Разработка калийных месторождений на больших глубинах сопровождается ростом эксплуатационных потерь полезного ископаемого. Традиционные камерные системы с оставлением опорных целиков не позволяют в дальнейшем извлекать эти запасы из-за прогрессирующего роста напряжений и потери устойчивости выработок, что определяет необходимость поиска новых технологических решений. Исследование ставит перед собой цель – обоснование параметров технологии выемки пологих калийных пластов на больших глубинах, обеспечивающей снижение потерь руды за счет доизвлечения опорных межучастковых целиков при управлении напряженным состоянием массива с помощью закладки. Исследование выполнено на основе моделирования методом конечных элементов с использованием упруго-пластической модели Мора–Кулона. Модель откалибрована по натурным данным оседания кровли для условий глубины 1100 м. Оценено влияние вынимаемой мощности, степени заполнения камер и деформационных свойств закладочного материала (сухая, гидравлическая, твердеющая закладка) на напряженное состояние опорного целика. Установлено, что при отсутствии закладки напряжения в опорном целике к моменту стабилизации сдвижений превышают геостатический уровень более чем в 6 раз, что исключает его последующую отработку. Получена эмпирическая зависимость коэффициента концентрации напряжений от параметров закладочного массива, позволяющая прогнозировать условия безопасности ведения горных работ. Предложена конфигурация междукамерных целиков переменной ширины (увеличивающейся от центра к периферии), обеспечивающая равномерное распределение нагрузок. Разработан способ расчета ширины целиков первой очереди, при котором коэффициент запаса прочности сохраняется выше нормативного значения (>1). Одновременное ведение очистных и закладочных работ позволяет ограничить рост опасных напряжений в опорном целике, что создает условия для безопасной выемки целика камерами второй очереди. Предлагаемая технология обеспечивает дополнительное извлечение балансовых запасов, не требует коренной перестройки подготовительных выработок и способствует утилизации техногенных отходов.

Актуальность работы обусловлена статусом циркониевого сырья как критического минерального сырья, принятым в большинстве промышленно-развитых стран, и необходимостью получения максимально полной картины его сложного мирового рынка. На основе статистического, графического и логического методов проведено изучение минерально-сырьевой базы циркониевого сырья, пространственного размещения месторождений циркония по типам геологических формаций, динамики товарных потоков (производства, импорта, экспорта, потребления) по странам мира, а также мировых цен и перспектив добычи и потребления. Анализ показал, что мировое потребление циркониевого сырья стремительно растет – с 39 тыс. т в 1950 г. до 2,191 млн т в 2024 г. В динамике спроса главным является тренд его взрывного роста в Китае на фоне стремительного подъема национальной экономики: с 84 тыс. т (8,7 % от объемов мирового рынка) в 1997 г. до 1,83 млн т (78 %) в 2024 г. Развитие мирового рынка предложения циркониевого сырья при этом осложняется ростом объемов спроса и цен, значительной долей международной торговли при наличии противоречий интересов добывающих стран (Австралия, ЮАР, Мозамбик, Индонезия, Сенегал) и главных стран-потребителей (Китай, Евросоюз, США, Индия, Япония), а также нахождением значительной доли мировых запасов в комплексных эндогенных месторождениях, сложных для освоения как по технологическим, так и экономическим причинам. В большинстве промышленно-развитых стран цирконий рассматривается как критическое минеральное сырье. Мировые запасы циркониевого сырья в подготовленных для эксплуатации месторождениях оцениваются в 95 млн т, прогнозные ресурсы – в 232 млн т. В разработке находятся преимущественно месторождения титан-циркониевой россыпной формации, однако цирконий также присутствует в комплексных эндогенных месторождениях в карбонатитах и щелочных магматических породах в виде циркона, бадделеита и эвдиалита. Мировое производство цирконового концентрата выросло с 537 тыс. т в 1970 г. до 1,64 млн т в 2024 г. (+2,4 %/год), а накопленная мировая добыча за 1950–2024 гг. составила 59,7 млн т. Экспортное предложение цирконового концентрата на мировой рынок (включая реэкспорт) увеличилось с 395 тыс. т в 1970 г. до 1,86 млн т в 2024 г. При этом в 2010-е годы доля экспорта в мировой добыче циркониевого сырья составляла от 61 до 98 %. Высокий спрос привел к появлению на рынке пула новых производителей, разрабатывающих россыпные месторождения в Индонезии, Мозамбике, Сенегале, Казахстане, Мадагаскаре, Кении, Вьетнаме и Сьерра-Леоне. Их доля в мировом экспорте увеличилась с 0,2 % в 1999 г. до 30 % в 2024 г. В перспективе возможно значительное увеличение объемов добычи из россыпей в Мозамбике, Мадагаскаре, Вьетнаме, а также появление новых производств в Намибии и Танзании. Наряду с россыпными существуют проекты разработки комплексных эндогенных месторождений с получением цирконового концентрата: Стрейндж-Лейк и Тхор-Лэйк (Канада), Беар-Лодж (США), Балже, Бозигор и Тудилинг (Китай), Халзан-Бурегте (Монголия), Катугинское, Улуг-Танзегское и Зашихинское (Россия). Возможна также разработка месторождений нового технологического типа – эвдиалитовых руд, представляющих собой комплексное цирконий-редкоземельное сырье: Нечалачо (Канада), Танбриз-Кванефьелд (Гренландия), Тунги-Дуббо (Австралия), Ловозерское-эвдиалитовое (Россия) и Саима (Китай).

