Одним из самых проблемных мест подземного блочного выщелачивания (ПБВ) металлов из руд является возможность загрязнения водной и воздушной среды в зоне их влияния. Поэтому доказательство возможности минимизации последствий ПБВ металлов из руд путем управления технологическими процессами в рамках реализации природо- и ресурсосберегающих технологий актуально. Цель исследования – обоснование эффективности подземной разработки рудных месторождений традиционными и комбинированными технологиями с выщелачиванием металлов из скальных некондиционных и забалансовых руд. Это обеспечит повышение сырьевой базы добычи металлов из забалансовых руд и улучшит охрану недр, гидрогеологической и окружающей среды. Отличительной особенностью ПБВ (подземного участка по выщелачиванию металлов из замагазинированных руд) является то, что выщелачивающие растворы подают из сорбционной колонны, размещенной в горных выработках горизонта орошения в непосредственной близости от эксплуатационного блока. Выдачу продуктивных растворов в виде смолы осуществляют из сорбционной колонны, размещенной в горных выработках горизонта орошения, в вагонетках на дневную поверхность и далее в цистернах на гидрометаллургический завод. Исследованию подвергается пока еще редкий опыт обоснования эффективности и экологической безопасности ПБВ металлов из забалансовых и некондиционных скальных руд в установках, смонтированных в горных выработках, на основании мониторинга и оценки охраны недр, гидрогеологической и окружающей среды. Выявлено усредненное значение концентрации урана по горизонтам: 210 м – 3,6 мг/л; 225 м – 3,58 мг/л; 280 м – 0,91 мг/л. При этом загрязнения подземных шахтных вод не обнаружено. Уровень аэрозолей серной кислоты и продуктов распада радона не превышал значений предельно-допустимой концентрации. Рекомендовано охрану гидрогеологической среды производить заиливанием глинистым раствором днища камеры по сбору продуктивных растворов, сооружать полуактивные водопроницаемые химически активные барьеры. Указанная технология ПБВ внедрена при отработке опытного блока 5–86 и рекомендована для блоков 5–84–86 и 5–88–90 Мичуринского месторождения ГП «ВостГОК», Украина, а также при разработке рудных месторождений Российской Федерации, Республики Казахстан.

Геологические объекты характеризуются макро- и микронеоднородностью, что проявляется изменчивостью в пространстве вещественного состава и литофизических свойств пород. Это, в свою очередь, определяет пространственно-временную изменчивость динамики углеводородных (УВ) флюидов как при формировании залежи, так и при ее разработке, а в последующем и эксплуатации в качестве подземного хранилища газа (ПХГ). Длительная эксплуатация подземных газовых резервуаров на площадях Галмас и Гарадаг в Южно-Каспийском бассейне (ЮКБ), служащих вместилищем промышленных скоплений газа, а в дальнейшем для подземного хранения газа (ПХГ) характеризуется существенными особенностями. Анализ данных мониторинга объемов закачки-отбора газа на ПХГ Галмас и Гарадаг в период 2020–2021 гг. показал изменчивость в пространстве их значений, так же, как и продуктивности скважин при разработке газового резервуара. Это позволяет предположить унаследованный с режимом разработки газового резервуара характер режима эксплуатации ПХГ. Неоднородный характер изменения в пространстве этих параметров определяется фильтрационно-емкостными свойствами пород. Падение пластового давления в процессе разработки залежи сопровождается снижением проницаемости пород, а при эксплуатации ПХГ литофациальные свойства пород определяют соотношение объемов закачиваемого и отбираемого газа. В связи с этим необходимым условием выбора оптимальной системы эксплуатации ПХГ является учет пространственной неоднородности подземного резервуара. Неравномерный характер изменения по площади фильтрационно-емкостных свойств горных пород (ФЕС), формирование изолированных зон в резервуаре со значительными остаточными объемами газа, а также непрогнозируемые направления движения флюидов являются основными причинами снижения эффективности разработки залежи и эксплуатации ПХГ. Для определения оптимальной системы эксплуатации ПХГ, созданных в истощенных подземных нефтегазовых резервуарах, необходимо учитывать особенности изменения в пространстве ФЕС слагающих его пород.

