Электрон Метод Ресурс-Иванцов ВМ / 1-Основы ПРРМ / Тема 1

15

ГУЦМиЗ, кафедра ПРМ

Профессор ИВАНЦОВ В.М.

ТЕМА 1. ГОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ: - ПОНЯТИЙНАЯ СУЩНОСТЬ

- структура и процесс горной технологии

- краткая горно-геологическая характеристика МПИ как объекта разработки

- основные показатели эффективности: количественная мера реализации требований

1.1. СТРУКТУРА И ПРОЦЕСС ГОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ГОРН: ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА МЕХАНИЗМА СПОСОБА И ТЕХНОЛОГИИ РМПИ

На предложение указать корень слова «горный» почти однозначно получаем ответ: «гор», потому что мол «гора», «гористый». А что, если усомниться в таком основании и предложить в качестве корня слова «горный» считать «горн»? Горн - немецкое слово – со смысловой основой - полость, труба. В общем случае это - отграниченное пространство - помещение, определяющее степень свободы при перемещении. В нашем контексте это будет означать, что изначально и до настоящего времени при добывании полезных ископаемых используется технология, основанная на создании горнов – искусственных полостей в недрах Земли, потому такая технология и названа - горной.

Горны создаются путем выемки пород, т.е. их выработки. В последующем слово «выработка» стало означать «полость» в широком смысле слова, а указанием ее принадлежности к добыче полезных ископаемых осталось слово «горн». При таком подходе легче осмыслить такие понятия как «горное дело», «горные работы» и конкретизировать сущность определения понятия «технология горная»:

Технология горная – совокупность приемов и способов изменения природного состояния недр Земли на основе производства научно обоснованной системы полостей (горнов) с целью их использования в качестве помещений и получения минеральных продуктов

Обратим внимание:...

ГОРНАЯ ВЫРАБОТКА – искусственная полость в земной коре, образуемая в земной коре в результате ведения горных работ.

ГОРНОЕ ДЕЛО – область деятельности человека по освоению недр Земли. Включает все виды техногенного воздействия на земную кору, гл. образом извлечение п. и., их первичную переработку и научные исследования, связанные с горными технологиями.

ТЕХНОЛОГИЯ ГОРНАЯ – совокупность приемов и способов изменения природного состояния недр Земли с целью получения минеральных продуктов или использования подземных пространств, (Горная энциклопедия, т.2 и 5).

…и запомним - в горной технологии достижение целей осуществляется только при создании искусственных полостей – горнов. Пусть это будет нашим небольшим открытием. Конечно, можно полагать, что это просто сопутствующее явление. А можно уже теперь утвердиться, полагая, что это не так, потому что используется, как правило, совокупность горнов различного функционального назначения и достижение цели и есть синергетический, системный эффект . Это только на элементарном уровне одна выработка выполняет весь комплекс необходимых функций. Они как бы свертываются в одну – добывание. Вот тогда и виден нас интересующий эффект.

ПЕРВЫЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ГОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Физико-технический эффект – это физический эффект, используемый в технологический целях. Вполне очевидно, что в любой технологии используется очень много физических эффектов, но определяющие (системообразующие), можно свести до одного. Чтобы «вычислить» такой эффект в горной технологии надо обратиться к анализу технологических процессов и желательно на элементарном уровне, а это значит в нашем случае, как договорились, надо рассмотреть процесс создания единичного горна, а верней, его элементарный акт. Вот уж где нам пригодится личный опыт освоения и использования горной технологии «в песочнице детского сада».

