Современные проблемы науки и производства в области горного дела

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

С.С. Андрейко

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ И ПРОИЗВОДСТВА В ОБЛАСТИ ГОРНОГО ДЕЛА

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2010

ELIB.PSTU.RU

УДК 622:[001+658.5 А66

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор П.А. Лыхин (Горный институт Уральского отделения Российской академии наук);

д-р техн. наук, профессор Н.И. Алыменко (Пермский государственный университет)

Андрейко, С.С.

А66 Современные проблемы науки и производства в области горного дела: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 338 с.

ISBN 978-5-398-00519-6

Раскрываются современное содержание и концепция горных наук. Естественнонаучное содержание и методология горных наук рассматриваются как система знаний о закономерностях и способах комплексного и экологически безопасного освоения и сохранения недр на основе постоянного технологического воспроизведения их ресурсов и нового функционального назначения. Приводится новая классификация горных наук применительно к освоению и сохранению недр при добыче твердых полезных ископаемых. В соответствии с новой классификацией горных наук представлены история развития, объект, предмет и перспективные направления научных исследований в области горного недроведения, горной системологии, геотехнологии и обогащения полезных ископаемых, а также современные проблемы горного производства.

Предназначено для магистров техники и технологии, обучающихся по направлению «Горное дело», а также для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» и «Физические процессы горного производства» направления подготовки дипломированных специалистов «Горное дело».

УДК 622:[001+658.5

ELIB.PSTU.RU

3

ELIB.PSTU.RU

4

ELIB.PSTU.RU

5

ELIB.PSTU.RU

ВВЕДЕНИЕ

В России настоящее и, по-видимому, отдаленное будущее связано с эксплуатацией недр, которые представляют собой важнейшую часть национального природного богатства и во многом определяют стратегию общественного развития. Стратегия общественного развития может принять формы устойчивого благополучия или вынужденного поиска условий выживания. Соответственно, и горная промышленность примет формы, отвечающие той или иной стратегии развития нашей страны. Современная идеология науки и производства в области горного дела должна исходить из положения, что недра Земли не могут быть сведены лишь к тем полезным ископаемым, которые необходимы в настоящее время. Однако сегодня недра определяют все первичные условия жизни общества, и ни одна фундаментальная общественная потребность не может быть удовлетворена в конечном счете, прямо или косвенно, без эксплуатации ресурсов недр.

Эксплуатация и сохранение недр связаны общей геологической основой, а также технологически, экономически, экологически и др. Нарушение этой связи неизбежно приводит в процессе эксплуатации к снижению ценности участков недр в георесурсном отношении, а зачастую и к исключению их из хозяйственного обращения. Кроме того, это становится источником весьма дорогостоящих, повседневных, экологических и других проблем.

Человек связан с недрами огромным количеством жизненно важных для него связей. Недра предоставляют ему условия существования в таком разнообразии, которое выходит далеко за пределы, традиционные для горного дела – добычу и переработку конкретных полезных ископаемых. Необходимые для человека свойства недр за этими пределами – тоже георесурсы. Если они не являются непосредственными объектами эксплуатации в данное время, то они не должны быть испорчены или потеряны для общества при освоении недр в других целях.

Известно, что масштабы и интенсивность эксплуатации недр возрастают. При этом расширяются и наши знания о возможностях, которые могут предоставить недра для человека, и граничных для этого условиях. Чтобы в полном объеме представить действительный потенциал недр и направления деятельности по его эффективному использованию и достаточному воспроизводству, необходимо сегодня переосмыслить предмет, содержание и цели горных наук, а также знать современные проблемы науки и производства в области горного дела.

Учебное пособие написано на основе фундаментального научного труда коллектива ведущих ученых России в области горного дела «Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли», изданного в 1997 году под редакцией акад. РАН К.Н. Трубецкого.

6

ELIB.PSTU.RU

1. СОВРЕМЕННАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ НАУК. ПРЕДМЕТ, СОДЕРЖАНИЕ И НОВЫЕ ЗАДАЧИ

1.1. Состояние горного дела в современной России

Произошедшие изменения в научном мировоззрении нашли отражение прежде всего в гуманизации знаний и утверждении принципа системности в их развитии. Это вызывает необходимость обратиться к горным наукам с современных позиций, рассмотреть их предмет, содержание и новые задачи.

В первую очередь необходимо отметить, что существенно изменились природные условия горного производства. Во второй половине XX века человечество столкнулось с качественно новыми глобальными и весьма острыми проблемами в горных работах, обусловленными динамическими и газодинамическими явлениями в форме горных ударов, внезапных выбросов угля, породы и газа, техногенных землетрясений. Для горнодобывающей промышленности все большее значение приобретают увеличение глубины, на которой производится добыча полезных ископаемых, усложнение природных условий вновь осваиваемых месторождений и главное – снижение качества минерального сырья в недрах (обеднение полезными компонентами, повышение содержания вредных примесей, увеличение доли труднообогащаемых полезных ископаемых в добыче минерального сырья и его переработке).

