Главная – Журналы – Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых 2024 номер 6

Теоретически обоснован и с использованием данных натурных измерений апробирован метод определения газокинетических характеристик угольного пласта: газоносности, коэффициентов диффузии, массообмена и скорости десорбции, что необходимо при разработке технологий выемки залежей угля и утилизации метана. Метод основан на решении обратной задачи в рамках нелинейной модели эмиссии газа из частицы, помещенной в изолированную емкость, по изменению во времени термодинамических параметров (давления и температуры) в герметичной емкости с буровым штыбом. Анализ модели показал, что отношение концентраций метана в емкости в различные моменты времени не зависит от газоносности. Это дает возможность разработать и численно реализовать двухэтапный алгоритм: сначала из решения обратной коэффициентной задачи определяются коэффициенты диффузии, массообмена и скорости десорбции, затем с минимизацией специальным образом построенного функционала - газоносность. Натурные данные получены с использованием штыба при бурении шпура на одной из действующих шахт Кузбасса посредством измерения давления и температуры в пяти емкостях в течение 10 сут. Их интерпретация позволила оценить остаточное содержание метана на исследуемом участке пласта - 4 кг/м³.

Проведены натурные исследования геомеханического состояния массива горных пород в окрестности законсервированного железнодорожного тоннеля методом многоканального анализа поверхностных сейсмических волн. Для интерпретации полученных данных выделены и проанализированы спектральные дисперсионные изображения волн, распространяющихся вдоль тоннеля. Это позволило установить распределение скоростей волн во вмещающих породах и выявить низкоскоростные участки. Результаты исследований подтверждают применимость метода определения структуры и диагностики состояния приконтурного массива подземных сооружений.

При отработке месторождений с использованием открытой геотехнологии происходит формирование глубоких карьерных выемок и возникает ситуация близкого взаимного расположения промышленных зданий предприятий и зоны открытых горных работ. Подобная ситуация требует организации комплексного мониторинга и периодической оценки устойчивости участков бортов карьеров с учетом новых данных о свойствах и состоянии массива пород. В настоящей статье описан подход к организации системы мониторинга и оценки устойчивости на опасном участке борта карьера. В результате периодического инструментального контроля сейсмическим методом в варианте профилирования показано, что исследуемый участок борта карьера значительно нарушен. Результаты оценки устойчивости данного участка карьера с применением метода предельного равновесия показали, что он находится в неустойчивом состоянии. Сделан вывод о том, что прогноз развития зон разрушения пород на данном участке целесообразно выполнять комплексно, на основе применения натурных и расчетных методов контроля устойчивости.

Исследования по определению силы сопротивления внедрению клиновидных индентеров в статических и динамических экспериментах проводились на образцах из оргстекла и мрамора. В статических экспериментах фиксировалась зависимость силы сопротивления внедрению клина от заглубления. Динамические испытания осуществлялись с использованием струнного гравитационного копра. Исследовалась динамика внедрения падающего массивного клина в образец из оргстекла. Сила сопротивления внедрению определялась с помощью акселерометра, установленного на клине. Использование оргстекла в качестве модельного материала позволило установить форму и размеры магистральных трещин, образующихся в среде при внедрении клина. Полученные экспериментальные данные о силе сопротивления внедрению клина и размере образующейся магистральной трещины сравнивались с теоретическими оценками этих величин. Сравнение показало хорошее их соответствие в статических экспериментах на образцах из оргстекла. В динамических экспериментах теоретические оценки силы внедрения оказались меньше экспериментальных максимально на 25 % при хорошем соответствии размеров магистральных трещин.

