Раздел 6. Формирование горных наук

 

В основе развития всей нашей цивилизации лежит простая логическая триада: знание - умении - продукт. Применительно к развитию минерально-сырьевою комплекса трансформируется в триединую систему, состоящую из горных наук; горной технологии (ге отехнологии); горного производства. Связь горных наук с другими отраслями знаний представлена на рис. 6.1.

Рис.6.1. Связь горных наук с другими отраслями знаний

 

Зарождение и формирование системы знаний о земных недрах, способах по­лучения из них полезных ископаемых и способах переработки этих ископаемых можно смело отнести к самому началу каменного века.

Создание горных наук одни авторы относят ко второй половине XVIII в., другие — к концу XIX — началу ХХ в. До этого времени в литературе употреблялся собирательный терм «горное искусство», под которым понималась система приемов и методов научной и практической деятельности, связанная с добычей и обогащением полезных ископаемых. Истоки горных наук восходят к первым на­учным обобщениям практики добычи полезных ископаемых. Ученик Аристотеля Теофраст написал книгу «О камнях» и ряд сочинений о рудном деле, не дошедших до наших дней; Стратон описал горные орудия; Страбон - технические приемы рудного дела; Плиний Старший в четырех книгах «Естественной истории» привел сведения по горному делу и минералогии. В Средние века ценные обобщения по горному делу и геологии дали в своих сочинениях Бируни и Ибн Сина. Наиболее полные работы относятся к XV-XVI вв., когда У. Рюлейн фон Кальве (ок. 1465 — 1523), врач и бургомистр г. Фрайберг, издал (ок. 1500) книгу «Полезная горная кни­жица», явившуюся наставлением для горняков и металлургов. В 1540 г. опубликовано сочинение В. Бирингуччо «Пиротехния», в котором трактуются вопросы ми­нералогии, геологии, технологии горного дела и металлургии. Первое фундамен­тальное обобщение накопленного опыта в области добычи и переработки полез­ных ископаемых выполнено г. Агриколой в сочинении к 12 книг о металлах».

Первое определение горных наук дал в середине XVIII в. М.В. Ломоносов как науки, «...которая учит минералы знать». К началу XX в. в связи с бурным развитием горной промышленности происходит дифференциация научных направлений, в результате которой определилась группа специальных разделов, а именно: проектирование и строительство рудников, обогащение полезных ископаемых борьба с подземными пожарами, горноспасательное дело и др. Становлению
и выделению отдельных дисциплин горных наук в России способствовали капитальные работы: в области вскрытия систем и механизации разработки твердых полезных ископаемых - А.И. Узатиса (1843), A.M. Терпигорева (1906, 1915), Б.И Бокия (1914), АД. Шевякова (1950); бурения - ГД. Романовского (1866); горной механики — А.И. Тиме (1899); горного давления и сдвижения горных пород — М.М. Протодьяконова-старшего (1907, 1912); П.М. Леонтовского (1912); научных основ безопасности работ в шахтах — А.А. Скочипского (1901), Н.Н. Черпицыпа (1917); обогащения полезных ископаемых — Г.Я. Дорошенко (1875); С.Г. Войслава (1876); Г.О. Чечотта (1914). И.Н. Плаксива (1951), Б.Н. Ласкорина (1956), В.И. Ревпивцева (1990); гидромеханизации — П.П. Мельникова (1836); подземной газификации углей — Д.И. Менделеева (1888); добычи нефти — В.Г. Абиха (1853), Н.И. Андроусова (1908). ВН. Вебера (1911). И.М. Губкина (1916).

В 1970-х гг. были созданы научные и учебные центры, концентрировавшие исследования в области горных наук - Московская горная академия (1918), горные институты в Харькове (1922), Кривом Роге (1922), Механобр (Петроград 1920), а также горные факультеты в политехнических институтах в Тбилиси, Баку, Новочеркасске, Ташкенте, Владивостоке. Большое значение для развития горных наук имела деятельность Общества горных инженеров, горных отделов Русского технического общества, а также съездов горнопромышленников. В 1999 г. состо­ялся возрожденный I съезд горнопромышленников России.

