Главная – Журналы – Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых 2024 номер 4

Настоящая статья посвящена отмеченному 8 февраля 2024 г. двойному юбилею - 300-летию Российской академии наук и 80-летию Института горного дела им. Н. А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук. Приводится краткий обзор работ и научных результатов, полученных сотрудниками ИГД СО РАН за последние 10 - 15 лет в области математического моделирования и численного решения актуальных задач геомеханики.

Методами численного решения полной системы уравнений Навье - Стокса для сжимаемой жидкости в дозвуковом приближении исследован перенос ветром облака взвешенной пыли в атмосферном пограничном слое территории, прилегающей к горнорудному карьеру. Источник пыли - массовый взрыв с суммарной массой заряда ~ 100 т тротила, расположенный на уступе борта карьера на глубине 250 м. В расчетах учитывается часть пыли источника, поднявшаяся в результате взрыва над дневной поверхностью карьера. Проведены оценки размеров области, где концентрация взвешенной пыли над поверхностью превышает предельно допустимые значения. Исследована зависимость этих размеров от угла α между направлением ветра и бортом карьера. Показано, что максимальное расстояние от борта карьера, на котором концентрация пыли превышает предельно допустимые значения, составляет 3 км. Длительность воздействия в фиксированных точках над поверхностью не зависит от угла α и растет от нескольких минут на расстоянии 500 м от центра взрыва до десятка минут на расстоянии 3 км.

Рассмотрен метод описания кинематики деформирования, основанный на концепции смещения материальных площадок среды. Показано, что перемещения площадок описываются двумя векторными полями перемещений или, как альтернатива, одним тензорным полем, полем относительного смещения площадок. Тензор несимметричен, его компоненты не связаны условиями совместности Сен-Венана. Такой подход восстанавливает “равноправие” между кинематическим и силовым описанием процесса деформирования среды. Принятое понятие напряжений относится к силам, действующим на площадки внутри тела, а понятие деформаций - к изменению расстояний между парами точек. Приведен пример построения модели первоначально изотропной геосреды, в которой используется данное описание.

Выполнены экспериментальные исследования по определению концентрации очагов сейсмических событий при разработке рудных запасов рудника Таймырский. Установлены особенности формирования и распределения этих зон в массиве горных пород при отработке панелей. Изучено влияние объема выработанного пространства на суммарную энергию сейсмических событий до и после затопления и откачки воды из шахт, что позволяет прогнозировать уровень удароопасности при дальнейшей отработке рудных запасов.

Выполнено моделирование процесса выпуска руды с одновременным магазинированием с использованием метода дискретных элементов на основе программного обеспечения PFC (Particle Flow Code). Методом ортогонального тестирования рассмотрены следующие ключевые факторы, влияющие на характер выпуска: толщина изоляционного слоя A, коэффициент трения на границе раздела изоляционного слоя B, коэффициент трения частиц между собой C, размер частиц D и коэффициент трения частиц о стенку E. Результаты ортогонального тестирования показали следующий порядок факторов по значимости: D > C > A > E > B. Наиболее оптимальная конфигурация факторов в рассмотренной численной модели составила: толщина изоляционного слоя 0.003 м; коэффициент трения на границе раздела изоляционного слоя 0.5; коэффициент трения частиц между собой 0.8; радиус частиц 0.008 м; коэффициент трения частиц о стенку 0.8.

Приведено краткое описание особенностей инерционно-ударного метода разрушения геоматериалов молотковым ротором. Представлены возможности его применения для бурения скважин большого диаметра при подземной разработке горных пород. Описана методика проведения и результаты лабораторных исследований влияния различных сочетаний скоростей вращения молоткового ротора и линейного перемещения относительно разрушаемой поверхности на силу электрического тока, потребляемого отдельными механизмами рабочего оборудования, а также на возникающую в ударном режиме скорость вибрации поддерживающих элементов ротора. Определены рациональные диапазоны этих скоростей, в которых процесс разрушения происходит с наименьшими затратами энергии и динамическим воздействием на конструкцию рабочего оборудования.

