Горные работы
Институт выполняет фундаментальные и прикладные, направленные на получение новых знаний в области горных наук - освоения и развития минерально-сырьевой базы России на основе комплексного интегрированного подхода к добыче, решению экологических проблем. Является единственным академическим горным институтом на Северо-Западе России, которому принадлежит ведущая роль в научном сопровождении развития основных добывающих предприятий российской части Баренцрегиона.
Подразделения института:
Лаборатория № 20 «Геоэкотехнологий» Руководитель С.П.Месяц
Лаборатория № 22 «Теории комплексного освоения и сохранения недр» Руководитель д.т.н. О.В.Наговицын
Лаборатория № 24 «Технологических процессов при добыче полезных ископаемых» Руководитель д.т.н. С.А.Козырев
Отдел «Геомеханики» № 26 И.о.руководителя отдела к.т.н. И.Э.Семенова
Лаборатория № 26.1 «Геомониторинга и устойчивости бортов карьеров» Руководитель д.т.н. В.В.Рыбин
Лаборатория № 26.2 «Прогноза удароопасности рудных месторождений» Руководитель к.т.н. И.Э.Семенова
Лаборатория № 26.3 «Инструментальных исследований состояния горных пород Арктической зоны РФ» Руководитель к.т.н. Н.Н.Кузнецов
Лаборатория № 27 «Геофлюидомеханики» Руководитель к.т.н. А.И.Калашник
1. Сформулирована концепция цифровой трансформации горнодобывающих предприятий, включающая четыре этапа последовательного перехода от автоматизации решения отдельных задач горной технологии до формирования цифрового двойника горно-обогатительного предприятия. В основе концепции лежит способ формирования цифрового пространства, как виртуальной среды для моделирования реальных и проектируемых объектов, а также инструментов дистанционного и роботизированного управления технологическими комплексами.
Авторы: Лукичёв С.В, Наговицын О.В., Анистратов К.Ю.
Цифровая трансформация является ключом к выживанию горнодобывающих предприятий, поскольку она способна компенсировать снижение производительности во все более усложняющихся горно-геологических условиях, и при этом способствует повышению безопасности ведения работ.
Выделены четыре основных этапа цифровой трансформации горнодобывающих предприятий:
Автоматизация решения отдельных задач. Это геологическое моделирование; маркшейдерское обеспечение цифровых моделей рельефа, карьеров, подземных выработок; задачи проектирования и планирование горных работ, геомехническое обеспечение, диспетчеризация и управление горнотранспортным оборудование.
Комплексное решение групп задач, характеризуется наличием информационных связей между программными продуктами, решающими целые совокупности задач в отдельных направлениях, таких как «Горно-геологические информационные системы»; Системы обеспечения геомеханической безопасности – расчеты геомеханических параметров массива горных пород и системы мониторинга опасных событий; Системы диспетчеризации и автоматизированные системы управления технологическими процессами подземных рудников и карьеров.
Цифровая технология инженерного обеспечения горных работ в едином информационном пространстве специалистов, решающих разнородные, но связанные между собой задачи горного производства.
Создание комплекса цифровых двойников объектов и процессов горного предприятия, обеспечивающего функционировании малолюдной технологии добычи полезных ископаемых, с достижением оптимальных решений и точных прогнозов, благодаря развитой аналитике искусственного интеллекта в режиме реального времени.
Цифровые двойники объектов и процессов производства являются одним из важнейших инструментов цифровой трансформации. Создание «Цифрового горного предприятия» предусматривает комбинированное применение коммуникационных технологий, математических моделей, систем мониторинга и методов оптимизации, оперирующих в реальном времени в едином информационном пространстве на основе использования технологии «цифровых двойников» для формирования «цифровой системы управления предприятием».
2. Разработан комплекс алгоритмов, программных средств и методических подходов по планированию открытых горных работ для средне- и краткосрочных периодов, основанный на моделировании горно-геологических условий и технологических процессов выемки и транспортирования горной массы. Для получения рационального плана горных работ применён сценарный подход, где в качестве целевых показателей планирования используются объёмные и качественные характеристики извлекаемой горной массы, а в качестве критериев оптимизации эффективное использование парка горной техники и минимизация затрат.
Авторы: Лукичев С.В., Наговицын О.В., Билин А.Л., Наговицын Г.О., Гурин К.П., Корниенко А.В., Степачева А.В. и др.
Исходными данными для автоматизированного планирования открытых горных работ являются: технологическая блочная модель массива горной массы, база данных техники и оборудования, сеть транспортных коммуникаций, а также такие общие параметры сценария планирования как дата начала и период планирования, режим работы карьера, производительность по добыче полезных ископаемых за отчетный период.
Решение задачи краткосрочного планирования производится в три этапа. На первом этапе определяются объемы добычных и вскрышных работ и их местоположение в пространстве. На втором этапе производится распределение объемов работ по экскаваторам, создание транспортных схем. Последним этапом является автоматизированное формирование и расчет сценария планирования, анализ отчетных данных.
На основе последовательности отработки заходок, распределения выемочно-погрузочной техники и транспортных схем формируется сценарий планирования. В процессе расчета сценария для забоев, находящихся в работе, определяются ближайшие незаполненные на данный момент времени пункты разгрузки в соответствии с системой транспортных коммуникаций. Транспортная техника постепенно, по мере необходимости, вступает в работу, исключая простои экскаватора по причине отсутствия автосамосвалов, а также простои автосамосвалов, ожидающих погрузку в очереди у забоя. Таким образом, оптимизируется работа карьерного транспорта по критерию максимизации производительности автосамосвалов.