Появились и новые обстоятельства, ранее не принимавшиеся во внимание, такие как условия мирового рынка минерально-сырьевых товаров и требования обеспечения экологической безопасности горного производства.

Ухудшаются экономико-географические условия промышленного освоения месторождений и экологическая обстановка, особенно в крупных горнопромышленных регионах. Эта тенденция сохранится и в будущем. Недра становятся менее доступны в сравнении с водной или воздушной средами и даже ближним космосом. И ныне уровень развития цивилизации определяется теми возможностями, какие использует общество для безопасного и экономически эффективного освоения недр.

Человеческая деятельность, направленная на преобразование Земли, стала соизмерима по масштабам и последствиям с геологическими процессами. Вполне очевидно, что без учета проблематики освоения недр невозможно решить проблемы устойчивого общественного развития.

Потребности России в минеральном сырье практически по всем полезным ископаемым всегда удовлетворялись за счет соответствующего развития отечественной горнодобывающей промышленности, прогресс которой обеспечивался горными науками. Эта взаимосвязь выражалась до недавнего времени в тесной сопряженности минерально-сырьевого комплекса и системы научно-исследо- вательских учреждений горного профиля различной ведомственной подчиненности и научных подразделений вузов, охватывающей всю проблематику горного производства с учетом территориального размещения промышленности. Гор-

7

ELIB.PSTU.RU

ные науки получали импульсы и поддержку для своего развития в горной промышленности; там же находили практическое применение многие научные достижения.

Задачи развития минерально-сырьевого комплекса и горнодобывающей промышленности были и остаются центральными для горных наук. Однако их решение невозможно без рационального использования в долгосрочной перспективе всех природных ресурсов. Это поможет не только удовлетворить текущие экономические потребности, но и создать нормальные условия для жизнедеятельности общества.

Сегодня особенно важно использовать все многообразие геологических ресурсов: размещать отвалы пустой породы в карьерном пространстве; применять закладку из отходов горного и металлургического производства при подземной разработке полезных ископаемых; извлекать полезные ископаемые с помощью скважинных физико-технических и физико-химических геотехнологий, но без разрушения и перемещения больших породных масс; создавать подземные захоронения высокорадиоактивных отходов в особых массивах горных пород и т.д. Немалое значение имеет и решение экологических проблем за счет утилизации нетрадиционных георесурсов: подземных полостей (естественных и искусственных), термальных вод, техногенных месторождений, а также специфических свойств горных массивов (геомеханических, петрографических, фильтрационных и др.).

С незапамятных времен накопление и обобщение знаний в области горного дела, а по сути становление горных наук, было столь тесно связано с непосредственным, повседневным развитием всей производственной деятельности общества, что создавало, да и до настоящего времени создает впечатление их не фундаментального, а только прикладного характера по сравнению с другими науками. Более того, исключительная трудоемкость горного производства, его особое социально-экономическое положение в отдельные периоды трансформировали горные науки, уводя от наук о Земле, например, в сторону решения экономических и машиностроительных проблем, где они приобретали прикладной смысл. Хотя само по себе насыщение горных наук смежными знаниями является непреложным фактором их развития, они были и остаются науками о Земле, подобно геологическим наукам, имеющим вместе с ними единый «предмет труда» – месторождения полезных ископаемых, рациональное использование которых является условием существования человеческой цивилизации.

Академик Н.В. Мельников так формулировал цель горной науки: «Создать наиболее совершенные технические средства и технологические способы и приемы для достижения наиболее безопасной и экономичной разработки полезных ископаемых при всемерном облегчении труда шахтеров» и отмечал: «Предметом горной науки считаются процессы разработки полезных ископаемых в их развитии и взаимосвязи с сопутствующими им природными явлениями, т.е. с условиями фактического осуществления этих процессов» Исходя из этого под горной наукой понималась: «Совокупность знаний:

8

ELIB.PSTU.RU

а) о природных условиях залегания месторождений полезных ископаемых и физических явлениях, происходящих в толще горных пород в связи с проведением выработок;

б) о технологических способах добычи и обогащения полезных ископаемых;

в) об организации производства, обеспечивающей безопасную экономичную разработку месторождений».

Выдвинутая в конце 60-х годов прошлого столетия Н.В. Мельниковым идея комплексного освоения недр как новое прогрессивное направление в области горных наук и горного производства обусловила их дальнейшее развитие.

