2. Состояние науки и техники в области открытых горных работ. Задачи на XXI век

Горная наука в области открытой разработки месторождений по­лезных ископаемых относится к наукам, непосредственно приносящим практическую пользу народному хозяйству, поскольку задачи, которые она решает, всегда направлены на обеспечение горнодобывающих отрас­лей промышленности совершенной техникой и технологией, способами безопасного ведения работ и экономичной организацией производства.

Развитие горной промышленности за последние десятилетия харак­теризуется дальнейшим расширением области применения прогрессивного открытого способа разработки. В настоящее время открытым способом добывается свыше 86 % железной руды, 42 % угля, 96 % горной массы в цветной металлургии, почти 100 % неметаллических полезных ископа­емых, свыше 75 % агрохимического сырья и т.д. В нашей стране постро­ены и эксплуатируются сотни горных предприятий с открытым способом разработки различных полезных ископаемых, на которых применяется современная горная техника и технология.

В ближайшей перспективе минерально-сырьевая база будет характеризоваться дальнейшим снижением качества полезных ископаемых на разрабатываемых месторождениях, резким увеличением глубины их разработки, значительным усложнением горно-геологических и экономико-географических условий промышленного освоения месторождений. В последние годы для удовлетворения потребностей страны в минеральном сырье открытым способом разрабатывалась 14 млрд. т/год горной массы. Удельный вес открытого способа добычи в перспективе сохранится на уровне 70% (за счет увеличения его в первую очередь в угольной промышленности и цветной металлургии)

Крупномасштабные объемы горных работ прогнозируемого периода могут быть выполнены при условии создания карьеров большой мощ­ности, оснащенных высокопроизводительными, автоматизированными средствами для осуществления основных и вспомогательных процессов открытых горных работ, обеспечивающих комплексное освоение месторож­дений и восстановление (сохранение) окружающей среды. Вместе с тем необходимо сохранить небольшие и средние до мощности карьеры, в первую очередь в промышленности строительных материалов, цветной и черной металлургии, промышленности по производству минеральных удобрений. Удельный вес добычи скальных и полускальных пород откры­тым способом сохранится на существующем уровне и составит около 2/3, а мягких вскрышных пород и долезши ископаемых - 1/3. В связи с этим получат дальнейшее развитие цикличные вида горного и тран­спортного оборудования и оборудование непрерывного действия (ком­плексы с роторными экскаваторами в компактном исполнении, агрегат для послойной выемки, ленточные конвейеры и др.).

Следовательно, с целью дальнейшего развития открытых горных ра­бот на основе их интенсификации и повышения производительности тру­да необходимо разработать и создать новые комплексы горного и тран­спортного оборудования: буровые агрегаты для бурения скважин глуби­ной 30-35 м и диаметром до 420-550 мм, гидравлические к механические лопаты с ковшами вместимостью до 20-30 м3, драглайны с ковшами вместимостью 40-100 м3 и длинной стрелы до 125 м, колесные карьер­ные погрузчики грузоподъемностью 25-40 т, ряд компактных роторных экскаваторов производительностью 315-5000 м3/ч с комплектом соот­ветствующего оборудования непрерывного действия, самоходные колес­ные скреперы с ковшами вместимостью 25-40 м3, автосамосвалы грузо­подъемностью до 250-300 т, средства подвижного состава электрифицированного железнодорожного транспорта для формирования поездов с полезной массой не менее 1500-2000 т, колесные и гусеничные бульдозеры мощностью 600-900 кВт с навесными рыхлителями и др..

Для мощных и глубоких карьеров с большими рабочими зонами необходимо шире применять комбинированные виды транспорта при рациональном сочетании карьерного транспорта цикличного или непре­рывного действия на глубоких горизонтах с подъемом по вертикальным или наклонным шахтным стволами о транспортированием по штольням.

Таким образом, снижение качества полезных ископаемых на место­рождениях, значительное увеличение глубины карьеров и их размеров в плане, усложнение горно-геологических условий разработки ставят новые задачи перед горной наукой в области открытой разработки месторождений, направленные на интенсивное развитие открытых гор­ных работ.

Научное обеспечение открытой разработки месторождений осущест­вляется широко развитыми основными исследованиями:

• теории процессов вскрышных и добычных работ при разработке месторождений руд цветных и черных металлов, угля, сланцев, горно-химического сырья, нерудных полезных ископаемых и строительных горных пород, россыпей, торфа, а также массовых земляных работ при строительстве;

• теории вскрытия месторождений и рабочих горизонтов карьеров, режима горных работ и систем открытых разработок;

• теории создания и эксплуатации машин и их комплексов для от­крытых горных разработок и карьерного транспорта;

• теории проектирования предприятий с открытым способом разра­ботки.