3. Разработаны методические основы оперативного анализа и учёта геомеханических и технологических характеристик вмещающего массива горных пород при проектировании объектов подземной геотехнологии, предназначенные для автоматизированного принятия технологических решений в инструментах проектирования и планирования подземных горных работ. Методика основана на дискретном анализе взаимного пространственного расположения моделей технологического объекта, геологической среды с её геомеханическими характеристиками, близлежащих природных и техногенных объектов.
Авторы: Лукичёв С.В., Наговицын О.В., Лаптев В. В., Корниенко А. В., Гурин К. П., Якубович Р. В.
В основе метода лежит дискретный подход к анализу протяженных объектов, таких как подземные горные выработки. Вдоль оси объекта с заданным шагом дискретности проводится пространственный анализ окружающей её геологической и технологической обстановки. На каждом шаге, для каждого участка выработки определяется:
внутри каких каркасных и блочных моделях геологических тел он находится;
в какие модели технологических объектов он попадает;
модели каких объектов (в пространстве заданной области поиска) находятся поблизости, есть ли среди них обозначенные опасными, какие технологические свойства и состояния у этих моделей;
геомеханические свойства (НДС) окружающего его массива горных пород.
В результате анализа, основанный на разработанной методике, алгоритм составляет подробный отчёт о результатах анализа, которые можно использовать как источник информации об условиях, в которых располагается модель линейного объекта подземной геотехнологии, а также для автоматизированного принятия технологических решений. Разработанный подход и алгоритм нашли применение при решении следующих задач:
Выбор паспортов крепления подземных выработок.
Выбор и назначение циклограмм проходки выработок при планировании горных работ.
Оперативное предупреждение о приближении мест ведения горных работ к зонам с опасными горно-техническими и геомеханическими условиями.
Определение категорий состояния выработок по удароопасности в зависимости от геомеханических условий в месте их расположения.
4. Выполнен инвестиционный анализ комплексной переработки апатит-нефелиновых руд месторождения «Олений ручей», включающий маркетинговые исследования рынка сбыта редкоземельной продукции и попутных концентратов. На основе сценарного моделирования показано, что в настоящее время производство из руды АО «СЗФК» редкоземельных элементов, нефелинового, эгиринового, сфенового и титаномагнетитового концентратов экономически нецелесообразно.
Авторы: Лукичев С.В., Наговицын О.В., Чуркин О.Е., Гилярова А.А .
При проведении исследований выполнен обзор тенденций мировой и отечественной конъюнктуры (производства, потребления и уровня цен) на продукты комплексной переработки апатит-нефелиновых руд. Проанализирована технологическая изученность получения из руды попутных концентратов и редкоземельной продукции из апатитового концентрата. Выполнен анализ рыночных цен на редкоземельную продукцию в России и в мире и анализ наиболее существенных факторов ценообразования. Проведены маркетинговые исследования рынка сбыта на редкоземельную продукцию и попутных концентратов. Проанализирована рентабельность производства редких земель на базе ПАО «Акрон». Выполнена оценка экономической целесообразности производства и использования редких земель, получаемых из апатитового концентрата ГОКа «Олений ручей» на базе ПАО «Акрон», а также попутных концентратов на базе АО «СЗФК» в современных социально-экономических условиях и на перспективу.
5. На основе компьютерного моделирования схемы вскрытия и технологии отработки запасов рудопроявления Вуоннемиок определены границы возможной зоны обрушения при ведении подземных горных работ, необходимые при формировании внешних отвалов Ньоркпахского карьера и объектов инфраструктуры на земной поверхности.
Авторы: Белогородцев О.В., Наговицын Г.О.
Использование цифрового моделирования обеспечило в сжатые сроки рассмотрение нескольких сценариев отработки сложных в геологическом отношении участков рудопроявления Вуоннемиок. Инструменты автоматизированной оценки объёмов, привязанные к моделям горных выработок, существенно упростили процедуру предварительной оценки стоимости подземного строительства горных выработок на стадии вскрытия и подготовки при подземной отработке запасов.
На основании исходных горно-геологических данных:
выполнен автоматизированный подсчёт запасов в целом по всему рудопроявлению, а также 1 стадии строительства до отм.+80 м, оконтуренных по бортовому содержанию 2 и 4 %;
разработана принципиальная схема вскрытия и подготовки запасов 1 очереди строительства, в том числе создана 3D цифровая модель подземных горно-капитальных и первоочередных горно-подготовительных горных выработок с автоматизированным подсчётом объёмов их строительства;
создана цифровая модель охранного целика под водными объектами на земной поверхности, необходимого для исключения их подработки и затопления мульды сдвижения горных пород при отработке запасов рудопроявления подземными горными работами;
определена годовая производственная мощность по добыче руды и срок отработки запасов подземными горными работами 1 очереди строительства;
определены границы возможной зоны обрушения при ведении подземных горных работ, необходимые при формировании внешних отвалов Ньоркпахского карьера и объектов инфраструктуры на земной поверхности.
6. На основе численного моделирования взрыва в упругопластической среде в объемной постановке выявлены особенности разрушения массива горных пород системой скважинных зарядов при параллельном и веерном их расположении и обоснованы оптимальные условия их взрывания на основе учета взаимодействия полей напряжений и динамики развития зон разрушения между смежными скважинными зарядами, что позволило для открытых и подземных горных работ обосновать рациональные параметры БВР, последовательность взрывания скважин и оптимальные интервалы замедлений между скважинами и рядами скважин с целью получения необходимого качества подготовки горной массы и снижения сейсмического действия взрыва.
