Актуальность темы определяется необходимостью решения задачи обеспечения сохранности и отсутствия разрушения объектов, содержащих границы раздела между горной породой и бетоном. К ним относятся шахтные стволы, плотины гидроэлектростанций в горных районах, железобетонная крепь тоннелей и другие, испытывающие воздействия как статических нагрузок от вышележащих пород и грунтов, так и динамические воздействия от взрывов и землетрясений. Лабораторные эксперименты проводились по методике Международного общества по механике горных пород (ISRM) на образцах с границами между гипсовым камнем и песчано-цементным раствором. Исследовался коэффициент трещиностойкости K_IC границ раздела в образцах. Цилиндрические образцы имели диаметр 40 мм и длину 150 мм с V-образным вырезом в средней части. Деформирование образцов при изгибе по трехточечной схеме позволило определить K_IC исходя из максимального усилия при 5–6 циклах. Среднее значение K_IC между породой и бетоном оказалось намного ниже, чем для горной породы и даже для образцов полностью из бетона. Для образцов без бетона среднее значение составило 1,327 МПа×√м, а для полностью бетонных образцов 0,858 МПа×√м. Среднее значение K_IC для образцов с бетоном составило 0,323 МПа×√м, что в 4 раза меньше, чем для образцов без бетона, и в 2,5 раза меньше, чем для бетонных образцов. Образование калиброванной трещины при испытании приводит к относительному увеличению коэффициента внутренних механических потерь Q^–1, определяемого резонансным методом, до 30 %. Это позволяет оценить коэффициенты трещиностойкости K_IC границ раздела горная порода – бетон с использованием Q^–1. Полученные результаты могут быть использованы на практике при проектировании, эксплуатации, а также организации неразрушающего контроля и мониторинга промышленных объектов горного производства, включающих данные границы раздела. 

При возведении и эксплуатации инженерных объектов, разработке месторождений твердых полезных ископаемых в ряде случаев необходимо улучшать свойства песчаных грунтов за счет их армирования полимерными составами. Анализ современных исследований показывает, что влияние расхода и способа обработки полиуретанами на приобретенные свойства рыхлых пород слабо изучено. В работе представлены результаты лабораторных исследований химического закрепления песчаного грунта полиуретановыми составами. Геоматериалы, обычно получаемые при армировании рыхлых пород высокоэластичными полимерами, имеют низкие прочностные свойства и стабильны лишь при незначительных нагрузках. Для повышения прочности предложена технология двухрастворной обработки песчаного грунта, включающая последовательное смешение породы с двухкомпонентным высокоэластичным медленно реагирующим составом и малым объемом быстротвердеющей однокомпонентной смолы. Цель работы – экспериментальное исследование зависимости деформационно-прочностных свойств песчаного грунта от способа смешения с полиуретановыми составами и объемного расхода полимера. Экспериментально протестированы стандартный однорастворный способ смешения образцов с высокоэластичной смолой в соотношении объемов с песком от 0,05 до 0,4 и двухрастворный, включающий дополнительную обработку быстротвердеющей однокомпонентной смолой в объеме 5 % от укрепляемого грунта. Влияние полиуретановых смол на свойства породы оценивали по результатам прочностных испытаний методом трехосного сжатия. Для определения содержания и распределения отвержденных полимеров в структуре рыхлой породы использовался метод электронно-сканирующей микроскопии. Установлено, что добавление быстротвердеющего полиуретанового состава в двухрастворном способе смешения приводит к формированию агрегатов отвержденного полимера, связывающих минеральные зерна без сплошного заполнения межзерновых пустот. Наличие таких агрегатов повышает прочностные характеристики песка до 5 раз, что в 1,3–3 раза больше, чем при стандартном однорастворном смешении с высокоэластичной смолой в объемном соотношении с укрепляемой породой до 0,3. Установлено, что в условиях трехосного сжатия геоматериал, полученный при двухрастворном способе смешения, выдерживает более значительные осевые деформации. В случае объемного соотношения смолы и породы более 0,3 прочность получаемого геоматериала не зависит от добавки быстродействующего состава. Практическая значимость полученных результатов состоит в повышении прочности песчаного грунта при его малообъемном укреплении высокоэластичными полиуретанами.