В последнее два десятилетия наблюдается дальнейшее расширение целевой направленности проникновения человека в глубь земных недр. Это происходит в связи с расширением областей его деятельности – от разработки месторождений полезных ископаемых до освоения всех ресурсов недр (глубинных источников пресных, минеральных и термальных вод; внутренних – глубинного тепла недр Земли; природных и созданных человеком полостей в земных недрах). Это обусловило эволюцию горных наук, прежде всего на пути нахождения особого предмета (объекта) исследований – недр Земли, преобразуемых под непрерывным и нарастающим техногенным воздействием.

На этом пути учеными-горняками в ряде областей знаний были получены научные результаты, выдвинувшие отечественные горные науки в целом на передовые позиции. Важнейшим достижением горных наук за прошедший период следует считать создание научной базы обеспечения потребности общества

вминеральном сырье за счет собственных ресурсов страны, что позволяло реализовать политические цели государства в области безопасности, экономического и социального развития.

Горные науки претерпевали эволюцию соответственно возрастанию сложности, масштабности проблем, возникающих перед горнодобывающей промышленностью, усилению их системного характера, появлению новых обстоятельств

вобщем экономическом и социальном контексте. Наиболее радикальные изменения произошли в горных науках в связи с введением и практическим использованием понятия «комплексное освоение недр». Не вполне раскрытое в свое время содержание этого понятия трактовалось, судя по смыслу высказываний, как одно из основных направлений научно-технического прогресса, обеспечивающих значительное повышение экономической эффективности горного производства и укрепление его минерально-сырьевой базы.

Академик М.И. Агошков существенно развил понятие и идею комплексного освоения недр. В его работах дана группировка ресурсов недр, включающая твердые, жидкие и газообразные полезные ископаемые, находящиеся в природном и техногенном измененном состоянии; энергетические ресурсы (в частности, геогенное тепло); подземные полости (естественные и искусственные). При этом комплексное освоение недр рассматривалось с учетом двух его признаков –

9

ELIB.PSTU.RU

полное использование осваиваемых ресурсов земных недр и сочетание применяемых в процессе освоения различных способов – и связывалось с существованием необходимой базы и соблюдением определенного непременного условия. Необходимая база – развитие системы научно-технических знаний преимущественно в области горных, геологических и экономических наук, а непременное условие (цель) – «достижение оптимального народнохозяйственного и социального эффекта от промышленного освоения ресурсов земных недр».

Оценивая сегодня значение понимаемой таким образом концепции комплексного освоения недр, следует признать, что она составляет, по сути, во многом новую идеологию горных наук, ориентирующую на вывод горной промышленности из порочного круга экстенсивного экономического роста, приводящего в конечном счете к ускоряющемуся и губительному ресурсопотреблению как средству саморазвития и самообеспечения. Становление понятия, идей и практики комплексного освоения недр вовлекло в сферу внимания ученых новые крупные научные проблемы, решение которых создавало благоприятные предпосылки для повышения эффективности производства путем его интенсификации и сокращения расхода различных ресурсов на единицу получаемого минерального сырья, обеспечивающего развитие страны за счет собственных возможностей.

Отличительной чертой современного этапа развития горнодобывающей промышленности является наличие для нее ограничений практически по всем важнейшим производственным ресурсам.

На пути к этому состоянию промышленность с каждым новым этапом включала в число несвободных, дефицитных по наличию и качеству, новые категории производственных ресурсов. Так, до 50-х годов прошлого века страна

вцелом и горное производство в частности испытывали ограничения по матери- ально-техническим и финансовым ресурсам. К 60-м годам в числе дефицитных оказались и некоторые виды минеральных высококачественных ресурсов, что вызвало, в частности, дополнительную потребность в добыче железных руд, требующих обогащения, соответственно возникла необходимость в строительстве крупных горно-обогатительных комбинатов. В 70-х годах экономия трудовых ресурсов приобрела значение государственной стратегии. С конца 80-х годов

вдополнение к дефицитности названных ресурсов быстрыми темпами нарастают ограничения по топливу и энергии, а с 90-х годов вызывают общественную тре-

вогу экологические условия в большинстве горнопромышленных регионов. В связи с этим необходимо отметить, что ограниченность производственных ресурсов проявляется весьма сложно и не может быть в каждый момент времени абсолютной, одновременной и повсеместной. Ограниченность по каждому из производственных ресурсов обусловлена положением дел с обеспеченностью другими ресурсами и рядом иных обстоятельств. В частности, для многих видов минерального сырья имеет важное значение не общая величина разведанных запасов, а величина запасов, подготовленных к освоению, которая зависит, в свою

10

ELIB.PSTU.RU