Авторы: Козырев С.А., Камянский В.Н., Аленичев И.А.
7. Разработан комплексный метод оценки взрывчатых характеристик и относительной взрывной эффективности современных промышленных ВВ. Выявлены закономерности газификации эмульсионных взрывчатых веществ, предназначенных для подземных горных работ и определены оптимальные значения скорости детонации и плотности заряжания, при которых развивается наибольшее детонационное давление и обеспечиваются наилучшие характеристики взрывания, что позволяет обосновать наиболее оптимальные рецептуры смесевых и эмульсионных ВВ для отбойки горных пород различной крепости.
Авторы: Козырев С.А., Власова Е.А., Соколов А.В.
8. Разработаны "Методические указания по расчету и проектированию паспортов буровзрывных работ и технология взрывных работ для системы разработки с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды", в которых приведены основные требования к буровзрывным и очистным работам; схемы подготовки горизонтов, обоснованы параметры системы разработки по условиям выпуска руды; приведен расчет параметров буровзрывных работ, оптимальной глубины скважин по условиям бурения, нарушения и потерь скважин после взрывных работ, заряжания и полноты детонации; схем обуривания и взрывания массива, что позволяет существенно снизить потери и разубоживание отбитой руды и обеспечить более качественное дробление.
Авторы: Козырев С.А., Массан В.В., Соколов А.В.
9. Выявлены закономерности распространения сейсмических волн от подземных и карьерных массовых взрывов в различных зонах действия взрыва и интенсивности их воздействия на массив горных пород, горные выработки, поверхностные здания и сооружения. Обоснованы методические положения расчета сейсмоопасных зон для поверхностных объектов и горных выработок при широком диапазоне изменения граничных условий взрывания. Произведено районирование карьера по степени сейсмической восприимчивости и разработана методика оперативной оценки сейсмовзрывного воздействия на законтурный массив при производстве взрывных работ в карьере, основанная на результатах экспериментальных наблюдений за сейсмическим действием взрывов и численного моделирования, позволяющая производить оценку ширины зон трещинообразования и заколов в тыльную часть массива, зон проявления наведенной трещиноватости и устойчивости вышележащих уступов при динамическом воздействии от массового взрыва, что позволяет оперативно на стадии проектирования подобрать параметры взрывания, обеспечивающие минимизацию сейсмического воздействия на законтурный массив.
Авторы: Козырев С.А., Усачев Е.А., Соколов А.В.
10. С использованием 3D компьютерного моделирования в программном комплексе ANSYS Fluent исследован характер распределения воздушных потоков на поверхности и в карьерном пространстве глубоких карьеров с учетом реального рельефа местности и масштаба карьера, что позволило выявить влияние породных отвалов и прибортовых зон карьера на формирование рециркуляционных зон, вихревых течений и степени ослабления воздушных потоков в различных зонах карьера в зависимости от скорости ветра на поверхности и разработан программный комплекс для оперативного контроля и прогноза состояния атмосферы карьеров и управления горными работами при различных метеоситуациях.
Авторы: Козырев С.А., Амосов П.В., Никитин Р.М., Массан В.В.
11. Выявлены закономерности распределения параметров полей техногенных напряжений вокруг карьерных выемок при действии в массиве сил гравитационно-тектонической природы, заключающиеся в формировании зон их концентрации и разгрузки в зависимости от направления максимального сжатия
Авторы: Рыбин В.В., Константинов К.Н., Калюжный А.С.
На основе многолетних исследований напряжённо-деформирования состояния прибортового массива пород комплексом натурных методов выполнено районирование карьера по величинам действующих напряжений с учётом структурной нарушенности массива, что позволяет дифференцировать устойчивость уступов и участков борта карьера с учетом геологоструктурных особенностей горных пород массива и выбирать их рациональные параметры по геомеханическим условиям (на примере Ковдорского карьера).
Рисунок - Ковдор Районирование по напряжённому состоянию
12. Разработана методология геомеханического обоснования устойчивости бортов карьеров в массивах скальных тектонически напряженных пород
Автор: Рыбин В.В.
Разработана методология учёта напряжённо-деформированного состояния, иерархично-блочного строения массива пород, его физических свойств при обосновании устойчивых параметров бортов и уступов карьеров, состоящая в последовательной разработке инженерно-геологической, геомеханической моделей месторождения, расчётных моделей элементов карьерных выемок, позволяющих обосновывать их рациональные параметры. Предложенная методология в достаточной степени соответствует особенностям скальных высокопрочных тектонически напряжённых массивов и может быть применена в соответствующих условиях на предприятиях, ведущих горные работы открытым способом.
Рисунок - Блок схема принятия решения
13. Показано, что система мониторинга устойчивости массива пород при крупномасштабных горных работах должна соответствовать свойствам и состоянию иерархично-блочного массива пород, что достигается многоуровневостью системы, применением комплекса методов, адекватных по масштабу контролируемым объектам
Авторы: Рыбин В.В., Константинов К.Н., Розанов И.Ю., Каган М.М., Панасенко И.Г.
Комплексная система мониторинга устойчивости формируется в рамках концепции открытой системы, позволяющей изменять и дополнять номенклатуру контролируемых объектов, методов, параметров контроля, обеспечивая необходимый уровень безопасности при достижении требуемого объёма добычи руды на горнодобывающем предприятии с учётом углубления и расширения карьерной выемки и возможного перехода к комбинированному способу добычи.
