Переработка минерального сырья для производства концентратов является, пожалуй, единственной отраслью, эффективность технологий которой определяется качеством разрушения руд (селективностью раскрытия). Несмотря на то, что основные концепции рациональной рудоподготовки изложены еще несколько десятков лет назад [4], проблемы избыточного энерго- и водопотребления в отрасли не решены до сих пор. В технологиях рудоподготовки наиболее распространенным остается подход, основанный на сокращении размеров разрушаемого куска (измельчение) для раскрытия минералов. Избыточное энергопотребление, характерное для этих процессов, обусловлено несоответствием энергии нагружающих устройств силовым и энергетическим характеристикам разрушаемого сырья, низким коэффициентом трансформации энергии привода в работу разрушения, низкой интенсивностью нагружения и избыточной вновь образованной поверхностью. В большинстве устройств для измельчения спектр силовых воздействий не согласован с прочностью сырья и динамикой его изменения: усилие, необходимое для разрушения кусков, при уменьшении их размера снижается, а спектр сил в мельнице практически не меняется [5]. С упорством достойным лучшего применения использование барабанных мельниц для раскрытия минералов любых типов руд продолжается, несмотря на очевидные различия базовых характеристик, определяющих разрушение и раскрытие. Например, в золотосодержащей руде раскрываемые минералы имеют существенные различия: золото – мягкий и пластичный минерал (практически с «бесконечной» трещиностойкостью), кварц – твердый и хрупкий (низкая трещиностойкость). В лопаритовой руде различия раскрываемых минералов не столь велики: лопарит – твердый, но хрупкий (низкая трещиностойкость); нефелин – твердый, но более пластичный, чем лопарит; плагиоклаз – твердый и хрупкий (трещиностойкость несколько выше, чем у лопарита). Очевидно, что кинетику раскрытия при разрушении руд определяет различие прочностных характеристик, взаимоотношение раскрываемых минералов, зернистость агрегатов и поликристаллов, гранулометрический состав. Между тем, у барабанных мельниц нет не только систем регулирования показателей раскрытия, но отсутствуют параметры управления, позволяющие учитывать меняющиеся свойств руд.

Факторы. Определение факторов (структурных, силовых, энергетических и т.п.), оказывающих наибольшее влияние на разные переделы рудоподготовки, является ключевой задачей управления процессами раскрытия. Связь параметров разрушения с величиной работы по преодолению сил взаимодействия атомов в кристаллической решетке позволяет рассматривать фрагментацию минерального сырья как реакцию твердого тела на воздействие нагружающих систем и оценивать ее энергетическими и силовыми характеристиками. Энергетические факторы можно соотнести как с нагружающим устройством, так и с разрушаемым телом – энергия разрушения фрагментов разной крупности (удельная энергия); коэффициент трансформации энергии нагружающих устройств в работу разрушения. Силовые факторы включают параметры, характеризующие реакцию материала на разрушающие воздействия, например, предельная величина сопротивления деформированию оценивается усилием, которое способно вызвать разрушение.

Взаимоотношение энергетических и силовых факторов удобнее рассмотреть на примере работы устройств для разрушения руд. В мельнице самоизмельчения отчетливо видна разная роль энергетических и силовых факторов, определяющих процессы преобразования кинетической энергии кусков руды в работу упругих и разрушающих деформаций дробимого (и дробящего) материала. Основной особенностью разрушения в этих устройствах является несопоставимое различие кинетической энергии падающих кусков руды и энергии физически достаточной для их разрушения. Энергия падающих кусков руды, способных совершать работу фрагментации, составляет порядка 1÷2000 Дж (в зависимости от массы и высоты падения), в то время работа разрушения измельчаемых фракций оценивается на уровне 0,1÷20 Дж. Казалось бы, при таком избытке запасенной энергии все фрагменты должны быть разрушены, однако появление недробимого класса свидетельствует об обратном. Дело в том, что контактирующая поверхность при соударении дробящих кусков размером -300+100 мм (обладающих максимальной кинетической энергией) в несколько раз больше, чем у шарового мелющего тела. Указанное обстоятельство приводит к двум эффектам: энергия падающего фрагмента распределяется между несколькими кусками измельчаемой руды, снижая вероятность концентрации избыточной энергии на одном куске. Второй фактор – снижение величины разрушающего усилия, вследствие увеличения длительности ударного импульса при торможении падающего куска слоем материала или пульпой. Величина критической деформации в разрушаемом куске определяется ударным импульсом (который зависит от длительности соударения), а большая вариация спектра силовых факторов заложена в самом устройстве и в свойствах измельчаемого сырья. Задача снижения содержания недробимых фракций решается добавлением металлических шаров, кинетическая энергия которых порядка 50÷200Дж, сосредоточенная на малой поверхности контакта, обеспечивает разрушение прочных кусков.

Свободный удар, в результате которого кинетическая энергия кусков руды преобразуется в работу деформирования при столкновении с препятствием, объединяет разрушение в мельнице самоизмельчения и центробежной дробилке: в дробилках типа «Barmac VSI-В» разрушение происходит в результате столкновения ускоренного потока материала со свободно падающей рудой. В центробежных дробилках, реализующих режим «свободного удара», объекты разрушения (куски руды), разогнанные ротором, сами становятся «рабочим органом». Характерным для этих устройств является многократное превышение кинетической энергии куска величины энергии, физически достаточной для его разрушения. Эффективность таких устройств обеспечивается высокой интенсивностью разрушения за счет многократных соударений частиц, обладающих избыточной энергией и множеством степеней свободы движения. Диапазон энергий частиц определяется гранулометрическим составом материала и массой фрагментов, сходящих с разгонного ротора. Так, для фракций размером 10÷60 мм при скорости ротора 70 м/с кинетическая энергия разгоняемых кусков руды составляет порядка 7÷1500 Дж, что значительно выше энергии, необходимой для их разрушения. Однако избыток кинетической энергии не гарантирует разрушение, а указывает лишь на потенциал совершения работы по деформированию частиц. При одинаковой запасенной кинетической энергии средняя сила удара может меняться в десятки раз в зависимости от длительности соударения. Случайный характер столкновения предопределяет широкую вариацию длительности удара, поскольку вероятность попадания в зону контакта минералов с разными упругими свойствами практически равна единице. Разрушение определяется силовыми характеристиками, зависящими от деформационных свойств тел контактирующих в зоне соударения, где в локальной области формируются микрообъемы смятия минералов. Движение этих областей создает расклинивающий эффект (растягивающие усилия) способный разрушить кусок, если он обладает энергией для продолжения начавшегося разрушения. При этом рост трещин возможен за счет энергии упругой деформаций, запасенной в образце перед разрушением, и за счет сил инерции при торможении куска. Величина ударного импульса может меняться в разы и десятки раз (в зависимости от упругих свойств частиц). Оценка средней силы удара и расчетной прочности (усилие разрушения) фракций руды размером 10÷60 мм при скорости 70м/c подтверждает сказанное. Для хрупких горных пород характерная длительность ударного импульса составляет порядка 0,001 секунды, тогда расчетная сила удара указанных фракций находится в диапазоне 0,2÷45 кН, при экспериментальной оценке усилия разрушения порядка 0,5÷20 кН. В реальных условиях длительность удара может быть намного выше, например, из-за меняющегося состояния поверхности футеровки статора. Тогда величина ударной силы может оказаться недостаточной для разрушения, например, фракций менее 5 мм, несмотря на кинетическую энергию, значительно превышающую энергию разрушения. Заранее рассчитать силу ударного импульса, вызывающего локальное разрушение в зоне контакта руды с преградой, практически невозможно из-за неопределенности целого ряда факторов. Одним из них является состояние поверхности отбойных плит или демпфирующего слоя футеровки статора, при этом решающее значение имеет структурная неоднородность и характеристики объекта разрушения. Каждый раз удар приходится на меняющуюся структуру слоя, свойства которого формируются разрушенными частицами разной крупности и различного состава, оседающими на поверхности статора или отбойника. В общем случае грансостав продуктов разрушения определяется энергетическим фактором, связанным с жестким или мягким типом нагружения [5]. В центробежной дробилке представлен смешанный тип деформирования. Зарождение разрушения происходит в режиме мягкого нагружения, при котором локальное разрушение в зоне контакта поддерживается запасенной энергий разрушаемого тела, и развивается в виде магистральной трещины (или нескольких трещин). Число фрагментов, на которые распадется тело при хрупком разрушении, определяется способностью магистральной трещины ветвиться и стимулировать рост зародышевых трещин. После первичного разрушения избыточная энергия куска передается «дочерним» частицам, которые «уносят» с собой избыток энергии (принцип жесткого нагружения). Вероятность вторичного разрушения «дочерних» частиц зависит от работы, затраченной на незавершенные трещины и образование новой поверхности, т.е. от величины оставшейся энергии.

Низкая способность прогнозирования результатов разрушения в этих устройствах обусловлена случайным столкновением объектов разрушения, спонтанным перемещением частиц в зоне турбулентности, создаваемой потоками частиц движущихся с различными скоростями. В этой связи априори ожидать увеличения вероятности раскрытия по поверхности срастания минералов в условиях сложного взаимодействия разрушающих и разрушаемых частиц вряд ли возможно в силу множества случайных факторов. В рассматриваемой дробилке следует ожидать низкую эффективность раскрытия фракций менее 5 мм, поскольку величина ударного импульса может не достигать значения, необходимого для разрушения частиц указанного размера. Увеличение ударного импульса за счет роста (в несколько раз) линейной скорости ротора приведет к усложнению конструкции и снижению надежности устройства. Казалось бы, избыток кинетической энергии разрушаемой частицы должен вызвать ее множественное разрушение. На практике этого не происходит, поскольку через локальную область контакта невозможно «закачать» всю кинетическую энергию в объем разрушаемого объекта, несмотря на то, что начальный этап разрушения происходит в режиме условно мягкого нагружения (неконтролируемой деформации). Неопределенность, которую сложно моделировать в указанных процессах, связана с разлетом и повторным разрушением дочерних частиц при избытке запасенной энергии фрагмента. Невозможность управления силой, вызывающей разрушение в зоне удара о преграду, снижает адаптацию устройства к изменению свойств сырья. Опираться на модельные представления традиционных теорий удара можно лишь в редких случаях, сопровождаемых целым набором ограничительных условий для их практического применения.

Принципиально иной характер деформирования реализуется в устройствах типа роллер-пресс (HPGR) и в конусной инерционной дробилке (КИД), у которых заключительная фаза разрушения и раскрытия происходит в слое частиц. Первая стадия разрушения в этих устройствах происходит в верхних зонах захвата единичных кусков валками или конусами. Минимальные энергозатраты на начальном этапе сокращения размеров крупных кусков обусловлены локальными деформациями и разрушением преимущественно по элементам структурного разупрочнения (микротрещины, спайность и т.п.). Последующее разрушение материала происходит в слое, формирующемся из продуктов первичного разрушения, и полностью зависит от свойств исходного материала и динамики его разрушения. Вариация результатов и неопределенность процесса разрушения в рассматриваемых устройствах связана с тем, что среда, призванная формировать сложнонапряженное состояние во фрагментах с различными упругими и прочностными свойствами, создается неоднородным материалом. Характер разрушения в заключительной фазе деформирования слоя определяется взаимодействием между частицами неопределенного размера и состава. Отследить в этих процессах влияние энергетических и силовых факторов довольно сложно, поскольку задача определения деформаций в системе, состоящей из множества частиц с меняющимися свойствами компонентов, не поддается аналитическому решению. Изменение грансостава среды, передающей нагрузку посредством своеобразных «нагружающих элементов», является наибольшей проблемой формирования адекватной модели разрушения в слое. Изучение деформационных и силовых взаимодействий в слое частиц, состоящих из минералов с разными физико-механическими характеристиками, возможно пока лишь на качественном уровне, либо на моделях слабо отражающих реальность взаимодействия. Деформирование слоя сопровождается значительным энергопотреблением на преодоление трения между частицами и их прессование, даже без их разрушения, которые при этом сложно соотнести с величиной вновь образованной поверхности. При анализе работы роллер-пресса и КИД часто игнорируется принципиальное отличие, определяющее грансостав и качество конечного продукта – это режим деформирования. В роллер-прессе разрушение единичных кусков и нагружение слоя проходят в жестком режиме (при заданной деформации). В конусной инерционной дробилке благодаря режиму мягкого и циклического деформирования слоев могут быть созданы предпосылки для селективного разрушения определённого типа материалов с соответствующим контрастом упругих и прочностных свойств минералов (см. пример далее).

 Фрагментация и раскрытие. Результат разрушения на каждой стадии рудоподготовки (от взрывной отбойки до раскрытия минералов) зависит от разных характеристик минерального сырья. В этом отношении физически неверно отождествлять измельчение и раскрытие при разрушении руд в силу принципиального отличия целей и методов их достижения. Цель измельчения – максимальный выход заданных классов крупности, достигаемый многократным сокращением размера исходного продукта при неизбежном увеличении вновь образованной поверхности. Цель селективного разрушения – раскрыть извлекаемые минералы в естественной крупности и при минимальной вновь образованной поверхности. Указанные обстоятельства заставляют рассматривать технологии сокращения крупности и заключительную стадию раскрытия минералов как разные процессы рудоподготовки. Специфика обусловлена различием подходов к разрушению и их зависимостью от целей, размеров и свойств объекта. Достаточно сравнить энергозатраты на разных стадиях рудоподготовки. Затраты энергии на получение фракций размером порядка 5мм составляют менее 0,1 кВтч/т. Расчетное энергопотребление при селективном разрушении, когда вновь образованная поверхность мало отличается от поверхности срастания минералов, составляет порядка 1÷3 кВтч/т. Барабанные мельницы потребляют порядка 30÷40 кВтч/т (в зависимости от типа руды). Одноосное деформирование руд в барабанных мельницах, как правило, приводит к транскристаллитному разрушению зерен, а раскрытие осуществляется за счет переизмельчения минералов. Поскольку при обычном измельчении вновь образованная поверхность гораздо (в десятки раз) больше поверхности срастания, то за счет сокращения объема разрушаемого материала можно в разы снизить энергопотребление при селективном разрушении. Условия раскрытия минералов сложно определить априори, поскольку существующие теории разрушения многокомпонентных материалов не позволяют рассчитать деформации в минеральных комплексах и на границе их срастания в величинах, пригодных для практического применения. В этой связи основой для выбора оборудования и технологий рудоподготовки могут служить эмпирические модели, описывающие связь структурных параметров, характеристик руд и раскрываемых минералов с параметрами нагружения и показателями раскрытия.

