CC BY
53
УДК 061.6:622 Н.Н. Мельников
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ КОЛЬ СКОГО НА УЧНОГО ЦЕНТРА РАН: 50 ЛЕТ ПО ПУТИ СТАНОВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ
Рассказано о деятельности Горного института Кольского научного центра Российской академии наук с момента создания и до наших дней, его вкладе в развитие горнодобывающей промышленности Северо-Запада России.
Ключевые слова: горная наука, геотехнология, геомеханика, обогащение, экология, комплексное освоение недр, инновационные разработки, проектная документация, технический регламент.
рорный институт Кольского научного центра Российской
Я- академии наук (ГоИ КНЦ РАН) - единственное академическое учреждение горного профиля Северо-Запада России - был образован, согласно постановлению президиума АН СССР № 923 от 14 октября 1960 г., в составе Кольского филиала (КФ) АН СССР на базе лабораторий горного дела, обогащения, группы легких металлов Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья, лаборатории строительных материалов и Отдела энергетики Президиума КФ АН. Создание подобного института в системе учреждений КФ АН СССР было вызвано интенсивным развитием горнодобывающей отрасли промышленности Кольского полуострова в послевоенные годы и потребностью в организации исследований по вопросам добычи и переработки рудного сырья. Становление научных направлений института исторически было связано с деятельностью и поддержкой выдающихся российских ученых и организаторов отечественной науки - академиков Н.В. Мельникова, А.В. Сидоренко и члена-корреспондента АН СССР И.Н. Плаксина.
За годы работы институт много раз менял свое название: Горно-металлургический институт Кольского филиала АН СССР (1960-1972 гг.); Горный институт Кольского филиала АН СССР (1973-1988 гг.); Горный институт Кольского научного центра АН СССР (1988-1991 гг.); Горный институт Кольского научного центра РАН (1991-2007 гг.); Учреждение Российской академии наук Горный институт Кольского научного центра РАН (с 2007 г.).
Изначально в состав Горно-металлургического института (ГМИ КФ АН СССР) входили девять лабораторий: подземной разработки рудных месторождений (заведующий - Н.А. Воронков); вентиляции и борьбы с пылью (С.П. Алехичев); разрушения горных пород (И.А. Турчанинов); обогащения (А.Г. Ефремов); флотационных реагентов (Н.А. Алейников); металлургии (В.Т. Мусиен-ко); искусственного камня (Д.Д. Теннер); энергетики (А.П. Панин); химико-аналитическая лаборатория (С.И. Смирнова (Рыбина)).
Численность сотрудников ГМИ КФ АН СССР в то время составляла 125 человек. Формирование первоначальной струк-туры и штата ГМИ КФ АН СССР связано с именами М.Д. Фугзана и Н.А. Воронкова; последний стоял у истоков организации основных направлений деятельности института и в первый год его существования исполнял обязанности директора.
С 1962 по 1980 гг. ГМИ КФ АН СССР возглавлял член-корреспондент АН СССР И.А.Турчанинов. В этот период ежегодно выполнялось не менее 25 научно-исследова-тельских работ, связанных с решением широкого круга вопросов горного дела, обогащения полезных ископаемых и энергетики. С 1980 г. директором института является академик Н.Н. Мельников.
На протяжении всех 50 лет своей деятельности институт играл важную роль в становлении и развитии всех добывающих предприятий советской, а потом и российской части европейского Севера, а рекомендации его ученых использовались такими крупнейшими горнодобывающими предприятиями Мурманской области, как комбинаты «Апатит» и «Печенганикель», Ковдорский и Лово-зерский ГОКи.
Сегодня в составе ГоИ КНЦ РАН действуют 11 научных подразделений, в том числе восемь горных, три обогатительные лаборатории, а также инженерный центр (рис. 1). Штат сотрудников насчитывает 199 человек, в том числе 15 докторов и 26 кандидатов наук.
