![16
ведомств, связанных с вопросами планирования и управления освоением месторождений
твердых полезных ископаемых.
Безусловно, к числу основополагающих фундаментальных исследований, поло-
живших начало обоснования проблем горных наук, следует отнести научные труды ака-
демиков Л.Д. Шевякова [75 – 78], М.И. Агошкова [1 – 3], Н.В. Мельникова [40 – 42], В.В.
Ржевского [43, 54 – 58], проф. Е.Ф. Шешко [79 – 85], охватывающие значительный пе-
риод становления и развития горного дела и горных наук (1930 –1993 гг.).
М.И. Агошков одним из первых в своих кандидатской «Метод определения вы-
соты этажа при разработке рудных месторождений» (1937 г.) и докторской «Определе-
ние производительности рудника» (1946 г.) диссертациях и последующих фундамен-
тальных трудах по технике, технологии и экономике рудных месторождений, примене-
нию экономико-математических исследований в горном деле, созданию классификации
разработки рудных месторождений внес большой вклад в создание научных основ под-
земной разработки рудных месторождений [1 –3].
В обоснование приоритетного развития открытых горных разработок, способов
вскрытия и систем разработки месторождений, проектирования карьеров, формирование
структур комплексной механизации решающий вклад внесли Е.Ф. Шешко, М.Г. Ново-
жилов [44 – 49], Н.В. Мельников, В.В. Ржевский, А.И. Арсентьев [5 – 7], В.С. Хохряков
[72 – 73] и многие их ученики и последователи.
В работе «Научные основы проектирования горных предприятий» (М.: Наука,
1968, с. 5 – 11) Н.В. Мельников указывал, что эффективное использование капитальных
вложений при строительстве крупных горно-обогатительных комбинатов черной и цвет-
ной металлургии и угольных разрезов возможно «только в том случае, если принимае-
мые при проектировании решения будут оптимальными, чего можно достичь, применяя
методы экономико-математического моделирования».
В книге «Теория и практика открытых разработок» (М.: Недра, 1973, с. 3 – 24)
Н.В.Мельников выделил главные тенденции технологии открытых горных работ, в том
числе это:
– комплексная механизация горных работ и оптимизация параметров оборудова-
ния;
– преобладающее применение транспортных систем разработки: на угольных раз-
резах, железорудных и марганцевых карьерах ее доля составит, соответственно, 75, 98 и
50 %;
– увеличатся объемы перевозок такими видами комбинированного транспорта,
как автомобильно-железнодорожный и автомобильно-конвейерный;
– при разработке скальных пород увеличится доля циклично-поточной техноло-
гии с применением автомобильно-конвейерного транспорта и самоходных забойных
дробильных агрегатов.
В развитие идей Н.В. Мельникова исследования многих научных школ в Москве
(ИПКОН РАН, ИГД им. А. А. Скочинского, МГГУ), Екатеринбурге (ИГД УрО РАН),
Санкт-Петербурге (СПб ГГИ (ТУ)) и других были направлены на:
– создание мощной прогрессивной техники;
– решение проблем разрушения горных пород;
– внедрение поточной технологии;
– создание новых видов транспорта и подъема;
– создание новых методов расчета и управления откосами бортов;
– обеспечение надлежащих параметров воздушной среды в карьерах;
– решение технологических задач комплексного использования ископаемых и
уменьшения их потерь и др.
К числу важнейших при разработке месторождений относится проблема транс-
порта. И здесь уместно отметить заслугу М.В. Васильева [11 – 18], который не только](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-16-320.jpg)
![17
обосновал необходимость самостоятельного научного направления «карьерный транс-
порт», но и стоял у истоков создания на Урале, в Институте горного дела, организатором
и первым директором которого он стал (1962 г.), и развивал научную школу еще при
жизни (1908 – 1986 гг.). Было проведено пять Всесоюзных научно-технических конфе-
ренций, в работе которых с докладами по широкому кругу проблем карьерного транс-
порта принимали участие специалисты не только научных и проектных институтов и ву-
зов горного профиля, но и представители горных предприятий, заводов горного и транс-
портного машиностроения.
Что касается публикации научных трудов, то здесь уместно отметить достаточно
широкий круг ученых, начиная со А.О. Спиваковского [60 – 63], М.Г. Потапова [51 – 53],
Ю.И. Анистратова [4], В.Л. Яковлева [87,88] и других, чей вклад отмечен в виде ссылок
в библиогафических списках отмеченных публикаций.
Существенный вклад в обоснование целесообразности применения циклично-по-
точной технологии (ЦПТ) при отработке месторождений большой глубины и произво-
дительности внесли Н.В. Мельников [42], К.Е. Виницкий [22], Б.В. Фаддеев [71], М.В.
Васильев [12,15], А.Н. Шилин [86] и другие ученые. К сожалению, широкого распро-
странения на карьерах России, Украины и Казахстана ЦПТ не нашла, хотя объективных
причин этого практически не имеется.
Весьма важным при открытой разработке сложноструктурных рудных месторож-
дений являлось управление качеством, селективная разработка и усреднение руд, где
особенно ценен вклад П.Э. Зуркова [28 – 31] и П.П. Бастана [8 –10].
Значительное влияние на эффективность и безопасность открытых горных разра-
боток оказывают способы формирования карьерного пространства, его рабочей зоны, а
также обоснование устойчивости бортов глубоких карьеров [47].
Период с 1960 по 1970 г. занимает особое место в развитии открытых горных раз-
работок. Во-первых, за эти годы резко возросли масштабы работ как в целом по горно-
добывающим отраслям, так и по отдельным карьерам. Так, в железорудной промышлен-
ности вошли в эксплуатацию и интенсивно развивались такие крупные карьеры, как Со-
коловский и Сарбайский в Казахстане, Первомайский, Анновский и Ингулецкий на
Украине, Качканарский на Урале, Лебединский, Михайловский и Стойленский в КМА,
Оленегорский и Ковдорский на Кольском полуострове, Коршуновский в Сибири. Во-
вторых, произошло техническое перевооружение карьеров: на погрузке горной массы
наряду с ЭКГ-4 начали применяться экскаваторы ЭКГ-8, на железнодорожном транс-
порте осуществлялся переход на электротягу, налажен серийный выпуск автосамосвалов
БелАЗ-540. Глубина карьеров была относительно небольшой, ее отрицательное воздей-
ствие на усложнение работы транспорта и ухудшение технико-экономических показате-
лей не проявлялось. Однако уже к концу 1960-х годов обстановка существенно измени-
лась:
– на карьерах наметилась тенденция отставания вскрышных работ в сравнении с
проектными показателями, к 1978 г. на железорудных карьерах оно составило более 300
млн. м3
, причем основной причиной этого явился транспорт, возникли затруднения со
вскрытием глубоких горизонтов;
– наблюдалось отставание от проектных показателей производительности труда,
себестоимости добычи горной массы;
– в проектах многих карьеров (Качканарский, Коршуновский, карьеры Комбината
Ураласбест), в том числе и на перспективу, не предусматривалось применение комбини-
рованного автомобильного транспорта, хотя научно он был уже обоснован;
– на карьерах, где проектом было предусмотрено применение автомобильного
транспорта, он эксплуатировался в неоптимальных условиях: слишком велика высота
подъема горной массы от забоев до пунктов перегрузки вследствие недостаточного раз-
вития железнодорожного транспорта в нижней зоне карьеров и отсутствия к тому вре-
мени циклично-поточной технологии.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-17-320.jpg)
![18
На основе изучения и анализа проектов и фактического состояния горных работ
наиболее крупных глубоких карьеров с учетом результатов исследований ИГД МЧМ
СССР и других исследовательских организаций был сделан вывод о том, что транспорт-
ные системы большинства карьеров отстали от темпов развития горных работ, не обес-
печивают рациональных условий эксплуатации отдельных видов транспорта и не отве-
чают масштабам и условиям ведения горных работ уже в 1970-е годы, а тем более на
перспективу [88].
Второй важный вывод был сделан о том, что корни создавшегося положения
находятся в сложившемся принципиальном методическом подходе к решению горно-
транспортно-экономических задач. Главные его недостатки:
– в большинстве проектов решения принимаются на основе оценки вариантов по
минимуму приведенных затрат на расчетный год;
– при поэтапной разработке месторождений решение основных вопросов горной
части проекта недостаточно увязывается с развитием горных работ, а схема вскрытия
глубоких горизонтов на конец разработки в большинстве случаев даже не рассматрива-
ется.
Оценка состояния горных работ на карьере того периода и пути решения транс-
портной проблемы глубоких карьеров как необходимой основы эффективной разработки
глубокозалегающих месторождений подробно изложены в работах [14,87,88]. В них при-
ведены основные положения общей стратегии формирования транспортных систем глу-
боких карьеров и на примере ряда железорудных карьеров России, Казахстана и Укра-
ины приведен анализ состояния на них горных работ и предложены конкретные решения
по развитию их транспортных систем до 1995 г. К сожалению, реализация этих решений
в условиях распада СССР не состоялась.
Необходимость коренного пересмотра сложившегося к концу 1980-х годов, т.е.
практически к распаду СССР, методического подхода к решению широкого круга акту-
альных технических, технологических и экономических проблем развития горного про-
изводства и горных наук очень ярко изложена в неопубликованной рукописи «Исповеди
горного инженера» академика В.В. Ржевского (автор статьи получил ее экземпляр лично
от В.В. Ржевского), с учетом и под впечатлением которой в 1987 г. проф., д.т.н. В.С.
Хохряков (в то время завкафедрой Свердловского горного института) и д.т.н. В.Л. Яко-
влев (в то время директор ИГДС СО РАН) подготовили, но также не опубликовали ста-
тью «Проблемы горных наук»; краткое изложение ее основных положений дано ниже.
Прогнозировалось, что развитие горного производства на ближайшие 15 – 20 лет будет
характеризоваться:
1) относительной стабильностью объемов и размещения основных объектов гор-
ного производства, однако в связи с необходимостью существенного повышения его эф-
фективности требуется интенсификация, увеличение производительности труда в 2-3
раза и снижение удельных затрат на единицу конечной продукции. К сожалению, этот
прогноз не оправдался;
2) существенным повышением актуальности проблем рационального использова-
ния минеральных ресурсов и охраны окружающей среды, освоением техногенных ме-
сторождений, комплексным использованием недр. Реализация этих прогнозов оказалась
сдвинутой на 20 лет по совокупности причин политического и социально-экономиче-
ского характера.
Авторы статьи отметили, что для решения задач интенсификации и повышения
эффективности горного производства необходим переход на уровень наукоемкого про-
изводства. При этом было выделено две группы научных проблем. К первой группе от-
носятся задачи совершенствования отдельных технологических процессов, ко второй –
выбор стратегии развития горного производства, способов вскрытия месторождений и
систем их разработки в условиях непрерывного увеличения глубины карьеров и шахт.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-18-320.jpg)
![19
К сожалению, сложившаяся за последние десятилетия дислокация научных сил
такова, что, вероятно, более 80-90 % всех научных сотрудников исследовательских ин-
ститутов горного профиля направлены на решение задач первой группы, тогда как на
исследованиях фундаментальных вопросов развития горного производства (следовало
бы сказать – освоения недр, но об этом речь ниже) занято лишь несколько исследова-
тельских групп. Хотя уже тогда было ясно, что есть широкий круг проблемных вопросов,
определяющих долговременную стратегию развития горного производства:
– разработка генеральных схем размещения и развития подотраслей горнодобы-
вающей промышленности;
– этапность развития отдельных горнодобывающих и перерабатывающих пред-
приятий;
– способы разработки конкретных месторождений, границы открытых и подзем-
ных горных работ;
– способы вскрытия месторождений и последовательность формирования их
транспортных систем от начала и до конца разработки;
– системы и технологии горных работ дифференцированно для различных по глу-
бине и физико-механическим свойствам горных пород зон и участков месторождений и
др.
Для решения такого уровня задач научно-технического прогресса необходим пе-
реход на новый качественный уровень, на промышленные автоматизированные системы
как в производственной сфере – в проектировании, планировании и управлении горными
работами, так и в научных исследованиях, ибо месторождения полезных ископаемых и
горные предприятия являются сложными многофакторными эколого-технологическими
комплексами, развивающимися в течение длительного времени (20-25 и более лет) в про-
странстве и характеризующимися как объекты исследования управления большим мас-
сивом информации – геологической, геометрической, экологической, технической, тех-
нологической, экономической, находящихся в сложной взаимосвязи.
Уже тогда отмечалось, что возрастет уровень математического моделирования и
программного обеспечения, при котором вычислительную технику становится возмож-
ным рассматривать не только как эффективное средство многовариантных расчетов, но
и как инструмент новой технологии научного исследования – вычислительного экспери-
мента в горной науке. Это дало авторам статьи основание утверждать, что революцион-
ные шаги в горной науке не только необходимы, но и возможны и что практически уже
происходят.
В качестве дальнейших практических шагов реализации нового методологиче-
ского подхода к решению проблем горного производства предлагалось рассмотреть их
на представительном научном форуме, для организации и проведения которого целесо-
образно создание оргкомитета (инициативной группы) во главе с ведущими учеными
(назывались имена нескольких академиков), но реализации этих планов помешали собы-
тия на рубеже веков.
И лишь в 1997 г., когда в сравнении с 1990 г. объемы добычи железных и марган-
цевых руд в России и, особенно, в Казахстане и на Украине упали на ряде горных пред-
приятий в 1,5-2 раза, коллектив в составе 39 ученых Российской академии наук, Акаде-
мии горных наук, Российской академии естественных наук и Международной горной
академии под редакцией академика К.Н. Трубецкого в Издательстве Академии горных
наук опубликовали монографию, в которой были систематизированы ресурсы недр
Земли, приведена новая классификация горных наук как системы знаний об освоении и
сохранении недр, объединенные в 4 группы: горное недроведение, горная системология,
геотехнология и обогащение полезных ископаемых. Вице-президент Российской акаде-
мии наук Н.П. Лаверов отметил в своей оценке, что «данная книга представляет собой
необычный научный труд, … выход наук на принципиально новые позиции в понимании
предмета, содержания и в целом их идеологии и методологии» [65].](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-19-320.jpg)
![20
Кстати, именно в июле 1997г. начался рост объемов добычи основных видов ми-
нерального сырья, и, в частности, железной руды в России в 2012 г. было добыто 295,6
млн.т, в Казахстане 45,6, на Украине 60,0, что в сравнении с 1990 г. составляет, соответ-
ственно, 112,3; 86,6 и 72,8 %.
Решающий вклад в постановку и обоснование направлений и способов комплекс-
ного освоения недр внесли, особенно с организацией ИПКОН, академики Н.В. Мельни-
ков, М.И. Агошков, К.Н. Трубецкой, В.А. Чантурия, член-корр. Д.Р. Каплунов, особенно
в последние годы с организацией в РАН программ фундаментальных исследований Пре-
зидиума РАН и ОНЗ РАН [65 – 67], когда в состав руководителей и исполнителей про-
ектов стали привлекаться представители практически всех институтов горного профиля
и других отделений РАН.
При исследовании в области освоения недр новый методологический подход ре-
ализуется на основе совокупного использования принципов: системности – раскрытия
основных правил исследования, эксплуатации или освоения минерального объекта, вы-
явления многообразных типов внешних и внутренних связей, влияющих на построение
обобщенной модели его отработки; комплексности – исследования не только явлений и
процессов разработки, но и возможности наиболее полного использования всех компо-
нентов минерального сырья, освоения и развития территорий и регионов и пр.; междис-
циплинарности – объединения усилий в смежных областях научных знаний для разно-
сторонней и эффективной оценки полезного эффекта и поиска нетрадиционных подхо-
дов к использованию богатств недр; инновационной направленности – обязательного
требования, призванного обеспечить материализованный результат, получаемый от вло-
жения средств в научные исследования, новую технику или технологию, в новые формы
организации производства, труда, управления и т.п. [92].
Предпринятые в последние годы в Российской академии наук меры по укрупне-
нию бюджетной тематики в институтах, концентрации усилий ученых на наиболее акту-
альных научных направлениях, введению конкурсного принципа проведения фундамен-
тальных научных исследований по программам РАН и ее отделений потребовали при-
менения принципиально новых методологических подходов. Примером здесь могут слу-
жить программы Президиума РАН, Отделения наук о Земле, интеграционные проекты с
институтами горного профиля УрО РАН, СО РАН и ДВО РАН.
В выполнении междисциплинарного проекта «Освоение недр Земли: перспек-
тивы расширения и комплексного освоения рудной минерально-сырьевой базы горно-
металлургического комплекса Урала», координируемого Институтом горного дела при-
нимают участие институты геологии и геохимии, геофизики, металлургии, промышлен-
ной экологии, экологии растений и животных, Ботанический сад.
Результаты исследований публикуются в статьях и монографиях, в том числе и
коллективных, в которых отражены современные оценки состояния, инновационные ре-
шения и перспективы развития горных наук и освоения недр [27, 42, 65, 69, 89 – 92].
Резюме
1. При выделении круга ученых, чей вклад в создание научных основ освоения
недр, способов разработки месторождений, постановки проблем развития горного дела
и горных наук, а также методов их решения укладывается в понятие «методология науч-
ного познания – учения о принципах построения, формах и способах научно-познава-
тельной деятельности».
Автор статьи не претендует на полноту учета ученых, внесших вклад в решение
отмеченных проблем, он счел возможным ограничиться кругом ученых, с которыми был
лично знаком, а не только с их научными трудами и участием в различного рода конфе-
ренциях, совещаниях, ученых советах, за исключением Л.Д. Шевякова, который является
общепризнанным ученым, его 120-летие отмечали на XXXI Уральском горнопромыш-
ленном съезде (2009 г.) и Е.Ф. Шешко – его вклад в историю становления и развития
научных основ открытых горных разработок несомненен.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-20-320.jpg)
![22
19. Виницкий К.Е. Исследование технологических основ оптимизации парамет-
ров систем открытой разработки месторождений и основного оборудования: автореф.
дис. … д-ра техн. наук / К.Е. Виницкий; ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1971. – 35 с.
20. Виницкий К.Е. Параметры систем открытой разработки месторождений /
К.Е. Виницкий. - М.: Недра, 1966. – 263 с.
21. Виницкий К.Е. Применение математических методов при проектировании
карьеров: обзор/ К.Е. Виницкий, Э.И. Реентович. - М.: ЦНИЭИуголь, 1968. – 113 с.
22. Виницкий К.Е. Оптимизация технологических процессов на открытых разра-
ботках / К.Е. Виницкий. - М.: Недра, 1976. – 280 с.
23. Виницкий К.Е. Управление параметрами технологических процессов на от-
крытых разработках / К.Е. Виницкий. - М.: Недра, 1984. – 237 с.
24. Геотехнологическая оценка минерально-сырьевой базы России / под ред.
К.Н. Трубецкого, В.А. Чантурия, Д.Р. Каплунова. – М., 2008. – 464 с.
25. Глубокие карьеры: сб. докл. Всеросс. науч.-техн. конф. с междунар. участием
18-22 июня 2012г. / Горный институт КНЦ РАН. – Апатиты - СПб. [б. и.], 2012. – 488 с.
26. Горное дело в Арктике: труды 8-го международного симпозиума «Горное
дело в Арктике», Апатиты, 20-23 июня 2005г.; под. ред. Н.Н. Мельникова, С.П. Решет-
няка. – СПб., 2005 – 304 с.
27. Дизель-троллейвозный транспорт на карьерах/ В.Л. Яковлев, В.П. Смирнов,
Ю.И. Лель, Э.В. Горшков. - Новосибирск: Наука , 1991. – 104 с.
28. Зурков П.Э. Основные вопросы открытой разработки железных руд сложного
состава: Автореф. дис. … д-ра техн. наук/ П. Э. Зурков; ИГД АН СССР. - М., 1958. –
43 с.
29. Зурков П.Э. Открытые разработки / П. Э. Зурков. - Свердловск - М.: Метал-
лургиздат, 1941. – 308 с.
30. Зурков П.Э. Разработка рудных месторождений открытым способом /
П.Э. Зурков. - Свердловск - М.: Металлургиздат, 1953. – 527 с.
31. Зурков П.Э. Цикличность в горнорудной промышленности / П.Э. Зурков. -
Свердловск - М.: Металлургиздат , 1940. – 182 с.
32. Каплунов Д.Р. Особенности проектирования подземных рудников в системе
комплексного освоения месторождений / Д.Р. Каплунов, Б.В. Болотов. - М.: ИПКОН,
1988. – 178 с.
33. Каплунов Д.Р. Комбинированная геотехнология / Д.Р. Каплунов, В.Н. Калмы-
ков, М.В. Рыльникова. – М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003. – 560 с.
34. Каплунов Д.Р. Развитие производственной мощности подземных рудников
при техническом перевооружении / Д.Р. Каплунов; под ред. М.И. Агошкова. - М.: Наука,
1989. – 262 с.
35. Каплунов Д.Р. Стабилизация качества руды при подземной добыче / Д.Р. Кап-
лунов, И. А. Манилов. - М.: Недра, 1983. – 236 с.
36. Комплексное освоение минерально-сырьевых ресурсов: сб. ст./ Ред.
К.Н. Трубецкой. - М.: ИПКОН, 1989. – 207 с.
37. Комплексное освоение рудных месторождений: проектирование и техноло-
гия подземной разработки/ Д.Р. Каплунов и др. - М.: ИПКОН РАН, 1998. – 383 с.
38. Особенности формирования горнопромышленных комплексов Дальнево-
сточного и Уральского регионов / С.В. Корнилков, В.Л. Яковлев, Ю.А. Мамаев,
А.П. Ван-Ван-Е. // Изв. вузов.Горный журнал. - 2012. - №6. – С. 4-11.
39. Корнилков С.В. Управление рабочей зоной действующих и проектируемых
глубоких карьеров: автореф. дис. … д-ра техн. наук / С. В. Корнилков; УГГГА. - Екате-
ринбург, 1997. – 34 с.
40. Мельников Н.В. Пути развития горной науки и техники и задачи техниче-
ского прогресса в горной промышленности / Н.В. Мельников. –: Наука, 1967.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-22-320.jpg)
![24
62. Спиваковский А.О. Транспорт в горном деле / А.О. Спиваковский; АН СССР.
- М.: Наука , 1985. – 127 с.
63. Спиваковский А.О. Транспортные машины и комплексы открытых горных
разработок: учебник / А.О. Спиваковский, М.Г. Потапов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.:
Недра, 1983. – 383 с.
64. Технико-экономические показатели горных предприятий за 1990 – 2012 гг. –
Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2013. – 361 с.
65. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / К.Н. Трубецкой,
Ю.Н. Малышев, Л.А. Пучков, Н. Н. Чаплыгин, Д. Р. Каплунов, Б.А. Картозия,
В.А. Чантурия, В. С. Ямщиков, В.М. Авдохин, В.В. Адушкин, В.Ж. Аренс, А.С. Астахов,
А.О. Баранов, Ю. В. Бубис, С. Д. Викторов, А. М. Гальперин, А.П. Дмитриев, Ю.Д. Дядь-
кин, М. А. Иофис, Е. А. Котенко, Г.Д. Краснов, С.В. Кузнецов, М.В. Курленя, Б. Н. Ку-
тузов, Г. Г. Ломоносов, Е. П. Максимова, Н.Н. Мельников, Е. В. Петренко, В.Н. Родио-
нов, А.В. Стариков, А.И. Тимченко, В.С. Хохряков, Ю.Л. Худин, Э.Г. Чайковский,
В.И. Шубодеров, С.И. Шумков, Т.С. Юсупов, В.Л. Яковлев, Д.В. Яковлев. – М.: Изд-во
Академии горных наук, 1997. – 478 с.
66. Комплексное освоение месторождений / К.Н. Трубецкой, В.А. Чантурия,
Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова. – М.: Наука, 2010. – 437 с.
67. Трубецкой К.Н. Комплексы мобильного оборудования на открытых горных
работах / К. Н. Трубецкой, Е.Р. Леонов, Ю.Б. Панкевич. - М.: Недра, 1990. – 254 с.
68. Трубецкой К.Н. Проектирование карьеров: учебник для вузов: в 2- х томах /
К.Н. Трубецкой, Г. Л. Краснянский, В.В. Хронин. - 2-е изд., перераб. и доп.. - М.: Изд -
во АГН, 2001. - Т. 1. - 519 с. Т. 2. – 535 с.
69. Трубецкой К.Н. О новых подходах к обеспечению устойчивого развития гор-
ного производства / К.Н. Трубецкой, С.В. Корнилков, В Л. Яковлев // Горный журнал. -
2012 - №1. – С. 15-19.
70. Трубецкой К.Н. Современные системы управления горно-транспортными
комплексами. / К.Н. Трубецкой, А.А. Кулешов, А.Ф. Клебанов, Д.Я. Владимиров. – СПб.:
Наука, 2007. – 306 с.
71. Фаддеев Б.В. Исследование применения конвейерного транспорта на горных
работах для улучшения экономичности разработки месторождений: Дис. … д-ра техн.
наук/ Б.В. Фаддеев ; ИГД МЧМ СССР. - Свердловск, 1966. – 403 с.
72. Хохряков В.С. Исследование этапов развития и экономичности открытых
горных работ в глубоких карьерах: автореф. дис. … д-ра техн. наук / В.С. Хохряков;
МИРЭиГЭМ. - М., 1968. – 32 с.
73. Хохряков В.С. Проектирование и организация работы карьерного автотранс-
порта / В.С. Хохряков. - М.: Госгортехиздат, 1963. – 167 с.
74. Шевяков Л.Д. Избранные труды: в 2 т.: Т. 1. [ Избранное]. - Т. 2. Разработка
месторождений полезных ископаемых. История горной науки / Л.Д. Шевяков. - М.:
Наука, 1968. - Т.1. – 276 с.; Т.2. – 203с.
75. Шевяков Л.Д. Основы теории проектирования угольных шахт / Л.Д. Шевяков.
- М. - Л.: Углетехиздат, 1950. – 324 с.
76. Шевяков Л.Д. Разработка месторождений полезных ископаемых.- 3-е изд.,
исп. и доп. / Л.Д. Шевяков. - Харьков - Киев: Вугилля и руда, 1933. – 690 с.
77. Шевяков Л.Д. Сборник статей по горному искусству: вып.1 Статьи аналити-
ческие и расчетные: 2-е изд., знач. доп. / Л. Д. Шевяков. - М.: Союзуголь, 1930. – 264 с.
78. Шевяков Л.Д. Сборник статей по горному искусству: вып.1-2 / Л.Д. Шевя-
ков. - М.: Союзуголь, 1930-1933. - Вып.1. 1930. - 267с.; Вып.2. - 1933. – 192с.
79. Шешко Е.Ф. Техника открытой угледобычи (заграницей)/ Е. Ф. Шешко. - М.:
Углетехиздат, 1947. – 100 с.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-24-320.jpg)
![28
Развитие методологии обеспечения эффективного управления
промышленной безопасностью*
В 2006 году в Московском государственном горном университете была защищена
докторская диссертация «Обеспечение эффективного управления промышленной без-
опасностью горных предприятий путем целенаправленного формирования информаци-
онных потоков» Виталием Лазаревичем Могилатом (научный консультант чл.-корр.
РАН В.Л. Яковлев). Предметом исследования в этой диссертации являлась связь инфор-
мированности персонала горнодобывающего предприятия о развитии опасной производ-
ственной ситуации (ОПС) с аварийностью и травматизмом.
Идея работы проста: если лица, принимающие решения, будут очень надежно рас-
познавать и прогнозировать развитие ОПС, они всегда успеют принять меры, исключа-
ющие травму или аварию. В свою очередь, ОПС не формируется внезапно – она всегда
зарождается и развивается закономерно под воздействием объективных факторов, сле-
довательно, поддается распознаванию и прогнозу. Для того, чтобы это стало возможно,
В.Л. Могилат разработал ряд положений.
Во-первых, он показал и обосновал стадийность формирования и развития опас-
ных производственных ситуаций на основе графика катастроф (рис. 1). И, как следствие,
сформулировал ряд научно-практических задач: необходимо определить связь парамет-
ров штатного режима функционирования объекта и режима инцидентов с рисками травм
и аварий, а также разработать эффективные и безопасные организационно-технологиче-
ские регламенты и стандарты как для штатного режима функционирования предприятия,
так и для режима инцидентов, при котором происходят отказы оборудования.
Время развития ОПС (t)
инициирующее событие; точки неустойчивого состояния системы (точки бифуркации);
направление развития событий при отсутствии управляющих воздействий или их неадекватности;
направление развития событий при адекватных управляющих воздействиях
Катастрофа
(tk)
Авария
(ta)
Отказ
(to)
Отклонение от штатного
режима – угроза
(tу)
Штатный
режим (стандарт)
(tш.р.)
Необратимое раз-
рушение главной
связи системы
Подлежащие
восстановлению раз-
рушения существен-
ных связей системы
Отклонения в недо-
пустимых пределах
Подлежащие вос-
становлению раз-
рушения значи-
тельных связей
системы
Сущность
стадии
Структура информационного
обеспечения (регламент)
Отклонения в
допустимых
пределах
-
План ликвидации
катастрофы
(совместно с
МЧС)
Стандарт
ликвидации
отказа
Прогноз развития
опасных произ-
водственных си-
туаций
Нормы, правила работы и
производственный контроль
План
ликвидации аварии
-
-
Действующая Предлагаемая
Инцидент
tу to tа tкtш.р.
Стадии развития опасной производственной ситуации
Траектория развития ситуации Наименование ситуации
ЗонарискаЗонаущерба
Уровень
опасности
Рис. 1 – Характеристика развития опасной производственной ситуации
Исследуемые В.Л. Могилатом причинно-следственные связи при формировании
и развитии ОПС в системе промышленной безопасности рассматривались с привлече-
нием положений теории катастроф, которая основана на качественном изменении состо-
яния системы в результате достижения параметрами системы под влиянием внутренних
и/или внешних факторов определенных пороговых (критических) значений [2].
*
Перепечатка статьи [1]](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-28-320.jpg)
![31
На основании результатов анализа статистических данных по авариям и несчаст-
ным случаям, произошедшим на горнодобывающих предприятиях России, В.Л. Могила-
том была разработана вероятностно-статистическая модель, показывающая тесную связь
травматизма с информированностью и компетентностью персонала (рис. 3, 4). Так, напри-
мер, результаты анализа статистических данных по 114 несчастным случаям на шахтах
ОАО «Челябинскуголь» и ОАО «Воркутауголь» за 2000 – 2004 гг. показали, что высокий
уровень травматизма объясняется, как правило, недостаточной компетентностью и ин-
формированностью пострадавших и их руководителей.
Рис. 3 – Модель зависимости уровня
травматизма от компетентности
и информированности пострадавшего
Рис. 4 – Модель зависимости уровня
травматизма от компетентности
и информированности руководителя
Для снижения уровня аварийности и травматизма персоналу необходимо
научиться распознавать опасную производственную ситуацию на ранних стадиях воз-
никновения и развития. Проведенный автором анализ развития опасной производствен-
ной ситуации, связанной с прорывом дамбы наСорском молибденовом комбинате (1972
г.) показал, что по мере развития ОПС могли быть приняты пять управленческих реше-
ний, предотвращающих прорыв и обеспечивающих многочисленные безаварийные тра-
ектории процесса изменения состояния объекта. Однако недостаточная информирован-
ность различных уровней управления комбината не позволила спрогнозировать ката-
строфическое развитие сложившейся на тот момент ситуации.
С точки зрения эффективности производства выгодным является принятие управ-
ленческих решений тогда, когда затраты на ликвидацию опасной производственной си-
туации еще невелики. Подтверждением могут служить результаты анализа экономиче-
ского ущерба от произошедших в Кузбассе аварий и размера финансовых средств, необ-
ходимых для их предотвращения. Было выявлено, что около 70 % аварий сопровожда-
ется ущербом, составляющим 0,4 – 3,0 % стоимости товарной продукции, тогда как за-
траты на их предотвращение равны 0,01 – 0,3 % этой стоимости, то есть ущерб превы-
шает затраты от 10 до 40 раз, а в отдельных случаях – до 1000 раз и может более чем в
1,5 раза превышать годовой доход угольной шахты [3].
Виталий Лазаревич рано ушел из жизни и не успел сам принять участие в широ-
кой реализации и дальнейшем развитии методологии обеспечения эффективного управ-
ления промышленной безопасностью на горнодобывающих предприятиях. Эта методо-
логия является одним из главных направлений, развиваемых в ОАО «НТЦ-НИИОГР».
На современном этапе функционирования угольной отрасли она получает свое дальней-
шее развитие в многочисленных методических разработках, регламентах, стандартах, а
также научно-квалификационных работах, научно-практических статьях, монографиях
и т.д. как представителей науки, так и широкого круга руководителей и специалистов
угольных предприятий и компаний, в первую очередь таких как ЗАО «Распадская уголь-
ная компания», ОАО «СУЭК», ОАО «СДС-Уголь».
40
35
30
25
20
15
10
5
Кк_р, балл
Ки_р, балл
Травматизм,н.сл.
1
5
4
3
2
1
4
2
3
35
30
25
20
15
10
5
Кк_п, балл
Ки_п, балл
ТравматизмTRп,н.сл.
1
5
4
3
2
1
4
2
3](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-31-320.jpg)
![32
Методологические разработки В.Л. Могилата помогают горнякам успешно дви-
гаться к более высокому уровню безопасности производства и поэтому их социально-
экономическую значимость трудно переоценить.
Методология проектирования технологического развития
действующих карьеров [4]
В 2009 году в Московском государственном горном университете была защищена
докторская диссертация «Методология проектирования технологического развития дей-
ствующих карьеров» Александром Валентиновичем Соколовским (научный консультант
– чл.-корр. РАН В.Л. Яковлев).
Произошедшие преобразования социально-экономического устройства государ-
ства принципиально изменили внешнюю среду функционирования горнодобывающих
предприятий. Для эффективного и безопасного функционирования предприятия в этих
условиях необходим темп развития внутренней среды, соответствующий динамике
внешней среды. При дальнейшей интеграции России в мировое экономическое сообще-
ство конкурентоспособность отечественных карьеров может быть обеспечена в первую
очередь высоким темпом технологического развития. Возникает противоречие между
необходимостью постоянного развития, сопровождающегося изменением основных
свойств, и стремлением горнотехнической системы эти свойства сохранять, воспроизво-
дить.
Автором была выдвинута гипотеза о том, что обеспечение эффективности дей-
ствующих карьеров на всех этапах жизненного цикла возможно на основе непрерывного
поиска и реализации решений по развитию горнотехнической системы в комплексе с це-
ленаправленным формированием и последующим использованием технологических,
технических и организационных резервов. В процессе работы над темой были выдви-
нуты и обоснованы следующие научные положения:
1. Увеличение диапазона и частоты изменений параметров внешней и внутренней
среды выше значений, заложенных в базовом проекте, значительно снижает эффектив-
ность и безопасность функционирования карьеров. Компенсировать негативные послед-
ствия возможно посредством проектирования технологического развития действующих
карьеров, предусматривающего своевременное формирование и использование техноло-
гических, технических и организационных резервов, а также разработку и внедрение ре-
шений, направленных как на преобразование элементов системы, подвергшихся
наибольшему негативному воздействию изменений внешней и внутренней среды, так и
на предотвращение такого влияния в будущем.
2. Технологическая надежность процессов горного производства обеспечивается
созданием рациональной структуры технологических, технических и организационных
резервов. Объектами технологического резервирования являются параметры системы
разработки, структура запасов, схема вскрытия; объектами технического резервирования
– мощность основного и вспомогательного оборудования, комплекты оборудования,
специализация или функциональное разнообразие оборудования; объектами организа-
ционного резервирования – параметры и длительность технологических процессов, чис-
ленность и квалификация персонала.
3. Резервы, используемые для компенсации негативного влияния изменений
внешней и внутренней среды, определяются этапом функционирования горнотехниче-
ской системы и характером изменений среды. На этапе развития производственной мощ-
ности приоритетными являются резервы готовых к выемке запасов, создаваемые посред-
ством увеличения на 30 – 40 % протяженности фронта работ или ширины рабочих пло-
щадок при сохранении рациональных режимов горных работ. На этапе устойчивого
функционирования резервируется (в размере, превышающем нормативный в 1,5 – 2,0
раза) количество специализированных комплексов вспомогательного оборудования. На
этапе реконструкции объектом резервирования является мощность ведущей группы обо-
рудования, которая должна составлять 20 – 30 % от номинальной; кроме того, создаются](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-32-320.jpg)
![37
научным руководством Виктора Леонтьевича. Поэтому мы смело рекомендуем эту ме-
тодологию начинающим научным работникам, а ее автору желаем долгих лет интерес-
ной творческой деятельности и передачи богатейшего опыта научной молодежи.
Литература
1. Развитие методологии обеспечения эффективного управления промышленной
безопасностью (памяти В.Л. Могилата)] // Уголь. – 2009. – №12. – С. 43-45.
2. Арнольд В.И. Теория катастроф / В.И. Арнольд. – М.: Изд-во МГУ, 1983. – 80 с.
3. Ковалев В.А. Методология развития региональной системы управления охра-
ной труда и промышленной безопасностью на угольных шахтах:дис. … д-ратехн. наук /
В.А. Ковалев. – М., 2009. – 266 с.
4. Соколовский А.В. Методология проектирования технологического развития
действующих карьеров: автореф. дис. … д-ра техн. наук / А.В. Соколовский. – М., 2009.
– 38 с.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-37-320.jpg)
![39
Достигнутые в стране темпы эксплуатации ранее освоенных месторождений полезных
ископаемых свидетельствуют о том, что поддержание требуемого объема добычи и интенсивно-
стиотработкинедр, «…перспективыразвития минерально-сырьевогокомплекса (именноМСК,а
нетолькоминерально-сырьевойбазы)ВостокаиСевераРоссиисвязанысновымимежрегиональ-
ными центрамисырьевого обеспечения экономического роста на период до 2030 г.»[1].
Привсемразличииминерально-сырьевогопотенциалафедеральныхокруговРФ, степени
разведанности запасов и освоенности месторождений (по данным [1, 2], доля Уральского фе-
деральногоокруга составляет 50,1%; Сибирского 16; Северо-Западного10,6; Дальневосточного
3,5) с точки зрения методологического подхода к освоению и развитию минерально-сырьевой
базы этих регионов, в том числе Уральского и Дальневосточного, есть много общего. Главная
общность состоит в том, что характерной чертой районов со сложными природно-климатиче-
скими условиями является недостаточная степень разведанности недр, отсутствие развитой си-
стемы транспортных и энергетических коммуникаций и других элементов промышленной ин-
фраструктуры,поэтому необходимаразработкановыхподходовквыборуочередностииоргани-
зации освоения месторождений.
Источники минерального сырья совместно с другими природными ресурсами являются
основой для создания территориальных промышленных комплексов и в совокупности с распре-
делениемтрудовыхресурсовстраныпредъявляютособые требования ккомплексномуосвоению
территорий. Поэтомуособенноважнопринимать во внимание неравномерность размещения ми-
нерально-сырьевых ресурсов в земной коре и необходимость заблаговременного долгосрочного
планированияраспределенияпроизводительныхсил,атакжепоискавозможностейстабилизации
и даже уменьшения дальности перевозок сырья, сокращения объемов встречных грузопотоков,
изыскания эффективных путей передачи тепла и электроэнергии и т.п. В качестве главных при-
чин необходимости ускоренного и комплексного изучения, разведки и освоения месторождений
твердых полезных ископаемых Севера, в том числе арктической его части, а также Полярного и
Приполярного Урала, следует отметить:
- необходимость освоения месторождений газа и нефти с видоизменением инфраструк-
турыэтихрегионовсовместнос организациейилирасширениемдобычидругихвидов минераль-
ного сырья, в частности строительных материалов;
- начавшуюся модернизацию промышленности (металлургии, машиностроения, транс-
порта и т.д.), прежде всего связанную с техническим перевооружением, требующим увеличения
добычи металлов и легирующихдобавок;
- наметившийся дефицитпроизводства определенных видов традиционно потребляемого
сырья: железных, марганцевых и хромитовых руд, вольфрама, энергетического и коксующегося
угля и пр.;
- сокращение доли подготовленных к промышленной эксплуатации запасов ряда полез-
ных ископаемых, в частностимедных руд.
По предварительным оценкам [3], несмотря на недостаточную геологическую изучен-
ность, Приполярный Урал располагает запасами более миллиарда тонн железной руды, сотнями
миллионов тонн медной и хромовой руды, значительными запасами рудного золота.
Золотодобыча,традиционно развиваемая на территории Дальневосточного федерального
округа, является специализацией региона, от ее развития зависит и социальное благополучие
населения прилегающих районов. В то же время минерально-сырьевая база округа включает по-
рядка 100 видов полезных ископаемых: благородные металлы, драгоценные камни (алмазы),
цветные металлы, редкие и радиоактивные элементы, горючие ископаемые на материке и на
шельфе Охотскогоморя,твердые горючие ископаемые,а также неметаллические полезные иско-
паемые. Поэтому решение проблемы масштабного и комплексного освоения других месторож-
дений твердых полезных ископаемых непосредственно связано с необходимостью увеличения
доли горнодобывающей промышленности регионов в валовом региональном продукте округа.
Кроме того, по имеющимся данным [4], в техногенных россыпях находится от 10-15 до 50 % со-](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-39-320.jpg)
![40
державшихсявнихпервоначальныхзапасовзолота.Активное вовлечениевэксплуатациютехно-
генныхроссыпных объектовбудетне толькокомпенсировать уменьшение добычизолота из гео-
генных россыпей, но и способствовать снижению негативной нагрузки на природную среду.
Основой предлагаемой стратегии поддержания и развития минерально-сырьевой базы
при минимальном привлечении инвестиционных и людских ресурсах, особенно в новых райо-
нах, является комплексность освоения недр при одновременном налаживании открытой инфра-
структуры эксплуатирующих предприятий. При этом главным элементом такого методического
подхода является освоение месторождений не только по видамсырья, но и по условию создания
на территории единой социально-промышленной инфраструктуры, транспортных коммуника-
ций, источников энергии, обеспечивающих добычу полезного ископаемого, а также согласован-
ная возможность использования ресурсов, продукции и отходов горно-обогатительного произ-
водства.
Реализовать такой подход можно за счет формирования минерально-сырьевых центров
(МСЦ) экономического развития, создающих предпосылки для организации территориальных
промышленных комплексов, включающих горнодобывающие предприятия, вовлекающие в экс-
плуатацию подготовленные к освоению минеральные ресурсы определенного региона. В каче-
стве организационных форм достижения поставленных целей могут выступать управляющие
компании, холдинги и пр., обеспечивающие комплексное освоение территорий и развитие про-
мышленной инфраструктуры.
При обосновании стратегии освоения и развития минерально-сырьевых ресурсов
приполярных и полярных регионов Урала и на территории ДФО важнейшим фактором
является инфраструктурный (транспорт, энергетика, социальная сфера). Существенное
значение для формирования и активного использования георесурсов минерально-сырье-
вых центров имеет также и территориальная организация экономически и технологиче-
ски увязанных производственных единиц, развитие металлургического и машинострои-
тельного комплексов. С этих позиций горнорудные районы целесообразно формировать
на территориях, которые обладают соответствующим активным или прогнозируемым
ресурсным потенциалом в пределах соответствующих МСЦ [5].
При выделении районов первоочередного освоения недр к факторам, влияющим на фор-
мирование территориальных горнопромышленных комплексов и их пространственное размеще-
ние, помимо наличия собственно полезных ископаемых и степени их разведанности, следует от-
нести:
-наличиедействующихтерриториальныхпромышленныхкомплексов,включающихэко-
номически и технологически увязанные производственные и инфраструктурные предприятия и
объекты;
- благоприятствующие экономические и горнотехнические условия, способствующие
поддержанию или развитию минерально-сырьевой базы региона, в том числе наличие реальных
или проектируемых источников энергии и транспортных коммуникаций;
- возможность концентрации сил и средств для реализации стратегических задач ком-
плексного развития новых территорий, а также кооперации регионов и административных обра-
зований для развития приоритетных направлений промышленной и экономической политики
территории;
- реализация основных принципов недропользования по рациональномуи комплексному
использованиюнедр,втомчисленаиболееполноеизвлечениезапасовосновныхипопутныхком-
понентов, а также внедрение современных технологий комплексной переработки минерального
сырья;
- необходимость перераспределения горной ренты в целях недопущения выборочной от-
работки месторождений, а также снижения затрат на освоение малорентабельных и мелких ме-
сторождений,развитиядобычиместныхстроительныхматериаловидругогопривлекаемогопри-
родного сырья, в том числе водных ресурсов;
-учетпреемственностиприпоэтапномразвитиирегиональныхилокальныхгорнорудных](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-40-320.jpg)
![41
районов на основе предполагаемых инвестиционных соглашений горнопромышленных ком-
паний, холдингов и других организационных форм промышленных производств.
Схемы расположения минерально-сырьевых центров, выделенных нами на основании
вышеизложенных требований, и возможных предприятий по освоению запасов расположенных
на этих территориях месторождений представлены на рис. 1 и 2.
Несмотря на многообразие условий и довольно значительное число вариантов
границ МСЦ, применительно к регионам Северного Урала и ДФО реально можно выде-
лить три основных сценария, в которых минеральные ресурсы становятся отправными
точками экономического роста:
- разведано несколько относительно небольших по запасам месторождений раз-
ных видов полезных ископаемых, однако организация на их базе отдельных обособлен-
ных предприятий неэффективна;
- на территории уже имеются достаточно развитые горнодобывающие предприя-
тия, запасы которых в значительной мере отработаны, а на определенном удалении от
них имеются одноименные малообъемные (мелкотоварные) месторождения полезных
ископаемых, восполняющие сырьевую базу действующего производства;
- создание нового горнопромышленного комплекса с полным циклом переработки
на базе крупного месторождения, эксплуатация которого окупит затраты на создание не-
обходимой инфраструктуры.
На основании проведенных, в том числе с участием авторов статьи, исследований
к числу соответствующих отмеченным выше условиям можно отнести три территори-
альных МСЦ на Приполярном Урале в районе проектируемого транспортного коридора
(см. рис. 1); МСЦ малообъемных кимберлитовых месторождений Якутии севернее дей-
ствующих предприятий АК «АЛРОСА»; создание Южно-Якутского горно-металлурги-
ческого комплекса на базе Таежного и Тарыннахского железорудных ГОКов, Нерюн-
гринского и Эльгинского угольных месторождений, а также каскада гидроэлектростан-
ций или ТЭС на газовом сырье (см. рис. 2). Таким образом, развитие МСЦ создает объ-
ективные предпосылки для вовлечения в хозяйственный оборот малопривлекательных
природных и техногенных объектов, активизирует строительство перерабатывающих
предприятий, включая их в комплексную переработку минерального сырья при развитии
и внедрении новых технологий.
Новым направлением в формировании горнопромышленных районов может яв-
ляться использование металлоносного потенциала угольных месторождений. В настоя-
щее время только на юге Дальнего Востока известно свыше 20 месторождений бурых и
каменных углей мезозойского и кайнозойского возраста, которые содержат повышенные
(превышающие кларковые в несколько раз) концентрации благородных и редких метал-
лов: Au, Ag, Ge, Ga, U, W, Sb, Y, Yb, Nb, V, Zr, Rb, Li, Be, Cs, Sc, Mo, Re.
Опыт Приморской ГРЭС, успешно извлекающей из золошлаковых отходов тон-
кую магнитную фракцию, позволяет оценивать перспективы извлечения благородных и
редких металлов как положительные.
В плане организации рационального, комплексного освоения крупных техноген-
ных золотороссыпных объектов [6, 7] может быть создан Амуро-Буреинский мине-
рально-сырьевой центр экономического роста (ЦЭР, включающий объекты россыпной
золотодобычи Амурской области, Хабаровского края и юга республики Саха (Якутия)).
Организация широкомасштабного комплексного горного производства с исполь-
зованием всех видов минерального сырья возможна на базе действующих или вновь со-
здаваемых базовых горных предприятий [8]. Формирование на их основе горнорудных
районов и горнопромышленных комплексов требует проведения специальных исследо-
ваний по структурированию минерально-сырьевой базы с учетом хозяйственно-эконо-
мического, инфраструктурного и социального развития соответствующих районов.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-41-320.jpg)
![55
УДК 622.014.3:553.042.004.14
К настоящему времени российскими учеными разработаны научные, методоло-
гические и стратегические основы комплексного освоения недр, учитывающие совре-
менное состояние горной техники и технологии, изменения важнейших положений эко-
номической оценки месторождений полезных ископаемых, состояние и возможности
развития минерально-сырьевой базы [1 – 7 и др.]. Как правило, в этих работах приво-
дится аргументация важных направлений дальнейшего научного поиска, в том числе с
учетом развивающегося парка принципиально нового научного оборудования. В насто-
ящей статье авторами сделана попытка рассмотреть, в соответствии со своей специали-
зацией и имеющимся заделом, совокупность подобных задач.
Рассмотрение и аргументацию научной и практической значимости отобранных
задач начнем с основ геологического опробования и оценки запасов.
В ИГДС СО РАН на основе обобщения многолетних данных опытно-методиче-
ских работ, разведки и разработки месторождений твердых полезных ископаемых изу-
чены закономерности пространственной изменчивости и неоднородности полей содер-
жаний полезных компонентов. Введено геолого-экономическое понятие кластерной ор-
ганизации месторождений и рудного вещества, методологически удобное для оптимиза-
ции сетей опробования, оценки и отработки запасов полезных ископаемых при реализа-
ции концепции эксплуатационных кондиций [8]. Обоснованы принципы построения и
анализа функционирования сложных динамических систем «георесурс-продукт-эффект»
Ткач Сергей Михайлович
доктор технических наук,
директор института
Институт горного дела Севера
им. Н.В. Черского (ИГДС) СО РАН
677027, г. Якутск, ул. Ленина, д.43,
e-mail: tkach@igds.ysn.ru
Tkach Sergey M.
doctor of technical sciences,
the director of the Institute of mining
in the north regions, named after N. V. Chersky, Si-
berian Branch, RAS,
Lenin Ave, 43, Yakutsk, 6778027, Russia,
e-mail: tkach@igds.ysn.ru
Батугин Сергей Андриянович
доктор технических наук, профессор,
главный научный сотрудник
лаборатории проблем рационального освоения
минерально-сырьевых ресурсов,
ИГДС СО РАН
e-mail: batuginan@mail.ru,
ИЗБРАННЫЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОГО
ОСВОЕНИЯ НЕДР
НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ
Batugin Sergey A.
Doctor of technical sciences, professor,
Chief researcher of the Laboratory of problems
of rational mineral resources development
the Institute of mining in the north regions, named
after N. V. Chersky and related to the Siberian
Branch, RAS
e-mail: batuginan@mail.ru
SELECTED GEO-TECHNOLOGICAL
PROBLEMS OF MINERAL RESOURCES
INTEGRATED DEVELOPMENT
AT PRESENT STAGE
Аннотация:
Показано, что для эффективной реализации
стратегии комплексного освоения недр необхо-
димо опробование месторождений, минераль-
ного сырья и продуктов его переработки. Од-
нако эта проблема недопустимо игнорируется
наукой и практикой. Отмечены причины и от-
рицательные последствия этого явления. Пред-
ложены первоочередные меры.
Ключевые слова: недра, месторождения, стра-
тегия, опробование, предложения
Abstract:
It is shown that for efficient implementation the
strategy of comprehensive natural resources devel-
opment sampling the deposits, mineral raw materi-
als and products of its processing is necessary. But
the problem continues to be inadmissibly disre-
garded by science and practice. The reasons and
negative after-effects of this phenomenon are men-
tioned. Top priority measures are proposed.
Key words: subsurface mineral resources, deposits,
strategy, sampling, suggestions](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-55-320.jpg)
![56
[9]. Предложено новое конструктивное понимание и определение представительности
геологической пробы: проба называется представительной, если ее масса (объем), гео-
метрия и ориентировка позволяют оценить с необходимой и достаточной точностью
среднее содержание полезного (вредного) компонента в однородном поле минерализа-
ции с заданными гранулометрией и балансом минералов-носителей данного компонента,
структурой и текстурой среды опробования [10].
Опробование на содержание химических элементов, минералов, твердых, жидких
и газообразных включений, пор, каверн, дефектов и других характеристик при комплекс-
ном изучении и освоении недр ведется на всех стадиях.
Многообразие объектов опробования порождает разнообразие сред опробования,
с которыми приходится иметь дело. Общим свойством большинства сред опробования
является то, что они могут быть представлены в виде образований из двух или большего
числа фаз (тел) с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Такие системы
называют дисперсными.
В дисперсных системах по крайней мере одна из фаз распределена в виде мелких
частиц (кристалликов, нитей, пленок, пластинок, капель, пузырьков и т. п.) в другой
сплошной фазе – дисперсионной среде. Совокупность мелких однородных частиц, рас-
пределенных в дисперсионной среде, называют дисперсионной фазой.
По агрегативному состоянию дисперсные системы делят на газодисперсные –
аэрозоли (дым, туман, пыль), жидкодисперсные (золи, суспензии, эмульсии, пены), твер-
додисперсные – стеклообразные или кристаллические тела с включением мельчайших
твердых частиц, капель, газовых пузырьков. Общая классификация дисперсных систем
приведена в табл. 1 [11].
Т а б л и ц а 1
Классификация дисперсных систем
Дисперсионная среда
Дисперсная фаза
Газовая Жидкая Твердая
Газовая Дисперсные системы
не образуются
Туман Дым, пыль
Жидкая Пены Эмульсии Суспензии
Золи (коллоидные растворы)
Твердая Аэрогели (пористые
тела)
Жидкие включения в
твердых телах
Твердые золи
В геологии и горном деле приходится иметь дело со всеми классами дисперсных
систем, указанных в табл. 1. Каждое из месторождений полезных ископаемых представ-
ляет собой некую гетерогенную систему. Месторождения твердых полезных ископае-
мых и твердые породы являются примерами сложных гетерогенных систем с одновре-
менным присутствием в одной и той же породе (руде) большой совокупности не только
различных твердых, жидких и газообразных дисперсных фаз, но и необозримого множе-
ства гетерогенных подсистем разных масштабов. Поведение таких гетерогенных систем
и подсистем в условиях разнообразных природных и техногенных воздействий для по-
знания проблем комплексного освоения, сохранения недр, окружающей природы и
жизни на Земле представляется крайне важным, перспективным, но далеким будущим.
Применительно к различным месторождениям и видам минерального сырья более
чем за 100-летний период развития эмпирических и теоретических методов исследова-
ний предлагалось и использовалось много способов определения минимальной предста-
вительной массы (объема) первичной пробы и (или) навески для химического анализа.
В разработке этих методов принимали участие многие инженеры и ученые разных
стран: И.М. Адельсон, М.Н. Альбов, С.А. Батугин, Н.В. Барышев, Г.Е. Белоусов,](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-56-320.jpg)
![57
М.П. Божинский, А.П. Буров, В.В. Викторов, Г.П. Воларович, А.И. Галудзина,
М.А. Гневушев, А.Г. Дьяков, А.В. Есипов, С.Г. Желнин, Е.П. Зайцев, Б.М. Зубарев, П.Л.
Каллистов, Н.В. Карпенко, А.И. Ким, Н.В. Климов, В.З. Козин, С.Д. Костюк, Д.А. Крас-
нов, А.А. Куликов, А.Б. Куликова, П.И. Кушнарев, Р.М. Кылатчанов, А.А. Малаев, В.Е.
Минорин, В.А. Новиков, Ю.К. Панов, В.П. Переяслов, В.Г. Петров, К.Л. Пожарицкий,
Б.И. Прокопчук, Р. Ричардс, И.С. Рожков, С.М. Ткач, Ю.А. Ткачев, Е.А. Фридланд, В.Г.
Хитров, А.П. Церишенко, Е.Д. Черный, Л.И. Четвериков, Г.О. Чечотт, Л.И. Шаманский,
А.А. Шеин, Б. Бауле, А.З. Бенедетти-Пихтер, А.Д. Вильсон, Д.Висман, К. Демонд, С.О.
Ингамельс, Ф. Мика, С.Х. Петхе, А.Ф. Таггарт, Р. Хальфердаль, P.M. Becker, D. Brunton,
E. Clifton, A. Grassia, P. Gy, P. Hunter, M. Magnee, D.J. Otlley, L.L. Philips, A. Prigogine, F.
Swanson, J. Cillik и др. (по [10]).
Обобщение практических данных по опробованию привело английского ученого
Р. Ричардса (1909 г.) к убеждению, что массы проб изменяются приблизительно пропор-
ционально квадратам диаметров максимальных кусков в пробе.
Впервые такого рода работа, в которой описан пример расчета схемы обработки
пробы по формуле, была опубликована профессором Ленинградского горного института
Г.О. Чечотта в 1917 г.:
𝑚 = 𝐾𝑑2
.
(1)
Эта же формула приведена им в последующей работе (1932 г.) со ссылкой на ма-
териалы экспериментальных исследований Р. Ричардса. С тех пор она вошла в практику
геологической службы СССР под названием «соотношение Ричардса – Чечотта», и была
рекомендована Геологическим комитетом еще в 1926 г.
Коэффициент К отражает влияние изменчивости содержания металла в руде и,
по мнению Г.О. Чечотта, изменяется в пределах 0,16 – 0,24.
В практике опробования алмазных и других россыпей широко известна, исполь-
зовалась и используется в ряде случаев формула, предложенная в 1952 г. А.П. Буровым
и Г.И. Воларовичем:
C
q
KV п , (2)
где Vп – искомый объем пробы, м3;
q – средняя масса кристалла алмаза, мг;
С – среднее содержание алмазов в данном типе россыпей;
К – коэффициент, выбираемый в зависимости от требуемой надежности обнаруже-
ния алмазов.
В формулах (1) и (2) удачно отражены опыт и накопленные знания об основных
факторах (d, q, C и K), влияющих на уровень представительности геологической пробы.
Это определило 100-летнюю историю развития эмпирических и теоретических поисков
теории опробования горных пород, руд, минерального сырья и продуктов их перера-
ботки.
Отметим важнейшие факты состояния дел в этой области на современном этапе:
специалисты признают, что высокая неравномерность содержания (например,
алмазов и золота) в месторождениях и рудной массе, фиксируемая при геологическом
опробовании, является следствием как природного неравномерного распределения кри-
сталлов и их сростков – носителей искомых минералов и элементов в рудном массиве,
так и случайного попадания их в частные пробы;
формулы (1) и (2) широко использовались и используются с разной модифика-
цией параллельно с введением существенных поправок из-за часто наблюдаемого зани-
жения качества и количества пригодных для эксплуатации запасов, вплоть до пропусков
месторождений и их участков;](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-57-320.jpg)
![58
имеет место множество различных случайных и систематических ошибок
оценки содержаний минералов и элементов на всех стадиях опробования месторождений
и добытого минерального сырья от пробоотбора до лабораторного анализа;
систематические ошибки занижения содержаний при существенно непредста-
вительном опробовании в корне искажают истинную картину размещения балансовых
запасов (рис. 1);
занижают мощность продуктивных тел в местах фактически балансовых запа-
сов, показывая в то же время ненулевую мощность там, где фактически содержания су-
щественно ниже бортового;
занижают площади участков с балансовыми запасами, показывая таковые в ме-
стах их фактического отсутствия;
завышают запасы худших и лучших категорий по качеству и занижают запасы
среднего качества.
Рис. 1 – Сравнение геометризации балансовых запасов по данным эксплуатационного
опробования пробами разного объема:
а – V0,05Vпредст.; б – V0,35Vпредст.; в – VVпредст.
При освоении месторождений выбор стратегии поведения компании очень
жестко связан с источником сырья. Именно качество запасов минерального сырья, их
величина и условия разработки будут определять, какая стратегия поведения компании
может быть преобладающей при разработке месторождения [12].
Переходя к заключению, отметим справедливое, на наш взгляд, мнение сотруд-
ников ОАО «Иргиридмет» [13] о целесообразности продолжения исследований техноло-
гии пробоподготовки и анализа золотосодержащих проб. Требуется пересмотр стандарта
по подготовке проб к анализам с заменой устаревшей формулы Ричардса – Чечотта и
разработка новых схем пробоподготовки, учитывающих современные условия.
Литература
1. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли /под ред. К. Н. Трубецкого.
– М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. – 478 с.
2. Мезоэкономика переходного периода: рынки, отрасли предприятия / под ред.
Г. Б. Клейнера. - М.: Наука, 2001. - 516 с. (Серия "Экономическая наука современной
России")
3. Клейнер Г. Б. Стратегия предприятия / Г. Б. Клейнер. M: Изд-во "Дело",
2008. 568 с.
4. Яковлев В. Л. Разработка государственной стратегии развития и освоения
недр России основа геополитической и экономической безопасности страны / В.Л. Яко-
влев //. Геотехнологические проблемы комплексного освоения недр. Екатеринбург,
2009. – С. 87 – 94. – (. Сб. науч. тр. / ИГД УрО РАН. - № 5(95).](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-58-320.jpg)
![59
5. Комплексное освоение месторождений и глубокая переработка минераль-
ного сырья / К. Н. Трубецкой, В. А. Чантурия, Д. Р. Каплунов, М. В. Рыльникова. - М.:
Наука, 2010. - 437 с.
6. Ресурсовоспроизводящая безотходная геотехнология комплексного освоения
месторождений Курской магнитной аномалии / под ред. Д..Р. Каплунова. – М.: Изд-во
«Горная книга», 2012. – 547 с.
7. Архипов Г. И. Минеральные ресурсы горнорудной промышленности Даль-
него Востока. Обзор состояния и возможности развития / Г. И Архипов. – М.: Издатель-
ство «Горная книга», 2011. – 830 с.
8. Ткач С. М. Методологические и геотехнологические аспекты повышения эф-
фективности освоения рудных и россыпных месторождений Якутии / С. М. Ткач; отв.
ред. С. А. Батугин, – Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2006. – 284 с.
9. Батугина, Н.С. Проблемы эффективного освоения недр Республики Саха
(Якутия) / Н. С. Батугина. – М.: Геоинформмарк, 2010. – 194 с.
10. Батугин, С. А. Теоретические основы опробования и оценки запасов место-
рождений / С. А. Батугин, Е. Д. Черный. – Новосибирск: Сиб. предприятие РАН, 1998. –
344 с.
11. Большая советская энциклопедия. – М.: Сов. Энциклопедия, 1972. – Т. 7. – С.
309.
12. Харитонова М. Ю. Использование вероятностного подхода для определения
конкурентных стратегий поведения горнодобывающих компаний Красноярского края /
М. Ю. Харитонова, Н. А. Мацко // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. –
2013. - № 3. – С. 83-87.
13. Прокопьева С. В. Проблемы пробоподготовки и анализа проб с различной
крупностью золота] / С. В. Прокопьева, А. С. Ванина, Б. К. Кавчик // Золотодобыча. –
2014. - № 2 (183), февраль. – С. 11-14.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-59-320.jpg)
![61
иссякают и встает вопрос о его ликвидации – логическом завершении всего цикла недро-
пользования.
При всех способах разработки месторождений: открытом, подземном, комбиниро-
ванном – по ее завершению на горном отводе и прилегающих территориях, используемых
для технологических целей, остаются разнообразные техногенные нарушения исходных
природных условий, которые зависят от способа разработки, параметров залегания место-
рождения, объемов добычи и многих других факторов. В соответствии с требованиями фе-
дерального «Закона о недрах» пользователь обязан привести участки земли и другие нару-
шенные природные объекты в состояние, пригодное для их дальнейшего использования.
Насколько кратко сформулировано в законе это требование, настолько сложна его практи-
ческая реализация.
Проблемы приведения нарушенных участков земли в пригодное для безопасного ис-
пользования состояния по своей специфике можно подразделить на два вида: экологические
проблемы, связанные с восстановлением или созданием экологически приемлемых условий
на нарушенных участках; проблемы обеспечения безопасности использования нарушенных
территорий. Творческий коллектив Уральской школы геомехаников ИГД УрО РАН, сотруд-
ничающий на протяжении многих лет с членом-корреспондентом РАН В.Л. Яковлевым [1],
в соответствии со своей специализацией проводит исследования по второму виду – по фак-
торам пригодности нарушенных территорий, обеспечивающим безопасность их использо-
вания после разработки месторождений твердых полезных ископаемых.
Актуальность этого направления научных исследований обусловлена спецификой
минерально-сырьевого комплекса Уральского региона, в котором традиционно преобладает
добыча открытым и подземным способами угля, железных и медных руд, нерудных и дру-
гих видов твердых полезных ископаемых. Во-первых, Уральский регион относится к одной
из старейших горнодобывающих провинций России, в которой на многих месторождениях
отработка запасов либо завершилась, либо подходит в ближайшие годы к завершающему
этапу. Во-вторых, многие горные предприятия исторически выступают в качестве градооб-
разующих. Города и населенные пункты Урала создавались и функционировали как посе-
ления заводского типа, где нарушенные территории граничили, а часто и тесно переплета-
лись с селитебными территориями. Кроме того, в соответствии с федеральным законом «О
промышленной безопасности» процесс недропользования (горные работы) относится к
опасным видам работ. Причем опасность, присущая ему на всех этапах разработки место-
рождения, на стадии ликвидации шахт и карьеров не только не уменьшается, но в значи-
тельной мере возрастает и усложняется.
В горнодобывающей практике Урала ликвидация шахт и карьеров не нова. Предше-
ствующая практика, регламентировавшаяся соответствующими нормативными докумен-
тами, не создавала серьезной опасности для промышленной и социальной инфраструктуры.
Для ликвидируемых предприятий вследствие их небольших мощностей характерны были
преимущественно проблемы экологического характера, вызванные подтоплением террито-
рий, нарушением плодородия земель, сложностями повторного использования подработан-
ных земель в зонах сдвижения горных пород.
С наступлением периода ликвидации крупных горнодобывающих предприятий с
масштабным воздействием на окружающую среду, в первую очередь на напряженно-де-
формированное состояние значительных областей массива горных пород, проблемы ликви-
дации смещаются в область повышения опасности для промышленной и социальной инфра-
структуры. В настоящее время в Институте ведутся исследования по обеспечению безопас-
ности при предстоящей ликвидации Коркинского угольного разреза (г. Коркино), шахты
Медной (г. Краснотурьинск) и шахты Магнетитовой (г. Нижний Тагил), находившихся в](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-61-320.jpg)
![63
дования. В период разработки аварийные ситуации оползневого характера не распространя-
лись за границы разреза, их локализовали. При затоплении разреза при его ликвидации вод-
ные массы могут вносить существенные изменения в механизм оползневых процессов и их
последствий за счет вытеснения оползневыми массами воды. В зависимости от скорости
смещения, объемов сползающих масс и уровня затопления разреза оползень может вызвать
резкий подъем воды с образованием выплескивающихся на земную поверхность волн. В
качестве примера подобного развития оползневого процесса может служить катастрофа,
произошедшая в 1963 году на водохранилище итальянской гидроэлектростанции Вайонт.
Склон горы длиной 2 км, шириной почти километр сполз за 45 секунд в чашу водохрани-
лища. Образовавшийся всплеск воды высотой около 250 м перелился через плотину и снес
на своем пути пять деревень, погибло около трех тысяч человек.
Деформационные процессы прибортовых массивов горных пород и прилегающих
территорий происходили в период эксплуатации Коркинского разреза, и на его восточном
борту возникла необходимость сноса жилых объектов поселка Роза. С затоплением разреза
уровень сдвижений и деформаций будет возрастать за счет снижения прочности по струк-
турным нарушениям массива горных пород.
Важную роль в нарушении устойчивости различных объектов играют современные
трендовые и цикличные геодинамические движения, причем воздействие их на здания и со-
оружения может достигать критических значений как в районах влияния горных разработок,
так и вне их [2].
К современным геодинамическим движениям близко примыкает наведенная сей-
смичность, или техногенные землетрясения. Формирование вторичного напряженно-дефор-
мированного состояния в области влияния горных разработок нередко сопровождается сей-
смическими событиями, способными разрушить промышленные и социальные объекты,
оказавшиеся в зоне их влияния [3].
Ликвидация шахты Магнетитовая сопряжена с рядом осложнений, связанных с дли-
тельным сроком разработки Высокогорского железорудного месторождения, затронувшей
значительные объемы массива горных пород в плане и по глубине, и нахождением разраба-
тываемого шахтного поля в городской черте. Задачи охраны от подработки объектов про-
мышленной и социальной инфраструктуры самого рудника и города тесно переплелись с
задачами развития горных работ. На стадии разработки месторождения обеспечение без-
опасности осуществлялось в условиях дренирования подземных вод шахтным водоотливом.
В случае осуществления «мокрой» ликвидации шахты обводнение подработанных массивов
пород существенно изменит геомеханические условия и потребует обоснованного пере-
смотра мероприятий по обеспечению безопасности объектов инфраструктуры на земной по-
верхности.
Взаимосвязь шахты Магнетитовая со всем комплексом горных разработок на место-
рождении порождает обширный комплекс опасностей, характерных как для ликвидируемых
подземных выработок, так и для открытых, отмеченных относительно Коркинского разреза.
К основным из них, захватывающим непосредственно прилегающие, а также достаточно
удаленные территории, относятся:
- активизация деформационных процессов сдвижения горных пород на подработан-
ных территориях в сложившейся мульде сдвижения в городской черте и в промышленной
зоне, вызванная затоплением шахты и формированием новой гидрогеологической обста-
новки в области влияния разработки месторождения;
- развитие оползневых процессов на объектах техногенного рельефа (борта карьеров,
откосы отвалов и др.), попадающих в области изменения гидрогеологической ситуации и
продолжения формирования вторичного напряженно-деформированного состояния;](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-63-320.jpg)
![67
В последние годы в связи с активным развитием теории волн маятникового типа
в напряженных геосредах блочно-иерархического строения [1 – 4] стало формироваться
новое направление исследований, относящееся к очаговым зонам катастрофических со-
бытий (землетрясений, горных ударов и др.) – «геомеханическая термодинамика» [5]. В
известном смысле это аналог классической термодинамике, если вместо отдельных мо-
лекул вещества геоматериалов будем рассматривать их большие кластеры (от субмоле-
кулярных до макроблоков), учитывая возможность колебательных (поступательных и
вращательных) движений последних в приближении абсолютно твердых тел. Этот «по-
стулат» лежит в феноменологических основах теории волн маятникового типа, веще-
ственными носителями которых являются структурные элементы горных пород и их
массивов разного иерархического уровня [6].
В работах [7, 8] впервые предложена механическая модель «самонапряженных»
массивов горных пород, где механические условия взаимодействия между структур-
ными элементами горных пород в стесненных условиях заменены нелинейными «пру-
жинками» разного иерархического уровня по типу вложения одного в другой (согласно
концепции М.А.Садовского) [9]. Эта механическая модель позволила объяснить наблю-
даемые в эксперименте [10] очень важные особенности эволюции гармонических аку-
стических сигналов при нагружении блочных сред с цилиндрической полостью (моде-
лирующей «концентратор» напряжений или будущую «очаговую» зону), такие как:
1) существование устойчивой корреляционной связи между стадиями нагружения
среды со структурой и амплитудно-частотными характеристиками гармонических сиг-
налов, регистрируемых в составных блоках модели геосреды;
2) частоты резонансных акустических колебаний в блоках модели, существенно
разнящиеся между собой на начальных этапах ее нагружения, проявляют конвергенцию
друг к другу на стадии предразрушения;
3) на стадии предразрушения блочной модели геосреды имеет место не только
схождение резонансных частот по системе составляющих ее геоблоков, но и усиление
амплитуды гармонических сигналов за счет перехода накопленной упругой потенциаль-
ной энергии структурными элементами в колебательную (кинетическую) энергию излу-
чения акустических волн с нарушением классического закона затухания гармонических
сигналов от источников их излучения.
По существу, впервые экспериментально установлено, что моделируемая «оча-
говая зона» будущего разрушения способна эволюционировать в акустически активную
геосреду, работающую на критических уровнях нагружения как автоколебательная или
своеобразная «геомеханическая лазерная система». В отличие от классических оптиче-
ских лазерных систем, однако, она не является монохроматической (!), акустический
спектр излучения приобретает дискретно-каноническую форму:
pp
i
i VVfiff ,)2/(;...,2,1,0,2 00 – скорость продольной волны в гео-
материалах структурных блоков диаметра Δ.
Важно отметить и то, что в [11] представлена первая простейшая модель для опи-
сания условий возникновения канонического спектра акустических волн в предположе-
нии о том, что жесткость взаимодействия между структурными блоками («пружинок»)
является нелинейной функцией их относительных смещений.
1. Макро- и микродеформационные процессы в образцах искусственных геомате-
риалов при двухосном нагружении до разрушения. Ранее в работе [12] выполнены экс-
перименты на образцах горных пород, обладающих структурной неоднородностью, по
изучению особенностей распределения и эволюции напряженно-деформированного со-
стояния на микроуровне по рабочим поверхностям породных образцов с помощью ме-
тода спекл-фотографий в процессе одноосного нагружения до разрушения.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-67-320.jpg)
![69
Испытания образцов геоматериалов проводились на сервогидравлическом прессе
Instron–8802, позволяющем задавать программы нагружения с заданной скоростью по
усилиям и по перемещениям. Для реализации двухосного нагружения использовалось
специальное устройство, позволяющее создавать дополнительно, независимо от пресса,
боковую нагрузку на призматический образец. В эксперименте непрерывно регистриро-
вались и записывались в компьютерный файл усилия бокового поджатия образца, пере-
мещение траверсы пресса и усилие, создаваемое прессом. Максимальное усилие задава-
лось прессом с фиксированной скоростью перемещения траверсы пресса 1 мм/мин. Для
регистрации микродеформаций на рабочей поверхности призматического образца ис-
пользовалась автоматизированная система анализа цифровых спекл-фотографий AL-
MEC-tv [13].
Проведена серия экспериментов при одноосном и двухосном жестком сжатии (до
разрушения) призматических образцов из искусственных геоматериалов. Соответствую-
щие результаты «макродеформирования» приведены на рис. 2.
Сравнительный анализ процессов микродеформирования в образце был выпол-
нен для сканируемых областей различных размеров: 1 – области с возникшими впослед-
ствии разрушениями, 2 – области неразрушенного материала. Размеры исследуемых об-
ластей варьировались в пределах от 0,1 до 0,5 размера сканируемой поверхности (рис. 3).
Ниже анализируются характерные результаты обработки экспериментальных данных
при двухосном сжатии.
Рис. 2 – Диаграммы напряжение – деформация при одноосном (1) и двухосном сжатии (2);
время возникновения трещины t = 130 c при одноосном нагружении,
t = 140 с при двухосном нагружении
Рис. 3 – Сканируемая поверхность образца в эксперименте на двухосное сжатие после разруше-
ния (момент времени t = 140 с):
1 – области поверхности с возникшими впоследствии разрушениями,
2 – области неразрушенного материала
0
2
4
6
8
10
12
0 20 40 60 80 100 120 140
t, c
σ, МПа
1
2](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-69-320.jpg)
![71
На приведенных графиках можно отметить следующие особенности в поведении
компонент микродеформаций:
микродеформацииεх в областях 1 и 2 имеют практически одинаковые значения
вплоть до достижения предела прочности;
микродеформацииεу в областях 1 и 2 изменяются практически в противофазе,
особенно от значений t/tпр =0,5, и имеют значительные различия по величине;
зависимости микродеформаций εху в областях 1 и 2, начиная от t/tпр=0,4,
ведут себя существенно синфазно. Однако различие в их абсолютных значениях увели-
чивается до предела прочности: при Р/Рпр = 1 в области 2 εху= –0,1, а в области 1 εху= 0,5;
при значениях 6,05,0/ пр tt по всем компонентам деформаций возникают вы-
сокочастотные колебания, которые в области разрушения 2 имеют значительно более
высокую амплитуду, чем в области 1.
Для оценки деформационно-волнового поведения геоматериалов внутри искус-
ственных образцов в виде «суммы» вклада элементов сканируемых поверхностей с раз-
нонаправленными (синфазными и антифазными) колебаниями, как и в работе [12], нами
применен энергетический подход. В основе такого подхода для общей оценки деформа-
ционно-волновых процессов лежит сканирующая функция R, которая, являясь аналогом
понятию «центра масс» в классической механике, описывает способ определения при-
веденного центра сейсмоэнерговыделения за заданный период времени в пределах опре-
деленного объема массива горных пород.
Для данных экспериментов координаты R и, соответственно, траектория движе-
ния приведенного центра деформационного энерговыделения вычисляется по форму-
лам:
N
i
i
N
i
iirR
11
/ , (1)
,)()(
2
0
2
0 yyxxr iii (2)
где εi – деформация в точке ri;
x0, y0 – начало системы координат (принят геометрический центр рабочей поверхно-
сти образца,
N – количество измерительных точек на рабочей поверхности образца; суммирование
ведется на фиксированный момент времени ti (кадр i) с известным значением нагрузки Р.
На рис. 5 приведены полученные в результате графики сканирующих функций
Rx(t), Ry(t) и Rxу(t) по (1) отдельно по каждой из компонент деформаций (εх, εу, εху), соот-
ветственно, в процессе нагружения породного образца до предела прочности включи-
тельно в безразмерных координатах Р/Рпр и t/tпр, где tпр отвечает пиковой нагрузке
(Р/Рпр = 1). В расчетах использовались безразмерные координаты max/ ( 0,5 0,5)ir r ,
где rmax – максимальный размер ri в продольном направлении образца. Из приведенных
графиков можно отметить следующие особенности поведения Rx(t), Ry(t) и Rхy(t):
функция Rx(t) в областях поверхности 1 и 2 до значений t/tпр=0,65 практически
не изменяет свое начальное значение. Однако при t/tпр=0,65÷0,70 наблюдаются до-
вольно резкие ее знакопеременные изменения. Колебательный процесс для Rx(t) сохра-
няется до предела прочности, причем амплитуда колебаний Rx(t) в области 1 суще-
ственно превышает аналогичную в области 2;
функция Ry(t) для области 1 резко изменяет свое начальное значение при
t/tпр=0,19÷0,4, после чего принимает постоянное значение; а для области 2 колебатель-
ные изменения Ry(t) возникают при t/tпр=0,60÷0,87, с последующим убыванием;
функция Rхy(t) в области 1 сохраняет практически постоянные значения, за
исключением интервала t/tпр=0,60÷0,73; в области 2 она имеет колебательный характер
с возрастающей амплитудой до предела прочности.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-71-320.jpg)
![76
Рис. 9 – Фотография поверхности образца из искусственного геоматериала
после его разрушения при одноосном сжатии, время эксперимента t/tпр=1,3
Выполненное экспериментальное исследование на образцах из искусственных
геоматериалов при их двухоосном и одноосном нагружении позволило установить осо-
бенности в поведении компонент микродеформаций εх, εу и εху и соответствующих им
компонент сканирующей функции (1) – Rx(t), Ry(t) и Rxу(t) (в продольном, поперечном и
сдвиговом направлениях, соответственно). Отмеченные особенности можно использо-
вать как диагностические параметры для определения времени, места расположения и
вида участка формирующейся основной трещины макроразрушения (либо зоны трещи-
новатости).
Отметим, что в работах [14, 15] представлены общие закономерности для процес-
сов локализации деформаций на стадии предразрушения образцов горных пород типа
сильвинита, мрамора и песчаника, где активно использовался метод спекл-фотографий.
Здесь также особо отмечен «автоволновой»характер развития пластической деформации
при сжатии горных пород, а скорость распространения «автоволн» оценивается величи-
нами порядка 10-5
÷10-4
м/с.
3. Энергетические особенности накопления упругих деформаций и развития де-
формационных процессов. Для оценки общих особенностей накопления упругой энергии
деформации и развития деформационных процессоввнутри нагружаемых образцов гор-
ных пород применена сканирующая функция RЕ.
1 1
/
N N
E i i i
i i
R r E E
, i xi x yi yE , ,)()( 2
0
2
0 yyxxr iii
где εi – деформация в точке ri (xi, yi),
x0, y0 – начало системы координат (геометрический центр рабочей поверхности об-
разца);
N – количество измерительных точек на рабочей поверхности образца, суммирова-
ние ведется на фиксированный момент времени ti (кадр i) с известным значением
нагрузки Р;
σx и σy – главные компоненты напряжения в направлении максимальной нагрузки и
боковом, соответственно, которые считаются постоянными для любого значения ri в
каждый отдельный момент времени.
На рис. 10 приведены значения функции RЕ, определенные при одноосном и двух-
осном нагружении: красная линия – область 1 (будущего разрушения); синяя линия –
область 2 (неразрушенного материала).
Рис. 9. Фотография поверхности образца из искусственного геоматериала после
его разрушения при одноосном сжатии, время эксперимента t/tпр=1,3
х
у
Трещина
(3)](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-76-320.jpg)
![80
УДК 622.235
Трубецкой Климент Николаевич
академик, доктор технических наук, профессор,
Институт проблем
комплексного освоения недр РАН
111020, Москва, Крюковский тупик, 4
Захаров Валерий Николаевич
доктор технических наук, профессор,
директор института,
Институт проблем
комплексного освоения недр РАН
Викторов Сергей Дмитриевич
доктор технических наук, профессор,
зам. директора по научной работе,
Институт проблем
комплексного освоения недр РАН
Жариков Игорь Федорович
доктор технических наук,
ведущий научный сотрудник,
Институт проблем
комплексного освоения недр РАН
Закалинский Владимир Матвеевич
доктор технических наук,
ведущий научный сотрудник,
Институт проблем
комплексного освоения недр РАН
ВЗРЫВНОЕ РАЗРУШЕНИЕ МАССИВОВ
ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОСВОЕНИИ НЕДР
Trubetskoy Kliment N.
academician,
doctor of technical sciences, professor,
adviser of the RAS Presidium,
the Institute of integrated mineral resources
development RAS
111020, Moscow, Krjukovsky blind alley 4
Zakharov Valery N.
doctor of technical sciences, professor,
the director of the Institute
of integrated mineral resources
development RAS
Viktorov Sergey D.
doctor of technical sciences, рrofessor,
deputy director on scientific work,
the Institute of integrated mineral resources
development RAS
Zharikov Igor F.
doctor of technical sciences,
the Institute of integrated mineral resources
development RAS
Zakhalinsky Vladimir M.
doctor of technical sciences,
the Institute of integrated mineral resources
development RAS
THE EXPLOSIVE DESTRUCTION OF
ROCKS MASS IN THE DEVELOPMENT OF
MINERAL RESOURCES
Аннотация:
В статье рассмотрены состояние и перспек-
тивные направления развития взрывных работ
при комплексной разработке месторождений
твердых полезных ископаемых в России.
Ключевые слова: открытые горные работы,
подземная разработка, геотехнологии, вскрыш-
ные работы, взрывчатое вещество, структура
горной породы, масштаб отбойки, конструк-
ции зарядов
Abstract:
In the article the state and perspective tendencies
of blasting operations development conducting
complex mining of hard mineral resources deposits
in Russia are considered.
Keywords: Surface mining, underground mining,
geo-technology, stripping, explosives, rock struc-
ture, scale of breaking, construction of charges
Разработка стратегий долгосрочного развития горнодобывающих комплексов ба-
зируется на новых подходах, обеспечивающих инновационное повышение эффективно-
сти их работы, нивелирование технологических недостатков, снижение энергоемкости
горного производства, позволяющих осуществлять комплексное освоение месторожде-
ний твердых полезных ископаемых с учетом многообразия природных и техногенных
ресурсов [1, 2].](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-80-320.jpg)
![81
Одним из основных технологических комплексов, определяющих эффективность
открытой разработки месторождений твердых полезных ископаемых, является буро-
взрывной комплекс, обеспечивающий дезинтеграцию природных структур горных по-
род с целью оптимизации технологических процессов экскавации и транспортирования
как вскрышных пород, так и полезного ископаемого. Процессы взрывного разрушения
горных пород, как наиболее распространенного способа отделения горной породы от
массива при освоении недр, составляют крупный и весьма значимый в научном и прак-
тическом отношении раздел в горных науках. Он включает развитие теории действия
взрыва в твердой среде, разработки рецептурных составов и технологий применения
новых взрывчатых веществ, изготовляемых непосредственно на горных предприятиях,
конструкции зарядов, а также проектирование и безопасность ведения взрывных работ.
При этом главнейший физико-технический аспект горного производства определяется
совершенствованием методов разработки сложных и многокомпонентных массивов руд
и пород на открытых и подземных работах. Практически его единственным «инструмен-
том» (техническим средством) является энергия взрывчатого вещества, а также научно
обоснованное управление действием взрыва, т. е. быстропротекающим процессом.
Не касаясь далее вопросов эволюции практики и научных знаний в области раз-
рушения горных пород, осветим некоторые современные научно-технические направ-
ления и достижения в горном деле при открытом и подземном способах разработки ме-
сторождений, базирующиеся на технологиях взрывного разрушения массивов горных
пород.
Интенсивная разработка месторождений полезных ископаемых в относительно
благоприятных горно-геологических условиях ведет к истощению их запасов и необхо-
димости вовлечения в добычу месторождений со сложными условиями, особенно глубо-
козалегающих и с проявлениями динамических процессов. Они характеризуются морфо-
логическим разнообразием, необходимостью раздельного и направленного взрывания
рудных и породных скважин, применением инновационных геотехнологий.
Постоянное понижение глубины разработок, ухудшение их горно-геологических
условий, усиление проявлений геомеханических явлений в условиях рыночной эконо-
мики предъявляют новые требования к горным технологиям в части управления взрыв-
ным разрушением горных пород. В результате для решения прежних задач, с точки зре-
ния эффективности взрывных работ, требуются новые подходы, идеи и модели, адек-
ватно описывающие физические процессы горного производства и позволяющие опера-
тивно, в том числе в режиме «экспресс - оценки», улучшать технико-экономические по-
казатели как в пределах выемочного участка, так и месторождения в целом. Исходя из
этого, рассмотрим некоторые актуальные и имеющие перспективу технологии взрыв-
ного разрушения массивов горных пород, полностью или частично реализованные на
ряде горных предприятий.
На подземных горных разработках Российской Федерации наметилось новое
направление в буровзрывных работах в виде дальнейшего развития крупномасштабного
взрывного разрушения массивов горных пород на открытых горных работах, и в качестве
новой парадигмы – крупномасштабная взрывная отбойка в подземных условиях, пред-
ставленная новой концепцией [3]. Этому предшествовали многолетние научно-исследо-
вательские работы, выполненные в ИПКОН РАН совместно с ИГД СО РАН, ИГД УрО
РАН, ВостНИГРИ в тесном взаимодействии с производственными организациями За-
падной Сибири, Горной Шории и др.
Современный уровень развития буровзрывного комплекса при разработке место-
рождений открытым способом характеризуется абсолютным преобладанием отбойки
руд и пород единичными (одинарными) скважинными зарядами в основном большого
диаметра. Причем, вследствие постоянной необходимости повышения количественных
показателей отбойки, четко определилась тенденция к увеличению общей энергии заря-
дов, реализуемая путем постоянного увеличения диаметра взрывных скважин. Однако](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-81-320.jpg)
![82
перспективы этой тенденции ограничиваются как уровнем развития буровой техники,
так и целым рядом очевидных горно-технологических противоречий.
Так, рассматривая типоразмерный ряд существующих шарошечных станков, не-
трудно увидеть, что неизбежной платой за преимущества такого способа распределения
и использования энергии взрыва является опережающее увеличение веса машин, мощ-
ности их силовых установок и снижение мобильности в пространстве карьеров. Измене-
ние диаметра бурения с 200 до 320 мм (на 60 %) привело к повышению веса выпускаемых
машин на 129 %, установленной мощности на 78 %, к снижению средней скорости
перемещения в 2,3 раза, то есть энергетическая целесообразность здесь находится в из-
вестном противоречии с техническими ограничениями. Поэтому с достаточной степе-
нью достоверности можно предположить, что дальнейшее увеличение диаметра единич-
ных зарядов будет иметь весьма ограниченную и быстро сужающуюся перспективу из-
за нарастающих проблем в области механизации буровых работ. Возможно преодолеть
это противоречие путем замены единичного заряда эквивалентным ему по энергии дис-
кретным зарядом, используя опыт подземных буровзрывных работ. Актуальность этого
возрастает и в связи с необходимостью реализации важнейшего резерва улучшения эко-
номических показателей открытых горных работ, каковым является увеличение высоты
вскрышных и добычных уступов при высокоуступной технологии на основе применения
принципиально нового вида экскаваторов – кранлайнов [4]. На сегодня это добавляет
еще одно противоречие в виде ограниченных технических возможностей существующих
экскавационных машин, преодоление которого связано с перспективой применения экс-
каваторов – кранлайнов. Применение технологии с использованием компактных вые-
мочно-погрузочных машин нижнего черпания на шагающем ходу – кранлайнов – позво-
ляет увеличить высоту разрабатываемых уступов в 2 – 3 раза (до 30 м). Тем самым во
столько же раз можно сократить число рабочих горизонтов, увеличить угол откоса рабо-
чего борта в 1,4 – 1,5 раза, снизить затраты на добычные работы не менее чем на 20 %, а
текущий коэффициент вскрыши и объем вскрышных работ на 20 – 30 %. Однако обяза-
тельным условием успешной реализации высокоуступной геотехнологии с применением
экскавационных машин нижнего черпания типа "кранлайн" является достаточная сте-
пень дробления пород с обеспечением заданной формы и минимальной шириной развала
(до 5 – 10 м) взорванной горной массы [5]. Увеличение высоты уступов (в потенциале
до 30 – 40 м) порождает следующее противоречие между необходимостью концентрации
большого количества энергии в донной части заряда, вызванное увеличением линии со-
противления по подошве (ЛСПП), и техническими возможностями применяемого буро-
вого оборудования в области увеличения диаметра взрывных скважин. Существующая
связь межу высотой спаренного уступа Hс и ЛСПП вертикальных скважин диаметром
280 – 300 мм устанавливает определенные пределы высот уступов, из которых следует
исходить при их совмещении:
– весьма крепких …..Hс = 20 – 22 м;
– средней крепости…..Hс = 22 – 28 м;
– ниже средней крепости …..Hс = 28 м.
Увеличение Нс сверх указанных пределов при прочих равных условиях влечет за
собой при вертикальных скважинах рост сопротивления по подошве уступа для первого
ряда скважин до величины, превышающей радиус разрушения для заряда данного диа-
метра, в результате чего сопротивление не будет преодолено. Это требует размещения
больших количеств ВВ в скважинных зарядах принципиально других конструкций.
Массовое бурение высоких уступов наклонными скважинами, параллельными
боковой поверхности уступа, частично разрешало бы это противоречие, что проблема-
тично по техническим причинам, связанным со сложностью такого бурения скважин су-
ществующей буровой техникой.
Указанные противоречия обостряются постоянным усложнением горно-геологи-
ческих условий, ростом коэффициентов вскрыши, увеличением глубины карьеров, а](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-82-320.jpg)
![83
также возрастанием долевого участия транспортной системы, со всеми вытекающими
отсюда экономическими и технологическими проблемами. Данная ситуация разреша-
ется на основе использования опыта крупномасштабной отбойки руд при подземной раз-
работке рудных месторождений, когда решение задачи по управляемому изменению об-
щей энергии по высоте отбойного заряда сводится к деконцентрации и замене моноза-
ряда большого диаметра группой одновременно взрываемых зарядов малого диаметра
(параллельно-сближенными скважинными зарядами). Как вариант, деконцентрация мо-
нозаряда предусматривается заменой его группой одновременно взрываемых расходя-
щихся сближенных скважинных зарядов [6]. В результате обеспечивается соответствие
между энергией заряда в каждом его сечении по высоте уступа и величиной реальной
нагрузки на этот элементарный заряд, то есть гибкий характер изменения относительной
энергонасыщенности по длине скважины высокого уступа.
При этом определенный интерес представляют некоторые технологические реше-
ния при взрывании высоких уступов при транспортной системе разработки и карьерных
экскаваторах цикличного действия, работающих в сочетании со средствами карьерного
транспорта (автомобильного и железнодорожного). Горно-геологические условия разра-
ботки характеризуются углами падения пластов полезного ископаемого и изменением
высоты вскрышной зоны по поверхности, а также свойствами разрабатываемых вскрыш-
ных пород с учетом необходимости их предварительной буровзрывной подготовки. Гор-
нотехнические условия рассматриваемой системы разработки характеризуются суммар-
ной высотой вскрышной зоны, высотами и количеством вскрышных уступов, необходи-
мыми размерами рабочих площадок, применяемым экскавационным и транспортным
оборудованием [7]. В качестве обобщенного показателя принят угол откоса рабочего
борта, влияние которого на текущие объемы вскрышных работ достаточно хорошо из-
вестно из практики конкретного проектирования и эксплуатации горных предприятий.
Проведена количественная оценка такого влияния с дифференцированным учетом взаи-
мовлияния отдельных горно-геологических и горнотехнических условий применительно
к целям и задачам данного вопроса. Соответствующие расчеты и анализ выполнены на
базе рассмотрения несколько упрощенной схемы отработки вскрышной зоны, показан-
ной на рис. 1.
Принятая расчетная схема по сравнению с реальной вполне адекватна и дает от-
клонения от реальных значений в пределах 5 – 7 %, что позволило получить аналитиче-
ские зависимости и провести анализ взаимодействия отдельных показателей и парамет-
ров системы разработки в широком диапазоне их изменения. Рассмотрены два периода
отработки вскрышной зоны разреза: период строительства разрезной траншеи (горно-
капитальные работы), в процессе которого выполняются только вскрышные работы, и
период нормальной эксплуатации, когда наряду с производством вскрышных работ осу-
ществляется добыча полезного ископаемого.
Среди показателей рассматриваемой системы разработки вскрышной зоны
наибольший практический интерес представляет объем выполнения вскрышных работ,
характеризующийся величиной текущего коэффициента вскрыши, значение которого в
соответствии с расчетами составляет
1
др
р
д
вi
sin
sin
K
H
Н
H
H
K ii
,
где – объемный вес полезного ископаемого;
iH – высота вскрышной зоны в рассматриваемом положении фронта добычных ра-
бот;
р – результирующий угол откоса рабочего борта в соответствии с рис. 1.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-83-320.jpg)
![88
использования и развития масштабного фактора в новых условиях [6, 8]. В основу было
положено развитие принципа масштабного эффекта на базе анализа известной формулы:
Q = qV (1)
и ее преобразования с целью достижения одинаковой степени дробления при любых
объемах и условиях крупномасштабного взрывания. Был выявлен главный ее недоста-
ток: она не учитывает степень дробления горной массы, так как исторически произошла
из задачи перемещения масс (объемов) грунта. Ее усовершенствование заключалось в
представлении величины q в качестве зависимой переменной от величины V, что при-
водит к получению дифференциального уравнения
dQ = q(V)dV, (2)
учитывающего качества дробления горной массы в зависимости от объема (масштаба)
взрывания. Зная зависимости удельного расхода ВВ от линии наименьшего сопротивле-
ния для горных пород различной трещиноватости и крепости, можно величину заряда
рассчитать с учетом определенной степени дробления по формуле
1
0
)(
w
w
dWwqcQ . (3)
Она отражает как "традиционно" объем разрушаемого слоя горной породы (q =
const), (1) , так и дополнительно, "интегрально", степень его дробления (q = f(w), (3), но-
вый фактор). На практике q в разной степени зависит от w, но может и не зависеть, напри-
мер, при отбойке в сильнотрещиноватых рудах с размером кондиционного куска на пред-
приятии меньше размеров расстояний между трещинами. Тогда формула (3) тожде-
ственна формуле (1).
На основании анализа опытных данных q = f(w) в формуле (3) можно представить
следующей зависимостью:
q = qо + kw
, (4)
где qо – удельный расход ВВ при 0w , соответствующему нижнему пределу интеграла в
формуле (3);
q – то же, но при 1w в верхнем пределе интеграла;
член kw
есть масштабная добавка, соответствующая увеличению линии наимень-
шего сопротивления (ЛНС);
k, –коэффициенты пропорциональности и масштабности, соответственно.
Формула рассмотрена для всех типов руд от сильнотрещиноватых до относи-
тельно монолитных с условием получения приблизительно одинаковой степени дробле-
ния. Выявлена сильная зависимость ее от степени трещиноватости массива горных пород
(~ 70 %), слабая – от крепости f пород (~ 20 %) и ~ 10 % приходится на остальные фак-
торы. По мере уменьшения трещиноватости характер зависимости (6) меняется, причем
неочевидным образом. Наиболее сильная связь проявляется в рудах не - или малотрещи-
новатых, уменьшаясь по мере постепенного увеличения степени трещиноватости и, с
привязкой к размеру кондиционного куска, достигает относительного минимума в рудах
среднетрещиноватых. Формула обусловливает «динамический» характер ее примене-
ния, гибко (оперативно) учитывая необходимое на массовый взрыв количество взрывча-
тых веществ, причем в стадии проектирования, тогда как существующие методики рас-
считывают количество ВВ исходя из идеологии зависимости (1). Таким образом, фор-
мулы (2 – 4) отражают свойство управляемости, так как, отличаясь «динамическим»
характером их применения, по сравнению с классической «статической» формулой (1),
позволяют оперативно, в начале расчета необходимого количества ВВ на крупномас-
штабный массовый взрыв, дифференцированно учитывать геологическую структуру
всего блока. По существующим методикам этому объему взрываемого массива соответ-
ствовало бы другое, завышенное количество ВВ, отвечающее расчету по формуле (1).](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-88-320.jpg)
![89
Применяя обобщенный закон подобия при условии сохранения качества дробле-
ния неизменным, по этим формулам можно получить выражение для сравнительного
взрывания в одинаковых условиях, в которое входят, с соблюдением энергетического
принципа, величины запаса энергии в зарядах ВВ, сетки скважин и ЛНС:
где индексы н и с соответствуют новым и старым значениям величин.
В этой формуле отслеживается добавка к основному заряду в формуле (4), необ-
ходимая для сохранения качества дробления при изменении объема взрываемого мас-
сива (масштабная поправка). В принципе это позволяет на основании геологической ин-
формации предварительно рассчитывать крупномасштабную отбойку при очистной вы-
емке в любых подземных условиях, не производя специальных опытных взрывов, полу-
чая такое же качество дробления, что и при мелкомасштабных параметрах взрывания.
Данный методологический аспект может быть использован и в известных методиках по
буровзрывным работам путем сопоставления и корректировки параметров заряда и вы-
емочной единицы массива, приходящейся на скважинный заряд. Данный методологи-
ческий подход необходим при разработке и проектировании новых технологий с приме-
нением крупномасштабной взрывной отбойки массивов горных пород.
Рассмотрим далее примеры технологий взрывания, реализующих эффект круп-
ного масштаба управляемого, в том числе направленного, действия взрыва в различных
условиях [9].
При разработке месторождений полезных ископаемых во всем мире получили
широкое распространение системы подземной разработки с обойкой руды на зажатую
среду. Применение на удароопасных железорудных месторождениях Западной Сибири
системы этажного принудительного обрушения с отработкой рудных тел сплошным
фронтом без оставления целиков позволяет управлять горным давлением за счет пога-
шения выработанного пространства обрушенными вмещающими горными породами
(рис. 4). В распространенном варианте системы разработки с отбойкой руды на компен-
сационные камеры эллипсовидной формы и зажатую среду взрывные работы произво-
дятся пучками параллельно-сближенных скважинных зарядов ВВ диаметром 105 мм,
позволяющими вести эффективную отработку в сложных горно-геологических и геоме-
ханических условиях.
При этом из-за влияния геомеханической обстановки наибольшее влияние на мас-
сив горных пород оказывают взрывные работы. Масса заряда ВВ технологических (в
среднем 0,7 – 20 т) и массовых взрывов (в среднем 120 – 370 т) изменяется от 0,5 до 700
т, при этом обрушается массив объемом от 30 до 250 тыс. м3
. Во время подготовки бло-
ков и после массового обрушения руды возрастают затраты на ремонтно-восстанови-
тельные работы в выработках транспортного и бурового горизонта, днища блоков, в ко-
торых происходят динамические явления.
Недостатками применения скважинных зарядов ВВ диаметром 105 мм являются
потери скважин от 30 до 50 % при подготовке блоков, невозможность увеличения про-
изводительности труда при бурении, а также невозможность заряжания всех скважин в
блоках в сложных условиях, что приводит к повышению выхода негабарита и снижению
производительности при выпуске руды и др.
Для обеспечения безопасности, повышения эффективности горных работ и сни-
жения негативного влияния взрывов большой мощности на массив горных пород был
разработан способ отработки крутопадающих мощных и средней мощности залежей раз-
личной устойчивости руд, содержавший новый элемент в части управления действием
взрыва.
)5(,
с
н
н
н
с
н
с
н
W
W
S
S
E
E
Q
Q](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-89-320.jpg)
![91
а) б)
Рис. 5 – Кумулятивная форма расположения сближенных зарядов,
формирующая направленную волну взрыва:
а), б) – блок до и после заряжания; 1, 2 – скважины; 3 – кумулятивная выемка
Применение пучковых скважинных зарядов различного количества, диаметра и
схем расположения с возможностью их направленного взрывания, улучшило технико-
экономические показатели по системе разработки, снизило удельный расход ВВ как на
первичное, так и на вторичное дробление, увеличило производительность, глубину и
точность бурения скважин. В частности, при образовании центрального вертикального
концентрированного заряда большой массы специальной конструкции, близкой к цилин-
дрической форме, используются оконтуривающие сближенные пучковые заряды. Они
размещаются на определенном расстоянии вокруг рудного блока и взрываются пер-
выми. Компенсационные камеры, вновь образующиеся свободные поверхности, исполь-
зование управляемого взрывания с направлением взрывной волны в сторону ранее обру-
шенного выработанного пространства обеспечивают защиту от сейсмического действия
зарядов большой массы и необходимую степень взрывного дробления горного массива.
В порядке обмена опытом в свете изложенного представляет определенный интерес со-
вершенствование техники и технологии специальных взрывных работ, выполняемое
ИГД УрО РАН совместно с ООО Уралвзрывпром (г. Екатеринбург) в карьерах нерудных
и строительных материалов [10].
Развитие технологических процессов известных способов и методов добычи в ас-
пекте физико-химической и комбинированной геотехнологии также базируется на спо-
собах взрывного воздействия на массив горных пород, обеспечивающих эффективность
процесса выщелачивания. Были рассмотрены методы добычи комбинированной физико-
технической и физико-химической геотехнологией при подготовке скальных горных по-
род и физико-химические предпосылки выбора ВВ при интенсификации выщелачивания
из крепких руд с элементами направленного управляемого взрывания [10, 11].
Буровзрывные работы на открытых разработках при массовом крупномасштаб-
ном взрывном разрушении массивов горных пород имеют особенности, которые необ-
ходимо учитывать при управлении действием взрыва направленного характера. Дело в
том, что диаметр скважин на открытых горных работах подошел по ряду причин к сво-
ему предельному значению – около 300 мм, что ограничивает применение некоторых
технологий (условия, близкие к камуфлету), резко снижает возможности многорядного
короткозамедленного взрывания и достижение приемлемого качества дробления горной
массы. Практически единственным здесь технологически приемлемым способом повы-
шения энергии взрывчатых веществ является применение параллельно сближенных
скважинных зарядов, если не считать применения огневого бурения и некоторых других
эксклюзивных методов получения вертикальных полостей.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-91-320.jpg)
![93
К таким методам и средствам, кроме сближенных зарядов различной геометрии,
можно дополнительно отнести заряды взрывчатых веществ с кумулятивным эффектом,
а также специальные заряды ВВ оборонного назначения с экранированием и локализа-
цией взрывных волн. Эти технические новации порождают новые варианты технологий
взрывных работ при разработке месторождений полезных ископаемых со сложными
условиями залегания.
В ИПКОН РАН разработана такая технология (способ) производства взрывных
работ при селективной разработке сложно-структурных месторождений на открытых
горных работах (рис. 6). Технология учитывает специфику, когда в принципе отсут-
ствует ограничение по энергии для последующих рядов скважинных зарядов, обуслов-
ленное возможностями буровой техники [12].
Рис. 6 – Принципиальная схема способа крупномасштабного взрывания
сложноструктурного участка массива горных пород:
1 – ряд одиночных скважинных зарядов; 2 – пучковый заряд в двух скважинах;
3 – пучковый заряд в трех скважинах; 4 – пучковый заряд в пяти скважинах;
5 – контурный заряд; 6 – ранее отбитая горная масса (зажим);
ШВВ – штатное взрывчатое вещество; КВВ – конверсионное взрывчатое вещество
Способ характеризуется тем, что для выборочной степени дробления участков
разнотипных горных пород в крайних скважинах пучковых сближенных зарядов уста-
навливают кумулятивные заряды с плоской симметрией линейной формы навстречу друг
другу. По контакту же участков разнотипных пород устанавливают кумулятивные за-
ряды с плоской симметрией кольцевой формы с ориентированием оси кумулятивной вы-
емки заряда по направлению контакта (рис. 7).
а б
Рис. 7 – Ряды одиночных обычных и сближенных кумулятивных скважинных зарядов:
а – общий вид; б – кумулятивный фрагмент заряда; 1 – ряд одиночных скважинных зарядов;
2 – ряд сближенных кумулятивных зарядов с плоской симметрией линейной формы,
3 – встречные кумулятивные заряды с плоской симметрией;
4 – кумулятивные заряды с плоской симметрией кольцевой формы; 5 – руда; 6 – порода;
7 – граница раздела](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-93-320.jpg)
![96
УДК 622.271.7
Ермаков Сергей Александрович
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник,
зав. лабораторией открытых горных работ,
Институт горного дела Севера
(ИГДС) СО РАН,
677980, г. Якутск, пр. Ленина, 43
e-mail: s.a.ermakov@igds.ysn.ru
Бураков Александр Михайлович
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник,
ИГДС СО РАН
e-mail: a.m.burakov@igds.ysn.ru
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
ГЕОТЕХНОЛОГИЙ ОТКРЫТОЙ
РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
КРИОЛИТОЗОНЫ
Ermakov Sergey A.
candidate of technical sciences,
senior research worker,
the head of the laboratory of surface
mining operations,
the MIN SB RAS,
677980, Yakutsk, Lenin pr., 43
e-mail: s.a.ermakov@igds.ysn.ru
Burakov Alexander M.
candidate of technical sciences,
senior research worker,
the MIN SB RAS,
e-mail: a.m.burakov@igds.ysn.ru
IMPROVEMENT OF GEO-TECHNOLOGIES
OF SURFACE MINING THE DEPOSITS OF
PERMFROST ZONE
Аннотация:
Изложены результаты исследований научных
организаций Якутии в направлении создания но-
вых и совершенствования традиционных гео-
технологий открытой разработки месторож-
дений Республики Саха (Якутия).
Ключевые слова: криолитозона, месторожде-
ния, геотехнологии, открытая разработка
Abstract:
The results of the Yakut scientific organizations’ re-
searches in the direction of creation new and im-
provement the traditional geo-technologies of sur-
face mining the Sakha (Yakut) republic deposits are
stated.
