Проблемы недропользования. 2015. Выпуск 2 (5).

1. Сетевое периодическое научное издание
ISSN 2313-1586
Выпуск 2
Екатеринбург
2015
16+

2. Сетевое периодическое научное издание
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ
Учредитель – Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт горного дела Уральского отделения РАН
№ государственной регистрации Эл № ФС77-56413 от 11.12.2013
Выходит 4 раза в год только в электронном виде
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
С.В. Корнилков, д.т.н., проф., директор ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург - главный редактор
Г.Г. Саканцев, д.т.н., с.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург – зам. главного редактора
Члены редакционной коллегии:
Н.Ю. Антонинова, к.т.н., заведующая лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург
А.А. Барях, д.т.н., проф., директор ГИ УрО РАН, г. Пермь
Н.Г. Валиев, д.т.н., проф., проректор по науке УГГУ, г. Екатеринбург
С.Д. Викторов, д.т.н., проф., заместитель директора ИПКОН РАН, г. Москва
С.Е. Гавришев, д.т.н., проф., директор ИГД и Т, МГТУ, г. Магнитогорск
А.В. Глебов, к.т.н., заместитель директора ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург
С.Н. Жариков, к.т.н., с.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург
А.Г. Журавлев, к.т.н., с.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург
В.С. Коваленко, д.т.н., проф., заведующий кафедрой МГГУ, г. Москва
В.А. Коротеев, д.т.н., проф., академик, советник РАН ИГГ УрО РАН, г. Екатеринбург
М.В. Курленя, д.т.н., проф., академик, директор ИГД СО РАН, г. Новосибирск
С.В. Лукичев, д.т.н., проф., заместитель директора ГоИ КНЦ РАН, г. Апатиты
В.В. Мельник, к.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург
И.Ю. Рассказов, д.т.н., директор ИГД ДВО РАН, г. Хабаровск
И.В. Соколов, д.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург
С.М. Ткач, д.т.н., директор ИГДС СО РАН, г. Якутск
С.И. Фомин, д.т.н., проф. кафедры, НМСУ «Горный», г. Санкт-Петербург
А.В. Яковлев, к.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург
В.Л. Яковлев, д.т.н., проф., чл.-корр., советник РАН, ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург
Издатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт горного дела Уральского отделения РАН
Все статьи проходят обязательное рецензирование
Адрес редакции: 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, д. 58, тел. (343)350-35-62
Сайт издания: trud.igduran.ru
Выпускающий редактор: О.В. Падучева
Редактор: О.А. Истомина, Н.У. Макарова
Компьютерный набор и верстка: Т.Н. Инякина, Я.В. Неугодникова, Т.Г. Петрова
16+

3. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
3С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
Содержание
МЕТОДОЛОГИЯ ОСВОЕНИЯ НЕДР
Яковлев В. Л. О развитии методологических подходов к исследованию проблем
освоения недр …………………………………………………………………………………….. 5
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рахимов З. Р., Моисеев В. А. Математическая модель оценки устойчивости
нагруженного откоса слабых глинистых пород ……………………………………………….. 11
Харисов Т. Ф., Замятин А. Л., Ведерников А. С. Особенности ликвидации
ствола шахты им. С.М.Кирова Турьинского медного рудника ……………...……………….. 19
РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА
Зайцев А. В., Клюкин Ю. А. Ресурсосберегающие решения в системах
кондиционирования рудничного воздуха………………………………………………………. 26
Макаров Н. В., Кабелев Д. В. Вентиляторы местного проветривания повышенной
производительности . Особенности использования вихревых камер в аэродинамически
активных профилях турбомашин ….……………………………………………………………. 32
РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД
Реготунов А. С., Антонов В. А. Регрессионное моделирование экспериментального
разрушения кристаллических горных пород ударом ………………………………………... 37
Жабко А. В. Критерий разрушения твердых тел ……………………………………………… 46
МЕХАНИЗАЦИЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
Журавлев А. Г., Скороходов А. В. К вопросу обоснования производительности
экскаваторно-автомобильных комплексов методом компьютерного моделирования ……… 53
ПОДЗЕМНАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
Громов Е. В. Разработка способов вскрытия глубокозалегающих рудных месторождений
с применением современных типов конвейерного транспорта ……………………………….. 62
ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Бобылева А. В., Домрачева В. А. О возможности эффективного извлечения ртути из
техногенного сырья углеродными сорбентами ………………………………………………... 75
Реутов Д. С., Котельникова А. Л., Халезов Б. Д., Кориневская Г. Г. Поиск технологии
извлечения цинка, меди и утилизации песков из твердых отходов, полученных после
флотации медеплавильных шлаков …………………………………………………………….. 79

4. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
МЕТОДОЛОГИЯ ОСВОЕНИЯ НЕДР

5. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
5С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
УДК 622.014.3 : 553.042 : 001.891.5
Яковлев Виктор Леонтьевич
член-корр. РАН,
доктор технических наук, профессор,
Институт горного дела УрО РАН
620075, Екатеринбург,
ул. Мамина-Сибиряка, 58
e-mail: yakolev@igduran.ru
О РАЗВИТИИ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ
ПОДХОДОВ К ИССЛЕДОВАНИЮ
ПРОБЛЕМ ОСВОЕНИЯ НЕДР
Yakovlev Victor L.
The RAS corresponding member,
Doctor of technical sciences, professor,
The Institute of Mining, UB RAS,
620219, Yekaterinburg,
Mamin-Sibiryak st., 58
e-mail: yakolev@igduran.ru
ON THE PROGRESS
OF METHDOLOGICAL APPROACHES TO
STUDYING THE PROBLEMS OF MINERAL
RESOURCES MANAGEMENT
Аннотация:
Выделены шесть этапов развития технологий
и методологии освоения недр России и стран
СНГ начиная с 1945 г. по современный период,
характеризующиеся особенностями условий
развития и соответствующих им основным
направлениям научных исследований. Современ-
ный этап развития горного дела характеризу-
ется необходимостью создания технологий и
техники для вскрытия и отработки глубоких
горизонтов действующих горных предприятий
и освоения новых месторождений, в том числе
в Северных регионах страны.
Одним из важнейших направлений в эволюции
решений проблем освоения недр является иссле-
дование переходных процессов и учет законо-
мерностей их развития при разработке иннова-
ционных технологий оценки, добычи и рудопод-
готовки минерального сырья.
Ключевые слова: особенности этапов развития
горного дела, инновационные технологии, пере-
ходные процессы
Abstract:
Six stages of technologies progress and methodol-
ogy of Russia and CIS countries mineral resources
mining beginning from 1945 up to the present pe-
riod are marked out. They are characterized by the
features of conditions development and scientific
researches’ basic directions corresponding to them.
The present stage of mining art is characterized by
the necessity of laying technologies and technique
for running mining plants’ deep levels development
and mining as well as for new deposits mining, the
country’s northern regions including.
One of the major directions in evolution of solving
the problems of mineral resources mining is the in-
vestigation of transient processes and the account
of their development regularities by working out in-
novational technologies of estimation, mining and
mineral raw material ore concentration.
Key words: the features of mining art progress
stages, innovational technologies, transient pro-
cesses.
История горного дела насчитывает многие сотни, если не тысячи лет, но в совре-
менном представлении этапы развития технологий и методологии освоения недр целе-
сообразно рассматривать, начиная с послевоенных лет (c 1945 г.).
В таблице приведен последовательный ряд таких этапов, характеризующихся со-
циально-экономическими условиями развития горнодобывающих отраслей промышлен-
ности, и основных направлений научных исследований, которые были наиболее акту-
альны и соответствовали целям разработки научных основ проектирования, строитель-
ства и эксплуатации шахт, рудников и карьеров, горно-обогатительных комбинатов.
В период 1945 – 1960 гг. были разработаны методы определения производитель-
ности рудников [1], основы теории проектирования угольных шахт [2], вскрытия и си-
стем открытой разработки месторождений полезных ископаемых [3, 4]. Уже тогда реша-
лись вопросы разработки железных руд сложного состава [5], что послужило в дальней-
шем основой развития важного направления – селективной разработки и усреднения руд
[19]. И, хотя глубина карьеров была еще незначительной по современным представле-
ниям, вопросы устойчивости бортов карьеров послужили темой докторской диссертации
[6], а в дальнейшем проблема устойчивости бортов глубоких карьеров вошла в разряд
наиболее актуальных.

6. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
6С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
1960 – 1975 гг. характеризуются интенсивным, приоритетным развитием откры-
тых горных разработок.
С ростом глубины карьеров в число важнейших вошла проблема транспорта, в
том числе вопросы развития открытых горных разработок с автомобильным транспор-
том [7] и основы поточной технологии открытой разработки месторождений [8]. Свое-
временной явилась публикация «Глубокие карьеры» [9], в которой впервые было дано
обоснование понятия «глубокий карьер», которое в дальнейшем развивалось и другими
авторами публикаций [17, 22, 32].
Этапы развития технологий и методологии освоения недр России и стран СНГ
Годы
Особенности этапов развития
горного дела
Основные направления
научных исследований
1945 – 1960 гг. Послевоенный период восстанов-
ления и развития народного хозяй-
ства
Научные основы проектирования и
строительства комплексно-механизи-
рованных предприятий
1960 – 1975 гг. Интенсивное развитие открытых
горных разработок, строительство
крупных горно-обогатительных
комбинатов для обеспечения сы-
рьем заводов черной и цветной ме-
таллургии, строительство уголь-
ных разрезов большой мощности
Научное обоснование приоритетного
развития открытых разработок; зарож-
дение методов экономико-математи-
ческого моделирования, ЭВМ для пла-
нирования и управления производ-
ством на карьерах
1975 – 1987 гг. На основе анализа опыта эксплуа-
тации ГОКов установлено отстава-
ние фактических объемов добычи
и вскрыши от проектных
Необходимость новых подходов к ис-
следованию, проектированию и пла-
нированию горных работ, схем вскры-
тия, систем разработки; формирова-
нию транспортных систем карьеров с
учетом роста их глубины
1987 – 1996 гг. Изменение социально-экономиче-
ских условий. Переход от плано-
вой экономики к рыночной. Резкое
снижение объемов добычных и
вскрышных работ
Необходимость разработки принципи-
ально новых подходов к исследова-
нию и решению проблем горного про-
изводства
1997 – 2010 гг. Восстановление объемов добычи
полезных ископаемых на действу-
ющих ГОКах. Дефицит рудного
сырья на Урале и необходимость
завоза товарной руды на металлур-
гические предприятия из других
регионов
Новый этап в развитии горных наук:
«Освоение и сохранение недр». Клас-
сификация горных наук
2010 – совре-
менный пе-
риод
Освоение глубоких горизонтов на
действующих горных предприя-
тиях и новых месторождениях, в
том числе в северных регионах
УрФО и ДФО
Программно-целевые методы иссле-
дований на основе принципов систем-
ности, комплексности, междисципли-
нарности и инновационной направ-
ленности
К началу 60-х годов относится зарождение методов экономико-математического
моделирования и ЭВМ; персональных компьютеров еще в России не было, а в Свердлов-
ске, в частности в СОМИ им. Стеклова, задачи решались на БЭСМ-6 с использованием
перфокарт. В Москве центром развития этого нового направления постановки и решения
задач горных наук был Горный институт (имевший несколько лет название МИРГЭМ),

7. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
7С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
ИГД им. А.А. Скочинского, а в Свердловске – СГИ и ИГД УФАН СССР (с 1965 г. до
1994 г. – ИГД МЧМ СССР). В эти годы с использованием методов линейного програм-
мирования и ЭЦВМ были рассмотрены вопросы планирования горнотранспортных ра-
бот на карьерах [10, 11], проектирования, планирования и управления производством на
карьерах посредством ЭВМ [12, 14].
Важным вкладом в теорию и практику открытых горных разработок явились ра-
боты [13, 15, 16, 18].
К середине 70-х годов на большинстве глубоких карьеров железорудных горно-
обогатительных комбинатов наметилось и возрастало отставание фактических объемов
добычных и особенно вскрышных работ от проектных, возникли сложности со вскры-
тием глубоких горизонтов. Предстояло выяснить причины этих явлений; их оказалось в
основном две: несовершенство методов проектирования и отставание в развитии транс-
портных систем карьеров от необходимых темпов понижения горных работ с ростом
глубины карьеров. Решению этих проблем были посвящены работы [17, 22].
С началом перестройки в стране и последующим изменением социально-эконо-
мических условий, с переходом от плановой экономики к рыночной перед горной наукой
и горным производством встали новые задачи, и, хотя публикации этого периода еще
предлагали решение проблем открытых и подземных разработок [20, 21, 23], необходи-
мым был новый методологический подход к решению проблемы освоения недр.
Новый этап развития горных наук, в том числе в методологии выполнения иссле-
дований, связан с изданием коллективной монографии «Освоение и сохранение недр
Земли» [24], о значении которой вице-президент Российской академии наук академик
Н.П. Лавёров сказал: «Выход в свет такой книги – событие знаменательное. В отличие
от нее известные работы по этой проблематике не выходили за рамки сложившихся и
остававшихся неизменными до сего времени воззрений на горные науки, которые брали
начало из традиционных отношений между науками и доминировавшей над ними горной
промышленностью. Важно отметить, что данный труд – это результат научной деятель-
ности многочисленного коллектива, в котором авторы представляют различные отрасли
горных знаний. Создание этой значительной, глубокой по содержанию книги является
свидетельством принятия новой идеологии и методологии горных наук». Одной из глав-
ных заслуг этой монографии явилось обоснование новой классификации горных наук, в
которой выделено шесть групп, в каждой из которых представлены не только названия
входящих в них научных дисциплин, но и объекты и методы изучения и исследования
практически всех целей и задач горного производства, а также перспектив их развития в
освоении недр Земли.
Новые подходы к оценке состояния, проблем и перспектив развития горнодобы-
вающих отраслей промышленности России и стран СНГ [25], методологические аспекты
стратегии освоения минеральных ресурсов [26], геотехнологическая оценка минерально-
сырьевой базы России [27], проблемы комплексного освоения месторождений [28] яви-
лись дальнейшим развитием методологических основ в публикациях этого периода.
Современный этап развития горного дела характеризуется необходимостью со-
здания технологий и техники для вскрытия и отработки глубоких горизонтов, действую-
щих горных предприятий и освоения новых месторождений, в том числе в северных ре-
гионах страны. Основным направлением развития горных наук является применение
программно-целевых методов исследований на основе принципов системности, ком-
плексности, междисциплинарности и инновационной направленности [33 – 35]. При
этом основная тематика публикаций связана с обоснованием технологий комплексного
освоения месторождений [28]; с учетом особенностей формирования горнопромышлен-
ных комплексов Дальневосточного и Уральского регионов [29], новых подходов к обес-
печению устойчивого развития горного производства [30]; научным обоснованием и раз-
работкой новых методов эффективного и экологически безопасного освоения природ-
ных и техногенных месторождений Урала [31].

8. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
8С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
В число актуальных направлений дальнейших исследований проблем освоения
недр входит исследование переходных процессов и учет закономерностей их развития
при разработке инновационных технологий оценки, добычи и рудоподготовки минераль-
ного сырья.
Литература
1. Агошков М.И. Определение производительности рудника / М.И. Агошков. -
М.: Металлургиздат, 1948. - 272 с.
2. Шевяков Л.Д. Основы теории проектирования угольных шахт / Л. Д. Шевя-
ков. - М.-Л.: Углетехиздат, 1950. - 324 с.
3. Шешко Е.Ф. Вскрытие и системы открытой разработки месторождений по-
лезных ископаемых: автореф. дис. … докт. техн. наук / Е. Ф. Шешко; ИГД АН СССР. -
М., 1950. - 29 с.
4. Шешко Е. Ф. Основы теории вскрытия карьерных полей / Е.Ф. Шешко. - М.-
Л.: Углетехиздат, 1953. - 216 с.
5. Зурков П. Э. Основные вопросы открытой разработки железных руд сложного
состава: автореф. … докт. техн. наук / П. Э. Зурков; ИГД АН СССР. - М., 1958. - 43 с.
6. Попов С.И. Устойчивость бортов рудных карьеров: автореф. дис. … докт.
техн. наук / С.И. Попов; МГИ. - М., 1960. - 46 с.
7. Васильев М. В. Научные основы проектирования и эксплуатации автомобиль-
ного транспорта на открытых горных разработках / М.В. Васильев // Труды ИГД УФАН
СССР. – Вып.1. - Свердловск, 1962. – 332 с.
8. Мельников Н.В. Основы поточной технологии открытой разработки место-
рождений / Н.В. Мельников, К.Е. Виницкий, М.Г. Потапов. - М.: Изд - во АН СССР, 1962.
- 175 с.
9. Новожилов М.Г. Глубокие карьеры / М.Г. Новожилов, В.Г. Селянин,
А.Е. Троп. - М.: Госгортехиздат, 1962. - 276 с.
10. Васильев М.В. Применение методов линейного программирования и элек-
тронных вычислительных машин при исследовании и планировании работы карьерного
транспорта / М.В. Васильев, В.Л. Яковлев, Б.В. Яковенко // Труды ИГД Госметаллургко-
митета. – Вып. 9. – Свердловск, 1964. – С. 153 - 165.
11. Яковлев В.Л. Оптимальное планирование горнотранспортных работ Баже-
новских асбестовых карьеров с помощью ЭЦВМ / В.Л. Яковлев, Г.Ф. Корнилова // Про-
мышленность нерудных и неметаллорудных материалов / ЦНИИТЭстром. – 1965. –
Вып.5.
12. Проектирование, планирование и управление производством на карьерах по-
средством ЭВМ / ред. В.В. Ржевский. - М., 1966. - 238 с.
13. Хохряков В.С. Исследование этапов развития и экономичности открытых
горных работ в глубоких карьерах: автореф. дис. … докт. техн. наук / В. С. Хохряков;
МИРГЭМ. - М., 1968. - 32 с.
14. Научные основы проектирования карьеров / ред. В.В. Ржевский. - М.: Недра,
1971. - 598 с.
15. Мельников Н.В. Теория и практика открытых горных разработок / Н.В. Мель-
ников. – М.: Недра, 1973.
16. Мельников Н.Н. Метод выбора параметров драглайнов и технология их но-
вого применения на открытых разработках: автореф. дис. … докт. техн. наук / Н.Н. Мель-
ников; ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1974. - 38 с.
17. Яковлев В.Л. Теоретические основы выбора транспорта рудных карьеров:
дис. … докт. техн. наук / В.Л. Яковлев; ИГД МЧМ СССР. - Свердловск, 1978. - 421 с.
18. Арсентьев А.И. Законы формирования рабочей зоны карьера: учеб. пособ. /
А. И. Арсентьев; Ленинградский горный институт им. Г. В. Плеханова. - Л., 1986. - 52 с.

9. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
9С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
19. Бастан П. П. Теория и практика усреднения руд / П.П. Бастан, Е.И. Азбель,
Е.И. Ключкин. - М.: Недра, 1979. - 255 с.
20. Каплунов Д. Р. Особенности проектирования подземных рудников в системе
комплексного освоения месторождений / Д.Р. Каплунов, Б.В. Болотов. - М.: ИПКОН,
1988. - 178 с.
21. Комплексное освоение минерально-сырьевых ресурсов: сб. ст. / ред. К.Н.Тру-
бецкой. - М.: ИПКОН, 1989. - 207 с.
22. Яковлев В.Л. Теория и практика выбора транспорта глубоких карьеров /
В.Л. Яковлев. - Новосибирск: Наука СО, 1989. – 240 с.
23. Закономерности развития горного дела / С.А. Батугин, В.Л. Яковлев. –
Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1992. – 116 с.
24. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / К.Н. Трубецкой и др. –
М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. – 478 с.
25. Яковлев В.Л. Состояние, проблемы и перспективы развития горнодобываю-
щей промышленности России и стран СНГ / Проблемы геотехнологии и недроведения
(Мельниковские чтения): доклады междунар. конф., 6 - 10 июля 1998 г. – Екатеринбург:
УрО РАН, 1998. – Т. 4. – С. 3 - 36.
26. Яковлев В.Л. Методологические аспекты стратегии освоения минеральных
ресурсов / В.Л. Яковлев, А.В. Гальянов. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2001. - 152 с.
27. Геотехнологическая оценка минерально-сырьевой базы России / под ред. К.Н.
Трубецкого, В.А. Чантурия, Д.Р. Каплунова. – М., 2008. – 464 с.
28. Комплексное освоение месторождений / К.Н. Трубецкой и др.– М.: Наука,
2010. – 437 с.
29. Особенности формирования горнопромышленных комплексов Дальнево-
сточного и Уральского регионов / С.В. Корнилков и др. // Изв. вузов. Горный журнал. -
2012. - № 6. – С. 4 - 11.
30. Трубецкой К.Н. О новых подходах к обеспечению устойчивого развития гор-
ного производства // К.Н. Трубецкой, С.В. Корнилков, В.Л. Яковлев / Горный журнал. -
2012. - № 1. – С. 15 - 19.
31. Яковлев В. Л. Научное обоснование и разработка новых методов эффектив-
ного и экологически безопасного освоения природных и техногенных месторождений
Урала / В.Л. Яковлев, С. В. Корнилков и др. // Проблемы минерагении России / ред. Д.В.
Рундквист, Н.С. Бортников, Ю.Г. Сафонов; РАН Отд. наук о Земле. Гл. 2.2.3. - М.: Изд-
во ГЦ РАН, 2012. - C. 471 - 486.
32. Мельников Н.Н. Глубокие карьеры / Н.Н. Мельников // Сб. докл. Всероссий-
ской научно-техн. конф. с междунар. участием 18 - 22 июня 2012 г. – Апатиты; СПб,
2012. – С. 13 - 18.
33. Яковлев В.Л. Методологические особенности освоения недр на современном
этапе / В.Л. Яковлев, С.В. Корнилков // Вестник УрО РАН. - 2013. – С. 11 – 18.
34. Яковлев В.Л. Исторический опыт развития научных идей и методологических
подходов к обоснованию технологий, параметров горных работ / В.Л. Яковлев // Про-
блемы недропользования. - 2014. - № 3. - C. 15 - 26.
35. Корнилков С.В. Концептуальные вопросы изучения техногенных минераль-
ных объектов и прогноз их формирования и комплексного освоения / С.В. Корнилков,
В.А. Коротеев, В.Л. Яковлев // Фундаментальные исследования и прикладные разра-
ботки процессов переработки и утилизации техногенных образований. Техноген - 2014:
труды Конгресса с междунар. участием и элементами школы молодых ученых: сб. докл.
/ РАН, Правительство Свердловской обл., УГМК, ИМЕТ УрО РАН. - Екатеринбург:
Уральский рабочий, 2014. - C. 27 - 35.

10. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №1, 2015 г.
С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

11. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
11С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
УДК [ 622.271.332 : 624.131.537] : 519.86
Рахимов Зуфар Рафисович,
кандидат технических наук,
доцент кафедры,
Республиканское государственное предприятие
«Рудненский индустриальный институт»
111500, Республика Казахстан,
Костанайская область, г. Рудный,
ул. 50 лет Октября, 38
e-mail: rakhimov.zufar@mail.ru
Моисеев Виктор Александрович,
старший преподаватель,
Республиканское государственное предприятие
«Рудненский индустриальный институт»
e-mail: v-mo@mail.ru
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ
УСТОЙЧИВОСТИ НАГРУЖЕННОГО
ОТКОСА СЛАБЫХ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД
Rakhimov Zufar R.
candidate of technical sciences, (PhD),
assistant professor
Republican state enterprise
«The Rudnensky industrial institute».
111500, Kazakhstan republic, Kostanajsky area,
Rudny, October 50 years st., 38
e-mail: rakhimov.zufar@mail.ru
Moiseev Victor A.
the senior teacher,
the competitor for a scientific degree
of a candidate of technical sciences
the Republican state enterprise
«Rudnensky industrial institute»
e-mail: rakhimov.zufar@mail.ru
THE MATHEMATICAL MODEL OF ESTI-
MATION STABILITY OF A LOADED SLOPE
IN WEAK CLAY ROCKS
Аннотация:
В исследовании осуществлена разработка ма-
тематической модели упрощенного (инженер-
ного) способа оценки устойчивости карьерных
откосов, сложенных слабыми пластичными по-
родами. Приведен анализ влияния угла откоса
уступа и высоты уступа на его несущую способ-
ность
Ключевые слова: устойчивость, откос, несущая
способность
Abstract:
Mathematical model development of a simplified
(engineering) mode of estimation open pit slopes
stability composed of weak plastic rocks is per-
formed. The analysis of both bench slope angle
and bench height influence on its carrying capacity
is cited
Keywords: stability, a slope, carrying capacity
В связи с тем что метод конечных элементов до сих пор является в большей сте-
пени исследовательским инструментом анализа устойчивости откосов, возникает необ-
ходимость в разработке упрощенного способа для его повседневного использования гор-
ными инженерами на практике.
На рис. 1 представлен схематичный разрез деформированного участка уступа раз-
резной траншеи карьера № 6 Восточно-Аятского месторождения бокситов по линии А–
А, построенный по результатам маркшейдерской съемки. Оползень произошел в резуль-
тате того, что объем призмы активного давления оползневого тела возрос за счет пород
внешнего отвала, складированных в 45÷50 м от верхней бровки откоса, преодолел со-
противление призмы упора, и уступ сдвинулся в сторону выработанного пространства
на 12÷15 м.
На основе полученных представлений о деформационных процессах [1], проис-
ходящих в нагруженных откосах, сложенных пластичными слабыми глинистыми поро-
дами, а также опираясь на метод векторного сложения сил (метод многоугольника сил)
[2, 4], предлагается следующая расчетная схема для исследуемого случая (рис. 2). Де-
формирующийся объем нагруженного откоса разбивается для простоты на две взаимо-

Исследования выполнены в рамках грантового финансирования Министерства образования и науки
Республики Казахстан по теме 0360/ГФ3(2013 – 2015 гг.)

12. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
12С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
действующие друг с другом призмы: упора FECBD и активного давления ABC. Указан-
ная механическая система будет находиться в состоянии предельного равновесия, если
межблочные реакции, при изолированной оценке устойчивости каждой призмы будут
равны [2]. Межблочные реакции характеризуют воздействие тангенциальных составля-
ющих вертикальных нагрузок в зависимости от веса рассматриваемых блоков и являются
основными сдвигающими силами призмы активного давления [2, 4].
Рис. 1 – Оползень уступа разрезной траншеи:
1 – направление деформирования откоса; 2 – просадка пород отвала;
3 – зона деформирования откоса; 4 – перемятие пород на торцах зоны оползня;
5 – внешний отвал; 6, 7 – призма упора и активного давления, соответственно;
8 – слабый слой
На расчетные блоки схемы, представленной на рис. 2, действуют следующие
силы: ΔP, P1, P2 – вес пород внешнего отвала, призмы упора и активного давления, соот-
ветственно; соlо, cmaxl1, cоl2, cоl3 – силы сцепления вдоль участков скольжения lо, l1, l2 и l3,
соответственно. Действие сил приводит к появлению реакций опор: R1, R3 – противодей-
ствия массива оседанию призм упора и активного давления, соответственно; R2
’
, R2 –
межблочного взаимодействия.

13. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
13С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
В процессе деформирования откоса реакции опор R2, R2
’
и R3 отклонены от нор-
мали к поверхности скольжения на угол δ = φmax/2. Величины δ и cо определяются свой-
ствами пластичной горной породы на глубине H/2, исходя из предположения их линей-
ного изменения. Поскольку на глубине H порода переходит в идеально-пластическое со-
стояние, сцепление приобретает максимальное (cmax), а угол внутреннего трения – нуле-
вое значение. Разумнее разделить оползневое тело на три расчетных блока, рассмотрев
отдельно призму выпора FED, но в этом случае результирующая формула будет чрезвы-
чайно усложнена и мало пригодна для использования на практике. В связи с этим реак-
ция опоры R1 отклоняется от нормали не на угол φ (величина угла внутреннего трения),
а на угол ε = ε1 + ε2, где ε1 – геометрически эквивалентный угол наклона основания сег-
мента BDF, а ε2 – эквивалентный угол внутреннего трения основания того же сегмента.
Данный подход позволяет упростить расчетные формулы, при этом в значении ε учиты-
вается влияние изменения наклона поверхности скольжения (составляющая ε1) и изме-
нение угла внутреннего трения под бермой безопасности, где угол внутреннего трения
равен нулю, и под откосной частью, где угол внутреннего трения изменяется от нуля
(φmin) до максимального значения (φmax).
Рис. 2 – Расчетная схема нагруженного откоса,
сложенного пластичными глинистыми породами
для инженерного способа оценки его устойчивости
Эквивалентный угол наклона основания сегмента BDF (ε1) определяется из три-
гонометрических соотношений (рис. 3) [3].
Эквивалентный угол наклона сегмента BDF (ε1) может быть рассчитан, исходя из
несложных геометрических построений, при использовании следующих условий:
1) постоянство длины истинного (линии BDF) и эквивалентного (линия BJ) осно-
вания;
2) неизменность площади, лежащей под ломаной линией истинного BDF и экви-
валентного (BJ) сегментов.
Рис. 3 – Схема к определению эквивалентного угла наклона
основания призмы упора

14. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
14С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
Эквивалентный угол наклона сегмента BDF (ε1), учитывающий первое условие,
наилучшим способом подходит для удовлетворения критерия постоянства сил сцепле-
ния, действующих в основании призмы упора оползневого тела, а эквивалентный угол
наклона сегмента BDF (ε1), учитывающий второе условие, подходит для критерия по-
стоянства силы веса оползневого тела. Поскольку для удовлетворения критерия неиз-
менности сил сцепления вдоль основания призмы упора нет каких-либо препятствий, то
есть без труда можно использовать реальные их значения, зная и длины участков лома-
ной линии BDF, и углы их наклона, поэтому в предлагаемом решении используется эк-
вивалентный угол наклона (ε1), отвечающий критерию постоянства площади (объема)
призмы упора:
SLFD = S KJB . (1)
Площадь под истинным сегментом FDB определится как
 sincos2
o2
1
FDB lS  , (2)
где до = H cos α /sin θ
ω = θ – α.
По теореме синусов из треугольника MFD определяется длина его основания lX:
   sinsin
OllX


