|
Научный руководитель отдела Давид Родионович Каплунов Член-корреспондент РАН, |
Заведующий отделом Рыльникова Марина Владимировна Профессор, доктор технических наук |
Область научной деятельности
Область научной деятельности отдела охватывает науки группы «Горная системология» в системе наук о Земле, совпадая полностью с наукой «Теория проектирования освоения недр», представляющей собой систему знаний о закономерностях взаимосвязи и методах установления параметров техногенного преобразования недр. Руководящей идеей работы отдела является построение методических подходов к решению задач не на ретроспективных данных, а на основе параметров и показателей, устанавливаемых путем построения и проверки гипотез возможного перспективного развития процессов освоения и сохранения недр.
Отделом достигнуты фундаментальные результаты, развивающие крупные идеи «рудной ветви» горных наук в таких областях, как: установление производственной мощности рудников, стабилизация качества добываемого сырья, открытый, подземный и комбинированный способы освоения месторождений, научные основы технического переоснащения рудников, принципы выбора геотехнологической стратегии комплексного освоения мощных рудных месторождений. Создана методологическая база проектирования освоения недр, обеспечивающая необходимый уровень добычи и качества минерального сырья, учет перспектив совершенствования процессов техногенного преобразования и сохранения недр, взаимосвязь различных способов эксплуатации месторождений в пределах отдельных участков литосферы, а также закономерности использования горных возможностей месторождений в зависимости от изменяющихся природных и социально-экономических условий.
В целом научная деятельность отдела направлена на создание и развитие научно-методической базы расчетов критериев принятия решений по обоснованию типа, структуры, параметров и конструкций горнотехнических систем – техногенных объектов, используемых в целях извлечения георесурсов и рассматриваемых совместно с участком недр, подлежащим освоению.
Научные направления отдела
Методическое – горно-геологическая и технико-экономическая оценка месторождений; обоснование типа и структуры горнотехнической системы и методы ее моделирования; исследование взаимосвязи между элементами горнотехнических систем; разработка методов оценки точности и надежности принимаемых решений при освоении и сохранении недр Земли.
Геотехнологические – установление закономерностей взаимодействия техногенных процессов и природных условий для выбора способов разработки месторождений и параметров горнотехнических систем на базе сочетаний различных геотехнологий, обоснование области их применения на месторождении и в региональном масштабе; установление производственной мощности горных предприятий и последовательности строительства и ввода их в эксплуатацию.
Технико-экономико-экологические – обоснование критериев оптимальности и установление взаимосвязи между параметрами элементов горнотехнической системы и стоимостными оценками их функционирования в связи с научно- техническим прогрессом, воздействие социально-экономических и экологических факторов; влияние закономерностей выбора параметров горнотехнических систем на различных этапах их эксплуатации, реконструкции и технического переоснащения; исследование целесообразности, масштабов и принципов комплексного освоения недр, количественных и качественных характеристик георесурсов.
Важными сферами деятельности отдела являются: проведение экспертиз проектов строительства и реконструкции, промышленной безопасности при эксплуатации горных предприятий, направлений перспективного развития технологий освоения рудных месторождений, участие в учебном процессе горных ВУЗов и подготовка научных кадров высшей квалификации по специальности ВАК 25.00.21 «Теоретические основы проектирования горнотехнических систем» и 25.00.22 «Геотехнология (открытая, подземная и строительная)».
В соответствии с Приоритетными направлениями фундаментальных научных исследований основными решаемыми проблемами являются:
- создание фундаментального базиса геотехнологической добычи стратегического минерального сырья;
- фундаментальные проблемы и перспективы исследования потенциала комплексного освоения недр на основе ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнологий.
В рамках указанных проблем ведутся исследования в области теории проектирования и создания инновационных технологий комплексного освоения недр.
Исследования поддерживаются грантами РФФИ и РНФ, проводятся в рамках Программ Президиума РАН, ОНЗ РАН, ФЦП.
Основные научные и научно-практические результаты
Теоретические основы проектирования энерго- и ресурсосберегающих геотехнологий, обеспечивающих получение высококачественного минерального сырья с утилизацией в недрах Земли отходов в замкнутых схемах перемещения минерально-сырьевых потоков.
Методическая база проектирования горнотехнических систем комплексного освоения рудных месторождений с оптимизацией основных параметров разработки в координатах пространства и времени с учётом природного распределения в недрах ресурсов различного назначения и качества.
Разработаны основные методические положения по формированию горнотехнических систем комплексного освоения месторождений комбинированной геотехнологией. Установлено влияние способов управления качеством рудопотоков на технико-экономические показатели функционирования горнотехнических систем при сочетании физико-технических и физико-химических способов добычи.
