Главная – Журналы – Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых 2024 номер 5

Представлен один из методов обнаружения и контроля параметров низкоскоростных породных включений в окрестностях туннелей и выработок, использующий рассчитанные фазовые скорости поверхностных волн. В качестве исходных данных взяты синтетические сейсмограммы, полученные путем численного моделирования распространения сейсмических волн вдоль горной выработки в радиально-симметричной постановке. Показано, что перекрытие низкоскоростного включения слоем пород с повышенной скоростью сейсмических волн не препятствует его локализации предложенным способом. На основе наблюдения фазовых скоростей распространения поверхностных сейсмических волн возможно оценивать состояние массива горных пород в окрестности подземных сооружений, что является значимым результатом с практической точки зрения.

Рассмотрены ограничения традиционных методов классификации массивов горных пород. Предложена модификация условия прочности Хука - Брауна, в котором прочность на сжатие массива горных пород представлена в явном виде. Подход к оценке этой прочности сделан на основе обобщения результатов экспериментов Кима на моделях блочных структур из эквивалентных материалов. Описан подход для определения масштабных факторов прочности, модуля деформации, ползучести и угла внутреннего трения массива горных пород. Введена постоянная ползучести и получены корреляционные зависимости для ее нахождения для четырех типов пород. Установлено, что отношение смещений на контуре выработки к смещениям в зоне пластических деформаций может быть аппроксимировано функцией, зависящей только от угла внутреннего трения. Эта концепция использована для вычисления угла внутреннего трения породного массива на основе анализа полевых измерений. Выдвинуты две гипотезы и сделана попытка их обоснования. Гипотеза A предполагает, что масштабный фактор при подобной структуре массива зависит от прочности на сжатие, причем меньшие значения масштабных факторов характерны для прочных и хрупких пород по сравнению с пластичными породами меньшей прочности. Гипотеза B предполагает, что продолжительность релаксации напряжений и деформаций ползучести растет с увеличением рассматриваемого объема массива горных пород, а скорость деформаций при этом убывает.

Проведен расчет исходного напряженного состояния слоистого массива горных пород, сформированного действием гравитационных сил и поля температур, линейно изменяющегося по глубине. Показано, что на характер распределения исходных напряжений определяющее влияние оказывает параметр δ, равный отношению произведений модулей объемных сжатий и коэффициентов линейного расширения слоев. В двухслойном массиве при значении δ больше единицы, вычисленному как отношение термомеханических характеристик пород верхнележащего слоя к нижележащему, температурное воздействие приводит к возникновению в нижележащем слое растягивающих вертикальных напряжений, меньше единицы - сжимающих вертикальных напряжений. В случае значительного отличия δ от единицы в нижележащем слое происходит резкое увеличение исходных вертикальных и горизонтальных напряжений, причем характер распределения напряжений близок к гидростатическому. Выполнено математическое моделирование перераспределения полей температур напряжений по мере развития очистных и закладочных работ при применении слоевых систем с нисходящим порядком выемки запасов полезных ископаемых. Расчеты проведены с помощью программного комплекса, учитывающего последовательность ведения закладочных работ. Установлены особенности напряженного состояния вмещающего и закладочного массивов в ходе отработки.

Представлены результаты расчетов развития во времени напряженно-деформированного состояния системы “тюбинговая крепь - бетонная крепь - породный массив”, выполненные с помощью разработанной численной трехмерной модели. Верификация модели осуществлена на основе данных лазерного сканирования тюбинговой колонны двух стволов. Получены коэффициенты запаса прочности по предельным сжимающим напряжениям и деформациям. Сделаны рекомендации по применению тюбингов определенных размеров при использовании в стволах диаметром 7 и 8 м на разной глубине.

В качестве основы взяты теоретические модели Бриджмена и Фарбмана по определению вязкости порошков. Приведены результаты экспериментов по одноосному сжатию измельченных материалов. Даны примеры расчетов вязкости для угля, кварца, песчаника, песчаного сланца.

Установление механизма разрушения при сдвиговой ползучести мягких трещиноватых пород является крайне актуальным вопросом в горнотехнической инженерной практике. С помощью метода дискретных элементов построена численная модель мягких трещиноватых пород, которая имитирует сдвиговую ползучесть массива при различных значениях коэффициента шероховатости трещины (JRC), нормального напряжения и направления сдвига. Выполнен анализ влияния этих факторов на деформацию ползучести мягких пород. Результаты показали, что деформация ползучести значительно снижается при увеличении шероховатости трещины, а также при увеличении нормального напряжения. Влияние направления сдвига на деформацию ползучести относительно небольшое.