В результате проведенных исследований обоснованы целесообраз­ность обеспечения опережающего роста прогрессивного открытого способа разработки месторождений твердых полезных ископаемых как генерального направления развития горнодобывающих отраслей промышленности России, экономические принципы определения параметров карьер­ных полей и производственной мощности предприятий, методы исследо­вания режима горных работ в соответствии с этапами развития карьеров. Получила развитие теория вскрытия и систем открытой разработки разнообразных типов месторождений. Созданы и получили дальнейшее развитие классификации способов вскрытия и систем открытой разра­ботки. Разработаны теория расчета оптимальных параметров современ­ного мощного горного и транспортного оборудования и принципы форми­рования его в рациональные комплексы для открытых горных разработок. Обосновано применение на карьерах цикличной, поточной я комбинированной технологий, освоенных в настоящее время, установлена необходимость создания более производительной комплексно-механизированной автоматизированной технологии горных работ. Созданы научные основы и комплекс методов проектирования технологии применения мо­бильного оборудования на открытых разработках и прогнозирования возможности его эффективного использования на карьерах.

Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что если в области на­учного обеспечения открытых горных работ по большинству направлений Россия опережает или находятся на уровне мировой науки, то по раз­работке и внедрению теории автоматизированного проектирования карь­еров и особенно реализации результатов исследований по созданию новых горных и транспортных машин в обычномия северном исполнениях и их комплексов имеется значительное отставание. Особенно очевидное отставание наблюдается в области создания карьерных погрузчиков, техники непрерывного действия в компактном исполнении, большегруз­ных средств карьерного транспорта и др.

Интенсивное развитие открытых горных разработок, создание уни­кальных карьеров глубиной до 700-800 м с объемом добычи горной мас­сы до 200-300 млн.м3/ год, а также дальнейшее развитие малых я сред­них по мощности карьеров в различных регионах страны и отраслях горной промышленности выдвигают перед горной наукой в области от­крытой разработки месторождений новые научные проблемы и задачи, важнейшими из которых являются следующие:

• изучение физических и других свойств горных пород и массивов (в том числе на основе сейсмических методов оценки и структурной

и петрографической неоднородности), определение характера воздей­ствия на породы современных и принципиально новых рабочих органов для разрушения, выемки, погрузки и перемещения горной массы;

• разработка научных основ автоматизированного проектирования, создания и эксплуатации глубоких карьеров;

• разработка научных принципов создания для глубоких карьеров новой техники и технологии, в том числе на основе применения кон­вейерной, автомобильной, железнодорожной и комбинированной техноло­гий отработки глубоких горизонтов карьеров и одновременного после­довательного сочетания открытого и подземного способов разработки (карьерами и шахтами), открытого способа и скважинной добычи и др.

• изучение устойчивости откосов уступов и бортов глубоких карьеров, разработка методов определения устойчивости и его искус­ственного повышения путем формирования распорных призм, а также за счет внутреннего отвалообразования при разработке крутопадающих месторождений и др.;

-создание системы автоматического контроля и регулирования загазованности и запыленности атмосферы глубоки карьеров)

- разработка методов и технических средств для выемки горних пород и перемещения их в отвалы и к потребителям, организация внеш­них и внутренних отвалов при особо мощных грузопотоках вскрышных пород, выемке мощных наклонных и крутых залежей в режиме открыто- подземного способа;

• дальнейшее развитие работ до широкому использование управ­ляемого обрушения мягких и разрушенных скальных пород в технологи­ческих процессах;

• разработка ресурсосберегающих и малоотходных технологий от­крытой добычи на основе создания и применения мобильного оборудова­ния цикличного и непрерывного действия, обеспечивающих комплексное освоение месторождений и повышение производительности труда;

• создание научных основ нетрадиционных принципов открытой добычи полезных ископаемых на крутопадающих месторождениях;

• разработка аффективных способов освоения техногенных место­рождений по отраслям и регионам;

• разработка научных основ создания принципиально новых тех­нологий и оборудования для открытых горных работ на основе совмеще­ния технологических процессов (от разрушения и выемки до перемеще­ния и отвалообразования) и на базе результатов фундаментальных исследований в области плазменных, лазерных, импульсных и других способов разрушения горных пород;

• развитие научных принципов комплектования открытых разработок эффективным современным и новым буровым, горным, транспортным, от­вальным и вспомогательным оборудованием;

• разработка экономических критериев создания новой техники и технологии открытых горных разработок при комплексном освоении месторождений, включая использование вскрышных пород в народнохо­зяйственных целях.