Разработаны принципы модульного проектирования, позволяющие представить горнотехническую систему как ряд макромодулей, выполняющих основные и вспомогательные функции при освоении недр, и модулей более низкого порядка для формирования отдельных подсистем полного цикла комплексного освоения рудных месторождений.
Обоснованы методические положения по оценке влияния интенсивности разработки месторождений и качества минерально-сырьевых потоков на результаты функционирования горнотехнических систем при полном цикле комплексного освоения рудных месторождений.
Инновационные технологии и разработки
Разработаны принципы перехода к новому технологическому укладу, которые на современном этапе предполагают расширение области применения автономных интеллектуальных геотехнологий, исключающих полностью или частично присутствие оператора в рабочей зоне и за счет этого уменьшающих, либо полностью исключающих влияние человеческого фактора на показатели реализации технологических процессов. Эти принципы реализуются в виде создания горнотехнической системы «Шахта-завод».
Концепция горнотехнической системы «Шахта-завод»
Исследования в данном направлении, проводимые отделом теории проектирования освоения недр, направлены на совершенствование базовых роботизированных геотехнологий, обеспечивающих безопасную добычу минерального сырья с минимизацией времени физического присутствия людей в опасных зонах развития горных работ вблизи очистного пространства за счет:
- замены оборудования горнопроходческого цикла, предназначенного для выполнения процессов буровзрывных и очистных работ, а также первичного дробления руд с применением высокопроизводительных карьерных комбайнов [85], оснащенных дистанционным управлением для выемки рудных и нерудных полезных ископаемых, в том числе, угля;
- внедрения на карьерах дистанционных и роботизированных горнотранспортных комплексов, а также их комбинаций;
- применения комплексов безлюдной выемки полезных ископаемых, оставленных в ходе открытых горных работ за контуром открытой разработки (комплексы глубокого выбуривания пластов);
- применения автоматизированных дистанционных и роботизированных комплексов горного оборудования на подземных работах в процессах управления геомеханическим состоянием массива горных пород.
Перечисленные технологии отнесены к интеллектуальным, т.к. эффективная и безопасная реализация технологий и работа оборудования обеспечиваются их оснащением программным обеспечением для функционирования в автономном самообучающемся режиме. В мировой практике имеется множество примеров полного перехода рудников на комплексы безлюдной выемки, как правило, на базе комбинации автономного и дистанционного режимов управления развитием горных работ.
Реализация научных результатов
При непосредственном участии сотрудников отдела и под руководством проф., д.т.н. М.В.Рыльниковой разрабатывается проект Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила обеспечения устойчивости бортов и уступов карьеров, разрезов и отвалов».
Разработаны способы использования условно возобновляемых источников энергии внутри горнотехнической системы, расширяющие перспективу перехода подземных рудников на роботизированные электромобили, в том числе на основе развития отечественного машиностроения. Рассмотрен комплекс мероприятий по модернизации или замене подземного оборудования. Основа такой модернизации отвечает принципам устойчивого развития и государственной политики в области энергоэффективности и состоит в масштабном переходе горной техники, в том числе, погрузо-доставочной, с дизельного на электрический привод, что позволит существенно улучшить условия труда в подземных рудниках и снизить уровень загрязнения окружающей среды.
Сконструированы и испытаны опытные образцы гидроэнергетических установок для утилизации возобновляемой энергии непосредственно внутри горнотехнической системы.
 |
 |
 |
| а) | б) | в) |
Внешний вид установки: а) устройство гидротурбины, б) установка в рабочем режиме, в) испытательный стенд активной нагрузки
На базе имитационного моделирования исследованы возможности совместной эксплуатации подземной станции сепарации руд и передвижных закладочных комплексов модульного типа. На основе сравнительного анализа показателей функционирования базового, предполагающем ведение закладочных работ на поверхностном стационарном комплексе, и инновационного комплексов установлено, что при комбинации подземных станций рудосортировки и передвижных закладочных комплексов модульного типа при сохранении производственной мощности горного предприятия энергопотребление рудника сократится на 25-40%, при этом объем складируемых на поверхности твердых минеральных отходов уменьшится в 1,3-1,4 раза.
Анимация прогонов модели горнотехнической системы включающей подземную сепарацию руд с утилизацией отсева в составе твердеющей смеси
С использованием метода «Монте-Карло» на базе геологического опробования и данных по обогатимости минерализованных пород определены условия предпочтительности применения валовой либо селективной выемки руд при отработке Кочкарского жильного золоторудного месторождения.
