Горные науки о добычи полезных ископаемых
ГО́РНОЕ ДЕ́ЛО, область деятельности человека по освоению недр Земли. Г. д. включает все виды техногенного воздействия на земную кору, а также горные науки, изучающие закономерности преобразования и сохранения недр.
На протяжении тысячелетий Г. д. включало добычу только твёрдых полезных ископаемых (нерудные строит. материалы, руда и др., а также некоторые породы камня, использовавшиеся для изготовления орудий труда, оружия и украшений). Во 2-й пол. 19 в. начинает развиваться добыча нефти, в нач. 20 в. – природного газа. Добыче полезных ископаемых предшествует их разведка (см. Разведка месторождений). Данные разведочных работ и пространственно-геометрич. измерений изображаются на картах, планах, разрезах и графиках методами маркшейдерии и горной геометрии. На основе полученной информации о величине запасов и качестве руд принимается решение о экономич. целесообразности эксплуатации данного месторождения и способах его разработки (см. Квалиметрия недр, Разработка месторождений). Спец. службы следят за правильностью выполнения и безопасностью горных работ, принимают меры для предотвращения и ликвидации пожаров, аварий, катастроф и их последствий (см. Горноспасательное дело).
Горное дело с древнейших времён до 19 века
Истоки Г. д. уходят в глубокую древность. Одним из гл. факторов развития Г. д., определяющим его уровень в разл. историч. периоды, являются орудия горного произ-ва (табл. 1). Первые разработки в Европе кремния в горных выработках (иногда с дерев. креплением) датируются периодом мезолита и неолита. Позднее, с 6–5-го тыс. до н. э., начинается систематич. разработка медных руд, а также добыча золота и серебра; с 3-го тыс. до н. э. активно разрабатываются месторождения оловянных руд. От этих периодов остались выработки со следами горнопроходческих инструментов на стенах штолен, остатки дерев. крепления, лестниц и т. п. Постепенно выплавка изделий из меди приобретает относительно широкий характер. Напр., древние племена, обитавшие на территории совр. Армении, выплавляли бронзу 14 типов. С нач. эпохи раннего металла выделяются группы горняков-профессионалов, передававших свой опыт из поколения в поколение. Расширение объёмов добычи медных руд приводит к совершенствованию горных технологий. Так, на территории Юж. Болгарии, Урала и Казахстана по окончании работ горные выработки заполнялись пустой породой (см. Айбунар). Древние способы разработки россыпных месторождений (в осн. золота) принципиально не отличались от совр. способов многократного промывания. Задолго до нащей эры Г. д. существовало и в Китае, Японии, странах амер. континента.
Таблица 1. Эволюция освоения недр Земли
Фаза технологической цивилизации | Период | Определяющий признак горно-эксплуатационной технологии | Горные орудия производства |
---|---|---|---|
Первичная (каменный век) | От происхождения человека –6-5-е тыс. до н. э. | Собирательство каменного материала с поверхности. Неглубокие выемки для добычи высококачественного камня (кремния, обсидиана и др.). Древние карьеры | Каменные молоты, кайлы, кирки; роговые кайлы |
Горно-металлургическая (эпоха раннего металла) | 6-5-е тыс. – нач. 1-го тыс. до н. э. | Поверхностные и подземные выработки в теле полезного ископаемого для добычи руд. Огневые работы. Механический вруб | Медные и бронзовые кайлы, кирки, клинья, молоты; костяные, деревянные клинья; колёсные механизмы |
Горно-металлургическая (ранний железный век) | Нач. 1-го тыс. до н. э. – 1-я пол. 1-го тыс. н. э. | Разветвлённые сети подземных выработок для добычи руд. Искусственное проветривание. Колодезная добыча нефти, скважинная добыча соляных растворов | Железные кайлы, клинья, молоты; механические приспособления для шахтного подъёма и водоотлива |