Keywords: permafrost zone, deposits, geotechnolo-
gies, surface mining
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского с начала своего образования в
1980 г. проводит исследования в направлении создания новых и совершенствования тра-
диционных геотехнологий открытой разработки месторождений Республики Саха (Яку-
тия). Основополагающим фактором в развитии и разработке геотехнологий, отраженном
в основных направлениях научной деятельности Института, является геокриологическое
состояние горных пород. Суровые климатические условия Якутии способствовали почти
повсеместному развитию толщи многолетнемерзлых пород, распространенных от по-
верхности на глубину от 100 – 150 м до 1500 – 1600 м, с относительно постоянной тем-
пературой пород в массиве от –3÷5 до –10÷120
С и резким ее изменением в приконтакт-
ном поверхностном слое, достигающем температуры атмосферного воздуха от –50 до –
600
С [1].
Основная доля месторождений твердых полезных ископаемых, расположенных
на территории Республики Саха (Якутия), включающих алмазоносные, угольные, руд-
ные и россыпные, отрабатывается открытым способом.
Алмазоносные рудные месторождения отрабатываются открытым способом с ис-
пользованием цикличной технологии, предусматривающей буровзрывное рыхление и
погрузку пород мехлопатами или погрузчиками в автотранспорт. При достижении пре-
дельной глубины карьеров открытые горные работы завершаются, и добыча продолжа-
ется в подземных рудниках (трубки "Интернациональная", "Мир", "Удачная").
На угольных разрезах Якутии также преобладает транспортная система разра-
ботки с применением на вскрышных и добычных работах карьерных мехлопат, колесных
погрузчиков с ковшами различной емкости и автосамосвалов грузоподъемностью 180 и
более тонн.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-96-320.jpg)
![97
При открытой разработке крупных россыпных месторождений Якутии наиболее
распространенным является дражный способ, с подготовкой полигонов бульдозерами
или шагающими экскаваторами, экскаваторно-автотранспортный способ, в том числе
комбинированный (роторно-конвейерный комплекс – драга), с промывкой песков на се-
зонных и стационарных обогатительных фабриках (установках). Мелкие месторождения
отрабатываются бульдозерным и бульдозерно-гидравлическим способом. Применяются
различные способы разупрочнения разрабатываемых пород (буровзрывной, механиче-
ское рыхление, послойная оттайка, гидрооттайка, гидроразмыв и т. д.).
В начальный период деятельности Института получен ряд важных научных ре-
зультатов, имеющих большое практическое значение для повышения эффективности
горного производства в Якутии. Большой вклад в развитие открытой геотехнологии на
месторождениях Якутии внесен В.Л. Яковлевым, который в 1986 – 1995 гг. был дирек-
тором Института и заведующим лабораторией открытых горных работ.
В работах В.Л. Яковлева, В.П. Смирнова, А.Д. Андросова, С.Н. Петрова и других
исследователей существенное развитие получили теория и практика проектирования и
эксплуатации карьеров в условиях Севера.
Системный анализ условий формирования транспортных систем карьеров Севера,
выполненный на основе разработанного В.Л. Яковлевым и В.П. Смирновым методиче-
ского подхода, позволил определить рациональные виды транспорта для типичных по
горнотехническим условиям групп карьеров. В частности, ко второй группе отнесены
кимберлитовые карьеры средней производительности и большой глубины (400 – 600 м),
в том числе карьеры трубок "Удачная" и "Юбилейная" [2].
ИГДС СО АН СССР совместно с ИГД Минчермета СССР проведен цикл иссле-
дований с оценкой технико-экономической эффективности и установлением области
применения дизель-троллейвозного транспорта, в том числе на карьерах Севера. Выяв-
лены технологические условия его эффективной эксплуатации и разработана методика
определения сравнительной эффективности автомобильного и дизель-троллейвозного
транспорта на карьерах. Установлен ряд преимуществ нового вида транспорта на карье-
рах Севера. Эффективность такого вида транспорта на горнодобывающих предприятиях
Республики Саха (Якутия) ограничивается конъюнктурой цен на дизельное топливо и
электроэнергию, но с учетом экологических факторов и при улучшении обеспечения гор-
нодобывающих предприятий электроэнергией этот способ имеет перспективу [3].
В.Л. Яковлевым и А.Д. Андросовым предложен ряд технологических решений по
разработке глубоких карьеров Севера, в том числе этапный порядок освоения нижних
горизонтов как направление совершенствования технологии открытых горных работ
при реконструкции глубоких карьеров [4].
Выполнена прогнозная оценка возможности увеличения генеральных углов бор-
тов в многолетнемерзлых породах при щадящем режиме формирования уступов, которая
показала [5], что для круглой формы карьеров в плане возможно увеличение углов от-
косов бортов в зависимости от глубины карьера на 7 – 140
.
Разработана новая конструкция борта глубокого карьера в условиях многолетней
мерзлоты [6], позволяющая увеличить углы откосов бортов при одновременном созда-
нии безопасных условий работ для трудящихся и горнотранспортного оборудования.
Борт карьера формируется без специальных предохранительных берм, с широкой транс-
портной бермой и расположением на ней улавливающей предохранительной траншеи с
защитным валом.
Научно обоснована и экспериментально доказана целесообразность применения
поточной технологии при разработке россыпных месторождений Севера на базе суще-
ствующих роторных комплексов [7]. Выполнены теоретические исследования непрерыв-
ной экскавации дисперсных пород с крупными крепкими включениями (С.А. Ермаков).
Разработан метод качественной и количественной оценки экстремальных ситуаций при](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-97-320.jpg)
![98
непрерывном копании пород роторным экскаватором, позволяющий оптимизировать ре-
жим его работы. Проведены экспериментальные исследования взаимодействия "ротор-
ное колесо - горный массив", и разработано техническое задание на создание роторного
комплекса серии ХЛ.
На основе изучения фильтрационных свойств дамб, созданных для отработки ме-
сторождения р. Б. Куранах, И.И. Заудальским разработаны рекомендации по много-
уступной разработке россыпи с управляемыми водопритоками, что позволяет складиро-
вать вскрышные породы и хвосты обогащения в контурах месторождения [8].
Важные научные результаты получены в области выбора рационального режима
горных работ при разработке мульдообразных угольных месторождений и оптимизации
параметров бестранспортной системы разработки [9].
Вышеперечисленные и другие работы послужили своего рода научно-методиче-
ской базой, на основе которой в последующие годы в ИГДС получены новые результаты
по совершенствованию и созданию ресурсосберегающих, экологически безопасных гео-
технологий открытой разработки месторождений Севера.
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования по обоснованию
возможности и целесообразности применения на разработке алмазоносных месторожде-
ний Якутии поточной технологии на базе роторно-конвейерных комплексов [7]. По ре-
зультатам исследований разработаны новые технологические решения, касающиеся до-
бычи и транспортировки кимберлитовых руд. Эти решения обеспечивают повышение
эффективности горных работ, снижение экологической нагрузки на окружающую среду
и человека, повышение сохранности алмазов при добыче.
По апробированным методикам Н.Г. Домбровского, А.Н. Зеленина, института
УкрНИИпроект (Киев) была проведена предварительная оценка удельного сопротивле-
ния копанию вмещающих пород и кимберлитов на предмет возможности их безвзрывной
экскавации роторным колесом. Показано, что удельное сопротивление копанию кимбер-
литов и вмещающих пород крепостью 5 – 8 по шкале Протодьяконова могло составить
110 – 160 Н/см2
, с возможным повышением на 30 – 40 %, что допускает возможность
отработки значительных объемов продуктивной толщи и вскрыши с помощью роторных
экскаваторов с удельным усилием копания до 2,4 МПа (235 Н/см2
).
В 1996 г. на карьере трубки "Удачная" компании "АЛРОСА" проведены испыта-
ния роторного экскаватора К-650 (Чешская Республика) [10]. Разработка кимберлитов
безвзрывным способом в условиях Крайнего Севера, на нижних горизонтах глубокого
(до 400 м) карьера, проводилась впервые в мировой практике. Во время испытаний было
добыто около 50 тыс. т кимберлитов на Западном и Восточном рудных телах. Результаты
испытаний подтвердили принципиальную возможность разработки кимберлитов с кре-
постью до 8 роторными экскаваторами типа К-650 (Чешская Республика) с повышенной
мощностью привода роторного колеса и высоким усилием копания.
При обогащении руд, добытых в процессе испытаний, по данным ГОКа "Удач-
ный", достигнуто повышение сохранности кристаллов алмазов и снижение энергоемко-
сти подготовки алмазосодержащей руды на обогатительной фабрике по сравнению с тра-
диционной технологией на 15 – 20 %.
Разработаны возможные технологические схемы отработки забоя и обоснованы
режимы безвзрывной экскавации кимберлитов, обеспечивающие непрерывность про-
цесса выемки и погрузки руд на алмазоносных трубках [11].
Особую актуальность имеют исследования по повышению эффективности отра-
ботки малообъемных рудных месторождений. На территории Якутии известно около 150
малообъемных алмазных трубок, которые в настоящее время не разрабатываются в том
числе из-за отсутствия ресурсо- и энергосберегающей технологии и техники их отра-
ботки. Обоснована технология разработки малообъемных алмазных трубок выбурива-
нием керна большого диаметра [12], суть которой заключается в бурении центральной](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-98-320.jpg)
![99
выемочной скважины, а затем внешних скважин, расположенных по схеме шестиуголь-
ника. Отличительной особенностью технологии является возможность ее совмещения с
проведением геологоразведочных работ.
Предложен также послойно-скважинный способ разработки малообъемных руд-
ных тел – малых трубок [13]. Способ заключается в прохождении специальным буровым
устройством скважины диаметром 300 – 1000 мм. Устройство посредством шнекового
транспортера отбивает буровую мелочь вниз, в загрузочные окна, откуда она воздухом
выносится наружу. Пробуренную скважину расширяют до контура залежи бульдозером
с активным рыхлителем.
Предлагаемые способы делают экономически целесообразной и экологически бо-
лее безопасной разработку малообъемных алмазных трубок, а также доработки нижних
горизонтов кимберлитовых карьеров, которые в настоящее время невыгодно отрабаты-
вать известными способами и средствами.
Предложен новый методический подход к выбору схемы водоотлива для глубо-
ких кимберлитовых карьеров [14]. Он позволяет на стадии проектных решений выбрать
эффективную схему водоотлива, обеспечивающую минимальные эксплуатационные за-
траты, уменьшение времени простоя карьера на монтаж-демонтаж водоотливных уста-
новок, увеличение объемов подготавливаемой руды с одной стоянки комплекса водоот-
ливных сооружений, что в конечном итоге позволит снизить себестоимость добычи руды
и сократить срок отработки карьера.
Институтом "Якутнипроалмаз" совместно с СВФУ им. М.К. Аммосова предложен
ряд технологических решений и создан технико-технологический комплекс для дора-
ботки запасов на глубинных горизонтах алмазорудных карьеров [15,16,17].
В частности, второй этап доработки карьера трубки "Удачная" при понижении
рабочего горизонта открытых работ до предельной глубины 640 м предусматривает со-
здание крутонаклонного съезда с уклонами 225 – 237 ‰. Эксплуатация транспортных
средств на таких уклонах потребовала разработки специальных нормативных докумен-
тов. Были проведены промышленные испытания полноприводного сочлененного само-
свала САТ-740. Средневзвешенный уклон трассы составлял 195 ‰, на отдельных участ-
ках до 245 ‰. Испытания дали положительные результаты.
Применение транспортных съездов с уклоном до 250 ‰ позволило минимизиро-
вать объемы вскрышных работ, сократить время реконструкции борта карьера, суще-
ственно увеличить выемку руды открытым способом в период доработки целиков.
Ведутся исследования в направлении разработки способов подготовки многолет-
немерзлых пород к выемке. В настоящее время на открытой разработке россыпей Якутии
подготовка пород к выемке осуществляется путем оттаивания мерзлых пород с исполь-
зованием естественных тепловых факторов (солнечной радиации, тепловой и водно-теп-
ловой мелиорации) и механического рыхления (применения бульдозерно-рыхлительных
агрегатов и буровзрывных работ). Вследствие высокой энергоемкости разрушения мерз-
лых пород механическим рыхлением, применение способов подготовки пород к выемке,
использующих естественное атмосферное тепло, является более предпочтительным.
В Институте на основе разработанных математических моделей выполнено моде-
лирование теплового состояния многолетнемерзлых пород россыпных месторождений
[18]. Для оценки эффективности применения способа водно-тепловой мелиорации было
выполнено моделирование теплового режима на примере россыпи "Нерская" (Оймякон-
ский район) и россыпного месторождения алмазов "Горное", расположенного рядом с г.
Мирный. Проведены численные эксперименты по расчету теплового режима массива
горных пород месторождений при различных технологических условиях водно-тепловой
мелиорации.
Для полного предохранения талых пород от сезонного промерзания минимальная
глубина затопления должна быть больше максимальной толщины ледяного покрова на
0,2 – 0,5 м. По результатам расчетов установлено, что пески в зависимости от содержания](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-99-320.jpg)
![100
льда и времени удаления торфов успевают за один сезон протаять на глубину 2,5 – 3,5 м,
к концу второго лета подготовки россыпи оттайка составит не менее 4,5 – 5,5 м, а к концу
третьего лета 7 – 8 м.
Таким образом, поверхностная тепловая мелиорация в комбинации с защитой та-
лых песков от зимнего промерзания путем затопления поверхности предохраняемых
участков обеспечивает к концу второго года (лета) подготовительных работ оттайку мно-
голетнемерзлых грунтов россыпных месторождений на глубину не менее 4,5 – 5 м. Это
дает возможность применить для их разработки традиционное оборудование и способы
(бульдозерный, бульдозерно-гидравлический, экскаваторный) без дополнительного
рыхления.
В этом случае при сопоставимых годовых параметрах отрабатываемых полигонов
россыпных месторождений снижаются объемы вредных выбросов за счет исключения
буровзрывного и сокращения объема механического рыхления, уменьшения количества
оборудования. Одновременно снизится себестоимость добычи 1 м3
песков, также будут
созданы оптимальные условия дезинтеграции и обогащения.
Предварительное изучение комплекса вопросов, связанных с освоением Эльгин-
ского месторождения, включая горно-геологические условия, экологическую обста-
новку, месторасположение и т. д., показало, что разработка этого месторождения сопря-
жена с рядом как технологических, так и экологических проблем (сложные горно-геоло-
гические условия, расположение в неосвоенном районе, наличие охраняемых природных
объектов и т. д.) [19].
Горно-геологические условия угленосных отложений Эльгинского месторожде-
ния предопределили границу разделения открытых и подземных горных работ по пласту
Н15. Максимальная глубина почвы пласта от дневной поверхности составляет около 480
м. Проведена раскройка поля разреза на шесть участков и обоснована очередность ввода
участков в эксплуатацию. Результаты исследования режима горных работ для каждого
участка позволили выявить лучшие варианты отработки по усредненному эксплуатаци-
онному коэффициенту вскрыши.
Анализ физико-механических свойств вскрышных пород и угля показал, что вме-
щающие породы при использовании традиционных технологий требуют обязательной
подготовки с помощью буровзрывных работ. Уголь, вследствие невысокой прочности,
можно предварительно разупрочнять "встряхиванием".
Исследованиями, выполненными в Институте [20, 21], установлено, что по пока-
зателям прочности пород и угля и особенно по соображениям селективной выемки тон-
ких угольных пластов в технологических схемах возможно широкое применение ком-
байнов КСМ-2000 и КСМ-2000Р, которые могут осуществлять безвзрывную выемку
угольных пластов и значительной части (до 60 %) вмещающих пород. Конструктивные
возможности КСМ-2000Р способствуют селективной выемке, так как необходимые по
условиям горных работ параметры уступов при применении этих машин можно задать
практически в любом диапазоне.
При использовании выемочно-погрузочных машин типа КСМ-2000Р для
безвзрывной разработки вскрышных пород и углей Эльгинского месторождения значи-
тельно снизится экологическая нагрузка на окружающую природную среду, повысится
безопасность горных работ и улучшатся показатели селективности [22].
В условиях пластовых месторождений угля, расположенных в области криолито-
зоны, значительное влияние на эффективность вскрышных работ оказывает повторное
смерзание взорванных пород в развале. Смерзание начинается уже через небольшой про-
межуток времени после взрыва, и с течением времени взорванный массив набирает та-
кую прочность, при которой его дальнейшая разработка становится невозможной.
В Институте проведены исследования температурного режима смерзшихся пород
при последовательном обнажении забоя и установлено его влияние на производитель-
ность драглайна [23]. Получены экспериментальные зависимости изменения времени](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-100-320.jpg)
![101
цикла и производительности драглайна от температуры пород в забое. Зависимости по-
казывают, что фактическое время цикла с понижением температуры пород забоя увели-
чивается в несколько раз и, соответственно, резко снижается производительность экска-
ватора.
При этом полученные зависимости свидетельствуют о том, что температурный
режим в развале взорванных горных пород в разные периоды года имеет различный ха-
рактер: в эти периоды в горных породах происходят разнонаправленные процессы про-
мерзания – протаивания.
Повышение эффективности разработки россыпных месторождений со сложными
горно-геологическими условиями, разнообразными технологическими характеристи-
ками песков и металла, значительным содержанием мелкого золота определяет актуаль-
ность минимизации объемов переработки золотосодержащих песков по критерию пре-
дельной крупности некондиционного сырья. Проведенный анализ данных по группе рос-
сыпных месторождений Якутии показал широкое разнообразие классов крупности пес-
ков и металла [24]. Ситовые характеристики песков были представлены 47 классами, а
характеристики металла – 26 классами крупности, что предопределило необходимость
создания единой совмещенной шкалы крупности.
В разработанной шкале использована классификация В.А. Гроссгейма, классифи-
кация ВНИИ-1 для золотосодержащих песков и метод графического перераспределения
крупности фракций, используемый при анализе гранулометрии золота. Анализ грануло-
метрических характеристик песков и металла по совмещенной шкале крупности показал
возможность сокращения объемов переработки и снижения крупности обогащаемого ма-
териала, что благоприятно повлияет на показатели извлечения полезного компонента.
В течение ряда лет проводятся исследования характеристик распределения полез-
ного компонента в массиве россыпи реки Б. Куранах и оценка направления, последова-
тельности и способов ее отработки.
Месторождение является уникальным, характеризуется большой глубиной зале-
гания (до 50 – 60 м ниже уровня грунтовых вод), тяжелыми для разработки неоднород-
ными породами с включениями крупнообломочного материала, высоким (до 60 %) со-
держанием упорных глин, значительным количеством мелкого и тонкого золота. Для вы-
деления и геометризации зон с различным содержанием металла ранее были разрабо-
таны алгоритм и числовая модель, позволяющие определить качественные характери-
стики полезного компонента в контуре россыпного месторождения. По результатам рас-
чета показано, что большая часть запасов золота (62 %) заключена в значительно мень-
шем объеме песков (примерно в одной пятой части), то есть имеет место достаточно вы-
сокая селективность залегания минерального сырья. Кроме этого, распределение золота
характеризуется резким изменением содержания в широком диапазоне (от 0,07 до 2 г/м3
)
и значительным (в несколько раз) изменением размеров зон концентрации металла. Ука-
занные закономерности наблюдаются по всему протяжению россыпи. Данный фактор
предопределяет необходимость формирования нового подхода к технологии отработки
этого месторождения. Институтом предложен способ комбинированной переработки
песков россыпи [25], включающий установление верхней границы продуктивной части
месторождения, удаление верхнего непродуктивного слоя, создание промежуточной тех-
нологической емкости, отработку песков в контуре запасов с предварительным отделе-
нием крупных фракций песков методом промывки, обогащение продуктивной части с
получением концентрата ценного компонента. Расчетами установлено, что введение в
технологическую схему переработки песков дополнительной стадии концентрации с
учетом степени управляемости процесса позволяет рассчитывать на дополнительное из-
влечение металла в объеме до 10 % при данном гранулометрическом составе песков и
металла россыпи.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-101-320.jpg)
![102
В 1984 – 1988 гг. на основе научных разработок ИГДС на россыпи проведена
опытно-промышленная эксплуатация роторно-конвейерного комплекса в составе ротор-
ного экскаватора, ленточных конвейеров и отвалообразователя на разработке вскрыш-
ных пород. В 1988 – 2001 гг. на террасовой части россыпи применялась технология с
подачей песков роторно-конвейерным комплексом на береговую обогатительную фаб-
рику (БОФ), а в последующем до 2012 гг. по схеме роторный экскаватор – отвалообра-
зователь – БОФ. В 2001 – 2005 гг. на террасе работал роторно-ковшовый земснаряд РКЗС
350-16Е фирмы "Ньюман". Им переработано около 500 тыс. м3
золотосодержащих пес-
ков при средней производительности от 40 до 90 м3
/час. По совокупности объемов пере-
работано около 6,5 млн м3
песков, добыто более 3500 кг золота. Внедрение поточной
технологии на россыпи р. Б. Куранах подтвердило целесообразность и возможность экс-
плуатации роторных комплексов в Якутии в сезонном режиме.
Разработаны и предложены многоуступные технологические схемы, предусмат-
ривающие разработку массива песков различной мощности и вскрышных пород россыпи
р. Б. Куранах роторно-конвейерным комплексом, шагающим экскаватором или драгой в
различных комбинациях. В настоящее время на россыпи находятся в эксплуатации уже
две 380-литровые драги глубокого (до 28 м) черпания, позволяющие на большей части
продуктивного контура вести отработку непосредственно до плотика.
На основании научных и технологических разработок составлены методические
рекомендации по выбору и обоснованию рациональной комбинации способов открытой
разработки месторождения россыпного золота реки Б. Куранах [26].
Таким образом, научно-методические разработки ИГДС СО РАН и других науч-
ных организаций Якутии охватывают широкий круг вопросов горного производства в
Якутии и позволяют решить многие актуальные проблемы разработки россыпных,
угольных, алмазорудных месторождений, поднятые в свое время ведущими учеными
Института.
Литература
1. Пособие по прогнозу температурного режима грунтов Якутии / Г.М. Фельдман
и др;.отв. ред. П.И. Мельников. - Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1988. -
240 с.
2. Смирнов В. П. Развитие транспортных систем карьеров Севера / В. П. Смирнов
//Горное дело: Проблемы и перспективы.: сб. статей / ИГДС СО РАН. - Якутск: ЯНЦ СО
РАН, 1994. С. 154-165.
3. Дизель-троллейвозный транспорт на карьерах / В.Л. Яковлев, В.П. Смирнов,
Ю.И. Лель, Э.В. Горшков. – Новосибирск: Наука. СО, 1991. – 104 с.
4. Андросов А.Д. Развитие технологии реконструкции глубоких карьеров Якутии
/ А. Д. Андросов. – Новосибирск: Наука. СО, 1991. – 103 с.
5. Технология разработки глубоких карьеров Севера в условиях мерзлоты и агрес-
сивных вод / В. Л. Яковлев и др. // Проблемы открытой разработки глубоких карьеров:
материалы Междунар. симпоз ". - Удачный, 1991. - С. 45-51.
6. Яковлев В. Л. Новая конструкция борта глубокого карьера в условиях много-
летней мерзлоты / В. Л. Яковлев, А. Д. Андросов // Горный журнал. - 1994. - №5. - С.20-
22.
7. Ермаков С.А. Особенности поточной технологии разработки месторождений
Якутии открытым способом / С.А. Ермаков, А. М. Бураков. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1994.
- 96 с.
8. Совершенствование геотехнологий открытой разработки месторождений Се-
вера / С. А. Ермаков и др. Якутск: ЯФ ГУ Издательство СО РАН, 2004, 364 с.
9. Петров С.Н. Оптимизация параметров бестранспортной системы разработки /
С. Н. Петров, С. В. Панишев // Проблемы горного производства на Севере. – Якутск:
ЯНЦ СО РАН, 1992. – С. 65-69.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-102-320.jpg)
![103
10. Ермаков С.А. Перспективы применения поточной технологии на карьерах ал-
мазодобывающих предприятий / С. А. Ермаков, А. М. Бураков // Колыма, 2000. - №4.
11. Безвзрывная экскавация кимберлитов с помощью роторных экскаваторов / М.
Д. Новопашин и др. // Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторожде-
ний: современное состояние и перспективы решения: сб. докл. Междунар.. науч.-практ.
конф., "Мирный-2001", 1-9 июля 2001 г. – М.: Издательский дом "Руда и металлы", 2002.-
С. 81-86.
12. Новая технология разработки малообъёмных алмазоносных трубок выбурива-
нием керна большого диаметра / С. А. Ермаков и др. //Проблемы и пути эффективной
отработки алмазоносных месторождений": международная научно-практическая конфе-
ренция [сб. докл.], Мирный, 11-15 апр. 2011 г. – Новосибирск: Наука СО, 2011.
13. Федоров Л.Н. Послойно-скважинный способ разработки глубоких карьеров /
Л. Н. Федоров // Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: со-
временное состояние и перспективы решения: сб. докл. Междунар. научно-практ. конф.
"Мирный-2003". -М.: Изд. дом "Руда и металлы", 2004. - С. 352-355.
14. Алькова Е.Л. Выбор рациональной схемы водоотлива в условиях кимберлито-
вых карьеров /Е. Л. Альков, С. В. Панишев, С. А. , Ермаков //Проблемы и пути эффек-
тивной отработки алмазоносных месторождений": международная научно-практическая
конференция [сб. докл.], Мирный, 11-15 апр. 2011 г. – Новосибирск: Наука СО, 2011. –
С. 26-29.
15. Акишев А.Н. Технология доработки законтурных придонных запасов руды в
глубоком карьере "Удачный" / А. Н. Акишев, С. Л. Бабаскин, И. В. Зырянов // Горный
журнал. - 2012. - №12. - С. 31-34.
16. Обоснование производительности и парка специального оборудования с ди-
станционным управлением для доработки запасов руды в карьере "Удачный" / П. И. Та-
расов, А. Г. Журавлев, В. А. Черепанов, А. Н. Акишев, Г. В. Шубин //Горный журнал. -
, 2012. - №12. - С. 35-38.
17. Технико-технологический комплекс для доработки запасов на глубинных го-
ризонтах алмазорудных карьеров / А. Н. Акишев, И. В. Зырянов, Г. В. Шубин, П. И. Та-
расов., А. Г. Журавлев // Горный журнал. - 2012. - №12. - С. 39-43.
18. Моделирование тепловых процессов в горном массиве при открытой разра-
ботке россыпей криолитозоны / А.С. Курилко, С.А. Ермаков, Ю.А. Хохолов, М.В. Кай-
монов, А.М. Бураков; отв. ред. А.В. Омельяненко; РАН СО, Ин-т горного дела Севера
им. Н.В. Черского. – Новосибирск: Академическое изд-во "Гео", 2011. – 139 с.
19. Некоторые концептуальные вопросы освоения Эльгинского месторождения /
С. В. Панишев и др. //. Проблемы и перспективы угледобывающей отрасли РС : матери-
алы науч.- практ. конф. - Нерюнгри, 1999. - С. 140-148.
20. Ермаков С.А. Возможности использования безвзрывной технологии на Эль-
гинском каменноугольном месторождении / С. А. Ермаков, Д. В. Хосоев // Наука и об-
разование. – 2010.- №1. – С. 24-27.
21. Хосоев Д.В. Оценка технологий разработки Эльгинского угольного месторож-
дения / Д. В. Хосоев, С. А. Ермаков // Уголь. – 2009. - №11. – С. 9-12.
22. Ермаков С.А. Технолого-экологическая оценка безвзрывной разработки
вскрышных пород и углей Эльгинского месторождения /С. А. Ермаков, Д. В. Хосоев //
Междунар. журн. прикладныхой фундаментальных исслед. – 2013. - №8, Ч.1. – С. 56-58.
23. Панишев С. В. Разработка вскрышных пород драглайном в условиях пласто-
вого месторождения криолитозоны / С. В. Панишев, С. А. Ермаков, А. М. Бураков
//Proceedings of the XI-th
National Conference with International participation of the open and
underwater mining of minerals, 19-23 June. 2011. - Varna, Bulgaria. - С. 17-23.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-103-320.jpg)
![110
Широкий интерес горных предприятий к проведению этих исследований обуслов-
лен тем, что внедрение технологии с передвижными комплексами оборудования и при-
ближение их к местам ведения подземных горных работ обеспечивает сокращение рас-
хода энергии и материалов на приготовление твердеющей закладочной смеси, уменьше-
ние срока заполнения пустот и повышение прочности закладочного массива. Инноваци-
онная технология способствует коренной модернизации горнодобывающей отрасли и
расширению отечественной минерально-сырьевой базы за счет повышения полноты из-
влечения запасов из недр, ресурсосбережения при разработке действующих месторож-
дений и вовлечения в эксплуатацию новых, эффективная отработка которых ранее была
невозможна [1].
Определено, что срок окупаемости технологии составляет 4 года, средний индекс
прибыльности инвестиций равен 3; внутренняя ставка доходности 77 и 93 %, чистый
дисконтированный доход составляет 1798 и 2496 млн руб., соответственно, для поверх-
ностного и подземного вариантов размещения закладочных комплексов.
Параметры модульной технологии закладки выработанного пространства с ис-
пользованием передвижного оборудования используются при обосновании полного
цикла комбинированных геотехнологий на базе имитационного моделирования.
Кроме того, весомым заделом является цикл работ «Разработка и крупномасштаб-
ное промышленное внедрение ресурсовоспроизводящих экологически сбалансирован-
ных геотехнологий комплексного освоения месторождений Курской магнитной анома-
лии», выполнение которых осуществлялось сотрудниками ИПКОН РАН с середины 80-
х годов и завершено в 2013 г. Практическая промышленная реализация результатов на
комбинате «КМАруда» осуществлялась по мере их получения, основной объем внедре-
ния пришелся на 2009 – 2013 гг. В ходе реализации технологии контролировалось состо-
яние массива, полнота заполнения выработанного пространства, уровни понижения
воды в заполняемых гидравлической закладкой камерах (рис. 2).
Рис. 2 - Уровни понижения воды в осушаемых камерах и восстающем:
1 – осушенный закладочный массив с влажностью <15 – 25 %;
2 – неосушенный закладочный массив с влажностью >20 – 25 %, в порах есть вода](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-110-320.jpg)
![111
В этих работах впервые на новой методологической основе создана теоретическая
база стратегии комплексного освоения месторождений КМА ресурсовоспроизводящими
экологически сбалансированными геотехнологиями с формированием в выработанном
пространстве недр консолидированных природно-техногенных образований и обеспече-
нием условий для их перспективного освоения (рис. 3) [2].
Рис. 3 - Осушенный закладочный массив:
а – трещина у борта камеры; б – вертикальный срез просевшего массива;
участок – наиболее тонкие верхние слои почти без железосодержащих хвостов;
участок – с железосодержащими частицами
Геотехнологии адаптированы к условиям действующих крупнейших комбинатов
- КМАруда, Лебединского, Стойленского, Михайловского. На основе многолетних гео-
механических, технологических и технико-экономических исследований дано карди-
нальное решение проблемы утилизации в подземном пространстве всех образующихся
отходов переработки руд с замкнутым оборотным водоснабжением горного предприятия
(рис. 4). Формируемые из твердых отходов техногенные массивы становятся элементами
горнотехнических систем эксплуатации месторождений и служат для повышения устой-
чивости и несущей способности ограждающих конструкций, сохранения георесурсов
для перспективного вовлечения их в промышленную эксплуатацию.
Рис. 4 – Технологическая схема утилизации хвостов обогащения
в выработанном пространстве подземного рудника с замкнутым водоснабжением
горного предприятия (ОАО «Комбинат КМАруда»)](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-111-320.jpg)
![114
Аннотация:
Обоснована геотехнологическая стратегия
освоения железорудного месторождения. Пред-
ложена комплексная подземная геотехнология
добычи и переработки железных руд, обеспечи-
вающая полную утилизацию отходов горно-обо-
гатительного производства и снижение за-
трат на добычу и переработку рудного сырья.
Сконструированы и сгруппированы схемы под-
готовки, очистной выемки и закладки с исполь-
зованием самоходного оборудования для восхо-
дящей отработки мощных и средней мощности
рудных тел. Разработаны рациональные вари-
анты камерной системы разработки с сухой за-
кладкой, обеспечивающие устойчивость закла-
дочного массива. Выполнены расчеты по опре-
делению величины капитальных затрат на
строительство подземного обогатительного
комплекса. Установлена экономическая целесо-
образность строительства подземных обога-
тительных комплексов на железорудных шах-
тах. Рассмотрены рациональные схемы транс-
портирования руды, породы и продуктов обога-
щения в шахтном пространстве. Установлена
зависимость капитальных и эксплуатационных
затрат на транспортирование грузов подзем-
ного обогатительного комплекса от его распо-
ложения
Ключевые слова: геотехнологическая страте-
гия освоения железорудного месторождения,
восходящая камерная выемка с сухой закладкой,
обеспечение устойчивости закладочного мас-
сива, экологическая безопасность, комплексная
подземная геотехнология добычи и перера-
ботки железных руд, капитальные затраты на
строительство подземного обогатительного
комплекса, схемы грузопотоков и затраты на
транспортирование грузов
Abstract:
The geo-technologic strategy of an iron ore deposit
development is grounded. The integrated subsurface
geo-technology of mining and processing iron ores
is proposed that provides complete utilization of
wastes of mining and processing operations and re-
duces expenditures for ore raw material mining and
processing. The schemes of preparation, stoping
and filling have been designed and grouped employ-
ing self-propelled equipment for descending devel-
opment of thick and medium-thick ore bodies. Ra-
tional variants of chamber mining system with dry
filling are worked out providing stability of filling
rock mass. Calculations on defining capital outlays
value for construction a subsurface processing com-
plex are performed. Economic expediency of a sub-
surface processing complex construction in iron ore
mines is determined. Rational patterns of transpor-
tation ore, rock and products of processing in the
mine’s area are determined. The dependence of cap-
ital outlays and operating costs for transportation
cargoes of subsurface processing complex against
its disposition is set.
Key words: geo-technologic strategy of an iron ore
deposit development, descending chamber extrac-
tion with dry filling, securing the stability of filling
rock mass, ecologic safety, integrated subsurface
geo-technology of mining and processing, capital
outlays for subsurface processing complex con-
struction, the cargo traffic schemes and expendi-
tures for cargoes transportation
Большие разведанные запасы железных руд, развитая горнодобывающая и метал-
лургическая промышленность делают Россию одним из ведущих игроков
на мировом рынке черных металлов. В то же время, как подчеркивает член-корр. РАН
В.Л. Яковлев, доработка высокорентабельных месторождений в освоенных районах тре-
бует решения проблемы поддержания сырьевой базы (CБ) черной металлургии уже в
ближайшее время [1, 2]. Актуальной задачей остается обеспечение экономической эф-
фективности и достаточной конкурентоспособности железорудной промышленности.
Развитие железорудной СБ просматривается в двух направлениях: подземная до-
быча глубокозалегающих запасов в промышленно освоенных районах или освоение ме-
сторождений в новых районах со слабо развитой промышленной и социальной инфра-
структурой. К первым относятся Естюнинское и Северо-Гороблагодатское на Урале,
Сарбайское в Казахстане, ко вторым – Тарыннахское и Горкитское в Якутии. Эти наибо-
лее перспективные месторождения характерны большими, в несколько сотен миллионов
тонн, запасами, но в то же время сложными геологическими и гидрогеологическими
условиями и невысоким качеством руд. При этом следует учитывать и все усиливающи-
еся требования к охране окружающей среды как в старых промышленных районах, так и](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-114-320.jpg)
![115
при разработке месторождений в северных территориях вследствие их большой эколо-
гической уязвимости.
Разработка этих месторождений производится или будет производиться комбини-
рованным способом с выемкой верхней части карьером, нижней – подземным рудником.
Значительные запасы руд предопределяют и большой срок их отработки 50 – 100 лет и
более, что ставит задачу разработки долгосрочной стратегии освоения всех запасов ме-
сторождения на весь период действия горнодобывающего предприятия. Важнейшим эле-
ментом стратегии является плавный переход от открытых работ к подземным с обеспе-
чением минимального снижения мощности предприятия и эффективности добычи руды.
Между тем опыт комбинированной разработки показывает, что практически всегда
ввод подземного рудника в эксплуатацию происходит с запозданием, что приводит к
необходимости углубки карьера ниже предельного (оптимального) контура и снижению
эффективности отработки месторождения [3]. Выход из этого положения тривиален:
своевременное вскрытие подземных запасов и начало подземной добычи к моменту до-
работки карьера. Однако при традиционной последовательной схеме комбинированной
разработки и в этом случае неизбежно резкое снижение мощности предприятия и умень-
шение его экономической эффективности на достаточно длительный период отработки
переходной зоны и достижения рудником проектной производительности [4].
Одним из рациональных направлений геотехнологической стратегии освоения ме-
сторождения в данной ситуации является применение восходящего способа выемки под-
земных запасов: месторождение вскрывается на всю глубину или на величину доста-
точно большого шага вскрытия и отрабатывается снизу вверх [5]. При этом становится
возможной одновременная работа карьера и шахты по параллельной схеме, что позво-
ляет предотвратить падение мощности предприятия в переходный период, исключить
влияние негативных специфических факторов при освоении переходных зон и, следова-
тельно, повысить эффективность освоения месторождения [6]. Восходящая выемка об-
ладает и еще одним преимуществом: она позволяет размещать пустую породу и хвосты
обогащения в подземном выработанном пространстве.
Большая возможная производственная мощность подземных рудников (5 –12 млн
т руды в год), применение высокопроизводительных систем разработки с использова-
нием современной самоходной техники (СО) делают подземную разработку крупных же-
лезорудных месторождений вполне рентабельной. Однако для успешной реализации
восходящей выемки требуется решение ряда научно-технических задач, обусловленных
применением камерных систем с закладкой выработанного пространства. Необходимо
обеспечить полноту выемки руды и полноту закладки нижележащих камер при мини-
мальном нарушении рудного массива и сохранении максимально возможной устойчиво-
сти пород висячего бока; заблаговременное создание днищ вышележащих камер, обес-
печивающих эффективное использование СО при максимальной интенсивности очист-
ной выемки [7]. При этом следует учесть, что в большинстве случаев следует ориенти-
роваться на использование сухой или гидравлической закладки.
Нами сконструированы и сгруппированы схемы подготовки, очистной выемки и
закладки с использованием СО для восходящей отработки мощных и средней мощности
рудных тел, отличающихся порядком отработки камер и целиков в этаже, технологией
очистной выемки, способами создания и сохранения устойчивости закладочного мас-
сива, конструкцией днища (табл. 1). Варианты 1 – 5 предназначены для рудных тел сред-
ней мощности (до 50 м), 6 – 7 для мощных рудных тел. Доставка руды до рудоспуска
производится погрузо-доставочными машинами (ПДМ), закладочного материала СЗ –
автосамосвалами. Параметры камер: высота 80 – 100 м, длина 50 – 200 м в зависимости
от устойчивости массива, ширина равна мощности рудного тела.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-115-320.jpg)
![119
ставлять 67 – 69 %. При отработке запасов с содержанием железа 28 – 35 %, что харак-
терно для рассматриваемых месторождений, выход концентрата не превышает 25 – 30
%. Соответственно, остальная часть руды уходит в хвосты, две трети которых представ-
лены мелкоразмолотыми шламами с содержанием пылевидной фракции до 90 %. Объем
шламов составляет 150 – 200 тыс. м3
на каждый миллион добытой руды. Перемещение
таких объемов хвостов в подземное пространство при их использовании в качестве за-
кладочного материала требует сооружения соответствующих коммуникаций и значи-
тельных затрат.
Само обогатительное производство является источником заметной экологической
опасности, а площади, занимаемые обогатительной фабрикой с усреднительными, про-
межуточными и перегрузочными складами и транспортными коммуникациями, сопоста-
вимы со всей площадью земельного отвода горного предприятия. В целом можно счи-
тать, что негативное экологическое воздействие процесса обогащения руды больше, чем
экологическое воздействие непосредственно горного производства с подземной добычей
руды.
Одним из решений проблемы достижения экологической безопасности является
сочетание восходящего способа отработки месторождений с размещением обогатитель-
ного производства в подземном пространстве [8]. Тогда происходит гармоничное соче-
тание необходимости заполнения выработанного пространства и необходимости разме-
щения отходов обогатительного производства. При этом следует говорить не об отдель-
ных процессах, а в целом о новой комплексной геотехнологии добычи и переработки
руды.
В отечественной практике подземные обогатительные комплексы (ПОК) пока не
применяются, хотя в последнее время идея размещения обогатительного передела под
землей приобретает все большее признание, схемы подземного обогащения представ-
лены в ряде публикаций [9, 10]. Малоисследованным остается вопрос об экономической
эффективности подземного обогащения, что предопределяет необходимость сравнения
вариантов подземного и поверхностного размещения обогатительного комплекса. По-
этому на данном этапе исследований актуально укрупненное определение величины ка-
питальных затрат на строительство ПОК и сравнение их с затратами на поверхностный
комплекс.
При оценке целесообразности подземного обогащения нужно учитывать аспекты
не только самого процесса обогащения, но и влияние его на все сопутствующие про-
цессы горного производства, т. е. производить оценку всей горнотехнической системы
подземной добычи и переработки руды. Наиболее реальным выглядит проработка кон-
кретного варианта применения комплексной геотехнологии. Рассмотрено применение
ПОК при разработке глубоких горизонтов Естюнинского железорудного месторожде-
ния. В соответствии с горно-геологическими и горнотехническими условиями рекомен-
дована этажно-камерная система с восходящим порядком отработки, оставлением меж-
дукамерных целиков и заполнением камер сухой закладкой [11]. В настоящее время до-
бытая руда транспортируется по железной дороге на дробильно-обогатительную фаб-
рику (ДОФ) дорабатываемого Высокогорского рудника на расстояние 13 км. Сама ДОФ
расположена в пределах г. Нижнего Тагила, отличающегося крайне неблагоприятной
экологической обстановкой. В этих условиях размещение комплекса обогащения в под-
земных выработках выглядит вполне оправданным. Поэтому создана принципиальная
схема комплексной подземной геотехнологии добычи и переработки железных руд,
включающая вскрытие скиповым стволом и этажными квершлагами (высота этажа 100
м), подготовку и очистную выемку, транспортирование руды до ПОК, обогащение руды,
транспортирование хвостов обогащения, используемых в качестве закладочного матери-
ала, закладку выработанных камер, транспортирование и подъем концентрата на поверх-
ность. Производительность шахты предполагается увеличить до 5 млн т сырой руды в
год.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-119-320.jpg)
![120
Для обогащения практически всех железных руд применяется принципиально оди-
наковая схема обогащения с использованием сухой (СМС) и мокрой магнитной сепа-
рации (ММС). Для рассматриваемого ПОК принята типичная последовательность опе-
раций, агрегатов и аппаратов. Скарново-магнетитовые руды Естюнинского месторож-
дения являются легкообогатимыми, но для получения высококачественных концентра-
тов требуют интенсивного измельчения. Перед СМС принято проводить три стадии
дробления руды (крупное, среднее и мелкое), осуществляемые щековыми и конусными
дробилками с включением необходимых стадий грохочения. Расположение обогати-
тельного комплекса под землей позволяет использовать гравитационную схему переме-
щения руды, при этом стадия дробления и СМС размещается в пределах одного этажа
высотой 100 м. Для получения высококачественных концентратов (67 – 69 % железа)
необходима трехстадиальная схема дальнейшего измельчения в мельницах и четыре –
пять стадий ММС. Показатели обогащения железной руды по принятой схеме приведены
в табл. 2.
Т а б л и ц а 2
Показатели обогащения железной руды
Исходные данные и показатели % Тыс.т /тыс. м3
Содержание железа в балансовых запасах 30,50 -
Содержание железа в добытой руде 28,10 5000/1378
Выход промпродукта СМС 73,08 3654/981
Выход хвостов СМС 26,92 1346/381
Содержание железа в концентрате 67,00 -
Выход концентрата из руды 29,76 1488/3191
Выход хвостов ММС 43,34 2167/40300
Общий выход хвостов 70,26 3513/40681
Расход воды, м3
/т руды 6,5 32500
Выход шламов с содержанием твердого в шламе
28 %, от общего выхода хвостов ММС
50 1084/3868
С содержанием твердого в шламе 8 % 35 758/10942
С содержанием твердого в шламе 1,5 % 15 325/25490
Примечание: Количество продуктов обогащения показано в тыс. т для сухого остатка, в тыс. м3
– в виде
пульпы
Существенной величиной в структуре капитальных затрат при строительстве
ПОК являются затраты на горно-капитальные работы, включающие проходку камер для
размещения обогатительного оборудования и проходку комплекса вспомогательных
выработок для обеспечения эксплуатации комплекса. На основе принятой схемы обо-
гащения и опыта современных обогатительных фабрик выбран комплекс основного и
вспомогательного оборудования для стадий СМС и ММС ПОКа. Выполнена компо-
новка расположения оборудования в подземных камерах, а также схема расположения
выработок вспомогательного назначения.
Отличительной особенностью предлагаемой комплексной геотехнологии является
то, что хвосты ММС полностью используются для закладки отработанных при добыче
руды камер. Однако значительный объем пульпы хвостов ММС требует большого объ-
ема отработанных камер для своего размещения, сам процесс обезвоживания пульпы за-
нимает значительное время и требует выполнения комплекса специальных мероприятий
по обеспечению безопасности и водоотведению [12]. Вследствие этого, по нашему мне-
нию, более целесообразно использование хвостов в виде СЗ (с влажностью до 8 –10 %),
или в виде пасты (с влажностью 18 – 20 %). И в том, и в другом случае необходимо](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-120-320.jpg)
![121
сгущение и фильтрование хвостов, т. е. в составе ПОК должен быть предусмотрен ком-
плекс для обезвоживания хвостов ММС.
Таким образом, ПОК состоит из трех частей: комплекса дробления и СМС, ком-
плекса ММС, включающего измельчение материала в стержневых и шаровых мельницах
и комплекса обезвоживания концентрата и хвостов ММС. Объемы горно-капитальных
выработок по всем трем комплексам приведены в табл. 3. Объем камер и выработок для
размещения ПОК составляет 179000 м3
, из них 93070 м3
камер, 8930 м3
бункеров,
77000 м3
прочих выработок.
Стоимость строительства поверхностной ДОФ для переработки 5 млн т железной
руды (типа Высокогорской) по справочным данным составляет в ценах 2013 г. от 7,9 до
9,8 млрд руб. [13]. Общие затраты на строительство ПОК составляют 6385 млн руб., из
них 2119 – на проведение выработок обогатительного комплекса, 636 – на строительно-
монтажные работы, 3025 – стоимость основного и вспомогательного оборудования, 605
– на монтаж оборудования. Это дешевле строительства поверхностного обогатительного
комплекса на 20 – 35 %.
Опыт сооружения подземных дробильных комплексов на всех крупных рудных
шахтах [14] позволяет утверждать, что технические трудности строительства ПОК
вполне преодолимы. При этом следует отметить возможность заметного снижения сто-
имости строительства ПОК за счет применения более современного, производительного
и компактного обогатительного оборудования, а также за счет использования специаль-
ных методов проходки камерных выработок и прогрессивных видов крепи.
Третьей составляющей комплексной технологии является принципиально новая
транспортная схема перемещения руды, породы и продуктов обогащения в шахтном про-
странстве. Такая схема должна обеспечить доставку руды к приемным бункерам ПОК,
доставку хвостов обогащения от ПОК в закладочные камеры, подъем на поверхность
концентрата и перемещение пустых пород на поверхность или в отработанные камеры.
Для сравнительной оценки транспортных схем приняты четыре варианта расположения
ПОК в шаге освоения месторождения –240/–640 м с запасами руды 115 млн т: на гор. –
340, –440, –540 и –640 м.
Рассчитаны грузопотоки для годовой производительности шахты 5,0 млн т, причем
2,5 млн т добывается из верхнего яруса (2 верхних этажа), разрабатываемого системами
с обрушением руды, и 2,5 млн т – из нижнего яруса (2 нижних этажа), разрабатываемого
камерными системами с СЗ. Рассмотрено три рациональных схемы транспорта грузов:
1. Руда из добычных блоков до ПОК доставляется автосамосвалами (А), порода из
проходческих забоев до закладываемых камер ПДМ; СЗ (хвосты СМС) от ПОК до закла-
дываемых камер автосамосвалами (А). Гидравлическая закладка (хвосты ММС) от ПОК
перекачивается до закладываемых камер по трубам. Концентрат от ПОК до загрузочного
комплекса у ствола на горизонте –340 м транспортируется конвейером (К) по уклону и
далее поднимается в скипах на поверхность. Схема (А+К).
2. Отличается от схемы 1 тем, что концентрат от ПОК до загрузочного комплекса
у ствола транспортируется по квершлагу соответствующего горизонта железнодорож-
ным транспортом (ЖД). Схема (А+ЖД).
3. Руда железнодорожным транспортом доставляется по откаточным горизонтам к
капитальным рудоспускам, по которым перепускается в приемные бункера ПОК; порода
из проходческих забоев до закладываемых камер перевозится ПДМ. СЗ (хвосты СМС)
от ПОК до ствола перевозится железнодорожным транспортом в вагонетках, поднима-
ется по стволу до закладочного горизонта и по нему в вагонетках транспортируется от
ствола до добычных блоков. Гидравлическая закладка (хвосты ММС) от ПОК до закла-
дываемых камер подается по трубам. Концентрат до ствола перевозится железнодорож-
ным транспортом. Схема (ЖД+ЖД).
Суммарный объем горно-проходческих работ (без ПОК) по вариантам приведен в
табл. 4. Блок-схема грузопотоков показана на рис. 4.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-121-320.jpg)
![126
УДК 622.33 (571.1/.5)
Ческидов Владимир Иванович
кандидат технических наук,
заведующий лабораторией открытой
геотехнологии,
Институт горного дела СО РАН,
630091, г. Новосибирск,
Красный проспект, 54
е-mail: cheskid@misd.nsc.ru
Бобыльский Артем Сергеевич
младший научный сотрудник
лаборатории открытой геотехнологии,
Институт горного дела СО РАН
Резник Александр Владиславович
младший научный сотрудник
лаборатории открытой геотехнологии,
Институт горного дела СО РАН
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ �
УГЛЕДОБЫЧИ НА ОСНОВЕ
РЕДКОМЕТАЛЬНОГО
ПОТЕНЦИАЛА УГЛЕЙ СИБИРИ
Cheskidov Vladimir I.
candidate of technical sciences,
the head of the laboratory
of surface geo-technology,
The Institute of Mining SB RAS
630091, Novosibirsk, Krasny pr., 54
е-mail: cheskid@misd.nsc.ru
Bobilsky Artem S.
junior researcher of the laboratory
of surface geo-technology,
The Institute of Mining SB RAS
Resnik Alexander V.
junior researcher, the laboratory
of surface geo-technology,
The Institute of Mining SB RAS
INCREASING COAL MINING EFFICIENCY
IN TERMS OF RARE METAL POTENTIAL
OF SIBERIAN COALS
Аннотация:
Рассматриваются проблемы глубокой перера-
ботки углей месторождений Сибири. Отмеча-
ется, что угольные ресурсы cибирских регионов
представлены в широком диапазоне марочного
состава, обеспечивающего, помимо выработки
тепловой и электрической энергии, получение
большой гаммы угольной продукции с высокой
добавленной стоимостью.
Ключевые слова: угольные месторождения Си-
бири, переработка и комплексное использование
угля
Abstract:
The problems of deep coals processing in Siberian
deposits are considered. It is noted that coal re-
sources of Siberian regions are presented in a wide
range of brand composition that provides, besides
generating thermal and electric energy, obtaining a
large scale of coal products with high additional
cost.
Key words: Siberian coal deposits, processing and
integrated utilization of coal
В условиях постоянно ухудшающегося состояния среды обитания человека раз-
витыми странами мирового сообщества ведется расширенный поиск нетрадиционных
источников удовлетворения энергетических потребностей их экономик. Однако, в связи
со слабой их изученностью и дороговизной уголь, был и остается одним из наиболее
надежных ресурсных составляющих топливно-энергетического комплекса, занимая ве-
дущее положение в топливном балансе многих стран. Так, доля угольной генерации в
Польше, Китае, США составляет порядка 96, 80 и 50 %, соответственно. Российская Фе-
дерация, где доля угольной генерации не превышает пока 18 %, обладает значительными
запасами каменных и бурых углей, способных обеспечить потребности народного хозяй-
ства страны на несколько столетий. В РФ известно 22 угольных бассейна и 114 место-
рождений с общими прогнозными запасами около 4 триллионов тонн, в том числе ба-
лансовых – более 200 млрд. т. Причем основной объем последних приходится на районы
Западной и Восточной Сибири [1]. Угли сибирских месторождений представлены раз-
личными видами (от бурых до антрацитов) и в полном марочном составе, обеспечиваю-](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-126-320.jpg)
![127
щем практически все потребности народного хозяйства страны. Угольные бассейны во-
сточных регионов страны, в частности, Кузнецкий и Канско-Ачинский, обладают значи-
тельной ресурсной базой для дальнейшего развития угледобычи, в том числе наиболее
эффективным – открытым способом.
По оценке специалистов, разведанные запасы сибирских месторождений позво-
ляют организовать работу десятков крупных разрезов мощностью до 50 – 60 млн. т угля
в год и обеспечить, при необходимости и соответствующих инвестиционных вложениях,
добычу угля открытым способом более 1500 млн. т в год, в том числе более 200 млн. т
каменных и 1200 – 1300 млн. т бурых углей [2]. Как показывает опыт развитых стран, в
этих условиях наиболее эффективным направлением дальнейшего развития отечествен-
ной угольной и всех смежных отраслей промышленности является переход на иннова-
ционные технологии, обеспечивающие получение наиболее качественной и востребо-
ванной продукции, комплексное использование угольных ресурсов и отходов производ-
ства.
В мировой практике сложилась устойчивая тенденция повышения степени пере-
работки угля с улучшением его качества и расширением ассортимента угольной продук-
ции. Это обусловлено, в частности, достаточно жесткими требованиями к качеству угля,
сложившимися на мировом рынке: зольность 8 – 12 %, влага менее 8 – 9 %, содержание
серы мене 0,5 %, калорийность свыше 6000 ккал/кг. В России наибольшее развитие по-
лучила пока начальная стадия переработки угля – обогащение. Приведенные в табл. 1
показатели добычи и переработки угля в России и крупнейшем угледобывающем реги-
оне – Кузбассе [3] свидетельствуют о том, что в стране обогащению подвергаются
практически все коксующихся и до 20 % энергетических углей при мировом уровне 70 –
90 % (в Австралии и ЮАР – 100 %). При устойчивой тенденции повышения степени
обогащения добываемых в стране коксующихся углей, на недопустимо низком уровне
Т а б л и ц а 1
Показатели добычи и переработки угля в России и Кузбассе
по 2000 – 2010 годам, млн.т
Показатель 2000 2007 2008 2009 2010
2010 к
2000, %
Россия
Добыча угля 257,9 314,1 328,8 302,6 323,0 125
В том числе
энергетического 196,9 241,2 260,1 241,5 257,9 131
коксующегося 61,0 72,9 68,7 61,1 65,1 107
Переработка угля 92,9 122,6 119,6 118,1 126,5 136
В том числе
на обогатительной фабрике
84,8 114,0 110,7 109,1 117,6 139
энергетического угля 26,9 41,2 43,9 48,1 52,7 196
коксующегося 57,9 72,8 66,8 61,0 64,9 112
на сортировочных установках 8,1 8,6 8,87 8,97 8,9 110
Кузбасс
Добыча угля 115,1 181,2 184,3 181,3 185,5 161
В том числе
энергетического 70,1 124,0 128,7 127,5 135,3 193
коксующегося 45,0 57,2 55,6 53,8 50,2 112
Переработка угля 54,6 85,1 85,2 82,9 83,8 153
В том числе
на обогатительной фабрике 46,5 76,5 76,3 73,9 74,9 161
энергетического 1,9 19,4 27,4 26,0 26,1 137
коксующегося 44,6 57,1 48,9 47,9 48,8 109
на сортировочных установках 8,1 8,6 8,87 8,97 8,9 110](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-127-320.jpg)
![128
остается доля обогащения энергетических углей. Это в полной мере касается и флагмана
отечественной угледобычи – Кузнецкого бассейна, где переработка угля в настоящее
время ведется на 35 обогатительных фабриках и 16 сортировочных установках, более
половины из которых имеют срок службы 30 и более лет, технологически и морально
устарели. Как положительную следует отметить сложившуюся в последние годы тенден-
цию ввода горнодобывающих производств в комплексе с перерабатывающими мощно-
стями нового поколения, в том числе для обогащения энергетических углей.
Опыт наиболее развитых горнодобывающих стран свидетельствует о том, что на
современном этапе в основе инновационного развития угольной отрасли должно быть не
просто наращивание объемов угледобычи, а глубокая переработка углей с получением
большого ассортимента угольной продукции с новыми потребительскими свойствами
[4]. По оценке специалистов переработка угля является стратегически важным направ-
лением не только для дальнейшего развития угольной отрасли, но и для всей экономики
страны. По существу это означает отказ от экспорта сырьевых ресурсов в пользу произ-
водства и экспорта угольной продукции с высокой добавленной стоимостью. Повсемест-
ное внедрение технологий переработки и комплексного использования углей обеспечит
не только повышение экономической эффективности и конкурентоспособности угледо-
бычи, но и существенное снижение негативного воздействия горного производства на
природную среду, а организация производства целого ряда новых продуктов, зачастую
закупаемых за рубежом, будет способствовать развитию смежных отраслей промышлен-
ности [5].
Возможные направления использования угольной ресурсной базы Сибири приве-
дены в табл. 2 [6]. В настоящее время в РФ основной объем угля используется в энерге-
тике (до 30 %) и коксовании (около 20 %), частично – для газификации и полукоксова-
ния, получения облагороженного топлива для бытовых нужд (газ, жидкие продукты,
брикеты), в кирпичном и цементном производстве. В ограниченных объемах уголь ис-
пользуется для производства углеродных адсорбентов, углеграфитовых изделий, угле-
щелочных реагентов, карбидов кремния и кальция, термоантрацита и термографита, гор-
ного воска. Более 80 % каменноугольного кокса идет для выплавки чугуна, другие про-
дукты коксования используются в химической промышленности, цветной металлургии,
строительной индустрии, железнодорожном транспорте, дорожном строительстве.
Не менее ценным сырьем для технологической переработки является бурый
уголь. В частности буроугольный кокс используется для замены металлургического
кокса при производстве ферросплавов, фосфора, карбида кальция. На базе бурых углей
получены гранулированные адсорбенты, полукокс, горный воск и целый ряд химических
продуктов. Разработаны и апробированы процессы гидрогенизации бурых канско-ачин-
ских углей с получением синтетических жидких продуктов. Установлено, что от одного
продукта в угольной отрасли можно произвести более 130 видов химических полупро-
дуктов и более пяти тысяч видов продукции смежных отраслей [7].
Вопросы комплексного использования углей сибирских месторождений пред-
метно рассматривались в 70-80 годы прошлого века, когда отраслевыми научно-иссле-
довательскими и проектными институтами (ИГИ, ИОТТ, ЭНИН, ВНИИнефтемаш, Сиб-
гипрошахт, Гипрошахт, Грохгипронефтехим и др.) был выполнен ряд работ по глубокой
переработке канско-ачинских углей.
Отечественные технологии переработки бурых углей в тот период превосходили
мировой уровень. Так, институтом горючих ископаемых (ИГИ) разработана технология
термического обогащения канско-ачинских углей, обеспечивающая (путем понижения в
2,5 – 3 раза влажности исходного угля) получение транспортабельного высококалорий-
ного топлива – термоугля. Расчетами установлено, что эксплуатационные затраты на
выработку электроэнергии с использованием термически обогащенного угля](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-128-320.jpg)
![129
Т а б л и ц а 2
Направления использования углей месторождений Сибири
Направление использования Марки, группы и подгруппы
1. Технологическое
1.1. Слоевое коксование Все группы и подгруппы марок: ДГ, Г, ГЖО,
ГЖ, Ж, КЖ, К, КО, КСН, КС, ОС, ТС, СС
1.2. Специальные процессы подготовки к кок-
сованию
Все угли, используемые для слоевого коксо-
вания, а также марки Т и Д (подгруппа ДВ)
1.3. Производство генераторного газа в газо-
генераторах стационарного типа:
смешанного газа Марки КС, СС, группы: ЗБ, 1ГЖО,
подгруппы — ДГФ, ТСВ, 1ТВ
водяного газа Группа 2Т, а также антрациты
1.4. Производство синтетического жидкого
топлива
Марка ГЖ, группы: 1Б, 2Г,
подгруппы — 2БВ, ЗБВ, ДВ, ДГВ, 1ГВ
1.5. Полукоксование Марка ДГ, группы: 1Б,1Г,
подгруппы — 2БВ, ЗБВ, ДВ
1.6. Производство углеродистого наполни-
теля (термоантрацита) для электродных изде-
лий и литейного кокса
Группы 2Л, ЗА, подгруппы — 2ТФ и 1АФ
1.7. Производство карбида кальция, электро-
корунда
Все антрациты, а также подгруппа 2ТФ
2. Энергетическое
2.1. Пылевидное и слоевое сжигание в стаци-
онарных котельных установках
Все бурые угли и антрациты. а также неис-
пользуемые для коксования каменные угли.
Для факельно-слоевого сжигания антрациты
не используются
2.2. Сжигание в отражательных печах Марка ДГ, 1группы — 1Г, 1СС, 2СС
2.3. Сжигание в подвижных теплоустановках,
использование для коммунальных и бытовых
нужд
Марки Д, ДГ, Г, СС, Т, А, бурые yгли, антра-
циты и неиспользуемые для коксования ка-
менные угли
3. Производство строительных мате-
риалов
3.1. Известь Марки Д, ДГ, СС, А, группы 2Б и ЗБ; неис-
пользуемые для коксования марки ГЖ, К и
группы 2Г, 2Ж
3.2. Цемент Марки Б, ДГ, СС, ТС, Т, Л, подгруппа ДВ и
неиспользуемые для коксования марки КС,
КСН, группы 27, 1ГЖО
3.3. Кирпич Неиспользуемые для коксования угли
4. Прочие производства
4.1. Углеродные адсорбенты Подгруппы: ДВ, 1ГВ, 1ГЖОВ, 2ГЖОВ
4.2. Активные угли Группа ЗСС, подгруппа 2ТФ
4.3. Агломерация руд Подгруппы: 2ТФ, 1АВ, 1АФ, 2АВ, ЗАВ
на месте его добычи могут быть снижены более чем на 10 % в сравнении с рядовым
углем. За счет транспортной составляющей эта разница возрастает с увеличением рас-
стояния транспортирования топлива, достигая 20 и 26 % при удаленности ГРЭС от топ-
ливной базы, соответственно, на 500 и 1500 км [8]. Для обеспечения коммунально-быто-
вых нужд была разработана технология окускования углей и, в частности,](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-129-320.jpg)
![130
термобрикетирование. Осуществляемая методом горячего брикетирования без связую-
щих ингредиентов, эта технология позволяет в 5 – 7 раз снизить влажность исходного
угля и получить термобрикеты с калорийностью более 6000 ккал/кг (при калорийности
рядового угля 3500 – 3700 ккал/кг). В плане реализации наиболее продвинутой в то время
была разработка Энергетического института Минэнерго СССР технологии с комбиниро-
ванным теплоносителем – ЭТХ-175 для производства осмоленного полукокса, смолы и
газа производительностью 175 т по углю в час. Введенная в 1987 г. в промышленную
эксплуатацию установка позволила отработать технологический процесс, но добиться ее
стабильной работы, к сожалению, не удалось.
В России попытка внедрения технологии производства синтетического жидкого
топлива (СЖТ) методом гидрогенизации была предпринята в период формирования
Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭКа). Технология, разра-
ботанная сотрудниками ИГИ, предварительно была реализована в Подмосковном буро-
угольном бассейне на опытной установке СТ-5 при шахте «Бельковская». При ее эксплу-
атации было установлено, что для получения 1 тонны СЖТ (включая попутную выра-
ботку пара и электроэнергии) требуется около 5 тонн рядового угля с теплотой сгорания
3500 ккал/кг. На разрезе «Березовский-1» было начато, но вскоре приостановлено (из-за
прекращения финансирования), строительство более производительной опытно-про-
мышленной установки СТ-75.
В настоящее время производство синтетических жидких топлив из угля органи-
зовано в ЮАР компанией Sasol на заводе Secunda CTL производительностью 160 тыс.
баррелей в сутки (около 8 млн. т/год). Активно наращивает производство СЖТ по этой
же технологии Китай, где дополнительно к действующим заводам общей мощностью 1,9
млн. тонн намечен запуск еще 9 заводов мощностью 5 млн. тонн СЖТ в год. Эта техно-
логия приобретает повышенное внимание на фоне неустойчивых цен на нефть. Перспек-
тивы масштабного внедрения технологий производства СЖТ обусловлены, прежде
всего, их экономической эффективностью. В основе оценок, как правило, принимается
соотношение цен уголь/нефть на долгосрочную перспективу. При этом учитывается, что
строительство предприятий по ожижению угля требует более значительных затрат, чем
нефтеперерабатывающих производств. Следует отметить, что экономические показа-
тели производства СЖТ носят прогнозный характер ввиду недостаточного опыта экс-
плуатации современного крупномасштабного производства. Тем не менее некоторыми
специалистами, в расчете на современные технологии ожижения угля, делаются доста-
точно оптимистичные прогнозы в этом направлении, стимулирующие инвестиции в ин-
новационные процессы. К 2010 – 2015 гг. планируется, например, построить крупные
промышленные предприятия в США, Китае, Индии, Индонезии для получения жидких
продуктов из угля различными методами (гидрогенизация, газификация с последующим
синтезом углеводородов, комбинированные процессы получения энергии и жидких уг-
леводородов и т.д.) [9].
Институтами КАТЭКНИИУГОЛЬ и ИГИ разработаны технологии получения из
бурых углей гуминовых удобрений, обеспечивающих повышение до 20 % урожайности
сельскохозяйственных культур [10].
Из современных разработок по комплексному использованию бурых углей доста-
точно большой научный и практический задел создан специалистами ООО «Сибтермо»
на базе разработанных ими энерготехнологических процессов с получением газового
топлива и термококса [11]. В Кузбассе, на базе шахты «Беловская», создается энерго-
угольный комплекс по производству термококса производительностью 250 тыс. тонн в
год, электростанция мощностью до 40 МВт, работающая на угле и горючем газе, а также
система по улавливанию и захоронению углекислого газа. С использованием отходов
электростанции планируется построить завод строительных материалов [12]. Намечено
создание второго энергоугольного кластера «Серафимовский», на котором предполага-
ется получить синтез-газ для производства тепловой и электрической энергии, а также](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-130-320.jpg)
![131
синтетическое жидкое топливо. По инициативе ОАО «СУЭК» в 2011 г. на разрезе «Бе-
резовский-1» произведен запуск опытно-промышленной линии по производству средне-
температурного кокса производительностью 2,5 т/ч, который прошел успешную апроба-
цию на ряде металлургических предприятий [13].
Большой интерес в последние годы вызывает технология приготовления и ис-
пользования водоугольных топлив (ВУТ), особенно в угледобывающих регионах и рай-
онах, не обеспеченных газом. Работы по производству и использованию ВУТ ведутся с
70-х годов прошлого столетия в ряде стран, в том числе в США, Канаде, Италии и Китае,
сегодня в числе лидеров Китай, где тематикой по ВУТ занимаются 3 научно-исследова-
тельских центра, работают 6 заводов по производству ежегодно до 60 млн. тонн ВУТ,
намечено строительство еще одного крупного завода. В России технология ВУТ была
реализована в 80-е годы прошлого столетия в составе опытно-промышленного углепро-
вода Белово – Новосибирская ТЭЦ-5 протяженностью 262 км. За время работы углепро-
вода было приготовлено и доставлено на электростанцию около 300 тыс. т ВУТ. По раз-
ным причинам опыт, к сожалению, не был доведен до конца, но выявил недостатки и дал
определенные результаты, подтверждающие прогрессивность технологии ВУТ. В насто-
ящее время технология внедрена или внедряется на ряде объектов: Абагурской агломе-
рационной обогатительной фабрике ОАО «КМК», ЗАО «Черниговец», ОАО «Шахта За-
речная», ОАО «Сибирский антрацит», в ЖКХ Мурманской и других областей страны.
Особые надежды возлагаются при этом на последние разработки – кавитационную тех-
нологию приготовления ВУТ (далее КаВУТ), позволяющая использовать угли различ-
ного качества и отходы углеобогащения. Проведенные испытания по использованию
ВУТ показали существенные его технологические преимущества, подтвердив реальную
возможность замены не только высокозольного угля и низкоэффективных методов его
сжигания в слоевых топках, но и жидких и газообразных видов топлива [14]. Приведен-
ные примеры, хотя и носят пока ограниченный характер, свидетельствуют о растущем
интересе отечественных предпринимателей к проблеме облагораживания углей. В каче-
стве первоочередных, относительно простых и наиболее готовых к реализации техноло-
гий переработки бурых углей с изменением их качественных показателей могут быть
приняты, очевидно, производство термоугля и термобрикетирование.
Одной из актуальных проблем комплексного использования углей является про-
мышленное извлечение редких элементов из их минеральной составляющей. По резуль-
татам геологических исследований в сибирских угледобывающих регионах выявлено
несколько типов редкометалльных концентраций. В частности, исследованиями д. г-м.
н. С.И.Арбузова [15] по месторождениям Кузнецкого, Канско-Ачинского, Горловского,
Минусинского, Тунгусского, Иркутского, Улугхемского бассейнов установлено, что
наиболее контрастные аномалии в углях месторождений Сибири образуют селен, мы-
шьяк, стронций, молибден, бериллий, кобальт, золото, сурьма, уран, германий, ниобий,
иттрий, цирконий, гафний, бром, ртуть и кадмий (рис.1).
Высокая контрастность аномалий редких элементов позволяет прогнозировать
большую вероятность выявления угольных месторождений и пластов с промышленно
значимыми содержаниями германия, селена, золота, скандия, урана, бериллия, ниобия,
циркония, иттрия и ряда радиоактивных химических элементов. Наиболее привлекатель-
ными для первоочередного освоения на сибирских месторождениях являются германий
и скандий. Запасы последнего, к примеру, только пласта «Двухаршинный» Черногор-
ского месторождения Минусинского бассейна могут обеспечить современное мировое
потребление этого металла в течение нескольких десятилетий. Аномальное содержание
скандия выявлено также в канско-ачинских углях. Высокое содержание германия про-
мышленных категорий установлено в углях Черногорского и двух месторождениях кок-
сующихся углей Кузбасса.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-131-320.jpg)
![132
Элементы с аномальным
содержанием:
Se – селен
As – мышьяк
Sr – стронций
Co – кобальт
Mo – молибден
Sb – сурьма
Hf – гафний
Be – бериллий
U – уран
Au – золото
Ge – германий
P – фосфор
Sc – скандий
Cd – кадмий
Y – иттрий
Ag – серебро
Cr – хром
Mn – марганец
Zr – цирконий
Рис. 1 – Диаграмма содержания редких элементов в углях месторождений Сибири:
1 – среднее содержание элемента (0,01–1000 – степень превышения фонового содержания);
2 – наибольшее локально высокое содержание элемента;
3 – область локально высоких содержаний.
Содержание элементов в углях на диаграмме выражено посредством коэффициента
концентрации Кк , рассчитанного относительно их среднего содержания
в верхней части земной коры
Ввиду недостаточного отечественного практического опыта извлечения редких
элементов достоверная технолого-экономическая оценка углей как источника комплекс-
ного сырья в настоящее время не представляется возможной. Однако по опыту комплекс-
ного освоения месторождений цветных металлов можно надеяться, что совместное по-
лучение, например, германия, скандия, глинозема, галлия, циркония, гафния, иттрия, ни-
обия, золота и ряда редкоземельных металлов, при соответствующем уровне технологи-
ческих решений, должно обеспечить высокую рентабельность и безотходность произ-
водства.
Ожидается, что применение новейших технологий извлечения редких элементов
позволит в обозримой перспективе ускорить решение проблемы комплексного исполь-
зования угля и продуктов его переработки. Это чрезвычайно важно и с позиций экологи-
ческой безопасности горного производства, особенно если учесть устойчивую тенден-
цию наращивания добычи угля и, соответственно, увеличение отходов горного произ-
водства. Помимо безвозвратно теряемых в них полезных компонентов с ростом отходов
увеличивается опасность заражения природной среды ядовитыми и радиоактивными
элементами (мышьяк, ртуть, сурьма, уран и т.д.). По оценке специалистов, предприяти-
ями горнопромышленного комплекса России производится ежегодно более 8 млрд. т
твердых отходов, а объем только золошлаковых отходов ТЭС, также являющихся носи-
телями редких элементов, к 2020 г. может превысить 1,8 млрд. т [16,17].
Окончательные выводы о целесообразности промышленного извлечения редких
элементов могут быть сделаны, безусловно, после проведения комплексных исследова-
ний угольных месторождений Сибири и геолого-экономической оценки перспективных
объектов с привлечением широкого круга специалистов разных отраслей знаний. Резуль-](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-132-320.jpg)
![134
− выполнить оценку ресурсной базы и потребности народного хозяйства
страны на среднесрочную и долгосрочную перспективу в продуктах переработки угля,
в том числе в редкометалльных и редкоземельных элементах;
− разработать государственную программу переработки и комплексного ис-
пользования углей с выделением приоритетных технологий и сырьевых источников по
угольным бассейнам и месторождениям;
− подготовить технологические регламенты для проектирования угледобыва-
ющих и перерабатывающих предприятий, предусматривающие целенаправленное ис-
пользование угольных ресурсов и продуктов их переработки;
− разработать и реализовать меры государственной поддержки хозяйствую-
щих субъектов, стимулирующие внедрение инновационных технологий переработки
угля и производство востребованной угольной продукции.
Литература
1. Ибрагимова Н. А. . Научно-инновационная политика развития угольной от-
расли / Н. А. Ибрагимова, М. И.Щадов. // Уголь. - 2006. - № 1
2. Ческидов В. И. . К вопросу использования потенциала открытой добычи угля
в восточных регионах России / В. И.Ческидов //Физико-техн. проблемы разработки по-
лезных ископаемых 2007. - № 4
3. Маркова В. М.. Обогатиться углем / В. М. Маркова, В. Н.Чурашов; Росин-
формуголь 25.04.2011.
4. . Технические возможности и экономическая эффективность расширения
сфер и направлений использования углей в обозримой перспективе / И. П. Крапчин, Т.И.
Кузьмина // Уголь. - 2011.. - № 6
5. Грачев И. Д. Инновационно восприимчивая среда – основа перехода угольной
отрасли к устойчивому развитию / И. Д. Грачев, С. А. Некрасов // Уголь. 2013. - № 1
6. Области применения угля / Пресс-центр ПК «Росуголь» [Электронный ре-
сурс]. – Режим доступа: http://www.roscoal.ru/content/press-centr/informaciya-dlya-vas/ob-
lasti-primeneniya-uglya. (05.11.2009).
7. Путь угля. Эксперт [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.rosugol.ru.
(05.06.2013).
8. Т.И.Кузьмина. Инновационное развитие угольной отрасли РФ на основе реа-
лизации технологического потенциала комплексной переработки углей: автореф. дис.
д-ра экон. наук.- М,2012.
9. Анализ проблем и разработка технологий комплексного конкурентоспособ-
ного энерготехнологического использования угля:отчет по интеграционному проекту
СО РАН № 94. – Новосибирск, 2008.
10. Способ получения гуминовых удобрений [Электронный ресурс]. – Режим до-
ступа: http://ru-patent.info.
11. СУЭК начала производство полукокса [Электронный ресурс]. – Режим до-
ступа:www.mnr.ru.(23.03.2007).
12. Михалев И. О. . Энерготехнологическое производство на основе частичной
газификации углей низкой степени метаморфизма / И. О. Михалев, С. Р. Исламов //
Горение твердого топлива материалы VIII Всероссийской конференции с международ-
ным участием.- 13-16.11.2012. / ИГД СО РАН. - Новосибирск,2012
13. В Кемеровской области начал работу инновационный угольно-технологический ком-
плекс//forsmi.ru.23.08.10.
14. СУЭК начал производство полукокса [Электронный ресурс]. – Режим доступа: //
www.mnr.gov.ru.
15. Водоугольноетопливо–технологиябудущего./Е.Г.Карпов //Энергетикаипромышлен-
ностьРоссии. -2007. -16.05.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-134-320.jpg)
![137
Повышение эффективности работы карьерного автотранспорта неразрывно свя-
зано с учетом влияния сложности горнотехнических и дорожных условий эксплуата-
ции, в частности высоты подъема и глубины спуска горной массы, на результирующие
показатели (производительность, расход дизельного топлива, себестоимость транспор-
тирования и т. п.). Наиболее полное отражение эти вопросы нашли в трудах член-корр.
РАН В.Л. Яковлева [1 – 5]. Им рассмотрены методические аспекты учета влияния глу-
бины карьера при оценке эффективности карьерного автотранспорта, получены зави-
симости изменения технико-экономических показателей от горнотехнических условий
эксплуатации автосамосвалов. В.Л. Яковлевым предложено фактическую длину авто-
мобильных трасс приводить к условному горизонтальному расстоянию транспортиро-
вания [3]. Такой подход получил дальнейшее развитие в исследованиях российских
ученых-горняков и применяется на ряде горнодобывающих предприятий для оценки
влияния горнотехнических условий на работу карьерного автотранспорта [6 – 10].
Общая длина трассы карьерных автосамосвалов L определяется следующим об-
разом:
,спг LLLL (1)
где Lг – суммарная протяженность горизонтальных участков трассы, м; Lп – суммар-
ная протяженность наклонных участков с уклоном iп при движении груженых автоса-
мосвалов на подъем, м; Lс – суммарная протяженность наклонных участков с уклоном
iс при движении груженых автосамосвалов на спуск, м.
Приведенное расстояние транспортирования (Lпр) определится из выражений:
cсппгпр ЭЭ HHLL или cспппр 'Э'Э HHLL , (2)
где Нп, Нс – высота подъема (глубина спуска) горной массы, м;
Эп, Эс – горизонтальные эквиваленты вертикального перемещения (подъема и
спуска) горной массы, м/м. Горизонтальные эквиваленты показывают, какое расстояние
транспортирования по горизонтальной карьерной автодороге эквивалентно подъему
(спуску) горной массы по наклонному участку на высоту (глубину) 1 м;
Э′п, Э′с – коэффициенты приведения, характеризующие приращение (сокращение)
расстояния транспортирования по горизонтальной автодороге относительно фактиче-
ского расстояния откатки при подъеме (спуске) горной массы на 1 м, м/м.
В свою очередь
-1
ппп ЭЭ i и -1
ссс ЭЭ i , (3)
где iп, iс – уклон подъема (спуска) горной массы, доли ед.
Вместе с тем значительные расхождения в значениях горизонтальных эквива-
лентов и коэффициентов приведения, рекомендуемых авторами в настоящее время,
препятствуют широкому внедрению указанного методического подхода в практику и
объясняются следующими причинами:
– использованием различных критериев при расчете горизонтальных эквивален-
тов и коэффициентов приведения (расхода дизельного топлива, времени движения ав-
тосамосвалов по трассе, себестоимости транспортирования и т. п.);
– несовершенством методик расчета, не в полной мере учитывающих реальные
режимы движения автосамосвалов в карьерах, расход топлива на отдельных участках
трасс и т. п.;
– различием значений горизонтальных эквивалентов (Эп, Эс) и коэффициентов
приведения (Э′п, Э′с).
При определении горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения
авторами использовались или экспериментально-статистический [3, 8], или аналитиче-
ский [6, 7, 9] методы. Недостатком экспериментально-статистического метода является
необходимость проведения большого объема экспериментальных работ. При этом по-
лученные значения эквивалентов имеют частный характер, так как определяются для
конкретных горнотехнических и дорожных условий эксплуатации. При изменении па-](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-137-320.jpg)
![138
раметров трасс и дорожных условий требуется постоянная корректировка значений эк-
вивалентов. Аналитический метод характеризуется большей универсальностью, но в то
же время меньшей точностью. Ряд элементов процесса движения автосамосвалов по
внутрикарьерным трассам и расчет расхода топлива плохо поддаются аналитической
формализации или эта формализация сложна для практического использования. По
нашему мнению, это противоречие можно разрешить использованием комплексного
экспериментально-аналитического метода, сочетающего достоинства и в значительной
степени устраняющего недостатки перечисленных методов.
При определении горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения
целесообразно использовать два физических критерия – расход дизельного топлива и
время движения (производительность) автосамосвалов. Использование указанных кри-
териев имеет определенные преимущества перед денежной оценкой: оценка по предла-
гаемым физическим критериям является более стабильной и не подвержена инфляции.
В этом случае наименьшее приведенное расстояние, определенное по расходу дизель-
ного топлива, будет соответствовать трассе с минимальными энергетическими затрата-
ми на транспортирование горной массы, а определенное по времени движения – трассе
с максимальной производительностью автотранспорта.
Следует отметить, что приведенные расстояния, установленные по расходу ди-
зельного топлива, будут отличаться от установленных по времени движения (произво-
дительности) автосамосвалов. Поэтому в ряде случаев могут возникнуть затруднения в
оценке условий эксплуатации автомобильного транспорта и выборе оптимальных
трасс. Расход топлива и производительность автосамосвалов можно считать частными
критериями, используемыми для строго определенных целей: нормирования и плани-
рования производительности, расхода топлива, обоснования парка автосамосвалов и т.
п. Для более глобальных целей: обоснования режима горных работ, оценки транспорт-
ных систем карьеров и выбора оптимальных автомобильных трасс – следует применять
комплексный физический критерий – действие. Действие – это физическая величина,
представляющая собой произведение количества энергии, расходуемой на перемеще-
ние объекта, и времени его перемещения. В физике известен принцип наименьшего
действия – интегральный вариационный принцип, согласно которому из всех возмож-
ных движений механической системы истинным является то, для которого некоторая
величина, называемая действием, имеет за время перемещения системы экстремум,
обычно минимум. Сторонниками и пропагандистами принципа наименьшего действия
были великие физики Макс Планк и Илья Пригожин [16, 17].
Действие является комплексным показателем, указывающим энергоемкость и
производительность транспортных систем:
D = PT, (4)
где D – действие, г∙ч;
Р – расход энергии (дизельного топлива) автосамосвалами по трассе в грузовом и
порожняковом направлениях, г;
Т – суммарное время движения автосамосвала по трассе в грузовом и порожняко-
вом направлениях, ч.
В нашем случае для экспресс-оценки автомобильных трасс в качестве действия
правомерно использовать условный показатель (d), равный произведению приведенно-
го расстояния транспортирования, определенного по расходу топлива ( ,
р
прL км) и вре-
мени движения (производительности) автосамосвала ( ,пр
T
L км).
,пр
р
пр
T
LLd (5)
Предпочтение должно отдаваться трассам с d → min, то есть обеспечивающим
максимальную производительность автосамосвалов при наименьших энергозатратах.
На основе экспериментально-аналитических исследований, выполненных ка-
федрой Разработки месторождений открытым способом (РМОС) ФГБОУ ВПО «УГГУ»](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-138-320.jpg)
![139
На основе экспериментально-аналитических исследований, выполненных ка-
федрой Разработки месторождений открытым способом (РМОС) ФГБОУ ВПО «УГГУ»
на карьерах ОАО «Ураласбест», ОАО АК «АЛРОСА» и других горнодобывающих
предприятий разработана методика расчета горизонтальных эквивалентов и коэффи-
циентов приведения по энергетическому критерию (расходу дизтоплива) и времени
движения (производительности) автосамосвалов.
Горизонтальные эквиваленты определялись из следующих выражений.
По расходу дизельного топлива:
;Р/РЭ гпп .Р/РЭ гсс (6)
По времени движения (производительности):
;/Э гпп ТТ ,/Э гсс ТТ (7)
где Рп, Рс – удельный расход дизельного топлива в грузовом и порожняковом направ-
лениях при подъеме (спуске) горной массы на 1 м, г/(т∙м);
Рг – удельный расход дизельного топлива в грузовом и порожняковом направлени-
ях при движении автосамосвалов по горизонтальной автодороге на 1 м длины пути,
г/(т∙м);
Тп, Тс – время движения автосамосвала по уклону в грузовом и порожняковом
направлениях при подъеме (спуске) горной массы на 1 м, с;
Тг – время движения автосамосвала в грузовом и порожняковом направлениях при
перемещении горной массы по горизонтальной автодороге на расстояние 1 м, с.
Полученные экспериментально аналитические выражения для расчета горизон-
тальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы представлены в табл.
1, где kт – коэффициент тары автосамосвалов; kг – коэффициент использования грузо-
подъемности; ωо – коэффициент сопротивления качению груженых автосамосвалов,
доли ед.; k1 – коэффициент, учитывающий расход топлива при движении порожних ав-
тосамосвалов на спуск в тормозном режиме (k1 ≈ 1,05 ÷1,07); k2 – коэффициент, учиты-
вающий увеличение удельного расхода дизтоплива при номинальной нагрузке двигате-
ля при движении порожних автосамосвалов по горизонтальной автодороге (k2 ≈ 1,1 [8]);
k3 – коэффициент, учитывающий увеличение ωо при движении порожних автосамосва-
лов (k3 ≈ 1,15 ÷1,2 [9]); k4 – коэффициент, учитывающий расход топлива при движении
груженых автосамосвалов на спуск в тормозном режиме (k4 ≈ 1,2 ÷1,3); Nуд – удельная
мощность автосамосвала, кВт/т; ηа – коэффициент полезного действия трансмиссии ав-
тосамосвала; kNi – коэффициент использования мощности двигателя автосамосвала при
движении по уклону iп, доли ед.; ; kNг , kNп – коэффициент использования мощности
двигателя груженых и порожних автосамосвалов при движении по горизонтальной ав-
тодороге, доля ед.; vгi, vпi – скорости груженых и порожних автосамосвалов при движе-
нии и на спуск в тормозном режиме, км/ч.
Т а б л и ц а 1
Экспериментально-аналитические выражения для расчета
горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы
Технологи-
ческая схе-
ма движе-
ния
Горизонтальные эквиваленты вертикального перемещения
горной массы, м/м
По расходу дизтоплива По времени движения автосамосвалов
Подъем
горной
массы
Спуск
горной
массы](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-139-320.jpg)
![141
а) б)
Рис. 1 – Зависимости коэффициентов приведения по расходу топлива ( пЭ , сЭ )
для автосамосвалов БелАЗ-7540В от коэффициента сопротивления качению (ωо) и
руководящего уклона автодорог (iп , iс):
а) – при работе на подъем горной массы; б) – при работе на спуск горной массы
Значения коэффициентов приведения на автодорогах со щебеночным покрытием
по времени движения в 2,4 – 2,9 раза ниже, чем по расходу топлива. Это объясняется
неполным использованием мощности двигателей в карьерных условиях и предопреде-
ляет различные подходы при учете горнотехнических и дорожных условий эксплуата-
ции при нормировании и планировании производительности и расхода дизельного топ-
лива. Разница между коэффициентами приведения, установленными по времени дви-
жения и расходу топлива, сокращается со снижением качества дорожного покрытия. На
временных забойных автодорогах без покрытия эта разница почти отсутствует, что
объясняется практически полным использованием мощности двигателей в указанных
условиях (рис. 2).
Разработанная методика имеет достаточно широкую область практического
применения при планировании и нормировании производительности и расхода дизель-
ного топлива карьерных автосамосвалов, обосновании парка машин, режима горных
работ, выборе оптимальных трасс и т. п.
В 2007 г. кафедрой РМОС были разработаны дифференцированные нормы рас-
хода дизельного топлива автосамосвалами грузоподъемностью 30 – 120 т для карьеров
ОАО «Ураласбест» с использованием экспериментальных замеров приборами FMS [11,
14]. Дифференциация норм производилась по расстоянию откатки и высоте подъема
(глубине спуска) горной массы. Произведено сравнение дифференцированных норм,
фактических значений расхода за транспортный цикл и норм, рассчитанных с исполь-
зованием коэффициентов приведения (табл. 3).
Установлено, что расхождение в значениях расхода топлива, рассчитанных с
использованием коэффициентов приведения, с фактическими составляет 0,6 – 4,9 %,
что не превышает точности расчетов. Таким образом, использование коэффициентов
приведения позволяет повысить точность расчетов и значительно упростить процесс
нормирования расхода дизельного топлива, особенно в сложных условиях, когда трас-
сы сочетают подъемы и спуски горной массы. В этом случае процесс нормирования
будет заключаться в установлении базовых закономерностей изменения расхода топли-
ва от расстояния транспортирования по горизонтальной автодороге с соответствующим
покрытием и коэффициента использования грузоподъемности, расчете значений гори-
зонтальных эквивалентов (коэффициентов приведения) и приведенных расстояний
транспортирования [15].](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-141-320.jpg)
![145
УДК622.683
Бахтурин Юрий Алексеевич
кандидат технических наук,
заведующий лабораторией транспортных
систем карьеров и геотехники,
Институт горного дела УрО РАН,
г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58
e-mail: bakh2008@yandex.ru.
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
КАРЬЕРОВ
Bakhturin Yury A.
candidate of technical sciences,
the head of the laboratory
of open pits transport systems
and geo-technique,
The Institute of Mining UB RAS
Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak str., 58
e-mail: bakh2008@yandex.ru.
URGENT PROBLEMS OF OPEN
PITS’ RAILWAY TRANSPORT
Аннотация:
В статье приводятся: методика прогнозной
оценки энергетических затрат на работу тя-
говых средств карьерного железнодорожного
транспорта с учетом увеличения высоты
подъема горной массы по текущему изменению
центра тяжести объемов перевозки горной
массы; результаты имитационного моделиро-
вания работы железнодорожного транспорта
и обоснована провозная способность схемы
путевого развития рудовозного района карье-
ров ОАО «ЕВРАЗ КГОК», представлены мето-
дика, средства, а также опыт тормозных
испытаний подвижного состава на карьере
ОАО «Ураласбест»
Ключевые слова: карьерный железнодорожный
транспорт, энергетические затраты, высота
подъема горной массы, имитационное модели-
рование, провозная способность схем путевого
развития, экспертиза промышленной безопас-
ности, тормозные испытания
Abstract:
The paper presents the procedure of forecast eval-
uation energy expenditures for operating traction
facilities of open pit railway transport with due
regard for increasing the rock mass hoisting
height at the current gravity center changing the
volumes of rock mass transportation; the simula-
tion results of railway transport operation are cit-
ed. The carrying capacity scheme of railway track
and gridiron arrangement is grounded for an ore-
carrying district of the JSC "Eurasia KGOK ". The
procedure, facilities as well as the practice of
rolling stock brake tests in the JSC "Ural-
asbest."open pit are presented
Key words: open pit railway transport, energy
expenditures, rock mass hoisting height, simula-
tion, carrying capacity of the schemes of railway
track and gridiron arrangement, industrial safety
examination, brake tests
Транспортирование горной массы – один из основных и наиболее трудоемких
процессов открытых горных работ. По мере роста глубины карьеров доля затрат на ка-
рьерный транспорт доходит до 55 и даже 70 % в общих затратах на добычу полезного
ископаемого. Транспортная составляющая оказывает значительное влияние на решение
основных научных и проектных задач геотехнологии. Основными факторами, опреде-
ляющими развитие карьерного транспорта, являются систематически ухудшающиеся
горно-геологические и горнотехнические условия разработки. Известно, что развитие
открытого способа разработки сопровождается ростом концентрации производства,
увеличением глубины и пространственных размеров карьеров, расстояния и сложности
транспортирования горной массы. Определяющим при этом является показатель глу-
бины карьера [1]. В современных условиях на крупных железорудных, угольных и ас-
Статья выполнена по результатам исследований, финансируемых по программе Президиума РАН № 27
«Фундаментальный базис инновационных технологий оценки, добычи и глубокой комплексной перера-
ботки стратегического минерального сырья, необходимого для модернизации экономики России». Про-
ект: «Разработка инновационных технологий добычи и рудоподготовки стратегического минерального
сырья на основе геолого-технологической оценки месторождений и техногенных объектов Уральского
региона»](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-145-320.jpg)
![146
бестовых карьерах России и стран СНГ одним из основных видов технологического
транспорта продолжает оставаться железнодорожный. При этом следует иметь в виду,
что увеличение глубины карьеров до 400 м и более при интенсивной разработке круто-
падающих месторождений приводит к отставанию на 100 – 150 м в понижении системы
железнодорожных съездов, снижению на 25 – 40 % производительности горнотранс-
портного оборудования при одновременном повышении в 1,5 – 2 раза стоимости и
энергоемкости транспортирования вследствие высоты подъема и общего расстояния
перевозок. В связи с этим особый интерес представляет определение энергетических
затрат на работу тяговых средств карьерного железнодорожного транспорта с возмож-
ностью их прогнозирования с ростом глубины карьера.
Величина энергетических затрат за время оборота локомотивосостава с учетом
выделения характерных участков выразится следующим образом [2]:
м
х
пк
х
с
х
вк
г
пк
г
п
г
вкс ЭЭЭЭЭЭЭЭ , (1)
где сЭ – суммарные энергозатраты в течение рейса локомотивосостава, кВт·ч;
х
вк
г
вк ЭЭ , – энергозатраты, соответственно, в грузовом и порожняковом направ-
лениях при движении по горизонтальным участкам внутрикарьерных коммуникаций и
отвалов, кВт·ч;
х
с
г
п ЭЭ , – энергозатраты на участках с подъемами и спусками в грузовом и
порожняковом направлениях, кВт·ч;
х
пк
г
пк ЭЭ , – энергозатраты, соответственно, в грузовом и порожняковом
направлениях при движении на участках с постоянными коммуникациями, кВт·ч;
мЭ – энергозатраты на маневровые операции (перемещение локмотивосоставов
в забоях, на фабриках крупного дробления, при изменении направления движения в ка-
рьере, на постоянных коммуникациях и отвалах, в том числе затраты на дизельное топ-
ливо при движении по забойным путям в перерасчете на кВт·ч.
Среди составляющих энергетических затрат наибольший интерес представляет
работа технологического железнодорожного транспорта на участках подъема, посколь-
ку на них эти затраты наибольшие и по опыту эксплуатации на ряде карьеров достига-
ют 60 – 70 %. Общие энергетические затраты на преодоление высоты подъема пред-
ставляется возможным определять следующими способами. В одном из них вся трасса
схемы путевого развития разбивается на отдельные элементы с примерно равными
средневзвешенными уклонами ( срвзi ). Для каждого из этих участков путем замера или
расчета определяется средняя величина тока ( срJ ), время движения по j -му участку
( jt ). Общие энергетические затраты на преодоление высоты подъема
j
jj
вп
j
jср
г
п tPn
nq
tUJQ
Э
1
1
, (2)
где Q – объемы перевозок горной массы, т;
U – напряжение в контактной сети, кВ;
срJ – средняя величина тока при движении по j-му участку;
пq – полезная масса вагона, т;
вn – количество вагонов в поезде;
n – количество рейсов поездов;
jP – реализуемая мощность тяговых средств на j-м участке подъема (спуска).](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-146-320.jpg)
![147
В первом случае (2) высота подъема горной массы выражена неявно. Предлагается
устанавливать работу железнодорожного транспорта по подъему горной массы следу-
ющим образом:
цт
срв
срвсцг
п H
i
iQP
A
))(( 01
,
где г
пA – работа тягового средства на подъем горной массы, Дж;
cцP – сцепная масса локомотива, т;
1Q – прицепная масса поезда, т;
0 – основное удельное сопротивление движению поезда, равное 2,5 – 3,0 н/Кн;
срвi – значение средневзвешенного уклона, численно равное удельному сопротив-
лению движению от уклона, ‰;
цтH – высота подъема горной массы по текущему положению центра тяжести, м.
Для расчета расхода электроэнергии данная формула может быть преобразована для
участков подъема:
j
j
jсц
j H
i
iQP
Э
5
01
1067,3
))((
, (3)
где ji – уклон участка подъема, ‰;
jH – высота подъема j-го участка, м.
Если на уклоне имеются кривые участки пути радиусом R (м), то в качестве ji прини-
мается эквивалентный уклон эi [3]:
Rэ ii , (4)
где R – дополнительное удельное сопротивление движению от кривой, которое рас-
считывается по формулам:
когда длина состава меньше или равна длине кривой,
80
900
R
R , (5)
когда длина состава больше длины кривой,
c
R
R
l
S
R 80
900
, (6)
где RS – длина кривой, м;
cl – длина состава, м.
Для характерных участков схемы путевого развития технологического железнодорож-
ного транспорта удельные расходы электроэнергии на 1 тм высоты подъема и на 1 ткм
перевозки можно определить из соответствующих формул:
для участков подъема jjудгjj HdQЭ , (7)
для горизонтальных участков jjудгjj LdQЭ , (8)
где гjQ – годовой грузопоток на j-ом участке;
jудd – удельный расход электроэнергии на j-ом участке, кВт·ч/т·м для участка
подъема или кВт·ч/т·км для горизонтального участка;
jH – высота подъема горной массы на j-ом участке трассы, м;
jL – расстояние транспортирования на j-ом участке трассы, км.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-147-320.jpg)
![148
Суммарный годовой расход электроэнергии на подъем горной массы можно выразить
следующим образом:
цто
г
п HQdЭ , (9)
где оd – общий удельный расход электроэнергии на подъем горной массы, кВт·ч/т·м.
В результате представляется возможным определить общий удельный расход
электроэнергии на подъем горной массы. Это позволяет прогнозировать приращение
энергетических затрат с учетом увеличения высоты подъема горной массы по текуще-
му изменению центра тяжести объемов перевозки горной массы, связанному с увели-
чением глубины карьера и высоты подъема. Как указывалось выше, с ростом глубины
карьеров возрастает роль ограничений производительности по провозной (пропускной)
способности схем путевого развития технологического железнодорожного транспорта
карьеров. С использованием разработанной интерактивной имитационной модели
функционирования транспортных систем карьеров проведены исследования и обосно-
вание провозной способности схемы путевого развития карьеров Качканарского ГОКа
[4]. Чтобы отразить реальный процесс при моделировании, вся схема путевого развития
рудовозного района разбивается на отдельные участки. Закодированная схема в виде
графа представлена на рис. 1. В качестве исходных данных использованы результаты
статистической обработки – более 1400 наблюдений хронометража по элементам цикла
технологических поездов за длительный период времени.
Рис. 1 – Схема путевого развития железнодорожного транспорта
рудовозного района Качканарского ГОКа
При этом учитывались сезонные колебания времени выполнения отдельных
технологических операций, качество подготовки горной массы, вид погрузочного
участка (забойный, складской), тип погрузочного оборудования и т.п. Моделирование
проведено для реальных смен. При этом полностью воспроизведена расстановка экска-
ваторов на рабочих горизонтах, отвалах, локомотивосоставов на отдельных участках на
начало смены; а также реальная продолжительность занятости поездами участков до
окончания соответствующих операций. Приведенные результаты моделирования отра-
жают конкретную ситуацию при определенном сочетании основного погрузочного и
транспортного оборудования. Чтобы оценить собственно возможную провозную спо-
Отвал №2
Отвал
№4](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-148-320.jpg)
![150
нально растут только с увеличением количества поездов до 21 – 22. При увеличении
числа поездов, несмотря на то что общие перевозки растут, темпы их прироста суще-
ственно снижаются, что ведет к снижению производительности одного локомотивосо-
става. При Nэ = 28 ед. характер кривой иной и «насыщение» наступает при Nлс =32 ед.
и также соответствует некорректированной сменной производительности по горной
массе порядка 135 – 139 тыс. т. Это значение можно считать сменной провозной спо-
собностью схемы путевого развития в настоящий период. Годовая провозная способ-
ность схемы путевого развития определяется исходя из корректированной сменной
производительности с учетом технологических потерь рабочего времени на проведение
взрывных работ, а также целосменных простоев оборудования из-за отключения элек-
троэнергии, остановки участков при ликвидации сходов и т.п. В практике открытых
горных работ эти потери времени, как правило, учитываются путем уменьшения годо-
вого фонда времени до 320 – 330 рабочих дней. Такие же результаты дают и ориенти-
ровочные расчеты для условий Качканарского ГОКа. Таким образом, годовая провоз-
ная способность схемы путевого развития железнодорожного транспорта рудовозного
района на настоящий момент при современном состоянии горнотранспортного обору-
дования, горных работ и транспортных коммуникаций находится в пределах 65 – 68
млн т по горной массе. Для реализации этих объемов перевозки горной массы необхо-
димый рабочий парк подвижного состава составит порядка 31 – 33 ед.
В настоящее время на глубоких карьерах широкое распространение нашли элек-
тровозы и тяговые агрегаты с напряжением 1,65 и 3,3 кВ постоянного тока и 10 кВ пе-
ременного тока. Приходится констатировать, что возраст большей части парка подвиж-
ного состава существенно превышает назначенный срок эксплуатации. В связи с этим
особую важность приобретает обеспечение нормативной базы экспертной деятельно-
сти, качественная оценка вопросов экспертизы промышленной безопасности объектов
карьерного железнодорожного транспорта, на основе которой принимаются решения о
продлении сроков их эксплуатации. Одним из основных вопросов экспертизы промыш-
ленной безопасности является оценка тормозных характеристик тяговых агрегатов. В
ИГД УрО РАН разработана методика и средства (блок индикации параметров карьер-
ного железнодорожного транспорта БИП-ТТ2 и датчик пути) проведения тормозных
испытаний, целью которых является определение работоспособности и эффективности
тормозной рычажной передачи и оценка возможности дальнейшей эксплуатации агре-
гата [5]. Эксплуатационная работоспособность и эффективность тормозной рычажной
передачи оценивались методом сравнения величины тормозных путей, полученных в
процессе проведения испытаний, со значением допускаемых фактических тормозных
путей на промышленном железнодорожном транспорте (≤300 м). В качестве полигона
испытаний был предоставлен участок на перегоне ст. Восточная – ст. Глубокая карьера
ОАО «Ураласбест». Средневзвешенный уклон составил 38 0
/00. Тормозная рычажная
передача испытываемого тягового агрегата – типовая, выходы штоков тормозных ци-
линдров в процессе испытаний отрегулированы в пределах 75 –100 мм (рис. 3).
Испытания на тормозную эффективность проводились в составе поезда из 8
груженых думпкаров 2ВС-105. Для этого на полигоне испытаний были проведены се-
рии из трех остановочных торможений с применением крана машиниста. Торможение
осуществлялось в диапазоне скоростей 15, 20, 25 км/ч до полной остановки груженого
поезда из 8 думпкаров 2ВС-105. При этом в каждом опыте измерялись пути торможе-
ния, время тормозного процесса с использованием блока индикации параметров БИП -
ТТ2 (рис. 4, 5).](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-150-320.jpg)
![155
Усложнение горнотехнических условий при разработке глубокозалегающих месторож-
дений полезных ископаемых открытым способом вызывает необходимость использования в
карьерах крутонаклонных подъемников для доставки горной массы на поверхность.
В структурах механизации циклично-поточной технологии (ЦПТ), являющейся наибо-
лее эффективной при разработке глубоких карьеров, предпочтительным является применение
крутонаклонных ленточных конвейеров. Эффективность использования крутонаклонного
конвейерного подъема на глубоких карьерах поясняет рис. 1, на котором приведено изменение
капитальных и эксплуатационных затрат на дробильно-конвейерные комплексы (ДКК) в зави-
симости от высоты подъема горной массы и угла наклона конвейерного подъемника. С увели-
чением угла наклона конвейерного подъемника удельные затраты на переработку горной
массы ДКК снижаются. Особенно это проявляется при большой высоте подъема транспорти-
руемого материала [1].
Рис.1 – Изменение удельных капитальных и эксплуатационных затрат на дробильно-конвейерные
комплексы в зависимости от высоты подъема горной массы и угла наклона
конвейерного подъемника при Q = 20 млн. т/год
Анализом конструктивного исполнения крутонаклонных конвейеров установлено
большое разнообразие их конструкций для различных условий эксплуатации [2]. В глубоких
карьерах для транспортирования крупнодробленой массы целесообразно использовать двух-
контурные ленточные конвейеры с прижимными (грузоудерживающими) лентами (угол
наклона до 25-30о
) и дополнительным прижатием груза с помощью устройств, взаимодейству-
ющих с грузоудерживающей лентой (угол подъема более 30о
) [3,4]. Широкое распростра-
нение за рубежом получили прижимные устройства в виде подпружиненных или подрессо-
ренных катков, установленных стационарно на линейном ставе конвейера. Они прижимают
боковые полосы грузонесущей и грузоудерживающей лент друг к другу и последнюю к транс-
портируемому материалу, создавая необходимое прижимное усилие.
hп, м
15
10
5
0
600400
К
Э
Куд,Эуд,
руб/т
200](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-155-320.jpg)
![156
Крутонаклонные конвейеры с упомянутыми прижимными устройствами обладают су-
щественными недостатками [1]:
- стационарно установленные прижимные устройства грузонесущей ленты создают
предпосылки движения транспортируемого материала между ними в направлении хвостовой
части конвейера при неравномерной загрузке ленты. Это может происходить за счет дополни-
тельных скатывающих сил, возникающих при взаимодействии кусков транспортируемого ма-
териала с прижимными элементами. Такое явление снижает надежность и безопасность ра-
боты конвейера;
- возникающие динамические нагрузки при взаимодействии прижимных устройств с
кусками транспортируемого материала значительно повышают его шевеление, что суще-
ственно увеличивает износ рабочих поверхностей конвейерных лент;
- снижение приемной способности грузонесущей ленты на 30 – 40 % вследствие ис-
пользования ее боковых полос шириной около 200-250 мм для прижатия грузонесущей ленты
боковыми катками.
Указанные недостатки можно устранить, используя прижимные элементы, обладаю-
щие возможностью перемещения вместе с транспортируемым материалом и прижимающие
груз независимо от высоты его расположения в желобе грузонесущей ленты.
ИГД УрО РАН разработана принципиальная схема двухконтурного крутонаклонного
конвейера с движущимися прижимными элементами. Особенностью конструкции является
исполнение прижимных элементов в виде гофр, закрепленных на внешней (рабочей) поверх-
ности ленты грузоудерживающего контура. Гофры выполнены из упруго-эластичного матери-
ала, обладают хорошей демпфирующей способностью и восстанавливают свою форму после
исчезновения контакта с транспортируемым материалом. Максимальная высота гофр соответ-
ствует глубине желоба грузонесущей ленты, а при отсутствии горной массы на ней гофра вхо-
дит в ее желоб и выполняет функцию перегородки.