В классическом понимании разрушение происходит только при деформациях растяжения или сдвига. Создать внешними механическими нагрузками напрямую указанные деформации на границе срастания минералов в раскрываемом фрагменте практически невозможно. В «чистом виде» деформацию растяжения или сдвига в куске неправильной формы можно реализовать лишь в специальных лабораторных условиях. Очевидно, что для массовых процессов рудоподготовки подобные способы непригодны, поэтому на практике разрушение происходит, как правило, в результате трансформации внешних деформаций сжатия во внутренние деформации растяжения, сдвига или их комбинации. В общем случае используется не так уж много способов сокращения куска руды и раскрытия минералов, основная их часть связана либо с локальным, либо объемным деформированием. Результаты разрушения в этих случаях зависят от условий воздействия: свободное или стесненное деформирование, мягкое или жесткое нагружение, динамическое или квазистатическое нагружение. Фрагментация частиц неправильной формы начинается с локальных разрушений, вызванных превышением критических значений прочностных характеристик отдельных минералов в зоне контакта. Локальное деформирование куска в зоне контакта с нагружающим устройством (или преградой при столкновении) создает очаги перенапряжения и формирует из разрушенных микрообъемов области, создающие расклинивающий эффект. Кратность сокращения линейного размера горных пород при локальном деформировании и случайном разрушении составляет порядка 3 (критерий М.А.Садовского). При объемном деформировании образуется множество продуктов разрушения с большей поверхностью и соответственно с более высокими затратами энергии. Характерное отличие разрушения при локальном и объемном деформировании состоит в числе образующихся фрагментов (вновь образованной поверхности) и величине затраченной энергии. Объемное деформирование для разрушения большеразмерных фрагментов (например, более 30÷50 мм) сложно для практического применения, поскольку требует мощности, которой не обладают известные устройства для раскрытия руд, а в ряде случаев оно может оказаться энергетически не выгодным. Более перспективным представляется создание объемного неравномерно-напряженного состояния в структурных элементах раскрытия, чем в крупных кусках руды.

Основная сложность прогнозирования раскрытия минералов при разрушении руд – постоянно меняющаяся структура и неопределенность деформации фрагментов неправильной формы. Горные породы по определению являются неоднородными, более того параметры неоднородности с трудом воспроизводятся, даже в пределах одного структурного уровня [6]. Существенной проблемой поиска оптимальных условий раскрытия являются неопределенность прочностных характеристик и высокая вариация параметров структуры в области контакта. Указанные обстоятельства приводят к тому, что условия деформации, инициирующие разрушение куска руды, каждый раз разные и не воспроизводимы. Практически невозможно воспроизвести параметры микроструктуры, трещины и напряжения на элементах структурной неоднородности (границы срастаний, включения в другом минерале и т.п.), которые определяют характер последующего разрушения. Управлять процессами раскрытия на разных стадиях рудоподготовки без информации о прочностных характеристиках (математическое ожидание, дисперсия и т.п.) не представляется реальным. Составной частью параметров управления являются данные о спектре усилий (деформаций), действующих в разрушаемом устройстве на объекты фрагментации. Попытки построить модели раскрытия на некоторых теориях, обличенных порой в сложные математические образы, зачастую малопродуктивны в силу их не соответствия реальной картине взаимодействия объекта с нагружающим устройством. Например, при анализе разрушения горных пород часто ссылаются на модель Гриффитса, не учитывая ограничения, которые лежат в ее основе, включая ее базовый постулат о том, что весь поток упругой энергии, запасенной телом, идет на рост имеющейся трещины и на образование новой поверхности. Для объектов, обладающих сложной структурой, с разными упругими и прочностными свойствами компонентов, с зарождающимися трещинами, подобный постулат не применим по определению. Кроме того, модель не учитывает диссипацию энергии в тепловые, акустические, электромагнитные излучения, сопровождающих рост трещины. В результате: постулируемая связь между упругой энергией и вновь образованной поверхностью не столь очевидна и однозначна, а наличие множества имеющихся и зарождающихся трещин создает неопределенность в перераспределении упругой энергии между ними. Известные теории прочности исходят из предположения, что разрушение твердых тел происходит, когда определенная комбинация компонентов деформаций достигает критической величины. Разрушение горной породы (с позиций любой теории прочности) определяется действующими в ней напряжениями, при этом важно учитывать, что из-за неоднородного строения пород локальные очаги концентрации напряжений распределены в ее объеме случайным образом. Структурная неоднородность не позволяет отследить все уровни трансформации энергии в необратимую деформацию в виде формоизменения и различного рода излучения. Это означает, что невозможно теоретически отождествить энергию, сообщенную телу, с работой, потраченной на вновь образованную поверхность (по Гриффитсу).

Характерной особенностью рудоподготовки является изменение свойств сырья и факторов, определяющих эффективность процессов на разных стадиях. На каждой стадии разрушения возникает своя структура микронапряжений, которая зависит от размера раскрываемых элементов: чем больше размер куска, тем меньше влияние неоднородности, создаваемой отдельными минералами. Концентрация напряжений между минеральными компонентами и на границах их срастания увеличивается по мере уменьшения размеров куска [5,6]. Неоднородность напряженного состояния среди минеральных компонентов и на границах их срастания увеличивается по мере снижения соотношения между размером куска и размером его структурной неоднородности (например, раскрываемых минералов). Поскольку на каждом уровне неоднородности формируется собственная структура микронапряжений, параметры разрушения горных пород необходимо рассматривать со статистических позиций, учитывая пределы воспроизводимости объекта анализа и влияния масштаба структурных элементов.

Тренды в технологии. В соответствии с принципами рациональной рудоподготовки раскрытие минералов – это процесс трансформации исходной структуры разрушаемого материала (рис.1.1,[5]), в результате которого формируются структурные элементы разделения и структурные элементы раскрытия. Управляемое раскрытие сопровождается усложнением технологической схемы за счет увеличения операций «разрушение – разделение». Возможное увеличение капитальных затрат необходимо рассматривать в рамках сквозной экономической модели, учитывающей снижение операционных затрат (преимущественно энергии), тренды роста стоимости энергии, роста затрат на обезвоживание, на обеспечение безопасности хвосто- и шламохранилищ (неизбежных спутников действующих схем нерациональной рудоподготовки) и т.п. Учитывая, что сепарация (гравитационная, магнитная, электрическая и др.) относится к процессам с наименьшим энергопотреблением, общее снижение энергозатрат в схемах рациональной рудоподготовки представляется обоснованным [4]. Технологическое сопровождение новых технологий предполагает мониторинг параметров структуры, физико-механических характеристик на разных стадиях разрушения и соотнесения их с показателями раскрытия в рамках принятых моделей. В контексте «четвертой промышленной революции» цифровизация систем технологической минералогии позволяет решить эти проблемы известными средствами и достаточно быстро. Современные инструментальные методы позволяют получить оценку структурных характеристик любых объектов минерального сырья с «привязкой» к раскрываемым минералам. Определяющими параметрами указанной оценки являются: взаимоотношение раскрываемых минералов и вмещающих пород (матричный или иной тип структуры), количественные характеристики поверхности границ срастания, распределение минералов по размеру (с учетом зернового состава минеральных агрегатов) и т.п. Несмотря на то, что параметры структуры минерального сырья и их изменения становятся важным элементом управления раскрытием, эта информация является необходимой, но недостаточной. Основу избирательного разрушения составляет деформирование, создающее предпосылки для сдвиговых и растягивающих напряжений на границах срастания минералов. Формирование указанных условий предполагает учет не только структуры объекта, но и соотношение упругих и прочностных характеристик минералов. Например, пластичные минералы уменьшают градиент деформации и снижают напряжения в структурном элементе раскрытия при нагружении. Наоборот, в хрупкой матрице, содержащей пластичный извлекаемый минерал, разрушающие деформации могут быть достигнуты раньше, чем в минерале-включении.

Раскрытие минералов можно осуществить либо локальным разрушением наименее прочного минерала (частицы из двух-трех минералов), либо объемным деформированием структурного элемента (преимущественно матричной структуры). Объемные негидростатические деформации со сдвигом позволяют создать растягивающие и сдвиговые напряжения для интеркристаллитного разрушения (селективное раскрытие относительно границ срастания). Для матричной (например,гипидиоморфнозернистой) структуры может быть использована объемная деформация путем неравномерного сжатия со сдвигом, которая позволяет использовать контраст упругих и прочностных свойств раскрываемых минералов для разрушения по границе их срастания. Селективное разрушение одного или группы минералов может быть вызвано различием их трещиностойкости. Для пойкилитовых структур, у которых посторонний минерал содержится внутри извлекаемого минерала, более эффективным является локальный режим деформирования, обеспечивающий минимальную вновь образованную поверхность. Критерии выбора – минимальные удельные энергетические затраты и качество раскрытия.

Принципы рациональной рудоподготовки предполагают применение разупрочняющих воздействий для снижения энергозатрат и повышения качества раскрытия. Реализуя данную концепцию, еще в семидесятых годах прошлого века в НИИ «Уралмеханобр» впервые были выполнены исследования разупрочнения руд воздействием импульсных магнитных полей. Созданный для этих целей генератор импульсных токов с энергией 75 кДж позволил провести исчерпывающую серию исследований воздействия импульсного магнитного поля. Применение различных индукторов и концентраторов магнитного потока позволило создать в зоне обработки руд магнитные поля, обеспечивающие максимальное воздействие на магнитные и проводящие минералы: напряженность более 1*10⁷ А/м и градиент до 1*10⁹ А/м². Исследования, выполненные на железных рудах различного генезиса, подтвердили теоретические предпосылки в части снижения прочности руд и реализации селективного разрушения, и одновременно выявили существенные ограничения возможности применения физических воздействий в рудоподготовке. Технологические исследования в открытом и замкнутом цикле измельчения в комплексе с магнитной сепарацией показали, что разупрочнение руд (достигающее 60-90% после магнитной обработки) практически полностью нивелируется неадекватными условиями разрушения в барабанной мельнице. В условиях, когда на конечной стадии раскрытия применяется устройство, физические принципы которого не адекватны задаче селективного разрушения (в данном случае – барабанная мельница), прирост показателей раскрытия оказывается существенно ниже показателей физического разупрочнения, вызванного воздействием (например, импульсным магнитным полем). Широкий комплекс проведенных исследований показал, что приемлемая эффективность физических воздействий достигает поставленных целей лишь в тех случаях, когда раскрытие извлекаемых минералов происходит в процессе обработки [7]. Эксперименты на устройствах, обеспечивающих одновременное воздействие сильного магнитного поля и механическое нагружение, подтвердили этот вывод. Образцы железистых кварцитов при обработке в указанных условиях разрушались практически полностью по границе срастания магнетита с нерудными минералами. Воздействие переменного магнитного поля (с магнитной системой, создающей эффект коллективного излучателя) на промпродукт, содержащий сростки магнетита, позволило увеличить содержание раскрытых минералов на десятки процентов (в зависимости от крупности). Одновременное воздействие переменного магнитного поля и собственных механических колебаний обрабатываемой среды обеспечило селективное раскрытие сростков без необходимости дополнительного измельчения в мельнице.

Последующие исследования воздействия магнитных (электромагнитных) полей, выполненные рядом авторов спустя 30-40 лет, лишь подтвердили приведенные ранее выводы относительно несоответствия уровня физического разупрочнения руд результатам достигаемых технологических показателей после предварительного воздействия [8,9 и др.]. Тем не менее, в большинстве исследований последних лет физические воздействия рассматриваются как способ предварительного разупрочнения, а собственно раскрытие минералов осуществляется в барабанных мельницах, о низкой эффективности которых уже упоминалось. Можно предположить, что данное обстоятельство явилось одной из причин отсутствия до сих пор промышленных устройств, реализующих воздействие различных физических полей для разупрочнения руд и селективного разрушения.

Тренды в оборудовании. Рациональная подготовка к раскрытию минералов (например, по схеме на рис.1.1, [5]) не предполагает технических проблем. Однако в области устройств, способных воплощать принципы селективного разрушения в промышленном масштабе, видимый прогресс пока отсутствует. Практически для всех стадий действующих систем рудоподготовки, начиная с дробилок и заканчивая барабанными мельницами характерно не управляемое, «чисто» локальное нагружение. Относительно простой способ раскрытия руд в барабанных мельницах сопровождается несоизмеримыми энергозатратами и массой проблем, рассмотренных выше. Появившиеся в последние годы мельницы серии IsaMill, Vertimill не решают проблем селективного раскрытия, поскольку прирост интенсивности разрушения за счет увеличение содержания мелющих тел (шаров) не снимает проблемы случайного разрушения и не вводит элементов селективного разрушения. Формирование требований к характеристикам оборудования, способного реализовать селективное разрушение вызывает наибольшую сложность. В отличие от оборудования для простого сокращение размеров куска, устройство для селективного разрушения предполагает применение различных видов деформирования в зависимости от характеристик раскрываемого сырья. В этом случае устройства нагружения и условия внешнего воздействия должны быть адаптивными для создания необходимой структуры напряженного состояния в раскрываемой системе.