Рисунок: «Схема мониторинга»
14. Создан комплекс разномасштабных геомеханических моделей Хибинского массива, позволяющих имитировать стадийность отработки восьми сближенных месторождений апатит-нефелиновых руд, являющихся уникальным мировым источником фосфатного сырья. Полученные результаты являются основой перспективного планирования по безопасной выемке всех разведанных запасов с применением различных вариантов современных технологий в удароопасных условиях при учете кольцевой структуры массива, направления тектонических напряжений, основных разломов, рельефа дневной поверхности, параметров рудных тел
Авторы: Авторы: Семенова И.Э., Аветисян И.М.
Рисунок - Модель Хибины
15. На основе комплекса геологических, геомеханических и технологических моделей исследовано влияние масштабов и параметров открыто-подземной геотехнологии на состояние Хибинской горнотехнической системы. Выявлены закономерности перераспределения напряжений в окрестности очистных пространств на больших глубинах в условиях высокого тектонического сжатия, гористого рельефа и взаимного влияния открытых и подземных горных работ, позволившие сформулировать основные принципы безопасной отработки месторождений в подобных геомеханических условиях. На примере Кировского рудника АО «Апатит» показано, что при отработке более 300 млн. тонн запасов руды и понижении границ горных работ до отметки 1000 м от дневной поверхности увеличивается вероятность риска возникновения сильных динамических проявлений горного давления, особенно при создании блоков-целиков и отработке месторождений встречными фронтами
Авторы: Авторы: Лукичев С.В., Козырев А.А., Семенова И.Э., Белогородцев О.В., Аветисян И.М., Земцовский А.В.
16. На примере техногенного землетрясения на Расвумчоррском руднике 09.01.2018 г. обоснован механизм мощных сейсмических событий, реализующихся в виде взброса по имеющимся структурным нарушениям в подстилающих породах лежачего бока за счет частичного снятия вертикальной нагрузки, роста величин касательных напряжений (max) вплоть до критических и совпадения площадок действия max (сдвигового напряжения) с геодинамически активной разломной структурой. Триггером мощного динамического явления был массовый взрыв 08.01.2018 на фоне достижения самим массивом горных пород предельно неустойчивого состояния. События с подобным механизмом вызывают наиболее мощный сейсмический отклик массива и могут привести к серьезным разрушениям подземных и наземных объектов
Авторы: Козырев А.А., Семенова И.Э., Журавлева О.Г., Пантелеев А.В.
Рисунок - Схема мониторинга
17. На основе ретроспективного анализа данных о проявлении геодинамических явлений на удароопасных месторождениях Хибинского массива выявлен комплекс факторов, влияющих на изменение сейсмического режима и локализацию опасных зон в сложных горно-технических системах. Разработана структурная схема и проведено ранжирование факторов с учетом времени воздействия на массив горных пород
Авторы: Козырев А.А., Жукова С.А., Семенова И.Э., Журавлева О.Г. и др.
18. Обоснован механизм динамического разрушения массива и критические параметры целиков для Центрального рудного тела Ждановского месторождения с учетом геомеханических и геологических особенностей. Установлена глубина отнесения месторождения к склонным и опасным по горным ударам на основе данных натурных исследований поля напряжений, проявлений горного давления в выработках и анализа геодинамического события 13.10.2022 на руднике «Северный» АО «Кольская ГМК»
Авторы: Козырев А.А., Семенова И.Э., Журавлева О.Г. и др.
19. Зависимость между скоростью нагружения и склонностью пород к разрушению в динамической форме.
Авторы: Кузнецов Н.Н., Пак А.К.
По результатам экспериментальных исследований образцов скальных горных пород месторождений Кольского региона установлено, что с увеличением скорости нагружения от 0,01 до 50 кН/с возрастает прочность пород при одноосном сжатии и меняется характер их разрушения: для хрупких упругих пород возрастает интенсивность разрушения, а нехрупкие упруго-пластичные породы начинают разрушаться в динамической форме.
20. Методика определения склонности скальных горных пород к разрушению в динамической форме.
Авторы : Козырев А.А., Каспарьян Э.В., Земцовский А.В., Кузнецов Н.Н., Пак А.К.
Разработана методика определения склонности скальных горных пород к разрушениям в динамической форме, основанная на анализе закономерностей деформирования образцов скальных пород при одноосном сжатии до предела прочности и сопоставлении величин их накопленной фактической и расчетной идеально упругой энергии деформирования.
21. Энергетический критерий оценки склонности пород к динамическому разрушению.
Авторы: Козырев А.А., Каспарьян Э.В., Земцовский А.В., Кузнецов Н.Н., Пак А.К.
По результатам испытаний 34 разновидностей скальных горных пород месторождений Кольского полуострова установлено пороговое значение критической удельной энергии деформирования для разделения пород по характеру разрушениям. В условиях одноосного сжатия при значениях критической удельной энергии до 50 КДж/м3 преобладает статическое разрушение. При больших величинах этого параметра для пород характерны динамические разрушения, интенсивность которых возрастает с его увеличением.
22. Созданы методологические основы многофакторной оценки устойчивости гидротехнических сооружений горнодобывающих предприятий. Оценка основана на комплексировании результатов компьютерного моделирования фильтрационно-деформационных процессов и инструментальных методов наблюдений за сооружениями: дистанционный, воздушный, наземный и подповерхностный. Методология апробирована на горнодобывающих предприятиях Кольского полуострова и может быть применена в других горнодобывающих регионах РФ.