Крутонаклонные конвейеры повышают уровень использования технических возмож-
ностей конвейерного транспорта в комплексах ЦПТ. В первую очередь это проявляется в со-
кращении расстояния транспортирования горной массы конвейерами при одинаковой высоте
подъема материала или позволяет существенно увеличить высоту подъема при использовании
конвейерных лент предельной прочности. Последнее связано с распределением общей
нагрузки между грузонесущим и грузоудерживающим контурами. В табл.1 приведена пре-
дельная высота подъема скальной крупнодробленой горной массы насыпной плотностью 2,2
т/м3
при перемещении различных часовых грузопотоков со скоростью движения конвейерных
лент 3,15 м/с и использовании 3-барабанных приводных устройств. Данные табл. 1 показы-
вают, что использование крутонаклонных конвейеров позволяет увеличить предельную вы-
соту подъема горной массы в 1,25 раза. В сравнении с традиционным конвейером, оснащен-
ным двухбарабанным головным приводом (установка промежуточного привода на
наклонном участке не всегда целесообразна), высота подъема одним ставом крутонаклонного
конвейера повышается в 1,5 раза. Это позволяет уменьшить число конвейеров и перегрузоч-
ных пунктов между ними на прямолинейных трассах и способствует увеличению использо-
вания оборудования комплексов ЦПТ во времени. Кроме того улучшаются технологические
возможности размещения комплексов ЦПТ в карьерном пространстве.
Т а б л и ц а 1
Предельная высота подъема горной массы одним конвейерным ставом
Грузопоток, т/ч 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Расчетная ширина ленты, м
Предельная высота
подъема, м
1,2*
1,2;1,2
495
639
1,2
1,2;1,2
270
348
1,2
1,2;1,2
187
236
1,4
1,4;1,2
163
206
1,6
1,6;1,4
148
187
1,8
1,8;1,6
139
176
* Над чертой указаны показатели для традиционных ленточных конвейеров с углом наклона 18о
, под чертой –
для крутонаклонных конвейеров с углом наклона 45о
.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-156-320.jpg)
![158
На основании расчетных показателей установлено, что крутонаклонные конвейеры в
комплексах ЦПТ с годовой производительностью 5-10 млн. т целесообразно применять при
высоте подъема горной массы более 100 м. В комплексах ЦПТ с годовым объемом перевозки
20 – 30 млн. т крутонаклонные конвейеры предпочтительны при высоте подъема горной массы
более 200 м [1].
Реализация технических возможностей в предпочтительных условиях применения кру-
тонаклонных конвейерных подъемников на глубоких карьерах должна быть обеспечена раци-
ональными технологическими решениями по размещению комплексов ЦПТ в карьерном про-
странстве с учетом развития горных работ и транспортной системы на стадии проектирования
и эксплуатации карьеров. Ниже приведены технологические особенности использования кру-
тонаклонных конвейеров в системах ЦПТ глубоких карьеров.
Исследования по формированию карьерного пространства для размещения комплексов ЦПТ
с крутонаклонными конвейерными подъемниками проводились с учетом более высоких тех-
нических возможностей крутонаклонных конвейеров. Также принималось во внимание эф-
фективное использование ЦПТ при транспортировании полезного ископаемого на дробильно-
обогатительную фабрику с самого начала его добычи. В этой связи становится целесообраз-
ным первоначально на глубоких карьерах в дробильно-конвейерном комплексе использовать
ленточные конвейерные подъемники с размещением дробильно-перегрузочных пунктов
(ДПП) в верхней части карьера. При строительстве ленточного конвейерного подъемника кон-
вейерные ставы размещают диагонально на прямолинейных участках конечных бортов карь-
ера. ДПП можно размещать на временно нерабочих участках бортов карьера. В этом случае
дробленая горная масса подается на конвейерный подъемник через передаточные конвейеры
на конечном борту карьера. Также ДПП можно размещать на конечном борту карьера с по-
ступлением горной массы на подъемник непосредственно из дробилки или через передаточ-
ный конвейер.
В нижней части глубоких карьеров размещение выработок под ставы ленточного конвей-
ерного подъемника требует выемки большого объема вскрыши в связи с необходимостью
спрямления бортов или оставления больших по объему целиков пород. Поэтому ДКК с лен-
точным конвейерным подъемником рационально использовать с выдачей полезного ископае-
мого только из верхней части карьера. Из нижней части карьера полезное ископаемое рацио-
нально выдавать крутонаклонным конвейерным подъемником с одним или двумя конвейер-
ными ставами. На рис. 2 представлен конечный борт карьера с однобортовой системой разра-
ботки со стороны лежачего бока полезного ископаемого. Верхняя часть залежи полезного ис-
копаемого разработана с выдачей полезного ископаемого на поверхность ДКК с ленточным
конвейерным подъемником, а нижняя часть залежи — ДКК с крутонаклонным конвейером.
На карьере с однобортовой системой разработки возможно удлинение стационарного
ленточного конвейерного подъемника крутонаклонными конвейерами. Также весь конвейер-
ный подъемник, начиная с поверхности, может быть составлен из крутонаклонных конвейе-
ров, расположенных на лежачем борту по границе лежачего и висячего бортов карьера (рис.
3).Число конвейерных ставов определяется предельной высотой подъема горной массы суще-
ственно зависящей от часового грузопотока с учетом необходимости совмещения перегрузоч-
ных пунктов с разворотной площадкой капитального автосъезда. Чтобы уменьшить ширину
площадки под узлы перегрузки между крутонаклонными конвейерами, каждый конвейерный
став в своей средней части рационально размещать в траншее и на опорах, в верхней части
только на опорах, а в нижней части карьера — в траншее. При таком размещении
конвейерных ставов под перегрузочные площадки используются участки предохранительных
берм карьера.
Если при использовании в верхней части конвейерного подъемника ленточных конвей-
ерных ставов дробильно-перегрузочные пункты могут быть расположены на временно не-
рабочих участках бортов карьера, то при использовании в нижней части карьера круто-
наклонных конвейеров дробильно- перегрузочные пункты могут быть размещены только на
участках конечного борта карьера. Чтобы избежать оставления под площадку ДПП](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-158-320.jpg)
![160
автосамосвалов через нишу устраивают мост. При разгрузке в приемный бункер ДПП
автосамосвалы устанавливают на горизонтальной площадке капитального съезда. Во втором
случае нишу формируют в уступе с площадкой, сопряженной с поворотом капитального
съезда. Если крутонаклонный конвейер удлиняют другим крутонаклонным конвейером,
то ДПП демонтируют, а на его месте устраивают узел перегрузки между конвейерами.
При разгрузке автосамосвалов в приемный бункер дробильно-перегрузочного пункта,
расположенного в нише, их движение через этот пункт может быть поточным или тупиковым.
При поточном движении грузовая и порожняковая ветви съезда на глубоких горизонтах
могут быть разделены и размещены на разных транспортных бермах, которые в условиях
ограниченного пространства нижней части карьера могут полностью заменить горизонталь-
ные предохранительные бермы карьера.
Строительство ДПП и перегрузочных пунктов между конвейерами требует особого
подхода. Для их размещения необходимы площадки, формирование которых традиционно мо-
жет быть проведено за счет оставления целиков или выемки дополнительных объемов
вскрыши при разносе участка борта карьера, что негативно влияет на технико-экономические
показатели работы ДКК. Этого можно избежать, если наряду с совмещением площадки с го-
ризонтальными участками капитального автомобильного съезда дополнительная ширина ее
может быть образована за счет устройства ниши в нескольких объединенных уступах на не-
обходимом участке борта карьера, как это показано на рис. 3. Этой же цели можно добиться
без объединения уступов за счет использования мостовой конструкции, установленной на от-
косе уступа и нижележащей предохранительной берме (рис. 4).
На карьерах, разрабатывающих крутопадающие, глубокозалегающие, ограниченные в
плане залежи полезных ископаемых по центрально-кольцевой системе разработки может быть
нерациональным использование крутонаклонных конвейерных подъемников, составленных
из ставов, расположенных на борту карьера перпендикулярно бровкам откосов уступов. При-
чиной этого может быть невозможность размещения дробильно-перегрузочных пунктов на
конечном борту карьера без оставления постоянных целиков пород большого объема под пло-
щадки размещения ДПП и узла перегрузки между конвейерными ставами. В целиках пород
будет потеряна часть объема полезного ископаемого.В таких случаях крутонаклонный кон-
вейер можно размещать диагонально на борту карьера. Трасса конвейерного подъемника
должна быть пройдена так, чтобы его хвостовая часть была параллельна уступу борта карьера
(рис.5). Этот комплекс ЦПТ будет использован для отработки глубинной части полезного ис-
копаемого и, при необходимости, для выдачи скальных вскрышных пород на поверхность.
Глубина расположения ДПП ограничивается предельной высотой подъема горной массы кру-
тонаклонным конвейером. В таких условиях автомобильный съезд в верхней части карьера
рационально сделать петлевым, с целью исключить его пересечение с трассой конвейера. Это
обеспечит минимальное расстояние от съезда до мест монтажа подъемника на опорах, распо-
ложенных на предохранительных бермах карьера, и совмещение съезда с заездом автосамо-
свалов на разгрузочную площадку ДПП.
На карьерах, разрабатываемых по однобортовой системе разработки с выдачей полез-
ного ископаемого на поверхность крутонаклонным конвейерным подъемником, часть автомо-
бильного съезда от горизонта конечной глубины карьера до горизонта разгрузочной площадки
ДПП может быть полностью совмещена с наклонными предохранительными бермами карь-
ера. С этой целью части съезда в грузовом и порожняковом направлениях разделяют и разме-
щают в разных полутраншеях (рис. 6) [5]. Основания полутраншей являются наклонными
предохранительными бермами карьера, заменяющими участки горизонтальных предохрани-
тельных берм карьера по трассе съезда. Они связаны между собой и с предохранительными
бермами карьера съездами для вспомогательной техники, расположенными на боковых отко-
сах полутраншей. Такой съезд исключает разнос под него конечного борта карьера с выемкой
большого объема вскрыши, который может составить миллионы кубометров.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-160-320.jpg)
![165
Т а б л и ц а 1
Обзор систем дистанционного и роботизированного управления горнотранспортными и другими машинами
Произво-
дитель
оборудова-
ния
Разработчик системы
управления
Название и тип системы
Имеющиеся образцы
машин
Заявленные преимущества
Область
применения
Реализованные проекты
ОАО «Бе-
лАЗ»
ООО «ВИСТ
Mайнинг
Tехнолоджи» (входит
в «ВИСТ Групп»)
[1]
«Интеллектуальный
карьер» (РУ)
БелАЗ-75137 (гр/п
130-136 т)
- безопасность операторов;
- один оператор на 4-10 самосва-
лов;
- повышение производительности
работы самосвалов на 20 % за
счет уменьшения количества
простоев, изменения технологи-
ческого процесса смены
Открытая разра-
ботка месторож-
дений (экскава-
торно-автомо-
бильные ком-
плексы)
Полигонные испытания ав-
тосамосвала на заводе Бе-
лАЗ (Белоруссия)
–
Remote control tech-
nologies (RCT)
[2]
Control Master (ДУ)
ШСС Caterpillar,
подземные ма-
шины, бульдозеры
- безопасность операторов;
- улучшение условий труда
Автоматизация
машин на откры-
тых и подземных
горных работах,
строительстве
Комплекс машин карьера
«Удачный» АК «АЛРОСА»
(4 ШСС и погрузчик); реа-
лизованные проекты в Ав-
стралии
–
Сотрудничество ком-
паний «Cavotec» и
«Specto Remote»
[3]
Система дистанцион-
ного управления
ШСС и экскавато-
рами, ДУ промыш-
ленных установок
ШСС и экскава-
торы Caterpillar
Безопасность операторов
Выполнение вы-
емочно-погру-
зочных и транс-
портных работ в
опасных усло-
виях
Рекультивация военного по-
лигона «Хьеркинн» в Норве-
гии (ШСС и экскаваторы)
Caterpillar
[4]
Система MineGem
разработана компа-
нией «Dynamic Auto-
mation Systems»
(DAS), работающей с
1996 г. на результатах
исследований
«CSIRO» и
«University of Sydney»
Cat MineStar System –
комплексная система
автоматизации горно-
добывающего пред-
приятия.
MineGem – создан-
ный ранее проект ро-
ботизированного
управления для под-
земных горных работ
ШСС, бульдозеры
(ДУ).
Подземные ма-
шины, в том числе
для поточной тех-
нологии (полуав-
тономные)
- безопасность операторов;
- улучшение условий труда;
- повышение производительно-
сти оборудования;
- сокращение простоев;
- повышение коэффициента за-
грузки самосвалов;
- один оператор может контроли-
ровать несколько машин
Открытая и под-
земная разра-
ботка месторож-
дений (бурение,
бульдозеры, ав-
тосамосвалы,
подземные ма-
шины)
Бульдозеры с ДУ. Реализо-
вана система MineGem в
LKAB’sMalmbergeMine
(Швеция), Stawell gold
mine (Австралия),
системы механизированной
крепи (полуавтономные)](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-165-320.jpg)
![166
Окончание таблицы 1
Произво-ди-
тель
оборудова-
ния
Разработчик системы
управления
Название и тип системы
Имеющиеся об-
разцы машин
Заявленные преимущества Область применения Реализованные проекты
Komatsu
[5]
«Modular mining
system»
FrontRunner
Карьерные
автосамосвалы
(930E-4AT),
гидравличе-
скийэкскаватор
(PC5500), буль-
дозер (D475A),
колесный буль-
дозер (WD900)
грейдер
(GD825).
- безопасность операторов;
- улучшение условий труда;
- повышение производительно-
сти оборудования;
- сокращение простоев;
- один оператор может контро-
лировать несколько машин
Открытая разра-
ботка месторожде-
ний (карьерные ав-
тосамосвалы, экс-
каваторы, бульдо-
зеры и др.)
West Angelas mine компа-
нии Rio Tinto (Австралия)
Sandvik
[6]
Изначально сотруд-
ничали с
«MacDonald, Dett-
wiler and Associ-
ates» (MDA)
Automine.
Автоматизация про-
цессов: выемка и по-
грузка, транспортиро-
вание, бурение, свод-
ная система монито-
ринга и управления
по процессам (участ-
кам)
ПДМ, подзем-
ные самосвалы,
буровые ка-
ретки, наземные
буровые станки
- безопасность персонала;
- повышение производительно-
сти;
- снижение износа машин;
- сокращение персонала (1 опе-
ратор на 5 буровых станков)
Подземная разра-
ботка месторожде-
ний
(ПДМ, подземные
самосвалы, буре-
ние)
Открытые горные
работы (бурение)
Codelco'sElTenienteMine
(Чили, июнь 2004 г.),
InmetMining'sPyhäsalmiMine
(Финляндия, январь 2005 г.),
DeBeers' FinschMine (Южная
Африка, август 2005 г.), Wil-
liamsMine (Канада, июнь 2007
г.). Sandvik'sTestMine, (тесто-
вый полигон, Тампере, Фин-
ляндия)
At-
lasCopco
[7]
–
Scooptram Automa-
tion system (роботи-
зированная си-
стема, полуавто-
номная)
ПДМ, подзем-
ные буровые
станки
- безопасность персонала;
- комфортные условия труда;
- повышение производитель-
ности;
- снижение износа машин за
счет оптимизации управле-
ния;
- возможность интеграции с
существующими системами
автоматизации
Подземные гор-
ные работы
(ПДМ, само-
свалы, буровые
станки)
Шахта AndinaMine
(Codelco, Чили, ПДМ),
Kemi (Финляндия, 2008,
ПДМ), DiavikMine (Канада,
2010, ПДМ), LKAB’sMalm-
bergeMine (Швеция, буро-
вые станки), карьерный бу-
ровой станок для RioTinto
(Австралия)
ДУ – дистанционное управление; РУ – роботизированное управление; ШСС – шарнирно-сочлененные самосвалы](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-166-320.jpg)
![167
Первым предприятием на территории России, на практике внедряющим систему
удаленного управления горным оборудованием на карьере, является компания
«АЛРОСА» [8, 9]. Для доработки карьера «Удачный» в нижней опасной зоне с увели-
ченными углами откоса бортов карьера применяется комплекс из 4 шарнирно-сочленен-
ных самосвалов (ШСС) и одного погрузчика фирмы Caterpillar, управляемые дистанци-
онно. Основная цель – обеспечение безопасности операторов. Пункт дистанционного
управления (ПДУ) располагается в безопасной зоне карьера, движение оборудования в
опасную зону и работа в забое осуществляются только в режиме дистанционного управ-
ления из ПДУ или с помощью мобильного ручного пульта. В перспективе планируется
автоматизировать буровой станок. Разработку системы дистанционного управления
осуществляла компания Remote Control Technologies.
Таким образом, в настоящее время и в ближайшем будущем будет наблюдаться
расширение номенклатуры горного оборудования с дистанционным и роботизирован-
ным управлением, будут внедряться новые системы удаленного управления на горнодо-
бывающих предприятиях.
Требует уточнения терминология в этом вопросе. В целом системы дистанцион-
ного и роботизированного управления без непосредственного присутствия оператора на
объекте управления (машине) можно назвать удаленным управлением.
Можно дать следующее обобщенное определение [10] и [11]: безлюдные техно-
логии добычи полезных ископаемых – это технологические процессы, обеспечивающие
вскрытие, подготовку и выемку запасов полезного ископаемого без непосредственного
присутствия людей (рабочих) в зоне ведения горных работ.
В общем случае следует различать «безлюдную технологию» и применение уда-
ленного управления. Например, применение роботизированных машин может не сопро-
вождаться созданием безлюдной технологии добычи, когда роботизированы всего 1 – 2
типа оборудования и/или когда труд операторов (рабочих) в зоне ведения горных работ
не исключен и составляет большой объем.
Анализ литературы и синтез вариантов управления машинами показали, что по
степени автоматизации можно выделить следующие виды удаленного управления, ос-
новным классификационным признаком которых служит вовлеченность в процесс
управления человека (оператора):
1. Дистанционное управление (в зарубежной литературе – remotecontrol). Пред-
ставляет собой управление машинами, дублирующее управление из кабины, но на без-
опасном для оператора удалении, тем самым устраняя воздействие вредных и опасных
условий труда на человека.
2. Полуавтономное (комбинированное, роботизированное) управление (semi-
autonomoussystem). Управление машиной при выполнении наиболее сложных операций
и работ, требующих творческого подхода, осуществляется оператором в режиме дистан-
ционного управления, а рутинные операции осуществляются в автоматическом режиме
(например, движение по траектории до назначенного пункта, разгрузка и т. п.).
3. Автономное (роботизированное) управление (autonomoussystem). Характеризу-
ется передачей функций управления программно-аппаратному комплексу, смонтирован-
ному на объекте управления, что позволяет использовать такую технику в автономном
режиме и устраняет потребность в непосредственном управлении оператором для вы-
полнения операций технологического цикла.
Проанализируем основные преимущества, обеспечиваемые удаленным и роботи-
зированным управлением (табл. 2).](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-167-320.jpg)
![169
Помимо безопасности операторов горных машин и улучшения условий труда,
«безлюдные технологии» могут обеспечить ряд технологических преимуществ за счет
повышения производительности, снижения энерго- и ресурсоемкости производства пу-
тем оптимизации компьютерного управления [12]. Важно провести количественную
оценку таких преимуществ в сравнении с данными литературы: повышение производи-
тельности обеспечивается увеличением скорости движения машин и исключением вре-
мени пересменок. Увеличение скорости движения самосвалов по трассе возможно за
счет
– оптимизации управления машиной компьютером, исключения человеческого
фактора;
– снятия ограничений по безопасной скорости движения благодаря нахождению
оператора в удаленном безопасном месте.
Основными факторами, определяющими резерв увеличения производительности,
являются
– достигнутая на предприятии скорость движения автосамосвалов по горизон-
тальным участкам при ручном управлении из кабины водителями;
– дальность транспортирования по конкретной трассе;
– продолжительность погрузочно-разгрузочных операций (считаем, что она не из-
меняется при переходе на роботизированное управление) и их доля в общей продолжи-
тельности рейса;
– доля участков со значительным уклоном (более 6 %) в протяженности трассы.
Также отметим, что заметное влияние оказывает скорость на наклонных съездах,
но при среднем значении уклона таких участков 8 % и удельной мощности современных
карьерных автосамосвалов порядка 5 кВт/т скорость движения по ним на подъем соста-
вит порядка 15 км/ч.
С учетом указанных допущений повышение производительности можно оценить
по следующей зависимости (рис. 1):
∆П =
(∆ 𝑣−1)∙(2−∆уч)
∆ 𝑣∙𝑣1∙𝑡п+р
𝐿
+
∆уч∙∆ 𝑣∙𝑣1
15
+2−∆уч
, %,
где ∆v – кратность увеличения скорости при применении роботизированного управ-
ления;
v1–скорость автосамосвала при управлении водителем из кабины, км/ч;
L – дальность транспортирования, км;
∆уч – доля наклонных участков в протяженности трассы;
tп+р– длительность погрузочно-разгрузочных операций за рейс, ч.
Из рисунка 1а) видно, что для повышения часовой производительности требуется
значительное увеличение скорости. Так, при увеличении скорости в 1,5 раза (с 30 до 45
км/ч) производительность возрастет только на 14 % (при расстоянии транспортирования
4 км). Также видно, что с увеличением дальности транспортирования эффект от перехода
на роботизированное управление возрастает за счет уменьшения доли погрузочно-раз-
грузочных работ в общей продолжительности рейса (рис. 1 б)), то же самое наблюдается
при непосредственном сокращении продолжительности погрузочно-разгрузочных опе-
раций.
Таким образом, наиболее вероятный достижимый эффект от увеличения скорости
составит порядка 10 – 15 % на достаточно прямолинейных трассах с небольшим количе-
ством крутых поворотов с протяженностью более 2 км, долей наклонных участков не
более 0,75. В наиболее благоприятных условиях на трассах с небольшим перепадом вы-
сот и долей наклонных участков менее 0,3 возможно достичь повышения производитель-
ности до 35 – 40 % при условии увеличения максимальной скорости движения автосамо-
свалов при переходе на роботизированное управление с 30 до 50 км/ч.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-169-320.jpg)
![171
Т а б л и ц а 3
Преимущества применения роботизированного управления
Фактор
Преимущества при
РУ
Зависимый показатель
Достижимое повышение показателя
(«+» - повышение, «–» - снижение)
Расчеты
Данные лите-
ратуры
Пересменка Исключается Выработка за сутки
3 см. х 8 ч: + 4-9 %
2 см. х 12 ч: + 3-6 %
+ 5-20 %
Скорость
движения
Увеличивается за
счет:
- оптимального
управления;
- исключения че-
ловека из опасных
условий
Производительность
(т/ч)
Выработка за сутки
+ 10-15 %
+ 10-15 %
– 7 %
(продолжи-
тельность
рейса)
Трудоемкость
ТОиР
Снижается Затраты на ТОиР
Нет достоверного
подтверждения
– 14 %
(затраты)
Количество
персонала
Снижается кол-во
операторов, но до-
полнительно требу-
ются наладчики
АСУ
Затраты на оплату
труда
При высокой степени
автоматизации всех
процессов возможно
снижение
– 5 %.
один опера-
тор на
4 – 10 машин
РУ – роботизированное управление; ДУ – дистанционное управление
Анализ тенденций развития машин с дистанционным и роботизированным управ-
лением, современных проектов отработки карьеров, а также перспектив развития без-
людных технологий добычи полезных ископаемых позволяет сформулировать техноло-
гические требования к транспортным системам карьеров, вскрытых автомобильными
съездами (табл. 4).
Для системы роботизированных машин с высоким уровнем автономности, осо-
бенно для крупных комплексов, традиционное диспетчерское управление, осуществляе-
мое операторами, может снизить эффект применения роботов. В связи с этим целесооб-
разно использовать автоматизированные системы оптимизации маршрутов и распреде-
ления транспортных средств по маршрутам. При этом оптимизация должна осуществ-
ляться в режиме реального времени для большей эффективности. Основой такой си-
стемы адаптивного управления горнотранспортным комплексом может стать программ-
ный комплекс, который с помощью имитационного моделирования прогнозирует разви-
тие ситуации по вариантам и определяет наиболее рациональный по выбранному опера-
тором критерию или набору критериев (максимальная производительность, минималь-
ные затраты, минимальное количество машин в работе и т. п.) [13].
Таким образом, основными тенденциями развития транспортных систем карь-
еров с использованием роботизированных машин являются следующие:
1. В настоящее время активно развиваются технологии и техника удаленного
управления горнодобывающими машинами как на открытых, так и на подземных горных
работах. Это обусловлено запросами горнодобывающих предприятий и возможностями
современной техники. В настоящее время можно выделить типы удаленного управления:
дистанционное, роботизированное (полуавтономное и автономное).
2. В мире реализованы и реализуются более 10 проектов автоматизации горно-
транспортных комплексов на карьерах и шахтах, подавляющее большинство – за рубе-
жом. В России реализуется один проект с дистанционным управлением и один проект
создания роботизированных экскаваторно-автомобильных комплексов (БелАЗ и ВИСТ
Групп).](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-171-320.jpg)
![174
расхода ресурсов (ГСМ, шин, запасных частей и др.) и в некоторой степени увеличение
ресурса машин.
6. С развитием систем роботизированного управления и созданием полностью ро-
ботизированных горнодобывающих комплексов наступит этап развития «безлюдных»
технологий добычи руды, которые, вероятно, будут существенно отличаться от суще-
ствующих по параметрам и способам ведения горных работ, что обусловлено отсут-
ствием опасного влияния на рабочих. В частности, могут быть увеличены уклоны транс-
портных коммуникаций и повышены скорости движения транспортных единиц.
7. Применение роботизированного оборудования потребует внедрения систем дис-
петчерской оптимизации работы горнотранспортных комплексов, в основу которых мо-
жет быть положена концепция прогнозирования ситуаций и выбора предпочтительных
вариантов по заданным критериям, разработанная в ИГД УрО РАН [13].
8. При развитии безлюдных технологий добычи будет видоизменяться и горное
оборудование, в частности, появятся бескабинные компоновки, способные осуществлять
челночное безразворотное движение по крутонаклонным съездам.
9. Внедрение машин с удаленным управлением потребует изменения нормативно-
технической базы ведения горных работ. Дальнейшее развитие безлюдных технологий
добычи потребует также совершенствования нормативно-правовой базы добычи полез-
ных ископаемых, когда будут снижаться требования к работе оборудования в рамках
горных работ, но повышаться требования к нейтрализации вредного воздействия, оказы-
ваемого горными работами на окружающую среду и население.
Литература
1. «Создание первого в России роботизированного горного производства» (опи-
сание проекта «Интеллектуальный карьер») [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://www.vistgroup.ru/mof/. – (17.06.2014)
2. SurfaceControlSystem [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://www.rct.net.au/surface-control-system/. – (17.06.2014)
3. Работа при пустой кабине [Электронный ресурс] / Catmagazine. – 2010. – Вы-
пуск 2. – С. 6-8. – Режим доступа: http://www.zeppelin.ru/upload/iblock/4bd/Cat_Maga-
zine_N2-2010.pdf . – (17.06.2014)
4. Fortescue Metals implements new Caterpillar autonomous mining solution // View-
point: perspectives on modern mining (a publication of Caterpillar Global Mining). – 2013 (Is-
sue 10). – P. 2-3.
5. Rio Tinto activated Komatsu's autonomous haulage system in Australia
[Электронныйресурс]. – Режимдоступа:
http://www.komatsu.com/CompanyInfo/press/2008122516111923820.html.– (16.06.2014).
6. Описание системы Sandvik’sAutoMine™ system[Электронный ресурс]. – Режим
доступа:
http://www.miningandconstruction.sandvik.com/sandvik/0120/Inter-
net/Global/S003715.nsf/GenerateTopFrameset?Read-
Form&menu=&view=http%3A//www.miningandconstruction.sandvik.com/sandvik/0120/In-
ternet/Global/S003713.nsf/Index/22e4d21836af0147c12577d00038ad83&ban-
ner=/sandvik/0120/Internet/Global/S003715.nsf/LookupAdm/BannerForm%3FOpenDocu-
ment. – (16.06.2014).
7. Northernstarshinesbright [Электронныйресурс]. – Режимдоступа: http://min-
ingandconstruction.com/mining/northern-star-shines-bright-2524/. – (17.06.2014).
8. Технико-технологический комплекс для доработки запасов на глубинных гори-
зонтах алмазорудных карьеров / Акишев А.Н., Зырянов И.В., Заровняев Б.Н., Тарасов
П.И., Журавлев А.Г. // Горный журнал. – 2012. – №12. – С. 39-43.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-174-320.jpg)
![175
9. Обоснование производительности оборудования при дистанционном управле-
нии для карьера «Удачный» / Тарасов П.И., Журавлев А.Г., Черепанов В.А., Акишев
А.Н., Шубин Г.В. // Горный журнал. – 2012. – №12. – С. 35-39.
10. Большой энциклопедический словарь [Электронный ресурс] http://dic.aca-
demic.ru/dic.nsf/enc3p/68498 . – (17.06.2014)
11. Геологическая энциклопедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_ge-
olog/438/%D0%91%D0%B5%D0%B7%D0%BB%D1%8E%D0%B4%D0%BD%D0%B0%
D1%8F . – (17.06.2014)
12. Autonomous vs manual haulage trucks - how mine simulation contributes to future
haulage system developments [Электронныйресурс]/ Juliana Parreira, John Meech– Режим-
доступа: http://www.infomine.com/publications/docs/parreira2010.pdf . – (16.06.2014).
13. Имитационное моделирование и автоматизированное управление горнотранс-
портными работами в карьерах / Салахиев Р.Г., Дедюхин А.В., Бахтурин Ю.А., Журав-
лев А.Г. // Горный журнал. – 2012. - №1. – С. 82-85.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-175-320.jpg)
![187
экран окно таблицы оптимизации и диалоговое окно для сохранения этой таблицы в фор-
мате Excel.
Для производства оптимизации показателя производительности автосамосвала в
программе разработан отдельный блок оптимизации.
Определение оптимальной производительности технологического автомобильного
транспорта на ОАО «Ураласбест» осуществляется на основе расчетной схемы построе-
ния обобщенной функции желательности [1, 2, 3].
Алгоритм построения обобщенной функции желательности включает в себя следу-
ющее: установление критериев оптимизации x (параметры функции желательности). В
данном случае в качестве оптимизируемых принимаются три критерия: это параметры
работы автосамосвала, являющиеся аргументами функции производительности Wч: при-
веденное расстояние транспортирования lпр; среднетехническая скорость движения ав-
тосамосвала vт; время работы автосамосвала за принятый оценочный период времени,
смену Tр; далее осуществляется построение шкалы желательности, устанавливающей со-
отношение между значением отклика f(x) и соответствующим значением частной функ-
ции желательности d; вычисление частных функций желательности d (количество вы-
числяемых функций d определяется в соответствии с числом выбранных критериев оп-
тимизации); вычисления обобщенной функции желательности D. Обобщенная функция
желательности определяется соотношением [1, 2, 3]
,...
/1
1
21
nN
i
i
n
n ddddD
(3)
где di – частные функции желательности.
Частная функция желательности имеет экспоненциальную зависимость вида
)]}(exp[exp{ xfd . (4)
ii xbbxf 10)( . (5)
где b0, b1 – коэффициенты, определяемые заданными интервалами изменения f(x);
xi – оптимизируемые параметры.
Решение функции f (xi) находится из преобразования факторов оптимизации в со-
ответствующую фактору функцию f. Значение функции f (xi) находятся из условий
ii fff
xxx maxmin
. (6)
Проведение оптимизации возможно только после формирования полностью запол-
ненной «таблицы расчета» (см. рис. 14). Из «таблицы расчета» нажатием на кнопку ”Таб-
лица оптим.” выходим в окно таблицы оптимизации (рис. 15).
Нахождение оптимального значения производительности Wч в «таблице оптимиза-
ции» производится в автоматическом режиме с возможностью корректировки исходных
данных и условий оптимизации. Критериями оптимизации служат рассчитанные вели-
чины показателей работы автомобильного транспорта в «таблице расчета» (см. рис. 14).
Поле окна «таблицы оптимизации» разделено на две части: таблицу с расчетными
значениями (обведена оранжевым овалом); панель задания условий оптимизации (обве-
дена синим овалом).
В качестве примера в табл. 1 представлены результаты расчета оптимизационных
функций желательности для автосамосвала БелАЗ-7555В. В таблице строкой с оптималь-
ным значением производительности автосамосвала Wч является та, которой соответ-
ствует наибольшее значение обобщенной функции D. В представленном примере это
строка с номером варианта пять.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-187-320.jpg)
![190
УДК 622.771:621.928:504
Борисков Федор Федорович
кандидат геолого-минералогических наук,
старший научный сотрудник
лаборатории управления качеством
минерального сырья (УКР),
Институт горного дела УрО РАН,
620219, г. Екатеринбург,
ул. Мамина-Сибиряка, 58
Кантемиров Валерий Даниилович
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник
лаборатории УКР,
Институт горного дела УрО РАН,
e-mail: ukrkant@mail.ru
ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ
МЕТОДЫ РУДОПОДГОТОВКИ
МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ПРИ
ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ПРИПОЛЯРНОГО УРАЛА
Boriskov Fyodor F.
candidate of geology and mineralogy,
senior research assistant
of the laboratory of mineral raw
materials quality control,
the Institute of Mining UB RAS
620219 Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58
Kantemirov Valery D.
candidate of technical sciences,
senior research assistant
of the laboratory of mineral raw
materials quality control,
the Institute of Mining UB RAS
e-mail: ukrkant@mail.ru
ENVIRONMENTALLY SAFE METHODS OF
MINERAL RAW MATERIALS PRETREAT-
MENT MINING THE DEPOSITS IN THE
POLAR URALS
Аннотация:
В статье авторы предлагают ряд перспектив-
ных сухих методов предварительной концен-
трации полезных компонентов, направленных
на повышение экологической безопасности гор-
ных работ.
Ключевые слова: Приполярный Урал, экоси-
стема, минеральное сырье, колчеданные медно-
цинковые руды, хромиты, золотосодержащие
руды, железные руды, рудоподготовка, схема
обогащения
Abstract:
In the article, the authors propose a number of
promising dry methods of commercial components
preliminary concentration aimed at increasing the
environmental safety of mining operations.
Keywords: the Sub-polar Urals, ecosystem, min-
eral raw materials, sulphide copper-zinc ores,
chromites, auriferous ores, iron ores, ore pretreat-
ment, processing flow sheet
Приполярный Урал в перспективе может стать новой сырьевой базой для чер-
ной и цветной металлургии Уральского региона. В настоящее время запасы рудных по-
лезных ископаемых Приполярного Урала представлены в основном прогнозными ре-
сурсами в категориях Р1, Р2, Р3. По предварительным данным, Приполярный Урал рас-
полагает запасами более 1 млрд. т железной руды, сотнями миллионов тонн медной и
хромовой руды, значительными запасами рудного золота и высококачественного квар-
цевого сырья.
Характерными особенностями территорий Северного и Приполярного Урала яв-
ляются суровые природно-климатические условия, повышенная уязвимость экосистемы,
практически полное отсутствие инфраструктуры, производственной базы и трудовых ре-
сурсов. Наряду с затратным развитием инфраструктуры региона острой проблемой при
освоении месторождений является снижение рисков загрязнения уникальной природы
токсичными отходами производства, которые могут образоваться при добыче и перера-
ботке полезных ископаемых и в первую очередь медноколчеданных руд. Разработка кол-
чеданных месторождений сопровождается формированием особой техногенной среды,
сопровождающимся резким нарушением природного равновесия, что обусловлено до-
ступом кислорода воздуха, углекислого газа и поверхностных вод, обогащенных кисло-
родом, к сульфидным рудам при их добыче [1]. В кислородной среде у сульфидов, в со-
Работа выполнена в рамках конкурсного проекта УрО РАН 12-М-23457-2041 «Освоение недр Земли:
перспективы расширения и комплексного освоения рудной минерально-сырьевой базы горно-металлур-
гического комплекса Урала»](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-190-320.jpg)
![191
став которых входят неметаллы с полным заполнением электронных оболочек электро-
нами (S2–
, As3–
и т.п.) и металлы (Fe2+
, Cu+
и т.д.) с низкой степенью окисления, резко
проявляется химический потенциал (способность веществ к химическим изменениям).
При обнажении сульфидсодержащих горных пород в процессе их разработки сульфиды
окисляются с выделением тепла и образованием серной кислоты, сульфатов меди, цинка,
железа и других токсикантов, которые проникают в грунтовые воды. Образование ток-
сикантов в сульфидсодержащих отвалах и загрязнение ими природы продолжается де-
сятки и сотни лет [2]. Скорость окисления сульфидов в дисперсных материалах выше,
чем в крупнокусковых отложениях. Например, в хвостохранилище Кировоградской обо-
гатительной фабрики (Свердловская обл.) в начале ее эксплуатации в хвостохранилище
поступали пиритные хвосты с содержанием меди 0,36 %, цинка 3,0 %. Через 30 лет в
хвостах были обнаружены только следы меди, а концентрация цинка снизилась до 0,59
% [3]. Развитие этих химических процессов приводит к повышенному загрязнению грун-
товых вод, что хорошо видно на примере анализа хвостов Учалинского ГОКа. Водная
вытяжка из хвостов Учалинской ОФ, пролежавших 1 – 2 месяца на поверхности хвосто-
хранилища, отличается кислой реакцией (рН = 2 ÷ 3 за счет образования серной кислоты)
и высоким содержанием водорастворимых форм металлов. При этом концентрация меди,
цинка и железа в водной вытяжке достигает, соответственно, 786; 3460 и 9050 мг/л, что
в десятки тысяч раз выше ПДК [4].
Процессы окисления сульфидов и преобразование продуктов реакций могут раз-
виваться при обогащении руд колчеданных месторождений ХМАО, особенно с исполь-
зованием флотационных методов, основанных на применении токсичных реагентов, и
при размещении на поверхности Земли тонкодисперсных сульфидсодержащих хвостов
обогащения – источников серной кислоты и сульфатов тяжелых цветных металлов. Пол-
ный цикл получения сульфидных концентратов флотацией на территории ХМАО, пред-
лагаемый рядом исследователей, является экологически опасным направлением для лег-
коранимой экологии Приполярного Урала, богатой нерестилищами сиговых (р. Манья)
и обитанием эндемичных (нельма) и ценных видов рыб (сосьвинская селедка, муксун,
чир и др.).
При переработке колчеданных руд месторождений Приполярного Урала предла-
гается применять сухие методы концентрирования ценных компонентов в промпродукт
на основе использования современных рентгенорадиометрических (РРС) и барабанных
коронных электростатических (ЭС) сепараторов [5] (рис. 1).
В результате сухого способа обогащения после переработки 1 млн. т руды с со-
держанием меди 1,9 % и цинка 1,65 % может быть получено порядка 240 тыс. т медно-
цинкового концентрата с содержанием 7,77 % меди и 6,63 % цинка, соответственно, а
также хвостов обогащения в объемах ~560 тыс. т, которые складируются в специальный
отвал. Медно-цинковый концентрат предусмотрено отгружать железнодорожным транс-
портом (на планируемую к строительству железную дорогу Полуночное – Обская) на
медеплавильные заводы Уральского региона для последующей переработки.
Рудоподготовка в местах добычи на Приполярном Урале железных, золотосодер-
жащих руд и хромитов также должна быть организована исключительно с помощью
сухих методов предварительного обогащения. В табл. 1 представлены рекомендуемые
методы предварительного обогащения и примерные объемы переработки сырья твердых
полезных ископаемых Приполярного Урала на первой стадии освоения, на рис. 2, 3 пред-
ставлены технологические схемы с экологически безопасными физическими методами
рудоподготовки хромитов и золотосодержащих руд ХМАО.
Для предварительного обогащения медно-цинковой руды и хромитов предлага-
ется использовать рентгенорадиометрическую сепарацию с использованием сепараторов
типа СРФ 4-150 (Россия). РРС является сухим процессом и может быть осуществлена
непосредственно в районе добычи руды, ее эффективность возрастает при обогащении
крупнокускового материала.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-191-320.jpg)
![195
сепараторов типа 189А-СЭ (Россия), предназначенных для обогащения крупнокусковой
магнетитовой руды. В результате сухого способа обогащения после переработки
8 млн. т руды с содержанием железа 32 – 35 % предполагается получать до 3,5 млн. т
промпродукта с содержанием железа ~50 %.
Положительными факторами предварительного обогащения являются:
- возможность в «голове» технологической схемы выделить значительную часть
отвальных хвостов и бедных руд;
- возможность существенно снизить количество углеродистых пород в перераба-
тываемом материале;
- снижение капитальных и эксплуатационных затрат за счет уменьшения количе-
ства материала, поступающего на глубокое обогащение;
- снижение экологической нагрузки на уникальную природу Приполярного Урала
[6].
Выводы
При выборе технологий обогащения минерального сырья на Приполярном Урале
рекомендуются следующие подходы:
- использование сухих методов предварительного обогащения без применения
глубоких стадий обогащения и химических реагентов с целью исключения негативного
воздействия продуктов обогащения на окружающую среду;
- предварительное обогащение на промышленной площадке предприятий произ-
водится стадиальным дроблением, грохочением и сепарацией сырья с отсечением некон-
диционных руд и сопутствующих пород; полученный промежуточный продукт (концен-
трат) вывозится в освоенные индустриальные регионы Урала для последующей перера-
ботки;
- комплексное использование ресурсов; хвосты предварительного обогащения
(некондиционное сырье и сопутствующие породы) являются сырьем для производства
щебня различного назначения.
Предварительная технико-экономическая оценка эффективности освоения место-
рождений твердых полезных ископаемых Приполярного Урала показывает, что доста-
точно эффективной является разработка медных, хромитовых и магнетитовых руд с по-
вышенным содержанием ценных компонентов и поставкой промпродуктов на комби-
наты Урала для глубокого обогащения.
Литература
1. Борисков Ф. Ф. Получение гидроминерального сырья из пиритных хвостов обо-
гащения колчеданных руд / Ф. Ф. Борисков, Л. О. Макаранец, Н. А. Филиппова // Горный
информационно-аналитический бюллетень. – 2004. – № 10. – C. 328 - 333.
2. Подуст А. Н. Техногенные образования как источник загрязнения окружающей
среды / А. Н. Подуст // Техноген-98. Вторая выставка и НТК по переработке техноген-
ных образований (Екатеринбург, 10-13.02.98): офиц. каталог: тез. докл. / Координац. Со-
вет по реализации программы, ГНЦ, Уральский ин-т металлов и др. – Екатеринбург,
1998. – С. 24-25.
3. Дренажные воды – источник техногенного гидроминерального сырья на Урале
/ О. Н. Грязнов, С.В. Палкин, В.П. Новиков и др .// Изв. вуз. Горный журнал. – 1997. –
№ 11-12. – С. 58 - 65.
4. Чуянов Г. Г. Хвостовое хозяйство обогатительных фабрик / Г.Г. Чуянов // Изв.
вуз. Горный журнал. –1997. – № 11-12. – С. 130-174.
5. Шихов Н. В. Обоснование параметров барабанного коронно-электростатиче-
ского сепаратора повышенной удельной производительности: автореф. дис. … канд.
техн. наук / Н. В. Шихов; Институт «Уралмеханобр». – Екатеринбург, 2010. – 24 с.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-195-320.jpg)
![197
УДК 622.012.2.013:658.11.011.1]:622.85:504.06
Антонинова Наталья Юрьевна
кандидат технических наук,
заведующая лабораторией экологии горного
производства,
Институт горного дела УрО РАН,
620219, Россия, г. Екатеринбург,
ул. Мамина-Сибиряка, 58
Славиковская Юлия Олеговна
кандидат экономических наук,
старший научный сотрудник
лаборатории экологии горного производства,
Институт горного дела УрО РАН
Шубина Любовь Андреевна
научный сотрудник
лаборатории экологии горного производства,
Институт горного дела УрО РАН,
e-mail: geoeco@igduran.ru
ОЦЕНКА ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ
РИСКОВ ПРИ ВОЗОБНОВЛЕНИИ
ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Antoninova Natalya Y.
candidate of technical sciences,
the head of the laboratory of mining production
ecology,
The Institute of Mining the Ural Branch of RAS,
620219, Russia, Yekaterinburg,
Mamin-Sibiryak st., 58
Slavikovskaya Yuliya O.
senior researcher,
candidate of economic sciences
the laboratory of mining production ecology,
The Institute of Mining, the Ural Branch of RAS
Shubina Lubov A.
a researcher,
the laboratory of mining production ecology,
The Institute of Mining, the Ural Branch of RAS
e-mail: geoeco@igduran.ru
EVALUATION GEO-ECOLOGICAL
RISKS RESUMING MINERAL
RESOURCES MINING
Аннотация:
В целях выявления чувствительности проекта к
эколого-экономическим рискам выполнен ком-
плекс исследований по их оценке. Произведена
оценка экологической безопасности и экономи-
ческой эффективности проекта при условии из-
менения платности и возмездности наносимого
ущерба компонентам природной среды при раз-
работке месторождения полезных ископаемых.
Ключевые слова: месторождение, геоэкологиче-
ские риски, окружающая среда
Abstract:
For the purpose of revealing the project’s sensitivity
to ecological and economic risks the complex of re-
searches on their assessment is executed. The as-
sessment of ecological safety and economic effi-
ciency of the project under the condition of changing
the caused damage’s payment and recovery to envi-
ronment components while mining the deposits of
mineral resources is performed.
Keywords: mineral resource, geo-environmental
risks, environment
Одним из актуальных вопросов развития промышленного производства в Южной
Осетии является возобновление работы Квайсинского рудника, осваивавшего одно-
именное месторождение свинцово-цинковых руд в 1950–1995 гг. Промышленные за-
пасы Вольхохского участка Квайсинского месторождения (Проток. № 3344 засед. ЦК по
запасам полезных ископаемых от 23.04.1990) составляют 2217,0 тыс. т по категории
В+С1. В настоящее время рассматривается вопрос о восстановлении работы на старой
технологической основе, с созданием (реконструкцией) предприятия с использованием
новых технических решений и оборудования (рис. 1).
С деятельностью Квайсинского рудника и его обогатительной фабрики в период
эксплуатации связано комплексное ухудшение экологического состояния окружающей
среды (ОС). Зона негативного влияния имеет значительную площадь на территории
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-05-96038 и в рамках научно-исследова-
тельского проекта 12-М-23457-2041](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-197-320.jpg)
![198
Кударского ущелья (табл. 1), а применяемые системы разработки месторождения ока-
зали разрушительное воздействие на почвы района, горные ландшафты и поверхност-
ные водные источники (табл. 2, рис. 2, 3.).
Основными информативными показателями степени антропогенной трансформа-
ции окружающей среды района функционирования предприятия при оценке экологиче-
ских рисков возобновления работ являются
– растительный экоиндикатор - виды растений, по признакам которых возможна
оценка экологических режимов природного комплекса;
– водонепроницаемость рельефообразующих пород;
– наличие/отсутствие загрязнения почвенного слоя;
– содержание гумуса в почве;
– площадь очагов техногенного воздействия (нарушенных земель);
– площадь земель, подверженных эрозии;
– объем выбросов в атмосферу;
– загрязнение поверхностных вод.
Оруденение Вальхохского участка залегало в интервале глубин 1950 м (поверх-
ность) – 1450 м с вертикальным размахом 500 м. Верхняя часть рудных тел участка до
горизонта штольни 85 (абс. отметка 1780,5 м) отработана. Горнотехнические условия
Вальхохского участка идентичны условиям Квайсинского участка. Отличие лишь в не-
значительном развитии в его пределах верхнеюрских известняков. Породы байоса пред-
ставлены туфопесчаниками, туфами и дацитами (альбитофирами).
Коэффициент крепости свинцово-цинковых руд по шкале проф. Протодьяконова
составляет 7 – 13, вмещающих пород 8 – 16, в зонах гидротермального изменения и
рассланцевания 3 – 6 [1].
Рельеф Кударского ущелья – среднегорный и высокогорный – представлен серией
высоких водораздельных хребтов с резко очерченными контурами, крутыми склонами и
расчленен глубокими ущельями рек.
Также в районах ведения горных работ и на территории г. Квайси отмечено [4]
загрязнение верхних почвенных слоев медью и кадмием. Накопление тяжелых металлов
в почвах связано с переходом их подвижных форм в сезонные и многолетние растения,
что отражается на состоянии лесных массивов и растительных сообществ.
Отработка запасов месторождения будет сопряжена с дополнительным наруше-
нием земной поверхности. Выемка полезных ископаемых с применением технологий с
обрушениями приводит к нарушению равновесия окружающего массива пород и дефор-
мации земной поверхности. При этом необходимо отметить, что рассматриваемая тер-
ритория уже нарушена прошлой хозяйственной деятельностью предприятий. Обязатель-
ной частью проекта возобновления работ будет проект рекультивации (технического и
биологического этапов).
На территории рудника отмечены деформации массива пород и земной поверх-
ности: развитие зон трещиноватости или уплотнения массива вмещающих пород, про-
гибы поверхностей. Отмечено [5] наличие 5 провалов глубиной от 30 до 40 м, длиной
около 100 и шириной около 50 м , которые приурочены к зоне интенсивной тектониче-
ской нарушенности. Отработка запасов на первом этапе (Вальхокский участок) будет
сопряжена с дополнительным нарушением земной поверхности: площадью пром-
площадки не менее 17 га и площадью действующего хвостохранилища Квайсинской обо-
гатительной фабрики – 512 га, где к 2002 году заскладировано около 20 млн т хвостов
обогащения.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-198-320.jpg)
![200
Доминирующим путем распространения загрязнений водной среды будет яв-
ляться система поверхностных вод.
Т а б л и ц а 1
Зоны экологических изменений лесных массивов Кударского ущелья [3]
Т а б л и ц а 2
Содержание загрязняющих веществ в поверхностных водах Кударского ущелья
Река Содержание загрязняющих веществ (мг/дм3
)
Свинец Цинк Медь
Джоджора 4,5 3,9 2,2
Квайса-дон 3,2 3,9 2,1
Навардаз-дон 3,1 2,2 1,2
Гремула 2,2 2,2 1,2
ПДКрх
0,001 0,01 0,01
Лесные массивы
Отдаленность от
источников за-
грязнений
Зоны экологических из-
менений
Результаты экологических изменений и нару-
шений
Квайсинский
0,5 – 5 км
Зона сильных нару-
шений и загрязнений
Гибель лесных массивов, коренных сооб-
ществ, деформирование деревьевНадарвазский
Кировский
5 – 20 км
Зона умеренных нару-
шений и загрязнений
Угнетение и гибель части лесных масси-
вов, замена их более устойчивыми к но-
вым условиям
Ерцойский
Цонский
Кобетский
30 – 50 км
Зона слабых наруше-
ний и загрязнений
Незначительные воздействия на лесные
массивы. Нет экологических нарушений
и загрязнений
Джалабетский
Карзманский
Рис.2 – Характеристика химического загрязнения почв района
проведения работ
Рис.2 – Характеристика химического загрязнения почв
района проведения работ](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-200-320.jpg)
![203
Вследствие косвенного воздействия от возобновления работ на участке могут воз-
никнуть следующие негативные факторы:
– загрязнение атмосферного воздуха, почвенного и растительного покрова выбро-
сами вредных веществ и пыли;
– загрязнение почвенного покрова разливами ГСМ;
– загрязнение территории строительным и бытовым мусором;
– ухудшение условий произрастания растений и обитания диких животных;
– водная и ветровая эрозия почв.
Нарушение почвенно-растительного покрова даже на пологих склонах, как пра-
вило, инициирует активизацию склоновых и эрозионных процессов. Вместе с пылегазо-
выми выбросами это способствует увеличению твердого стока и загрязнению органо-
минеральными веществами близлежащих поверхностных вод, что снизит их качество.
Поскольку территория рассматриваемого участка практически полностью нару-
шена ввиду его более раннего интенсивного использования горнодобывающей промыш-
ленностью, отработка Вальхохского участка не окажет существенного воздействия на
растительный и животный мир в рассматриваемом районе. Опосредованное влияние (че-
рез изменение питания растительности близлежащих участков) может произойти при об-
разовании депрессионной воронки на месте добычи.
При разработке проекта возобновления работ на Квайсинском месторождении в
целях минимализации рисков ухудшения состояния окружающей среды необходимо:
1. Рассмотреть различные варианты отработки месторождения (как с системой
обрушения, так и с закладкой выработанного пространства с использованием собствен-
ных отходов предприятия), не приводящие к образованию депрессионной воронки на
месте добычи.
2. Предусмотреть применение очистных сооружений, соответствующих европей-
ским стандартам CEN (Comite Europeen de Normalisation) и удовлетворяющих европей-
ским требованиям по качеству ISO 9002.
3. Проводить рекультивационные работы на отвалах сразу после окончания их
формирования.
В этом случае можно прогнозировать, что возобновление добычи свинцово-цин-
ковых руд и отработка Вальхохского участка не окажут существенного воздействия на
экосистему района.
Экономическая оценка эффективности освоения запасов Квайсинского свинцово-
цинкового месторождения проводилась согласно «Методическим рекомендациям по
оценке эффективности инвестиционных проектов» [10] в ценах 2012 г., исходя из усло-
вий применения подземного способа разработки месторождения с последующим обру-
шением междукамерных и потолочных целиков и системой подэтажного обрушения с
торцевым выпуском руды. Цены на свинцовый и цинковый концентраты принимались
по результатам анализа динамики цен на Лондонской бирже металлов за последние 12
мес. на момент выполнения расчетов. Капитальные затраты определены как сумма
средств, необходимых на восстановление и реконструкцию предприятия и его инфра-
структуры, а также на оснащение оборудованием объектов подземного рудника и обога-
тительной фабрики. Себестоимость добычи и переработки рудной массы включает ма-
териальные затраты на производственные процессы, расходы на оплату труда работни-
ков, отчисления на социальное страхование, затраты на транспортировку, амортизаци-
онные отчисления, экологические платежи и т. д. Период оценки – 17 лет. Выполненные
расчеты показали, что при предлагаемой технологии разработки и существующих ценах
освоение месторождения является экономически целесообразным, поскольку чистый
дисконтированный доход (ЧДД) имеет неотрицательное значение, срок окупаемости ин-
вестиций составляет порядка девяти лет (рис. 4).](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-203-320.jpg)
![206
УДК 622.012.2:556.3:51
Рыбникова Людмила Сергеевна
кандидат
геолого-минералогических наук,
старший научный сотрудник
лаборатории экологии
горного производства,
Институт горного дела УрО РАН,
620219, г. Екатеринбург,
ул. Мамина-Сибиряка, 58
e-mail: luserib@mail.ru
Ribnikova Ludmila S.
candidate of geology and mineralogy,
senior researcher,
the laboratory of mining
production ecology
The Institute of mining, UB RAS
620219, Russia, Yekaterinburg,
Mamin-Sibiryak st., 58
e-mail: luserib@mail.ru
Рыбников Петр Андреевич
кандидат
геолого-минералогических наук,
старший научный сотрудник
лаборатории экологии
горного производства,
Институт горного дела УрО РАН
e-mail: ribnikoff@yandex.ru
Ribnikov Peter A.
candidate of geology and mineralogy,
senior researcher,
the laboratory of mining
production ecology
the Institute of Mining UB RAS
e-mail: ribnikoff@yandex.ru
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА
УЩЕРБА ГИДРОСФЕРЕ В РАЙОНАХ ОТ-
РАБАТЫВАЕМЫХ И ЗАТОПЛЕННЫХ
МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ РУДНИКОВ
СРЕДНЕГО УРАЛА
ECOLOGICAL-ECONOMIC ASSESSMENT
OF DAMAGE TO THE HYDROSPHERE IN
THE AREAS OF MINED AND ABANDONED
COPPER PYRITE MINES OF THE MIDDLE
URALS
Аннотация:
Влияние на гидросферу отработки месторож-
дений полезных ископаемых во много раз пре-
вышает официально учтенный сброс загрязни-
телей. Эколого-экономическая оценка безопас-
ности добычи полезных ископаемых должна
включать определение размера ущерба для вы-
бора эффективных методов очистки сточных
дренажных вод и мероприятий по предотвра-
щению попадания в водный объект загрязняю-
щих веществ.
Abstract:
The mining impact on the hydrosphere is many
times greater than officially recorded discharge of
pollutants. Ecological-economic evaluation of min-
ing operations safety should include the determina-
tion of damage amount for selection efficient meth-
ods of purification wastewater drainage and
measures on prevention water pollutants ingress to
a water object.
Ключевые слова: водный объект, загрязняющее
вещество, экологический ущерб, эколого-
экономическая оценка, Уральский регион
Key words: water object, pollutant, environmental
damage, ecological-economic assessment, the Ural
region
В горнопромышленных районах Уральского региона воздействие на гидросферу
действующих и отработанных рудников превышает официально учтенный сброс за-
грязнителей от действующих предприятий [1]. В ближайшие годы планируется значи-
тельное увеличение платы за ущерб, причиненный водным объектам вследствие
нарушения водного законодательства, в том числе в связи со сбросом вредных
(загрязняющих) веществ, в результате чего произошло загрязнение, засорение и (или)
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-05-96038 «Исследование и прогноз динамики
техногенной трансформации экосистем в районах функционирования горно-металлургического комплек-
са Урала» и в рамках проекта 12-М-23457-2041 «Освоение недр Земли: перспективы расширения и ком-
плексного освоения рудной минерально-сырьевой базы горно-металлургического комплекса Урала».](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-206-320.jpg)
![207
истощение водных объектов. Соответственно, эколого-экономическая оценка безопас-
ности освоения природных месторождений и техногенно-
минеральных образований должна включать определение размера такого вреда
для выбора эффективных методов очистки сточных дренажных вод и мероприятий по
предотвращению попадания в водный объект вредных (загрязняющих) веществ и отхо-
дов с водосборной площади.
Исчисление размера вреда основывается на компенсационном принципе его
оценки. Для этого определяются затраты, необходимые для фиксации причин загрязне-
ния, выполнения мероприятий по предотвращению распространения вредных (загряз-
няющих) веществ в водном объекте и их влияния на использование водного объекта
для водоснабжения, рекреации и иных целей водопользования. В состав таких работ
входит проведение анализов качества вод и донных отложений водного объекта; разра-
ботка проектно-сметной документации; ликвидация источника нарушения; восстанов-
ление показателей водного объекта; устранение последствий нарушения. Исчисление
размера вреда также может осуществляться исходя из фактических затрат на восста-
новление нарушенного состояния водного объекта с учетом понесенных убытков, в том
числе упущенной выгоды, а также в соответствии с проектами рекультивационных и
иных восстановительных работ в соответствии с «Методикой исчисления размера
вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного
законодательства» [2]. Оценка вреда, причиненного водному объекту, осуществляется
независимо от того, проводятся мероприятия по устранению нарушения и его послед-
ствий непосредственно вслед за фактом нарушения или будут проводиться в дальней-
шем в соответствии с программами по использованию, восстановлению и охране вод-
ных объектов, а также программами социально-экономического развития регионов.
Для расчета размера ущерба (вреда), причиненного водному объекту сбросом
вредных (загрязняющих) веществ в составе сточных дренажных (в том числе шахтных,
рудничных) вод, используется следующая формула [2]:
У = Квг · Кдл · Кв · Кин · SUM (Mi · Hi · Киз),
где У – размер ущерба (тыс. руб.);
Квг – коэффициент, учитывающий природно-климатические условия в зависимости
от времени года;
Кдл - коэффициент, учитывающий длительность негативного воздействия вредных
(загрязняющих) веществ на водный объект при непринятии мер по его ликвидации;
Кв – коэффициент, учитывающий экологические факторы (состояние водных объек-
тов);
Кин – коэффициент индексации, учитывающий инфляционную составляющую эко-
номического развития;
Mi – масса сброшенного i-го вредного (загрязняющего) вещества, определяется по
каждому загрязняющему веществу;
Hi – таксы для исчисления размера вреда от сброса i-го вредного вещества
(тыс. руб./т);
Киз – коэффициент, учитывающий интенсивность негативного воздействия вредных
(загрязняющих) веществ на водный объект.
В соответствии с рекомендациями [2] Квг принимается минимальным для поло-
водья (1,05) и максимальным для межени (1,25). Кдл принимает максимальные значения
(Кдл=5) при превышении 500 часов. Кв = 1,22 для бассейна Оби. Кин учитывает инфля-
ционную составляющую и принимается на уровне накопленного к периоду исчисления
размера вреда индекса-дефлятора по отношению к 2007 г. Hi = 6 тыс. руб. при предель-
но допустимой концентрации по рыбохозяйственным нормативам (ПДКр/х) [3] более
40 мг/л и Hi = 19600 тыс. руб. при ПДКр/х менее 0,001 мг/л. Коэффициент Киз учиты-
вает интенсивность негативного воздействия вредных (загрязняющих) веществ на вод-
ный объект и устанавливается в зависимости от кратности превышения фактической](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-207-320.jpg)
![208
концентрации вредного (загрязняющего) вещества при сбросе на выпуске сточных,
дренажных (в том числе шахтных, рудничных) вод над установленной ПДКр/х: Киз = 1
при превышениях от 1 до 10 ПДКр/х; Киз = 5 при превышениях от 10 до 50 ПДКр/х; Киз
= 10 при превышениях более 50 ПДКр/х.
Масса сброшенного вредного вещества в составе сточных вод (i – загрязняющее
вещество, по которому исчисляется размер вреда) определяется по формуле [2]:
Мi = Q · (Сфi – Сдi) ·Т · 10-6
,
где Мi – масса сброшенного i-го вредного (загрязняющего) вещества, т;
Q – расход сточных вод с превышением содержания i-го вредного (загрязняющего)
вещества, м3
/ч;
Сфi – средняя фактическая за период сброса концентрация i-го вредного (загрязня-
ющего) вещества в сточных водах, мг/л;
Сдi – концентрация i-го вредного (загрязняющего) вещества, исходя из кото-
рой установлен предельно допустимый или временно согласованный норматив (ли-
мит) сброса, мг/л;
T – продолжительность сброса сточных вод с повышенным содержанием вредных
(загрязняющих) веществ, определяемая с момента обнаружения сброса до его прекра-
щения, ч;
10-6
– коэффициент пересчета массы вредного (загрязняющего) вещества из
мг/л в т/м3
.
При отработке Левихинского рудника неочищенные шахтные воды поступали на
станцию нейтрализации, где обрабатывались известковым молоком, после чего сбрасы-
вались в прудок-накопитель (осветлительный пруд, созданный в низовьях р. Левихи в
1959 г., был предназначен для отстаивания взвесей, выносимых с шахтными водами),
куда поступали и подотвальные воды. Здесь поверхностные и шахтные воды отстаива-
лись и при поступлении в сбросной канал, которым служит старое русло р. Левихи,
ручным способом вновь обрабатывались известью (долина р. Тагил находится в 4 км к
востоку от рудника).
После остановки шахтного водоотлива в конце 2003 г. подземные горные выра-
ботки были полностью затоплены, и к концу 2006 г. в районе шахтного ствола Левиха
II (зона обрушения от горизонта 175 м) образовался техногенный водоем, в который
разгружаются шахтные воды. В конце 2006 г. была введена в эксплуатацию станция по
перекачке шахтных вод: шахтные воды по трубопроводу длиной около 2 км перекачи-
ваются из техногенного водоема в районе шахтного ствола Левиха II на станцию
нейтрализации, которая была введена в эксплуатацию 1 октября 2003 г. Дебит работы
станции перекачки изменяется от 30 до 150 м3
/ч (700 – 3500 м3
/сут). На станцию
нейтрализации также подаются подотвальные воды, которые собираются на рудном
поле. После очистки эти воды поступают в существующий пруд-отстойник, при пере-
текании в сбросной канал вода дополнительно нейтрализуется известью, а затем само-
теком по старому руслу р. Левиха попадает в р. Тагил. После прохождения по сбросно-
му каналу от прудка-отстойника до р. Тагил какое-то количество металлов осаждается,
тем не менее часть этих веществ попадает в р. Тагил в концентрациях, значительно
выше ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения. После затопления рудника
наиболее существенное увеличение среднегодовых показателей в р. Тагил ниже сброса
сточных вод отмечается для цинка (от 0,65 до 3,55 мг/л), железа (от 0,67 до 4,25 мг/л),
сульфатов (от 66 до 142 мг/л). Это связано с ростом содержания этих компонентов в
шахтных водах затопленного рудника. При этом в связи с более низкими значениями
меди в шахтных водах техногенного водоема (по сравнению с периодом отработки)
концентрации меди в р. Тагил ниже сброса уменьшились (от 0,17 до 0,13 мг/л).
На территории Свердловской области в соответствии с Областной целевой про-
граммой «Экология и природные ресурсы Свердловской области» за счет средств об-
ластного бюджета проводятся работы по нейтрализации шахтных вод, поступающих с](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-208-320.jpg)
![209
закрытых Ломовского, Карпушихинского, Белореченского и остановленного Левихин-
ского рудников, и доочистка шахтных вод на сбросе из прудка-осветлителя Левихин-
ского рудника, а также сточных вод, поступающих с территории бывшего Дегтярского
рудника. Стоимость работ за последние несколько лет составляла около 100 млн руб. в
год, при этом величина предотвращенного ущерба ежегодно оценивается суммой около
4 млрд руб. [4].
Расчет ущерба (вреда) от сброса сточных вод после их очистки в процессе отра-
ботки и после затопления рудника показал, что такой ущерб, оцененный в соответствии
с приведенной выше методикой, составляет более 10 млрд руб. в год (таблица).
Т а б л и ц а
Расчет ущерба (вреда) водным объектам при сбросе сточных шахтных вод
в районе Левихинского рудника в период отработки и после затопления
Компоненты
ПДКр/х,мг/л
Сброс с
прудка-отстойника
по этапам (мг/л)
Такса,
тыс. руб.
Коэффициент
интенсивности
загрязнения
по этапам
Вклад в ущерб по этапам,
млн руб.
Отработка
Затопление
Отработка
Затопление
Отработка
Затопление
Сухой
остаток
1000 3002 5546 6 1 1 26,3 28,7
Сульфаты 100 854 2591 6 1 5 9,9 78,6
Медь 0,001 7,44 1,88 12100 10 10 1 971,3 239,0
Цинк 0,01 20,46 104,8 4350 10 10 1 948,2 4 791,8
Железо 0,1 2,14 77,87 510 5 10 11,4 416,9
Марганец 0,01 42 73 4350 10 10 4 000,2 3 337,6
Всего по руднику по учтенным компонентам 10 692,0 11 933,8
Это означает, что после введения в действие утвержденных нормативов пред-
приятия будут вынуждены серьезно пересматривать свою экологическую политику;
возможно, это послужит серьезной причиной не только для поиска эффективных мето-
дов очистки, но и для попутного извлечения полезных ископаемых из дренажных вод
медноколчеданных рудников, которые по многим компонентам могут рассматриваться
как возобновляемые месторождения гидроминерального сырья.
Литература
1. Рыбникова Л.С. Последствия затопления медноколчеданных рудников Сред-
него Урала: формирование гидрогеологических условий / Л.С. Рыбникова, А.Л. Фель-
дман, П.А. Рыбников // Проблемы недропользования: сборник статей. Отдельный вы-
пуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического жур-
нала). – М.: Изд-во «Горная книга» - 2011. - № ОВ11. - С. 459 - 470.
2. Методика исчисления размера вреда, причиненного водным объектам
вследствие нарушения водного законодательства (утв. приказом Минприроды России
от 13 апреля 2009 г. N 87) // Российская газета. – 2009. – Федеральный выпуск № 4937.](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-209-320.jpg)
![211
УДК 622.235.213
Шеменев Валерий Геннадиевич
кандидат технических наук,
заведующий лабораторией разрушения
горных пород,
Институт горного дела УрО РАН,
620219, г. Екатеринбург,
ул. Мамина-Сибиряка, 58,
e-mail: rgp@igduran.ru
Синицын Виктор Александрович
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник
лаборатории разрушения горных пород,
Институт горного дела УрО РАН
Меньшиков Павел Владимирович
младший научный сотрудник
лаборатории разрушения горных пород,
Институт горного дела УрО РАН,
e-mail: menshikovpv@mail.ru.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТА
РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭВВ
(НИТРОНИТА Э-70) ПО ОТНОШЕНИЮ
К ЭТАЛОННОМУ ВВ
Shemenev Valery G.
сandidate of technical sciences,
the head of rocks’ breaking laboratory,
The Institute of Mining UB RAS
620219,Yekaterinburg,
Mamin-Sibiryak st., 58,
e-mail: rgp@igduran.ru
Sinizin Victor A.
candidate of technical sciences,
senior researcher
of the rocks’ breaking laboratory,
The Institute of Mining UB RAS
Menshikov Pavel V.
junior researcher
of the rocks’ breaking laboratory,
The Institute of Mining UB RAS
e-mail: menshikovpv@mail.ru.
THE METHODS OF EXPERIMENTAL
DETERMINATION THE SERVICEABILITY
EQUIVALENT OF EMULSIVE EXPLOSIVE
NITROGEN E-70 WITH RESPECT TO
STANDARD EXPLOSIVE AGENT
Аннотация:
Установлено, что основные характеристики
взрывчатых веществ (ВВ) можно определять в
производственных условиях. На основании про-
веденных экспериментальных исследований раз-
работана методика определения эквивалента
(переводного коэффициента по работоспособ-
ности) эмульсионного взрывчатого вещества
(ЭВВ) Нитронит Э-70 по отношению к эталон-
ному ВВ. Полученные экспериментально пока-
затели позволяют рассчитать и другие харак-
теристики, необходимые для обеспечения раци-
ональных параметров буровзрывных работ.
Ключевые слова: взрывчатые вещества, экви-
валент взрывчатого вещества, скорость дето-
нации
Abstract:
It has been established that the main characteristics
of explosives can be determined in production envi-
ronment. In terms of the performed experimental
studies the procedure of determining the equivalent
(conversion factor for efficiency) to the Nitronit E-
70 emulsion explosive with respect to a standard ex-
plosive. Experimentally obtained indices allow cal-
culating some other characteristics necessary for
providing rational parameters of blasting opera-
tions.
Key words: explosives, the explosive equivalent ,
detonation velocity
Любой конкретный тип ВВ может быть охарактеризован некоторым набором па-
раметров, инвариантных относительно различных условий взрывания. Такими парамет-
рами являются плотность заряжания, скорость детонации, теплота взрыва, значение мас-
совой скорости разлета продуктов взрыва, давление и удельная энергия в точке Чепмена-
Жуге. Следует отметить, что теоретический расчет этих величин по известному струк-
турно-химическому составу ВВ невозможен, за исключением теплоты взрыва из-за ма-
лой изученности быстропротекающих процессов в конденсированной среде на молеку-
лярном уровне. Поэтому получение характеристик ВВ, необходимых для решения задач
по расчету параметров буровзрывных работ, возможно с помощью экспериментальных
методов [1].
Работа выполнена в рамках конкурсного проекта ОНЗ-20 № 12-Т-51021 «Обеспечение устойчивого раз-
вития горнодобывающего комплекса», финансируемого Уральским отделением РАН](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-211-320.jpg)
![212
разработка методики аналитического и экспериментального определения основных ха-
рактеристик ВВ, в частности ЭВВ и ВВ на основе обратных эмульсий [1].
Экспериментальное исследование взрывчатых характеристик ВВ на основе обрат-
ных эмульсий имеет ряд существенных особенностей, связанных, в первую очередь, с
большим критическим диаметром этих составов. Большой критический диаметр, с одной
стороны, обеспечивает низкую чувствительность взрывчатых веществ к механическим
воздействиям и, следовательно, позволяет широко механизировать их изготовление и
применение, а с другой стороны, требует проведения экспериментов с зарядами боль-
шого веса, что влечет за собой отказ от традиционных лабораторных методов исследо-
вания. В частности, различные способы определения работоспособности (бомба
Трауцля, испытание в мортире, метод маятника и т. д.) становятся непригодными для
этого типа ВВ. Определение взрывчатых характеристик таких ВВ приходится проводить
в производственных или полигонных условиях [2, 3, 4].
Методика расчета основана на результатах анализа полученных данных ударно-
воздушного воздействия от взрывов сосредоточенных зарядов (в гильзах), записанных
на сейсморегистраторы MiniMate Plus (Instantel, Канада). Метод измерения давления на
фронте ударно-воздушных волн (УВВ) основан на регистрации колебаний с использова-
нием линейного микрофона с записью на цифровой сейсморегистратор MiniMate Plus.
Целью испытаний, которые основывались на результатах воздействия избыточного дав-
ления ударно-воздушной волны, являлось получение экспериментальным путем эквива-
лента (переводного коэффициента) ЭВВ Нитронита Э-70 с гладкой и пористой аммиач-
ной селитрой по отношению к эталонному ВВ (Аммонит 6ЖВ).
Взрывчатые вещества размещались в картонных гильзах диаметром 90, 160 и 250
мм, длиной 900 мм. На полигоне гильзы устанавливались вертикально, как сосредото-
ченные заряды. Патрон-боевик Аммонита 6ЖВ располагался вертикально в верхней ча-
сти гильзы и был полностью «утоплен» в заряде ВВ. Заряды ВВ на полигоне иницииро-
вались по очереди (Нитронит Э-70 с гладкой аммиачной селитрой, Нитронит Э-70 с по-
ристой аммиачной селитрой и Аммонит 6ЖВ) с интервалом 15 мин (время, необходимое
для монтажа взрывной сети). Сейсморегистраторы MiniMate Plus, измеряющие давление
на фронте УВВ, располагались на расстоянии 250 м от взрыва. После проведения испы-
таний зарядов ВВ производилась обработка и анализ полученных результатов замеров
максимального давления на фронте УВВ через программное обеспечение Blastware III
[5, 6].
Если известны экспериментальные значения избыточного давления от взрыва за-
ряда эталонного ВВ (Аммонит 6ЖВ) и зарядов испытуемых ВВ при прочих равных усло-
виях, то возможно определение эквивалента (переводного коэффициента ВВ по работо-
способности) [1, 6].
Эквивалент Нитронита Э-70 по отношению к Аммониту № 6ЖВ определялся по
ударно-воздушной волне. Искомый эквивалент является отношением потоков энергии
бегущей ударной волны с учетом поправки на разность масс зарядов. Поток энергии
бегущей ударной волны (Е, Дж/м2
) определяется по формуле
c
P
Е
3
2
0
, (1)
где ΔР0 – давление на фронте ударной воздушной волны, Па;
τ – продолжительность фазы сжатия ударной воздушной волны, сек.
Длительность фазы сжатия для расстояний 10 < R < 1000 м/кг -1/3
УВВ равна
4,03 )]4,0(lg[594,6 RQ (2)](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-212-320.jpg)
![216
УДК519.237.5
Антонов Владимир Александрович
доктор технических наук,
главный научный сотрудник,
Институт горного дела УрО РАН,
620219, г. Екатеринбург,
ул. Мамина-Сибиряка, 58
e-mail: Antonov@igduran.ru
ДОСТОВЕРНОСТЬ
РЕГРЕССИОННЫХ МОДЕЛЕЙ
В ГОРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЯХ
Antonov Vladimir A.
doctor of technical sciences,
chief researcher,
The Institute of Mining UB RAS,
620219, Yekaterinburg,
Mamin-Sibiryak st., 58
e-mail: Antonov@igduran.ru
THE RELIABILITY OF REGRESSION
MODELS IN MINING AND
TECHNOLOGICAL RESEARCHES
Аннотация:
Изложены методические приемы в оценках до-
стоверности регрессионной модели горнотех-
нологических объектов и процессов с учетом од-
нократных и многократных измерений, разделя-
ющихся условно по предложенному критерию.
Реализация эффекта многократности измере-
ний, как показано на приведенном примере, поз-
воляет повысить достоверность выявления ис-
комой закономерности.
Ключевые слова: экспериментальные измере-
ния, закономерность, случайные отклонения,
модель регрессии, коэффициент детерминации
Abstract:
Methodical techniques in the regression model esti-
mates of the reliability of mining and technological
facilities and processes are stated including single
and multiple dimensions, that are conditionally
separated according to the proposed criterion. The
realization of measurements multiple effect as
shown in the cited example, can improve the relia-
bilityy of detection the desired regularity.
Key words: experimental measurements, regular-
ity, random deviations, regression model, the coef-
ficient of determination
Введение. Экспериментальные исследования в горном деле проводят на основе из-
мерений физических величин, характеризующих состояние горнотехнологических объ-
ектов и процессов. Поиск закономерности в изменении некоторой величины Y , завися-
щей от величин Xj, где j =1, 2, 3 …, проводят путем их совместных измерений с последу-
ющим построением по рядуполученных узловых i-точек (Xji, Yi,) уравнения регрессии.
Условно представим, что результат каждого измерения величины Yi состоит из компо-
нент значимой для достижения цели исследования (закономерной) и незначимой (слу-
чайного отклонения). Здесь принимается, что основной целью исследования является по-
строение модели регрессионной зависимости Y(Xj), представляющей со случайным до-
пустимым отклонением, т.е. погрешностью, значимую закономерность как основную
взаимосвязь исследуемого природного явления, повторяющуюся в независимых экспе-
риментах. Достоверность построенной модели проверяется ее адекватностью, т.е. соот-
ветствием отображения закономерной и случайной составляющей. Оценки проводятся
по методике, описанной в работах [1, 2]. По случайным отклонениям, объясняемым не-
совершенством (погрешностью) средств измерений зависимой величины и влиянием не-
учтенных в модели незначимых факторов эксперимента, оценивается интервал адекват-
ного коэффициента ее детерминации.
Часто случайные отклонения зависимой величины в узловых точках априори неиз-
вестны. Тогда они могут определяться по результатам многократных измерений. По ре-
комендации межгосударственной стандартизации (РМГ 29-99) многократными счита-
ются повторные измерения зависимой величины одного размера, т.е. с одинаковыми ар-
гументами. Однако во многих экспериментах значения аргументов в узловых точках из-
меняются с малым или большим сдвигом, что приводит к изменению размера зависимой
Работа выполнена в рамках конкурсного проекта УрО РАН 12-П-5-1028 «Прогноз технологического развития в
горнодобывающих отраслях на основе энергосбережения и модернизации геотехники и технологии горного произ-
водства».](https://image.slidesharecdn.com/nedraed-03-141028023737-conversion-gate01/85/2014-3-216-320.jpg)
Проблемы недропользования. 2014. Выпуск 3.
- 1. Сетевое периодическое научное издание ISSN 2313-1586 Выпуск 3 Екатеринбург 2014 16+
- 2. Сетевое периодическое научное издание ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ Учредитель - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Уральского отделения РАН № государственной регистрации Эл № ФС77-56413 от 11.12.2013 г. Выходит 4 раза в год только в электронном виде РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: С.В. Корнилков, д.т.н., проф., директор ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург - главный редактор Г.Г. Саканцев, д.т.н., с.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург – зам. главного редактора Члены редакционной коллегии: Н.Ю. Антонинова, к.т.н., заведующая лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург А.А. Барях, д.т.н., проф., директор ГИ УрО РАН, г. Пермь Н.Г. Валиев, д.т.н., проф., проректор по науке УГГУ, г. Екатеринбург С.Д. Викторов, д.т.н., проф., заместитель директора ИПКОН РАН, г. Москва С.Е. Гавришев, д.т.н., проф., директор ИГД и Т, МГТУ, г. Магнитогорск А.В. Глебов, к.т.н., заместитель директора ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург С.Н. Жариков, к.т.н., с.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург А.Г. Журавлев, к.т.н., с.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург В.С. Коваленко, д.т.н., проф., заведующий кафедрой МГГУ, г. Москва В.А. Коротеев, д.т.н., проф., академик, советник РАН ИГГ УрО РАН, г. Екатеринбург М.В. Курленя, д.т.н., проф., академик, директор ИГД СО РАН, г. Новосибирск С.В. Лукичев, д.т.н., проф., заместитель директора ГоИ КНЦ РАН, г. Апатиты В.В. Мельник, к.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург И.Ю. Рассказов, д.т.н., директор ИГД ДВО РАН, г. Хабаровск И.В. Соколов, д.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург С.М. Ткач, д.т.н., директор ИГДС СО РАН, г. Якутск С.И. Фомин, д.т.н., проф. кафедры, НМСУ «Горный», г. Санкт-Петербург А.В. Яковлев, к.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург В.Л. Яковлев, д.т.н., проф., чл.-корр., советник РАН, ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург Издатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Уральского отделения РАН Все статьи проходят обязательное рецензирование Адрес редакции: 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, д. 58, тел. (343)350-35-62 Сайт издания: trud.igduran.ru Ответственный редактор выпуска: к.т.н. А.В.Глебов Выпускающий редактор: О.В. Падучева Редакторы: Н.У. Макарова, О.А. Истомина Компьютерный набор и верстка: Т.Н. Инякина, Т.Г. Петрова 16+
- 3. 3 80 ЛЕТ ВИКТОРУ ЛЕОНТЬЕВИЧУ ЯКОВЛЕВУ - одному из ведущих представителей Уральской школы отечественной горной науки, cоветнику РАН, члену-корреспонденту РАН, действительному члену АН Республики Саха (Якутия), члену Академии горных наук РФ, профессору, доктору технических наук, заслуженному деятелю науки Республики Саха (Якутия) Более 58 лет Виктор Леонтьевич отдал горному делу – стратегическому направлению развития России. С 1962 года он трудится в Институте горного дела — цен- тральном научно-исследовательском институте МЧМ СССР, а ныне ИГД УрО РАН. В 60-е годы В.Л. Яковлев активно участвует в становлении Уральской научной школы карьерного транспорта, сформированной под руководством проф. М.В. Васильева, и со временем становится общепризнанным лидером. В 1966 г. он за- щитил кандидатскую, а в 1979 г. — докторскую диссер- тации, в которых впервые были рассмотрены общие по- ложения стратегии формирования транспортных систем, позволяющие прогнозировать развитие карьерного транспорта. Новое знание получило практическое вопло- щение при обосновании параметров технологических схем транспорта на ряде крупнейших горно-обогати- тельных комбинатов Советского Союза и России. С 1986 г. В.Л. Яковлев – директор Института горного дела Севера СО РАН (г. Якутск), за время работы в котором он приобрел заслуженный авторитет в научном со- обществе, являясь членом Президиума ЯНЦ, объединенных советов СО РАН по наукам о Земле, Международного комитета по горному делу в Арктике. В 1991 г. он избирается членом-корреспондентом вновь созданной Российской академии наук. Виктор Леонтьевич принимает активное участие в общественной жизни Якутии, развитии ее научно-техниче- ского потенциала, создании Академии наук республики Саха (Якутия), где был избран дей- ствительным членом, членом Президиума, председателем Объединенного совета по физико- техническим наукам, председателем уставной комиссии. В 1994 г. за разработку научных основ комплексного освоения недр северо-востока России и научно-организационную дея- тельность он награжден Почетной грамотой Президиума СО РАН, Грамотой Прези- дента PC (Я) с вручением именных золотых часов «За большой вклад в укрепление государ- ственности республики», емуприсвоенопочетное звание «Заслуженный деятель науки рес- публики Саха (Якутия)». В 1995 г. Виктор Леонтьевич возвращается на Урал и становится директором Инсти- тута горного дела УрО РАН. Под его руководством деятельность института характеризуется адаптацией в системе РАН, возобновлением и расширением научных связей с академиче- скими институтами горного профиля и горнодобывающими предприятиями России и Казах- стана, развитием экспериментальной базы и оснащением современным исследовательским оборудованием, повышением качества фундаментальных исследований и увеличением объ- ема внедренческих работ. Благодаря настойчивой работе по повышению квалификации со- трудников заметно улучшился кадровый состав института, значительно возросло число док- торов наук. В этот период времени основные труды В.Л. Яковлева связаны с разработкой научных основ стратегии освоения недр, созданием ресурсосберегающих экологически без- опасных технологий добычи полезных ископаемых, разработкой методов оптимизации транс- портных систем глубоких карьеров.
- 4. 4 С 2006 года в статусе советника РАН Виктор Леонтьевич выполняет большой объем научно-организационной работы, связанной с руководством и обеспечением ис- следований по программам и проектам Правительства РФ, Президиума РАН, ОНЗ РАН, УрО РАН и многих других. Под его научным руководством выполняется государствен- ное задание по одному из трех направлений исследований – теоретические основы стра- тегии комплексного освоения и создания ресурсосберегающих инновационных техно- логий разработки глубокозалегающих месторождений твердых полезных ископаемых, в котором задействованы 7 из 11 научных подразделений института. Виктор Леонтьевич является идеологом сегодняшней миссии коллектива инсти- тута, которая заключается в фундаментальных исследованиях, базирующихся на прин- ципах системности, комплексности, междисциплинарности и инновационной направ- ленности в области комплексного освоения недр с целью повышения энергоэффектив- ности и обеспечения ресурсосбережения, промышленной и экологической безопасности в горнодобывающей промышленности Уральского региона и России в целом. Им опубликовано более 330 научных трудов, включая 10 монографий и 12 бро- шюр. Виктор Леонтьевич выполняет большой объем организационной работы как членПрезидиума УрО РАН, председатель уставной комиссии, зампредседателя Объединен- ного ученого совета по наукам о Земле УрО РАН, член научного Совета по проблемам гор- ных наук ОНЗ РАН, секции «Геология и горное дело» Комитета по премиям Правительства РФ, председатель комиссий по комплексной проверке институтов горного профиля, член ред- коллегии ряда научно-технических журналов. Онявляется профессором кафедры «Разработка месторождений открытым способом» Уральского государственного горного университета, председателем диссертационного совета при ИГД УрО РАН по защите докторских и кан- дидатских диссертаций. Он неизменный участник и член оргкомитетов различных междуна- родных конференций, председатель конференций и семинаров по проблемам карьерного транспорта. Научная деятельность В.Л. Яковлева отмечена премией им. Н.В. Мельникова за серию работ «Технологические аспекты проблемы комплексного освоения недр», пре- мией УрО РАН им. Л.Д. Шевякова за цикл работ по проблеме «Научные основы форми- рования транспортных систем карьеров при разработке глубокозалегающих месторож- дений», а также «Уральской горной премией». За выдающиеся заслуги и достижения, способствующие эффективному развитию горной промышленности и горных наук, В.Л. Яковлев награжден орденами «Дружбы» и «Почета», тремя медалями, золотым знаком «Горняк России», знаками «Почетный работник угольной промышленности», «Почетный работник топливно-энергетиче- ского комплекса». Он является полным кавалером нагрудного знака «Шахтерская слава». Сердечно поздравляем Виктора Леонтьевича со славным юбилеем, желаем доб- рого здоровья, творческих успехов, счастья и исполнения надежд и желаний! Научный совет РАН по проблемам горных наук, Уральское отделение РАН, Уральское отделение АГН, НП «Горнопромышленники России», НП «Горнопромышленная ассоциация Урала», Институт горного дела УрО РАН, Уральский государственный горный университет
- 5. 5 Содержание Корнилков С.В., Глебов А.В. Член-корреспондент В.Л. Яковлев – от юбилея до юбилея ………………………………………………………………………………………… 7 Яковлев В.Л. Исторический опыт развития научных идей и методологических подходов к обоснованию технологий, параметров горных работ и стратегии освоения недр ……………………………………………………………………… 15 Галкин В.А., Кравчук И.Л., Макаров А. М., Соколовский А. В. Методология сотрудничества Виктора Леонтьевича Яковлева (о принципах и некоторых результатах) ………………………………………………………. 26 Яковлев В.Л., Корнилков С.В., Ван-Ван-Е А.П., Литвинцев В.С., Склярова Г.Ф., Лаврик Н.А. Перспективы комплексного освоения месторождений на основе формирования минерально-сырьевых центров Уральского и Дальневосточного регионов …………………………………………………………………. 38 Корнилков С.В., Рыльков С.А., Шемякин В.С. О поддержании сырьевой базы и основных направлениях инновационного развития медной подотрасли Урала ….……………………………………………………………………………. 46 Ткач С.М., Батугин С.А. Избранные геотехнологические проблемы комплексного освоения недр на современном этапе ………………………………………………………….. 55 Сашурин А.Д., Мельник В.В., Усанов С.В., Балек А.Е. Проблемы безопасности при ликвидации горнодобывающих предприятий …………………………………………… 60 Опарин В.Н., Усольцева О.М., Цой П.А., Семенов В.Н. Об энергетическом подходе к анализу сложных деформационно-волновых процессов в геоматериалах со структурой под нагружением до разрушения ……………………………………………………………….. 66 Трубецкой К.Н., Захаров В.Н., Викторов С. Д., Жариков И.Ф., Закалинский В.М. Взрывное разрушение массивов горных пород при освоении недр ………………………… 80 Ермаков С.А., Бураков А.М. Совершенствование геотехнологий открытой разработки месторождений криолитозоны …………………………………………………………….……. 96 Рыльникова М.В., Радченко Д.Н. Разработка комбинированных геотехнологий полного цикла комплексного освоения месторождений с формированием систем управления потоками природного и техногенного сырья ………………………………………………….. 105 Соколов И.В., Смирнов А.А., Антипин Ю.Г., Гобов Н.В., Барановский К.В., Никитин И.В., Соломеин Ю.М., Рожков А. А. Геотехнологические аспекты стратегии освоения крупных железорудных месторождений ……………………………….. 113 Ческидов В.И., Бобыльский А.С., Резник А.В. Повышение эффективности угледобычи на основе редкометального потенциала углей Сибири………………………………………... 126 Лель Ю.И., Арефьев С.А, Дунаев С.А., Глебов И.А. Развитие идей член-корр. РАН В.Л. Яковлева по учету влияния горнотехнических условий эксплуатации на показатели карьерного автотранспорта .…………………………………………………… 136 Бахтурин Ю.А. Актуальные вопросы железнодорожного транспорта карьеров …..……… 145 Кармаев Г.Д., Берсенёв В.А., Семенкин А.В., Сумина И.Г. Технические и технологические аспекты применения крутонаклонных конвейеров на карьерах………….. 154 Журавлев А.Г. Тенденции развития транспортных систем карьеров с использованием роботизированных машин…………………………………………………. 164
- 6. 6 Лаптев Ю.В., Титов Р.С., Яковлев А.М., Яковлев М.В. Программное обеспечение расчетов оптимальной производительности большегрузного автотранспорта в карьерах ОАО «Ураласбест»……………………………………………………………………………….. 176 Борисков Ф.Ф., Кантемиров В.Д. Экологически безопасные методы рудоподготовки минерального сырья при освоении месторождений Приполярного Урала …………………. 190 Антонинова Н. Ю., Славиковская Ю.О., Шубина Л.А. Оценка геоэкологических рисков при возобновлении эксплуатации месторождений …………………………….......... 197 Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. Эколого-экономическая оценка ущерба гидросфере в районах отрабатываемых и затопленных медноколчеданных рудников Среднего Урала ………………………………………………………………………………….. 206 Шеменев В.Г., Синицын В.А., Меньшиков П.В. Методика экспериментального определения эквивалента работоспособности ЭВВ (нитронита Э-70) по отношению к эталонному ВВ ………………………………………………………..……………………….. 211 Антонов В.А. Достоверность регрессионных моделей в горнотехнологических исследованиях …………………………………………………………………………………… 216
- 7. 7 УДК 622(09) : 001.89 Корнилков Сергей Викторович доктор технических наук, профессор, директор института, Институт горного дела УрО РАН 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 е-mail: kornilkov@igduran.ru Глебов Андрей Валерьевич кандидат технических наук, заместитель директора по научным вопросам, Институт горного дела УрО РАН е-mail: glebov@igduran.ru ЧЛЕН-КОРРЕСПОНДЕНТ В.Л. ЯКОВЛЕВ – ОТ ЮБИЛЕЯ ДО ЮБИЛЕЯ Kornilkov Sergey V. doctor of technical sciences, professor, the director of the Institute, The Institute of mining UB RAS 620219, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58 e-mail: kornilkov@igduran.ru Glebov Andrey V. candidate of technical sciences, deputy-director on scientific problems, The Institute of mining UB RAS e-mail: glebov@igduran.ru CORRESPONDING MEMBER OF RAS V.L. YAKOVLEV – FROM JUBILEE TO JUBILEE Аннотация: Приведено описание научной, научно- организационной и общественной деятельно- сти члена-корреспондента РАН В.Л. Яковлева - известного в России и за рубежом ученого в области стратегии освоения недр и создания ресурсосберегающих технологий добычи полез- ных ископаемых, разработки методов оптими- зации транспортных систем глубоких карье- ров. Ключевые слова: минерально-сырьевая база, комплексные исследования, энерго- и ресурсо- сбережение, инновационные технологии, транспортные системы карьеров Abstract: The description of scientific, organizational and social activities of V.L. Yakovlev, corresponding member of RAS, known in Russia and abroad as a scientist in the field of mineral resources strategy development and creation resource-saving tech- nologies of mining, development procedures of transport systems optimization in deep pits. Key words: mineral-raw material base, integrated researches, energy- and resource saving, innova- tive technologies, open pits’ transport systems Можно много писать о пройденном жизненном пути и заслугах Яковлева Вик- тора Леонтьевича, и в сборниках, посвященных 70- и 75-летию со дня его рождения, мы попытались вкратце изложить его биографию. Кроме того в этих книгах опубликованы высказывания друзей, коллег и учеников Виктора Леонтьевича. Именно поэтому в сборнике, посвященном 80-летию со дня рождения, мы расскажем о коротком, но до- статочно ярком пятилетнем периоде трудовой деятельности В.Л. Яковлева. Научно-исследовательская и организационная деятельность За прошедшие пять лет под руководством В.Л. Яковлева и при непосредствен- ном его участии выполнены:4 проекта по программам Президиума РАН и ОНЗ РАН, 5 проектов Президиума УрО РАН, в том числе в содружестве с институтами СО РАН,ДВО РАН и НАН Белоруссии. Он является бессменным руководителем бюджет- ной тематики по ведущим научным направлениям института– разработке теоретиче- ских основ стратегии освоения и комплексного использования минерально-сырьевых ресурсов и созданию научных основ новых технологий разработки глубокозалегающих месторождений. В результате комплексных исследований получены новые фундаментальные и прикладные результаты, значимые для Уральского региона и страны в целом. Наиболее значимыми стали проекты: - «Научное обоснование и разработка новых методов эффективного и экологиче- ски безопасного освоения природных и техногенных образований Урала» по Програм-
- 8. 8 ме Президиума РАН № 14 (№23 с 2011 года) «Научные основы эффективного природо- пользования, развития минерально-сырьевых ресурсов, освоения новых источников природного и техногенного сырья»; - «Разработка инновационных технологий добычи и рудоподготовки стратегиче- ского минерального сырья на основе геолого-технологической оценки месторождений и техногенных объектов Уральского региона» по Программе Президиума РАН № 27 «Фундаментальный базис инновационных технологий оценки, добычи и глубокой ком- плексной переработки стратегического минерального сырья, необходимого для модер- низации экономики России»; - «Освоение недр Земли: инновационное научно-технологическое развитие гор- но-металлургического комплекса Урала» − междисциплинарный проект Президиума Уральского отделения РАН; - «Формирование горно-транспортных систем карьеров с эколого- и энергоэф- фективной технологией отработки глубокозалегающих месторождений» − интеграци- онный проект с НАН Беларуссии; - «Научные принципы и теоретические основы формирования минерально- сырьевых комплексов и горнопромышленных районов» в рамках интеграции с ДВО РАН. Впервые показано, что прогнозируемое технологическое развитие в горнодобы- вающих отраслях и расширение рудной базы Урала достигается за счет введения сквозных технологий добычи, предварительной рудоподготовки и глубокой комплекс- ной переработки сырья, основанных на выделении технологических типов руд, а также вовлечения в разработку забалансовых запасов. Использование инновационного потен- циала основных процессов горного производства ориентировано на максимальное сни- жение их энергоемкости и ресурсоемкости, для чего при модернизации и реконструк- ции производственных процессов предложено исходить из целенаправленной адапта- ции технологических схем и производственных процессов к меняющимся горно- геологическим и горнотехническим условиям горных работ. На основе систематизированной базы данных объектов минерального сырья Уральского региона выполнена оценка состояния минерально-сырьевой базы по основ- ным рудным полезным ископаемым стратегического значения. Установлено, что в условиях истощения их ресурсов в освоенных регионах Урала перспективы связаны с доразведкой, оценкой и вовлечением в эксплуатацию запасов техногенных образова- ний, а также новых месторождений Полярного Урала. Разработаны инновационные технологические процессы добычи и рудоподготовки с выявлением продуктов, харак- теризующихся накоплением ценных компонентов, пригодных для последующей ком- плексной переработки (рис. 1). Предложены прогрессивные технологии восходящего способа подземной разра- ботки железорудных месторождений с сухой закладкой выработанного пространства, что обеспечивает полную утилизацию отходов горно-обогатительного производства. Обоснована роль эффективной системы обеспечения безопасности производства под- земных горных работ в энерго- и ресурсосбережении за счет снижения уровня риска аварий и травм. Систематизированы условия формирования минерально-сырьевых комплексов горнопромышленных районов с учетом общих принципов и специфических особенно- стей освоения природных объектов минерального сырья Уральского и Дальневосточно- го федеральных округов. На основе установленных закономерностей пространственно- го размещения перспективных минеральных объектов по территориально- геологическому и социально-экономическому факторам выделены для первоочередно- го освоения сырьевые центры добычи. Предложены макрооценочные критерии для оценки перспективности и эффективности вновь осваиваемых месторождений при формировании минерально-сырьевых комплексов.
- 9. 9 Инновационные технологии разведки, добычи и переработки месторождений твердых полезных ископаемых Энергоэффективная комплексная глубокая переработка техногенного сырья Комплексное использование минерального сырья и освоение выпуска новых видов продукции Перспективные инновационные решения в области управления качеством минерального сырья Внедрение современного энергоэффективного оборудования большой единичной мощности Основные направления обеспечения устойчивого развития горного производства Снижение энергоемкости и трудоемкости получения готовой продукции Внедрение инноваций по автоматизированному управлению и контролю за технологическими процессами и работой оборудования Мероприятия по строительству новых объектов и реконструкция действующих производств Рис. 1 – Основные направления обеспечения устойчивого развития горного производства Предложены новые решения в развитии циклично-поточной технологии при от- крытой разработке месторождений, обоснована целесообразность ввода ЦПТ непосред- ственно с начала добычи полезного ископаемого (рис. 2). Рис. 2 – Динамика удельных капитальных затрат и эксплуатационных расходов для комплексов ЦПТ: 1 – с углом наклона ленточных конвейерных подъемников 18°; 2 – то же с углом 45°
- 10. 10 Определены тенденции развития транспортных систем карьеров с учетом при- родно-климатических и горнотехнических условий разрабатываемых и вновь осваивае- мых месторождений, расположенных в удаленных от развитой инфраструктуры райо- нах, на основании которых выявлены направления совершенствования магистрального транспорта и разработаны предварительные технологические и технические требования на создание специализированных многозвенных транспортных средств для эффектив- ной отработки новых месторождений. Для выполнения столь масштабных конкурсных проектов и бюджетных тем гос- ударственного задания под руководством В.Л. Яковлева работает научный коллектив6 лабораторий института из 10, филиал в г. Челябинске. Более 40 % работников, участ- вующих в исследованиях, – молодые ученые в возрасте до 39 лет. К выполнению меж- дисциплинарного проекта привлечено 7 институтов Уральского отделения РАН, такие как Институт металлургии, Институт растений и животных, Институт промышленной экологии, Институт геологии и геохимии. Усилия высококвалифицированного коллектива направлены на обеспечение принципов системности, комплексности, междисциплинарности и инновационной направленности фундаментальных исследований, сформулированных Виктором Леон- тьевичем, применительно к рациональному недропользованию, повышению энергоэф- фективности, обеспечению ресурсосбережения, повышению уровня промышленной и экологической безопасности в горнодобывающей промышленности Уральского регио- на и России в целом. Примером практической реализации указанного подхода являются результаты междисциплинарного проекта, в котором были сформулированы основные цели и задачи горно-металлургического комплекса Уральского региона, дан прогноз инновационного технологического развития горнодобывающих отраслей Свердловской области, обоснованы параметры горно-транспортного оборудования для условий Се- верного и Полярного Урала. Изначально рекомендации вошли составной частью в научно-техническое обоснование Технологической платформы «Твердые полезные ис- копаемые» (ТП «ТПИ»), утвержденной комиссией Правительства РФ. Выполнение проектов по программам Президиума РАН позволило сформиро- вать новые направления исследований. Например, в лаборатории экологии горного производства развиваются исследования, посвященные изучению степени деградации природных экосистем и возможностей применения новейших биотехнологий их эколо- гической реабилитации. Много коллективных работ при непосредственном участии юбиляра направлено на создание ресурсосберегающих экологически безопасных технологий добычи полез- ных ископаемых, разработку методов оптимизации транспортных систем глубоких ка- рьеров, энергосберегающих технологий освоения глубокозалегающих месторождений с применением специальных и специализированных транспортных средств. Усилия В.Л. Яковлева направлены также и на расширение сотрудничества стран Таможенного союза. Под его руководством выполняется целый комплекс работ для Дальневосточного федерального округа и Республики Саха (Якутия), результатом ко- торых стало предложение о создании центров регионального развития. Научная школа карьерного транспорта совместно с Карагандинским государственным техническим университетом продолжает исследования эффективности применения циклично- поточной технологии на карьерах Казахстана и поддерживает тесное сотрудничество с ОАО «БелАЗ» республики Беларусь по созданию перспективных транспортных средств для открытой, подземной и комбинированной отработки месторождений полезных ис- копаемых, в том числе в отдаленных северных регионах и Арктике. Исследовательская деятельность В.Л. Яковлева отражена в научных трудах по- следних лет: 38 публикаций, из которых 2 монографии с соавторами и 16 статей в ре- цензируемых научно-технических журналах горного и экономического профиля. Они в большей степени связаны с разработкой научных основ стратегии освоения недр, изу-
- 11. 11 чением проблемы комплексного освоения недр Земли и новых технологий извлечения полезных компонентов из минерального и техногенного сырья, а также разработкой научных основ системного прогноза освоения месторождений твердых полезных иско- паемых. В последние годы многое посвящено освоению северных территорий Поляр- ного Урала, Якутии, а также Арктического региона. Научно-организационная деятельность Советник РАН В.Л. Яковлев представлял и представляет интересы института в различных правительственных, научных и производственных организациях. Мнение Виктора Леонтьевича как высококвалифицированного специалиста и заинтересованно- го человека высоко ценится на всех уровнях. Как Почетный член Президиума УрО РАН, Председатель уставной комиссии и член совета директоров институтов горного профиля он активно участвует во всех ор- ганизационных мероприятиях по реорганизации Российской академии наук и эффек- тивному переходу в подчинение Федеральному агентству научных организаций (ФАНО). Совет директоров институтов горного профиля РАН Неоценим его вклад в организацию Уральских горнопромышленных форумов, конференций и семинаров. Начиная с 2002 г. в рамках возглавляемой В.Л. Яковлевым научной школы возобновлены и регулярно проводятся международные конференции и семинары по проблемам карьерного транспорта. Он постоянно и активно участвует в ежегодной молодежной конференции по проблемам недропользования в качестве чле- на оргкомитета и обязательно выступает с постановочным докладом на пленарном за- седании. Об активности В.Л. Яковлева можно судить по географии и количеству коман- дировок: с начала 2010 года 27 выездов в Москву, Якутск, Пермь, Новосибирск, Челя- бинск, Миасс, Хабаровск, Салехард. Цели командировок, конечно, разные – от участия в Общем собрании РАН до обсуждения перспектив фундаментальных исследований в рамках конкурсных программ. Например, в Салехарде Виктор Леонтьевич был модера- тором круглого стола «Рациональное природопользование» в рамках выездного засе-
- 12. 12 дания Президиума УрО РАН «Дни уральской науки и инноваций в Ямало-Ненецком автономном округе». Он не только возглавил обсуждение региональных особенностей освоения месторождений полезных ископаемых удаленных малоосвоенных северных территорий, но и сделал доклад на тему «Проблемы разработки месторождений твер- дых полезных ископаемых в арктическом и прилегающих к нему регионах». В ноябре 2010 года распоряжением Полномочного представителя Президента Российской Федерации в Уральском федеральном округе включен в состав экспертного совета при рабочей группе по координации «Комплексного плана по развитию мине- рально-сырьевой базы «Урал Промышленный – Урал Полярный» на 2010 – 2015гг. Большое внимание уделяет В.Л. Яковлев подготовке инженерных и научных кадров, читает научно-методические лекции для аспирантов и молодых ученых по подготовке диссертационных работ в специально созданном в ИГД УрО РАН Научно- образовательном центре «Геотехнология». За прошедший период под его руковод- ством Фефеловым Е.В. защищена кандидатская диссертация на тему: «Обоснование критериев эффективности эксплуатации силовых установок автосамосвалов на глубо- ких карьерах»; Саканцев Г.Г. защитил докторскую диссертацию на тему: «Геотехноло- гические основы внутреннего отвалообразования при разработке глубокозалегающих месторождений ограниченной длины». Кроме этого он является профессором кафедры «Разработка месторождений открытым способом» Уральского государственного горно- го университета, где активно читает лекции, дает консультации бакалаврам и маги- страм, руководит дипломными проектами. Будучи председателем Диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций при ИГД УрО РАН, активно участвует в пропаганде научных знаний. Являясь членом Ученого совета, В.Л. Яковлев не только вносит критические за- мечания, но и активно участвует в формировании подходов к решению многих про- блем, предлагает пути выхода из затруднительных ситуаций. Он никогда не остается безучастным к поставленным перед Ученым советом задачам, всегда выступает с пред- ложениями, одобрением или критикой в рамках обсуждаемых вопросов. При непосредственном участии Виктора Леонтьевича ведется робота по заклю- чению соглашения о взаимном сотрудничестве между Уральским отделением Россий- ской академии наук, Национальной академией Беларуси и Академией наук Республики Саха(Якутия).Предметом данного соглашения является объединение усилий с целью повышения эффективности освоения месторождений твердых полезных ископаемых в малоосвоенных районах Республики Саха (Якутия), формирования энергетических, промышленных и транспортных систем в условиях Крайнего Севера, технологической подготовки территорий, а также разработки и внедрения специализированного гор- но-транспортного оборудования. Общественная деятельность В качестве Председателя Уральского отделения Академии горных наук (УО АГН) и члена Совета НП «Горнопромышленная ассоциация Урала» (Ассоциация) (до 2011 года Президента Ассоциации) В.Л. Яковлев активно способствует консолидации научно-инженерной общественности региона. Ежегодно готовит материалы об итогах и перспективах деятельности УО АГН и выступает с докладами на Высшем горном сове- те, принимает непосредственное участие в Съездах горнопромышленников России. Раз в два года ИГД УрО РАН, УО АГН и Ассоциация организуют Уральский горнопро- мышленный форум и Горнопромышленный съезд, постоянным участником и членом оргкомитета которых является В.Л. Яковлев. С 2006 года он остается бессменным председателем конкурсной комиссии Уральского горнопромышленного форума, а так- же постоянным председателем оргкомитета международной научно-практической кон- ференции «Проблемы карьерного транспорта», проводимой в рамках форума.