Актуализация работ по разрушению в слое [10,11] подтвердила обоснованность применения объемного деформирования в качестве одного из инструментов влияния на селективность разрушения многокомпонентных материалов. Разрушение в слое как способ перехода от локального к объемному нагружению имеет логическое объяснение в части потенциальной возможности создания неоднородного напряженного состояния в разрушаемом куске.

Исследования дезинтеграции техногенного сырья (от одиночных частиц до слоя), проведенные еще в конце 80-х годов, доказали, что использование слоя в качестве среды, передающей нагрузку на разрушаемый материал, открывает широкие возможности управления разрушением [12]. Установлено, что селективность разрушения зависит от параметров исходной структуры и условий нагружения: грансостав слоя, число слоев, наложение вибраций, величина и тип деформации (жесткий, мягкий), наложение сдвиговых нагрузок одновременно с нормальным сжатием и др. Показано, что результат деформирования, создающего объемное нагружение, зависит кинетики изменения состояния слоя. Так, мягкий тип нагружения конусной инерционной дробилки оказался адекватным задаче селективного разрушения (относительно исходного размера зерна корунда) лома абразивного материала. Применение в данном случае КИД позволило получить высокий выход продуктивного класса при обеспечении сохранности зерен электрокорунда. Практика показывает, что наибольшая эффективность применения КИД достигается в случае, когда задача разрушения и свойства материала соответствуют условиям нагружения устройства. Поскольку по своему воздействию данное устройство относится к машинам мягкого нагружения (деформирование слоя осуществляется за счет инерции внутреннего конуса) выбор материала для разрушения является критичным. Нельзя априори утверждать, что условия для селективного разрушения могут быть созданы для любого материала. Предпочтение может быть отдано сравнительно однородным материалам, когда стоит задача сокращения размера материала, и нет необходимости учитывать сложные связи между состоянием границ срастания и результатами разрушения.

Как уже отмечено выше, перспективы модернизации действующего оборудования для повышения селективности раскрытия практически отсутствуют. Распространенное мнение некоторых разработчиков о том, что созданные ими устройства обладают повышенными показателями раскрытия, в большинстве своем можно отнести к частному случаю. Прессование слоя в ряде рассмотренных устройств в общем случае не имеет выраженных предпосылок для селективного разрушения, поскольку гидростатическое давление мелких фракции на крупные частицы срастаний минералов может свести на нет преимущества объемной деформации слоя. Более того, равноосное давление приводит к упрочнению горных пород и увеличению затрат энергии на деформирование. Частные случаи некоторого улучшения раскрытия объясняются совпадением «удачного» соотношения упругих и прочностных свойств раскрываемых минералов, прочности границ их срастания и адекватных условий деформирования [10]. В большинстве своем в рассмотренных устройствах практически отсутствуют режимы одновременного сжатия (с управляемой деформацией) со сдвигом. Между тем, как показано в [12], работа деформирования при одновременном сжатии и сдвиге в десятки раз ниже, чем при простом сжатии слоя с последующим сдвигом. Оборудование, способное реализовать данный вид деформаций, можно рассматривать как одно из направлений разработки устройств для селективного разрушения (схемы устройств рассмотрены в гл.14.3, [5]).

Исследования последних лет в части создания «высокочастотных дробилок» (ВКДС, ВУМС и др.), у которых статическое прессование сопровождается воздействием на слой вибрационных нагрузок, показали возможность существенного (в 4-5 раз) снижения энергозатрат на измельчение при производстве строительных материалов. По мнению авторов, высокочастотная мельница типа ВУМС позволит заменить шаровую мельницу в традиционной технологии с одновременным уменьшением энергозатрат [13,14]. Несмотря на то, что значительная часть работ в этом направлении связана с простым сокращением размеров куска, подобные устройства могут стать элементами схемы формирования структурных элементов разделения и управляемого раскрытия. Появление устройств, позволяющих регулировать параметры воздействия: частоту, длительность, усилие и режим деформирования (жесткий, мягкий) – открывает перспективу создания оборудования для селективного разрушения, в том числе и на заключительных стадиях раскрытия.

В качестве промежуточного решения для формирования структурных элементов разделения и раскрытия можно рассмотреть центробежную дробилку, допускающую вывод фракций в процессе разрушения. Использование воздушных потоков в качестве носителя открывает возможность сопряжения центробежной дробилки с устройствами для сепарации по разделительным признакам (плотность, электрические, магнитные и т.п.) и создание агрегата для формирования структурных элементов раскрытия. Поскольку на сегодняшний день нет промышленных устройств, способных реализовать раскрытие при разрушении одиночных частиц размером 1÷5 мм с интенсивностью порядка 10⁶ единиц в секунду (условная производительность 100 т/ч), вопрос о комплексах сочетающих разрушение и разделение остается актуальным.

Факторы управления. Селективное разрушение по определению – это управляемое разрушение. Поскольку управлять можно только «числом», важно иметь полное представление обо всех факторах (выраженных в параметрах), которые определяют результат взаимодействия раскрываемого материала с нагружающим устройством. Приведенные примеры показали, что для простого сокращения размеров разрушаемого материала и значительного снижения энергозатрат (включая тонкое измельчение цементного клинкера), нет проблем ни в технологиях, ни в оборудовании. Для процессов сокращения крупности есть два характеристических параметра – содержание требуемого класса в конечном продукте и удельные энергозатраты. В качестве параметров исходного сырья обычно используется размер продукта питания и некоторый показатель, характеризующий прочность (крепость). Иногда при производстве щебня применяют параметр «кубовидности» продукта, однако его в большей степени можно отнести к показателю «селективного разрушения по форме» [5]. Когда речь идет о селективном разрушении при раскрытии минералов, к указанным параметрам неизбежно добавляются показатели качества (селективность) раскрытия. Такими показателями могут служить параметры, характеризующие относительные изменение кривой распределения крупности раскрываемого минерала в готовом продукте и в исходном материале, или соотношение удельной поверхности раскрытого продукта и границ срастания [15].

Для материалов, требующих селективного разрушения, исходные параметры обсуждены выше: структурные, физико-механические (макро и микро), состояние границ срастания и их изменение при снижении размеров исходного сырья. Поскольку свойствами и структурой разрушаемого сырья управлять практически невозможно, необходимо иметь набор параметров управления разрушающим устройством. Следуя приведенному выше анализу, спектр параметров оборудования для управления селективностью раскрытия может оказаться неопределенно широким. В идеале это может быть устройство с набором параметров, которые позволили бы ему адаптироваться к любому типу руды. Создание такого устройства в ближайшие годы маловероятно в силу остающихся еще неопределенности связи селективности разрушения с параметрами нагружения и свойствами руд на всех стадиях разрушения. Практически речь может идти о 2-3 базовых моделях для руд, разделенных по категориям с близким «набором» параметров, характеризующих структурные и прочностные свойства, отвечающие за раскрытие. Принципы разрушения, основанные на вибрационном воздействии (по типу высокочастотных дробилок и мельниц), и реализации сжатия одновременно со сдвигом на заключительных стадиях раскрытия, могут оказаться наиболее эффективными при создании указанных устройств. Совокупность параметров, способных обеспечить вариацию режимов селективного разрушения руд с различной структурой и различными физико-механическими свойствами минералов, может выглядеть следующим образом: амплитуда и частота вибраций, величина и тип деформации (жесткий, мягкий), наложение сдвиговых нагрузок одновременно с нормальным сжатием, грансостав слоя, число слоев и т.п.

Заключение. Параметры руды (структура, свойств раскрываемых минералов и вмещающих пород, состояние границ, тип срастания и т.п.) определяют режим деформирования (жесткий или мягкий, локальный или объемный, однократный или циклический) для селективного разрушения на всех стадиях разрушения до полного раскрытия извлекаемых минералов. Задача устройства обеспечить соответствующие условия деформирования, их чего не следует, что для каждого типа руд потребуется свой агрегат для селективного разрушения. Подготовка к раскрытию и само раскрытие отделены значительным интервалом размерного ряда (от взрывной отбойки до размеров раскрываемых минералов). На каждой стадии разрушения определяющую роль играют «свои» параметры процесса и свойств руды, при этом индивидуализация параметров (структурная чувствительность) проявляется в элементе раскрытия, соизмеримом с размерами раскрываемых минеральных комплексов и зависит от типа срастания. Таким образом, «чувствительность» к селективному раскрытию проявляется на уровне структурного элемента, размеры которого для большинства руд не превышают 5÷10мм. Задача предварительных стадий обеспечить формирование этого продукта, с минимальными энергозатратами и максимальным выходом.

Управляемое раскрытие сопряжено с усложнением схем переработки минерального сырья и с необходимостью углубленного научного подхода к исследованию механизма селективного разрушения в связи со свойствами перерабатываемого сырья. Оценка условий и параметров, определяющих эффективность раскрытия минералов на соответствующих стадиях, является важным фактором оптимизации процессов рудоподготовки. Методы современной технологической минералогии в состоянии обеспечить данными о составе и структуре руд (включая построение 3D модели). Базовая совокупность параметров, характеризующих прочностные свойства руд и минералов, определяется экспериментально, в том числе и на устройствах, позволяющих в автоматическом режиме осуществлять измерение и статистическую обработку прочности различных фракций; практика применения подобных устройств показала их эффективность [5].

Обоснование формализации. Парадоксальная ситуация: отрасль, обеспечивающая редкоземельными, благородными и другими металлами развитие IT-индустрии, сталкивается с проблемами встраивания в новый технологический уклад. Более высокие темпы вхождения в новый цикл имеют отрасли, обладающие заделом в части моделирования и формализации процессов, например, нефтегазовый сектор и некоторые угольные предприятия. Несмотря на появление на ряде горно-обогатительных предприятий цифровых систем наблюдения и управления, для большинства производств, связанных с переработкой минерального сырья, этот процесс может оказаться длительным и сложным. Проблемы встраивания процессов добычи и переработки минерального сырья в новые технологии связаны с высокими требованиями к цифровизации в части моделирования и формализации. Переход на цифровое управление предполагает создание соответствующих моделей, которые, как правило, основаны на информации, получаемой в результате эмпирических исследований физики процессов и явлений. Моделирование систем начинается с формализации, т.е. с процесса выделения и перевода внутренней структуры объекта в определенную информационную структуру – форму, обладающую содержательной интерпретацией. Управление процессами рудоподготовки связано с формализацией факторов, определяющих связь качества раскрытия минералов со свойствами руд и параметрами нагружения. Наиболее легкими для цифровизации являются сравнительно простые (с точки зрения физики) процессы, описываемые моделью «черного ящика». К таким процессам можно отнести, например, крупное дробление в силу легко формализуемых параметров управления: содержание заданного класса крупности в готовом продукте, которое оперативно и достаточно просто оценивается современными системами распознавания образа.

Горные породы – сырье для добычи и производства металлов (черных, цветных редкоземельных, благородных и др.), относятся к природным образованиям с иерархичной структурой, сложным составом и большой вариацией параметров. Особенностью рассматриваемого объекта является размерный диапазон: от метров (стадия взрывной отбойки при формировании горной массы) до микрометров (стадии обогащения). Идеальной технологией получения тех или иных металлов (элементов) могла бы быть природоподобная технология обратная процессам минералообразования. Однако в настоящее время нет ни технологических, а главное, энергетических ресурсов для воспроизводства таких процессов, поэтому механический способ раскрытия минералов остается превалирующим для основной массы металлов. Технологии рациональной рудоподготовки, использующие принципы управляемого разрушения, призваны оптимизировать энергопотребление по всему переделу от взрывной отбойки до раскрытия и разделения минералов. Поскольку «управлять можно только числом», то формализация факторов, определяющих основные параметры управляемого разрушения, становится составной частью принципов рациональной рудоподготовки.

Огромное число факторов, определяющих добычу и переработку минерального сырья, предполагает их «сертификацию по извлекаемой ценности (технологическим свойствам)», целесообразность которой профессор Т.В. Башлыкова обосновывала на протяжении многих лет. Можно согласиться с автором, что «сертификация минерального сырья позволит не только выразить в цифрах степень рациональности и комплексности использования недр, но и обосновать пути повышения эффективности освоения конкретного месторождения в условиях системного анализа и сопоставления с другими горно-перерабатывающими производствами» [3]. В этом отношении «сертификацию свойств минерального и техногенного сырья по извлекаемой ценности» можно рассматривать как элемент формализации, поскольку сертификация закрепляет за объектом совокупность величин, характеризующих их связь с параметрами процессов последующей переработки. Представленные в настоящей работе положения во многом совпадают с инновационным подходом «к технологической оценке минерального сырья, его сертификации по извлекаемой ценности», который основан на концепции рационального и комплексного использования недр (полного извлечения всех ценных компонентов). Построение функции прогнозной «извлекаемой ценности» минерального сырья, как на стадии утверждения запасов, так и на «стадии освоения минерально-сырьевого объекта» предполагает построение множества моделей, характеризующих связи между свойствами объекта (состав, структура и др.) и всеми технологическими процессами, обеспечивающими переход минерального сырья в товарные продукты. Из трех факторов определяющих «извлекаемую ценность»: свойства, технология и цена товара, по крайней мере, два (свойства, цена) – подвержены значительным вариациям. В этой связи создание сквозной цифровой экономической модели всего процесса от добычи до товарного продукта также является актуальным.

Схемы и процедуры формализации. В зависимости от области применения существуют различные определения понятия формализации. В настоящей работе под формализацией объектов понимается описание их свойств с помощью количественных или качественных характеристик для последующего представления в описании анализируемых процессов и систем. Формализация определяет не только параметры, но и стандартизацию методов их измерения. Формализация процессов – создание модели процесса, описывающей связь между исходными параметрами объекта и динамикой их изменений. В этом отношении цифровизация представляет собой последовательность шагов формализации объектов и процессов. Структура формализации, охватывающей основные факторы, определяющие эффективность процессов рудоподготовки, представлена на рис.1.