Выполнены экспериментальные исследования по установлению влияния параметров резания и режущего инструмента на нагрузки при разрушении твердых включений. Установлено, что при центральном прорезании твердых включений максимальные нагрузки на резце зависят от толщины и ширины среза, а также схемы резания и не зависят от скорости резания. Увеличение ширины режущей части резца способствует росту пиковых и среднепиковых сил резания и подачи, тогда как боковые нагрузки при резании твердых включений резцами с плоской передней гранью зависят лишь от толщины стружки. На величину пиковых усилий подачи существенно влияет форма режущей кромки резца, а на усилия резания - угол резания. Уменьшение угла клина передней грани резца приводит к снижению пиковых усилий резания и подачи, тогда как боковые силы возрастают.

Для повышения эффективности бурения дегазационных скважин в угольных пластах рассмотрено использование винтовых забойных двигателей, обычно применяемых в нефтегазовом бурении. Выявлены преимущества бурения пластов винтовыми забойными двигателями относительно традиционного вращательного бурения. На основании экспериментальных планов Бокса - Бенкена получено распределение основных конструкционных параметров, влияющих на эффективность бурения: расход, нагнетаемое давление, усилие подачи. На угольной шахте Wangzhuang проведены полевые испытания винтового забойного двигателя с оптимальной конфигурацией параметров. В сравнении с традиционным вращательным бурением эффективность винтового бурения выше на 39.08 %, вынос бурового шлама увеличился на 48.28 %, что позволяет значительно повысить эффективность дегазационного бурения угольных пластов и уменьшить вентиляционный цикл и общие затраты на отработку пласта

Решена задача по выявлению и сопоставлению внутренних и внешних параметров, образующих замкнутый многозвенный контур (размерную цепь) бурового шарошечного инструмента. Представлены методики вероятностного расчета размерной цепи диаметра инструмента, расчета погрешности диаметра инструмента вследствие поворота шарошек на опорах, расчета погрешности радиального биения калибрующих конусов шарошек долота относительно оси резьбы ниппеля для трех- и четырехшарошечного долота. Даны рекомендации по пересмотру допусков на выходные геометрические параметры шарошечного инструмента и введению изменений в нормативно-техническую документацию.

Представлены результаты определения состава и свойств хвостов обогащения лопаритовых руд обогатительной фабрики “Умбозеро”, закрытой в 1999 г. В ходе исследования проведен отбор проб хвостов поверхностного слоя и с глубины методом “режущего кольца”. Исследованы инженерно-геологические характеристики, выполнен ситовой, химический, рентгенофазовый и радионуклидный анализы. Установлена неоднородность вещественного состава и свойств отходов обогащения. В минеральном составе хвостов преобладают нефелин и K, Na-полевые шпаты. Лопарит диагностирован методом рентгенофазового анализа в одной из четырех исследуемых областей хвостохранилища, с тенденцией к увеличению его содержания в тонкой фракции. Радионуклидный анализ определил радиево-ториевый характер радиоактивности исследуемых отходов обогащения.

Рассмотрены возможности использования хвостохранилищ Талмовские пески и Урской отвал Кемеровской области в качестве техногенного объекта для получения баритового сырья посредством добычи и переработки. Оценены минералого-геохимические параметры и типоморфные характеристики барита согласно морфологии, минеральным ассоциациям, содержанию, распределению по гранулометрическим фракциям. Проведены технологические исследования и получены баритовые концентраты из вещества хвостохранилищ методами гравитации и флотации, которые охарактеризованы на соответствие по содержанию барита для дальнейшего применения в качестве утяжелителей буровых растворов по ГОСТ 4682-84. Выполнена оценка потенциала хвостохранилищ Талмовские пески и Урской отвал применительно к извлечению барита.

Рассмотрено конвективное расслоение воздушных потоков в наклонной горной выработке в условиях наличия интенсивного источника тепловыделений. Методология исследования включала численное трехмерное моделирование нестационарных аэротермодинамических процессов в наклонной и примыкающей к ней горизонтальной горных выработках. Показаны три возможных сценария конвективного расслоения потоков в наклонной горной выработке в зависимости от мощности тепловыделений. Определена зависимость критической тепловой мощности источника нагрева от начальной депрессии и угла наклона горной выработки. Проанализирована зависимость перепада давления в наклонной выработке от массового расхода при разных мощностях тепловыделений по данным численного трехмерного моделирования, а также на одномерной сетевой модели. Описание подземных пожаров в горных выработках с помощью одномерных моделей требует привлечения эмпирических зависимостей аэродинамического сопротивления и средней плотности воздуха от расхода воздуха.