,
 


sin
sin
O

 llX .
Выразив через неизвестную x длину отрезка MK, рассчитываем площадь тре-
угольника KJB:
.ctg)(
2
1
)(
2
1
11KJB xxllhxllS XX  (3)
В соответствии с (1), приравняв выражения (2) и (3), получаем следующее равен-
ство:
,cossin
2
1
ctg)(
2
1 2
O1  lxlxlX 
сгруппировав которое относительно неизвестных, получаем квадратное уравнение
.0cossinctg)(ctg 2
O1
2
  lxllx X (4)
Данное квадратное уравнение имеет следующие корни решения:
   
.
ctg2
cossinctg4 2
O
2
11
2,1

lllll
x
XX 

Из двух корней x1 и x2 решению практической задачи удовлетворяет только одно:
   
,
ctg2
ωcosωsinctg4 2
O
2
11
1

lllll
x
XX 

так как второе (x2) приводит к существенно большей величине lX. В связи с этим искомое
значение эквивалентного угла внутреннего трения основания призмы упора
определяется из выражения:
.
)(
ctg
arctgε
1
1 







xll
x
X

(5)

15. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
15С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
Развернутое уравнение (5) является громоздким для упрощенного инженерного
способа. Предполагая, что длина отрезка KD (см. рис. 3) равна lо, и выполняя соответ
ствующие преобразования, тот же угол определяем по упрощенной формуле:
 
,2
1о
2
о
1
+
ωcosωsin
arctg=ε
ll
l
(6)
Эквивалентный угол внутреннего трения ε2, находя-
щийся в основании всего сегмента BDF, вычисляется из от-
ношения сил веса, приходящихся на участок FB, так как ве-
личины реакций опор пропорциональны весу. Значение ε2
рассчитывается из уравнения
,
cos
2
cos
sin
2
sin
tg
min
max
min
max
2
1O
1O







PP
PP



где Pℓo, Pℓ1 – вес призмы упора, приходящийся на участки ее
основания длиной ℓО и ℓ1, соответственно.
С учетом того, что для условий горной породы, пере-
ходящей в состояние пластического течения, минимальное
значение угла внутреннего трения равно нулю (φmin =0°),
предыдущее уравнение принимает более компактный вид:
.
2
cos
2
sin
tg
1O
O
max
max
2


PP
P





С достаточной для инженерного метода точностью, вследствие незначительной
величины угла φmax/2 (< 15о
), значение его косинуса заменяется единицей, а синуса –
самой величиной угла (в радианах). Тогда эквивалентный угол внутреннего трения опре-
деляется по формуле
,
4
cosγ
arctg=ε max
1
о
2 

P
Hl

(7)
где Р1 – вес призмы упора, который рассчитывается так:
На основе системы уравнения статического равновесия призмы упора
;ν=lcβRl+cl+с=RΔx
i=
i 0sinsinωcosεsin 2о21maxоо1
5
1
∑ 
(8)
,ν=l+cPβRlc=RΔy
i=
i 0coscosωsinεcos 2о12оо1
5
1
∑ 
вычисляется межблочная реакция R2:
   
βcosεctgβsin
εctgωsinεctgωcoscosεctgsin 1maxоо2о1
2
t
l+cl+сννlcP
=R

, (9)
Рис.4 – Схема
к определению
эквивалентного угла
внутреннего трения
НrlНP 3cosω5,0(γ 01  /8).8/ctg Н

16. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
16С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
где β = π/4 – φmax/4;
ν = π/4 + φmax/4;
cо = (cmax + cmin)/2;
l1 = r + H ( ctg ψ+1)/2;
l2 = 0,5 H/sin ψ + H/√2.
Используя систему уравнений статического равновесия призмы активного давле-
ния,
0;=νsin+νsinβsinβsin=Δ 32о3
'
2
6
1=
i lclcRRx
i
о∑ 
(10)
0,=Δνcos+νcos+cos+cos=Δ 23о2о3
'
2
6
1=
i PPlclcRRy
i
ββ∑
вычисляем межблочную реакцию R2
’
где l3 = l2;
P2 = γH2
(ctg ψ / 4 + 3 / 4).
Система из двух расчетных блоков находится в равновесии, если межблочные ре-
акции равны (сдвигающие нагрузки меньше удерживающих), то есть
R2 = R2
’
. (12)
Приравнивая выражения (9) и (11), вычисляем искомое значение предельной не-
сущей способности откоса по следующей формуле:
     V
lclclcP
P 


βcosεctgβsin
εctg+νcos+εctgνsinωsin+εctgωcos+β2cos
=Δ 1max2ооо1
, (13)
или предельное внешнее напряжение:
,
Δ
=
L
P
q (14)
где V = P2 – 2 cо l2 cos ν;
L=H (ctg ψ+1).
Превышение дополнительной нагрузки или внешнего напряжения приведет к
нарушению равенства R2 = R’2 и, как следствие этого, к деформационным процессам,
проявляющимся в виде оползней.
Расчет параметров открытых выработок, произведенный по предлагаемой мето-
дике, позволяет построить графики (рис. 5, 6). На основе графика (см. рис. 5) можно сде-
лать заключение, что угол откоса для рассматриваемых типов пород несущественно вли-
яет на несущую способность прибортового массива. Однако уменьшение высоты откоса
оказывает определяющее влияние на рост несущей способности верхнего уступа (см.
рис. 6).
Осуществляя оценку устойчивости уступа, сложенного слабыми глинистыми по-
родами, переходящими в пластическое и текучее состояние, нельзя упрощать решение
задачи созданием подступов. Такое решение для уступов, сложенных слабыми глини-
стыми породами, является по своей сути выполаживанием угла откоса, что по приведен-
ным расчетам является неэффективным.
,
β2cos
νcos2Δ+
= 2о2'
2
lcPP
R

(11)

17. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
17С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
1,2
1,6
q,
МПа
0,8
0,4
6020 40 80 r, м
а
б
в
г
Рис. 5 – Определение инженерным способом несущей способности откоса,
сложенного слабыми глинистыми породами при высоте откоса Н = 15 м:
а – угол откоса α= 15о
; б – угол откоса α=20о
; в – угол откоса α=25о
; г – угол откоса α=30о
Рис. 6 – Определение инженерным способом несущей способности откоса,
сложенного слабыми глинистыми породами при угле откоса α = 30о
:
а – высота уступа Н=5 м; б – высота уступа Н=10 м;
в – высота уступа Н=15 м; г – высота уступа Н=20м

18. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
18С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
Литература
1. Рахимов З.Р. Моделирование откосов методом физического подобия / З.Р. Ра-
химов, А.И. Барулин // Материалы 65-й науч.-техн. конф.: сб. докл. Т. 1. – Магнитогорск:
Изд-во ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. – С. 156 – 158.
2. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь / Г.М. Шахунянц. – М. Трансжелдо-
риздат, 1961. – 615 с.
3. Барулин А.И. Инженерный метод оценки несущей способности откоса пла-
стичных горных пород / А.И. Барулин, З.Р. Рахимов // Горный журнал Казахстана. –
2007. – № 3. – С. 15–19.
4. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах / Мин-
топэнерго РФ; РАН Гос. НИИ горн. геомех. и маркшейд. дела; Межотраслевой науч.
центр ВНИМИ. – СПб, 1998. – 208 с.

19. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
19С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
УДК 622.83
Харисов Тимур Фаритович
младший научный сотрудник,
Институт горного дела УрО РАН,
620075, г. Екатеринбург,
ул. Мамина-Сибиряка, 58
e-mail: Timur-ne@mail.ru
Замятин Алексей Леонидович
младший научный сотрудник,
Институт горного дела УрО РАН
e-mail: A.zamyatin@mail.ru
Ведерников Андрей Сергеевич
младший научный сотрудник,
Институт горного дела УрО РАН
e-mail: avedernikov@igduran.ru
ОСОБЕННОСТИ ЛИКВИДАЦИИ СТВОЛА
ШАХТЫ им. С.М. КИРОВА
ТУРЬИНСКОГО МЕДНОГО РУДНИКА
Kharisov Timur F.
junior researcher,
The Institute of mining UB RAS,
620075, Yekaterinburg,
Mamin-Sibiryak st., 58
e-mail: Timur-ne@mail.ru
Zamyatin Alexey L.
junior researcher,
The Institute of mining UB RAS
e-mail: A.zamyatin@mail.ru
Vedernikov Andrew S.
junior researcher,
The Institute of mining UB RAS
e-mail: avedernikov@igduran.ru
FEATURES OF ELIMINATION
THE SHAFT OF THE "S.M. KIROV"
MINE IN TURYINSKY COPPER MINE
Аннотация:
По результатам геофизических исследований,
выполненных на стволе шахты им. С.М. Кирова,
были определены глубина залегания пробки из
грунта и обломков крепи в нарушенном стволе
50 – 55 м, глубина залегания коренных пород 20
– 25 м. Исходя из полученных данных, согласно
РД 07-291-99 «Инструкция о порядке ведения
работ по ликвидации и консервации опасных
производственных объектов, связанных с поль-
зованием недрами», были разработаны реко-
мендации, обеспечивающие ликвидацию ствола
шахты с учетом его аварийного состояния.
Ключевые слова: ствол шахты, ликвидация,
нарушения крепи, деформация массива, геофи-
зические исследования
Abstract:
By the results of geophysical researches performed
on a shaft of the "S. M. Kirov" mine the plug soil
depth and support fragments were defined in the
broken shaft 50-55 m as well as bedrock depth of
20-25 m. Proceeding from the obtained data, ac-
cording to RD 07-291-99 "The instruction on the
order of conducting operations on elimination and
preservation hazardous production facilities con-
nected with use of natural resources" the recom-
mendations providing for elimination the mine
shaft with due regard for its critical state were de-
veloped.
Key words: mine shaft, elimination, support’s
faults, rock mass deformation, geo-physical re-
searches
Турьинский медный рудник был открыт приблизительно в конце 18-го века и
являлся основным поставщиком меди в России. В 1920 г. шахты рудника были законсер-
вированы (затоплены). В 1930 г. работа Турьинского рудника была восстановлена,
вследствие чего в 1980 г. проведена реконструкция стволов шахты им. С.М. Кирова, «Ка-
питальная» и «Никитинская».
Ствол шахты им. С.М. Кирова предназначен для выполнения вспомогательных
операций; в стволе также размещено лестничное отделение и трубопровод водоотлива,
по которому велась откачка воды со всего Турьинского медного рудника. Сечение пря-
моугольное, площадь сечения в свету Sсв=7,7 м2
, глубина ствола 425 м, где он сбит с
выработками ТМР лишь одним горизонтом 425 м на отметке –210 м [1]. Ствол закреплен

Исследования выполнены в рамках гранта РФФИ №14-05-00324

20. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
20С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
деревянной крепью, состояние которой на сегодня неизвестно. Данные о размере ворот-
ника ствола отсутствуют.
15 ноября 2011 г. в 23:00 произошел прорыв воды на отметке –20 м ствола шахты
им. С.М. Кирова с разрушением восточной части крепи и вывалом глинистого грунта в
ствол. С целью недопущения подобных происшествий была произведена перекрепка
нарушенного участка на протяжении 20 м. В июле 2012 г., в связи с продолжающейся
деформацией конструкций зданий и сооружений на промплощадке, был произведен де-
монтаж конструкций копра, надшахтного здания и части галереи ствола шахты. 7 апреля
2014 г. в стволе этой шахты произошел вывал горной массы, который заполнил приямок
зумпфового насоса и ствол почти до кровли рудного двора с образованием пробки.
Также произошло оседание земной поверхности вокруг ствола. В связи со сложившейся
аварийной ситуацией 07.04.2014 ООО «ВМК» был произведен демонтаж оставшихся
прилегающих построек с засыпкой образовавшегося провала и выравниванием
промплощадки ствола.
Ствол шахты им. С.М. Кирова находится в аварийном состоянии, и необходимо
ликвидировать его согласно правилам РД 07-291-99 «Инструкция о порядке ведения ра-
бот по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с
пользованием недрами», с возведением двух перекрытий из железобетона или металли-
ческих балок, одно из которых устанавливается на глубине залегания коренных пород,
но не менее 10 м от земной поверхности, а другое – на уровне земной поверхности [2].
Образовавшаяся пробка из грунта и обломков крепи не дает полностью засыпать
ствол шахты, вследствие чего для ликвидации разрушенного ствола необходимо произ-
вести научно-исследовательскую работу по определению глубины расположения
пробки, состояния вмещающих пород, чтобы оценить возможность ее устранения и вы-
полнения необходимых мероприятий по требуемой процедуре его ликвидации. Для ре-
шения поставленной задачи были произведены натурные геофизические исследования
горного массива вблизи ствола и непосредственно над образовавшейся пробкой [3].
Для зондирования горного массива около ствола использовался комплекс геофи-
зических методов: спектральная сейсморазведка (метод спектрального сейсмопрофили-
рования (ССП)) и георадарное зондирование (георадиолокация) [4]. Метод спектраль-
ной сейсморазведки основан на использовании зависимости между спектральным соста-
вом колебательного процесса, возникающего при ударном воздействии на обнаженную
поверхность горного массива, и структурным строением этого массива. Физические ос-
новы метода подробно описаны в размещенных на сайте его разработчика
(www.newgeophys.spb.ru). Метод спектрального сейсмопрофилирования хорошо рабо-
тает в комплексе с георадарным зондированием, основой которого является отражение
электромагнитной волны от границ между средами, имеющими различные электрофизи-
ческие свойства.
Комплексное геофизическое зондирование с использованием георадара ОКО-2 и
комплекса ССП было выполнено по двадцати двум профилям, образующим сетку вблизи
ствола и над ним. Расположение сетки профилей зондирования с интервалом между про-
филями 3 м показано на рис. 1.
На данных, полученных при спектральном сейсмопрофилировании и георадар-
ном зондировании, возможно структурировать массив от поверхности и до глубины 100
м [5]. В качестве образца проанализируем спектральное изображение сейсмосигналов
профиля № 16, проходящего непосредственно по поверхности пробки, над стволом
шахты (рис. 2). Исходя из величины добротности гармонических составляющих сейсмо-
сигнала на интервале глубины от 0 до 20 – 25 м можно утверждать, что граница залега-
ния коренных пород находится на глубине 20 – 25 м от поверхности (выделена фиоле-
товым цветом на рис. 2).

21. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
21С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
Рис. 1 – Схема расположения профилей зондирования промплощадки
ствола шахты им. С.М. Кирова
Зоны с наименьшей добротностью сейсмосигнала обозначены зеленым цветом,
это области деструкторизованного массива, повышенная нарушенность которого обу-
словлена проводившимися ранее на Турьинском медном руднике горными работами.
По спектральному изображению сейсмосигнала на профиле № 16 между 4-м и 8-
м метрами по горизонтальной оси и на глубине 50 – 55 м прослеживается скачок доб-
ротности сейсмосигнала, что свидетельствует о резкой смене величины сцепления
между породами и наличии границы в массиве пород с разной степенью структурной
нарушенности, поэтому можно утверждать, что верхняя граница пробки находится на
отметке 50 – 55 м от поверхности. Второй скачок данного сейсмосигнала наблюдается
на глубине 77 – 87 м, обозначая нижнюю границу пробки в стволе.
Для устранения образовавшейся в стволе пробки необходимо провести вскрыш-
ные работы с поверхности и до глубины 87 м. Поскольку обрушенная в ствол порода
разрушила крепь, расстрелы, лестничный ходок и коммуникации, велика вероятность
того, что на глубине более 100 м могла образоваться еще одна пробка. Также высока
вероятность того, что при засыпке ствола образуется новая пробка из-за высокой захлам-
ленности ствола. Отсюда следует, что полную засыпку ствола шахты им. С.М. Кирова
произвести крайне проблематично.
Сложившаяся ситуация делает невозможным процесс ликвидации ствола по всем
правилам инструкции РД 07-291-99, поэтому были разработаны дополнительные орга-
низационно-технические мероприятия, обеспечивающие безопасную ликвидацию нару-
шенного ствола с учетом его состояния на данный момент. Предполагается, в связи с
невозможностью вскрытия ствола, соорудить два прочных железобетонных перекрытия
без засыпки ствола до земной поверхности. (На рис. 3 представлен ствол шахты в аксо-
нометрии со схемой деформаций массива на глубинах 20, 30, 40, 50 и 60 м изображенных
изолиниями.) Первое перекрытие, увеличенное по контуру ствола не менее чем на 1 м

22. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
22С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
(3200×5700 мм), обустроить на глубине залегания коренных пород, т. е. около 20 м от
поверхности. Второе перекрытие заглубить за зону промерзания (около 2 м от поверх-
ности), чтобы обеспечить его долговечность. Размеры второго (верхнего) перекрытия
определяются исходя из угла воронкообразования, который составляет 85˚. Следова-
тельно, размеры второго перекрытия должны составлять 3600×6100 мм [2].
Рис. 2 – Профиль спектрального сейсмопрофилирования профиля № 16

23. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
23С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
Рис. 3 – Схема ликвидации ствола шахты им. С.М. Кирова в аксонометрии

24. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
24С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
Толщину перекрытий надо рассчитать исходя из принятых материалов (металли-
ческие балки, бетон, арматура и т. д.) и их характеристик. Нагрузку определить исходя
из веса налегающих пород, на первой – между перекрытиями, на второй – из веса пород
до поверхности. После возведения перекрытий и засыпки их сверху грунтом вокруг
устья ствола следует установить ограждение высотой не менее 2,5 м.
Таким образом, разработанные рекомендации к инструкции о порядке ведения ра-
бот по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с
пользованием недрами, позволяют обеспечить безопасную ликвидацию ствола шахты
им. С.М. Кирова с учетом его аварийного состояния.
Согласно анализу результатов выполненных исследований, можно сделать вывод,
что используя современные геофизические методы зондирования горного массива, поз-
воляет разработать оптимальный вариант ликвидации аварийного или действующего
ствола исходя из конкретной горно-геологической и горно-технологической ситуации.
Литература
1. Надеин А.Г. Турьинский медный рудник / А.Г. Надеин // Материалы научно-
практической конференции, посвященной 150-летию Евграфа Степановича Федорова. –
Краснотурьинск, 2004. - С. 24 - 25.
2. Инструкция о порядке ведения работ по ликвидации и консервации производ-
ственных объектов, связанных с пользованием недрами (РД 07-291-99) [Электронный
ресурс] – Режим доступа: http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ /7/7996/
3. Боликов В.Е. Усовершенствованная технологическая схема проходки сопря-
жений ствола с горизонтом в массивах со сложными горно-геологическими условиями /
В.Е. Боликов, И.Л. Озорнин, Т.Ф. Харисов // Проектирование, строительство и эксплуа-
тация комплексов подземных сооружений: материалы международной научно-практи-
ческой конференции, г. Екатеринбург, 14 - 16 октября 2009 г. – Екатеринбург: УГГУ,
2009. – С. 35 - 40.
4. Замятин А.Л. Исследование геодинамической активности геофизическими
методами / А.Л. Замятин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2012.
- № 6. – С. 312 – 315.
5. Ведерников А.С. Уточнение безопасного расположения автомобильной раз-
вязки с помощью геофизических исследований / А.С. Ведерников, Л.В. Григорьев //
Геомеханика в горном деле: материалы международной научно-практической конфе-
ренции, г. Екатеринбург, 12 - 14 октября 2011 г. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2011.
– С. 35 - 40.

25. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА

26. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
26С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
УДК 622.43
Зайцев Артем Вячеславович,
кандидат технических наук,
научный сотрудник,
Горный институт УрО РАН
614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78 а
e-mail: aerolog.artem@gmail.com
Клюкин Юрий Андреевич,
инженер,
Горный институт УрО РАН
e-mail: aero_yuri@mail.ru
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕШЕНИЯ В
СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
РУДНИЧНОГО ВОЗДУХА
Zaitzev Artem V.
candidate of technical sciences, researcher,
the Mining Institute, UB RAS
614007, Perm, Sibirskaya str., 78 a
e-mail: aerolog.artem@gmail.com
Klyukin Yuri A.
engineer,
The Mining Institute, UB RAS
e-mail: aero_yuri@mail.ru
RESOURCE-SAVING SOLUTIONS IN MINE
AIR-CONDITIONING SYSTEMS
Аннотация:
В статье представлены результаты разра-
ботки технических решений, обеспечивающих
разработку ресурсосберегающих систем конди-
ционирования рудничного воздуха: использова-
ние высокоэффективных теплообменных аппа-
ратов в подземных установках кондициониро-
вания, распределенной подачи охлажденного
воздуха и разработку систем кондиционирова-
ния на основе критерия оптимальности.
Ключевые слова: глубокие рудники, горные вы-
работки, тепловой режим, теплообмен, мате-
матическое моделирование, источники тепло-
выделения, кондиционирование воздуха, микро-
климат, воздухораспределение
Abstract:
The article presents the results of working out tech-
nical solutions providing the development of a
mine’s resource-saving air-conditioning systems.
The solutions include using high-efficient heat ex-
changers in underground conditioning units, dis-
tributed supply of cooling air and air-conditioning
systems development based on the criterion of opti-
mality.
Key words: deep mines, mine workings, thermal
condition, heat transfer, mathematical modeling,
sources of heat release, air conditioning, microcli-
mate, air distribution.
В настоящее время запасов неглубоко залегающих и легкодоступных полезных
ископаемых остается все меньше. В то же время спрос на них на мировых рынках неиз-
менно растет. Поэтому для поддержания и увеличения мощности добычи горные пред-
приятия вынуждены вовлекать в отработку все более труднодоступные и глубокозале-
гающие залежи с одновременным повышением интенсивности ведения горных работ.
С увеличением глубины происходит увеличение температуры окружающего породного
массива, усиливается влияние техногенных источников тепловыделения на формирова-
ние неблагоприятных микроклиматических условий. Примерами, когда уже остро стоит
вопрос снижения температуры воздуха в рабочих зонах, являются шахта «Скалистая» и
рудник «Таймырский» ОАО «ГМК «Норильский никель», где в ходе проведения темпе-
ратурных съемок были выявлены зоны с температурой воздуха, значительно превышаю-
щей 26С, максимально разрешенной правилами безопасности [1].
Отдел аэрологии и теплофизики Горного института УрО РАН разрабатывает ком-
плексные решения регулирования и нормализации микроклиматических условий шахт и
рудников. Основой комплексного решения является сочетание горнотехнических и теп-
лотехнических мероприятий в зависимости от специфики горного предприятия (глубины
залегания рудных тел, технологии добычи полезного ископаемого, использования мощ-
ных двигателей внутреннего сгорания, твердеющей закладки и т. д.). Горнотехнические