В физике твердого тела и материаловедении с использованием высокоточных измерений на малых напряжениях и деформациях были получены новые знания о микро-нанопластичности. В настоящее время свойство микропластичности горных пород мало изучено, но в перспективе оно может быть полезно для решения задач фундаментального и прикладного характера. В этом исследовании изучено влияние циклически изменяемой амплитуды импульса и скорости волны на параметры затухания продольной волны в песчанике. Лабораторные измерения выполнены на образцах породы методом отраженных волн в диапазоне частот 0,5–1,4 МГц на пяти значениях амплитуды деформации ~ (0,5–2,0)10⁻⁶. Проведено пробное моделирование, которое дает возможность установить влияние амплитудно-зависимой скорости волны на параметры затухания волны в песчанике. Поведение затухания волны при совместном действии амплитудного фактора и девиации скорости волны имеет сложный характер. Изменение амплитуды деформации сдвигает пик затухания 1/Q_p(f) в координатах «затухание–частота». Максимальное изменение величины затухания в пике за счет амплитудного фактора и девиации скорости волны достигает 3–4 %. Открытая (незамкнутая) петля гистерезиса затухания волны обнаружена после действия замкнутого амплитудного цикла А1(+) --- А5(+) --- А1(−), где А1(+) = А1(−). Открытый гистерезис затухания имеет место как в случае постоянной, так и переменной скорости волны. Протяженность открытой части петли гистерезиса затухания по отношению к максимальной величине затухания составляет: для постоянной скорости волны 62,63 %, в режиме увеличения скорости волны – 91,58 % и в режиме уменьшения скорости волны – 47,01 %. Эффект незамкнутого гистерезиса затухания волны в песчанике может быть объяснен действием обнаруженной в ходе эксперимента микропластической деформации.

В условиях ограниченности минеральных ресурсов современные шахты и рудники стремятся к добыче все более труднодоступных и глубокозалегающих запасов полезных ископаемых. Увеличение глубины ведения горных работ приводит к возникновению проблем, связанных с обеспечением комфортных и безопасных условий труда в горных выработках. Основной задачей создания благоприятного микроклимата для горнорабочих является обеспечение допустимых значений температуры воздуха в рабочих зонах глубоких горизонтов шахт и рудников. На сегодняшний день особый интерес вызывают процессы формирования теплового режима в длинных очистных забоях (лавах), в которых применяется высокопроизводительное транспортно-добычное оборудование. В связи с этим в работе проводится исследование, направленное на определение особенностей формирования теплового режима в длинных очистных забоях. Исследование основано на экспериментальных данных, полученных в условиях лавы № 1 первой северной панели горизонта −440 м рудника 4 РУ ОАО «Беларуськалий». Результаты экспериментального изучения динамических микроклиматических параметров воздуха позволили установить, что тепловой режим в лаве носит переменный характер. Это обусловлено тем, что при ведении горных работ в лаве технологический цикл отработки запасов полезных ископаемых включает добычные и ремонтные смены, характеризующиеся различными мощностями тепловыделений. При этом влияние тепловой инерции оборудования в период его остановки в ремонтную смену играет важную роль в формировании теплового режима. Предполагается, что результаты экспериментального исследования переходных тепловых режимов в лаве при переходе от добычных смен к ремонтным выступят основой при разработке математической модели теплообменных процессов в горных выработках, способной учитывать нестационарную природу техногенных источников тепловыделений. Разработанная математическая модель позволит принимать наиболее безопасные и эффективные технико-экономические технологические решения по управлению проветриванием лав.

