Лекція 1 основні положення розробки родовищ корисних копалин Історія гірничої справи

Гірнича справа - область діяльності людини щодо освоювання надр Землі. Вона зародилась у глибокій давнині з виникненням людського суспільства і розвивалась у тісному зв’язку з його соціально-економічною структурою.

Найбільш достовірні і ранні відомості про гірничу справу періоду кам’яного віку знайдені в Африці, Європі та Азії; мідного і бронзового віку в державах Середземномор'я, в Малій Азії, на Балканах і в Альпах, на Уралі в Казахстані; періоду залізних знарядь - у державах античного світу Малої і Середньої Азії, Закавказзя, Західної Європи, у Китаї та Японії.

Виникнення гірничого промислу і ремесла та переростання їх у гірничу промисловість вперше проходять у державах античного світу і Західної Європи.

Відома з древніх часів розробка корисних копалин відкритим та підземним способом доповнюється в 1-му тисячолітті до нашої ери технологією видобутку за допомогою свердловин, а з 50-х років 20-го століття – технологією видобутку з морських акваторій.

Епоха гірничих знарядь склала найбільш довгий етап в історії гірничої справи.

Збирання кам’яної сировини йшло попереду цілеспрямованої розробки надр, і належить воно до раннього палеоліту (понад 2,5 млн. років назад). Період характеризувався збиранням з поверхні землі кам'яного матеріалу. Використовувалось близько 20 мінералів і більше 10 видів гірничих порід (яшма, обсидіан, роговик).

З одного боку, збирання каміння призвело до зниження запасів поверхневих родовищ, а з другого боку, призвело до вироблення навиків і виникнення техніки по обробці каміння, розповсюдженого в Африці, Азії та Європі.

З епохами мезоліту і неоліту зв'язано використання каміння, а потім і рогів тварин, як гірничих знарядь.

Початок використання мідних знарядь належить до 6-5-го тисячоліття до нашої ери.

Разом з міддю видобуваються руди золота, олова, миш'яку, свинцю. Проте висока міцність гірничих порід обмежувала застосування цих порід, тому, як наслідок, впроваджується спосіб штучного послаблення масиву за допомогою вогню та води. Пізніше почали застосовувати залізні долота і кайла (Вірменія, Алтай, Балкани та ін.)

Виробки повторювали контури рудного тіла. Для підтримки покрівлі застосовували цілики або кріплення з дерева. Руду піднімали у шкіряних сумах.

Для виїмки руд із поверхневих покладів викопували ями і котловани, які з часом почали називати кар'єрами. Виробки такого типу досягали довжини 100 м і глибини 20-30 м. У Казахстані древній кар'єр мав довжину 500 м, ширину 100 м і глибину до 18 м.

Перші письмові відомості про видобуток залізних руд відомі з середини 3-го тисячоліття до нашої ери.

У першому тисячолітті до нашої ери намічається різкий підйом гірничої справи у регіонах Старого Світу, в Китаї.

З формуванням феодального устрою пов'язаний новий підйом продуктивних сил і поширення видобутку корисних копалин.

У 4-5 століттях починається розробка вугільних родовищ у районі Л'єжа, в 13-му столітті в Європі впроваджується підземний видобуток кам'яної солі методом розчину.

Епоха гірничих машин пов'язана з виникненням мануфактурного виробництва. У цей час з'являється водяний двигун, розробляється теорія жолоба і напірної води. Особливо важливе значення відіграв винахід парового котла і в значній мірі універсального двигуна Дж. Уатта в 1774 р.

Якісно новий період настає під час промислового перевороту в 19 столітті з виробництвом гірничих машин. Так у 1934 Отис (СІЛА) розробив одноківшевий екскаватор, а в 1960 р француз И. Кувре - багатоківшовий екскаватор. З винаходом парових потягів починає застосовуватись залізничний транспорт для переміщення гірських порід.

Революція у розвитку гірничих робіт наступила із застосуванням для приводу машин і механізмів електроенергії. На зміну малопотужним машинам приходять потужні високопродуктивні машини і механізми. Для буріння свердловин застосовують верстати ударно-канатного буріння, на зміну яким прийшли шарошкові та інші високопродуктивні верстати Зростає ємність і параметри кар'єрних і розкривних екскаваторів. Все ширше застосовуються драглайни. Зростають об'єми видобутку, у виробництво впроваджують все бідніші руди, в зв'язку з чим у 50-х роках почалось будівництво великих гірничо-збагачувальних комбінатів. На даний час глибина сучасних кар'єрів досягла позначки 300-450 м, а в деяких випадках до 800 м. Щорічно із кар'єру вивозять десятки, а іноді і сотні мільйонів кубометрів гірничої маси, яка використовується не тільки в добувній промисловості, а і в інших галузях народного господарства.

