книги / Современные проблемы науки и производства в области горного дела

очередь, от технической оснащенности производства, имеющихся инвестиционных возможностей, горно-технических условий эксплуатации месторождения, достаточности выделенной территории для размещения всех необходимых производственных объектов, конъюнктуры на рынке, условий сбыта продукции и многого другого. Поэтому ограниченность производственных ресурсов отмечается для каждого из них в целом как усиливающаяся со временем тенденция, реальность которой не может вызывать сомнений у специалистов.

Появление нового ограничения по условиям экологии сопряжено уже не только с традиционными экономическими показателями производства, но и с сохранением здоровья населения и природной основы жизнедеятельности в целом. Экологические ограничения соотносятся с возможностями и условиями уязвимости жизни как таковой и по этой причине имеют по сравнению с другими ограничениями очевидный приоритет и тем самым определяют значимость всех иных условий. Вместе с тем, экологические ограничения стали реально обозначать пределы обеспечения общества минеральным сырьем, накладываемые современным техническим уровнем горной промышленности.

Иными словами, общей тенденцией является расширение круга дефицитных производственных ресурсов с практически полным исчерпанием возможностей для ресурсной взаимозаменяемости, необходимой для технического прогресса горной промышленности при существующем технологическом укладе (развитии по сложившимся тенденциям). Окружающая природная среда в горнопромышленных регионах в силу исчерпания ее ассимиляционных способностей вносит в развитие промышленности дополнительные ограничения и поэтому сама приобретает качество особого производственного ресурса. Все это означает для общества наступление предела эффективной реализации существующей концепции технического развития в сфере получения и потребления минерального сырья и появление необходимости выработки новой концепции, открывающей дополнительные ресурсные возможности в сложившихся условиях их ограниченности.

1.2. Современная идеология горных наук в России

Такая концепция может быть обоснована новым подходом к недрам Земли, с чем связано дальнейшее развитие идеи комплексного их освоения. Настало время рассматривать недра Земли уже не только как источник минерального сырья, воды, газов, тепла с точки зрения их изъятия и утилизации, но в принципиально новом плане – как природный целостный многофункциональный ресурс жизнеобеспечения общества, находящийся в процессе постоянного преобразования. Использование ресурсов недр должно сейчас и в будущем предполагать управление состоянием недр и их функциональным назначением в этот или иной момент времени, имеющее целью сохранить недра в интересах дальнейшего устойчивого общественного развития.

11

ELIB.PSTU.RU

Решение этой двуединой задачи – использование недр и их сохранение как видоизменяемого ресурса жизнеобеспечения общества – составляет современное идейное содержание комплексного освоения недр и одновременно современную идеологию горных наук.

В таком понимании комплексного освоения недр состоит очередной этап развития горных наук.

Каков же должен быть принцип реализации идеологии горных наук? Как уже отмечалось, общество подошло к той границе в освоении недр, когда их использование, понимаемое только как изъятие ресурсов Земли, реально угрожает в силу экосистемного взаимодействия недр с другими компонентами биосферы существованию природного базиса жизни. Здесь следует обратиться к известному высказыванию академика В.И. Вернадского: «…жизнь является... не внешним, случайным явлением на земной поверхности. Она теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых он не мог бы существовать». В какой бы степени недра не были освоены (исчерпаны), общество не может существовать без них, т.е. быть в состоянии, когда их использование невозможно. Поэтому недра как особый многообразный ресурс должны быть сохраняемы постоянно.

Охрана недр Земли, изменяемых в своем состоянии и общественном назначении, может быть осуществлена только посредством постоянного целенаправленного их воссоздания в новом полезном качестве. Поскольку недра при освоении проявляют системное взаимодействие с биосферой, их сохранение при комплексном освоении предполагает воссоздание как земных ресурсов, так

иустойчивого состояния экосистем на территории освоения.

Спроблемой воссоздания ресурсов недр связываются понятия «ресурсовоспроизводящие технологии» и «ресурсовоспроизводящие функции» горного производства. Первое из них представляет собой прямые воздействия или до-

полнительные технологические процессы, при применении которых наряду с использованием тех или иных ресурсов недр производятся целенаправленные изменения условий залегания, агрегатного состояния и качества геогенных и техногенных образований, создающие новые виды ресурсов либо переводящие потенциальные ресурсы в реальные. Отсюда формируются новые ресурсовоспроизводящие функции горного производства, такие как изменение условий расположения образований, рассматриваемых в качестве ресурсов Земли; изменение их качества; изменение параметров, сроков формирования и состояния подземного пространства (минеральной среды или полостей).

