.2. Программы Отделения наук о Земле РАН В период 2006-2010 гг. Институт участвовал в исследованиях по 3 программам Отделения наук о Земле.

- по программе ОНЗ РАН № 3 «Техногенное преобразование недр Земли: развитие теоретических основ эффективного использования и сохранения георесурсов» (2006-2008 гг.) выполнялся проект «Геотехнологическая оценка ресурсного потенциала природных и техногенных месторождений Урала» (рук. чл.-корр. РАН Яковлев В.Л.).

- по программе ОНЗ РАН № 12 «Природные и социально-экономические изменения окружающей среды (2006-2008 гг.) выполнялся проект «Исследование влияния техногенных воздействий горнопромышленных комплексов Уральского федерального округа на изменение структуры земельных ресурсов, водного и воздушного бассейнов как факторов изменения окружающей среды» (рук. д.т.н. Конорев М.М.).

- по программе ОНЗ РАН № 3 «Комплексное освоение недр Земли: новые методы разработки, обогащения многокомпонентных руд и углей в условиях кризиса» (2009-2011 гг.) выполняется проект «Обеспечение устойчивого развития горного производства при освоении месторождений многокомпонентных руд и углей» (рук. чл.-корр. РАН Яковлев В.Л.).

2.3.3. Интеграционные и междисциплинарные проекты В течение отчетного периода Институт выполнял 7 интеграционных проектов с коллективами институтов ИГД СО РАН, ИГДС СО РАН и ИГД ДВО РАН.

- «Деструкция земной коры и процессы самоорганизации в областях сильного техногенного воздействия», СО РАН, 2006-2008 гг., (рук. д.т.н. Сашурин А.Д.).

- «Исследование пульсирующего режима изменения напряжений для подземных условий шахт Краснотурьинска, Нижнего Тагила, Березовский и Гай, а так же на поверхности в районе гг.

Среднеуральск и Верхняя Пышма (Урал)», СО РАН, 2006-2008 гг., (рук. д.т.н. Зубков А.В.).

- «Развитие научных основ безвзрывной технологии открытой добычи полезных ископаемых на месторождениях Урала и Сибири», СО РАН, 2006-2008 гг. (рук. д.т.н. С.В.

Корнилков).

- Разработка теоретических основ экономически эффективного и экологически безопасного освоения минеральных ресурсов», ДВО РАН, 2006-2008 гг., (рук. чл.-корр. РАН Яковлев В.Л.).

- «Землетрясения, горные удары, внезапные выбросы породы, угля и газа: механизмы формирования и критерии прогнозирования катастрофических событий», СО РАН, 2009-2011 гг., (рук. д.т.н. Сашурин А.Д.).

- «Разработка теоретических основ экономически эффективного и экологически безопасного освоения минеральных ресурсов в сложных природных условиях», ДВО РАН, 2009гг., (рук. чл.-корр. РАН Яковлев В.Л.).

- «Научное обоснование и разработка малоотходных и природоохранных технологий и технологических средств для открытой добычи твердых полезных ископаемых на месторождениях со сложными горно-геологическими и природно-климатическими условиями», СО РАН, 2009гг., (рук. д.т.н. С.В. Корнилков).

Кроме того выполнено и выполняется 2 междисциплинарных проекта и 1 интеграционный проект с НАН Беларуси Президиума Уральского отделения РАН:

- «Реабилитация горнопромышленных территорий», 2009 г., (рук. проф., д.т.н. Зотеев О.В.).

- «Освоение недр Земли: инновационное научно-технологическое развитие горнометаллургического комплекса Урала», 2009-2011 гг., (рук. чл.-корр. РАН Яковлев В.Л.).

- «Формирование горно-транспортных систем карьеров с эколого- и энергоэффективной технологией отработки глубокозалегающих месторождений», 2009-2011 гг., НАН Беларуси, (рук.

чл.-корр. РАН Яковлев В.Л.).

2.4. Участие Института в выполнении федеральных и региональных целевых программ научных исследований Институт участвовал в реализации 4 госконтрактов по федеральным целевым программам (ФЦП):

- Федеральная целевая научно-техническая программа «Развитие систем ведущих научных школ как среди генерации знаний и подготовки научно-педагогических кадров высшей квалификации. Выполнение научно-исследовательских работ по приоритетным направлениям программы» (2006 г.) выполнялся проект «Источники и механизм природно-техногенных катастроф при недропользовании» (Государственный контракт № 02.445.11.7388), рук. д.т.н.

Сашурин А.Д.

- ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2012 годы» (2007 г.), выполнялся проект «Исследование закономерностей развития природных и техногенных катастроф при недропользовании и разработка технологий снижения риска и тяжести последствий их проявления» (Государственный контракт № 02.515.11.5062), рук. д.т.н. Сашурин А.Д.

- ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009- гг., выполняется (2009-2011 гг.) проект «Геоинформационное, геомеханическое и геотехнологическое обеспечение освоения стратегически важных объектов минерально-сырьевого комплекса Сибири и Дальнего Востока» (Государственный контракт № 02.740.11.037), рук. д.т.н.

Аленичев В.М.

- ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009- гг., выполняется (2010-2012 гг.) проект «Исследование и разработка инновационных технологий спутниковой геодезии и объемного лазерного сканирования для мониторинга деформационных процессов территорий и объектов в районах добычи полезных ископаемых» (Государственный контракт № 02.740.11.0722), рук. д.т.н. Сашурин А.Д.

В 2010 г. Институт горного дела УрО РАН выступил в числе инициаторов формирования Технологической платформы «Разработка и коммерциализация инновационных энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий комплексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых и управления формированием потоков природного и техногенного минерального сырья, его глубокой переработки для создания продукции с высокой добавленной стоимостью». Платформа рассмотрена на Секции технологических платформ «Добыча минеральных ресурсов» Рабочей группы по государственно-частному партнерству при Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям. В настоящее время Технологическая платформа проходит экспертизу в Министерстве Экономического Развития РФ.

По заданию Правительства Свердловской области выполнен проект №10-5-12-СГ «Разработка стратегии инновационного развития горнорудного комплекса Урала». В проекте выполнен анализ тенденций развития горнодобывающей промышленности в мире, России, Урала и Свердловской области, а также технико-экономических показателей функционирования горных предприятий Свердловской области черной и цветной металлургии. Разработана концепция сырьевого обеспечения металлургического и машиностроительного комплексов Урала.

По заданию Правительства Свердловской области подготовлены материалы «Разработка и корректировка основных параметров схемы развития и размещения производительных сил Свердловской области на период до 2020 года по видам экономической деятельности – добыча полезных ископаемых». При условии выполнения намеченных инвестиционных программ и предлагаемых мероприятий по строительству новых горнодобывающих объектов, а также реконструкции действующих производств ожидается наращивание объемов добычи рудного сырья от 2% (железорудного) до 30% (руд цветных металлов) к 2015 г. и стабилизация добычи до 2020 г., рост производительности труда и заработной платы персонала.

2.5. Участие Института в грантах РФФИ Поддержка исследовательских и научно-организационных мероприятий Института в 2006гг. дополнительно осуществлялась по 14 грантам РФФИ и РФФИ-Урал.

РФФИ-Урал 04-05-96076 (2004-2007) Исследование региональных особенностей Урала как основы стратегии комплексного освоения его минерально-сырьевых ресурсов (рук. чл-корр. РАН Яковлев В. Л., д.т.н. Гальянов А. В.).

РФФИ-Урал 04-05-96082 (2004-2006) Экспериментальное исследование изменяющегося во времени напряженного состояния земной коры Урала-основы расчета устойчивости горных конструкций (рук. д.т.н. Зубков А. В).