Объекты. Объектом формализации является минеральное сырье, поступающее на переработку с целью извлечения ценного металла (элемента). В настоящее время прогноз показателей обогащения основывается на показателях гранулометрического состава и морфометрических характеристик сырья [4]. В качестве объекта может быть: керн, технологическая проба, буровые шламы и т.п., позволяющие оценивать структуру, состав, свойства объекта и их вариацию по стадиям переработки. Одной из наиболее важных стадий рудоподготовки является раскрытие, которое определяется размером, формой вхождения и свойствами извлекаемых минералов.

Рисунок 1. Структура формализации объектов рудоподготовки.

К объектам формализации в схеме на рис.1 относятся также структурные элементы раскрытия и структурные элементы разделения, требующие идентификации на каждой стадии рудоподготовки [5]. Основой для такой идентификации являются индивидуальные признаки, связанные с совокупностью качественных и количественных характеристик состава, структуры и свойств перерабатываемой руды. В условиях большой вариации множества параметров, характеризующих свойства перерабатываемого минерального сырья особое внимание требует формализация параметров, в наибольшей степени влияющих на конечный результат.

Формализация состава осуществляется известными методами по отработанной методологии. Качественные методы включают описание входящих минералов, их идентификацию и принадлежность к известным структурным классификациям; количественные методы определяют содержание минералов, минеральных комплексов с извлекаемыми металлами. Современные средства анализа позволяют дать исчерпывающую информацию о составе руд и техногенных образований любой сложности.

Формализация структуры руд осуществляется в рамках стандартных подходов известными качественными и количественными методами; сложности связаны с чрезвычайно высоким многообразием, множеством уровней иерархий, большой вариации в разных масштабах и размерах. В рассматриваемом подходе оценка параметров структуры носит прикладной характер, т.е. отслеживаются преимущественно параметры структуры, влияющие на процессы разрушения и раскрытия минералов. Формализация одномерных (очертание границ минералов), двухмерных (поверхность раздела), трехмерных (расположение в пространстве минералов и минеральных комплексов) параметров предполагает идентификацию и количественную оценку. Особого внимания при количественных оценках характеристик структуры требует интерпретация цифровых анимаций 3D-структур (рентгеновская компьютерная томография), визуализирующих взаимное расположение минералов в пространстве.

Отнесем к первому уровню параметры, определяющие раскрытие минералов: тип срастания и свойства перерабатываемого материала. Свойства границ срастания и границ зерен в минералах относятся к наиболее сложным объектам формализации в силу практически полного отсутствия фундаментальных исследований в данной области. Речь идет не о минералогическом описании происхождения и генезиса подобных образований, а об исследованиях связи границ срастания с факторами разрушения и раскрытия. Многообразие структур срастания минералов предопределено их генезисом и не всегда минералогические характеристики способны оценить реакцию руд на внешнее воздействие. Очевидно, что для ответа на вопрос, как разрушать данную структуру и оптимальным путем обеспечить раскрытие извлекаемых минералов, одних стандартных минералогических характеристик недостаточно.

Формализация характеристик срастания минералов в рудах наиболее полно представлена в фундаментальной монографии П.Рамдора [6], в которой не только приведено описание срастаний (пусть и на качественном уровне), но и указано на необходимость обеспечения достоверности анализа, например, соблюдение процедуры безрельефного шлифования при подготовке образцов. Существующая классификация срастаний минералов (мирмекитовый, пойкилитовый, идиоморфный, субидиоморфный и др.) дает лишь качественное описание, пригодное для отнесения изучаемых структур к объектам со схожими признаками [6]. С другой стороны, морфометрический анализ не дает представления о составе и свойствах границ в контексте задачи селективного разрушения. Трудности формализации данного объекта заложены в его природе, поскольку поверхность представляет особое состояние твердого тела, атомы которой обладают специфическими свойствами, отличными от их свойств в объеме. В общем случае под поверхностью принято понимать несколько последних атомных слоев (порядка 10 Å), электронная структура которых отличается от электронной структуры объема, из-за обрыва химических связей, появления локализованных поверхностных электронных состояний и т.п. Структура поверхности срастания минералов с трудом поддается моделированию в силу неопределенности многих факторов, связанных с формированием связей отличных от объемных. Теоретические подходы рассматривают свойства границ срастания с позиций сопряжения решеток и возможности дислокаций выравнивать возникающие несоответствия. При малых значениях несоответствий предполагается «включение компенсационных механизмов, призванных согласовать несоответствие» на границе срастания, например, за счет деформации решеток, точечных и линейных дефектов. В более сложных срастаниях возможно образование промежуточных фаз, компенсирующих существенную разницу параметров кристаллических решеток. В классическом понимании термин «прочность новых структурных образований» на границе раздела минералов, вообще говоря, теряет физический смысл, поскольку нет методов ее прямого измерения, поэтому в работе [5] характеристика срастаний косвенно оценивается реакцией на контролируемое внешнее воздействие. Можно предположить, что слабая химическая связь реализуется, когда взаимодействие атомов через границу слабее, чем в каждом из сросшихся минералов. Сложно предположить появление сильной химической связи в структурах со столь различными параметрами кристаллической решетки как кварц (гексагональная решетка а,b=4,913Å, с=5,405Å) и самородное золото (кубическая гранецентрированная решетка а=4,078Å). Подобное срастание характеризуется появлением на границе раздела электростатического взаимодействия, обусловленного контактной разностью потенциалов из-за различий работы выхода электрона и появления поверхностных электронных состояний [5,7]. Другой тип границ – эпитаксиальные образования характеризуются близостью параметров кристаллической решетки и плоскостей срастания, например: кварц-полевые шпаты, рутил на гематите, галенит на сфалерите. Границы, представленные эпитаксиальными срастаниями, принято оценивать как прочные и их можно рассматривать как фактор торможения трещины при возникновении разрушения в одном из минералов.

К факторам формализации, влияющим на раскрытие минералов, относятся структурные параметры границ: удельная поверхность срастания минералов (S_ab) и удельная поверхность границ зерен в поликристаллах (S_aa, S_bb). Сложная геометрия поверхности срастания минералов предполагает использование дробной (фрактальной) размерности вместо топологической размерности при оценке границ. Технические возможности и программные средства анализаторов структуры, на которых выполнялись исследования границ срастания минералов в 70-80х годах прошлого столетия [7], не позволяли учесть фрактальную размерность при оценке стереологических характеристик руд. Более того, в прикладной минералогии фрактальную размерность начали применять лишь в конце ХХ и начале ХХI века, когда было показано, что этот параметр структуры оказывает влияние на раскрытие руд [8-10]. В прикладной минералогии обычно используется одномерная фрактальная размерность (для линейных структур, представленных контурами границ зерен в плоскости сечения образца). Для решения задач раскрытия необходимо использовать двухмерную и трехмерную фрактальную размерность, поэтому важность методологической работы по оценке параметров структуры с учетом данного параметра остается актуальной. При этом необходимо учитывать, что во множестве типов срастаний может существовать несколько фрактальных размерностей, даже в пределах одного срастания. Поскольку изображение, получаемое в результате сканирования плоского сечения объекта, является “кажущимся изображением”, видимая (на аншлифе, шлифе) поверхность срастания S_ср может существенно отличаться от фактической поверхности S_ф в силу неопределенности фактора шероховатости. К примеру, в работе [11] указанная неопределенность снимается учетом фрактальной размерности D_f ( δ – масштаб измерения):

S_ф = S_ср δ^2-Df

Компьютерная 3D анимации позволяет воспроизвести тип и размер структурного элемента раскрытия, однако эта информация является необходимой, но недостаточной для моделирования управляемого разрушения. Невозможно прогнозировать избирательное разрушение руды, не имея представления о распределении деформаций в разрушаемой структуре. Раскрытие минералов при механическом разрушении определяется распределением деформаций и силовых характеристик в руде, поэтому второй уровень параметров формализации (рис.1) связан со свойствами, определяющими реакцию материала на внешние воздействия. Важное обстоятельство: руда в процессах разрушения подвергается двум принципиально разным видам нагружения – динамическому и статическому. В первом случае – взрывная отбойка для получения горной массы представляет собой объемное деформирование с элементами волнового воздействия, во втором – это преимущественно локальное, контактное нагружение в дробилках и мельницах. Скорость нагружения в этих устройствах, как правило, низка, поэтому деформация в нагружаемом объеме успевает приходить в статическое равновесие. Поэтому все виды нагружения руды можно рассматривать как статические (квазистатические), не принимая во внимание волновые эффекты, присущие только взрывному и высокоскоростному воздействию.

Нерегулярная и невоспроизводимая структура руд вызывает наибольшую трудность формализации параметров, отвечающих за количественную оценку факторов нагружения и распределения деформаций в горных породах. Задачу затрудняет отсутствие системных исследований связи структуры, свойств, параметров деформирования с характеристики разрушения и раскрытия. Исследования в этой области, начатые в 70х годах прошлого столетия, в основном были связаны с созданием системного подхода и методологии исследования границ срастания с позиций физики твердого тела. Несмотря на то, что значительные усилия были направлены на разработку и изготовление приборной базы, выполненный комплекс исследований позволил выявить связь характеристик границ срастания, структуры руд и условий нагружения с технологическими показателями раскрытия минералов [5,7]. Попытки формализовать параметры, характеризующие «прочность границ срастания», предпринятые в некоторых современных исследованиях, сложно признать удачными, поскольку механистическое перенесение терминологии одних наук (например, в материаловедении) не всегда адекватно в применении к иным моделям [12,13]. Так, в работе [12] в качестве оценочного фактора принят показатель «прочность границ срастания», который физически не может быть измерен. В этих условиях сопоставление характеристик прочности сростков с величиной, не имеющей физического значения, делает эту процедуру бессмысленной, как и рассуждения о благоприятных или неблагоприятных ситуациях для раскрытия минералов. Еще сложнее идентифицировать физический смысл понятия «прочность на сжатие» границ срастания в отсутствии метода его определения [12]. Как уже было отмечено, не все параметры классической механики однородных сред применимы для анализа раскрытия минералов при разрушении руд. Так, при анализе напряженно-деформированного состояния руд необходимо осмотрительно применять такой параметр как напряжение (плотность сил), поскольку для его определения необходимо точное знание величины силы и площади ее действия. В общем случае подобные «классические» параметры из области сопротивления материалов не имеют перспективы практического применения для анализа границ срастания минералов. Непосредственно измерить прочность (как предельное напряжение) на границе срастания не представляется возможным, ее можно оценить лишь косвенно (например, путем расчета при точном знании силовых характеристик, деформации и площади их действия). Отсутствие возможности измерения любой из указанных величин заставляет рассматривать результаты как условные и оценочные.

То же относится к макроскопическому напряжению (деформации) – усредненной величине, которая не позволяет судить о распределении деформаций среди минералов. При анализе процессов раскрытия важна реакция каждого минерала (зерна) на внешнюю деформацию разрушаемого объема, поскольку величина и распределение деформаций в горных породах определяется внутренними связями между минералами. Даже в однородном сферическом включении, находящемся в среде окружающих зерен, деформации будут неоднородными из-за взаимодействия с зернами с разной упругостью. Аналогичная ситуация возможна для включения одного минерала в поликристалле другого: взаимодействие зерен в поликристалле приводит к неоднородным деформациям в силу анизотропии свойств зерен с различной и случайной кристаллографической ориентацией.

Выбор параметров деформирования невозможен без понимания реакции разрушаемого объекта на различные виды нагружения. Распределение деформации при нагружении структурно-неоднородной среды формирует структура и градиент упругих свойств компонентов (в данном случае минералы в руде). Внешнее силовое воздействия обеспечивает передачу сил за счет деформации, распространяющейся от одной точки к другой. В местах локального сжатия (контактной зоны приложения усилия) формируется наибольшая интенсивность деформаций. Высокая вариация параметров структуры и неопределенность прочностных характеристик в зонах контакта существенно осложняют поиск моделей раскрытия. Указанные обстоятельства приводят к тому, что деформации, инициирующие разрушение куска руды при взаимодействии с нагружающим устройством, каждый раз разные и не воспроизводятся в разрушаемых объектах, особенно, разной крупности. Роль концентрации напряжений между минеральными компонентами и на границах их срастания увеличивается по мере снижения размеров куска. По этой причине некорректно сопоставлять прочность, модуль упругости и аналогичные параметры, полученные на объектах разного масштаба, поскольку напряженно-деформированное состояние в неоднородных средах зависит от структурных характеристик, вариация которых зависит от размеров объекта. Распределение деформаций при нагружении куска руды размером в несколько сантиметров отличается от таковых в куске в несколько миллиметров, не просто в десять раз, а практически кардинально. Без информации о прочностных характеристиках невозможно управлять процессами раскрытия на разных стадиях рудоподготовки. В этом отношении моделирование одноосного нагружения однородного материала не адекватно реальному состоянию нагружения и разрушения руд, поэтому такие модели практически невозможно использовать для прогнозирования раскрытия минералов в условиях деформирования разнородных сред.