Ресурсовоспроизводящие функции заключаются в целенаправленном воздействии на физические свойства минеральных сред и напряженное состояние горных массивов, а также в использовании протекающих при освоении недр процессов и состоявшихся изменений для решения разнообразных задач их сохранения (последующего перспективного освоения).

12

ELIB.PSTU.RU

Сохранение недр при комплексном освоении раскрывается в достаточно простом принципе действий – на любом этапе использования тех или иных земных ресурсов вести дело так, чтобы не закрыть, а напротив, – открыть путь к освоению иных ресурсов для новых общественных потребностей. Например, добыча полезных ископаемых должна позволять проводить геологоразведку глубоких горизонтов месторождения из подземных выработок, а некоторые из них после реконструкции должны быть использованы в качестве вместилища производственных объектов (складов, хранилищ отходов, цехов перерабатывающего комплекса и т.д.), а также для создания производства по утилизации тепла Земли или забору воды для теплообеспечения развивающейся производственной и социальной инфраструктуры и т.п.

Реализация ресурсовоспроизводящих функций горного производства требует придания многоцелевого характера каждому очередному этапу освоения недр (например, разработке месторождений полезных ископаемых) с изменением соответствующих ему производственных и технологических комплексов, процессов и технических средств.

В связи с этим следует отметить, что активно развиваемое перспективное научное направление в составе комплексного освоения недр – освоение подземного пространства – традиционно понимается лишь как использование природных и техногенных полостей. Сохранение же недр подразумевает под освоением подземного пространства процесс управления состоянием недр и изменения их функционального назначения в границах определенного участка литосферы.

Особо важная роль в свете указанного отводится переработке полезных ископаемых и, соответственно, горно-обогатительной науке. Если традиционно на стадии переработки, в частности, твердого минерального сырья все внимание направлено на рациональное повышение извлечения и качества товарных продуктов, то в аспекте сохранения недр такое управление переработкой оказывается недостаточным. Отходы переработки должны рассматриваться уже как новые ресурсы для сохранения недр в целях их последующего использования (в качестве закладки подземных пустот, для регулирования фильтрационных, компрессионных и иных свойств горных пород на определенных участках литосферы; для создания техногенных ресурсов обедненного по тому или иному полезному компоненту минерального сырья). Поэтому управление отходами предполагает придание им необходимого качества по многим параметрам: объемным, вещественным, механическим, физико-химическим, санитарно-гигиени- ческим, экологическим и другим – в зависимости от технологии освоения и сохранения недр.

Из этого следует, что стадия переработки и соответственно обогатительный цикл горных наук ответственны за решение двух взаимосвязанных проблем – получение товарных продуктов для удовлетворения общественного спроса на них, с одной стороны, и производство новых ресурсов в указанном смысле – с другой.

13

ELIB.PSTU.RU

Переходя к оценке экологической составляющей горных наук и соответственно комплексного освоения недр, следует исходить из того, что любой горный объект в процессе строительства и последующей эксплуатации неизбежно изымает из экосистемы данной территории природные ресурсы или изменяет их исходное качество (сокращаются площади пашен, лугов и лесов и ухудшается их качество; изменяется уровень грунтовых и подземных вод, а в ряде случаев – микроклимат; снижается продуктивность и уменьшается разнообразие флоры

ифауны; повышается тектоническая и сейсмическая активность территорий). Денежные компенсации изъятия или качественного изменения природных ресурсов, как и платежи, и различные штрафы, не могут восстановить исходную систему в прежнем виде.

Накапливающиеся со временем экологические последствия, в ряде случаев усиливающие друг друга, как правило, переходят границы ассимиляционных возможностей природной среды и ведут к развитию опасных тенденций ее деградации. Поэтому в системе комплексного освоения недр речь должна идти

осохранении и целенаправленном преобразовании исходной экосистемы в другую, удовлетворяющую живущее на этой территории население с точки зрения качества окружающей среды.

Направления такой природоохранной деятельности могут быть следующими. Это может быть изменение способов разработки, технологии, технических средств и видов деятельности с ограниченным потреблением дефицитных в данном регионе природных ресурсов и сопряженное с этим изменение свойств

иусловий нахождения полезных ископаемых в литосфере и на поверхности; перемещение хранилищ отходов, а также производственных цехов, служб и некоторых сооружений в подземное пространство; формирование экологически сбалансированного антропогенного ландшафта; целенаправленный подбор сообразно специфике горного производства видов трав, кустарников и лесных насаждений в составе рекультивационных работ с учетом агротехнических свойств отвальных пород; создание заповедников и заказников; увеличение продуктивности и разнообразия флоры и фауны и т.д.

