Возможности и роль современных горных наук и смежных научных дисциплин в решении проблем горнодобывающей отрасли, управления горнотехническими системами и экологического оздоровления российских регионов обсудили члены РАН и представители профильных министерств и ведомств на заседании Президиума Российской академии наук под председательством президента РАН академика Геннадия Красникова 22 апреля.

Со вступительным словом выступил академик-секретарь Отделения наук о Земле РАН академик РАН Николай Бортников. Он подчеркнул, что вопрос развития минерально-сырьевой базы страны имеет огромное значение и требует комплексного подхода. Необходимо учитывать целый ряд аспектов: геологических — имеются ли достаточные минеральные ресурсы и резервы; горно-технических — можем ли мы извлекать их из руд; экономические — можем ли мы извлекать металлы по цене, доступной для пользователей; и не менее важные вопросы — экологические, социальные. Текущий президиум посвящён вопросам добычи и обогащения полезных ископаемых — самому дорогому и сложному этапу производственной цепочки. И именно этому этапу требуется уделять достаточное внимание.

В заседании Президиума принял участие министр энергетики РФ Сергей Цивилев. В начале своего выступления он отметил, что между Министерством энергетики и Российской академией наук давно налажена плодотворная совместная работа: «При поддержке академии был создан научно-образовательный центр Кузбасс, который специализируется на твёрдых полезных ископаемых. К Кузбассу присоединились Луганская, Донецкая и Ростовская области, и теперь это уже большой научно-образовательный центр, который специализируется на твёрдых полезных ископаемых. Многие положения, которые разрабатываются в этом центре, включая комплексную научно-техническую программу „Чистый уголь — зелёный Кузбасс“, разрабатывались при полной поддержке Российской академии наук».

Также глава Минэнерго рассказал о состоянии угольной промышленности, в настоящее время переживающей кризис из-за ряда негативных факторов, и выразил уверенность в перспективах её развития.

Академик РАН Валерий Захаров выступил с докладом «Горнотехнические системы полного замкнутого цикла разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых». «Развитие горных наук и минерально-сырьевой базы России — это серьёзная и большая тема, которая затрагивает наше существование в мире, нашу национальную безопасность и касается вопросов технологического развития, экологии и безопасности горных работ», — подчеркнул он. Валерий Захаров рассказал, что с каждым годом в мире возрастает потребление минеральных ресурсов. На сегодня уровень добычи минерального сырья в мире суммарно составляет порядка 19 миллиардов тонн. С 1960 по 2018 годы мировая добыча железной руды возросла в 5 раз, бокситов в 11, угля в 3,2, производство цемента в 6 раз. За этот же период мировая выплавка стали возросла в 60 раз, хрома в 11, алюминия в 14, никеля в 6 раз. Этот рост будет продолжаться в связи с активным развитием экономик таких государств, как Китай, Индия, Бразилия, Индонезия и ряда других.

В связи с этим академик отметил проблему больших энергозатрат на добычу полезных ископаемых и подчеркнул основную задачу по оптимизации технологических процессов и поиску таких подходов, которые бы минимизировали затраты электроэнергии на вентиляцию, подъём, бурение и транспорт, которые в данном случае являются одними из основных. В качестве ещё одной актуальной проблемы академик Захаров назвал безопасность горных работ. Здесь перед отраслью стоит актуальная задача по модернизации нормативно-правовой базы, технологических схем отработки, мониторинга и контроля технологических процессов.

Валерий Захаров выделил приоритетные направления научных исследований и проектов в области технологического обеспечения горных работ. Среди них — исследование и разработка роботизированных и автоматизированных геотехнологий с минимальным присутствием людей в зонах ведения горных работ; геотехнологий комплексного освоения и сохранения недр Земли с полным замкнутым циклом процессов добычи, переработки и консервации горных и перерабатывающих предприятий; технологий переработки техногенных образований и бытовых отходов с получением полезных продуктов; современного оборудования, инновационных реагентов и технологических процессов обогащения и глубокой переработки минерального сырья.

О применении цифровых технологий для комплексного решения задач освоения рудных месторождений рассказал директор Горного института Кольского научного центра РАН Сергей Лукичёв. «Следующий уровень цифровой трансформации — это создание цифрового двойника, на основе которого будет строиться безопасная, автоматизированная технология добычи, и главным условием формирования цифрового двойника является создание единого цифрового пространств», — отметил он.

По словам Сергея Лукичёва, в 90-95 % случаев крупные горнодобывающие предприятия, которые выступают драйверами цифровой трансформации горнодобывающей отрасли, строят свои цифровые системы на импортных продуктах, что не очень хорошо с точки зрения технологической безопасности. Тем не менее, в России существуют программные продукты класса горно-геологических информационных систем, и одна из них на протяжении почти 28 лет разрабатывается в Горном институте Кольского научного центра. Сергей Лукичёв рассказал о возможностях и потенциале развития этой системы.

Член-корреспондент РАН Татьяна Александрова выступила на тему «Инновационные процессы комплексной и глубокой переработки стратегического минерального сырья». Для развития технологий обогащения и глубокой переработки руд стратегических металлов для высокотехнологической промышленности, она предложила объединить исследования ведущих организаций РАН, отраслевых институтов, вузов, инжиниринговых компаний по разработке экологически безопасных технологий извлечения стратегических металлов из комплексных руд сложного вещественного состава, выделения ценного сырья из технологических источников. В продолжение темы использования цифровых технологий Татьяна Александрова также предложила расширить применение методов моделирования и искусственного интеллекта для совершенствования технологий обогащения.

