ОСНОВЫ ГОРНОГО ДЕЛА

Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Горное дело»

Москва

Академический Проект 2010

■ ПРЕДИСЛОВИЕ

Накапливавшийся тысячелетиями потенциал знаний привел к фантастиче­скому взлету техники и росту производительных сил. Дав человечеству совершен­но недоступные ранее жизненные блага, эти новые возможности поставили нас перед лицом трудностей, о наличии которых совсем недавно нельзя было и пред­полагать.

Горное дело относится к одному из основных видов человеческой деятельно­сти, обеспечивающих существование и уровень развития цивилизации. Горное дело как область промышленного производства охватывает разведку месторожде­ний полезных ископаемых, их разработку, первичную переработку добываемого минерального сырья, строительство горных предприятий и подземных сооруже­ний различного назначения; оно включает в себя все виды техногенного воздей­ствия на земную кору, а также горные науки, изучающие закономерности преоб­разования и сохранения земных недр. И не случайно периодизация древней исто­рии построена по видам добываемых из недр материалов, из которых в тот или иной период преимущественно изготовлялись орудия труда: каменный, бронзо­вый и железный века.

В течение почти двух миллионов лет основным материалом для человека слу­жил камень. В конце каменного века (4 —3-е тыс. до н. э.) человек перешел к ис­пользованию меди и золота. В 3 —2-м тыс. до н. э. была освоена плавка меди и ее сплава — бронзы. В середине 2-го тыс. до н. э. на смену бронзе пришло железо, и его эпоха продолжается до сих пор.

Дисциплина «Основы горного дела» является одной из первых дисциплин, формирующих профиль подготовки специалистов по таким направлениям, как горное дело, маркшейдерия и обогащение полезных ископаемых. Задачей ее изу­чения является получение знаний об основных терминах, понятиях и принципах добычи различных полезных ископаемых подземным, открытым, комбинирован­ным, физико-химическими и другими способами и геотехнологиями.

Цели изучения дисциплины:овладение горной терминологией и комплексом понятий, формирующих область деятельности человека при освоении и сохранении земных недр;

освоение принципов ведения и обеспечения горных работ;

освоение принципов современной технологии добычи твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых;

овладение комплексом понятий о качестве добываемого полезного иско­паемого и способами его улучшения.

Изучение дисциплины базируется на основе знаний отдельных дисциплин гуманитарного, социально-экономического, естественного и общетехнического циклов. Основными из них являются: геология, история горного дела, начерта­тельная геометрия, экология, обеспечение жизнедеятельности и др. В свою оче­редь, «Основы горного дела» являются базой для изучения общетехнических и специальных дисциплин.

В учебнике рассматриваются методы разработки рудных и россыпных место­рождений, а также некоторые способы добычи нерудных полезных ископаемых и угля, имеющих общую технологию с разработкой рудных месторождений (напри­мер, бестранспортная система разработки одинаково приемлема для разработки угля и пластовых месторождений железных и других руд). Горное дело тесно свя­зано с геологией и минералогией,поисками и разведкой, а также с первичной пе­реработкой (обогащением) полезных ископаемых. Поэтому необходимые сведе­ния по этим предметам также включены в настоящий учебник.

Техногенное разрушение литосферы с целью извлечения необходимых мине­ральных и энергетических ресурсов постепенно обретает глобальные масштабы как по объему извлекаемого материала, так и по объему отходов, размещаемых на земной поверхности. Поэтому в учебнике достаточно подробно даны общие пред­ставления о современных проблемах, целях, задачах и методах горной экологии.

Учебник создавался на основе курса лекций «Основы горного дела», читаемо­го авторами в РГГРУ с 2003 г. В нем также использованы результаты опубликован­ных собственных исследований авторов, получившие признание специалистов.

Содержание учебника соответствует требованиям действующего Госу­дарственного образовательного стандарта высшего профессионального образо­вания по направлению подготовки «Горное дело».

Глава 1 добывающая промышленность и развитие цивилизации

■ 1.1. МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ КОМПЛЕКС HA ОСНОВЕ ТЕХНОКРАТИЧЕСКОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ

Основополагающее место в общем развитии цивилизации занимает минерально-сырьевой комплекс. Человечество ежегодно извлекает из недр Земли многие сотни миллиардов тонн различных руд, горючих ископаемых и строительных материалов. В результате переработки этого сырья выплавляется около 800 млн т различных металлов, рассеивается на полях более 400 млн т минеральных удобре­ний и до 4 млн т различных ядохимикатов. Индустрии добычи твердых полезных ископаемых принадлежит первое место в образовании и накоплении на поверхно­сти планеты твердых отходов, количество которых составляет не менее 65 — 70 % от общего объема добычи. В недрах Земли образовалось огромное количество поло­стей и пустот в виде отработанных шахт и карьеров. В результате изменяется сба­лансированное за предшествующие эпохи напряженное состояние массивов, на­рушается режим подземных и поверхностных вод, деформируется и сама земная поверхность.

Нарастающий технологический прессинг на природные экосистемы приво­дит к их быстрому и часто необратимому разрушению, которое по своим масшта­бам постепенно принимает глобальный характер. При этом парадоксальность си­туации заключается в том, что прогрессирующая деградация природы происходит на фоне быстро растущих расходов человечества на ее охрану; при этом энерге­тические ресурсы, необходимые для сохранения природы на современном уров­не развития, могут быть получены только путем техногенного разрушения фунда­мента этой природы — литосферы Земли.