- 13. 13 Перед пленарным заседанием с председателем Уральского отделения РАН академиком В.Н. Чарушиным и директором Института металлургии УрО РАН д.т.н. Е.Н. Селивановым (Уральский горнопромышленный форум, 2011 г.) Праздник прославления солнца «Ысыах» на научно-исследовательской базе ИГД УрО РАН (2008 г., пос. Фомино) Участники Уральского горнопромышленного съезда (2011 г.) в Асбесте
- 14. 14 В.Л. Яковлев является членом исполкома общественной организации «Сверд- ловское областное национально-культурное сообщество Саха ”Аан Дойду”», объеди- няющей якутов и представителей других национальностей, отвечает в нем за укрепле- ние межнациональных отношений, сохранение национальной культуры и развитие научных связей, ежегодно приглашает представителей сообщества в ИГД УрО РАН для подведения итогов прошедшего периода. Мы поздравляем юбиляра и желаем продолжения активной и высокопродуктивной де- ятельности во благо России, Урала и коллектива Института!
- 15. 15 УДК 622(09):001.8 Яковлев Виктор Леонтьевич член-корр. РАН, доктор технических наук, профессор, Институт горного дела УрО РАН 620219, Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, д.58, e-mail: yakovlev@igduran.ru ИСТОРИЧЕСКИЙ ОПЫТ РАЗВИТИЯ НАУЧНЫХ ИДЕЙ И МЕТОДОЛОГИЧЕ- СКИХ ПОДХОДОВ К ОБОСНОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЙ, ПАРАМЕТРОВ ГОРНЫХ РАБОТ И СТРАТЕГИИ ОСВОЕНИЯ НЕДР Yakovlev V.L. corresponding member RAS, professor The Institute of Mining, UB RAS 620219, Yekaterinburg, Mamina-Sibiryaka str. 58 e-mail: yakovlev@igduran.ru THE HISTORICAL EXPERIENCE OF THE DEVELOPMENT OF SCIENTIFIC IDEAS AND METHODOLOGICAL APPROACHES TO THE JUSTIFICATION OF TECHNOL- OGY PARAMETERS OF MINING OPERA- TIONS AND STRATEGIES FOR THE DE- VELOPMENT OF MINERAL RESOURCES Аннотация: Проведен анализ истории развития научных идей и методологических подходов к обоснова- нию технологий, параметров горных работ и стратегии освоения недр начиная с основопола- гающих фундаментальных исследований акаде- миков Л.Д. Шевякова, М.И. Агошкова, Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, научных трудов других ученых, охватывающих значительный период становления и развития горного дела и горных наук (1930-1993 гг.). Выделен новый этап выхода горных наук на принципиально новые позиции в понимании предмета, содержания и в целом их идеологии и методологии, изложенной в коллективной мо- нографии «Горные науки. Освоение и сохране- ние недр Земли» (1997г.). Ключевые слова: методология, горные науки, технология, проектирование, освоение недр, стратегия развития горного производства. Abstract: The analysis of the history of scientific ideas and methodological approaches to the justification of technology parameters of mining operations and strategies for the development of mineral resources, starting with the basic fundamental research aca- demics L.D. Shevyakov, M.I. Agoshkov, N.V. Melni- kov, V.V. Rzhevsky scientific works of other schol- ars, covering a considerable period of formation and development of mining and mining sciences (1930-1993). Introduces a new stage exit Mining Sciences to a fundamentally new positions in understanding the subject, content and overall, their ideology and methodology outlined in the collective monograph «Mountain Science. Development and conservation of the Earth» (1997). Keywords: methodology, mining science, technol- ogy, design, development of mineral resources, the development strategy of mining production. За достаточно длительный 300-летний период развития горного дела в России наибольший интерес для изучения исторического опыта развития научных идей, мето- дологических подходов к обоснованию технологий, параметров горных работ и страте- гии освоения недр представляют научные публикации в виде статей, монографий, дис- сертационные работы, а также фактические параметры и технико-экономические пока- затели горных предприятий России и стран СНГ за последние 50-70 лет, т.е. за период от начала перехода к комплексно-механизированным горным предприятиям до современ- ных горно-обогатительных комбинатов с полным циклом технологических процессов горного производства. При написании статьи автор использовал личный опыт познания основ горного дела в годы учебы в Свердловском горном институте (1951 – 1956 гг.), исследование широкого круга проблем освоения недр за годы работы в проектном институте «Уралги- прошахт», работы в ИГД (1962 – 1986 гг. и с 1995 г. по настоящее время (ныне ИГД УрО РАН)), в Институте горного дела Севера СО РАН (г. Якутск, 1986 – 1995 гг.), личное знакомство и сотрудничество со многими выдающимися учеными и специалистами про- ектных институтов и горных предприятий, руководящими работниками министерств и
- 16. 16 ведомств, связанных с вопросами планирования и управления освоением месторождений твердых полезных ископаемых. Безусловно, к числу основополагающих фундаментальных исследований, поло- живших начало обоснования проблем горных наук, следует отнести научные труды ака- демиков Л.Д. Шевякова [75 – 78], М.И. Агошкова [1 – 3], Н.В. Мельникова [40 – 42], В.В. Ржевского [43, 54 – 58], проф. Е.Ф. Шешко [79 – 85], охватывающие значительный пе- риод становления и развития горного дела и горных наук (1930 –1993 гг.). М.И. Агошков одним из первых в своих кандидатской «Метод определения вы- соты этажа при разработке рудных месторождений» (1937 г.) и докторской «Определе- ние производительности рудника» (1946 г.) диссертациях и последующих фундамен- тальных трудах по технике, технологии и экономике рудных месторождений, примене- нию экономико-математических исследований в горном деле, созданию классификации разработки рудных месторождений внес большой вклад в создание научных основ под- земной разработки рудных месторождений [1 –3]. В обоснование приоритетного развития открытых горных разработок, способов вскрытия и систем разработки месторождений, проектирования карьеров, формирование структур комплексной механизации решающий вклад внесли Е.Ф. Шешко, М.Г. Ново- жилов [44 – 49], Н.В. Мельников, В.В. Ржевский, А.И. Арсентьев [5 – 7], В.С. Хохряков [72 – 73] и многие их ученики и последователи. В работе «Научные основы проектирования горных предприятий» (М.: Наука, 1968, с. 5 – 11) Н.В. Мельников указывал, что эффективное использование капитальных вложений при строительстве крупных горно-обогатительных комбинатов черной и цвет- ной металлургии и угольных разрезов возможно «только в том случае, если принимае- мые при проектировании решения будут оптимальными, чего можно достичь, применяя методы экономико-математического моделирования». В книге «Теория и практика открытых разработок» (М.: Недра, 1973, с. 3 – 24) Н.В.Мельников выделил главные тенденции технологии открытых горных работ, в том числе это: – комплексная механизация горных работ и оптимизация параметров оборудова- ния; – преобладающее применение транспортных систем разработки: на угольных раз- резах, железорудных и марганцевых карьерах ее доля составит, соответственно, 75, 98 и 50 %; – увеличатся объемы перевозок такими видами комбинированного транспорта, как автомобильно-железнодорожный и автомобильно-конвейерный; – при разработке скальных пород увеличится доля циклично-поточной техноло- гии с применением автомобильно-конвейерного транспорта и самоходных забойных дробильных агрегатов. В развитие идей Н.В. Мельникова исследования многих научных школ в Москве (ИПКОН РАН, ИГД им. А. А. Скочинского, МГГУ), Екатеринбурге (ИГД УрО РАН), Санкт-Петербурге (СПб ГГИ (ТУ)) и других были направлены на: – создание мощной прогрессивной техники; – решение проблем разрушения горных пород; – внедрение поточной технологии; – создание новых видов транспорта и подъема; – создание новых методов расчета и управления откосами бортов; – обеспечение надлежащих параметров воздушной среды в карьерах; – решение технологических задач комплексного использования ископаемых и уменьшения их потерь и др. К числу важнейших при разработке месторождений относится проблема транс- порта. И здесь уместно отметить заслугу М.В. Васильева [11 – 18], который не только
- 17. 17 обосновал необходимость самостоятельного научного направления «карьерный транс- порт», но и стоял у истоков создания на Урале, в Институте горного дела, организатором и первым директором которого он стал (1962 г.), и развивал научную школу еще при жизни (1908 – 1986 гг.). Было проведено пять Всесоюзных научно-технических конфе- ренций, в работе которых с докладами по широкому кругу проблем карьерного транс- порта принимали участие специалисты не только научных и проектных институтов и ву- зов горного профиля, но и представители горных предприятий, заводов горного и транс- портного машиностроения. Что касается публикации научных трудов, то здесь уместно отметить достаточно широкий круг ученых, начиная со А.О. Спиваковского [60 – 63], М.Г. Потапова [51 – 53], Ю.И. Анистратова [4], В.Л. Яковлева [87,88] и других, чей вклад отмечен в виде ссылок в библиогафических списках отмеченных публикаций. Существенный вклад в обоснование целесообразности применения циклично-по- точной технологии (ЦПТ) при отработке месторождений большой глубины и произво- дительности внесли Н.В. Мельников [42], К.Е. Виницкий [22], Б.В. Фаддеев [71], М.В. Васильев [12,15], А.Н. Шилин [86] и другие ученые. К сожалению, широкого распро- странения на карьерах России, Украины и Казахстана ЦПТ не нашла, хотя объективных причин этого практически не имеется. Весьма важным при открытой разработке сложноструктурных рудных месторож- дений являлось управление качеством, селективная разработка и усреднение руд, где особенно ценен вклад П.Э. Зуркова [28 – 31] и П.П. Бастана [8 –10]. Значительное влияние на эффективность и безопасность открытых горных разра- боток оказывают способы формирования карьерного пространства, его рабочей зоны, а также обоснование устойчивости бортов глубоких карьеров [47]. Период с 1960 по 1970 г. занимает особое место в развитии открытых горных раз- работок. Во-первых, за эти годы резко возросли масштабы работ как в целом по горно- добывающим отраслям, так и по отдельным карьерам. Так, в железорудной промышлен- ности вошли в эксплуатацию и интенсивно развивались такие крупные карьеры, как Со- коловский и Сарбайский в Казахстане, Первомайский, Анновский и Ингулецкий на Украине, Качканарский на Урале, Лебединский, Михайловский и Стойленский в КМА, Оленегорский и Ковдорский на Кольском полуострове, Коршуновский в Сибири. Во- вторых, произошло техническое перевооружение карьеров: на погрузке горной массы наряду с ЭКГ-4 начали применяться экскаваторы ЭКГ-8, на железнодорожном транс- порте осуществлялся переход на электротягу, налажен серийный выпуск автосамосвалов БелАЗ-540. Глубина карьеров была относительно небольшой, ее отрицательное воздей- ствие на усложнение работы транспорта и ухудшение технико-экономических показате- лей не проявлялось. Однако уже к концу 1960-х годов обстановка существенно измени- лась: – на карьерах наметилась тенденция отставания вскрышных работ в сравнении с проектными показателями, к 1978 г. на железорудных карьерах оно составило более 300 млн. м3 , причем основной причиной этого явился транспорт, возникли затруднения со вскрытием глубоких горизонтов; – наблюдалось отставание от проектных показателей производительности труда, себестоимости добычи горной массы; – в проектах многих карьеров (Качканарский, Коршуновский, карьеры Комбината Ураласбест), в том числе и на перспективу, не предусматривалось применение комбини- рованного автомобильного транспорта, хотя научно он был уже обоснован; – на карьерах, где проектом было предусмотрено применение автомобильного транспорта, он эксплуатировался в неоптимальных условиях: слишком велика высота подъема горной массы от забоев до пунктов перегрузки вследствие недостаточного раз- вития железнодорожного транспорта в нижней зоне карьеров и отсутствия к тому вре- мени циклично-поточной технологии.
- 18. 18 На основе изучения и анализа проектов и фактического состояния горных работ наиболее крупных глубоких карьеров с учетом результатов исследований ИГД МЧМ СССР и других исследовательских организаций был сделан вывод о том, что транспорт- ные системы большинства карьеров отстали от темпов развития горных работ, не обес- печивают рациональных условий эксплуатации отдельных видов транспорта и не отве- чают масштабам и условиям ведения горных работ уже в 1970-е годы, а тем более на перспективу [88]. Второй важный вывод был сделан о том, что корни создавшегося положения находятся в сложившемся принципиальном методическом подходе к решению горно- транспортно-экономических задач. Главные его недостатки: – в большинстве проектов решения принимаются на основе оценки вариантов по минимуму приведенных затрат на расчетный год; – при поэтапной разработке месторождений решение основных вопросов горной части проекта недостаточно увязывается с развитием горных работ, а схема вскрытия глубоких горизонтов на конец разработки в большинстве случаев даже не рассматрива- ется. Оценка состояния горных работ на карьере того периода и пути решения транс- портной проблемы глубоких карьеров как необходимой основы эффективной разработки глубокозалегающих месторождений подробно изложены в работах [14,87,88]. В них при- ведены основные положения общей стратегии формирования транспортных систем глу- боких карьеров и на примере ряда железорудных карьеров России, Казахстана и Укра- ины приведен анализ состояния на них горных работ и предложены конкретные решения по развитию их транспортных систем до 1995 г. К сожалению, реализация этих решений в условиях распада СССР не состоялась. Необходимость коренного пересмотра сложившегося к концу 1980-х годов, т.е. практически к распаду СССР, методического подхода к решению широкого круга акту- альных технических, технологических и экономических проблем развития горного про- изводства и горных наук очень ярко изложена в неопубликованной рукописи «Исповеди горного инженера» академика В.В. Ржевского (автор статьи получил ее экземпляр лично от В.В. Ржевского), с учетом и под впечатлением которой в 1987 г. проф., д.т.н. В.С. Хохряков (в то время завкафедрой Свердловского горного института) и д.т.н. В.Л. Яко- влев (в то время директор ИГДС СО РАН) подготовили, но также не опубликовали ста- тью «Проблемы горных наук»; краткое изложение ее основных положений дано ниже. Прогнозировалось, что развитие горного производства на ближайшие 15 – 20 лет будет характеризоваться: 1) относительной стабильностью объемов и размещения основных объектов гор- ного производства, однако в связи с необходимостью существенного повышения его эф- фективности требуется интенсификация, увеличение производительности труда в 2-3 раза и снижение удельных затрат на единицу конечной продукции. К сожалению, этот прогноз не оправдался; 2) существенным повышением актуальности проблем рационального использова- ния минеральных ресурсов и охраны окружающей среды, освоением техногенных ме- сторождений, комплексным использованием недр. Реализация этих прогнозов оказалась сдвинутой на 20 лет по совокупности причин политического и социально-экономиче- ского характера. Авторы статьи отметили, что для решения задач интенсификации и повышения эффективности горного производства необходим переход на уровень наукоемкого про- изводства. При этом было выделено две группы научных проблем. К первой группе от- носятся задачи совершенствования отдельных технологических процессов, ко второй – выбор стратегии развития горного производства, способов вскрытия месторождений и систем их разработки в условиях непрерывного увеличения глубины карьеров и шахт.
- 19. 19 К сожалению, сложившаяся за последние десятилетия дислокация научных сил такова, что, вероятно, более 80-90 % всех научных сотрудников исследовательских ин- ститутов горного профиля направлены на решение задач первой группы, тогда как на исследованиях фундаментальных вопросов развития горного производства (следовало бы сказать – освоения недр, но об этом речь ниже) занято лишь несколько исследова- тельских групп. Хотя уже тогда было ясно, что есть широкий круг проблемных вопросов, определяющих долговременную стратегию развития горного производства: – разработка генеральных схем размещения и развития подотраслей горнодобы- вающей промышленности; – этапность развития отдельных горнодобывающих и перерабатывающих пред- приятий; – способы разработки конкретных месторождений, границы открытых и подзем- ных горных работ; – способы вскрытия месторождений и последовательность формирования их транспортных систем от начала и до конца разработки; – системы и технологии горных работ дифференцированно для различных по глу- бине и физико-механическим свойствам горных пород зон и участков месторождений и др. Для решения такого уровня задач научно-технического прогресса необходим пе- реход на новый качественный уровень, на промышленные автоматизированные системы как в производственной сфере – в проектировании, планировании и управлении горными работами, так и в научных исследованиях, ибо месторождения полезных ископаемых и горные предприятия являются сложными многофакторными эколого-технологическими комплексами, развивающимися в течение длительного времени (20-25 и более лет) в про- странстве и характеризующимися как объекты исследования управления большим мас- сивом информации – геологической, геометрической, экологической, технической, тех- нологической, экономической, находящихся в сложной взаимосвязи. Уже тогда отмечалось, что возрастет уровень математического моделирования и программного обеспечения, при котором вычислительную технику становится возмож- ным рассматривать не только как эффективное средство многовариантных расчетов, но и как инструмент новой технологии научного исследования – вычислительного экспери- мента в горной науке. Это дало авторам статьи основание утверждать, что революцион- ные шаги в горной науке не только необходимы, но и возможны и что практически уже происходят. В качестве дальнейших практических шагов реализации нового методологиче- ского подхода к решению проблем горного производства предлагалось рассмотреть их на представительном научном форуме, для организации и проведения которого целесо- образно создание оргкомитета (инициативной группы) во главе с ведущими учеными (назывались имена нескольких академиков), но реализации этих планов помешали собы- тия на рубеже веков. И лишь в 1997 г., когда в сравнении с 1990 г. объемы добычи железных и марган- цевых руд в России и, особенно, в Казахстане и на Украине упали на ряде горных пред- приятий в 1,5-2 раза, коллектив в составе 39 ученых Российской академии наук, Акаде- мии горных наук, Российской академии естественных наук и Международной горной академии под редакцией академика К.Н. Трубецкого в Издательстве Академии горных наук опубликовали монографию, в которой были систематизированы ресурсы недр Земли, приведена новая классификация горных наук как системы знаний об освоении и сохранении недр, объединенные в 4 группы: горное недроведение, горная системология, геотехнология и обогащение полезных ископаемых. Вице-президент Российской акаде- мии наук Н.П. Лаверов отметил в своей оценке, что «данная книга представляет собой необычный научный труд, … выход наук на принципиально новые позиции в понимании предмета, содержания и в целом их идеологии и методологии» [65].
- 20. 20 Кстати, именно в июле 1997г. начался рост объемов добычи основных видов ми- нерального сырья, и, в частности, железной руды в России в 2012 г. было добыто 295,6 млн.т, в Казахстане 45,6, на Украине 60,0, что в сравнении с 1990 г. составляет, соответ- ственно, 112,3; 86,6 и 72,8 %. Решающий вклад в постановку и обоснование направлений и способов комплекс- ного освоения недр внесли, особенно с организацией ИПКОН, академики Н.В. Мельни- ков, М.И. Агошков, К.Н. Трубецкой, В.А. Чантурия, член-корр. Д.Р. Каплунов, особенно в последние годы с организацией в РАН программ фундаментальных исследований Пре- зидиума РАН и ОНЗ РАН [65 – 67], когда в состав руководителей и исполнителей про- ектов стали привлекаться представители практически всех институтов горного профиля и других отделений РАН. При исследовании в области освоения недр новый методологический подход ре- ализуется на основе совокупного использования принципов: системности – раскрытия основных правил исследования, эксплуатации или освоения минерального объекта, вы- явления многообразных типов внешних и внутренних связей, влияющих на построение обобщенной модели его отработки; комплексности – исследования не только явлений и процессов разработки, но и возможности наиболее полного использования всех компо- нентов минерального сырья, освоения и развития территорий и регионов и пр.; междис- циплинарности – объединения усилий в смежных областях научных знаний для разно- сторонней и эффективной оценки полезного эффекта и поиска нетрадиционных подхо- дов к использованию богатств недр; инновационной направленности – обязательного требования, призванного обеспечить материализованный результат, получаемый от вло- жения средств в научные исследования, новую технику или технологию, в новые формы организации производства, труда, управления и т.п. [92]. Предпринятые в последние годы в Российской академии наук меры по укрупне- нию бюджетной тематики в институтах, концентрации усилий ученых на наиболее акту- альных научных направлениях, введению конкурсного принципа проведения фундамен- тальных научных исследований по программам РАН и ее отделений потребовали при- менения принципиально новых методологических подходов. Примером здесь могут слу- жить программы Президиума РАН, Отделения наук о Земле, интеграционные проекты с институтами горного профиля УрО РАН, СО РАН и ДВО РАН. В выполнении междисциплинарного проекта «Освоение недр Земли: перспек- тивы расширения и комплексного освоения рудной минерально-сырьевой базы горно- металлургического комплекса Урала», координируемого Институтом горного дела при- нимают участие институты геологии и геохимии, геофизики, металлургии, промышлен- ной экологии, экологии растений и животных, Ботанический сад. Результаты исследований публикуются в статьях и монографиях, в том числе и коллективных, в которых отражены современные оценки состояния, инновационные ре- шения и перспективы развития горных наук и освоения недр [27, 42, 65, 69, 89 – 92]. Резюме 1. При выделении круга ученых, чей вклад в создание научных основ освоения недр, способов разработки месторождений, постановки проблем развития горного дела и горных наук, а также методов их решения укладывается в понятие «методология науч- ного познания – учения о принципах построения, формах и способах научно-познава- тельной деятельности». Автор статьи не претендует на полноту учета ученых, внесших вклад в решение отмеченных проблем, он счел возможным ограничиться кругом ученых, с которыми был лично знаком, а не только с их научными трудами и участием в различного рода конфе- ренциях, совещаниях, ученых советах, за исключением Л.Д. Шевякова, который является общепризнанным ученым, его 120-летие отмечали на XXXI Уральском горнопромыш- ленном съезде (2009 г.) и Е.Ф. Шешко – его вклад в историю становления и развития научных основ открытых горных разработок несомненен.
- 21. 21 2. Россия занимает одно из ведущих мест в мире по минерально-сырьевому по- тенциалу, который оценивается как достаточный для проведения независимой и эффек- тивной экономической политики и обеспечения национальной безопасности. Методологический и научно-технический потенциал ученых и специалистов гор- ного дела может и должен быть использован государством для выработки долгосрочной стратегии освоения недр. Литература 1. Агошков М.И. Научные основы оценки экономических последствий потерь полезных ископаемых при разработке месторождений / М.И. Агошков. - М.: АН СССР ИФЗ, 1972. – 150 с. 2. Агошков М.И. Разработка рудных месторождений / М.И. Агошков. 1- 3-е изд., - Свердловск - М.: Металлургиздат, 1945 - 1954. ( 1-е изд. - 462 с.; 2-е изд. - 808 с.; 3-е изд. – 616 с.) 3. Агошков М.И. Определение производительности рудника / М.И. Агошков. - М.: Металлургиздат, 1948. – 272 с. 4. Анистратов Ю.И. Исследование технологических грузопотоков на карьерах со скальными породами: автореф. дис. … д-ра техн. наук / Ю.И. Анистратов; МГИ. - М., 1970. – 42 с. 5. Арсентьев А.И. Вскрытие и системы разработки карьерных полей / А.И. Ар- сентьев. - М.: Недра, 1981. – 278 с. 6. Арсентьев А.И. Определение производительности и границ карьеров/ А.И. Арсентьев. - 2-е изд., перераб. и доп.. - М.: Недра, 1970. - 319 с.-( 1 - е изд. - М.: Госгортехиздат, 1961. – 243 с.). 7. Арсентьев А.И. Законы формирования рабочей зоны карьера: учеб. пособ. / А.И. Арсентьев. - Л.:ЛГИ, 1986. – 52 с. 8. Бастан П.П. Смешивание и сортировка руд / П.П. Бастан, Н.К. Костина. - М.: Недра, 1990. – 167 с. 9. Бастан П.П. Теория и практика усреднения руд / П.П. Бастан, Е.И. Азбель, Е.И. Ключкин. - М.: Недра, 1979. – 255 с. 10. Бастан П.П. Усреднение руд на горно-обогатительных предприятиях / П.П. Бастан, Н.Н. Болошин. - М.: Недра, 1981. – 280 с. 11. Васильев М.В. Карьерный транспорт / М.В. Васильев. - Свердловск - М.: Ме- таллургиздат, 1949. – 244 с. 12. Васильев М.В. Создание поточной технологии и техники для добычи полез- ных ископаемых в скальных породах: материалы к науч.-техн. конф. по вопросам созда- ния предприятий будущего по добыче полезных ископаемых открытым способом / М.В. Васильев. – М.: Научный совет по проблеме Новые процессы и способы производства работ в горном деле Гос. комитета Совмина СССР по науке и технике, 1972. – 26 с. 13. Васильев М.В. Комбинированный транспорт на карьерах / М.В. Васильев. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Недра, 1975. – 360 с. 14. Васильев М.В. Научные основы проектирования карьерного транспорта / М.В. Васильев, В.Л. Яковлев; под ред. Н.В. Мельникова. - М.: Наука , 1972. – 202 с. 15. Васильев М.В. Опыт и проблемы внедрения ЦПТ на рудных карьерах. / М.В. Васильев, А.Г. Сисин. – М.: Черметинформация, 1979. – 20 с. 16. Васильев М.В. Основные вопросы развития открытых разработок с автомо- бильным транспортом: автореф. дис. … д-ра техн. наук / М.В. Васильев; ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1961. – 37 с. 17. Васильев М.В. Современный карьерный транспорт / М.В. Васильев. - 2-е изд., перераб. - М.: Недра, 1969. – 304 с. 18. Васильев М.В. Транспорт глубоких карьеров / М.В. Васильев. - М.: Недра, 1983. - 295 с.
- 22. 22 19. Виницкий К.Е. Исследование технологических основ оптимизации парамет- ров систем открытой разработки месторождений и основного оборудования: автореф. дис. … д-ра техн. наук / К.Е. Виницкий; ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1971. – 35 с. 20. Виницкий К.Е. Параметры систем открытой разработки месторождений / К.Е. Виницкий. - М.: Недра, 1966. – 263 с. 21. Виницкий К.Е. Применение математических методов при проектировании карьеров: обзор/ К.Е. Виницкий, Э.И. Реентович. - М.: ЦНИЭИуголь, 1968. – 113 с. 22. Виницкий К.Е. Оптимизация технологических процессов на открытых разра- ботках / К.Е. Виницкий. - М.: Недра, 1976. – 280 с. 23. Виницкий К.Е. Управление параметрами технологических процессов на от- крытых разработках / К.Е. Виницкий. - М.: Недра, 1984. – 237 с. 24. Геотехнологическая оценка минерально-сырьевой базы России / под ред. К.Н. Трубецкого, В.А. Чантурия, Д.Р. Каплунова. – М., 2008. – 464 с. 25. Глубокие карьеры: сб. докл. Всеросс. науч.-техн. конф. с междунар. участием 18-22 июня 2012г. / Горный институт КНЦ РАН. – Апатиты - СПб. [б. и.], 2012. – 488 с. 26. Горное дело в Арктике: труды 8-го международного симпозиума «Горное дело в Арктике», Апатиты, 20-23 июня 2005г.; под. ред. Н.Н. Мельникова, С.П. Решет- няка. – СПб., 2005 – 304 с. 27. Дизель-троллейвозный транспорт на карьерах/ В.Л. Яковлев, В.П. Смирнов, Ю.И. Лель, Э.В. Горшков. - Новосибирск: Наука , 1991. – 104 с. 28. Зурков П.Э. Основные вопросы открытой разработки железных руд сложного состава: Автореф. дис. … д-ра техн. наук/ П. Э. Зурков; ИГД АН СССР. - М., 1958. – 43 с. 29. Зурков П.Э. Открытые разработки / П. Э. Зурков. - Свердловск - М.: Метал- лургиздат, 1941. – 308 с. 30. Зурков П.Э. Разработка рудных месторождений открытым способом / П.Э. Зурков. - Свердловск - М.: Металлургиздат, 1953. – 527 с. 31. Зурков П.Э. Цикличность в горнорудной промышленности / П.Э. Зурков. - Свердловск - М.: Металлургиздат , 1940. – 182 с. 32. Каплунов Д.Р. Особенности проектирования подземных рудников в системе комплексного освоения месторождений / Д.Р. Каплунов, Б.В. Болотов. - М.: ИПКОН, 1988. – 178 с. 33. Каплунов Д.Р. Комбинированная геотехнология / Д.Р. Каплунов, В.Н. Калмы- ков, М.В. Рыльникова. – М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003. – 560 с. 34. Каплунов Д.Р. Развитие производственной мощности подземных рудников при техническом перевооружении / Д.Р. Каплунов; под ред. М.И. Агошкова. - М.: Наука, 1989. – 262 с. 35. Каплунов Д.Р. Стабилизация качества руды при подземной добыче / Д.Р. Кап- лунов, И. А. Манилов. - М.: Недра, 1983. – 236 с. 36. Комплексное освоение минерально-сырьевых ресурсов: сб. ст./ Ред. К.Н. Трубецкой. - М.: ИПКОН, 1989. – 207 с. 37. Комплексное освоение рудных месторождений: проектирование и техноло- гия подземной разработки/ Д.Р. Каплунов и др. - М.: ИПКОН РАН, 1998. – 383 с. 38. Особенности формирования горнопромышленных комплексов Дальнево- сточного и Уральского регионов / С.В. Корнилков, В.Л. Яковлев, Ю.А. Мамаев, А.П. Ван-Ван-Е. // Изв. вузов.Горный журнал. - 2012. - №6. – С. 4-11. 39. Корнилков С.В. Управление рабочей зоной действующих и проектируемых глубоких карьеров: автореф. дис. … д-ра техн. наук / С. В. Корнилков; УГГГА. - Екате- ринбург, 1997. – 34 с. 40. Мельников Н.В. Пути развития горной науки и техники и задачи техниче- ского прогресса в горной промышленности / Н.В. Мельников. –: Наука, 1967.
- 23. 23 41. Мельников Н.В. Открытая разработка месторождений / Н.В. Мельников // Из- бранные труды. – М.: Наука, 1985. 42. Мельников Н.В. Основы поточной технологии открытой разработки место- рождений (Освоение железорудных месторождений Кустаная) / Н. В. Мельников, К.Е. Виницкий, М.Г. Потапов. - М.: Изд - во АН СССР, 1962. – 175 с. 43. Научные основы проектирования карьеров / ред. В.В. Ржевский. - М.: Недра, 1971. – 598 с. 44. Новожилов М.Г. Открытые горные работы: учеб. пособие / М.Г. Новожи-лов. - М.: Госгортехиздат, 1961. – 475 с. 45. Новожилов М.Г. Глубокие карьеры / М.Г. Новожилов, В.Г. Селянин, А.Е. Троп. - М.: Госгортехиздат, 1962. – 276 с. 46. Новожилов М.Г. Новая технология открытой разработки месторождений по- лезных ископаемых / М. Г. Новожилов, В. Г. Селянин, Б. Н. Тартаковский. - Киев: Гос- техиздат УССР, 1961. – 206 с. 47. Новожилов М.Г. Основные вопросы открытой разработки месторождений на больших глубинах: автореф. дис. … д-ра техн. наук / М. Г. Новожилов; СГИ. - Сверд- ловск, 1954. – 31 с. 48. Новожилов М.Г. Поточная технология открытой разработки месторождений: Теоретические основы / М. Г. Новожилов, Б. Н. Тартаковский, В. С. Эскин; Институт механики АН УССР. Днепропетровский фил. - Киев: Наукова думка, 1965. – 249 с. 49. Новожилов М.Г. Проектирование технологии строительства карьеров при применении техники непрерывного действия / М. Г. Новожилов, Б. Н. Тартаковский, М. И. Барсуков; АН УССР. Днепропетровский фил. Института механики. - М.: Наука, 1965. – 112 с. 50. Попов С.И. Устойчивость бортов рудных карьеров: автореф. дис. … д-ра техн. наук / С. И. Попов; МГИ. - М., 1960. – 46 с. 51. Потапов М.Г. Исследование технологических схем и параметров оборудова- ния транспорта на открытых горных разработках: автореф. дис. … д-ра техн. наук/ М.Г. Потапов; ИГД им. А. А. Скочинского. - М., 1971. – 46 с. 52. Потапов М.Г. Карьерный транспорт / М. Г. Потапов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1985. – 239 с. 53. Проектирование, планирование и управление производством на карьерах по- средством ЭВМ / Ред. В.В. Ржевский. - М., 1966. – 238 с. 54. Ржевский В.В. Технология и комплексная механизация открытых горных ра- бот : учебник / В.В. Ржевский .- 3-е изд., перераб. и доп. – 1968. - М.: Недра, 1980. – 631 с. 55. Ржевский В.В. Исследование режима горных работ карьера: автореф. дис. … д-ра техн. наук / В.В. Ржевский; МГИ. - М., 1955. – 40 с. 56. Ржевский В.В. Проектирование контуров карьеров / В.В. Ржевский ; ред. Е.Ф. Шешко. - М.: Металлургиздат, 1956. – 230 с. 57. Ржевский В.В. Проблемы горной промышленности и комплекса горных наук / В. В. Ржевский. - М.: МГИ, 1991. – 242 с. 58. Ржевский В.В. Физико-технические параметры горных пород / В. В. Ржев- ский. - М.: Наука, 1975. – 212 с. 59. Симкин Б.А. Теория горно-геометрического проектирования карьеров / Б.А. Симкин, Ю. К. Шкута ; ред. М. И. Агошков; ИПКОН АН СССР. - М.: Наука, 1986. – 90 с. 60. Спиваковский А.О. Карьерный конвейерный транспорт / А.О. Спиваковский, М. Г. Потапов, Г. В. Приседский. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1979. – 264 с. 61. Спиваковский А.О. Специальные транспортирующие устройства в горнодо- бывающей промышленности / А. О. Спиваковский, И. Ф. Гончаревич. - М.: Недра, 1985. – 128 с.
- 24. 24 62. Спиваковский А.О. Транспорт в горном деле / А.О. Спиваковский; АН СССР. - М.: Наука , 1985. – 127 с. 63. Спиваковский А.О. Транспортные машины и комплексы открытых горных разработок: учебник / А.О. Спиваковский, М.Г. Потапов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1983. – 383 с. 64. Технико-экономические показатели горных предприятий за 1990 – 2012 гг. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2013. – 361 с. 65. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / К.Н. Трубецкой, Ю.Н. Малышев, Л.А. Пучков, Н. Н. Чаплыгин, Д. Р. Каплунов, Б.А. Картозия, В.А. Чантурия, В. С. Ямщиков, В.М. Авдохин, В.В. Адушкин, В.Ж. Аренс, А.С. Астахов, А.О. Баранов, Ю. В. Бубис, С. Д. Викторов, А. М. Гальперин, А.П. Дмитриев, Ю.Д. Дядь- кин, М. А. Иофис, Е. А. Котенко, Г.Д. Краснов, С.В. Кузнецов, М.В. Курленя, Б. Н. Ку- тузов, Г. Г. Ломоносов, Е. П. Максимова, Н.Н. Мельников, Е. В. Петренко, В.Н. Родио- нов, А.В. Стариков, А.И. Тимченко, В.С. Хохряков, Ю.Л. Худин, Э.Г. Чайковский, В.И. Шубодеров, С.И. Шумков, Т.С. Юсупов, В.Л. Яковлев, Д.В. Яковлев. – М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. – 478 с. 66. Комплексное освоение месторождений / К.Н. Трубецкой, В.А. Чантурия, Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова. – М.: Наука, 2010. – 437 с. 67. Трубецкой К.Н. Комплексы мобильного оборудования на открытых горных работах / К. Н. Трубецкой, Е.Р. Леонов, Ю.Б. Панкевич. - М.: Недра, 1990. – 254 с. 68. Трубецкой К.Н. Проектирование карьеров: учебник для вузов: в 2- х томах / К.Н. Трубецкой, Г. Л. Краснянский, В.В. Хронин. - 2-е изд., перераб. и доп.. - М.: Изд - во АГН, 2001. - Т. 1. - 519 с. Т. 2. – 535 с. 69. Трубецкой К.Н. О новых подходах к обеспечению устойчивого развития гор- ного производства / К.Н. Трубецкой, С.В. Корнилков, В Л. Яковлев // Горный журнал. - 2012 - №1. – С. 15-19. 70. Трубецкой К.Н. Современные системы управления горно-транспортными комплексами. / К.Н. Трубецкой, А.А. Кулешов, А.Ф. Клебанов, Д.Я. Владимиров. – СПб.: Наука, 2007. – 306 с. 71. Фаддеев Б.В. Исследование применения конвейерного транспорта на горных работах для улучшения экономичности разработки месторождений: Дис. … д-ра техн. наук/ Б.В. Фаддеев ; ИГД МЧМ СССР. - Свердловск, 1966. – 403 с. 72. Хохряков В.С. Исследование этапов развития и экономичности открытых горных работ в глубоких карьерах: автореф. дис. … д-ра техн. наук / В.С. Хохряков; МИРЭиГЭМ. - М., 1968. – 32 с. 73. Хохряков В.С. Проектирование и организация работы карьерного автотранс- порта / В.С. Хохряков. - М.: Госгортехиздат, 1963. – 167 с. 74. Шевяков Л.Д. Избранные труды: в 2 т.: Т. 1. [ Избранное]. - Т. 2. Разработка месторождений полезных ископаемых. История горной науки / Л.Д. Шевяков. - М.: Наука, 1968. - Т.1. – 276 с.; Т.2. – 203с. 75. Шевяков Л.Д. Основы теории проектирования угольных шахт / Л.Д. Шевяков. - М. - Л.: Углетехиздат, 1950. – 324 с. 76. Шевяков Л.Д. Разработка месторождений полезных ископаемых.- 3-е изд., исп. и доп. / Л.Д. Шевяков. - Харьков - Киев: Вугилля и руда, 1933. – 690 с. 77. Шевяков Л.Д. Сборник статей по горному искусству: вып.1 Статьи аналити- ческие и расчетные: 2-е изд., знач. доп. / Л. Д. Шевяков. - М.: Союзуголь, 1930. – 264 с. 78. Шевяков Л.Д. Сборник статей по горному искусству: вып.1-2 / Л.Д. Шевя- ков. - М.: Союзуголь, 1930-1933. - Вып.1. 1930. - 267с.; Вып.2. - 1933. – 192с. 79. Шешко Е.Ф. Техника открытой угледобычи (заграницей)/ Е. Ф. Шешко. - М.: Углетехиздат, 1947. – 100 с.
- 25. 25 80. Шешко Е.Ф. Вскрытие и системы открытой разработки месторождений по- лезных ископаемых : автореф. дис. … д-ра техн. наук/ Е. Ф. Шешко; ИГД АН СССР. - М., 1950. – 29 с. 81. Шешко Е.Ф. Основы проектирования карьеров: учебное пособие / Е.Ф. Шешко, В.В. Ржевский. - М.: Углетехиздат, 1958. – 355 с. 82. Шешко Е.Ф. Основы проектирования карьеров: учебное пособие / Е.Ф. Шешко, В. В. Ржевский. - М.: Углетехиздат, 1958. – 355 с. 83. Шешко Е.Ф. Основы проектирования угольных карьеров / Е.Ф. Шешко. - М.- Л.: Углетехиздат, 1950. – 223 с. 84. Шешко Е.Ф. Основы теории вскрытия карьерных полей / Е.Ф. Шешко. - М. - Л.: Углетехиздат, 1953. – 216 с. 85. Шешко Е.Ф. Открытые горные работы: учебное пособие для горных втузов / Е.Ф. Шешко. - М. - Л.: Гостоптехиздат, 1940. – 395 с. 86. Шилин А.Н. Исследование открытой разработки скальных пород и руд с применением конвейерного транспорта: дис. … д-ра техн. наук / А.Н. Шилин ; ИГД МЧМ СССР. - Свердловск, 1972. – 359 с. 87. Яковлев В.Л. Теоретические основы выбора транспорта рудных карьеров: дис. … д-ра техн. наук / В.Л. Яковлев; ИГД МЧМ СССР. - Свердловск, 1978. - 421 с. 88. Яковлев В. Л. Теория и практика выбора транспорта глубоких карьеров / В.Л. Яковлев; Институт горного дела Севера СО АН СССР. - Новосибирск: Наука СО, 1989. – 238 с. 89. Яковлев В.Л. Границы карьеров при проектировании сложноструктурных ме- сторождений / В. Л. Яковлев, М. Г. Саканцев, Г. Г. Саканцев. – Екатеринбург: УрО РАН, 2009. – 302 с. 90. Яковлев В.Л. Методологические аспекты стратегии освоения минеральных ресурсов / В. Л. Яковлев, А. В. Гальянов. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2001. – 152 с. 91. Яковлев В.Л. Основы стратегии освоения минеральных ресурсов Урала / В.Л. Яковлев, С.И. Бурыкин, Н.Л. Стахеев. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1999. – 278 с. 92. Яковлев В.Л. Методологические особенности освоения недр на современном этапе / В. Л. Яковлев, С. В. Корнилков // Вестник УрО РАН. Наука. Общество. Человек. - 2013 – № 4. – С. 43 – 49. 93. Яковлев. В.Л. Состояние, проблемы и перспективы развития горнодобываю- щей промышленности России и стран СНГ/ В.Л. Яковлев // Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения): в 4 т.: т. 4: доклады международной конферен- ции. 6-10 июля 1998г. / ИГД УрО РАН. – Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – С. 3-36.
- 26. 26 УДК 001.8 Галкин Владимир Алексеевич доктор технических наук, профессор, председатель правления, ООО «НИИОГР», 454080, г. Челябинск, пр. В.И. Ленина, 83, e-mail: niiogr@bk.ru Кравчук Игорь Леонидович доктор технических наук, директор по безопасности горного производства, ООО «НИИОГР» Макаров Александр Михайлович доктор технических наук, профессор, исполнительный директор, ООО «НИИОГР» Соколовский Александр Валентинович доктор технических наук, директор по технологии горного производства, ООО «НИИОГР» МЕТОДОЛОГИЯ СОТРУДНИЧЕСТВА ВИКТОРА ЛЕОНТЬЕВИЧА ЯКОВЛЕВА (о принципах и некоторых результатах) Galkin Vladimir A. doctor of technical sciences, professor, the chairman of the Board, JSC "NIIOGR", 454080, Chelyabinsk, Lenin pr. 83 e-mail: niiogr@bk.ru Kravchuk, Igor L. doctor of technical sciences, director on the security of mining production, JSC "NIIOGR". Makarov Alexander V. doctor of technical sciences, professor, executive director, JSC "NIIOGR" Sokolov Alexander V. doctor of technical sciences, director on technology of mining production, JSC "NIIOGR" THE METHODOLOGY OF VICTOR LEONTIEVICH YAKOVLEV’S COOPERATION (the principles and some of the results) Аннотация: В статье представлены жизненные принципы В.Л. Яковлева, на основе которых он активно и продуктивно сотрудничает с различными науч- ными и производственными организациями. Представлена сущность двух докторских дис- сертаций, в которых В.Л. Яковлев был научным консультантом. Ключевые слова: жизненные принципы, эффек- тивное сотрудничество, методология Abstract: The article presents the principles of V.L.Yakovlev’s life on the basis of which he actively collaborates with various academic and industrial organizations. The essence of two doctoral theses, in which V.L. Yakovlev was a scientific consultant is presented. Key words: life principles for effective collabora- tion, methodology, Yakovlev V.L. Виктор Леонтьевич Яковлев – настоящий, весьма успешный ученый и руководи- тель. И достичь этого ему удалось благодаря эффективному сотрудничеству. Основы своего кредо в этом отношении Виктор Леонтьевич выразил в интервью, данном по случаю подготовки сборника «Элита НИИОГР». Вопрос: Что Вы больше всего цените в людях, с которыми приходится общаться, в том числе с теми, кто находится на разных уровнях иерархической (карьерной) лестницы? Ответ: Здесь я выделяю три основных сегмента: - научно-методический, творческий потенциал человека, без чего невозможно стать ученым, изобретателем, генератором идей;
- 27. 27 - широкая эрудиция, системность мышления, организаторские способности, умение видеть проблему, найти путь ее решения, наличие лидерских качеств, способ- ность организовать коллектив на реализацию предложенного пути решения проблемы, без чего невозможно быть руководителем высокого уровня; - высоконравственные человеческие качества: честность, порядочность, спра- ведливость, уважительное отношение к людям, в том числе к коллегам, доступность и простота в общении с людьми разного социального статуса, без чего невозможно до- биться глубокого уважения и дружеского расположения тех, кто руководствуется в жизни подобными нравственными принципами. Вопрос: Что Вы вкладываете в понятие «элита» и каким надо быть, чтобы не стыдно было таковым себя считать? Ответ: Каждый коллектив учреждения, организации, сообщества вправе причислять к элите своего круга лиц, объединенных решением важных, актуальных для коллектива проблем, вложивших своим умом, талантом, личным участием достойный вклад в ста- новление и развитие коллектива. И чтобы войти в нее нужно долго, упорно, настойчиво, толково и сообща трудиться, получая удовольствие от своего развития, развития ор- ганизации и дела, которому служишь. Вопрос: Виктор Леонтьевич, уже многие годы Вы не только поддерживаете всесто- ронние связи с коллективом НИИОГР, но и активно участвуете в различного рода мероприятиях, направлениях и формах его деятельности и жизни. Вам это надо? Ответ: Действительно, наши связи и мое всестороннее участие в жизни коллектива НИИОГР имеет длительную историю и разнообразные формы. В истории развития НИИОГР мне импонируют два аспекта: во-первых, адаптацион- ные возможности к изменяющимся условиям функционирования, организационные пре- образования, которые представляются мне достаточно продуманными, своевремен- ными и эффективными; во-вторых, мне импонирует присущий вашему коллективу дух творческого взаимодействия не только с коллегами по работе, но и с широким кругом так называемых «штучных специалистов» из числа ученых, работников производства, проектных институтов и, естественно, инновационная направленность исследований. С годами у меня сформировалась обида за г. Челябинск, в котором нет ни одного академического института, в отличие от многих других менее в социально-экономиче- ском плане значимых городов или близких (Якутск, Иркутск, Хабаровск, Улан-Уде, Томск, Архангельск, Сыктывкар, Ижевск, Пермь, Оренбург и др.), где по 2-3, а то и 5- 10 институтов РАН, не говоря уже о Новосибирске и Екатеринбурге, где расположены Президиумы региональных отделений РАН. Так что организация на базе НИИОГР филиала ИГД УрО РАН явилась для меня принципиально значимой. Сформированные В.Л. Яковлевым принципы сотрудничества позволили во взаи- модействии с ним выполнить две очень важные для нашего рыночного развития доктор- ские диссертации: Виталия Лазаревича Могилата и Александра Валентиновича Соколов- ского. Важность этих диссертаций определяется тем, что в первой удалось выявить и описать закономерность развития опасных ситуаций в горном деле согласно графику ка- тастроф, во второй – закономерность технологического развития действующего карьера (разреза). Полученные результаты позволили нашей организации методологически выйти на качественно другой уровень понимания управления безопасностью производ- ственных процессов и проектирования развития действующего карьера. Считаем целе- сообразным привести сущность обеих работ.
- 28. 28 Развитие методологии обеспечения эффективного управления промышленной безопасностью* В 2006 году в Московском государственном горном университете была защищена докторская диссертация «Обеспечение эффективного управления промышленной без- опасностью горных предприятий путем целенаправленного формирования информаци- онных потоков» Виталием Лазаревичем Могилатом (научный консультант чл.-корр. РАН В.Л. Яковлев). Предметом исследования в этой диссертации являлась связь инфор- мированности персонала горнодобывающего предприятия о развитии опасной производ- ственной ситуации (ОПС) с аварийностью и травматизмом. Идея работы проста: если лица, принимающие решения, будут очень надежно рас- познавать и прогнозировать развитие ОПС, они всегда успеют принять меры, исключа- ющие травму или аварию. В свою очередь, ОПС не формируется внезапно – она всегда зарождается и развивается закономерно под воздействием объективных факторов, сле- довательно, поддается распознаванию и прогнозу. Для того, чтобы это стало возможно, В.Л. Могилат разработал ряд положений. Во-первых, он показал и обосновал стадийность формирования и развития опас- ных производственных ситуаций на основе графика катастроф (рис. 1). И, как следствие, сформулировал ряд научно-практических задач: необходимо определить связь парамет- ров штатного режима функционирования объекта и режима инцидентов с рисками травм и аварий, а также разработать эффективные и безопасные организационно-технологиче- ские регламенты и стандарты как для штатного режима функционирования предприятия, так и для режима инцидентов, при котором происходят отказы оборудования. Время развития ОПС (t) инициирующее событие; точки неустойчивого состояния системы (точки бифуркации); направление развития событий при отсутствии управляющих воздействий или их неадекватности; направление развития событий при адекватных управляющих воздействиях Катастрофа (tk) Авария (ta) Отказ (to) Отклонение от штатного режима – угроза (tу) Штатный режим (стандарт) (tш.р.) Необратимое раз- рушение главной связи системы Подлежащие восстановлению раз- рушения существен- ных связей системы Отклонения в недо- пустимых пределах Подлежащие вос- становлению раз- рушения значи- тельных связей системы Сущность стадии Структура информационного обеспечения (регламент) Отклонения в допустимых пределах - План ликвидации катастрофы (совместно с МЧС) Стандарт ликвидации отказа Прогноз развития опасных произ- водственных си- туаций Нормы, правила работы и производственный контроль План ликвидации аварии - - Действующая Предлагаемая Инцидент tу to tа tкtш.р. Стадии развития опасной производственной ситуации Траектория развития ситуации Наименование ситуации ЗонарискаЗонаущерба Уровень опасности Рис. 1 – Характеристика развития опасной производственной ситуации Исследуемые В.Л. Могилатом причинно-следственные связи при формировании и развитии ОПС в системе промышленной безопасности рассматривались с привлече- нием положений теории катастроф, которая основана на качественном изменении состо- яния системы в результате достижения параметрами системы под влиянием внутренних и/или внешних факторов определенных пороговых (критических) значений [2]. * Перепечатка статьи [1]
- 29. 29 Такое представление формирования и развития опасной производственной ситу- ации позволило показать закономерность качественного перехода режима функциони- рования предприятия от штатного режима к катастрофическому. Пример реализации ОПС представлен на рис. 2. 1*10 -5 1*10 -4 1*10 -3 1*10 -2 t цикла 1 – штатный режим (ш.р.) функционирования объекта Вероятность травмы – опасный фактор, повышающий вероятность реализации ОПС – опасный фактор, который без совокупности с другими факторами может привести к реализации ОПС – закономерная реализация ОПС (травма) T, смена t цикла 2 t цикла 3 t цикла n – режим функц-ия объекта с критическими отклонениями от ш.р. – режим функц-ия объекта с отклонениями от ш.р. – режим функц-ия объекта c опасными отклонениями от ш.р. 1, 2, 3, 4, 5 – номер фактора 1,0 1*10 -1 – вероятная реализация ОПС (травма) – обстоятельство, повышающее вероятность реализации ОПС 3 2 5 4 3 3 3 2 2 2 1 1 5 Факторы, создаю- щие опасную про- изводственную ситуацию: 1 – выполнение ра- бот, не предусмот- ренных нарядом (ремонт станка); 2 – неисправность или отсутствие тех- нических средств защиты вращаю- щихся частей буро- вого станка; 3 – осуществление работ в отдаленном забое в одно лицо; 4 – выполнение ра- бот в состоянии ал- когольного опьяне- ния; 5 – использование одежды, не соот- ветствующей усло- виям и специфике труда (свитер с растянувшимися рукавами) Совокупности факторов ОПС в циклах: Цикл 1:совокупностьфакторов 2+3; Цикл 2:совокупность факторов 2+3+1; Цикл 3:совокупность факторов 2+3+5; Цикл n:совокупность факторов 2+3+1+4+5 Рис. 2 – Пример реализации опасной производственной ситуации (травмирование бурильщика во время бурения шпура из-за наматывания одежды на вращающиеся части бурового станка. Шахта «Южная» ОАО «ВГОК», февраль 2010 г.) Переход обусловлен отсутствием регламентов ведения работ при отклонении от штатного режима функционирования предприятия. Поскольку большинство российских угледобывающих предприятий работают именно в этом режиме, данный подход ока- зался весьма актуальным и получил научно-методическое и практическое развитие. Например, в ОАО «Распадская» разработана и принята к реализации методика планирования и осуществления работы отдела производственного контроля, включаю- щая анализ и прогнозирование причин возникновения опасных производственных ситу- аций. На основании этой методики на шахте «Распадская» в область деятельности про- изводственного контроля была включена работа по выявлению основных причин откло- нений от требований охраны труда и промышленной безопасности. Одной из главных задач производственного контроля стало выявление опасных производственных ситуа- ций, выработка мер по их устранению и контроль реализации этих мер. Результатом при- менения методики стал перечень опасных производственных ситуаций, потребовавших
- 30. 30 незамедлительных решений и действий по их устранению (локализации), что в свою оче- редь позволило снизить количество, а в некоторых случаях исключить конкретные виды травм. Во-вторых, Виталий Лазаревич обосновал целесообразность введения для опас- ных производственных объектов такого важного параметра, как коэффициент управляе- мости системы. Им обосновано и доказано, что степень готовности системы управления промыш- ленной безопасностью горного предприятия к реакции, адекватной реальной опасности, целесообразно оценивать с помощью коэффициента управляемости (Ку), представляю- щего собой отношение времени реакции системы на возникновение и развитие опасной производственной ситуации (Тр.сист) к надежно прогнозируемому времени развития ОПС до негативного события (Тпрог): прогр.систу /ТТК ; (1) о.сиспоргп.рс.па.ип.ир.сист tttttttТ ; (2) где tп.и – время получения информации; tа.и – время анализа полученной информации; tс.п – время составления прогноза; tп.р – время принятия управленческого решения; tорг – время организации выполнения принятого решения; tисп – время исполнения принятого решения; tо.с – время установления обратной связи. Предельные условия сохранения управляемости и безопасности, характеризую- щиеся нестабильностью работы системы, соблюдаются при Ку 1. Отклонение этого по- казателя от единицы в сторону уменьшения свидетельствует о повышении резерва вре- мени для принятия и реализации адекватного управленческого решения, возможности системы заблаговременно и адекватно реагировать на вероятность возникновения опас- ной производственной ситуации с минимальными потерями; в сторону увеличения – о невозможности удержать систему в управляемом режиме и об ускоренном развитии си- туации по направлению к инциденту, травме, аварии или катастрофе. Следует отметить, что в формуле (2) слагаемые tп.и и tо.с характеризуют информи- рованность лица, принимающего решения, a tп.р ,tорг , tисп , tа.и и tс.п – его компетентность. При отсутствии у персонала компетентности и/или информированности необходимого уровня развитие опасной производственной ситуации закономерно приводит к инци- денту, аварии или катастрофе вследствие того, что принятие и реализация адекватного решения по обеспечению промышленной безопасности в этих условиях невозможны. В-третьих, В. Л. Могилат разработал оценочную шкалу компетентности и информи- рованности персонала, применение которой позволяет провести диагностику системы обес- печения безопасности производства на всех уровнях ее управления (табл. 1). Т а б л и ц а 1 Оценочная шкала компетентности и информированности персонала Баллы Готовность к работе и характер контроля за работниками 1 Полная некомпетентность и неинформированность, допуск к работе запрещен, необхо- димо обучение 2 Недостаточная компетентность, достаточная информированность: может работать под ру- ководством и непрерывным контролем 3 Достаточная компетентность и недостаточная информированность: может работать под руководством и периодическим контролем 4 Компетентность и информированность достаточные для самостоятельной работы. Само- контроль 5 Полная компетентность и информированность: может руководить и контролировать
- 31. 31 На основании результатов анализа статистических данных по авариям и несчаст- ным случаям, произошедшим на горнодобывающих предприятиях России, В.Л. Могила- том была разработана вероятностно-статистическая модель, показывающая тесную связь травматизма с информированностью и компетентностью персонала (рис. 3, 4). Так, напри- мер, результаты анализа статистических данных по 114 несчастным случаям на шахтах ОАО «Челябинскуголь» и ОАО «Воркутауголь» за 2000 – 2004 гг. показали, что высокий уровень травматизма объясняется, как правило, недостаточной компетентностью и ин- формированностью пострадавших и их руководителей. Рис. 3 – Модель зависимости уровня травматизма от компетентности и информированности пострадавшего Рис. 4 – Модель зависимости уровня травматизма от компетентности и информированности руководителя Для снижения уровня аварийности и травматизма персоналу необходимо научиться распознавать опасную производственную ситуацию на ранних стадиях воз- никновения и развития. Проведенный автором анализ развития опасной производствен- ной ситуации, связанной с прорывом дамбы наСорском молибденовом комбинате (1972 г.) показал, что по мере развития ОПС могли быть приняты пять управленческих реше- ний, предотвращающих прорыв и обеспечивающих многочисленные безаварийные тра- ектории процесса изменения состояния объекта. Однако недостаточная информирован- ность различных уровней управления комбината не позволила спрогнозировать ката- строфическое развитие сложившейся на тот момент ситуации. С точки зрения эффективности производства выгодным является принятие управ- ленческих решений тогда, когда затраты на ликвидацию опасной производственной си- туации еще невелики. Подтверждением могут служить результаты анализа экономиче- ского ущерба от произошедших в Кузбассе аварий и размера финансовых средств, необ- ходимых для их предотвращения. Было выявлено, что около 70 % аварий сопровожда- ется ущербом, составляющим 0,4 – 3,0 % стоимости товарной продукции, тогда как за- траты на их предотвращение равны 0,01 – 0,3 % этой стоимости, то есть ущерб превы- шает затраты от 10 до 40 раз, а в отдельных случаях – до 1000 раз и может более чем в 1,5 раза превышать годовой доход угольной шахты [3]. Виталий Лазаревич рано ушел из жизни и не успел сам принять участие в широ- кой реализации и дальнейшем развитии методологии обеспечения эффективного управ- ления промышленной безопасностью на горнодобывающих предприятиях. Эта методо- логия является одним из главных направлений, развиваемых в ОАО «НТЦ-НИИОГР». На современном этапе функционирования угольной отрасли она получает свое дальней- шее развитие в многочисленных методических разработках, регламентах, стандартах, а также научно-квалификационных работах, научно-практических статьях, монографиях и т.д. как представителей науки, так и широкого круга руководителей и специалистов угольных предприятий и компаний, в первую очередь таких как ЗАО «Распадская уголь- ная компания», ОАО «СУЭК», ОАО «СДС-Уголь». 40 35 30 25 20 15 10 5 Кк_р, балл Ки_р, балл Травматизм,н.сл. 1 5 4 3 2 1 4 2 3 35 30 25 20 15 10 5 Кк_п, балл Ки_п, балл ТравматизмTRп,н.сл. 1 5 4 3 2 1 4 2 3
- 32. 32 Методологические разработки В.Л. Могилата помогают горнякам успешно дви- гаться к более высокому уровню безопасности производства и поэтому их социально- экономическую значимость трудно переоценить. Методология проектирования технологического развития действующих карьеров [4] В 2009 году в Московском государственном горном университете была защищена докторская диссертация «Методология проектирования технологического развития дей- ствующих карьеров» Александром Валентиновичем Соколовским (научный консультант – чл.-корр. РАН В.Л. Яковлев). Произошедшие преобразования социально-экономического устройства государ- ства принципиально изменили внешнюю среду функционирования горнодобывающих предприятий. Для эффективного и безопасного функционирования предприятия в этих условиях необходим темп развития внутренней среды, соответствующий динамике внешней среды. При дальнейшей интеграции России в мировое экономическое сообще- ство конкурентоспособность отечественных карьеров может быть обеспечена в первую очередь высоким темпом технологического развития. Возникает противоречие между необходимостью постоянного развития, сопровождающегося изменением основных свойств, и стремлением горнотехнической системы эти свойства сохранять, воспроизво- дить. Автором была выдвинута гипотеза о том, что обеспечение эффективности дей- ствующих карьеров на всех этапах жизненного цикла возможно на основе непрерывного поиска и реализации решений по развитию горнотехнической системы в комплексе с це- ленаправленным формированием и последующим использованием технологических, технических и организационных резервов. В процессе работы над темой были выдви- нуты и обоснованы следующие научные положения: 1. Увеличение диапазона и частоты изменений параметров внешней и внутренней среды выше значений, заложенных в базовом проекте, значительно снижает эффектив- ность и безопасность функционирования карьеров. Компенсировать негативные послед- ствия возможно посредством проектирования технологического развития действующих карьеров, предусматривающего своевременное формирование и использование техноло- гических, технических и организационных резервов, а также разработку и внедрение ре- шений, направленных как на преобразование элементов системы, подвергшихся наибольшему негативному воздействию изменений внешней и внутренней среды, так и на предотвращение такого влияния в будущем. 2. Технологическая надежность процессов горного производства обеспечивается созданием рациональной структуры технологических, технических и организационных резервов. Объектами технологического резервирования являются параметры системы разработки, структура запасов, схема вскрытия; объектами технического резервирования – мощность основного и вспомогательного оборудования, комплекты оборудования, специализация или функциональное разнообразие оборудования; объектами организа- ционного резервирования – параметры и длительность технологических процессов, чис- ленность и квалификация персонала. 3. Резервы, используемые для компенсации негативного влияния изменений внешней и внутренней среды, определяются этапом функционирования горнотехниче- ской системы и характером изменений среды. На этапе развития производственной мощ- ности приоритетными являются резервы готовых к выемке запасов, создаваемые посред- ством увеличения на 30 – 40 % протяженности фронта работ или ширины рабочих пло- щадок при сохранении рациональных режимов горных работ. На этапе устойчивого функционирования резервируется (в размере, превышающем нормативный в 1,5 – 2,0 раза) количество специализированных комплексов вспомогательного оборудования. На этапе реконструкции объектом резервирования является мощность ведущей группы обо- рудования, которая должна составлять 20 – 30 % от номинальной; кроме того, создаются
- 33. 33 автономные участки горных работ с суммарной мощностью 15 –30 % от производствен- ной мощности карьера. На этапе погашения горных работ резервируется (в размере 10 – 15 % от среднесписочной) численность персонала. 4. Направления развития горнотехнической системы определяются следующими условиями: – если фактическая производительность ведущей группы оборудования составляет менее 30 % от нормативной; производительность труда ниже, чем на передовых пред- приятиях, более чем на 30 %; коэффициент ритмичности технологических процессов ме- нее 0,7, то основными должны быть организационные преобразования; – если эксплуатационная производительность имеющегося бурового, экскаватор- ного, транспортного и вспомогательного оборудования различается более чем на 30 %; интенсивность грузопотоков более чем на 50 % не соответствует рациональным значе- ниям, то требуется техническое перевооружение; – если отсутствует фронт работ более чем для 30 % горного оборудования или более 40 % оборудования работает на площадках минимальной ширины, то требуются техно- логические преобразования; – при значительных изменениях (отклонение более 30 %) факторов внешней среды, с учетом которых принимались проектные решения, требуется реконструкция карьера. 5. Методология проектирования технологического развития базируется на ком- плексе критериев эффективности технологического развития действующих карьеров, ко- торые отражают качественное состояние и уровень использования карьерного простран- ства; сбалансированность и уровень использования технологической цепочки оборудо- вания; качество и эффективность использования труда. Проектирование осуществляется в такой последовательности: оценка состояния горнотехнической системы по критериям эффективности технологического развития; определение структуры решений по преоб- разованию горнотехнической системы; определение структуры, последовательности формирования и использования резервов; документальное закрепление технологических и организационных изменений в виде стандартов предприятия, внесение их в проект предприятия. Положения базируются на закономерностях влияния на эффективность функцио- нирования карьеров, параметров горных работ и технического комплекса, структуры ре- зервов, вспомогательной инфраструктуры, которые в свою очередь обусловлены основ- ными особенностями развития горнотехнической системы (ГТС)– карьер, такими как: 1. Необходимость резервирования – что связано с высокой изменчивостью внут- ренней и внешней среды. 2. Необходимость заблаговременного начала преобразований, упреждающего воздействия – что связано с инерционностью основных технологических параметров ка- рьера. Отсюда определены два основных направления совершенствования проектирова- ния открытых горных работ: 1. Определение рациональной структуры резервов. 2. Определение рационального комплекса решений по технологическому разви- тию ГТС. Структура резервов В диссертации установлено, что объекты резервирования и уровень резервов определяются на основе оценки вариабельности параметров внешней и внутренней среды исходя из особенностей и целевой функции этапов развития. Этапы развития с учетом технологических этапов открытой разработки включают: - этап развития производственной мощности (3-6 лет), - этап устойчивого функционирования (10-30 лет), - этап реконструкции, - этап погашения горных работ (1-5 лет).
- 34. 34 На этапе развития мощности приоритетными являются резервы готовых к выемке запасов. На этапе устойчивого функционирования - количество специализированных ком- плексов вспомогательного оборудования. На этапе реконструкции - мощность ведущей группы оборудования. На этапе погашения горных работ - численность персонала. Резервы готовых к выемке запасов определяются исходя из того, что важна не только их величина готовых, но и условия для ввода оборудования, необходимого при развитии проектной мощности. Предложено в нормативе готовых к выемке запасов учитывать дискретность при- роста мощности, связанного с вводом оборудования, в связи с чем действующий норма- тив готовых к выемке запасов на этапе развития мощности должен быть увеличен на 15 – 20 %. Для этого необходимо увеличение на 30 –40 % протяженности фронта работ или ширины рабочих площадок. Резервирование по фронту применяется на вытянутых карь- ерах, где увеличение ширины рабочих площадок может привести к нерациональному режиму горных работ. При резервировании по фронту работ для углубочных и нагорных карьеров при сохранении рационального режима работ необходимо предусматривать участки консервации и расконсервации борта. Величина резервирования вспомогательного оборудования – главного резерва на этапе устойчивого функционирования – определена на основании анализа объема вспо- могательных работ, которые по некоторым карьерам достигают 20 – 30 %, и анализа из- менения затрат на экскавацию от объема выполняемых вспомогательных работ. Уста- новлено, что при емкости ковша экскаватора более 15 м3 недопустимо его использование на вспомогательных работах. Величина резервов ведущей группы оборудования определялась исходя из того, что при отклонении сроков реконструкции на 20 – 30 % от запланированных происходит резкое падение эффективности инвестиций. Поэтому на эту величину должна быть заре- зервирована мощность ведущей группы оборудования. Кроме того, реконструкция свя- зана с пиковым ростом объемов вскрышных работ. Для сглаживания этих объемов и обеспечения надежности соблюдения сроков реконструкции целесообразно предусмат- ривать создание автономных участков с благоприятными условиями. Производитель- ность этих участков должна составлять 15 – 30 % от проектной мощности карьера в пе- риод реконструкции. Резервирование численности персонала на этапе погашения горных работ связано с изменением целевой функции предприятия. В этот период необходимо нацеливаться не на получение прибыли, а на решение задач экологической и социальной направлен- ности. Последнее достигается диверсификацией производства, такими как переход на открыто-подземную добычу, применение нетрадиционных способов отработки закон- турных запасов. Численность персонала, необходимая для решения этих задач, состав- ляет 10 – 15 % от среднесписочной. Комплекс решений по технологическому развитию ГТС Рациональный комплекс решений по технологическому развитию действующих карьера определяется на основе целевых функций и состава подсистем с учетом факто- ров, влияющих на эффективность функционирования ГТС (табл. 2). Определение необходимости преобразований технической подсистемы осу- ществляется из условия обеспечения сбалансированности ее элементов. Сбалансирован- ность рассматривалась в двух уровнях: сбалансированность смежных грузопотоков и сбалансированность производительности оборудования в единичном грузопотоке. Производительность смежных звеньев не должна различаться более чем на 30 %. В противном случае либо возрастают затраты из-за недоиспользования оборудования, либо производятся ненужные объемы работ, что также приводит к недопустимому росту затрат.
- 35. 35 Т а б л и ц а 2 Параметры состояния подсистем Направления преобразований ГТС Контролируемые параметры Критерии необходимости преобразований Техническое пе- ревооружение Сбалансированность мощности оборудования (Kсб ). Интенсивность грузопотоков (Киг ) Технологические преобразования Конструкция рабочего простран- ства – длина фронта работ (Lф), ширина рабочих площадок (Шр.п) Lфакт/Lнорм< 0,7 ΔШр.п min< 40 % Организацион- ные преобразо- вания Производительность ведущей группы оборудования. Производительность труда. Ритмичность технологических процессов (Критм) Реконструкция карьера Параметры внешней среды: спрос и цена на продукцию .5,0 ПВС ПВПВС проект фактпроект 5,03,0/ проектфактпроект QQQ Обеспечение сбалансированности должно предусматривать снижение вариабель- ности процессов. Это требование связано с тем, что при высокой вариабельности невоз- можно однозначно сказать, какой процесс является сдерживающим. Методы снижения вариабельности процесса, как правило, носят организацион- ный характер. Поэтому были обоснованы три показателя, по которым можно судить о необходимости организационных преобразований. Эти показатели отражают состояние процессов в следующих периодах: Год и более может оцениваться отношением производительности труда персо- нала рассматриваемого предприятия к производительности труда лучших предприятий отрасли. Значительная разница в производительности труда между сравниваемыми пред- приятиями – более 30 % – говорит о том, что значительная доля персонала находится на вспомогательных и обслуживающих процессах. Требуются оргструктурные преобра- зования, которые бы позволяли выводить персонал на аутсорсинг либо переводить структурные подразделения на принципы хозрасчета. Сутки – месяц оцениваются соотношением фактической производительности с нормативной. Для устранения разницы требуется устранение различного рода простоев, повышение квалификации и мотивации персонала к производительному труду. Час и смена – на этом периоде целесообразно применение коэффициента ритмич- ности, рассчитанного как отношение среднечасовой производительностик максималь- ной за рассматриваемый период. Основными способами повышения ритмичности ра- боты является стандартизация технологических процессов, сокращение длительности регламентированных простоев, повышение квалификации операторов, автоматизация оперативного управления. Проведенные исследования создали предпосылки для разработки методологии проектирования технологического развития действующих карьеров. Для определения 7,0max min j i сб Q Q К 5,0/ . рац ИГ факт ИГ КК 7,0 . . нормQ ФQ о К 7,0 max. .. ТQ срТQ Т К 7,0 max . Q срQ ритм К
- 36. 36 принципов и этапов проектирования, способов и методов был проанализирован возмож- ный уровень отклонений ключевых параметров подсистем ГТС карьера и уровень откло- нений, который учитывается в проекте. Установлено, что вариабельность большинства параметров не учитывается или слабо учитывается, следовательно, должны быть вне- сены изменения в состав и структуру проекта (табл. 3). Проектирование технологического развития действующих карьеров включает в себя следующие этапы: – оценка динамики внешней среды функционирования горнотехнической си- стемы; – оценка состояния горнотехнической системы карьера; – определение направлений и состава необходимых преобразований; – определение структуры резервов, адекватной выбранной модели и этапу тех- нологического развития; – формирование комплекса необходимых преобразований. Т а б л и ц а 3 Отклонение параметров внешней и внутренней среды горнотехнической системы Показатель Возможный уровень отклонений Уровень отклонений по проекту Параметры технической подсистемы Эксплуатационная производительность оборудования* До 1,5-2,0 раз До 1,0-1,1 раза Техническая надежность оборудования* До 1,5-3,0 раз Не учитывается Функциональность оборудования** До 2,0-3,0 раз До 1,1-1,3 раза Параметры технологической подсистемы Протяженность фронта** До 1,5-2,0 раз 1,0-1,2 раза Параметры рабочих площадок** До 2,0-2,5 раз До 1,5 раз Текущее соотношение вскрышных и до- бычных работ** До 1,5-2,0 раз До 1,2-1,3 раза Параметры организационной подсистемы Параметры и длительность технологиче- ских процессов** До 2,0-3,5 раз Не учитывается Численность персонала** До 1,5-2,0 раз Не учитывается Квалификация персонала* До 2 раз Не учитывается * Данные справочников. ** Фактические и проектные данные предприятий Результаты проектирования оформляются в виде проекта развития, вносятся не- обходимые изменения в действующие нормативные документы предприятия – проект отработки и документы, регламентирующие текущее планирование и оперативное управление. Резюмируя, можно утверждать, что на основании выполненных автором исследо- ваний функционирования горнотехнических систем решена научная проблема разра- ботки методологии проектирования технологического развития действующих карьеров в условиях возрастания диапазона и частоты изменений параметров внешней и внутрен- ней среды, имеющая важное хозяйственное значение, что позволяет повысить эффектив- ность горнодобывающих отраслей промышленности России. Методология сотрудничества, выстроенная Виктором Леонтьевичем Яковлевым, обеспечивает продуктивную и оптимистичную жизнь научного работника при любых социально-экономических отношениях. Это подтверждается и деятельностью Челябин- ского филиала ИГД УрО РАН, созданного и функционирующего на базе НИИОГР под
- 37. 37 научным руководством Виктора Леонтьевича. Поэтому мы смело рекомендуем эту ме- тодологию начинающим научным работникам, а ее автору желаем долгих лет интерес- ной творческой деятельности и передачи богатейшего опыта научной молодежи. Литература 1. Развитие методологии обеспечения эффективного управления промышленной безопасностью (памяти В.Л. Могилата)] // Уголь. – 2009. – №12. – С. 43-45. 2. Арнольд В.И. Теория катастроф / В.И. Арнольд. – М.: Изд-во МГУ, 1983. – 80 с. 3. Ковалев В.А. Методология развития региональной системы управления охра- ной труда и промышленной безопасностью на угольных шахтах:дис. … д-ратехн. наук / В.А. Ковалев. – М., 2009. – 266 с. 4. Соколовский А.В. Методология проектирования технологического развития действующих карьеров: автореф. дис. … д-ра техн. наук / А.В. Соколовский. – М., 2009. – 38 с.
- 38. 38 УДК 622.014.3 : 553.042.004.14(470.5+571.6) Яковлев Виктор Леонтьевич член-корр. РАН, доктор технических наук, профессор, Институт горного дела УрО РАН, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58, e-mail: yakovlev@igduran.ru Корнилков Сергей Викторович доктор технических наук, профессор, директор института, Институт горного дела УрО РАН, e-mail: kornilkov@igduran.ru Ван-Ван-Е Анатолий Петрович доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией стратегии рационального освоения минеральных ресурсов, Институт горного дела ДВО РАН, 680000, г. Хабаровск, ул. Тургенева, 51, e-mail: ems@igd.khv.ru Литвинцев Виктор Семенович доктор технических наук, заместитель директора по научным вопросам, Институт горного дела ДВО РАН, e-mail: litvinzev@igd.khv.ru Склярова Галина Федоровна ведущий научный сотрудник, Институт горного дела ДВО РАН, e-mail: sklyarova@igd.khv.ru Лаврик Наталья Анатольевна старший научный сотрудник, Институт горного дела ДВО РАН, e-mail: lavrik@igd.khv.ru ПЕРСПЕКТИВЫ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ ФОРМИРОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВЫХ ЦЕНТРОВ УРАЛЬСКОГО И ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНОВ Yakovlev Victor L. corresponding member of RAS, doctor of technical sciences, professor, The Institute of Mining UB RAS 620219, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st.,58, e-mail: yakovlev@igduran.ru Kornilkov Sergey V. doctor of technical sciences, professor, the director of the institute, The Institute of Mining UB RAS, e-mail: kornilkov@igduran.ru Van-Van-E Anatoly P. doctor of geology and mineralogy, the head of the laboratory of strategy of rational mineral resources mining, The Institute of Mining FEB RAS 680000, Khabarovsk, Turgenev st., 51, e-mail: ems@igd.khv.ru Litvinzev Victor S. doctor of technical sciences, deputy-director on scientific problems, The Institute of Mining FEB RAS, e-mail: litvinzev@igd.khv.ru Sklyarova Galina PH. leading researcher, The Institute of Mining FEB RAS, e-mail: sklyarova@igd.khv.ru Lavrik Nataliya A. senior researcher, The Institute of Mining FEB RAS, e-mail: lavrik@igd.khv.ru THE PROSPECTS OF INTEGRATED DEPOSITS MINING IN TERMS OF FORMATION MINERAL RAW MATERIAL CENTERS OF THE URAL AND FAR-EAST REGIONS Аннотация: Систематизированыосновныефакторы,влияющиенафор- мирование минерально-сырьевых центров и территориаль- ныхгорнопромышленныхкомплексовврайонахосвоения но- вых месторождений. Определены ресурсы твердых полез- ных ископаемых Уральского и Дальневосточного федераль- ныхокруговдляпервоочередногоосвоения.Предложеныме- тоды и подходы при планировании основных параметров разработкиместорожденийв новых сырьевыхрайонах. Ключевые слова: комплексное освоение, минерально-сырье- войцентр,горнопромышленный комплекс Abstract: The principle factors affecting the formation of mineral raw material centers in the regions of mining new depos- its are classified. The hard minerals’ resources of the Ural and Far-East federal regions for priority mining are determined. The methods and approaches on planning principle parameters of deposits’ mining in new regions are proposed. Key words: integrated mining, mineral raw material cen- ter, mining-industrial complex. Статьяподготовленанаосноверезультатоввыполненияконкурсныхпроектовфундаментальныхисследований 12-С-5-1008 УрОРАН и12-II-УО-08-016ДВОРАН
- 39. 39 Достигнутые в стране темпы эксплуатации ранее освоенных месторождений полезных ископаемых свидетельствуют о том, что поддержание требуемого объема добычи и интенсивно- стиотработкинедр, «…перспективыразвития минерально-сырьевогокомплекса (именноМСК,а нетолькоминерально-сырьевойбазы)ВостокаиСевераРоссиисвязанысновымимежрегиональ- ными центрамисырьевого обеспечения экономического роста на период до 2030 г.»[1]. Привсемразличииминерально-сырьевогопотенциалафедеральныхокруговРФ, степени разведанности запасов и освоенности месторождений (по данным [1, 2], доля Уральского фе- деральногоокруга составляет 50,1%; Сибирского 16; Северо-Западного10,6; Дальневосточного 3,5) с точки зрения методологического подхода к освоению и развитию минерально-сырьевой базы этих регионов, в том числе Уральского и Дальневосточного, есть много общего. Главная общность состоит в том, что характерной чертой районов со сложными природно-климатиче- скими условиями является недостаточная степень разведанности недр, отсутствие развитой си- стемы транспортных и энергетических коммуникаций и других элементов промышленной ин- фраструктуры,поэтому необходимаразработкановыхподходовквыборуочередностииоргани- зации освоения месторождений. Источники минерального сырья совместно с другими природными ресурсами являются основой для создания территориальных промышленных комплексов и в совокупности с распре- делениемтрудовыхресурсовстраныпредъявляютособые требования ккомплексномуосвоению территорий. Поэтомуособенноважнопринимать во внимание неравномерность размещения ми- нерально-сырьевых ресурсов в земной коре и необходимость заблаговременного долгосрочного планированияраспределенияпроизводительныхсил,атакжепоискавозможностейстабилизации и даже уменьшения дальности перевозок сырья, сокращения объемов встречных грузопотоков, изыскания эффективных путей передачи тепла и электроэнергии и т.п. В качестве главных при- чин необходимости ускоренного и комплексного изучения, разведки и освоения месторождений твердых полезных ископаемых Севера, в том числе арктической его части, а также Полярного и Приполярного Урала, следует отметить: - необходимость освоения месторождений газа и нефти с видоизменением инфраструк- турыэтихрегионовсовместнос организациейилирасширениемдобычидругихвидов минераль- ного сырья, в частности строительных материалов; - начавшуюся модернизацию промышленности (металлургии, машиностроения, транс- порта и т.д.), прежде всего связанную с техническим перевооружением, требующим увеличения добычи металлов и легирующихдобавок; - наметившийся дефицитпроизводства определенных видов традиционно потребляемого сырья: железных, марганцевых и хромитовых руд, вольфрама, энергетического и коксующегося угля и пр.; - сокращение доли подготовленных к промышленной эксплуатации запасов ряда полез- ных ископаемых, в частностимедных руд. По предварительным оценкам [3], несмотря на недостаточную геологическую изучен- ность, Приполярный Урал располагает запасами более миллиарда тонн железной руды, сотнями миллионов тонн медной и хромовой руды, значительными запасами рудного золота. Золотодобыча,традиционно развиваемая на территории Дальневосточного федерального округа, является специализацией региона, от ее развития зависит и социальное благополучие населения прилегающих районов. В то же время минерально-сырьевая база округа включает по- рядка 100 видов полезных ископаемых: благородные металлы, драгоценные камни (алмазы), цветные металлы, редкие и радиоактивные элементы, горючие ископаемые на материке и на шельфе Охотскогоморя,твердые горючие ископаемые,а также неметаллические полезные иско- паемые. Поэтому решение проблемы масштабного и комплексного освоения других месторож- дений твердых полезных ископаемых непосредственно связано с необходимостью увеличения доли горнодобывающей промышленности регионов в валовом региональном продукте округа. Кроме того, по имеющимся данным [4], в техногенных россыпях находится от 10-15 до 50 % со-
- 40. 40 державшихсявнихпервоначальныхзапасовзолота.Активное вовлечениевэксплуатациютехно- генныхроссыпных объектовбудетне толькокомпенсировать уменьшение добычизолота из гео- генных россыпей, но и способствовать снижению негативной нагрузки на природную среду. Основой предлагаемой стратегии поддержания и развития минерально-сырьевой базы при минимальном привлечении инвестиционных и людских ресурсах, особенно в новых райо- нах, является комплексность освоения недр при одновременном налаживании открытой инфра- структуры эксплуатирующих предприятий. При этом главным элементом такого методического подхода является освоение месторождений не только по видамсырья, но и по условию создания на территории единой социально-промышленной инфраструктуры, транспортных коммуника- ций, источников энергии, обеспечивающих добычу полезного ископаемого, а также согласован- ная возможность использования ресурсов, продукции и отходов горно-обогатительного произ- водства. Реализовать такой подход можно за счет формирования минерально-сырьевых центров (МСЦ) экономического развития, создающих предпосылки для организации территориальных промышленных комплексов, включающих горнодобывающие предприятия, вовлекающие в экс- плуатацию подготовленные к освоению минеральные ресурсы определенного региона. В каче- стве организационных форм достижения поставленных целей могут выступать управляющие компании, холдинги и пр., обеспечивающие комплексное освоение территорий и развитие про- мышленной инфраструктуры. При обосновании стратегии освоения и развития минерально-сырьевых ресурсов приполярных и полярных регионов Урала и на территории ДФО важнейшим фактором является инфраструктурный (транспорт, энергетика, социальная сфера). Существенное значение для формирования и активного использования георесурсов минерально-сырье- вых центров имеет также и территориальная организация экономически и технологиче- ски увязанных производственных единиц, развитие металлургического и машинострои- тельного комплексов. С этих позиций горнорудные районы целесообразно формировать на территориях, которые обладают соответствующим активным или прогнозируемым ресурсным потенциалом в пределах соответствующих МСЦ [5]. При выделении районов первоочередного освоения недр к факторам, влияющим на фор- мирование территориальных горнопромышленных комплексов и их пространственное размеще- ние, помимо наличия собственно полезных ископаемых и степени их разведанности, следует от- нести: -наличиедействующихтерриториальныхпромышленныхкомплексов,включающихэко- номически и технологически увязанные производственные и инфраструктурные предприятия и объекты; - благоприятствующие экономические и горнотехнические условия, способствующие поддержанию или развитию минерально-сырьевой базы региона, в том числе наличие реальных или проектируемых источников энергии и транспортных коммуникаций; - возможность концентрации сил и средств для реализации стратегических задач ком- плексного развития новых территорий, а также кооперации регионов и административных обра- зований для развития приоритетных направлений промышленной и экономической политики территории; - реализация основных принципов недропользования по рациональномуи комплексному использованиюнедр,втомчисленаиболееполноеизвлечениезапасовосновныхипопутныхком- понентов, а также внедрение современных технологий комплексной переработки минерального сырья; - необходимость перераспределения горной ренты в целях недопущения выборочной от- работки месторождений, а также снижения затрат на освоение малорентабельных и мелких ме- сторождений,развитиядобычиместныхстроительныхматериаловидругогопривлекаемогопри- родного сырья, в том числе водных ресурсов; -учетпреемственностиприпоэтапномразвитиирегиональныхилокальныхгорнорудных
- 41. 41 районов на основе предполагаемых инвестиционных соглашений горнопромышленных ком- паний, холдингов и других организационных форм промышленных производств. Схемы расположения минерально-сырьевых центров, выделенных нами на основании вышеизложенных требований, и возможных предприятий по освоению запасов расположенных на этих территориях месторождений представлены на рис. 1 и 2. Несмотря на многообразие условий и довольно значительное число вариантов границ МСЦ, применительно к регионам Северного Урала и ДФО реально можно выде- лить три основных сценария, в которых минеральные ресурсы становятся отправными точками экономического роста: - разведано несколько относительно небольших по запасам месторождений раз- ных видов полезных ископаемых, однако организация на их базе отдельных обособлен- ных предприятий неэффективна; - на территории уже имеются достаточно развитые горнодобывающие предприя- тия, запасы которых в значительной мере отработаны, а на определенном удалении от них имеются одноименные малообъемные (мелкотоварные) месторождения полезных ископаемых, восполняющие сырьевую базу действующего производства; - создание нового горнопромышленного комплекса с полным циклом переработки на базе крупного месторождения, эксплуатация которого окупит затраты на создание не- обходимой инфраструктуры. На основании проведенных, в том числе с участием авторов статьи, исследований к числу соответствующих отмеченным выше условиям можно отнести три территори- альных МСЦ на Приполярном Урале в районе проектируемого транспортного коридора (см. рис. 1); МСЦ малообъемных кимберлитовых месторождений Якутии севернее дей- ствующих предприятий АК «АЛРОСА»; создание Южно-Якутского горно-металлурги- ческого комплекса на базе Таежного и Тарыннахского железорудных ГОКов, Нерюн- гринского и Эльгинского угольных месторождений, а также каскада гидроэлектростан- ций или ТЭС на газовом сырье (см. рис. 2). Таким образом, развитие МСЦ создает объ- ективные предпосылки для вовлечения в хозяйственный оборот малопривлекательных природных и техногенных объектов, активизирует строительство перерабатывающих предприятий, включая их в комплексную переработку минерального сырья при развитии и внедрении новых технологий. Новым направлением в формировании горнопромышленных районов может яв- ляться использование металлоносного потенциала угольных месторождений. В настоя- щее время только на юге Дальнего Востока известно свыше 20 месторождений бурых и каменных углей мезозойского и кайнозойского возраста, которые содержат повышенные (превышающие кларковые в несколько раз) концентрации благородных и редких метал- лов: Au, Ag, Ge, Ga, U, W, Sb, Y, Yb, Nb, V, Zr, Rb, Li, Be, Cs, Sc, Mo, Re. Опыт Приморской ГРЭС, успешно извлекающей из золошлаковых отходов тон- кую магнитную фракцию, позволяет оценивать перспективы извлечения благородных и редких металлов как положительные. В плане организации рационального, комплексного освоения крупных техноген- ных золотороссыпных объектов [6, 7] может быть создан Амуро-Буреинский мине- рально-сырьевой центр экономического роста (ЦЭР, включающий объекты россыпной золотодобычи Амурской области, Хабаровского края и юга республики Саха (Якутия)). Организация широкомасштабного комплексного горного производства с исполь- зованием всех видов минерального сырья возможна на базе действующих или вновь со- здаваемых базовых горных предприятий [8]. Формирование на их основе горнорудных районов и горнопромышленных комплексов требует проведения специальных исследо- ваний по структурированию минерально-сырьевой базы с учетом хозяйственно-эконо- мического, инфраструктурного и социального развития соответствующих районов.
- 42. 42 Рис. 1 – Схемарасположения пилотного Северного минерально-сырьевого центра УрФО
- 43. 43 Рис. 2 – Схема размещения прогнозируемых первоочередных региональных горнопромышленных комплексов ДФО: Чукотский АО (73,8/737,7): 1. Чукотский; Магаданская область (229,2/1199,1): 2.Верхнеколымский; 3. Примагаданский; Камчатская область (380,2/472,3): 4.Северо-Камчатский (Корякский); 5. Южно-Камчатский; Хабаровский край (1489/788,6): 6. Солнечный; 7. Нижне-Амурский; Ургальский; 9. Советско-Гаванский; 10. Удской; 11. Охотский; 12. Аяно-Майский; Еврейская АО (194,6/36,0) 13. Мало-Хинганский; Амурская область (982,2/363,7): 14. Тындинский; 15. Зейский; 16. Селемджинский; 17. Свободненский; Сахалинская область (584,7/87,1) : 18. Северо-Сахалинский; 19. Южно-Сахалинский; Приморский край (2124,7/165,9): 20. Северо-Приморский; 21. Восточно-Приморский; 22. Южно-Приморский; Республика Саха (Якутия) (983/3103,2): 23. Южно-Якутский; 24. Западно-Якутский (Привилюйский). В скобках – численность населения, тыс. человек / площадь территории, тыс. кв. км). На территориях субъектов ДФО цифрами показано размещение региональных горнопромышленных комплексов.
- 44. 44 На территории юга Дальнего Востока комплексные горнорудные районы ранее не формировались, однако инфраструктурной базой выделенных нами МСЦ могут служить угле-, нефте-, газодобывающие предприятия, золотодобывающие, алмазодобывающие прииски и ГОКи Республики Саха (Якутия), Дукатский и Карамкенский ГОКи, золото- добывающие комплексы и прииски Магаданской области, Березитовый, Покровский, Огоджинский, Райчихинский, Свободненский, Ерковецкий, а также строящийся Ким- кано-Сутарский ГОКи, Соловьевский, Дамбукинский и другие прииски, Зейская ГЭС Амурской области; угле-, золотодобывающие ГОКи, прииски и судоремонтные предпри- ятия Хабаровского края. Информационной основой для опережающихилипараллельныхоценок,позволяющих заблаговременно использовать результаты работ при выработке рекомендаций или формулиро- вании основных ограничивающих условий недропользования, а также принятия решений о формировании МСЦ является комплекс данных, объединенных в геоинформационную систему, включающую: - информационный банк данных минеральных ресурсов территорий и горнопро- мышленных предприятий, в том числе оценки уровня опоискованности полезных иско- паемых; - сведения об отнесении запасов к распределенному фонду, наличии лицензий или других соглашений с целью изучения недр, геолого-экономической оценки и их освое- ния; - графические модели горнопромышленных регионов в различных горно-геоло- гических и природно-климатических условиях с характеристикой степени освоенности административных районов, инфраструктуры территорий, экономического потенциала, демографии и пр.; - информационные модели размещения и развития транспортных и энергетиче- ских коммуникаций в увязке с размещением месторождений твердых, жидких и газооб- разных углеводородов; - комплекс географических, эколого-экономических, гидрографических и гидро- геологических, геокриологических и других моделей, обеспечивающих оценку природ- ных условий освоения территорий; - комплекс моделей и главных параметров горных предприятий, прогнозируемых к строительству при эксплуатации месторождений. При предварительном обосновании основных параметров разработки месторождений в новых сырьевых районах необходимо руководствоваться следующими подходами: - на первом этапе освоения выделяются участки первоочередной разработки полезного ископаемого с наиболее предпочтительными условиями отработки и утвержденными запасами для добычи на срок не менее 10 лет; - среднегодовые объемы добычи определяются исходя из потребности рынка сбыта сы- рья и горнотехнических условий извлечения запасов из недр, разработка ведется открытым спо- собом; - параметры карьеров и показатели работы технологического оборудования определя- ются с учетомопыта горныхработнадействующихпредприятиях-аналогах смаксимальным ис- пользованием типовых технических решений; - при ведении горных работ рационально использование мобильной высокопроизводи- тельной техники, соответствующей сложившимся горнотехническим условиям, на первых эта- пах – дизельной, с максимальным использованием местных энергетических ресурсов и материа- лов; - предпочтительные технологии переработки полезного ископаемого на местах ведения работ – с максимальным использованием сухих методов предварительного обогащения, без ис- пользования глубоких стадий обогащения и химических реактивов, с целью сокращения расхо- дов и исключения негативного воздействия продуктов обогащения на окружающую среду; - предварительное обогащение на промышленнойплощадке предприятий производится с
- 45. 45 использованием стадий дробления, сортировки и сепарации сырья и отсечением некондицион- ных руд и сопутствующих пород; полученный промежуточный продукт (концентрат) вывозится в освоенные индустриальные регионыдля последующей переработки; - хвосты предварительного обогащения (некондиционное сырье и сопутствующие по- роды) предусматривать в качестве сырья для производства щебня различного назначения. Таким образом, основой стратегии создания и эксплуатации минерально-сырье- вой базы Севера Урала и Дальнего Востока являются объединение геологоразведочных площадей и металлоносных территорий с административными технологическими и ин- фраструктурными объектами, комплексность освоения недр при одновременном нала- живании открытой инфраструктуры эксплуатирующих предприятий. Реализация пред- ложенного принципа обеспечивается организацией холдинговой структуры, ответствен- ной за создание общей промышленной инфраструктуры в районе ведения работ. Освое- ние месторождения по отраслевому принципу приводит к созданию замкнутой произ- водственной системы с максимальной потребностью в трудовых ресурсах. Литература 1.ОрловВ.П. Минерально-сырьеваябаза и минерально-сырьевой комплекс вэкономике северныхивосточныхрегионов/ В.П.Орлов //Минеральные ресурсы.Экономика и управление. - 2013. - № 5. - С. 2 - 5. 2. Минерально-сырьевой потенциал недр Российской Федерации. Т. 1: Прогнозно-метал- логенический анализ. Т. 2: Минерально-сырьевой и стоимостной анализ / науч. ред. О.В. Петров. – СПб: Изд-во ВСЕГЕИ, 2009. 3. Корнилков С.В. Особенности формирования горнопромышленных комплексов Дальневосточного и Уральского регионов / С.В. Корнилков, В.Л. Яковлев, Ю.А. Ма- маев, А. П. Ван-Ван-Е // Горный журнал. Изв. Вузов. - 2012. - № 6. - С. 4 – 11. 4. Кавчик Б.К. Геологическое строение техногенных россыпей и его влияние на выбор способа разработки / Б.К. Кравчик, В.Г. Пятаков // Золотодобыча, № 135. – Ир- кутск: Изд-во Иргиредмет, 2010. – С. 14 - 19. 5. Ван-Ван-Е А.П. Методологические основы стратегии рационального развития горнопромышленного комплекса ДФО / А.П. Ван-Ван-Е, Н.А. Лаврик // Вопросы гео- логии и комплексного освоения природных ресурсов Восточной Азии: Вторая Всерос. науч. конф., 15 – 16 октября 2012 г., Благовещенск: сб. докладов / Ин-т геологии и при- родопользования ДВО РАН. – Благовещенск, 2012. – С. 166 – 170. 6. Рассказов И.Ю. Разработка методологии и научно-технологических принципов освоения техногенных золотороссыпных месторождений юга Дальнего Востока России как основы составления инвестиционных программ эффективного развития отрасли / И.Ю. Рассказов, А.П. Ван-Ван-Е, В.С. Литвинцев; Всерос. науч.- исслед. геол. ин-т им. А.П. Карпинского.– URL: // WWW. vsegei.ru /conf / summary/round_table10/S1_03.ppt. 7. Яковлев В.Л. Систематизация условий размещения и освоения природных и техногенных объектов минерального сырья Уральского и Дальневосточного федераль- ных округов / В.Л. Яковлев, С.В. Корнилков, Ю.В. Лаптев, Ю.А. Мамаев, А.П. Ван-Ван- Е, Г.Ф. Склярова // Горный информационно-аналитический бюллетень: Дальний Восток. - 2013. - Отд. вып. 4. - C. 257 - 272. (Конкурсн. проекты 12-С-5-1008 и 12-II-УО-08-016 ДВО РАН). 8. Склярова Г.Ф. Минерально-ресурсный потенциал ДВ региона и его роль в си- стеме международного сотрудничества в Северо-Восточной Азии / Г.Ф. Склярова // Маркшейдерия и недропользование. – 2011. - № 1. - С. 13 – 18.
- 46. 46 УДК 622.343.001.895(470.5) Корнилков Сергей Викторович доктор технических наук, профессор, директор института, Институт горного дела УрО РАН 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58, e-mail: kornilkov@igduran.ru Рыльков Сергей Александрович кандидат геолого-минералогических наук, начальник Департамента по недропользованию по Уральскому федеральному округу (УРАЛНЕДРА), 620014, г. Екатеринбург, ул. Вайнера, 55, е-mail: ural@uralnedra.com Шемякин Владимир Сергеевич доктор технических наук, генеральный директор ЗАО «НПК «Техноген», 620149, г. Екатеринбург, ул. Академика Бардина, 1, к.4, e-mail: shemiyakin@mail.ru О ПОДДЕРЖАНИИ СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ И ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ МЕДНОЙ ПОДОТРАСЛИ УРАЛА Kornilkov Sergey V. Doctor of technical sciences, professor, the director of the Institute, The Institute of Mining, UB RAS, 620219, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58 E-mail: kornilkov@igduran.ru Rilkov Sergey A. candidate of geologic-mineralogical sciences, head of the Department on mineral resources management in the Ural federal region (URALNEDRA), 620014, Yekaterinburg, Vainer st. 55, е-mail: ural@uralnedra.com Shemyakin Vladimir S. doctor of technical sciences, general director of CJSC “NPK”Technogen”, 620149, Yekaterinburg, academician Bardin st. 1, f. 4, e-mail: shemiyakin@mail.ru ON KEEPING UP RAW MATERIAL BASE AND PRINCIPAL TENDENCIES OF THE URAL COPPER SUB-BRANCH INNOVATIONAL DEVELOPMENT Аннотация: На основании анализа отчетной документации предприятий сформулированы основные направления инновационного развития добыва- ющих предприятий, а также меры по сбереже- нию и экономии минеральных ресурсов. Показано, что значительным резервом расши- рения сырьевой базы медной подотрасли мо- жет служить вовлечение в разработку заба- лансовых руд за счет организации рудоподго- товки с использованием методов рентгенора- диометрической сепарации на местах ведения горных работ. Ее эффективность достигается в основном за счет общего снижения совокуп- ных эксплуатационных затрат, улучшения ло- гистической составляющей перемещаемых и перерабатываемых объемов горной массы. Технологические испытания забалансовых руд Саякского и Жезказганского месторождений (Казахстан), а также аналогичных руд место- рождений Урала свидетельствуют о том, что предложенный метод предварительной сорти- ровки может в значительной мере расширить сырьевую базу и снизить потери в недрах. Выделено 6 групп медьсодержащих месторож- дений забалансовых руд Свердловской и Челя- бинской областей, которые потенциально мо- гут быть подвергнуты предварительному рентгенорадиометрическому дообогащению. Предложены перспективные и относительно незатратные способы доизвлечения металла из различного рода потерь добычи и обогащения, нуждающиеся в дополнительном изучении. Ключевые слова: сырьевая база, медные заба- лансовые руды, рудоподготовка, рентгенора- диометрическая сепарация Аbstract: In terms of plants’ summary documentation analy- sis the principal tendencies of their mining works development are formulated as well as measures on mineral resources saving and preservation. The involvement of extra balance ores into develop- ment at the expense of ore preparation arrangement employing the procedures of roentgen and radio- metric separation at the sites of conducting mining operations is indicated to be the considerable re- serve of expansion the copper sub-branch raw ma- terial base. Technological tests of extra balance ores in Sayak- sky and Jezkasgansky deposits (Kazhakhstan) as well as of the analogous ores in the Ural deposits are indicative of the fact that the brought forward procedure of pre-sorting could substantially ex- pand raw material base and reduce subsurface losses. Six groups of extra balance ores of copper-contain- ing deposits in the Sverdlovsk and Chelyabinsk re- gions are singled out. The promising and relatively non-costly procedures of metal re-extraction from various sorts of losses of mining and concentration are brought forward that require extra studying. Key words: raw material base, copper extra bal- ance ores, ore preparation, roentgen and radio- metric separation Работа выполнена в рамках конкурсных проектов УрО РАН 12-П-5-1019, 12-П-5-1028, 12-М-23457
- 47. 47 Прогноз развития горнодобывающих отраслей черной и цветной металлургии по Свердловской области, а также анализ подходов к обеспечению конкурентоспособности уральских горных предприятий, выполненный ИГД УрО РАН, свидетельствует о том, что основными направлениями их инновационного развития и модернизации производ- ства, предусматриваемыми соответствующими инвестиционными программами, явля- ются: - мероприятия по освоению новых и реконструкции действующих производств с изменением параметров систем разработки и вскрытия; - комплексное использование минерального сырья и освоение выпуска новых ви- дов продукции; - внедрение современного энергоэффективного оборудования, в том числе боль- шой единичной мощности; - обеспечение снижения энергоемкости и трудоемкости получения готовой продук- ции; - инновационные решения в области управления качеством минерального сырья; - энергоэффективная комплексная глубокая переработка техногенного сырья; - автоматизированное управление и контроль за технологическими процессами. В свою очередь основными и эффективными мерами по сбережению и экономии минеральных ресурсов и поддержанию сырьевой базы горных предприятий могут быть признаны: - повышение извлечения полезного ископаемого из недр и при переработке; - организация прикарьерной (внутришахтной) рудоподготовки сырья к обогаще- нию; - вовлечение в отработку забалансовых запасов как из недр, так и из отвалов; - раздельная добыча и переработка руд по типам; - формирование рудопотоков требуемого качества, организация комплексной пере- работки руд. Практика показывает, что извлечение полезного ископаемого из недр может быть повышено не только за счет оптимизации потерь и засорения руды в процессе очистной выемки, но и за счет применения совокупности разнообразных технологических схем подготовки руд и очистной выемки, в наибольшей степени соответствующих горно-гео- логическим, горнотехническим и геоэкономическим условиям освоения месторождения, а также за счет организации рудоподготовительных комплексов (внутришахтных или по- верхностных). Такой подход предусмотрен нами при отработке Кыштымского место- рождения кварца, когда в шахте очистная выемка ведется с минимальными потерями за счет применения специальных мер по ведению взрывных работ и использования само- обрушающихся целиков. Добытая рудная масса проходит стадиальную подготовку к обогащению, в том числе и с использованием методов рентгенорадиометрической и флюоресцентной сепарации, а затем подвергается глубокой переработке. Конечная цель совместных работ – увеличение сквозного выхода готовой продукции с 37 до 52 %. Применительно к отработке Гайского подземного рудника специалисты считают, что фланг месторождения можно будет отработать не только с использованием систем с закладкой очистного пространства, но и системами с обрушением, однако это требует достаточно серьезных обоснований и расчетов. Организация рудоподготовки на местах ведения горных работ значительно умень- шает риски реализации инвестиционных проектов за счет общего снижения совокупных эксплуатационных затрат, улучшения логистической составляющей перемещаемых и перерабатываемых объемов горной массы, а также некоторого сокращения капитало- емкости горно-обогатительного производства. Процесс рудоподготовки, связанный с использованием методов фото- и рентгено- радиометрической сепарации, системно влияет не только на последующие стадии обога-
- 48. 48 щения, но и на организацию ведения горных работ, а также повышение степени исполь- зования недр за счет установления рационального соотношения потерь и разубоживания при добыче. При этом возможно изменение технологий добычи и усреднения руд, обес- печивающих сокращение эксплуатационных потерь с одновременным повышением разубоживания крупнокусковой массы, которая должна подвергаться предварительной сепарации, что обеспечит увеличение производительности труда и снижение капиталь- ных вложений в горном переделе. Это позволит также сократить суммарные текущие расходы на добычу, транспортирование подготовленной руды и ее переработку и, в ко- нечном итоге, увеличить выход конечной продукции. Рис. 1 – Разгрузо-погрузочный комплекс установки рентгенорадиометрической сеперации Рис. 2 – Участок сепарации Северного медно-цинкового рудника (УГМК)
- 49. 49 УГМК-холдинг уже имеет опыт предварительной сепарации руд, добытых на Се- верном медно-цинковом руднике (рис.1, 2) и на Учалинском ГОКе. Однако значитель- ным резервом расширения сырьевой базы медной подотрасли может служить вовлече- ние в разработку забалансовых руд. ЗАО «НПК «Техноген» провел технологическую оценку 5 объектов забалансовых руд АО «Казахмыс» (табл. 1). Полученные результаты опытно-промышленных испыта- ний позволяют сделать следующие основные выводы: − забалансовая медная руда Саякского и Жезказганского месторождений может быть рассмотрена в качестве объекта обогащения на стадии рудоподготовки, а рентгено- радиометрическая сепарация может быть рекомендована в качестве метода обогащения машинных классов руды; − в значительной части исследованных забалансовых руд после рентгенорадио- метрической сепарации содержание меди составляет 0,37 – 0,56 %, что позволяет гово- рить о потенциальной возможности перевода их в разряд балансовых; − сброс в хвосты на стадии сепарации не менее 50 – 60 % горной массы позволяет резко сократить объемы перевозок полученного промпродукта к местам глубокого обо- гащения, что в значительной мере улучшает экономические показатели производства концентрата; − предложенный метод предварительной сортировки может в значительной мере расширить сырьевую базу (до 1 млрд. т) и снизить потери в недрах. Аналогичные исследования выполнены и для отвалов медной руды месторожде- ния «50 лет Октября», а также забалансовой медно-цинковой руды Валенторского ме- сторождения (табл. 2). У ИГД УрО РАН имеются технические решения и опыт разработки технологиче- ских регламентов по размещению и строительству аналогичных поверхностных и под- земных рудоподготовительных комплексов. По данным Уралнедра, учтенные запасы медьсодержащих забалансовых руд по 16 объектам Свердловской области колеблются в пределах 0,106 – 159,3 млн. т при содер- жании в них меди 0,22-1,54 % (наиболее крупный объект – Волковское месторождение). По 8 объектам Челябинской области запасы забалансовых руд составляют от 0,066 до 200,6 млн. т при содержании меди 0,2-1,22 % (наиболее крупное – Томинское место- рождение). По забалансовым рудам Свердловской и Челябинской областей на основании ранее проведенных исследований и испытаний по рентгенорадиометрической сепара- ции, а также вышеизложенной информации можно сделать следующие предварительные выводы: − забалансовые медные и медноколчеданные руды Шемурского, Ново-Шемур- ского, Сафьяновского, Валенторского, Северо-Калугинского, Левихинского, Северо- Ольховского, Молодежного, Талганского, Узельгинского, Александринского и Чебачьго месторождений могут рассматриваться как перспективное сырье для обогащения мето- дом рентгенорадиометрической сепарации на стадии крупнокускового предваритель- ного обогащения; − забалансовые руды Третьего Северного медьсодержащего скарново-магнети- тового, Вадимо-Александровского скарново-медно-магнетитового и Березняковского медно-золоторудного месторождений также могут быть рекомендованы для проведения тестовых испытаний по рентгенорадиометрической сепарации; − забалансовые руды Высокогорского железорудного, Волковского ванадиево- железо-медного и Галкинского комплексного месторождений целесообразно направить на выполнение предварительной оценки их на обогатимость методом РРС; − забалансовые медистые глины Гумешеского месторождения и медно-порфи- ровые руды Михеевского и Томинского месторождений не обладают сырьевыми пред- посылками их обогащения на стадии рудоподготовки методом рентгенорадиометриче- ской сепарации.
