Одним из основных требований, выдвигаемых потребителями к сырью, является стабильность качества извлечённого из недр минерального сырья. Как правило, при подземной разработке рудных месторождений в условиях обеднения минерально-сырьевой базы наблюдается снижение качества добытых руд, и рудники сталкиваются с проблемой повышения своей конкурентоспособности. С этой точки зрения норильские медно-никелевые месторождения не являются исключением из правила. В этой связи главным условием решения этой проблемы для подземных рудников Норильского дивизиона ПАО «ГМК «Норильский никель» является выполнение требований рынка по улучшению качества товарной руды и увеличения выпуска металлов за счёт увеличения объёмов добычи и обогащения рудной массы с ухудшающимися качественными характеристиками. Поэтому исследования, посвящённые развитию теории и технологии системного обеспечения качества подземной добычи руд, следует признать актуальными и своевременными. Вследствие этого актуальность работы предопределяется необходимостью проведения исследований, направленных на поиск технологических решений, обеспечивающих существенное улучшение качества продукции рудников в условиях систематического обеднения природных запасов руд.

Цель данного исследования – развитие теории и совершенствование методологии обоснования технологических решений системного обеспечения качества при подземной добыче руд на основе инновационных решений по модернизации технологических схем рудников.

В соответствии с целью исследования в работе поставлены следующие задачи:

– разработка общей методики исследований и выбор объекта исследования;

– изучение геологической изменчивости качества руды в залежах норильских месторождений медно-никелевых руд и определение сложности их залегания;

– проведение шахтных исследований по изучению явления сегрегации качества руд в технологической схеме рудника и трансформации качественных показателей при добыче руд;

– актуализация и структурирование методов управления качеством рудопотоков;

– разработка системы горнотехнологических и организационно-технических мероприятий, способных обеспечивать повышение качества и стабильность вещественного состава добываемой рудной массы в комбинированной системе рудника для управления качеством добычи.

В настоящее время наиболее интенсивно эксплуатируются месторождения богатых руд Талнахского рудного узла. Извлечённое из недр минеральное сырьё состоит из трёх промышленных типов балансовых медно-никелевых руд (богатой, медистой и вкрапленной) и разубоживающей массы (порода и закладочный бетон). Выдаваемая рудная масса с рудников подаётся на питание Норильской и Талнахской обогатительных фабрик. Химический состав исходного сырья при переработке руд оказывает существенное влияние как на подготовку рудных концентратов, металлургический процесс в целом, так и на извлечение металлов.

В результате статистической обработки большого объёма данных выполнен прогнозный анализ изменений объёмов добычи и извлекаемой ценности добытых руд, который показывает, что следующий двадцатилетний период подземной разработки рудных месторождений Норильска будет сопровождаться снижением общей ценности полезных компонентов в одной тонне медно-никелевых руд (рис. 1).

Рис. 1. Прогнозный анализ изменений объемов добычи и ценности полезных компонентов при разработке рудных месторождений Норильска

На этом фоне запланированное увеличение добычи горного производства на 30 % относительно настоящего времени с постепенным вовлечением более бедных по качеству (вкрапленных) и труднообогатимых руд в перспективе приведёт к снижению извлекаемой ценности добытых руд на 35 % и более. Таким образом, в условиях снижения качества промышленных запасов основных видов руд для обеспечения перерабатывающих производств качественным рудо-минеральным сырьём необходим поиск комплексного обоснования проектных решений в области оптимизации внутрирудничных стабилизационных систем на основе инновационных решений по модернизации технологических систем рудников и дополнительных технологических решений, направленных на повышение качества добываемой рудной массы. В этой связи остро встаёт вопрос актуализации некоторых принципиальных положений по управлению качеством руд в горнодобывающих технологиях при разработке норильских месторождений [1].

