ОЦЕНКА ПОТЕРЬ И РАЗУБОЖИВАНИЯ РУДЫ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КЛАССИЧЕСКИХ И СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ

АННОТАЦИЯ

Потери и разубоживание руды при подземной добыче существенно влияют на экономическую эффективность и экологическую устойчивость горнодобывающих предприятий. В статье проводится сравнительный анализ классических методов (геометрический, объемный, марочный, картометрический) и современных подходов, основанных на цифровых технологиях (3D-моделирование, геоинформационные системы, лазерное сканирование, системы слежения, геостатистика). Выявлены преимущества современных методов в точности, оперативности и автоматизации. На основе анализа предложен интегрированный подход, сочетающий картометрический метод с цифровыми инструментами, для минимизации потерь и разубоживания.

ABSTRACT

The loss and dilution of ore during underground mining significantly affects the economic efficiency and environmental sustainability of mining enterprises. The article provides a comparative analysis of classical methods (geometric, volumetric, vintage, cartometric) and modern approaches based on digital technologies (3D modeling, geoinformation systems, laser scanning, tracking systems, geostatistics). The advantages of modern methods in accuracy, efficiency and automation are revealed. Based on the analysis, an integrated approach is proposed that combines the cartometric method with digital tools to minimize losses and dilution.

Ключевые слова: подземная добыча, потери руды, разубоживание, цифровые технологии, 3D-моделирование, точность, внедрение, инвестиции, персонал.

Keywords: underground mining, ore loss, dilution, digital technologies, 3D modeling, accuracy, implementation, investments, personnel.

Введение. Подземная добыча полезных ископаемых сопряжена с потерями руды и разубоживанием, которые существенно снижают экономическую эффективность и экологическую устойчивость горных предприятий. Потери руды определяются как объем или масса полезного ископаемого, оставшегося в выработанном пространстве, и выражаются в процентах от балансовых запасов. Разубоживание характеризуется включением пустой породы в добытую руду, что снижает содержание полезного компонента и увеличивает затраты на переработку [1, 2].

Практика показывает, что экономические последствия данного вопроса -  значительны: по оценкам, потери руды в подземных рудниках могут составлять 10–30%, а разубоживание - 5–20%, что приводит к ежегодным убыткам в миллиарды долларов для горнодобывающей отрасли [3]. С экологического точки зрения, разубоживание увеличивает объем отходов в регионах добычи, способствуя загрязнению окружающей среды. В сложных горно-геологических условиях (неровные рудные тела, тектонические нарушения) традиционные методы оценки дают погрешности до 15–20%, что затрудняет оптимизацию добычных работ [4].

Классические методы, разработанные в XX веке, основаны на эмпирических и геометрических подходах, но не учитывают динамику процессов, таких как перемешивание руды с породой или разуплотнение массивов горных пород. Развитие цифровых технологий, включая 3D-моделирование, геоинформационные системы (ГИС), лазерное сканирование и геостатистику, позволяет повысить точность до 95% и более [5–7]. Однако их внедрение требует значительных инвестиций и квалифицированного персонала, что ограничивает их применение на горных предприятиях.

Цель и задачи исследования

Цель исследования - провести сравнительный анализ классических и современных методов оценки потерь и разубоживания руды с акцентом на их применимость, точность и экономическую эффективность.

Задачи исследования охарактеризовать классические методы и выявить их ограничения. Описать современные цифровые подходы и их преимущества. Провести сравнительный анализ с использованием количественных показателей и предложить пути решения проблемы путем интеграции методов.

Классические методы.

1. Геометрический метод: Основан на расчётах потерь и разубоживания с учётом геометрии очистного пространства и формы рудного тела. Применим для регулярных залежей, но не учитывает разуплотнение и перемешивание руды с пустой породой.

Формула для коэффициента потерь (L, %):

L=)×100

где — общий объем рудного тела, — извлеченный объем.

Разубоживание (D, %):

D=()×100 D

где — объем пустой породы в добытой массе.

Метод применим для регулярных залежей (например, пластовых месторождений), но не учитывает разуплотнение или перемешивание, что приводит к погрешности 10–15% в сложных геологических условиях [1, 3].

2. Объёмный метод: Сравнивает проектные и фактические объемы извлеченной руды на основе замеров выработок. Требует данных о плотности руды (ρ) и пород.

Формула для фактического объема:

=()

где — масса добытой руды

3. Марочный метод:

Анализирует содержание полезного компонента в исходной и добытой руде. Разубоживание рассчитывается как:

D=)×100

Эффективен при регулярном пробоотборе, но зависит от качества аналитики (погрешность 2–5%).

4. Картометрический метод: использует горные чертежи для оценки неотработанных участков и потерь. Наиболее точен среди классических методов (погрешность 5–10%), особенно при интеграции с цифровыми инструментами. Классические методы упрощают реальные условия, недостаточно учитывают перемешивание руды и породы, а также требуют значительных корректировок на основе фактических данных.