Приведены результаты экспериментов и численных расчетов по исследованию устойчивости тяжелой колонны, установленной на поверхности сыпучей среды, и заглубленной пластины. Колонна и пластина нагружались допредельной статической нагрузкой. На сыпучую среду воздействовали многократными слабыми ударами. В лабораторных экспериментах установлено, что при таких нагружениях сыпучая среда постепенно эволюционирует к критическому состоянию и происходит потеря сдвиговой прочности. Скорость приближения к критическому состоянию растет с увеличением числа ударов. Критическое число ударов до разрушения среды подчиняется логнормальному распределению. Наиболее вероятное значение критического числа ударов экспоненциально увеличивается при уменьшении статической нагрузки. Численное моделирование потери устойчивости заглубленной в сыпучую среду пластины методом дискретных элементов дают качественно совпадающие с экспериментом результаты.

Изучено влияние содержания базальтовой фибры диаметром 23 мкм на удельную энергоемкость разрушения бетона D2000 и легкого теплозащитного бетона D1000. Установлены закономерности воздействия знакопеременных температур на сопротивляемость фибробетона динамическим воздействиям. После 12 циклов (температура замораживания - 50 ±2 °С) затраты энергии на разрушение образцов бетона марки D2000 при объемном содержании фибры 2.7 % составили 1962 Дж/м², что в 3.6 раза превышает энергоемкость разрушения образцов неармированной группы. Выявлено, что бетон на пористом демпфирующем заполнителе из вспученного вермикулита обладает более высокой сопротивляемостью к динамическим нагрузкам, чем бетон повышенной плотности. Энергоемкость разрушения теплозащитного бетона на основе вермикулита D1000 составила 5038 Дж/м², мелкозернистого D2000 - 2326 Дж/м². Энергоемкость разрушения неармированного бетона на основе вермикулита после трех циклов замораживания - оттаивания падает на 71 % c 5038 до 1473 Дж/м², но при объемном содержании фибры 2.4 % энергоемкость разрушения фибробетона снижается на 9 % до 4608 Дж/м². Полученные результаты могут способствовать повышению сопротивляемости торкрет-бетонных крепей ударным нагрузкам, в том числе после негативного воздействия циклов замораживания - оттаивания.

При изучении геодинамического состояния углепородного массива на шахтах Донбасса используется сложный суммарный сигнал, возникающий на земной поверхности при отработке угольных пластов. Поиск закономерностей в геологическом отклике массива на прохождение в нем сейсмических волн строится на основных физических принципах теории упругости: зависимости энергетических показателей сигнала от близости источника колебаний и зависимости скоростей продольных волн от плотности среды. Рассмотрены результаты сейсмического мониторинга на шахтных полях Донецко-Макеевского района Донбасса. Проведено сопоставление энергетических и спектральных характеристик сигналов с геодинамическими процессами и параметрами геологического разреза. Установлена прямая пропорциональная зависимость между суммарной мощностью трещиноватых пород и комплексным параметром, включающим азимут одной из компонент сейсмических волн. Исследование спектров сложного сигнала показывают, что их частотные характеристики позволяют дифференцировать участки максимального разуплотнения и уплотнения углепородного массива и в конечном итоге оконтурить зоны влияния разломов, являющихся участками аномального скопления метана.

Определены плотность, пористость, скорость P-волны и твердость по Либу на примере образцов из различных карьеров Турции. Выполнена оценка их корреляции с прочностью на одноосное сжатие. Между физико-механическими свойствами и прочностью на одноосное сжатие установлена экспоненциальная зависимость. Наибольшая корреляция выявлена между прочностью на одноосное сжатие и твердостью по Либу, коэффициент корреляции составил 0.91.