Мы с удовлетворением согласимся с тем, что названный элементарный акт состоит из трех широко используемых операций: отделение, перемещение, создание и поддержание условий повторения первых двух и всего акта в целом, («триединство операций ОПП»). То, что указанное «триединство операций ОПП» широко используется человеком в своей преобразовательной деятельности показать не трудно, достаточно представить, как мы преобразуем булку хлеба в аппетитные кусочки, лежащие на обеденном столе. Другое дело, как выделить физико-технические эффекты, используемые при этом? Начнем с отделения. Обратим внимание на то, что при отделении мы используем, как правило, силу сжатия (на нож, лопату, пику отбойного молотка и т.д.), а разрушающими напряжениями являются всегда – растягивающие. За счет чего этот эффект происходит? Наверно можно с большой долей уверенности согласиться с тем, что эффект перевода сжимающих усилий в растягивающие напряжения возникает только при наличии обнаженной поверхности, которая присуща только полости. Обратим внимание на то, что самая большая полость - это воздушный океан нас окружающий, а самая большая обнаженная поверхность – это поверхность Земли, (дневная поверхность). И всегда, начиная с момента, когда человек впервые выковыривал камень из земли, и до наших дней, когда он за камнем уже проникает в недра Земли на тысячи метров, всегда используется для отделения - обнаженная поверхность полости и сама полость: первая для создания растягивающих напряжений в массиве, а вторая для приема, размещения и перемещения добытого.

Таким образом, первый физико-технический эффект горной технологии (с целью разрушения массива) состоит в преобразовании сжимающих усилий в растягивающие напряжения путем создания полости (горна) и использования ее обнаженной поверхности.

Ну, а эффект перемещения состоится (теперь вполне очевидно) только при наличии полости, преодолевая силу трения. А какие при этом используются физико-технические эффекты – надо поговорить отдельно.

СТРУКТУРА И ПРОЦЕССЫ ГОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Аналогия – очень полезная вещь в познании.

PS … Аналогия (греч.) – сходство. Подобие, близость; соотношение двух сходных предметов; выводы из сравнительных заключений. Аналогичный, - ческий способ заключений, по подобию. В. Даль.

Есть дом, в котором мы живем, в котором есть даже моя комната. Есть лифт, на котором я ежедневно приезжаю на восьмой этаж, прохожу по коридору и звоню в пятую квартиру. И вы спросите - причем здесь горная технология. А если поразмыслить по аналогии. Конечно, надо хотя бы кое-что знать об аналогичных предметах. Если кое-что, то ничего не получится, т.к. они качественно различны – один используется для жилья, другой для добычи полезного ископаемого. Ну, а если в принципах, в основе? В этой плоскости мы можем найти то, что в них сходное и в чем различие. Так, там и там есть помещения. Они между собой взаимно увязаны и имеют определенные отношения, функции. Есть шахта лифта и главный ствол, есть в обоих случаях этажи, коридоры как штреки, орты, есть камеры и комнаты, квартиры и блоки. Ну, полная аналогия. Тогда в чем разница? Оказывается, она есть, и весьма существенная. Дом строим, связывая отдельные блоки в конструкцию, в помещения для жилья, а при создании горных выработок (путем их проведения), отделяем часть массива с целью использования именно отделенного как полезное ископаемое. А получаемые горны используем для проведения новых, либо можем использовать для … жилья. Но, так как в проведении выработок участвует работающий человек, то можно с уверенностью заключить, что горные выработки используются одновременно и для добывания полезного ископаемого и для жилья.

Продолжим рассуждения по аналогии. Как в доме (мысленно, не нарушая основных связей) можем выделить комнаты, квартиры, и все здание, так и в рудном поле: - единичные выработки, выемочные единицы (участки) – блоки, столбы, панели и всю совокупность выработок – рудник, шахта, карьер. Имеем три структурного уровня организации взаимосвязей между элементами – нашими выработками. Они, каждая в отдельности взятая, несут в себе три уровня свойств: единичного, особенного и общего. Общего в том, что все они используются как средство для добывания полезного ископаемого, особенное в определенном функциональном назначении – вскрывающая, подготовительная, очистная. Единичное как конкретное подземное сооружение.

Налицо системность исполнения совокупности выработок и иерархичность структурных связей, строения. Иерархичность имеет место не только в рассматриваемом основном средстве добывания, но и в объекте, претерпевающем преобразования. Можно выделить два уровня – уровень месторождения и уровень массива, слагающего это месторождение.