Энергетическая (этап гидросиловых установок) | 2-я пол. 1-го тыс. – 18 в. | Упорядоченные в пространстве и во времени шахтные выработки для добычи руд и соли. Прообраз шахтных систем разработки руд. Порохострельные работы | Примитивные горные механизмы для обогащения, шахтного подъёма, водоотлива; горные машины с приводом от водяного колеса, конной тяги. Рельсовые вагонетки. Устройства для систем вентиляции |
Энергетическая (этап паровых двигателей) | 18 – кон. 19 вв. | Системы шахтной разработки угля, механизированное бурение скважин, аналитически рассчитанные системы подземной разработки, многоуступная открытая разработка. Взрывные работы. Гидромеханизация | Выемочные горные машины, одноковшовые и многоковшовые экскаваторы, буровые станки, врубовые машины, транспортные машины с паровым и электрическим приводами. Конвейеры. Взрывобезопасные светильники |
Энергетическая (этап электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания) | Нач. – сер. 20 в. | Системы комплексно-механизированных открытой и подземной разработок и обогащения полезных ископаемых, системы скважинной добычи. Управление горным давлением. Шахтная гидродобыча угля | Высокопроизводительные экскаваторы, горные комбайны, установки глубокого бурения. Турбобур, электробур. Подземные самоходные машины. Комплексы обогатительного оборудования |
Информационно технологическая | С 1950-х гг. | Морская горная технология, микробиологическая горная технология, переход от комплексной механизации к автоматизации технологических процессов добычи и комплексному освоению недр | Автоматизированные комплексы горных и обогатительных машин, установки сверхглубокого бурения, морское горнодобывающее оборудование. Циклично-поточное и поточное производство |
Гл. фактором развития производит. сил в античном обществе стало освоение произ-ва железа. Добыча руд и произ-во металлов относились к наиболее развитым и прибыльным отраслям хозяйства греко-рим. цивилизации. С развитием феод. отношений начинается широкое развитие Г. д. в Центр. Европе, применяется ручное бурение горных пород. Важные усовершенствования в Г. д. были сделаны в Европе в 15–16 вв. Применение конного привода и водяного колеса для рудничного подъёма, а также для водоотливных устройств позволило вести горные работы на глубине до 150 м. Начали применяться взрывные технологии добычи. Вводится мокрое обогащение, что позволяет вести разработку сравнительно бедных руд. В 1512 в Саксонии была выдана привилегия на мокрую толчею. В это время в рудниках начинают устраивать дерев. настилы для перемещения по ним тележек с полезным ископаемым. Появляются первые горные училища и руководства по Г. д. («12 книг о металлах» Г. Агриколы, 1556). В Г. д. раньше, чем в других отраслях пром-сти, нашли применение паровые машины, первоначально для откачивания воды (Т. Ньюкомен в 1711–1712), затем и для рудничного подъёма.
С эпохи пром. переворота (кон. 18 – нач. 19 вв.) осуществляется переход к широкому применению в Г. д. машин. В 1815 англичанин Г. Дэви изобретает безопасную рудничную лампу. Совершенствуется техника бурения, всё шире применяются взрывчатые вещества, вводится рельсовая откатка с конной тягой. В 1930-х гг. начинают применять стальные канаты для рудничного подъёма и откатки.
Развитие горного дела в России в 18–19 веке
Россия обладает огромными запасами природных ресурсов, поэтому Г. д. отводилась ведущая роль. Потребностями экономич. и стратегич. характера было вызвано строительство уральских, сибирских и олонецких заводов в 1-й четв. 18 в. Создание в России горно-металлургич. пром-сти потребовало коренной реформы Г. д. Начало реформ было положено созданием 24.8.1700 Петром I Приказа рудокопных дел (см. Рудокопных дел приказ). К кон. 1-й четв. 18 в. было централизовано управление горнозаводским произ-вом и создана Берг-коллегия вместо упразднённого Рудного приказа. В 1719 был принят законодат. акт, определявший политику рус. правительства в горнорудной пром-сти – Берг-привилегию 1719, в дополнение к Берг-привилегии был издан Берг-регламент 1739, просуществовавший до 1807, как и сама Берг-коллегия, функции которой затем передали Горному департаменту.