За рубежом крупные исследования в области горных наук выполнены во вто­рой половине XX в.: в Германии установлены закономерности распределения на­пряжений в толще пород вокруг выработанных подземных пространств в раз­личных горно-геологических условиях, взаимодействия горных пород и крепей; в Чили созданы основы математической теории горного давления; в Австралии. Бельгии, Великобритании, Канаде, США, Франции решен ряд конкретных задач в горной практике на основе изучения закономерностей горно-геологических про­цессов в скальных массивах и др.

С 1960-х гг. по тематическому плану бывшей СЭВ производились совмест­ные работы по созданию исследовательских комплексов различной аппаратуры, совершенствованию методов определения напряжений в массиве горных пород, международные научные конгрессы (горные, нефтяные и др.) и конференции по обсуждению результатов исследований в области горного недроведения.

Более чем за 230 лет изменился предмет изучения горных работ от минера­лов (по MB. Ломоносову, 1763), процессов разработки полезных ископаемых (по Н.В. Мельникову, 1952), технологии, техники, экономики и организации горно­го производства (по В.В. Ржевскому, 1981), технологии разработки и обогащения полезных ископаемых (по М.И. Агошкову. 1983) до техногенно изменяемых недр Земли (по К.Н.Трубецкому, Д.Р. Каплупову, Н.Н. Чаплыгину, 1994). Накопление и обобщение знаний в области горного дела (по сути, становление горных паук) в течение нескольких столетий было столь тесно связано с непосредственным по­вседневным развитием производственной деятельности общества, что создавало впечатление прикладного, а не фундаментального характера горных наук. Более того, исключительная трудоемкость и опасность горного производства, его осо­бое социально-экономическое положение в отдельные периоды трансформи­ровали горные науки, уводя их от наук о Земле, например к циклу экономических и машиностроительных наук прикладного характера. Насыщение горных наук смежными знаниями в области геологии, геофизики, геохимии, математики, механики, физики, химии, экономики, экологии и других наук, с одной стороны, и возрастание сложности экономических и социальных проблем, возникающих перед горной промышленностью привели в последней четверти ХX в к наиболее радикальному изменению концепции горных наук. Согласно ей горные науки представляют собой систему знаний о закономерностях и методах освоения и сохранения недр Земли как ресурса жизнеобеспечения для устойчивого разви­тия общества. Горные науки изучают техногенно изменяемые недра Земли во взаимосвязи технологических процессов с горно-геологическими условиями, Целью горных наук является получение новых знаний, обеспечивающих возможность управления состоянием, а также изменением функционального назначения недр при их комплексном и экологически безопасном освоении и сохранении.

Для горных наук характерна специфика исследуемых ими явлений. Она состоит в необходимости учета следующих особенностей; крупного масштаба собы­тий, обусловленных созданием и одновременным функционированием большо­го числа производственных объектов в условиях невозобновляемости запасов по­лезных ископаемых; значительной пространственной изменчивости свойств сре­ды при освоении недр (твердой, жидкой и газообразной) в пределах влияния этих объектов на природу; вероятностного характера параметров, системной обуслов­ленности и информационной емкости технологических процессов.

 

РАЗДЕЛ 7. МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ

 

7.1. Строение земной коры

 

Все доступные для современного уровня технического развития минераль­ные ресурсы и основное количество энергетических ресурсов сосредоточены в теле нашей планеты.

В целом Земля имеет центрально симметричное строение и представля­ет собой геоид радиус которого по экватору 6378 км, а по меридиану 6356 км (R_ср = 6371,11 км). На современном уровне наших знаний принято считать, что Земля имеет внутреннее ядро, внешнее ядро, мантию и земную кору (литосферу) (рис. 2.1, см. вкл.).

