В статье представлен аналитический обзор современного состояния железорудной базы черной металлургии России и мира, выделены крупнейшие железорудные провинции и производители железной руды. Выявлены перспективные направления развития и повышения качества железорудной базы России и особенности освоения новых месторождений богатых железных руд. Предложены эффективные технологии разработки месторождений богатых железных руд, обеспечивающие увеличение объемов добычи. Выполнено геомеханическое обоснование рациональных технологических параметров, которые легко адаптируются к изменениям горно-геологических условий. На основе результатов натурных исследований обосновано применение упруго-пластической модели с критерием прочности Кулона – Мора для моделирования изменения напряженно-деформированного состояния рудного массива при ведении горных работ и разработаны рекомендации по обеспечению устойчивости горных выработок. Представлены эффективные инженерно-технические решения комплексного освоения и глубокой переработки богатых железных руд с получением фракционированной аглоруды, повышающей эффективность металлургических процессов, производством высокосортных железоокисных пигментов и железорудных брикетов, повышающих конкурентоспособность железорудных компаний и полноту использования ресурсного потенциала месторождений.
Показана роль геомеханики для прогнозирования развития геосистем и обеспечения безопасности эксплуатации горных предприятий в условиях перехода к новому технологическому укладу. Рассмотрено состояние и перспективы развития минерально-сырьевой базы, включая арктическую зону Российской Федерации. Представлены направления технологических прорывов и возможности трансформации промышленного производства на основе «сквозных» технологий и цифровой экономики. Выполнен анализ геомеханических проблем с учетом глубинных технологических изменений и стремительного роста требований к сохранению недр Земли и природных ландшафтов. Предложена концепция развития геомеханики и геодинамики для обеспечения рационального недропользования в условиях применения «прорывных» технологий и показана необходимость интеграции научного отраслевого взаимодействия в систему технического и профессионального образования.
В алюминиевой промышленности к наибольшим по количеству отходам относятся красные шламы (КШ) – твердый остаток боксита после гидрохимической обработки и извлечения глинозема. Высокую актуальность их переработки показала экологическая катастрофа в Венгрии (2010 г.), где разрушилась ограждающая дамба шламохранилища и вязкая масса тонкодисперсного КШ разлилась на тысячах гектаров земли. Риски повторения такой катастрофы возрастают из-за участившихся природных катаклизмов: землетрясений, ливневых дождей и наводнений, а также терактов. Поэтому предлагается исключить складирование КШ в шламохранилищах и организовать его отгрузку в транспортабельном виде на перерабатывающие комплексы. В статье приведены результаты научных исследований и опыт комплексной переработки красных шламов в промышленных масштабах с получением новых видов товарной продукции.
Рассмотрена проблема саморазрушения промышленных офлюсованных агломератов при охлаждении после спекания. Выявлено, что основной причиной разупрочнения является полиморфизм двух- кальциевого силиката Ca2SiO4 (С2S): β-Ca2SiO4 ® γ-Ca2SiO4. Предложены и испытаны варианты повышения прочности агломерата путем физической и кристаллохимической стабилизации высокотемпературной модификации С2S. Физическая стабилизация C2S агломерата повышается при упрочнении его структуры за счет утолщения стенок между крупными порами, что достигается повышением высоты спекаемого слоя, путем улучшения его газопроницаемости. Задача решается заменой применяемой ранее импортной аглоруды полидисперсной рудой Яковлевского месторождения, которая в 3-4 раза улучшает окомкование шихты и позволяет довести высоту спекаемого слоя и прочность отечественного агломерата до передового зарубежного уровня, исключая при этом необходимость приобретения импортных высоковакуумных эксгаустеров. Кристаллохимическая стабилизация C2S в составе железорудного агломерата на практике обеспечивается введением в состав исходной агломерационной шихты оптимальной многокомпонентной добавки в виде отхода производства глинозема из бокситов – красного шлама. При этом повышаются на 5-10 % механическая и на 20-40 % «горячая» прочности агломератов и окатышей. Производительность агломашин и доменных печей возрастает на 5-10 %. На 2-2,5 % сокращается удельный расход кокса. При производстве железорудных окатышей красный шлам заменяет импортный бентонит.
Выявлена способность аглоруды Яковлевского рудника существенно улучшать оком-кование агломерационной шихты, уменьшать ее газодинамическое сопротивление в 4-5 раз, повышать производительность агломерационных машин, улучшать равномерность спека-ния и качество агломерата, снижать расход агломерационного твердого топлива и доменно-го кокса. Применение яковлевской аглоруды выводит агломерационный процесс на совре-менный технический уровень спекания шихты в слое высотой 500-600 мм без применения дорогостоящих высоковакуумных эксгаустеров.
Приведен способ предрасчета провиса и поднятия проводов, подвешенных к опорам воздушных ЛЭП, находящихся в зоне влияния горных работ. Изложена методика проведения мониторинга высоковольтной воздушной ЛЭП при ее подработке.
Рассмотрены горно-технические особенности строительства подземных сооружений, определяющие выбор и параметры систем вентиляции и кондиционирования воздуха, предложены технические решения по повышению эффективности управления качеством воздуха.