- 50. 50 Т а б л и ц а 1 Результаты исследования технологической эффективности рентгенорадиометрической рудоподготовки забалансовых медных руд Казахстана Класс крупности, мм Исходный класс Концентрат сепарации Хвосты сепарации выход, кг содержа- ние меди, % выход содержа- ние меди, % выход содер- жание меди, % % кг % кг Забалансовая медная руда шахты № 67/70 рудника «Степной» +300 394 0,26 30,5 120 0,57 69,5 274 0,12 -300+150 338 0,32 0 0 100,0 338 0,32 -150+100 314 0,22 19,4 61 80,6 253 0,14 -100+50 372 0,27 14,5 54 85,5 318 0,22 -50+30 241 0,32 47,7 115 52,3 126 0,09 Итого класс +30 мм 1659 0,28 21,1 350 78,9 1309 0,20 Забалансовая медная руда шахты № 57 +300 893 0,23 14,6 130 0,57 85,4 763 0,17 -300+150 808 0,29 41,0 331 59,0 477 0,10 -150+100 454 0,19 10,1 46 89,9 408 0,15 -100+50 377 0,26 30,5 115 69,5 262 0,12 -50+30 66 0,30 37,9 25 62,1 41 0,14 Итого класс +30 мм 2598 0,25 24,9 647 75,1 1951 0,14 Забалансовая медная руда шахты № 55 +300 794 0,39 65,0 516 0,54 35,0 278 0,11 -300+150 2135 0,27 18,0 385 82,0 1750 0,21 -150+100 585 0,31 43,9 257 56,1 328 0,13 -100+50 56 0,39 64,3 36 35,7 20 0,12 -50+30 Отсутствует Итого класс +30 мм 3570 0,30 33,4 1194 0,54 66,6 2376 0,19 Забалансовая медная руда шахты № 65 +300 482 0,39 65,6 316 0,56 34,4 166 0,07 -300+150 480 0,39 65,4 314 34,6 166 0,07 -150+100 439 0,37 54,7 240 45,3 199 0,14 -100+50 365 0,34 37,0 135 63,0 230 0,21 -50+30 107 0,35 57,0 61 43,0 46 0,07 Итого класс +30 мм 1873 0,37 56,9 1066 43,1 807 0,13 Т а б л и ц а 2 Результаты исследования технологической эффективности рентгенорадиометриче- ской сепарации забалансовой медно-цинковой руды Продукты обогащения Выход, % Содержание, % Извлечение, % Сu Zn Сu Zn Валенторское месторождение (медно-цинковая руда) Обогащенный продукт 32,4 3,08 4,15 84,7 81,9 Хвосты сепарации 67,6 0,27 0,44 15,3 18,1 Исходная руда 100,0 1,18 1,64 100,0 100,0 Месторождение «50 лет Октября» (отвалы медно-цинковой руды) Обогащенный продукт 76,4 2,89 0,29 98,7 94,8 Хвосты сепарации 23,6 0,13 0,05 1,3 5,2 Исходная руда 100,0 2,24 0,23 100,0 100,0
- 51. 51 Территориально все медьсодержащие месторождения забалансовых руд Сверд- ловской и Челябинской областей, которые потенциально могут быть подвергнуты рент- генорадиометрическому обогащению, условно можно разбить на 6 групп: − район города Ивделя (месторождения: Шемурское, Ново-Шемурское, Третье Северное); − район городов Карпинск – Краснотурьинск (месторождения: Валенторское, Галкинское, Северо-Калугинское, Вадимо-Александровское); − район городов Нижний Тагил – Кировград (месторождения: Высокогорское, Волковское, Северо-Ольховское, Левихинское); − район города Учалы (месторождения: Молодежное, Талгинское, Узельгин- ское); − район города Магнитогорска (месторождение Александринское); − район города Южноуральска (месторождение Березняковское). На Северном Урале на рентгенорадиометрическую сепарацию может быть направлено 4606,4 тысячи тонн забалансовой руды. Медная и медно-цинковая забалан- совая руда Ново-Шемурского медноколчеданного месторождения (544 тысячи тонн), а также медная руда Шемурского месторождения (856,4 тысячи тонн), содержащие 1,54 % меди, могут быть направлены на рентгенорадиометрическую сепарацию на один рудо- сортировочный комплекс. В качестве одного из вариантов может быть предложен рудо- сортировочный комплекс, состоящий из 6 рентгенорадиометрических сепараторов, вхо- дящий в состав Северного медно-цинкового рудника (ОАО «Святогор») и перерабаты- вающий в настоящее время медно-цинковую руды месторождения «Тарньер». По пред- варительным оценкам, Тарньерское месторождение может быть отработано в 2014 – 2015 годах. Производительность данного рудосортировочного комплекса составляет 300 – 350 тысяч тонн в год по исходной руде. В этом случае забалансовая руда Шемурского и Ново-Шемурского месторождения может быть переработана в течение 5 лет. Для обогащения забалансовой медно-магнетитовой руды Третьего Северного месторождения, в случае получения положительного результата на всех стадиях иссле- дований и испытаний по рентгенорадиометрическому обогащению, целесообразно стро- ительство отдельного рудосортировочного комплекса. При запасах данной забалансо- вой руды ~3206 тысяч тонн, вероятно, будет оправдано строительство нового комплекса (рядом с шахтой) производительностью до 500 тысяч тонн исходной руды в год. В районе городов Карпинск и Краснотурьинск сосредоточено 4 медьсодержащих месторождения с запасами 40505,2 тысячи тонн забалансовой руды. Наиболее перспек- тивные руды для рентгенорадиометрической сепарации – это забалансовые медные и медно-цинковые руды Валенторского и Северо-Калугинского месторождений со сред- ним содержанием меди 0,89 % в количестве 358 тысяч тонн. Для переработки данных забалансовых руд медноколчеданных месторождений наиболее оправданным, на наш взгляд, будет строительство небольшого (из двух рентгенорадиометрических сепарато- ров) рудосортировочного комплекса производительностью до 100 тысяч тонн исходной руды в год. Площадка для его строительства выбирается исходя из минимальных затрат по перевозке руды. Для переработки 4929 тысяч тонн забалансовых скарновых медно-магнетитовых руд Вадимо-Александровского месторождения, содержащих 0,25 % меди, после получе- ния положительных результатов на стадии тестовых и опытно-промышленных испыта- ний по рентгенорадиометрическому обогащению целесообразно рассмотреть вопрос о строительстве рудосортировочного комплеса производительностью ~600-700 тысяч тонн исходной руды в год. Комплекс необходимо разместить непосредственно около ствола шахты. Целесообразность переработки забалансовой полиметаллической руды Галкин- ского комплексного месторождения определяется после получения положительных ре-
- 52. 52 зультатов исследований и испытаний по рентгенорадиометрическому обогащению дан- ной руды (с крайне низким содержанием меди – всего 0,15 %), а также выполнения тех- нико-экономического обоснования строительства рудосортировочного комплекса. В случае положительных решений на всех этапах разработки и обоснования технологии РРС для обогащения полиметаллической руды целесообразно строительство рудосорти- ровочного комплекса на Галкинском месторождении. В районе городов Нижний Тагил и Кировград расположено четыре разноплано- вых месторождения меди с общими запасами забалансовых руд 159881,3 тысячи тонн. Два медноколчеданных месторождения – Северо-Ольховское и Левихинское – представ- лены медными и медно-цинковыми рудами с общими запасами забалансовых руд 698 тысяч тонн со средним содержанием меди 0,66 %. Для отработки запасов забалансовых руд целесообразно строительство рудосортировочного комплекса из 2-3 рентгенорадио- метрических сепараторов с производительностью ~120-180 тысяч тонн в год по исход- ной руде. Строительство комплекса целесообразно около шахты на Северо-Ольховском месторождении. Возможность переработки забалансовой медно-кобальтовой руды Высокогор- ского железорудного месторождения может быть определена после предварительных ис- следований и испытаний. В случае положительных заключений по технологии рентгено- радиометрического обогащения на всех этапах целесообразна переработка забалансовой медно-молибденовой руды с содержанием меди 0,87 % на ближайшем рудосортировоч- ном комплексе (например, на комплексе, перерабатывающем руды Северо-Ольховского месторождения). Строительство самостоятельного комплекса, вероятно, будет экономи- чески неоправданно из-за малых запасов данной забалансовой руды (всего 159,3 тысячи тонн). Волковское месторождение обладает большими запасами забалансовых ванади- ево-железо-медных руд – почти 160 миллионов тонн при содержании в них меди всего 0,22 %. При благоприятном решении вопроса о технологической возможности и эконо- мической целесообразности применения рентгенорадиометрической сепарации для обо- гащения данных забалансовых руд будет оправданным строительство крупного рудосор- тировочного комплекса на борту карьера. В районе города Учалы (Башкирия) расположены медноколчеданные месторож- дения Молодежное, Талгинское и Узельгинское, добывающие медные, медно-цинковые и серноколчеданные руды. Все эти месторождения отрабатываются рудником «Узель- гинский» (ОАО «Учалинский ГОК»). Суммарные запасы забалансовых руд данных ме- сторождений составляют 2630 тысяч тонн при среднем содержании в них меди ~0,99 %. В настоящее время в Учалинском ГОКе работает рудосортировочный комплекс, состоя- щий из 3 сепараторов, который осуществляет обогащение забалансовых руд различных месторождений горно-обогатительного комбината. Производительность рудосортиро- вочного комплекса составляет 200-250 тысяч тонн по исходной руде в год. В связи с этим проблемы переработки забалансовых руд месторождений Молодежное, Талгинское и Узельгинское не существует. В районе города Магнитогорска расположено Александринское медноколче- данное месторождение медных и медно-цинковых руд с общими запасами забалансовых руд 1961 тысяча тонн и содержанием меди ~0,29 %. Для обогащения забалансовых руд этого месторождения может быть построен рудосортировочный комплекс, состоящий из 3-4 сепараторов, на производительность до 250-300 тысяч тонн в год по исходной руде. Строительство комплекса целесообразно произвести в непосредственной близости от шахты с целью сокращения транспортных затрат и возможностью использования хво- стов сепарации при закладке выработанного пространства в шахте. В районе города Южноуральска находится месторождение Березняковское мед- ных и золотосодержащих руд. Запасы забалансовых руд месторождения составляю 406
- 53. 53 тысяч тонн при содержании меди в них 0,66 %. На Березняковском месторождении по- строен и действует рудосортировочный комплекс, состоящий из одного рентгенорадио- метрического сепаратора, который обогащает руду текущей добычи. С целью перера- ботки забалансовых руд данного месторождения целесообразно расширить действую- щий рудосортировочный комплекс до 2-3 сепараторов. Месторождение Чебачье в данной записке не рассматривается, так как для обо- гащения руды текущей добычи данного месторождения выполнены все предваритель- ные исследования и испытания, разработан технологический регламент и ТЭО строи- тельства рудосортировочного комплекса производительностью 800 тысяч тонн исходной руды в год. Объемы забалансовой медной и медно-цинковой руды незначительны – со- ставляют всего 66 тысяч тонн при содержании меди в ней 0,45 %. Для оценки эффективности применения рентгенорадиометрической сепарации для обогащения забалансовых медьсодержащих руд Свердловской и Челябинской обла- стей и, тем самым, расширения сырьевой базы медной подотрасли Урала в перспективе целесообразно проведение следующих работ: 1. Проведение предварительных исследований, тестовых и опытно-про-мыш- ленных испытаний, а также разработки технологий по рентгенорадиометрическому обо- гащению забалансовых медных и медноколчеданных руд Шемурского, Ново-Шемур- ского, Сафьяновского, Валенторского, Северо-Калугинского, Левихинского, Северо- Ольховского, Молодежного, Талганского, Узельгинского, Александринского и Чебачьго месторождений на представительных по химико-минералогическому и гранулометриче- скому составам пробах исходной руды массой до 5 тонн каждая. 2. Проведение предварительных исследований и тестовых испытаний по рентге- норадиометрической сепарации забалансовых руд Третьего Северного, Вадимо-Алек- сандровского и Березняковского месторождений на исходных пробах массой до 500 кг каждая. 3. Проведение предварительных исследований на обогатимость методом рентге- норадиометрической сепарации забалансовых руд Высокогорского, Волковского и Гал- кинского месторождений на пробах, включающих все основные рудные минералы, вме- щающие и разубоживаюшие породы, массой до 100 кг каждая и крупностью –50+20 мм. Эффективность использования в качестве сырьевой базы цветной металлургии техногенно-минеральных образований (металлургических отвалов, хвостохранилищ) на данный момент невысока. Это объясняется тем, что при их переработке образуется зна- чительное количество отходов более высокого класса опасности, объем которых зача- стую превосходит объем перерабатываемого материала за счет добавляемых реагентов. Эффективность использования хвостов и металлургических шлаков значительно зависит от цен на металл, а также от степени комплексности извлечения и использования полу- ченных при переработке материалов. Тем не менее концерн «Вель» начал технологиче- скую подготовку производства и дополнительное изучение 6 техногенных объектов в Свердловской и Челябинской областях, в том числе в районе г. Карабаш, с целью их дальнейшей переработки. К перспективным и относительно незатратным способам доизвлечения металла из различного рода потерь, по нашему мнению, следует отнести: - подземное выщелачивание потерь руды из целиков затопленных рудников аэри- рованными шахтными водами с последующим осаждением металла на ионообменных смолах; - подземное выщелачивание хвостов обогащения, направляемых в отработанные камеры в качестве закладки; - направленное выщелачивание потерь полезного ископаемого непосредственно в породных отвалах с перехватом подотвальных вод и последующей их гидрометаллурги- ческой переработкой;
- 54. 54 - обработка металлургических шлаков в гидравлическом потоке наносекундными электромагнитными импульсами с целью наилучшей дезинтеграции перерабатываемой массы и увеличения извлечения металла не менее чем на 15-20 %. Указанные подходы имеют различную степень готовности и нуждаются в экспери- ментальной и опытно-промышленной проверке. Вышеизложенное позволяет сформулировать следующие основные выводы. 1. Комплексное освоение недр и попутная переработка, в том числе некондици- онных руд, уже является необходимостью. 2. Извлечение полезного ископаемого из недр может быть повышено не только за счет оптимизации потерь и засорения руды в процессе очистной выемки, но и за счет организации рудоподготовительных комплексов (внутришахтных или поверхностных), а также за счет применения совокупности разнообразных технологических схем подго- товки руд и очистной выемки, в наибольшей степени соответствующих горно-геологи- ческим, горнотехническим и геоэкономическим условиям освоения месторождения. 3. Значительным резервом расширения сырьевой базы медной подотрасли Урала может служить вовлечение в разработку забалансовых руд. 4. Эффективность использования в качестве сырьевой базы техногенно-минераль- ных образований (металлургических отвалов, хвостохранилищ) на данный момент невы- сока, однако вложение в это направление средств на НИР и ОКР будет оправдано при постановке задачи на комплексное извлечение полезного ископаемого и утилизацию от- ходов переработки. Литература 1. Энерго- и ресурсосберегающие технологии поддержания сырьевой базы Рес- публики Казахстан / С.В. Корнилков, И.В. Соколов, В.С. Шемякин, С.Ж. Галиев // Про- блемы и пути инновационного развития горнодобывающей промышленности: матери- алы VI Междунар. науч.- практ. конф.– Алматы, 2013. – С. 172 – 181. 2. Комплексные технологические решения по отработке месторождений при вы- делении обособленной стадии рудоподготовки / С.В. Корнилков, И.В. Соколов, А.В. Колтунов, С.В. Исаков и др. // Научные основы, практика и перспективы развития информационных методов обогащения минерального и техногенного сырья: материалы науч.-техн. конф., 12 – 14 окт., 2011 г., г. Екатеринбург. - Екатеринбург: Изд.УГГУ, 2011. - С. 37 – 47.
- 55. 55 УДК 622.014.3:553.042.004.14 К настоящему времени российскими учеными разработаны научные, методоло- гические и стратегические основы комплексного освоения недр, учитывающие совре- менное состояние горной техники и технологии, изменения важнейших положений эко- номической оценки месторождений полезных ископаемых, состояние и возможности развития минерально-сырьевой базы [1 – 7 и др.]. Как правило, в этих работах приво- дится аргументация важных направлений дальнейшего научного поиска, в том числе с учетом развивающегося парка принципиально нового научного оборудования. В насто- ящей статье авторами сделана попытка рассмотреть, в соответствии со своей специали- зацией и имеющимся заделом, совокупность подобных задач. Рассмотрение и аргументацию научной и практической значимости отобранных задач начнем с основ геологического опробования и оценки запасов. В ИГДС СО РАН на основе обобщения многолетних данных опытно-методиче- ских работ, разведки и разработки месторождений твердых полезных ископаемых изу- чены закономерности пространственной изменчивости и неоднородности полей содер- жаний полезных компонентов. Введено геолого-экономическое понятие кластерной ор- ганизации месторождений и рудного вещества, методологически удобное для оптимиза- ции сетей опробования, оценки и отработки запасов полезных ископаемых при реализа- ции концепции эксплуатационных кондиций [8]. Обоснованы принципы построения и анализа функционирования сложных динамических систем «георесурс-продукт-эффект» Ткач Сергей Михайлович доктор технических наук, директор института Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского (ИГДС) СО РАН 677027, г. Якутск, ул. Ленина, д.43, e-mail: tkach@igds.ysn.ru Tkach Sergey M. doctor of technical sciences, the director of the Institute of mining in the north regions, named after N. V. Chersky, Si- berian Branch, RAS, Lenin Ave, 43, Yakutsk, 6778027, Russia, e-mail: tkach@igds.ysn.ru Батугин Сергей Андриянович доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории проблем рационального освоения минерально-сырьевых ресурсов, ИГДС СО РАН e-mail: batuginan@mail.ru, ИЗБРАННЫЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ Batugin Sergey A. Doctor of technical sciences, professor, Chief researcher of the Laboratory of problems of rational mineral resources development the Institute of mining in the north regions, named after N. V. Chersky and related to the Siberian Branch, RAS e-mail: batuginan@mail.ru SELECTED GEO-TECHNOLOGICAL PROBLEMS OF MINERAL RESOURCES INTEGRATED DEVELOPMENT AT PRESENT STAGE Аннотация: Показано, что для эффективной реализации стратегии комплексного освоения недр необхо- димо опробование месторождений, минераль- ного сырья и продуктов его переработки. Од- нако эта проблема недопустимо игнорируется наукой и практикой. Отмечены причины и от- рицательные последствия этого явления. Пред- ложены первоочередные меры. Ключевые слова: недра, месторождения, стра- тегия, опробование, предложения Abstract: It is shown that for efficient implementation the strategy of comprehensive natural resources devel- opment sampling the deposits, mineral raw materi- als and products of its processing is necessary. But the problem continues to be inadmissibly disre- garded by science and practice. The reasons and negative after-effects of this phenomenon are men- tioned. Top priority measures are proposed. Key words: subsurface mineral resources, deposits, strategy, sampling, suggestions
- 56. 56 [9]. Предложено новое конструктивное понимание и определение представительности геологической пробы: проба называется представительной, если ее масса (объем), гео- метрия и ориентировка позволяют оценить с необходимой и достаточной точностью среднее содержание полезного (вредного) компонента в однородном поле минерализа- ции с заданными гранулометрией и балансом минералов-носителей данного компонента, структурой и текстурой среды опробования [10]. Опробование на содержание химических элементов, минералов, твердых, жидких и газообразных включений, пор, каверн, дефектов и других характеристик при комплекс- ном изучении и освоении недр ведется на всех стадиях. Многообразие объектов опробования порождает разнообразие сред опробования, с которыми приходится иметь дело. Общим свойством большинства сред опробования является то, что они могут быть представлены в виде образований из двух или большего числа фаз (тел) с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Такие системы называют дисперсными. В дисперсных системах по крайней мере одна из фаз распределена в виде мелких частиц (кристалликов, нитей, пленок, пластинок, капель, пузырьков и т. п.) в другой сплошной фазе – дисперсионной среде. Совокупность мелких однородных частиц, рас- пределенных в дисперсионной среде, называют дисперсионной фазой. По агрегативному состоянию дисперсные системы делят на газодисперсные – аэрозоли (дым, туман, пыль), жидкодисперсные (золи, суспензии, эмульсии, пены), твер- додисперсные – стеклообразные или кристаллические тела с включением мельчайших твердых частиц, капель, газовых пузырьков. Общая классификация дисперсных систем приведена в табл. 1 [11]. Т а б л и ц а 1 Классификация дисперсных систем Дисперсионная среда Дисперсная фаза Газовая Жидкая Твердая Газовая Дисперсные системы не образуются Туман Дым, пыль Жидкая Пены Эмульсии Суспензии Золи (коллоидные растворы) Твердая Аэрогели (пористые тела) Жидкие включения в твердых телах Твердые золи В геологии и горном деле приходится иметь дело со всеми классами дисперсных систем, указанных в табл. 1. Каждое из месторождений полезных ископаемых представ- ляет собой некую гетерогенную систему. Месторождения твердых полезных ископае- мых и твердые породы являются примерами сложных гетерогенных систем с одновре- менным присутствием в одной и той же породе (руде) большой совокупности не только различных твердых, жидких и газообразных дисперсных фаз, но и необозримого множе- ства гетерогенных подсистем разных масштабов. Поведение таких гетерогенных систем и подсистем в условиях разнообразных природных и техногенных воздействий для по- знания проблем комплексного освоения, сохранения недр, окружающей природы и жизни на Земле представляется крайне важным, перспективным, но далеким будущим. Применительно к различным месторождениям и видам минерального сырья более чем за 100-летний период развития эмпирических и теоретических методов исследова- ний предлагалось и использовалось много способов определения минимальной предста- вительной массы (объема) первичной пробы и (или) навески для химического анализа. В разработке этих методов принимали участие многие инженеры и ученые разных стран: И.М. Адельсон, М.Н. Альбов, С.А. Батугин, Н.В. Барышев, Г.Е. Белоусов,
- 57. 57 М.П. Божинский, А.П. Буров, В.В. Викторов, Г.П. Воларович, А.И. Галудзина, М.А. Гневушев, А.Г. Дьяков, А.В. Есипов, С.Г. Желнин, Е.П. Зайцев, Б.М. Зубарев, П.Л. Каллистов, Н.В. Карпенко, А.И. Ким, Н.В. Климов, В.З. Козин, С.Д. Костюк, Д.А. Крас- нов, А.А. Куликов, А.Б. Куликова, П.И. Кушнарев, Р.М. Кылатчанов, А.А. Малаев, В.Е. Минорин, В.А. Новиков, Ю.К. Панов, В.П. Переяслов, В.Г. Петров, К.Л. Пожарицкий, Б.И. Прокопчук, Р. Ричардс, И.С. Рожков, С.М. Ткач, Ю.А. Ткачев, Е.А. Фридланд, В.Г. Хитров, А.П. Церишенко, Е.Д. Черный, Л.И. Четвериков, Г.О. Чечотт, Л.И. Шаманский, А.А. Шеин, Б. Бауле, А.З. Бенедетти-Пихтер, А.Д. Вильсон, Д.Висман, К. Демонд, С.О. Ингамельс, Ф. Мика, С.Х. Петхе, А.Ф. Таггарт, Р. Хальфердаль, P.M. Becker, D. Brunton, E. Clifton, A. Grassia, P. Gy, P. Hunter, M. Magnee, D.J. Otlley, L.L. Philips, A. Prigogine, F. Swanson, J. Cillik и др. (по [10]). Обобщение практических данных по опробованию привело английского ученого Р. Ричардса (1909 г.) к убеждению, что массы проб изменяются приблизительно пропор- ционально квадратам диаметров максимальных кусков в пробе. Впервые такого рода работа, в которой описан пример расчета схемы обработки пробы по формуле, была опубликована профессором Ленинградского горного института Г.О. Чечотта в 1917 г.: 𝑚 = 𝐾𝑑2 . (1) Эта же формула приведена им в последующей работе (1932 г.) со ссылкой на ма- териалы экспериментальных исследований Р. Ричардса. С тех пор она вошла в практику геологической службы СССР под названием «соотношение Ричардса – Чечотта», и была рекомендована Геологическим комитетом еще в 1926 г. Коэффициент К отражает влияние изменчивости содержания металла в руде и, по мнению Г.О. Чечотта, изменяется в пределах 0,16 – 0,24. В практике опробования алмазных и других россыпей широко известна, исполь- зовалась и используется в ряде случаев формула, предложенная в 1952 г. А.П. Буровым и Г.И. Воларовичем: C q KV п , (2) где Vп – искомый объем пробы, м3; q – средняя масса кристалла алмаза, мг; С – среднее содержание алмазов в данном типе россыпей; К – коэффициент, выбираемый в зависимости от требуемой надежности обнаруже- ния алмазов. В формулах (1) и (2) удачно отражены опыт и накопленные знания об основных факторах (d, q, C и K), влияющих на уровень представительности геологической пробы. Это определило 100-летнюю историю развития эмпирических и теоретических поисков теории опробования горных пород, руд, минерального сырья и продуктов их перера- ботки. Отметим важнейшие факты состояния дел в этой области на современном этапе: специалисты признают, что высокая неравномерность содержания (например, алмазов и золота) в месторождениях и рудной массе, фиксируемая при геологическом опробовании, является следствием как природного неравномерного распределения кри- сталлов и их сростков – носителей искомых минералов и элементов в рудном массиве, так и случайного попадания их в частные пробы; формулы (1) и (2) широко использовались и используются с разной модифика- цией параллельно с введением существенных поправок из-за часто наблюдаемого зани- жения качества и количества пригодных для эксплуатации запасов, вплоть до пропусков месторождений и их участков;
- 58. 58 имеет место множество различных случайных и систематических ошибок оценки содержаний минералов и элементов на всех стадиях опробования месторождений и добытого минерального сырья от пробоотбора до лабораторного анализа; систематические ошибки занижения содержаний при существенно непредста- вительном опробовании в корне искажают истинную картину размещения балансовых запасов (рис. 1); занижают мощность продуктивных тел в местах фактически балансовых запа- сов, показывая в то же время ненулевую мощность там, где фактически содержания су- щественно ниже бортового; занижают площади участков с балансовыми запасами, показывая таковые в ме- стах их фактического отсутствия; завышают запасы худших и лучших категорий по качеству и занижают запасы среднего качества. Рис. 1 – Сравнение геометризации балансовых запасов по данным эксплуатационного опробования пробами разного объема: а – V0,05Vпредст.; б – V0,35Vпредст.; в – VVпредст. При освоении месторождений выбор стратегии поведения компании очень жестко связан с источником сырья. Именно качество запасов минерального сырья, их величина и условия разработки будут определять, какая стратегия поведения компании может быть преобладающей при разработке месторождения [12]. Переходя к заключению, отметим справедливое, на наш взгляд, мнение сотруд- ников ОАО «Иргиридмет» [13] о целесообразности продолжения исследований техноло- гии пробоподготовки и анализа золотосодержащих проб. Требуется пересмотр стандарта по подготовке проб к анализам с заменой устаревшей формулы Ричардса – Чечотта и разработка новых схем пробоподготовки, учитывающих современные условия. Литература 1. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли /под ред. К. Н. Трубецкого. – М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. – 478 с. 2. Мезоэкономика переходного периода: рынки, отрасли предприятия / под ред. Г. Б. Клейнера. - М.: Наука, 2001. - 516 с. (Серия "Экономическая наука современной России") 3. Клейнер Г. Б. Стратегия предприятия / Г. Б. Клейнер. M: Изд-во "Дело", 2008. 568 с. 4. Яковлев В. Л. Разработка государственной стратегии развития и освоения недр России основа геополитической и экономической безопасности страны / В.Л. Яко- влев //. Геотехнологические проблемы комплексного освоения недр. Екатеринбург, 2009. – С. 87 – 94. – (. Сб. науч. тр. / ИГД УрО РАН. - № 5(95).
- 59. 59 5. Комплексное освоение месторождений и глубокая переработка минераль- ного сырья / К. Н. Трубецкой, В. А. Чантурия, Д. Р. Каплунов, М. В. Рыльникова. - М.: Наука, 2010. - 437 с. 6. Ресурсовоспроизводящая безотходная геотехнология комплексного освоения месторождений Курской магнитной аномалии / под ред. Д..Р. Каплунова. – М.: Изд-во «Горная книга», 2012. – 547 с. 7. Архипов Г. И. Минеральные ресурсы горнорудной промышленности Даль- него Востока. Обзор состояния и возможности развития / Г. И Архипов. – М.: Издатель- ство «Горная книга», 2011. – 830 с. 8. Ткач С. М. Методологические и геотехнологические аспекты повышения эф- фективности освоения рудных и россыпных месторождений Якутии / С. М. Ткач; отв. ред. С. А. Батугин, – Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2006. – 284 с. 9. Батугина, Н.С. Проблемы эффективного освоения недр Республики Саха (Якутия) / Н. С. Батугина. – М.: Геоинформмарк, 2010. – 194 с. 10. Батугин, С. А. Теоретические основы опробования и оценки запасов место- рождений / С. А. Батугин, Е. Д. Черный. – Новосибирск: Сиб. предприятие РАН, 1998. – 344 с. 11. Большая советская энциклопедия. – М.: Сов. Энциклопедия, 1972. – Т. 7. – С. 309. 12. Харитонова М. Ю. Использование вероятностного подхода для определения конкурентных стратегий поведения горнодобывающих компаний Красноярского края / М. Ю. Харитонова, Н. А. Мацко // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. – 2013. - № 3. – С. 83-87. 13. Прокопьева С. В. Проблемы пробоподготовки и анализа проб с различной крупностью золота] / С. В. Прокопьева, А. С. Ванина, Б. К. Кавчик // Золотодобыча. – 2014. - № 2 (183), февраль. – С. 11-14.
- 60. 60 УДК 622.83 Сашурин Анатолий Дмитриевич доктор технических наук, заведующий отделом геомеханики, Институт горного дела УрО РАН 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина - Сибиряка, 58 e-mail: sashour@igd.uran.ru Мельник Виталий Вячеславович кандидат технических наук, заведующий лабораторией технологии сниже- ния риска катастроф при недропользовании, Институт горного дела УрО РАН e-mail: melnik@igduran.ru Усанов Сергей Валерьевич кандидат технических наук, заведующий лабораторией сдвижения горных пород, Институт горного дела УрО РАН e-mail: usv@igduran.ru Балек Александр Евгеньевич доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории гео- механики подземных сооружений, Институт горного дела УрО РАН e-mail: balek@igduran.ru ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ Sashourin Anatoly D. Doctor of technical sciences, the head of geo-mechanics department, The Institute of Mining UB RAS 620219, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58 e-mail: sashour@igd.uran.ru Melnik Vitaly V. candidate of technical sciences, the head of the laboratory of reducing catastrophes’ risk by mineral resources management, the Institute of Mining UB RAS e-mail: melnik@igduran.ru Usanov Sergey V. сandidate of technical sciences, the head of the rocks’ displacement laboratory, The Institute of Mining UB RAS e-mail: usv@igduran.ru Balek Alexander E. doctor of technical sciences, leading research worker of the laboratory of subsurface installations’ geo-dynamics, The Institute of Mining UB RAS e-mail: balek@igduran.ru THE PROBLEMS OF SAFETY ON MINING PLANTS LIQUIDATION Аннотация: Рассмотрены проблемы обеспечения безопасно- сти использования территорий, нарушенных при разработке месторождений полезных иско- паемых в период и после ликвидации горнодобы- вающих предприятий. Выявлены основные виды опасностей, определя- ющие их факторы и специфика проявления при открытом и подземном способах разработки. Определены состав системы мониторинга и программы его проведения. Ключевые слова: горнодобывающее предприя- тие, ликвидация, опасность, безопасность, мо- ниторинг Abstract: The problems of ensuring the territories’ safety, dis- turbed by mining the deposits of mineral resources during and after mining plants liquidation are viewed. The main kinds of risks as well as defining factors and specific character of their manifestation by open pit and subsurface mining are revealed. Both the structure of monitoring system and program of its performance are determined. Key words: mining plant, liquidation, risk, safety, monitoring В деятельности каждого горнодобывающего предприятия, независимо от вида полез- ного ископаемого, в крупном плане условно можно выделить три основных периода – про- ектирование и строительство, эксплуатация, ликвидация. Им присущи свои специфичные проблемы и сложности, требующие затрат на их решение, которые в той или иной мере напрямую или опосредованно ложатся на стоимость выпускаемой продукции. Но как бы долго ни существовало горное предприятие, рано или поздно запасы полезного ископаемого Исследования выполнены в рамках гранта РФФИ № 14-05-00324
- 61. 61 иссякают и встает вопрос о его ликвидации – логическом завершении всего цикла недро- пользования. При всех способах разработки месторождений: открытом, подземном, комбиниро- ванном – по ее завершению на горном отводе и прилегающих территориях, используемых для технологических целей, остаются разнообразные техногенные нарушения исходных природных условий, которые зависят от способа разработки, параметров залегания место- рождения, объемов добычи и многих других факторов. В соответствии с требованиями фе- дерального «Закона о недрах» пользователь обязан привести участки земли и другие нару- шенные природные объекты в состояние, пригодное для их дальнейшего использования. Насколько кратко сформулировано в законе это требование, настолько сложна его практи- ческая реализация. Проблемы приведения нарушенных участков земли в пригодное для безопасного ис- пользования состояния по своей специфике можно подразделить на два вида: экологические проблемы, связанные с восстановлением или созданием экологически приемлемых условий на нарушенных участках; проблемы обеспечения безопасности использования нарушенных территорий. Творческий коллектив Уральской школы геомехаников ИГД УрО РАН, сотруд- ничающий на протяжении многих лет с членом-корреспондентом РАН В.Л. Яковлевым [1], в соответствии со своей специализацией проводит исследования по второму виду – по фак- торам пригодности нарушенных территорий, обеспечивающим безопасность их использо- вания после разработки месторождений твердых полезных ископаемых. Актуальность этого направления научных исследований обусловлена спецификой минерально-сырьевого комплекса Уральского региона, в котором традиционно преобладает добыча открытым и подземным способами угля, железных и медных руд, нерудных и дру- гих видов твердых полезных ископаемых. Во-первых, Уральский регион относится к одной из старейших горнодобывающих провинций России, в которой на многих месторождениях отработка запасов либо завершилась, либо подходит в ближайшие годы к завершающему этапу. Во-вторых, многие горные предприятия исторически выступают в качестве градооб- разующих. Города и населенные пункты Урала создавались и функционировали как посе- ления заводского типа, где нарушенные территории граничили, а часто и тесно переплета- лись с селитебными территориями. Кроме того, в соответствии с федеральным законом «О промышленной безопасности» процесс недропользования (горные работы) относится к опасным видам работ. Причем опасность, присущая ему на всех этапах разработки место- рождения, на стадии ликвидации шахт и карьеров не только не уменьшается, но в значи- тельной мере возрастает и усложняется. В горнодобывающей практике Урала ликвидация шахт и карьеров не нова. Предше- ствующая практика, регламентировавшаяся соответствующими нормативными докумен- тами, не создавала серьезной опасности для промышленной и социальной инфраструктуры. Для ликвидируемых предприятий вследствие их небольших мощностей характерны были преимущественно проблемы экологического характера, вызванные подтоплением террито- рий, нарушением плодородия земель, сложностями повторного использования подработан- ных земель в зонах сдвижения горных пород. С наступлением периода ликвидации крупных горнодобывающих предприятий с масштабным воздействием на окружающую среду, в первую очередь на напряженно-де- формированное состояние значительных областей массива горных пород, проблемы ликви- дации смещаются в область повышения опасности для промышленной и социальной инфра- структуры. В настоящее время в Институте ведутся исследования по обеспечению безопас- ности при предстоящей ликвидации Коркинского угольного разреза (г. Коркино), шахты Медной (г. Краснотурьинск) и шахты Магнетитовой (г. Нижний Тагил), находившихся в
- 62. 62 эксплуатации от 80 до 250 лет. Эти объекты по праву можно отнести к крупнейшим горно- добывающим объектам не только Урала, но и России. При ликвидации горнодобывающих предприятий такого масштаба возникают ти- пичные для недропользования проблемы и опасности, присущие как объектам с подземным, так и с открытым способом разработки месторождения. Каждому объекту свойственны свои особенности развития тех или иных опасных процессов и явлений, определяемых горно- геологическими условиями разработки, параметрами месторождения и многими другими факторами. Но в природе их проявления, тяжести социальных последствий наблюдается определенная общность. Во-первых, одним из негативных последствий недропользования является неизбежное нарушение хрупкого динамического равновесия природной среды. Оно происходит во всех сферах окружающей природы, но с позиций безопасности особое место занимает нарушение исходного напряженно-деформированного состояния массива горных пород, в результате которого формируется область влияния недропользования со вторичным напряженно-деформированным состоянием. Трансформация исходного напря- женно-деформированного состояния в процессе горных работ сопровождается различными негативными процессами геомеханического характера, создающими трудности обеспече- ния безопасности, решаемые по ходу производства. Во-вторых, несмотря на решение текущих задач безопасности в процессе разработки месторождения, реальной действительности присуще их накопление и, вследствие этого, возрастание остроты негативных, а нередко и катастрофических последствий недропользо- вания в течение всего периода эксплуатации месторождения. В-третьих, чем крупнее объект недропользования, тем масштабнее нарушения при- родной среды, тем значимее, а возможно, и трагичнее последствия его эксплуатации. И наконец, отнесение мер предупреждения катастрофических последствий недро- пользования на последующие периоды всю остроту их проявления переносит на заключи- тельный этап – на погашение эксплуатации месторождения. В соответствии с «Законом о недрах» и Инструкцией о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами, расходы на реализацию мер по приведению области влияния горных разработок в безопасное состояние ложатся на собственника горного предприятия. При длительном сроке существования рассматриваемых предприятий происходила смена собственников, и поэтому возникает не совсем нормальная ситуация: все затраты приходятся на последнего собственника. Коркинский разрез относится к категории наиболее масштабных горнодобывающих предприятий с открытым способом разработки, после ликвидации которых возникает об- ширный комплекс опасностей для окружающего населения и промышленной инфраструк- туры. К основным из них, захватывающим непосредственно прилегающие, а также доста- точно удаленные территории, относятся: оползневые процессы в бортах разреза; деформационные процессы прибортовых массивов горных пород и окружающих территорий земной поверхности, прилегающей к разрезу; современные геодинамические движения массива горных пород и земной поверх- ности; наведенная сейсмичность и опасность возникновения техногенных землетрясе- ний. Оползневые процессы в бортах разреза постоянно сопровождали разработку Коркин- ского месторождения, создавая угрозу безопасности персонала и технологического обору-
- 63. 63 дования. В период разработки аварийные ситуации оползневого характера не распространя- лись за границы разреза, их локализовали. При затоплении разреза при его ликвидации вод- ные массы могут вносить существенные изменения в механизм оползневых процессов и их последствий за счет вытеснения оползневыми массами воды. В зависимости от скорости смещения, объемов сползающих масс и уровня затопления разреза оползень может вызвать резкий подъем воды с образованием выплескивающихся на земную поверхность волн. В качестве примера подобного развития оползневого процесса может служить катастрофа, произошедшая в 1963 году на водохранилище итальянской гидроэлектростанции Вайонт. Склон горы длиной 2 км, шириной почти километр сполз за 45 секунд в чашу водохрани- лища. Образовавшийся всплеск воды высотой около 250 м перелился через плотину и снес на своем пути пять деревень, погибло около трех тысяч человек. Деформационные процессы прибортовых массивов горных пород и прилегающих территорий происходили в период эксплуатации Коркинского разреза, и на его восточном борту возникла необходимость сноса жилых объектов поселка Роза. С затоплением разреза уровень сдвижений и деформаций будет возрастать за счет снижения прочности по струк- турным нарушениям массива горных пород. Важную роль в нарушении устойчивости различных объектов играют современные трендовые и цикличные геодинамические движения, причем воздействие их на здания и со- оружения может достигать критических значений как в районах влияния горных разработок, так и вне их [2]. К современным геодинамическим движениям близко примыкает наведенная сей- смичность, или техногенные землетрясения. Формирование вторичного напряженно-дефор- мированного состояния в области влияния горных разработок нередко сопровождается сей- смическими событиями, способными разрушить промышленные и социальные объекты, оказавшиеся в зоне их влияния [3]. Ликвидация шахты Магнетитовая сопряжена с рядом осложнений, связанных с дли- тельным сроком разработки Высокогорского железорудного месторождения, затронувшей значительные объемы массива горных пород в плане и по глубине, и нахождением разраба- тываемого шахтного поля в городской черте. Задачи охраны от подработки объектов про- мышленной и социальной инфраструктуры самого рудника и города тесно переплелись с задачами развития горных работ. На стадии разработки месторождения обеспечение без- опасности осуществлялось в условиях дренирования подземных вод шахтным водоотливом. В случае осуществления «мокрой» ликвидации шахты обводнение подработанных массивов пород существенно изменит геомеханические условия и потребует обоснованного пере- смотра мероприятий по обеспечению безопасности объектов инфраструктуры на земной по- верхности. Взаимосвязь шахты Магнетитовая со всем комплексом горных разработок на место- рождении порождает обширный комплекс опасностей, характерных как для ликвидируемых подземных выработок, так и для открытых, отмеченных относительно Коркинского разреза. К основным из них, захватывающим непосредственно прилегающие, а также достаточно удаленные территории, относятся: - активизация деформационных процессов сдвижения горных пород на подработан- ных территориях в сложившейся мульде сдвижения в городской черте и в промышленной зоне, вызванная затоплением шахты и формированием новой гидрогеологической обста- новки в области влияния разработки месторождения; - развитие оползневых процессов на объектах техногенного рельефа (борта карьеров, откосы отвалов и др.), попадающих в области изменения гидрогеологической ситуации и продолжения формирования вторичного напряженно-деформированного состояния;
- 64. 64 - подтопление объектов промышленной и социальной инфраструктуры, обусловлен- ное формированием новой гидрогеологической обстановки; - наведенная сейсмичность, или опасность возникновения техногенных землетрясе- ний, вызванная усугублением нарушения динамического равновесия природной среды и снижением прочностных свойств массива горных пород при его обводнении. Следует отме- тить, что в области влияния разработки Высокогорского месторождения в период эксплуа- тации шахты в октябре 2009 года произошло наведенное сейсмическое событие магнитудой 2,3 балла, нарушившее грузовую железнодорожную станцию Гора Высокая (см. фото). Нарушение железнодорожной станции техногенным землетрясением в зоне влияния гор- ных работ шахты Магнетитовая в г. Нижнем Тагиле 01.10.2009 г. Относительно прогнозирования проявления сейсмических событий на стадии затоп- ления выводы пока неоднозначны. Обводнение пород и структурных нарушений, с одной стороны, облегчит подвижки и возможность возникновения сейсмических событий, а с дру- гой – может способствовать их плавному протеканию без сейсмического эффекта. Таким образом, проблема ликвидации горнодобывающих предприятий, отработав- ших свой срок, приобретающая для Урала как одного из старейших горнодобывающих ре- гионов все большую актуальность, сопряжена с необходимостью обеспечения безопасности объектов окружающей промышленной и социальной инфраструктуры. Для уральских пред- приятий актуальность этой проблемы усиливается спецификой исторически сложившихся городов-заводов.
- 65. 65 Литература 1. Яковлев В.Л. Геомеханические аспекты проблемы открытой разработки место- рождений / В.Л. Яковлев, А.Д. Сашурин, А.В. Зубков, А.В. Яковлев // ФТПРПИ. – 2001. - № 4. – С. 32 – 35. 2. Сашурин А.Д. Современная геодинамика и безопасность объектов недропользо- вания / А.Д. Сашурин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 10.– С. 329 – 333. 3. Сашурин А.Д. Роль современной геодинамики в развитии природно-техногенных катастроф в среде недропользования / А.Д. Сашурин // Геомеханика в горном деле: доклады науч.-техн. конф. 14 - 15 октября 2009 г. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2009. - С. 158 - 164.
- 66. 66 УДК622.831.1:539.372 Опарин Виктор Николаевич член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом экспериментальной геомеханики, Институт горного дела СО РАН, 630091, Новосибирск, Красный проспект, д. 54, e-mail: oparin@misd.nsc.ru Усольцева Ольга Михайловна кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела СО РАН, e-mail: usoltseva57@mail.ru Цой Павел Александрович кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Институт горного дела СО РАН, e-mail: paveltsoy@mail.ru Семенов Владимир Николаевич главный специалист, Институт горного дела СО РАН, e-mail: centre@misd.nsc.ru ОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ПОДХОДЕ К АНАЛИЗУ СЛОЖНЫХ ДЕФОРМАЦИОННО-ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ГЕОМАТЕРИАЛАХ СО СТРУКТУРОЙ ПОД НАГРУЖЕНИЕМ ДО РАЗРУШЕНИЯ OparinVictor N. сorresponding member of RAS, doctor of Physical-Mathematical Sciences, head of Division, Institute of Mining SB RAS, Novosibirsk, 630091, Krasniy prospect, 54 e-mail: oparin@misd.nsc.ru Usoltseva Olga M. candidate of Physical-Mathematical Sciences, senior Researcher, Institute of Mining SB RAS e-mail: usoltseva57@mail.ru Tsoi Pavel A. candidate of Physical-Mathematical Sciences, scientific Associate, Institute of Mining SB RAS e-mail: paveltsoy@mail.ru Semenov Vladimir N. Main Specialist, Institute of Mining SB RAS e-mail: centre@misd.nsc.ru ENERGYAPPROACH TO THEANALYSIS OF COMPLEX DEFORMATION-WAVE PROCESSES IN STRUCTURED GEOMATERIAL UNDER LOADING BEFORE DESTRUCTION Аннотация: Экспериментально на образцах из горных пород и ис- кусственных геоматериалов, обладающих структу- рой, с помощью метода спекл-фотографий детально исследованы особенности эволюции напряженно-де- формированного состояния на микроуровне, уста- новлен эффект возникновения внутри образцов низ- кочастотных процессов микро-деформирования при определенном уровне напряжений. Для оценки дефор- мационно-волнового поведения геоматериалов при- менен энергетический подход, в основе которого ле- жит сканирующая функция, являющаяся аналогом понятию «центра масс» в классической механике. Развиваемое направление экспериментальных иссле- дований относится к физико-механическим основам формирования очаговых зон катастрофических со- бытий. Ключевые слова: массив горных пород, блочно- иерархическое строение, лабораторный экспери- мент, спекл-метод, микродеформации, деформаци- онно–волновые процессы Abstract: The aim of this study was to analyze distribution and de- velopment of stress–stress state in structured rock speci- mens subject to uniaxial and biaxial loading to failure us- ing digital speckle correlation method. Within the exper- imental analysis of wave processes in the block-hierarchy structure of geomedia (uniaxial and biaxial com-pression and shearing of prismatic geomaterial specimens), the authors revealed the fact of initiation of low-frequency micro-deformation processes under slow (quasi-static) disturbances. The estimation of the defor-mation-wave behavior of geomaterials as the “summed” contributions made by elements of the scanned surfaces with different- oriented (in-phase and anti-phase) oscillations has been performed using the energy approach that is based on the scanning function R, analogous to the “center of mass” in the classical mechanics. Keywords: rock mass, hierarchical block structure, la- boratory experiment, speckle-method, microstrains, de- formation-wave processes Работа выполнена при частичной финансовой поддержке партнерского интеграционного проекта № 100 СО РАН, проекта ОНЗ РАН №3.1 и гранта РФФИ № 12-05-01057а с использованием оборудования ЦКП ГГГИ СО РАН.
- 67. 67 В последние годы в связи с активным развитием теории волн маятникового типа в напряженных геосредах блочно-иерархического строения [1 – 4] стало формироваться новое направление исследований, относящееся к очаговым зонам катастрофических со- бытий (землетрясений, горных ударов и др.) – «геомеханическая термодинамика» [5]. В известном смысле это аналог классической термодинамике, если вместо отдельных мо- лекул вещества геоматериалов будем рассматривать их большие кластеры (от субмоле- кулярных до макроблоков), учитывая возможность колебательных (поступательных и вращательных) движений последних в приближении абсолютно твердых тел. Этот «по- стулат» лежит в феноменологических основах теории волн маятникового типа, веще- ственными носителями которых являются структурные элементы горных пород и их массивов разного иерархического уровня [6]. В работах [7, 8] впервые предложена механическая модель «самонапряженных» массивов горных пород, где механические условия взаимодействия между структур- ными элементами горных пород в стесненных условиях заменены нелинейными «пру- жинками» разного иерархического уровня по типу вложения одного в другой (согласно концепции М.А.Садовского) [9]. Эта механическая модель позволила объяснить наблю- даемые в эксперименте [10] очень важные особенности эволюции гармонических аку- стических сигналов при нагружении блочных сред с цилиндрической полостью (моде- лирующей «концентратор» напряжений или будущую «очаговую» зону), такие как: 1) существование устойчивой корреляционной связи между стадиями нагружения среды со структурой и амплитудно-частотными характеристиками гармонических сиг- налов, регистрируемых в составных блоках модели геосреды; 2) частоты резонансных акустических колебаний в блоках модели, существенно разнящиеся между собой на начальных этапах ее нагружения, проявляют конвергенцию друг к другу на стадии предразрушения; 3) на стадии предразрушения блочной модели геосреды имеет место не только схождение резонансных частот по системе составляющих ее геоблоков, но и усиление амплитуды гармонических сигналов за счет перехода накопленной упругой потенциаль- ной энергии структурными элементами в колебательную (кинетическую) энергию излу- чения акустических волн с нарушением классического закона затухания гармонических сигналов от источников их излучения. По существу, впервые экспериментально установлено, что моделируемая «оча- говая зона» будущего разрушения способна эволюционировать в акустически активную геосреду, работающую на критических уровнях нагружения как автоколебательная или своеобразная «геомеханическая лазерная система». В отличие от классических оптиче- ских лазерных систем, однако, она не является монохроматической (!), акустический спектр излучения приобретает дискретно-каноническую форму: pp i i VVfiff ,)2/(;...,2,1,0,2 00 – скорость продольной волны в гео- материалах структурных блоков диаметра Δ. Важно отметить и то, что в [11] представлена первая простейшая модель для опи- сания условий возникновения канонического спектра акустических волн в предположе- нии о том, что жесткость взаимодействия между структурными блоками («пружинок») является нелинейной функцией их относительных смещений. 1. Макро- и микродеформационные процессы в образцах искусственных геомате- риалов при двухосном нагружении до разрушения. Ранее в работе [12] выполнены экс- перименты на образцах горных пород, обладающих структурной неоднородностью, по изучению особенностей распределения и эволюции напряженно-деформированного со- стояния на микроуровне по рабочим поверхностям породных образцов с помощью ме- тода спекл-фотографий в процессе одноосного нагружения до разрушения.
- 68. 68 При этом было установлено, что: 1) при одноосном нагружении призматических образцов песчаника, мрамора и сильвинита (на прессовой установке Instron 8802 в режиме жесткого нагружения со ско- ростями перемещения подвижного захвата 0,02–0,2 мм/мин) при определенном уровне напряжений возникают низкочастотные процессы внутреннего микродеформирования, генерируемые медленными (квазистатическими) силовыми воздействиями; 2) амплитуда таких деформационно-волновых процессов существенно зависит от уровня макронагружения: – на стадии упругого деформирования, когда напряжение в образце геоматериала не превышает 0,5 предела прочности, колебания компонент микродеформаций практи- чески отсутствуют; – на стадии нелинейно упругого деформирования, при напряжениях в диапазоне от 0,5 до 1 от предела прочности, амплитуды колебаний микродеформаций существенно возрастают, включая ниспадающую стадию; частота колебаний микродеформаций со- ставляет f=0,5÷4 Гц; – на стадии остаточной прочности амплитуды колебаний компонент микроде- формаций резко уменьшаются (в 3 – 5) раз относительно таковых на предыдущих ста- диях; 3) в элементах сканируемой поверхности породного образца, покрывающих об- ласть с будущей трещиной, амплитуды скоростей микродеформации 𝜀́у превышают ана- логичные для областей поверхности неразрушаемогогеоматериала в несколько раз. В ряде случаев имеет место тенденция значительного роста скорости деформирования с увеличением нагрузки. Цель данной работы – определить влияние вида нагружения на особенности раз- вития деформационных процессов в искусственных геоматериалах вплоть до пиковой нагрузки. Материал искусственных образцов представлял собой алебастр с водой состава: 60 % алебастра, 35 % воды и 5 % клея “Neolit” по весу; включения представляли собой шарики диаметра 3 – 4 мм из отожженного в несколько этапов диоксида кремния (сили- когеля) с добавками. Для включений предел прочности при сжатии составляет 10,6 МПа; предел прочности связующего материала при осевом сжатии составляет 5,4 МПа; при двухосном сжатии – 10,5 МПа (в экспериментах на двухосное сжатие σ2 = const = σпр, где σпр – предел прочности материала). Призматические образцы имели размеры 60×60×11 мм (рис. 1). а б Рис. 1 – Образец искусственного материала для испытаний – а, схема нагружения – б Рпрес Рбок у х
- 69. 69 Испытания образцов геоматериалов проводились на сервогидравлическом прессе Instron–8802, позволяющем задавать программы нагружения с заданной скоростью по усилиям и по перемещениям. Для реализации двухосного нагружения использовалось специальное устройство, позволяющее создавать дополнительно, независимо от пресса, боковую нагрузку на призматический образец. В эксперименте непрерывно регистриро- вались и записывались в компьютерный файл усилия бокового поджатия образца, пере- мещение траверсы пресса и усилие, создаваемое прессом. Максимальное усилие задава- лось прессом с фиксированной скоростью перемещения траверсы пресса 1 мм/мин. Для регистрации микродеформаций на рабочей поверхности призматического образца ис- пользовалась автоматизированная система анализа цифровых спекл-фотографий AL- MEC-tv [13]. Проведена серия экспериментов при одноосном и двухосном жестком сжатии (до разрушения) призматических образцов из искусственных геоматериалов. Соответствую- щие результаты «макродеформирования» приведены на рис. 2. Сравнительный анализ процессов микродеформирования в образце был выпол- нен для сканируемых областей различных размеров: 1 – области с возникшими впослед- ствии разрушениями, 2 – области неразрушенного материала. Размеры исследуемых об- ластей варьировались в пределах от 0,1 до 0,5 размера сканируемой поверхности (рис. 3). Ниже анализируются характерные результаты обработки экспериментальных данных при двухосном сжатии. Рис. 2 – Диаграммы напряжение – деформация при одноосном (1) и двухосном сжатии (2); время возникновения трещины t = 130 c при одноосном нагружении, t = 140 с при двухосном нагружении Рис. 3 – Сканируемая поверхность образца в эксперименте на двухосное сжатие после разруше- ния (момент времени t = 140 с): 1 – области поверхности с возникшими впоследствии разрушениями, 2 – области неразрушенного материала 0 2 4 6 8 10 12 0 20 40 60 80 100 120 140 t, c σ, МПа 1 2
- 70. 70 Размер области наблюдения спекл-методом составлял 35×15 мм. На рабочей по- верхности породного образца выделялись прямоугольные участки (см. рис. 3), составля- ющие от 1/4 до 1/8 площади области сканирования, для которых рассчитывались сум- марные значения компонент микродеформаций в продольном (х), поперечном (у) и сдви- говом (ху) направлениях – εх, εу и εху , соответственно. На рис. 4 приведены графики сум- марных микродеформаций (красным цветом – для области с разрушением 1, синим – не- разрушенной области 2 поверхности образца, черным цветом показана зависимость напряжения от времени в процессе нагружения образца до предела прочности включи- тельно в безразмерных координатах Р/Рпр и t/tпр, где t/tпр=1 отвечает пиковой нагрузке (Р/Рпр = 1). Рис. 4 – Зависимости микродеформаций εх ,εу и εху во времени в безразмерных координатах t/tпр, Р/Рпр для эксперимента на двухосное нагружение образца из искусственного геоматериала: красная линия – область 1 (будущего разрушения); синяя линия – область 2 (неразрушенного материала) (Р/Рпр = 1). Р/Рпр 0 0,5 1 Р/Рпр 0 0,5 1 Р/Рпр 0 0,5 1 а б в
- 71. 71 На приведенных графиках можно отметить следующие особенности в поведении компонент микродеформаций: микродеформацииεх в областях 1 и 2 имеют практически одинаковые значения вплоть до достижения предела прочности; микродеформацииεу в областях 1 и 2 изменяются практически в противофазе, особенно от значений t/tпр =0,5, и имеют значительные различия по величине; зависимости микродеформаций εху в областях 1 и 2, начиная от t/tпр=0,4, ведут себя существенно синфазно. Однако различие в их абсолютных значениях увели- чивается до предела прочности: при Р/Рпр = 1 в области 2 εху= –0,1, а в области 1 εху= 0,5; при значениях 6,05,0/ пр tt по всем компонентам деформаций возникают вы- сокочастотные колебания, которые в области разрушения 2 имеют значительно более высокую амплитуду, чем в области 1. Для оценки деформационно-волнового поведения геоматериалов внутри искус- ственных образцов в виде «суммы» вклада элементов сканируемых поверхностей с раз- нонаправленными (синфазными и антифазными) колебаниями, как и в работе [12], нами применен энергетический подход. В основе такого подхода для общей оценки деформа- ционно-волновых процессов лежит сканирующая функция R, которая, являясь аналогом понятию «центра масс» в классической механике, описывает способ определения при- веденного центра сейсмоэнерговыделения за заданный период времени в пределах опре- деленного объема массива горных пород. Для данных экспериментов координаты R и, соответственно, траектория движе- ния приведенного центра деформационного энерговыделения вычисляется по форму- лам: N i i N i iirR 11 / , (1) ,)()( 2 0 2 0 yyxxr iii (2) где εi – деформация в точке ri; x0, y0 – начало системы координат (принят геометрический центр рабочей поверхно- сти образца, N – количество измерительных точек на рабочей поверхности образца; суммирование ведется на фиксированный момент времени ti (кадр i) с известным значением нагрузки Р. На рис. 5 приведены полученные в результате графики сканирующих функций Rx(t), Ry(t) и Rxу(t) по (1) отдельно по каждой из компонент деформаций (εх, εу, εху), соот- ветственно, в процессе нагружения породного образца до предела прочности включи- тельно в безразмерных координатах Р/Рпр и t/tпр, где tпр отвечает пиковой нагрузке (Р/Рпр = 1). В расчетах использовались безразмерные координаты max/ ( 0,5 0,5)ir r , где rmax – максимальный размер ri в продольном направлении образца. Из приведенных графиков можно отметить следующие особенности поведения Rx(t), Ry(t) и Rхy(t): функция Rx(t) в областях поверхности 1 и 2 до значений t/tпр=0,65 практически не изменяет свое начальное значение. Однако при t/tпр=0,65÷0,70 наблюдаются до- вольно резкие ее знакопеременные изменения. Колебательный процесс для Rx(t) сохра- няется до предела прочности, причем амплитуда колебаний Rx(t) в области 1 суще- ственно превышает аналогичную в области 2; функция Ry(t) для области 1 резко изменяет свое начальное значение при t/tпр=0,19÷0,4, после чего принимает постоянное значение; а для области 2 колебатель- ные изменения Ry(t) возникают при t/tпр=0,60÷0,87, с последующим убыванием; функция Rхy(t) в области 1 сохраняет практически постоянные значения, за исключением интервала t/tпр=0,60÷0,73; в области 2 она имеет колебательный характер с возрастающей амплитудой до предела прочности.
- 72. 72 Рис. 5 – Поведение компонент сканирующей функции Rx(t), Ry(t) и Rxу(t) для микродеформаций εх ,εу и εху во времени в безразмерных координатах t/tпр, Р/Рпр для эксперимента на двухосное нагружение образца из искусственного геоматериала: красная линия – область 1 (будущего разрушения); синяя линия – область 2 (неразрушенного материала) На основании анализа поведения функций εх, εу, εху, Rx(t), Ry(t) и Rxу(t) можно от- метить следующие признаки, предшествующие разрушению образца геоматериала: компоненты одноименной деформации в области с разрушением и без него су- щественно отличаются по своим значениям (для данного эксперимента – это микроде- формации εу, εху); амплитуда колебаний компонент деформации в области разрушения значи- тельно превышает аналогичную в неразрушенной области, что свидетельствует о более высокой скорости деформации и изменения вида деформированного состояния в буду- щей области разрушения (это наблюдается также для микродеформаций εу, εху); Рис. 5. Поведение сканирующих функций Rx(t), Ry(t) и Rxу(t) для микродеформацийεх ,εу Р/Рпр 0 0,5 1 а б в Р/Рпр 0 0,5 1 Р/Рпр 0 0,5 1 0,04 0,02 0 0,02 0,04 0,04 0,02 0 0,02 0,04 0,04 0,02 0 0,02 0,04
- 73. 73 сканирующие функции R (1) имеют колебательный характер, что свидетель- ствует о неоднородности внутреннего деформированного состояния геоматериала, од- нако по мере достижения пиковой нагрузки (t/tпр=1) и далее перед началом образования трещины (t/tпр=1,5) они принимают постоянное значение (это ее компоненты Ry(t), Rxу(t)). Такой характер поведения компонент сканирующей функции Ry(t), Rxу(t) в соче- тании с возрастающими значениями соответствующих компонент микродеформаций εу, εху и амплитуды их колебаний свидетельствует о процессе локализации максималь- ных значений деформаций и сужении размера области, в которой они сосредоточены. На основании вышеизложенного можно сделать заключение о том, что за разру- шение отвечают в основном деформации εу иεху. Причем по этим характеристикам диа- гностируется вполне определенная область образования будущего макроразрушения. На рис. 6 приведена фотография поверхности образца геоматериала, который был разрушен на «запредельном» участке нагружения – при t/tпр=1,3. Образовавшаяся трещина скола имеет сложную ступенчатую поверхность и образует углы 20 – 40° с направлением «х» действия осевой силы, составляя комбинацию из микротрещин в направлениях дефор- маций εу иεху. Рис. 6 – Фотография поверхности образца искусственного материала после его разрушения при двухосном сжатии, время нагружения t/tпр=1,3 2. Испытание образца из искусственного геоматериала при одноосном нагружении до разрушения. Для сравнения результатов рассмотренного выше случая проведен экспери- мент на одноосное сжатие образца из искусственного геоматериала. На основании отме- ченных признаков (критериев) также попытаемся по характеру изменения во времени компонент микродеформации εх, εу и εху, а также компонент сканирующей функцииR (1) – Rx(t), Ry(t) и Rхy(t) оценить вид будущего разрушения. Для данного вида нагружения образца из искусственного геоматериала графики изменения компоненты микродеформации εх в областях 1 и 2 сканируемой поверхности образца (рис. 7, а) практически совпадают между собой в пределах погрешности экспе- римента. Соответствующая им компонента сканирующей функции Rx(t) для областей поверхности 1 и 2 (рис. 8, а) также изменяется подобным образом и совпадает для срав- ниваемых областей до значений t/tпр=0,8; далее появляются высокочастотные колебания деформаций вплоть до предела прочности t/tпр=1. Весьма контрастно для сравниваемых областей 1 и 2 отличается поведение ком- понент микродеформаций εу (см. рис. 7, б). Они изменяются практически в противофазе. При t/tпр~ 1 их значения отличаются более чем в 10 раз (от 0,002 до 0,02). Амплитуда высокочастотных колебаний εу существенно выше, чем у компонент εх ,εху.
- 74. 74 Рис. 7 – Зависимости микродеформаций εх ,εу и εху во времени в безразмерных координатах t/tпр, Р/Рпр для эксперимента на двухосное нагружение образца из искусственного геоматериала: красная линия – область 1 (будущего разрушения); синяя линия – область 2 (неразрушенного материала) По функции Ry(t) в области 2 (см. рис. 8, б) наблюдаются высокочастотные коле- бания вплоть до предела прочности, в то время для области 1 при значениях t/tпр=0,8÷1 она принимает постоянное значение. Для компоненты микродеформаций εху (см. рис. 7, в) имеются существенные раз- личия в ее поведении для областей 1 и 2 (противофазность). Однако по абсолютной ве- личине они уменьшаются по мере нагружения до предела прочности. Компонента ска- нирующей функции Rхy(t) в областях 1 и 2 (см. рис. 8, в) также имеет колебательный характер, но ее значения для сравниваемых областей резко отличаются по своей струк- туре (амплитудно-периодному спектру) при t/tпр 0,4. Рис. 7. Зависимости микродеформаций εх ,εу и εху во времени в безразмерных координатах а б в Р/Рпр 0 0,5 1 Р/Рпр 0 0,5 1 Р/Рпр 0 0,5 1
- 75. 75 Рис. 8 – Поведение компонент сканирующей функции Rx(t), Ry(t) и Rxу(t) для микродеформаций εх ,εу и εху во времени в безразмерных координатах t/tпр, Р/Рпр для эксперимента на двухосное нагружение образца из искусственного геоматериала: красная линия – область 1 (будущего разрушения); синяя линия – область 2 (неразрушенного материала) Отмеченные особенности поведения деформационных микрохарактеристик сви- детельствуют о том, что наиболее «опасным»по разрушению является направление у – вдоль него наблюдаются более высокие значения микродеформаций εу и скоростей их изменения. Стабилизация компоненты Ry(t) указывает на процесс сужения зоны их лока- лизации. Поэтому можно ожидать, что макроразрушение обусловливает компонента εу. Действительно, на фотографии сканируемой поверхности образца геоматериала (рис. 9) видно, что трещина образовалась преимущественно в направлении у по компоненте деформации εу при t/tпр = 1,3. значение. Рис. 8. Поведение сканирующих функций Rx(t), Ry(t) и Rxу(t) для микродеформаций εх ,ε а б в Р/Рпр 0 0,5 1 Р/Рпр 0 0,5 1 Р/Рпр 0 0,5 1 0,03 0,02 0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,03 0,02 0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,03 0,02 0,01 0 0,01 0,02 0,03
- 76. 76 Рис. 9 – Фотография поверхности образца из искусственного геоматериала после его разрушения при одноосном сжатии, время эксперимента t/tпр=1,3 Выполненное экспериментальное исследование на образцах из искусственных геоматериалов при их двухоосном и одноосном нагружении позволило установить осо- бенности в поведении компонент микродеформаций εх, εу и εху и соответствующих им компонент сканирующей функции (1) – Rx(t), Ry(t) и Rxу(t) (в продольном, поперечном и сдвиговом направлениях, соответственно). Отмеченные особенности можно использо- вать как диагностические параметры для определения времени, места расположения и вида участка формирующейся основной трещины макроразрушения (либо зоны трещи- новатости). Отметим, что в работах [14, 15] представлены общие закономерности для процес- сов локализации деформаций на стадии предразрушения образцов горных пород типа сильвинита, мрамора и песчаника, где активно использовался метод спекл-фотографий. Здесь также особо отмечен «автоволновой»характер развития пластической деформации при сжатии горных пород, а скорость распространения «автоволн» оценивается величи- нами порядка 10-5 ÷10-4 м/с. 3. Энергетические особенности накопления упругих деформаций и развития де- формационных процессов. Для оценки общих особенностей накопления упругой энергии деформации и развития деформационных процессоввнутри нагружаемых образцов гор- ных пород применена сканирующая функция RЕ. 1 1 / N N E i i i i i R r E E , i xi x yi yE , ,)()( 2 0 2 0 yyxxr iii где εi – деформация в точке ri (xi, yi), x0, y0 – начало системы координат (геометрический центр рабочей поверхности об- разца); N – количество измерительных точек на рабочей поверхности образца, суммирова- ние ведется на фиксированный момент времени ti (кадр i) с известным значением нагрузки Р; σx и σy – главные компоненты напряжения в направлении максимальной нагрузки и боковом, соответственно, которые считаются постоянными для любого значения ri в каждый отдельный момент времени. На рис. 10 приведены значения функции RЕ, определенные при одноосном и двух- осном нагружении: красная линия – область 1 (будущего разрушения); синяя линия – область 2 (неразрушенного материала). Рис. 9. Фотография поверхности образца из искусственного геоматериала после его разрушения при одноосном сжатии, время эксперимента t/tпр=1,3 х у Трещина (3)
- 77. 77 Рис. 10 – Поведение сканирующих функций RЕ(t) времени в безразмерных координатах t/tпр, Р/Рпр для эксперимента на одноосное (а) двухосное (б) нагружение образца из искусственного геоматериала: красная линия – область 1 (будущего разрушения); синяя линия – область 2 (неразрушенного материала) Общий анализ структуры приведенных здесь графиков позволяет отметить: как при одноосном, так и при двухосном нагружении образцов геоматериалов значения функции RЕ имеют колебательный характер от момента t/tпр = 0,2 и до t = 1, причем колебания в выделенных областях 1 и 2 происходят практически в противофазе; при одноосном сжатии для значений t/tпр = 0,75÷0,80 появляются более высо- кочастотные колебания и сохраняются до t/tпр = 1; при двухосном сжатии высокочастотные колебания появляются при значениях t/tпр = 0,75÷0,80 и сохраняются до t/tпр = 1 только в зоне 1 с будущим разрушением, в зоне 2 неразрушенного материала такие колебания имеют существенно более низкую амплитуду; амплитуды высокочастотных колебаний сканирующих функций RЕ при одно- осном сжатии превышают аналогичные при двухосном сжатии, что логично связывается со стесненными условиями деформирования образца геоматериала в поперечном направлении при соответствующем виде испытания; при одноосном сжатии не наблюдаются существенные различия по амплитуде сканирующих функций в областях 1 и 2 для t/tпр> 0,85÷0,90. Выше были определены признаки формирования зоны разрушения: 1 – более вы- сокие значения компоненты микродеформации и скорости ее изменения, чем в зоне не- разрушенного материала; 2 – стабилизация значений сканирующей функции, соответ- ствующей данной компоненте микродеормации. В случае одноосного сжатия макрораз- рушение произошло по компоненте εу. Но именно она не была учтена в формуле (2) при вычислении функции RЕ, так как напряжение σ2=0. Ееее Рис. 10. Поведение сканирующих функций RЕ(t) времени в безразмерных координатах t/tпр , t t 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03
- 78. 78 Кроме того надо отметить, что как при одноосном, так и при двухосном нагруже- нии образца геоматериала поле микродеформаций было существенно неоднородным, компоненты микродеформации εх, εу, εху в отдельных малых фрагментах (0,5 – 1 мм) ска- нируемой поверхности принимали как положительные, так и отрицательные значения. При вычислении в (1) сканирующих функций Rx(t), Ry(t), Rxу(t) знаки компонент мироде- формаций были учтены, тогда как в (2) при расчете RЕ все значения εх, εу считались по- ложительными. Можно заключить, что сканирующие функции Rx(t), Ry(t), Rxу(t), вычис- ленные по компонентам микродефомаций εх, εу, εху, более тонко учитывают изменение микродеформированного состояния в точках сканируемой поверхности. Выводы и заключение Выполненный комплекс экспериментальных исследований на образцах из искус- ственных неоднородных геоматериалов, обладающих структурной неоднородностью в виде включений, позволил детально исследовать особенности распределения и эволю- цию их напряженно-деформированного состояния на микроуровне по рабочим поверх- ностям породных образцов с помощью спекл-метода в процессе одноосного и двухос- ного нагружения до разрушения. В рамках экспериментального исследования волновых процессов в блочно-иерар- хических геосредах (при испытаниях на одноосное и двухосное сжатие призматических образцов геоматериалов) подтвержден ранее обнаруженный эффект возникновения низ- кочастотных процессов микродеформирования, генерируемых медленными (квазистати- ческими) силовыми воздействиями. Для оценки деформационно-волнового поведения геоматериалов внутри образцов горных пород как «суммы» вклада элементов сканируемых поверхностей с разнонаправ- ленными (синфазными и антифазными) колебаниями применен энергетический подход. В основе энергетического подхода общей оценки деформационно-волновых процессов лежит сканирующая функция R, которая является аналогом понятию «центра масс» в классической механике и описывает известный способ определения приведенного цен- тра сейсмоэнерговыделения за заданный период времени в пределах заданного объема массива горных пород. Определены особенности поведения сканирующих функций для компонент де- формаций εх, εу и εху (в продольном, поперечном и сдвиговом направлениях образца гео- материала, соответственно) в процессе нагружения до разрушения, что можно исполь- зовать как диагностический параметр для определения места расположения участка фор- мирующейся основной трещины макроразрушения. Данная информация представляет непосредственный практический интерес для ее применения в новых мониторинговых системах геомеханико-геодинамической безопас- ности горных предприятий на основе комплексного использования сейсмо-деформаци- онной информации.
- 79. 79 Литература 1. Адушкин В.В. От явления знакопеременной реакции горных пород на динами- ческие воздействия – к волнам маятникового типа в напряженных геосредах. Ч. I / В.В. Адушкин, В.Н. Опарин // Физико-техн. проблемы разработки полезных ископае- мых. – 2012. – № 2. – С. 3 – 27. 2. Адушкин В.В. От явления знакопеременной реакции горных пород на динами- ческие воздействия – к волнам маятникового типа в напряженных геосредах . Ч. II / В.В. Адушкин, В.Н. Опарин // Физико-техн. проблемы разработки полезных ископае- мых. – 2013. – № 2.- С. 3 – 46. 3. Опарин В. Н. О нелинейных деформационно-волновых в виброволновых гео- технологиях освоения нефтегазовых месторождений / В.Н. Опарин, Б.Ф. Симонов// Фи- зико-техн. проблемы разработки полезных ископаемых.– 2010. – № 2. – С. 3 – 25. 4. Садовский В.М. Математическое моделирование волн маятникового типа с при- менением высопроизводительных вычислений / В.М. Садовский, О.В. Садовская, М.П. Варыгина // Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах:2-я Российско-Китайская научная конференция: сборник трудов. – Новосибирск, ИГД СО РАН, 2012. 5. Опарин В.Н. Волны маятникового типа и «геомеханическая температура»/ В.Н. Опарин // Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке ме- сторождений полезных ископаемых на больших глубинах: 2-а Российско-Китайская научная конференция:сборник трудов. – Новосибирск, ИГД СО РАН, 2012. 6. Курленя М.В. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном воз- буждении блочных сред. Волны маятникового типа Vμ В.Н. Опарин, В.И. Востриков // ДАН. – 1993. –т. 333, № 4. 7. Курленя М.В. О явлении знакопеременной реакции горных пород на динамиче- ские воздействия / М.В. Курленя, В.Н. Опарин // Физико-техн. проблемы разработки по- лезных ископаемых. – 1990. – № 4.- С. 3 – 13. 8. О некоторых особенностях реакции горных пород на взрывные воздействия в ближней зоне / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, А.Ф. Ревуженко, Е.И. Шемякин //ДАН. – 1987. –т. 293, № 1. 9. Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы / М.А. Садовский //ДАН. – 1979. –т. 247, № 4. 10. О некоторых особенностях эволюции гармонических акустических сигналов при нагружении блочных сред с цилиндрической полостью / М.В. Курленя и др. // Фи- зико-техн. проблемы разработки полезных ископаемых. – 1999. – № 6.- С. 10 – 32. 11. Геомеханические и технические основы увеличения нефтедобычи пластов в виброволновых технологиях / В.Н. Опарин и др.– Новосибирск: Наука, 2010. 12. О некоторых особенностях эволюции напряженно-деформированного состоя- ния образцов горных пород со структурой при одноосномнагружении/ В.Н. Опарин, О.М. Усольцева., В.Н. Семенов, П.А. Цой // Физико-техн. проблемы разработки полез- ных ископаемых. – 2013. – № 5. - С. 3-19. 13. Курленя М.В. Об одном методе сканирования шахтной сейсмологической ин- формации / М.В. Курленя, В.Н. Опарин, А.А. Еременко // ДАН. – 1993. –т. 333, № 6. 14. Исследование генезиса и эволюции нарушений сплошности в геоматериалах: теория и лабораторный эксперимент / О.М. Усольцева и др. // Физико-техн. проблемы разработки полезных ископаемых. –2013. –№ 1.- С. 3-10. 15. Локализация деформаций и возможность прогнозирования разрушения горных пород / Л.Б. Зуев, С.А. Баранникова, М.В. Надежкин, В.В. Горбатенко // Физико-техн. проблемы разработки полезных ископаемых. –2014. –№ 1. – С. 49 – 56.
- 80. 80 УДК 622.235 Трубецкой Климент Николаевич академик, доктор технических наук, профессор, Институт проблем комплексного освоения недр РАН 111020, Москва, Крюковский тупик, 4 Захаров Валерий Николаевич доктор технических наук, профессор, директор института, Институт проблем комплексного освоения недр РАН Викторов Сергей Дмитриевич доктор технических наук, профессор, зам. директора по научной работе, Институт проблем комплексного освоения недр РАН Жариков Игорь Федорович доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН Закалинский Владимир Матвеевич доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН ВЗРЫВНОЕ РАЗРУШЕНИЕ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОСВОЕНИИ НЕДР Trubetskoy Kliment N. academician, doctor of technical sciences, professor, adviser of the RAS Presidium, the Institute of integrated mineral resources development RAS 111020, Moscow, Krjukovsky blind alley 4 Zakharov Valery N. doctor of technical sciences, professor, the director of the Institute of integrated mineral resources development RAS Viktorov Sergey D. doctor of technical sciences, рrofessor, deputy director on scientific work, the Institute of integrated mineral resources development RAS Zharikov Igor F. doctor of technical sciences, the Institute of integrated mineral resources development RAS Zakhalinsky Vladimir M. doctor of technical sciences, the Institute of integrated mineral resources development RAS THE EXPLOSIVE DESTRUCTION OF ROCKS MASS IN THE DEVELOPMENT OF MINERAL RESOURCES Аннотация: В статье рассмотрены состояние и перспек- тивные направления развития взрывных работ при комплексной разработке месторождений твердых полезных ископаемых в России. Ключевые слова: открытые горные работы, подземная разработка, геотехнологии, вскрыш- ные работы, взрывчатое вещество, структура горной породы, масштаб отбойки, конструк- ции зарядов Abstract: In the article the state and perspective tendencies of blasting operations development conducting complex mining of hard mineral resources deposits in Russia are considered. Keywords: Surface mining, underground mining, geo-technology, stripping, explosives, rock struc- ture, scale of breaking, construction of charges Разработка стратегий долгосрочного развития горнодобывающих комплексов ба- зируется на новых подходах, обеспечивающих инновационное повышение эффективно- сти их работы, нивелирование технологических недостатков, снижение энергоемкости горного производства, позволяющих осуществлять комплексное освоение месторожде- ний твердых полезных ископаемых с учетом многообразия природных и техногенных ресурсов [1, 2].
- 81. 81 Одним из основных технологических комплексов, определяющих эффективность открытой разработки месторождений твердых полезных ископаемых, является буро- взрывной комплекс, обеспечивающий дезинтеграцию природных структур горных по- род с целью оптимизации технологических процессов экскавации и транспортирования как вскрышных пород, так и полезного ископаемого. Процессы взрывного разрушения горных пород, как наиболее распространенного способа отделения горной породы от массива при освоении недр, составляют крупный и весьма значимый в научном и прак- тическом отношении раздел в горных науках. Он включает развитие теории действия взрыва в твердой среде, разработки рецептурных составов и технологий применения новых взрывчатых веществ, изготовляемых непосредственно на горных предприятиях, конструкции зарядов, а также проектирование и безопасность ведения взрывных работ. При этом главнейший физико-технический аспект горного производства определяется совершенствованием методов разработки сложных и многокомпонентных массивов руд и пород на открытых и подземных работах. Практически его единственным «инструмен- том» (техническим средством) является энергия взрывчатого вещества, а также научно обоснованное управление действием взрыва, т. е. быстропротекающим процессом. Не касаясь далее вопросов эволюции практики и научных знаний в области раз- рушения горных пород, осветим некоторые современные научно-технические направ- ления и достижения в горном деле при открытом и подземном способах разработки ме- сторождений, базирующиеся на технологиях взрывного разрушения массивов горных пород. Интенсивная разработка месторождений полезных ископаемых в относительно благоприятных горно-геологических условиях ведет к истощению их запасов и необхо- димости вовлечения в добычу месторождений со сложными условиями, особенно глубо- козалегающих и с проявлениями динамических процессов. Они характеризуются морфо- логическим разнообразием, необходимостью раздельного и направленного взрывания рудных и породных скважин, применением инновационных геотехнологий. Постоянное понижение глубины разработок, ухудшение их горно-геологических условий, усиление проявлений геомеханических явлений в условиях рыночной эконо- мики предъявляют новые требования к горным технологиям в части управления взрыв- ным разрушением горных пород. В результате для решения прежних задач, с точки зре- ния эффективности взрывных работ, требуются новые подходы, идеи и модели, адек- ватно описывающие физические процессы горного производства и позволяющие опера- тивно, в том числе в режиме «экспресс - оценки», улучшать технико-экономические по- казатели как в пределах выемочного участка, так и месторождения в целом. Исходя из этого, рассмотрим некоторые актуальные и имеющие перспективу технологии взрыв- ного разрушения массивов горных пород, полностью или частично реализованные на ряде горных предприятий. На подземных горных разработках Российской Федерации наметилось новое направление в буровзрывных работах в виде дальнейшего развития крупномасштабного взрывного разрушения массивов горных пород на открытых горных работах, и в качестве новой парадигмы – крупномасштабная взрывная отбойка в подземных условиях, пред- ставленная новой концепцией [3]. Этому предшествовали многолетние научно-исследо- вательские работы, выполненные в ИПКОН РАН совместно с ИГД СО РАН, ИГД УрО РАН, ВостНИГРИ в тесном взаимодействии с производственными организациями За- падной Сибири, Горной Шории и др. Современный уровень развития буровзрывного комплекса при разработке место- рождений открытым способом характеризуется абсолютным преобладанием отбойки руд и пород единичными (одинарными) скважинными зарядами в основном большого диаметра. Причем, вследствие постоянной необходимости повышения количественных показателей отбойки, четко определилась тенденция к увеличению общей энергии заря- дов, реализуемая путем постоянного увеличения диаметра взрывных скважин. Однако
- 82. 82 перспективы этой тенденции ограничиваются как уровнем развития буровой техники, так и целым рядом очевидных горно-технологических противоречий. Так, рассматривая типоразмерный ряд существующих шарошечных станков, не- трудно увидеть, что неизбежной платой за преимущества такого способа распределения и использования энергии взрыва является опережающее увеличение веса машин, мощ- ности их силовых установок и снижение мобильности в пространстве карьеров. Измене- ние диаметра бурения с 200 до 320 мм (на 60 %) привело к повышению веса выпускаемых машин на 129 %, установленной мощности на 78 %, к снижению средней скорости перемещения в 2,3 раза, то есть энергетическая целесообразность здесь находится в из- вестном противоречии с техническими ограничениями. Поэтому с достаточной степе- нью достоверности можно предположить, что дальнейшее увеличение диаметра единич- ных зарядов будет иметь весьма ограниченную и быстро сужающуюся перспективу из- за нарастающих проблем в области механизации буровых работ. Возможно преодолеть это противоречие путем замены единичного заряда эквивалентным ему по энергии дис- кретным зарядом, используя опыт подземных буровзрывных работ. Актуальность этого возрастает и в связи с необходимостью реализации важнейшего резерва улучшения эко- номических показателей открытых горных работ, каковым является увеличение высоты вскрышных и добычных уступов при высокоуступной технологии на основе применения принципиально нового вида экскаваторов – кранлайнов [4]. На сегодня это добавляет еще одно противоречие в виде ограниченных технических возможностей существующих экскавационных машин, преодоление которого связано с перспективой применения экс- каваторов – кранлайнов. Применение технологии с использованием компактных вые- мочно-погрузочных машин нижнего черпания на шагающем ходу – кранлайнов – позво- ляет увеличить высоту разрабатываемых уступов в 2 – 3 раза (до 30 м). Тем самым во столько же раз можно сократить число рабочих горизонтов, увеличить угол откоса рабо- чего борта в 1,4 – 1,5 раза, снизить затраты на добычные работы не менее чем на 20 %, а текущий коэффициент вскрыши и объем вскрышных работ на 20 – 30 %. Однако обяза- тельным условием успешной реализации высокоуступной геотехнологии с применением экскавационных машин нижнего черпания типа "кранлайн" является достаточная сте- пень дробления пород с обеспечением заданной формы и минимальной шириной развала (до 5 – 10 м) взорванной горной массы [5]. Увеличение высоты уступов (в потенциале до 30 – 40 м) порождает следующее противоречие между необходимостью концентрации большого количества энергии в донной части заряда, вызванное увеличением линии со- противления по подошве (ЛСПП), и техническими возможностями применяемого буро- вого оборудования в области увеличения диаметра взрывных скважин. Существующая связь межу высотой спаренного уступа Hс и ЛСПП вертикальных скважин диаметром 280 – 300 мм устанавливает определенные пределы высот уступов, из которых следует исходить при их совмещении: – весьма крепких …..Hс = 20 – 22 м; – средней крепости…..Hс = 22 – 28 м; – ниже средней крепости …..Hс = 28 м. Увеличение Нс сверх указанных пределов при прочих равных условиях влечет за собой при вертикальных скважинах рост сопротивления по подошве уступа для первого ряда скважин до величины, превышающей радиус разрушения для заряда данного диа- метра, в результате чего сопротивление не будет преодолено. Это требует размещения больших количеств ВВ в скважинных зарядах принципиально других конструкций. Массовое бурение высоких уступов наклонными скважинами, параллельными боковой поверхности уступа, частично разрешало бы это противоречие, что проблема- тично по техническим причинам, связанным со сложностью такого бурения скважин су- ществующей буровой техникой. Указанные противоречия обостряются постоянным усложнением горно-геологи- ческих условий, ростом коэффициентов вскрыши, увеличением глубины карьеров, а
- 83. 83 также возрастанием долевого участия транспортной системы, со всеми вытекающими отсюда экономическими и технологическими проблемами. Данная ситуация разреша- ется на основе использования опыта крупномасштабной отбойки руд при подземной раз- работке рудных месторождений, когда решение задачи по управляемому изменению об- щей энергии по высоте отбойного заряда сводится к деконцентрации и замене моноза- ряда большого диаметра группой одновременно взрываемых зарядов малого диаметра (параллельно-сближенными скважинными зарядами). Как вариант, деконцентрация мо- нозаряда предусматривается заменой его группой одновременно взрываемых расходя- щихся сближенных скважинных зарядов [6]. В результате обеспечивается соответствие между энергией заряда в каждом его сечении по высоте уступа и величиной реальной нагрузки на этот элементарный заряд, то есть гибкий характер изменения относительной энергонасыщенности по длине скважины высокого уступа. При этом определенный интерес представляют некоторые технологические реше- ния при взрывании высоких уступов при транспортной системе разработки и карьерных экскаваторах цикличного действия, работающих в сочетании со средствами карьерного транспорта (автомобильного и железнодорожного). Горно-геологические условия разра- ботки характеризуются углами падения пластов полезного ископаемого и изменением высоты вскрышной зоны по поверхности, а также свойствами разрабатываемых вскрыш- ных пород с учетом необходимости их предварительной буровзрывной подготовки. Гор- нотехнические условия рассматриваемой системы разработки характеризуются суммар- ной высотой вскрышной зоны, высотами и количеством вскрышных уступов, необходи- мыми размерами рабочих площадок, применяемым экскавационным и транспортным оборудованием [7]. В качестве обобщенного показателя принят угол откоса рабочего борта, влияние которого на текущие объемы вскрышных работ достаточно хорошо из- вестно из практики конкретного проектирования и эксплуатации горных предприятий. Проведена количественная оценка такого влияния с дифференцированным учетом взаи- мовлияния отдельных горно-геологических и горнотехнических условий применительно к целям и задачам данного вопроса. Соответствующие расчеты и анализ выполнены на базе рассмотрения несколько упрощенной схемы отработки вскрышной зоны, показан- ной на рис. 1. Принятая расчетная схема по сравнению с реальной вполне адекватна и дает от- клонения от реальных значений в пределах 5 – 7 %, что позволило получить аналитиче- ские зависимости и провести анализ взаимодействия отдельных показателей и парамет- ров системы разработки в широком диапазоне их изменения. Рассмотрены два периода отработки вскрышной зоны разреза: период строительства разрезной траншеи (горно- капитальные работы), в процессе которого выполняются только вскрышные работы, и период нормальной эксплуатации, когда наряду с производством вскрышных работ осу- ществляется добыча полезного ископаемого. Среди показателей рассматриваемой системы разработки вскрышной зоны наибольший практический интерес представляет объем выполнения вскрышных работ, характеризующийся величиной текущего коэффициента вскрыши, значение которого в соответствии с расчетами составляет 1 др р д вi sin sin K H Н H H K ii , где – объемный вес полезного ископаемого; iH – высота вскрышной зоны в рассматриваемом положении фронта добычных ра- бот; р – результирующий угол откоса рабочего борта в соответствии с рис. 1.
- 84. 84 Рис. 1. Схема формирования рабочего борта в периоды выполнения горно-капитальных работ и последующей нормальной эксплуатации На рис. 2 представлено изменение высоты вскрышной зоны и коэффициента вскрыши в процессе развития горных работ, из которого видно, что с увеличением зна- чений угла откоса рабочего борта величина высоты вскрышной зоны вH в каждый дан- ный момент времени уменьшается, обеспечивая снижение объемов вскрышных работ, что происходит за счет снижения величины коэффициента влияния углов 1K и за счет снижения высоты вскрышной зоны. В рассматриваемых случаях величина коэффици- ента 1K уменьшается в 1,0 – 1,3 раза, а объемы вскрышных работ в 1,33 – 1,67 раза. В качестве начального периода процесса горного производства с увеличенным значением угла откоса рабочего борта принимается период перестройки его на действу- ющих предприятиях за счет их реконструкции, сущность которой состоит в том, что в начальный момент перестройки вскрышные работы в верхней точке вскрышной зоны (на верхнем вскрышном уступе) прекращаются и из этой точки отстраивается новая, более крутая, конфигурация рабочего борта. Детальная оценка процесса проведена для пери- ода непосредственной перестройки и последующего, в течение 10 лет, периода нормаль- ной эксплуатации. Анализ выполнен путем варьирования значений углов откоса рабо- чего борта и падения пласта полезного ископаемого, а также начальной высоты вскрыш- ной зоны и угла, характеризующего изменение поверхности рассматриваемой вскрыш- ной зоны. В качестве базовой принята величина угла откоса рабочего борта 0 р.б. 15 . Основным критерием при оценке принято отношение текущих значений коэффициента вскрыши нового и базового вариантов.
- 85. 85 Рис. 2 – Изменение высоты вскрышной зоны и коэффициента вскрыши в процессе развития горных работ Результаты проведенных исследований представлены на графиках рис. 3, а анализ полученных результатов показал, что - увеличение угла откоса рабочего борта приводит к снижению текущих объемов вскрышных работ на всех стадиях развития горного производства, а его величина при каждом понижении фронта добычных работ определяется как углом откоса рабочего борта и падения пласта полезного ископаемого, так и высотой вскрышной зоны в рас- сматриваемом положении фронта добычных работ; - в процессе строительства разрезной траншеи при изменении угла откоса рабо- чего борта р от 150 до 240 объем горно-капитальных работ снижается в 1,5 – 1,7 раза в реальном диапазоне изменения углов падения пласта полезного ископаемого от 00 до 20 – 250 . При этом высота вскрышной зоны после окончания строительства разрезной траншеи уменьшается на 25 – 30 %, обеспечивая понижение величины коэффициента вскрыши в последующие периоды нормальной эксплуатации; - в процессе перестройки рабочего борта объем вскрышных работ, по сравнению с соответствующим объемом при существующих параметрах рабочего борта, снижается в 2,0 – 2,5 раза. Высота вскрышной зоны в конце периода перестройки уменьшается на величину до 170 м в функции угла ; - в период нормальной эксплуатации влияние величины угла откоса рабочего борта сказывается тем сильнее, чем больше значения углов падения пласта полезного ископаемого и изменения поверхности вскрышной зоны . При значениях углов 0 2010 , 0 64 увеличение угла откоса уступа с 150 до 23 – 250 обеспечивает снижение величины текущего коэффициента вскрыши на 30 – 40 %;
- 86. 86 - при горизонтальном залегании пласта и поверхности вскрышной зоны увеличе- ние угла р обеспечивает снижение абсолютных объемов вскрышных работ в процессе перестройки рабочего борта, величина которого составляет н р б рф б 0 б в ctgctg5,0 LHKV , а в пределах изменения р от 15 до 23 – 250 абсолютный объем вскрышных работ за этот период снижается в 1,45 – 1,60 раза. Рис. 3 – Зависимость параметров горных работ от угла откоса рабочего борта Таким образом, высота уступа является определяющим фактором, обеспечиваю- щим возможность снижения текущих объемов вскрышных работ. Сопоставляя получен- ные данные, можно констатировать, что наиболее эффективным является диапазон из- менения высот уступов в пределах 25 – 35 м, что обеспечивает возможность формирова- ния рабочего борта с углом откоса 22 – 250 . Взрывное разрушение массивов горных пород при подземной разработке место- рождений имеет свои особенности и специфику. Совершенствование систем разработки происходит в рамках расширения области применения известного научно-технического направления – массового крупномасштабного взрывного разрушения массивов горных пород. Этому предшествовала, с одной стороны, систематизация способов и средств управления действием взрыва на предмет соответствия конкретным условиям. С другой стороны, рассмотрение возможностей расширения арсенала средств и способов управ- ления действием взрыва с целью более гибкого удовлетворения технологическим требо- ваниям горного производства. Есть и третий аспект – проверка и уточнение расчетных
- 87. 87 методик по определению параметров буровзрывных работ в связи с появлением новых средств бурения, взрывания, наличием на рынке широкого ассортимента ВВ. И так как конечной целью всех новаций и решений является совершенствование систем разработки и их основного процесса – массовой отбойки руды, цели и задачи определяются наиболее узкими и актуальными физико-техническими и технико-эконо- мическими аспектами в современных условиях. Одна из них, как показал анализ, нахо- дится на пути увеличения доли направленной составляющей действия взрыва в различ- ных условиях. Это привело к новой методологии выбора рациональных типов взрывного разрушения на основе интегрального критерия оценки масштабности взрывной отбойки в сложных горно-геологических и морфологических условиях. Методология базируется на подходе, заключающемся в достижении практически любой формы и интенсивности взрывной волны за счет использования схем бурения скважин под сближенные заряды обычной конструкции, скважин большого диаметра и зарядов специального вида, реализующих направленное действие крупномасштабного взрыва. Открываются широкие возможности для использования направленного крупно- масштабного взрывания в различных горно-геологических и горнотехнических усло- виях. Это, например, реализуется в системах подземного этажного принудительного об- рушения слоями параллельно-сближенных скважинных зарядов ВВ увеличенного диа- метра на зажатую среду с управлением горным давлением за счет рационального воз- действия взрыва на массив. На открытых работах это перспективно при селективной раз- работке полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях с достижением рациональной степени дробления на неравноценных участках взрываемого блока. Кроме того, условия ведения крупномасштабных взрывов в стесненных и напряженно-дефор- мированных условиях на больших глубинах, с проблемой выбора класса систем разра- ботки и обеспечения качества дробления горной массы, также требуют применения тех- нологий с элементами направленного взрывания. Идея нового методологического подхода заключается в выборе одного из разно- масштабных вариантов буровзрывных работ по определенному обобщенному показа- телю, учитывающему факторы геологические, геомеханические, технологические и свя- занные непосредственно с действием взрыва зарядов ВВ и их конструкциями. Это поз- волило в итоге свести количество вариантов к минимуму. В конкретных вариантах рассмотрен спектр расчетных данных, класс систем раз- работки, отражено комплексное влияние технологических условий на результаты взрыва. Получена интегральная характеристика взрывного разрушения массивов горных пород в виде критерия масштабности взрывной отбойки, по которому количество ва- риантов оказалось сведенным к трем ее типам: мелкомасштабной, среднемасштабной, крупномасштабной. Тип масштабности отражает комплексное влияние условий взрывных работ в виде обобщенных основных характеристик по методам и показателям буровзрывных работ, сведенным к трем вариантам, что и характеризует критерий как интегральный. Это решает проблему качества дробления горной массы и выбора класса систем разра- ботки при выполнении крупных массовых (крупномасштабных) подземных взрывов. При добыче полезных ископаемых с применением взрывных работ любыми мето- дами, в том числе с управляемым действием крупномасштабного взрыва, в первую оче- редь должен быть решен фундаментальный вопрос достижения рациональной степени дробления разрушаемой среды и сохранения устойчивости массива при различных гор- нотехнических условиях и системах разработки. Использование существующих мето- дик, как показал анализ, оказалось мало приемлемо, в том числе по причинам теорети- ческого характера, лежащих в их основе. Потребовался новый подход в методике расчета величины заряда при отбойке руд большими зарядами ВВ направленного действия в подземных условиях на основе
- 88. 88 использования и развития масштабного фактора в новых условиях [6, 8]. В основу было положено развитие принципа масштабного эффекта на базе анализа известной формулы: Q = qV (1) и ее преобразования с целью достижения одинаковой степени дробления при любых объемах и условиях крупномасштабного взрывания. Был выявлен главный ее недоста- ток: она не учитывает степень дробления горной массы, так как исторически произошла из задачи перемещения масс (объемов) грунта. Ее усовершенствование заключалось в представлении величины q в качестве зависимой переменной от величины V, что при- водит к получению дифференциального уравнения dQ = q(V)dV, (2) учитывающего качества дробления горной массы в зависимости от объема (масштаба) взрывания. Зная зависимости удельного расхода ВВ от линии наименьшего сопротивле- ния для горных пород различной трещиноватости и крепости, можно величину заряда рассчитать с учетом определенной степени дробления по формуле 1 0 )( w w dWwqcQ . (3) Она отражает как "традиционно" объем разрушаемого слоя горной породы (q = const), (1) , так и дополнительно, "интегрально", степень его дробления (q = f(w), (3), но- вый фактор). На практике q в разной степени зависит от w, но может и не зависеть, напри- мер, при отбойке в сильнотрещиноватых рудах с размером кондиционного куска на пред- приятии меньше размеров расстояний между трещинами. Тогда формула (3) тожде- ственна формуле (1). На основании анализа опытных данных q = f(w) в формуле (3) можно представить следующей зависимостью: q = qо + kw , (4) где qо – удельный расход ВВ при 0w , соответствующему нижнему пределу интеграла в формуле (3); q – то же, но при 1w в верхнем пределе интеграла; член kw есть масштабная добавка, соответствующая увеличению линии наимень- шего сопротивления (ЛНС); k, –коэффициенты пропорциональности и масштабности, соответственно. Формула рассмотрена для всех типов руд от сильнотрещиноватых до относи- тельно монолитных с условием получения приблизительно одинаковой степени дробле- ния. Выявлена сильная зависимость ее от степени трещиноватости массива горных пород (~ 70 %), слабая – от крепости f пород (~ 20 %) и ~ 10 % приходится на остальные фак- торы. По мере уменьшения трещиноватости характер зависимости (6) меняется, причем неочевидным образом. Наиболее сильная связь проявляется в рудах не - или малотрещи- новатых, уменьшаясь по мере постепенного увеличения степени трещиноватости и, с привязкой к размеру кондиционного куска, достигает относительного минимума в рудах среднетрещиноватых. Формула обусловливает «динамический» характер ее примене- ния, гибко (оперативно) учитывая необходимое на массовый взрыв количество взрывча- тых веществ, причем в стадии проектирования, тогда как существующие методики рас- считывают количество ВВ исходя из идеологии зависимости (1). Таким образом, фор- мулы (2 – 4) отражают свойство управляемости, так как, отличаясь «динамическим» характером их применения, по сравнению с классической «статической» формулой (1), позволяют оперативно, в начале расчета необходимого количества ВВ на крупномас- штабный массовый взрыв, дифференцированно учитывать геологическую структуру всего блока. По существующим методикам этому объему взрываемого массива соответ- ствовало бы другое, завышенное количество ВВ, отвечающее расчету по формуле (1).
- 89. 89 Применяя обобщенный закон подобия при условии сохранения качества дробле- ния неизменным, по этим формулам можно получить выражение для сравнительного взрывания в одинаковых условиях, в которое входят, с соблюдением энергетического принципа, величины запаса энергии в зарядах ВВ, сетки скважин и ЛНС: где индексы н и с соответствуют новым и старым значениям величин. В этой формуле отслеживается добавка к основному заряду в формуле (4), необ- ходимая для сохранения качества дробления при изменении объема взрываемого мас- сива (масштабная поправка). В принципе это позволяет на основании геологической ин- формации предварительно рассчитывать крупномасштабную отбойку при очистной вы- емке в любых подземных условиях, не производя специальных опытных взрывов, полу- чая такое же качество дробления, что и при мелкомасштабных параметрах взрывания. Данный методологический аспект может быть использован и в известных методиках по буровзрывным работам путем сопоставления и корректировки параметров заряда и вы- емочной единицы массива, приходящейся на скважинный заряд. Данный методологи- ческий подход необходим при разработке и проектировании новых технологий с приме- нением крупномасштабной взрывной отбойки массивов горных пород. Рассмотрим далее примеры технологий взрывания, реализующих эффект круп- ного масштаба управляемого, в том числе направленного, действия взрыва в различных условиях [9]. При разработке месторождений полезных ископаемых во всем мире получили широкое распространение системы подземной разработки с обойкой руды на зажатую среду. Применение на удароопасных железорудных месторождениях Западной Сибири системы этажного принудительного обрушения с отработкой рудных тел сплошным фронтом без оставления целиков позволяет управлять горным давлением за счет пога- шения выработанного пространства обрушенными вмещающими горными породами (рис. 4). В распространенном варианте системы разработки с отбойкой руды на компен- сационные камеры эллипсовидной формы и зажатую среду взрывные работы произво- дятся пучками параллельно-сближенных скважинных зарядов ВВ диаметром 105 мм, позволяющими вести эффективную отработку в сложных горно-геологических и геоме- ханических условиях. При этом из-за влияния геомеханической обстановки наибольшее влияние на мас- сив горных пород оказывают взрывные работы. Масса заряда ВВ технологических (в среднем 0,7 – 20 т) и массовых взрывов (в среднем 120 – 370 т) изменяется от 0,5 до 700 т, при этом обрушается массив объемом от 30 до 250 тыс. м3 . Во время подготовки бло- ков и после массового обрушения руды возрастают затраты на ремонтно-восстанови- тельные работы в выработках транспортного и бурового горизонта, днища блоков, в ко- торых происходят динамические явления. Недостатками применения скважинных зарядов ВВ диаметром 105 мм являются потери скважин от 30 до 50 % при подготовке блоков, невозможность увеличения про- изводительности труда при бурении, а также невозможность заряжания всех скважин в блоках в сложных условиях, что приводит к повышению выхода негабарита и снижению производительности при выпуске руды и др. Для обеспечения безопасности, повышения эффективности горных работ и сни- жения негативного влияния взрывов большой мощности на массив горных пород был разработан способ отработки крутопадающих мощных и средней мощности залежей раз- личной устойчивости руд, содержавший новый элемент в части управления действием взрыва. )5(, с н н н с н с н W W S S E E Q Q
- 90. 90 б) Рис. 4 – Система разработки этажного принудительного обрушения с отбойкой руды параллельно-сближенными скважинными зарядами на зажатую среду: а) 1 – сближенные скважины; 2 – орт; 3 – буровые выработки; 4 – зажатая среда; б) 1 – компенсационная камера; 2 – вертикальный концентрированный заряд; 3 – скважины увеличенного диаметра 250 мм; 4 – сближенные скважины; 5 – горизонт подсечки блока Он заключался в уменьшении при том же удельном расходе ВВ на первичную отбойку количества скважин в пучке за счет увеличения их диаметра и возможности ис- пользования в этом случае других схем расположения скважин в пучке, формирующих взрывную волну более направленно, с учетом геомеханической обстановки (рис. 5). Основные концентраторы напряжений в горной конструкции — компенсацион- ные камеры и большое количество нарезных выработок на подсечном и буровом гори- зонтах. Для их исключения разработаны и обоснованы параметры одностадийной си- стемы разработки этажного слоевого обрушения с отбойкой руды скважинами диамет- ром 250 мм на зажатую среду. Отрабатываются участки определенных геологических структур, например, сред- неустойчивых сильнотрещиноватых руд и пород или устойчивых монолитных малотре- щиноватых массивов горных пород. Осуществляется контроль за негативным влиянием геодинамической обстановки через конструктивные и технологические особенности элементов системы разработки. В этих условиях эффектом направленности действия взрыва можно пренебречь, и количество скважин в пучке диаметром 250 может быть сокращено до трех - одной. Разработанный способ позволил задействовать дополнительные производствен- ные резервы, повысив производительность труда при бурении скважин в 4 – 6 раза. Сни- жено сейсмическое воздействие взрыва на прилегающий массив горных пород за счет уменьшения массы заряда ВВ до 10 т при отбойке каждого слоя руды в блоке. Если срав- нивать с минимальной массой заряда ВВ (не менее 120 т при массовом обрушении бло- ков), то воздействие взрыва на массив снижается в несколько раз. а)
- 91. 91 а) б) Рис. 5 – Кумулятивная форма расположения сближенных зарядов, формирующая направленную волну взрыва: а), б) – блок до и после заряжания; 1, 2 – скважины; 3 – кумулятивная выемка Применение пучковых скважинных зарядов различного количества, диаметра и схем расположения с возможностью их направленного взрывания, улучшило технико- экономические показатели по системе разработки, снизило удельный расход ВВ как на первичное, так и на вторичное дробление, увеличило производительность, глубину и точность бурения скважин. В частности, при образовании центрального вертикального концентрированного заряда большой массы специальной конструкции, близкой к цилин- дрической форме, используются оконтуривающие сближенные пучковые заряды. Они размещаются на определенном расстоянии вокруг рудного блока и взрываются пер- выми. Компенсационные камеры, вновь образующиеся свободные поверхности, исполь- зование управляемого взрывания с направлением взрывной волны в сторону ранее обру- шенного выработанного пространства обеспечивают защиту от сейсмического действия зарядов большой массы и необходимую степень взрывного дробления горного массива. В порядке обмена опытом в свете изложенного представляет определенный интерес со- вершенствование техники и технологии специальных взрывных работ, выполняемое ИГД УрО РАН совместно с ООО Уралвзрывпром (г. Екатеринбург) в карьерах нерудных и строительных материалов [10]. Развитие технологических процессов известных способов и методов добычи в ас- пекте физико-химической и комбинированной геотехнологии также базируется на спо- собах взрывного воздействия на массив горных пород, обеспечивающих эффективность процесса выщелачивания. Были рассмотрены методы добычи комбинированной физико- технической и физико-химической геотехнологией при подготовке скальных горных по- род и физико-химические предпосылки выбора ВВ при интенсификации выщелачивания из крепких руд с элементами направленного управляемого взрывания [10, 11]. Буровзрывные работы на открытых разработках при массовом крупномасштаб- ном взрывном разрушении массивов горных пород имеют особенности, которые необ- ходимо учитывать при управлении действием взрыва направленного характера. Дело в том, что диаметр скважин на открытых горных работах подошел по ряду причин к сво- ему предельному значению – около 300 мм, что ограничивает применение некоторых технологий (условия, близкие к камуфлету), резко снижает возможности многорядного короткозамедленного взрывания и достижение приемлемого качества дробления горной массы. Практически единственным здесь технологически приемлемым способом повы- шения энергии взрывчатых веществ является применение параллельно сближенных скважинных зарядов, если не считать применения огневого бурения и некоторых других эксклюзивных методов получения вертикальных полостей.