Приведены результаты исследования влияния работы струйного вентилятора, установленного на очистном комбайне, на изменение параметров аэродинамического сопротивления выемочного участка, концентрации метана и угольной пыли. Исследования проводились в программном комплексе Ansys Fluent, на основании натурных данных, полученных в угольных шахтах Кузбасса. Объектом исследования служила пылегазовоздушная атмосфера сверхдлинных угольных лав протяженностью 400 м с мощностью вынимаемого пласта 2.4 и 3.7 м. Выявлено, что применение струйного вентилятора способно снизить аэродинамическое сопротивление выемочного участка до 35 %, что позволяет увеличить на 24 % количество подаваемого в лаву воздуха без увеличения мощности на главных вентиляционных установках. Поток воздуха, исходящий из струйного вентилятора, способствует устранению застойных метановоздушных зон вблизи работающего комбайна и снижает концентрацию угольной пыли на рабочих местах машинистов на 13.8 - 36.7 %.

Рассмотрена актуальная проблема цифровой трансформации горного производства по импортозамещению и созданию безбарьерной технологии работы с цифровыми данными и моделями объектов горной технологии для решения комплекса геологических, маркшейдерских и технологических задач. Важным элементом создания безбарьерной технологии является формирование единого виртуального цифрового пространства, решающего проблему конвертирования данных, возникающую при одновременном использовании в цифровой технологии программных продуктов, построенных на разных объектных моделях. Реализовать такую технологию можно путем формирования цифровой платформы, содержащей базовый функционал для работы с моделями объектов в виртуальном пространстве и API-функции для интеграции создаваемых инструментов в это цифровое виртуальное пространство. В наибольшей степени требованиям цифровой платформы удовлетворяют программные продукты класса горно-геологических информационных систем, в цифровом пространстве которых создаются 3D-модели и решаются базовые горно-геологические задачи. Сформулированы основные требования к функциональности данной цифровой платформы и описано текущее состояние работ по ее организации на базе горно-геологической информационной системы (ГГИС) MINEFRAME, которые осуществляются силами Горного института КНЦ РАН и ООО “Лаборатория МАЙНФРЭЙМ”.

Предложена методика анализа спутниковых снимков для мониторинга состояния поверхности объектов согласно данным дистанционного зондирования Земли. Представлены результаты исследований по разработке алгоритма выделения объектов размещения горнопромышленных отходов. В качестве исходных данных рассмотрены снимки территорий юга Дальнего Востока со спутников Sentinel 2, Landsat 5 - 8. На базе облачной платформы Earth Engine рассчитано значение вегетационного индекса для каждого пикселя с помощью функции нормализованной разности и создана исследуемая область посредством стандартного инструмента. Для преобразования пикселей в площадь использован метод reduce. Разработанный метод актуален для мониторинга различных объектов (хвостохранилищ, карьеров, отвалов и т. д.), находящихся в разных стадиях развития.

Установлена возможность обогащения цеолитсодержащих пород Холинского месторождения с целью получения высококачественных сорбентов для очистки сточных и оборотных вод от загрязняющих примесей, предложена схема обогащения. Представлен минеральный состав и приведены результаты электромагнитной и электростатической сепараций цеолитсодержащих пород Холинского месторождения. Разработана схема адсорбционной установки непрерывного действия на основе применения цеолитсодержащих пород. На примере модельного раствора исследована сорбционная способность исходных и обогащенных цеолитсодержащих пород Холинского месторождения. Приведены результаты сорбции мышьяка цеолитсодержащими породами. Дана сравнительная оценка эффективности применения цеолитсодержащих пород для очистки модельного раствора сточных вод от примесей мышьяка, фтора, цинка, свинца, никеля и хрома. Оценена перспектива применения цеолитсодержащих пород для очистки сточных вод горнопромышленных предприятий от основных загрязняющих примесей. Полученные показатели очистки вод характеризуются как достаточно высокие и позволяют обеспечить необходимый уровень качества стоков.