В результате обследования горных выработок рудника “Таймырский” на ранее затопленных участках выявлена повышенная трещиноватость массива горных пород, вывалы пород из кровли и бортов в выработку, формирование куполов в кровле выработок и разрушение набрызгбетонной крепи. Основная причина обрушения - растворение рыхлого материала в трещинах массива габбро-долеритов и последующее его вымывание. Выявлены сложные условия залегания рудных залежей Октябрьского месторождения в пределах шахтного поля рудника “Таймырский”. Отработка запасов руд значительно осложнена тектонической нарушенностью, сильной трешиноватостью, слабой устойчивостью пород, проявлениями динамических форм горного давления. Проанализировано состояние горных выработок и проведены испытания образцов пород, отобранных в зоне подтопления: при одноосном сжатии определены пределы прочности, модули деформации и коэффициенты поперечной деформации образцов; при растяжении установлены пределы прочности; построены паспорта прочности (сцепление и угол внутреннего трения) горных пород. Дана оценка устойчивости массива горных пород Октябрьского месторождения, в том числе трещиноватости вмещающих пород. Проведено видеоэндоскопическое обследование разведочных и разгрузочных скважин с целью выявления мест расслоений и трещиноватости в обводненных зонах породного массива. Выполнено георадиолокационное изучение прибортового массива горных пород. Обнаружено корродирующее воздействие шахтной воды и рудничной атмосферы на металлические и бетонные элементы крепей. Предложены направления совершенствования технологии крепления горных выработок на обводненных участках месторождения. Даны рекомендации по обеспечению безопасности ведения горнопроходческих работ.

Изложен методологический подход к формированию горнотехнических систем глубоких карьеров, основанный на учете переходных процессов. Параметры и показатели подсистем горнотехнической системы и их элементы имеют большое количество взаимосвязей и претерпевают изменения в течение срока существования карьера. Их формирование рассматривается как совокупность периодов стабильного функционирования и переходных процессов. Описана терминологическая парадигма структуры, элементов и параметров горнотехнической системы карьера в приложении к карьерному транспорту. Приведена концепция адаптации технологической и технической подсистем при переходных процессах как механизм обеспечения оптимального уровня функционирования горнотехнической системы. Проиллюстрирован механизм обеспечения их динамического равновесия. Показаны элементы оптимизации параметров транспортной системы карьера как одного из наиболее затратных процессов при добыче полезных ископаемых открытым способом, основанные на применении комплексного компьютерного моделирования: геометрического, процессно-имитационного и экономико-математического. Описаны ключевые особенности учета устойчивости бортов карьера при обосновании параметров горнотехнической системы. Приведен подход к оптимизации параметров взрывной подготовки горной массы к выемке, основанный на оперативном уточнении физико-механических свойств пород и данных о горном массиве.

Выполнена геомеханическая оценка безопасных параметров конструктивных элементов выемки и последовательного погашения подкарьерных и прибортовых запасов рудного месторождения сплошной камерной системой разработки с обрушением и технологией формирования закладочного массива. Установлено, что безопасное расстояние между буродоставочными выработками смежных камер находится в прямой зависимости от высоты зоны отработки. Доказана необходимость последовательного проведения проходки буродоставочных штреков по мере извлечения камер. Опережение проходческих работ над добычными должно составлять не более одной-двух выработок в зависимости от нарушенности массива горных пород. Порядок реализации очистных работ не должен сопровождаться формированием разного рода целиков по ширине, соизмеримой с очистной камерой или менее ее. Показано, что небезопасно вести отработку запасов на участках, попавших в зону надработки и продработки. Определены параметры конструктивных элементов систем разработки, обеспечивающих безопасность ведения горных работ.

Построена физическая модель нефтяного пласта, состоящая из двух стеклянных пластин прямоугольной формы. Пространство между пластинами заполнено аналогичной по химическому составу пластин стеклянной крошкой. Модель позволяет исследовать фильтрацию флюидов по схеме разнесенного диполя из двух симметрично расположенных относительно центра скважин. Для имитации скважин в верхней пластине просверлены отверстия. Эксперименты проведены с целью оценки увеличения нефтеотдачи пластов в случае применения композиции ГБК-Ф. Получены зависимости расхода от времени на откачной скважине и доли воды в общем объеме флюидов. Исследовано влияние паузы в режиме фильтрации на картину распределения нефти в пласте после воздействия композиции ГБК-Ф. Подтверждена эффективность применения реагента.