РФФИ-Урал 04-05-96089 (2004-2006) Исследование взаимосвязи современной геодинамики с геоэкологическим риском аварийности объектов инфраструктуры и заболеваемости населения на урбанизированных территориях (рук. д.т.н. Сашурин А. Д.).

РФФИ-Урал 04-05-96103 (2004-2007) Исследование влияния мощных импульсных воздействий на интенсификацию процессов переработки минерального сырья (рук. к.г-м.н.

Борисков Ф. Ф.).

РФФИ 06-05-64404-а (2006-2008) Исследование роли современной короткопериодной геодинамики в формировании временных консолидированных блоков в иерархически блочном массиве горных пород в условиях естественного залегания и в области влияния техногенных факторов (рук. д.т.н. Сашурин А.Д.).

РФФИ 07-05-00613-а (2007-2009) Исследование механизмов деформирования и разрушения скальных и насыпных массивов в совместном поле статических и динамических напряжений (рук. д.т.н. Зотеев О. В.).

РФФИ 07-05-97403-р_б (2007) Развитие МТБ для проведения исследований в области знаний 05 - природно-техногенные катастрофы в сфере недропользования: истоки, механизм проявления и технологии предотвращения (рук. д.т.н. Корнилков С.В.).

РФФИ 08-05-06003-г (2008) Организация и проведение II Всероссийской молодежной научно-практической конференции по проблемам недропользования (рук. д.т.н. Корнилков С.В.).

РФФИ 08-05-06090-г (2008) Организация и проведение научно-технической конференции "Современные тенденции освоения минерально-сырьевых ресурсов твердых полезных ископаемых", посвященной 100-летию со дня рождения М.В. Васильева (рук. д.т.н. Корнилков С.В.).

РФФИ 08-05-06802-моб_г (2008) Организация и проведение III Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования: вопросы комплексного освоения глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых» (рук. д.т.н.

Корнилков С.В.).

РФФИ 09-05-06007-г (2009) Организация и проведение научно-практической конференции Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле (рук. к.т.н. Шеменев В.Г.).

РФФИ 09-05-06043-г (2009) Организация и проведение научно-технической конференции «Геотехнологические проблемы комплексного освоения недр», посвященной 120-летию со дня рождения академика Шевякова Л.Д (рук. д.т.н. Корнилков С.В.).

РФФИ 09-05-06068-г (2009) Организация и проведение X Международной научнопрактической конференции «Проблемы карьерного транспорта» (рук. чл.-корр. РАН Яковлев В.

Л.).

РФФИ 10-05-06011-г (2010) Организация и проведение IV Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (рук. д.т.н. Корнилков С.В.).

Количественные показатели выполненных за отчетный период научных и прикладных исследований приведены в таблице 1.

(проектов) фундаментальных и Годы 2.6. Важнейшие результаты научных исследований Наиболее важные результаты фундаментальных научных исследований, полученные в 2006-2010 гг., соответствуют приоритетному направлению – (06) Рациональное природопользование и сгруппированы в соответствии с классификатором Основных направлениям фундаментальных исследований РАН «Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008-2012 гг.» по разделам: 60 – Комплексное освоение недр и подземного пространства Земли, разработка новых методов освоения природных и техногенных месторождений; 56 – Физические поля Земли – природа, взаимодействие, геодинамика и внутреннее строение Земли; 64 – Катастрофические процессы природного и техногенного происхождения, сейсмичность – изучение и прогноз; 66 – Геоинформатика.

2.6.1. Комплексные фундаментальные исследования Института Разработан комплекс методик, научно-технологических решений и разработок, реализация которых обеспечивает поддержание, расширение и развитие минерально-сырьевой базы Урала, включая:

- освоение глубоких горизонтов месторождений с применением гибкой комбинированной геотехнологии, а также новой горной и транспортной техники с кратным повышением ее производительности, в том числе за счет стандартизации производственных процессов, обеспечивающих необходимый уровень эффективности и безопасности;

- вовлечение в эксплуатацию комплекса техногенных образований, месторождений, ранее считавшихся нерентабельными, и месторождений с ограниченными запасами, размещенных в непосредственной близости от действующих ГОКов;

- повышение степени извлечения полезного ископаемого из недр, в том числе за счет введения в технологический цикл добычи процессов предварительной рудоподготовки.

Совокупные исследования в области геомеханики, геотехнологии, геотехники и геоэкологии позволили разработать и научно обосновать стратегию создания и эксплуатации минерально-сырьевой базы Полярного и Приполярного Урала, отличительной особенностью которого является комплексность освоения недр при одновременном налаживании открытой инфраструктуры эксплуатирующих предприятий. Реализация предложенного принципа взамен действующего отраслевого, обеспечивается организацией общей промышленной инфраструктуры в районе ведения работ при максимальном сокращении потребности в трудовых ресурсах.

На основе систематизации многокомпонентных руд по технологическим условиям их добычи и переработки предложены инновационные технологии и определены перспективы обеспечения металлургического комплекса минеральным сырьем горнорудными предприятиями Урала до 2018-2020 гг., разработана экспресс-методика геолого-технолого-экологоэкономической оценки эксплуатации природного и техногенного сырья, основанная на создании и анализе геоинформационных моделей, предложены методы обеспечения устойчивого развития горного производства и предотвращения негативных воздействий кризисных ситуаций, в т.ч.

природно-техногенных, а также меры оперативного реагирования на изменения внешней и внутренней среды с целью эффективного природо- и недропользования.

Совокупность фундаментальных исследований позволила расширить базовый принцип комплексности освоения ресурсов недр, сформулировать и предложить:

- схему комплексных геолого-технолого-экономических исследований при освоении и развитии минерально-сырьевой базы труднодоступных регионов;

- основные правила построения модели будущего горного предприятия при формировании стратегии его развития, основанной на интенсивной комплексной отработке запасов, этапности изучения и отработки месторождения, применении высокопроизводительного мощного оборудования; выделении обособленных технологических зон ведения горных работ;

предварительной подготовки полезного ископаемого к обогащению и пр.;

- принцип комплексного освоения территорий, в соответствии с которым предусматривается осваивать месторождения по их местонахождению на территории определенного административного образования одной управляющей компанией, что позволит сконцентрировать все виды ресурсов, выстроить рациональную тактику и график освоения недр региона и их дальнейшего изучения, в комплексе решить проблемы развития региональной промышленной и социальной инфраструктуры.

2.6.2. Комплексное освоение недр и подземного пространства Земли, разработка новых методов освоения природных и техногенных месторождений (п. 60 «Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008-2012 гг.») Открытая и подземная геотехнология.

Установлено, что увеличение конструктивных углов погашения бортов карьеров и соответствующее уменьшение объемов вскрышных работ достигается путем оптимизации высоты погашаемых уступов, учитывающей физико-механические и структурные свойства массива горных пород, а также применением чередующихся узких и широких берм, в результате чего рабочие уступы на предельном контуре превращаются в высокие уступы ступенчатой формы (рис.

5).

На основе полевых исследований структурно-тектонического строения прибортовых массивов разработана методика типизации условий работ по заоткоске уступов, на основе которой предложены новые технологические схемы поуступной постановки уступов во вскрышных породах и в рудной зоне, позволяющие увеличить объемы извлекаемой руды или уменьшить объемы вскрышных работ.