- 92. 92 Разработка сложных забоев при разработке рудных и нерудных блоков месторож- дений полезных ископаемых, участки которых существенно различаются по горно-гео- логической структуре и качеству полезного компонента, осуществляется валовым или раздельным (селективным) способом. Валовой добыче соответствует наиболее простая, в том числе в организационном отношении, технология горных работ и, соответственно, большая производительность горнотранспортного оборудования. Технология работ при этом мало отличается от подготовки однородных забоев. Но обычное массовое взрыва- ние в сложных забоях приводит к значительному перемешиванию полезного компо- нента, что резко снижает эффективность погрузочно-транспортных работ и ухудшает условия переработки сырья. Получаемое при этом рудное сырье в значительной мере разубоживается пустыми породами, относительно большая часть полезного ископаемого безвозвратно теряется. Раздельная разработка сложных скальных забоев с применением буровзрывных работ и раздельной выемкой (селекцией) производится либо в период рыхления массива, либо во время выемочно-погрузочных работ без внутризабойной сортировки пород или с их сортировкой. Возможна простая сортировка, представляющая обособленную вы- емку полезного ископаемого и пустых пород по фронту уступа без сортировки по высоте развала, и сложная, с раздельной выемкой их различных видов по ширине и высоте забоя. При подготовке таких забоев стремятся к созданию условий для производства простой экскаваторной сортировки. При этом, чем интенсивнее в развале перемешано полезное ископаемое с пустыми породами, тем больше времени затрачивается на сорти- ровку и, соответственно, меньше производительность по отгрузке. При взрывании на открытое выработанное пространство валовый и раздельный (селективный) способы разработки сложных месторождений имеют существенные недо- статки, в ряде случаев ставящие под сомнение саму возможность (идею) раздельной до- бычи полезного ископаемого. Поэтому главное требование к взрывным работам заключается в том, чтобы места размещения после взрыва горной массы с полезным ископаемым и пустыми породами обеспечивали наилучшие условия для раздельной выемки. Селективное разрушение горных пород условно базируется на физических и тех- нологических аспектах управления действием взрыва. К методам и средствам первого аспекта можно отнести заряды различных конструкций и составов ВВ, отличающиеся направленностью взрывного воздействия, например, сближенные и специального назна- чения заряды. Второй аспект включает методы и технику управляемого направленного взрывания с экранированием и локализацией взрывных волн, а также различные их ком- бинации. Обычная технология селективной выемки включает бурение рядов взрывных скважин, их заряжание, схемы коммутаций, последовательное короткозамедленное взрывание на неубранную горную массу в соответствии с проектом массового взрыва. Количество взрываемых рядов ограничивается небольшим их числом, лимитированным возможностями (энергией) взрыва одного скважинного заряда принятого диаметра. Спе- цифические особенности технологии взрывных работ при разработке сложных и много- компонентных массивов руд и пород не ограничиваются указанными выше элементами крупномасштабной отбойки с увеличенными размерами зарядов пропорционально числу взрываемых «на зажим» количеству рядов, т. е. масштабу отбойки. Методология и тех- нология разрушения сложных забоев здесь требуют разграничения участков полезного компонента и пустых пород. В идеале – четко по контактам и границам систем «руда – порода», в отличие от трещиноватости при обычном взрывном разрушении. Это требует дополнительных исследований и привлечения новых методов и средств из арсенала взрывной техники.
- 93. 93 К таким методам и средствам, кроме сближенных зарядов различной геометрии, можно дополнительно отнести заряды взрывчатых веществ с кумулятивным эффектом, а также специальные заряды ВВ оборонного назначения с экранированием и локализа- цией взрывных волн. Эти технические новации порождают новые варианты технологий взрывных работ при разработке месторождений полезных ископаемых со сложными условиями залегания. В ИПКОН РАН разработана такая технология (способ) производства взрывных работ при селективной разработке сложно-структурных месторождений на открытых горных работах (рис. 6). Технология учитывает специфику, когда в принципе отсут- ствует ограничение по энергии для последующих рядов скважинных зарядов, обуслов- ленное возможностями буровой техники [12]. Рис. 6 – Принципиальная схема способа крупномасштабного взрывания сложноструктурного участка массива горных пород: 1 – ряд одиночных скважинных зарядов; 2 – пучковый заряд в двух скважинах; 3 – пучковый заряд в трех скважинах; 4 – пучковый заряд в пяти скважинах; 5 – контурный заряд; 6 – ранее отбитая горная масса (зажим); ШВВ – штатное взрывчатое вещество; КВВ – конверсионное взрывчатое вещество Способ характеризуется тем, что для выборочной степени дробления участков разнотипных горных пород в крайних скважинах пучковых сближенных зарядов уста- навливают кумулятивные заряды с плоской симметрией линейной формы навстречу друг другу. По контакту же участков разнотипных пород устанавливают кумулятивные за- ряды с плоской симметрией кольцевой формы с ориентированием оси кумулятивной вы- емки заряда по направлению контакта (рис. 7). а б Рис. 7 – Ряды одиночных обычных и сближенных кумулятивных скважинных зарядов: а – общий вид; б – кумулятивный фрагмент заряда; 1 – ряд одиночных скважинных зарядов; 2 – ряд сближенных кумулятивных зарядов с плоской симметрией линейной формы, 3 – встречные кумулятивные заряды с плоской симметрией; 4 – кумулятивные заряды с плоской симметрией кольцевой формы; 5 – руда; 6 – порода; 7 – граница раздела
- 94. 94 Применением пучков сближенных зарядов мощных взрывчатых веществ, коли- чество которых в каждом последующем ряду увеличивается на 1 – 2, начиная со 2 – 3- го, достигается практически не ограниченная многорядность массового взрыва. В торцах скважины заряжаются конверсионными или другими мощными взрывчатыми веще- ствами, а выше их обычными. Комбинациями схем замедления, включая мгновенное камуфлетное взрывание, достигается степень сохранности (смещенности) геометрии расположения больших объемов сложно-структурного горного массива до и после круп- номасштабного массового взрыва, вплоть до начальной. Это позволяет добычу руды вести селективно параллельно с выемкой пустой породы или во вторую очередь после добычи руды. Кроме того, выборочное дробление рудных и породных участков в зажиме различной его степени, получение остающихся практически на месте взрыва больших объемов, не перемешанных взрывом горной массы, создает условия для долговременной и стабильной селективной экскаваторной разборки сложно-структурного забоя. Сокра- щается количество массовых взрывов и перемещений погрузочно-транспортной тех- ники, увеличивается эффективность применения новой технологии. Таким образом, взрывное разрушение массивов горных пород располагает научно-технической базой в части управления действием взрыва, в том числе крупно- масштабного, определяет геотехнологию разработки месторождений полезных ископа- емых в сложных условиях, представляя одно из перспективных направлений взрывных работ при освоении недр. Литература 1. Трубецкой К.Н. О новых подходах к обеспечению устойчивого развития гор- ного производства / К.Н. Трубецкой, С.В. Корнилков, В.Л. Яковлев // Горный журнал. - 2012. - № 1.- С. 15-19. 2. Трубецкой К.Н. //Проблемы и перспективы развития ресурсосберегающих и ре- сурсовоспроизводящих геотехнологий комплексного освоения недр Земли / К.Н. Тру- бецкой, Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых – 2012 - № 4 – С. 116-124 3. Трубецкой К. Н. Новая концепция совершенствования буровзрывных работ на подземных рудниках/ К.Н. Трубецкой, С.Д. Викторов, В.М. Закалинский // Горный жур- нал. – 2002. – № 9.- С. 9 – 12. 4. Высокоуступная технология открытых горных работ на основе применения кранлайнов / К.Н. Трубецкой, А.Н. Домбровский, И.А. Сидоренко и др. // Горный журнал. – 2005. - № 4. - С. 43-47. 5. Жариков И.Ф. Регулирование степени дробления при взрывании высоких усту- пов / И.Ф. Жариков // Теория и проактика взрывного дела. – М.: МВК по взрывному делу при Академии горных наук, 2014. – С. 93 – 106. – (Взрывное дело.- №111/68). 6. //Разрушение горных пород сближенными зарядами / С.Д. Викторов, Ю.П. Гал- ченко, В.М. Закалинский, С.К. Рубцов; под ред. К.Н. Трубецкого. - М.: ООО Изд-во «Научтехлитиздат», 2006. – 276 с. 7. Трубецкой К.Н., Сеинов Н.П., Шендеров А.И. Снижение текущего коэффици- ента вскрыши в процессе технического переоснащения карьеров //Открытые горные ра- боты. – 2000. - №2, с.7-13. 8. Викторов С.Д. Еременко А.А., Закалинский В.М., Машуков И.В. Технология крупномасштабной взрывной отбойки на удароопасных рудных месторождениях Си- бири // Новосибирск. Наука, 2005. –212 с. 9. Еременко А.А. Совершенствование технологии буровзрывных работ на желе- зорудных месторождениях западной Сибири // Новосибирск: Наука, 2013. – 192 с. 10. Берсенев Г.П., Шеменев В.Г., Жариков С.Н. Развитие науки и практики спе- циальных взрывных работ на Урале // // Горный журнал. 2012. № 1. С. 25-28.
- 95. 95 11. Закалинский В.М., Франтов А.Е. Физико-химические предпосылки выбора ВВ при интенсификации выщелачивания из крепких руд // Вестник Российской академии естественных наук. – 2013/6. – том 13. – С. 97-102. 12. Франтов А.Е. К обоснованию свойств конверсионных ВВ с учетом особенно- стей процессов взрывных работ в геотехнологиях // Маркшейдерия и недропользование. – 2013. – № 6. – С. 11-15. 13. Викторов С.Д., Закалинский В.М., Франтов А.Е., Галченко Ю.П. Способ крупномасштабного взрывного разрушения горных массивов сложной структуры для се- лективной выемки полезного ископаемого на открытых работах. Патент РФ № 251330 с приоритетом изобретения 16.07.2012 г. по заявке № 2012129943.
- 96. 96 УДК 622.271.7 Ермаков Сергей Александрович кандидат технических наук, старший научный сотрудник, зав. лабораторией открытых горных работ, Институт горного дела Севера (ИГДС) СО РАН, 677980, г. Якутск, пр. Ленина, 43 e-mail: s.a.ermakov@igds.ysn.ru Бураков Александр Михайлович кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ИГДС СО РАН e-mail: a.m.burakov@igds.ysn.ru СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРИОЛИТОЗОНЫ Ermakov Sergey A. candidate of technical sciences, senior research worker, the head of the laboratory of surface mining operations, the MIN SB RAS, 677980, Yakutsk, Lenin pr., 43 e-mail: s.a.ermakov@igds.ysn.ru Burakov Alexander M. candidate of technical sciences, senior research worker, the MIN SB RAS, e-mail: a.m.burakov@igds.ysn.ru IMPROVEMENT OF GEO-TECHNOLOGIES OF SURFACE MINING THE DEPOSITS OF PERMFROST ZONE Аннотация: Изложены результаты исследований научных организаций Якутии в направлении создания но- вых и совершенствования традиционных гео- технологий открытой разработки месторож- дений Республики Саха (Якутия). Ключевые слова: криолитозона, месторожде- ния, геотехнологии, открытая разработка Abstract: The results of the Yakut scientific organizations’ re- searches in the direction of creation new and im- provement the traditional geo-technologies of sur- face mining the Sakha (Yakut) republic deposits are stated. Keywords: permafrost zone, deposits, geotechnolo- gies, surface mining Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского с начала своего образования в 1980 г. проводит исследования в направлении создания новых и совершенствования тра- диционных геотехнологий открытой разработки месторождений Республики Саха (Яку- тия). Основополагающим фактором в развитии и разработке геотехнологий, отраженном в основных направлениях научной деятельности Института, является геокриологическое состояние горных пород. Суровые климатические условия Якутии способствовали почти повсеместному развитию толщи многолетнемерзлых пород, распространенных от по- верхности на глубину от 100 – 150 м до 1500 – 1600 м, с относительно постоянной тем- пературой пород в массиве от –3÷5 до –10÷120 С и резким ее изменением в приконтакт- ном поверхностном слое, достигающем температуры атмосферного воздуха от –50 до – 600 С [1]. Основная доля месторождений твердых полезных ископаемых, расположенных на территории Республики Саха (Якутия), включающих алмазоносные, угольные, руд- ные и россыпные, отрабатывается открытым способом. Алмазоносные рудные месторождения отрабатываются открытым способом с ис- пользованием цикличной технологии, предусматривающей буровзрывное рыхление и погрузку пород мехлопатами или погрузчиками в автотранспорт. При достижении пре- дельной глубины карьеров открытые горные работы завершаются, и добыча продолжа- ется в подземных рудниках (трубки "Интернациональная", "Мир", "Удачная"). На угольных разрезах Якутии также преобладает транспортная система разра- ботки с применением на вскрышных и добычных работах карьерных мехлопат, колесных погрузчиков с ковшами различной емкости и автосамосвалов грузоподъемностью 180 и более тонн.
- 97. 97 При открытой разработке крупных россыпных месторождений Якутии наиболее распространенным является дражный способ, с подготовкой полигонов бульдозерами или шагающими экскаваторами, экскаваторно-автотранспортный способ, в том числе комбинированный (роторно-конвейерный комплекс – драга), с промывкой песков на се- зонных и стационарных обогатительных фабриках (установках). Мелкие месторождения отрабатываются бульдозерным и бульдозерно-гидравлическим способом. Применяются различные способы разупрочнения разрабатываемых пород (буровзрывной, механиче- ское рыхление, послойная оттайка, гидрооттайка, гидроразмыв и т. д.). В начальный период деятельности Института получен ряд важных научных ре- зультатов, имеющих большое практическое значение для повышения эффективности горного производства в Якутии. Большой вклад в развитие открытой геотехнологии на месторождениях Якутии внесен В.Л. Яковлевым, который в 1986 – 1995 гг. был дирек- тором Института и заведующим лабораторией открытых горных работ. В работах В.Л. Яковлева, В.П. Смирнова, А.Д. Андросова, С.Н. Петрова и других исследователей существенное развитие получили теория и практика проектирования и эксплуатации карьеров в условиях Севера. Системный анализ условий формирования транспортных систем карьеров Севера, выполненный на основе разработанного В.Л. Яковлевым и В.П. Смирновым методиче- ского подхода, позволил определить рациональные виды транспорта для типичных по горнотехническим условиям групп карьеров. В частности, ко второй группе отнесены кимберлитовые карьеры средней производительности и большой глубины (400 – 600 м), в том числе карьеры трубок "Удачная" и "Юбилейная" [2]. ИГДС СО АН СССР совместно с ИГД Минчермета СССР проведен цикл иссле- дований с оценкой технико-экономической эффективности и установлением области применения дизель-троллейвозного транспорта, в том числе на карьерах Севера. Выяв- лены технологические условия его эффективной эксплуатации и разработана методика определения сравнительной эффективности автомобильного и дизель-троллейвозного транспорта на карьерах. Установлен ряд преимуществ нового вида транспорта на карье- рах Севера. Эффективность такого вида транспорта на горнодобывающих предприятиях Республики Саха (Якутия) ограничивается конъюнктурой цен на дизельное топливо и электроэнергию, но с учетом экологических факторов и при улучшении обеспечения гор- нодобывающих предприятий электроэнергией этот способ имеет перспективу [3]. В.Л. Яковлевым и А.Д. Андросовым предложен ряд технологических решений по разработке глубоких карьеров Севера, в том числе этапный порядок освоения нижних горизонтов как направление совершенствования технологии открытых горных работ при реконструкции глубоких карьеров [4]. Выполнена прогнозная оценка возможности увеличения генеральных углов бор- тов в многолетнемерзлых породах при щадящем режиме формирования уступов, которая показала [5], что для круглой формы карьеров в плане возможно увеличение углов от- косов бортов в зависимости от глубины карьера на 7 – 140 . Разработана новая конструкция борта глубокого карьера в условиях многолетней мерзлоты [6], позволяющая увеличить углы откосов бортов при одновременном созда- нии безопасных условий работ для трудящихся и горнотранспортного оборудования. Борт карьера формируется без специальных предохранительных берм, с широкой транс- портной бермой и расположением на ней улавливающей предохранительной траншеи с защитным валом. Научно обоснована и экспериментально доказана целесообразность применения поточной технологии при разработке россыпных месторождений Севера на базе суще- ствующих роторных комплексов [7]. Выполнены теоретические исследования непрерыв- ной экскавации дисперсных пород с крупными крепкими включениями (С.А. Ермаков). Разработан метод качественной и количественной оценки экстремальных ситуаций при
- 98. 98 непрерывном копании пород роторным экскаватором, позволяющий оптимизировать ре- жим его работы. Проведены экспериментальные исследования взаимодействия "ротор- ное колесо - горный массив", и разработано техническое задание на создание роторного комплекса серии ХЛ. На основе изучения фильтрационных свойств дамб, созданных для отработки ме- сторождения р. Б. Куранах, И.И. Заудальским разработаны рекомендации по много- уступной разработке россыпи с управляемыми водопритоками, что позволяет складиро- вать вскрышные породы и хвосты обогащения в контурах месторождения [8]. Важные научные результаты получены в области выбора рационального режима горных работ при разработке мульдообразных угольных месторождений и оптимизации параметров бестранспортной системы разработки [9]. Вышеперечисленные и другие работы послужили своего рода научно-методиче- ской базой, на основе которой в последующие годы в ИГДС получены новые результаты по совершенствованию и созданию ресурсосберегающих, экологически безопасных гео- технологий открытой разработки месторождений Севера. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования по обоснованию возможности и целесообразности применения на разработке алмазоносных месторожде- ний Якутии поточной технологии на базе роторно-конвейерных комплексов [7]. По ре- зультатам исследований разработаны новые технологические решения, касающиеся до- бычи и транспортировки кимберлитовых руд. Эти решения обеспечивают повышение эффективности горных работ, снижение экологической нагрузки на окружающую среду и человека, повышение сохранности алмазов при добыче. По апробированным методикам Н.Г. Домбровского, А.Н. Зеленина, института УкрНИИпроект (Киев) была проведена предварительная оценка удельного сопротивле- ния копанию вмещающих пород и кимберлитов на предмет возможности их безвзрывной экскавации роторным колесом. Показано, что удельное сопротивление копанию кимбер- литов и вмещающих пород крепостью 5 – 8 по шкале Протодьяконова могло составить 110 – 160 Н/см2 , с возможным повышением на 30 – 40 %, что допускает возможность отработки значительных объемов продуктивной толщи и вскрыши с помощью роторных экскаваторов с удельным усилием копания до 2,4 МПа (235 Н/см2 ). В 1996 г. на карьере трубки "Удачная" компании "АЛРОСА" проведены испыта- ния роторного экскаватора К-650 (Чешская Республика) [10]. Разработка кимберлитов безвзрывным способом в условиях Крайнего Севера, на нижних горизонтах глубокого (до 400 м) карьера, проводилась впервые в мировой практике. Во время испытаний было добыто около 50 тыс. т кимберлитов на Западном и Восточном рудных телах. Результаты испытаний подтвердили принципиальную возможность разработки кимберлитов с кре- постью до 8 роторными экскаваторами типа К-650 (Чешская Республика) с повышенной мощностью привода роторного колеса и высоким усилием копания. При обогащении руд, добытых в процессе испытаний, по данным ГОКа "Удач- ный", достигнуто повышение сохранности кристаллов алмазов и снижение энергоемко- сти подготовки алмазосодержащей руды на обогатительной фабрике по сравнению с тра- диционной технологией на 15 – 20 %. Разработаны возможные технологические схемы отработки забоя и обоснованы режимы безвзрывной экскавации кимберлитов, обеспечивающие непрерывность про- цесса выемки и погрузки руд на алмазоносных трубках [11]. Особую актуальность имеют исследования по повышению эффективности отра- ботки малообъемных рудных месторождений. На территории Якутии известно около 150 малообъемных алмазных трубок, которые в настоящее время не разрабатываются в том числе из-за отсутствия ресурсо- и энергосберегающей технологии и техники их отра- ботки. Обоснована технология разработки малообъемных алмазных трубок выбурива- нием керна большого диаметра [12], суть которой заключается в бурении центральной
- 99. 99 выемочной скважины, а затем внешних скважин, расположенных по схеме шестиуголь- ника. Отличительной особенностью технологии является возможность ее совмещения с проведением геологоразведочных работ. Предложен также послойно-скважинный способ разработки малообъемных руд- ных тел – малых трубок [13]. Способ заключается в прохождении специальным буровым устройством скважины диаметром 300 – 1000 мм. Устройство посредством шнекового транспортера отбивает буровую мелочь вниз, в загрузочные окна, откуда она воздухом выносится наружу. Пробуренную скважину расширяют до контура залежи бульдозером с активным рыхлителем. Предлагаемые способы делают экономически целесообразной и экологически бо- лее безопасной разработку малообъемных алмазных трубок, а также доработки нижних горизонтов кимберлитовых карьеров, которые в настоящее время невыгодно отрабаты- вать известными способами и средствами. Предложен новый методический подход к выбору схемы водоотлива для глубо- ких кимберлитовых карьеров [14]. Он позволяет на стадии проектных решений выбрать эффективную схему водоотлива, обеспечивающую минимальные эксплуатационные за- траты, уменьшение времени простоя карьера на монтаж-демонтаж водоотливных уста- новок, увеличение объемов подготавливаемой руды с одной стоянки комплекса водоот- ливных сооружений, что в конечном итоге позволит снизить себестоимость добычи руды и сократить срок отработки карьера. Институтом "Якутнипроалмаз" совместно с СВФУ им. М.К. Аммосова предложен ряд технологических решений и создан технико-технологический комплекс для дора- ботки запасов на глубинных горизонтах алмазорудных карьеров [15,16,17]. В частности, второй этап доработки карьера трубки "Удачная" при понижении рабочего горизонта открытых работ до предельной глубины 640 м предусматривает со- здание крутонаклонного съезда с уклонами 225 – 237 ‰. Эксплуатация транспортных средств на таких уклонах потребовала разработки специальных нормативных докумен- тов. Были проведены промышленные испытания полноприводного сочлененного само- свала САТ-740. Средневзвешенный уклон трассы составлял 195 ‰, на отдельных участ- ках до 245 ‰. Испытания дали положительные результаты. Применение транспортных съездов с уклоном до 250 ‰ позволило минимизиро- вать объемы вскрышных работ, сократить время реконструкции борта карьера, суще- ственно увеличить выемку руды открытым способом в период доработки целиков. Ведутся исследования в направлении разработки способов подготовки многолет- немерзлых пород к выемке. В настоящее время на открытой разработке россыпей Якутии подготовка пород к выемке осуществляется путем оттаивания мерзлых пород с исполь- зованием естественных тепловых факторов (солнечной радиации, тепловой и водно-теп- ловой мелиорации) и механического рыхления (применения бульдозерно-рыхлительных агрегатов и буровзрывных работ). Вследствие высокой энергоемкости разрушения мерз- лых пород механическим рыхлением, применение способов подготовки пород к выемке, использующих естественное атмосферное тепло, является более предпочтительным. В Институте на основе разработанных математических моделей выполнено моде- лирование теплового состояния многолетнемерзлых пород россыпных месторождений [18]. Для оценки эффективности применения способа водно-тепловой мелиорации было выполнено моделирование теплового режима на примере россыпи "Нерская" (Оймякон- ский район) и россыпного месторождения алмазов "Горное", расположенного рядом с г. Мирный. Проведены численные эксперименты по расчету теплового режима массива горных пород месторождений при различных технологических условиях водно-тепловой мелиорации. Для полного предохранения талых пород от сезонного промерзания минимальная глубина затопления должна быть больше максимальной толщины ледяного покрова на 0,2 – 0,5 м. По результатам расчетов установлено, что пески в зависимости от содержания
- 100. 100 льда и времени удаления торфов успевают за один сезон протаять на глубину 2,5 – 3,5 м, к концу второго лета подготовки россыпи оттайка составит не менее 4,5 – 5,5 м, а к концу третьего лета 7 – 8 м. Таким образом, поверхностная тепловая мелиорация в комбинации с защитой та- лых песков от зимнего промерзания путем затопления поверхности предохраняемых участков обеспечивает к концу второго года (лета) подготовительных работ оттайку мно- голетнемерзлых грунтов россыпных месторождений на глубину не менее 4,5 – 5 м. Это дает возможность применить для их разработки традиционное оборудование и способы (бульдозерный, бульдозерно-гидравлический, экскаваторный) без дополнительного рыхления. В этом случае при сопоставимых годовых параметрах отрабатываемых полигонов россыпных месторождений снижаются объемы вредных выбросов за счет исключения буровзрывного и сокращения объема механического рыхления, уменьшения количества оборудования. Одновременно снизится себестоимость добычи 1 м3 песков, также будут созданы оптимальные условия дезинтеграции и обогащения. Предварительное изучение комплекса вопросов, связанных с освоением Эльгин- ского месторождения, включая горно-геологические условия, экологическую обста- новку, месторасположение и т. д., показало, что разработка этого месторождения сопря- жена с рядом как технологических, так и экологических проблем (сложные горно-геоло- гические условия, расположение в неосвоенном районе, наличие охраняемых природных объектов и т. д.) [19]. Горно-геологические условия угленосных отложений Эльгинского месторожде- ния предопределили границу разделения открытых и подземных горных работ по пласту Н15. Максимальная глубина почвы пласта от дневной поверхности составляет около 480 м. Проведена раскройка поля разреза на шесть участков и обоснована очередность ввода участков в эксплуатацию. Результаты исследования режима горных работ для каждого участка позволили выявить лучшие варианты отработки по усредненному эксплуатаци- онному коэффициенту вскрыши. Анализ физико-механических свойств вскрышных пород и угля показал, что вме- щающие породы при использовании традиционных технологий требуют обязательной подготовки с помощью буровзрывных работ. Уголь, вследствие невысокой прочности, можно предварительно разупрочнять "встряхиванием". Исследованиями, выполненными в Институте [20, 21], установлено, что по пока- зателям прочности пород и угля и особенно по соображениям селективной выемки тон- ких угольных пластов в технологических схемах возможно широкое применение ком- байнов КСМ-2000 и КСМ-2000Р, которые могут осуществлять безвзрывную выемку угольных пластов и значительной части (до 60 %) вмещающих пород. Конструктивные возможности КСМ-2000Р способствуют селективной выемке, так как необходимые по условиям горных работ параметры уступов при применении этих машин можно задать практически в любом диапазоне. При использовании выемочно-погрузочных машин типа КСМ-2000Р для безвзрывной разработки вскрышных пород и углей Эльгинского месторождения значи- тельно снизится экологическая нагрузка на окружающую природную среду, повысится безопасность горных работ и улучшатся показатели селективности [22]. В условиях пластовых месторождений угля, расположенных в области криолито- зоны, значительное влияние на эффективность вскрышных работ оказывает повторное смерзание взорванных пород в развале. Смерзание начинается уже через небольшой про- межуток времени после взрыва, и с течением времени взорванный массив набирает та- кую прочность, при которой его дальнейшая разработка становится невозможной. В Институте проведены исследования температурного режима смерзшихся пород при последовательном обнажении забоя и установлено его влияние на производитель- ность драглайна [23]. Получены экспериментальные зависимости изменения времени
- 101. 101 цикла и производительности драглайна от температуры пород в забое. Зависимости по- казывают, что фактическое время цикла с понижением температуры пород забоя увели- чивается в несколько раз и, соответственно, резко снижается производительность экска- ватора. При этом полученные зависимости свидетельствуют о том, что температурный режим в развале взорванных горных пород в разные периоды года имеет различный ха- рактер: в эти периоды в горных породах происходят разнонаправленные процессы про- мерзания – протаивания. Повышение эффективности разработки россыпных месторождений со сложными горно-геологическими условиями, разнообразными технологическими характеристи- ками песков и металла, значительным содержанием мелкого золота определяет актуаль- ность минимизации объемов переработки золотосодержащих песков по критерию пре- дельной крупности некондиционного сырья. Проведенный анализ данных по группе рос- сыпных месторождений Якутии показал широкое разнообразие классов крупности пес- ков и металла [24]. Ситовые характеристики песков были представлены 47 классами, а характеристики металла – 26 классами крупности, что предопределило необходимость создания единой совмещенной шкалы крупности. В разработанной шкале использована классификация В.А. Гроссгейма, классифи- кация ВНИИ-1 для золотосодержащих песков и метод графического перераспределения крупности фракций, используемый при анализе гранулометрии золота. Анализ грануло- метрических характеристик песков и металла по совмещенной шкале крупности показал возможность сокращения объемов переработки и снижения крупности обогащаемого ма- териала, что благоприятно повлияет на показатели извлечения полезного компонента. В течение ряда лет проводятся исследования характеристик распределения полез- ного компонента в массиве россыпи реки Б. Куранах и оценка направления, последова- тельности и способов ее отработки. Месторождение является уникальным, характеризуется большой глубиной зале- гания (до 50 – 60 м ниже уровня грунтовых вод), тяжелыми для разработки неоднород- ными породами с включениями крупнообломочного материала, высоким (до 60 %) со- держанием упорных глин, значительным количеством мелкого и тонкого золота. Для вы- деления и геометризации зон с различным содержанием металла ранее были разрабо- таны алгоритм и числовая модель, позволяющие определить качественные характери- стики полезного компонента в контуре россыпного месторождения. По результатам рас- чета показано, что большая часть запасов золота (62 %) заключена в значительно мень- шем объеме песков (примерно в одной пятой части), то есть имеет место достаточно вы- сокая селективность залегания минерального сырья. Кроме этого, распределение золота характеризуется резким изменением содержания в широком диапазоне (от 0,07 до 2 г/м3 ) и значительным (в несколько раз) изменением размеров зон концентрации металла. Ука- занные закономерности наблюдаются по всему протяжению россыпи. Данный фактор предопределяет необходимость формирования нового подхода к технологии отработки этого месторождения. Институтом предложен способ комбинированной переработки песков россыпи [25], включающий установление верхней границы продуктивной части месторождения, удаление верхнего непродуктивного слоя, создание промежуточной тех- нологической емкости, отработку песков в контуре запасов с предварительным отделе- нием крупных фракций песков методом промывки, обогащение продуктивной части с получением концентрата ценного компонента. Расчетами установлено, что введение в технологическую схему переработки песков дополнительной стадии концентрации с учетом степени управляемости процесса позволяет рассчитывать на дополнительное из- влечение металла в объеме до 10 % при данном гранулометрическом составе песков и металла россыпи.
- 102. 102 В 1984 – 1988 гг. на основе научных разработок ИГДС на россыпи проведена опытно-промышленная эксплуатация роторно-конвейерного комплекса в составе ротор- ного экскаватора, ленточных конвейеров и отвалообразователя на разработке вскрыш- ных пород. В 1988 – 2001 гг. на террасовой части россыпи применялась технология с подачей песков роторно-конвейерным комплексом на береговую обогатительную фаб- рику (БОФ), а в последующем до 2012 гг. по схеме роторный экскаватор – отвалообра- зователь – БОФ. В 2001 – 2005 гг. на террасе работал роторно-ковшовый земснаряд РКЗС 350-16Е фирмы "Ньюман". Им переработано около 500 тыс. м3 золотосодержащих пес- ков при средней производительности от 40 до 90 м3 /час. По совокупности объемов пере- работано около 6,5 млн м3 песков, добыто более 3500 кг золота. Внедрение поточной технологии на россыпи р. Б. Куранах подтвердило целесообразность и возможность экс- плуатации роторных комплексов в Якутии в сезонном режиме. Разработаны и предложены многоуступные технологические схемы, предусмат- ривающие разработку массива песков различной мощности и вскрышных пород россыпи р. Б. Куранах роторно-конвейерным комплексом, шагающим экскаватором или драгой в различных комбинациях. В настоящее время на россыпи находятся в эксплуатации уже две 380-литровые драги глубокого (до 28 м) черпания, позволяющие на большей части продуктивного контура вести отработку непосредственно до плотика. На основании научных и технологических разработок составлены методические рекомендации по выбору и обоснованию рациональной комбинации способов открытой разработки месторождения россыпного золота реки Б. Куранах [26]. Таким образом, научно-методические разработки ИГДС СО РАН и других науч- ных организаций Якутии охватывают широкий круг вопросов горного производства в Якутии и позволяют решить многие актуальные проблемы разработки россыпных, угольных, алмазорудных месторождений, поднятые в свое время ведущими учеными Института. Литература 1. Пособие по прогнозу температурного режима грунтов Якутии / Г.М. Фельдман и др;.отв. ред. П.И. Мельников. - Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1988. - 240 с. 2. Смирнов В. П. Развитие транспортных систем карьеров Севера / В. П. Смирнов //Горное дело: Проблемы и перспективы.: сб. статей / ИГДС СО РАН. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1994. С. 154-165. 3. Дизель-троллейвозный транспорт на карьерах / В.Л. Яковлев, В.П. Смирнов, Ю.И. Лель, Э.В. Горшков. – Новосибирск: Наука. СО, 1991. – 104 с. 4. Андросов А.Д. Развитие технологии реконструкции глубоких карьеров Якутии / А. Д. Андросов. – Новосибирск: Наука. СО, 1991. – 103 с. 5. Технология разработки глубоких карьеров Севера в условиях мерзлоты и агрес- сивных вод / В. Л. Яковлев и др. // Проблемы открытой разработки глубоких карьеров: материалы Междунар. симпоз ". - Удачный, 1991. - С. 45-51. 6. Яковлев В. Л. Новая конструкция борта глубокого карьера в условиях много- летней мерзлоты / В. Л. Яковлев, А. Д. Андросов // Горный журнал. - 1994. - №5. - С.20- 22. 7. Ермаков С.А. Особенности поточной технологии разработки месторождений Якутии открытым способом / С.А. Ермаков, А. М. Бураков. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1994. - 96 с. 8. Совершенствование геотехнологий открытой разработки месторождений Се- вера / С. А. Ермаков и др. Якутск: ЯФ ГУ Издательство СО РАН, 2004, 364 с. 9. Петров С.Н. Оптимизация параметров бестранспортной системы разработки / С. Н. Петров, С. В. Панишев // Проблемы горного производства на Севере. – Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1992. – С. 65-69.
- 103. 103 10. Ермаков С.А. Перспективы применения поточной технологии на карьерах ал- мазодобывающих предприятий / С. А. Ермаков, А. М. Бураков // Колыма, 2000. - №4. 11. Безвзрывная экскавация кимберлитов с помощью роторных экскаваторов / М. Д. Новопашин и др. // Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторожде- ний: современное состояние и перспективы решения: сб. докл. Междунар.. науч.-практ. конф., "Мирный-2001", 1-9 июля 2001 г. – М.: Издательский дом "Руда и металлы", 2002.- С. 81-86. 12. Новая технология разработки малообъёмных алмазоносных трубок выбурива- нием керна большого диаметра / С. А. Ермаков и др. //Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений": международная научно-практическая конфе- ренция [сб. докл.], Мирный, 11-15 апр. 2011 г. – Новосибирск: Наука СО, 2011. 13. Федоров Л.Н. Послойно-скважинный способ разработки глубоких карьеров / Л. Н. Федоров // Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: со- временное состояние и перспективы решения: сб. докл. Междунар. научно-практ. конф. "Мирный-2003". -М.: Изд. дом "Руда и металлы", 2004. - С. 352-355. 14. Алькова Е.Л. Выбор рациональной схемы водоотлива в условиях кимберлито- вых карьеров /Е. Л. Альков, С. В. Панишев, С. А. , Ермаков //Проблемы и пути эффек- тивной отработки алмазоносных месторождений": международная научно-практическая конференция [сб. докл.], Мирный, 11-15 апр. 2011 г. – Новосибирск: Наука СО, 2011. – С. 26-29. 15. Акишев А.Н. Технология доработки законтурных придонных запасов руды в глубоком карьере "Удачный" / А. Н. Акишев, С. Л. Бабаскин, И. В. Зырянов // Горный журнал. - 2012. - №12. - С. 31-34. 16. Обоснование производительности и парка специального оборудования с ди- станционным управлением для доработки запасов руды в карьере "Удачный" / П. И. Та- расов, А. Г. Журавлев, В. А. Черепанов, А. Н. Акишев, Г. В. Шубин //Горный журнал. - , 2012. - №12. - С. 35-38. 17. Технико-технологический комплекс для доработки запасов на глубинных го- ризонтах алмазорудных карьеров / А. Н. Акишев, И. В. Зырянов, Г. В. Шубин, П. И. Та- расов., А. Г. Журавлев // Горный журнал. - 2012. - №12. - С. 39-43. 18. Моделирование тепловых процессов в горном массиве при открытой разра- ботке россыпей криолитозоны / А.С. Курилко, С.А. Ермаков, Ю.А. Хохолов, М.В. Кай- монов, А.М. Бураков; отв. ред. А.В. Омельяненко; РАН СО, Ин-т горного дела Севера им. Н.В. Черского. – Новосибирск: Академическое изд-во "Гео", 2011. – 139 с. 19. Некоторые концептуальные вопросы освоения Эльгинского месторождения / С. В. Панишев и др. //. Проблемы и перспективы угледобывающей отрасли РС : матери- алы науч.- практ. конф. - Нерюнгри, 1999. - С. 140-148. 20. Ермаков С.А. Возможности использования безвзрывной технологии на Эль- гинском каменноугольном месторождении / С. А. Ермаков, Д. В. Хосоев // Наука и об- разование. – 2010.- №1. – С. 24-27. 21. Хосоев Д.В. Оценка технологий разработки Эльгинского угольного месторож- дения / Д. В. Хосоев, С. А. Ермаков // Уголь. – 2009. - №11. – С. 9-12. 22. Ермаков С.А. Технолого-экологическая оценка безвзрывной разработки вскрышных пород и углей Эльгинского месторождения /С. А. Ермаков, Д. В. Хосоев // Междунар. журн. прикладныхой фундаментальных исслед. – 2013. - №8, Ч.1. – С. 56-58. 23. Панишев С. В. Разработка вскрышных пород драглайном в условиях пласто- вого месторождения криолитозоны / С. В. Панишев, С. А. Ермаков, А. М. Бураков //Proceedings of the XI-th National Conference with International participation of the open and underwater mining of minerals, 19-23 June. 2011. - Varna, Bulgaria. - С. 17-23.
- 104. 104 24. Ермаков С.А.. Минимизация объемов переработки золотосодержащих песков россыпных месторождений Якутии по критерию предельной крупности некондицион- ного сырья / С. А. Ермаков, И. С. Касанов, А. М. Бураков // Горный информ.-аналит. бюл. – 2014. - №4. С. 138-148. 25. Пат. 2449126 Российская Федерация, МПК Е21,С41/30. Способ комбиниро- ванной переработки песков россыпного месторождения золота реки Большой Куранах / С.А. Ермаков, А.М. Бураков, С.В. Панишев, И.С. Касанов, И.В. Иванов; заявитель и па- тентообладатель Учреждение Российской академии наук Ин-т горн. дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН. - №2010133211/03; заявл. 06.08.2010; опубл. 27.04.2012, Бюл. № 12. 26. Ермаков С.А. Методические рекомендации по выбору и обоснованию рацио- нальной комбинации способов открытой разработки месторождения россыпного золота реки Б. Куранах / С. А. Ермаков, А. М. Бураков // Горный информ.-аналит. бюл. – 2013. - №4. – С. 123-131.
- 105. 105 УДК 622.27.326 Рыльникова Марина Владимировна доктор технических наук, профессор, И.о. зав. научным отделом Институт проблем комплексного освоения недр РАН, 111020 Москва, Крюковский туп., д. 4 e-mail: rylnikova@mail.ru Радченко Дмитрий Николаевич кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник отдела теории проектирования освоения недр, Институт проблем комплексного освоения недр РАН РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННЫХ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ ПОЛНОГО ЦИКЛА КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ МЕСТО- РОЖДЕНИЙ С ФОРМИРОВАНИЕМ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ Rilnikova Marina V. doctor of technical sciences, professor, acting manager of scientific department The Institute of problems of integrated mineral re- sources mining RAS, 111020, Moscow, Krjukovsky blind alley 4. e-mail: rylnikova@mail.ru Radchenko Dmitry N. candidate of technical sciences, senior research worker of the department of the theory of designing mineral resources mining RAS DEVELOPMENT OF COMBINED MINING TECHNOLOGIES FOR FULL CYCLE OF COMPREHENSIVE EXPLOITATION MIN- ERAL RESOURCES’ DEPOSITS WITH MIN- ERAL MATERIAL FLOWS MANAGEMENT SYSTEMS Аннотация: Рассмотрены задачи исследований в области проектирования горнотехнических систем ком- плексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых. Показаны пути решения проблемы управления качеством природного и техногенного сырья на базе сочетания геотех- нологий. Приведены результаты опытно-про- мышленных и конструкторских работ, в ходе которых подтверждена эффективность и эко- номическая целесообразность реализации пол- ного цикла комплексного освоения рудных ме- сторождений Ключевые слова: Комплексное освоение недр, полный цикл, комбинированные геотехнологии, извлечение, отходы, утилизация, управление ка- чеством, минерально-сырьевые потоки Abstract: The problems of researches in the field of mining systems designing the comprehensive solid mineral deposits exploitation are considered. The ways of solving the problem of management the quality of natural and man-made raw material on the basis of combination different mining procedures are cited.. Industrial and design tests’ results are adduced that confirm the efficiency and economic expedi- ency of realization the full cycle of ore deposits comprehensive exploitation Key words: Comprehensive exploitation, full cycle, combined mining geo-technology, extraction, wastes, ut6ilization, quality management, mineral raw material flows Цикл производства продукции горнодобывающего и перерабатывающего ком- плекса характеризуется сложными логистическими схемами, тем более емкими, чем больше технологических операций задействовано в ходе добычи и переработки руд. Тра- диционно цикл разработки месторождений описывается алгоритмами, основанными на обосновании решений по извлечению запасов из недр в виде рудопотоков, их доставки на усреднительные склады либо непосредственно на обогатительные фабрики, перера- ботки с получением концентратов и отвальных хвостов. При сочетании открытых и под- земных геотехнологий, получивших широкое развитие в конце 20-го века под названием «комбинированные геотехнологии», логистическая цепочка цикла «добыча – перера- ботка руды» принципиально не меняется. Добываемая в карьере и в подземном руднике Исследования выполняются при поддержке РФФИ (грант №12-05-00374_а)
- 106. 106 руда, как правило, на определенном этапе объединяется в единый рудопоток и перераба- тывается по наиболее рациональным схемам обогащения. Данный подход к проектиро- ванию горнотехнических систем является известным и общепринятым. При этом сложность решения проблем образования и накопления отходов горно- перерабатывающих производств связана с ухудшением экологической ситуации во всех горнопромышленных регионах и актуальна во всем мире. Очевидно, что к негативным последствиям для окружающей среды и социума приводят не ошибки, допускаемые недропользователями в ходе эксплуатации участка недр, а ошибки, допущенные на ста- дии проектирования того или иного горного предприятия. Причем речь идет не об еди- ничных случаях принятия неверных проектных решений, а о глобальном системном кри- зисе существующих подходов к проектированию горнодобывающих предприятий. Ми- ровой практикой исследований в области проектирования систем различного уровня до- казано: несмотря на то что на предпроектной стадии расходуется лишь 1 % затрат на разработку месторождения, эти проектные решения влекут за собой до 70 % дополни- тельных расходов на функционирование горного предприятия в течение всего жизнен- ного цикла из-за погрешности проектных решений. Ошибочные решения, заложенные на стадии рабочего проектирования, затраты на которые составляют до 7 % от затрат на разработку месторождения, приводят к дополнительным расходам до 85 % от суммар- ных затрат всего жизненного цикла предприятия (Э. Ловинс, 1999; П. Стасинопулос, 2012). Таким образом, функционирование действующих горных предприятий на основе принятых и известных принципов проектирования будет продолжать характеризоваться усилением негативных последствий для природы и общества до тех пор, пока не будут изменены подходы к проектированию горнотехнических систем. До настоящего времени в мировой практике не найдено решений, являющихся конкурентоспособными традиционному циклу «добыча – переработка руды». В резуль- тате, несмотря на многочисленные исследования в области горного дела, принципы пол- ноты и комплексности освоения месторождений твердых полезных ископаемых в пол- ной мере не реализованы ни на одном месторождении. Также на горных предприятиях весьма остро стоит проблема управления каче- ством добываемого природного и техногенного сырья при разработке месторождений твердых полезных ископаемых. Известно, что изменение среднего содержания металла в руде на 1 – 2 % приводит к увеличению затрат на производство концентрата при обо- гащении руд цветных металлов на 10 – 20 %. В связи с ухудшением качества добываемых руд в настоящее время большинству горнодобывающих предприятий весьма сложно обеспечить требуемые показатели качества товарной продукции. Для стабилизации ка- чественных характеристик рудопотоков дополнительные затраты горнодобывающих предприятий составляют 10 – 30 % себестоимости. Несмотря на комплексный подход к разработке месторождений, принятые в проектах горных предприятий системы управле- ния качеством добываемых руд создаются применительно к одному способу разработки. Например, на открытых горных работах в последние годы используются совре- менные информационные системы, программные и аппаратные комплексы, направлен- ные, в первую очередь, на решение таких задач, как прогнозирование содержания полез- ных компонентов на конкретном участке, учет в режиме реального времени показателей работы погрузочного и транспортного оборудования, изменений объемов и качества подготавливаемых, отбитых и извлеченных запасов. При подземной добыче руд применяют комплексные системы, направленные на стабилизацию качественного состава руд, извлекаемых из разных участков месторожде- ния, используют процессы сепарации, усреднения с применением современных комплек- сов радиометрического, рентгенорадиометрического, люминесцентного и другого обо- рудования и т. п. При этом отсутствуют единые системы управления качеством рудопо- токов при сочетании открытых и подземных геотехнологий, нет комплексных решений
- 107. 107 До настоящего времени не решен вопрос комбинирования геотехнологий добычи руд и эксплуатации техногенных образований на осваиваемом участке недр. Также до сих пор не решен вопрос c техногенными отходами при складировании их в хранилища для безопасного хранения без потери технологических свойств техногенного сырья и эксплуатации в будущем. Поэтому повышение качественных характеристик продукции горно-обогатитель- ных предприятий, вплоть до получения металлов и их соединений высокой чистоты, яв- ляется одним из наиболее продуктивных путей для всемерного роста экономической эф- фективности наиболее значимой для Российской Федерации отрасли экономики – гор- нодобывающей промышленности. Для комплексного, экологически безопасного освоения месторождений полезных ископаемых необходимо проектирование и реализация горнотехнических систем как единого комплекса с полным циклом освоения недр на базе комбинации различных гео- технологий. Необходимо подчеркнуть, что концепция комплексного освоения место- рождений полезных ископаемых предусматривает сочетание геотехнологий не только и не столько в пределах единого технологического пространства. В полном цикле ком- плексного освоения недр следует наиболее эффективно сочетать геотехнологии и от- дельные геотехнологические решения на осваиваемом участке недр с целью макси- мально возможного извлечения запасов из недр и ценных компонентов из вещества при разработке запасов руд и техногенного сырья с обязательной утилизацией конечных от- ходов в выработанном пространстве рудников. В такой постановке задача комплексного освоения месторождений полезных ископаемых должна решаться путем создания прин- ципиально новых систем управления качеством минеральных потоков природного и тех- ногенного сырья в ходе их формирования, перемещения, техногенного преобразования и утилизации в выработанном пространстве карьеров и шахт. Вместе с тем следует констатировать, что до настоящего времени не выявлена взаимосвязь качественных характеристик добываемого природного и техногенного сы- рья и их влияния на масштабы добычи и извлечения полезных ископаемых. Не создано комплексных систем управления качеством потоков природного и техногенного мине- рального сырья при сочетании геотехнологий – открытых, подземных, открыто-подзем- ных, физико-химических, специальных (например, гидродобыча, выбуривание скважин большого диаметра и т.п.). Очевидно, что такие зависимости должны быть установлены как в виде наиболее общих закономерностей, так и с определенной долей детализации для конкретных видов полезных ископаемых, месторождений, залежей и т.п. Установленные взаимосвязи будут способствовать разработке комбинированных геотехнологий полного цикла комплексного освоения месторождений с наиболее пол- ным извлечением полезных ископаемых из недр и ценных компонентов из вещества на основе эффективного управления качеством минеральных потоков природного и техно- генного сырья в ходе их формирования, перемещения, техногенного преобразования и утилизации в выработанном пространстве карьеров и шахт. Весьма актуальным пред- ставляется создание комплексной системы управления качеством добываемого природ- ного и сопутствующего техногенного сырья в изменяющихся масштабах добычи руд на горных предприятиях. Для решения этой проблемы требуется проведение прикладных научных исследований, направленных на формирование научно-технологического за- дела для выполнения опытно-конструкторских и опытно-технологических работ и про- мышленного внедрения результатов на горных предприятиях. Для реализации указанной концепции комплексного освоения месторождений по- лезных ископаемых в Отделе теории проектирования освоения недр ИПКОН РАН преду- смотрено выполнение следующих работ: – выполнение аналитических обзоров в области управления качеством природ- ного и техногенного минерального сырья;
- 108. 108 – факторный анализ условий формирования необходимых по объему и качеству потоков природного и техногенного минерального сырья при комплексном освоении рудных месторождений комбинированными геотехнологиями в полном цикле; – установление закономерностей формирования технологических свойств и каче- ства минеральных потоков природного и техногенного сырья, что является исходными данными для моделирования полного цикла комплексного освоения месторождений комбинированными геотехнологиями в различных горно-геологических и горнотехни- ческих условиях. Разработка рекомендаций по определению рациональных параметров рудничных минерально-сырьевых потоков; – установление параметров различных процессов извлечения из металлсодержа- щего сырья цветных (кобальт, никель) и благородных (золото, серебро) металлов, ранее не извлекаемых в цикле «добыча – обогащение многокомпонентных руд»; – подготовка базы исходных данных для построения исследовательской модели, предназначенной для имитационного моделирования технологий формирования, пере- мещения, техногенного преобразования потоков природного и техногенного минераль- ного сырья в полном цикле комплексного освоения месторождений; – разработка алгоритмов и математических моделей функционирования горнотех- нических систем, реализующих полный цикл комплексного освоения месторождения многокомпонентных руд и предусматривающих формирование требуемых технологи- ческих свойств природного и техногенного сырья; – создание исследовательских инструментов (имитационных моделей), обеспечи- вающих изучение принципов взаимосвязи качественных и количественных показателей потоков природного и техногенного сырья с параметрами технологических процессов, реализующих комбинированные геотехнологии в полном цикле комплексного освоения месторождений; – анализ результатов имитационного моделирования полного цикла комплекс- ного освоения месторождений комбинированными геотехнологиями с установлением за- кономерностей формирования количественных и качественных показателей потоков природного и техногенного сырья и их взаимосвязи с параметрами комбинированных геотехнологий извлечения черных, цветных и благородных металлов и получением но- вых видов товарной продукции; – разработка комбинированных геотехнологий полного цикла комплексного осво- ения месторождений многокомпонентных руд; – формирование концепции проектирования горнодобывающих предприятий с применением комбинированных геотехнологий полного цикла комплексного освоения месторождений полезных ископаемых, основанной на управляемом обращении мине- рального вещества с момента геологической разведки и установления требований к ка- честву руд и техногенного сырья до конечной стадии – получения товарной продукции широкого спектра черных, цветных и благородных металлов и воссоздания осваиваемого участка недр с формированием его новых полезных свойств. В ходе теоретических расчетов доказано, что горнотехнические системы с пол- ным циклом характеризуются особыми качественно-количественными параметрами, установление которых требует обоснования соответствующей структуры горнотехниче- ской системы, ее производственной мощности, условий реализации специфических тех- нологических процессов для достижения эффекта полного цикла. Доказано, что такие горнотехнические системы отличаются интенсивностью эксплуатации природного и техногенного сырья, используемого в различные временные периоды. Установление ука- занных отличий базируется на выявлении закономерностей изменения параметров от- дельных процессов в их взаимосвязи. Разработка в Отделе теории проектирования осво- ения недр ИПКОН РАН методики обоснования параметров горнотехнических систем с
- 109. 109 полным циклом комплексного освоения рудных месторождений позволила создать фун- даментальную научную базу, которая в ходе дальнейшего развития стала весомым заде- лом для проектирования горных предприятий будущего. Научным сообществом признано, что выполнение исследований по тематике пол- ного цикла придает новое качество комплексному освоению месторождений полезных ископаемых в его современном понимании. Вместе с тем до настоящего времени не дано прикладного выхода разработанным принципам. В настоящее время данная концепция адаптируется к условиям отработки Юби- лейного месторождения медно-колчеданных руд комбинированной геотехнологией в полном цикле. Предусмотрена разработка технологического регламента на опытно-про- мышленную апробацию перехода к отработке медно-колчеданных руд комбинирован- ной геотехнологией и отработкой техногенных образований, формирующихся при раз- работке Юбилейного месторождения. Кроме того, разрабатываются проектные решения по вовлечению в эксплуатацию запасов природного и техногенного минерального сырья в полном цикле комплексного освоения перспективных месторождений Урала: Ново-Учалинского, Дергамышского, а также Октябрьского. При этом будут обоснованы технические требования на новые виды металлсодер- жащих продуктов, пригодных для последующей металлургической переработки – кон- центратов черных (железа), цветных (кобальт, никель) и благородных (золото, серебро) металлов. Реализация полного цикла комплексного освоения недр неразрывно связана с ути- лизацией отходов добычи и переработки руд. Для утилизации пород вскрыши и от про- ходки горных выработок разработаны решения по производству закладочных смесей с применением закладочных комплексов модульного типа (рис. 1). Рис. 1 – Вариант компоновки оборудования подземного передвижного закладочного комплекса модульного типа: 1 – ПДМ; 2 – бункер-дозатор; 3 – питатель; 4 – дезинтеграция 1-й стадии; 5 – рама модуля I стадии дезинтеграции; 6 – породоспуск; 7 – питатель; 8 – дезинтеграция 2-й стадии; 9 – смеситель; 10 – закладочная скважина
- 110. 110 Широкий интерес горных предприятий к проведению этих исследований обуслов- лен тем, что внедрение технологии с передвижными комплексами оборудования и при- ближение их к местам ведения подземных горных работ обеспечивает сокращение рас- хода энергии и материалов на приготовление твердеющей закладочной смеси, уменьше- ние срока заполнения пустот и повышение прочности закладочного массива. Инноваци- онная технология способствует коренной модернизации горнодобывающей отрасли и расширению отечественной минерально-сырьевой базы за счет повышения полноты из- влечения запасов из недр, ресурсосбережения при разработке действующих месторож- дений и вовлечения в эксплуатацию новых, эффективная отработка которых ранее была невозможна [1]. Определено, что срок окупаемости технологии составляет 4 года, средний индекс прибыльности инвестиций равен 3; внутренняя ставка доходности 77 и 93 %, чистый дисконтированный доход составляет 1798 и 2496 млн руб., соответственно, для поверх- ностного и подземного вариантов размещения закладочных комплексов. Параметры модульной технологии закладки выработанного пространства с ис- пользованием передвижного оборудования используются при обосновании полного цикла комбинированных геотехнологий на базе имитационного моделирования. Кроме того, весомым заделом является цикл работ «Разработка и крупномасштаб- ное промышленное внедрение ресурсовоспроизводящих экологически сбалансирован- ных геотехнологий комплексного освоения месторождений Курской магнитной анома- лии», выполнение которых осуществлялось сотрудниками ИПКОН РАН с середины 80- х годов и завершено в 2013 г. Практическая промышленная реализация результатов на комбинате «КМАруда» осуществлялась по мере их получения, основной объем внедре- ния пришелся на 2009 – 2013 гг. В ходе реализации технологии контролировалось состо- яние массива, полнота заполнения выработанного пространства, уровни понижения воды в заполняемых гидравлической закладкой камерах (рис. 2). Рис. 2 - Уровни понижения воды в осушаемых камерах и восстающем: 1 – осушенный закладочный массив с влажностью <15 – 25 %; 2 – неосушенный закладочный массив с влажностью >20 – 25 %, в порах есть вода
- 111. 111 В этих работах впервые на новой методологической основе создана теоретическая база стратегии комплексного освоения месторождений КМА ресурсовоспроизводящими экологически сбалансированными геотехнологиями с формированием в выработанном пространстве недр консолидированных природно-техногенных образований и обеспече- нием условий для их перспективного освоения (рис. 3) [2]. Рис. 3 - Осушенный закладочный массив: а – трещина у борта камеры; б – вертикальный срез просевшего массива; участок – наиболее тонкие верхние слои почти без железосодержащих хвостов; участок – с железосодержащими частицами Геотехнологии адаптированы к условиям действующих крупнейших комбинатов - КМАруда, Лебединского, Стойленского, Михайловского. На основе многолетних гео- механических, технологических и технико-экономических исследований дано карди- нальное решение проблемы утилизации в подземном пространстве всех образующихся отходов переработки руд с замкнутым оборотным водоснабжением горного предприятия (рис. 4). Формируемые из твердых отходов техногенные массивы становятся элементами горнотехнических систем эксплуатации месторождений и служат для повышения устой- чивости и несущей способности ограждающих конструкций, сохранения георесурсов для перспективного вовлечения их в промышленную эксплуатацию. Рис. 4 – Технологическая схема утилизации хвостов обогащения в выработанном пространстве подземного рудника с замкнутым водоснабжением горного предприятия (ОАО «Комбинат КМАруда»)
- 112. 112 Необходимость постановки и решения такой проблемы связана с тем, что преиму- щественно открытая разработка месторождений КМА привела к изъятию из сельскохо- зяйственного оборота сотен квадратных километров уникальных по ресурсной ценности плодородных земель, нарушению вследствие пыления, эрозии, природного выщелачива- ния, почв и водных ресурсов, загрязнению воздушной среды огромных территорий цен- тральных регионов России. Поэтому для обеспечения эффективности и экологической безопасности освоения железорудных месторождений региона всемирной природно-ре- сурсной значимости обоснованы коренные изменения геотехнологий освоения место- рождений КМА с переходом на безотходный подземный способ добычи руд, которые получили крупномасштабное промышленное внедрение. Использование результатов исследований и включение концепции комплексного освоения недр в нормы и практику проектирования горнотехнических систем будет спо- собствовать расширению минерально-сырьевой базы действующих горно-обогатитель- ных предприятий и вовлечению в разработку новых месторождений, ранее не перспек- тивных ввиду неэффективности добычи сырья традиционными способами. Литература 1. Передвижные закладочные комплексы в системах разработки рудных место- рождений с закладкой выработанных пространств / Д.Р. Каплунов и др. // Горный жур- нал. - 2013. - № 2. – С. 101-104. 2. Ресурсовоспроизводящая безотходная геотехнология комплексного освоения месторождений Курской магнитной аномалии / С.Г. Лейзерович и др.; под ред. Д.Р. Каплунова. - М.: Горная книга, 2012. - 547 с.
- 113. 113 УДК: 622.7.06:622.85:504.06 Соколов Игорь Владимирович заведующий лабораторией подземной геотехнологии, доктор технических наук Институт горного дела УрО РАН 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58, e-mail: geotech@igduran.ru Смирнов Алексей Алексеевич старший научный сотрудник лаборатории подземной геотехнологии, кандидат технических наук Институт горного дела УрО РАН Антипин Юрий Георгиевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории подземной геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН Гобов Николай Васильевич кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории подземной геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН Барановский Кирилл Васильевич научный сотрудник лаборатории подземной геотехнологии Институт горного дела УрО РАН Никитин Игорь Владимирович научный сотрудник лаборатории подземной геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН Соломеин Юрий Михайлович младший сотрудник лаборатории подземной геотехнологии Институт горного дела УрО РАН Рожков Артем Андреевич младший сотрудник лаборатории подземной геотехнологии Институт горного дела УрО РАН ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СТРАТЕГИИ ОСВОЕНИЯ КРУПНЫХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Sokolov Igor V. doctor of technical sciences the head of the laboratory of subsurface geo-technology, IM UB RAS, 620219, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58 e-mail: geotech@igduran.ru Smirnov Aleksey A. candidate of technical sciences, senior research worker of the laboratory of subsurface geo-technology, IM UB RAS AntipinYury G. candidate of technical sciences, senior research worker of the laboratory of subsurface geo-technology, IM UB RAS Gobov Nikolay V., candidate of technical sciences, assistant professor, senior research worker of the laboratory of subsurface geo-technology, IM UB RAS Baranovskiy Kirill V. research worker of the laboratory of subsurface geo-technology, IM UB RAS Nikitin Igor V. research worker of the laboratory of subsurface geo-technology, IM UB RAS SolomeinYury M. junior research worker of the laboratory of subsurface geo-technology, IM UB RAS RozhkovArtem A. junior research worker of the laboratory of subsurface geo-technology, IM UB RAS GEO-TECHNOLOGICAL ASPECTS OF LARGE IRON ORE DEPOSITS DEVELOPMENT STRATEGY Работа выполнена при поддержке программы ОНЗ РАН №3 «Фундаментальные проблемы и перспективы исполь- зования потенциала комплексного освоения недр на основе развития ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводя- щих геотехнологий» (12-Т-5-1021).
- 114. 114 Аннотация: Обоснована геотехнологическая стратегия освоения железорудного месторождения. Пред- ложена комплексная подземная геотехнология добычи и переработки железных руд, обеспечи- вающая полную утилизацию отходов горно-обо- гатительного производства и снижение за- трат на добычу и переработку рудного сырья. Сконструированы и сгруппированы схемы под- готовки, очистной выемки и закладки с исполь- зованием самоходного оборудования для восхо- дящей отработки мощных и средней мощности рудных тел. Разработаны рациональные вари- анты камерной системы разработки с сухой за- кладкой, обеспечивающие устойчивость закла- дочного массива. Выполнены расчеты по опре- делению величины капитальных затрат на строительство подземного обогатительного комплекса. Установлена экономическая целесо- образность строительства подземных обога- тительных комплексов на железорудных шах- тах. Рассмотрены рациональные схемы транс- портирования руды, породы и продуктов обога- щения в шахтном пространстве. Установлена зависимость капитальных и эксплуатационных затрат на транспортирование грузов подзем- ного обогатительного комплекса от его распо- ложения Ключевые слова: геотехнологическая страте- гия освоения железорудного месторождения, восходящая камерная выемка с сухой закладкой, обеспечение устойчивости закладочного мас- сива, экологическая безопасность, комплексная подземная геотехнология добычи и перера- ботки железных руд, капитальные затраты на строительство подземного обогатительного комплекса, схемы грузопотоков и затраты на транспортирование грузов Abstract: The geo-technologic strategy of an iron ore deposit development is grounded. The integrated subsurface geo-technology of mining and processing iron ores is proposed that provides complete utilization of wastes of mining and processing operations and re- duces expenditures for ore raw material mining and processing. The schemes of preparation, stoping and filling have been designed and grouped employ- ing self-propelled equipment for descending devel- opment of thick and medium-thick ore bodies. Ra- tional variants of chamber mining system with dry filling are worked out providing stability of filling rock mass. Calculations on defining capital outlays value for construction a subsurface processing com- plex are performed. Economic expediency of a sub- surface processing complex construction in iron ore mines is determined. Rational patterns of transpor- tation ore, rock and products of processing in the mine’s area are determined. The dependence of cap- ital outlays and operating costs for transportation cargoes of subsurface processing complex against its disposition is set. Key words: geo-technologic strategy of an iron ore deposit development, descending chamber extrac- tion with dry filling, securing the stability of filling rock mass, ecologic safety, integrated subsurface geo-technology of mining and processing, capital outlays for subsurface processing complex con- struction, the cargo traffic schemes and expendi- tures for cargoes transportation Большие разведанные запасы железных руд, развитая горнодобывающая и метал- лургическая промышленность делают Россию одним из ведущих игроков на мировом рынке черных металлов. В то же время, как подчеркивает член-корр. РАН В.Л. Яковлев, доработка высокорентабельных месторождений в освоенных районах тре- бует решения проблемы поддержания сырьевой базы (CБ) черной металлургии уже в ближайшее время [1, 2]. Актуальной задачей остается обеспечение экономической эф- фективности и достаточной конкурентоспособности железорудной промышленности. Развитие железорудной СБ просматривается в двух направлениях: подземная до- быча глубокозалегающих запасов в промышленно освоенных районах или освоение ме- сторождений в новых районах со слабо развитой промышленной и социальной инфра- структурой. К первым относятся Естюнинское и Северо-Гороблагодатское на Урале, Сарбайское в Казахстане, ко вторым – Тарыннахское и Горкитское в Якутии. Эти наибо- лее перспективные месторождения характерны большими, в несколько сотен миллионов тонн, запасами, но в то же время сложными геологическими и гидрогеологическими условиями и невысоким качеством руд. При этом следует учитывать и все усиливающи- еся требования к охране окружающей среды как в старых промышленных районах, так и
- 115. 115 при разработке месторождений в северных территориях вследствие их большой эколо- гической уязвимости. Разработка этих месторождений производится или будет производиться комбини- рованным способом с выемкой верхней части карьером, нижней – подземным рудником. Значительные запасы руд предопределяют и большой срок их отработки 50 – 100 лет и более, что ставит задачу разработки долгосрочной стратегии освоения всех запасов ме- сторождения на весь период действия горнодобывающего предприятия. Важнейшим эле- ментом стратегии является плавный переход от открытых работ к подземным с обеспе- чением минимального снижения мощности предприятия и эффективности добычи руды. Между тем опыт комбинированной разработки показывает, что практически всегда ввод подземного рудника в эксплуатацию происходит с запозданием, что приводит к необходимости углубки карьера ниже предельного (оптимального) контура и снижению эффективности отработки месторождения [3]. Выход из этого положения тривиален: своевременное вскрытие подземных запасов и начало подземной добычи к моменту до- работки карьера. Однако при традиционной последовательной схеме комбинированной разработки и в этом случае неизбежно резкое снижение мощности предприятия и умень- шение его экономической эффективности на достаточно длительный период отработки переходной зоны и достижения рудником проектной производительности [4]. Одним из рациональных направлений геотехнологической стратегии освоения ме- сторождения в данной ситуации является применение восходящего способа выемки под- земных запасов: месторождение вскрывается на всю глубину или на величину доста- точно большого шага вскрытия и отрабатывается снизу вверх [5]. При этом становится возможной одновременная работа карьера и шахты по параллельной схеме, что позво- ляет предотвратить падение мощности предприятия в переходный период, исключить влияние негативных специфических факторов при освоении переходных зон и, следова- тельно, повысить эффективность освоения месторождения [6]. Восходящая выемка об- ладает и еще одним преимуществом: она позволяет размещать пустую породу и хвосты обогащения в подземном выработанном пространстве. Большая возможная производственная мощность подземных рудников (5 –12 млн т руды в год), применение высокопроизводительных систем разработки с использова- нием современной самоходной техники (СО) делают подземную разработку крупных же- лезорудных месторождений вполне рентабельной. Однако для успешной реализации восходящей выемки требуется решение ряда научно-технических задач, обусловленных применением камерных систем с закладкой выработанного пространства. Необходимо обеспечить полноту выемки руды и полноту закладки нижележащих камер при мини- мальном нарушении рудного массива и сохранении максимально возможной устойчиво- сти пород висячего бока; заблаговременное создание днищ вышележащих камер, обес- печивающих эффективное использование СО при максимальной интенсивности очист- ной выемки [7]. При этом следует учесть, что в большинстве случаев следует ориенти- роваться на использование сухой или гидравлической закладки. Нами сконструированы и сгруппированы схемы подготовки, очистной выемки и закладки с использованием СО для восходящей отработки мощных и средней мощности рудных тел, отличающихся порядком отработки камер и целиков в этаже, технологией очистной выемки, способами создания и сохранения устойчивости закладочного мас- сива, конструкцией днища (табл. 1). Варианты 1 – 5 предназначены для рудных тел сред- ней мощности (до 50 м), 6 – 7 для мощных рудных тел. Доставка руды до рудоспуска производится погрузо-доставочными машинами (ПДМ), закладочного материала СЗ – автосамосвалами. Параметры камер: высота 80 – 100 м, длина 50 – 200 м в зависимости от устойчивости массива, ширина равна мощности рудного тела.
- 116. 116 Т а б л и ц а 1 Варианты систем разработки с СЗ при восходящей выемке Вариант системы разработки Порядок отработки камер и целиков Технология очист- ной выемки камер и целиков Способ создания и сохранения устой- чивости закладоч- ного массива Схема подготовки, конструкция днища Рудные тела средней мощности 1-камерная с су- хой закладкой и регулярными руд- ными целиками (РЦ) Сплошной с оставлением по- стоянных РЦ: 1-РЦ-1-РЦ-1 Отбойка веерами скважин и выпуск руды через тран- шейное днище Формирование РЦ. Отсыпка из выра- боток вышележа- щего этажа и уплотнение под собственным ве- сом Полевая с распо- ложением выра- боток горизонта выпуска и до- ставки в лежачем боку. Создает условия для без- опасной и эффек- тивной работы СО. Траншейное днище камеры для площадного выпуска руды из погрузочных заез- дов с помощью ПДМ. Траншейное днище формиру- ется заблаговре- менно путем оформления кровли отрабаты- ваемых нижеле- жащих камер, что обеспечивает пол- ноту их закладки 2- камерная с су- хой закладкой и бетонными цели- ками (БЦ) Камерно-целико- вый с опережаю- щим созданием БЦ: 3-БЦ-2-БЦ-3 Камеры и целики отрабатываются аналогично вар.1 Опережающее формирование БЦ между камерами 1 и 2 очереди твердеющей или комбинированной закладкой 3-камерная с су- хой закладкой и временными руд- ными целиками (ВРЦ) Камерно-целико- вый с ВРЦ: 1-ВРЦ-2-ВРЦ-1 Камеры отраба- тываются анало- гично вар.1, ВРЦ – подэтажным или этажным об- рушением Формирование ВРЦ между каме- рами 1 и 2 оче- реди. Отсыпка анало- гично вар.1 4 наклонными ка- мерами с сухой закладкой, укреп- ленной цемент- ным раствором Сплошной Основная часть камеры отрабаты- вается анало- гично вар.1, часть – с взрыво- доставкой Отсыпка анало- гично вар.1. с по- следующим укреплением от- коса цементным раствором 5 трапециевид- ными камерами с комбинированной закладкой Камерно-целико- вый: 1-2-1-3-1 Камеры отраба- тываются анало- гично вар.1 Отсыпка слоев СЗ и укрепление их цементным рас- твором Мощные рудные тела 6-камерная с су- хой закладкой и временными руд- ными целиками (ВРЦ) Камерно-целико- вый с ВРЦ: 1-ВРЦ-2-ВРЦ-1 Камеры выни- мают с торцовым выпуском руды. ВРЦ – подэтаж- ным обрушением Отсыпка, плани- рование сухой за- кладки бульдозе- ром с дистанци- онным управле- нием (ДУ) Полевая кольце- вая штреками и ортами. Плоское днище для торцового вы- пуска руды. Доставочные орты располага- ются над цели- ками, предвари- тельно сформиро- ванными в кровле нижележащей ка- меры 7 ромбовидными камерами с сухой закладкой Камерно-целико- вый: 1-2-1-2-1 Камеры вынима- ются c торцовым выпуском руды ПДМ с ДУ. Отсыпка, плани- рование сухой за- кладки и укрепле- ние откосов твер- деющей заклад- кой
- 117. 117 Разработаны рациональные варианты камерной системы разработки с СЗ. Камер- ная выемка с ВРЦ показана на рис. 1. Камеры в этаже отрабатываются по трехстадийной схеме 1-ВРЦ-2-ВРЦ-1. Между камерами 1-й и 2-й очереди формируется ВРЦ шириной 15 – 20 м. Очистная выемка включает отбойку руды веерными скважинными зарядами, ее площадной выпуск и доставку до рудоспуска ПДМ. Закладка камер осуществляется автосамосвалами путем отсыпки СЗ из выработок буровентиляционного горизонта. От- работка ВРЦ осуществляется подэтажным или этажным обрушением. После выемки ВРЦ производят дозакладку выработанного пространства. Рис.1 – Камерная выемка руды с временными рудными целиками: I, II, III – порядок отработки; 1 – выемка запасов камеры 2-й очереди; 2 – отсыпка сухой закладки в камере 1-й очереди; 3 – отработка ВРЦ подэтажным обрушением; 4 – закладочные выработки На рис. 2 показана выемка трапециевидными камерами с наклонными торцевыми стенками с СЗ, укрепленной твердеющим раствором. Данный вариант позволяет реали- зовать стадийный камерно-целиковый порядок отработки камер в этаже по схеме 1-2-1- 2-1. С целью создания устойчивого закладочного массива в обеих торцевых частях пер- вичной камеры формируется откос путем придания торцевым стенкам камеры наклона (60º – 70º). Закладочный массив формируется путем отсыпки слоев СЗ и последующего укрепления боковых частей слоев цементным раствором. В камерах 2-й очереди закла- дочный массив формируется только из СЗ. Отработка руды ромбовидными камерами показана на рис. 3. Камеры в этаже от- рабатываются по двухстадийной схеме 1-2-1-2-1. Камеры вынимаются в шахматном по- рядке и смещены относительно друг друга по вертикали на половину высоты камеры. Отработанные камеры заполняются СЗ из выработок бурового и вентиляционного гори- зонтов. Сохранение устойчивости закладочного массива достигается укреплением верх- них откосов закладочного массива отработанной камеры твердеющей закладкой или це- ментным раствором, подаваемым по трубам или по скважинам. При отработке вышеле- жащей камеры укрепленные откосы представляют собой борта выпускной траншеи. Для обеспечения устойчивости закладочного массива и отработки вышележащего рудного массива рационален следующий порядок ведения закладочных работ. Основная часть (80 – 90 %) выработанной камеры засыпается СЗ с помощью автосамосвалов и ПДМ из вышерасположенных выработок. Верхняя часть является основанием для днища вышележащей камеры, поэтому СЗ отсыпается, планируется и уплотняется равномерно по всей площади камеры с применением машин с дистанционным управлением – буль- дозеров или ПДМ. При необходимости осуществляются мероприятия по обеспечению
- 118. 118 устойчивости закладочного массива путем укрепления верхнего откоса, служащего бор- том траншеи вышележащей камеры, твердеющим раствором или формирование бетон- ного целика между камерами. Таким образом, предлагаемые варианты конструкции камерной системы позво- ляют решить ряд технических задач применения восходящей выемки при комбиниро- ванной разработке месторождений. Рис. 2 – Выемка руды трапециевидными камерами с комбинированной закладкой: I, II – порядок отработки; 1 – отсыпка слоев СЗ и их укрепление в камере 1-й очереди; 2 – закладочные выработки; 3 – отработка камер 2-й очереди; 4 – закладочные скважины для подачи укрепляющего раствора; 5 – формируемый слой СЗ; 6 – укрепленный откос Рис. 3 – Выемка руды ромбовидными камерами: I, II – порядок отработки; 1 – отсыпка закладочного массива СЗ и укрепление его верхних откосов твер- деющим раствором в камерах 1-й очереди; 2 – выемка камер 2-й очереди Следует отметить, что для обеспечения конкурентоспособности горного предпри- ятия необходимо выпускать товарную продукцию достаточно высокого качества. Так, по современным требованиям, содержание железа в железном концентрате должно со-
- 119. 119 ставлять 67 – 69 %. При отработке запасов с содержанием железа 28 – 35 %, что харак- терно для рассматриваемых месторождений, выход концентрата не превышает 25 – 30 %. Соответственно, остальная часть руды уходит в хвосты, две трети которых представ- лены мелкоразмолотыми шламами с содержанием пылевидной фракции до 90 %. Объем шламов составляет 150 – 200 тыс. м3 на каждый миллион добытой руды. Перемещение таких объемов хвостов в подземное пространство при их использовании в качестве за- кладочного материала требует сооружения соответствующих коммуникаций и значи- тельных затрат. Само обогатительное производство является источником заметной экологической опасности, а площади, занимаемые обогатительной фабрикой с усреднительными, про- межуточными и перегрузочными складами и транспортными коммуникациями, сопоста- вимы со всей площадью земельного отвода горного предприятия. В целом можно счи- тать, что негативное экологическое воздействие процесса обогащения руды больше, чем экологическое воздействие непосредственно горного производства с подземной добычей руды. Одним из решений проблемы достижения экологической безопасности является сочетание восходящего способа отработки месторождений с размещением обогатитель- ного производства в подземном пространстве [8]. Тогда происходит гармоничное соче- тание необходимости заполнения выработанного пространства и необходимости разме- щения отходов обогатительного производства. При этом следует говорить не об отдель- ных процессах, а в целом о новой комплексной геотехнологии добычи и переработки руды. В отечественной практике подземные обогатительные комплексы (ПОК) пока не применяются, хотя в последнее время идея размещения обогатительного передела под землей приобретает все большее признание, схемы подземного обогащения представ- лены в ряде публикаций [9, 10]. Малоисследованным остается вопрос об экономической эффективности подземного обогащения, что предопределяет необходимость сравнения вариантов подземного и поверхностного размещения обогатительного комплекса. По- этому на данном этапе исследований актуально укрупненное определение величины ка- питальных затрат на строительство ПОК и сравнение их с затратами на поверхностный комплекс. При оценке целесообразности подземного обогащения нужно учитывать аспекты не только самого процесса обогащения, но и влияние его на все сопутствующие про- цессы горного производства, т. е. производить оценку всей горнотехнической системы подземной добычи и переработки руды. Наиболее реальным выглядит проработка кон- кретного варианта применения комплексной геотехнологии. Рассмотрено применение ПОК при разработке глубоких горизонтов Естюнинского железорудного месторожде- ния. В соответствии с горно-геологическими и горнотехническими условиями рекомен- дована этажно-камерная система с восходящим порядком отработки, оставлением меж- дукамерных целиков и заполнением камер сухой закладкой [11]. В настоящее время до- бытая руда транспортируется по железной дороге на дробильно-обогатительную фаб- рику (ДОФ) дорабатываемого Высокогорского рудника на расстояние 13 км. Сама ДОФ расположена в пределах г. Нижнего Тагила, отличающегося крайне неблагоприятной экологической обстановкой. В этих условиях размещение комплекса обогащения в под- земных выработках выглядит вполне оправданным. Поэтому создана принципиальная схема комплексной подземной геотехнологии добычи и переработки железных руд, включающая вскрытие скиповым стволом и этажными квершлагами (высота этажа 100 м), подготовку и очистную выемку, транспортирование руды до ПОК, обогащение руды, транспортирование хвостов обогащения, используемых в качестве закладочного матери- ала, закладку выработанных камер, транспортирование и подъем концентрата на поверх- ность. Производительность шахты предполагается увеличить до 5 млн т сырой руды в год.
- 120. 120 Для обогащения практически всех железных руд применяется принципиально оди- наковая схема обогащения с использованием сухой (СМС) и мокрой магнитной сепа- рации (ММС). Для рассматриваемого ПОК принята типичная последовательность опе- раций, агрегатов и аппаратов. Скарново-магнетитовые руды Естюнинского месторож- дения являются легкообогатимыми, но для получения высококачественных концентра- тов требуют интенсивного измельчения. Перед СМС принято проводить три стадии дробления руды (крупное, среднее и мелкое), осуществляемые щековыми и конусными дробилками с включением необходимых стадий грохочения. Расположение обогати- тельного комплекса под землей позволяет использовать гравитационную схему переме- щения руды, при этом стадия дробления и СМС размещается в пределах одного этажа высотой 100 м. Для получения высококачественных концентратов (67 – 69 % железа) необходима трехстадиальная схема дальнейшего измельчения в мельницах и четыре – пять стадий ММС. Показатели обогащения железной руды по принятой схеме приведены в табл. 2. Т а б л и ц а 2 Показатели обогащения железной руды Исходные данные и показатели % Тыс.т /тыс. м3 Содержание железа в балансовых запасах 30,50 - Содержание железа в добытой руде 28,10 5000/1378 Выход промпродукта СМС 73,08 3654/981 Выход хвостов СМС 26,92 1346/381 Содержание железа в концентрате 67,00 - Выход концентрата из руды 29,76 1488/3191 Выход хвостов ММС 43,34 2167/40300 Общий выход хвостов 70,26 3513/40681 Расход воды, м3 /т руды 6,5 32500 Выход шламов с содержанием твердого в шламе 28 %, от общего выхода хвостов ММС 50 1084/3868 С содержанием твердого в шламе 8 % 35 758/10942 С содержанием твердого в шламе 1,5 % 15 325/25490 Примечание: Количество продуктов обогащения показано в тыс. т для сухого остатка, в тыс. м3 – в виде пульпы Существенной величиной в структуре капитальных затрат при строительстве ПОК являются затраты на горно-капитальные работы, включающие проходку камер для размещения обогатительного оборудования и проходку комплекса вспомогательных выработок для обеспечения эксплуатации комплекса. На основе принятой схемы обо- гащения и опыта современных обогатительных фабрик выбран комплекс основного и вспомогательного оборудования для стадий СМС и ММС ПОКа. Выполнена компо- новка расположения оборудования в подземных камерах, а также схема расположения выработок вспомогательного назначения. Отличительной особенностью предлагаемой комплексной геотехнологии является то, что хвосты ММС полностью используются для закладки отработанных при добыче руды камер. Однако значительный объем пульпы хвостов ММС требует большого объ- ема отработанных камер для своего размещения, сам процесс обезвоживания пульпы за- нимает значительное время и требует выполнения комплекса специальных мероприятий по обеспечению безопасности и водоотведению [12]. Вследствие этого, по нашему мне- нию, более целесообразно использование хвостов в виде СЗ (с влажностью до 8 –10 %), или в виде пасты (с влажностью 18 – 20 %). И в том, и в другом случае необходимо
- 121. 121 сгущение и фильтрование хвостов, т. е. в составе ПОК должен быть предусмотрен ком- плекс для обезвоживания хвостов ММС. Таким образом, ПОК состоит из трех частей: комплекса дробления и СМС, ком- плекса ММС, включающего измельчение материала в стержневых и шаровых мельницах и комплекса обезвоживания концентрата и хвостов ММС. Объемы горно-капитальных выработок по всем трем комплексам приведены в табл. 3. Объем камер и выработок для размещения ПОК составляет 179000 м3 , из них 93070 м3 камер, 8930 м3 бункеров, 77000 м3 прочих выработок. Стоимость строительства поверхностной ДОФ для переработки 5 млн т железной руды (типа Высокогорской) по справочным данным составляет в ценах 2013 г. от 7,9 до 9,8 млрд руб. [13]. Общие затраты на строительство ПОК составляют 6385 млн руб., из них 2119 – на проведение выработок обогатительного комплекса, 636 – на строительно- монтажные работы, 3025 – стоимость основного и вспомогательного оборудования, 605 – на монтаж оборудования. Это дешевле строительства поверхностного обогатительного комплекса на 20 – 35 %. Опыт сооружения подземных дробильных комплексов на всех крупных рудных шахтах [14] позволяет утверждать, что технические трудности строительства ПОК вполне преодолимы. При этом следует отметить возможность заметного снижения сто- имости строительства ПОК за счет применения более современного, производительного и компактного обогатительного оборудования, а также за счет использования специаль- ных методов проходки камерных выработок и прогрессивных видов крепи. Третьей составляющей комплексной технологии является принципиально новая транспортная схема перемещения руды, породы и продуктов обогащения в шахтном про- странстве. Такая схема должна обеспечить доставку руды к приемным бункерам ПОК, доставку хвостов обогащения от ПОК в закладочные камеры, подъем на поверхность концентрата и перемещение пустых пород на поверхность или в отработанные камеры. Для сравнительной оценки транспортных схем приняты четыре варианта расположения ПОК в шаге освоения месторождения –240/–640 м с запасами руды 115 млн т: на гор. – 340, –440, –540 и –640 м. Рассчитаны грузопотоки для годовой производительности шахты 5,0 млн т, причем 2,5 млн т добывается из верхнего яруса (2 верхних этажа), разрабатываемого системами с обрушением руды, и 2,5 млн т – из нижнего яруса (2 нижних этажа), разрабатываемого камерными системами с СЗ. Рассмотрено три рациональных схемы транспорта грузов: 1. Руда из добычных блоков до ПОК доставляется автосамосвалами (А), порода из проходческих забоев до закладываемых камер ПДМ; СЗ (хвосты СМС) от ПОК до закла- дываемых камер автосамосвалами (А). Гидравлическая закладка (хвосты ММС) от ПОК перекачивается до закладываемых камер по трубам. Концентрат от ПОК до загрузочного комплекса у ствола на горизонте –340 м транспортируется конвейером (К) по уклону и далее поднимается в скипах на поверхность. Схема (А+К). 2. Отличается от схемы 1 тем, что концентрат от ПОК до загрузочного комплекса у ствола транспортируется по квершлагу соответствующего горизонта железнодорож- ным транспортом (ЖД). Схема (А+ЖД). 3. Руда железнодорожным транспортом доставляется по откаточным горизонтам к капитальным рудоспускам, по которым перепускается в приемные бункера ПОК; порода из проходческих забоев до закладываемых камер перевозится ПДМ. СЗ (хвосты СМС) от ПОК до ствола перевозится железнодорожным транспортом в вагонетках, поднима- ется по стволу до закладочного горизонта и по нему в вагонетках транспортируется от ствола до добычных блоков. Гидравлическая закладка (хвосты ММС) от ПОК до закла- дываемых камер подается по трубам. Концентрат до ствола перевозится железнодорож- ным транспортом. Схема (ЖД+ЖД). Суммарный объем горно-проходческих работ (без ПОК) по вариантам приведен в табл. 4. Блок-схема грузопотоков показана на рис. 4.
- 122. 122 Т а б л и ц а 3 Необходимый перечень и объем выработок ПОК Наименование Длина, м Сечение, м2 Объем, м3 Кол-во Общий объем, м3 Комплекс СМС Приемный бункер руды - - 965 2 1930 Камера крупного дробления 16,7 46,4 774 2 1548 Рудоспуск 7 6 42 2 84 Камера среднего дробления 15 68,2 1023 2 2046 Камера грохочения 14,5 64,4 934 2 1868 Камера конусной дробилки - - 1333 2 2666 Рудоспуск 7 6 42 2 84 Бункер мелкой руды - - 820 1 820 Камеры СМС 14,5 36 522 2 1044 Бункер хвостов СМС - - 720 2 1440 Бункер промпродукта СМС - - 1300 1 1300 Вентиляционный восстающий 100 6 600 2 1200 Вспомогательный уклон 690 16 11040 1 11040 Вспомогательные выработки - - 15200 - 15200 ИТОГО 44880 Комплекс ММС Камера стержневых мельниц 100 132 13200 1 13200 Камеры шаровых мельниц 100 144 14400 2 28800 Камеры дешламаторов 70 138 9660 2 19320 Камеры ММС 1 и 4 стадий 20 35 700 6 4200 Камеры ММС 2 и 3 стадий 45 35 1575 6 9450 Наклонный съезд 200 20,25 4050 1 4050 Сбойки между камерами 22 4 88 8 704 Вентиляционные восстающие 47 4 188 5 940 Конвейерная галерея СМС 315 4 1260 1 1260 Выработки сборочного гор. 120 20,25 2430 1 2430 ИТОГО 84350 Комплекс обезвоживания Камеры сгустителей 10 77 770 3 2310 Камеры фильтрации 45 49 2205 3 6615 Насосная камера 20 25 500 3 1500 Транспортные выработки 300 20,25 6075 1 6075 Вентиляционные выработки 100 4 400 1 400 Вспомогательные выработки 100 10 1000 1 1000 Бункер осушенных хвостов - - - 1 3500 Камеры управления 40 20 800 3 2400 Камера лаборатории 50 20 1000 1 1000 Складские помещения 80 20 1600 1 1600 ИТОГО 26400 Всего по ПОК 155630 Неучтенные 15% 23370 Итого по ПОК 179000 .
- 123. 123 Т а б л и ц а 4 Суммарные объемы горно-капитальных (ГКР) и подготовительно-нарезных работ (ПНР) Объем ГКР и ПНР Варианты расположения ПОК на гор. –340м на гор.–440м на гор. –540м на гор. –640м СО ЖД СО ЖД СО ЖД СО ЖД тыс. м3 831 744 865 743 866 689 867 725 Рис. 4 – Блок-схема формирования грузопотоков Результаты расчетов показали, что в рассмотренных условиях по критерию сум- марных (недисконтированных) приведенных капитальных затрат на проведение вырабо- ток, связанных с транспортированием грузов с ПОК, и эксплуатационных затрат на транспортирование грузов оптимальным является расположение ПОК на нижнем гори- зонте –640 м (рис. 5). По абсолютной величине данных затрат оптимальным является железнодорожный транспорт грузов за счет более низких эксплуатационных затрат.
- 124. 124 Рис. 5 – Зависимость суммарных приведенных капитальных и эксплуатационных затрат на транспортирование грузов ПОК (тыс. руб.) от его расположения Разработанные в рамках предложенной геотехнологической стратегии освоения крупных железорудных месторождений технологические схемы комплексной добычи и переработки железных руд, основанные на применении ПОК в сочетании с восходящей камерной выемкой с сухой закладкой нижних этажей и нисходящей выемкой системами с обрушением верхних этажей в одном шаге освоения месторождения, обеспечивают полную утилизацию отходов горно-обогатительного производства и снижение затрат на добычу и переработку рудного сырья. Литература 1. Яковлев В. Л. Основы стратегии освоения минеральных ресурсов Урала/ В. Л. Яковлев, С. И. Бурыкин, Н. Л. Стахеев; ИГД УрО РАН, Екатеринбург: УрО РАН, 1999. - 279 с. 2. Яковлев В. Л. Методологические аспекты стратегии освоения минеральных ре- сурсов / В. Л. Яковлев, А. В. Гальянов. - 2-е издание; ИГД УрО РАН. – Екатеринбург; УрО РАН, 2003. - 151 с. 3. Яковлев В. Л. Границы карьеров при проектировании разработки сложнострук- турных месторождений /В. Л. Яковлев, М. Г. Саканцев, Г. Г. Саканцев; ИГД УрО РАН. - Екатеринбург; УрО РАН, 2009. - 301 с. 4. Технология подготовки и разработки запасов переходной зоны от открытых горных работ к подземным на руднике «Удачный» / И. В. Соколов, А. А. Смирнов, Ю. Г. Антипин, А. С. Кульмнский // Горный журнал.-2014.- №1. – С.56-60. 5. Яковлев В. Л. О стратегии освоения меднорудных месторождений Урала / В. Л. Яковлев, Ю. В. Волков, О. В. Славиковский // Горный журнал. – 2003. – № 9. – С. 3 – 7. 6. Соколов И. В. Оценка эффективности подземной геотехнологии при обоснова- нии стратегии комбинированной разработки рудных месторождений / И. В. Соколов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2011. - №11. – С. 480-493. 7. Барановский К.В. Направления развития и опыт применения подземной геотех- нологии с использованием самоходной техники на уральских рудниках / И. В. Соколов, А. А. Смирнов, Ю. Г. Антипин, И. В. Никитин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2013. – №4 – С. 66 – 75. 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 Гор. 340 м Гор. 440 м Гор. 540 м Гор. 640 м А35-КУ А35-ЖД ЖД-ЖД
- 125. 125 8. Комплексная экологоориентированная подземная геотехнология добычи и обо- гащения железных руд / И. В. Соколов, Н. В. Гобов, А. А. Смирнов, А. Н. Медведев // Экология и промышленность России –2013 Сентябрь - С.16-20. 9. Шварц Ю.Д. Подземные комплексы по добыче и переработке минерального сы- рья – предприятия XXI века / Ю. Д. Шварц // Горная промышленность – 2000 - №1 - С. 34–36. 10. Пирогов Г. Г. Разработка месторождений с извлечением и переработкой руд в подземном пространстве/ Г. Г. Пирогов. – Чита: ЧитГУ, 2004- 263 с. 11. Волков Ю. В. Направление развития технологии при отработке глубоких гори- зонтов Естюнинского месторождения / Ю. В. Волков, И. В. Соколов, А. А. Смирнов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2005. – № 7. – C. 253-255. 12. Ресурсовоспроизводящая безотходная геотехнология комплексного освоения месторождений Курской магнитной аномалии / С. Г. Лейзерович, И. И. Помельников, В.В. Сидорчук, В. К. Томаев. - М.: Горная книга , 2012. - 547 с.. 13. Технико-экономические показатели горных предприятий за 1990-2011гг / ИГД УрО РАН. – Екатеринбург, 2012.- 406 с. 14. Болкисев В. С. Сооружение подземных дробильных комплексов на горноруд- ных предприятиях/ В. С. Болкисев, В. Л. Колибаба, Н. Т. Шереметьев. - М.: Недра,1985. - 243с.
- 126. 126 УДК 622.33 (571.1/.5) Ческидов Владимир Иванович кандидат технических наук, заведующий лабораторией открытой геотехнологии, Институт горного дела СО РАН, 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54 е-mail: cheskid@misd.nsc.ru Бобыльский Артем Сергеевич младший научный сотрудник лаборатории открытой геотехнологии, Институт горного дела СО РАН Резник Александр Владиславович младший научный сотрудник лаборатории открытой геотехнологии, Институт горного дела СО РАН ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ � УГЛЕДОБЫЧИ НА ОСНОВЕ РЕДКОМЕТАЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА УГЛЕЙ СИБИРИ Cheskidov Vladimir I. candidate of technical sciences, the head of the laboratory of surface geo-technology, The Institute of Mining SB RAS 630091, Novosibirsk, Krasny pr., 54 е-mail: cheskid@misd.nsc.ru Bobilsky Artem S. junior researcher of the laboratory of surface geo-technology, The Institute of Mining SB RAS Resnik Alexander V. junior researcher, the laboratory of surface geo-technology, The Institute of Mining SB RAS INCREASING COAL MINING EFFICIENCY IN TERMS OF RARE METAL POTENTIAL OF SIBERIAN COALS Аннотация: Рассматриваются проблемы глубокой перера- ботки углей месторождений Сибири. Отмеча- ется, что угольные ресурсы cибирских регионов представлены в широком диапазоне марочного состава, обеспечивающего, помимо выработки тепловой и электрической энергии, получение большой гаммы угольной продукции с высокой добавленной стоимостью. Ключевые слова: угольные месторождения Си- бири, переработка и комплексное использование угля Abstract: The problems of deep coals processing in Siberian deposits are considered. It is noted that coal re- sources of Siberian regions are presented in a wide range of brand composition that provides, besides generating thermal and electric energy, obtaining a large scale of coal products with high additional cost. Key words: Siberian coal deposits, processing and integrated utilization of coal В условиях постоянно ухудшающегося состояния среды обитания человека раз- витыми странами мирового сообщества ведется расширенный поиск нетрадиционных источников удовлетворения энергетических потребностей их экономик. Однако, в связи со слабой их изученностью и дороговизной уголь, был и остается одним из наиболее надежных ресурсных составляющих топливно-энергетического комплекса, занимая ве- дущее положение в топливном балансе многих стран. Так, доля угольной генерации в Польше, Китае, США составляет порядка 96, 80 и 50 %, соответственно. Российская Фе- дерация, где доля угольной генерации не превышает пока 18 %, обладает значительными запасами каменных и бурых углей, способных обеспечить потребности народного хозяй- ства страны на несколько столетий. В РФ известно 22 угольных бассейна и 114 место- рождений с общими прогнозными запасами около 4 триллионов тонн, в том числе ба- лансовых – более 200 млрд. т. Причем основной объем последних приходится на районы Западной и Восточной Сибири [1]. Угли сибирских месторождений представлены раз- личными видами (от бурых до антрацитов) и в полном марочном составе, обеспечиваю-
- 127. 127 щем практически все потребности народного хозяйства страны. Угольные бассейны во- сточных регионов страны, в частности, Кузнецкий и Канско-Ачинский, обладают значи- тельной ресурсной базой для дальнейшего развития угледобычи, в том числе наиболее эффективным – открытым способом. По оценке специалистов, разведанные запасы сибирских месторождений позво- ляют организовать работу десятков крупных разрезов мощностью до 50 – 60 млн. т угля в год и обеспечить, при необходимости и соответствующих инвестиционных вложениях, добычу угля открытым способом более 1500 млн. т в год, в том числе более 200 млн. т каменных и 1200 – 1300 млн. т бурых углей [2]. Как показывает опыт развитых стран, в этих условиях наиболее эффективным направлением дальнейшего развития отечествен- ной угольной и всех смежных отраслей промышленности является переход на иннова- ционные технологии, обеспечивающие получение наиболее качественной и востребо- ванной продукции, комплексное использование угольных ресурсов и отходов производ- ства. В мировой практике сложилась устойчивая тенденция повышения степени пере- работки угля с улучшением его качества и расширением ассортимента угольной продук- ции. Это обусловлено, в частности, достаточно жесткими требованиями к качеству угля, сложившимися на мировом рынке: зольность 8 – 12 %, влага менее 8 – 9 %, содержание серы мене 0,5 %, калорийность свыше 6000 ккал/кг. В России наибольшее развитие по- лучила пока начальная стадия переработки угля – обогащение. Приведенные в табл. 1 показатели добычи и переработки угля в России и крупнейшем угледобывающем реги- оне – Кузбассе [3] свидетельствуют о том, что в стране обогащению подвергаются практически все коксующихся и до 20 % энергетических углей при мировом уровне 70 – 90 % (в Австралии и ЮАР – 100 %). При устойчивой тенденции повышения степени обогащения добываемых в стране коксующихся углей, на недопустимо низком уровне Т а б л и ц а 1 Показатели добычи и переработки угля в России и Кузбассе по 2000 – 2010 годам, млн.т Показатель 2000 2007 2008 2009 2010 2010 к 2000, % Россия Добыча угля 257,9 314,1 328,8 302,6 323,0 125 В том числе энергетического 196,9 241,2 260,1 241,5 257,9 131 коксующегося 61,0 72,9 68,7 61,1 65,1 107 Переработка угля 92,9 122,6 119,6 118,1 126,5 136 В том числе на обогатительной фабрике 84,8 114,0 110,7 109,1 117,6 139 энергетического угля 26,9 41,2 43,9 48,1 52,7 196 коксующегося 57,9 72,8 66,8 61,0 64,9 112 на сортировочных установках 8,1 8,6 8,87 8,97 8,9 110 Кузбасс Добыча угля 115,1 181,2 184,3 181,3 185,5 161 В том числе энергетического 70,1 124,0 128,7 127,5 135,3 193 коксующегося 45,0 57,2 55,6 53,8 50,2 112 Переработка угля 54,6 85,1 85,2 82,9 83,8 153 В том числе на обогатительной фабрике 46,5 76,5 76,3 73,9 74,9 161 энергетического 1,9 19,4 27,4 26,0 26,1 137 коксующегося 44,6 57,1 48,9 47,9 48,8 109 на сортировочных установках 8,1 8,6 8,87 8,97 8,9 110
- 128. 128 остается доля обогащения энергетических углей. Это в полной мере касается и флагмана отечественной угледобычи – Кузнецкого бассейна, где переработка угля в настоящее время ведется на 35 обогатительных фабриках и 16 сортировочных установках, более половины из которых имеют срок службы 30 и более лет, технологически и морально устарели. Как положительную следует отметить сложившуюся в последние годы тенден- цию ввода горнодобывающих производств в комплексе с перерабатывающими мощно- стями нового поколения, в том числе для обогащения энергетических углей. Опыт наиболее развитых горнодобывающих стран свидетельствует о том, что на современном этапе в основе инновационного развития угольной отрасли должно быть не просто наращивание объемов угледобычи, а глубокая переработка углей с получением большого ассортимента угольной продукции с новыми потребительскими свойствами [4]. По оценке специалистов переработка угля является стратегически важным направ- лением не только для дальнейшего развития угольной отрасли, но и для всей экономики страны. По существу это означает отказ от экспорта сырьевых ресурсов в пользу произ- водства и экспорта угольной продукции с высокой добавленной стоимостью. Повсемест- ное внедрение технологий переработки и комплексного использования углей обеспечит не только повышение экономической эффективности и конкурентоспособности угледо- бычи, но и существенное снижение негативного воздействия горного производства на природную среду, а организация производства целого ряда новых продуктов, зачастую закупаемых за рубежом, будет способствовать развитию смежных отраслей промышлен- ности [5]. Возможные направления использования угольной ресурсной базы Сибири приве- дены в табл. 2 [6]. В настоящее время в РФ основной объем угля используется в энерге- тике (до 30 %) и коксовании (около 20 %), частично – для газификации и полукоксова- ния, получения облагороженного топлива для бытовых нужд (газ, жидкие продукты, брикеты), в кирпичном и цементном производстве. В ограниченных объемах уголь ис- пользуется для производства углеродных адсорбентов, углеграфитовых изделий, угле- щелочных реагентов, карбидов кремния и кальция, термоантрацита и термографита, гор- ного воска. Более 80 % каменноугольного кокса идет для выплавки чугуна, другие про- дукты коксования используются в химической промышленности, цветной металлургии, строительной индустрии, железнодорожном транспорте, дорожном строительстве. Не менее ценным сырьем для технологической переработки является бурый уголь. В частности буроугольный кокс используется для замены металлургического кокса при производстве ферросплавов, фосфора, карбида кальция. На базе бурых углей получены гранулированные адсорбенты, полукокс, горный воск и целый ряд химических продуктов. Разработаны и апробированы процессы гидрогенизации бурых канско-ачин- ских углей с получением синтетических жидких продуктов. Установлено, что от одного продукта в угольной отрасли можно произвести более 130 видов химических полупро- дуктов и более пяти тысяч видов продукции смежных отраслей [7]. Вопросы комплексного использования углей сибирских месторождений пред- метно рассматривались в 70-80 годы прошлого века, когда отраслевыми научно-иссле- довательскими и проектными институтами (ИГИ, ИОТТ, ЭНИН, ВНИИнефтемаш, Сиб- гипрошахт, Гипрошахт, Грохгипронефтехим и др.) был выполнен ряд работ по глубокой переработке канско-ачинских углей. Отечественные технологии переработки бурых углей в тот период превосходили мировой уровень. Так, институтом горючих ископаемых (ИГИ) разработана технология термического обогащения канско-ачинских углей, обеспечивающая (путем понижения в 2,5 – 3 раза влажности исходного угля) получение транспортабельного высококалорий- ного топлива – термоугля. Расчетами установлено, что эксплуатационные затраты на выработку электроэнергии с использованием термически обогащенного угля
- 129. 129 Т а б л и ц а 2 Направления использования углей месторождений Сибири Направление использования Марки, группы и подгруппы 1. Технологическое 1.1. Слоевое коксование Все группы и подгруппы марок: ДГ, Г, ГЖО, ГЖ, Ж, КЖ, К, КО, КСН, КС, ОС, ТС, СС 1.2. Специальные процессы подготовки к кок- сованию Все угли, используемые для слоевого коксо- вания, а также марки Т и Д (подгруппа ДВ) 1.3. Производство генераторного газа в газо- генераторах стационарного типа: смешанного газа Марки КС, СС, группы: ЗБ, 1ГЖО, подгруппы — ДГФ, ТСВ, 1ТВ водяного газа Группа 2Т, а также антрациты 1.4. Производство синтетического жидкого топлива Марка ГЖ, группы: 1Б, 2Г, подгруппы — 2БВ, ЗБВ, ДВ, ДГВ, 1ГВ 1.5. Полукоксование Марка ДГ, группы: 1Б,1Г, подгруппы — 2БВ, ЗБВ, ДВ 1.6. Производство углеродистого наполни- теля (термоантрацита) для электродных изде- лий и литейного кокса Группы 2Л, ЗА, подгруппы — 2ТФ и 1АФ 1.7. Производство карбида кальция, электро- корунда Все антрациты, а также подгруппа 2ТФ 2. Энергетическое 2.1. Пылевидное и слоевое сжигание в стаци- онарных котельных установках Все бурые угли и антрациты. а также неис- пользуемые для коксования каменные угли. Для факельно-слоевого сжигания антрациты не используются 2.2. Сжигание в отражательных печах Марка ДГ, 1группы — 1Г, 1СС, 2СС 2.3. Сжигание в подвижных теплоустановках, использование для коммунальных и бытовых нужд Марки Д, ДГ, Г, СС, Т, А, бурые yгли, антра- циты и неиспользуемые для коксования ка- менные угли 3. Производство строительных мате- риалов 3.1. Известь Марки Д, ДГ, СС, А, группы 2Б и ЗБ; неис- пользуемые для коксования марки ГЖ, К и группы 2Г, 2Ж 3.2. Цемент Марки Б, ДГ, СС, ТС, Т, Л, подгруппа ДВ и неиспользуемые для коксования марки КС, КСН, группы 27, 1ГЖО 3.3. Кирпич Неиспользуемые для коксования угли 4. Прочие производства 4.1. Углеродные адсорбенты Подгруппы: ДВ, 1ГВ, 1ГЖОВ, 2ГЖОВ 4.2. Активные угли Группа ЗСС, подгруппа 2ТФ 4.3. Агломерация руд Подгруппы: 2ТФ, 1АВ, 1АФ, 2АВ, ЗАВ на месте его добычи могут быть снижены более чем на 10 % в сравнении с рядовым углем. За счет транспортной составляющей эта разница возрастает с увеличением рас- стояния транспортирования топлива, достигая 20 и 26 % при удаленности ГРЭС от топ- ливной базы, соответственно, на 500 и 1500 км [8]. Для обеспечения коммунально-быто- вых нужд была разработана технология окускования углей и, в частности,
- 130. 130 термобрикетирование. Осуществляемая методом горячего брикетирования без связую- щих ингредиентов, эта технология позволяет в 5 – 7 раз снизить влажность исходного угля и получить термобрикеты с калорийностью более 6000 ккал/кг (при калорийности рядового угля 3500 – 3700 ккал/кг). В плане реализации наиболее продвинутой в то время была разработка Энергетического института Минэнерго СССР технологии с комбиниро- ванным теплоносителем – ЭТХ-175 для производства осмоленного полукокса, смолы и газа производительностью 175 т по углю в час. Введенная в 1987 г. в промышленную эксплуатацию установка позволила отработать технологический процесс, но добиться ее стабильной работы, к сожалению, не удалось. В России попытка внедрения технологии производства синтетического жидкого топлива (СЖТ) методом гидрогенизации была предпринята в период формирования Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭКа). Технология, разра- ботанная сотрудниками ИГИ, предварительно была реализована в Подмосковном буро- угольном бассейне на опытной установке СТ-5 при шахте «Бельковская». При ее эксплу- атации было установлено, что для получения 1 тонны СЖТ (включая попутную выра- ботку пара и электроэнергии) требуется около 5 тонн рядового угля с теплотой сгорания 3500 ккал/кг. На разрезе «Березовский-1» было начато, но вскоре приостановлено (из-за прекращения финансирования), строительство более производительной опытно-про- мышленной установки СТ-75. В настоящее время производство синтетических жидких топлив из угля органи- зовано в ЮАР компанией Sasol на заводе Secunda CTL производительностью 160 тыс. баррелей в сутки (около 8 млн. т/год). Активно наращивает производство СЖТ по этой же технологии Китай, где дополнительно к действующим заводам общей мощностью 1,9 млн. тонн намечен запуск еще 9 заводов мощностью 5 млн. тонн СЖТ в год. Эта техно- логия приобретает повышенное внимание на фоне неустойчивых цен на нефть. Перспек- тивы масштабного внедрения технологий производства СЖТ обусловлены, прежде всего, их экономической эффективностью. В основе оценок, как правило, принимается соотношение цен уголь/нефть на долгосрочную перспективу. При этом учитывается, что строительство предприятий по ожижению угля требует более значительных затрат, чем нефтеперерабатывающих производств. Следует отметить, что экономические показа- тели производства СЖТ носят прогнозный характер ввиду недостаточного опыта экс- плуатации современного крупномасштабного производства. Тем не менее некоторыми специалистами, в расчете на современные технологии ожижения угля, делаются доста- точно оптимистичные прогнозы в этом направлении, стимулирующие инвестиции в ин- новационные процессы. К 2010 – 2015 гг. планируется, например, построить крупные промышленные предприятия в США, Китае, Индии, Индонезии для получения жидких продуктов из угля различными методами (гидрогенизация, газификация с последующим синтезом углеводородов, комбинированные процессы получения энергии и жидких уг- леводородов и т.д.) [9]. Институтами КАТЭКНИИУГОЛЬ и ИГИ разработаны технологии получения из бурых углей гуминовых удобрений, обеспечивающих повышение до 20 % урожайности сельскохозяйственных культур [10]. Из современных разработок по комплексному использованию бурых углей доста- точно большой научный и практический задел создан специалистами ООО «Сибтермо» на базе разработанных ими энерготехнологических процессов с получением газового топлива и термококса [11]. В Кузбассе, на базе шахты «Беловская», создается энерго- угольный комплекс по производству термококса производительностью 250 тыс. тонн в год, электростанция мощностью до 40 МВт, работающая на угле и горючем газе, а также система по улавливанию и захоронению углекислого газа. С использованием отходов электростанции планируется построить завод строительных материалов [12]. Намечено создание второго энергоугольного кластера «Серафимовский», на котором предполага- ется получить синтез-газ для производства тепловой и электрической энергии, а также
- 131. 131 синтетическое жидкое топливо. По инициативе ОАО «СУЭК» в 2011 г. на разрезе «Бе- резовский-1» произведен запуск опытно-промышленной линии по производству средне- температурного кокса производительностью 2,5 т/ч, который прошел успешную апроба- цию на ряде металлургических предприятий [13]. Большой интерес в последние годы вызывает технология приготовления и ис- пользования водоугольных топлив (ВУТ), особенно в угледобывающих регионах и рай- онах, не обеспеченных газом. Работы по производству и использованию ВУТ ведутся с 70-х годов прошлого столетия в ряде стран, в том числе в США, Канаде, Италии и Китае, сегодня в числе лидеров Китай, где тематикой по ВУТ занимаются 3 научно-исследова- тельских центра, работают 6 заводов по производству ежегодно до 60 млн. тонн ВУТ, намечено строительство еще одного крупного завода. В России технология ВУТ была реализована в 80-е годы прошлого столетия в составе опытно-промышленного углепро- вода Белово – Новосибирская ТЭЦ-5 протяженностью 262 км. За время работы углепро- вода было приготовлено и доставлено на электростанцию около 300 тыс. т ВУТ. По раз- ным причинам опыт, к сожалению, не был доведен до конца, но выявил недостатки и дал определенные результаты, подтверждающие прогрессивность технологии ВУТ. В насто- ящее время технология внедрена или внедряется на ряде объектов: Абагурской агломе- рационной обогатительной фабрике ОАО «КМК», ЗАО «Черниговец», ОАО «Шахта За- речная», ОАО «Сибирский антрацит», в ЖКХ Мурманской и других областей страны. Особые надежды возлагаются при этом на последние разработки – кавитационную тех- нологию приготовления ВУТ (далее КаВУТ), позволяющая использовать угли различ- ного качества и отходы углеобогащения. Проведенные испытания по использованию ВУТ показали существенные его технологические преимущества, подтвердив реальную возможность замены не только высокозольного угля и низкоэффективных методов его сжигания в слоевых топках, но и жидких и газообразных видов топлива [14]. Приведен- ные примеры, хотя и носят пока ограниченный характер, свидетельствуют о растущем интересе отечественных предпринимателей к проблеме облагораживания углей. В каче- стве первоочередных, относительно простых и наиболее готовых к реализации техноло- гий переработки бурых углей с изменением их качественных показателей могут быть приняты, очевидно, производство термоугля и термобрикетирование. Одной из актуальных проблем комплексного использования углей является про- мышленное извлечение редких элементов из их минеральной составляющей. По резуль- татам геологических исследований в сибирских угледобывающих регионах выявлено несколько типов редкометалльных концентраций. В частности, исследованиями д. г-м. н. С.И.Арбузова [15] по месторождениям Кузнецкого, Канско-Ачинского, Горловского, Минусинского, Тунгусского, Иркутского, Улугхемского бассейнов установлено, что наиболее контрастные аномалии в углях месторождений Сибири образуют селен, мы- шьяк, стронций, молибден, бериллий, кобальт, золото, сурьма, уран, германий, ниобий, иттрий, цирконий, гафний, бром, ртуть и кадмий (рис.1). Высокая контрастность аномалий редких элементов позволяет прогнозировать большую вероятность выявления угольных месторождений и пластов с промышленно значимыми содержаниями германия, селена, золота, скандия, урана, бериллия, ниобия, циркония, иттрия и ряда радиоактивных химических элементов. Наиболее привлекатель- ными для первоочередного освоения на сибирских месторождениях являются германий и скандий. Запасы последнего, к примеру, только пласта «Двухаршинный» Черногор- ского месторождения Минусинского бассейна могут обеспечить современное мировое потребление этого металла в течение нескольких десятилетий. Аномальное содержание скандия выявлено также в канско-ачинских углях. Высокое содержание германия про- мышленных категорий установлено в углях Черногорского и двух месторождениях кок- сующихся углей Кузбасса.