Результаты газовоздушных съемок, выполняемых на рудниках Верхнекамского месторождения калийных и магниевых солей, показывают, что объем газообразных примесей, фиксируемый в главных вентиляционных штреках рудника, зачастую значительно меньше, чем в рабочих зонах тупиковых выработок. Феномен снижения газовых примесей по пути движения вентиляционной струи воздуха на калийных рудниках во многих исследованиях связывают не только с разбавлением вредных примесей утечками свежего воздуха с воздухоподающих штреков, но и с нейтрализацией газов за счет их химических реакций с калийным массивом. Результаты исследований, проведенных ранее в лабораторных условиях, показали, что сильвинит (NaCl + KCl) способен поглощать примеси токсичных и горючих газов. На основе результатов лабораторного изучения в рамках настоящей работы проведены исследования в условиях реального рудника, учитывающие динамику газовых примесей в атмосфере горных выработок и фактор разбавления газовых примесей утечками воздуха. В рамках работы выполнены замеры концентрации горючих и токсичных газов на продуктивных пластах разного минерального состава на одном из рудников ВМКМС для оценки влияния свойств калийных солей на газовый баланс в тупиковых выработках большой протяженности. Выполнен анализ степени влияния свойств калийного массива на изменение концентрации горючих и токсичных газов в выработках по пути движения вентиляционной струи воздуха. Анализ отобранных образцов воздуха проводился в лабораторных условиях. Концентрация горючих газов, оксида и диоксида углерода, содержащихся в отобранных образцах воздуха, производилась хроматографическим методом на приборе «ХРОМОС ГХ-1000». Оценена доля влияния нейтрализации газа и разбавления утечками вентиляционного трубопровода на снижение количества горючих и токсичных газов в исходящей из рабочей зоны струе воздуха. В результате проведенных экспериментов установлено, что в протяженных тупиковых камерах пласта АБ (100 м и более) количество газовых примесей снижается по протяженности выработки от тупика к устью. При проведении исследований учтены факторы, способные повлиять на снижение концентрации газа в рабочей зоне.

Расширение масштабов добычи полезных ископаемых в калийных рудниках столкнулось с проблемой нехватки свежего воздуха, которую невозможно решить при текущей парадигме автономного проветривания. Перспективы связаны с последовательным и рециркуляционным проветриванием, а также концепцией «вентиляции по требованию», требующими детального описания процессов «самоочистки» рудничной атмосферы от пыли. Разрушение горных пород сопровождается выбросом солевых аэрозолей, которые во влажной атмосфере укрупняются и осаждаются на поверхность. Для прогнозирования распространения этих частиц и сопутствующих газов необходимы точные математические модели. В статье рассматриваются закономерности и механизмы влияния относительной влажности воздуха на динамику размера соляной пыли – гигроскопических аэрозольных соляных частиц галита (NaCl) и сильвина (KCl). Описаны взаимодействия при контакте «соляная поверхность – влажный воздух» и рассмотрено современное представление о процессах гистерезиса, а также об этапах растворения и обратной кристаллизации гигроскопических аэрозольных частиц. В связи с принципиальными сложностями использования современного экспериментального электронного оборудования в условиях подземных рудников в анализ вовлечены данные по океаническим аэрозолям того же химического состава. На основе анализа ряда моделей гигроскопического роста океанических аэрозолей проведена их адаптация к условиям атмосферы калийного рудника, что позволило получить усредненные значения фактора гигроскопического роста соляной аэрозоли. Для океанического аэрозоля и соляной пыли рудничной атмосферы наблюдается хорошее соответствие известных данных динамики фактора гигроскопического роста от влажности воздуха. Полученные теоретико-эмпирические данные, характеризующие изменения размера соляных частиц в зависимости от относительной влажности, апробированы в модельных исследованиях с соляным аэрозолем. Для интерпретации и прогнозирования изменений размерного распределения соляных аэрозольных частиц предложено использовать модель Юнга. На примере записи модели Юнга в двойных логарифмических координатах подтверждена эвристическая ценность предложенного подхода. Результаты исследования могут быть применены для расчета процессов формирования пылевой обстановки в каменно-соляных и калийных рудниках.