Приведены результаты экспериментальных исследований по водонасыщению образцов горных пород основных литологических типов, свойственных для Донбасса. Обобщены изменения деформационных свойств, происходящие в горных породах, при их увлажнении. Приведена методика разработки модели, позволяющей учитывать влияние затопления различных горных пород на параметры сдвижения. На основании лабораторных данных построена конечно-элементная модель активизации геомеханических процессов, вызванных подработкой и затоплением массива горных пород. Установлено влияние литологического состава массива на параметры сдвижения при затоплении горных выработок закрывающихся угледобывающих предприятий. Полученные результаты могут лечь в основу совершенствования действующих нормативных документов, регламентирующих прогноз сдвижений земной поверхности при добыче угля и ликвидации угольных шахт за счет учета литологической структуры углепородного массива.

Для угольного разреза Hequ, находящегося в провинции Шаньси Китая, с помощью мониторинга найдено расположение слабого прослоя в массиве борта. С целью изучения механизма скольжения борта со слабым прослоем построена трехмерная численная модель, рассмотрены поверхность потенциального скольжения и критические силовые элементы. Поверхность потенциального скольжения установлена на основе изучения изолиний смещений и максимального приращения деформаций сдвига. Предложен принцип выявления критических элементов массива борта со слабым прослоем. Определен главный критический элемент поверхности потенциального скольжения и траектория динамического разрушения критических элементов.

Выполнен анализ распределения энергии в угольно-породных образцах при их нагружении. Установлено, что разница накопленной энергии между углем и породой в основном зависит от их модулей упругости. На основе рассмотрения структурных характеристик и механических свойств угля и породы построена и проанализирована механическая модель угольно-породного тела и получена формула распределения энергии по компонентам. По результатам нагрузочных испытаний разработана энергетическая модель, позволяющая рассмотреть процесс деформирования угольно-породного тела. Предложен оценочный коэффициент склонности угольно-породного тела к ударному разрушению, учитывающий разницу энергии упругой деформации между компонентами и время высвобождения энергии. Этот коэффициент можно рассматривать в качестве критерия для оценки склонности угольно-породной среды к горному удару.

Приведены конструктивные особенности и дана оценка камерно-целикового порядка отработки рудных тел наклонного падения, совмещающего два разных способа управления горным давлением: за счет естественной устойчивости массива пород и обрушения налегающей толщи. Показано, что в тектонически напряженных массивах обеспечивается безопасность работ на стадии погашения камерных запасов и временного рудного целика под защитой нависающей породной консоли. Выявлено, что наклон залежи формирует преимущественно сдвиговой характер разрушения пород в целике и днище блока. Установлены рациональные соотношения минимальной ширины временного рудного целика и пролета камеры.

Отмечена важность характеризующих эффективность бурения показателей: индексов скорости бурения DRI, износа коронки BWI и долговечности резца CLI. Дан обзор известных моделей прогнозирования буримости горных пород по индексу скорости бурения и указано на недостаточность изученности долговечности коронок с помощью индекса износа коронки. Экспериментально исследовано влияние различных геомеханических параметров горных пород на буримость и износ коронки. Получена отрицательная линейная корреляцию индекса скорости бурения DRI и положительная линейная корреляция индекса износа коронки BWI со значениями почти всех рассмотренных геомеханических свойств пород за исключением пористости, с которой DRI имеет положительную корреляцию, а BWI - отрицательную. Разработаны статистические модели прогнозирования DRI и BWI (с R² ≥ 0.83) методами простой и множественной статистической регрессии.

Предложен и опробован комплексный подход к оценке зоны влияния углепородного массива на очистной забой по газовому фактору, основанный на изучении изотопии шахтного метана. Установлено количественное соотношение изотопов углерода метана в угольной пробе и рудничной атмосфере в условиях семи действующих шахт Кузбасса. Определены геометрические параметры рассматриваемых зон, а также максимальное значение объема метана, которое может оказать нагрузку на очистной забой в ходе отработки выемочного участка. Показано существенное отличие объема газа и параметров зоны миграции метана при общепринятом и комплексном подходах с применением метода оценки изотопного состава углерода метана в рудничной атмосфере и угле рабочего горизонта.