Происходящие процессы преобразования можно рассматривать с позиции человека – как горные работы, т. е. задачи (задания) и их решение – вскрыть месторождение, осуществить отбойку руды и т. д. Они выполняются опосредованно, применяя определенные средства (на элементарном уровне имеем операции, из операций формируются работы). И эти же процессы рассматриваются с позиций средств, взаимодействующих с объектом преобразования. В этом случае, говорят, имеем дело с технологическими процессами – вскрытия, подготовки месторождения, отбойки руды. Технологические процесс - итог (результат) реализации функции средства (технического объекта). В этом случае техническое средство представляет собой систему. Система – это то, что выполняет функцию. Технические средства это функциональные системы. Однофункциональные системы - это технические средства различного исполнения, выполняющие одну и туже функцию. Они образуют вид, класс и т. д.

Потому-то – горное дело – область деятельности человека по освоению недр…

Горная технология – совокупность приемов и способов изменения природного состояния недр…

На уровне массива преобразовательные процессы выявить сравнительно просто. Достаточно вспомнить наш собственный опыт применения горной технологии… «в песочнице детского сада». Мы с удовлетворением согласимся с тем, что названный элементарный акт горной технологии состоит из трех широко используемых операций: отделение, перемещение, создание и поддержание условий повторения первых двух и всего акта в целом, («триединство операций ОПП»).

На уровне месторождения преобразовательные процессы осмыслить значительно труднее. Но с учетом уже сказанного можно согласиться с тем, что они те же самые, только средством будут специализированные совокупности (комплексы) выработок. Совокупностью выработок отделяем часть месторождения, затем другой совокупностью ее разделяем еще раз на части (выемочные единицы) и только потом новой совокупностью выработок приступаем к преобразованию массива в промышленных масштабах в означенном контуре очистного пространства. Эта тройка взаимосвязанных операций перемещается и повторяется на новом участке месторождения. Вполне очевидно, что реализация первых двух процессов требует поддержки (управления) на материальном, энергетическом и информационном уровнях. Таким образом, имеем систему процессов, которая характеризуется определенным порядком, стадиями, циклами, увязанными во времени и пространстве.

СТАДИЯ – определенная ступень, период, этап в развитии чего-либо, имеющие свои качественные особенности.

ЦИКЛ – период времени, срок, круг, оборот событий.

ПОРЯДОК – последовательность в деле, заранее обдуманный ход и действия. В. Даль.

Понятием стадии описывают набор качественно отличных состояний преобразуемого объекта в процессе преобразования (в нашем случае это можно отнести к месторождению).

Порядок и цикл используется как при описании функционирования средств, так и описании операций, действий человека. В последнем случае набор повторяющихся операций или работ оформляется в виде цикла операций, цикла работ. Циклы и порядок характерны для всех уровней организации системы. В нашем случае важно понять, что это имеет место, как на уровне единичной выработки, так и на уровне выемочного участка и разрабатываемой части месторождения.

Элементарный состав цикла: 1 - подготовительные операции - доступ к предмету (объекту) преобразования, разделение предмета на технологичные участки, части; 2 - основные операции и3 - заключительные операции. Тогда в нашем случае, т. е. применительно к горной технологии мы будим иметь: проходческий цикл на уровне единичной выработки, стадийность системы разработки выемочного участка (камеры и целики), стадийность разработки месторождения.

При разработке МПИ порядок ассоциируется со стадиями. В настоящее время выделяют три стадии разработки МПИ:

1. Вскрытие МПИ.

2. Подготовка МПИ.

3. Очистная выемка полезного ископаемого.

