книги / Современные проблемы науки и производства в области горного дела

Новая целевая ориентация горных наук открывает перед специалистами широкие возможности преобразования горного производства. Главное – создание новых функциональных и экономических структур, которые обеспечивали бы наивысшую эффективность преобразования. Особое значение имеет создание таких технологий, которые предполагают активное воздействие на горный массив с помощью физических, химических и других методов и направлены на изменение условий залегания, агрегатного состояния, качества природных и техногенных образований, создание или воссоздание полезных аномалий

всвойствах минеральных сред.

Всовременных условиях важна разработка новой ресурсовоспроизводящей технологии производства угольных суспензий, гидродобычи металлических руд через скважины, складирования и хранения некондиционного минерального сырья.

При комплексном освоении недр необходимо использовать не только полезные ископаемые, но и ту часть сырья, которая именуется ныне отходами, а по сути является вторичными, не полностью использованными георесурсами. Спрос на последние пока невелик.

Изучение глубинных явлений и закономерностей необходимо для разделения минеральных комплексов и введения в практику горного дела техноло- го-минералогических оценок месторождений. Они позволяют создать эффективные технологии для первичной переработки руд сложного химического состава.

Эффективность добычи полезных ископаемых зависит от новых форм освоения недр. Так, их использование для размещения радиоактивных и токсичных отходов обеспечивает практически единственную возможность решения одной из наиболее острых экологических, социальных и экономических проблем. Необходимость создания подземных сооружений различного назначения также предполагает новые направления использования недр.

1.4.Пути совершенствования горного производства

иновые научные направления исследований

Новые пути исследований и соответствующая их переориентация на сохранение недр Земли, комплексность и экологическая сбалансированность освоения всего многообразия георесурсов открывают широкие возможности для реализации наиболее прогрессивных идей по совершенствованию горного производства.

В отличие от прежних концепций новый подход к горным наукам предполагает:

–переход от взгляда на недра как на систему месторождений полезных ископаемых к интерпретации недр как средоточия генетически и пространственно взаимосвязанных разнообразных георесурсов;

–отказ от представления об исчерпаемости недр и осознание их как комплексного ресурса жизнедеятельности, связанного с развитием общественных

21

ELIB.PSTU.RU

потребностей, с постоянно обновляемой возможностью использования его в новом качестве;

–отказ от понимания горных технологий лишь как средств по добыче

ипереработке полезных ископаемых и переход к представлению об их общих, ресурсовоспроизводящих функциях;

–переход от фрагментарного изучения горных объектов и процессов к установлению закономерностей взаимодействия различных природных и техногенных геосистем;

–переход от использования недр лишь для добычи и утилизации полезных ископаемых к сохранению недр в ходе их комплексного освоения (с воссозданием и увеличением разнообразия их полезных качеств);

–отказ в целом от технократической ориентации горных наук. Значительно более широкое, чем известное ранее, содержание современных

горных наук требует исследований в целом ряде новых научных направлений, среди которых важнейшими являются:

–создание научных основ оценки недр Земли как целостного природного ресурса жизнеобеспечения, важнейших параметров их состояния и характеристик качества земных ресурсов;

–разработка принципов, теории, методологии и новых методов проектирования и планирования экологически безопасного (сбалансированного) освоения недр Земли с целенаправленным воссозданием в новом функциональном назначении;

–изучение закономерностей формирования и осуществления ресурсовоспроизводящих функций горного производства, создание теоретической базы технологий и технических средств для изменения состояния недр, свойств минеральных сред и качества ресурсов Земли при комплексном экологически безопасном их освоении и сохранении;

–создание теории и методологии равновесного (экологически сбалансированного) природопользования при освоении недр;

–системный прогноз освоения ресурсов недр Земли и изменения их состояния

всвязи с развитием общественных потребностей и технологического уклада экономики;

–разработка теории и методов мониторинга недр как комплексного ресурса с учетом техногенных изменений в их состоянии и различных направлений использования;

–развитие информационных технологий и создание автоматизированных средств поддержки решений в области освоения недр и их сохранения.

Новая идеология и классификация горных наук предполагают их описание, разработку структуры научных направлений, а также установление взаимосвязи между ними на основе существующей номенклатуры научных специальностей

иучебных дисциплин.

22

ELIB.PSTU.RU

С завершением этой работы будут созданы современные идейные и организационные предпосылки для становления нового мировозрения в научных исследованиях по освоению недр, подготовке и аттестации горных специалистов, обеспечению георесурсами настоящего и будущих поколений. Все это утверждает горные науки в ряду наук о Земле и позволяет занять среди них подобающее место.