Деятельность горно-металлургических предприятий неразрывно связана с потреблением больших количеств воды и соответственно образованием жидких отходов. Приоритетным является решение проблем переработки и рациональной утилизации технологических вод с высоким содержанием ценных компонентов. Это позволяет получать значимый эколого-экономический эффект, то есть приносить прибыль непосредственно предприятиям, экономить материальные ресурсы и снижать нагрузку на окружающую среду в горнопромышленных регионах. Переработка медно-цинковых руд сопровождается формированием металлоносных потоков с широким спектром сопутствующих металлов и неметаллов с низкой концентрацией каждого отдельного компонента и колебаниями рН в широких пределах. Указанные факторы затрудняют выбор рациональной технологии очистки, поэтому предприятиям приходится платить за сверхнормативные металлоносные сбросы в окружающую среду. Тяжелые металлы токсичны, не подвергаются разложению, могут аккумулироваться водными растениями и по пищевой цепи достигать организма человека. Централизованная аккумуляция случайных сбросов, поверхностных и дренажных вод с последующей очисткой для использования в оборотном водоснабжении может решить ряд экологических задач в области охраны водных ресурсов. Адсорбция тяжелых металлов цеолитами на основе недорогих глинистых минералов благодаря простоте процесса, возможности регенерации цеолитов, высокой эффективности ионообмена Cu²⁺, Zn²⁺ и Fe²⁺ с выделением в окружающую среду нетоксичных катионов Na⁺ является хорошей альтернативой химическому осаждению. Целью настоящей работы является оптимизация условий получения цеолитов на основе каолина и бентонита для очистки сточных вод, образующихся при добыче и переработке руды медно-колчеданно-полиметаллических месторождений. За основу синтеза цеолитов из необогащенной продукции горнодобывающей отрасли принята технология щелочного сплавления бентонита или каолина с гидроксидом натрия. Новизной технологического подхода при получении цеолитов из природных алюмосиликатов по сравнению с опубликованными данными является то, что корректировку химического состава щелочного сплава для синтеза цеолитов с определенной кристаллической структурой осуществляли с помощью отходов суспензии Al₂O₃–NaAlО₂. Шелочной сплав растворяли в воде, фильтровали и подвергали гидротермальной кристаллизации. Изучен фазовый состав цеолитных адсорбентов. В результате сравнения эффективности извлечения тяжелых металлов из модельных растворов оптимизированы состав массы и условия процессов щелочного плавления, а также режим гидротермальной кристаллизации. Благодаря достигнутой степени извлечения металлов на уровне 95 % из модельных растворов с начальной концентрацией, мг/л: 150 Сu²⁺, 180 Zn²⁺ и 125 Fe²⁺, цеолиты на основе бентонита и каолина могут быть использованы при очистке металлоносных вод.