Рис. 5. Схема поуступной постановки 30-метрового уступа с результирующим углом заоткоски Установлено, что все технологические схемы ведения горных работ с временной консервацией бортов и отдельных уступов подчиняются общим закономерностям, характеризующим взаимосвязь основных параметров рабочей зоны и обеспечивающим оперативное решение вопросов по определению целесообразных технологических схем и их параметров. Наиболее эффективными технологическими схемами, обеспечивающими минимальные значения удельной длины активного фронта горных работ, являются поэтапная и каскадная, при которой взорванная горная масса рабочего уступа размещается на одной или нескольких нижележащих рабочих площадках. При средних для рудных карьеров условиях (высота уступа 15 м, ширина транспортных площадок 26-30 м) удельная длина активного фронта для каскадной схемы составляет 14-36%, для поэтапной – 14-24%.

Разработаны аналитические и статистические зависимости величины углов наклона рабочих бортов, что позволяет в оперативном режиме определять наиболее целесообразные параметры и показатели формирования рабочей зоны глубоких карьеров во всей их взаимосвязи в зависимости от исходных требований, включая необходимую интенсивность горных работ (рис.6).

Рис.6. Изменение углов откосов рабочих бортов ( _ ) и скорости понижения горных работ hc ( ) от высоты уступа hу (а), ширины выемочного блока А (б), удельной длины активного фронта D (в); 1, 2, 3 – соответственно каскадная, тупиковая, сквозная схемы формирования Установлено, что главной причиной оползневых процессов в скальных массивах является воздействие тектонического поля напряжений, под влиянием которого происходит дезинтеграция массива, сопровождающаяся перемещением породных блоков по швам существующих и вновь образовавшихся трещин и нарушений, снижением прочностных свойств массива, формированием в нем поверхности или зоны скольжения, релаксацией тектонических напряжений и переходом к гравитационной стадии деформирования (рис. 7). С позиций новых представлений о геологическом строении массива и современной геодинамики месторождений раскрыто деформационное поведение прибортовых массивов до начала оползневых процессов.

Даны способы оценки напряженного состояния массива и раскрыт механизм деформационного поведения прибортовых массивов карьеров в условиях действия тектонического поля напряжений.

Результаты проведенных исследований позволяют впервые учесть действующие в массиве тектонические напряжения в обосновании устойчивых параметров бортов карьеров.

Рис. 7. Модель деформирования северо-западного прибортового массива Главного карьера Качканарского ГОКа: 1 – направление подвижки; 2 – трещины отрыва; 3 – шарьяжные сдвиговые Доказано, что высокий удельный вес (30-40%), эффективность (снижение затратности производства на 10-15%) и конкурентоспособность внутреннего отвалообразования при разработке глубокозалегающих месторождений ограниченной длины, соответствующих округлым карьерным полям, обеспечивается за счет применения углубочных систем разработки и формирования внутреннего отвала наклонными ярусами уменьшающейся высоты по мере понижения горных работ в карьере второй очереди и размещения вскрышных пород нижних горизонтов на крайних сформированных отвальных ярусах в виде отвала второй очереди.

Применение данной системы разработки приводит к снижению потребности в земельных площадях для размещения отвалов вскрышных пород по сравнению с традиционной технологией на 20 - 30 % для каждого отдельно взятого карьера (рис. 8).

Рассмотрены вопросы формирования единой терминологии классификации способов разработки. Установлено, что под комбинированной разработкой необходимо понимать отработку запасов одного месторождения открытым и подземным способами по взаимосвязанным технологическим схемам. Понятие «комбинированный способ отработки» не является синонимом комбинированной технологии. Термин «комбинированная технология» можно применить при отработке отдельного блока, когда его верхнюю часть разбуривают из карьера, а нижнюю – из подземных горных выработок, а выпуск руды осуществляется в подземные горные выработки.

Расширена классификация комбинированных способов разработки, в основу которой положен способ взаимной изоляции открытых и подземных горных работ (рис. 9).

Установлено, что основным специфическим свойством, присущим подземной геотехнологии при комбинированной разработке месторождения, является степень соединения подземного и открытого выработанных пространств. Установлен негативный характер влияния низкой и средней степени изоляции на технико-экономические показатели.

Рис. 8. Экономия приведенных затрат в зависимости от длины карьера при применении углубочной системы разработки со сложной ступенчатой схемой внутреннего отвалообразования:

Рис. 9. Классификация комбинированного способа разработки месторождений Установлено, что перспективы развития подземной геотехнологии связаны с модернизацией систем разработки, геотехники и комплекса взрывных работ. В рамках концепции бесконфликтного развития техно- и биосфер впервые обоснована экономическая эффективность экологически чистой и безопасной технологии подземной разработки рудных месторождений восходящим способом. Для повышения интенсивности подземной добычи руды, повышения производственной мощности рудников предложен ярусный способ отработки месторождений.

На основе критерия ЧДД (чистого дисконтированного дохода) создана модель выбора схемы вскрытия и подземной геотехнологии при комбинированном способе разработки месторождений, пригодная в широком диапазоне изменения природных, технологических и экономических факторов, охватывающая все виды эксплуатационных и капитальных затрат, учитывающая изменение эксплуатационных затрат в зависимости от влияния специфических факторов путем применения соответствующих коэффициентов.

Предложена классификация вариантов вскрытия подземных запасов при комбинированной разработке месторождения, отличающаяся тем, что в основу разделения на классы положен признак, характеризующий способ вскрытия – тип главных вскрывающих выработок (вертикальный, наклонный ствол, штольня, наклонный съезд), на группы – признак, характеризующий главную особенность схемы вскрытия – место заложения главных вскрывающих выработок (дневная поверхность или карьер), на варианты – тип вспомогательных вскрывающих выработок.

Экономико-математическое моделирование сконструированных вариантов вскрытия подземных запасов уральского медно-цинкового месторождения, разрабатываемого комбинированным способом по последовательной схеме, позволило обосновать эффективность варианта вскрытия двумя автоуклонами, пройденными из карьера во всем диапазоне изменения высоты этажа за счет меньших удельных капитальных затрат на проведение слабонаклонных выработок и ликвидации квершлагов по сравнению с вариантами вскрытия вертикальными и наклонными стволами с поверхности (рис. 10), а также установить зависимость суммарного объема и затрат на проведение горно-капитальных работ от высоты этажа и оптимизировать его значение.

Рис.10. Зависимость объема проходки и величины капитальных затрат на ГКР от высоты этажа Разрушение горных пород.

На основании принятой энергетической теории взрыва разработана физическая модель разрушения высоких уступов карьеров (высотой более 20 м), учитывающая техногенную нарушенность и природную неоднородность объема разрушаемого массива, описывающая:

параметры модели массива, изменение упругих свойств локальных массивов от величины и времени его взрывного нагружения, а также порядок инициирования оконтуривающих и разрушающих зарядов (рис. 11). Результаты фундаментальных исследований являются основанием для разработки алгоритма расчета, в т.ч. и создания программы, для определения рациональных параметров буровзрывных работ с целью получения необходимого качества подготовки горной массы.

Установлено, что локальный массив горных пород взрывными работами нарушен сверху сферическими ударными волнами на глубину (0,4-0,6)Ну - уступа нормальной высоты за счет действия зарядов в перебурах; со стороны откоса - квазицилиндрическими ударными волнами, за счет тыльного действия взрыва колонковых зарядов.

В результате взрыва внутри массива помимо зоны дробления последовательно образуются зоны раскрытия трещин и упругих деформаций, а их развитие можно зафиксировать величиной горизонтальной составляющей остаточных смещений.

Параметры полученной физической модели разрушения высоких уступов основаны на следующих результатах комплексных исследований.