Таким образом, принцип природоохранной деятельности, направленной на обеспечение экологической безопасности, должен состоять в восстановлении по мере освоения ресурсов недр в регионе нормативного (требуемого) качества окружающей природной среды в целом путем сохранения или целенаправленного изменения структуры и состава исходной и формирования видоизмененной, сбалансированной, устойчиво функционирующей экосистемы. Хозяйственная деятельность по освоению недр должна в таком случае рассматриваться как экологически безопасная по отношению к данной экосистеме и проживающему здесь населению только в том случае, если известны и могут быть реализованы необходимые для соблюдения данного принципа условия.

Сохранение недр при комплексном освоении, когда они рассматриваются как часть биосферы, – это осуществление целенаправленных действий по вос-

14

ELIB.PSTU.RU

созданию как недр в их измененном состоянии и направлении использования, так и экосистем в требуемом для обеспечения жизнедеятельности качестве окружающей среды.

1.3. Новая классификация горных наук

На современном этапе предметом горных наук являются недра Земли

как видоизменяемый комплексный многофункциональный ресурс жизнедеятельности общества, а сами горные науки представляют собой систему знаний, включающую закономерности и методы освоения и сохранения недр Земли.

В связи с этим цель современных горных наук – получение новых знаний, обеспечивающих возможность управления состоянием и изменением функционального назначения недр при комплексном и экологически безопасном их освоении и сохранении как ресурса жизнеобеспечения для устойчивого общественного развития.

Современная эволюция горных наук изменила их место в системе наук о Земле. Совершенствование способов разработки месторождений полезных ископаемых шло в прошедшие десятилетия по пути углубления и расширения знаний применительно именно к объекту познания. Так, со временем само понятое «система разработки» трансформировалось в совокупность основных и вспомогательных технологических процессов.

Для современных горных наук характерен целый ряд признаков. Прежде всего это существование особого предмета (объекта) исследования – техногенно изменяемых недр Земли. Данная особенность выражается во временном режиме преобразования недр, когда их состояние, в отличие от геологических процессов, радикально изменяется на протяжении жизни одного поколения людей.

Для горных наук характерна специфика исследуемых ими явлений: крупный масштаб событий, обусловленных созданием и одновременным функционированием большого числа производственных объектов в условиях невозобновляемости запасов полезных ископаемых; значительная пространственная изменчивость свойств среды при освоении недр (твердой, жидкой и газообразной) в пределах влияния этих объектов на природу; вероятностный характер параметров, системная обусловленность и информационная емкость технологических процессов; сопряженность при освоении недр всех форм движения материи – от простой механической до высшей социальной, что выдвигает в число рассматриваемых объектов наиболее сложные природно-технические системы и систему человек – машина.

Такое многообразие факторов обусловливает использование в горных науках большого числа методов исследований: натурных наблюдений, лабораторных и опытно-промышленных экспериментов, теоретических обобщений, графоаналитических, сейсмоакустических методов, статистических оценок, аналогий, физического, математического и экономико-математического моделиро-

15

ELIB.PSTU.RU

вания и других. При этом широкое распространение получают теории принятия решений, системного анализа и автоматизированного проектирования, а также теории гео- и горно-информационных автоматизированных систем с картографическими интерфейсами, имитационных моделей производственных объектов, различных видов мониторинга, систем прибор–ЭВМ.

Горные науки, как и другие естественные науки, имеют насыщенную событиями эмпирическую предысторию, развитый понятийный аппарат, верификацию (повторяемость результатов). В то же время горные науки несут на себе отчетливый феноменологический отпечаток. В них отсутствует некая единая изначальная аксиоматика и система базовых универсальных соотношений. Генетически они восходят к повседневной практике горного дела, которое может существовать лишь в технологическом единстве предмета труда (ресурсов недр), средств труда (технических средств) и субъекта труда (трудящихся). Поэтому беспредметен вопрос об изначальном приоритете какого-либо одного компонента.

Феноменологическая основа горных наук обусловливает их междисциплинарность. Поэтому для систематизации горных наук необходимо не только воспринимать их в ряду естественных наук, но и рассматривать в рамках глобальной системности и всеобщей взаимосвязи, что определяется новым для горняков понятием – «геосистема». Оно будет выражать всю совокупность природных и искусственно созданных объектов, несущих в себе свойства системы, создаваемой и используемой в целях освоения недр. Необходимо признать, что современной основой управляемого преобразования недр служит единство четырех компонентов: недр (многообразных георесурсов), техники и технологии, социальноэкономического компонента и системной организации производственной деятельности. Единственный принцип, который может быть положен в основу систематизации горных наук, – это построение системы наук, соответствующее логике последовательности процессов освоения и сохранения недр.

