Главная – Журналы – Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых 2018 номер 6

Проведены экспериментальные исследования характера акустико-эмиссионного отклика ископаемых углей различной стадии метаморфизма на циклическое изменение действующих в них термических напряжений. Дано описание используемого аппаратурного и методического обеспечения. Выявлены и проанализированы особенности указанного отклика в образцах антрацита, бурых и каменных углей различной степени нарушенности, обусловленной их предварительным циклическим замораживанием и оттаиванием, а также насыщением влагой. Показано, что важнейшей из таких особенностей является проявление в каждом цикле температурного воздействия термического аналога акустико-эмиссионного эффекта Фелисити. Установлены закономерности проявления этого эффекта и дано их физическое объяснение на основе анализа процессов дефектообразования в углях на различных стадиях термического воздействия. Предложены и обоснованы методические подходы, позволяющие по проявлениям эффекта Фелисити в акустико-эмиссионном отклике углей, подвергаемых циклическому температурному нагружению, оценить их структурную поврежденность, термическую стойкость, окисленность и склонность к криогенному выветриванию. Обсуждается возможность использования указанных проявлений для прогноза структурных изменений угольной продукции при длительном хранении в конкретных климатических условиях и опасности ее самонагревания и самовозгорания.

Рассмотрено деформирование массива горных пород с трещиной применительно к задаче управления разрушением. Классические аналитические решения, полученные для невесомого массива пород с трещиной, дают бесконечные значения напряжений в вершинах, что не соответствует действительности. Предложена феноменологическая теория расчета полных смещений в окрестности трещины, построенная на качественных различиях действия веса пород: растяжения происходят выше трещины, а сжатие - ниже. Обоснован безразмерный параметр, характеризующий отношение смещений верхнего берега трещины к смещениям нижнего, применяемый для описания поведения массива горных пород.

Изложены результаты численного моделирования геомеханического состояния массива горных пород в окрестности комплексно-механизированного забоя и передовой выработки при постепенном уменьшении ширины угольного целика между ними. Рассмотрены варианты перехода очистным забоем диагональной печи на пласте сложного строения различной мощности. Установлены закономерности перераспределения напряжений, деформаций и остаточной прочности угля и пород при изменении мощности отрабатываемого пласта, ширины угольного целика, расположения породного прослойка в пластах. Обоснованы рекомендации по технологии отработки уменьшаемого угольного целика и поддержанию передовой выработки, направленные на обеспечение безаварийной работы высокопроизводительного очистного забоя.

Строятся две паспортные зависимости поведения сульфидной руды с использованием тензорного базиса. Определяются направления в тензорном пространстве, где эти функции носят универсальный характер, т. е. не зависят от вида нагружения. С помощью указанных зависимостей описывается дилатансия горных пород и их сопротивление при растяжении и сжатии.

Проведена оценка влияния водонасыщенности на механические и физические свойства 34 осадочных пород, отобранных из разных геологических формаций Пакистана. Определены физико-механические свойства горных пород с использованием высушенных на воздухе и полностью насыщенных водой образцов. Выполнены шлифовые анализы образцов для определения их петрографии. Согласно статистическим анализам, пределы прочности на сжатие UCS _sat и пределы прочности на растяжение BTS _sat снизились на 40 и 50 % соответственно у образцов водонасыщенных пород по сравнению с показателями UCS _dry и BTS _dry образцов сухих пород. Обнаружены линейные корреляции между скоростями ультразвуковых волн, а также между плотностями сухих и водонасыщенных образцов горных пород. Взаимосвязь значений предела прочности на растяжение сухих и водонасыщенных образцов и пористостью породы выражена экспоненциально. Использован метод множественной регрессии для разработки прогностической линейной модели предела прочности на сжатие UCS _sat с геотехническими свойствами породы в сухом состоянии и петрографическими характеристиками образцов горных пород. Статистически оценена достоверность множественной регрессионной модели, разработанной в исследовании, и существующей корреляция для преобразования UCS _dry в UCS _sat .

Предел прочности при одноосном сжатии - широко используемый параметр для описания и классификации пород. Исследования обычно выполняются на образцах в сухом состоянии и при стандартных скоростях нагружения. В природе степень насыщения горных пород водой не равна нулю и скорость нагружения изменчива. Исследовались три различные осадочных породы из региона восточной Анатолии (Турция) для оценки влияния степени насыщения на их механические свойства, а также совместное влияние степени насыщения и скорости нагружения на предел прочности пород при одноосном сжатии. На высушенных в печи образцах с насыщенностью 35, 70 и 100 % в ходе испытаний определяли предел прочности при точечном нагружении, твердость Шмидта и Шора, скорость ультразвуковой волны и предел прочности на растяжение по бразильскому методу. Испытания предела прочности при одноосном сжатии проводили при 0, 35, 70 и 100 % степени насыщения и скорости нагружения 0.50, 0.75 и 1.00 кН/с. Результаты испытаний показали, что увеличение содержания воды приводит к снижению механических свойств на 40 -_{50 %. Водопоглощение оказывает большое влияние на пределы прочности пород на растяжение и при точечном нагружении. Внутреннее давление, вызванное наличием воды, больше воздействует на растягивающие напряжения. Отмечено, что увеличение предела прочности при одноосном сжатии и скоростей нагружения вызывает буферный эффект в породах с низкой пористостью.}