Минерально-сырьевая база в следующем столетии будет характери­зоваться истощением крупных месторождений с относительно высоким качеством полезных ископаемых. Это вызовет необходимость освоения средних месторождений с бедным содержанием полезных компонентов, вовлечения мелких месторождений с их высоким содержанием, разработ­ка которых в связи с ограниченными запасами и недостаточным уровнем развития техники и технологии ранее была экономически нецелесооб­разна, доработки некондиционных забалансовых и потерянных запасов на ранее разрабатываемых месторождениях, освоения морской минера­льно-сырьевой базы - шельфовой зоны - для создания горных предприя­тий (прежде всего для добычи золота, янтаря, олова, меди и других ценных полезных ископаемых), широкого вовлечения в разработку тех­ногенных месторождений и др.

В связи с этим ухе сегодня необходимо приступить к решению научных задач, продиктованных необходимостью широкого развития комплексных разработок, базирующихся на совместном применении от­крытого и геотехнологических способов добычи. Требуется рассмот­реть вопросы разработки специальной плавучей и подводной техники и технологии добычи полезных ископаемых со дня морей и океанов, развития работ по широкому изучении физических и физико-химических процессов для создания принципиально новых видов техники непрерывно­го действия и поточной технологии горных работ, позволяющих значи­тельно повысить производительность труда, поднять эффективность использования ресурсов, снизить энерго- и материалоемкость горного производства.

В результате решения намеченного комплекса научных проблем будет создана методология автоматизированного проектирования, стро­ительства и эксплуатации уникальных глубоких карьеров особо большой мощности, разработаны метода проектирования рационального комплекс­ного освоения небольших, средних и крупных по запасам полезных ис­копаемых месторождений с учетом прогноза развития техники и техно­логий открытой добычи твердых полезных ископаемых. При этом будут разработаны, научно обоснованы и внедрены аффективные комплексные малоотходные технологии открытых горных работ. Благодаря созданию комплекса сейсмических методов оценки структурной и петрографичес­кой неоднородности горных массивов, методов оценки сопротивления мягких и разрыхленных горних пород копанию (черпанию) и других сов­ременных методов исследования представляется возможным разрабаты­вать технические требования к совершенствованию существующих и про­ектированию принципиально новых рабочих органов для разрушении, вышки (погрузки), перемещения и складирования (отвалообразования) горных пород. Тем самым будет обеспечен правильный и наиболее эко­номичный путь создания горного оборудования - от условий работы и взаимодействия рабочего органа с забоем к разработке машин, а не наоборот, как было ранее, когда вначале создавали оборудование, а потом приспосабливали его к условиям работ, Именно на основе тако­го нового подхода будут создаваться ресурсосберегающие вида мобиль­ного оборудования (буровые агрегаы для бурения скважин в любой плоскости, рыхлительно-бульдозерные агрегаты, большегрузные колес­ные карьерные погрузчики, самоходные колесные скреперы и бульдозеры большой единичной мощности), комплексы оборудования непрерывного действия в компактном исполнении и другие виды горных машин, а так­же новые технологии для открытых горных разработок, обеспечивающие комплексное освоение месторождений и повышение производительности труда.

В свете решения проблем и задач, возникающих в области откры­тых горных работ, еще более важной становится роль отечественного машиностроения, призванного обеспечить машинами и оборудованием предприятия горнодобывающих отраслей промышленности в период ре­конструкции и технического перевооружения.

В связи с этим было бы целесообразно и своевременно создать в системе тяжелого машиностроения головной научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт с экспериментальной базой по разработке и изготовлению комплектов оборудования для горной про­мышленности , отвечающей современным требованиям производства (по типу ВНИИПТмаша).

Целесообразно также специализировать существующие машиностро­ительные завода на изготовления горного оборудования, что будет способствовать профессиональному росту инженерно-конструкторских кадров и повышению качества и надежности выпускаемых машин.

Реализация указанных научных разработок к создание необходимых для горной промышленности России производственных мощностей тяжелого, строительного к дорожного машиностроения позволят на базе име­ющихся надежных источников минеральных ресурсов обеспечить научно- технический прогресс в области техники и технологии открытой раз­работки месторождений твердых полезных ископаемых, комплексного их освоения, являющегося решающим направлением увеличения производств минерального сырья при сокращении объемов выемки горкой масон, и следовательно, снижения вредного воздействия горного производств на окружающую природную среду.