Таким чином, гірнича справа стала незамінним сировинним ресурсом промисловості, транспорту, сільського господарства і будівництва. Вона являє собою суспільне виробництво, в якому працюють сотні тисяч людей. Цим визнається її значення у вітчизняній і світовій економіці.

В більшості країн світу однією з основних є проблема забезпечень потреб енергією.

Ця проблема багатогранна. У ній переплітаються питання пошуку, розвідки, видобутку, переробки і використання мінеральних видів палива, таких, як нафта, природний газ, вугілля, горючі сланці та торф. Сюди слід віднести в ролі первинного джерела енергії і мінеральну сировину для атомної енергетики (уранові, торієві руди та ін.). Крім мінеральних джерел енергії, вдосконалюються і проводяться вишукування більш ефективних методів використання природних джерел - енергії сонця, вітру, геотермального тепла та ін.

За всіх цих джерел сонце володіє практично невичерпною енергією. Однак, не дивлячись на вже створені і успішно працюючі геліоустановки дійсно ефективне і широке використання сонячної енергії для промислових та побутових потреб буде можливим, ймовірно, лише в середині слідуючого століття, коли будуть розв’язані на відповідному рівні всі основні, зв'язані з цим завданням проблеми.

|Відзначимо, що жодне з джерел (з тих або інших причин) не забезпечує зараз вирішення проблеми забезпечення енергією народного господарства в необхідних масштабах і не очікується такого рішення навіть найближчим часом. На структуру паливно-енергетичного балансу значний вплив мають форми суспільного виробництва життя, що склалися історично, географічні та кліматичні особливості країни, ступінь освоєння і розвинутості тих або інших районів, національні особливості культури і способу життя, крупні суспільні катаклізми (революції та війни).

Рівень розвитку науки і техніки дозволяє сучасній економіці орієнтуватись не на єдине джерело енергії, а на різні комбінації їх і в ряді випадків надавати перевагу місцевим паливно-енергетичним ресурсам.

Однак, складність вирішення проблеми забезпечення енергією не обмежується чисто внутрішніми технічними питаннями. Вона переплітається також з рядом світових економічних і політичних проблем, серед яких можна назвати: забезпечення доступу до іноземних джерел енергії, динаміку зміни кон'юнктури світового ринку, міжнародну політичну обстановку.

Слід пам'ятати, що в сучасному складному світі енергетичні кризи можуть виникати не тільки в результаті об'єктивних економічних причин, але й внаслідок політичних і політико-економічних дій урядів окремих країн, а також крупних міжнародних корпорацій і монополій.

Практично паливно-енергетичний баланс світу й окремих країн, насамперед розвинутих і тих, що розвиваються, визначається зараз і в значній мірі в найближчий час добуванням і використанням традиційних видів мінерального палива: нафти, газу, вугілля, горючих сланців.

У зв'язку зі сказаним, великої уваги спеціалістів всіх країн заслуговує питання кількісної та якісної оцінки потенціальних світових енергетичних ресурсів.

На жаль, через відсутність достатнього геологічного розвідування території ряду країн, недостачі опублікованих даних і відсутність єдиної міжнародної методики оцінки і класифікації геологічних запасів енергетичної сировини зараз неможливо дати повну і дійсну картину світових запасів цієї сировини. За даними Європейської економічної комісії ООН, вугілля складає 93% світових традиційних енергетичних ресурсів, нафта - 4% і природний газ - 3%.

У зв'язку з тим, що нині більше 60% світового попиту на енергію задовольняється за рахунок нафти і природного газу, на думку ряду спеціалістів, відомі світові запаси нафти в найближчому столітті будуть вичерпані на 80 %, природного газу - на 70%, а вугілля - всього на 1%. Інші спеціалісти вважають, що вже в кінці поточного століття в світі залишаться тільки великі запаси вугілля, остальні види викопного палива будуть практично вичерпані.

На нашу думку, до таких прогнозів слід відноситися дуже обережно, тому, що структура і темпи росту споживання енергії і геологічні запаси заново відкритих родовищ часто визначаються рядом факторів, вплив яких не завжди можна врахувати. Одне без сумніву: вугілля в найближчому столітті матиме велике значення для задоволення світового попиту на енергію. Про це свідчать рішення про розвиток видобутку вугілля, прийняті в Україні, Росії, США, Великобританії, Австралії, Канаді, та інших країнах.