В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение результатов ранее выполненных научных работ, анализ зарубежного и отечественного опыта по управлению рудопотоками; натурное опробование руды в залежах и рудопотоке с их геолого-минералогическими испытаниями и корреляционным анализом; производственные исследования по изучению сегрегации рудной массы при добыче; аналитические исследования с использованием методов теории вероятностей и математической статистики, а также современные методы моделирования.

Личный вклад авторов состоит в установлении корреляционных зависимостей значений абсолютного содержания металла в рудной массе от класса крупности куска применительно к условиям рудников и систематизации актуализированных методов управления качеством руд при подземной добыче. Впервые для выявления усреднительной способности отдельных звеньев технологической цепочки на рудниках были проведены аналитические исследования и наблюдения, а также выполнено компьютерное моделирование технологии предварительной концентрации металлов в рудной массе. Спроектирована технологическая схема внутрирудничной системы формирования и стабилизации качества руд при подземной добыче. Практически заново разработаны содержание и структура информационно-управляющей внутрирудничной системы оперативного контроля качества по всей цепи горнодобывающего производства.

По своей сути проблема управления качеством руд при добыче является технолого-экономической и обычно обеспечивается путём регулирования технологических процессов, усреднения, оперативного управления горными работами, разделения рудопотоков при выдаче извлечённого из недр минерального сырья по отдельным трактам и т.д. [2].

По мнению авторов, изначально многостадийный процесс планирования горными работами направлен на формирование среднего уровня содержания металлов в объёмах добычи, а процессы организационно-производственного характера направлены на обеспечение равномерного распределения этого содержания в рудопотоках за счёт применения механической миксации (смешивания). Миксация добываемых руд может выполняться как в погрузочно-доставочных и транспортных машинах, механических дробилках, так и в рудоспусках, подземных бункерах, в штабелях или на складе. В комплексе эти процессы обеспечивают выход оптимального уровня среднего качества добытого рудо-минерального сырья1. Следовательно, под управлением качеством руд следует понимать совокупность организационных и производственных действий во внутрирудничной системе, направленных на формирование оптимального среднего качества руд при добыче и достижение однородного распределения этого качества в добытой рудной массе [3, 4]. В целом усреднительно-смесительные и разделительные действия определяют принципы управления качеством рудо-минерального сырья при разработке месторождения [5]. Таким образом, с учётом указанных особенностей в работе выполнено структурирование актуализированных методов обеспечения и контроля качества руд при подземной добыче (рис. 2).

Рис. 2. Структурирование актуализированных методов обеспечения и контроля качества руд при подземной добыче

В основу структурирования актуализированных методов управления качеством положены результаты ранее выполненных научно-исследовательских работ, а также практические наблюдения и оценки авторов. Разработанная структура отличается от широко обсуждаемых классификаций тем, что в ней способы управления качеством руд при добыче разделены на три группы: организационного, производственно-технического и технологического характера. При этом действия усреднительного характера рассматриваются как усреднительно-стабилизационные (смесительные) методы, направленные на формирование повышенного качества и поддержание его в рудопотоках.

Технологические способы – это сегрегационные технологии, направленные на разделение или сепарацию. Сегрегационно-разделительные (сепарационные) методы управления качеством руд ориентированы на разделение или сортировку рудной массы или на удаление части составных элементов из объёмов добычи [2, 6]. Разделение определённых объёмов рудной массы выполняется для повышения полезного компонента в определённом объёме добычи. В качестве оборудования для достижения этой цели могут быть использованы как погрузочно-доставочные и транспортные машины, так и аппараты оперативного контроля, сепараторы порционные или покусковые, а также грохоты, дробилки и питатели2 [2]. В свою очередь, сегрегационные (сепарационные) методы направлены на увеличение содержания полезных веществ в добытой руде или на сортировку с применением современных рентгенорадиометрических средств рудосортировки и предконцентрации. При этом сегрегационные технологические схемы с мелкопорционным разделением и мелкопорционной предконцентрацией включают в себя рентгенорадиометрические сепараторы (СРФ), которые позволяют отделить более 40 % некачественной доли рудной массы от общего объёма добычи и усилить концентрацию содержания полезного компонента в предконцентрате почти в два раза [2].