Ведение горнопроходческих работ в условиях современного города требует проведения дорогостоящих мероприятий по обеспечению сохранности существующих зданий. В среднем на 1 км строящейся линии метрополитена Москвы приходится до 17–20 зданий. Анализ и сопоставление данных геотехнического мониторинга с результатами геотехнических расчетов для подземного строительства открытым и закрытым способами в условиях плотной городской застройки продемонстрировал неудовлетворительную сходимость расчетных и фактических данных. Основными факторами этого явления являются: недостаточность данных инженерно-геологических изысканий; несоответствие принимаемой расчетной модели реальному поведению грунта под нагрузкой; недостаточная квалификация исполнителей; перебор грунта. Публикация направлена на решение актуальной научно-технической задачи определения характеристик перебора грунта при механизированной проходке тоннелей. На первом этапе исследования были направлены на идентификацию ключевых причин и факторов, определяющих количественные параметры перебора грунта в условиях подземного строительства в городах при закрытом способе горностроительных работ. Среди таких факторов выделяются следующие: несоответствие диаметра резания наружному диаметру обделки, перемещения грунтового массива перед забоем, неполное заполнение тампонажным раствором заобделочного пространства, неполное заполнение пространства за оболочкой щита глинистым или медленно твердеющим тампонажным раствором или их отсутствие, человеческий фактор (низкая квалификация персонала). Коэффициент перебора устанавливается на основе предложенной эмпирической зависимости его значений от глубины заложения тоннеля. Экспериментальные данные позволили установить зависимости коэффициента перебора при разных глубинах заложения тоннеля, а также при диаметрах тоннелей от 4 до 10 м для тоннелепроходческого механизированного комплекса с активным пригрузом забоя. Практическое значение проведенных исследований состоит в установлении диапазона изменения значений эмпирического коэффициента – от 0,5 % (для щитов с условным диаметром 10 м) до 5 % (для щитов условным диаметром 4 м). Разработка организационных мероприятий и обоснование технологических решений по обеспечению сохранности существующих зданий в комплексе с научно-техническим сопровождением подземного строительства позволила примерно на 6 мес. сократить срок проходки перегонов между станциями «Окская» и «Нижегородская» Некрасовской линии Московского метрополитена, а также и обеспечить экономию порядка 2,5 млрд руб.

Актуальность исследований, результаты которых составляют основу систем автоматического управления рабочей операцией черпания шагающего экскаватора-драглайна, обусловлена необходимостью повышения производительности машины и снижением предельных нагрузок на механизмы и канатные системы. Анализу подвергается система автоматического управления рабочей операцией черпания шагающего экскаватора-драглайна, позволяющая обеспечить повышение его эксплуатационной производительности за счет приближения процесса черпания к рациональному.

На основе методов математического моделирования систем электропривода основных механизмов экскаватора-драглайна составлены имитационные математические модели, которые описывают движение ковша и канатных систем. Результаты компьютерного модельного исследования, выполненные программными средствами SimInTech, подтвердили работоспособность предложенного алгоритма автоматического черпания.

Разработанная система автоматического управления операцией черпания позволяет приблизить траекторию черпания к оптимальной, обеспечивая предельно быстрое заглубление с допустимым перерегулированием и последующим равномерным черпанием с постоянной толщиной срезаемой стружки. Показатели качества управляемого процесса черпания в породах с удельным сопротивлением k_p = 1,45 ± 0,45 кг/см² и k_p = 3,35 ± 0,75 кг/см² практически совпадают: перерегулирование в первом случае 7,2 %, во втором – 10,4 %, время регулирования в первом случае 4 с, во втором – 3,5 с. Разработанная система автоматического управления операцией черпания вместе с автоматическими системами транспортирования груженого ковша в отвал и порожнего ковша в забой, системами автоматической защиты от перегрузки главных механизмов, системой контроля безопасного движения ковша в рабочем пространстве драглайна позволяют повысить уровень автоматизации экскаватора-драглайна и его производительность.