Из изложенного следует, что для управляемого раскрытия – освобождения минералов в их естественной крупности при минимальных затратах энергии, необходим комплекс параметров (в дополнение к структурным характеристикам): приложенное усилие (сила), деформация, модуль упругости, индикаторы трещинообразования – параметры акустической эмиссии, энергия упругих и пластических деформаций, энергия разрушения. При этом важно, чтобы все указанные параметры могли быть измерены на любых фракциях руд (учитывая, что чем больше размер, тем больше вариация измеряемых величин). Оцениваемые статистики (математическое ожидание, дисперсия, вариация и т.п.) также имеют информационное значение для характеристики руд. К сказанному следует добавить требование оценки спектра усилий (деформаций), действующих в разрушаемом устройстве на раскрываемый объект. Экспериментальное измерение указанных параметров, выполненное на множестве минералов, показало их эффективность при анализе разрушения различных руд. Комплексный подход позволил оценить упругие характеристики, энергию упругих и пластических деформаций, фиксировать усилие появления трещины в минерале, а по кинетике интенсивности акустической эмиссии определить трещиностойкость в процессе микроидентирования [5,7]. Исследования, выполненные спустя 30-40 лет [14], подтвердили важность метода микроидентирования для формализации упругих свойств минералов. Этот метод является, пожалуй, единственным, который на уровне отдельных минералов дает информацию о величинах, влияющих на распределение деформаций в руде. Метод микроидентирования позволяет определить коэффициент жесткости k=F/Δl , связанный с работой внешних сил F и энергией упругих деформаций А_у выражением:

А_у = F² /2k       (1)

Жесткость k как мера сопротивления деформированию (Δl), определяется внутренними силами, вызванными реакцией на внешнюю нагрузку. Прежде чем говорить о формализации параметра жесткости, необходимо сделать ряд пояснений, касающихся адекватности применения терминологии и определений. В сопротивлении материалов используется понятие жесткость, которое в отличие от модуля упругости не является характеристикой материала, а связано с характеристикой конструкции, объекта (например, пружины) или образца. В общем случае коэффициент жесткости определяется из прямого эксперимента при деформировании объекта в результате приложенной нагрузки. Однако, когда указанный параметр является характеристикой материала, его применение оказывается более информативным при анализе распределения деформации среди минералов. Показатель жесткости поддается прямому измерению в отличие от показателя напряжение, который, как уже отмечено, невозможно измерить в минеральных зернах при деформировании руды. Так, в методе микроидентирования измеряется контактная жесткость  k_к =ΔF_p/Δl  (на участке разгружения кривой микровдавливания), которая, используется для расчета модуля упругости (Юнга) материала [15]. Для того, чтобы различать физический смысл показателя жесткости (как характеристики конструкций и устройств в сопротивлении материалов), введем понятие модуля жесткости, характеризующего сопротивление материала деформированию. Модуль жесткости определяется на линейном участке нагружения кривой микровдавливания k_н= ΔF_н/Δl и по методу измерения является характеристикой материала. Принимая во внимание, что модуль жесткости на кривой нагружения k_н можно экспериментально определить в любом минерале (в том числе и в автоматическом режиме по наклону кривой), его можно интерпретировать как информационный параметр, характеризующий свойство минерала.

Применение указанного параметра рассмотрим на элементарных моделях срастания, содержащих минералы с различными значениями модуля жесткости (рис.2). Простейшие элементарные модели срастания минералов (рис.2, a;b) позволяют оценить наиболее типичные состояния деформирования, а также определить структуру деформирования в более сложных образованиях (рис.2, c), сформированных их подобных элементарных «кирпичиков». Кроме того, они позволяют разработать подход к трехмерному моделированию деформации и разрушения структурно-неоднородных материалов с явным учетом внутренних границ раздела.

Рисунок 2. Схемы нагружения срастаний минералов с разным модулем жесткости

Случай с k₁=k₂ в данных примерах не рассматривается, поскольку в этом случае элементы структуры выполняют функцию передачи нагрузки и не создают градиента деформации. Предложенные элементы позволяют показать, что комплекс из минералов с k₁ ≠k₂ по-разному будет реагировать на условиях нагружения: последовательное (рис.2,a) и параллельное (рис.2,b). При последовательном (рис.2,a) нагружении элементов структуры с k₁ ≠k₂ деформации одного элемента зависит от модуля жесткости другого; в случае k₁ >k₂ величина деформаций в элементе с меньшим модулем жесткости (k₂) может быстрее достичь критической величины, чем в первом элементе. Для параллельного нагружения (рис.2,b) характерно появление градиента упругой реакции в элементах с разными модулями жесткости. Например, при одинаковой величине деформации упругая реакция в элементе с k₁ >k₂ может раньше достичь критического значения для разрушения элемента k₁, чем в элементе k₂ (в зависимости от соотношения трещиностойкости обоих элементов). Подобное представление сравнительно простых элементов срастаний дает возможность анализировать деформационное состояния нагружаемой руды в любых структурах срастания, например, по типу пойкилитовых (рис.2,c) (включение одного минерала в другом как в матрице). Характер разрушения структур, подобных пойкилитовым, зависит от комбинации сочетания соотношения упругих характеристик и трещиностойкости минералов матрицы и минералов включений. Вследствие различия модуля жесткости матрицы и включения в рассмотренных структурах возможно появление градиента деформаций на границе срастаний. В пластичной матрице с k₁<k₂, (рис.2,c) вся деформация передается включению, в результате чего на границе раздела может возникнуть концентрация напряжения, способствующая микроразрушению. Динамика и характер разрушения определяется режимом нагружения, который определяется соотношением жесткости нагружаемого устройства и разрушаемого объекта. Контролируемый или жесткий режим нагружения характеризуется малой упругой энергией, накопленной нагружающим устройством (формула1), что позволяет передавать образцу к моменту разрушения куска руды ровно столько упругой энергии, сколько необходимо для продолжения контролируемой фрагментации. В мягком или неуправляемом режиме нагружения упругая энергия, накопленная в нагружающем устройстве, значительно превосходит упругую энергию разрушаемого тела. В этом случае начавшаяся потеря несущей способности объекта переходит в динамичный режим разрушения с образованием множества дочерних фрагментов и измельченных продуктов. Таким образом, третья группа факторов формализации связана с параметрами систем нагружения и деформирования на разных стадиях рудоподготовки: жестокое, мягкое; локальное, объемное; однократное, циклическое, вибрационное и др.

Итак, в итоге рассмотрения создан информационный блок, представленный совокупностью формализованных параметров, определяющих раскрытие минералов: состав, структура, свойства объекта. Указанные параметры позволяют идентифицировать в каждом цикле переработки руд (рис.1.1,[5]) структурный элемент раскрытия и структурный элемент разделения. Формализация объектов рудоподготовки позволяет использовать их для формализации процессов, отличающихся многофакторностью и сложными связями с параметрами руд. Основная задача формализации процессов – построение моделей, описывающих взаимоотношение свойств объекта, технологических параметров процесса с показателями конечного результата. Предполагается, что адекватность и сходимость модели обеспечивается качеством информации об исходных параметрах, точностью отражения связи входных величин и контролируемых выходных характеристик процесса.

Формализация процессов представлена на примерах некоторых стадий рудоподготовки. В процессе буровых работ образуются шламы, которые позволяют исследовать связь между характеристиками руд, параметрами взрывных работ и показателями обогащения. Корреляционная связь между удельными энергетическими характеристиками шарошечного бурения и параметрами взрывного разрушения горных пород [16], послужила основанием для исследований связи между показателями буримости и взрываемости пород со структурными характеристиками руд и показателями их обогащения. Исследования проводились на буровых шламах титаномагнетитовых руд Гусевогорского месторождения с известными показателями буримости (энергоёмкость бурения 1м скважины диаметром 250мм, кВт/ч) по каждой скважине детальной и эксплуатационной разведки. Классификация горных пород по критериям буримости и взрываемости (удельный расход ВВ, кг/м3), отражающая текстурную и структурную неоднородность горных пород, используется при планировании буровзрывных работ, составлении технологических карт месторождения (технологическое картирование). Информационный массив для построения регрессионных моделей включал количественные характеристики структуры разновидностей руд: содержание плагиоклаза, клинопироксена, амфибола (γ_пл, γ_кл, γ_ам ), средний размер зерен этих минералов (d_пл, d_кл, d_ам ), массовую долю рудного минерала (α), периметр рудных минералов (Р),средний размер рудных минералов (d_м), удельную поверхность срастания (S). Параметры буримости: ρ-объединенный показатель динамической прочности и абразивности, σ_сж – прочность на сжатие, ω – удельная энергоемкость бурения, f_кр – показатель крепости. Показатели обогатимости: β – массовая доля железа в продуктах магнитной сепарации, степень обогащения (К=β/α) и ε – извлечение. О вариации параметров руд можно судить по диапазону изменения структурных характеристик в табл. 1.

Таблица 1.  Вариация структурных характеристик буровых шламов из 60 скважин Гусевогорского месторождения

Высокая парная корреляции между параметрами обогащения и структурными характеристиками руд позволяет использовать указанные характеристики для построения модели прогнозирования показателей обогащения (табл.2). Установлено, что увеличение содержания клинопироксена отрицательно влияет на обогащение, но положительно на извлечение рудного минерала в магнитный продукт; влияние плагиоклаза – противоположно.

Таблица 2. Коэффициенты парной корреляции параметров структуры и характеристик обогащения в исходных продуктах разной крупности

Таким образом, качество раскрытия, выход концентрата и содержание железа определяется взаимным влиянием этой тройки структурных характеристик. Важный результат исследований – выявление связи между структурными, характеристиками обогащения разновидностей руд и их показателями буримости: коэффициенты парной корреляции между энергоемкостью бурения и содержанием плагиоклаза 0,86, а между содержанием клинопироксена -0,84, т.е. увеличение содержания клинопирксена в породе снижает энергопотребление при бурении. Зависимость крепости f_кр – интегрального показателя буримости – взрываемости руд от структурных характеристик имеет следующий вид:

f_кр = 8,9 – 0,06 α_кл + 0,49 d_кл – 0,07 α_ам - 0,05 α_тм

Информация о связи горно-геологических параметров с показателями буримости- взрываемости может найти применение при использовании буровых установок, оснащенных интеллектуальным программным обеспечением TCAD+ и iSURE. Внедрение таких буровых установок на подземном руднике Учалинского ГОКа позволит накопить опыт применения рассматриваемых моделей и расширить сферу применения информации о характеристиках буровых шламах.

Пример другой модели описывает связь между структурными характеристиками, свойствами  и показателями обогащения руд, перерабатываемых на Соколовско-Сарбайском горно-обогатительном производственном объединении. Разновидности руд представлены буровыми шламами (более 100 проб по четырем месторождениям), по которым на предприятии составлялся план-график добычи, и осуществлялось шихтование технологических сортов руд. Обработка полученного массива результатов осуществлялась методами многомерного статистического анализа, в частности, методом главных компонент. Выявлено, что различие измельчаемости и раскрываемости разновидностей руд обусловлено разным соотношением упругих и прочностных свойств раскрываемых минералов. Установлено, что существенную роль в раскрытии магнетита при измельчении классов крупности -2÷0 мм играет удельная поверхность срастания магнетита (диапазон изменений 8,8÷29,6 мм²/мм³). Метод главных компонент позволил выделить из 14 переменных, характеризующих технологические свойства разновидностей, три независимые обобщенные переменные, характеризующие качество концент­рата, массовую долю серы в руде и измельчаемость руды. Полученная статистическая модель показала, что многомерный массив экспериментальных данных, характеризующих разрушение и обогащение, описывается тремя независимыми обобщенными переменными, которые характеризуют «прочность», «обогатимость» и «раскрываемость» разновидностей руд, поступающих на переработку [5].

Примеры формализации процессов рудоподготовки показали, что статистические модели (метод главных компонент и множественный регрессионный анализ) позволяют установить связь прочностных свойств, раскрываемость и обогатимость с обобщенными технологическими свойствами руд; описать связь между параметрами буримости – взрываемости и физико-механическими, структурными характеристиками  и обогатимостью разновидностей руд.

Выводы. Представленные результаты показали принципиальную возможность создания необходимых элементов системы цифровизации управления рудоподготовкой. Вопрос в том, каким образом на постоянной основе можно решать эти задачи для всех типов руд, для любых технологий рудоподготовки. Одним из решений является создание многопрофильной межотраслевой научно-технологической платформы (условно – Центр). Методологической основой Центра могла бы стать цифровая технологическая минералогия, которая на базе комплекса современного оборудования (система автоматизированной минералогии, ТЕМ – микроскопия, SEM-микроскопия, растровая тунельная микроскопия-STM, атомно- силовая микроскопия – AFM, программный пакет для проведения цифрового анализа горных пород PerGeos, НаноСкан-4D, комплекс оборудования для натурного моделирования всех процессов обогащения и др.), способна по единым стандартам решать весь комплекс задач по идентификации и описанию минерального сырья. В современном представлении цифровая технологическая минералогия – межотраслевое научно-практическое направление (дисциплина), которое включает в себя количественную минералогию, физику твердого тела, физику горных пород и процессов, разработку технологий переработки минерального сырья.

Некоторые задачи центра:

• Центр обеспечивает комплексной информацией о свойствах минерально-сырьевой базы для оценки запасов, для разработки технологий добычи, переработки и получения товарных продуктов. Центр проводит комплексные исследования свойств минерального сырья для всех предприятий, занимающихся переработкой минерального сырья (от разведки до получения товарного продукта), а также для  геологических служб при оценке и утверждении запасов. Центр выполняет работы и для зарубежных заказчиков.
• Центр, обладая всем комплексом характеристик минерального сырья, разрабатывает варианты технологий переработки: теоретический (предполагающий комплексное освоение недр) и проектный вариант (опирающийся на действующие технологии и оборудование). Центр ведет мониторинг и сопровождение технологических процессов на договорной основе с предприятиями по добыче и переработки минерального сырья.
• Центр непосредственно либо на филиальной основе осуществляет проектирование предприятий и технологий всех стадий переработки (эксплуатационной разведки, добычи и переработки ), тем более, что современное проектирование ведется в цифровом виде по стандартным программам.
• На Центр возлагается научно-методологическая работа и подготовка кадров, координация и связь с НИИ и учебными заведениями. Центр распределяет гранды, заключает договоры на проведение исследований с НИИ, ВУЗ.
• Центр создает научные подразделения по разработке новых технологий добычи и переработки минерального и техногенного сырья, формирует задание на разработку нового оборудования.

Создание Центра открывает  перспективы для возрождения институтов УрО РАН (обеспечение целевыми заданиями на решение прикладных задач), для целевой подготовка инженеров, специалистов в действующих ВУЗ.