1 Положение о Департаменте автоматизации и цифровизации производства СП-132-2021 ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель». Норильск; 2021. 17 с.

2 Временной регламент планирования горных работ «месяц–декада–сутки–смена» Центром планирования на руднике «Комсомольский». Норильск; 2019. 10 с.

Для проектирования требований по созданию рудничных систем формирования стабильного качества при подземной разработке медно-никелевых руд в работе выполнен количественный анализ природной неоднородности качества норильских месторождений с использованием показателя сложности расположения в недрах λ. В качестве данных для решения задачи использовалась геологическая отчёт-ность, которая формируется в форматах баз данных АРМ «Геолог» (версия 13.1) и программном комплексе Micromine (версия 2023.5), обеспечивающем структуру для сбора, хранения и обработки данных.

Изучение геологической неоднородности качественных характеристик месторождений минерально-сырьевого комплекса Норильска проводилось в условиях подземных рудников горнодобывающего производства компании. Рудник «Заполярный» ведёт разработку месторождения Норильск-1 системой разработки с обрушением вышезалегающих пород. Рудник «Комсомольский» ведёт отработку нескольких промышленных типов медно-никелевых руд Талнахского и Октябрьского месторождений. Добыча более ценных богатых руд Талнахского месторождения ведётся селективным способом с применением систем разработки с полной закладкой выработанного пространства твердеющими смесями3.

Для разработки комплексного обоснования проектно-технологических решений в части стабилизационной способности внутрирудничных технологий были выполнены работы по изучению трансформации качественных показателей в рудопотоках. В результате практических исследований установлено, что наибольшее влияние на изменение природного качества медно-никелевых руд оказывает совокупность технологических и технических мероприятий, направленных на ведение горнодобычных работ и перепуск рудной массы. В частности, при изучении формирования качественных показателей в рудопотоках в работе был выполнен корреляционный анализ, в основе которого лежат первичные материалы локального проекта на отработку очистной камеры, а также данные ПО Micromine (рис. 3), MineSched и системы декадно-сменного графика «ДСГ 2.0», которая представляет собой цифровое решение, интегрированное в бизнес-процессы рудников компании «Норильский никель» для повышения качества и выполнения календарных планов. Специализированное ПО GEOVIA MineSched (версия 2021) позволяет выполнять планирование горных работ и оптимизировать производительность для открытых и подземных горнодобывающих предприятий.

Характер неоднородности внутриблоковой изменчивости содержания металлов в очистной камере прослеживается на рис. 4.

Рис. 3. Общий вид очистной камеры из локального рудничного проекта в ГГИС ПО Micromine

Рис. 4. Изменчивость содержания металлов А и Б по стадиям отработки камеры

Рис. 5. Обратная зависимость между размером кусков отбитой руды и содержанием никеля (а) и меди (б)

Зачастую на практике рудоспуск рассматривают как мощный рудничный смеситель, однако при отработке особенно вкрапленных руд рудоспуск может проявить себя как разусреднитель вследствие проявления гранулометрической сегрегации в объёмах добычи. Сущность гранулометрической сегрегации породо-рудной массы при разработке месторождения медно-никелевых руд обусловливается существованием обратной зависимости между размером кусков отбитой руды и содержанием металлов в них (рис. 5).

Для изучения явления сегрегации были проведены натурные исследования рудопотока. Схема отбора проб в период эксперимента включала в себя: опробование горной массы в навале; повагонное опробование каждого состава руды по горизонтам; опробование руды из ковша погрузочно-доставочной машины (ПДМ). За время проведения наблюдений через выработки откаточного горизонта прошло 1,926 тыс. т руды. Так, в навале горной массы с уменьшением крупности куска руды с 350 до 50 мм наблюдается повышение содержания никеля в добытой руде с 0,19 до 0,34 %, а меди соответственно с 0,22 до 1,3 %.