Рис. 11. Модель локального массива горных пород после проведения взрывов в прилегающих блоках: Hy – высота уступа (более 20 м), сж.г.д. – предел прочности породного Уточнены корреляционные зависимости между скоростью распространения сейсмических волн и упругими свойствами горных пород в естественном залегании. Впервые установлены корреляционные зависимости между скоростью распространения продольных сейсмических волн и сопротивлением пород одноосному сжатию при скоростях более 3800 м/с, а также зависимость плотности горных пород от скорости сейсмических волн при плотностях более 3,12 т/м3. На основе этих зависимостей разработана методика исследования состояния локальных массивов горных пород с поверхности методом сейсмометрии (рис. 12).

Рис. 12. Зависимости между скоростью распространения продольных сейсмических волн и сопротивлением пород одноосному сжатию на уступе карьера Установлено, что процесс нарушения целостности природных структур высоких уступов карьеров при взрывном нагружении с определенной точностью может быть описан энергетической теорией взрывного разрушения. Согласно этой теории предварительное сжатие и подвижка массива являются необходимыми ступенями взрывного разрушения. Доказано, что одним из главных факторов, определяющих надежность детонации эмульсионных ВВ с химическим способом сенсибилизации, является их плотность, которая изменяется в колонке заряда по глубине скважины. Установленная зависимость позволяет определить исходную плотность эмульсионного взрывчатого вещества, обеспечивающую его детонацию в нижней части скважины при любой ее глубине (рис. 13).

Рис. 13. Изменение плотности гранэмита И-30 в колонке заряда по глубине скважины при На основе анализа методик экспрессного получения информации и прочностных свойств локальных массивов горных пород в их естественном залегании проведены работы по использованию сейсмических полей искусственного происхождения для определения физико-механических свойств горных пород локальных массивов с уточнением свойств горных пород по результатам технологического бурения. Объективные сведения о строении и свойствах природного массива дают возможность разработать рекомендации по выбору бурового оборудования, инструмента и режимов бурения, выбрать рациональную конструкцию скважинных зарядов и уточнить удельные расходы взрывчатых веществ на дробление горной массы, определить технические требования к взрывчатым веществам, зарядно-доставочному комплексу и оборудованию для изготовления взрывчатых материалов.

Получены динамо-кинематические характеристики упруго-пластических деформаций, наведенных технологическими взрывами скважинных зарядов в ближней зоне законтурного массива. Установлены зависимости изменения скорости фронта и величины максимальной относительной деформации с расстоянием от взрывного источника и связи между временными характеристиками деформирования разрушаемой части массива и взрывчатыми характеристиками ВВ, физико-механическими свойствами пород (рис. 14).

Рис. 14. Эпюры относительных деформаций по ортогональным осям X, Y, Z при различной Установлено, что оконтуривание отрабатываемых блоков в массивах IV–V категории взрываемости скважинными зарядами уменьшенного диаметра 0.165 м при диаметре основных зарядов 0.250 м приводит к снижению величин относительных деформаций законтурного массива на расстоянии 12 м от оконтуривающих скважин более чем в 1,5 раза. Отбойка приконтурных блоков при наличии заранее созданной отрезной щели обеспечивает снижение величины относительных деформаций законтурного массива на расстоянии от отрезной щели 5-13 м более чем в 3 раза. Их значения в указанном диапазоне расстояний не превышают величины 0.0036, что существенно ниже критической, равной 0.02 (рис. 15).

Рис 15. – Зависимости остаточных деформаций законтурного массива от расстояния до последнего ряда скважинных зарядов при отбойке технологических взрывных блоков методом многорядного короткозамедленного взрывания: 1– без оконтуривания зарядами уменьшенного диаметра; 2 – с однорядным оконтуриванием; 3 – с оконтуриванием приконтурных блоков при На основе установленных связей между временными характеристиками деформирования энергией взрыва разрушаемой части массива с его физико-механическими свойствами, взрывчатыми характеристиками ВВ и основными параметрами буровзрывных работ разработана методика расчета интервалов времени замедления при МКЗВ между зарядами как в ряду скважин, так и между рядами, позволяющая без увеличения материальных и трудовых затрат повысить качество дробления на 13-35%, снизить ширину зоны и интенсивность нарушения законтурного массива в 1.5-2 раза, а также обеспечить компактность развала взорванной горной массы при снижении его ширины на 7-14 м.

В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что большое влияние на ширину и высоту развала взорванной горной массы и качество взрыва при производстве взрывных работ в карьерных условиях помимо общепризнанных факторов (ширины подпорной стенки, сетки скважин, удельного расхода ВВ и т.д.) оказывает схема и интервалы времени замедления взрывания отдельных зарядов, что в значительной степени повышает возможности управления параметрами и показателями взрывных работ (рис.16).

Рис. 16. Зависимости приращения ширины (Rn) и высоты (Hmax) развала от величины подпорной стенки: 1 – диагональная схема с интервалами времени замедления 42 - 42 и 67 - 42 мс; 2 – диагональная схема с интервалами времени замедления 100 – 42 (67) мс; 3 – торцевая отбойка с Установлено, что энергозатраты на разрушение породы в забое скважины при шарошечном способе бурения изменяются по параболической зависимости от физикомеханических свойств породы и конструктивных размеров вооружения бурового инструмента.

Определены экстремумы функции при изменении диаметра, вылета и расстояния между твердосплавными штырями шарошечного долота в конкретных условиях напряженнодеформированного состояния локального массива с физико-механическими свойствами, определяемыми методом многоволновой сейсмометрии.

Разработана модель разрушения крепких горных пород шарошечным долотом и установлены основные критерии оценки: относительных скоростей движения разрушающих элементов, удельной контактной работы и удельные объемы разрушения, определяющие работу долота, близкую к реальной. В отличие от существующих при исследовании динамических нагрузок установлены величина и направления нормальных (Рz), тангенциальных (Ру) и касательных (Рх) напряжений, действующих на разрушающий индентор, установлены их предельные значения для преодоления деформационных и прочностных свойств разрушаемых пород при бурении, необходимых для разработки методики расчета вооружения долот (рис. 17).

Рис. 17 – Распространение нагрузок по пространственным осям Разработана методика моделирования крепости горных пород по высоте уступа на основании данных хронометража текущих параметров процесса шарошечного бурения технологических скважин, основанная на учета таких параметров как осевое усилие, частота вращения бурового става, скорость бурения (рис. 18).

Рис. 18. Изменение крепости горной породы по строчке технологических скважин Управление качеством минерального сырья.

Продолжены исследования в области теории и практики управления качеством минерального сырья при отработке сложноструктурных месторождений. Теоретически обоснована и опытно-промышленными испытаниями (ОАО «Ураласбест») подтверждена высокая контрастность данных зондирования массива горных пород Баженовского месторождения в разных зонах асбестоносности и во вмещающих породах (серпентиниты, габбро).

Впервые полученная закономерность позволяет использовать результаты электрометрических исследований для решения задач определения литологического строения рудных блоков, подготавливаемых к очистной выемке; доизучения флангов месторождения и участков перспективных асбестоносных площадей; использования данного метода для производства эксплуатационной разведки в карьере (рис. 19).

Рис. 19 – Принципиальный график вертикальных электрических зондирований Экспериментальными исследованиями установлено, что главными факторами при определении коэффициента разрыхления в сыпучей массе является соотношение между различными фракциями смеси и отношения максимальных диаметров кусков во фракциях (рис.

20). Это позволяет на основе обследования гранулометрического состава пород производить оценку коэффициента их разрыхления во взорванных горных массивах.