Авторы: Калашник А.И., Запорожец Д.В., Калашник Н.А., Максимов Д.А., Еграшичева Д.Н., Дьяков А.Ю., Мелихов М.В.
Методология многоуровневых исследований гидротехнических сооружений горнодобывающих предприятий основана на оптимальном комплексировании, с учетом арктических условий, мультидисциплинарных методов и способов наблюдений на различных уровнях, соотнесенных с земной поверхностью: спутниковом, воздушном, наземном, подповерхностном, а также компьютерном 3D моделировании (рис.). В основу положен принцип результативного комбинирования мультидисциплинарных исследований, включающих в себя: наземные и GPS геодезические, гидрогеологические, геофизические и геотехнические измерения, а также подповерхностные, поверхностные (наземные), воздушные и спутниковые георадарные съемки, гидрологические измерения, георадарное зондирование, сейсмотомография, геодезические съемки, лазерное и радарное сканирование, тепловая и радарная аэрофотосъемки с применением БПЛА, GPS геодезия, спутниковые оптические, спектральные и радарные снимки, компьютерное гидрогеомеханическое моделирование.
Рисунок – Оптимальное комплексирование мультидисциплинарных методов и способов наблюдений для многоуровневых исследований и мониторинга гидротехнических сооружений
Структура методологических основ многоуровневых исследований гидротехнических сооружений горнодобывающих предприятий западной части российского сектора Арктики включает в себя: мультидисциплинарные методы и способы наблюдений, цифровую передачу и обработку данных, систематизацию и критериальный анализ, обоснование принятия управляющих решений по обеспечению промышленной и экологической безопасности.
Созданные методологические основы многоуровневых исследований гидротехнических сооружений апробированы на горнодобывающих предприятиях Кольского полуострова и могут быть применены в других горнодобывающих регионах РФ.
23. На основе 3D гидрогеомеханического моделирования паводкового заполнения хвостохранилища ГОКа «Олений ручей» выявлены закономерности перераспределения градиентов гидравлического напора, определяющие формирование депрессионной поверхности дренирующейся сквозь тело ограждающей дамбы воды, что позволило выполнить оценку фильтрационной устойчивости дамбы посредством сопоставления рассчитанных и критериальных значений показателя надежности для сооружения с категорией II класса опасности в евроарктических условиях.
Автор: Калашник Н.А.
Основной проблемой гидротехнической системы (ГТС) «хвостохранилище – ограждающая дамба – основание» является обеспечение фильтрационной устойчивости дамбы при повышении уровня воды в хвостохранилище вследствие паводкового затопления или в результате повышенных технологических сбросов промышленных вод.
Для ГТС хвостохранилища ГОК «Олений ручей» выполнено компьютерное 3D гидрогеомеханическое моделирование внепланового повышения уровня воды, на основе чего оценена фильтрационная устойчивость ограждающей дамбы. При этом отличительной особенностью являлось интегрирование геомеханических и гидрогеологических условий, что позволило оценить, как напряжения и смещения грунтов, так и фильтрацию и внутрипоровое давление, а также выявить закономерности формирования депрессионной поверхности дренирующейся сквозь тело дамбы воды.
Выявлено, что рассчитанные значения градиента напора практически повсеместно ниже критического, за исключением случая максимального уровня и выхода воды на низовой откос (рис.). Рассчитанные значения коэффициента устойчивости больше нормативного при условии выхода дренирующейся воды на основание ограждающей дамбы. В случае выхода воды на низовой откос, устойчивость ограждающей дамбы хвостохранилища не будет обеспечиваться.
Рисунок - Модельные закономерности распределения градиента напора (а) и коэффициента устойчивости (б) для случаев выхода дренирующейся воды на основание или низовой откос дамбы
24. Установлены закономерности трансформации объекта складирования жидких минерально-сырьевых отходов горного производства как нестационарной природно-технической системы, заключающиеся в его переходе от равновесного состояния в стационарную фильтрацию, с развитием гидродинамики водотока и формированием опасных фильтрационно-деформационных процессов. Полученные на основе численного моделирования закономерности формируют научно-методическую основу для оценки промышленной безопасности объектов складирования минеральных отходов горного производства западной части российского сектора Арктики.
Авторы: Калашник А.И., Калашник Н.А., Запорожец Д.В., Максимов Д.А., Дьяков А.Ю.
Для исследования объекта складирования жидких минерально-сырьевых отходов горного производства как нестационарной природно-технической системы была разработана гидрогеомеханическая 3D модель, отражающая типовые характеристики ГТС хвостохранилищ горнорудных предприятий западной части российского сектора Арктики. В модели была заложена возможность исследования совместных фильтрационно-деформационных расчетов, в которых учитываются гидростатические (степень водонасыщения грунтов, гидравлический напор), гидродинамические (образование водотоков, скорость и давление потока) и геомеханические (деформации и смещения грунтов под действием силы тяжести, а также вследствие гидростатического и динамического давления воды) условия и нагрузки (рис.).
Рисунок - Модельные закономерности трансформации объекта складирования жидких минерально-сырьевых отходов горного производства как нестационарной природно-технической системы
Выявленные зависимости позволяют с высокой степенью достоверности (R2≥ 0,97) определить условия перехода объекта из стационарного состояния (стационарная фильтрация (Куст>2)) в нестационарное: последовательное формирование водотока (2>Куст>1), размыв (1>Куст>0,6) и разрушение (Куст<0,6). Дальнейшее снижение показателя устойчивости незначительно в силу резкой трансформации гидростатической фильтрации непосредственно в водоток и размыв.