Проницаемость угольных пластов – ключевой параметр, определяющий эффективность дегазации, интенсивность метановыделения и безопасность горных работ. Поскольку проницаемость снижается с глубиной и критически зависит от напряжённо-деформированного состояния, для её прогноза необходимы модели, способные адекватно описывать взаимодействие сорбционных деформаций, пороупругих эффектов и механизма закрытия трещин. В связи с отсутствием унифицированного подхода к оценке проницаемости в условиях сложного НДС целью данной работы стали систематизация и сопоставление основных эмпирических и аналитических моделей этой зависимости. Для этого был выполнен аналитический обзор моделей, учитывающих сорбционно-упругие деформации, изменение пористости, влияние эффективного давления, термоупругие эффекты и параметры кливажа. Сопоставление моделей проведено путём численного моделирования изменения проницаемости в диапазоне эффективных напряжений 0–50 МПа и на глубинах до 1500 м. В модели были включены такие параметры, как коэффициент Био, модуль деформации, сорбционная сжимаемость, начальная проницаемость и геометрические характеристики трещин. Результаты вариационных расчётов показали, что несмотря на различия все модели демонстрируют общую тенденцию к нелинейному уменьшению проницаемости с ростом эффективного напряжения. Это отражает физические процессы сжатия порового пространства и закрытия трещин. Установлено, что наиболее интенсивное снижение проницаемости происходит в интервале 5–15 МПа, соответствующем активному закрытию трещин кливажа, тогда как на глубинах свыше 1000 м изменение проницаемости стабилизируется из-за исчерпания потенциала деформации трещинной структуры. Таким образом, анализ выявил различную чувствительность моделей к геомеханическим параметрам, причём влияние сорбционных деформаций оказалось сопоставимым с пороупругими эффектами. Выбор конкретной модели зависит от условий: для учёта сорбционных деформаций оптимальна модель Seidle (1992), для глубоких пластов с изменчивой пористостью – модель Palmer (1998), а для описания упругих деформаций – модель Каркашадзе и Хаутиева (2015). Полученные зависимости применимы для оценки природной проницаемости угольных пластов в ненарушенном массиве.