По географическому расположению Центра: с точки зрения коммуникаций, логистики и приближенности к местам добычи и переработки наилучшее место – это Урал (Екатеринбург). Предпосылки – множество готовых структур для создания указанной платформы: новая коммерческая образовательная структура НЧОУ ВО «Технический университет УГМК», Уральский государственный горный университет, Уральский федеральный университет, система институтов УрО РАН, имеющих прямое отношение к переработке минерального сырья: Институт горного дела, Институт металлургии, Институт геофизики, Институт геологии и геохимии, а также Институт машиноведения, Институт электрофизики; крупнейшие в России компании: УГМК, ЕВРАЗ, Русская медная компания, ВСМПО-Ависма, Ураласбест, Южуралзолото и др., в ведении которых десятки добывающих и перерабатывающих предприятий.

По форме организации – Центр создается как государственно-частное предприятие с блокирующим пакетом у государства, поскольку значительная часть геологической информации о минеральных ресурсах носит закрытый характер и охраняется законами о Гостайне. Создание подобных структур – эта тема специального бизнес-проекта, в котором прописаны цели бизнеса, научные, образовательные и практические задачи, инициаторы проекта и источники финансирования, включая оснащение современным оборудованием. Сложность и комплексный характер решаемых задач, высокая стоимость наукоемкой экспериментальной базы предполагает концентрацию в едином Центре современных инструментальных и программных средств, специалистов по всем отраслям технологий добычи и переработки недр. Уникальность Центра в его принципиально ином подходе к организации работ по недропользованию, когда «в одних руках» сосредоточен весь комплекс  научно-технологических сил, направленный на  решение проблем эффективной переработки минерального сырья.

• совмещение геоинформационных технологий (ГИТ), построенных на базе цифровых моделей горных работ, с моделями последующей переработки сырья, т.е. создание объединенной модели, использующей параметры месторождения, включающей технологии горных работ и переработку сырья;
•  создание селективных буровзрывные технологий на базе данных геолого-технологического картирования и параметров бурения скважин.

Единая имитационная модель извлечения всех компонентов минерально-сырьевых ресурсов месторождения включает в себя:

• модели горно-добычных работ;
• модели процессов переработки минерального сырья;
• конъюнктурно-маркетинговые модели по типу бенчмаркинга с “привязкой” конечного товарного продукта к отраслям потребления;
• экономическое обоснование применения механические или физико-химических геотехнологий для раскрытия и извлечения минералов.

Предполагается, что прогнозные функции модели сочетаются с функциями оперативного управления процессами переработки. На стадии добычи – это планирование буровзрывных работ; на стадии рудоподготовки – изменение условий дезинтеграции и разделения при изменении физико-механических и разделительных характеристик сырья. Основная проблема применения рассматриваемых объектов для экономико-математического моделирования заключается в значительной вариации структурных и минералогических характеристик сырьевых комплексов месторождения, которые не поддаются описанию в рамках простых аналитических функций, поэтому в таких системах применяется аппарат математической статистики, вероятностные модели и т.п. Высокие темпы цифровизации различных отраслей экономики предполагают оценку готовности отраслей, связанных с добычей и переработкой твердых полезных ископаемых, к внедрению новых технологий управления. Вопрос осложняется тем, что добыча и переработка минерального сырья представлена суммой технологий: разведка, описание месторождения, оценка запасов, технологии переработки (добыча, рудоподготовка и обогащение, получение товарного продукта, утилизация и хранение хвостов, отвалов, рекультивация и др.), которые не всегда связаны между собой в единый технологический цикл.

Переход на цифровое управление предполагает создание моделей, которые, как правило, основаны на информации, получаемой в результате эмпирических исследований физики процессов и явлений, лежащих в основе технологий. Современные цифровые платформы (основанные на Big Data, Data Science и т.п.), способные перерабатывать большие потоки информации, позволяют вплотную подойти к решению масштабных задач в области недропользования. Поскольку «управлять можно только числом», то формализация факторов, определяющих основные параметры всей совокупности применяемых технологий, становится составной частью процессов добычи и переработки минерального сырья. Само моделирование систем начинается с формализации, с выделения и перевода внутренней структуры объекта в определенную информационную структуру – форму, обладающую содержательной интерпретацией. Формализация как неизбежный элемент цифровизации позволяет устранить многозначность и неопределенность трактовок и понятий при характеристике объекта анализа. Например, управление процессами рудоподготовки связано с формализацией факторов, определяющих связь качества раскрытия минералов со свойствами руд и параметрами нагружения при разрушении. Оценивая возможность создания рассматриваемых моделей, желательно иметь ответы на следующие вопросы: достаточен ли объем информационной базы, есть ли физические источники информации, отслеживающие непрерывно меняющихся свойства минерального сырья, насколько применяемые модели адекватны физике (физхимии) процессов и т.п. Очевидно, что применение информационных технологий в управлении процессами переработки минерального сырья потребует формирования адекватных баз данных, пригодных для создания цифровых моделей на соответствующих стадиях переработки. Основу таких моделей составляет информационная база об исходных свойствах сырья и динамики его изменения, описание связи характеристик исходного сырья с параметрами процессов его переработки и т.п. Возникает необходимость создания массива данных, характеризующих месторождение (строение, минеральный состав горных пород и т.п.), параметры буровзрывных работ, параметры технологических процессов переработки и т.п. Основная сложность решения данной задачи состоит в большом масштабном факторе, охватывающем около шести порядков: от нескольких метров в исходном сырье до нескольких микрометров в конечном продукте. Адекватность и достаточность используемых баз данных определяется задачами, которые решаются на соответствующих стадиях переработки и применяемых технологий. Важная роль отводится инструментальным методам определения соответствующих свойств и характеристик минерального сырья, параметров процессов, изменяющих свойства и состояние сырья в конкретных технологиях [2].

Необходимо отметить, что базы данных, характеризующие сумму технологий для достижения целевых технико-экономических показателей переработки минерального сырья, и базы данных для управления процессами на разных стадиях  могут не совпадать, несмотря на то, что относятся к одному объекту. Дело в различии методологии формирования баз данных для построения сквозных схем переработки и решения локальных задач управления технологическим процессом. В первом случае база данных формируется на основе множества параметров меняющихся характеристик сырья, как правило, представляющих собой неоднородные форматы с постоянно обновляющимися данными. Технологии работы с Big Data, позволяющих оперировать множеством данных с неоднородными, неструктурированными или частично структурированными форматами, оказываются наиболее приемлемыми для создания имитационных моделей процессов переработки минерального сырья. В общем случае технологии Big Data включают в себя хранение больших объемов данных, их обработку и структуризацию, аналитику для выявления закономерностей (Data mining), машинное обучение на основе обнаруженных связей, прогнозирование на основе обработанной и структурированной информации. Методы обработки и управления качеством данных (Machine learning), технологии распознавания (текстов, изображений и т.п.), построение рекомендательных моделей на основе кластеризации, сегментации данных (Data Science) позволяют широко использовать случайные и нечеткие множества в качестве исходных данных для построения моделей разного уровня. Таким образом, цифровизацию комплекса работ можно рассматривать не только как расширение области применения цифровых технологий, но и как новый виток развития всех процессов добычи и переработки минерального сырья. Анализ основных этапов переработки твердого минерального сырья показывает, что на каждом этапе (от добычи до получения конечного продукта, например, концентрата) действуют свои цели, свои задачи и экономические бизнес-модели, которые не всегда вписываются в принципы рационального недропользования. Идеальное решение задачи рационального недропользования заключается в наиболее полном комплексном использования добытого минерального сырья, максимальном извлечении полезных элементов при оптимальном соотношении полученного результата и использованных ресурсов (энергетических, водных, финансовых и др.). Известные принципы рационального недропользования: не добывать, не дробить и не обогащать ничего лишнего, во многом связаны с большим диапазоном (несколько порядков) размерного ряда объектов составляющих минерально-сырьевой комплекс. При этом на каждом масштабном уровне действует преимущественно тот или иной принцип. Так, на первом масштабном уровне соответствующем начальной стадии рудоподготовки (уровень месторождение), преимущественно действует принцип – не добывать ничего лишнего. Информационные базы данных этих процессов включают параметры, характеризующие залегание «рудных тел», пространственное распределение технологических сортов руд, содержащих извлекаемые минералы (структура, состав минерального сырья, показатели извлечения элементов и др.). Современные информационные технологии дают возможность построения моделей геометризации и оконтуривания месторождения, позволяют выделять зоны (блоки) с наименьшей дисперсией геолого-минералогических параметров добываемого сырья и зоны с высоким контрастом свойств [3]. Опыт применения информационных технологий для создания цифровых моделей месторождений полезных ископаемых [3,4] свидетельствует о наличии всех предпосылок для промышленного использования их в практике освоения минерально-сырьевой базы. Схема связи блоков формирования информационных потоков, составляющих основу единой цифровой модели переработки минерального сырья, приведена на рис.1

Рис.1. Схема связи информационных потоков в процессах переработки минерального сырья

1. Характеристика месторождения. Задача блока – сформировать «информационное поле», содержащее все данные о месторождении. Рассматриваемый блок представляет собой совокупность множества данных, полученных в ходе разведки и описания параметров минерально-сырьевой базы месторождения, данных оценки запасов, опробования и т.п. Главной особенностью горных пород, во многом определяющей процессы добычи и переработки, является неоднородность практически всех характеристик (структурных, физико-механических и др.), при этом вариация свойств зависит от размера рассматриваемых объектов. Очевидно, что без технологий Big Data, Data Science такое случайное множество данных не может быть вовлечено в систему управления процессами в рамках единой цифровой модели. Действующие геоинформационные системы (ГИС) оказались наиболее готовыми к встраиванию в единую цифровую систему переработки минерального сырья. В настоящее время в геомеханике месторождений практически повсеместно используются цифровые платформы, содержащие качественные и количественны характеристики, полученные на стадии разведки. В качестве исходных данных для моделирования используются геологические и структурно-тектонические карты, данные по скважинам, сейсмическая, петрофизическая и геохимическая информация, площадные данные грави- и магниторазведки, спектрозональные аэрокосмические снимки. Созданные на их основе цифровые 3D геолого-технологические модели дают наглядное представление о структуре рудных тел, их расположение во вмещающих породах. Физико-геологические модели могут быть использованы при планировании геологоразведочных работ, а также в исследованиях прогнозного извлечения различных видов полезных ископаемых. Широко применяемые программы трехмерного моделирования недр и подсчета запасов твердых полезных ископаемых с использованием методов прикладной геостатистики (отечественные – Geostatistical Software Tool, известных мировых компаний «Datamine», «GEMCOM», «Vulcan», «Micromine», «Surpac» и др.) позволяют реализовать полный цикл каркасного геологического моделирования, блочного моделирования месторождения, хранения и визуализации разных видов геолого-геофизической и геохимической информации. Высокая точность и надежность математических моделей месторождений основана на результатах данных современных методов разведки (геологической, геофизической и др.), позволяющих учесть распределение извлекаемых компонентов, обеспечить геолого-технологическое картирование. Геоинформационные системы (ГИС), благодаря формализации, стали первичным звеном для построения модели связи множества характеристик месторождения с параметрами процессов добычи и переработки минерального сырья. В данном случае оба эти направления воплощают один из принципов рациональной рудоподготовки – не добывать ничего лишнего путем формирования моделей буровзрывных работ и «сертификации минерального сырья по извлекаемой ценности (технологическим свойствам)». Можно согласиться с профессором Т.В. Башлыковой, что «сертификация минерального сырья позволит не только выразить в цифрах степень рациональности и комплексности использования недр, но и обосновать пути повышения эффективности освоения конкретного месторождения в условиях системного анализа и сопоставления с другими горно-перерабатывающими производствами» [5]. В этом отношении «сертификацию свойств минерального и техногенного сырья по извлекаемой ценности» можно рассматривать как элемент формализации, поскольку сертификация закрепляет за объектом совокупность величин, характеризующих связь с параметрами процессов последующей переработки. Построение функции «извлекаемой ценности» минерального сырья, как на стадии утверждения запасов, так и на «стадии освоения минерально-сырьевого объекта» предполагает построение множества моделей, характеризующих связи между свойствами объекта (состав, структура и др.) и всеми технологическими процессами, обеспечивающими переход минерального сырья в товарные продукты. Из трех факторов определяющих «извлекаемую ценность», связанных со свойствами, технологией и ценой товара, по крайней мере, два (свойства, цена) подвержены значительным вариациям. В этой связи создание сквозной цифровой экономической модели всего процесса от добычи до товарного продукта всегда будет актуальным.

Современные инструментальные методы определения вещественного состава и структуры минерального сырья, развитие концепции «квалиметрии недр» [6,7] создали предпосылки для цифровизации практически всех параметров, характеризующих как месторождение в целом, так и его минеральные составляющие. Ядерно-физические, рентгенорадиометрические методы, методы определения структуры на плоскости (ТЕМ-микроскопия, SEM-микроскопия, STM-растровая тунельная микроскопия, AFM-атомно-силовая микроскопия), в объеме (3D-рентгеновская компьютерная томография), программные пакеты для цифрового анализа горных пород PerGeos, НаноСкан-4D, CTan Demo и InVesalius позволяют представить в цифровом виде основные свойства горных пород. При этом диапазон измеряемых величин охватывает более десятка порядков: от масштабов оконтуривания месторождения до параметров кристаллической решетки минералов.

2. Параметры буровзрывных работ. Задача блока – представить связь между характеристиками горных пород месторождения и параметрами отбойки, производящей горную массу. Необходимо отметить, что второй блок по наполнению «информационного поля» обладает всеми данными для встраивания в объединенную цифровую модель. Исходные характеристики минерально-сырьевой базы являются основной для моделирования буровзрывных технологий, призванных управлять параметрами взрыва в зависимости от структуры и состава взрываемого блока. Повышенное внимание к взрывной отбойке обусловлено тем, что она является наиболее сильным воздействием на добываемое сырье, а также оказывает влияние на процессы рудоподготовки и обогащения. При этом «взрывное разрушение по энергетическим затратам с экономической точки зрения не считается безупречным и оптимальным что является важнейшим побудительным фактором для поиска путей оптимизации взрывного разрушения» [8].