Разработана технология комплексной безотходной переработки богатой железной руды Яковлевского месторождения. Технология позволяет получить высококачественное конкурентоспособное сырье для металлургической промышленности и весьма востребованный и конкурентоспособный красный железоокисный пигмент. В основу цикла получения пигмента положено тонкое измельчение исходной мелкодробленой руды с последующей развитой схемой классификации в гидроциклонах. Для производства брикетов используется смесь мартитовой, гидрогематитовой руды и непигментная фракция, получаемая в пигментном цикле. Руда подвергается предварительному грохочению. Крупная фракция используется как готовое металлургическое сырье. Мелкая фракция направляется на брикетирование.
Проведен анализ напряженно-деформированного состояния пород призабойной зоны при разных отставаниях вступления крепи в работу от забоя с использованием метода конечных элементов. Построены графические зависимости напряжений, смещений, конфигурации зоны неупругих деформаций пород призабойной зоны, из которых получена зависимость влияния первичного тампонажа на напряженно-деформированное состояние.
Выполнено сопоставление результатов расчетов тангенциальных напряжений на внутреннем контуре тюбинговой обделки и радиальных напряжений на внешнем контуре, найденных на основе решения задачи взаимодействия «обделка – грунтовый массив» в пространственной и плоской (однослойное и двухслойное кольцо) постановках. Выявлена область корректного применения плоских моделей.
Проводится анализ напряженно-деформированого состояния пород лба забоя при разных отпорах крепи с использованием метода конечных элементов. Построены графические зависимости напряжений и смещений пород, исходя из которых выведена закономерность влияния значения отпора крепи на напряженно-деформированное состояние.
Брикетирование в черной металлургии – наиболее ранний способ окускования. В начале XX в. брикетирование было вытеснено агломерацией из-за значительно более высокой производительности процесса. Альтернативой агломерации стало окомкование, доля которого с середины XX в. неуклонно растет, что объясняется существенным увеличением производства мелких концентратов. Однако брикетирование имеет ряд преимуществ, и для отдельных видов железных руд (богатых руд, содержащих 60 % и более железа) может оказаться предпочтительнее. Технология брикетирования включает дробление, предварительное грохочение для удаления крупных частиц; дозирование и смешивание со связующими веществами; прессование; отсев некондиционных по крупности брикетов; сушку. После дробления возможно грохочение для удаления крупных классов, содержащих меньше железа. Полученные брикеты имеют плотность 3200-3500 кг/м3, прочность на одноосное сжатие более 4,5 МПа.
Богатые железные руды Яковлевского месторождения являются прекрасным металлургическим сырьем, пригодны для выплавки высококачественного металла при минимальной себестоимости, поскольку не требуют обогащения. Руды содержат большое количество мелких классов и нуждаются в брикетировании. Горные работы предусматривают управление качеством добываемой руды. Технология брикетирования включает предварительное грохочение для удаления крупных классов; дозирование и предварительное смешивание 85-90 % мартитовой, железослюдково-мартитовой руды и 10-15 % гидрогематитовой руды; смешивание со связующими веществами; прессование; сушку. Полученные брикеты имеют плотность 3200-3500 кг/м 3 , прочность на сжатие 4,5 МПа.
Обсуждаются геомеханические и гидрогеологические проблемы при освоении Яковлевского железнорудного месторождения, включающие особенности изменения прочности руд различного типа. Выполнена оценка возможности прорыва напорных подземных вод в горную выработку. Анализируются результаты натурных наблюдений за деформированием рудного массива вокруг выработок. Проведены численные эксперименты по выявлению влияния недозаклада на напряженно-деформированное состояние водозащитного рудного целика.
Изложен способ оценки геомеханического эффекта дополнительной активизации деформационного процесса в породном массиве и на земной поверхности при сооружении двух и более параллельных тоннелей на основе теоретических решений механики сплошной среды. Подобная количественная и качественная оценка этого эффекта при расчетах напряжений получила широкое распространение в механике подземных сооружений и других прикладных областях. В маркшейдерских расчетах сдвижений и деформаций традиционно используются преимущественно эмпирические подходы. Приведенные решения позволяют осуществлять такие оценки и учитывать подобные геомеханические эффекты в расчетах сдвижений и деформаций.
В статье предлагается расширить перечень параметров для оценки качества маркшейдерских геодезических сетей, добавив в него показатель топологической надежности сети. Рассмотрены оптимальные схемы высотных и плановых маркшейдерских геодезических построений, у которых показатель топологической надежности имеет максимально возможное значение, равное единице. Предложены формулы для подсчета количества измерений в таких построениях и даны рекомендации по обработке измерений в них.
Обоснованы критерии для оценки устойчивости обнажений выработок Яковлевского рудника и зависимости для расчета вертикальных и горизонтальных нагрузок на их крепь в рыхлых рудах, основанные на теории свода. Предложены типы и параметры крепей выработок рудного массива.
Натурными наблюдениями за смещениями пород вокруг подготовительных и очистных выработок удароопасных участков шахт субра установлен эффект расслоения кровли выработок и очистных камер под действием сейсмических волн. Смещения прослеживаются на глубину до 4 м и прирастают практически мгновенно, в момент горного удара. Моделирование процесса взаимодействия плоской прямой волны с выработками прямоугольной, сводчатой и шатровой форм поперечного сечения показало, что вероятность достижения предельного состояния вмещающих пород вследствие максимальной разности главных напряжений у выработок прямоугольной и шатровой форм выше. На основе изучения динамики сейсмических напряжений и закономерностей деформирования вмещающих пород разработаны конструкции усиления упрочняющей штанговой крепи кровли камер и сопряжений пластовых выработок глубокими железобетонными анкерами.