Одним из основных факторов эффективного функционирования системы электроснабжения высокопроизводительных угольных шахт является бесперебойное питание электроэнергией подземных потребителей всего технологического цикла при достаточном количестве электроэнергии с обязательным соблюдением показателей ее качества. Анализ электропотребления высокопроизводительной угольной шахты показал, что порядка 57 % потребителей электрической энергии расположены в подземных выработках. Потребители можно разделить на участки основного технологического процесса добычи угля: добычные участки (13 %); участки конвейерного транспорта (13 %); подготовительные участки (8 %), и участки вспомогательных процессов добычи угля: водоотлив (23 %). Увеличение доли регулируемых электроприводов в общем балансе мощностей выемочных участков приводит к появлению факторов, не характерных ранее для подземных электрических сетей. К таким факторам относятся изменение гармонического состава сети, появление высших гармоник тока и напряжения, оказывающих влияние на питающую сеть, нагрев электрооборудования, потери мощности и электроэнергии. Поэтому вопросы повышения качества электрической энергии в подземных электрических сетях высокопроизводительных угольных шахт являются актуальными. В результате проведенных исследований разработана методика проведения экспериментальных исследований показателей качества электрической энергии (представленная в виде алгоритма) применительно к специфическим условиям высокопроизводительных угольных шахт, в том числе опасных по внезапным выбросам газа и пыли. Данная методика была апробирована на ряде угольных шахт компании АО «СУЭК-Кузбасс». Также представлены результаты проведенных экспериментальных исследований по определению фактического уровня суммарного коэффициента гармонических составляющих в подземных электрических сетях выемочных участков угольных шахт. Важное значение имеет обоснование параметров фильтра высших гармоник, представленный алгоритм расчета которого основывается на разработанной методике. Исследования показали, что применение прямого и обратного преобразований Clarke для расчета параметров фильтра высших гармоник применимы для всех уровней напряжений. Имитационная модель системы электроснабжения выемочного участка угольной шахты позволяет исследовать условия демпфирования высших гармоник с помощью устройства повышения качества электрической энергии. Использование предложенных технических решений по повышению качества электрической энергии на основе имитационного моделирования позволило сделать заключение об успешном демпфировании высших гармоник, в частности, снижении суммарного значения напряжения гармонических составляющих (THD (U)) с 9,07 до 1,77 %.

Применение высокопроизводительных буровых станков требует особого внимания к разработке энергосберегающего электропривода при добыче полезных ископаемых открытым способом. Повышение коэффициента полезного действия и энергоэффективности бурового станка достигается при управлении электроприводом, позволяющим регулировать удельную резонансную частоту и ограничивать амплитуды тока и скорости. Основная идея работы заключается в применении нечетких регуляторов в системах автоматического регулирования режимами работы электропривода вращателя бурового станка шарошечного бурения. Использование нечетких регуляторов направлено на улучшение характеристик ПИ- и ПИД-регуляторов. Расчеты и моделирование переходных процессов с применением имитационных моделей в программном комплексе MatLab 7.11 Simulink позволили проводить достоверный анализ режимов работы электропривода вращателя бурового станка. При моделировании переходных процессов изменения скорости вращателя бурового станка с применением нечеткого регулятора обоснованы нечеткие переменные: рассогласование скорости вращения, скорость изменения рассогласования, напряжение задания по скорости. Проведенный анализ позволил установить терм-множества нечетких переменных и функции принадлежности каждому терм-множеству нечеткой переменной. Результаты выполненного моделирования показывают, что время регулирования переходных процессов изменения момента и тока двигателя вращателя при применении регулирования скорости вращателя нечетким регулятором с увеличением нагрузки в зависимости от крепости породы уменьшается в 2 раза. Внедрение системы автоматического регулирования скорости вращателя бурового станка с применением нечеткого регулятора позволяет снизить вибрацию бурового станка, обеспечить эффективную защиту двигателя вращателя от перегрузки, повысить надежность работы оборудования и производительность при бурении.