Ряд отходов горно-металлургического производства обладает возможностью прямого поглощения углекислого газа CO2 из атмосферы, поскольку некоторые из них содержат минералы, способные к карбонизации. В статье показано, что такой способностью обладают белитовые шламы Ачинского глиноземного комбината (АГК, АО «РУСАЛ Ачинск») – отходы переработки нефелиновых руд Кия-Шалтырского месторождения. Изучение изменчивости минерального состава шлама в зависимости от времени его хранения на шламовом поле в возрастных интервалах 0–5, 5–25, 25–50 лет показало устойчивое снижение содержания силикатов кальция (ларнит, волластонит, мервинит) и рост содержания карбонатов в ряду от свежих шламов к лежалым. Рассмотрены факторы, влияющие на скорость карбонизации шламов, в том числе проявляющиеся в условиях действующего шламохранилища. Электронно-микроскопическое изучение шламов (СЭМ-ЭДС) показало пористую структуру силикатных частиц шлама, а также характер замещения их кальцитом. Выполнена оценка потенциала данного хранилища для депонирования углекислого газа за счет карбонизации силикатных минералов шламов, химически неустойчивых в атмосферных условиях. По результатам проведенного анализа и литературным данным по поглощающей способности CO₂ силикатами кальция в атмосферных условиях сделан вывод, что максимальным потенциалом поглощения в белитовых шламах обладает ларнит. Применительно к условиям хранилища белитовых шламов АГК рассчитан предельный объем CO2, который может быть поглощен при полном взаимодействии ларнита с атмосферным воздухом. Поглотительная способность одной тонны шлама только за счёт ларнита (при его содержании 32,6 %) составляет 83,3 кг CO₂, а с учётом волластонита и мервинита общий потенциал достигает 262 кг/т. Показанные масштабы и динамика процесса преобразования силикатов в карбонаты в объеме шламохранилища позволят учитывать объем поглощенного углекислого газа в расчетах углеродного следа конечной продукции предприятия – алюминия, произведенного из нефелинового сырья.

Дефицит природного кернового материала и невозможность его многократного использования в лабораторных экспериментах обусловливают необходимость поиска альтернативных способов получения образцов для геомеханических исследований. В связи с этим всё более востребованным становится применение реплик горных пород, изготовленных методами 3D-печати. Одним из таких методов выступает 3D-LCD-печать – доступная и точная технология стереолитографии, основанная на послойном отверждении жидких фотополимеров через жидкокристаллический дисплей. В связи с этим целью настоящей работы являлось: экспериментальная оценка физико-механических характеристик материалов, получаемых данным методом, и их сопоставление с параметрами природных горных пород. Для решения поставленных задач был проведён комплекс испытаний, включающий микроструктурный анализ, неразрушающие исследования на основе измерения скорости упругих волн и испытания на одноосное сжатие. Испытания показали, что напечатанные образцы характеризуются высокой изотропией упругих свойств и стабильностью механических параметров при изменении условий постотверждения и хранения. Показано также, что наклон слоёв относительно направления нагружения существенно влияет на предел прочности и модуль Юнга: максимальные значения прочности достигаются при угле ориентации 60° (до 162 МПа), минимальные – при 30° (до 120 МПа). Сравнение с данными испытаний природных силицитов, окремнённых доломитов и опок выявило соизмеримость механических характеристик и сходство деформационного поведения в области упругих деформаций (до 20 МПа). Таким образом, 3D-LCD-реплики горных пород могут быть использованы для физического моделирования геотехнических процессов и оценки параметров разрушения в лабораторных условиях, однако требуют учёта различий в механизмах разрушения при пластическом деформировании.

По мере развития вентиляционных сетей современных рудников управление воздухораспределением осложняется воздействием трёх факторов: недостаточной глубиной регулирования и несинхронностью графиков работы отдельных участков; усложнением аэродинамических связей между рабочими зонами и регуляторами; ростом инерционности системы. Это обусловливает необходимость разработки единого подхода к созданию систем управления вентиляцией в сложных сетях, позволяющего заранее оценить условия, при которых внедрение таких систем будет экономически оправданным и технически реализуемым. Достижение указанной цели предполагало решение двух ключевых задач: определение пространственной глубины управления и временного масштаба управления. Основой методологии послужил разработанный математический аппарат для анализа аэродинамических связей в разветвлённых сетях с большим числом вентиляторов, стволов, горизонтов и диагональных соединений. Он включает использование матриц аэродинамического влияния, их графический анализ, кластеризацию и декомпозицию сети на подсистемы. С помощью метода размерностей получены оценки характерных времен различных динамических процессов в рудниках. В результате предложены принципы проектирования систем управления, предусматривающие выбор уровня регулирования с учётом числа потребителей и их производственных графиков, а также согласование временного масштаба регулирования с характерными временами аэрологических и горнотехнологических процессов. Показано, что длительность технологических циклов допускает применение регулирования вентиляции на их уровне, что открывает перспективное направление для дальнейших исследований. Установлено, что для сложных вентиляционных сетей алгоритмы управления должны быть в первую очередь ориентированы на поддержание требуемого расхода воздуха, тогда как регулирование по концентрации газов менее эффективно.