В число основных научных направлений института входит:
совершенствование технологии добычи с целью повышения эффективности и безопасности разработки месторождений полезных ископаемых;
Рис. 1. Структура Горного института КНЦ РАН
Проблем освоения и рационального использования подземного пространства £ 40
Г ео экотехнологий * К) о
Теории комплексного освоения и сохранения недр % ы ►о
Технологических процессов при добыче полезных ископаемых '
Системного моделирования горного производства * « 1
Геомеханики % ы 0\
Геодинамики освоения нефтегазовых месторождений £ ►о
Теории и технологии подземного строительства
н
Флотационных реагентов и обогащения комплексных руд & 1 ю
Руд оп од готовки и обогащения руд цветных и редких металлов * и*
Новых технологических процессов и аппаратов *]
Инженерный центр о н
^ 1 Г ^ Г ^ Г 1 Технологическим 1
МіІНфаЛО- Химико- Конструк- сектор (опытно-
гнческий аналитичес- торский промышленная \£> 04
СЄКТО|) кий сектор сектор обогатительная
установка
н
в
>
л
и
0
1
М
нн
7Г
П
ні
И
Й
О
и
н
И
ні
бгн
П
Я
м
нн
И
а
о
й
ч
й
и
н
и
В
ні
нн
Й
ЧІ ■ № §1 йЗ
й И
г
а
І ч
8, м Н( ¡г*
Ч Н
О
ч
а
о
ч
и
«
н
О
ч
изучение свойств и напряженного состояния массивов горных пород для обеспечения геодинамической безопасности при ведении горных работ, а также добычи и транспортирования углеводородного сырья;
изучение физико-технических и инженерно-геологических проблем возведения подземных сооружений и рационального использования подземного пространства страны, в том числе для объектов ядерной энергетики и подземного захоронения радиоактивных отходов;
создание экологически безопасных и эффективных методов комплексной переработки минерального сырья;
разработка научных основ решения экологических, физикотехнических проблем промышленных технологий горного производства.
За 30-летний период (1980-2010 гг.) защищены 20 докторских и 50 кандидатских диссертаций; государственными премиями и премиями Правительства отмечены 16 сотрудников, десять награждены орденами, пять отмечены почетными званиями «Заслуженный деятель науки и техники РФ», «Заслуженный изобретатель», «Заслуженный строитель», «Заслуженный химик».
Институт занимает передовые позиции в ряде приоритетных фундаментальных направлений горных наук, таких, как разработка рудных месторождений в сложных горно-геоло-гических условиях, применение современных информационных и компьютерных технологий в горном деле, геомеханическое обоснование и обеспечение безопасности ведения горных работ, создание автоматизированной системы контроля геодинамического режима и регистрации техногенных землетрясений и горных ударов, комплексная переработка минерального сырья, создание новых взрывчатых веществ, технологии подземного строительства специальных объектов государственного назначения, использование подземного пространства для экологически безопасного обращения с ядерными материалами (в том числе долгосрочного захоронения радиоактивных отходов), восстановление техногенно-нарушенных объектов природной среды, разработка техногенных месторождений.
По этим направлениям на основе фундаментальных и прикладных исследований в последние годы на многих горнодобывающих предприятиях внедрены крупные инновационные разработки. Так, ГоИ КНЦ РАН, являясь совместно с руководством Северо-
Западной фосфорной компании (ЗАО «СЗФК») инициатором идеи начала разработки месторождения Олений Ручей в Хибинах, принял участие в исследованиях для осуществления этого крупного инновационного проекта Группы компаний «Акрон». Создание собственной сырьевой базы фосфатного сырья и увеличение выпуска фосфорных минеральных удобрений стало приоритетным направлением деятельности компании. ЗАО «СЗФК» получило право на разработку проекта строительства горно-обогатительного комбината на апатит-нефелиновом месторождении Олений Ручей.
Согласно проекту строительства (генеральный проектировщик
- институт Гипроруда), запасы руд в объеме 385,5 млн т будут отработаны открытым и подземным способами при годовой производительности по руде 6 млн т и выпуском апатитового концентрата
- 2 млн т/год, нефелинового - 1,7 млн т/год. По мере развития комбината планируется осуществлять комплексную переработку сырья с выпуском сфенового, эгиринового и титаномагнетитового концентратов. В рамках I очереди строительства предприятия предусматривается: освоение капитальных вложений в размере 670 млн долл. США (на полное развитие потребуется около 1 млрд долл.), создание сначала тысячи, а затем - 2,5 тыс. новых рабочих мест в Мурманской области. Ввод в эксплуатацию I очереди комбината запланирован на 2013 г. Кроме того, специалистами ГоИ КНЦ РАН были выполнены работы по изучению физико-механи-ческих свойств руд и вмещающих пород, геомеханике, горным технологиям, обогатимости руд; разработаны все технологические регламенты для проектирования карьера, подземного рудника, обогатительной фабрики нового комбината. Ученые ГоИ КНЦ РАН принимали участие в составлении экологической части проекта - разделов «Охрана окружающей среды» и «Оценка воздействия на окружающую среду»; осуществляют научное сопровождение рабочего проектирования и строительства новых производственных объектов, используя при этом новейшие достижения компьютерного моделирования процессов, проектирования технологий и объектов по разработанным институтом программам в формате 3D.