Земля окаймлена двумя оболочками: атмосферой и гидросферой, Мировой океан нанимает 361,1 млн км², или 70,8 % поверхности земли, суша — 149,1 млн км², или 29,2 %.

Объем земли без атмосферы составляет (083,4 х х 10¹⁸ м³, а масса земли — 5976 х 10²¹ кг.

Объектом промышленного освоения сегодня являются приповерхностные слои литосферы. Все остальное пока технически недоступно, а потому представ­ляет собой минерально-сырьевую базу будущих поколений.

Содержание основных химических элементов в земной коре приведено в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Удельное количество разных элементов в земной коре

 

Химический элемент	Осадочная оболочка континентов	Гранитная оболочка	Базальтовая оболочка континентов	Земная кора (без осадочной оболочки)
Кислород Кремний Аллюминий Железо Магний Кальций натрий Калий Титан Фосфор	18,4 23.0 6,2 3,6 2,1 9,4 1,3 1,7 0,4 0,07	48,0 30,8 8,0 3,5 1,2 2,5 2.2 2,7 0,33 0 08	-16,0 26,1 8,1 6,7 3,0 5,1 2,4 1,4 0,7 0,1	46,1 26,7 8,1 6,0 3,0 5,0 2,3 1,6 0,06 0.09
Всего	96,47	99,31	99,0	99,19

 

Кристаллические химические соединения элементов, слагающие земную кору, называются минералами. Ассоциации минералов образуют горные породы. Изучением минералов занимается минералогия, а горных пород петрография, в задачу которой входит исследование породообразующих минералов.

Выделяют три основные группы пород: изверженные (магматические), оса­дочные и метаморфические.

Изверженные породы образуются при кристаллизации расплавов (магмы), под­нимающихся с больших глубин. Магма изливается на поверхность при извержении вулканов, Значительная часть расплавов кристаллизуется внутри земной коры.

Осадочные горные породы образуются в морях как продукт разрушения и переотложения ранее существовавших горных пород.

Метаморфические горные породы формируются в результате преобразова­ний изверженных и осадочных пород, когда на них оказывают воздействие высо­кие температура и давление.

Земная кора на 95 % состоит из изверженных пород, представленных преи­мущественно гранитами. На континентах на глубине 15 - 30 км граниты залегают сплошным слоем. В 100 т гранитных пород содержится в среднем 8 т алюминия, 5 т железа, 540 кг титана, 80 кг марганца, 30 кг хрома, 18 кг никеля, 9 кг меди, 4,5 кг вольфрама, 1,8 кг свинца. Осадочные отложения залегают на поверхности нашей планеты. В них содержатся нефть, газ, уголь, соли.

До настоящего времени общество вовлекает в эксплуатацию те элементы зем­ной коры, которые в природных условиях сконцентрированы в виде минеральных и других ресурсов. Все эти ресурсы можно систематизировать по классам, груп­пам и видам.

Согласно представлениям академика М.И. Агошкова, ресурсы земных недр разделяются на шесть основных групп.

1 группа. Месторождений полезных ископаемых. В эту группу входят два основных вида.

Вид 1.1. Месторождения твердых, жидких или газообразных полезных ископаемых однородного состава, представленные одной залежью или группой близко рас­положенных залежей с одинаковым или аналогичным химико-минералогическим однокомпонентным (мономинеральным) или многокомпонентным составом по­лезных ископаемых, для первичной переработки которых возможно применение единой технологии.

По условиям залегания, предопределяющим существенное различие в спосо­бах разработки, можно выделить месторождения, которые залегают:

а) в недрах земной суши вблизи ее поверхности или на глубине;

б) в прибрежной части земной суши;

в) на дне и под дном водоемов, рек, морей.