Рис. 20 - Зависимость коэффициента разрыхления бинарной смеси сыпучего материала от соотношения Р (крупная: мелкая) и отношения максимальных диаметров фракций Разработано новое направление наноиндустрии, основанное на применении электромагнитных импульсов длительностью до 100 нс, при этом минимизируются затраты энергии с одновременным увеличением мощность воздействия. Применение генераторов напряжением до 200 кВ и мощностью до 0.3 ГВт для электрогидравлической обработки сырья повышает извлечение золота с 17 до 87%, меди – на 12.6 %, цинка и железа – до 2-х раз из хвостов с воспроизводством жидких руд, пригодных для гидрометаллургической переработки.

На основе этого явления разработан энергосберегающий метод дезинтеграции и селективного раскрытия (по границам зерен) минералов встречным столкновением кусков магнитных руд при их втягивании в катушку магнитными импульсами длительностью 10 нс и повышением силы удара магнитомягких шаров по сырью. Использование магнитных импульсов с индукцией до 0.08 Тесла повышает производительность мельницы с 41 до 87% при оптимальном коэффициенте заполнения мельницы шарами К = 0.33, извлечение флотацией минералов меди, цинка и серы и их массовую долю в концентрате (рис. 21).

Рис. 21. Дезинтеграция сырья с использованием магнитных импульсов встречным Карьерный транспорт.

Упорядочен понятийный аппарат теории развития горнотехнических систем, установлены тенденции развития и разработана классификация технологических систем.

Установлено, что адаптация как универсальный процесс является основой для создания единой теоретико-методологической базы для проведения многоплановых междисциплинарных научных исследований. Уточнен и конкретизирован понятийный аппарат адаптации применительно к процессу формирования транспортных систем карьеров.

Выявлена закономерность развития транспортных систем глубоких карьеров, заключающаяся в периодической смене доминирующих эффективных схем применения различных видов транспорта. Для настоящего периода характерно увеличение доли и расширения зоны применения автотранспорта при разработке глубоких горизонтов действующих карьеров и освоении малообъемных месторождений (рис. 22).

Рис. 22. Схема смены парадигм формирования транспортных систем карьеров Разработана универсальная интерактивная имитационная модель и программное обеспечение функционирования сложных транспортных систем карьеров. Установлено, что ведущее ограничение функционирования сложных транспортных систем карьеров – провозная способность железнодорожного транспорта определяется зависимостью объемов перевозок горной массы от числа и сочетаний основного горнотранспортного оборудования (рис. 23).

Рис. 23. Зависимость сменных объемов перевозок железнодорожным транспортом рудовозного района (Qсм) от числа поездов (Nлс) и экскаваторов (Nэ) в работе Выявлена гиперболическая форма взаимосвязи между минимально допустимым средневзвешенным уклоном карьерных автодорог и расстоянием транспортирования для автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой (КЭУ). Это объясняется следствием прямой связи коэффициента сопротивления качению дорожного покрытия и доли горизонтальных участков в общем расстоянии транспортирования, а также наличием обратной зависимости эффективности работы систем автосамосвала от расстояния транспортирования и коэффициента тары.

Обоснованы технологические требования к специализированным мобильным эколого- и энергоэффективным транспортным средствам для горных работ - гусеничным автосамосвалам, являющимися базой для формирования углубочных комплексов на глубоких карьерах, а также предпочтительные условия их применения. Подготовлены технические предложения на создание специализированных транспортных средств для отработки глубоких горизонтов карьеров (рис.

24).Обоснованы основные требования к технологическим особенностям и характеристикам перспективного универсального транспорта. Установлено, что рациональные значения средневзвешенного продольного уклона транспортных коммуникаций и рабочих площадок для углубочного комплекса лежат в пределах от 15 до 30 %.

Рис. 24. Область рациональных значений средневзвешенного продольного уклона транспортных коммуникаций для углубочного комплекса (гусеничный автосамосвал) Организация горного производства.

С целью повышения эффективности и безопасности горного производства и адаптации к изменяющимся условиям функционирования в рыночной экономике теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что переход к детальному планированию в технологических процессах горного производства по каждой технологической цепочке в масштабе «минута – час – смена – сутки – неделя – месяц» позволяет обеспечить взаимоувязку всех этапов (операций) осуществлять стандартизацию производственных процессов, обеспечивая необходимый уровень эффективности и безопасности производства. При этом производительность труда по отношению к напряженному, но нестандартизированному процессу увеличивается в 2-2,5 раза, происходит значимое снижение уровня аварийности и травматизма.

Установлено, что эффективность процесса адаптации горнодобывающего предприятия определяется типом взаимодействия персонала: разрушительный, конфликтный, компромиссный и комплементарный (взаимодополняющий). Наиболее эффективный системный и непрерывный процесс адаптации достигается при комплементарном типе взаимодействия, характеризующимся взаимодополняющими действиями персонала всех уровней управления предприятием. Для достижения такого типа взаимодействия необходимо формирование системы компетенций предприятия и соответствующей ей компетентности персонала, а также его мотивации на безопасный и эффективный труд. Непрерывность процесса адаптации обеспечивается созданием и функционированием инновационных групп, направленных на разработку и освоение инноваций в технике, технологии и организации производства горных работ.

Экология горного производства.

Исследованиями особенностей использования земель предприятиями горнопромышленных комплексов УрФО установлены тенденции, влияющие на состояние окружающей среды, зависящие от уровня сырьевой ориентации территорий, определяющего общую величину и структуру нарушений; различий зонально-географических характеристик и степени освоенности территорий, обуславливающих приоритет направлений рекультивации; региональных особенностей и разновременности освоения месторождений. Установлена синхронность процессов нарушения - отработки - рекультивации по Северным территориям и относительная стабилизация объемов нарушения - отработки по Свердловской и Челябинской областям, что при отсутствии проектов рекультивации привело к накоплению нарушенных земель (рис. 25).

Рис. 25. Сводные показатели нарушения, отработки и рекультивации земель ГПК УрФО Для территорий УрФО установлены закономерности: восстановления нарушенных земель методами рекультивации и естественного восстановления, отражающие зональногеографические условия территорий УрФО, располагающихся в трех природно-климатических зонах; уменьшения объемов рекультивации от 2000 к 2008 г. в старопромышленных районах при стабильно возрастающих во вновь осваиваемых районах месторождений нефти и газа, подтверждающие важность рекультивации и для холодного пояса территорий УрФО; отраслевой специфики рекультивации от нефтегазовой отрасли – в районах тундры, лесотундры (ЯНАО, ХМАО, север Тюменской области) – к цветной металлургии в лесной зоне Свердловской области и черной металлургии – в лесной и лесостепной зоне Челябинской области.

Установлено, что различные зонально-географические особенности освоения природного и техногенного сырья Урала от зоны многолетней мерзлоты в Заполярье до сухих степей на южных границах в комплексе с горными технологиями извлечения ценных компонентов, в т.ч. из техногенного сырья, определяя тип нарушений и тенденцию их количественного и качественного увеличения, обусловливают необходимость корректировки способов восстановления техногенных ландшафтов (рис. 26).

микроорганизмов с последующим лесовосстановкоренных тундровых сообществ

ОТРАБОТКА ОБЪЕКТА

ФРАГМЕНТАРНАЯ ДО ОСНОВАНИЯ

ТЕХНИЧЕСКИЙ ЭТАП РЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕРРИТОРИЙ

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП РЕКУЛЬТИВАЦИИ

M M M M M M

- поступление компонентов; - наибольший вклад в поступление компонентов;

Разработаны принципы создания инженерно-геологической модели линейновытянутых субвертикальных водопроницаемых зон миграции подземных вод. Обоснована ведущая роль напряженно-деформированного состояния в формировании фильтрационных свойств горных массивов (рис. 29). Обоснована эмпирическая модель взаимосвязи геомеханических, гидрогеологических и геоэлектрических полей, явлений и параметров горных пород и массивов для слоистой среды. Способы пересчета различных параметров определяются контрастностью компонентов геологической среды, ориентировкой поля относительно основных структурных элементов.