На основании лабораторных экспериментов и результатов регрессионного анализа предложен метод выбора эквивалентных материалов для физического моделирования различных процессов и объектов, связанных с массивом горных пород. Для реализации данного метода разработан программный комплекс Python. Полученные результаты исследований подтверждают эффективность и целесообразность используемого метода.

Рассмотрена проблема совершенствования пневматических импульсных механизмов, предназначенных для воздействия на породный массив в горном деле и строительном производстве. Предложена ударная система с двумя подвижными массами, объединенными в общем корпусе для виброударного погружения профильных элементов в упругопластическую грунтовую среду. Представлен экспериментальный образец пневмомолота с составной ударной частью, выполненный на основе воздухораспределительной схемы с упругим клапаном в камере обратного хода ударника. Приведены результаты исследования его рабочего цикла при различных вариантах настройки. Показана возможность влияния на характер и периодичность силового импульсного воздействия.

Рассмотрены различные модели ударной системы молота с передачей энергии удара в замкнутой камере с жидкостью. Доказано, что в модели поршень и инструмент могут быть представлены в виде твердых недеформируемых тел, а камера с жидкостью - в виде безынерционного упругого элемента. На основе анализа модели установлены зависимости усилий в камере с жидкостью, при контакте инструмента с породой и коэффициента передачи энергии удара в породу от параметров камеры и жесткости контакта инструмента с породой. Предложен алгоритм расчета динамики такой ударной системы, учитывающий утечки жидкости, изменение ее вязкости и объемного модуля упругости в зависимости от давления.

Проходческий комбайн представляет собой современный тип горных машин с функциями резания и возведения анкерной крепи. Разработаны три варианта расположения резцов на резцовой коронке проходческого комбайна для обеспечения наиболее эффективного резания угля. Выполнена оценка производительности резания на основе математического моделирования и лабораторных экспериментов при разных скоростях вращения шнека и различном расположении резцов. Достоверность математической модели подтверждена результатами лабораторных экспериментов. Цель данного исследования - разработка теоретического руководства по проектированию резцовой коронки проходческого комбайна.

Представлены результаты работы над научно-технической базой проектирования карьерного транспорта для национального стандарта, инициированного компанией “АЛРОСА” в 2015 г. Выполнен анализ опыта проектирования и эксплуатации транспортных систем алмазорудных карьеров криолитозоны. Определены предпочтительные условия эксплуатации различных видов карьерного транспорта с учетом особенностей алмазорудных карьеров. Обосновано последовательное формирование транспортной системы карьера в течение всего срока отработки месторождения. Применение такого подхода требует использования информационных технологий проектирования транспортных систем, в том числе компьютерное моделирование, многовариантный подход, учет вариативности большого количества факторов.

Проведены исследования по оценке устойчивости бортов карьера баритового месторождения “Кентобе”, расположенного на востоке Атасуйского рудного района. Обоснование расчетных прочностных характеристик горных пород месторождения выполнено двумя способами: по методике ВНИМИ и с использованием компьютерной программы RocLab. Оценка устойчивости осуществлена с помощью компьютерной программы, разработанной специалистами КарГТУ. Для проведения расчетов на плане горных работ выделены направления, характеризуемые неоднородностью прибортового массива, глубиной разработки, наличием поверхностей ослабления. Расчеты показали, что заданные параметры углов откосов уступов, берм безопасности и угла откоса борта карьера не обеспечивают их устойчивое положение. Для сохранения устойчивости необходимо выполаживание генерального угла юго-западного борта до 34° и северо-восточного борта до 31°, при этом коэффициенты запаса будут равны соответственно 1.24 и 1.21.

Показаны особенности использования информационных технологий для повышения эффективности и безопасности комплексного освоения недр. Представлены результаты работ по созданию информационного ресурса для хранения и обработки данных месторождений редкоземельного и редкометалльного сырья. Приведен пример реализации комплексного подхода к освоению георесурсов в условиях экологических ограничений на месторождении Партомчорр, расположенного в Арктической зоне РФ. Обоснованы малоотходные технологии добычи, переработки и складирования рудного и техногенного сырья. Приведены наиболее значимые направления исследований в области автоматизации и роботизации горных работ.