В условиях крепостнич. России частные предприятия нередко переходили в казённые и наоборот. Особенно много казённых заводов было на Урале. Экономич. отсталость и слабое развитие капитализма вынуждали государство строить и содержать заводы на свои средства. В нач. 18 в. казённые заводы стали раздаваться частным лицам. Напр., в 1702 первый выстроенный казной на Урале Невьянский завод был передан Никите Демидову, а Акинфий Демидов к концу жизни имел 25 заводов на Урале, Алтае и в центре страны; общее число работавших на него крестьян составляло 38 тыс. душ мужского пола (см. Демидовы). В 1730–50-х гг. раздача казённых заводов приняла массовый характер, но уже в кон. 18 в. казна выкупила большинство заводов, разорённых их владельцами. В связи с общим кризисом феод.-крепостнич. хозяйства казённые заводы постепенно пришли в упадок и оказались не в состоянии обеспечивать нужды страны. Сказалась не только экономич. неэффективность крепостнич. отношений; развитие заводов тормозилось хищнич. политикой казённых ведомств, а новые изобретения и открытия медленно внедрялись в производство.
Накопившийся опыт разведывания руд в разных районах страны обусловил возможность целенаправленного ведения поисковых работ и объективной оценки сведений о залежах полезных ископаемых. Улучшились и приёмы разведывания месторождений: наряду с закладкой шурфов вводилась разведка посредством ручных буров (щупов). Изменились организац. формы рудоискательства. Экспедиц. деятельность в России началась в 1702, когда Приказ рудных дел направил в Олонецкий край экспедицию подьячего И. Голованова, разведавшую медные руды и основавшую медеплавильный завод близ Онежского озера.
В нач. 1730-х гг. в Сибирь «для географического описания и осмотра о плодах земных и минералах» отправилась экспедиция Адмиралтейств-коллегии и Петерб. АН. Ею были открыты и описаны месторождения железных и медных руд на землях Кузнецкого и Красноярского краёв, залежи каменного угля на Верхней Тунгуске и др. В 1768–74 АН организовала ещё 5 экспедиций, работавших на огромной территории – от Кольского п-ова и Белоруссии до Кавказа и Каспийского моря. Программа работ предусматривала в том числе и обследование предприятий горнорудной пром-сти. В итоге были открыты многочисл. месторождения, на месте которых возводились заводы по переработке медных, серебряных, золото- и железосодержащих руд. Во 2-й пол. 18 в. появились горные карты месторождений Олонца, Урала, Алтая, Забайкалья с пометками встречавшихся там горных пород, минералов и мест выходов их на поверхность.
Переход к паровой энергетике, связанный с ростом пром. произ-ва, и быстрое истребление лесов вызвали настойчивые поиски новых топливных ресурсов – торфа и каменного угля. С 1720-х гг. развернулись поиски каменноугольных месторождений на территории Европ. части страны и на юго-западе Сибири. В 1721 обнаружены залежи каменного угля на Дону и др. территориях. Применение минер. топлива привлекло также частных предпринимателей, напр. Н. П. Рюмина, А. Демидова, получивших привилегии на добычу угля.
Горное дело в 19–20 веке
Огромный спрос на продукцию горной пром-сти со стороны всё более расширяющегося произ-ва в 19 в. способствовал превращению Г. д. в крупнейшую отрасль капиталистич. хозяйства (табл. 2).