Установленные модельные закономерности трансформации объекта складирования жидких минерально-сырьевых отходов горного производства как нестационарной природно-технической системы подтверждены комплексными экспериментальными наблюдениями на ГТС хвостохранилищ ГОК «Олений ручей» СЗФК, АО «Ковдорский ГОК», АО «Кольская ГМК».
25. На основе инженерно-геологических, гидрологических, геофизических и геодезических исследований хвостохранилища АНОФ-3 КФ АО «Апатит» построена его цифровая гидрогеологическая 3D модель. Модель позволяет путём численного моделирования выявлять наиболее характерные особенности изменения гидрогеологического режима хвостохранилища. На базе гидрогеологической модели разработана гидрогеомеханическая 3D модель фрагмента хвостохранилища, включающего разделяющую дамбу, построенную на хвостовых отложениях с иловыми прослойками. Моделированием выявлены скачкообразные изменения фильтрационно-деформационных процессов, определяющие механическую и фильтрационную устойчивость дамбы как линейного насыпного грунтового сооружения на слабом основании.
Авторы: Калашник А.И., Мелихов М.В., Калашник Н.А., Лебедик Е.Ю.
На основе выполненных инженерно-геологических, гидрологических, геофизических и геодезических исследований хвостохранилища АНОФ-3 КФ АО «Апатит» построена его гидрогеологическая 3D модель (рис.). Модель имитирует хвостохранилище как открытую природно-техническую систему, подверженную эндо и экзо нагрузкам, и позволяет выявлять наиболее характерные особенности изменения ее гидрогеологического режима.
На базе гидрогеологической модели разработана гидрогеомеханическая 3D модель фрагмента хвостохранилища, включающего рассекающую дамбу, построенную на хвостовых отложениях с иловыми прослойками.
Моделированием выявлены скачкообразные изменения фильтрационно-деформационных процессов, достигающие критериальных, и определяющие механическую и фильтрационную устойчивость грунтов рассекающей дамбы как линейного насыпного грунтового сооружения на слабом основании.
Рисунок - Гидрогеологическая модель хвостохранилища АНОФ-3 КФ АО «Апатит» как открытой природно-технической системы
26. На основе 10–летнего цикла комплексных исследований и мониторинга гидрогеологического состояния хвостохранилища ОФ АО «Кольская ГМК» подтверждено, что хвостохранилище заполняется и эксплуатируется в соответствии с проектом и критериальными требованиями, вследствие чего опасные фильтрационно-деформационные процессы в ограждающих дамбах не формируются, а граничные условия соответствуют уравнениям Бернулли. Вместе с тем динамика гидрогеологического режима хвостохранилища не отвечает принципу суперпозиции, не аппроксимируется, как линейной, так и более сложными дифференциальными зависимостями, что позволяет говорить о хвостохранилище как открытой нелинейной гидротехнической системе, требующей постоянного контроля.
Авторы: Калашник А.И., Запорожец Д.В., Максимов Д.А., Дьяков Д.А., Еграшичева Д.Н., Смирнова О.В.
Выполнен 10–летний цикл комплексных исследований и мониторинга хвостохранилища ОФ АО «Кольская ГМК», результатами которых явились установленные особенности гидрогеологического состояния (рис.).
а)
б)
Рисунок - Динамика гидрогеологического режима хвостохранилища АО «Кольская ГМК» (а), длин намывных пляжей и планового смещения контрольных реперов: б) Южной дамбы в) Северной дамбы хвостохранилища
Подтверждено, что хвостохранилище заполняется и эксплуатируется в соответствии с проектом и нормативными требованиями, вследствие чего опасные фильтрационно-деформационные процессы в ограждающих дамбах не формируются, а граничные условия соответствуют уравнениям Бернулли. Вместе с тем, динамика гидрогеологического режима хвостохранилища не отвечает принципу суперпозиции, не аппроксимируется, как линейной, так и более сложными дифференциальными зависимостями, что подтверждает, что хвостохранилище представляет собой открытую нелинейную гидротехническую систему, требующую постоянного контроля.
27. Обоснована методология и разработана технология восстановления природных экосистем, нарушенных при освоении георесурсов, в соответствии с принципом их самоорганизации в ходе эволюции «горная порода – биота», созданием биологически активной среды
Авторы: Месяц С.П., Остапенко С.П., Петров А.А, Аверина О.В., Волкова Е.Ю., Овчинникова Н.Г.
На основании изучения самоорганизуемой природы почв обоснована методология и разработана технология восстановления природных экосистем, нарушенных при освоении георесурсов, в соответствии с принципом их самоорганизации. Восстановление природных экосистем рассматривается как эволюция системы «горная порода-биота» в конкретных климатических условиях. Повышение энергетического потенциала биоты в результате создания на первом этапе сеяного злакового фитоценоза без нанесения плодородного слоя обеспечивает быстрое образование биогенно-гумусо-аккумулятивного горизонта и значительно более быстрое, чем при самозарастании, формирование фитоценоза со структурой окружающего природного ландшафта.