Исследования выполнены в рамках гранта РФФИ №13-05-96013

27. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
27С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
мероприятия включают в себя непосредственно вентиляцию горных выработок, приме-
нение специальных тепломассообменных и теплоаккумулирующих выработок и камер,
особых теплозащитных покрытий и крепей. Теплотехнические мероприятия предусмат-
ривают использование систем кондиционирования воздуха. Поскольку любые системы
нормализации микроклиматических условий характеризуются значительными капиталь-
ными и эксплуатационными затратами, в современных условиях рыночной экономики
остро стоит вопрос обеспечения ресурсосбережения при разработке систем кондициони-
рования рудничного воздуха.
Для обеспечения ресурсосбережения предложены следующие технические реше-
ния:
– построение комплексных систем кондиционирования воздуха, оптимально
сочетающих горнотехнические и теплотехнические мероприятия регулирования тепло-
вого режима на основе критерия энергоэффективности;
 применение современных автоматизированных систем кондиционирования
воздуха с высокоэффективными теплообменными аппаратами;
 использование способа распределенной подачи охлажденного воздуха, обес-
печивающего минимальные тепловые потери при взаимодействии с источниками теп-
ловыделения в горных выработках.
Разработанный критерий эффективности, используемый при построении подзем-
ных систем кондиционирования воздуха, таков [2]:
min81,9 3
 ERQTcQ ,
где ρ – плотность воздуха, кг/м3
;
c – удельная изохорическая теплоемкость воздуха, Дж/(кг·о
С);
R – аэродинамическое сопротивление выработки, кмюрг;
Q – расход воздуха по выработке, м3
/с;
ΔT – разница температур между началом и концом выработки, °С;
E – холодопроизводительность систем охлаждения воздуха, кВт.
Суммирование в приведенном выражении производится по всем горным выработ-
кам рудника. Первое слагаемое учитывает тепловые потери вследствие взаимодействия
рудничного воздуха с источниками тепловыделения, второе – аэродинамические затраты
на движение воздуха по горным выработкам, третье – эксплуатационные затраты на ра-
боту технических средств системы кондиционирования воздуха. Непосредственно по-
строение системы кондиционирования осуществляется на базе метода вариантов, для
сравнения эффективности используется представленный критерий. В результате для ин-
дивидуальных условий шахты или рудника разрабатывается оптимальное решение, от-
личающееся эффективностью и минимальным объемом затрат на реализацию.
На эффективность работы технических компонентов систем кондиционирования
воздуха (СКВ), особенно в условиях подземных горных выработок шахт и рудников,
влияет множество факторов. В частности, эффективность кондиционирования воздуха
зависит от фактической схемы вскрытия, подготовки и технологии ведения горных ра-
бот, применяемых горных машин, интервала температурно-влажностных условий в под-
земных горных выработках, возможности размещения технических средств СКВ, хими-
ческого и аэрозольного состава рудничной атмосферы, особенностей вентиляции и т. д.
В настоящее время сотрудниками отдела аэрологии и теплофизики Горного ин-
ститута УрО РАН совместно с научно-производственным объединением ООО «НПО
«АэроСфера» разработан кондиционер шахтный раздельный (КШР), который предна-
значен для использования в автоматизированных системах регулирования температуры
воздуха в шахтах, рудниках и иных подземных сооружениях, в том числе опасных по
взрыву газов и пыли [3].

28. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
28С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
КШР представляет собой автономный шахтный кондиционер с возможностью са-
мостоятельной установки входящих агрегатов (раздельный кондиционер). Одним из ос-
новных узлов кондиционера, от которого зависит эффективность работы всех составля-
ющих агрегатов, является установка охлаждения воздуха с высокоэффективным тепло-
обменником, обеспечивающим высокий отбор холода от холодоносителя к рудничному
воздуху.
Геометрическая конструкция охлаждающих элементов кондиционера КШР отли-
чается от конструкции нагревательных элементов калориферов формой. Теплообмен-
ники калориферов представляют собой змеевики, расположенные в плоскости поперек
движения воздуха, а теплообменники кондиционера – объемные спирали (рис. 1), рас-
положенные рядом поперек движения воздуха и наполовину вложенные друг в друга по
ходу движения воздуха.
Рис. 1 – Воздухоохладитель кондиционера КШР
Особенности кондиционера, обеспечивающие его эксплуатационную эффектив-
ность, таковы:
 конструкция агрегатов позволяет применять неполный комплект агрегатов и их
различные комбинации;
 в конструкции воздухоохладителей и охладителей воды не применяются мед-
ные или алюминиевые сплавы, что в атмосфере, содержащей серу или ее соединения,
повышает надежность. Применены нержавеющие стали;
 применены гофрированные стальные трубы для змеевиков малого радиуса
навивки, что обеспечивает высокие показатели при высокой запыленности и загазован-
ности. Указанные конструкции легко поддаются очистке при необходимости. Блочная
конструкция секций воздухо- и водоохладителей обеспечивает высокую ремонтопригод-
ность и замену секции в условиях подземных выработок;

29. ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2015 г.
29С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е
 конструкция воздухоохладителей обладает пониженным аэродинамическим со-
противлением, что обеспечивает подачу охлажденного воздуха на расстояние до 800 –
1000 м. Это позволяет подавать воздух в протяженные выработки без многократных пе-
рестановок агрегатов и размещения агрегатов вблизи от места работ;
 конструкция воздухоохладителя позволяет дополнительно увлажнять подава-
емый воздух и использовать агрегат для снижения содержания пыли и ускоренной вен-
тиляции выработок после буровзрывных работ;
 воздухоохладители могут работать как на фреоне, так и на воде с температурой
от 0 до +5о
.
Следующим этапом обеспечения ресурсосбережения является максимальное ис-
пользование потенциала системы кондиционирования воздуха за счет снижения холодо-
потерь при движении воздуха от мест его охлаждения до подземных рабочих зон и уве-
личения зоны нормализации микроклиматических параметров. Для этого предложено
использование принципа распределенной подачи охлажденного воздуха с целью обеспе-
чения минимального температурного напора между рудничным воздухом и породным
массивом.
Рис. 2 – Зависимость интенсивности подачи воздуха
в шахтную атмосферу от координаты
Для определения технических параметров распределенной подачи воздуха ре-
шена задача определения математической зависимости требуемого количества воздуха
dQ от координаты по длине выработки dx (рис. 2). Для этого подача охлажденного воз-
духа в шахтную атмосферу принимается в рамках данной модели непрерывной по всей
длине исследуемого участка. В результате решения поставленной задачи получены сле-
дующие зависимости [4, 5].
Температура воздуха в выработке Т:
где Q0 – количество воздуха в шахтной атмосфере на начальном участке, кг/с;
Qfr – количество воздуха, поступающего в галерею по воздуховоду, кг/с;
L – длина воздуховода, м;
Tw – температура стенки выработки, о
С;
α – коэффициент теплообмена, Вт/м2
· о
С;
ρ – плотность воздуха, кг/м3
;
cv – удельная изохорическая теплоемкость воздуха, Дж/(кг·о
С);
,
1log2
1log2
0
0



















Q
Q
RvcL
Q
Q
vRTcLT
T
fr
v
fr
frvw