При работе над данным проектом институтом предложен следующий ряд новых научных решений.
На основе данных, полученных в результате геологоразведочных работ, с использованием разработанной институтом программы MINE FRAME для определения формы, объемов, качества руды
и эксплуатационных запасов создана объемная геологическая модель.
Применение нового метода «вложения контуров» для открытых горных работ дало возможность увеличить глубину отработки и обеспечить 15%-ный прирост запасов.
По данным геологического строения массива, гидрогеологии, сейсмического воздействия взрывных работ выполнено геомехани-ческое обоснование и предложены решения для отработки месторождения в условиях крутых бортов карьера, что значительно сокращает объемы пустых пород, капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Разработана система постоянного мониторинга крутых конечных бортов с использованием глубинных скважин с сейсмодатчиками, лазерной нивелировки, компьютерной обработки данных в режиме реального времени. Этот подход, являющийся наиболее передовым в открытых горных работах, реализован на Ковдорском ГОКе, где отстроен борт высотой около 120 м (вертикальные сдвоенные уступы и предохранительные бермы), оборудованный системой мониторинга.
При проектировании подземных горных работ из-за сложности и неоднородности рудных тел были предложены четыре варианта систем разработки, что в известной степени оптимизирует потери и разубоживание извлекаемой руды.
Одним из основных вопросов обеспечения безопасности ведения работ и эффективной отработки является учет напряженно-деформированного состояния массива для избежания горных ударов, обрушений и техногенных землетрясений. На основании исследований были выполнены технологические расчеты для определения оптимальных параметров систем разработки и технических мероприятий по «разгрузке» массива и обеспечения безопасности и разработана система геомеханического мониторинга.
Для планирования и управления производством созданы автоматизированные места геолога, маркшейдера, технолога-проектировщика.
Для обогащения добываемых руд разработана прогрессивная технология обогащения апатит-нефелиновых руд на основе применения современных инновационных разработок в области разделения минерального сырья сложного состава, что гарантирует выпуск апатитового концентрата высокого качества с содержанием Р2О5 39,1%, нефелинового концентрата с содержанием А12О3 28,5%. В
2018 г. планируется ввод в эксплуатацию специального цеха, в котором будет осуществляться полная комплексная переработка руды.
По охране окружающей среды составлены технологические решения по восстановлению техногеннонарушенных объектов природной среды, основанные на управлении регенерационным потенциалом экосистем (в том числе создание биогеобарьера при складировании отходов обогащения). Создана установка для очистки сточных вод от многокомпонентных загрязнений методом флотации в активированной водной дисперсии воздуха с применением сорбента на основе вермикулита. Строительство данного горно-обогатительного комбината в Хибинах уже началось.
Помимо вышеизложенного, целый ряд крупных работ института реализован на промышленных предприятиях и принят проектными институтами.
Так, разработан и передан ОАО «Апатит» технологический регламент «Разработка схемы вскрытия, подготовки и технологии подземной отработки запасов нижнего яруса Ньоркпахкского месторождения. Разработана методика обоснования предельных параметров карьерных бортов, сформированных уступами с вертикальными откосами, на основе которой подготовлены регламенты на корректировку проектов отработки Ньоркпахкского карьера Восточного рудника и карьера Центрального рудника ОАО «Апатит». Для отбойки руды средней крепости в системе разработки с подэтажным обрушением и торцовым выпуском руды в качестве взрывчатого вещества внедрены гранулиты 5МП, приготовленные из мелкогранулированной пористой селитры в сочетании с порошками алюминия крупностью 150-300 мкм и обладающие значительно большими детонационными характеристиками и работоспособностью по сравнению с применяемым гранулитом-5МПГ на основе смеси селитр. Это позволило достичь значительного повышения эффективности скважинной отбойки и полноты извлечения горной массы. Обоснован переход на применение цикличнопоточной технологии в карьерах ОАО «Олкон» и ОАО «Ковдор-ский ГОК».