Таким образом, развитие за последние 30–50 лет представлений о горных науках, в котором можно выделить несколько этапов, означает восхождение знаний от понимания предназначения этих наук обеспечивать лишь требуемый уровень технико-экономического совершенства горной промышленности к осознанию их роли и функций в глобальном процессе сохранения недр, составляющих неотъемлемую часть биосферы.

Список литературы к разделу 1

1.Недра и основные положения экологической безопасности их освоения /

К.Н. Трубецкой [и др.] // Горный журнал. – 1995. – № 7. – С. 17–21.

2.Лаверов Н.П., Омельяненко Б.И., Величкин В.И. Геологические аспекты проблемы захоронения радиоактивных отходов // Геоэкология. – 1994. – № 6. –

С. 3–20.

3.Агошков М.И. Классификация горных наук // Актуальные проблемы освоения месторождений и использования минерального сырья / Моск. гос. геол.

ун-т. – М., 1993. – С. 23–30.

4.Ржевский В.В. Горные науки. – М.: Недра, 1985.

5.Агошков М.И. Состояние и перспективы развития горных наук // Изв.

АН СССР. Сер. Геология. – 1983. – № 5. – С. 26–34.

6.Агошков М.И. Развитие идей и практики комплексного освоения недр. – М.: ИПКОН АН СССР, 1982.

7.Трубецкой К.Н., Каплунов Д.Р., Чаплыгин Н.Н. Современные горные нау-

ки: предмет, содержание и новые задачи // Горный журнал. – 1994. – № 6. – С. 3–7.

8.Ромашов А.Н., Цыганков С.С. Современные горные науки и геодинамическая модель Земли // Горный журнал. – 1995. – № 6. – С. 3–4.

9.Пучков Л.А. О структуре горных наук. – М.: Изд-во Моск. гос. геол. ун-та, 2001. – 23 с.

10.Певзнер М.Е. О некоторых задачах горной науки на современном этапе

ееразвития // Горный журнал. – 1995. – № 8. – С. 3–4.

11.Лаверов Н.П., Чернегов Ю.А. Формирование прорывных направлений в горных технологиях с использованием современной методологии технического творчества // Горный журнал. – 1990. – № 12. – С. 3–8.

23

ELIB.PSTU.RU

12.Трубецкой К.Н., Воробьев А.Е. Основы ресурсовоспроизводящих технологий складирования и хранения некондиционного минерального сырья // Гор-

ный журнал. – 1995. – № 5. – С. 47–51.

13.Ямщиков B.C. О формировании современных представлений и задач

вгорных науках // Горный журнал. – 1995. – № 9. – С. 3–5.

14.Засько Ю.Е. Стратегическое управление угольной отраслью. – М.: Издво Моск. гос. геол. ун-та, 2001. – 333 с.

15.Щадов М.И., Чернегов Ю.А., Чернегов Н.Ю. Методология инженерного творчества в минерально-сырьевом комплексе: в 2 т. – М.: Изд-во Моск. гос.

геол. ун-та, 2005. – Т. 1. – 238 с.; Т. 2. – 225 с.

16.Пучков Л.А., Аюров В.Д. Синергетика горно-технологических процессов. – М.: Изд-во Моск. гос. геол. ун-та, 2004. – 264 с.

24

ELIB.PSTU.RU

2. ГОРНОЕ НЕДРОВЕДЕНИЕ

Горное недроведение (горнопромышленная геология, геометрия и квалиметрия недр, геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика, горная теплофизика) включает исследования свойств пород, горных массивов, георесурсов и недр в целом как средоточения различных, находящихся во взаимосвязи друг с другом, природных и искусственно создаваемых образований. Их исследование осуществляется с точки зрения изменения свойств и качества георесурсов (разнообразия, пространственной локализации, агрегатного состояния, экономических и экологических параметров и др.) под действием техногенных преобразований.

2.1.Горнопромышленная геология

2.1.1.Основные положения горнопромышленной геологии

История геологии, выделившейся в самостоятельную ветвь естествознания в конце XVIII века, начиналась с того, что накопленный в процессе добычи полезных ископаемых опытный материал подвергался синтезирующему осмысливанию с целью теоретического обобщения и технического использования. Как фундаментальная естественно-научная дисциплина, геология пришла к нам, согласно высказыванию А.П. Карпинского, через горное дело. В зависимости от обращения к тем или иным элементам геологической среды – минералам и минеральным телам, породам, фациальным и формационным комплексам, структурным этажам и геоструктурным единицам литосферы – возникали соответствующие области геологических наук: минералогия, петрология, историческая геология. В современной геологии, начавшей формироваться в первые годы XX века, отдельную группу составляют гидрогеология, инженерная геология, геокриология, что связано с повышением роли практических задач освоения недр: в первую очередь с развитием горного производства.