Анализ выявленной статистической закономерности предопределяет необходимость применения новых проектно-технологических решений для управления качеством медно-никелевых руд с позиции обеспечения уровня стабильности среднего содержания металлов в сегрегированной рудной массе, направляемой на обогащение.

3 Временной регламент планирования горных работ «месяц–декада–сутки–смена» Центром планирования на руднике «Комсомольский». Норильск; 2019. 10 с.«Стратегия освоения месторождений сульфидных и медно-никелевых руд Талнахского рудного узла и Норильск-1 горными предприятиями минерально-сырьевого комплекса Заполярного филиала ОАО «ГМК «Норильский никель» (ГГУ ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», Норильск, 2013 г.)

В результате оценки степени сложности залегания медно-никелевых месторождений Норильска установлено, что они не относятся к группе сложных (λ = 0,01–0,5). Однако с увеличением значения показателя сложности расположения рудных залежей в недрах наблюдается ухудшение условий ведения горных работ. В результате расчётные прогнозируемые показатели потерь и разубоживания по выемочным единицам повышаются, снижая тем самым показатели извлечения при отработке руд и увеличивая расхождения в новых условиях разработки между плановыми и фактическими результатами добычных работ [7].

По итогам статистической обработки для изучения трансформации качественных показателей в рудопотоке с применением ПО Micromine были рассчитаны показатели вариативности качества руды при добычных работах (табл. 1), на основе которых спрогнозировано, что в ходе ведения взрывных работ в камере содержание металлов в объёмах добычи при отбойке рудного массива по стадиям взрывных скважин будет нестабильно.

Таблица 1

Статистические показатели вариативности качества

Спрогнозировано, что среднеквадратическое отклонение содержания никеля и меди во внутриблоковой изменчивости составит более 0,41 и 0,55 % соответственно. Таким образом, в результате производственных исследований установлено, что в отдельных звеньях технологической цепи происходит частичная дестабилизация состава рудной массы, которая в целом снижает стабилизирующую способность технологической схемы рудника.

Например, наличие гранулометрической сегрегации при перепуске рудной массы по рудоспускам приводит к её разусреднению, другими словами, разделению по крупности, снижая значение коэффициента усреднения. Таким образом, с одной стороны, сегрегация добытых руд снижает естественный процесс стабилизации технологической схемы рудника, а с другой стороны, это явление способствует сепарационным технологиям. Причём чем выше значение показателя контрастности руд, тем лучше условия для разделения, т.е. применения сегрегационных технологических систем внутри рудника [8]. Для определения контрастности руд проведены шахтные исследования, в результате которых установлено, что в условиях подземных рудников Норильска кондиционные по крупности куски породо-рудной массы делятся на слабоконтрастные М = 0,4–0,8 и среднеконтрастные М = 0,8–1,1. Несмотря на невысокие контрастные характеристики норильских руд, в работе было выполнено компьютерное имитирование технологии предварительной концентрации вещественного состава добытых руд [2, 9]. Численное моделирование и статистическая обработка экспериментальных данных осуществлялись посредством программного обеспечения STATISTICA 10.0 и Microsoft Office Excel. На основании результатов моделирования установлено, что данное решение приводит к сокращению объёма товарной руды на 36 % за счёт отделения от общей рудной массы её долей с меньшим содержанием, что обеспечивает повышение среднего содержания никеля в предконцентрате относительно исходного на 63 %, т.е. среднее содержание никеля в предконцентрате повышается с 0,26 до 0,41 % (более чем в 1,5 раза). В свою очередь, среднее содержание меди в предконцентрате повышается с 0,38 до 0,60 % (на 0,22 %) при извлечении металлов 94 %.