Экспериментально измерено газовыделение при разрушении образца угля в мельнице. По методике ИГД им. А. А. Скочинского рассчитано количество газа, которое может выделиться из угля в зависимости от размера его частиц. Образцы отбирались с выбросоопасного угольного пласта. Установлено, что уменьшение размеров частиц угля до 0.1 мм повышает газовыделение в несколько раз. Разработана модель силового взаимодействия молекул метана в микропористой структуре с поверхностью макромолекулы угля и методика расчета газовыделения из угля в зависимости от степени его разрушения.

Разработана ресурсосберегающая и энергоэффективная технология комплексной переработки эвдиалитового концентрата. Установлено, что основные потери ценных компонентов (Zr и РЗЭ) связаны с кеком выщелачивания. Определены эффективные методы и рациональные режимы переработки продуктивного раствора, гарантирующие высокое извлечение Zr и РЗЭ за счет переработки образующегося силикагеля, организации последовательного выделения из продуктивного раствора фосфата циркония и карбонатов РЗЭ. Предложены дополнительные способы регенерации реагентов и схемы закрытия водяных контуров, обеспечивающие итоговое извлечение циркония и редкоземельных элементов из эвдиалитового концентрата. Разработанная технология позволяет получить дополнительную товарную продукцию (метасиликат натрия и аммиачную селитру), а также обеспечивает экономическую целесообразность и повышает экологическую безопасность переработки эвдиалитового концентрата за счет регенерации карбоната кальция.

Изучены особенности флотационного обогащения техногенных отходов карбонатно-флюоритовых руд Ярославской горнорудной компании. Выполнена оценка состава и технологических свойств сырья. Установлено, что содержащийся в них флюорит представлен минеральными сростками и шламовым материалом. Проблемы флотационного обогащения лежалых отходов обусловлены особыми свойствами поверхностей частиц, наличием пленочных покрытий и структурных преобразований. Рассмотрены перспективные способы воздействия на преобразование компонентов флотационной пульпы. Выявлено, что ультразвуковая и электрохимическая обработки технологических компонентов способствуют повышению показателей селективности разделения минералов. Проанализированы показатели обогащения в отдельные фиксированные промежутки времени в условиях специфических воздействий. При флотации по схемам, включающим ультразвуковую и электрохимическую подготовку пульпы, существенно увеличивается степень концентрации флюорита в пенных продуктах, возрастает селективность при разделении его с кальцитом. Извлечение флюорита в концентраты, содержащие более 94 % CaF₂, увеличивается на 2.97 - 4.58 %. Показана возможность снижения массовой доли двуокиси кремния в концентратах на 0.3 - 0.5 %.

Обобщены исследования по получению ванадия и показана перспективность применения флотационного извлечения. Обоснован прогнозный выбор фульвовой кислоты FulvAc в качестве реагента-собирателя, селективно действующего по отношению к ценному компоненту ванадию, который в кислых продуктивных растворах находится в виде ванадила VO²⁺ . На основе анализа параметров реакционной способности изучен механизм выделения и концентрирования ванадила с использованием хелатообразующего реагента FulvAc. Проведено компьютерное моделирование флотационной системы, представляющей собой малорастворимый металлокоплекс фульвата ванадила [VO²⁺ - FulvAc]_n . Эффективность применения FulvAc подтверждена лабораторными флотационными тестированиями, при которых извлечение ванадила составило не менее 92 %. Получение оксисолей ванадия обусловлено потребностями в сырье различных отраслей, [VO²⁺ - FulvAc]_n можно использовать в качестве комплексных минеральных добавок в удобрительные смеси для нужд городского озеленения.

Рассмотрены реагентные режимы обратной флотации нефелина из хвостов обогащения лопаритовых руд: смесь талловых масел, гидроксамовые кислоты в сочетании с дистиллированным талловым маслом; смесь талловых масел с добавкой полиалкилбензолсульфокислоты или аминосодержащих собирателей. При использовании оптимальных реагентных режимов получен нефелиновый концентрат с содержанием Al₂O₃ 27.18 - 27.57 %. При добавке к талловым маслам полиалкилбензосульфокислоты активность собирательной смеси уменьшилась, приведя к снижению качества получаемого концентрата до 26.33 % Al₂O₃. Рассмотрено два способа доводки флотационных концентратов до кондиционного качества. Использование магнитной сепарации позволило получить нефелиновый концентрат с Al₂O₃ 28.0 - 28.3 % при извлечении 72 - 76 % от исходного продукта. Методом прямой катионной флотации с применением реагента Flotigam-2835 в кислой среде с рН 4.5, создаваемой кремнефтористым натрием, получен нефелиновый концентрат с 29.63 % Al₂O₃ при извлечении 65.9 % от исходного продукта.