Тонкоизмельченные отходы флотационной переработки отвальных медеплавильных шлаков отражательной плавки Среднеуральского медеплавильного завода («технические пески СУМЗ») накоплены в значительных объемах и могут представлять опасность для окружающей среды как потенциальный источник тяжелых металлов. В то же время они могут рассматриваться как перспективный источник полезных компонентов вследствие относительно высокого содержания цинка (3,3–3,9 %) и меди (0,4–0,5 %). Разработка технологий по утилизации «технических песков» является перспективной задачей цветной металлургии и невозможна без их всестороннего исследования. Целью наших исследований являлись изучение вещественного состава магнитных фракций «технических песков СУМЗ» и оценка перспектив извлечения полезных компонентов (цинка и меди) из хвостов флотации с использованием мокрой магнитной сепарации. Химический анализ полученных фракций выполнен в Центре коллективного пользования «Геоаналитик» Института геологии и геохимии УрО РАН методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на квадрупольном масс-спектрометре Elan-9000. Фазовый анализ выполнен в центре коллективного пользования «Урал–М» Института металлургии УрО РАН методом рентгенофазового анализа на дифрактометре Bruker D8 Advance. Магнитные свойства фракций магнитной сепарации изучены методом термомагнитного анализа. После обработки отхода методом мокрой магнитной сепарации выход магнитной фракции (48 кА/м) составил приблизительно 83 %, слабомагнитной (200 кА/м) – 11 %, немагнитной – 6 %. Получены данные о фазовом и химическом составе фракций магнитной сепарации отхода. Отмечено, что цинк и медь распределяются по фракциям относительно равномерно с несколько повышенным содержанием меди в немагнитной, а цинка – в слабомагнитной фракции. Подтверждена зависимость магнитной восприимчивости минералов «технических песков» от наличия в них изоморфных примесей. Совместная оценка данных рентгенофазового и термомагнитного анализов показала, что при практически идентичных рентгенограммах термомагнитные кривые в интервале 20–700 °С демонстрируют существенные различия фракций магнитной сепарации. Все полученные термомагнитные кривые необратимые. При использованных параметрах мокрой магнитной сепарации для разделения «технических песков» данный метод малоэффективен, необходимы дополнительные исследования по поиску оптимальных способов предподготовки отходов и режимов напряженности магнитного поля. Результаты исследований вносят вклад в изучение магнитных свойств отходов переработки медеплавильных шлаков, представляют интерес для разработки новых схем их утилизации и повторной переработки.

В процессе эксплуатации гидравлических экскаваторов вследствие износа изменяется техническое состояние насосов. Увеличиваются зазоры, переток жидкости, снижается объемный КПД, возрастают потери энергии, что приводит к перерасходу топлива. Целью работы являлось определение рационального срока эксплуатации насосов с учетом перерасхода топлива, который возрастает в процессе эксплуатации. Решены задачи: создание математической модели затрат на владение насосом с учетом перерасхода топлива, возрастающего в процессе эксплуатации, разработка алгоритма и компьютерного моделирования в программе Simulink-Matlab, оценка увеличения расхода топлива. В статье на примере гидравлического экскаватора Komatsu PC2000-8 показано влияние технического состояния главных насосов гидравлического экскаватора на перерасход топлива. На основе предлагаемой модели затрат на эксплуатацию насоса с учетом повышения расхода топлива в процессе эксплуатации получены зависимости перерасхода топлива от технического состояния насосов. По разработанным методике расчета и программному алгоритму выполнено компьютерное моделирование в программах Simulink-Matlab  и Excel. Получены зависимости перерасхода топлива гидравлического экскаватора от технического состояния насосов. Представлены математическая модель затрат на владение насосом с учетом перерасхода топлива, возрастающего в процессе эксплуатации, и полученное на ее основе выражение для определения рационального срока эксплуатации насосов для минимизации затрат на приобретение насосов и топлива, учитывающее техническое состояние главных насосов, скорость его изменения, стоимость топлива и замены насоса. Предложен показатель, характеризующий перерасход топлива, определяемый отношением разницы между фактическим расходом топлива на 1 м³ экскавируемой горной массы и расходом топлива при номинальных значениях КПД основных насосов (номинальным расходом) к номинальному расходу. Использование предлагаемого критерия совместно с выражением для определения рационального срока эксплуатации насосов позволит обоснованно выбирать значение предельного состояния основных насосов и уменьшить суммарные затраты на владение насосом и на расход топлива до 17 % в зависимости от экономических и горнотехнических факторов эксплуатации. с учетом экономических и горнотехнических факторов эксплуатации.