- 132. 132 Элементы с аномальным содержанием: Se – селен As – мышьяк Sr – стронций Co – кобальт Mo – молибден Sb – сурьма Hf – гафний Be – бериллий U – уран Au – золото Ge – германий P – фосфор Sc – скандий Cd – кадмий Y – иттрий Ag – серебро Cr – хром Mn – марганец Zr – цирконий Рис. 1 – Диаграмма содержания редких элементов в углях месторождений Сибири: 1 – среднее содержание элемента (0,01–1000 – степень превышения фонового содержания); 2 – наибольшее локально высокое содержание элемента; 3 – область локально высоких содержаний. Содержание элементов в углях на диаграмме выражено посредством коэффициента концентрации Кк , рассчитанного относительно их среднего содержания в верхней части земной коры Ввиду недостаточного отечественного практического опыта извлечения редких элементов достоверная технолого-экономическая оценка углей как источника комплекс- ного сырья в настоящее время не представляется возможной. Однако по опыту комплекс- ного освоения месторождений цветных металлов можно надеяться, что совместное по- лучение, например, германия, скандия, глинозема, галлия, циркония, гафния, иттрия, ни- обия, золота и ряда редкоземельных металлов, при соответствующем уровне технологи- ческих решений, должно обеспечить высокую рентабельность и безотходность произ- водства. Ожидается, что применение новейших технологий извлечения редких элементов позволит в обозримой перспективе ускорить решение проблемы комплексного исполь- зования угля и продуктов его переработки. Это чрезвычайно важно и с позиций экологи- ческой безопасности горного производства, особенно если учесть устойчивую тенден- цию наращивания добычи угля и, соответственно, увеличение отходов горного произ- водства. Помимо безвозвратно теряемых в них полезных компонентов с ростом отходов увеличивается опасность заражения природной среды ядовитыми и радиоактивными элементами (мышьяк, ртуть, сурьма, уран и т.д.). По оценке специалистов, предприяти- ями горнопромышленного комплекса России производится ежегодно более 8 млрд. т твердых отходов, а объем только золошлаковых отходов ТЭС, также являющихся носи- телями редких элементов, к 2020 г. может превысить 1,8 млрд. т [16,17]. Окончательные выводы о целесообразности промышленного извлечения редких элементов могут быть сделаны, безусловно, после проведения комплексных исследова- ний угольных месторождений Сибири и геолого-экономической оценки перспективных объектов с привлечением широкого круга специалистов разных отраслей знаний. Резуль-
- 133. 133 таты этих работ позволят произвести выбор наиболее привлекательных угольных место- рождений и пластов для комплексного освоения с обоснованием эффективных техноло- гий переработки углей и извлечения из них ценных компонентов. Анализ результатов научных исследований, а также отечественного и зарубеж- ного опыта позволяет выделить основные тенденции развития технологий переработки и комплексного использования углей: − обогащение в полном объеме углей коксующихся марок и постоянное увели- чение доли обогащения энергетических углей; − наращивание в угольной генерации тепла и электроэнергии объемов потребле- ния обогащенных углей и водоугольного топлива; − повышенный интерес в развитых странах к проблеме производства синтетиче- ского жидкого топлива из угля, обусловленный прежде всего ростом цен на нефть; − ориентация (на современном этапе) отечественных предпринимателей на ин- вестиционные проекты переработки углей с наименее наукоемкими и менее затратными технологиями (термоуголь, термококс, термобрикеты, энергоугольные комплексы и т.п.); − активизация исследований по проблемам извлечения редких элементов из уг- лей и продуктов их переработки. С учетом реального состояния в стране проблемы глубокой переработки углей не следует, очевидно, ожидать в ближайшей перспективе широкого внедрения достаточно наукоемких и затратных технологий этой направленности (производство СЖТ, извлече- ние редких элементов из угля и т.п.). Вместе с тем, по мере отработки наиболее привле- кательных залежей минерального сырья и изменения конъюнктуры рынка природных ресурсов могут быть востребованы уже известные и вновь разрабатываемые технологии, в том числе по извлечению редких элементов. В целях сохранения потенциала угольных ресурсов и повышения экологической безопасности горных работ в этих условиях представляется необходимым ввести в прак- тику проектирования и освоения угольных залежей применение систем разработки и мероприятий, обеспечивающих сохранность определенных марок углей для их последу- ющей глубокой переработки, а также извлечения редких элементов (на основе предвари- тельной геолого-экономической оценки угольных запасов). Успешное внедрение технологий глубокой переработки и комплексного исполь- зования углей, особенно на стадии их разработки и реализации, как показывает зарубеж- ный опыт, возможен при участии федерального бюджета, стимулирования и государ- ственной поддержки хозяйствующих субъектов (в виде льгот по налогам, государствен- ных гарантий, бюджетных инвестиций, кредитов и т.д.). Выводы 1. Дальнейшее инновационное развитие угольной и смежных отраслей промыш- ленности РФ возможно на основе глубокой переработки и комплексного использования добываемых углей. 2. Для повышения эффективности угольной генерации электроэнергии и тепла считать целесообразным широкое использование в качестве теплоносителя облагоро- женных угольных топлив (с соответствующим технико-экономическим обоснованием по каждому объекту). 3. Для успешного развития технологий по переработке и комплексному исполь- зованию углей месторождений Сибири необходимо: − провести комплексные геохимические исследования углей сибирских ме- сторождений с целью выявления редкометалльных и редкоземельных элементов с про- мышленно значимыми концентрациями;
- 134. 134 − выполнить оценку ресурсной базы и потребности народного хозяйства страны на среднесрочную и долгосрочную перспективу в продуктах переработки угля, в том числе в редкометалльных и редкоземельных элементах; − разработать государственную программу переработки и комплексного ис- пользования углей с выделением приоритетных технологий и сырьевых источников по угольным бассейнам и месторождениям; − подготовить технологические регламенты для проектирования угледобыва- ющих и перерабатывающих предприятий, предусматривающие целенаправленное ис- пользование угольных ресурсов и продуктов их переработки; − разработать и реализовать меры государственной поддержки хозяйствую- щих субъектов, стимулирующие внедрение инновационных технологий переработки угля и производство востребованной угольной продукции. Литература 1. Ибрагимова Н. А. . Научно-инновационная политика развития угольной от- расли / Н. А. Ибрагимова, М. И.Щадов. // Уголь. - 2006. - № 1 2. Ческидов В. И. . К вопросу использования потенциала открытой добычи угля в восточных регионах России / В. И.Ческидов //Физико-техн. проблемы разработки по- лезных ископаемых 2007. - № 4 3. Маркова В. М.. Обогатиться углем / В. М. Маркова, В. Н.Чурашов; Росин- формуголь 25.04.2011. 4. . Технические возможности и экономическая эффективность расширения сфер и направлений использования углей в обозримой перспективе / И. П. Крапчин, Т.И. Кузьмина // Уголь. - 2011.. - № 6 5. Грачев И. Д. Инновационно восприимчивая среда – основа перехода угольной отрасли к устойчивому развитию / И. Д. Грачев, С. А. Некрасов // Уголь. 2013. - № 1 6. Области применения угля / Пресс-центр ПК «Росуголь» [Электронный ре- сурс]. – Режим доступа: http://www.roscoal.ru/content/press-centr/informaciya-dlya-vas/ob- lasti-primeneniya-uglya. (05.11.2009). 7. Путь угля. Эксперт [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.rosugol.ru. (05.06.2013). 8. Т.И.Кузьмина. Инновационное развитие угольной отрасли РФ на основе реа- лизации технологического потенциала комплексной переработки углей: автореф. дис. д-ра экон. наук.- М,2012. 9. Анализ проблем и разработка технологий комплексного конкурентоспособ- ного энерготехнологического использования угля:отчет по интеграционному проекту СО РАН № 94. – Новосибирск, 2008. 10. Способ получения гуминовых удобрений [Электронный ресурс]. – Режим до- ступа: http://ru-patent.info. 11. СУЭК начала производство полукокса [Электронный ресурс]. – Режим до- ступа:www.mnr.ru.(23.03.2007). 12. Михалев И. О. . Энерготехнологическое производство на основе частичной газификации углей низкой степени метаморфизма / И. О. Михалев, С. Р. Исламов // Горение твердого топлива материалы VIII Всероссийской конференции с международ- ным участием.- 13-16.11.2012. / ИГД СО РАН. - Новосибирск,2012 13. В Кемеровской области начал работу инновационный угольно-технологический ком- плекс//forsmi.ru.23.08.10. 14. СУЭК начал производство полукокса [Электронный ресурс]. – Режим доступа: // www.mnr.gov.ru. 15. Водоугольноетопливо–технологиябудущего./Е.Г.Карпов //Энергетикаипромышлен- ностьРоссии. -2007. -16.05.
- 135. 135 16. Арбузов С. И. . Геохимия редких элементов в углях Центральной Сибири: ав- тореф. дис. … д-ра геолого-минералогических наук / С. И. Арбузов – Томск, 2005. 17. Освоение техногенных массивов на горных предприятиях / А. М. Гальперин и др.- М.: Изд-во Горная книга, 2012 18. Кожухов И. С. . Проблемы и перспективы рынка энергетического угля в Рос- сии / И. С. Кожуховский. // УГОЛЬ РОССИИ И СНГ, 14-16 мая 2013: 8-й ежегодный саммит. - . М,, 2013.
- 136. 136 УДК 622.684:625.711 Лель Юрий Иванович профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой разработки месторождений открытым способом (РМОС), Уральский государственный горный университет, 620144, Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, е-mail: Lel49@mail.ru Арефьев Степан Александрович преподаватель кафедры РМОС, Уральский государственный горный университет, е-mail: arefevsa@yandex.ru Дунаев Сергей Александрович аспирант кафедры РМОС? Уральский государственный горный университет, е-mail: dunaev-ekb@yandex.ru. Глебов Игорь Андреевич студент IV курса кафедры РМОС, Уральский государственный горный университет РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ЧЛЕН-КОРР. РАН В.Л. ЯКОВЛЕВА ПО УЧЕТУ ВЛИЯНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАРЬЕРНОГО АВТОТРАНСПОРТА Lel Yury. I. professor, doctor of technical sciences, the head of the department of mineral resources surface mining, the Ural State Mining University, 620144, Yekaterinburg, Kuibishev st., 30, е-mail: Lel49@mail.ru Arefjev Stepan A. a lecturer of the department of mineral resources surface mining, The Ural State Mining University, е-mail: arefevsa@yandex.ru Dunaev Sergey A. a graduate student of the department of mineral resources surface mining, The Ural State Mining University е-mail: dunaev-ekb@yandex.ru. Glebov Igor А. a fourth year student of the department of mineral resources surface mining, The Ural State Mining University THE PROGRESS OF V.L. YAKOVLEV’s IDEAS, THE CORRESPONDING MEMBER OF RAS, ON DUE REGARD FOR THE INFLUENCE OF TECHNICAL OPERATING CONDITIONS OF MINING UPON THE INDICES OF OPEN PIT MOTOR TRANSPORT PERFORMANCE Аннотация: Рассмотрено развитие идей В. Л. Яковлева по учету влияния горнотехнических условий эксплуатации на показатели карьерного автотранспорта. На основе результатов экспериментально-аналитических ис- следований разработана методика расчета гори- зонтальных эквивалентов и коэффициентов приве- дения фактических расстояний транспортирования к условному горизонтальному расстоянию с исполь- зованием расхода топлива, времени движения (про- изводительности) автосамосвалов и действия. Предложены расчетные формулы для определения горизонтальных эквивалентов при работе автоса- мосвалов на подъем и спуск горной массы. В результате апробации методики установлено, что использование горизонтальных эквивалентов позволяет повысить точность расчетов и значи- тельно упростить процесс планирования и нормиро- вания эксплуатационных показателей карьерных автосамосвалов, особенно в сложных горнотехниче- ских условиях. Ключевые слова: горизонтальный эквивалент, коэф- фициент приведения, расход топлива, производи- тельность, высота подъема горной массы, глубина спуска, карьеры Abstract: The progress of V.L. Yakovlev’s ideas on due regard for the influence of technical operating conditions on the performance of open pit motor transport. In terms of the results of experimental and analytical investigations the procedure of calculation horizontal equivalents and coef- ficients reducing actual transport distances to the condi- tional horizontal distance using fuel consumption, travel time (performance) dump trucks and action is worked out. The formulas for calculating the horizontal equiva- lents for dump trucks ascent and descent operation with rock mass are proposed. As a result of the procedure testing it is set up that the use of horizontal equivalents allows to improve the accuracy of calculations and to simplify the process of planning and regulation the oper- ational indicators of mining dump trucks, especially in difficult mining conditions. Key words: horizontal equivalent, reduction coefficient, fuel consumption capacity, rock mass lifting height, downgrade depth, open pits
- 137. 137 Повышение эффективности работы карьерного автотранспорта неразрывно свя- зано с учетом влияния сложности горнотехнических и дорожных условий эксплуата- ции, в частности высоты подъема и глубины спуска горной массы, на результирующие показатели (производительность, расход дизельного топлива, себестоимость транспор- тирования и т. п.). Наиболее полное отражение эти вопросы нашли в трудах член-корр. РАН В.Л. Яковлева [1 – 5]. Им рассмотрены методические аспекты учета влияния глу- бины карьера при оценке эффективности карьерного автотранспорта, получены зави- симости изменения технико-экономических показателей от горнотехнических условий эксплуатации автосамосвалов. В.Л. Яковлевым предложено фактическую длину авто- мобильных трасс приводить к условному горизонтальному расстоянию транспортиро- вания [3]. Такой подход получил дальнейшее развитие в исследованиях российских ученых-горняков и применяется на ряде горнодобывающих предприятий для оценки влияния горнотехнических условий на работу карьерного автотранспорта [6 – 10]. Общая длина трассы карьерных автосамосвалов L определяется следующим об- разом: ,спг LLLL (1) где Lг – суммарная протяженность горизонтальных участков трассы, м; Lп – суммар- ная протяженность наклонных участков с уклоном iп при движении груженых автоса- мосвалов на подъем, м; Lс – суммарная протяженность наклонных участков с уклоном iс при движении груженых автосамосвалов на спуск, м. Приведенное расстояние транспортирования (Lпр) определится из выражений: cсппгпр ЭЭ HHLL или cспппр 'Э'Э HHLL , (2) где Нп, Нс – высота подъема (глубина спуска) горной массы, м; Эп, Эс – горизонтальные эквиваленты вертикального перемещения (подъема и спуска) горной массы, м/м. Горизонтальные эквиваленты показывают, какое расстояние транспортирования по горизонтальной карьерной автодороге эквивалентно подъему (спуску) горной массы по наклонному участку на высоту (глубину) 1 м; Э′п, Э′с – коэффициенты приведения, характеризующие приращение (сокращение) расстояния транспортирования по горизонтальной автодороге относительно фактиче- ского расстояния откатки при подъеме (спуске) горной массы на 1 м, м/м. В свою очередь -1 ппп ЭЭ i и -1 ссс ЭЭ i , (3) где iп, iс – уклон подъема (спуска) горной массы, доли ед. Вместе с тем значительные расхождения в значениях горизонтальных эквива- лентов и коэффициентов приведения, рекомендуемых авторами в настоящее время, препятствуют широкому внедрению указанного методического подхода в практику и объясняются следующими причинами: – использованием различных критериев при расчете горизонтальных эквивален- тов и коэффициентов приведения (расхода дизельного топлива, времени движения ав- тосамосвалов по трассе, себестоимости транспортирования и т. п.); – несовершенством методик расчета, не в полной мере учитывающих реальные режимы движения автосамосвалов в карьерах, расход топлива на отдельных участках трасс и т. п.; – различием значений горизонтальных эквивалентов (Эп, Эс) и коэффициентов приведения (Э′п, Э′с). При определении горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения авторами использовались или экспериментально-статистический [3, 8], или аналитиче- ский [6, 7, 9] методы. Недостатком экспериментально-статистического метода является необходимость проведения большого объема экспериментальных работ. При этом по- лученные значения эквивалентов имеют частный характер, так как определяются для конкретных горнотехнических и дорожных условий эксплуатации. При изменении па-
- 138. 138 раметров трасс и дорожных условий требуется постоянная корректировка значений эк- вивалентов. Аналитический метод характеризуется большей универсальностью, но в то же время меньшей точностью. Ряд элементов процесса движения автосамосвалов по внутрикарьерным трассам и расчет расхода топлива плохо поддаются аналитической формализации или эта формализация сложна для практического использования. По нашему мнению, это противоречие можно разрешить использованием комплексного экспериментально-аналитического метода, сочетающего достоинства и в значительной степени устраняющего недостатки перечисленных методов. При определении горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения целесообразно использовать два физических критерия – расход дизельного топлива и время движения (производительность) автосамосвалов. Использование указанных кри- териев имеет определенные преимущества перед денежной оценкой: оценка по предла- гаемым физическим критериям является более стабильной и не подвержена инфляции. В этом случае наименьшее приведенное расстояние, определенное по расходу дизель- ного топлива, будет соответствовать трассе с минимальными энергетическими затрата- ми на транспортирование горной массы, а определенное по времени движения – трассе с максимальной производительностью автотранспорта. Следует отметить, что приведенные расстояния, установленные по расходу ди- зельного топлива, будут отличаться от установленных по времени движения (произво- дительности) автосамосвалов. Поэтому в ряде случаев могут возникнуть затруднения в оценке условий эксплуатации автомобильного транспорта и выборе оптимальных трасс. Расход топлива и производительность автосамосвалов можно считать частными критериями, используемыми для строго определенных целей: нормирования и плани- рования производительности, расхода топлива, обоснования парка автосамосвалов и т. п. Для более глобальных целей: обоснования режима горных работ, оценки транспорт- ных систем карьеров и выбора оптимальных автомобильных трасс – следует применять комплексный физический критерий – действие. Действие – это физическая величина, представляющая собой произведение количества энергии, расходуемой на перемеще- ние объекта, и времени его перемещения. В физике известен принцип наименьшего действия – интегральный вариационный принцип, согласно которому из всех возмож- ных движений механической системы истинным является то, для которого некоторая величина, называемая действием, имеет за время перемещения системы экстремум, обычно минимум. Сторонниками и пропагандистами принципа наименьшего действия были великие физики Макс Планк и Илья Пригожин [16, 17]. Действие является комплексным показателем, указывающим энергоемкость и производительность транспортных систем: D = PT, (4) где D – действие, г∙ч; Р – расход энергии (дизельного топлива) автосамосвалами по трассе в грузовом и порожняковом направлениях, г; Т – суммарное время движения автосамосвала по трассе в грузовом и порожняко- вом направлениях, ч. В нашем случае для экспресс-оценки автомобильных трасс в качестве действия правомерно использовать условный показатель (d), равный произведению приведенно- го расстояния транспортирования, определенного по расходу топлива ( , р прL км) и вре- мени движения (производительности) автосамосвала ( ,пр T L км). ,пр р пр T LLd (5) Предпочтение должно отдаваться трассам с d → min, то есть обеспечивающим максимальную производительность автосамосвалов при наименьших энергозатратах. На основе экспериментально-аналитических исследований, выполненных ка- федрой Разработки месторождений открытым способом (РМОС) ФГБОУ ВПО «УГГУ»
- 139. 139 На основе экспериментально-аналитических исследований, выполненных ка- федрой Разработки месторождений открытым способом (РМОС) ФГБОУ ВПО «УГГУ» на карьерах ОАО «Ураласбест», ОАО АК «АЛРОСА» и других горнодобывающих предприятий разработана методика расчета горизонтальных эквивалентов и коэффи- циентов приведения по энергетическому критерию (расходу дизтоплива) и времени движения (производительности) автосамосвалов. Горизонтальные эквиваленты определялись из следующих выражений. По расходу дизельного топлива: ;Р/РЭ гпп .Р/РЭ гсс (6) По времени движения (производительности): ;/Э гпп ТТ ,/Э гсс ТТ (7) где Рп, Рс – удельный расход дизельного топлива в грузовом и порожняковом направ- лениях при подъеме (спуске) горной массы на 1 м, г/(т∙м); Рг – удельный расход дизельного топлива в грузовом и порожняковом направлени- ях при движении автосамосвалов по горизонтальной автодороге на 1 м длины пути, г/(т∙м); Тп, Тс – время движения автосамосвала по уклону в грузовом и порожняковом направлениях при подъеме (спуске) горной массы на 1 м, с; Тг – время движения автосамосвала в грузовом и порожняковом направлениях при перемещении горной массы по горизонтальной автодороге на расстояние 1 м, с. Полученные экспериментально аналитические выражения для расчета горизон- тальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы представлены в табл. 1, где kт – коэффициент тары автосамосвалов; kг – коэффициент использования грузо- подъемности; ωо – коэффициент сопротивления качению груженых автосамосвалов, доли ед.; k1 – коэффициент, учитывающий расход топлива при движении порожних ав- тосамосвалов на спуск в тормозном режиме (k1 ≈ 1,05 ÷1,07); k2 – коэффициент, учиты- вающий увеличение удельного расхода дизтоплива при номинальной нагрузке двигате- ля при движении порожних автосамосвалов по горизонтальной автодороге (k2 ≈ 1,1 [8]); k3 – коэффициент, учитывающий увеличение ωо при движении порожних автосамосва- лов (k3 ≈ 1,15 ÷1,2 [9]); k4 – коэффициент, учитывающий расход топлива при движении груженых автосамосвалов на спуск в тормозном режиме (k4 ≈ 1,2 ÷1,3); Nуд – удельная мощность автосамосвала, кВт/т; ηа – коэффициент полезного действия трансмиссии ав- тосамосвала; kNi – коэффициент использования мощности двигателя автосамосвала при движении по уклону iп, доли ед.; ; kNг , kNп – коэффициент использования мощности двигателя груженых и порожних автосамосвалов при движении по горизонтальной ав- тодороге, доля ед.; vгi, vпi – скорости груженых и порожних автосамосвалов при движе- нии и на спуск в тормозном режиме, км/ч. Т а б л и ц а 1 Экспериментально-аналитические выражения для расчета горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы Технологи- ческая схе- ма движе- ния Горизонтальные эквиваленты вертикального перемещения горной массы, м/м По расходу дизтоплива По времени движения автосамосвалов Подъем горной массы Спуск горной массы
- 140. 140 Расчетные значения эквивалентов вертикального перемещения горной массы и коэффициентов приведения для автосамосвалов грузоподъемностью 30 – 120 т, эксплу- атирующихся в условиях карьеров ОАО «Ураласбест», приведены в табл. 2. Установлено, что значения горизонтальных эквивалентов и коэффициентов при- ведения при использовании в качестве критерия расхода топлива зависят от качества дорожного покрытия, уклона автодороги, коэффициента использования грузоподъем- ности автосамосвала, коэффициента тары, а также от эмпирических коэффициентов, учитывающих расход топлива груженых и порожних автосамосвалов в тормозных ре- жимах, увеличение коэффициента сопротивления и удельного расхода топлива при но- минальной нагрузке двигателя при движении порожних автосамосвалов. На значения коэффициентов приведения при использовании в качестве критерия времени движения, кроме перечисленных факторов, оказывают влияние удельная мощность автосамосвала и использование мощности двигателей на уклонах и горизонтальных участках автодо- рог. Т а б л и ц а 2 Значения горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы и коэффициентов приведения в условиях карьеров ОАО «Ураласбест» (ωо= 0,020; iп , iс = 0,08) Горизонтальные эквиваленты и коэффициенты приведения Модель автосамосвала БелАЗ-7540В (G =30 т, kт=0,72, kг=1,0) БелАЗ-7555В (G = 55 т, kт = 0,73, kг = 0,93) БелАЗ-75125М, БелАЗ-7512 (G = 120 т, kт = 0,75, kг = 0,71) Подъем гор- ной массы пЭ ,м/м 42,9 25,4 42,2 25,9 39,8 23,6 пЭ , м/м 30,4 12,9 29,7 13,4 27,3 11,1 Спуск горной массы сЭ , м/м 26,0 17,8 26,8 19,1 29,6 18,4 сЭ , м/м 13,5 5,3 14,3 6,6 17,1 5,9 Примечание: в числителе – по расходу дизельного топлива, в знаменателе – по времени движения (про- изводительности) автосамосвалов Наибольшее влияние на значения коэффициентов приведения оказывает каче- ство дорожного покрытия (ωо). Так, при изменении ωо с 0,040 до 0,010 при уклоне 8 % коэффициент приведения увеличивается с 13,2 до 64,7 м/м, то есть в 4,9 раза, при дви- жении на подъем горной массы; при движении на спуск с 3,1 до 34,3 м/м, то есть в 11,1 раза (рис. 1). Таким образом, улучшение качества дорожного покрытия на карьерах должно сопровождаться совершенствованием учета влияния горнотехнических условий экс- плуатации (высоты подъема и глубины спуска горной массы) на показатели автотранс- порта. На автодорогах со щебеночным покрытием значения эквивалентов при движе- нии на подъем горной массы превышают соответствующие значения эквивалентов при движении на спуск в 2,6 – 3,2 раза.
- 141. 141 а) б) Рис. 1 – Зависимости коэффициентов приведения по расходу топлива ( пЭ , сЭ ) для автосамосвалов БелАЗ-7540В от коэффициента сопротивления качению (ωо) и руководящего уклона автодорог (iп , iс): а) – при работе на подъем горной массы; б) – при работе на спуск горной массы Значения коэффициентов приведения на автодорогах со щебеночным покрытием по времени движения в 2,4 – 2,9 раза ниже, чем по расходу топлива. Это объясняется неполным использованием мощности двигателей в карьерных условиях и предопреде- ляет различные подходы при учете горнотехнических и дорожных условий эксплуата- ции при нормировании и планировании производительности и расхода дизельного топ- лива. Разница между коэффициентами приведения, установленными по времени дви- жения и расходу топлива, сокращается со снижением качества дорожного покрытия. На временных забойных автодорогах без покрытия эта разница почти отсутствует, что объясняется практически полным использованием мощности двигателей в указанных условиях (рис. 2). Разработанная методика имеет достаточно широкую область практического применения при планировании и нормировании производительности и расхода дизель- ного топлива карьерных автосамосвалов, обосновании парка машин, режима горных работ, выборе оптимальных трасс и т. п. В 2007 г. кафедрой РМОС были разработаны дифференцированные нормы рас- хода дизельного топлива автосамосвалами грузоподъемностью 30 – 120 т для карьеров ОАО «Ураласбест» с использованием экспериментальных замеров приборами FMS [11, 14]. Дифференциация норм производилась по расстоянию откатки и высоте подъема (глубине спуска) горной массы. Произведено сравнение дифференцированных норм, фактических значений расхода за транспортный цикл и норм, рассчитанных с исполь- зованием коэффициентов приведения (табл. 3). Установлено, что расхождение в значениях расхода топлива, рассчитанных с использованием коэффициентов приведения, с фактическими составляет 0,6 – 4,9 %, что не превышает точности расчетов. Таким образом, использование коэффициентов приведения позволяет повысить точность расчетов и значительно упростить процесс нормирования расхода дизельного топлива, особенно в сложных условиях, когда трас- сы сочетают подъемы и спуски горной массы. В этом случае процесс нормирования будет заключаться в установлении базовых закономерностей изменения расхода топли- ва от расстояния транспортирования по горизонтальной автодороге с соответствующим покрытием и коэффициента использования грузоподъемности, расчете значений гори- зонтальных эквивалентов (коэффициентов приведения) и приведенных расстояний транспортирования [15].
- 142. 142 Рис. 2 – Зависимости коэффициентов приведения ( пЭ , сЭ ) от коэффициента сопротивления качению (ωо) (для автосамосвалов БелАЗ-7540В; iп (iс) = 0,08; kг = 1,0): 1 – при использовании в качестве критерия расхода дизельного топлива; 2 – при использовании в качестве критерия времени движения (производительности) автосамосвалов; – при работе на подъем горной массы; – при работе на спуск горной массы Т а б л и ц а 3 Оценка методов расчета норм расхода дизельного топлива карьерными автосамосвалами в условиях карьеров ОАО «Ураласбест» Маршрут Модель автосамо- свала Параметры трассы Расход топлива, л/рейс факт норма L, км Hп, м Hс, м Lпр, км дифференци- рованная на основе эквивалентов 336–308* БелАЗ- 7512М 2,7 85,0 42,0 5,7 32,5 33,1/1,8** 32,0/–1,5 336–309 3,3 45,0 37,0 5,2 30,8 30,3/–1,6 29,3/–4,9 336–338 2,9 90,4 54,4 6,3 34,7 35,7/2,9 34,5/–0,6 274–309 БелАЗ- 7555В 2,8 80,0 43,0 5,8 14,2 15,0/5,6 14,5/2,1 303–309 2,4 43,0 33,0 4,2 11,8 11,2/–5,1 11,5/–2,5 336–309 3,3 43,0 33,0 5,1 13,3 13,3/0 12,9/–3,0 274–262 1,4 82,0 0 3,8 10,0 10,9/9,0 10,3/3,0 276–262 3,6 225,0 8,0 10,3 26,1 25,8/–1,1 25,5/–2,3 Средняя относительная ошибка, % 3,4 2,5 * 336-308 – движение от экскаватора № 336 к перегрузочному пункту № 308; ** в числителе – норма расхода топлива, л; в знаменателе – относительная ошибка расчета, %
- 143. 143 Рис. 3 – Зависимость производительности автосамосвалов БелАЗ -7540В от приведенного расстояния транспортирования (ОАО «Ураласбест»): – расчетные данные; – фактические показатели Апробация методики расчета нормативов производительности автосамосвалов с использованием коэффициентов приведения по времени движения в условиях карьеров ОАО «Ураласбест» также показала высокую сходимость расчетных и фактических зна- чений производительности (ε < 5 %) (рис. 3). Литература 1. Васильев М.В. Научные основы проектирования карьерного транспорта / М.В. Васильев; под ред. . Н.В. Мельникова. – М.: Наука, 1972. – 202 с. 2. Яковлев В.Л. К вопросу учета влияния глубины карьера на эффективность ав- томобильного транспорта / М.В. Васильев, В.Л. Яковлев //Горнорудное производство. Совершенствование транспорта рудных карьеров.– Свердловск,1977. – С. 8-13. – (Сб. науч. тр. / ИГД МЧМ СССР– Вып 54.). 3. Яковлев В. Л. Теория и практика выбора транспорта глубоких карьеров / В.Л. Яковлев. - Новосибирск: Наука, 1989. – 230 с. 4. Яковлев В. Л. Новый взгляд на карьерный автомобильный транспорт / В.Л. Яковлев и др. //Изв. вузов. Горный журнал. – 2006. - № 6. – С. 97-107. 5. Яковлев В. Л. Новые специализированные виды транспорта для горных работ / В.Л. Яковлев, П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев. – Екатеринбург: УрО РАН, 2011. – 375 с. 6. Качан А.Ф. Определение зависимости грузооборота карьерного транспорта от глубины карьера при помощи эквивалента вертикального тонно-километра / А.Ф. Ка- чан //Горный журнал. – 1975. – № 11. – С. 29-30. 7. Кучерский Н.И. Современные технологии при освоении коренных место- рождений золота./ Н.И. Кучерский – М.: Издательский дом «Руды и металлы», 2007. – 696 с.
- 144. 144 8. Галкин В.А. Горизонтальный эквивалент вертикального перемещения горной массы карьерными автосамосвалами / В.А. Галкин, Г.А. Караулов, В.Н. Сидоренков //, Изв. вузов. Горный журнал – 1983. – № 7. – С. 14-18. 9. Вашлаев И.И. Определение горизонтального эквивалента перемещения гор- ной массы автомобильным транспортом по энергетическому критерию при движении на уклонах / И.И. Вашлаев, А.В. Селиванов //Изв. вузов. Горный журнал. – 1997. – № 9-10. – С. 78-80. 10. Единые нормы выработки на открытые горные работы для предприятий горнодобывающей промышленности. Ч. IV. Экскавация и транспортирование горной массы автосамосвалами: утв. 03.02.1988 Госком СССР по труду и соц. вопросам. – М.:НИИ труда, 1989. – 82 с. 11. Ильбульдин Д.Х. Оценка эффективности систем контроля расхода топлива на горной и автомобильной технике / Д.Х. Ильбульдин, Ю.И. Лель, Э.В. Горшков //Геотехнологические проблемы комплексного освоения недр. - Екатеринбург, 2009. – С. 363-372.- (Сб. науч. тр./ИГД УрО РАН. – Вып. 5(95). 12. Обоснование оптимальных уклонов автодорог при разработке нагорно- глубинных карьеров / Ю.И. Лель, Э.В. Горшков, А.И. Ермолаев, Г.А. Ворошилов, Д.Г. Неволин, А.С. Довженок // Изв. вузов Горный журнал, 2012. – № 2. – С. 5-13. 13. Смирнов В. П. Теория карьерного большегрузного автотранспорта / В.П. Смирнов, Ю. И. Лель. – Екатеринбург: УрО РАН, 2002. – 355 с. 14. Разработать удельные нормы расхода топлива для карьерных технологиче- ских авто самосвалов и линейные нормы для вспомогательных машин на шасси БелАЗ в условиях ОАО «Ураласбест»: отчет о НИР (закл.). Части I, II./ ООО «НПО УГГУ». рук. Лель Ю. И. – Екатеринбург, 2007. – 107 с. 15. Совершенствование нормирования расхода топлива карьерными автосамо- свалами на основе горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы / Ю.И. Лель и др. //Изв. вузов. Горный журнал. – 2014. – № 2. – С. 107-116. 16. Планк М. Единство физической картины мира/ М. Планк. – М.: Наука. 1966. – 288 с. 17. Пригожин И. Современная термодинамика: от тепловых двигателей до дис- сипативных структур / И. Пригожин, Д. Кондепуки; пер. с англ. – М.: Мир, 2002. – 461 с.
- 145. 145 УДК622.683 Бахтурин Юрий Алексеевич кандидат технических наук, заведующий лабораторией транспортных систем карьеров и геотехники, Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: bakh2008@yandex.ru. АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА КАРЬЕРОВ Bakhturin Yury A. candidate of technical sciences, the head of the laboratory of open pits transport systems and geo-technique, The Institute of Mining UB RAS Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak str., 58 e-mail: bakh2008@yandex.ru. URGENT PROBLEMS OF OPEN PITS’ RAILWAY TRANSPORT Аннотация: В статье приводятся: методика прогнозной оценки энергетических затрат на работу тя- говых средств карьерного железнодорожного транспорта с учетом увеличения высоты подъема горной массы по текущему изменению центра тяжести объемов перевозки горной массы; результаты имитационного моделиро- вания работы железнодорожного транспорта и обоснована провозная способность схемы путевого развития рудовозного района карье- ров ОАО «ЕВРАЗ КГОК», представлены мето- дика, средства, а также опыт тормозных испытаний подвижного состава на карьере ОАО «Ураласбест» Ключевые слова: карьерный железнодорожный транспорт, энергетические затраты, высота подъема горной массы, имитационное модели- рование, провозная способность схем путевого развития, экспертиза промышленной безопас- ности, тормозные испытания Abstract: The paper presents the procedure of forecast eval- uation energy expenditures for operating traction facilities of open pit railway transport with due regard for increasing the rock mass hoisting height at the current gravity center changing the volumes of rock mass transportation; the simula- tion results of railway transport operation are cit- ed. The carrying capacity scheme of railway track and gridiron arrangement is grounded for an ore- carrying district of the JSC "Eurasia KGOK ". The procedure, facilities as well as the practice of rolling stock brake tests in the JSC "Ural- asbest."open pit are presented Key words: open pit railway transport, energy expenditures, rock mass hoisting height, simula- tion, carrying capacity of the schemes of railway track and gridiron arrangement, industrial safety examination, brake tests Транспортирование горной массы – один из основных и наиболее трудоемких процессов открытых горных работ. По мере роста глубины карьеров доля затрат на ка- рьерный транспорт доходит до 55 и даже 70 % в общих затратах на добычу полезного ископаемого. Транспортная составляющая оказывает значительное влияние на решение основных научных и проектных задач геотехнологии. Основными факторами, опреде- ляющими развитие карьерного транспорта, являются систематически ухудшающиеся горно-геологические и горнотехнические условия разработки. Известно, что развитие открытого способа разработки сопровождается ростом концентрации производства, увеличением глубины и пространственных размеров карьеров, расстояния и сложности транспортирования горной массы. Определяющим при этом является показатель глу- бины карьера [1]. В современных условиях на крупных железорудных, угольных и ас- Статья выполнена по результатам исследований, финансируемых по программе Президиума РАН № 27 «Фундаментальный базис инновационных технологий оценки, добычи и глубокой комплексной перера- ботки стратегического минерального сырья, необходимого для модернизации экономики России». Про- ект: «Разработка инновационных технологий добычи и рудоподготовки стратегического минерального сырья на основе геолого-технологической оценки месторождений и техногенных объектов Уральского региона»
- 146. 146 бестовых карьерах России и стран СНГ одним из основных видов технологического транспорта продолжает оставаться железнодорожный. При этом следует иметь в виду, что увеличение глубины карьеров до 400 м и более при интенсивной разработке круто- падающих месторождений приводит к отставанию на 100 – 150 м в понижении системы железнодорожных съездов, снижению на 25 – 40 % производительности горнотранс- портного оборудования при одновременном повышении в 1,5 – 2 раза стоимости и энергоемкости транспортирования вследствие высоты подъема и общего расстояния перевозок. В связи с этим особый интерес представляет определение энергетических затрат на работу тяговых средств карьерного железнодорожного транспорта с возмож- ностью их прогнозирования с ростом глубины карьера. Величина энергетических затрат за время оборота локомотивосостава с учетом выделения характерных участков выразится следующим образом [2]: м х пк х с х вк г пк г п г вкс ЭЭЭЭЭЭЭЭ , (1) где сЭ – суммарные энергозатраты в течение рейса локомотивосостава, кВт·ч; х вк г вк ЭЭ , – энергозатраты, соответственно, в грузовом и порожняковом направ- лениях при движении по горизонтальным участкам внутрикарьерных коммуникаций и отвалов, кВт·ч; х с г п ЭЭ , – энергозатраты на участках с подъемами и спусками в грузовом и порожняковом направлениях, кВт·ч; х пк г пк ЭЭ , – энергозатраты, соответственно, в грузовом и порожняковом направлениях при движении на участках с постоянными коммуникациями, кВт·ч; мЭ – энергозатраты на маневровые операции (перемещение локмотивосоставов в забоях, на фабриках крупного дробления, при изменении направления движения в ка- рьере, на постоянных коммуникациях и отвалах, в том числе затраты на дизельное топ- ливо при движении по забойным путям в перерасчете на кВт·ч. Среди составляющих энергетических затрат наибольший интерес представляет работа технологического железнодорожного транспорта на участках подъема, посколь- ку на них эти затраты наибольшие и по опыту эксплуатации на ряде карьеров достига- ют 60 – 70 %. Общие энергетические затраты на преодоление высоты подъема пред- ставляется возможным определять следующими способами. В одном из них вся трасса схемы путевого развития разбивается на отдельные элементы с примерно равными средневзвешенными уклонами ( срвзi ). Для каждого из этих участков путем замера или расчета определяется средняя величина тока ( срJ ), время движения по j -му участку ( jt ). Общие энергетические затраты на преодоление высоты подъема j jj вп j jср г п tPn nq tUJQ Э 1 1 , (2) где Q – объемы перевозок горной массы, т; U – напряжение в контактной сети, кВ; срJ – средняя величина тока при движении по j-му участку; пq – полезная масса вагона, т; вn – количество вагонов в поезде; n – количество рейсов поездов; jP – реализуемая мощность тяговых средств на j-м участке подъема (спуска).
- 147. 147 В первом случае (2) высота подъема горной массы выражена неявно. Предлагается устанавливать работу железнодорожного транспорта по подъему горной массы следу- ющим образом: цт срв срвсцг п H i iQP A ))(( 01 , где г пA – работа тягового средства на подъем горной массы, Дж; cцP – сцепная масса локомотива, т; 1Q – прицепная масса поезда, т; 0 – основное удельное сопротивление движению поезда, равное 2,5 – 3,0 н/Кн; срвi – значение средневзвешенного уклона, численно равное удельному сопротив- лению движению от уклона, ‰; цтH – высота подъема горной массы по текущему положению центра тяжести, м. Для расчета расхода электроэнергии данная формула может быть преобразована для участков подъема: j j jсц j H i iQP Э 5 01 1067,3 ))(( , (3) где ji – уклон участка подъема, ‰; jH – высота подъема j-го участка, м. Если на уклоне имеются кривые участки пути радиусом R (м), то в качестве ji прини- мается эквивалентный уклон эi [3]: Rэ ii , (4) где R – дополнительное удельное сопротивление движению от кривой, которое рас- считывается по формулам: когда длина состава меньше или равна длине кривой, 80 900 R R , (5) когда длина состава больше длины кривой, c R R l S R 80 900 , (6) где RS – длина кривой, м; cl – длина состава, м. Для характерных участков схемы путевого развития технологического железнодорож- ного транспорта удельные расходы электроэнергии на 1 тм высоты подъема и на 1 ткм перевозки можно определить из соответствующих формул: для участков подъема jjудгjj HdQЭ , (7) для горизонтальных участков jjудгjj LdQЭ , (8) где гjQ – годовой грузопоток на j-ом участке; jудd – удельный расход электроэнергии на j-ом участке, кВт·ч/т·м для участка подъема или кВт·ч/т·км для горизонтального участка; jH – высота подъема горной массы на j-ом участке трассы, м; jL – расстояние транспортирования на j-ом участке трассы, км.
- 148. 148 Суммарный годовой расход электроэнергии на подъем горной массы можно выразить следующим образом: цто г п HQdЭ , (9) где оd – общий удельный расход электроэнергии на подъем горной массы, кВт·ч/т·м. В результате представляется возможным определить общий удельный расход электроэнергии на подъем горной массы. Это позволяет прогнозировать приращение энергетических затрат с учетом увеличения высоты подъема горной массы по текуще- му изменению центра тяжести объемов перевозки горной массы, связанному с увели- чением глубины карьера и высоты подъема. Как указывалось выше, с ростом глубины карьеров возрастает роль ограничений производительности по провозной (пропускной) способности схем путевого развития технологического железнодорожного транспорта карьеров. С использованием разработанной интерактивной имитационной модели функционирования транспортных систем карьеров проведены исследования и обосно- вание провозной способности схемы путевого развития карьеров Качканарского ГОКа [4]. Чтобы отразить реальный процесс при моделировании, вся схема путевого развития рудовозного района разбивается на отдельные участки. Закодированная схема в виде графа представлена на рис. 1. В качестве исходных данных использованы результаты статистической обработки – более 1400 наблюдений хронометража по элементам цикла технологических поездов за длительный период времени. Рис. 1 – Схема путевого развития железнодорожного транспорта рудовозного района Качканарского ГОКа При этом учитывались сезонные колебания времени выполнения отдельных технологических операций, качество подготовки горной массы, вид погрузочного участка (забойный, складской), тип погрузочного оборудования и т.п. Моделирование проведено для реальных смен. При этом полностью воспроизведена расстановка экска- ваторов на рабочих горизонтах, отвалах, локомотивосоставов на отдельных участках на начало смены; а также реальная продолжительность занятости поездами участков до окончания соответствующих операций. Приведенные результаты моделирования отра- жают конкретную ситуацию при определенном сочетании основного погрузочного и транспортного оборудования. Чтобы оценить собственно возможную провозную спо- Отвал №2 Отвал №4
- 149. 149 собность схемы путевого развития, а также пропускную способность горнотранспорт- ной системы, «проигрывались» различные варианты сочетаний основного погрузочно- го и транспортного оборудования. При этом число экскаваторов в работе последова- тельно изменялось от 14 до 30, поездов – от 18 до 32 ед. (рис. 2). Зависимость провоз- ной способности схем путевого развития карьерного железнодорожного транспорта от числа локомотивосоставов в работе целесообразно представлять тремя участками: 1 – участок пропорционального изменения провозной способности; 2 – участок увеличения общей провозной способности при снижении удельной; 3 – участок снижения общей провозной способности. Рис. 2 – Зависимость сменных объемов перевозок железнодорожным транспортом рудовозного района (Qсм) от числа поездов (Nлс) и экскаваторов (Nэ) в работе При этом на первом участке зависимость носит линейный характер, а на втором и третьем описывается полиномиальной моделью второго порядка. При фиксирован- ном числе экскаваторов и увеличении числа локомотивосоставов и, наоборот, при фик- сированном числе поездов и увеличении числа экскаваторов пропорциональное изме- нение сменных объемов перевозок горной массы имеет место лишь до некоторого пре- дела. При определенных значениях Nэ и Nлс темпы прироста снижаются вплоть до ну- ля. Когда в работе находится 21 локомотивосостав, увеличение числа экскаваторов свыше 18 не дает существенного прироста сменной производительности, а при числе экскаваторов порядка 20 – 22 наступает «насыщение» по сменным объемам перевозок. При этом некорректированные сменные объемы перевозок составляют порядка 100 тыс. т в смену (скорректированные – 76 – 82 тыс. т). Это значение можно считать пропускной способностью горнотранспортной системы при конкретном количествен- ном сочетании горного и транспортного оборудования и определенной расстановке экскаваторов. При числе поездов в работе Nлс =32 ед. аналогичное «насыщение» насту- пает уже при числе экскаваторов порядка 29 – 30 ед. и соответствует некорректирован- ной сменной производительности по горной массе порядка 135 - 139 тыс. т (корректи- рованные – 100-110 тыс. т). При Nэ = 16 объемы перевозки горной массы пропорцио- Qсм 94 тыс. т 21.04.01, 2 см 18 22 26 14 30 N э 18 20 22 24 26 28 30 32 7 0 8 0 9 0 10 0 11 0 12 0 13 0 14 0 15 0 Nлс
- 150. 150 нально растут только с увеличением количества поездов до 21 – 22. При увеличении числа поездов, несмотря на то что общие перевозки растут, темпы их прироста суще- ственно снижаются, что ведет к снижению производительности одного локомотивосо- става. При Nэ = 28 ед. характер кривой иной и «насыщение» наступает при Nлс =32 ед. и также соответствует некорректированной сменной производительности по горной массе порядка 135 – 139 тыс. т. Это значение можно считать сменной провозной спо- собностью схемы путевого развития в настоящий период. Годовая провозная способ- ность схемы путевого развития определяется исходя из корректированной сменной производительности с учетом технологических потерь рабочего времени на проведение взрывных работ, а также целосменных простоев оборудования из-за отключения элек- троэнергии, остановки участков при ликвидации сходов и т.п. В практике открытых горных работ эти потери времени, как правило, учитываются путем уменьшения годо- вого фонда времени до 320 – 330 рабочих дней. Такие же результаты дают и ориенти- ровочные расчеты для условий Качканарского ГОКа. Таким образом, годовая провоз- ная способность схемы путевого развития железнодорожного транспорта рудовозного района на настоящий момент при современном состоянии горнотранспортного обору- дования, горных работ и транспортных коммуникаций находится в пределах 65 – 68 млн т по горной массе. Для реализации этих объемов перевозки горной массы необхо- димый рабочий парк подвижного состава составит порядка 31 – 33 ед. В настоящее время на глубоких карьерах широкое распространение нашли элек- тровозы и тяговые агрегаты с напряжением 1,65 и 3,3 кВ постоянного тока и 10 кВ пе- ременного тока. Приходится констатировать, что возраст большей части парка подвиж- ного состава существенно превышает назначенный срок эксплуатации. В связи с этим особую важность приобретает обеспечение нормативной базы экспертной деятельно- сти, качественная оценка вопросов экспертизы промышленной безопасности объектов карьерного железнодорожного транспорта, на основе которой принимаются решения о продлении сроков их эксплуатации. Одним из основных вопросов экспертизы промыш- ленной безопасности является оценка тормозных характеристик тяговых агрегатов. В ИГД УрО РАН разработана методика и средства (блок индикации параметров карьер- ного железнодорожного транспорта БИП-ТТ2 и датчик пути) проведения тормозных испытаний, целью которых является определение работоспособности и эффективности тормозной рычажной передачи и оценка возможности дальнейшей эксплуатации агре- гата [5]. Эксплуатационная работоспособность и эффективность тормозной рычажной передачи оценивались методом сравнения величины тормозных путей, полученных в процессе проведения испытаний, со значением допускаемых фактических тормозных путей на промышленном железнодорожном транспорте (≤300 м). В качестве полигона испытаний был предоставлен участок на перегоне ст. Восточная – ст. Глубокая карьера ОАО «Ураласбест». Средневзвешенный уклон составил 38 0 /00. Тормозная рычажная передача испытываемого тягового агрегата – типовая, выходы штоков тормозных ци- линдров в процессе испытаний отрегулированы в пределах 75 –100 мм (рис. 3). Испытания на тормозную эффективность проводились в составе поезда из 8 груженых думпкаров 2ВС-105. Для этого на полигоне испытаний были проведены се- рии из трех остановочных торможений с применением крана машиниста. Торможение осуществлялось в диапазоне скоростей 15, 20, 25 км/ч до полной остановки груженого поезда из 8 думпкаров 2ВС-105. При этом в каждом опыте измерялись пути торможе- ния, время тормозного процесса с использованием блока индикации параметров БИП - ТТ2 (рис. 4, 5).
- 151. 151 Рис. 4 – Блок индикации параметров карьерного железнодорожного транспорта БИП-ТТ2 в кабине машиниста тягового агрегата №391 ОАО «Ураласбест» Рис. 3 – Замер выхода штока тормозного цилиндра электровоза управления тягового агрегата №391 ОАО «Ураласбест»
- 152. 152 Параметры процесса индуцируются в реальном времени и одновременно записываются во внутреннюю «память» и представляются в графическом виде. Фрагмент графика из- менения скорости поезда во времени приведен на рис. 6. Основные результаты испытаний тормозной эффективности приведены далее в таблице. Анализ данных, приведенных в таблице, позволяет сделать вывод о том, что в диапазоне скоростей 15,0 – 25,0 км/ч для локомотива в составе груженого поезда тор- мозные пути не превышают нормативных значений. Т а б л и ц а Результаты остановочных испытаний на тормозную эффективность Проверкой рычажной передачи после проведения тормозных испытаний уста- новлено следующее: – рычажная передача электровоза управления и моторных думпкаров находится в исправном состоянии, деформации и поломки отсутствуют; Начальная скорость торможения, км/ч Время торможения, с Тормозной путь, м 15 40,0 119,0 15 34,0 96,0 15 33,0 95,0 20 31,0 136,0 20 36,0 153,0 20 33,0 138,0 25 33,0 156,0 25 30,0 150,0 25 33,0 159,0 Рис. 6 – Фрагмент графика изменения скорости поезда во времени. Тяговый агрегат №391 ОАО «Ураласбест» Скорость,км/ч Время, с
- 153. 153 – поверхности катания колесных пар тягового агрегата после проведения тор- мозных испытаний повреждений не имеют, ползуны и выбоины отсутствуют, случаев сдвига бандажей не наблюдалось. При проведении серии тормозных испытаний как с одиночно следующим, так и с локомотивом в составе груженого поезда отмечалось плавное нарастание тормозного усилия во всем диапазоне скоростей, явление юза отсутствовало. Таким образом, тор- мозная рычажная передача находится в работоспособном состоянии, эффективность торможения соответствует нормативным значениям. Тяговый агрегат ПЭ-2М, завод- ской №391по тормозным характеристикам обеспечивает выполнение технологическо- го процесса в соответствии с паспортными данными. Литература 1. Яковлев В.Л. Теория и практика выбора транспорта глубоких карьеров / В.Л. Яковлев. – Новосибирск: Наука, 1989. – 240 с. 2. Попов В.Ю. Оценка энергетических затрат на работу существующих и пер- спективных тяговых средств железнодорожного транспорта / В.Ю. Попов, Е.С. Кос- нарев, Ю.А. Бахтурин // Геотехнологические пробл. компл. освоения недр: сб. научн. трудов / ИГД УрО РАН. – Вып.1. – Екатеринбург, 2003. - С. 176 - 184. 3. Браташ В.А. Тяговые агрегаты на железнодорожном транспорте глубоких ка- рьеров / В.А. Браташ, А.И. Дриженко. – М.: Недра, 1989. – 160 с. 4. Бахтурин Ю.А. Обоснование провозной способности схем путевого развития карьерного железнодорожного транспорта / Ю.А. Бахтурин // Горный информацион- но-аналитический бюллетень. - 2003. - № 1. - С. 181-185. 5. Бахтурин Ю.А. Экспертиза промышленной безопасности подвижного состава карьерного железнодорожного транспорта // Горный информационно- аналитический бюллетень. – Отдельный выпуск № 11. –2011. - С. 309 - 325.
- 154. 154 УДК 622.682:621.867.212.7 Кармаев Геннадий Дмитриевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории транспортных систем карьера (ТСК), Институт горного дела УрО РАН, 620219, г. Екатеринбург, ул.Мамина-Сибиряка, 58 Берсенёв Виктор Анатольевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории ТСК, Институт горного дела УрО РАН Семенкин Александр Владимирович младший научный сотрудник лаборатории ТСК, Институт горного дела УрО РАН Сумина Ирина Геннадиевна инженер-исследователь лаборатории ТСК, Институт горного дела УрО РАН, e-mail: sumina@igduran.ru ТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ КРУТОНАКЛОННЫХ КОНВЕЙЕРОВ НА КАРЬЕРАХ Karmaev Gennady D. candidate of technical sciences, senior research worker of the laboratory of open pit transport systems, The Institute of Mining UB RAS, 620219, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58 Bersenev Victor A. candidate of technical sciences, senior research worker of the laboratory of open pit transport systems, The Institute of Mining UB RAS Semenkin Alexandr V. junior research worker, the laboratory of open pit transport systems, The Institute of Mining UB RAS Sumina Irina G. research engineer of the laboratory of open pit transport systems, The Institute of Mining UB RAS, e-mail: sumina@igduran.ru TECHNICAL AND TECHNOLOGICAL ASPECTS OF STEEP-INCLINED CONVEYORS EMPLOYMENT IN PITS Аннотация: Рассмотрены технические и технологические особенности использования крутонаклонных конвейерных подъемников в комплексах ЦПТ на глубоких карьерах. Путем графического модели- рования карьерного пространства показано, что нет технологических ограничений использо- вания крутонаклонных ленточных конвейеров в условиях их предпочтительного применения, определенных по результатам технико-эконо- мической оценки с учетом использования техни- ческих возможностей оборудования. Разрабо- таны технологические схемы применения ком- плексов ЦПТ с крутонаклонными конвейерами и изложены рекомендации по размещению дро- бильно-перегрузочных пунктов и перегрузочных узлов между конвейерами с увязкой мест их строительства с расположением капитального автомобильного съезда в карьере. Ключевые слова: глубокий карьер, циклично-по- точная технология, комплекс ЦПТ, дробильно- конвейерный комплекс, крутонаклонный кон- вейер, дробильно-перегрузочный пункт, техно- логическая схема, технические возможности оборудования схема, технические возможности оборудования, автомобильный съезд, площадка для размещения ДПП Abstract: The article describes technical and technological features of employment steep-inclined conveyor hoists in the cyclic-flow-line production complexes in deep pits. A graphical modeling an open pit’s space has shown that there are no technological lim- itations on employment steep-inclined belt convey- ors in the conditions of their preferable application determined by the results of technical and economic evaluation and considering technical capabilities of the equipment. Technological schemes of employ- ment cyclic-flow-line production complexes with steep-inclined conveyors are developed and recom- mendations on arrangement crushing-transferring stations and transshipment points between convey- ors with correlation their building sites and the lo- cation of major automobile cross-over in the pit are set forth. Key words: deep pit, cyclic-flow-line production, cy- clic-flow-line production complex, crushing con- veyor complex, steep-inclined conveyor, crushing- transferring station, technological schemes, tech- nical capabilities of the equipment, automobile cross-over, the site for crushing-transferring sta- tionlocation Работа выполнена в рамках конкурсного проекта УрО РАН 12-Т-5-1021 «Технологический и организационный потенциал энерго- и ресурсосбережения при комплексном освоении недр в сложных условиях»
- 155. 155 Усложнение горнотехнических условий при разработке глубокозалегающих месторож- дений полезных ископаемых открытым способом вызывает необходимость использования в карьерах крутонаклонных подъемников для доставки горной массы на поверхность. В структурах механизации циклично-поточной технологии (ЦПТ), являющейся наибо- лее эффективной при разработке глубоких карьеров, предпочтительным является применение крутонаклонных ленточных конвейеров. Эффективность использования крутонаклонного конвейерного подъема на глубоких карьерах поясняет рис. 1, на котором приведено изменение капитальных и эксплуатационных затрат на дробильно-конвейерные комплексы (ДКК) в зави- симости от высоты подъема горной массы и угла наклона конвейерного подъемника. С увели- чением угла наклона конвейерного подъемника удельные затраты на переработку горной массы ДКК снижаются. Особенно это проявляется при большой высоте подъема транспорти- руемого материала [1]. Рис.1 – Изменение удельных капитальных и эксплуатационных затрат на дробильно-конвейерные комплексы в зависимости от высоты подъема горной массы и угла наклона конвейерного подъемника при Q = 20 млн. т/год Анализом конструктивного исполнения крутонаклонных конвейеров установлено большое разнообразие их конструкций для различных условий эксплуатации [2]. В глубоких карьерах для транспортирования крупнодробленой массы целесообразно использовать двух- контурные ленточные конвейеры с прижимными (грузоудерживающими) лентами (угол наклона до 25-30о ) и дополнительным прижатием груза с помощью устройств, взаимодейству- ющих с грузоудерживающей лентой (угол подъема более 30о ) [3,4]. Широкое распростра- нение за рубежом получили прижимные устройства в виде подпружиненных или подрессо- ренных катков, установленных стационарно на линейном ставе конвейера. Они прижимают боковые полосы грузонесущей и грузоудерживающей лент друг к другу и последнюю к транс- портируемому материалу, создавая необходимое прижимное усилие. hп, м 15 10 5 0 600400 К Э Куд,Эуд, руб/т 200
- 156. 156 Крутонаклонные конвейеры с упомянутыми прижимными устройствами обладают су- щественными недостатками [1]: - стационарно установленные прижимные устройства грузонесущей ленты создают предпосылки движения транспортируемого материала между ними в направлении хвостовой части конвейера при неравномерной загрузке ленты. Это может происходить за счет дополни- тельных скатывающих сил, возникающих при взаимодействии кусков транспортируемого ма- териала с прижимными элементами. Такое явление снижает надежность и безопасность ра- боты конвейера; - возникающие динамические нагрузки при взаимодействии прижимных устройств с кусками транспортируемого материала значительно повышают его шевеление, что суще- ственно увеличивает износ рабочих поверхностей конвейерных лент; - снижение приемной способности грузонесущей ленты на 30 – 40 % вследствие ис- пользования ее боковых полос шириной около 200-250 мм для прижатия грузонесущей ленты боковыми катками. Указанные недостатки можно устранить, используя прижимные элементы, обладаю- щие возможностью перемещения вместе с транспортируемым материалом и прижимающие груз независимо от высоты его расположения в желобе грузонесущей ленты. ИГД УрО РАН разработана принципиальная схема двухконтурного крутонаклонного конвейера с движущимися прижимными элементами. Особенностью конструкции является исполнение прижимных элементов в виде гофр, закрепленных на внешней (рабочей) поверх- ности ленты грузоудерживающего контура. Гофры выполнены из упруго-эластичного матери- ала, обладают хорошей демпфирующей способностью и восстанавливают свою форму после исчезновения контакта с транспортируемым материалом. Максимальная высота гофр соответ- ствует глубине желоба грузонесущей ленты, а при отсутствии горной массы на ней гофра вхо- дит в ее желоб и выполняет функцию перегородки. Крутонаклонные конвейеры повышают уровень использования технических возмож- ностей конвейерного транспорта в комплексах ЦПТ. В первую очередь это проявляется в со- кращении расстояния транспортирования горной массы конвейерами при одинаковой высоте подъема материала или позволяет существенно увеличить высоту подъема при использовании конвейерных лент предельной прочности. Последнее связано с распределением общей нагрузки между грузонесущим и грузоудерживающим контурами. В табл.1 приведена пре- дельная высота подъема скальной крупнодробленой горной массы насыпной плотностью 2,2 т/м3 при перемещении различных часовых грузопотоков со скоростью движения конвейерных лент 3,15 м/с и использовании 3-барабанных приводных устройств. Данные табл. 1 показы- вают, что использование крутонаклонных конвейеров позволяет увеличить предельную вы- соту подъема горной массы в 1,25 раза. В сравнении с традиционным конвейером, оснащен- ным двухбарабанным головным приводом (установка промежуточного привода на наклонном участке не всегда целесообразна), высота подъема одним ставом крутонаклонного конвейера повышается в 1,5 раза. Это позволяет уменьшить число конвейеров и перегрузоч- ных пунктов между ними на прямолинейных трассах и способствует увеличению использо- вания оборудования комплексов ЦПТ во времени. Кроме того улучшаются технологические возможности размещения комплексов ЦПТ в карьерном пространстве. Т а б л и ц а 1 Предельная высота подъема горной массы одним конвейерным ставом Грузопоток, т/ч 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Расчетная ширина ленты, м Предельная высота подъема, м 1,2* 1,2;1,2 495 639 1,2 1,2;1,2 270 348 1,2 1,2;1,2 187 236 1,4 1,4;1,2 163 206 1,6 1,6;1,4 148 187 1,8 1,8;1,6 139 176 * Над чертой указаны показатели для традиционных ленточных конвейеров с углом наклона 18о , под чертой – для крутонаклонных конвейеров с углом наклона 45о .
- 157. 157 Полнота использования технических возможностей в определенной мере связана с вы- бором рациональной конструкции конвейерного оборудования. Это можно проследить на при- мере сравнения двухконтурных ленточных конвейеров со стационарными прижимными кат- ками и движущимися вместе с лентой грузоудерживающего контура прижимными из упруго- эластичного материала элементами. Самый мощный двухконтурный ленточный крутонаклон- ный конвейер с прижимными стационарными элементами в виде катков установлен на карьере Мурунтау Навоийского ГОКа (Узбекистан). Этот конвейер имеет производительность 3460 т/ч, ширину ленты 2000 мм и поднимает транспортируемый материал с насыпной плотностью 1,73 т/м3 при скорости движения ленты 3,5 м/сна высоту 270 м. Коэффициент использования конвейера по производительности, определяемый отношением ее проектной величины к тео- ретической (приемной способности), составляет 0,34. С учетом достигнутого использования оборудования комплексов ЦПТ во времени, равного 0,8 – 0,85, коэффициент использования технических возможностей, определяемый произведением двух упомянутых коэффициентов, может находиться в интервале 0,27 – 0,29. Крутонаклонный конвейер с движущимися прижимными элементами необходимый ча- совой грузопоток обеспечивает при ширине ленты грузонесущего контура 1400 мм. Однако с лентой такой ширины конвейер не может быть проложен одним ставом на высоту подъема горной массы 270 м. Необходима установка двух конвейерных ставов с перегрузочным пунк- том между ними. Это приводит к снижению использования оборудования во времени при- мерно на 5-6 %, т.е. до значения 0,75 – 0,8. С учетом этого коэффициент использования тех- нических возможностей крутонаклонного конвейера с движущимися прижимными элемен- тами будет иметь значение 0,56 – 0,6, что, естественно, предпочтительнее вследствие сниже- ния транспортных расходов. Эффективность применения крутонаклонного двухконтурного конвейера с движущи- мися прижимными элементами в сравнении с другими типами конвейеров приведена в табл. 2. Т а б л и ц а 2 Расчетные показатели конвейерного транспорта скальной горной массы на карьере Качарского ГОКа (H = 120 м, Q = 21 млн. т/год) Показатель Тип конвейера Ленточный одноконтур- ный Ленточный двухконтурный с прижимными катками Ленточный двухконтурный с движущимися прижимными элементами Пластинчатый двухконтур- ный с перегородками Угол наклона конвейера, град 16 35 35 35 Длина наклонной части конвей- ера, м 435 210 210 2 × 210 Ширина ленты, м: грузонесущего контура 1,6 2,0 1,6 2 × 1,4 грузоудерживающего контура - 2,0 1,6 - Тип конвейерной ленты: Пластинчатое полотно с поперечными перегород- ками грузонесущего контура РТЛ-6000 РТЛ-2500 РТЛ-4000 грузоудерживающего контура - РТЛ-1500 РТЛ-3150 Мощность приводных станций, кВт 3000 2890 2880 2 × 1520 Масса конвейера, т 435 450 393 2 × 354 Капитальные затраты, % 100 104 84 160 Эксплуатационные расходы, % 100 107 93 166
- 158. 158 На основании расчетных показателей установлено, что крутонаклонные конвейеры в комплексах ЦПТ с годовой производительностью 5-10 млн. т целесообразно применять при высоте подъема горной массы более 100 м. В комплексах ЦПТ с годовым объемом перевозки 20 – 30 млн. т крутонаклонные конвейеры предпочтительны при высоте подъема горной массы более 200 м [1]. Реализация технических возможностей в предпочтительных условиях применения кру- тонаклонных конвейерных подъемников на глубоких карьерах должна быть обеспечена раци- ональными технологическими решениями по размещению комплексов ЦПТ в карьерном про- странстве с учетом развития горных работ и транспортной системы на стадии проектирования и эксплуатации карьеров. Ниже приведены технологические особенности использования кру- тонаклонных конвейеров в системах ЦПТ глубоких карьеров. Исследования по формированию карьерного пространства для размещения комплексов ЦПТ с крутонаклонными конвейерными подъемниками проводились с учетом более высоких тех- нических возможностей крутонаклонных конвейеров. Также принималось во внимание эф- фективное использование ЦПТ при транспортировании полезного ископаемого на дробильно- обогатительную фабрику с самого начала его добычи. В этой связи становится целесообраз- ным первоначально на глубоких карьерах в дробильно-конвейерном комплексе использовать ленточные конвейерные подъемники с размещением дробильно-перегрузочных пунктов (ДПП) в верхней части карьера. При строительстве ленточного конвейерного подъемника кон- вейерные ставы размещают диагонально на прямолинейных участках конечных бортов карь- ера. ДПП можно размещать на временно нерабочих участках бортов карьера. В этом случае дробленая горная масса подается на конвейерный подъемник через передаточные конвейеры на конечном борту карьера. Также ДПП можно размещать на конечном борту карьера с по- ступлением горной массы на подъемник непосредственно из дробилки или через передаточ- ный конвейер. В нижней части глубоких карьеров размещение выработок под ставы ленточного конвей- ерного подъемника требует выемки большого объема вскрыши в связи с необходимостью спрямления бортов или оставления больших по объему целиков пород. Поэтому ДКК с лен- точным конвейерным подъемником рационально использовать с выдачей полезного ископае- мого только из верхней части карьера. Из нижней части карьера полезное ископаемое рацио- нально выдавать крутонаклонным конвейерным подъемником с одним или двумя конвейер- ными ставами. На рис. 2 представлен конечный борт карьера с однобортовой системой разра- ботки со стороны лежачего бока полезного ископаемого. Верхняя часть залежи полезного ис- копаемого разработана с выдачей полезного ископаемого на поверхность ДКК с ленточным конвейерным подъемником, а нижняя часть залежи — ДКК с крутонаклонным конвейером. На карьере с однобортовой системой разработки возможно удлинение стационарного ленточного конвейерного подъемника крутонаклонными конвейерами. Также весь конвейер- ный подъемник, начиная с поверхности, может быть составлен из крутонаклонных конвейе- ров, расположенных на лежачем борту по границе лежачего и висячего бортов карьера (рис. 3).Число конвейерных ставов определяется предельной высотой подъема горной массы суще- ственно зависящей от часового грузопотока с учетом необходимости совмещения перегрузоч- ных пунктов с разворотной площадкой капитального автосъезда. Чтобы уменьшить ширину площадки под узлы перегрузки между крутонаклонными конвейерами, каждый конвейерный став в своей средней части рационально размещать в траншее и на опорах, в верхней части только на опорах, а в нижней части карьера — в траншее. При таком размещении конвейерных ставов под перегрузочные площадки используются участки предохранительных берм карьера. Если при использовании в верхней части конвейерного подъемника ленточных конвей- ерных ставов дробильно-перегрузочные пункты могут быть расположены на временно не- рабочих участках бортов карьера, то при использовании в нижней части карьера круто- наклонных конвейеров дробильно- перегрузочные пункты могут быть размещены только на участках конечного борта карьера. Чтобы избежать оставления под площадку ДПП
- 159. 159 постоянного целика пород, она может быть совмещена с горизонтальным участком капи- тального съезда или с площадкой на границе с поворотом капитального съезда. В первом случае в уступе с горизонтальной площадкой капитального съезда проходят нишу, в которой над концевой частью крутонаклонного конвейера устраивают ДПП. Для переезда Рис. 2 – Конечный борт карьера c однобортовой системой разработки со стороны лежачего бока залежи полезного ископаемого: 1, 2 – ленточный и крутонаклонный конвейерные подъемники, соответственно, 3 – ДПП Рис. 3 – Дробильно-конвейерный комплекс с крутонаклонными конвейерами: 1 – крутонаклонные конвейеры; 2 – узел перегрузки между конвейерами на месте прежней установки ДПП; 3 – узел перегрузки между конвейерами; 4 – ДПП; 5 – автосамосвал; 6 – мост через нишу; 7 – капитальный съезд
- 160. 160 автосамосвалов через нишу устраивают мост. При разгрузке в приемный бункер ДПП автосамосвалы устанавливают на горизонтальной площадке капитального съезда. Во втором случае нишу формируют в уступе с площадкой, сопряженной с поворотом капитального съезда. Если крутонаклонный конвейер удлиняют другим крутонаклонным конвейером, то ДПП демонтируют, а на его месте устраивают узел перегрузки между конвейерами. При разгрузке автосамосвалов в приемный бункер дробильно-перегрузочного пункта, расположенного в нише, их движение через этот пункт может быть поточным или тупиковым. При поточном движении грузовая и порожняковая ветви съезда на глубоких горизонтах могут быть разделены и размещены на разных транспортных бермах, которые в условиях ограниченного пространства нижней части карьера могут полностью заменить горизонталь- ные предохранительные бермы карьера. Строительство ДПП и перегрузочных пунктов между конвейерами требует особого подхода. Для их размещения необходимы площадки, формирование которых традиционно мо- жет быть проведено за счет оставления целиков или выемки дополнительных объемов вскрыши при разносе участка борта карьера, что негативно влияет на технико-экономические показатели работы ДКК. Этого можно избежать, если наряду с совмещением площадки с го- ризонтальными участками капитального автомобильного съезда дополнительная ширина ее может быть образована за счет устройства ниши в нескольких объединенных уступах на не- обходимом участке борта карьера, как это показано на рис. 3. Этой же цели можно добиться без объединения уступов за счет использования мостовой конструкции, установленной на от- косе уступа и нижележащей предохранительной берме (рис. 4). На карьерах, разрабатывающих крутопадающие, глубокозалегающие, ограниченные в плане залежи полезных ископаемых по центрально-кольцевой системе разработки может быть нерациональным использование крутонаклонных конвейерных подъемников, составленных из ставов, расположенных на борту карьера перпендикулярно бровкам откосов уступов. При- чиной этого может быть невозможность размещения дробильно-перегрузочных пунктов на конечном борту карьера без оставления постоянных целиков пород большого объема под пло- щадки размещения ДПП и узла перегрузки между конвейерными ставами. В целиках пород будет потеряна часть объема полезного ископаемого.В таких случаях крутонаклонный кон- вейер можно размещать диагонально на борту карьера. Трасса конвейерного подъемника должна быть пройдена так, чтобы его хвостовая часть была параллельна уступу борта карьера (рис.5). Этот комплекс ЦПТ будет использован для отработки глубинной части полезного ис- копаемого и, при необходимости, для выдачи скальных вскрышных пород на поверхность. Глубина расположения ДПП ограничивается предельной высотой подъема горной массы кру- тонаклонным конвейером. В таких условиях автомобильный съезд в верхней части карьера рационально сделать петлевым, с целью исключить его пересечение с трассой конвейера. Это обеспечит минимальное расстояние от съезда до мест монтажа подъемника на опорах, распо- ложенных на предохранительных бермах карьера, и совмещение съезда с заездом автосамо- свалов на разгрузочную площадку ДПП. На карьерах, разрабатываемых по однобортовой системе разработки с выдачей полез- ного ископаемого на поверхность крутонаклонным конвейерным подъемником, часть автомо- бильного съезда от горизонта конечной глубины карьера до горизонта разгрузочной площадки ДПП может быть полностью совмещена с наклонными предохранительными бермами карь- ера. С этой целью части съезда в грузовом и порожняковом направлениях разделяют и разме- щают в разных полутраншеях (рис. 6) [5]. Основания полутраншей являются наклонными предохранительными бермами карьера, заменяющими участки горизонтальных предохрани- тельных берм карьера по трассе съезда. Они связаны между собой и с предохранительными бермами карьера съездами для вспомогательной техники, расположенными на боковых отко- сах полутраншей. Такой съезд исключает разнос под него конечного борта карьера с выемкой большого объема вскрыши, который может составить миллионы кубометров.
- 161. 161 Рис. 4 – Крутонаклонный конвейерный подъемник: 1 – ДПП в нише; 2 – крутонаклонный конвейерный став; 3 – узел перегрузки между конвейерными ставами в нише; 4 – мосты через ниши; 5 – капитальный съезд; 6 – заезды на монтажные площадки; 7 – автосамосвал; 8 – мостовые конструкции под хвостовые части крутонаклонных конвейеров Рис. 5 – Дробильно-конвейерный комплекс с диагональным расположением крутонаклонного конвейера: 1 – крутонаклонный конвейер; 2 – ДПП
- 162. 162 Рис. 6 – Дробильно-конвейерный комплекс на конечном борту карьера со стороны лежачего бока залежи полезного ископаемого: 1 – крутонаклонный конвейерный подъемник; 2 – ДПП; 3 – автомобильный съезд с поверхности карьера; 4 – автомобильный съезд от горизонта конечной глубины карьера до горизонта разгрузочной площадки ДПП Таким образом, в процессе исследований получены следующие результаты: - разработаны технологические схемы комплексов ЦПТ с крутонаклонными конвейе- рами для карьеров с однобортовой и центрально-кольцевой системами разработки. Не выяв- лено технологических ограничений для использования комплексов ЦПТ с крутонаклонными конвейерами в условиях их предпочтительного применения, установленных по результатам технико-экономической оценки с учетом уровня использования технических возможностей оборудования. - Формирование карьерного пространства на карьерах с однобортовой системой разра- ботки следует производить с обязательной увязкой разворотных площадок и некоторых гори- зонтальных участков капитального автомобильного съезда с местами расположения ДПП и перегрузочных пунктов между конвейерами. При этом ДПП и хвостовая часть конвейера должны быть расположены на основании ниши, пройденной в уступе с горизонтальной частью автомобильного съезда и площадки, образованной за счет объединения нижележащих усту- пов. Без объединения уступов основание площадки необходимого размера может быть обра- зовано с использованием мостовой конструкции, установленной на откосе и горизонтальной части нижележащего уступа. - На карьерах с центрально-кольцевой системой разработки крутонаклонный конвейер целесообразно располагать на конечном борту карьера диагонально бровкам откосов уступов, а площадка для размещения ДПП и хвостовой части конвейера должна быть сформирована параллельно уступам борта карьера на этом участке. При этом автомобильный съезд в верхней части карьера рационально сделать петлевым, исключив его пересечение с трассой конвейера, обеспечив минимальное расстояние до мест монтажа конвейера и совместив его с заездом ав- тосамосвалов на разгрузочную площадку ДПП. - С целью повышения эффективности разработки глубоких карьеров в их верхней зоне рационально применять комплексы ЦПТ с традиционными ленточными конвейерами. При вы- соте подъема горной массы более 100 – 200 м в зависимости от производительности эффек- тивнее использовать крутонаклонные конвейерные подъемники как для удлинения конвейер- ной линии прежнего комплекса, так и в отдельном комплексе в соответствии с горнотехниче- скими условиями разработки.
- 163. 163 Литература 1. Кармаев Г. Д. Выбор горно-транспортного оборудования циклично-поточной техно- логии карьеров / Г. Д. Кармаев, А. В. Глебов. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2012. – 296 с. 2. Анализ конструкций крутонаклонных конвейеров для карьеров / Е. Д. Николаев и др. // Горный журнал.–1998.– №11-12. - С. 62-25. 3. Котяшев А. А. Применение ленточных крутонаклонных конвейеров для транспорти- рования горной массы / А. А. Котяшев, А. В. Каледин// Горный журнал.–1990.– №5.– С. 61-63. 4. Шешко Е.Е. Перспективы крутонаклонного конвейерного подъема на горных предпри- ятиях / Е. Е. Шешко, В. И. Морозов, Н. Г. Картавый //Горный журнал. – 1996.– №6. – С. 56-59. 5. Пат. № 2521191 Российская Федерация. Автомобильный съезд в карьере / Яковлев В.Л., Берсенев В.А., Кармаев Г.Д., Бахтурин Ю.А.; заявитель и патентообладатель ИГД УрО РАН ; опубл. 27.06.2014, Бюл. № 18.
- 164. 164 УДК 622.684:621.865.8 Журавлев Артем Геннадиевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: juravlev@igduran.ru ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ КАРЬЕРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОБОТИЗИРОВАННЫХ МАШИН Zhuravlev Artem G. candidate of technical sciences, The Institute of mining the Ural branch of RAS, 620219, Ekaterinburg city, Mamina-Sibiryaka st., 58 e-mail: juravlev@igduran.ru TENDENCIES OF OPEN PIT TRANSPORT SYSTEMS PROGRESS EMPLOYNG ROBOTIC MACHINES Аннотация: Представлен обзор существующих горно-транс- портных машин с дистанционным (ДУ) и робо- тизированным управлением (РУ), даны определе- ния безлюдной технологии и удаленного управле- ния горными машинами и систематизация видов удаленного управления, проведена оценка техно- логических параметров транспортных машин с роботизированным управлением, выявлены тен- денции развития транспортных систем с ис- пользованием роботизированных машин. Ключевые слова: транспортная система карь- ера, безлюдная технология добычи полезных ис- копаемых, удаленное управление Abstract: The overview of existing mining and transport ma- chines with remote and robotic control is pre- sented; unmanned technologies and remote man- agement of mining machines, as well as remote con- trol systematization are defined. The assessment of technological parameters of transport vehicles with robotic control is performed. The tendencies of transport systems progress employing robotic ma- chines are brought to light. Key words: transport system of an open pit, un- manned mining technology, remote control Примерно с 2000 – 2005 гг. в мировой практике стали выходить на стадию про- мышленного применения технологии дистанционного и роботизированного управления горнотранспортным оборудованием. Начало подобных проектов приурочено к девяно- стым годам, когда велись исследования и выпускались опытные образцы. В первую оче- редь внедрение новых технологий осуществлялось на подземных горных работах ввиду их наибольшей опасности по сравнению с карьерами. К настоящему времени накоплен существенный опыт создания и эксплуатации горнотранспортных комплексов с ча- стично роботизированным управлением, когда наиболее сложные операции выполня- ются оператором в ручном режиме из пункта удаленного управления, а рутинные опера- ции (например, движение самосвала по траектории к месту разгрузки) осуществляется автоматически. Целый ряд горнодобывающих предприятий как с открытым, так и с подземным способом разработки занимается проектами внедрения роботизированного горного оборудования, поэтому практически все крупные мировые производители шахт- ной и карьерной техники предлагают готовое или анонсируют разрабатываемое горное оборудование с роботизированным управлением (табл. 1). Исследования выполнены в рамках гранта Уральского отделения РАН по проекту 12-С-5-1030 «Прогноз развития транспортных систем карьеров с учетом совершенствования геотехники и повышения требова- ний экологичности»
- 165. 165 Т а б л и ц а 1 Обзор систем дистанционного и роботизированного управления горнотранспортными и другими машинами Произво- дитель оборудова- ния Разработчик системы управления Название и тип системы Имеющиеся образцы машин Заявленные преимущества Область применения Реализованные проекты ОАО «Бе- лАЗ» ООО «ВИСТ Mайнинг Tехнолоджи» (входит в «ВИСТ Групп») [1] «Интеллектуальный карьер» (РУ) БелАЗ-75137 (гр/п 130-136 т) - безопасность операторов; - один оператор на 4-10 самосва- лов; - повышение производительности работы самосвалов на 20 % за счет уменьшения количества простоев, изменения технологи- ческого процесса смены Открытая разра- ботка месторож- дений (экскава- торно-автомо- бильные ком- плексы) Полигонные испытания ав- тосамосвала на заводе Бе- лАЗ (Белоруссия) – Remote control tech- nologies (RCT) [2] Control Master (ДУ) ШСС Caterpillar, подземные ма- шины, бульдозеры - безопасность операторов; - улучшение условий труда Автоматизация машин на откры- тых и подземных горных работах, строительстве Комплекс машин карьера «Удачный» АК «АЛРОСА» (4 ШСС и погрузчик); реа- лизованные проекты в Ав- стралии – Сотрудничество ком- паний «Cavotec» и «Specto Remote» [3] Система дистанцион- ного управления ШСС и экскавато- рами, ДУ промыш- ленных установок ШСС и экскава- торы Caterpillar Безопасность операторов Выполнение вы- емочно-погру- зочных и транс- портных работ в опасных усло- виях Рекультивация военного по- лигона «Хьеркинн» в Норве- гии (ШСС и экскаваторы) Caterpillar [4] Система MineGem разработана компа- нией «Dynamic Auto- mation Systems» (DAS), работающей с 1996 г. на результатах исследований «CSIRO» и «University of Sydney» Cat MineStar System – комплексная система автоматизации горно- добывающего пред- приятия. MineGem – создан- ный ранее проект ро- ботизированного управления для под- земных горных работ ШСС, бульдозеры (ДУ). Подземные ма- шины, в том числе для поточной тех- нологии (полуав- тономные) - безопасность операторов; - улучшение условий труда; - повышение производительно- сти оборудования; - сокращение простоев; - повышение коэффициента за- грузки самосвалов; - один оператор может контроли- ровать несколько машин Открытая и под- земная разра- ботка месторож- дений (бурение, бульдозеры, ав- тосамосвалы, подземные ма- шины) Бульдозеры с ДУ. Реализо- вана система MineGem в LKAB’sMalmbergeMine (Швеция), Stawell gold mine (Австралия), системы механизированной крепи (полуавтономные)
- 166. 166 Окончание таблицы 1 Произво-ди- тель оборудова- ния Разработчик системы управления Название и тип системы Имеющиеся об- разцы машин Заявленные преимущества Область применения Реализованные проекты Komatsu [5] «Modular mining system» FrontRunner Карьерные автосамосвалы (930E-4AT), гидравличе- скийэкскаватор (PC5500), буль- дозер (D475A), колесный буль- дозер (WD900) грейдер (GD825). - безопасность операторов; - улучшение условий труда; - повышение производительно- сти оборудования; - сокращение простоев; - один оператор может контро- лировать несколько машин Открытая разра- ботка месторожде- ний (карьерные ав- тосамосвалы, экс- каваторы, бульдо- зеры и др.) West Angelas mine компа- нии Rio Tinto (Австралия) Sandvik [6] Изначально сотруд- ничали с «MacDonald, Dett- wiler and Associ- ates» (MDA) Automine. Автоматизация про- цессов: выемка и по- грузка, транспортиро- вание, бурение, свод- ная система монито- ринга и управления по процессам (участ- кам) ПДМ, подзем- ные самосвалы, буровые ка- ретки, наземные буровые станки - безопасность персонала; - повышение производительно- сти; - снижение износа машин; - сокращение персонала (1 опе- ратор на 5 буровых станков) Подземная разра- ботка месторожде- ний (ПДМ, подземные самосвалы, буре- ние) Открытые горные работы (бурение) Codelco'sElTenienteMine (Чили, июнь 2004 г.), InmetMining'sPyhäsalmiMine (Финляндия, январь 2005 г.), DeBeers' FinschMine (Южная Африка, август 2005 г.), Wil- liamsMine (Канада, июнь 2007 г.). Sandvik'sTestMine, (тесто- вый полигон, Тампере, Фин- ляндия) At- lasCopco [7] – Scooptram Automa- tion system (роботи- зированная си- стема, полуавто- номная) ПДМ, подзем- ные буровые станки - безопасность персонала; - комфортные условия труда; - повышение производитель- ности; - снижение износа машин за счет оптимизации управле- ния; - возможность интеграции с существующими системами автоматизации Подземные гор- ные работы (ПДМ, само- свалы, буровые станки) Шахта AndinaMine (Codelco, Чили, ПДМ), Kemi (Финляндия, 2008, ПДМ), DiavikMine (Канада, 2010, ПДМ), LKAB’sMalm- bergeMine (Швеция, буро- вые станки), карьерный бу- ровой станок для RioTinto (Австралия) ДУ – дистанционное управление; РУ – роботизированное управление; ШСС – шарнирно-сочлененные самосвалы
- 167. 167 Первым предприятием на территории России, на практике внедряющим систему удаленного управления горным оборудованием на карьере, является компания «АЛРОСА» [8, 9]. Для доработки карьера «Удачный» в нижней опасной зоне с увели- ченными углами откоса бортов карьера применяется комплекс из 4 шарнирно-сочленен- ных самосвалов (ШСС) и одного погрузчика фирмы Caterpillar, управляемые дистанци- онно. Основная цель – обеспечение безопасности операторов. Пункт дистанционного управления (ПДУ) располагается в безопасной зоне карьера, движение оборудования в опасную зону и работа в забое осуществляются только в режиме дистанционного управ- ления из ПДУ или с помощью мобильного ручного пульта. В перспективе планируется автоматизировать буровой станок. Разработку системы дистанционного управления осуществляла компания Remote Control Technologies. Таким образом, в настоящее время и в ближайшем будущем будет наблюдаться расширение номенклатуры горного оборудования с дистанционным и роботизирован- ным управлением, будут внедряться новые системы удаленного управления на горнодо- бывающих предприятиях. Требует уточнения терминология в этом вопросе. В целом системы дистанцион- ного и роботизированного управления без непосредственного присутствия оператора на объекте управления (машине) можно назвать удаленным управлением. Можно дать следующее обобщенное определение [10] и [11]: безлюдные техно- логии добычи полезных ископаемых – это технологические процессы, обеспечивающие вскрытие, подготовку и выемку запасов полезного ископаемого без непосредственного присутствия людей (рабочих) в зоне ведения горных работ. В общем случае следует различать «безлюдную технологию» и применение уда- ленного управления. Например, применение роботизированных машин может не сопро- вождаться созданием безлюдной технологии добычи, когда роботизированы всего 1 – 2 типа оборудования и/или когда труд операторов (рабочих) в зоне ведения горных работ не исключен и составляет большой объем. Анализ литературы и синтез вариантов управления машинами показали, что по степени автоматизации можно выделить следующие виды удаленного управления, ос- новным классификационным признаком которых служит вовлеченность в процесс управления человека (оператора): 1. Дистанционное управление (в зарубежной литературе – remotecontrol). Пред- ставляет собой управление машинами, дублирующее управление из кабины, но на без- опасном для оператора удалении, тем самым устраняя воздействие вредных и опасных условий труда на человека. 2. Полуавтономное (комбинированное, роботизированное) управление (semi- autonomoussystem). Управление машиной при выполнении наиболее сложных операций и работ, требующих творческого подхода, осуществляется оператором в режиме дистан- ционного управления, а рутинные операции осуществляются в автоматическом режиме (например, движение по траектории до назначенного пункта, разгрузка и т. п.). 3. Автономное (роботизированное) управление (autonomoussystem). Характеризу- ется передачей функций управления программно-аппаратному комплексу, смонтирован- ному на объекте управления, что позволяет использовать такую технику в автономном режиме и устраняет потребность в непосредственном управлении оператором для вы- полнения операций технологического цикла. Проанализируем основные преимущества, обеспечиваемые удаленным и роботи- зированным управлением (табл. 2).
- 168. 168 Т а б л и ц а 2 Преимущества и недостатки систем дистанционного и роботизированного управления горнотранспортными машинами Вид удаленного управления Преимущества Недостатки Общие преимуще- ства и недостатки 1. Безопасные условия труда операторов. 2. Возможность работы машин в опасных условиях при оптимизированных параметрах карьера Дополнительные за- траты на приобретение и обслуживание си- стемы ДУ Дополнительно для дистанционного управления 1. Возможность операторам согласовывать действия, находясь в одном помещении. 2. Возможность работы на удалении несколь- ких километров, создания единого центра управления для группы близкорасположенных карьеров Возможно снижение производительности машин Дополнительно для роботизированного управления 1. Повышение производительности машин. 2. Увеличение межремонтного пробега машин. 3. Операторы находятся в безопасных и ком- фортных условиях труда. 4. Возможность работы машин в опасных условиях при оптимизированных параметрах карьера. 5. Снижаются эксплуатационные затраты за счет оптимального управления. 6. Возможность создания единого центра управления несколькими ГОКами непосред- ственно в развитых городах на удалении в ты- сячи км от предприятий с минимальным коли- чеством персонала на карьерах 1. Увеличенный срок ввода машин в эксплу- атацию. 2. Появляется новый вид персонала – высо- коквалифицированные операторы ЭВМ ДУ – дистанционное управление Следует отметить, что для роботизированного управления существует еще два негативных фактора: – это невозможность полной автоматизации сложных процессов (например, се- лективная выемка, действия в нестандартных ситуациях), поэтому для карьеров с боль- шим количеством таких операций количество персонала будет увеличено; – остается потребность в ремонтном персонале непосредственно на горнодобыва- ющем предприятии. Причинами развития безлюдных технологий добычи полезных ископаемых явля- ются: – нехватка рабочей силы и исключение необходимости строительства жилых по- селков в неосвоенных районах добычи полезных ископаемых; – исключение нахождения людей в опасных условиях труда; возможность рабо- тать с такими параметрами горных выработок, которые запрещены по условиям безопас- ности при нахождении людей; – повышение производительности оборудования за счет точного и оптимального управления; – снижение затрат, связанное с повышением производительности, исключением простоев оборудования, сокращением количества персонала, оптимизацией управления и т. д.
- 169. 169 Помимо безопасности операторов горных машин и улучшения условий труда, «безлюдные технологии» могут обеспечить ряд технологических преимуществ за счет повышения производительности, снижения энерго- и ресурсоемкости производства пу- тем оптимизации компьютерного управления [12]. Важно провести количественную оценку таких преимуществ в сравнении с данными литературы: повышение производи- тельности обеспечивается увеличением скорости движения машин и исключением вре- мени пересменок. Увеличение скорости движения самосвалов по трассе возможно за счет – оптимизации управления машиной компьютером, исключения человеческого фактора; – снятия ограничений по безопасной скорости движения благодаря нахождению оператора в удаленном безопасном месте. Основными факторами, определяющими резерв увеличения производительности, являются – достигнутая на предприятии скорость движения автосамосвалов по горизон- тальным участкам при ручном управлении из кабины водителями; – дальность транспортирования по конкретной трассе; – продолжительность погрузочно-разгрузочных операций (считаем, что она не из- меняется при переходе на роботизированное управление) и их доля в общей продолжи- тельности рейса; – доля участков со значительным уклоном (более 6 %) в протяженности трассы. Также отметим, что заметное влияние оказывает скорость на наклонных съездах, но при среднем значении уклона таких участков 8 % и удельной мощности современных карьерных автосамосвалов порядка 5 кВт/т скорость движения по ним на подъем соста- вит порядка 15 км/ч. С учетом указанных допущений повышение производительности можно оценить по следующей зависимости (рис. 1): ∆П = (∆ 𝑣−1)∙(2−∆уч) ∆ 𝑣∙𝑣1∙𝑡п+р 𝐿 + ∆уч∙∆ 𝑣∙𝑣1 15 +2−∆уч , %, где ∆v – кратность увеличения скорости при применении роботизированного управ- ления; v1–скорость автосамосвала при управлении водителем из кабины, км/ч; L – дальность транспортирования, км; ∆уч – доля наклонных участков в протяженности трассы; tп+р– длительность погрузочно-разгрузочных операций за рейс, ч. Из рисунка 1а) видно, что для повышения часовой производительности требуется значительное увеличение скорости. Так, при увеличении скорости в 1,5 раза (с 30 до 45 км/ч) производительность возрастет только на 14 % (при расстоянии транспортирования 4 км). Также видно, что с увеличением дальности транспортирования эффект от перехода на роботизированное управление возрастает за счет уменьшения доли погрузочно-раз- грузочных работ в общей продолжительности рейса (рис. 1 б)), то же самое наблюдается при непосредственном сокращении продолжительности погрузочно-разгрузочных опе- раций. Таким образом, наиболее вероятный достижимый эффект от увеличения скорости составит порядка 10 – 15 % на достаточно прямолинейных трассах с небольшим количе- ством крутых поворотов с протяженностью более 2 км, долей наклонных участков не более 0,75. В наиболее благоприятных условиях на трассах с небольшим перепадом вы- сот и долей наклонных участков менее 0,3 возможно достичь повышения производитель- ности до 35 – 40 % при условии увеличения максимальной скорости движения автосамо- свалов при переходе на роботизированное управление с 30 до 50 км/ч.
- 170. 170 Рис.1 – Повышение часовой производительности автосамосвала в зависимости от основных факторов: а) продолжительности погрузочно-разгрузочных операций по отношению к дальности транспор- тирования и достижимого повышения скорости при переходе на роботизированное управление (скорость автосамосвала при ручном управлении 30 км/ч, доля наклонных участков в длине трассы составляет 0,75) б) расстояния транспортирования при различной скорости ручного управления (при условии, что повышение скорости при переходе на роботизированное управление составляет 1,5 раза) В случае применения роботизированных комплексов, которые работают в авто- матическом режиме, возможно исключить остановку оборудования на время пересменки операторов и за счет этого добиться повышения суточной выработки (рис. 2). Рис. 2 – Зависимость прироста суточного объема перевозок автосамосвала от длительности исключаемой пересменки при переходе на роботизированные комплексы В табл. 3 приведен сводный анализ возможных преимуществ применения роботи- зированного управления горнотранспортными комплексами. 3,72,92,11,30,5 0 5 10 15 20 25 30 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 Повышениепроизводительности(т/ч),% 5 10 15 20 25 30 0 10 Повышениепроизводительности(т/ч),% Расстояние транспортирования, км Повыш. ск-ти= 1,5 Нач. ск. 10 км/ч Нач. ск. 20 км/ч Нач. ск. 30 км/ч Нач. ск. 40 км/ч 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 10 20 30 40 50 60 Приростсуточнойвыработки,% Продолжительность исключаемой пересменки, мин 3 смены в сутки по 8 ч 2 смены в сутки по 12 ч а) б)
- 171. 171 Т а б л и ц а 3 Преимущества применения роботизированного управления Фактор Преимущества при РУ Зависимый показатель Достижимое повышение показателя («+» - повышение, «–» - снижение) Расчеты Данные лите- ратуры Пересменка Исключается Выработка за сутки 3 см. х 8 ч: + 4-9 % 2 см. х 12 ч: + 3-6 % + 5-20 % Скорость движения Увеличивается за счет: - оптимального управления; - исключения че- ловека из опасных условий Производительность (т/ч) Выработка за сутки + 10-15 % + 10-15 % – 7 % (продолжи- тельность рейса) Трудоемкость ТОиР Снижается Затраты на ТОиР Нет достоверного подтверждения – 14 % (затраты) Количество персонала Снижается кол-во операторов, но до- полнительно требу- ются наладчики АСУ Затраты на оплату труда При высокой степени автоматизации всех процессов возможно снижение – 5 %. один опера- тор на 4 – 10 машин РУ – роботизированное управление; ДУ – дистанционное управление Анализ тенденций развития машин с дистанционным и роботизированным управ- лением, современных проектов отработки карьеров, а также перспектив развития без- людных технологий добычи полезных ископаемых позволяет сформулировать техноло- гические требования к транспортным системам карьеров, вскрытых автомобильными съездами (табл. 4). Для системы роботизированных машин с высоким уровнем автономности, осо- бенно для крупных комплексов, традиционное диспетчерское управление, осуществляе- мое операторами, может снизить эффект применения роботов. В связи с этим целесооб- разно использовать автоматизированные системы оптимизации маршрутов и распреде- ления транспортных средств по маршрутам. При этом оптимизация должна осуществ- ляться в режиме реального времени для большей эффективности. Основой такой си- стемы адаптивного управления горнотранспортным комплексом может стать программ- ный комплекс, который с помощью имитационного моделирования прогнозирует разви- тие ситуации по вариантам и определяет наиболее рациональный по выбранному опера- тором критерию или набору критериев (максимальная производительность, минималь- ные затраты, минимальное количество машин в работе и т. п.) [13]. Таким образом, основными тенденциями развития транспортных систем карь- еров с использованием роботизированных машин являются следующие: 1. В настоящее время активно развиваются технологии и техника удаленного управления горнодобывающими машинами как на открытых, так и на подземных горных работах. Это обусловлено запросами горнодобывающих предприятий и возможностями современной техники. В настоящее время можно выделить типы удаленного управления: дистанционное, роботизированное (полуавтономное и автономное). 2. В мире реализованы и реализуются более 10 проектов автоматизации горно- транспортных комплексов на карьерах и шахтах, подавляющее большинство – за рубе- жом. В России реализуется один проект с дистанционным управлением и один проект создания роботизированных экскаваторно-автомобильных комплексов (БелАЗ и ВИСТ Групп).