Представлен анализ экспериментальных данных, включающих пространственно-временное распределение концентраций метана в условиях разработки очистным забоем с помощью врубовых машин. Определены источники выброса метана и характер его распространения по длине сплошного забоя и в районе смежной выработки. Проведенный анализ направлен на подготовку входных данных для верификации цифровых моделей области очистного забоя, а также для воспроизведения алгоритма управления универсальной врубовой машины, используемой для разработки пластов в условиях риска метановыделения. Объект исследования - очистной забой 841a, пласт 405/2 на шахте Бельшовице. По длине забоя установлены 9 индикаторов метана, включая 2 непосредственно в зоне забоя, используемые в качестве стандартной меры по предупреждению аварийных ситуаций при выбросе метана. В ходе экспериментального исследования размещены 10 дополнительных индикаторов в очистном забое и в районах смежных выработок, из них 4 непосредственно в зоне забоя.

Методом УФ-спектрофотометрии определено, что материал лежалых хвостов обогащения Солнечного ГОКа характеризуется высокой поглотительной способностью по отношению к дибутилдитиокарбамату (ДБДТК) натрия и обусловливает высокие расходы реагентов-собирателей при флотации. Методами оптической и сканирующей электронной микроскопии выявлено присутствие сцементированных гипсом тонкодисперсных фракций (менее 20 мкм), покрывающих более крупные частицы (60 -_{80 мкм) минералов. Рудные минералы представлены халькопиритом, пирротином, пиритом, сфалеритом, джемсонитом, касситеритом, породные - кварцем и силикатами. Отличительной особенностью материала лежалых хвостов является наличие гипергенной минерализации и продуктов окисления сульфидов. Наряду с касситеритом встречается варламовит, являющийся типичным продуктом изменения оловянных сульфосолей группы станнина. Получены новые экспериментальные данные по флотации пробы лежалых хвостов обогащения Солнечного ГОКа собирателем ДБДТК. Флотационными экспериментами установлено, что применение ДБДТК в качестве дополнительного к бутиловому ксантогенату собирателя (в отношении 1 :3) позволяет повысить извлечение меди, свинца, цинка и серебра в коллективный сульфидный концентрат и сократить потери этих металлов с хвостами флотации.}

Рассматриваются особенности строения углеводородного фрагмента флотационных реагентов-собирателей для несульфидных минералов, показавших высокое извлечение полезного компонента. Внедрение атомов азота или кислорода в молекулу собирателя снижает гидрофобность покрытия минеральной поверхности. Уменьшение свободной поверхностной энергии на границе раздела “минерал - жидкость” в термодинамической постановке задачи о формировании флотационного агрегата снижает вероятность его образования. Причины повышения собирательных свойств флотационного реагента, содержащего в углеводородном фрагменте полярные группы, раскрываются на основе механизма работы физически сорбируемых реагентов-собирателей, кинетики образования флотационного агрегата. Кинетический подход к описанию элементарного акта флотации показал функциональное назначение электроотрицательных атомов кислорода и азота в углеводородной цепи молекулы собирателя. Установлена причина предпочтительного введения атомов азота или кислорода в углеводородный фрагмент молекулы собирателя вблизи гидрофильной группы. Высокое поверхностное давление и скорость растекания пленки реагента обусловлены развитым углеводородным фрагментом молекул собирателя, необходимой его концентрацией на минеральной поверхности и высоким поверхностным натяжением применяемых во флотации пузырьков.

Представлены результаты исследований, проведенные на бедной труднообогатимой медно-никелевой руде. На основе минералого-технологического анализа выявлены особенности вещественного состава руды, негативно влияющие на ее технологические свойства - мелкая первичная вкрапленность, значительная серпентинизация и замещение вкрапленников магнетитом, а также существенная доля тонкой труднораскрываемой эпигенетической вкрапленности. Установлены основные причины недостаточного извлечения никеля при принятых режимах переработки. С целью повышения эффективности обогащения исследуемой руды рассмотрены различные режимы измельчения и флотации. Определены пути повышения технологических показателей обогащения для руд данного типа.

Современные тенденции развития средств информационной поддержки горного производства диктуют необходимость комплексного решения технологических задач на базе единой программной платформы, обеспечивающей возможность быстрой разработки нового функционала и адаптации существующего к условиям горного предприятия. При этом ключевое значение приобретает идеология построения и развития информационной системы, реализующей функции платформы. Опираясь на более чем двадцатилетний опыт развития горно-геологической информационной системы (ГГИС) MINEFRAME, можно констатировать, что наиболее оптимальный путь - создание объектно-ориентированной платформы, реализующей функции моделирования и управления горно-геологическими объектами с предоставлением разработчикам прикладных программ доступа к базовому функционалу ГГИС. Реализация такого подхода позволяет решать такие важные задачи, как повышение устойчивости работы программного обеспечения за счет ограничения доступа к программным средствам базового уровня, а также ускорение процесса развития функционала ГГИС благодаря возможности создания прикладных программ с использованием библиотеки процедур и функций платформы.

1 - 5 октября 2018 г. в Новосибирске прошла Всероссийская конференция с международным участием “Проблемы развития горных наук и горнодобывающей промышленности”, организованная Институтом горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.