а) регрессионная модель зависимости показателей извлечения золота при выщелачивании от содержания золота в руде
б) плотность распределения ошибки регрессионной модели
1 – данные наблюдений;
2 – сгенерированные с помощью модели данные;
3 – график регрессионной модели;
4 – по данным наблюдений;
5 – сгенерированные в программе результаты
Установлено, что при увеличении контрастности содержаний руд (αж/αМП) увеличивается вероятность эффективного применения селективного метода отработки.
Вероятность эффективности применения селективного метода добычи в зависимости от контрастности содержаний по критерию:
(а) – извлекаемого золота; (б) – максимизации прибыли предприятия
Полученные результаты, свидетельствующие о предпочтительности валовой крупномасштабной разработки жил и минерализованных зон, были использованы при разработке методики выбора логистической схемы подземного рудника в связи с его техническим переоснащением на завершающей стадии освоения жильных золоторудных месторождений.
Диаграммы вероятности применения селективной технологии отработки по критерию:
а) – извлечения золота; б) – максимизации прибыли предприятия
Исследованиями технологий открытой разработки угольных месторождений Кузбасса установлено, что переход на высокие вскрышные уступы в период максимального развития открытых горных работ обеспечивает рост объемов дополнительно извлекаемых открытой геотехнологией запасов полезных ископаемых с увеличением глубины карьера и сроков его эксплуатации на 18-23 %. При этом сокращается до 15 % протяженность транспортных путей и коммуникаций, количество транспортной техники и время на перегон машин и оборудования.
Доказано, что своевременный переход на высокие вскрышные уступы обеспечивается в период максимального развития открытых горных работ при равенстве текущего и граничного коэффициентов вскрыши, что позволяет обеспечить наибольшее приращение глубины карьера с оптимизацией объемов вскрыши на последующих этапах отработки месторождения открытым способом. Величина приращения конечной глубины карьера при отработке наклонных и крутопадающих месторождений с высокими вскрышными уступами прямо пропорциональна нормальной мощности продуктивного пласта (m) и не зависит от угла его падения в диапазоне 15÷40° и линейно снижается при φ=40÷90°.
Подготовку высокого вскрышного уступа следует производить его взрыванием на всю высоту с традиционно применяемой на данном разрезе выемочно-погрузочной техникой применением универсальных запирающих устройств, скважинных затворов и придонных компенсаторов, а последующую выемку горной массы предпочтительно осуществлять двумя слоями с использованием экскаваторов с верхним и нижним черпанием.
Высота высокого вскрышного уступа должна быть кратна базовой высоте эксплуатационных горизонтов, при этом зона работы с высокими вскрышными уступами ограничена уступами базовой высоты со стороны верхних горизонтов, сложенных слабыми породами, а также со стороны угленасыщенной зоны и со стороны борта погашения.
Высота отрабатываемого слоя при отработке высокого вскрышного уступа выбирается по критерию минимума совокупных эксплуатационных затрат на разработку 1 м3 вскрышных пород, которые находятся по установленной гиперболической зависимости от мощности слоя, отрабатываемого комплексом бурового, выемочно-погрузочного и горнотранспортного оборудования при условии соблюдения равенства скоростей подвигания забоя в каждом слое.
Переход на высокие вскрышные уступы в момент максимального развития горных работ
Пример погрузки шагающими экскаваторами в средства автотранспорта
На базе лаборатории ЭКОН ИПКОН РАН были проведены комплексные лабораторные исследования, целью которых является определение состава закладочной смеси и разработка рекомендаций по выбору технологии совместной закладки выработанных подземных пространств закладочной смесью на основе хвостов обогащения железистых кварцитов с добавлением цементных растворов или негашёной извести. Исследования выполнены применительно к камерной системе разработки с закладкой выработанного пространства в условиях разработки Коробковского месторождения шахтой имени Губкина.
Разработка рецептур закладочных смесей
Закладочные смеси относятся к классу многокомпонентных систем, характеризующихся значительным числом взаимосвязанных параметров (расход составляющих, подвижность, прочность, теплопроводность и т.д.). При исследовании реологических и прочностных параметров закладочных смесей на стадии лабораторных экспериментов определяли прочность на одноосное сжатие, предельное напряжение сдвига, равномерность распределения вяжущего в процессе твердения, водопотребность в зависимости от состава смеси, условий и продолжительности твердения.
Все результаты экспериментальных работ, выполненных в лабораториях и натурных условиях открытых и подземных рудников отражены в печати. По результатам исследований в 2018 г. опубликовано 3 монографии и 88 статей, в том числе в изданиях, цитируемых в базах Scopus и Web of Science, защищено 2 докторские диссертации, подана заявка на получение патента.
Структурно в отдел входят две лаборатории:
1.1. Лаборатория ЭКОН
1.2. Лаборатория Интеллектуальных Систем и Цифровых Технологий