Если использовать принцип аналогии, а вернее, инвариантности протекания процессов, то обратим внимание что, в нашем случае, вскрытие и подготовку МПИ следует отнести к подготовительной стадии, разворачиваемой в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а очистную выемку - к основной технологической стадии. Следовательно, недостает еще одной стадии – заключительной. Есть все основания в полной мере ее озвучить. Мы полагаем, что такой стадией должна быть стадия - приведение месторождения в посттехногенное состояние.

Более того, предлагаем вернуться к первоначальному представлению о разработке МПИ - как эксплуатации МПИ.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ – основной смысл – разработка, использование природных богатств, но в общем случае – взаимодействие с выгодой. В свою очередь взаимодействие отражает процессы воздействия участников друг на друга, их взаимную обусловленность, что очень важно для осмысления современного состояния наших отношений с Природой с нравственных позиций. Предлагаемая стадия - приведение месторождения в посттехногенное состояние - предполагает осуществление комплекса инженерных мероприятий, ориентированных на восстановление экологического равновесия в регионе, на более полное и рациональное использование его природного ресурса. Напрашивается с отмеченных позиций еще оценить место и роль разведки МПИ. Принимая во внимание инвариантность триады процессов, будем иметь следующие

три стадии эксплуатации МПИ:

1. Разведка МПИ (подготовительная стадия).

2. Разработка МПИ (основная, технологическая стадия).

3. Приведение месторождения в посттехногенное состояние (заключительная стадия).

Естественно, каждая из выделенных стадий будет в свою очередь описываться, используя названную триаду, т.е. также как элементарный цикл проведения любой горной выработки. Можно заметить некоторую противоречивость в нашей логике рассуждений: и разработка и эксплуатация заканчиваются стадией – приведение месторождения в посттехногенное состояние. Постараемся пояснить. Процессы во времени в своем начале осуществляются последовательно, а в дальнейшем они протекают параллельно, так как они еще разводятся и в пространстве. Приведение месторождения в посттехногенное состояние - не разовый акт и не разовая компания. Более того, при таком понимании нашего взаимодействия с месторождением вполне логично допустить повторяемость циклов эксплуатации и сознательно, а вернее, экономически обоснованно, но разнообразно подойти к формированию общего порядка разработки, т.е. рассматривать наряду с поступательным ходом цикла всех стадий разработки также и возвратно-поступательный ход. Включение разведки в процесс эксплуатации узаконит ее параллельное осуществление на ранее «отработанных» горизонтах, приведение, а можно сказать и оставление в надлежащем состоянии выработанного пространства и других определенных выработок (горнов). Продолжительность подобного взаимодействия может исчисляться столетием и более, а достижения НТП сделают его не просто выгодным, а действительно взаимовыгодным.

Поскольку полный набор стадий в цикле инвариантен, постольку общий порядок, как разработки, так и эксплуатации, может ассоциироваться с порядком очистной выемки не только в пределах выемочной единицы (блоке), как это принято при классификации систем разработки, но и в пределах этажа, а также в пределах всего месторождения. При этом порядок отработки этажа и порядок разработки месторождения являются самостоятельными и весьма важными взаимообусловленными технологическими характеристиками наряду с системой разработки.

В части описания порядка отработки этажа уже накопился определенный опыт. В первую очередь выделяют в пределах этажа: прямой и обратный порядок ведения очистных работ в направлении простирания месторождения. Реже мы отмечаем аналогичное изменение направления относительно других элементов залегания месторождения – вкрест простиранию, по падению и восстанию, так как они в основном определяются наличием соответствующих мощности, угла падения и длины месторождения.

В настоящее время формируется международный кодекс этических норм взаимодействия Человека с Природой. В нем четко определено наше отношение к ресурсам Земли и, в частности, минеральным. Например, извлекать и использовать при разумных расходах мы можем в настоящее время только вещество высокого качества (структурированное и концентрированное). Затраты на концентрирование вещества низкого качества зачастую чрезвычайно высоки. Как вывод – не растворяйте, не рассеивайте и не смешивайте те вещества в отходах, которые могут быть рециркулированы. Или - рыночная цена продукта или изделия должна включать в себя все существующие и будущие издержки на устранение ущерба от любых видов загрязнений, деградации окружающей среды, а также других негативных воздействий на общество и природу, связанные с производством этого продукта или изделия (принцип учета всех видов затрат в цене любого продукта или изделия). При этом «бесплатных ленчей не бывает» и скупой платит дважды – не истощайте капитал и ресурсы и не делайте будущее заложником настоящего.