Современные методы используют цифровые технологии для повышения точности и автоматизации:

1. 3D-моделирование - программные продукты (Micromine, Surpac, Datamine) создают точные модели рудных тел на основе геологических, геофизических и марочных данных, позволяя прогнозировать потери и разубоживание;

Пример расчета потерь:

L=∫_V(1−f(x,y,z)) dV

где f(x,y,z) - функция извлечения руды в точке пространства. Точность достигает 95% и выше [5, 6].

2. Геоинформационные системы (ГИС) - обеспечивают пространственный анализ взаимосвязей между параметрами горных работ и потерями, автоматизируя наложение планов и карт;

3. Лазерное сканирование и фотограмметрия - используют оборудование (Leica, Trimble) и ПО (Agisoft, Context Capture) для создания высокоточных 3D-моделей забоев, что позволяет сравнивать фактические и проектные объёмы выемки;

ΔV=V_scan−V_{project, ​}

точность достигает 1–2 см [7].

4. Системы цифрового слежения - RFID-метки, GPS и автоматическое взвешивание отслеживают движение руды, обеспечивая данные в реальном времени;

5. Геостатистические методы применяются для интерполяции содержания полезного компонента и анализа пространственной структуры рудных тел, повышая точность прогнозов.

γ(h)=²

где γ(h)— вариограмма, Z(x_i) - значение содержания в точке x_i

Метод повышает точность прогнозов на 20–30% [8].

Сравнительный анализ классического и современных методов. Классические методы просты в применении и не требуют сложного оборудования, но их точность ограничена из-за упрощённых допущений. Современные методы, несмотря на высокую стоимость внедрения, обеспечивают точность, оперативность и возможность интеграции данных.

Например, картометрический метод в комбинации с ГИС и 3D-моделированием значительно превосходит традиционные подходы по точности (таблица 1).

Таблица 1.

Сравнение классических и современных методов

Анализ графика: Классические методы (геометрический, картометрический) показывают снижение точности при увеличении сложности геологии, тогда как современные методы (3D-моделирование, лазерное сканирование) сохраняют высокую точность (94–98%) даже в сложных условиях.

Преимущества и недостатки: Классические методы просты и дешевы, но их точность ограничена (погрешность 10–20%). Современные методы требуют инвестиций, но обеспечивают точность, оперативность и интеграцию данных. Интеграция картометрического метода с ГИС и 3D-моделированием снижает потери на 15–25% [9].

Пути решения:

1. Необходимо интегрировать комбинирование картометрического метода с 3D-моделированием и ГИС для точного учета геометрии и содержания.
2. Автоматизировать разработку систем реального времени на базе IT для мониторинга потерь и разубоживания руд.
3. Периодическое обучение персонала путем повышения квалификации работников для работы с современными цифровыми инструментами.
4. Принятия модульных решений для использования облачных платформ по снижению затрат на внедрение.

Выводы:

1. Классические методы оценки потерь и разубоживания подходят для предварительных расчетов, но их ограничения (погрешность, упрощенные допущения) требуют перехода к цифровым технологиям.

2. Современные методы, такие как 3D-моделирование, ГИС, лазерное сканирование и геостатистика, обеспечивают высокую точность (95–98%) и минимизируют человеческий фактор.

3. Наиболее эффективен интегрированный подход, сочетающий картометрический метод с цифровыми инструментами.

4. Дальнейшие исследования должны быть направлены на разработку автоматизированных систем реального времени и оптимизацию затрат на внедрение.

Список литературы:

1. Bieniawski Z. T. Engineering Rock Mass Classifications. - New York: Wiley, 1989. - 251 p.
2. SME Mining Engineering Handbook / ed. P. Darling. - 3rd ed. Englewood: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, 2011. - 1976 p.
3. Hustrulid W., Bullock R. L. Underground Mining Methods: Engineering Fundamentals and International Case Studies. - Littleton: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, 2001. - 718 p.
4. Villaescusa E. Geotechnical Design for Sublevel Open Stoping. - Boca Raton: CRC Press, 2014. - 541 p.
5. Zhang Y., Mitri H. S. Application of 3D geological modeling in underground mining // International Journal of Mining Science and Technology. - 2016. - Vol. 26, No. 5. - P. 857-862.
6. Micromine. Geological Modelling and Mine Planning Software [Электронный ресурс]. - 2023.
7. Agisoft. Photogrammetric Processing Software [Электронный ресурс]. — 2023. https://www.agisoft.com
8. Ebrahimi A. Ore Dilution and Ore Recovery in Underground Mining // Mining Engineering. - 2019. - Vol. 71, No. 10.- P. 45–52.
9. Pakalnis R. Empirical Methods for Dilution Estimation in Underground Mines // CIM Journal. - 2020. - Vol. 11, No. 2. - р. 112 -120.
10. Rossi M. E., Deutsch C. V. Mineral Resource Estimation. - Springer, 2014. - 332 p.