На предприятиях ОАО «Апатит», ОАО «Оренбургские минералы», ОАО «Сосновгео», ООО «Атакайцемент», ЗАО «Вижайский Каменный Карьер», ФГУП «Государственный трест «Артикуголь» и ОАО «ППГХО» внедрена горная автоматизированная система MГNEFRAME (рис. 2). Разработан универсальный программный
комплекс для автоматизированного проектирования и организации вентиляции рудников (применяется на подземных рудниках ОАО «Апатит») и прогноза состояния атмосферы карьеров при различных метеоситуациях. С помощью данного комплекса можно рассчитывать варианты вентиляционных систем, проводить выбор их оптимальных параметров и выполнять оценку безопасности воздушной среды в выработках, производить расчет схем естественной аэрации и параметров загрязнения атмосферы карьера в зависимости от орографии их расположения, текущих метеорологических и организационно-технических условий. Комплекс уже применялся при разработке различных регламентов, в частности, по нормализации воздушной среды при отработке карьеров месторождения алмазов им. М. В. Ломоносова и В. Гриба (Архангельская обл.), апатитового месторождения Олений Ручей (Хибины) и отработки глубоких горизонтов карьера «Железный» Ковдорского ГОКа. Совместно с ОАО «Апатит» создан и оснащен современной аппаратурой подземный полигон федерального значения для проведения испытаний промышленных ВВ, а также разработан комплексный метод оценки энергетических характеристик и относительной взрывной эффективности современных промышленных ВВ, основанный на изучении в едином экспериментальном цикле их детонационных и газовых характеристик, оценки степени высвобождения потенциальной энергии в зоне реакции детонационной волны и передачи энергии взрыва в массив горных пород для обоснования области их рационального применения, что обеспечивает качественно новый уровень испытаний и аттестации современных взрывчатых материалов на безопасность, эффективность и экологичность. Создана система сейсмоакустического мониторинга устойчивости бортов карьеров Ковдорского ГОКа, позволяющая в режиме реального времени прогнозировать местоположение опасных плоскостей сдвига и оценивать геодинамический риск.
Разработана и внедрена в промышленное производство технология обогащения тонкозернистого фосфорсодержащего сырья, обеспечивающая возможность дополнительного производства до 570 тыс. т апатитового концентрата в год с содержанием Р2О5 38% из Ковдор-ского техногенного месторождения.
На основе разработанной (с учетом минералого-техноло-гических особенностей) технологии подготовки поверхности апатита с использованием помимо жирнокислотного собирателя и смеси оксиэтилированных моноалкилфенолов - М-246 и Неонола 9-10 в качестве диспергатора тонких частиц апатита сульфит-спиртовой барды (ССБ-смесь кальциевых солей лигносульфоновых кислот) в ОАО «Ковдорский ГОК» введен в эксплуатацию производственный корпус, в котором организована переработка тонкозернистого материала техногенного месторождения. Применение этой технологии при переработке всего тонкозернистого материала техногенного месторождения позволит получить такое количество апатитового концентрата, которое можно произвести при переработке 43 млн т руды.
На основе изучения закономерностей процесса селективной флокуляции тонкодисперсных фосфорсодержащих минералов предложен высокоэффективный способ флотации руд, характеризующихся повышенным содержанием шламов, включающий использование анионного флокулянта-сополимера акриламида и акриловой кислоты. Новая технология прошла стадию опытнопромышленных испытаний и вошла в технологический регламент для проектирования комплекса по обогащению апатит-штаффелитовой руды Ковдорского месторождения.
Разработана, испытана и внедрена технология извлечения нефелина из хвостов апатитовой флотации с использованием собирателей, подаваемых в процесс флотации в виде активированной водной дисперсии воздуха. Ежегодный экономический эффект от внедрения только за счет сокращения расхода данного типа реагентов составляет 13 млн руб.
Разработана эффективная флотационная технология обогащения малосульфидных руд месторождения Федорова Тундра, содержащих платиноиды. Технология опробована в опытнопромышленных условиях. Получен коллективный сульфидный концентрат, содержащий 7% Си, 5% №, 66 г/т суммы Р1, Pd и Аи
при их извлечении 83,9; 55,3 и 81,6% соответственно. Технология передана для подготовки ТЭО.