- 172. 172 Т а б л и ц а 4 Технологические требования к транспортным системам с удаленным управлением для карьеров, вскрытых автомобильными съездами Областьпри- менения Показатель Вид удаленного управления Дистанционное Роботизированное Требования к транспортной системе Отработкакрупныхкарьеров Цель автоматизации Безопасность людей при вы- полнении специальных ра- бот. Автоматизация локального участка. - Повышение производительности; -сокращение количества операторов (1 оператор на 3-10 машин), -снижение затрат на транспортирова- ние Диспетчеризация Традиционная Оптимизирующая компьютерная, обеспечивающая высокую произво- дительность и минимальные простои оборудования Дальность транспортиро- вания Минимизировать за счет по- вышения уклона автодорог. Вероятный диапазон: 1-5 км Минимизировать за счет повышения уклона автодорог. Вероятный диапа- зон: 2-15 км Высота подъема 10-50 м 100-400 м Объем перевозок 1-20 тыс.т/сутки 5-100 млн т/год Производительность Допустимо снижение произ- водительности транспорт- ных средств на 20 % Сохранение или повышение произво- дительности до 20 % Количество автосамосва- лов в работе 1-10 20-100 Грузоподъемность автоса- мосвалов 40-450 130-450 Скорость движения Может быть снижена Повышение скорости движения на 20-50 % на слабонаклонных участ- ках и в порожняковом направлении Уклон автодорог Может быть увеличен до максимальных тягово-сцеп- ных возможностей Может быть увеличен до максималь- ных тягово-сцепных возможностей Технологические требова- ния к транспортным сред- ствам Невысокая стоимость обору- дования системы ДУ Автоматизация всех операций, целе- сообразно сохранение классической компоновки машин Доработкаглубокихкарьеров Цель автоматизации Безопасность людей при спе- циальных работах Безопасность людей при сохранении или повышении производительности Диспетчеризация Традиционная Традиционная Дальность транспортиро- вания Автоматизированное звено: 1-5 км. Перегрузка в карьере на автосамосвалы большей грузоподъемности Высота подъема 100-300 м Объем перевозок 1-5 млн т/год Количество автосамосва- лов в работе 4-20 Грузоподъемность автоса- мосвалов 40-70 т Уклон автодорог Съездов – 20…50 % Средневзвешенный – 15…40 % Производительность Допустимо снижение произ- водительности транспорта на 20% Сохранение производительности от- носительно уровня с оператором в кабине или ее повышение Технологические требова- ния к транспортным сред- ствам Равноценные тягово-динамические качества при переднем и заднем ходе, возможна бескабинная компоновка, двусторонняя разгрузка, стояночный тормоз должен удерживать груженый самосвал на мак- симальном уклоне
- 173. 173 Окончание табл. 4 Перспективныебезлюдныетехнологии Цель автоматизации – Создание горных выработок с опти- мальными параметрами, повышение производительности, возможность применения машин и материалов с повышенным вредным воздействием на людей, сокращение затрат на до- бычу Диспетчеризация Оптимизирующая компьютерная, обеспечивающая высокую произво- дительность и минимальные простои оборудования Дальность транспортиро- вания 4-20 км Высота подъема 200-1000 м Объем перевозок 5-100 млн т/год Производительность Повышенная относительно ручного управления на 10-30% Количество автосамосва- лов в работе 10-100 Грузоподъемность автоса- мосвалов 60-600 т Максимальная техниче- ская скорость движения 70 км/ч Уклон автодорог 8-50 % Технологические требова- ния к транспортным сред- ствам Бескабинные, маневренные, с равно- ценными тягово-динамическими ка- чествами при переднем и заднем ходе, 2- и 4-сторонняя разгрузка, адаптивно управляемая энергосило- вая установка, подстраиваемая под условия движения, стояночный тор- моз должен удерживать груженый самосвал на максимальном уклоне 3. Особенности развития технологий удаленного управления: – этапность внедрения удаленного управления с постепенным переходом на пол- ностью автономные системы; – основные производители горного оборудования уже имеют разработки и в бли- жайшем будущем будут предлагать готовые комплексные решения для автоматизиро- ванных горнотранспортных комплексов и добычных комплексов в целом; – с развитием систем удаленного управления вероятнее всего будет снижаться их стоимость. 4. Основными причинами внедрения удаленного управления являются – отсутствие или наличие потребности в сокращении рабочей силы (персонала); – снижение негативного влияния вредных факторов на персонал и повышение без- опасности труда; – повышение производительности оборудования; – снижение затрат на добычу. 5. Исключение «человеческого фактора» в управлении машинами, вероятнее всего, обеспечит – повышение производительности машин; – бережное управление, а значит, оптимизацию нагрузочных режимов, снижение Областьпри- менения Показатель Вид удаленного управления Дистанционное Роботизированное
- 174. 174 расхода ресурсов (ГСМ, шин, запасных частей и др.) и в некоторой степени увеличение ресурса машин. 6. С развитием систем роботизированного управления и созданием полностью ро- ботизированных горнодобывающих комплексов наступит этап развития «безлюдных» технологий добычи руды, которые, вероятно, будут существенно отличаться от суще- ствующих по параметрам и способам ведения горных работ, что обусловлено отсут- ствием опасного влияния на рабочих. В частности, могут быть увеличены уклоны транс- портных коммуникаций и повышены скорости движения транспортных единиц. 7. Применение роботизированного оборудования потребует внедрения систем дис- петчерской оптимизации работы горнотранспортных комплексов, в основу которых мо- жет быть положена концепция прогнозирования ситуаций и выбора предпочтительных вариантов по заданным критериям, разработанная в ИГД УрО РАН [13]. 8. При развитии безлюдных технологий добычи будет видоизменяться и горное оборудование, в частности, появятся бескабинные компоновки, способные осуществлять челночное безразворотное движение по крутонаклонным съездам. 9. Внедрение машин с удаленным управлением потребует изменения нормативно- технической базы ведения горных работ. Дальнейшее развитие безлюдных технологий добычи потребует также совершенствования нормативно-правовой базы добычи полез- ных ископаемых, когда будут снижаться требования к работе оборудования в рамках горных работ, но повышаться требования к нейтрализации вредного воздействия, оказы- ваемого горными работами на окружающую среду и население. Литература 1. «Создание первого в России роботизированного горного производства» (опи- сание проекта «Интеллектуальный карьер») [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.vistgroup.ru/mof/. – (17.06.2014) 2. SurfaceControlSystem [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rct.net.au/surface-control-system/. – (17.06.2014) 3. Работа при пустой кабине [Электронный ресурс] / Catmagazine. – 2010. – Вы- пуск 2. – С. 6-8. – Режим доступа: http://www.zeppelin.ru/upload/iblock/4bd/Cat_Maga- zine_N2-2010.pdf . – (17.06.2014) 4. Fortescue Metals implements new Caterpillar autonomous mining solution // View- point: perspectives on modern mining (a publication of Caterpillar Global Mining). – 2013 (Is- sue 10). – P. 2-3. 5. Rio Tinto activated Komatsu's autonomous haulage system in Australia [Электронныйресурс]. – Режимдоступа: http://www.komatsu.com/CompanyInfo/press/2008122516111923820.html.– (16.06.2014). 6. Описание системы Sandvik’sAutoMine™ system[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.miningandconstruction.sandvik.com/sandvik/0120/Inter- net/Global/S003715.nsf/GenerateTopFrameset?Read- Form&menu=&view=http%3A//www.miningandconstruction.sandvik.com/sandvik/0120/In- ternet/Global/S003713.nsf/Index/22e4d21836af0147c12577d00038ad83&ban- ner=/sandvik/0120/Internet/Global/S003715.nsf/LookupAdm/BannerForm%3FOpenDocu- ment. – (16.06.2014). 7. Northernstarshinesbright [Электронныйресурс]. – Режимдоступа: http://min- ingandconstruction.com/mining/northern-star-shines-bright-2524/. – (17.06.2014). 8. Технико-технологический комплекс для доработки запасов на глубинных гори- зонтах алмазорудных карьеров / Акишев А.Н., Зырянов И.В., Заровняев Б.Н., Тарасов П.И., Журавлев А.Г. // Горный журнал. – 2012. – №12. – С. 39-43.
- 175. 175 9. Обоснование производительности оборудования при дистанционном управле- нии для карьера «Удачный» / Тарасов П.И., Журавлев А.Г., Черепанов В.А., Акишев А.Н., Шубин Г.В. // Горный журнал. – 2012. – №12. – С. 35-39. 10. Большой энциклопедический словарь [Электронный ресурс] http://dic.aca- demic.ru/dic.nsf/enc3p/68498 . – (17.06.2014) 11. Геологическая энциклопедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_ge- olog/438/%D0%91%D0%B5%D0%B7%D0%BB%D1%8E%D0%B4%D0%BD%D0%B0% D1%8F . – (17.06.2014) 12. Autonomous vs manual haulage trucks - how mine simulation contributes to future haulage system developments [Электронныйресурс]/ Juliana Parreira, John Meech– Режим- доступа: http://www.infomine.com/publications/docs/parreira2010.pdf . – (16.06.2014). 13. Имитационное моделирование и автоматизированное управление горнотранс- портными работами в карьерах / Салахиев Р.Г., Дедюхин А.В., Бахтурин Ю.А., Журав- лев А.Г. // Горный журнал. – 2012. - №1. – С. 82-85.
- 176. 176 УДК 622.68.001.57 Лаптев Юрий Викторович доктор технических наук, заведующий лабораторией управления качеством минерального сырья (УКР), Институт горного дела УрО РАН, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 Титов Роман Сергеевич младший научный сотрудник лаборатории УКР, Институт горного дела УрО РАН Яковлев Андрей Михайлович младший научный сотрудник лаборатории УКР, Институт горного дела УрО РАН Яковлев Михаил Викторович главный специалист по информационному маркетингу, Институт горного дела УрО РАН ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСЧЕТОВ ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОИЗВО- ДИТЕЛЬНОСТИ БОЛЬШЕГРУЗНОГО АВТОТРАНСПОРТА В КАРЬЕРАХ ОАО «УРАЛАСБЕСТ» Laptev Yury V. doctor of technical sciences the laboratory of mineral raw materials quality control, the Institute of Mining UB RAS, 620219, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st. 58 Titov Roman S. junior researcher the laboratory of mineral raw materials quality control, the Institute of Mining UB RAS Jakovlev Andrey M. junior researcher the laboratory of mineral raw materials quality control, the Institute of Mining UB RAS Jakovlev Michail V. leading expert on informational marketing, the Institute of Mining UB RAS SOFTWARE CALCULATIONS OF HEAVY MOTOR TRANSPORT OPTIMAL CAPACITY IN THE "URALASBEST" OPEN PITS Аннотация: В статье описана методика автоматизиро- ванной оценки производительности автосамо- свалов с использованием GPS-приемников, оп- тимизации по функции желательности и ком- плексного программного обеспечения для ана- лиза фактических данных. Ключевые слова: программное обеспечение, ал- горитм, GPS, автотранспорт, оперативное управление процессами, оптимизация, функция желательности Abstract: This article describes the procedure for automated evaluation of dump trucks’ capacity using GPS-re- ceivers, optimization by a desirability function and integrated software for the analysis of actual data Keywords: software, algorithm, GPS, motor transport, the processes’ operational management, optimization, desirability function На сегодняшний день большинство горнодобывающих предприятий оснащены до- статочно широким спектром автоматизированных систем оперативного управления и контроля производственных процессов, а соответственно и различными службами ин- формационного обеспечения этих процессов. Однако из-за несовершенства действующих систем контроля, отсутствия на предприятиях, эксплуатирующих эти системы, единого методического подхода к операции переработки информации о состоянии объекта с це- лью управления, слабой функциональной связи по основным контролируемым показате- лям производства систем контроля различных информационных служб одного предпри- ятия, а также невовлечения в процесс оперативного контроля работников низовых зве- ньев управления – операторов, бригадиров, мастеров – снижается эффективность исполь- зования действующих систем оперативного управления, что приводит к снижению про- изводительности горнотранспортного оборудования и предприятия в целом. Работа выполнена в рамках конкурсного проекта УрО РАН 12-П-5-1028 «Прогноз технологического развития в горнодобывающих отраслях на основе энергосбережения и модернизации геотехники и техно- логии горного производства»
- 177. 177 Возможность коррекции производственного плана на основе текущей информа- ции представляется главной, характерной чертой оперативного планирования. Сочетание неопределенности и динамичности делает исследование оперативного планирования особо сложной задачей как с качественной точки зрения, так и в вычислительном отно- шении. Поэтому исследования, направленные на создание новых систем управления и контроля рабочих процессов горнодобывающих предприятий и развитие методической базы совершенствования этих систем, является актуальной научно-практической задачей. Разработанное программное обеспечение расчета производительности технологи- ческого автомобильного транспорта, работающего на ОАО «Ураласбест», обеспечивает автоматизированный расчет показателя производительности Wч (ткм/ч) и его оптимиза- цию. Исходными данными для расчета в программе являются данные информационной базы о работе автомобильного транспорта в карьерах ОАО «Ураласбест». Информаци- онное наполнение используемой базы данных осуществляется по средствам системы диспетчеризации на основе GPS. Содержание базы представлено массивом данных фак- тических значений показателей работы автотранспорта за смену. Расчет и оптимизация в программе осуществляются согласно рассмотренным выше методикам. Основная идея, заложенная в разработанное программное обеспечение, заключа- ется в минимизации производства ручных операций, таких как подготовка исходных данных к расчету, расчет основных исходных параметров, расчет показателя производи- тельности и его оптимизация, а также ввода числовых значений установленных или по- стоянных показателей. Для этого было сделано следующее: - реализована возможность использования базы данных о работе технологического автотранспорта на ОАО «Ураласбест» в ее исходном содержании, то есть без предвари- тельной обработки получаемых из нее исходных данных, используемых в дальнейшем расчете; - реализована возможность полного использования необходимых для расчета ис- ходных данных базы; - реализована возможность выбора необходимого режима производства расчета; - реализована возможность задания вручную как постоянных значений (констант), так и производства автоматизированного расчета значений основных показателей ра- боты автотранспорта, используемых в дальнейшем расчете производительности; - установлен входной фильтр с целью ограничения в использовании некорректных или ошибочных значений поступающих с базы исходных данных; - реализована возможность производства расчета показателя производительности (Wч, ткм/ч) на разные исходные параметры одновременно (в частности, как на линейное, так и на приведенное расстояние); - реализована возможность расширенной настройки параметров оптимизации для производства оптимизации показателя производительности Wч. С целью использования программы как инструмента для оперативного контроля показателя производительности автосамосвалов схема производства расчетов в ней была реализована по нескольким вариантам, поэтому по составу программу можно условно разделить на три расчетных блока, где: - первый блок – это расчет производительности для одного автосамосвала соответ- ствующей выбранной модели, где для расчета значения исходных данных задаются или рассчитываются; - второй блок – это расчет производительности для одного автосамосвала соответ- ствующей выбранной модели на заданный интервал изменения значений длины транс- портирования, где для расчета значения исходных данных задаются; - третий блок – это расчет производительности и ее оптимизация для автосамосва- лов, работающих в смене, где для расчета исходные данные берутся из базы о работе автотранспорта предприятия.
- 178. 178 Получаемые результаты расчетов представляются программой в виде таблиц, за- полненных значениями соответствующих показателей работы автомобильного транс- порта, которые можно сохранить как электронную таблицу Excel. На рис.1 представлено главное рабочее окно программы. Рис. 1 – Главное рабочее окно программы Рис. 2 – Список операций настройки режима расчета Работа с программой начинается с установки режима расчета, где в панели меню в раскрывающемся разделе Настройки (рис. 2) производится выбор пунктов соответ- ствующих операций, таких как: - расчет по грузоподъемности, вызывает список для выбора одного из двух пунк- тов значения грузоподъемности автосамосвалов используемого в дальнейшем расчете производительности. Расчет в программе может производиться как по установленной на ОАО «Ураласбест» грузоподъемности для каждой модели автосамосвала, так и на номи- нальной; - фактическая загрузка автосамосвалов, вызывает список для выбора одного из двух пунктов, определяющих способ оценки загрузки автосамосвалов. Это используе-
- 179. 179 мые в расчете значения загрузки автосамосвалов, равные установленной грузоподъем- ности или рассчитанные по фактическим данным результатов взвешивания. Рассчитан- ные значения загрузки считываются из специально создаваемого файла. Файл является электронной таблицей, содержащей информацию о результатах взвешивания автосамо- свалов за месяц. Данная таблица представляет накопленные усредненные значения за- грузки по соответствующим моделям самосвалов за месяц на основании данных, посту- пающих с пунктов взвешивания в течение смены; - порядок расчета Тдв и Vт (рис. 3), вызывает список порядка расчета значений времени и технической скорости движения автосамосвалов, используемых в расчете производительности Wч. Представленный список имеет два пункта с реализованными в них расчетами показателей скорости и времени по следующим схемам: при выборе первого пункта скорость движения задается вручную для каж- дой модели автосамосвала отдельно в полях для заполнения скоростей главного окна , ..., . Далее на заданных значениях скорости с учетом исход- ных данных о времени движения Tдв и времени остановок Tост автосамосвалов за смену, значение которых берется из базы данных, рассчитывается время его работы; при выборе второго пункта скорость движения автосамосвалов рассчиты- вается автоматически для каждой модели отдельно. Для этого из базы данных для каж- дого самосвала берутся значения данных времени начала и окончания их работы в тече- ние смены, далее автоматически производится расчет времени их работы в течение смены, затем рассчитывается время движения самосвала за смену его работы Tдв. Далее на основе полученных значений времени движения Tдв и значения общего пробега Lобщ (данные базы) самосвала рассчитывается его скорость движения Vт; - учет подъемов и спусков, вызывает список пунктов настройки для расчета с учетом высот подъемов и спусков или без их учета (рис. 4). Рис. 3 – Список пунктов порядка расчета скорости и времени движения автосамосвала Рис. 4 – Список пунктов настройки порядка расчета с учетом данных о высотах подъема и спуска Отмечая соответствующий пункт, далее при проведении расчета программа авто- матически формирует таблицы (рис. 5 и 6) для задания значений высот подъемов и спус- ков.
- 180. 180 Для исключения ошибок в расчете производительности, появление которых воз- можно из-за возникающих ошибок при формировании исходной базы данных показате- лей работы автосамосвалов ОАО «Ураласбест» в формате *.dbf, в программе задейство- ван входной фильтр; - входной фильтр, вызывает список пунктов установки ограничений по значениям в поступающих из базы исходных данных соответствующих показателей, используемых в расчете (см. рис. 5). Фильтр имеет возможность производить отсев некорректных дан- ных по рассчитанной скорости движения Vт, по общему пробегу автосамосвала за смену Lобщ, по времени остановок самосвалов за смену Tост, по значению минимальной и мак- симальной продолжительности смены Тсм. При выборе любого из пунктов фильтра вы- зывается диалоговое окно (см. рис. 6), в котором пользователь устанавливает необходи- мые числовые значения ограничений для соответствующих показателей входящих ис- ходных данных. Значения вводятся вручную в поля, расположенные напортив подписи показателя и условия ограничения, после ввода нажимается кнопка ; Рис. 5 – Список пунктов входного фильтра . Рис. 6 – Диалоговое окно входного фильтра - заполнение таблицы подъемов и спусков, вызывает список пунктов, определя- ющих использование того или иного оценочного показателя высоты транспортирования для заполнения таблицы высот подъемов и спусков (рис. 7).
- 181. 181 Рис. 7 – Список пунктов, определяющих использование показателя высоты транспортирования После установки режима расчета производится непосредственный расчет показа- теля производительности Wч, где она определяется следующим выражением: км/чт, р-птпр прту чп tvl lvq W , (1) где qу – установленная грузоподъемность для соответствующей модели автосамосвала, т; tп-р – величина времени погрузо-разгрузочных операций за рейс, ч; lпр – линейное (фактическое) расстояние транспортирования, км. км1,0)( ccппргпр HkНkll , (2) где lрг – линейное (фактическое) расстояние транспортирования, км; Нп, Нс – соответственно, высота подъема и спуска, км; kп, kс – коэффициенты приведения высоты подъема и, соответственно, спуска к гори- зонтальному пути. Как уже было отмечено выше, для оперативности проведения расчета в программе реализованы три расчетных блока. Поэтому интерфейс рабочего окна программы был разработан так, чтобы обеспечить удобства пользователю в производстве расчета одно- временно по трем блокам. Для этого главное рабочие окно программы было разделено на три панели (рис. 7), в каждой из которых был реализован свой блок расчета. Рис. 7 – Главное рабочее окно, разделенное на три панели
- 182. 182 В первой панели, она отмечена цифрой I на рис. 7, расчет производится по одной выбранной модели самосвала в поле панели qу ( ). Поля показателей Vт и tп-р заполняются пользователем вручную соответствующими значениями. Поля показа- телей β, lргп и Tр также могут заполняться вручную или расчетными значениями. Для этого необходимо задать субрасчетные параметры по кнопке . Нажав на эту кнопку, получаем диалоговое окно, в котором задаются эти параметры. На рис. 8 пред- ставлены диалоговые окна для соответствующего расчетного показателя. Рис. 8 – Диалоговые окна задания субрасчетных параметров Во второй панели, она отмечена цифрой II на рис. 7, расчет производится по одной выбранной модели самосвала в поле панели qу ( ). Поля показателей Vт , tп-р, β и Тр заполняются пользователем вручную соответствующими значениями. Поля lнач и lкон также заполняются вручную, где задается вариация значения приведенного рас- стояния транспортирования. После заполнения всех полей нажатием кнопки в правом поле панели формируется таблица (рис. 9) значений производительности, рассчитанных на заданном интервале значений приведенного расстояния с минимальным шагом 0,1 км. Нажатие на кнопку , размещенную в правом нижнем углу панели II (см. рис. 7), позволяет сохранить таблицу в формате Excel или txt. Рис. 9 – Таблица расчетных значений показателя производительности
- 183. 183 В третьей панели, она отмечена цифрой III на рис. 7, расчет производится по одной выбранной модели самосвала или по всем сразу. Для этого в поле панели qу выбираем соответствующее значение или . В правой части панели представлены поля v30 ...v125 для ручного задания среднетехнической скорости движения для каждой модели автосамосвалов. Скорость, заданная вручную, принимается в расчете как пока- затель работы автосамосвала только тогда, когда в меню раздела Настройки “Порядок расчета Тдв и Vт” выставлены следующие настройки: . В другом варианте настройки параметр скорости рассчитывается и принимается в даль- нейших расчетах как расчетное значение. Эта панель программы является основной, в ней производится как расчет, так и последующая оптимизация показателя производительности автосамосвалов. Расчет производится на исходных данных, загружаемых с базы о работе автосамосвалов ОАО «Ураласбест». После загрузки файла из базы в зависимости от выставленных настроек расчета в меню раздела Настройки (см. рис. 2) будем иметь следующее: - при выставленных настройках “Учет подъемов и спусков” “ Не учитывать подъемы и спуски” – расчет производительности Wч производится на линейное рассто- яние транспортирования lрг с последующим формирование таблицы (рис. 10) результа- тов расчета. Вывод таблицы производится нажатием на кнопку панели III . Рис. 10 – Окно таблицы расчетных значений производительности Wч При нажатии на кнопку «Таблица оптим.» в правом нижнем углу таблицы на экран выводится окно таблицы оптимизации (окно оптимизации рассматривается ниже), кнопка «Сохранить» выводит диалоговое окно для сохранения расчетной таблицы в фор- мате Excel.
- 184. 184 - при выставленных настройках “Учет подъемов и спусков” “Заполнять таблицу высот подъемов и спусков” – производительность Wч рассчитывается на приведенное расстояние транспортирования lргп. При этом после загрузки файла базы с кнопки в поле экрана автоматически появится «таблица высот подъемов и спусков». Вид таб- лицы (в частности, поля таблицы для заполнения значениями высот) будет зависеть от выставленных настроек заполнения таблицы в меню раздела Настройки. Если в разделе Настройки установлен пункт “Заполнение таблицы подъемов и спусков” “высотными отметками”, то таблица имеет вид, представленный на рис. 11. В данном случае таблица заполняется значениями разницы высотных отметок горизонта установки погрузочного экскаватора и горизонта размещения перегрузочного пункта, где в полях таблицы «От- метка 1 (м)» и «Отметка 2 (м)» отображаются соответствующие значения рассчитанных высотных отметок. Рис. 11 – Окно таблицы расчета приведенных расстояний высотными отметками При установке настройки “Заполнение таблицы подъемов и спусков” с указанием пункта “высотными отметками” вид таблицы будет как на рис. 12. Таблица заполняется значениями высот подъемов и спусков по соответствующему маршруту забойный экскаватор – перегрузочный пункт, предоставляемыми маркшей- дерским отделом предприятия, где в полях таблицы «Подъем (м)» и «Спуск (м)» отоб- ражаются соответствующие заданные значения высот подъемов и спусков. Заполнение полей таблиц можно осуществлять как автоматически при нажатии на соответствующую кнопку, так и в ручном режиме непосредственно в границах поля. Выполняемые опера- ции при нажатии на кнопки, расположенные с правой стороны и внизу таблицы, а также поля для заполнения соответствующих значений, за исключением отмеченных выше, яв- ляются одинаковыми для обеих представленных таблиц. Для производства автоматизированного заполнения полей высот в таблицах рис. 11 и 12 нужно воспользоваться «таблицей высотных отметок» (рис. 13), для вывода этой таблицы на экран используется кнопка “Таблица отметок”, размещенная в нижней части окна «таблицы высот подъемов и спусков». 1 2 3 4 5
- 185. 185 Рис. 12 – Окно таблицы расчета приведенных расстояний заданием высот подъемов и спусков Для производства автоматизированного заполнения полей высот в таблицах рис. 11 и 12 нужно воспользоваться «таблицей высотных отметок» (рис. 13), для вывода этой таблицы на экран используется кнопка “Таблица отметок” , размещенная в нижней части окна «Таблицы высот подъемов и спусков». В появившейся «таблице высотных отметок» (см. рис. 13) при нажатии на кнопки “Маршруты за текущую смену” или “Маршруты за текущий месяц” программа произ- водит анализ, произведенных маршрутов за эти периоды и выдает список номеров экс- каваторов и перегрузочных пунктов в полях таблицы «Откуда», «Куда» соответственно (анализируемые данные поступают из базы о работе автотранспорта ОАО «Уралас- бест»). Рис. 13 – Окно таблицы задания импорта и экспорта высотных отметок
- 186. 186 Далее в полях таблицы «Отметка (м)» необходимо выставить высотные отметки. Выставленные значения отметок можно будет сохранить для последующего их исполь- зования, нажав на кнопку ”Сохранить отметки” в формате Excel. Нажатием кнопки ”За- грузить отметки” сохраненную таблицу с заданными значениями высот можно загрузить и использовать для работы с другой сменой, для которой будет производиться расчет Wч или грузоподъемность самосвалов. Кнопки, расположенные в нижней правой части таблицы на рис. 13 (выделены жел- тым овалом), производят операции выбора метода отображения получаемого результата и заполнение «таблицы высот подъемов и спусков» (см. рис. 11, 12). После того, как заполнили все поля «таблицы высот подъемов и спусков», в ней же рассчитывается производительность Wч (ткм/ч) по соответствующему маршруту от- дельно, значение которой отображаются в крайнем правом поле таблице при нажатии кнопки ”Таблица для маршрутов»” (см. рис. 12, кнопка обведена фиолетовым овалом). Далее, нажав на кнопку ”Таблица автосамосвалов” , расположенную в правой ниж- ней части «таблицы высот подъемов и спусков» (см. рис. 12, кнопка обведена зеленым овалом), переходим в окно «таблицы расчета» (рис. 14). Рис. 14 – Окно результирующей таблицы расчета производительности автосамосвала соответствующей грузоподъемности В выведенной на экран «таблице расчета» (см. рис. 14) отображаются расчетные значения производительности автосамосвала (Wч , Wчп) и параметры его работы участву- ющие в расчете. Расчет производится для соответствующей модели автосамосвала. За- дание модели в программе осуществляется через его грузоподъемность. Для этого в па- нели III (см. рис. 14) в поле qy выбирается нужное значение грузоподъемности соответ- ствующее модели автосамосвала. Так же расчет производится с учетом приведенных и линейных расстояний транспортирования, значение которых отображено в соответству- ющих полях таблицы. Значения приведенных расстояний для расчета загружаются из «таблицы высот подъемов и спусков» (см. рис. 11, 12), а линейных – из базы данных о работе автотранспорта на ОАО «Ураласбест». В правом нижнем углу «таблицы расчета» (см. рис. 14) размещены две кнопки (об- ведены черным овалом) ”Таблица оптим.”и ”Сохранить”, позволяющие выводить на Грузоподъемность а/с, т Лин. и привед. расстояние, км Производ. т-км/ч
- 187. 187 экран окно таблицы оптимизации и диалоговое окно для сохранения этой таблицы в фор- мате Excel. Для производства оптимизации показателя производительности автосамосвала в программе разработан отдельный блок оптимизации. Определение оптимальной производительности технологического автомобильного транспорта на ОАО «Ураласбест» осуществляется на основе расчетной схемы построе- ния обобщенной функции желательности [1, 2, 3]. Алгоритм построения обобщенной функции желательности включает в себя следу- ющее: установление критериев оптимизации x (параметры функции желательности). В данном случае в качестве оптимизируемых принимаются три критерия: это параметры работы автосамосвала, являющиеся аргументами функции производительности Wч: при- веденное расстояние транспортирования lпр; среднетехническая скорость движения ав- тосамосвала vт; время работы автосамосвала за принятый оценочный период времени, смену Tр; далее осуществляется построение шкалы желательности, устанавливающей со- отношение между значением отклика f(x) и соответствующим значением частной функ- ции желательности d; вычисление частных функций желательности d (количество вы- числяемых функций d определяется в соответствии с числом выбранных критериев оп- тимизации); вычисления обобщенной функции желательности D. Обобщенная функция желательности определяется соотношением [1, 2, 3] ,... /1 1 21 nN i i n n ddddD (3) где di – частные функции желательности. Частная функция желательности имеет экспоненциальную зависимость вида )]}(exp[exp{ xfd . (4) ii xbbxf 10)( . (5) где b0, b1 – коэффициенты, определяемые заданными интервалами изменения f(x); xi – оптимизируемые параметры. Решение функции f (xi) находится из преобразования факторов оптимизации в со- ответствующую фактору функцию f. Значение функции f (xi) находятся из условий ii fff xxx maxmin . (6) Проведение оптимизации возможно только после формирования полностью запол- ненной «таблицы расчета» (см. рис. 14). Из «таблицы расчета» нажатием на кнопку ”Таб- лица оптим.” выходим в окно таблицы оптимизации (рис. 15). Нахождение оптимального значения производительности Wч в «таблице оптимиза- ции» производится в автоматическом режиме с возможностью корректировки исходных данных и условий оптимизации. Критериями оптимизации служат рассчитанные вели- чины показателей работы автомобильного транспорта в «таблице расчета» (см. рис. 14). Поле окна «таблицы оптимизации» разделено на две части: таблицу с расчетными значениями (обведена оранжевым овалом); панель задания условий оптимизации (обве- дена синим овалом). В качестве примера в табл. 1 представлены результаты расчета оптимизационных функций желательности для автосамосвала БелАЗ-7555В. В таблице строкой с оптималь- ным значением производительности автосамосвала Wч является та, которой соответ- ствует наибольшее значение обобщенной функции D. В представленном примере это строка с номером варианта пять.
- 188. 188 Рис. 15 – Окно таблицы оптимизации показателя производительности автосамосвала Т а б л и ц а 1 Оптимизационная таблица производительности автосамосвала БелАЗ-7555В (51 т) за 04.20.11г., 1 смена № п./ п. Wч (т·км/ ч) Tр (ч) lрг (км) Vт (км/ч) f(Tр) f(lрг) f(Vt) d(Tр) d(lрг) d(Vt) D 1 471 7,08 5,871 21,92 -4 4 4 0 0,9819 0,9819 0 2 452,2 7,15 5,338 21,263 -3,0968 3,1119 3,1107 0 0,9565 0,9564 0 3 432,7 7,22 4,804 20,607 -2,1935 2,222 2,2227 0,0001 0,8973 0,8973 0,0432 4 412,4 7,29 4,271 19,95 -1,2903 1,3339 1,3333 0,0264 0,7684 0,7683 0,2498 5 391 7,36 3,737 19,293 -0,3871 0,4441 0,444 0,2293 0,5266 0,5265 0,3991 6 368,2 7,42 3,204 18,637 0,3871 -0,4441 -0,444 0,5071 0,2103 0,2104 0,2821 7 343 7,49 2,67 17,98 1,2903 -1,3339 -1,3333 0,7594 0,0225 0,0225 0,0727 8 314,3 7,56 2,137 17,323 2,1935 -2,222 -2,2227 0,8945 0,0001 0,0001 0,0021 9 279,6 7,63 1,603 16,667 3,0968 -3,1119 -3,1107 0,9558 0 0 0 10 233,5 7,7 1,07 16,01 4 -4 -4 0,9819 0 0 0 На основе выполненных работ по программному обеспечению расчетов оптималь- ной производительности большегрузного автомобильного автотранспорта в карьерах ОАО «Ураласбест» можно сделать следующие выводы: - алгоритм планирования горно-транспортных работ на ОАО «Ураласбест» может производиться на основе оптимизационных расчетов по схеме обобщенной функции же- лательности; - оптимизационная схема планирования горно-транспортных работ позволяет по- лучить рациональные параметры производительности функционирования автомобиль- ного транспорта в карьерах ОАО «Ураласбест». Критерии оптимизации
- 189. 189 Литература 1. Ахназарова С. Л. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии/ С. Л. Ахназарова, В. В. Кафаров. – М.: Высшая школа, 1978.– 310 с. 2. Рубинштейн Ю. Б. Математические методы в обогащении полезных ископаемых / Ю. Б. Рубинштейн, Л. А. Волков. – М.: Недра, 1987. – 296 с. 3. Рузинов Л. Планирование эксперимента в химии и химической технологии/ Л. П. Рузинов, Р. И. Слободчикова. – М.: Химия, 1980. – 345 с.
- 190. 190 УДК 622.771:621.928:504 Борисков Федор Федорович кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории управления качеством минерального сырья (УКР), Институт горного дела УрО РАН, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 Кантемиров Валерий Даниилович кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории УКР, Институт горного дела УрО РАН, e-mail: ukrkant@mail.ru ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ МЕТОДЫ РУДОПОДГОТОВКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИПОЛЯРНОГО УРАЛА Boriskov Fyodor F. candidate of geology and mineralogy, senior research assistant of the laboratory of mineral raw materials quality control, the Institute of Mining UB RAS 620219 Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58 Kantemirov Valery D. candidate of technical sciences, senior research assistant of the laboratory of mineral raw materials quality control, the Institute of Mining UB RAS e-mail: ukrkant@mail.ru ENVIRONMENTALLY SAFE METHODS OF MINERAL RAW MATERIALS PRETREAT- MENT MINING THE DEPOSITS IN THE POLAR URALS Аннотация: В статье авторы предлагают ряд перспектив- ных сухих методов предварительной концен- трации полезных компонентов, направленных на повышение экологической безопасности гор- ных работ. Ключевые слова: Приполярный Урал, экоси- стема, минеральное сырье, колчеданные медно- цинковые руды, хромиты, золотосодержащие руды, железные руды, рудоподготовка, схема обогащения Abstract: In the article, the authors propose a number of promising dry methods of commercial components preliminary concentration aimed at increasing the environmental safety of mining operations. Keywords: the Sub-polar Urals, ecosystem, min- eral raw materials, sulphide copper-zinc ores, chromites, auriferous ores, iron ores, ore pretreat- ment, processing flow sheet Приполярный Урал в перспективе может стать новой сырьевой базой для чер- ной и цветной металлургии Уральского региона. В настоящее время запасы рудных по- лезных ископаемых Приполярного Урала представлены в основном прогнозными ре- сурсами в категориях Р1, Р2, Р3. По предварительным данным, Приполярный Урал рас- полагает запасами более 1 млрд. т железной руды, сотнями миллионов тонн медной и хромовой руды, значительными запасами рудного золота и высококачественного квар- цевого сырья. Характерными особенностями территорий Северного и Приполярного Урала яв- ляются суровые природно-климатические условия, повышенная уязвимость экосистемы, практически полное отсутствие инфраструктуры, производственной базы и трудовых ре- сурсов. Наряду с затратным развитием инфраструктуры региона острой проблемой при освоении месторождений является снижение рисков загрязнения уникальной природы токсичными отходами производства, которые могут образоваться при добыче и перера- ботке полезных ископаемых и в первую очередь медноколчеданных руд. Разработка кол- чеданных месторождений сопровождается формированием особой техногенной среды, сопровождающимся резким нарушением природного равновесия, что обусловлено до- ступом кислорода воздуха, углекислого газа и поверхностных вод, обогащенных кисло- родом, к сульфидным рудам при их добыче [1]. В кислородной среде у сульфидов, в со- Работа выполнена в рамках конкурсного проекта УрО РАН 12-М-23457-2041 «Освоение недр Земли: перспективы расширения и комплексного освоения рудной минерально-сырьевой базы горно-металлур- гического комплекса Урала»
- 191. 191 став которых входят неметаллы с полным заполнением электронных оболочек электро- нами (S2– , As3– и т.п.) и металлы (Fe2+ , Cu+ и т.д.) с низкой степенью окисления, резко проявляется химический потенциал (способность веществ к химическим изменениям). При обнажении сульфидсодержащих горных пород в процессе их разработки сульфиды окисляются с выделением тепла и образованием серной кислоты, сульфатов меди, цинка, железа и других токсикантов, которые проникают в грунтовые воды. Образование ток- сикантов в сульфидсодержащих отвалах и загрязнение ими природы продолжается де- сятки и сотни лет [2]. Скорость окисления сульфидов в дисперсных материалах выше, чем в крупнокусковых отложениях. Например, в хвостохранилище Кировоградской обо- гатительной фабрики (Свердловская обл.) в начале ее эксплуатации в хвостохранилище поступали пиритные хвосты с содержанием меди 0,36 %, цинка 3,0 %. Через 30 лет в хвостах были обнаружены только следы меди, а концентрация цинка снизилась до 0,59 % [3]. Развитие этих химических процессов приводит к повышенному загрязнению грун- товых вод, что хорошо видно на примере анализа хвостов Учалинского ГОКа. Водная вытяжка из хвостов Учалинской ОФ, пролежавших 1 – 2 месяца на поверхности хвосто- хранилища, отличается кислой реакцией (рН = 2 ÷ 3 за счет образования серной кислоты) и высоким содержанием водорастворимых форм металлов. При этом концентрация меди, цинка и железа в водной вытяжке достигает, соответственно, 786; 3460 и 9050 мг/л, что в десятки тысяч раз выше ПДК [4]. Процессы окисления сульфидов и преобразование продуктов реакций могут раз- виваться при обогащении руд колчеданных месторождений ХМАО, особенно с исполь- зованием флотационных методов, основанных на применении токсичных реагентов, и при размещении на поверхности Земли тонкодисперсных сульфидсодержащих хвостов обогащения – источников серной кислоты и сульфатов тяжелых цветных металлов. Пол- ный цикл получения сульфидных концентратов флотацией на территории ХМАО, пред- лагаемый рядом исследователей, является экологически опасным направлением для лег- коранимой экологии Приполярного Урала, богатой нерестилищами сиговых (р. Манья) и обитанием эндемичных (нельма) и ценных видов рыб (сосьвинская селедка, муксун, чир и др.). При переработке колчеданных руд месторождений Приполярного Урала предла- гается применять сухие методы концентрирования ценных компонентов в промпродукт на основе использования современных рентгенорадиометрических (РРС) и барабанных коронных электростатических (ЭС) сепараторов [5] (рис. 1). В результате сухого способа обогащения после переработки 1 млн. т руды с со- держанием меди 1,9 % и цинка 1,65 % может быть получено порядка 240 тыс. т медно- цинкового концентрата с содержанием 7,77 % меди и 6,63 % цинка, соответственно, а также хвостов обогащения в объемах ~560 тыс. т, которые складируются в специальный отвал. Медно-цинковый концентрат предусмотрено отгружать железнодорожным транс- портом (на планируемую к строительству железную дорогу Полуночное – Обская) на медеплавильные заводы Уральского региона для последующей переработки. Рудоподготовка в местах добычи на Приполярном Урале железных, золотосодер- жащих руд и хромитов также должна быть организована исключительно с помощью сухих методов предварительного обогащения. В табл. 1 представлены рекомендуемые методы предварительного обогащения и примерные объемы переработки сырья твердых полезных ископаемых Приполярного Урала на первой стадии освоения, на рис. 2, 3 пред- ставлены технологические схемы с экологически безопасными физическими методами рудоподготовки хромитов и золотосодержащих руд ХМАО. Для предварительного обогащения медно-цинковой руды и хромитов предлага- ется использовать рентгенорадиометрическую сепарацию с использованием сепараторов типа СРФ 4-150 (Россия). РРС является сухим процессом и может быть осуществлена непосредственно в районе добычи руды, ее эффективность возрастает при обогащении крупнокускового материала.
- 192. 192 Рис. 1 – Принципиальная схема предварительного сухого обогащения медно-цинковой руды Исходная руда 1000 тыс. т (Содержание медь/цинк: 1,90/1,65 %)
- 193. 193 Т а б л и ц а 1 Методы и объемы предварительного обогащения сырья Полезное ископаемое Содержание ценного компонента в руде/в кон- центрате Методы предварительного обогащения Объем добычи/ объем промежуточного концентрата, тыс. т/год Хромиты (Cr2O3) 35 % 47 % Дробление – сортировка – рентгено- радиометрическая сепарация 200 60 Медно-цинко- вая руда (медь/цинк) 1,9/1,65 % 7,77/6,63 % Дробление – сортировка – рентгено- радиометрическая сепарация – элек- тростатическая сепарация 1000 240 Золото (руда) 4 г/т 7,5 г/т Дробление – сортировка – фотомет- рическая сепарация 1000 560 Железная руда 32 % 50 % Дробление – сортировка – сухая магнитная сепарация 8000 3500 Рис. 2 – Принципиальная схема предварительного обогащения хромитов
- 194. 194 Рис. 3 – Принципиальная схема обогащения золотосодержащей руды Для предварительного обогащения золотосодержащей руды предполагается ис- пользовать фотометрическую сепарацию с применением полихромного фотометриче- ского сепаратора типа «Commodas Primary Optical 1200» (Германия). Намеченные для первоочередной разработки месторождения коренного золота представлены золото- сульфидными типами оруденения с присутствием свободного золота, по составу близ- кими к «сухоложскому» типу месторождений. Рудоносные зоны первоочередной раз- работки имеют участки с высоким содержанием и крупным самородным золотом, что позволит эффективно использовать фотометрическую сепарацию. Для обогащения магнетитовых руд Приполярного Урала (рис. 4) предлагается ис- пользовать метод сухой магнитной сепарации (СМС) с использованием магнитных Рис. 4 – Принципиальная схема переработки железных руд ХМАО
- 195. 195 сепараторов типа 189А-СЭ (Россия), предназначенных для обогащения крупнокусковой магнетитовой руды. В результате сухого способа обогащения после переработки 8 млн. т руды с содержанием железа 32 – 35 % предполагается получать до 3,5 млн. т промпродукта с содержанием железа ~50 %. Положительными факторами предварительного обогащения являются: - возможность в «голове» технологической схемы выделить значительную часть отвальных хвостов и бедных руд; - возможность существенно снизить количество углеродистых пород в перераба- тываемом материале; - снижение капитальных и эксплуатационных затрат за счет уменьшения количе- ства материала, поступающего на глубокое обогащение; - снижение экологической нагрузки на уникальную природу Приполярного Урала [6]. Выводы При выборе технологий обогащения минерального сырья на Приполярном Урале рекомендуются следующие подходы: - использование сухих методов предварительного обогащения без применения глубоких стадий обогащения и химических реагентов с целью исключения негативного воздействия продуктов обогащения на окружающую среду; - предварительное обогащение на промышленной площадке предприятий произ- водится стадиальным дроблением, грохочением и сепарацией сырья с отсечением некон- диционных руд и сопутствующих пород; полученный промежуточный продукт (концен- трат) вывозится в освоенные индустриальные регионы Урала для последующей перера- ботки; - комплексное использование ресурсов; хвосты предварительного обогащения (некондиционное сырье и сопутствующие породы) являются сырьем для производства щебня различного назначения. Предварительная технико-экономическая оценка эффективности освоения место- рождений твердых полезных ископаемых Приполярного Урала показывает, что доста- точно эффективной является разработка медных, хромитовых и магнетитовых руд с по- вышенным содержанием ценных компонентов и поставкой промпродуктов на комби- наты Урала для глубокого обогащения. Литература 1. Борисков Ф. Ф. Получение гидроминерального сырья из пиритных хвостов обо- гащения колчеданных руд / Ф. Ф. Борисков, Л. О. Макаранец, Н. А. Филиппова // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2004. – № 10. – C. 328 - 333. 2. Подуст А. Н. Техногенные образования как источник загрязнения окружающей среды / А. Н. Подуст // Техноген-98. Вторая выставка и НТК по переработке техноген- ных образований (Екатеринбург, 10-13.02.98): офиц. каталог: тез. докл. / Координац. Со- вет по реализации программы, ГНЦ, Уральский ин-т металлов и др. – Екатеринбург, 1998. – С. 24-25. 3. Дренажные воды – источник техногенного гидроминерального сырья на Урале / О. Н. Грязнов, С.В. Палкин, В.П. Новиков и др .// Изв. вуз. Горный журнал. – 1997. – № 11-12. – С. 58 - 65. 4. Чуянов Г. Г. Хвостовое хозяйство обогатительных фабрик / Г.Г. Чуянов // Изв. вуз. Горный журнал. –1997. – № 11-12. – С. 130-174. 5. Шихов Н. В. Обоснование параметров барабанного коронно-электростатиче- ского сепаратора повышенной удельной производительности: автореф. дис. … канд. техн. наук / Н. В. Шихов; Институт «Уралмеханобр». – Екатеринбург, 2010. – 24 с.
- 196. 196 6. Борисков Ф. Ф. Минимизация экологического ущерба в районах с повышенной экологической чувствительностью к переработке колчеданных руд / Ф. Ф. Борисков, В.Д. Кантемиров //Фундаментальные основы технологий переработки и утилизации тех- ногенных отходов : труды Международного конгресса "ТЕХНОГЕН - 2012", посвящ. 80- летию науки на Урале / РАН, Науч. совет по металлургии и металловед. РАН, УрФУ и др. – Екатеринбург: ООО "УИПЦ", 2012. – С. 369 - 371.
- 197. 197 УДК 622.012.2.013:658.11.011.1]:622.85:504.06 Антонинова Наталья Юрьевна кандидат технических наук, заведующая лабораторией экологии горного производства, Институт горного дела УрО РАН, 620219, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 Славиковская Юлия Олеговна кандидат экономических наук, старший научный сотрудник лаборатории экологии горного производства, Институт горного дела УрО РАН Шубина Любовь Андреевна научный сотрудник лаборатории экологии горного производства, Институт горного дела УрО РАН, e-mail: geoeco@igduran.ru ОЦЕНКА ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ ПРИ ВОЗОБНОВЛЕНИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Antoninova Natalya Y. candidate of technical sciences, the head of the laboratory of mining production ecology, The Institute of Mining the Ural Branch of RAS, 620219, Russia, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58 Slavikovskaya Yuliya O. senior researcher, candidate of economic sciences the laboratory of mining production ecology, The Institute of Mining, the Ural Branch of RAS Shubina Lubov A. a researcher, the laboratory of mining production ecology, The Institute of Mining, the Ural Branch of RAS e-mail: geoeco@igduran.ru EVALUATION GEO-ECOLOGICAL RISKS RESUMING MINERAL RESOURCES MINING Аннотация: В целях выявления чувствительности проекта к эколого-экономическим рискам выполнен ком- плекс исследований по их оценке. Произведена оценка экологической безопасности и экономи- ческой эффективности проекта при условии из- менения платности и возмездности наносимого ущерба компонентам природной среды при раз- работке месторождения полезных ископаемых. Ключевые слова: месторождение, геоэкологиче- ские риски, окружающая среда Abstract: For the purpose of revealing the project’s sensitivity to ecological and economic risks the complex of re- searches on their assessment is executed. The as- sessment of ecological safety and economic effi- ciency of the project under the condition of changing the caused damage’s payment and recovery to envi- ronment components while mining the deposits of mineral resources is performed. Keywords: mineral resource, geo-environmental risks, environment Одним из актуальных вопросов развития промышленного производства в Южной Осетии является возобновление работы Квайсинского рудника, осваивавшего одно- именное месторождение свинцово-цинковых руд в 1950–1995 гг. Промышленные за- пасы Вольхохского участка Квайсинского месторождения (Проток. № 3344 засед. ЦК по запасам полезных ископаемых от 23.04.1990) составляют 2217,0 тыс. т по категории В+С1. В настоящее время рассматривается вопрос о восстановлении работы на старой технологической основе, с созданием (реконструкцией) предприятия с использованием новых технических решений и оборудования (рис. 1). С деятельностью Квайсинского рудника и его обогатительной фабрики в период эксплуатации связано комплексное ухудшение экологического состояния окружающей среды (ОС). Зона негативного влияния имеет значительную площадь на территории Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-05-96038 и в рамках научно-исследова- тельского проекта 12-М-23457-2041
- 198. 198 Кударского ущелья (табл. 1), а применяемые системы разработки месторождения ока- зали разрушительное воздействие на почвы района, горные ландшафты и поверхност- ные водные источники (табл. 2, рис. 2, 3.). Основными информативными показателями степени антропогенной трансформа- ции окружающей среды района функционирования предприятия при оценке экологиче- ских рисков возобновления работ являются – растительный экоиндикатор - виды растений, по признакам которых возможна оценка экологических режимов природного комплекса; – водонепроницаемость рельефообразующих пород; – наличие/отсутствие загрязнения почвенного слоя; – содержание гумуса в почве; – площадь очагов техногенного воздействия (нарушенных земель); – площадь земель, подверженных эрозии; – объем выбросов в атмосферу; – загрязнение поверхностных вод. Оруденение Вальхохского участка залегало в интервале глубин 1950 м (поверх- ность) – 1450 м с вертикальным размахом 500 м. Верхняя часть рудных тел участка до горизонта штольни 85 (абс. отметка 1780,5 м) отработана. Горнотехнические условия Вальхохского участка идентичны условиям Квайсинского участка. Отличие лишь в не- значительном развитии в его пределах верхнеюрских известняков. Породы байоса пред- ставлены туфопесчаниками, туфами и дацитами (альбитофирами). Коэффициент крепости свинцово-цинковых руд по шкале проф. Протодьяконова составляет 7 – 13, вмещающих пород 8 – 16, в зонах гидротермального изменения и рассланцевания 3 – 6 [1]. Рельеф Кударского ущелья – среднегорный и высокогорный – представлен серией высоких водораздельных хребтов с резко очерченными контурами, крутыми склонами и расчленен глубокими ущельями рек. Также в районах ведения горных работ и на территории г. Квайси отмечено [4] загрязнение верхних почвенных слоев медью и кадмием. Накопление тяжелых металлов в почвах связано с переходом их подвижных форм в сезонные и многолетние растения, что отражается на состоянии лесных массивов и растительных сообществ. Отработка запасов месторождения будет сопряжена с дополнительным наруше- нием земной поверхности. Выемка полезных ископаемых с применением технологий с обрушениями приводит к нарушению равновесия окружающего массива пород и дефор- мации земной поверхности. При этом необходимо отметить, что рассматриваемая тер- ритория уже нарушена прошлой хозяйственной деятельностью предприятий. Обязатель- ной частью проекта возобновления работ будет проект рекультивации (технического и биологического этапов). На территории рудника отмечены деформации массива пород и земной поверх- ности: развитие зон трещиноватости или уплотнения массива вмещающих пород, про- гибы поверхностей. Отмечено [5] наличие 5 провалов глубиной от 30 до 40 м, длиной около 100 и шириной около 50 м , которые приурочены к зоне интенсивной тектониче- ской нарушенности. Отработка запасов на первом этапе (Вальхокский участок) будет сопряжена с дополнительным нарушением земной поверхности: площадью пром- площадки не менее 17 га и площадью действующего хвостохранилища Квайсинской обо- гатительной фабрики – 512 га, где к 2002 году заскладировано около 20 млн т хвостов обогащения.
- 199. 199 Рис. 1 – Существующее положение в районе возобновления горных работ обогатительная фабрика шламохранилище
- 200. 200 Доминирующим путем распространения загрязнений водной среды будет яв- ляться система поверхностных вод. Т а б л и ц а 1 Зоны экологических изменений лесных массивов Кударского ущелья [3] Т а б л и ц а 2 Содержание загрязняющих веществ в поверхностных водах Кударского ущелья Река Содержание загрязняющих веществ (мг/дм3 ) Свинец Цинк Медь Джоджора 4,5 3,9 2,2 Квайса-дон 3,2 3,9 2,1 Навардаз-дон 3,1 2,2 1,2 Гремула 2,2 2,2 1,2 ПДКрх 0,001 0,01 0,01 Лесные массивы Отдаленность от источников за- грязнений Зоны экологических из- менений Результаты экологических изменений и нару- шений Квайсинский 0,5 – 5 км Зона сильных нару- шений и загрязнений Гибель лесных массивов, коренных сооб- ществ, деформирование деревьевНадарвазский Кировский 5 – 20 км Зона умеренных нару- шений и загрязнений Угнетение и гибель части лесных масси- вов, замена их более устойчивыми к но- вым условиям Ерцойский Цонский Кобетский 30 – 50 км Зона слабых наруше- ний и загрязнений Незначительные воздействия на лесные массивы. Нет экологических нарушений и загрязнений Джалабетский Карзманский Рис.2 – Характеристика химического загрязнения почв района проведения работ Рис.2 – Характеристика химического загрязнения почв района проведения работ
- 201. 201 Существующие методики оценки экологических рисков и управления ими ори- ентированы преимущественно на доминирующие факторы. При анализе рисков возоб- новления работы рассматриваемого рудника доминирующими факторами риска явля- ется изъятие земельных ресурсов, загрязнение растительного покрова при транспорти- ровке руды, загрязнение ручья Буби-ком-дон при сбросе в него дренажных вод, а также пыление с поверхности отвалов и хвостохранилища. Прогнозируемое воздействие Квайсинского рудника на ОС (табл. 3). Основными источниками воздействия на окружающую среду будут являться: – промплощадки штолен 85бис , 86 бис , 87 и 89; – прокладка инженерных коммуникаций (линии электропередач, канализации шахтных вод); – организация отвалов вскрышных пород у штолен; – монтажные и пуско-наладочные работы, разгрузка оборудования; – эксплуатация подземных выработок (механическое загрязнение пылевыми вы- бросами при проветривании шахты, погрузочно-разгрузочных работах); – работа автотранспорта (выбросы вредных веществ и пыли, разливы горюче- смазочных материалов (ГСМ), загрязнение территории строительным и бытовым мусо- ром). Прямое воздействие этих источников вызовет дополнительные нарушения поч- венного и растительного покрова, изменение ландшафта местности. Также прямое воз- действие может выражаться в виде деформации земельных участков (сдвижения поверх- ностей). Основными загрязняющими веществами для водной среды будут взвешенные ве- щества, нефтепродукты, соединения азота. Наличие взвешенных веществ в сбрасывае- мых водах связано с образованием мелкодисперсных частиц при разрушении горной массы при буровзрывных работах. Попадание нефтепродуктов происходит в результате смыва с поверхности проливов ГМС. Повышенные концентрации соединений азота от- носительно фоновых связаны с поступлением в сточные воды продуктов буровзрывных работ. От источников выбросов предприятия в атмосферу будет выделятся 10 наименова- ний загрязняющих веществ, относящихся ко II – IV классам опасности, в том числе 3 твердых, 7 жидких/газообразных и 2 группы веществ, обладающих эффектом суммации (табл. 4). 0 2 4 6 8 10 12 14 10 100 200 500 запыленность,мг/м3 м Рис. 3 - Запыленность воздуха в районе хвостохранилища Рис.3 – Запыленность воздуха в районе хвостохранилища
- 202. 202 Т а б л и ц а 3 Оценка предполагаемой степени воздействия на ОС при возобновлении работ на Квайсинском руднике Стадии реализации проекта Компоненты среды, подверженные воздействию Физическая среда Биологическая среда Социальная и социально-экономическая среда Атмрсфера Геологическаясреда Поверхностныеводы Почвыиназемная растительность Беспозвоночные Рыбы АмфибиииРептилии Млекопитающие Птицы ООПТ Землепользование,вт.ч. сельскоехозяйство Транспорт Лесноехозяйство Охота Занятостьнаселения Туризмиотдых Санитарно-эпидемиоло-ги- ческаяобстановка Историко-культурное наследие Расчистка терри- тории √ √ √√ √ √ √ √ √ √√ √√ √ √ √ √ √ Строительство (реконструкция) производствен- ных мощностей √√ √ √√ √ √ √ √ √√ √√ √√ √ √√ √ √ √ √ Эксплуатация √√ √√ √ √√ √ √ √ √ √ √ √ √ √ - умеренное или незначительное воздействие, √√ - относительно сильное или существенное воздействие Т а б л и ц а 4 Перечень загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу Код Наименование вещества Использо- ванный критерий Значение критерия, мг/м3 Класс опаснос- ти Выброс вещества, г/с Выброс вещества, т/год 301 Азот (IV) оксид (Азота диоксид) ПДК м/р 0,0850000 2 0,438618024 7,65142118 304 Азот (II) оксид (Азота оксид) ПДК м/р 0,4000000 3 0,49576813 14,5492568 328 Углерод черный (Сажа) ПДК м/р 0,1500000 3 0,01000376 0,162565 330 Сера диоксид ПДК м/р 0,5000000 3 0,00854165 0,3180606 337 Углерод оксид ПДК м/р 5,0000000 4 2,4865087 63,071216 2732 Керосин ОБУВ 1,2000000 0,06883474 0,4947592 2754 Углеводороды предель- ные C1-C5 ПДК м/р 50,00000000 0,01235 0,0463528 2902 Взвешенные вещества ПДК м/р 0,5000000 3 0,0000364 0,000183456 2908 Пыль неорганическая: 70-20% SiO2 ПДК м/р 0,3000000 3 0,20681856 8,66752718 2930 Пыль абразивная (Ко- рунд белый, Моноко- рунд) ОБУВ 0,0400000 2 0,0000676 0,000340704 Всего веществ: 10 В том числе твердых: 3 Жидких/газообразных: 7 Группы веществ, обладающих эффектом суммации: 6009 2(301)(330) 6046 2(337)(2908)
- 203. 203 Вследствие косвенного воздействия от возобновления работ на участке могут воз- никнуть следующие негативные факторы: – загрязнение атмосферного воздуха, почвенного и растительного покрова выбро- сами вредных веществ и пыли; – загрязнение почвенного покрова разливами ГСМ; – загрязнение территории строительным и бытовым мусором; – ухудшение условий произрастания растений и обитания диких животных; – водная и ветровая эрозия почв. Нарушение почвенно-растительного покрова даже на пологих склонах, как пра- вило, инициирует активизацию склоновых и эрозионных процессов. Вместе с пылегазо- выми выбросами это способствует увеличению твердого стока и загрязнению органо- минеральными веществами близлежащих поверхностных вод, что снизит их качество. Поскольку территория рассматриваемого участка практически полностью нару- шена ввиду его более раннего интенсивного использования горнодобывающей промыш- ленностью, отработка Вальхохского участка не окажет существенного воздействия на растительный и животный мир в рассматриваемом районе. Опосредованное влияние (че- рез изменение питания растительности близлежащих участков) может произойти при об- разовании депрессионной воронки на месте добычи. При разработке проекта возобновления работ на Квайсинском месторождении в целях минимализации рисков ухудшения состояния окружающей среды необходимо: 1. Рассмотреть различные варианты отработки месторождения (как с системой обрушения, так и с закладкой выработанного пространства с использованием собствен- ных отходов предприятия), не приводящие к образованию депрессионной воронки на месте добычи. 2. Предусмотреть применение очистных сооружений, соответствующих европей- ским стандартам CEN (Comite Europeen de Normalisation) и удовлетворяющих европей- ским требованиям по качеству ISO 9002. 3. Проводить рекультивационные работы на отвалах сразу после окончания их формирования. В этом случае можно прогнозировать, что возобновление добычи свинцово-цин- ковых руд и отработка Вальхохского участка не окажут существенного воздействия на экосистему района. Экономическая оценка эффективности освоения запасов Квайсинского свинцово- цинкового месторождения проводилась согласно «Методическим рекомендациям по оценке эффективности инвестиционных проектов» [10] в ценах 2012 г., исходя из усло- вий применения подземного способа разработки месторождения с последующим обру- шением междукамерных и потолочных целиков и системой подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды. Цены на свинцовый и цинковый концентраты принимались по результатам анализа динамики цен на Лондонской бирже металлов за последние 12 мес. на момент выполнения расчетов. Капитальные затраты определены как сумма средств, необходимых на восстановление и реконструкцию предприятия и его инфра- структуры, а также на оснащение оборудованием объектов подземного рудника и обога- тительной фабрики. Себестоимость добычи и переработки рудной массы включает ма- териальные затраты на производственные процессы, расходы на оплату труда работни- ков, отчисления на социальное страхование, затраты на транспортировку, амортизаци- онные отчисления, экологические платежи и т. д. Период оценки – 17 лет. Выполненные расчеты показали, что при предлагаемой технологии разработки и существующих ценах освоение месторождения является экономически целесообразным, поскольку чистый дисконтированный доход (ЧДД) имеет неотрицательное значение, срок окупаемости ин- вестиций составляет порядка девяти лет (рис. 4).
- 204. 204 В целях выявления чувствительности проекта к эколого-экономическим рискам был выполнен комплекс исследований по их оценке. Производилась оценка экономиче- ской эффективности проекта при условии изменения платности и возмездности наноси- мого ущерба компонентам природной среды при разработке месторождения полезных ископаемых, а именно осуществлялся прогноз роста экологических платежей за загряз- нение окружающей среды с последующей оценкой влияния на экономическую эффек- тивность проекта. Необходимо отметить, что в общей структуре затрат предприятия на реализацию проекта экологические платежи при существующих ставках составляют не более 2 %, при увеличении ставок платежей они достигают 40 %. Зависимость изменения экономической эффективности проекта от эколого-экономических рисков представлена на рис. 4. Рис. 4 - Поток денежных средств за расчетный период Выполненные исследования показали, что при предлагаемом способе и системах разработки месторождения проект имеет высокую чувствительность к изменению эко- лого-экономических рисков. Так, при росте экологических платежей в пять раз чистый дисконтированный доход снижается на 24 %, а при двадцатикратном росте имеет отри- цательное значение, при этом срок окупаемости в первом случае снижается до 11 лет, а во втором случае проект финансово несостоятелен. Таким образом, можно говорить о том, что при существующей стратегии освоения Квайсинского месторождения проект является финансово неустойчивым к воздействию эколого-экономических рисков фис- кального характера. Литература 1. Дзайнуков А. Б. Обоснование необходимости создания Квайсинскогогорно- промышленного комплекса / А. Б. Дзайнуков, В. Г. Дзеранов, Б. Р. Кусов // Вестник Владикавказского научного центра. - 2010. – Том 10, №1. - С.43-53. 2. Пояснительная записка по производственной ситуации на Квайсинском рудо- управлении Республики Южная Осетия / УГМК-Холдинг. - Верхняя Пышма, 2004. 3. Кокоев В.Т. Влияние техногенных факторов на экосистемы (на примере Квай- синского месторождения): дис. ... канд. техн. наук / В. Т. Кокоев; РУДН. - М., 2001. – 138 с. 4. Яковлев С. Н. Загрязнение почв тяжелыми металлами в районе горнодобыва- ющих объектов / С. Н. Яковлев, В. Т. Кокоев // Горный информ.-аналит. бюл. -. 2005. - №5. – С. 318-319. -500000 -400000 -300000 -200000 -100000 0 100000 200000 300000 400000 500000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 тыс.руб годы ЧДД ЧДД с учетом пятикратного роста экологических платежей ЧДД с учетом двадцатикратного роста экологических платежей
- 205. 205 5. Кокоев В. Т.. Зависимость стабильности окружающей среды от взаимодей- ствия техногенных и природных факторов (на примере Квайсинского рудника) / Кокоев В. Т., В. А. Бочаров // Горный информ.-аналит. бюл. - 2005.- №1. – С. 17 -19. 6. Перечень предельно допустимых концентраций и ориентировочно безопасных уровней воздействия вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов:. Приказ Госкомрыболовства РФ от 28.04.99 г. № 96. 7. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. Государствен- ный комитет Российской Федерации по охране окружающей среды /НИИ Атмосфера. – 5-е изд., перераб. и доп. – СПб.,2000. 8. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных ве- ществ, содержащихся в выбросах предприятий / Госкомгидромет. – Л.: Изд-во Гидроме- теоиздат,1987. – 92с. 9. Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов за- грязняющих веществ в атмосферный воздух. - СПб.,2005. 10. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных про- ектов (вторая редакция): утв. М-вом экономики РФ, М-вом финансов, ГК по строитель- ству, архит. и жил.политике № ВК 477 от 21.06.1999. - М.: Экономика, 2000. – 424 с. 11. Выбор варианта вскрытия подземных запасов при комбинированной разра- ботке месторождений на основе экономико-математического моделирования / И. В. Со- колов, Ю. Г. Антипин, А. А. Смирнов, И. В. Никитин // Горный информ.- аналит. бюл.- 2013. - № 9. - C. 357–362.
- 206. 206 УДК 622.012.2:556.3:51 Рыбникова Людмила Сергеевна кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории экологии горного производства, Институт горного дела УрО РАН, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: luserib@mail.ru Ribnikova Ludmila S. candidate of geology and mineralogy, senior researcher, the laboratory of mining production ecology The Institute of mining, UB RAS 620219, Russia, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58 e-mail: luserib@mail.ru Рыбников Петр Андреевич кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории экологии горного производства, Институт горного дела УрО РАН e-mail: ribnikoff@yandex.ru Ribnikov Peter A. candidate of geology and mineralogy, senior researcher, the laboratory of mining production ecology the Institute of Mining UB RAS e-mail: ribnikoff@yandex.ru ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УЩЕРБА ГИДРОСФЕРЕ В РАЙОНАХ ОТ- РАБАТЫВАЕМЫХ И ЗАТОПЛЕННЫХ МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ РУДНИКОВ СРЕДНЕГО УРАЛА ECOLOGICAL-ECONOMIC ASSESSMENT OF DAMAGE TO THE HYDROSPHERE IN THE AREAS OF MINED AND ABANDONED COPPER PYRITE MINES OF THE MIDDLE URALS Аннотация: Влияние на гидросферу отработки месторож- дений полезных ископаемых во много раз пре- вышает официально учтенный сброс загрязни- телей. Эколого-экономическая оценка безопас- ности добычи полезных ископаемых должна включать определение размера ущерба для вы- бора эффективных методов очистки сточных дренажных вод и мероприятий по предотвра- щению попадания в водный объект загрязняю- щих веществ. Abstract: The mining impact on the hydrosphere is many times greater than officially recorded discharge of pollutants. Ecological-economic evaluation of min- ing operations safety should include the determina- tion of damage amount for selection efficient meth- ods of purification wastewater drainage and measures on prevention water pollutants ingress to a water object. Ключевые слова: водный объект, загрязняющее вещество, экологический ущерб, эколого- экономическая оценка, Уральский регион Key words: water object, pollutant, environmental damage, ecological-economic assessment, the Ural region В горнопромышленных районах Уральского региона воздействие на гидросферу действующих и отработанных рудников превышает официально учтенный сброс за- грязнителей от действующих предприятий [1]. В ближайшие годы планируется значи- тельное увеличение платы за ущерб, причиненный водным объектам вследствие нарушения водного законодательства, в том числе в связи со сбросом вредных (загрязняющих) веществ, в результате чего произошло загрязнение, засорение и (или) Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-05-96038 «Исследование и прогноз динамики техногенной трансформации экосистем в районах функционирования горно-металлургического комплек- са Урала» и в рамках проекта 12-М-23457-2041 «Освоение недр Земли: перспективы расширения и ком- плексного освоения рудной минерально-сырьевой базы горно-металлургического комплекса Урала».
- 207. 207 истощение водных объектов. Соответственно, эколого-экономическая оценка безопас- ности освоения природных месторождений и техногенно- минеральных образований должна включать определение размера такого вреда для выбора эффективных методов очистки сточных дренажных вод и мероприятий по предотвращению попадания в водный объект вредных (загрязняющих) веществ и отхо- дов с водосборной площади. Исчисление размера вреда основывается на компенсационном принципе его оценки. Для этого определяются затраты, необходимые для фиксации причин загрязне- ния, выполнения мероприятий по предотвращению распространения вредных (загряз- няющих) веществ в водном объекте и их влияния на использование водного объекта для водоснабжения, рекреации и иных целей водопользования. В состав таких работ входит проведение анализов качества вод и донных отложений водного объекта; разра- ботка проектно-сметной документации; ликвидация источника нарушения; восстанов- ление показателей водного объекта; устранение последствий нарушения. Исчисление размера вреда также может осуществляться исходя из фактических затрат на восста- новление нарушенного состояния водного объекта с учетом понесенных убытков, в том числе упущенной выгоды, а также в соответствии с проектами рекультивационных и иных восстановительных работ в соответствии с «Методикой исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства» [2]. Оценка вреда, причиненного водному объекту, осуществляется независимо от того, проводятся мероприятия по устранению нарушения и его послед- ствий непосредственно вслед за фактом нарушения или будут проводиться в дальней- шем в соответствии с программами по использованию, восстановлению и охране вод- ных объектов, а также программами социально-экономического развития регионов. Для расчета размера ущерба (вреда), причиненного водному объекту сбросом вредных (загрязняющих) веществ в составе сточных дренажных (в том числе шахтных, рудничных) вод, используется следующая формула [2]: У = Квг · Кдл · Кв · Кин · SUM (Mi · Hi · Киз), где У – размер ущерба (тыс. руб.); Квг – коэффициент, учитывающий природно-климатические условия в зависимости от времени года; Кдл - коэффициент, учитывающий длительность негативного воздействия вредных (загрязняющих) веществ на водный объект при непринятии мер по его ликвидации; Кв – коэффициент, учитывающий экологические факторы (состояние водных объек- тов); Кин – коэффициент индексации, учитывающий инфляционную составляющую эко- номического развития; Mi – масса сброшенного i-го вредного (загрязняющего) вещества, определяется по каждому загрязняющему веществу; Hi – таксы для исчисления размера вреда от сброса i-го вредного вещества (тыс. руб./т); Киз – коэффициент, учитывающий интенсивность негативного воздействия вредных (загрязняющих) веществ на водный объект. В соответствии с рекомендациями [2] Квг принимается минимальным для поло- водья (1,05) и максимальным для межени (1,25). Кдл принимает максимальные значения (Кдл=5) при превышении 500 часов. Кв = 1,22 для бассейна Оби. Кин учитывает инфля- ционную составляющую и принимается на уровне накопленного к периоду исчисления размера вреда индекса-дефлятора по отношению к 2007 г. Hi = 6 тыс. руб. при предель- но допустимой концентрации по рыбохозяйственным нормативам (ПДКр/х) [3] более 40 мг/л и Hi = 19600 тыс. руб. при ПДКр/х менее 0,001 мг/л. Коэффициент Киз учиты- вает интенсивность негативного воздействия вредных (загрязняющих) веществ на вод- ный объект и устанавливается в зависимости от кратности превышения фактической
- 208. 208 концентрации вредного (загрязняющего) вещества при сбросе на выпуске сточных, дренажных (в том числе шахтных, рудничных) вод над установленной ПДКр/х: Киз = 1 при превышениях от 1 до 10 ПДКр/х; Киз = 5 при превышениях от 10 до 50 ПДКр/х; Киз = 10 при превышениях более 50 ПДКр/х. Масса сброшенного вредного вещества в составе сточных вод (i – загрязняющее вещество, по которому исчисляется размер вреда) определяется по формуле [2]: Мi = Q · (Сфi – Сдi) ·Т · 10-6 , где Мi – масса сброшенного i-го вредного (загрязняющего) вещества, т; Q – расход сточных вод с превышением содержания i-го вредного (загрязняющего) вещества, м3 /ч; Сфi – средняя фактическая за период сброса концентрация i-го вредного (загрязня- ющего) вещества в сточных водах, мг/л; Сдi – концентрация i-го вредного (загрязняющего) вещества, исходя из кото- рой установлен предельно допустимый или временно согласованный норматив (ли- мит) сброса, мг/л; T – продолжительность сброса сточных вод с повышенным содержанием вредных (загрязняющих) веществ, определяемая с момента обнаружения сброса до его прекра- щения, ч; 10-6 – коэффициент пересчета массы вредного (загрязняющего) вещества из мг/л в т/м3 . При отработке Левихинского рудника неочищенные шахтные воды поступали на станцию нейтрализации, где обрабатывались известковым молоком, после чего сбрасы- вались в прудок-накопитель (осветлительный пруд, созданный в низовьях р. Левихи в 1959 г., был предназначен для отстаивания взвесей, выносимых с шахтными водами), куда поступали и подотвальные воды. Здесь поверхностные и шахтные воды отстаива- лись и при поступлении в сбросной канал, которым служит старое русло р. Левихи, ручным способом вновь обрабатывались известью (долина р. Тагил находится в 4 км к востоку от рудника). После остановки шахтного водоотлива в конце 2003 г. подземные горные выра- ботки были полностью затоплены, и к концу 2006 г. в районе шахтного ствола Левиха II (зона обрушения от горизонта 175 м) образовался техногенный водоем, в который разгружаются шахтные воды. В конце 2006 г. была введена в эксплуатацию станция по перекачке шахтных вод: шахтные воды по трубопроводу длиной около 2 км перекачи- ваются из техногенного водоема в районе шахтного ствола Левиха II на станцию нейтрализации, которая была введена в эксплуатацию 1 октября 2003 г. Дебит работы станции перекачки изменяется от 30 до 150 м3 /ч (700 – 3500 м3 /сут). На станцию нейтрализации также подаются подотвальные воды, которые собираются на рудном поле. После очистки эти воды поступают в существующий пруд-отстойник, при пере- текании в сбросной канал вода дополнительно нейтрализуется известью, а затем само- теком по старому руслу р. Левиха попадает в р. Тагил. После прохождения по сбросно- му каналу от прудка-отстойника до р. Тагил какое-то количество металлов осаждается, тем не менее часть этих веществ попадает в р. Тагил в концентрациях, значительно выше ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения. После затопления рудника наиболее существенное увеличение среднегодовых показателей в р. Тагил ниже сброса сточных вод отмечается для цинка (от 0,65 до 3,55 мг/л), железа (от 0,67 до 4,25 мг/л), сульфатов (от 66 до 142 мг/л). Это связано с ростом содержания этих компонентов в шахтных водах затопленного рудника. При этом в связи с более низкими значениями меди в шахтных водах техногенного водоема (по сравнению с периодом отработки) концентрации меди в р. Тагил ниже сброса уменьшились (от 0,17 до 0,13 мг/л). На территории Свердловской области в соответствии с Областной целевой про- граммой «Экология и природные ресурсы Свердловской области» за счет средств об- ластного бюджета проводятся работы по нейтрализации шахтных вод, поступающих с
- 209. 209 закрытых Ломовского, Карпушихинского, Белореченского и остановленного Левихин- ского рудников, и доочистка шахтных вод на сбросе из прудка-осветлителя Левихин- ского рудника, а также сточных вод, поступающих с территории бывшего Дегтярского рудника. Стоимость работ за последние несколько лет составляла около 100 млн руб. в год, при этом величина предотвращенного ущерба ежегодно оценивается суммой около 4 млрд руб. [4]. Расчет ущерба (вреда) от сброса сточных вод после их очистки в процессе отра- ботки и после затопления рудника показал, что такой ущерб, оцененный в соответствии с приведенной выше методикой, составляет более 10 млрд руб. в год (таблица). Т а б л и ц а Расчет ущерба (вреда) водным объектам при сбросе сточных шахтных вод в районе Левихинского рудника в период отработки и после затопления Компоненты ПДКр/х,мг/л Сброс с прудка-отстойника по этапам (мг/л) Такса, тыс. руб. Коэффициент интенсивности загрязнения по этапам Вклад в ущерб по этапам, млн руб. Отработка Затопление Отработка Затопление Отработка Затопление Сухой остаток 1000 3002 5546 6 1 1 26,3 28,7 Сульфаты 100 854 2591 6 1 5 9,9 78,6 Медь 0,001 7,44 1,88 12100 10 10 1 971,3 239,0 Цинк 0,01 20,46 104,8 4350 10 10 1 948,2 4 791,8 Железо 0,1 2,14 77,87 510 5 10 11,4 416,9 Марганец 0,01 42 73 4350 10 10 4 000,2 3 337,6 Всего по руднику по учтенным компонентам 10 692,0 11 933,8 Это означает, что после введения в действие утвержденных нормативов пред- приятия будут вынуждены серьезно пересматривать свою экологическую политику; возможно, это послужит серьезной причиной не только для поиска эффективных мето- дов очистки, но и для попутного извлечения полезных ископаемых из дренажных вод медноколчеданных рудников, которые по многим компонентам могут рассматриваться как возобновляемые месторождения гидроминерального сырья. Литература 1. Рыбникова Л.С. Последствия затопления медноколчеданных рудников Сред- него Урала: формирование гидрогеологических условий / Л.С. Рыбникова, А.Л. Фель- дман, П.А. Рыбников // Проблемы недропользования: сборник статей. Отдельный вы- пуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического жур- нала). – М.: Изд-во «Горная книга» - 2011. - № ОВ11. - С. 459 - 470. 2. Методика исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства (утв. приказом Минприроды России от 13 апреля 2009 г. N 87) // Российская газета. – 2009. – Федеральный выпуск № 4937.
- 210. 210 3. Нормативы качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов ПДК вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения. - М.: Изд-во ВНИРО, 2011. - 257 с. (Утверждены приказом федерального агентства по рыболовству от 18.01.2010 г. приказ № 20) 4. Областная целевая программа «Экология и природные ресурсы Свердловской области» на 2009 - 2015 годы (в ред. Постановления Правительства Свердловской обла- сти от 15.06.2012 N 667-ПП). Утверждена Постановлением Правительства Свердлов- ской области от 21 июля 2008 г. N 736-ПП. - URL:old.midural.ru:82/doc.asp
- 211. 211 УДК 622.235.213 Шеменев Валерий Геннадиевич кандидат технических наук, заведующий лабораторией разрушения горных пород, Институт горного дела УрО РАН, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58, e-mail: rgp@igduran.ru Синицын Виктор Александрович кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории разрушения горных пород, Институт горного дела УрО РАН Меньшиков Павел Владимирович младший научный сотрудник лаборатории разрушения горных пород, Институт горного дела УрО РАН, e-mail: menshikovpv@mail.ru. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭВВ (НИТРОНИТА Э-70) ПО ОТНОШЕНИЮ К ЭТАЛОННОМУ ВВ Shemenev Valery G. сandidate of technical sciences, the head of rocks’ breaking laboratory, The Institute of Mining UB RAS 620219,Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58, e-mail: rgp@igduran.ru Sinizin Victor A. candidate of technical sciences, senior researcher of the rocks’ breaking laboratory, The Institute of Mining UB RAS Menshikov Pavel V. junior researcher of the rocks’ breaking laboratory, The Institute of Mining UB RAS e-mail: menshikovpv@mail.ru. THE METHODS OF EXPERIMENTAL DETERMINATION THE SERVICEABILITY EQUIVALENT OF EMULSIVE EXPLOSIVE NITROGEN E-70 WITH RESPECT TO STANDARD EXPLOSIVE AGENT Аннотация: Установлено, что основные характеристики взрывчатых веществ (ВВ) можно определять в производственных условиях. На основании про- веденных экспериментальных исследований раз- работана методика определения эквивалента (переводного коэффициента по работоспособ- ности) эмульсионного взрывчатого вещества (ЭВВ) Нитронит Э-70 по отношению к эталон- ному ВВ. Полученные экспериментально пока- затели позволяют рассчитать и другие харак- теристики, необходимые для обеспечения раци- ональных параметров буровзрывных работ. Ключевые слова: взрывчатые вещества, экви- валент взрывчатого вещества, скорость дето- нации Abstract: It has been established that the main characteristics of explosives can be determined in production envi- ronment. In terms of the performed experimental studies the procedure of determining the equivalent (conversion factor for efficiency) to the Nitronit E- 70 emulsion explosive with respect to a standard ex- plosive. Experimentally obtained indices allow cal- culating some other characteristics necessary for providing rational parameters of blasting opera- tions. Key words: explosives, the explosive equivalent , detonation velocity Любой конкретный тип ВВ может быть охарактеризован некоторым набором па- раметров, инвариантных относительно различных условий взрывания. Такими парамет- рами являются плотность заряжания, скорость детонации, теплота взрыва, значение мас- совой скорости разлета продуктов взрыва, давление и удельная энергия в точке Чепмена- Жуге. Следует отметить, что теоретический расчет этих величин по известному струк- турно-химическому составу ВВ невозможен, за исключением теплоты взрыва из-за ма- лой изученности быстропротекающих процессов в конденсированной среде на молеку- лярном уровне. Поэтому получение характеристик ВВ, необходимых для решения задач по расчету параметров буровзрывных работ, возможно с помощью экспериментальных методов [1]. Работа выполнена в рамках конкурсного проекта ОНЗ-20 № 12-Т-51021 «Обеспечение устойчивого раз- вития горнодобывающего комплекса», финансируемого Уральским отделением РАН
- 212. 212 разработка методики аналитического и экспериментального определения основных ха- рактеристик ВВ, в частности ЭВВ и ВВ на основе обратных эмульсий [1]. Экспериментальное исследование взрывчатых характеристик ВВ на основе обрат- ных эмульсий имеет ряд существенных особенностей, связанных, в первую очередь, с большим критическим диаметром этих составов. Большой критический диаметр, с одной стороны, обеспечивает низкую чувствительность взрывчатых веществ к механическим воздействиям и, следовательно, позволяет широко механизировать их изготовление и применение, а с другой стороны, требует проведения экспериментов с зарядами боль- шого веса, что влечет за собой отказ от традиционных лабораторных методов исследо- вания. В частности, различные способы определения работоспособности (бомба Трауцля, испытание в мортире, метод маятника и т. д.) становятся непригодными для этого типа ВВ. Определение взрывчатых характеристик таких ВВ приходится проводить в производственных или полигонных условиях [2, 3, 4]. Методика расчета основана на результатах анализа полученных данных ударно- воздушного воздействия от взрывов сосредоточенных зарядов (в гильзах), записанных на сейсморегистраторы MiniMate Plus (Instantel, Канада). Метод измерения давления на фронте ударно-воздушных волн (УВВ) основан на регистрации колебаний с использова- нием линейного микрофона с записью на цифровой сейсморегистратор MiniMate Plus. Целью испытаний, которые основывались на результатах воздействия избыточного дав- ления ударно-воздушной волны, являлось получение экспериментальным путем эквива- лента (переводного коэффициента) ЭВВ Нитронита Э-70 с гладкой и пористой аммиач- ной селитрой по отношению к эталонному ВВ (Аммонит 6ЖВ). Взрывчатые вещества размещались в картонных гильзах диаметром 90, 160 и 250 мм, длиной 900 мм. На полигоне гильзы устанавливались вертикально, как сосредото- ченные заряды. Патрон-боевик Аммонита 6ЖВ располагался вертикально в верхней ча- сти гильзы и был полностью «утоплен» в заряде ВВ. Заряды ВВ на полигоне иницииро- вались по очереди (Нитронит Э-70 с гладкой аммиачной селитрой, Нитронит Э-70 с по- ристой аммиачной селитрой и Аммонит 6ЖВ) с интервалом 15 мин (время, необходимое для монтажа взрывной сети). Сейсморегистраторы MiniMate Plus, измеряющие давление на фронте УВВ, располагались на расстоянии 250 м от взрыва. После проведения испы- таний зарядов ВВ производилась обработка и анализ полученных результатов замеров максимального давления на фронте УВВ через программное обеспечение Blastware III [5, 6]. Если известны экспериментальные значения избыточного давления от взрыва за- ряда эталонного ВВ (Аммонит 6ЖВ) и зарядов испытуемых ВВ при прочих равных усло- виях, то возможно определение эквивалента (переводного коэффициента ВВ по работо- способности) [1, 6]. Эквивалент Нитронита Э-70 по отношению к Аммониту № 6ЖВ определялся по ударно-воздушной волне. Искомый эквивалент является отношением потоков энергии бегущей ударной волны с учетом поправки на разность масс зарядов. Поток энергии бегущей ударной волны (Е, Дж/м2 ) определяется по формуле c P Е 3 2 0 , (1) где ΔР0 – давление на фронте ударной воздушной волны, Па; τ – продолжительность фазы сжатия ударной воздушной волны, сек. Длительность фазы сжатия для расстояний 10 < R < 1000 м/кг -1/3 УВВ равна 4,03 )]4,0(lg[594,6 RQ (2)
- 213. 213 Величина приведенного расстояния определяется следующим образом: 3 Q R R , м/кг -1/3 , (3) где γ – плотность воздуха = 1,29 кг/м3 ; с – скорость звука в воздухе, м/с, которая определяется так: Тс 1,20 , (4) где Т – абсолютная температура воздуха, К. Эквивалент исследуемого ВВ по отношению с каким-либо штатным ВВ (Грану- лотол, Граммонит, Аммонит № 6ЖВ) h можно вычислить по уравнению Е Е Q Q h э ЭВВ 3 2 ЭВВ , (5) где Qэ – масса эталонного ВВ, кг; QЭВВ – масса испытуемого ВВ, кг; ЕЭВВ, Еэ – поток энергии бегущей УВВ, соответственно, испытуемого и эталонного ВВ. Эквиваленты испытуемых ВВ по ударной воздушной волне по отношению к Ам- мониту № 6ЖВ, определенные относительно потоков энергии бегущих ударных волн, представлены в табл. 1. При диаметрах заряда 90, 160 и 250 мм эквивалент Нитронита Э-70 с гладкой аммиачной селитрой, имеющей плотность в заряде 1,206 г/см3 по отношению к Аммо- ниту № 6ЖВ, составляет 1,1; 0,99 и 0,95, соответственно; для Нитронита Э-70 с пористой аммиачной селитрой с плотностью в заряде 1,225 г/см3 – 0,92; 0,99 и 0,94, соответ- ственно. Скорость звука в продуктах детонации определяется по уравнению (4), и для Нит- ронита Э-70 с пористой и гладкой селитрой приведена в табл. 2. Скорость истечения продуктов детонации определяем по уравнению: U = D – C (6) В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено: 1. При диаметрах заряда 90, 160 и 250 мм эквивалент Нитронита Э-70 с гладкой аммиачной селитрой по отношению к Аммониту № 6ЖВ, с плотностью в заряде 1,206 г/см3 , составляет 1,1; 0,99 и 0,95, соответственно; для Нитронита Э-70 с пористой амми- ачной селитрой с плотностью в заряде 1,225 г/см3 – 0,92; 0,99 и 0,94, соответственно. 2. Таким образом, в среднем 1 л (1 объем) заряда ЭВВ Нитронит Э-70 с пористой аммиачной селитрой по фугасному действию взрыва эквивалентен 1,05 л (1,05 объему) заряда Аммонита 6ЖВ, а 1 л (1 объем) заряда ВВ Нитронита Э-70 с гладкой аммиачной селитрой по фугасному действию взрыва эквивалентен 1 л (1 объему) заряда Аммонита 6ЖВ. Также при диаметре заряда 160 мм наблюдается эквивалентность по фугасному действию взрывов объема Нитронита Э-70 с разными селитрами к объему Аммонита 6ЖВ.
- 214. 214 Т а б л и ц а 1 Экспериментальное определение эквивалента Нитронита Э-70 по отношению к эталонному ВВ № гильзы заряда Наименование ВВ Диаметр гильзы, мм Объем взорван- ного ВВ, дм3 Масса ВВ в заряде, кг (без учета ПД) Плотность ВВ в заряде, г/см3 Тип промежуточного детонатора (ПД) Давление на фронте УВВ, Па Продол- житель- ность фазы сжатия УВВ, с Поток энергии бе- гущей УВВ, Дж/м2 Эквивалент h по УВВ относи- тельно гра- нулотола, определен- ный по энергии бе- гущих волн 1 Аммонит 6ЖВ 90 6 5,2 0,9* Патрон Аммонита 6ЖВ Ø32 мм по 200 г 134 0,01433 193,22 1,00 2 160 18 16,3 140 0,02016 296,72 1,00 3 250 44 39,7 486 0,02622 4650,60 1,00 4 Нитронит Э-70 с гладкой аммиач- ной селитрой 90 6 6,9 1,206** 148 0,01559 256,43 1,10 5 160 18 21,8 146,9 0,02197 356,02 0,99 6 250 44 53,3 500 0,02859 5367,33 0,95 7 Нитронит Э-70 с пористой амми- ачной селитрой 90 6 7,0 1,225** 136 0,01566 217,51 0,92 8 160 18 22,2 147,8 0,02209 362,37 0,99 9 250 44 54,1 500 0,02871 5389,86 0,94 Примечание: сейсморегистраторы MiniMate Plus, измеряющие давление на фронте УВВ, располагались на расстоянии 250 м от взрыва. * – плотность ВВ задавалась согласно ГОСТ 21984-7; ** – плотность ВВ задавалась согласно проведенным измерениям
- 215. 215 Т а б л и ц а 2 Скорость распространения продуктов детонации Плотность заряда, кг/дм3 Наименование ВВ Скорость детонации, м/с Местная ско- рость звука в ПД, м/с Скорость распро- странения продук- тов детонации, м/с 1,206 Нитронит Э-70 с гладкой се- литрой 3324 344,1 2979,9 3736 344,1 3391,9 4195 344,1 3850,9 1,225 Нитронит Э-70 с пористой се- литрой 2755 344,1 2410,9 4130 344,1 3785,9 4773 344,1 4428,9 3. Разработана методика экспериментального определения скорости детонации и давления на фронте ударной воздушной волны эмульсионных ВВ с применением при- боров InstantelVODMate, MinimatePlus. Экспериментальные данные позволяют опреде- лить показатель политропы, местную скорость продуктов детонации и другие основные характеристики ЭВВ, позволяющие более обоснованно подходить к определению раци- ональных параметров БВР. Литература 1. Синицын В.А. Повышение эффективности горной массы на карьерах с приме- нением ВВ на основе обратных эмульсий: дис. … канд. техн. наук / В.А. Синицын. – ИГД УрО РАН. – Екатеринбург, 2007. – 144 с. 2. ГОСТ 14839.19-69. Взрывчатые вещества промышленные. Методы определе- ния полноты детонации (с Изменением № 1). – М.: Изд-во стандартов, 1986. 3. Дубнов Л. В. Промышленные взрывчатые вещества / Л.В. Дубнов, Н. С. Ба- харевич, А. И. Романов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1982. - 327 c. 4. Мосинец В. Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах / В.Н. Мосинец. – М.: Недра, 1976. 5. Методика измерений скорости сейсмических колебаний и давления на фронте ударной воздушной волны с использованием цифрового сейсморегистратора MiniMate Plus, устройства регистрации и анализа УРАН и автономного измерителя-регистратора АИР. СТО 01.01.001 – 2011 г. / ИГД УрО РАН. – Екатеринбург: УрО РАН, 2011. 6. Скорость детонации взрывчатых веществ. Методика измерений реостатным методом с использованием измерителя скорости детонации VODMate. СТО 01.01.004 – 2011 г. / ИГД УрО РАН. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2011.
- 216. 216 УДК519.237.5 Антонов Владимир Александрович доктор технических наук, главный научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: Antonov@igduran.ru ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕГРЕССИОННЫХ МОДЕЛЕЙ В ГОРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ Antonov Vladimir A. doctor of technical sciences, chief researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620219, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58 e-mail: Antonov@igduran.ru THE RELIABILITY OF REGRESSION MODELS IN MINING AND TECHNOLOGICAL RESEARCHES Аннотация: Изложены методические приемы в оценках до- стоверности регрессионной модели горнотех- нологических объектов и процессов с учетом од- нократных и многократных измерений, разделя- ющихся условно по предложенному критерию. Реализация эффекта многократности измере- ний, как показано на приведенном примере, поз- воляет повысить достоверность выявления ис- комой закономерности. Ключевые слова: экспериментальные измере- ния, закономерность, случайные отклонения, модель регрессии, коэффициент детерминации Abstract: Methodical techniques in the regression model esti- mates of the reliability of mining and technological facilities and processes are stated including single and multiple dimensions, that are conditionally separated according to the proposed criterion. The realization of measurements multiple effect as shown in the cited example, can improve the relia- bilityy of detection the desired regularity. Key words: experimental measurements, regular- ity, random deviations, regression model, the coef- ficient of determination Введение. Экспериментальные исследования в горном деле проводят на основе из- мерений физических величин, характеризующих состояние горнотехнологических объ- ектов и процессов. Поиск закономерности в изменении некоторой величины Y , завися- щей от величин Xj, где j =1, 2, 3 …, проводят путем их совместных измерений с последу- ющим построением по рядуполученных узловых i-точек (Xji, Yi,) уравнения регрессии. Условно представим, что результат каждого измерения величины Yi состоит из компо- нент значимой для достижения цели исследования (закономерной) и незначимой (слу- чайного отклонения). Здесь принимается, что основной целью исследования является по- строение модели регрессионной зависимости Y(Xj), представляющей со случайным до- пустимым отклонением, т.е. погрешностью, значимую закономерность как основную взаимосвязь исследуемого природного явления, повторяющуюся в независимых экспе- риментах. Достоверность построенной модели проверяется ее адекватностью, т.е. соот- ветствием отображения закономерной и случайной составляющей. Оценки проводятся по методике, описанной в работах [1, 2]. По случайным отклонениям, объясняемым не- совершенством (погрешностью) средств измерений зависимой величины и влиянием не- учтенных в модели незначимых факторов эксперимента, оценивается интервал адекват- ного коэффициента ее детерминации. Часто случайные отклонения зависимой величины в узловых точках априори неиз- вестны. Тогда они могут определяться по результатам многократных измерений. По ре- комендации межгосударственной стандартизации (РМГ 29-99) многократными счита- ются повторные измерения зависимой величины одного размера, т.е. с одинаковыми ар- гументами. Однако во многих экспериментах значения аргументов в узловых точках из- меняются с малым или большим сдвигом, что приводит к изменению размера зависимой Работа выполнена в рамках конкурсного проекта УрО РАН 12-П-5-1028 «Прогноз технологического развития в горнодобывающих отраслях на основе энергосбережения и модернизации геотехники и технологии горного произ- водства».
- 217. 217 величины. В таких условиях разделение узловых точек с однократными и многократ- ными измерениями по признаку их повторяемости остается неопределенным. Отмечен- ное затруднение в разграничении кратности измерений зависимой величины приводит к невозможности оценить и снизить случайные отклонения и тем самым установить тре- бования к достоверности модели регрессии по упомянутому признаку ее адекватности. В данной работе рассмотрены методические приемы, направленные на решение по- ставленной проблемы. По ним условно выделяются и учитываются при построении ре- грессии экспериментальные узловые точки с многократными измерениями зависимой величины. Оценка случайных отклонений. Регрессия проводится наиболее достоверно при наличии однородности исходной информации, заданной в узловых точках. Под однород- ностью понимается равное влияние на регрессию всех узловых точек и одинаковые свой- ства рассеяния измеренных в них значений зависимой величины. При этом каждая узло- вая точка оказывает существенное влияние лишь на участок регрессии, расположенный в окрестности ее аргументов. Такую окрестность назовем осевым интервалом влияния узловой точки. Очевидно, что чем больше имеется узловых точек, тем меньше на оси j- аргумента размер Xj обозначенного интервала. Выразим его следующим соотноше- нием: 1 1 n XX X jjn j , где Xj1 , Xjп – наименьшее и наибольшее значение j-аргумента, соответственно, в первой и последней узловой точке; n – количество узловых точек. При равномерном распреде- лении узловых точек расстояние по оси j-аргумента между соседними точками равно Xj. Часто в экспериментах однородность информации не выдерживается, т.е. узловые точки распределены по осям аргументов неравномерно. Расстояние по оси j-аргумента между соседними точками существенно меньше или больше Xj. По этому признаку введем следующие допущения в различии узловых точек с однократными и многократ- ными измерениями. Если расстояние по оси хотя бы одного j-аргумента между узловой точкой и смежной с ней соседней точкой равно или больше его Xj, то измерение зави- симой величины в узловой точке считаем однократным. Если расстояние по оси каждого j-аргумента между смежными соседними узловыми точками меньше соответствующего Xj, то их количество с таким признаком образует группу узловых точек, в которых из- мерение зависимой величины принимаем многократным. При этом допускаем, что на малом интервале изменения аргументов групповых точек рельеф соответствующего участка регрессии существенно не изменится. Положим, что экспериментальные измерения во всех узловых точках проводятся од- ним средством (прибором, методикой). Отклонения значений зависимой величины, свя- занные с погрешностью средств измерений и влиянием случайных неучтенных факторов эксперимента, распределены во всех узловых точках одинаково нормально и го- москедастично. Это означает, что случайные отклонения зависимой величины в одно- кратных и многократных измерениях являются частными реализациями некоторой гене- ральной совокупности и отличаются лишь количеством точек в выборках. Выделим группы узловых точек с многократными измерениями и рассчитаем экспериментальное среднеквадратичное отклонение э зависимой величины в точке как взвешенное внутри- групповое (остаточное) по их совокупности. Расчет проводится по формуле: k n i k n n YY n 1ν ν ν 1 2 ννi 1ν ν 1 ν )( 1 э , (1)
- 218. 218 где n –количество узловых точек в -группе многократных измерений; k – количество групп с многократными измерениями; Yi – значение зависимой величины в узловой i-точке, принадлежащей -группе; Y – среднее значение зависимой величины в узловых точках -группы. Полученное значение э характеризует рассеяние однократного изме- рения и, согласно принятым допускам по гомоскедастичности, распространяется на все узловые i-точки. Отметим два случая. Экспериментальная погрешность э соизмерима с погрешно- стью средств измерений п ( пэ ). Это означает, что влияние на измерение каких- либо случайных незначимых факторов эксперимента отсутствует. Возможно, что экспе- риментальная погрешность э существенно больше погрешности средств измерений п ( пэ ). Тогда очевидно, что случайные незначимые факторы эксперимента оказы- вают влияние на результаты измерений. Оценим погрешность экспериментальных измерений с учетом их многократности. Узловые точки, содержащиеся в каждой -группе, усредним. Таким образом, получим q узловых точек с координатами X jс и Yс: ν 1 ν ν ν j n i ij cj n Х Х j , ν 1 ν ν ν n Y Y n i i c . Известно, что для выборок, извлеченных с возвращением из нормально распределен- ной генеральной совокупности, распределение средних значений также является нор- мальным. С учетом этого определим среднеквадратичное отклонение зависимой вели- чины в -узловой точке усреднением по их совокупности следующим образом: q nq ν 1ν ν 2 э с σ1 . (2) Оценка адекватности регрессии. Достоверность построенных моделей регрессии проверяется по критерию их адекватности случайному среднеквадратичному отклоне- нию зависимой величины, зафиксированной в узловых точках. Для этого рассчитывается интервал допустимых значений адекватного коэффициента детерминации R2 моделей. В этом интервале они отделяют в зависимой величине с принятой вероятностью Р законо- мерную компоненту от случайной. Нижнее R2 н и верхнее R2 в значение адекватного коэф- фициента детерминации определяется по следующим формулам: y D R f f 2 , 2 1αχ σ 1 2 н и y D R f f 2 , 2 12 2 в αχ σ 1 , (3) где – среднеквадратичное случайное отклонение зависимой величины в узловых точ- ках; kν 1ν 1)( νnf – число степеней свободы в расчете экспериментального среднеквад- ратичного отклонения э; 2 1, f и 2 2, f – процентные точки распределения Пирсона на соответствующих уровнях значимости 1 и 2 ( 2 P)(1α1 , 2 P)-(1α2 ); Dy – диспер- сия зависимой величины Y в узловых точках. В расчетах (3), проводимых по n узловым точкам с однократными измерениями, или по q усредненным узловым точкам много- кратных измерений, применяются, соответственно, равенства =э, Dy = Dyn или =с, Dy = Dyq. В обеих оценках дисперсия закономерной компоненты зависимой величины одинакова. Выразим данное положение следующим равенством: 2 c 2 э σσ yqyn DD .
- 219. 219 Преобразуем его в соотношение yq yn D D D D yn yq 2 c 2 э σ σ 1 1 . (4) После усреднения многократных измерений дисперсия значений зависимой вели- чины, заданных в узловых точках, уменьшается, т. е. ynyq DD . С учетом этого, а также при условиях ynD 2 эσ и yqD 2 cσ , из (4) получим неравенство ynyq DD 2 э 2 c σσ , означающее, что при учете эффекта многократности измерений зависимой величины в формулах (3) значения адекватного коэффициента детерминации R2 н и R2 в увеличива- ются. После построения и оптимизации регрессионной модели она подвергается испыта- ниям на достоверность. Адекватной признается модель, коэффициент детерминации ко- торой R2 удовлетворяет неравенству R2 н R2 R2 в. Если этому неравенству удовлетворяет несколько моделей, то выбирается как наиболее достоверная та из них, коэффициент де- терминации которой ближе к середине интервала адекватности. Возможно, что коэффи- циент детерминации модели окажется меньше нижнего значения интервала адекватно- сти (R2 < R2 н). Это означает, что отображение искомой закономерности зависимой вели- чины в модели недостаточное и ее следует дополнить с учетом влияния на закономер- ность ранее упущенных факторов. Если коэффициент детерминации оказался больше верхнего значения интервала адекватности (R2 > R2 в), то модель содержит избыточную детальную структуру, которая отображает лишь частную реализацию случайных откло- нений зависимой величины в данном эксперименте. В повторном эксперименте случай- ные отклонения зависимой величины в узловых точках перераспределятся с другой реа- лизацией, и, соответственно, изменится избыточная модель уравнения регрессии. Это мешает выявлению искомой закономерности. Следовательно, модель следует упростить, исключив функцию отображения частной реализации случайных факторов. Результат моделирования регрессионной закономерности представляют ее уравне- нием Yр(Xj), ограниченным доверительными интервалами. При наличии лишь однократ- ных измерений в узловых точках по значениям в них зависимой величины и уравнению рассчитывается среднеквадратичное отклонение регрессии эр: 1 эp 1 2 p )( -mn YY n i i , где m – количество коэффициентов в ее уравнении. Результат регрессии с доверительной вероятностью 0,68 представляют в виде Yр(Xj) эр. При учете эффекта многократности измерений и соответствующем усреднении узловых точек рассчитывается уменьшенное ее среднеквадратичное отклонение cр: 1 1ν 2 pν )( cp -mq YY q . Регрессия с учетом погрешности представляется также с доверительной вероятно- стью 0,68 соотношением Yр(Xj) ср.
- 220. 220 Пример построения регрессии. В исследованиях запыленности воздуха в горной вы- работке проведена серия измерений поглощенной энергии электромагнитного излучения E, прошедшего через пробу воздушно-пылевой смеси с разным размером частиц d. Ре- зультаты совместных измерений величин E и d в виде узловых точек показаны на рис. 1. Полагая, что поглощение электромагнитной энергии зависит от размера пылевых частиц, установим по данным экспериментальных измерений математический вид модели соот- ветствующей регрессионной закономерности E(d). Погрешность измерения поглощенной энергии электромагнитного излучения, в связи с косвенным методом ее оценки, априори неизвестна. Однако на конечный резуль- тат измерений оказывают влияние случайные экспериментальные факторы, связанные с отклонениями состава воздушно-пылевой смеси и колебаниями ее плотности. Опреде- лим погрешность по данным эксперимента, принимая во внимание, что координаты уз- ловых точек на оси аргумента d распределены неравномерно. Рассчитаем осевой интер- вал влияния узловой точки X = 9,4310-7 м. С учетом его значения на рис. 1 пунктирными овалами выделены группы узловых точек с многократными измерениями. Далее по формуле (1) рассчитано экспериментальное среднеквадратичное отклонение э=33,25 мкДж в единичном измерении величины E в каждой узловой точке. Данное отклонение э обозначено на рис. 2 в виде их вертикаль- ных ограничений. С учетом отклонения э оценен по формуле (3) с вероятностью Р=0,95 допустимый интервал адекватного коэффициента детерминации R2 искомой регрессии в размере от 0,6321 до 0,8521. Соответствующая ее модель построена в виде нелинейного функцио- нально-факторного уравнения, выражающего правостороннее асимметричное распреде- ление. После оптимизации модели методами наименьших квадратов (МНК) и приближе- ний параболической вершины (МППВ) получено ее выражение в следующем конкрет- ном виде: 243,821,0151350,22498 2,079701 1 )( d dE . (5) 0 100 200 300 400 500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 E, мкДж d, 10-7 м 0 Х Рис. 1 – Распределение экспериментальных узловых точек с однократными и многократными (в пунктирном овале) измерениями величины Е
- 221. 221 График регрессии показан на рис. 2. Коэффициент ее детерминации R2 =0,8141 и средне- квадратичное отклонение от узловых точек σэр=31,95 мкДж соответствует заданному условию адекватности и погрешности э измерений энергии E. Это означает, что модель Е1, отсекая или дополняя с вероятностью 0,95 случайные отклонения в значениях энер- гии Е, заданных в узловых точках с однократным измерением, выявляет в них, а также в интервалах интерполяции, закономерную составляющую (5) поглощенной энергии электромагнитного излучения с коэффициентом детерминации 0,8141. Доверительный интервал модели с вероятностью 0,68 выражается соотношением Е1(d) 31,95 мкДж. Повысим достоверность регрессионной модели, используя эффект многократности измерений в узловых точках. После групповых усреднений их координат количество то- чек уменьшилось. Среднеквадратичное отклонение измеряемой энергии в точке, рассчи- танное по формуле (2), составляет значение σс=24,64 мкДж. Расположение узловых то- чек после усреднения и интервалы их вертикальных отклонений σс показаны на рис. 3. По формулам (3) оценен с вероятностью Р=0,95 допустимый интервал адекватного ко- эффициента детерминации R2 регрессии в размере от 0,7527 до 0,9318. Ее модель так же, как в предыдущем случае, представлена нелинейным функционально-факторным урав- нением с правосторонней асимметрией. После оптимизации модели методами МНК и МППВ получено аналогичное уравнение 243,1481,0145450,111491 2,271147 2 )( d dE (6) с коэффициентом детерминации R2 =0,9253, соответствующим условию его адекватно- сти. График регрессии показан на рис. 3. Ее среднеквадратичное отклонение от узловых точек снижено и составляет σср=21,89 мкДж, что также соответствует упомянутому зна- чению σс. Коэффициенты уравнения (6) мало отличаются от коэффициентов уравнения (5). Уравнения (5) и (6) построены по результатам одного эксперимента, выражают зако- номерность одного и того же явления. Их графики на рис. 2 и 3 практически одинаковы. Уменьшение головного коэффициента в функциональном слагаемом уравнения (6) ком- пенсируется повышением показателя степени 2,271 вместо 2,0797 так, что их результи- рующее действие существенно не отличается. 0 100 200 300 400 500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 E, мкДж d, 10-7 м Рис. 2 – Случайные среднеквадратичные отклонения σэ величины Е в узловых точках и график ее регрессии Е1 R2 =0,8141 E1
- 222. 222 Заключение. Предложенные приемы выделения и учета многократных эксперимен- тальных измерений, как показано на практическом примере, дают возможность оценить адекватность и повысить достоверность регрессионных моделей, отображающих геоло- гические и технологические закономерности в изменении зависимой величины. Практи- ческое применение данной методики приведет к повышению эффективности регресси- онного анализа в интерпретации количественных результатов экспериментальных иссле- дований в горном деле и других областях научного знания. Литература 1. Антонов В. А. Отображение горно-технологических закономерностей функцио- нально факторными уравнениями нелинейной регрессии. / В. А. Антонов, М. В. Яковлев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - Проблемы недропользования. - 2011. - С. 571 - 588. 2. Антонов В. А. О достоверности функционально-факторных уравнений регрессии с самоопределяющимися параметрами / В. А. Антонов // Глубинное строение, геодина- мика, тепловое поле Земли, интерпретация геофизических полей: шестые научные чте- ния памяти Ю. П. Булашевича, 12 – 17 сентября: материалы конф. / УрО РАН, Ин-т гео- физики. - Екатеринбург: Ин-т геофизики УрО РАН, 2011. - С. 17 - 20. 0 100 200 300 400 500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Рис. 3 – Случайные среднеквадратичные отклонения σс величины Е в узловых точках, усредненных по многократным измерениям, и график ее регрессии Е2 R2 =0,9253 E, мкДж d, 10-7 м E2