Для исследования закономерностей движения горной массы в условиях взаимного влияния сближенных забоев использован метод дискретных элементов в трехмерной постановке. С его помощью воспроизведены технологические схемы выпуска руды при отработке подземных запасов апатит-нефелиновых руд Хибинского массива. Анализ режимов выпуска руды из очистного пространства позволил выявить закономерности формирования потерь, а также определить рациональные параметры конструктивных элементов системы разработки и планограммы выпуска. Результаты численного моделирования проверялись в ходе проведения натурных экспериментов по скважинной отбойке и торцевому выпуску руды для различных горно-геологических и горнотехнических условий рудников КФ АО “Апатит”. Разработаны принципы методики моделирования торцевого выпуска и методических указаний по нормированию потерь и разубоживания при подземной отработке месторождений апатит-нефелиновых руд.

Установлена причина потерь алмазов с нестандартной интенсивностью природной люминесценции в условиях основной рентгенолюминесцентной сепарации. Разработана технология корректировки природных спектрально кинетических характеристик алмазов с помощью обработки кимберлитового алмазосодержащего материала люминофорсодержащими реагентами, включающими в качестве основы смесь люминофоров типа ФЛ-530 и антрацена. Для повышения устойчивости люминофорсодержащих композиций и улучшения закрепления люминофоров на поверхности алмаза предложен способ усиления их олеофильности за счет обработки реагентом-гидрофобизатором (бутиловый ксантогенат калия). Обеспечение максимальной селективности рентгенолюминесцентной сепарации предложено осуществлять путем предотвращения адгезии люминофорсодержащей композиции на зернах кимберлита за счет добавления реагентов-диспергаторов с концентрацией 1- 1.5 г/л. Показано, что гидрофобизация люминофора ФЛ-530 бутиловым ксантогенатом калия и применение реагентов-диспергаторов обеспечивает селективное закрепление люминофора на поверхности нестандартно люминесцирующих алмазов и их избирательное извлечение в соответствующий концентрат. Подтверждено общее снижение потерь алмазов при рентгенолюминесцентной сепарации.

Применение композиции собирателей - одно из перспективных направлений интенсификации флотационного процесса. При использовании смеси реагентов синергетический эффект от их взаимодействия проявляется не только на границе раздела фаз “минерал- жидкость”, но и на границе раздела “газ - жидкость”. Настоящая работа направлена на установление связи синергетического эффекта в понижении поверхностного натяжения комбинации катионного и анионного собирателей и синергизма этих реагентов во флотации. Проведены эксперименты по определению поверхностной активности физической формы сорбции при сочетании реагентов. Результаты сопоставлены с флотационной активностью комбинации и параметром взаимодействия компонентов смеси. Полученные данные послужат основой формирования расчетного метода подбора комбинации собирателей для флотационного обогащения.

Установлена связь между синергизмом сочетания анионных и неионогенных реагентов в понижении ими поверхностного натяжения раствора с синергетическим эффектом собирателей во флотации. Показано, что указанные эффекты имеют одну природу. Предложена гипотеза проявления синергизма во флотации, основанная на механизме работы физической формы сорбции собирателя в элементарном акте. Приведены экспериментальные доказательства соответствия мольных концентраций реагентов в понижении поверхностного натяжения раствора смеси и максимального извлечения полезного компонента в концентрат. Рассмотрены причины возможного отсутствия синергетического эффекта во флотации при использовании катионного и анионного собирателей, когда указанный эффект наблюдается в понижении ими поверхностного натяжения раствора. Установлена необходимость учета энергетического взаимодействия собирателя с минералом и окружающей средой. Для анализа изменения смачиваемости минералов реагентами показана возможность применения подхода, основанного на теории Лифшица -Ван-дер Ваальса и кислотно-основного взаимодействия контактирующих объектов. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методик подбора сочетаний собирателей и эффективных реагентных режимов флотационного обогащения полезных ископаемых.