Развитие горного производства сопровождается увеличением глубины горных работ. Уже сейчас в России при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом свыше 30 карьеров имеют глубину более 150 м. Глубина некоторых шахт в ряде горнодобывающих районов превышает 1,5 км, железорудных карьеров, как правило, – 300 м; проектная глубина карьеров цветных металлов в основном 400–600 м. Проектная глубина угольных карьеров в Кузбассе и Экибастузе 300–600 м. В ближайшей перспективе около 70 % угольных и рудных карьеров будут иметь глубину от 150 до 500–700 м. В будущем, возможно, более 150 рудников с общей годовой добычей около 100 млн т станут разрабатывать месторождения на глубине от 500 до 1200–1300 м.

Соответственно усложняются гидрогеологические и инженерно-геологии- ческие условия эксплуатации месторождений полезных ископаемых, а увеличение масштаба и глубины горных работ, глобальный характер горной инженерной деятельности определяют актуальность проблем динамики земной коры.

25

ELIB.PSTU.RU

Разработка месторождений сопряжена с потерями минерального сырья

внедрах и ценных компонентов при переработке добытых полезных ископаемых. Так, в процессе обогащения руд в настоящее время теряется более трети олова и около четверти железа, вольфрама, молибдена, оксида калия, переходящих в состав техногенных массивов.

Кнегативным последствиям освоения недр с позиций горнопромышленной геологии следует отнести структурные и вещественные изменения горных массивов не только в региональном, но и планетарном масштабе.

По имеющимся данным, на планете общее количество перемещенной из недр горной массы превышает 100 млрд т. Результатом такого воздействия является образование техногенных массивов – искусственно сформированных в природном ландшафте геологических тел, представленных горными породами, отходами обогащения, золами, шлаками, шламами.

Котрицательным и важным с геологической точки зрения последствиям их формирования необходимо также отнести изменение природного ландшафта, геофизических и геохимических полей в горных породах, слагающих основания техногенных массивов, а также гидрологических и гидрогеологических режимов районов расположения таких массивов; развитие эрозионных массивов.

Возникающие горно-геологические процессы могут иметь порой опасный,

идаже катастрофический характер. С учетом требований практики горного дела

вгеологии создаются новые научные направления. Свидетельством этому является формирование новой отрасли геологических знаний – горнопромышленной геологии.

2.1.2. Объект, предмет и задачи горнопромышленной геологии

Горнопромышленная геология – это горная наука, представляющая собой совокупность знаний о процессах, протекающих в геологической среде при техногенном воздействии на недра, и закономерностях изменения при этом свойств георесурсов.

Можно утверждать, что основой решения проблем горнодобывающей промышленности с учетом усложнения горно-геологических условий разработки

итенденции ухудшения качества полезных ископаемых является коренное улучшение геологического изучения недр и эффективное использование геологической информации в горно-технологических проектах и научных исследованиях.

Горнопромышленная геология как наука является базовой для исследований в области физических и химических процессов горного производства, геотехнологий и первичной переработки минерального сырья и включает три части: теоретическую, методическую и технологическую. Теоретической основой горнопромышленной геологии служит учение о горно-геологических объектах

ифакторах промышленного освоения месторождений полезных ископаемых. Методическая база – методы, средства и организация процессов изменения

26

ELIB.PSTU.RU

иоценивания геологических показателей, характеризующих горно-геологи- ческие объекты, а также принципы и конкретные условия использования геологических данных для принятия обоснованных горно-технологических решений. В общенаучном аспекте горнопромышленная геология способствует формированию целостного представления о геологической среде в сфере горного производства. Народнохозяйственная значимость дисциплины связана с решением проблемы комплексного освоения и сохранения недр, с мероприятиями по сокращению территорий, нарушенных горными работами, поддержанию и восстановлению экологического равновесия.