Хорошей предпосылкой для оптимизации буровзрывных работ является то, что физика взрыва изучена достаточно полно, чтобы понимать природу избыточного появления крупных или пылевидных фракций, оценивать связь между параметрами взрыва, характеристиками взрывчатых веществ, свойствами горных пород и результатами взрывного воздействия. Наиболее интенсивная фаза разрушения при взрывной отбойке приходится на первый этап формирования ударной волны, создающей сверхизбыточное давление на стенки зарядной камеры. На первой стадии разрушения потенциальная энергия детонирующего взрывного вещества трансформируется в работу разрушения ударной волны, создающей кольцевую зону интенсивного разрушения, начинающегося с поверхности стенок зарядной камеры. В ближней зоне взрыва порода разрушается не только в волне сжатия, но и в квазистатическом поле напряжений, создаваемом расширяющимися продуктами детонации, при этом размер образуемых частиц обычно менее 1 мм. На расстоянии двух-трех радиусов заряда напряжения в волне становятся меньше предела прочности породы на раздавливание и ударная волна переходит в волну напряжения, которая приводит к радиальному сжатию слоев породы и появлению тангенциальных напряжений [9]. Эта зона во многом определяет динамику параметров ударной волны и характеристику продуктов последующего разрушения горного массива. Снижая затраты энергии на измельчение в ближней зоне взрыва, можно перераспределить ее на весь объем разрушения и тем самым повысить эффективность взрывного разрушения. При формировании взорванной горной массы необходимо учитывать иерархичный характер структуры горных пород, содержащих элементы с различной акустической жесткостью (акустический импеданс) λ=ρ∙С (ρ – плотность среды; С – скорость звука в среде). Волна сжатия, достигая границы среды с иной акустической жесткостью, отражается от нее и по законам акустики, превращается в волну растяжения. Соотношение энергии ударных волн (отраженной и прошедшей через границу раздела) определяется разностью акустической жесткости двух сред k= λ₁/λ₂ [9].  Управляемое разрушение по параметрам структуры λ_jвозможно при сохранении в отраженной волне максимальной величины начальной энергии. В этом случае на границе раздела структур с различным акустическим импедансом создаются растягивающие напряжения, обеспечивающие разрушение по границе рассматриваемого структурного образования. При создании имитационных моделей комплекса буровзрывных работ, важно иметь в виду как минимум три аспекта:

• снижение удельного расхода взрывчатых веществ на основе анализа связи крепости горных пород (сопротивление разрушению при бурении) и их взрываемости;
• оптимизацию параметров взрыва для снижения энергозатрат на дробление и измельчение руд;
• появление потока информации, получаемой при бурении, для анализа связи свойств буровых шламов с технологическими показателями руд.

Первый аспект включает анализ процессов буровзрывных работ в части снижения удельного расхода взрывчатых веществ (ВВ), принимая во внимание связь крепости горных пород (сопротивление разрушению при бурении) и их взрываемости. Буровзрывные работы (БВР) являются первой стадией всего цикла работ по добыче и переработки полезных ископаемых, при этом сами процессы бурения становятся источником информации для формирования сетки взрыва и его параметров. Рассматривая первый аспект модели, необходимо отметить его основное назначение – оптимизировать затраты на БВР (преимущественно за счет снижения расхода ВВ) при обеспечении качества образуемой горной массы. Критерием качества подготовки горных пород к выемке является соответствие горной массы требованиям заданного гранулометрического и вещественного состава. Однако уже на стадии проектирования БВР возникают проблемы, связанные с неопределенностью и недостатком информации о структурных и прочностных характеристиках горных пород, определяющих взрываемость. Отсутствие достаточно надежных и оперативных методов оценки прочностных свойств пород и их неоднородности в пределах блоков приводит к завышению нормативных значений удельного расхода ВВ, который задается по наиболее трудновзрываемым разновидностям. Поскольку проектирование взрывов ведется по усреднённым характеристикам, в схемах бурения закладывается завышенный резерв расхода ВВ. Считается, что коэффициент использования энергии взрыва по разным оценкам не превышает 10%; при этом надо четко понимать относительно каких параметров этот показатель рассчитывается: общая энергия на фрагментацию, кинетическая энергия на разлет, грансостав горной массы, величина вновь образованной поверхности и т.п. Возможности повышения кпд взрыва следует искать в оптимизации расхода ВВ за счет повышения эффективности передачи энергии взрыва разрушаемому массиву с учетом вариации прочностных свойств горных пород, выявляемых в ходе детальной и эксплуатационной разведок. Технологические карты буримости и взрываемости пород составляются на информационной базе данных технологического картирования месторождения по извлекаемым минеральным комплексам. Дополнение этой информации характеристиками, связывающими параметры буримости-взрываемости с текстурными, структурными, прочностными и технологическими свойствами извлекаемых минералов позволит расширить область регулирования параметров взрыва. Основой для такой связи являются энергетические характеристики, поскольку удельная энергия взрыва является универсальным показателем, который не только характеризует взрываемость массива, но и позволяет установить связь с энергозатратами при бурении [10-13]. Появление таких моделей позволяет определять удельный расход ВВ по энергозатратам на бурение, поскольку энергоемкость шарошечного бурения во многом определяется прочностными свойствами пород. Как уже отмечено, в процессе бурения появляется новые массивы информации о связи горно-геологических параметров с показателями буримости, взрываемости, требующие хранения, последующей обработки и применения, в том числе и в процессах рудоподготовки. Решению задач оптимизации БВР и снижение расхода ВВ способствуют программные продукты (например, TCAD+ и iSURE), которыми оснащаются современные буровые установки. Так, программно-технический комплекс Blast Maker позволяет использовать в качестве исходной информации данные, переданные непосредственно с бурового станка, для оптимизации ведения буровзрывных работ в режиме реального времени и в режиме накопления данных. Таким образом, появляется возможность картирования месторождения не только в ходе разведочного, но и эксплуатационного бурения, осуществлять своего рода динамический мониторинг свойств горных пород по показателю буримости. Учитывая, что данный параметр напрямую связан с энергоемкостью бурения и с технологическими параметрами рудоподготовки [2], подобный программный комплекс может быть легко увязан с цифровыми моделями последующих переделов переработки сырья, используя их, например, как функциональные модули при построении геолого-технологической модели отработки месторождения в целом. Практика регулирования сетки взывания и параметров взрыва в зависимости от структурных и прочностных свойств взрываемых пород подтверждает эффективность подобных решений для поиска путей оптимизации расхода ВВ [14]. Современные геотехнологии располагают большим арсеналом средств для регулирования взрывного воздействия: изменение конструкции заряда (гирляндовые, шланговые и сплошные), применение комбинированных зарядов с изменяющимися энергетическими свойствами по длине скважины, вариация массы заряда, варьирование сетки скважин, изменение интервала замедления, порядка инициирования контурных зарядов и др. Возможность оптимизации параметров взрыва за счет появления волновых эффектов на неоднородностях структуры горного массива теоретически показана в работах [15,16].

Второй аспект рассматриваемой модели характеризует область, связанную с оптимизацией параметров взрыва в части снижения энергозатрат на последующее дробление и измельчение руд. Предполагается поиск параметров взрыва, обеспечивающих:

• формирование такой структуры горной массы, которую можно рассматривать как источник первичного разделения минерального сырья на продукты по содержанию извлекаемых элементов;
• избирательное разупрочнение горных пород на уровне минеральных компонентов.

В данном случае речь идет о модели связи структурно-петрофизических свойств минерального сырья и параметров взрыва с характеристиками горной массы, позволяющей разделять ее на технологические потоки, пригодные для предконцентрации. Возможность управления взрывом для формирования горной массы в виде фрагментов с заданными свойствами основана на зависимости характеристик горной массы от текстурно-структурных параметров, неоднородности прочностных свойств различных элементов массива. На сегодня взрывное разрушение является, пожалуй, единственным методом, способным в результате высокоэнергетического объемного воздействия вызвать микроповреждения и макро разрушения на структурных уровнях размерами от долей миллиметра до десятков сантиметров. Перемещение объемного разупрочняющего воздействия на стадию взрывного разрушения для оптимизации энергозатрат актуально еще и потому, что кпд взрывного разрушения значительно превышает кпд дробильно-измельчительных устройств, несмотря на несколько более высокую стоимость «химической энергии» по сравнению с электроэнергией [17]. У взрывного воздействия есть все предпосылки для селективного разупрочнения руд: высокое давление ударных волн, широкий частотный спектр волн для появление в массиве растягивающих напряжений на границах неоднородности сред с различным акустическим импедансом. Поскольку на данном этапе разрушения мы имеем дело с размерами текстурной неоднородности, соизмеримыми с длинами упругих волн, распространяющихся в «текстурированных минеральных средах», применение волновых теорий разрушения является вполне уместным, а возможность появления резонансных явлений в элементах структурной неоднородности соответствующего масштаба способно усилить эффект селективного воздействия. Теории волновых процессов при взрыве показывают, что формированием параметров взрывного воздействия (сетки скважин, массы ВВ, числа ступеней замедления, интервалов замедления, комбинированных зарядов и др.) можно добиться, чтобы в массиве генерировались упругие волны различной длины λ1,λ2….λj . Тем самым можно создать предпосылки для «охвата» волновыми процессам размерного ряда d1.d2…dj соответствующего текстурно-структурным неоднородностям, и получить фрагменты уже не в виде кусков с хаотичным распределением структур и случайным набором минеральных компонентов, а разрушенные селективно по текстурной неоднородности фрагменты для последующего концентрирования. Селективным разрушением при взрывной отбойки можно считать формирование текстурных элементов разделения, пригодных для первичной предконцентрации горной массы в технологические потоки по соответствующим признакам. Таким образом, уже на начальном этапе рудоподготовки из взорванного массива можно выделять куски (текстурно-структурные блоки) от 200÷300 мми ниже с избирательно сконцентрированными разделительными признаками. Очевидно, что в данном случае возможно увеличение числа товарных потоков путем формирования из взорванной горной массы технологических сортов, объединенных некоторым усредненным разделительным признаком. Для этих структурированных потоков потребуется более «тонкая настройка» режимов соответствующих стадий рудоподготовки как в части дезинтеграции, так и разделения.

Выделение текстурно-структурных фрагментов во взорванной горной массе, не исключает поиска воздействий на более низком уровне неоднородности, на уровне микро нарушений в структурах меньшего размера. В данном случае речь идет о дополнительном избирательном разупрочнении (о наведении сетки микротрещин среди минеральных комплексов), способном в дальнейшем снизить энергозатраты на стадиях дробления и измельчения. Разупрочняющее действие взрыва, следует рассматривать в соответствии со структурной иерархией руд, когда микроразрушения в результате интенсивного развития микротрещин формируются в разных объемах неоднородности, сохраняя в ряде случаев сами структурные элементы неразрушенными. Неоднородность горных пород вызывает появление в этих объемах структурные напряжения и избирательное разрушение, зависящие главным образом от различия упругих свойств породообразующих минералов и их анизотропии. Снижение энергозатрат на последующее разрушение руд при увеличении расхода взрывчатых веществ (ВВ) не вызывает сомнения [18]. Важно отметить, что первоочередной задачей является не увеличение используемой энергии ВВ, а возрастание доли энергии на разупрочнение и дробление горных пород за счет кпд взрыва. Увеличение доли энергии, передаваемой в породный массив для изменения параметров поля напряжений, за счет длительности взрывного импульса и его формы, способно вызвать разупрочнение руд без увеличения энергии заряда взрывчатого вещества [19]. Установлено, что взрывное разупрочнение в большей степени сказывается на снижении энергоемкости дробления, чем на снижении энергоемкости измельчения. Отследить и однозначно подтвердить значимость влияния расхода ВВ на более энергоемкие процессы измельчения достаточно сложно, так как в большинстве своем эти изменения обусловлены увеличением содержания мелких классов в продуктах взрывной отбойки [2].

Третий аспект характеризует возможность использования информационных потоков (данных), получаемых при анализе буровых шламов, для оценки связи параметров бурения с технологическими свойствами руд. Как уже отмечалось, в процессе подготовки горного массива к взрывной отбойке формируется объект, способный служить источником оперативной информации о технологических свойствах минерального сырья, о параметрах, позволяющих осуществлять «сертификацию минерального сырья по извлекаемой ценности)» и т.п. Речь идет о шламах шарошечного бурения (как правило, скважин 250мм), по ко­торым обычно осуществляется лабораторная оценка обогатимости, и на основании которых составляется план-график добычи и шихтовки руд для перера­ботки. Указанный объект по своим гранулометрическим и структурным характеристикам близок к продукту питания второй стадии измельчения, на которой и реализуется собственно раскрытие руды для последующего обогащения. Информативность параметров буровых шламов (структура, грансостав, энергия и усилие разрушения различных фракций, раскрытие и обогатимость) показана исследованиями, выполненными на различных рудах [2]. Выявлена непосредственная связь между физико-механическими свойствами минералов, структурными ха­рактеристиками руд, особенностями разрушения и тех­нологическими показателями, определяющими измельчение и обога­щение. Анализ структурных и прочностных свойств руд и минералов позволил дать их уточненную классификацию с учетом особенностей разрушения на различных стадиях измельчения и раскрытия. Исследования связи параметров взрываемости руд с их структурными и иными характеристиками подтвердили устойчивую связь между категориями взрываемости и показателями буримости горных пород. Одновременно выявлена связь между категориями взрываемости пород, структурными характеристиками с технологическими показателями обогащения руд. Доказано, что буровые шламы являются источником объективных характеристик взрываемого блока, а также позволяют проводить классификацию руд по технологическим показателям. Комплекс генерируемых данных с использованием статистических моделей (метод главных компонент и множественный регрессионный анализ) позволил установить связь прочностных свойств, раскрываемость и обогатимость с обобщенными технологическими свойствами руд; описать связь между параметрами буримости, взрываемости и физико-механическими, структурными характеристиками, в том числе и обогатимостью разновидностей руд [20,21]. Новая информация позволяет использовать полученные результаты для технологического картирования, разработки планов буримости, прогнозирования объемов переработки и качества обогащения руд соответствующих участков. Оперативному сбору информации могло бы способствовать создание роботизированного комплекса, позволяющего проводить анализ буровых шламов и получать информацию о структуре, грансоставе, энергии и усилии разрушения различных фракций, показателях раскрытия и обогатимости и т.п. Отдельные элементы подобного комплекса описаны в [2].