СПОСОБЫ ГОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ: ОТКРЫТЫЙ, ПОДЗЕМНЫЙ, СКВАЖИННЫЙ

СПОСОБ – образ, род, порядок, лад, склад, прием операционных действий. При этом под операционным действием будем понимать опосредованное взаимодействие субъекта деятельности с объектом преобразования. Опосредованное – поскольку используются определенные средства, орудия. Нас будут интересовать способы горной технологии. Мы уже знаем (и не по-наслышке!), что есть подземный и открытый способы, а на счет скважинного - затрудняемся. И то может не все. Но почему они так называются?.. Без понятия «горная выработка» не обойтись. При подземном способе контур выработок в поперечном сечении – замкнутый, при открытом – разомкнутый, т.е. открытый и сливается с дневной поверхностью. Но причем тут скважина? Читаем в терминологическом словаре «Горное дело»: скважина – горная выработка цилиндрической формы…Значит контур ее – замкнутый и должна она относиться к подземным выработкам. И способ скважинный должен относиться к подземному…Надо разобраться! Попробуйте сами (или см. вводную тему).

ОБЩИЙ ПОРЯДОК РАЗРАБОТКИ МПИ

При разработке МПИ порядок ассоциируется со стадиями.

В настоящее время выделяют три стадии разработки МПИ:

1. Вскрытие МПИ.

2. Подготовка МПИ.

3. Очистная выемка полезного ископаемого.

Вскрытием называют проведение совокупности горных выработок, обеспечивающих доступ к месторождению или его части с дневной поверхности и функционирование рудника с заданной производительностью. Выработками вскрытия месторождение разделяется на определенные части - этажи, характерные для крутого падения, а также для наклонного и пологого, и панели, характерные для горизонтального залегания.

Подготовкой называют проведение горных выработок во вскрытой части месторождения, обеспечивающих разделение ее на выемочные единицы – блоки, характерные для крутопадающих месторождений, столбы – при наклонном залегании, панели – при горизонтальном.

Очистная выемка, как массовая добыча полезного ископаемого, осуществляется в пределах выемочной единицы путем создания специализированных (очистных) выработок, получивших название – очистное пространство. При этом очистное пространство, в котором процессы очистной выемки ведутся в присутствии людей – называется рабочим очистным пространством, а очистное пространство, в котором закончены процессы очистной выемки, называется выработанным пространством. Таким образом, в процессе очистной выемки как бы осуществляется перевод очистного пространства в выработанное, при этом - частями или полной выемочной единицей.

Процессы очистной выемки (уже нам известные: отделение, перемещение и поддержание) получили специальное определение: отбойка, доставка и поддержание очистного пространства (позднее – управление горным давлением).

Отбойка – технологический процесс очистной выемки по отделению руды от массива в виде кусков (с дроблением на куски).

Доставка – технологический процесс очистной выемки по перемещению отделенного полезного ископаемого (отбитой руды) в пределах выемочной единицы (блока) с погрузкой в транспортные сосуды.

Управление горным давлением – технологический процесс очистной выемки по поддержанию очистного пространства в рабочем состоянии, т.е. состоянии, обеспечивающем протекание всех технологических процессов в заданном режиме.

Выделенным стадиям эксплуатации и разработки соответствует разделение запасов на разведанные, промышленные и непромышленные, балансовые и забалансовые, вскрытые, подготовленные, готовые к выемке запасы. Более того, мы можем уже говорить и о наличии нормативов вскрытых, подготовленных и готовых к выемке запасов, исчисляемых в месяцах функционирования рудника с заданной производительностью.

СТРУКТУРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Описывая какое-либо физическое явление, мы обязаны отразить необходимый и достаточный набор признаков, как общего, так и особенного, а так же частного (индивидуального) характера. При этом используем родовые, видовые и конкретные (частные) понятия.

При современном подходе к осмыслению горной технологии мы используем понятие выработка как родовое, а понятие горн как видовое, отражающее признак - принадлежность выработки к технологии добычи полезных ископаемых: получим определение - горная выработка - это выработка, используемая при добыче полезных ископаемых. Для более полного и конкретного представления о той или иной выработки нам надо воспользоваться еще целым рядом признаков и, как говорят, чем больше, тем лучше, не забывая о мере (о здравом смысле). Как при характеристике способов разработки, будем помнить о возможности двух, трех или более вариантов реализации. При наличии двух и более признаков в описании мы будем их ранжировать, воспользовавшись отмеченными положениями. Рабочий вариант такого структурного описания горных выработок приведен в таблице 1.

Таблица 1.

СТРУКТУРНЫЙ ПРИЗНАК	ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ
1. Принадлежность к стадиям эксплуатации	а). Разведочная, б). Эксплуатационная в). Принадлежит к нескольким стадиям
2. Принадлежность к стадиям разработки	а). Вскрывающая, б). Подготовительная, в). Нарезная, г). Очистная
3. Характер финансирования	а). Капитальная; б). За счет затрат будущих периодов, в). За счет текущих затрат
4. Общий характер назначения (принадлежность к технологическому процессу)	а). Основная (главная), б). Вспомогательная
5. Функциональное назначение	а). Буровая, б). Доставочная, в). Откаточная, г). Вентиляционная, д). Водоотливная и др.
6. Ориентация в пространстве	а). Вертикальная, б). Горизонтальная, в). Наклонная
7. Направление проведения выработки относительно элементов залегания РТ	а). По простиранию, б). По падению, в). По восстанию, г). Вкрест простиранию
8. Положение выработки относительно элементов залегания рудного тела	а). У лежачего бока рудного тела, б). У висячего бока рудного тела
9. Вид массива, в котором проведена выработка	а). Породная (полевая), б). Рудная
10. Тип выработки по соотношению размеров (точка, линия, плоскость)	а). Камерная, б). Протяженная, в). Площадные (плоские)
11. Форма выработки в поперечном сечении	а). Прямолинейные: - простые (квадрат, прямоугольник, трапеция), - сложные (полигональные) б). Криволинейные: - простые (круглые), - сложные (сводчатые – овальные, коробчатые, одно-двух-трех-циркульные)
12. Прерывность контура выработки в поперечном сечении	а). Непрерывный, б). Прерывный
13. Масштаб выработки	а) весьма малый, б) малый, в) средний, г) большой, д) весьма большой

В зависимости от контекста иногда достаточно отметить, что данная выработка является эксплуатационной, а в другом случае необходимо указать на то, что выработка является разведочно-эксплуатационной. Можно получить и более полную характеристику выработок. Так, очистные выработки это горные выработки, в которых осуществляются технологические процессы очистной выемки: отбойка, доставка и управление горным давлением. Они могут быть камерного типа, протяженные в виде заходок, площадные в виде слоев. Выработки с определенным набором характерных признаков получили (получают) видовые названия. Так, шахта - это вертикальная, главная вскрывающая рудовыдочная выработка прямоугольной формы, имеющая непосредственный выход на дневную поверхность. Штольня - это горизонтальная, главная вскрывающая рудовыдочная выработка определенной формы, имеющая непосредственный выход на дневную поверхность. Ствол – это вертикальная, вскрывающая выработка круглой формы и определенных размеров, имеющая различное, но определенное назначение, с непосредственным выходом на дневную поверхность. С названием других горных выработок есть смысл знакомиться и их запоминать в контексте с характеристикой отдельных элементов горной технологии.