Анализ данных геоботанического описания фитоценоза, формирующегося в ходе эволюции системы «горная порода - биота», на откосах ограждающей дамбы складированных отходов рудообогащения Хибинской группы месторождений, выполненного в 2023году, показал наличие растений-доминантов всех ярусов окружающего природного ландшафта. Выявлено 67 видов растений из 30 семейств (11 древесных, 34 травянистых и кустарничковых), 11 видов мхов и 11 видов лишайников. Динамика подселения растений-доминантов окружающего природного ландшафта в ходе лесной стадии сукцессии сеяного злакового фитоценоза, увеличение площади их проективного покрытия свидетельствуют о том, что формирование на первом этапе восстановления природных экосистем, нарушенных при освоении георесурсов, биологически активной среды созданием сеяного злакового фитоценоза без нанесения плодородного слоя обеспечивает быстрое формирование фитоценоза со структурой окружающего природного ландшафта и свидетельствует о восстановлении природных экосистем (таблица 1).
Таблица 1 - Динамика формирования фитоценоза на откосах ограждающей дамбы складированных отходов рудообогащения на лесной стадии сукцессии сеяного без нанесения плодородного слоя злакового фитоценоза.
* видовое разнообразие грибов и водорослей не учитывалось.
Рисунок 1. Соотношение количества видов в фитоценозе, формирующемся на откосе ограждающей дамбы складированных отходов рудообогащения, и в фитоценозе окружающего природного ландшафта
Рисунок 2. Соотношение проективного покрытия различных представителей видового состава фитоценоза, формирующегося на откосе ограждающей дамбы складированных отходов рудообогащения в ходе лесной стадии сукцессии сеяного без нанесения плодородного слоя злакового фитоценоза, и фитоценоза окружающего природного ландшафта по данным наземных наблюдений.
Рисунок 3. Актуальное состояние фитоценоза на откосах ограждающей дамбы складированных отходов рудообогащения
28. Разработан методический подход к оценке потенциала восстановления природных экосистем, нарушенных при освоении георесурсов, по данным спутниковых наблюдений в видимой, инфракрасной и тепловой областях спектра на основе биотических и абиотических факторов с применением нейросетевой модели. Выполнена оценка потенциала формирования фитонеза на складированных отходах рудообогащения Хибинской группы месторождений с целью поддержки принятия решений при планировании природоохранных мероприятий горнодобывающими предприятиям
Авторы: Месяц С.П., Остапенко С.П., Аверина О.В., Овчинникова Н.Г.
Изучены факторы восстановления растительного покрова, нарушенного при освоении месторождений полезных ископаемых, на примере фитоценоза, формирующегося на ограждающей дамбе складированных отходов обогащения апатит-нефелиновых руд Хибинской группы месторождений по разработанной в Горном институте КНЦ РАН методологии восстановления природных экосистем созданием биологически активной среды без нанесения плодородного слоя, рисунок 1. По данным спутниковых наблюдений в течение вегетационного периода изучено влияние рельефа и тепловлагообеспеченности на состояние формирующегося фитоценоза с использованием градиентных по высоте откоса ограждающей дамбы трансектах разной экспозиции. Применением усовершенствованной процедуры паншарпенинга обеспечены согласование пространственного разрешения спутниковых снимков с минимальным характерным размером элементов откоса дамбы и представительность данных, полученных при оценке состояния растительного покрова вегетационным индексом и индексом стресса влажности растений. Проведено обучение двух искусственных нейронных сетей прогнозу индексов вегетационного и стресса влажности растений на массиве данных, полученных в результате обработки видимых, инфракрасных и тепловых спектральных каналов спутниковых снимков исследуемого объекта. С помощью нейросетевой модели показано, что вегетационный индекс формирующегося растительного покрова антибатен индексу стресса влажности растений – доминирующему фактору восстановления природных экосистем, и температуре поверхности ограждающей дамбы хвостохранилища. Показано, что неблагоприятное сочетание факторов восстановления растительного покрова выявляется применением обученной нейросетевой модели без дополнительного привлечения данных спутниковых наблюдений.
Рисунок 1 - Актуальное состояние растительного покрова на ограждающей дамбе складированных отходов рудообогащения Хибинской группы месторождений: А – вид со спутника; Б – распределение растительного покрова
29. Разработаны компьютерная модель агрегации взвешенных минеральных частиц и алгоритм согласования результатов компьютерного моделирования с результатами изучения агрегации и седиментации тонкодисперсных отходов переработки минерального сырья по спутниковым данным загрязнения природных водоемов. Показано, что баланс электростатической силы отталкивания и дисперсионных сил притяжения проявляется в образовании агрегатов тонкодисперсных минеральных частиц с характерной фрактальной размерностью. Хорошее соответствие расчетных параметров агрегации и седиментации частиц и данных спутниковых наблюдений может быть использовано для мониторинга загрязнения водных объектов при адаптации технологий переработки минерального сырья к современным требованиям экологизации производства, а также при оценке водно-экологического потенциала территории для рационального управления природными ресурсами.
Авторы: Месяц С.П., Остапенко С.П., Аверина О.В., Овчинникова Н.Г.
Характерным видом загрязнения вод, сопровождающим освоение георесурсов, является загрязнение взвешенными тонкодисперсными минеральными частицами, которое традиционно изучается по поглощению и рассеянию света частицами. Вместе с тем, коэффициенты поглощения и обратного рассеяния света минеральными частицами могут быть рассчитаны на основе спектральной яркости водных объектов по мультиспектральным спутниковым снимкам. В этой связи, анализ рассеяния света в поверхностном слое водных объектов по спутниковым данным является перспективным для мониторинга взвешенных веществ, поскольку в отличие от точечных наземных наблюдений, спутниковые снимки обеспечивают полный охват наблюдаемой территории. Исследование поверхностного слоя водных объектов как единого целого позволяет наблюдать развернутый в пространстве процесс самоочищения воды от загрязнения взвешенными веществами, в том числе в результате седиментации.