За деякими даними, загальні прогнозні запаси вугілля в світі складають близько 14000 млрд. т, з яких певні (тобто майже відповідають прийнятим в СНД категоріям А + В + С₁) складають 1075 млрд. т. До числа найбільших вугледобувних країн, крім СНД. належать такі країни, як: США, НДР. ПНР, ФРН, ЧСР, Великобританія, КНР.

Не дивлячись на великі можливості всебічного розвитку паливно-енергетичного балансу, питання економії палива і заміни нафтових ресурсів вугіллям і горючими сланцями будуть ключовими у найближчій перспективі.

Роль вугілля в паливно-енергетичному балансі підвищується не тільки в Україні, але й в США, Великобританії, СРР, ПНР та інших країнах. Крупними експортерами вугілля на світовому ринку виступають США, ПНР, Австралія і ПАР.

Сучасна гірничодобувна промисловість світу досягла таких масштабів, що почала помітно впливати на природу Землі. Якщо розглянути виробничу діяльність людини в цілому стане зрозуміло, що без координованого і розумного, тобто науково обґрунтованого використання всіма країнами світу природних ресурсі Землі, нашому спільному "дому", може бути дуже швидко нанесена величезна і навіть непоправна шкода.

Багато прогресивних вчених, інженерів і громадських діячів світу шукають шляхи і форми об'єднання сил і засобів різних країн, незалежно від ї суспільного ладу, для вирішення назрілих проблем.

Гірничій промисловості належить одне із провідних місць у народному господарстві країни. Економічне значення гірничовидобувних галузей дуже велике. Забезпечуючи мінеральною сировиною промисловість, вони є основою її розвитку, від якого залежать можливості і темпи росту народного господарства в цілому. Ці галузі належать до числа найбільш капіталомістких, складних та трудомістких. Вони поглинають майже 40% всіх капіталовкладень у промисловість, а їх основні фонди складають 25% фондів промисловості нашої держави.

Багато тисячоліть існує гірнича справа - найголовніша складова частина продуктивних сил, яка в більшості випадків визначає ступінь і темпи розвитку країни. Без перебільшення можна сказати, що будова всієї сучасної цивілізації стала на фундаменті, створеному гірничим виробництвом.

У наш вік, який часто називають віком полімерних матеріалів, штучно створених матеріалів, зростає, а не зменшується потреба в корисних копалинах, котрі є вихідною сировино для більшості синтетичних матеріалів.

Розробка родовищ твердих корисних копалин супроводжується, як відомо виїмкою із надр значної кількості гірничих порід. Використання надр пов'язане зі щорічним вилученням понад 150 млрд. т. гірничих порід, у тому числі 20 млрд. т. корисних копалин. Очікується 4-6 кратне збільшення цих об'ємів.

Таким чином, мінеральні ресурси стали головною частиною нашого життя, вони є будівельними блоками нашого суспільства. Але чи достатньо їх забезпечення майбутнього людства? Імперії розквітали завдяки загарбаним, легко видобувним мінеральним ресурсам і згасали з їх виснаженням. Адже для того, щоб підтримувати життєдіяльність суспільства, обробляти поля, збирати врожай, будувати будинки, машини потрібні додаткові джерела енергії, яка нагадує натовп рабів, які безвідмовно працюють, щоб нагодувати, одягти, перевезти і зберегти всіх нас.

До того ж машини, які використовують цю додаткову енергію, настільки глибоко ввійшли в наше життя, що кожен хто проживає на Землі, має «енергетичних рабів", працюючих на нього.

Так у відносно відсталій Індії загальна кількість додаткової енергії на одну людину дорівнює роботі 15 рабів, працюючих 8 годин на добу, у Південній Америці - 30, в Японії – 100, в СНД - 120, Європі - 150, США та Канаді - 300 енергетичних рабів.

Ці показники наочно показують крайню залежність світу від мінеральних ресурсів, тому видобуток їх неухильно зростає.

Разом із розвитком гірничої справи розвивалась гірнича наука. Вона зародилася в надрах виробництва і на початку являла собою зведення правил щодо його організації та ведення. Вона ввібрала в себе запаси знань з геології, розвідки, гірничої геометрії, гірничої механіки, по способах добування та збагачення корисних копалин і плавленню металів.