Коэффициент проницаемости для массивных скальных грунтов, м/сут 1,52,0  Коэффициент проницаемости для техногенных грунтов, м/сут Коэффициент проницаемости для связных грунтов (делювиальные Коэффициент проницаемости для рыхло-связных грунтов (кора Коэффициент проницаемости для переходных зон от рыхло-связных к Рис. 29. Результаты гидрогеологической интерпретации геофизических изысканий Установлено, что при сжигании ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) образуется струя сжимаемого газа. Изменение основных параметров процесса в начальном сечении струи – массового расхода, энтала (во времени) и скорости, проходит по экспоненциальной зависимости. В процессе сжигания до возгорания 50 % твердого топлива струя является сверхзвуковой (М >2), а после – дозвуковой с диффузионным фронтом пламени. В теории турбулентных струй исследования процессов распространения сверхзвуковых струй сжимаемого газа и дозвуковых с диффузионным фронтом пламени при изменении основных параметров во времени в начальном сечении отсутствуют. С учетом установленной зависимости возможно определить термодинамические и аэрогазодинамические параметры «затопленных»

сверхзвуковых струй сжимаемого газа и дозвуковых с диффузионным фронтом пламени при переменных во времени в начальном сечении характеристик.

При сжигании РДТТ на стенде впервые получены аналитические зависимости для расчета параметров затухающих высокоскоростных турбулентных, а также многофазных струй для подавления токсичных продуктов сгорания ракетных двигателей. Установлено, что по мере выгорания топлива изменение всех параметров определяется убывающей экспоненциальной зависимостью. С учетом нестационарности процесса сгорания во времени получены новые аналитические зависимости для определения параметров газовоздушных потоков на выходе из эжектора и в процессе развития струи в карьерном пространстве, разработана схема ликвидации РДТТ с применением газового эжектора (рис. 30).

Разработаны новые математические модели процессов развития диффузионного рассеяния и распада пылегазового облака (ПГО) в стратифицированной атмосфере. Получены новые аналитические зависимости для расчета параметров ПГО: уровней выравнивания температур и конвекции, времени подъема облака до этих уровней, скорости подъема, изменения перегрева в процессе подъема, его радиуса и объема. Установлено, что при диффузионном рассеянии ПГО изменение относительной концентрации примесей во времени описывается гиперболической зависимостью, а его размеров – параболической, причем скорость потоков, достаточная для разрыва сплошности облака, составляет < 2 м/с что дает основание для реализации технологии активного подавления ПГО воздухо-газожидкостными струями.

Рис. 30. Схема ликвидации РДТТ с применением газового эжектора: 1 – генератор осадков; 2 – емкость для нейтрализующих растворов; 3 – ракетный двигатель; 4 – газовый эжектор; 5 – перфорированный контур; 6 – многофазная струя генератора; 7 – неизотермическая газовая струя Практическая реализация разработок.

Выполнен «Технологический регламент отработки Эльгинского каменноугольного месторождения» (рис. 31), содержащий основные решения в части: моделирования пространственного размещения запасов месторождения для дальнейших горногеометрических расчетов; прогноза объемов коксующихся углей по отрабатываемым пластам, выделенных по показателям пластичности и зольности; обоснования порядка и интенсивности отработки структурных составляющих месторождения - Большой, Средней и Малой гряд, а также возможной производительности каждого участка по горной массе; выбора стратегии отработки всего месторождения, обоснования объема вскрышных работ и интенсивности перемещения рабочей зоны будущего разреза, обеспечивающих производительность разреза по угольной массе в объеме 30 млн.т/год, и общих принципов раскройки поля разреза; порядка вскрытия карьерного поля и взаимодействия карьерного пространства с отвальной зоной; схем комплексной механизации и парка основного оборудования (бурового выемочного, транспортного), рассчитанного на рекомендуемую производительность разреза: 30 млн.т/год по углю и по вскрыше – 90 (до 108-110) млн. м3/год; обоснования технологических схем ведения горных работ в выделенных технологических зонах, обеспечивающих поддержание среднего угла наклона отрабатываемого борта в пределах 18-24°.

Рис. 31. Обоснование порядка отработки Эльгинского каменноугольного месторождения Разработаны основные положения методики картирования прибортовых массивов горных пород по степени их устойчивости. С позиций новых представлений о геологическом строении массива и современной геодинамики месторождений показано деформационное поведение прибортовых массивов до начала оползневых процессов. Разработаны методы картирования прибортовых массивов горных пород по степени их устойчивости, предложены способы оценки напряженного состояния массива и раскрыт механизм деформационного поведения прибортовых массивов карьеров в условиях действия тектонического поля напряжений.

Результаты исследований позволяют впервые учесть действующие в массиве тектонические напряжения в обосновании устойчивых параметров бортов карьеров.

Для карьеров ОАО «Качканарский ГОК. Ванадий» разработаны технологические схемы отработки приконтурных целиков, позволяющие существенно снизить взрывное воздействие на законтурный массив. В результате было обосновано увеличение результирующих углов откоса 30метровых уступов, поставленных в предельное положение. Внедрение разработанной усовершенствованной технологии постановки 30-метровых уступов в предельное положение привело к увеличению углов их погашения с обеспечением долговременной устойчивости в результате снижения взрывного воздействия на законтурный массив.

Обоснована рациональная технология отработки прибортовых запасов трубки «Удачная»

по системе с обрушением руды и вмещающих пород с оценкой процесса сдвижения прибортового массива горных пород и безопасности вскрывающих выработок. Разработка по-новому решает вопросы вскрытия, подготовки и отработки прибортовых и подкарьерных запасов в этаже -260/м для условий комбинированной разработки месторождения «Удачное» путем применения системы с обрушением руды и вмещающих пород при наличии в горном массиве карстов, заполненных водой и газами.

Разработанная технология позволяет вовлечь в подземную разработку запасы в рудных целиках, оставленных в результате ведения открытых горных работ, и отказаться от проведения значительного количества вскрывающих выработок по породе на гор. -320 м. Практическая значимость работы состоит в разработке календарного графика организации подземных горных работ, позволяющего достичь проектную производственную мощность 4,0 млн. т в год к 2017 году и обеспечить дальнейшую ритмичную работу в границах 1 очереди эксплуатации рудника, обеспечивая рудным сырьем Удачнинский ГОК АК «Алроса» (рис. 32).

Рис. 32. Система разработки этажного принудительного обрушения с одностадийной выемкой трубки «Удачная» под рудной предохранительной подушкой На основании разработанной классификации вскрытия при комбинированной технологии разработки по–новому решены вопросы разработки наклонных рудных тел. Техникоэкономическим сравнением обосновано применение варианта камерной выемки с последующим обрушением целиков при отработке наклонной жилы №175 Кыштымского месторождения высококачественного гранулированного кварца.

Технологические расчеты показали, что при повышении содержания полезного компонента в балансовых запасах степень влияния потерь на эффективность технологии возрастает, а разубоживания – снижается. На основании этого предложены параметры подземной технологии, позволяющие увеличить эксплуатационные запасы, срок отработки с наименьшими затратами на подготовительно-нарезные работы и временем их проведения, обеспечить увеличение более чем в 2 раза полноты извлечения ценной руды при отработке этажа 346/316 м (рис. 33).

Рис. 33. Камерная система разработки Кыштымского месторождения Разработана стратегия развития ОАО «Комбинат Магнезит» до 2015 года, предусматривающая поддержание его минерально-сырьевой базы за счет интенсивной добычи и комплексной переработки сырой руды и техногенного сырья, а также развития подземного способа добычи, разведки и ввода в эксплуатацию Семибратского месторождения магнезита.