Директор Института проблем промышленной экологии Севера Дмитрий Макаров рассказал о методах переработки отходов горных предприятий в условиях Арктической зоны на примере Мурманской области. «Устойчивое развитие горных предприятий неразрывно связано с решением накопившихся экологических задач, — отметил он. — В этой связи особенно актуальными становятся исследования твёрдых отходов горных предприятий, как потенциального источника негативного воздействия на окружающую природу, так и техногенных месторождений».

Помимо вопросов хранения и переработки твёрдых отходов Дмитрий Макаров затронул проблему очистки сточных вод, которые характеризуются большими объемами и широким спектром загрязняющих веществ. Совместно с учёными Института проблем комплексного освоения недр РАН была обоснована эффективность применения электрохимической коагуляции для очистки шахтных вод рудника Северной Кольской ГМК. Кроме того, растёт актуальность применения природоподобных технологий. Одним из примеров такой технологии стала фитоочистная система Constructed Weapon для отчистки сточных вод от соединений азотной группы. Система основана на симбиозе высшей растительности, бактерий и микроводорослей, была создана в 2013 году и успешно эксплуатируется на отстойнике Кировогорского карьера Оленегорского ГОКа. Резюмируя, Дмитрий Макаров отметил, что озвученные методы могут быть адаптированы для горных предприятий и других регионов.

Член-корреспондент РАН Лев Левин представил доклад, посвящённый аэрологическим рискам на современных горнодобывающих предприятиях. Учёный акцентировал внимание на проблемах, связанных с разработкой глубоких месторождений, таких как шахта «Рудника-Скалистая» (ГМК «Норильский никель»), где температура пород достигает 51 °C, а воздух прогревается до 54 °C: «Практически всё оборудование, которое применяется, ограничено 40 градусами. Кроме того, серьёзная проблема наблюдается в ограниченности приборной базы».

Учёный подчеркнул, что действующие нормативы не учитывают экстремальные условия глубоких шахт (высокие давление, температура и их влияние на здоровье). Для решения этой проблемы разработаны взрывозащищённые кондиционеры: стационарные (охлаждают технику и зоны отдыха), мобильные (до 450 кВт) и централизованные системы для целых рудников. Особый вызов, по словам учёного, представляет отсутствие метрологической базы для поверки приборов в условиях высоких температур. Это потребовало совместных исследований с гигиенистами для оценки воздействия среды на организм человека и пересмотра вековых практик проветривания.

Итогом работ Лев Левин назвал формирование новой научной дисциплины — аэрологии глубоких рудников, которая позволит безопасно осваивать стратегические месторождения никеля, платины и кобальта. Внедрённые решения уже применяются на объектах Норильска, открывая путь к устойчивой добыче на глубинах свыше 1900 метров.

Член-корреспондент РАН Игорь Рассказов представил доклад на тему комплексного мониторинга геодинамических систем для прогнозирования горных ударов. Учёный подчеркнул, что проблема прогноза таких событий требует интеграции теорий, численных моделей и экспериментов: «Прогнозы предупреждения горных ударов и техногенных землетрясений — это достаточно сложная проблема, которая решается с объединением различных теоретических, численных и экспериментальных факторов».

Основой решения, по словам учёного, стали системы комплексного геомеханического мониторинга, объединяющие цифровые измерительные комплексы с высокой автоматизацией. Они уже применяются в Стрельцовском и Дальнегорском районах. Эти системы регистрируют события в широком диапазоне (500–12 000 Гц), фиксируя даже слабые предвестники ударов. Важным аспектом доклада стала борьба с помехами: полезные сигналы от горных пород маскируются шумами от техники и взрывов. Для их фильтрации используются аппаратные и программные решения, включая алгоритмы на базе машинного обучения. Это позволило повысить объём полезной информации в 15 раз на южном полиметаллическом месторождении. Итогом выступления стал тезис о том, что комплексный мониторинг обеспечивает безопасность горных работ за счёт раннего выявления угроз и своевременного вмешательства.

Доктор физико-математических наук Сергей Лавриков из Института горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН представил доклад, посвящённый методам контроля состояния горных пород и инженерных сооружений при глубокой разработке стратегических месторождений. Учёный отметил, что рост глубины добычи усиливает риски: «Техногенные поля напряжения, которые возникают в окрестностях выработанного пространства, могут до трёх-пяти раз увеличиваться по сравнению с естественным природным полем напряжений».

Учёный рассказал о разработанных институтом автоматизированных комплексах для полевых измерений, включая метод гидровзрыва и параллельных скважин. Эти инструменты позволяют определять напряжённое состояние пород на глубинах до 1700 метров, как, например, на месторождениях Норникеля. Для мониторинга деформаций созданы специализированные приборы, успешно апробированные в Сибири и Дальнего Востока.

Особое внимание в докладе было уделено математическим моделям, имитирующим накопление энергии в породах. Эксперименты подтвердили, что даже слабые воздействия могут провоцировать динамическое высвобождение энергии, ведущее к катастрофам. Для прогноза дефектов предложен метод анализа упругих волн, выявляющий трещины на ранних стадиях. В конце выступления Сергей Лавриков подчеркнул, что сочетание полевых измерений и продвинутого моделирования позволяет снижать риски при освоении глубоких месторождений стратегического сырья.