Предметом изучения горнопромышленной геологии являются: геологи-

ческие факторы и параметры (пространственно-морфологические, объемнокачественные, гидрогеологические и инженерно-геологические), определяющие возможность, целесообразность и условия промышленного освоения геологических объектов; состав и взаимосвязь показателей горно-геологических объектов разных уровней на различных стадиях развития горного производства; методы получения и оценки этих показателей; закономерности их преобразования в ходе горно-технологических процессов; методы, средства, структура и организация геологического обеспечения горного производства.

Целью горнопромышленной геологии является формирование научных геологических основ управления состоянием массива горных пород, запасами

икачеством извлекаемых и используемых георесурсов на всех стадиях их освоения для повышения эффективности и безопасности горного производства, комплексного освоения и сохранения недр.

Достижения горнопромышленной геологии за последние 20–25 лет связаны с изучением следующих геологических факторов и параметров, определяющих целесообразность промышленного освоения геологических объектов:

–определение состава и взаимосвязи показателей горно-геологических объектов разных уровней на различных стадиях развития горного производства

иметодов получения и оценки этих показателей, а также закономерностей их преобразования в ходе горно-технологических процессов;

–разработка средств, структуры и организации геологического обеспечения горного производства.

Главные задачи горнопромышленной геологии в настоящее время состоят в геологическом обеспечении управления запасами и качеством полезных ископаемых, а также управления состоянием массива при горных работах.

Основные научные направления горнопромышленной геологии:

–изучение геологических и геолого-промышленных объектов;

–исследование влияния факторов промышленного освоения месторождений полезных ископаемых на их геологическое состояние;

–разработка методов и средств определения геологических показателей горно-геологических объектов, а также принципов использования геологических данных для обоснования горно-технологических решений;

27

ELIB.PSTU.RU

–анализ и типизация горно-геологических показателей месторождений угля, горючих сланцев и торфа, рудно-минерального сырья, строительных горных пород, а также методов и организации геологического обеспечения добычи полезных ископаемых;

–гидрогеологическое и инженерно-геологическое обеспечение строительства горных предприятий и подземных сооружений;

–геоэкологическое обоснование природоохранных горных технологий;

–комплексные геологические исследования техногенных массивов (месторождений) хвостохранилищ и отвалов для обеспечения их экологической безопасности и получения дополнительных источников минерального сырья.

Горнопромышленная геология как новая научная область прикладной геологии и горного дела находится на стыке геологических и горных наук и широко использует научные разработки не только этих областей знаний, но и других фундаментальных наук – математики, физики, химии.

Горнопромышленная геология сегодня включает в себя:

–геологию углей, сланцев и торфа;

–геологию рудно-минерального сырья;

–геологию строительных горных пород;

–горнопромышленную гидрогеологию;

–горнопромышленную инженерную геологию;

–морскую горнопромышленную геологию.

Геология углей, сланцев и торфа разрабатывает методы и принципы геологического обеспечения разведки и эксплуатации месторождений каустобиолитов и предусматривает изучение вещественного состава полезного ископаемого, оценку запасов сырья, выявление локальных структур месторождения, анализ перспективности регионов на обнаружение промышленных месторождений, оценку значимости отдельных месторождений.

Геология рудно-минерального сырья занимается геологическим обеспечением разведки и разработки месторождений путем детального изучения факторов локализации руд, разработки локальных критериев прогноза и поисков новых рудных тел на действующих предприятиях, всесторонней оценки качества и количества этого сырья, контроля за эксплуатацией месторождений и комплексным использованием полезных ископаемых, обоснования выбора оптимальных схем разработки, опережающего технологического картирования типов руд при обогащении.

Геология строительных горных пород охватывает геологическое обеспе-

чение разведки и добычи глин, песков, гальки, известняков, доломитов, декоративного и строительного камня на основе рационального комплекса поисковых критериев и эффективных способов разведки, изучения качественных параметров ископаемого и оценке запасов. Выполняется также геологическое обоснование рационального порядка отработки месторождений и разработка данных для перспективного планирования добычи, уровня производства и качества сырья.

28

ELIB.PSTU.RU

Горнопромышленная (шахтная и рудничная) гидрогеология изучает влияние подземных вод на условия разработки месторождений полезных ископаемых с целью обоснования инженерных мероприятий по снижению воздействия подземных вод на горные предприятия и охране поверхностных и подземных водных объектов от истощения и загрязнения. К основным задачам гидрогеологического обеспечения горных работ относятся: установление общих закономерностей техногенного режима подземных вод при строительстве

иэксплуатации горнодобывающих предприятий; изучение фильтрационных процессов, определение фильтрационных параметров и оценка условий питания водоносных горизонтов, дренируемых в ходе горных работ или подлежащих охране; прогноз водопритоков в горные выработки, обоснование направления дренажных мероприятий и определение параметров дренажных систем, контроль эффективности дренажных мероприятий; изучение и прогноз гидрогеомеханических процессов, развивающихся в обводненных массивах горных пород при ведении горных работ; прогноз и контроль загрязнения и истощения подземных вод, обоснование мероприятий по охране водных ресурсов геологической среды.