3. Базы данных процессов переработки руд. Информационную область рассматриваемого блока представляют процессы переработки минерального сырья. Задача блока – обозначить основной массив баз данных, позволяющих формировать модели процессов рудоподготовки и обогащения. Анализ показывает, что этот блок оказался наименее готовым к встраиванию в единую цифровую модель. Указанное обстоятельство связано с множеством параметров меняющихся на разных стадиях переработки минерального сырья, например, только в процессах раскрытия руд размер объектов меняется на 4÷5 порядков. В последние годы для расчета и оптимизации технологических схем действующих и проектируемых обогатительных предприятий широкое распространение получили различные программные продукты, например, USIM PAC и JKSimMet. В общем случае модели используют в качестве управляемого параметра реакционно связывающие величины «вход-выход». В большинстве случаев параметр управления редко напрямую связан с физическими свойствами объекта и базовыми явлениями управляемого процесса. Однако эффективность применения тех или иных моделей определяется тем, насколько они адекватно отражают физические (физико-химические) процессы, определяющие поведение материала процессах рудоподготовки, насколько правильно определена функция реакции выходных и входных параметров. Если говорить о дезинтеграции, то свойства руды, отвечающие за результат разрушения, относятся к типу, характеризующемуся статистическим распределением с высоким уровнем вариации по параметрам прочности и энергии разрушения. При этом параметры распределения указанных величин изменяются уже в течение первых оборотов мельницы и продолжают непрерывно меняться вплоть до выхода материала из неё. По мере сокращения размеров разрушаемых фрагментов, меняются не только прочностные характеристики, но и параметры распределения, например, дисперсия. В ряде случаев может появиться рассогласованность длительности реакции входных и выходных параметров, которая неизбежно сказывается на качестве и оперативности управления. Так, при моделировании процессов самоизмельчения с участием магнитной сепарации необходимо учитывать, что длительность реакции раскрытия минералов в мельнице на порядки выше длительности реакции разделения (магнитной сепарации), в результате появляется упомянутый временной разрыв, снижающий качество управления.

Отсутствие во многих случаях адекватных физических моделей не позволяет идентифицировать и оценивать параметры, определяющие условия переработки. Наиболее «слабым звеном» следует признать объективность информации, характеризующей процесс раскрытия минералов при разрушении руд. Существующие подходы к раскрытию минералов основаны на сплошном измельчении, превращающем руду в продукт размером в сотни (десятки) микрометров с избыточными затратами энергии. На практике раскрытие сводится к банальному сокращению крупности и рассматривается в концепции измельчения материала, а не дезинтеграции. Практически все действующие модели раскрытия в той или иной степени базируются на структурно-геометрических представлениях об объекте (King R.P.,Wigley F., Gaudin A.M.) и случайном разрушении. Подобные модели игнорируют фундаментальные факты: результат разрушения на каждой стадии рудоподготовки (от взрывной отбойки до раскрытия минералов) определяется разными характеристиками минерального сырья, результат разрушения зависит от текстурно-структурной иерархии руд, от изменения технологических характеристик сырья, дисперсии параметров, их изменений в процессах переработки и др. Таким образом, уже в самом начале рудоподготовки закладывается неверный информационный ресурс, на котором основываются все последующие модели процессов переработки минерального сырья. В этом отношении физически неверно отождествлять измельчение и раскрытие при разрушении руд в силу принципиального отличия целей и методов их достижения. Цель измельчения – максимальный выход заданных классов крупности, достигаемый многократным сокращением размера исходного продукта при неизбежном увеличении вновь образованной поверхности. Цель селективного разрушения – раскрыть извлекаемые минералы в естественной крупности и при минимальной вновь образованной поверхности. Указанные обстоятельства заставляют рассматривать технологии сокращения крупности и заключительную стадию раскрытия минералов как разные процессы рудоподготовки. Специфика обусловлена различием подходов к разрушению и их зависимостью от целей, размеров и свойств объекта. Селективное разрушение не предполагает разрушение руды до размера извлекаемого минерала и избыточной вновь образованной поверхности. Теоретические затраты энергии на раскрытие можно сопоставлять с фактическими только при селективном разрушении, когда вновь образованная поверхность мало отличается от поверхности срастания разделяемых минералов. Поэтому потребление энергии при измельчении в несколько десятков кВтч/т нельзя признать физически обоснованным для раскрытия руд. Поскольку при обычном измельчении вновь образованная поверхность гораздо (в десятки раз) больше поверхности срастания, сокращение объема материала при селективном разрушении позволяет в разы снизить энергопотребление на раскрытие. Теоретически нижний предел, энергии необходимой для образования новой поверхности определяется известным соотношением А=γ*S (γ–удельная поверхностная энергия, S-вновь образованная поверхность или поверхность срастания). При средних оценках для большинства минералов (γ=3Дж/м², S=150мм²/мм³) получим расчетную величину энергии, необходимой для раскрытия, порядка 0,4кВтч/т. С учетом переизмельчения некоторой части минералов и при общей поверхности разрушения структурного элемента порядка 5000см²/г, затраченная энергия составит около 0,4кВтч/т, т.е. обе оценки на два порядка ниже тех, что потребляют промышленные мельницы. По известным причинам указанный предел практически недостижим, поскольку в данном случае не учтены потери на пластическую деформацию в зоне роста трещин, потери упругой энергии, накопленной к моменту разрушения и целый ряд явлений, сопровождающих разрушение (электромагнитное, акустическое излучении и т.п.). Основная энергия, потребляемая при измельчении, теряется “по пути”, т.е. в процессе трансформации работы внешних нагружающих устройств в упругую энергию и энергию, израсходованную непосредственно на образование новой поверхности. Снижение энергозатрат на раскрытие руд может быть достигнуто рациональным использованием энергии внешних нагружающих устройств, соблюдением соотношения физически необходимого и достаточного.

Условия раскрытия минералов сложно определить априори, поскольку существующие теории разрушения многокомпонентных материалов не позволяют рассчитать деформации в минеральных комплексах и на границе их срастания в величинах, пригодных для практического применения. В этой связи основой для выбора оборудования и технологий рудоподготовки могут служить эмпирические модели, описывающие связь структурных параметров, характеристик руд и раскрываемых минералов с параметрами нагружения и показателями раскрытия. Без физического моделирования процессов раскрытия невозможно построить базис модели дезинтеграции – основной операции рудоподготовки, определяющей все процессы переработки и все сопутствующие проблемы избыточной поверхности продуктов разрушения: обезвоживание, сушка и организация хвостохранилищ. Многие проблемы обусловлены различием трактовок и определений принятой терминологии, например, в рассматриваемых процессах рудоподготовки часто присутствует подмена понятий – измельчение и дезинтеграция. Несмотря на множество определений понятия дезинтеграции (в зависимости от области применения), в рассматриваемой проблеме рационально идти от сути поставленных задач. В общем случае руду можно рассматривать как многокомпонентный агрегат, структурно представленный интегрированными зернами минералов различного размера в монокристаллическом или в поликристаллическом виде. В большинстве своем интеграция минеральных комплексов происходит по границам срастания, имеющим качественное минералогическое описание и устоявшуюся классификацию. Антоним понятия интеграции – дезинтеграция соответствует решению обратной задачи: раскрытие составляющих структурных элементов при разрушении руд. Дезинтеграция как результат представляет собой физическое отделение (освобождение, liberation в зарубежной литературе) минералов друг от друга в их исходном структурном состоянии. В этом отношении, например, растворение какого-либо минерала (комплекса) нельзя назвать дезинтеграцией, поскольку он перешел в иное агрегатное (или фазовое) состояние. В данном случае более уместно использования понятия селективное растворение. В работе [2] дан подробный анализ понятия «селективное разрушение», которое можно рассматривать как частный случай дезинтеграции при однозначном определении предмета селективности (граница срастания, разные минеральные комплексы или их агрегаты и т.п.). Дезинтеграция как процесс представляет собой совокупность актов физического разделения по границам раздела структур интегрированных в агрегат (минералов, минеральных комплексов). Сам процесс может протекать непрерывно или дискретно в результате внутренних напряжений между разделяемыми структурными элементами, при этом напряжения могут быть созданы внешними или внутренними воздействиями. Приведенное определение дезинтеграции позволяет сформировать физическую модель при наличии экспериментально измеряемых величин, характеризующих свойства объекта в целом и его составляющих, а также параметров, характеризующих воздействия, создающие напряжения в объекте дезинтеграции. Принимая во внимание сложные взаимоотношения раскрываемых минералов, большую вариацию минералов по размеру и физико-механическим свойствам, практическую дезинтеграцию логично представить в виде процесса дискретной трансформации разрушаемого материала в структурные элементы разделения и структурные элементы раскрытия [2]. Процесс дезинтеграции задается режимами деформирования (жесткий или мягкий, локальный или объемный, однократный или циклический) и на каждой стадии определяется свойствами руды и раскрываемыми минералами. Отсутствие физической модели раскрытия не позволяет адекватно прогнозировать стадии рудоподготовки, обеспечивающие требуемый результат, в том числе и с использованием различных видов селективного разрушения. Разработка адекватной модели дезинтеграции невозможна без соответствующего набора методов и оборудования, позволяющего измерять комплекс физических характеристик объекта и его реакцию на воздействия, осуществляющие дезинтеграцию. Некоторые из устройств, позволяющих осуществлять измерение и статистическую обработку прочности различных фракций, характеристики свойств руд и минералов приведены в работе [2].

Вместо заключения

В работе приведен подробный анализ проблем, с которыми придется столкнуться отраслям, занимающимися переработкой минерального сырья при переходе на цифровые методы управления процессами взрывной отбойки, рудоподготовки, получения товарных продуктов, утилизации отходов и т.п. Предложенная схема на первый взгляд выглядит как набор идей, однако каждое из предлагаемых направлений имеет научное обоснование и практику применений по ряду направлений, в данном случае мы имеем дело не просто суммой технологий, а с конвергенцией разных наук.

Существует мнение, что сами по себе идеи не нужны, поскольку важна только идея, реализованная в техническом решении, в продукте и т.п. (справедливости ради следует отметить, что новый продукт без идеи не рождается). В коммерческом смысле такой посыл имеет право на существование, однако необходимо понимать, что идея – это уже по сути «идеальный» продукт. Материализация идеального продукта возможна при наличии целого ряда предпосылок, основной из них можно считать техническую (технологическую) готовность для ее реализации. Наглядный пример – очевидная, с точки зрения физических предпосылок, идея использования магнитного поля для разупрочнения руд, содержащих магнитные минералы, в конечном итоге так и не была доведена до промышленной реализации. Эта идея началась разрабатываться в институте «Уралмеханобр» еще в 70 годах прошлого века при исследовании границ срастания магнетита с нерудными минералами. Результаты выполненных исследований показали, что указанные физические предпосылки являются необходимыми, но недостаточными для создания устройств, обеспечивающих увеличение показателей раскрытия минералов в промышленных масштабах. Экспериментальные исследования, выполненные в широком диапазоне вариации параметров: напряженность, градиент, длительность импульса, частота повторения импульсов, частота индукции магнитного поля и др. показали, что воздействие магнитного поля позволяет при определенных условиях вызвать разупрочнение руд за счет появления напряжения на границе срастания магнетита и нерудных минералов. Выявлено существенное влияние магнитного поля на кинетику массопереноса различных фракций раскрытых и нераскрытых фрагментов. Однако создание устройств, позволяющих реализовать такие воздействия в объемах, необходимых для промышленной переработки железных руд, натолкнулось на препятствия, связанные с нелинейным масштабированием параметров при создании импульсных магнитных полей в больших объемах, а также отсутствием надежных постоянно действующих источников импульсных токов для питания таких установок. Периодический режим работы генераторов импульсного тока, используемый в лабораторных устройствах, оказался непригодным в практике непрерывного и многотоннажного производства железорудных концентратов. Формально идея была проверена, показала эффект, прошла апробацию на лабораторных установках, однако не была доведена до промышленной реализации, даже спустя десятилетия, когда к этой теме вновь вернулись некоторые исследователи в 21 веке. Так случилось, что вся тематика, связанная с применением сильных импульсных полей в СССР была закрытой для публикации, поэтому результаты исследований (авторские свидетельства, статьи и пр.) проходили по закрытой тематике и имели ограниченный доступ до середины 90-х годов. Тем не менее, научные или инженерные идеи, не получившие технического воплощения, пополняют информационную базу и являются «питательной» средой интеллектуальной системы True Machina , предназначенной для генерирования изобретений, системы, способной по замыслу авторов с высокой скоростью непрерывно изобретать новые технологии.

Появление в последние годы множества новых математических методов построения моделей различных процессов, в том числе и с использованием искусственного интеллекта, не означает отказ от физического моделирования. Наоборот, только данные полученных при физическом моделировании могут стать адекватной основой входных-выходных параметров моделей. Можно предположить, что от нейросетевой модели, обученной на базе гипотетических данных, вряд ли следует ожидать результата отличного от гипотетического.  Тем не менее, несмотря на множество проблем, связанных с применением цифровых технологий в процессах переработки минерального сырья, нет никаких принципиальных препятствий для создания имитационных моделей всего цикла работ, включающих идентификацию характеристик месторождения, буровзрывные работы по формированию горной массы и все последующие стадии переработки.