Таким образом, в ходе комплексного исследования выявлено, что в поле подземных рудников Норильска сульфидные руды имеют неоднородное строение по содержанию полезных компонентов, формам их нахождения, пространственному положению и структуре рудных тел [10]. Ввиду того что в рудных месторождениях минерально-сырьевого комплекса Норильска наблюдаются высокие показатели природной неоднородности качественных характеристик в недрах (σ = 0,07–1,40; v = 39,30–111,50), их можно отнести к сложным по геологическому строению с точки зрения поддержания стабильного вещественного состава руд при подземной добыче. Отсюда следует, что концепция обоснования принципиальных положений по созданию рудничных систем управления качеством медно-никелевых руд при подземной добыче должна базироваться на совокупности актуализированных методов и моделей, использование которых в процессе принятия проектно-технологических решений позволяет достигнуть повышения качества добытой рудной массы при интенсивном снижении качества промышленных запасов основных видов руд.

При этом достичь снижения размаха колебаний изменчивости качества в рудопотоках наиболее результативно можно во внутрирудничной технологической системе. К примеру, после ведения взрывных работ размах колебаний качественных показателей в отбитой рудной массе вкрапленных руд у забоя и в ковшах ПДМ меньше, чем в вагонах. Одной из основных причин дестабилизации качества при добыче вкрапленных руд является применение системы разработки с обрушением, при которой коэффициенты потерь и разубоживания составляют от 15 до 20 % и более. Другой причиной является проявление естественной гранулометрической сегрегации в ходе ведения производственных процессов и операций при подземной добыче.

Исходя из этого для условий горнодобывающего производства процесс сегрегации целесообразно рассматривать в направлении полезного использования этого явления для повышения концентрации полезных компонентов в добытой руде за счёт отделения пустых пород и части некондиционных руд на стадии добычи минерального сырья.

Необходимо учитывать, что в реальных условиях подземных рудников снижение объёма товарной руды при применении внутрирудничной предконцентрации составит более 50 %. Также при моделировании внутрирудничной предконцентрации не учитывалось, что содержание металлов в рудной массе от забоя до поверхности снижается и контрастность руд становится меньше. Следовательно, при невысоких значениях контрастности медно-никелевых руд применение одной технологии предконцентрации в производственной цепочке рудников представляется малопроизводительным. В этой связи для условий сложноструктурных рудных тел перспективным является подход, основанный не только на сепарации, но и на контролируемом примешивании приконтактных некондиционных руд. Как показано в работе [11], учёт экспоненциального характера снижения содержания полезных компонентов в приконтурной зоне позволяет обоснованно включать часть забалансовых руд в общий рудопоток без снижения качества концентрата, что увеличивает полноту извлечения запасов. Соответственно решение в области оптимизации технологий, обеспечивающих повышение качества руд, должно быть комплексным и направлено на создание в руднике комбинированной системы управления качеством добычи с учётом явления сегрегации рудной массы. Таким образом, выполненные выше исследования позволяют приступить к формированию принципиальных положений по разработке технологических решений в проекте подземного рудника для управления качеством медно-никелевых руд [12, 13].

В работе [12] предложена классификация средств и способов для стабилизации руд с конкретными индексами и принципами воздействия. Показано, что существенный естественный смесительный эффект обеспечивается при складировании добытых руд в штабелях, рудоспусках или бункерах [5, 14]. Исходя из этого в работе даны рекомендации по реконструкции дробильно-складского комплекса подземного рудника в усреднительно-смесительный комплекс с прогнозируемым коэффициентом усреднения Kу = 1,6–2,8 (рис. 6). Внутрирудничная система управления качеством в рудопотоках имеет аббревиатуру 1 – А – А7 – 2 – В – В14, которая означает, что на первой стадии управления выполняются организационные работы по формированию среднего уровня качества в определённых объёмах добычи при оперативном планировании горных работ с внутрисменным почасовым управлением. Вслед за этим производственно-технологические способы обеспечивают равномерное распределение сформированного среднего содержания металлов в общешахтном рудопотоке за счёт применения на второй стадии управления горнотехнического смесителя типа штабеля (склада) специальной конструкции [4].