Механические передачи подъемных и тяговых лебедок, а также механизмы напора карьерных экскаваторов находятся под действием наибольших знакопеременных ударных нагрузок. Поэтому к качеству изготовления механических передач предъявляются повышенные требования. Процесс управления жизненным циклом редукторов включает обкатку и испытания нового изделия на предприятии, диагностику и контроль в процессе эксплуатации. Стенды для этих целей должны обеспечивать максимальное соответствие режима испытаний условиям эксплуатации механической передачи. Разработанный стенд предназначен для обкатки (приработки сопряженных соединений) и контроля качества изготовления и сборки редукторов лебедок подъема и напора электрических карьерных экскаваторов ЭКГ-8ус, ЭКГ-10, ЭКГ-12К, ЭКГ-15М, ЭКГ-18, ЭКГ-20КМ, ЭКГ-32Р в условиях приемо-сдаточных испытаний. В стенде применены двигатели экскаваторные постоянного тока мощностью 350 кВт (приводные машины) и мощностью 560 кВт (нагружающая машина). В качестве мультипликатора использован редуктор лебедки подъема экскаватора ЭКГ-15М. Два промежуточных вала объединены промежуточной вставкой. Нагружающий двигатель соединен с одним валом. Для управления двигателями использованы типовые транзисторные преобразователи постоянного тока с широтно-импульсным регулированием, применяемые на экскаваторах с главными приводами постоянного тока. Обкатка и испытания редукторов проводятся методом взаимной нагрузки. Программное обеспечение испытательного стенда реализовано на основе информационно-диагностической системы Пульсар-7. При этом обеспечиваются следующие режимы работы: 1. Интерактивное управление компонентами стенда в ручном режиме. В этом режиме оператор может проверять функционирование компонентов стенда, выполнять их настройку. 2. Автоматическое управление процессом обкатки испытаний. Подпрограммы из имеющейся библиотеки обеспечивают формирование требуемых в соответствии с видом испытания последовательностей управляющих команд. Предусмотрены режимы обкатки без нагрузки, с постоянной нагрузкой, переменными нагрузкой и угловой скоростью, воспроизведения цикла экскавации. В процессе испытания производится автоматическое создание протокола по испытуемому изделию. 3. Формирование протоколов испытания. Оператор может просматривать и выводить на печать любые ранее сформированные протоколы. 4. Настройка программы и вспомогательные функции, в том числе справочная подсистема. На основе составленного математического описания мехатронных систем выполнено исследование процессов при обкатке редуктора напора ЭКГ-15Мс помощью Simulink.Разработанный стенд реализован в ООО Компания «Объединенная Энергия» и внедрен в ООО «ИЗ-КАРТЭКС имени П.Г. Коробкова».

Экономическая эффективность высокопроизводительных горных предприятий во многом определяется от обоснования режимов работы наиболее энергоемких машин и установок, каковыми являются вентиляторные установки и подъемные машины. Система вентиляции рудников не только обеспечивает безопасность, но и способствует оптимизации производственных процессов. Целью работы является анализ работы вентиляторных установок главного проветривания и подъемных установок рудника, а также разработка мероприятий по обеспечению рациональных режимов их работы с целью повышения энергоэффективности и снижения эксплуатационных затрат. В работе описаны методы расчета систем проветривания, включая аналитические, численные и методы моделирования, которые используются для обеспечения достаточного воздухообмена, удаления вредных газов и пыли, а также контроля температуры и влажности в подземных выработках. Выявлено, что вентиляторные установки работают неэффективно, с завышенным удельным расходом электроэнергии. В связи с этим предложены мероприятия по замене электродвигателей, что позволит снизить энергопотребление и эксплуатационные затраты. Расчеты показывают, что экономический эффект от замены двигателей составит 4,9 млн руб. На основе анализа реальных характеристик подъемных установок рудника проведен проверочный расчет мощности электродвигателей подъемных машин. Отмечено, что для повышения эффективности подъемных систем необходимо использовать современные многоканатные установки с уравновешенной конструкцией. Предложены меры по загрузке технологического оборудования, что позволит снизить удельный расход электроэнергии на добычу руды. Анализ данных за 8 лет показал обратную корреляцию между объемом добычи руды и удельным расходом электроэнергии. Увеличение производительности на 10–15 % снижает удельный расход энергии на 2–5 %. Исключение периодов низкой загрузки оборудования и внедрение автоматизированных систем управления позволят повысить эффективность установок в целом. Результаты исследования применимы для других горнодобывающих предприятий с аналогичными условиями эксплуатации, особенно при глубокой разработке месторождений.