У середині XVI ст. латинською мовою була опублікована капітальна праця в 12 книгах "De Re Metallica" (1556 р.), яку написав німецький учений Георгій Агрикола. Автор намагався розглядати "всю велику гірничу справу як деяке могутнє єдине тіло". Він писав: "Хоч я про багато речей вичерпно не сказав, все ж таки я доклав всі старання до того, щоб це зробити". Книги Агриколи довгий час служили основним джерелом відомостей про гірничу справу. По цих книгах вчився і наш великий учений М.В. Ломоносов.

У 1760 р. вийшла книга російського вченого І.А. Шлаттера "Детальне наставлення рудній справі ...", в якій він описав основні методи видобування корисних копалин, які застосовувалися в той час.

У той же період над книгою "Перші основи металургії або рудних справ" працював М.В. Ломоносов; вона була видана в 1763 р. У ній учений розвинув і узагальнив методи добування корисних копалин, визначення гірничої науки. Цього визначення протягом багатьох десятиліть дотримувалися викладачі Петербурзького гірничого інституту. Так, наприклад, в 1843 р. А.І. Узатіс у першому вітчизняному курсі гірничого мистецтва писав: "Розглянувши предмет гірничих наук, легко помітити, що гірниче мистецтво, навчаючи нас відшукувати і добувати корисні мінерали, зливається, з одного боку з геогнозією, а з другого - з механікою, і, таким чином, воно являє довгий ряд різноманітних фактів, які повинні злитися в єдине ціле, щоб скласти самобутню галузь знання".

Професор Петербурзького гірничого інституту Б.І. Бокій визначав гірниче мистецтво як предмет, що має своєю метою дати загальні правила для відшукування, розвідування і добування корисних копалин.

На початку XX ст. у гірничій справі почали широко застосовувати розрахункові методи (їх автори - професор Б.І. Бокій, академік А.М. Терпігорєв, Л.Д. Шев'яков, професори М.М.Протодьяконов, І.А. Кузнєцов та ін.). Для вирішення гірничих завдань почали використовувати методи математики і природничих наук. Зміст гірничої науки ускладнювався, розпочався процес поділу її на окремі галузі знання.

Гірнича наука вивчає взаємодію техніки з гірськими породами з метою економічно ефективного добування з надр Землі корисних копалин.

Гірниче виробництво - це процес доцільної трудової діяльності людини, в якій він, спираючись на відомі засоби виробництва і знання, здійснює добування корисних копалин з надр Землі та їх переробку для задоволення своїх різноманітних потреб. Іншими словами, гірниче виробництво - це процес взаємодії людини з надрами Землі. Але люди працюють спільно, через що стосунки між ними - необхідний компонент трудової діяльності, які називають організаційно-технічними.

Для гірничого виробництва необхідно декілька умов: мусять бути предмет праці, знаряддя і засоби праці. робоча сила. Предметом праці в гірничій справі являються розвідані геологами родовища корисних копалин.

Таким чином, гірнича наука – це наука про способи добування корисних копалин, що вивчає закони взаємодії техніки з природним середовищем. Підкреслюючи, що гірнича наука займається не гірськими породами і технікою окремо, а їх взаємодією, слід мати на увазі, що вивчати цю взаємодію не можна у відриві від організаційно-технологічних відношень економіки й екології. Взаємодія з природним середовищем може бути механічною, хімічною та біологічною.

Мета гірничої науки, згідно з вченням академіка М.В. Мельникова, "розкриття закономірностей і наукове пояснення явищ і процесів, що проходять при розробці корисних копал для корінного удосконалення техніки й економіки гірничого виробництва".

Гірничу справу з давніх-давен вважали гірничим мистецтвом. Тільки останнім часом цього терміна почали уникати. Відбувається це внаслідок намагання чітко розділити мистецтво і науку.

Наука - це світ логічних понять, мистецтво - світ емоцій. Якщо наука в своїй основі раціональна, то мистецтво - інтуїтивне. Наука і мистецтво використовують у своїх цілях уявний та емоційний досвід людини.

Чому ж гірничу справу іноді називають гірничим мистецтвом? Тому що діяльність гірничого інженера об'єднана єдністю думки і почуття, вона вимагає повсякденного, безперервного і обов'язково творчого підходу. Тому що гірничий інженер має справу зі складними природними факторами і розвиває свою діяльність у досить динамічній, що постійно змінюється з часом у просторі, системі гірничих виробок, комунікацій, у постйіному спілкуванні з дуже непростими системами - людьми.