К первому виду относится основная часть месторождений руд черных, цвет­ных, благородных, редких, радиоактивных металлов, угля, горючих сланцев, горно-химического сырья, строительных и технических материалов, нефти, би­тумных сланцев, природного газа.

Вид 1.2. Комплексные месторождения твердых, жидких и газообразных полез­ных ископаемых, представленные группой близко расположенных залежей с су­щественно различным химико-минералогическим составом. Разработку таких ме­сторождений возможно, а иногда и технически необходимо вести совместно, из единой сети горных выработок, в одном шахтном или карьерном поло переработ­ку же добытых полезных ископаемых различного состава целесообразно выпол­нять раздельно или по разным схемам.

Условия залегания, которые предопределяют способ разработки этого вида ме­сторождений, аналогичны перечисленным выше в пунктах а), б), в) первого вида.

Число и роль комплексных месторождений в горной промышленности со вре­менем все более возрастает; также увеличивается многообразие их по сочетанию различных видов полезных ископаемых.

Среди твердых полезных ископаемых известны комплексные месторож­дения, представленные близко расположенными залежами руд цветных метал­лов – свинцово-цинковых, бокситов и черных металлов - железа и марганца; месторождений рудных ископаемых с находящимися в непосредственной близо­сти от них залежами нерудных ископаемых, в частности строительных матери­алов в виде пластов кварцитов, даек крепких и изверженных пород массивов по­род гранитно-гнейсового типа, которые представляют собой во многих районах страны остродефицитный ценный материал для получения строительного щебня. Значительно число рудных месторождений, вмещающие породы которых содер­жат пласты мела, известняка, песка, глины. Классическим примером такого типа комплексных месторождений являются, например Лебединское и Стойленское месторождения Курской магнитной аномалии.

К числу комплексных месторождений жидких и газообразных полезных ис­копаемых относятся многие газоконденсатные и нефтегазоконденсатные место­рождения.

II группа. Горные породы вскрыши, размещаемые при открытой разработке месторождений в породных отвалах, часть которых может быть использована для получения строительных материалов. К этой же группе можно отнести раздель­но складируемые в отвалах добытые забалансовые по качеству полезные ископае­мые. В отвалах вскрыши и забалансовых полезных ископаемых заключено огром­ное количество продуктов недр, использование которых представляет задачу са­мой близкой перспективы.

III группа. Отходы горно-обогатительного и металлургического производства в виде отвалов горных пород от проходки подземных выработок (подобные отвалам пород вскрыши), отвалы хвостов обогатительных фабрик и промывочных установок золотосодержащих, оловоносных и других песков, отвалы металлургических шлаков. В практике значительные массы таких отходов, отвалов, приобретающие со временем промышленную ценность и вовлекаемые в разработку, иногда именуют «техногенными месторождениями». Особое место в этой группе ресурсов занимают отработанные воды обогатительного и металлургического производств, содержащие полезные компоненты. Промышленное использование - переработка их в некоторых случаях может быть экономически целесообразной.

IV группа. Глубинные источники пресных, минеральных и термальных вод. В связи с усилением дефицита поверхностных источников пресных вод стали эффективно эксплуатироваться подземные источники воды, часто имеющие огром­ные статические запасы и притоки. Что касается выгодности и перспектив исполь­зования глубинных минеральных и термальных вод, то пояснений к этому но тре­буется.

V группа. Внутреннее — глубинное тепло недр земли представляет в перспек­тиве один из неиссякаемых и, возможно, наиболее дешевых источников тепло­вой энергии; использование его находится пока в самой начальной стадии, требу­ет развития многоплановых научных исследований и постановки производствен­ных экспериментов.

VI группа. Природные и созданные человеком (техногенные) полости в зем­ных недрах, пригодные для размещения промышленно-хозяйственных и лечеб­ных объектов, захоронения отходов производства и других целей. Использование этой группы ресурсов недр также находится в начальной стадии, имеет большие перспективы и требует широкого развития научных исследований.