Математическая модель формирования динамических составляющих нагрузок на рабочие органы горных машин при резании горных пород является необходимой составной частью цифрового двойника горного комбайна и используется для инженерного анализа, расчетов, симуляции рабочих процессов и оптимизации параметров машины. Применение для моделирования силы резания различных вариантов метода конечных элементов (FEM, DEM и др.) ограничено необходимостью идентифицировать большое количество параметров (примерно 10–20), определение которых расчетным или экспериментальным путем затруднено. Разработана стохастическая математическая модель процесса резания горной породы, основанная на представлении процесса в виде потока случайных событий – единичных актов нагружения и разрушения некоторого объема горного массива (сколов). Интервал между единичными актами нагружения во времени или в пространстве рассматривается как случайная величина. Установлено, что наилучшую сходимость с данными экспериментальных исследований очистного комбайна на угле-цементном блоке обеспечивает модель с усеченным показательным законом распределения интервала между единичными актами разрушения. В единичном акте нагружения максимальное значение силы резания, при котором происходит скол, определяется расчетным путем исходя из известного среднего значения силы резания. Погрешность моделирования силы резания на отдельном резце не превышает: по математическому ожиданию и среднеквадратическому отклонению – 7 %, по максимальному значению – 15 %. Подтверждено хорошее соответствие гистограмм распределения и графиков спектральной плотности усилия, полученных при обработке данных натурного и вычислительного экспериментов. Предложенная модель содержит не более трех параметров, требующих идентификации, и может быть использована как составная часть цифрового двойника горного комбайна. Данный подход целесообразно применять при математическом моделировании процесса резания прочных грунтов рабочими органами землеройных машин, а также для моделирования рабочего процесса дробильных машин.

Комплексный учет геомеханических и структурных характеристик горного массива является обязательной основой для обеспечения безопасности и эффективности подземных горных работ. Критически важными параметрами, подлежащими включению в расчетные модели, выступают физико-механические и прочностные свойства пород, степень их трещиноватости, а также исходное и техногенно-измененное напряжённое состояние массива. Исследование направлено на геомеханическое обоснование параметров крепления подготовительных выработок в условиях развития пластических деформаций. Методическая база основана на сочетании теоретического анализа, численного моделирования методом конечных элементов в программном комплексе RS2 (Rocscience) и обобщения экспериментальных данных о свойствах вмещающих пород, что позволило детально проанализировать напряжённо-деформированное состояние массива на различных стадиях проведения горных работ, включая засечку новой выработки и её последующее развитие. В результате моделирования установлены пространственные границы зон деформирования: глубина развитых неупругих деформаций составляет 0,6–0,7 м от контура выработки, область упругопластического деформирования достигает 1,8–1,9 м. Анализ напряжённого состояния показал, что в зоне опорного давления перед забоем напряжения достигают 20,48 МПа, что на 25 % превышает природный уровень на глубине 600 м. С применением коэффициента запаса прочности FoS выявлены локальные участки с FoS < 1 в районе засечки, количественно подтверждающие необходимость усиления крепи. Полученные результаты позволяют сформировать научно обоснованный подход к прогнозированию геомеханического состояния массива и выбору рациональных параметров крепи, что способствует повышению устойчивости выработок, снижению объемов ремонтных работ и увеличению уровня промышленной безопасности при подземной разработке угольных месторождений.