Созданы научные основы выбора площадок, проектирования, строительства и безопасной эксплуатации хранилищ, могильников радиоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) при их подземном размещении в геологических формациях кристаллических скальных пород и на земной поверхности. Результаты исследований использованы при строительстве Пункта долговременного хранения реакторных отсеков утилизируемых атомных подводных лодок и Центра кондиционирования и долговременного хранения радиоактивных отходов в Сайда-Губе.
Разработана технология восстановления техногеннонарушен-ных земель без нанесения плодородного слоя, заключающаяся в создании полимерного покрытия после посева трав, которое обеспечивает стабильно высокую продуктивность травостоя и воспроизводство сеяного фитоценоза за счет подавления ветровой и водной эрозии и улучшения экологического состояния корнеобитаемого слоя. Данная технология уже применяется на горнодобывающих предприятиях Кольского полуострова, газоконденсатных месторождениях Ямала. Кроме того, она использовалась для ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.
Для сохранения техногенных месторождений в соответствии с принципом самоорганизации природных систем разработана технология создания биогеобарьера, который обеспечивает сохранение складированного минерального сырья, повышение устойчивости гидротехнических сооружений, снижение техногенной нагрузки на природную среду. Технология внедрена на предприятиях Кольского горнопромышленного комплекса.
Разработан способ очистки сточных вод от нефтепродуктов и других примесей, основанный на синергетическом эффекте при концентрировании загрязнений в многофазной системе. Увеличение сорбционной поверхности на границе раздела фаз достигается использованием минерального сорбента Версойл тонкодисперсных фракций, как в качестве сорбента, так и в качестве стабилизатора дисперсного состава газовой фазы при подготовке активированных водных дисперсий воздуха для извлечения загрязняющих примесей методом флотации.
Фото 1. Здание Горного института КНЦ РАН, г. Апатиты
Фото 2. Панорама Центрального рудника ОАО «Апатит»
Техническая документация на установку по очистке сточных вод от многокомпонентных примесей передана ОАО «Ковдорский ГОК» для изготовления и последующего монтажа в схеме водопод-готовки оборотных и промышленных вод.
Фото 3. Комплекс ЦПТ на руднике Железный ОАО «Ковдорский ГОК»
Фото 4. Опытно-промышленная установка
В институте ведется постоянная работа по патентованию разработок, поддерживается 15 патентов РФ на изобретения. С целью выбора и обоснования безопасных систем отработки месторождений создан Кольский геодинамический полигон, на котором возможно проводить исследования долговременного поведения геологической среды при осуществлении крупномасштабных горных работ.
Институт имеет хорошую экспериментальную базу, одной из важнейших составляющих которой является уникальная опытнопромышленная обогатительная установка производительностью до 1 т/ч. На установке проводились исследования на обогатимость апатит-нефелиновых, медно-никелевых, кианитовых, хромовых, титансодержащих, редкоземельных и других руд, а также нерудных полезных ископаемых, в частности слюд и пегматитов месторождений Мурманской области и других регионов страны. Установка оснащена различным обогатительным оборудованием (в том числе и разработанным в институте) и способна единовременно перерабатывать пробы руды массой до 200 т.
Институт поддерживает тесные связи со многими научными и учебными учреждениями России, а также международными организациями Норвегии, Швеции, Финляндии, Бельгии, Франции, Германии, Великобритании, США, Канады, Китая, Японии и др.
В институте работает Совет по защите докторских и кандидатских диссертаций по специальностям: «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»; «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)». Институт является инициатором и организатором создания базовых кафедр «Горное дело» (Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета) и «Горное дело и обогащение» (Кольский филиал Петрозаводского государственного университета).
Сегодня ученые ГоИ КНЦ РАН продолжают активно работать над решением вопросов комплексного освоения недр, в том числе актуальных проблем, связанных с совершенствованием техники и технологии горно-обогатительного производства, вопросов обеспечения безопасности страны по стратегическим видам минерального сырья, экологических проблем горного производства, задач подземного строительства, проблем, связанных с безопасностью при обращении с ОЯТ и радиоактивными отходами. ЕШ
— Коротко об авторе --------------------------------------------
Мельников Н.Н. - академик РАН, директор, ГоИ КНЦ РАН,
rybin@goi .kolasc. net. га