Горнопромышленная инженерная геология изучает горные породы, их толщи (массивы) и геологические процессы и явления, возникающие под влиянием горных работ.

Задачи инженерно-геологического обеспечения – установление физикомеханических свойств горных пород в пределах рудных, шахтных и карьерных полей, а также отвальных массивов; инженерно-геологическая схематизация массивов горных пород и оценка их устойчивости и разрабатываемое обоснование горно-технологических решений по выбору схем вскрытия месторождений, определению параметров систем разработки в зависимости от типа горнотранспортного оборудования, регламентирование режима горных работ; прогноз

инаправленное изменение интенсивности инженерно-геологических процессов (литомониторинг) как основа природоохранных технологий.

Проблемы горнопромышленной гидрогеологии и горнопромышленной инженерной геологии комплексны, обусловлены необходимостью всестороннего изучения условий инженерного освоения и преобразования геологической среды. Предвидение характера и масштаба изменений природно-геологических условий и определение последствий для народного хозяйства необходимы для обоснования рационального проекта разработки месторождения, объемов работ по охране государственных земельного и водного фондов, рекультивации нарушенных горными работами территорий.

Морская горнопромышленная геология изучает вопросы, связанные с по-

иском, оценкой и эксплуатацией морских россыпных месторождений и месторождений, сложенных конкрециями твердых полезных ископаемых, которые расположены на дне океанов, морей и других крупных водоемов. Разрабатывает методы организации геологической разведки и эксплуатации подводных месторождений для геолого-экономической оценки и проектирования морских горных

29

ELIB.PSTU.RU

предприятий, изучает вещественный состав и физические свойства рудных минералов. Проводит технологическое исследование песков и изучает среду, в которой работают горные машины и комплексы (динамику водной среды, рельеф и физическое состояние дна, вещественный состав и физико-механические свойства полезных ископаемых, расположенных на различных глубинах, влияние толщи воды на формирование и изменение свойств горной массы под воздействием морской и климатической обстановки). Изучает вопросы восстановления морских россыпей в процессе их разработки.

В зависимости от способов разработки и вида полезных ископаемых в рамках горнопромышленной геологии традиционно различают шахтную, рудничную, карьерную и приисковую отрасли геологии.

Основной задачей шахтной геологии является изучение на действующем угледобывающем предприятии всего комплекса геологических показателей, характеризующих полезные ископаемые, пласты угля с внутрипластовыми включениями и углевмещающие породы разреза угленосной толщи, строение отдельных шахтных полей и их участков, горно-динамические явления, газоносность, а также гидрогеологические и инженерно-геологические факторы. Она предусматривает детальное изучение условий формирования в процессе угледобычи потребительских свойств добываемой угольной массы (товарного или рядового угля); морфологии угольного пласта как объекта горного производства; структуры угольного пласта; вмещающих пород и шахтного поля, их трещиноватости, складчатой и разрывной нарушенности; горно-геологических параметров и физикомеханических свойств угленосной толщи, пород кровли и почвы угольного пласта; экономической эффективности полноты извлечения запасов, комплексного (безотходного) использования добываемой горной массы; извлечения газов и прогноз газодинамических явлений.

Рудничная геология занимается всесторонним геологическим изучением эксплуатируемого месторождения и отдельных его частей и блоков для решения всех горно-геологических вопросов, связанных с технически правильной и целесообразной разработкой при наиболее полном и комплексном использовании полезного ископаемого и для продления срока работы горных предприятий за счет прироста дополнительных запасов.

Карьерная геология связана с изучением геологического строения, качества угля и горно-геологических условий разработки угольных месторождений открытым способом. Выделение специальной отрасли прикладной геологии обусловлено особенностями геологических, гидрогеологических и инженерногеологических условий залегания мощных пластов угля, системами их разработки, технологией и механизацией выемки, объемами и темпами горных работ. К числу особенностей этой отрасли относятся методики оценки и документации горно-геологических факторов, а также принципы составления горно-геоло- гических характеристик месторождений и классификаций карьерных полей.

30

ELIB.PSTU.RU