Рис. 6. Технологическая схема внутрирудничной системы управления качеством в рудопотоках

Рис. 7. Модель информационно-управляющей структуры внутрирудничной системы управления качеством руд при добыче

Общая внутрирудничная система управления качеством руд должна включать в себя информационно-управляющую структуру, которая, в свою очередь, состоит из двух подсистем: информационной для оперативного управления качеством руды и производственно-технологической (рис. 7).

Производственно-технологическая подсистема имеет традиционный вид и включает организацию производственных операций и процессов для выполнения горнодобычных работ. Структура современной оперативной информационно-управляющей подсистемы создаётся заново с использованием радиометрических и электронных технических средств, которые увязаны функционально и конструктивно с производственной цепочкой предприятия. Подсистема должна осуществлять централизованный оперативный контроль содержания металлов в процессе добычи руд у забоев, перед рудоспусками и после, в вагонах на откаточных горизонтах, в скипах перед подъёмом, а также в бункерах, транспортных потоках и складах, например, с помощью рудоконтролирующих станций [15, 16].

Внедрение технических средств оперативного контроля качества руд в процессы добычи и их интеграция в единую производственную систему подземных рудников повысит оперативность обработки данных и аналитики и, соответственно, реагирования за счёт повышения мобильности инженерно-технических работников, следовательно, повысит качество оперативного внутрисменного планирования и контроль выполнения производственных процессов, направленных на выполнение плановых качественных и объёмных показателей по добыче.

Для обеспечения сырьевой безопасности норильских рудников целесообразно пересмотреть принципиальные положения стратегического направления в области оптимизации технологических решений в системе управления качеством медно-никелевых руд при подземной добыче.

В условиях постепенного обеднения запасов месторождений Норильска и повышения изменчивости качественных характеристик при подземной добыче медно-никелевых руд решение проблемы повышения качества добытых руд должно быть инновационным и комплексным – через модернизацию технологической схемы рудников с использованием усреднительно-стабилизационных (смесительных) и сегрегационно-разделительных (сепарационных) методов управления качеством руд при добыче.

Для управления качеством своей продукции рудники при подземной добыче должны стремиться использовать определённый технологический резерв, которым они обладают, для выполнения усреднительных и смесительных функций с рудной массой. При этом наиболее перспективным представляется размещение усреднительно-стабилизационных комплексов в конце технологической цепочки рудника на поверхности.

В конкретных условиях рудников гранулометрическую сегрегацию необходимо рассматривать в направлении полезного использования этого явления с позиции отделения некачественной доли рудной массы от общего объёма добычи и повышения концентрации полезных компонентов в рудопотоках.

Процесс управления качеством руд при добыче должен быть многостадийным. В этой связи в современной внутрирудничной системе структура информационно-управляющей подсистемы должна быть модернизирована с позиции обеспечения управляющих звеньев производства сведениями о трансформации показателей изменчивости качества руды в процессе горных работ, начиная от забоя и до поверхности. Цифровизация потока данных в управлении горным производством создаст единое информационное пространство и обеспечит прозрачность и доступность качественных данных, на базе которых формируются технологические решения в проекте рудника, направленные на повышение извлечения металлов путём стабилизации содержания в шихте.Комплексным обоснованием проектно-технологических решений в области оптимизации способов формирования и стабилизации качества добытых руд является создание в подземном руднике комбинированной системы управления качеством добычи с учётом явления сегрегации рудной массы и применением внутрирудничной технологии, предусматривающей повышение концентрации полезных компонентов в добытой руде.

Таким образом, принципиальные положения, разработанные на базе исследований и инженерных разработок, составляют концептуальный материал для разработки проектных решений с учётом инновационной составляющей по модернизации схем технологического процесса в области оптимизации внутрирудничных систем управления качеством медно-никелевых руд при подземной добыче. Такой подход позволяет обеспечить экономическую эффективность всего горно-металлургического комплекса Норильского промышленного района.