Изучена седиментационная устойчивость взвешенных тонкодисперсных минеральных частиц по данным спутниковых наблюдений их агрегации и седиментации на примере самоочищения субарктических озер от загрязнения отходами переработки апатит-нефелиновых, железных, медно-никелевых руд. По мультиспектральным снимкам водных объектов, сделанных космическим аппаратом Sentinel-2, определены средний размер взвешенных тонкодисперсных отходов переработки минерального сырья и плотность распределения частиц по крупности (рисунок).
Для учета агрегации разработана компьютерная модель динамики взвешенных частиц и выполнена параметризация сил электростатического и дисперсионного взаимодействия частиц минералов месторождений Кольского горнопромышленного комплекса. Показано, что баланс электростатической силы отталкивания и дисперсионных сил притяжения проявляется в образовании агрегатов тонкодисперсных минеральных частиц с характерной фрактальной размерностью, на примере Нефелина, Магнетита, Кварца, Пирита. Разработан алгоритм согласования результатов компьютерного моделирования динамики взвешенных частиц с результатами, полученными обработкой спутниковых изображений водных объектов.
Получено хорошее соответствие расчетных параметров седиментации тонкодисперсных отходов переработки минерального сырья в поверхностном слое водных объектов и данных спутниковых наблюдений. Определение седиментационной устойчивости загрязнения водоемов тонкодисперсными отходами переработки минерального сырья в рамках разработанного методического подхода не требует проведения наземных наблюдений; результаты исследований позволяют рассчитать скорость седиментации минеральных частиц и их агрегатов заданной крупности, что может быть использовано для мониторинга загрязнения водных объектов при адаптации технологий переработки минерального сырья к современным требованиям экологизации производства.
1 – озеро Колозеро, 2 – озеро Имандра губа Куреньга, 3 – озеро Мончеозеро, 4 – озеро Имандра губа Монче, 5 – озеро Имандра губа Белая
Рисунок 1 – Расположение объектов исследования и зависимость среднего диаметра взвешенных частиц тонкодисперсных отходов переработки минерального сырья от расстояния до источника загрязнения
30. Обоснована перспективность применения отходов переработки руд для кондиционирования сточных вод горной отрасли. Разработан методический подход и расчетно-экспериментальным методом исследованы взаимодействия в системах минерал-вода и минерал-вода-минерал на примере разрабатываемых месторождений Кольского горнопромышленного комплекса. Показано, что с учетом кинетики агрегации тонкодисперсных частиц минералов в качестве технологического решения целесообразна фильтрация сточных вод с использованием отходов переработки железных и нефелинсодержащих руд.
Авторы: Месяц С.П, Остапенко С.П., Аверина О.В., Овчинникова Н. Г .
Значительные объемы добычи, перемещения и переработки руд при освоении месторождений полезных ископаемых являются источником загрязнения природной среды тонкодисперсными минеральными частицами. Несмотря на разнообразие существующих технологических решений, подбор метода кондиционирования вод, одновременно обеспечивающего низкие затраты и экологическую приемлемость, проблематичен. Решением этой проблемы является использование отходов основного производства предприятий. Практический и научный интерес представляет выявление условий агрегации взвешенных веществ с тонкодисперсными частицами пустой породы, подвергнутыми в процессе измельчения руд механической активации поверхности, для снижения содержания взвешенных в сточных водах без добавления реагентов.
Исследована агрегация в полидисперсной системе частиц микронного размера, на примере, разрабатываемых месторождений Кольского горнопромышленного комплекса. Предложен методический подход к оценке констант дисперсионных взаимодействий в системах минерал-вода и минерал-вода-минерал, основанный на согласовании набора экспериментальных данных об агрегации тонкодисперсных частиц, полученных методом лазерной дифракции в равновесных условиях, рисунок 1.
Установлено, что агрегация наиболее выражена в системах с частицами Гематита или Нефелина, в качестве хотя бы одного из компонентов, в меньшей степени - Пирита. Причины различия в свойствах поверхности бинарных соединений железа: Пирита (FeS2) и Гематита (Fe2O3), заключаются в различии взаимодействия воды с поверхностью их частиц: эффективная константа взаимодействия с водой Гематита (58.8 зептоДж) выше, чем у Пирита (52.2 зептоДж) и близка по величине к константам взаимодействия с водой Нефелина и Кварца (58.7 и 58.5 зептоДж, соответственно). Выявлен эффект неаддитивности дисперсионных взаимодействий в системах минерал-вода и минерал-вода-минерал. Так, различие констант Гамакера Гематит-Вода и Пирит-Вода на 11% приводит к двукратному различию констант в системах Гематит-Вода-Гематит и Пирит-Вода-Пирит.
С учетом полученных результатов целесообразно рассматривать отходы переработки железных и нефелинсодержащих руд в качестве перспективных материалов для кондиционирования вод, загрязненных взвешенными веществами. При этом следует принять во внимание ограниченную возможность удаления взвешенных веществ, характеризуемых малыми константами взаимодействия частиц через водную прослойку, например, Пирита. Для прогнозирования такой нежелательной ситуации, перспективен, простой в исполнении методический подход, заключающийся в экспериментально-расчетной оценке эффективных констант Гамакера взвешенных веществ на основе рутинной процедуры гранулометрического анализа лазерной дифракцией.
Рисунок 1 – Агрегация частиц минералов в типичной полидисперсной системе: А - функции плотности распределения частиц: 1 – исходная система, 2 – система в агрегационном равновесии; Б - кинетика агрегации: 1 и 2 – компонен