Исследована депрессия талька при его мономинеральной флотации с применением анионоактивных полимерных реагентов: карбоксиметилированного крахмала (КМК) и целлюлозы (КМЦ), сульфонатов, а также соединения с многозарядными катионами металлов. Полистиролсульфонат натрия с молекулярной массой 10⁶ кг/кмоль по эффективности депрессии талька сильнее сульфонатов с меньшей молекулярной массой, но уступает КМЦ и КМК. Катионы Mg и Al при концентрации 2.5 мг/л повышают эффективность депрессии талька с применением полистиролсульфоната натрия на ~ 4 %. Дальнейшее увеличение концентрации катионов металлов снижает эффективность депрессии талька. Добавление полистиролсульфоната натрия с концентрацией до 250 мг/л изменяет электрокинетический потенциал талька с - 20 до - 32 мВ. По сравнению с КМК и КМЦ полимерные сульфонаты обладают меньшим адсорбционным сродством к тальку. Предложено два варианта механизма взаимодействия полимерных сульфонатов с базальной поверхностью талька: в отсутствии многозарядных катионов металлов и при предварительном добавлении указанных катионов.

В качестве собирателей при флотации пирита использованы бутиловый ксантогенат калия и бутиловый дитиофосфат натрия. Влияние природы сульфгидрильного собирателя на флотируемость пирита изучалось на его навесках флотационной крупности - 74+ 44 мкм. Приведены результаты исследования пенной флотации пирита с добавлением в операцию одного из двух традиционных сульфгидрильных собирателей, которые проявляют близкое собирательное действие в процессе обогащения пирита при рН 8. На основе анализа кинетических кривых флотации пирита предложен новый подход к оценке флотоактивности тиоловых реагентов.

Исследовано применение ультразвука при предварительной обработке флотационных реагентов, используемых при флотации шламов. Изучено влияние ультразвуковой обработки водных растворов неионогенных собирателей, используемых при флотационном обесшламливании сильвинитовых руд, на изменение характеристик полученных пен: объем и высоту пены, ее кратность, влагосодержание, устойчивость и скорость разрушения. Выявлено повышение вспенивающей способности растворов, кратности и “сухости” пен с увеличением удельной акустической мощности, а также резкое снижение устойчивости пен при повышенных мощностях ультразвуковой обработки. Дана оценка возможности повышения пенообразования и снижения устойчивости трехфазных пен.

Выполнены исследования электроимпульсной дезинтеграции сподуменсодержащих пегматитов. Установлено, что обработка импульсными электрическими разрядами обеспечивает частичное раскрытие мономинеральной части сподумена, при этом наилучшее выделение кристаллов сподумена в срастаниях и без таковых происходит при измельчении исходной породы до крупности от 1 до 4 мм. Сами кристаллы сподумена практически не разрушаются, как при механической обработке, и представляют собой цельные фрагменты. Последующее гравитационное разделение позволит получить сподуменовый концентрат для дальнейшего извлечения лития.

Представлен способ локализации в массиве горных пород зон с повышенным трещинообразованием. В основу положена геофизическая модель формирования электромагнитного излучения, сопутствующего процессу нарушения сплошности в массиве. Показано, что для локализации участка с изменяемым напряженно-деформированным состоянием в окрестности выработки методом электромагнитного излучения необходимо при профилировании горной выработки оценивать мощность источника сигнала, соответствующего разрушению горных пород, путем регистрации сигналов датчиков электромагнитного излучения. Предложен подход к построению архитектуры программного обеспечения для прогнозирования динамических проявлений горного давления.

Рассмотрены результаты внутрипластовых сейсмических исследований в период эксплуатации месторождения на шахтах “Казахстанская”, “Абайская”, “Им. Кузембаева” Карагандинского угольного бассейна с целью изучения и прогнозирования геологических нарушений угольного пласта. Сейсморазведочные работы проводились методами отраженных, проходящих волн, сейсмической локации, а также их сочетанием. Полученные практические результаты внутрипластовой сейсморазведки в сложных горно-геологических условиях показали высокую эффективность применения рассматриваемых методов, что позволило уточнить наличие и положение, а также простирание ожидаемых нарушений, выявить отсутствие непрогнозируемых геологических нарушений, определить зоны изменения гипсометрии угольного пласта и другие аномалии.