Произведенный анализ качественных характеристик по участкам магнезиального сырья Саткинского месторождения показал, что достижение заданных качественных показателей работы предприятия достигается путем внедрения современных систем опробования, пробоподготовки и анализа продуктов обогащения.

Рекомендована технология предобогащения на складах некондиционного сырья, основанная на установленной взаимосвязи вещественного состава некондиционной рудной массы с ее крупностью. Предложена технология разделения рудной массы по содержанию полезного компонента или вредной примеси на кондиционную и некондиционную составляющие непосредственно в зоне ведения горных работ с использованием грохотильных установок (рис.

34).

Рис. 34. Технология предварительной подготовки рудной массы к обогащению с использованием Для подземной отработки Саткинского месторождения магнезитов вместо камерностолбовой системы разработки с сухой закладкой и потерями 30% рекомендована система разработки горизонтальными слоями с твердеющей закладкой. Экономический эффект достигается за счет использования высокопроизводительного самоходного оборудования и увеличения производственной мощности шахты до 1,6 млн т/год.

По результатам экспертизы технического состояния буровых станков со сроком службы более 10 лет работы и горнотехнических условий их работы на карьерах ОАО «Ураласбест» и ОАО «Ванадий»:

- установлены основные закономерности, определяющие работу буровой техники в рациональном режиме с учетом конкретных физико-механических свойств обуриваемого массива и технологических особенностей ведения буровых работ:

-определены основные упругие свойства горных пород в естественном залегании в локальных массивах на ОАО «Ванадий» с целью корректировки параметров БВР. Разработаны рекомендации по рациональным параметрам буровзрывных работ для основных пород ОАО «Ураласбест», ОАО «Ванадий»;

- разработан план мероприятий по техническому обслуживанию бурового оборудования и замене изношенных узлов, позволяющий продлить сроки использования и увеличить показатели их экономичности.

Разработаны конструкция и безопасные геометрические параметры крутых транспортных съездов. Подготовлены и согласованы временные рекомендации по безопасной эксплуатации технологических транспортных средств на крутых уклонах. Предложенные мероприятия по эксплуатации автотранспорта на повышенных уклонах обеспечивают повышение безопасности транспортирования горной массы. Внедрение повышенных уклонов позволило увеличить глубину отработки месторождений на 50-100м.

Разработан регламент на биологическую рекультивацию нарушенных земель Рудногорского рудника ОАО Коршуновского ГОКа. В рамках регламента выполнена оценка современного состояния нарушенных земель, выделены территории, подлежащие восстановлению после их полной отработки. Проведена оценка пригодности грунтосмесей для биологического освоения, установлена перспективность зарастания отвалов естественным путем. Разработан регламент для проектирования лесохозяйственного направления рекультивации нарушенных земель Рудногорского карьера путем самозарастания территории.

Проведено исследование влияния новых транспортных комплексов на сокращение выделения вредных веществ в воздушный бассейн с отработавшими газами. Определены зависимости сокращения выбросов троллейвозным транспортом, автосамосвалами с комбинированной энергосиловой установкой, гусеничным самосвалом при внедрении комплекса этих транспортных средств на карьерах. Определено сокращение выбросов вредных веществ при внедрении новых транспортных средств, обоснована их экологическая эффективность. Цель внедрения – сокращение выбросов вредных веществ, повышение производительности горнотранспортного оборудования.

Основные положения разрабатываемой методики комплексных геолого-технологоэкономических исследований при освоении и развитии минерально-сырьевой базы труднодоступных регионов неоднократно апробированы при выполнении конкурсных Техникоэкономических предложений освоения и отработки Гаринского, Тарыннахского (рис. 35), Горкитского, Таежного, Десовского железорудных месторождений, Вагранской золоторудной площади, а также технологических регламентов, бизнес-планов и проектов опытнопромышленной отработки Нижне-Тавдинского и Даниловского участков титан-циркониевых россыпей, Эльгинского каменноугольного месторождения, Жижинско-Шаромского участка хромитовых руд, месторождения меди Чашмайе Кнон (Иран) и др.

Рис. 35. Укрупненный генеральный план Тарыннахского ГОка 2.6.3. Геоинформатика (п. 66 в «Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008-2012 гг.») Применительно к разработке объектно-ориентированных горных геоинформационных систем уточнены основные направления, область и цели и задачи фундаментальных исследований.

Сформулированы целевые функции, а также объекты и задачи, возникающие на разных по этапах принятия решений.

Закономерности построения Закономерности описания Закономерности обработки Изучение структуры, Формирование системы справочных, аналитических, экспертных и др. оценок для Анализ многоуровневой и решения социально- разнородной геоинформации, экологических проблем, инфраструктуры, оценка Предложен принцип построения схемы структуризации геоинформационного обеспечения горнодобывающего предприятия, который позволяет привести в соответствие заданным производственным целям необходимый информационно значимый структурный уровень геосистемы предприятия, и определить, исходя из целевой тематики геоинформационного обеспечения, требования к геоинформационному отображению по охвату баз данных, применяемым моделям их обработки и практическому выходу.

Суть принципа заключается в том, что необходимый и достаточный вид детерминированной информационной модели геосистемы устанавливается согласованием в процессах последовательного приближения дисперсии отклонения признака от модельных представлений с дисперсией признака за счет воспроизводимости его получения и влияния незначимых структурных неоднородностей геосистемы вдоль каждого аргумента в модельном представлении.

Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что интервал автокорреляции отдельного атрибутивного признака геоданных или обобщенной пространственной корреляции нескольких признаков геоданных меньше произведения длины регулярного единичного интервала профиля на разность между половиной количества точек профиля и единицы. Установлено, что обобщенный интервал корреляции нескольких атрибутивных признаков геоданных представляет собой среднее значение по совокупности автокорреляционных интервалов каждого из них. Величина обобщенного интервала корреляции больше наименьшего из усредняемых автокорреляционных интервалов (рис. 36).

Рис. 36. Графическое определение интервалов автокорреляции (а, б, в) самоопределяющимися в области рациональных чисел показателями степени, обладающих повышенной достоверностью прогнозирования и описания закономерностей в распределении атрибутивных признаков геосистем горных предприятий. Методология включает в себя принцип формирования трендов, их классификацию и методику расчета показателей степени, основанную на специально разработанном численном методе оптимизации.

Разработана методология формирования и расчета уравнений регрессии геоданных, трендов нового функционально-факторного вида, повышенной достоверности, с самоопределяющимися показателями и коэффициентами учтенных в тренде функциональных факторов. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что длина интервала автокорреляции или обобщенной пространственной корреляции атрибутивных признаков геосистемы, определяемая по данным их профильного распределения, меньше произведения длины регулярного единичного интервала профиля на разность между половиной количества точек профиля и единицы. Разработан программный комплекс пространственного моделирования россыпных и переотложенных месторождений. Создана и апробирована принципиально новая компьютерная программа для ЭВМ «Полиномные степенные тренды с самоопределяющимися показателями степени (тренды ПС СПС)» (номер регистрации в РФ 2009611347), в которой математические выражения трендов формируются по принципу функционально-факторного объяснения участков их монотонности, а показатели степени факторных функций рассчитываются самой программой (рис. 37).

Рис. 37. Интерфейсное окно программы и пример построения тренда ПС СПС Установлена серия двумерных разнофакторных и трехмерных многофакторных степенных уравнений регрессии с самоопределяющимися параметрами, востребованных в задачах моделирования геосистем горных предприятий, для которых разработаны необходимые режимы и правила оптимизации методами наименьших квадратов и приближений параболической вершины по максимуму коэффициента детерминации с учетом аддитивного и мультипликативного взаимодействия факторных функций (рис. 38).