И тем не менее получение полезных ископаемых является сегодня и в обозри­мом будущем безальтернативной необходимостью для самого факта существова­ния человека. Поэтому от того, как в наше время будет организовано это производ­ство, какие ограничения и допуски будут наложены на его развитие, в широком смысле зависит сохранение или необратимое разрушение подвижного равновесия в природной среде, сложившегося за геологические периоды развития планеты.

Исходный биологический принцип существования живой материи состоит в непрерывном поглощении низкоэнтропийной энергии солнечного света. Этот про­цесс дает возможность поддержания и увеличения упорядоченности и сложно­сти на планете с помощью фотосинтеза и других процессов жизнедеятельности. Солнечная энергия поступает на поверхность Земли в определенном объеме, и за миллионы лет эволюции биосфера приспособилась к использованию этого фик­сированного количества солнечной энергии. На протяжении последних столетий

(а это лишь мгновение в истории биосферы) человек перестал довольствоваться го­довым поступлением солнечной энергии и начал со все нарастающей интенсивно­стью проживать земные запасы низкоэнтропийного материала (минерального то­плива и сырья), которые, по сути, также представляют собой часть полученной в прежние эпохи от Солнца энергии. Но, в отличие от прямой солнечной энергии, их можно использовать с любой необходимой в данный момент для развития общества интенсивностью. Поэтому сегодня минеральное сырье, извлекаемое из недр Земли, является основой существования технократической цивилизации. Практически весь антропогенный материальный мир построен и функционирует за счет резуль­татов прямого или косвенного разрушения определенных участков литосферы и последующего использования полученного при этом вещества. По последним дан­ным, минеральное сырье дает исходные материалы и энергетическую основу про­изводству 70 % всей номенклатуры конечной продукции человеческого общества.

1.1. Динамика роста народонаселения Земли и удельной добычи минерального сырья: 1 — рост численности населения; 2 — рост добычи сырья на человека в год

Экономическая система человечества состоит из людей, средств производства и материальных благ. На протяжении последних столетий ее наиболее яркой чер­той был огромный количественный рост. Население росло темпами, далеко пре­вышающими известные ранее в истории, и это беспрецедентное увеличение стало возможным только в условиях сопровождающего его еще более быстрого расши­рения производства материальных благ. Население мира увеличивалось примерно на 2 % в год, удваиваясь каждые 35 лет, мировое потребление товаров — на 4 % в год с удвоением каждые 17—18 лет, а добыча полезных ископаемых на каждого жите­ля Земли— на 9,98 % в год с удвоением каждые 9—Шлет (табл. 1.1, рис. 1.1 и 1.2).

Таблица 1.1

Динамика удельной добычи минерального сырья и народонаселения планеты

Показатели	Ед. изм.	Годы
		1900	1950	1970	1980	1986	1999	2006
Народонаселение	млрд чел.	1,6	2,5	3,7	4,4	4,9	6,0	6,7
Годовая добыча вещества литосферы, в т. ч.:	т/чел. х	10,1	17,8	40,6	79,8	113,2	148,0	164,0
полезного ископаемого	год	4,7	8,2	15,6	27,5	36,5	46,5	52,2
пустой породы		5,4	9,6	24,9	52,25	76,55	101,5	111,8

Рассматривая экологические последствия этого факта, следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев добыча единицы объема полезного иско­паемого (особенно твердого) сопровождается извлечением на поверхность зна­чительно большего объема пустой породы. Поэтому масштаб общего разрушения литосферы возрастает значительно быстрее, чем добыча собственно полезных ис­копаемых.

1 — объем добычи полезных ископаемых; 2 — объем добычи пустых пород; 3 — объем

добычи горной массы

Термины «производство» и «потребление» не совсем точны для описания этого процесса. Фактически человек не производит и не уничтожает вещество и энергию, он только переводит их из одного состояния в другое. Человек преоб­разует сырье в товары, а товары — в ту или иную форму отходов. Для того что­бы численность людей и количество товаров постоянно увеличивались, требует­ся все больший объем сырья, трансформируемого в товары и в конечном ито­ге — в отходы.

Отходы невозможно снова превратить в сырье иначе как путем расхода энер­гии, которая неизбежно перейдет в отходящее тепло, непригодное для вторич­ного использования. Природа может регенерировать некоторые виды отходов, но это занимает время и создает опасность перегрузки естественных систем. Возможности регенерации ограничены процессом рассеяния материала и энер­гии, или вторым законом термодинамики. Вещество может восстанавливаться, но всегда с коэффициентом значительно меньше 100 %, а энергия вообще невозоб- новима. Именно поэтому количественное и качественное развитие цивилизации всегда будет требовать того или иного уровня добычи из недр Земли минерально­го сырья и прежде всего — сырья энергетического.

Приведенные на рис. 1.1 и 1.2 соотношения темпов роста народонаселения Земли и приходящегося на одного человека объема добычи минеральных ресур­сов свидетельствуют прежде всего об экстенсивности процессов обеспечения развития общества этими ресурсами.

Общее количество вещества, ежегодно извлекаемого из литосферы, а также распределение его по видам полезных ископаемых приведено в табл. 1.2.