Таким образом, современное естественно-научное содержание и методология горных наук раскрываются 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.

Изменение концепции горных наук – от обоснования технических решений при разработке месторождений полезных ископаемых к выявлению закономерностей развития геосистем, установлению их параметров и методов управления функционированием в связи с последствиями освоения недр для природы и общества – позволяет по-новому представить классификацию горных наук применительно к освоению и сохранению недр при добыче твердых полезных ископаемых (таблица).

16

ELIB.PSTU.RU

Новая классификация горных наук

Горные науки, которые объединены в группу «Горное недроведение», включают исследования свойств пород, горных массивов, георесурсов и недр в целом как средоточия различных природных и искусственно создаваемых образований, находящихся во взаимосвязи друг с другом. Исследование осуществляется с учетом изменения свойств георесурсов (разнообразия аномалий, масштабов и интенсивности их проявлений, пространственной локализации, сочетания, агрегатного состояния, экономических параметров и др.) под действием техногенных преобразований.

Научные дисциплины этой группы объединены общей идеей – выявить закономерности техногенной эволюции недр. Тогда можно будет судить о базе георесурсов для промышленности, получить представление о состоянии недр

иоценить степень комплексности их освоения, сохранения и динамики возможных целенаправленных воздействий.

Горная системология включает в себя науки, которые изучают закономерности развития, геосистем и выявляют последствия освоения недр для общества

иприроды.

17

ELIB.PSTU.RU

Геотехнология объединяет науки об извлечении полезных ископаемых из недр и водоемов, предметом исследований которых являются технологические процессы, технические средства, технологии, способы и горные объекты, позволяющие извлечь георесурсы из недр. Они же создают научные предпосылки для использования георесурсов тех видов, утилизация которых не предполагает их извлечения (например, подземные полости). Объединяющая идея – выявить научные предпосылки для технических решений, расширяющих функциональные возможности горных предприятий в преобразовании недр в целом. Теоретической основой могут стать положения о ресурсовоспроизводящих технологиях горного производства. Знания, полученные в этой области, должны содействовать комплексному использованию пород, горных массивов, георесурсов и недр

иизменению их функционального назначения.

Вгруппу «Обогащение полезных ископаемых» входят науки об извлечении ценных компонентов из минерального сырья. Предмет этих наук – изучение основных закономерностей физических, физико-химических и химических процессов разделения и концентрации минералов природного и техногенного происхождения, взаимосвязи структурного, вещественного и фазового состава минерального сырья с его технологическими свойствами. Установленные закономерности – основа технологий и технических средств для извлечения из земных недр ценных компонентов и превращения в продукты, пригодные для последующего использования в различных хозяйственных отраслях.

Взаимосвязь горных наук со смежными научными дисциплинами многогранна. Как науки междисциплинарные, горные науки связаны с обширным кругом различных отраслей знания. Наибольшее взаимодействие горные науки имеют с науками геологическими, геофизическими и геохимическими, черпают из них новые знания о строении и формировании земной коры, эволюции геодинамических процессов, физико-химических закономерностях образования минералов, горных пород и коры Земли. В более широком смысле речь идет об исследовании географических и геохимических основ образования месторождений полезных ископаемых.

Вгорном недроведении знания многих разделов математики и механики применяются при решении задач по оконтуриванию горных объектов (месторождений, их участков, сооружений, различного рода аномалий в массивах пород), геомеханики, разрушения горных пород, рудничной аэрогазодинамики, горной теплофизики. Сложность решения этих задач, как и других, например задач горной экологии, состоит в их большой размерности и нелинейном характере изменения параметров. Она в значительной мере преодолевается при использовании

современных методов как вычислительной математики (в сочетании

скомпьютерными технологиями), так и математической статистики.

Вгеотехнологии следует активно использовать научные достижения математики и физики для решения вопросов деформирования горных пород в различных физических полях – механических, тепловых, радиационных, комбини-

18

ELIB.PSTU.RU

рованных, взаимодействия разрушаемых и разрушенных горных пород с горными машинами и горными сооружениями. На развитой физико-химической основе построена геотехнология, предполагающая извлечение георесурсов из недр через скважины с предварительным выщелачиванием полезных компонентов, их расплавлением или изменением свойств горного массива путем его упрочнения цементацией, смолоинъекцией, замораживанием и другими способами.