Рис. 38 - Серии двумерных и трехмерных степенных уравнений регрессии геоинформационного моделирования геообъектов и обработки геоданных, обеспечивающая возможность целенаправленного поиска решений и оптимизации главных параметров горных предприятий как сложных природно-технологических систем. Предложена технология синтеза геоинформационных систем горнопромышленного комплекса, основанная на принципах централизации и децентрализации предоставляемой информации. Обоснована структурная схема организации распределенной гетерогенной геоинформационной системы горнопромышленного комплекса, включающая верхний уровень, содержащий информацию о способах хранения метаданных, и нижний уровень локальных систем, обеспечивающий формирование необходимых данных на главном сервере. Выявлены основные источники пополнения данных о недропользовании на объекте (рис. 39).

Рис. 39. Технологические схемы создания пластинчатой и блочной геоинформационных моделей На основе систематизированных свойств, параметров и показателей сложности изучаемых природно-технологических комплексов – горных предприятий создана пилотная геоинформационная база данных для анализа минерально-сырьевой базы Урала и оценки уровня рационального недро- и природо- пользования (рис. 40).

Рис. 40. Интерфейс геоинформационной базы данных для анализа Практическая реализация разработок.

По данным предварительной разведки выполнено геоинформационное моделирование, произведен подсчет запасов и обоснованы границы разработки Янытурьинского (Приполярный Урал) железорудного месторождения, сформулированы требования к методике и порядку актуализации модели (рис. 41).

Рис. 41. Геоинформационная модель Янытурьинского железорудного Выполнена корректировка проекта отработки Шеинского месторождения известняков, для которого на базе геоинформационных моделей распределения совокупности качественных признаков по глубине и в плане обоснован порядок отработки карьерного поля, способствующий долгосрочному обеспечению предприятия сырьем устойчивого качества, разработаны мероприятия по максимальному полезному использованию некондиционных известняков (рис.

42). Осуществлено вариантное моделирование понижения депрессионной воронки по площади карьерного поля и за его границами в зависимости от места расположения зумпфов и принятого порядка подготовки нового горизонта.

Рис. 42 – Геоинформационная модель распределения качественных признаков по гор. 2.6.4. Физические поля Земли – природа, взаимодействие, геодинамика и внутреннее строение Земли (п. 56 в «Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008-2012 гг.») Исследованиями на рудниках Урала и Сибири впервые в мировой практике установлено, что природные горизонтальные напряжения в породных массивах являются суммой гравитационных, тектонических и тектонических пульсирующих тп напряжений, изменяющихся от нуля до -1025МПа с периодом 9-13 лет, соответствующим циклам Солнечной активности (рис.

43). Уточнена геомеханическая модель тектонических нарушений и выявлены закономерности формирования волнового поля в их окрестности. Установлена связь частоты автоколебаний, образующихся в окрестности тектонических нарушений с величиной максимальных сжимающих напряжений. На основании численного моделирования установлены закономерности сопротивления сдвигу шероховатых трещин и распределения напряжения в блочной среде окрестности одиночной выработки. Доказано, что прочность шероховатых трещин на сдвиг ниже, чем гладких нарушений сплошности.

Рис. 43. Совмещенные графики изменения тп: 1 – Таштогол; 2 – Абаза; 3 – Краснотурьинск; 4 Нижний Тагил; 5 – Березовский; 6 – Гай; 7 – Солнечная активность W Показано, что поле природных напряжений на участках недропользования необходимо оценивать с учетом переменной во времени компоненты. На основании результатов 40-летнего периода измерений природных напряжений и 10-летнего периода измерения переменных напряжений на 900-километровом участке Урала установлено, что природные напряжения под влиянием пульсирующих изменяются на 6-25 МПа (20-30%).

Установлено, что единственным способом повышения эффективности управления устойчивостью конструктивных элементов разработки месторождений является расширение областей применения активных методов управления горным давлением, основанных на целенаправленном перемещении областей концентрации напряжений из технологически ответственных участков массива в менее ответственные и более устойчивые. Применение этих методов требует знания физико-механических свойств и напряженного состояния массива; так для давно разрабатываемых месторождений эта информация доступна в ходе предшествующих исследований по геомеханическому сопровождению горных работ, а для месторождений, впервые вовлекаемых в разработку эту информацию можно оценить на основе месторождений-аналогов.

Обоснована классификация рудных месторождений, выделяющая четыре генетических типа, характеризуемых структурными особенностями рудных тел и вмещающих пород и условиями формирования первоначального напряженного состояния, определяющими возможность и эффективность применения активных методов управления вторичным напряженно-деформированным состоянием с целью предотвращения опасных процессов в процессе разработки месторождения.

Практическая реализация разработок.

Генетическая классификация месторождений использована для выбора расчетных схем и оценки физико-механических свойств скальных пород по месторождению-аналогу для новых объектов: Кимканское, Сутарское, Тарыннахское и Горкитское месторождения железистых кварцитов – аналог Костомукшкий ГОК, месторождение титаномагнетитов Б. Сэйим – аналог Качканарское месторождение, золоторудные месторождения Солонеченское и Многовершинное – железорудные месторождения Кустанайской группы (Соколовское и Сарбайское.

Выполнен подбор грунтов-аналогов на основе сопоставления их стратиграфии и литологического состава: для Троицкой ГРЭС и Кустанайской группы железорудных месторождений.

2.6.5. Катастрофические процессы природного и техногенного происхождения, сейсмичность – изучение и прогноз (п. 64 в «Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008-2012 гг.») Установлено вызванное современными геодинамическими движениями и техногенным воздействием явление самоорганизации деструктурированного иерархически блочного массива горных пород во временно консолидированные блоки, сохраняющие свою целостность в процессе деформирования при сложившихся параметрах геодинамических движений. Границы консолидированных блоков формируются по структурным нарушениям различных рангов и являются зонами концентрации современных геодинамических движений, представляя основную опасность для объектов недропользования (рис. 44). На основе этого явления разработана методика диагностики участков недропользования для предотвращения природно-техногенных катастроф на их объектах, включающая изучение структуры массива горных пород, выделение границ самоорганизующихся блоков, определение действующих по ним линейных и угловых деформаций, вызванных современными геодинамическими движениями и сопоставление их с допустимыми значениями для инженерных сооружений.

Экспериментально установлено, что процесс деформирования массива горных пород проявляется в виде взаимных подвижек блоковых структур, которые имеют сложный полигармонический характер. За длительный период в подвижках блоковых структур преобладают трендовые составляющие, осложненные на отдельных этапах цикличными знакопеременными движениями. При этом границы самоорганизующихся блоков в иерархически блочной среде в различные временные периоды могут иметь различные конфигурации и размеры.

Проявляя относительную целостность и согласованность подвижек за длительные периоды, крупные блоки в более короткие временные периоды несут в себе внутренние подвижки между блоками более низких порядков (рис. 45).

Рис. 44. Концентрация горизонтальных деформаций на границе консолидированных геоблоков:

Впервые выявлена взаимосвязь риска возникновения катастроф на объектах недропользования с особенностями деформирования иерархически блочного массива горных пород. Установлено, что риск возникновения катастроф определяется расположением объекта относительно границ консолидированных блоков. В приграничных, наиболее опасных зонах, коэффициенты концентрации деформаций относительно интегральных значений достигают 3, а во внутренних – относительно безопасных зонах консолидированных блоков, снижаются до 0.5.