Без использования различных разделов физики и химии невозможна разработка важнейших научных проблем обогащения полезных ископаемых. Разделение и концентрация минералов, направленное изменение их свойств и агрегатного состояния предполагает изучение физических, физико-химических и химических, гравитационных, магнитных, электрических, радиационных, ультразвуковых, электрохимических, механических, плазменных и других процессов, протекающих в минеральных средах.

Законы массопереноса, теория разделения, а также закономерности физикохимической механики – общие для всех обогатительных процессов.

При переработке полезных ископаемых с субмикрозернистым срастанием минералов целесообразно комбинирование гидро- и пирометаллургических процессов. А это предполагает использование горняками-обогатителями научных достижений в области металлургии.

Горные науки в группах «Геотехнология» и «Обогащение полезных ископаемых» немыслимы без применения разнообразной новой горной, транспортной и обогатительной техники. Решение проблем машиностроения, автоматизации, энергетики, управления производственными процессами имеет большое значение для развития этих наук.

Не менее важны для горных наук учет экономических знаний, использование их при освоении недр. В горном недроведении это сопряжено с изучением георесурсов как фактора общественного развития (при оценке источников георесурсов, например месторождений полезных ископаемых, их отдельных качественных характеристик и георесурсного потенциала в целом).

В горной системологии экономические знания необходимы ученым для подсчета георесурсов как системообразующего горного фактора в производстве, оптимизации структуры, параметров функционирования, пространственного размещения и организации взаимодействия геосистем различного уровня.

Аналогичную по значимости роль в развитии горных наук играет горная экология. Практические результаты научных исследований здесь в большей или меньшей степени воздействуют на окружающую природную среду. Экологическая оценка различных аспектов этого воздействия, учет многообразия георесурсов, масштабов и технологических особенностей освоения, а также возможностей сохранения недр составляют основное содержание взаимодействия горных наук и геоэкологии.

Геосистемы по всем признакам относятся к категории сложных. В связи с этим в горных науках активно используются общенаучные подходы, бази-

19

ELIB.PSTU.RU

рующиеся на системном анализе и современных информационных технологиях. При этом наибольшее применение находит разработка банков данных и баз знаний в различных предметных областях, автоматизированного проектирования и гибридных, в том числе имитационных многоуровневых моделей.

В горном производстве особое место занимают социальные проблемы и факторы экологической безопасности. Весьма трудоемкое освоение недр требует привлечения значительных трудовых ресурсов. При этом труд горняков является тяжелым физически, опасным и не относится пока к числу наукоемких. В то же время обеспечение нынешнего и будущего общества минеральными ресурсами требует рассмотрения всех вопросов в контексте фундаментальной социальной проблемы – устойчивого общественного развития.

игорных наук. Все известные виды преобразования горного производства должны предполагать улучшение экологической ситуации. Это означает установление

исоблюдение экологически безопасных параметров для всех элементов, подсистем и всей системы производства на всех иерархических уровнях и стадиях процесса комплексного освоения георесурсов и сохранения недр. Поэтому новая целевая ориентация горных наук открывает перед специалистами широкие возможности преобразования горного производства. Здесь необходим большой арсенал конкретных действий, но главным является создание новых функциональных

иэкономических структур, обеспечивающих, как отмечалось выше, достижение наивысшей эффективности преобразования (предпосылки к подобным радикальным изменениям, как известно, фактически уже закладываются).

При пользовании недрами должны быть в полной мере учтены два императива: социальный и экологический. Это обстоятельство для горных наук уже сейчас не формальный, не чисто технический момент. Оно требует кардинального повышения наукоемкости горного производства и создает предпосылки для гуманизации труда горняков и повышения общественного статуса и престижа деятельности по освоению недр.

Мерой наукоемкости для горного производства должна стать и степень осуществления разнообразных ресурсовоспроизводящих технологий воздействия на минеральную среду. Именно они призваны сейчас обеспечить рекультивацию недр в пространственных границах преобразуемого участка литосферы с учетом его свойств, требований и экологических нормативов. В этих технологиях должны быть использованы новые знания о свойствах природных и техногенных геосистем.

Необходим поиск радикальных решений, которые выводят горное производство на высший уровень совершенства. Наибольший рост его эффективности (с точки зрения социально-экономических и технических характеристик) ведет к созданию новых функциональных структур и появлению новых сфер применения.

20

ELIB.PSTU.RU