Таблица 2. Динамика роста мировой горной промышленности в 19 в. (среднегодовая добыча, млн. т)
Годы | Каменный уголь | Железная руда | Золотая руда | Серебряная руда | Руды цветных металлов | Всего |
---|---|---|---|---|---|---|
1801–20 | 13,9 | 1,8 | 1,1 | 0,3 | 0,2 | 17,3 |
1821–40 | 28,2 | 4,1 | 1,4 | 0,2 | 0,4 | 34,3 |
1841–50 | 63,7 | 9,6 | 4,4 | 0,4 | 0,8 | 78,9 |
1851–60 | 109,3 | 15 | 16,2 | 0,5 | 1,7 | 142,7 |
1861–70 | 187,3 | 20,5 | 14,2 | 0,7 | 2,6 | 225,3 |
К сер. 19 в. Россия заняла 1-е место в мире по добыче золота и платины. В 1814 на Урале, на Берёзовском прииске, началась добыча россыпного золота, а с 1830 его стали разрабатывать и в Сибири. Если за 1814–20 добыли 184 пуда золота, то в 1831–40 его добыча превысила 4328 пудов.
Интенсивно развивалась техника проходки стволов шахт. Усовершенствованные методы проходки, вентиляции и водоотлива позволили увеличить глубину разработок. Были созданы высокопроизводит. системы разработки угольных и рудных месторождений (см. Подземная разработка месторождений); введён электрич. привод для подъёмных машин, насосов, вентиляторов, рудничного транспорта; осуществлена механизация зарубки с помощью врубовых машин и др. Возникли самостоят. науч.-технич. дисциплины, занимающиеся вопросами добычи отд. видов полезных ископаемых: угля, руд, нефти, торфа и т. п.
В нач. 20 в. в России продолжился рост горного произ-ва. С 1901 по 1913 добыча угля увеличилась с 16 до 21 млн. т, железной руды – с 6,2 до 9,2 млн. т, золота – с 34,4 до 60,9 тыс. кг. Добыча меди возросла в 4 раза, цинка – в 1,5 раза, свинца – в 5 раз. По добыче марганцевой руды, уровень которой в 1913 достиг 265 тыс. т, Россия занимала ведущее положение в мире (53% мировой добычи).
Новый этап в развитии Г. д. связан с науч.-технич. революцией (2-я пол. 20 в.) и характеризуется автоматизацией процессов горного произ-ва и созданием системы горных наук. Науч.-технич. революция превратила науку в непосредственную производит. силу, что привело к внедрению комплексной автоматизации горного произ-ва, контроля и управления осн. технологич. процессами, охраны окружающей среды от влияния горных работ.
Основные направления развития горного дела
В 1990-х гг., в связи с большими объёмами добычи осн. видов минер. сырья, перед человечеством встали качественно новые глобальные проблемы, обусловленные динамич. и газодинамич. явлениями: техногенными землетрясениями, горными ударами, тектонич. нарушениями и др. Всё это потребовало новых подходов и технологий для преодоления ухудшающихся геологич., горнотехнич. и экологич. условий. Примеры таких геотехнологий: направленное изменение свойств массивов горных пород и минер. вещества на макро- и микроуровне; выщелачивание (в осн. подземное) полезных ископаемых и продуктов их обогащения; дегазация и разработка метаноносных угольных пластов; пром. извлечение метана из не тронутых горными работами высокогазоносных угольных месторождений; подземная газификация углей; биотехнология добычи и глубокой переработки полезных ископаемых, в т. ч. получение нового угольного топлива; создание подземных и наземных сооружений разл. назначения (в т. ч. для захоронения и утилизации отходов крупных городов); искусств. продолжение формирования и воспроизводства минер. ресурсов в литосфере; добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов.
Источник
ГО́РНЫЕ НАУ́КИ, комплекс наук о закономерностях и методах освоения (разведка, разработка и обогащение полезных ископаемых) и сохранения недр Земли.
Объект исследования – техногенно изменяемые недра Земли во взаимосвязи технологич. процессов с горно-геологич. условиями. Цель Г. н. – получение новых знаний, обеспечивающих возможность управления состоянием, а также изменением функционального назначения недр при их комплексном и экологически безопасном освоении и сохранении.
Классификация горных наук
В Г. н. выделяют 4 осн. группы. Г. н., которые объединены в группу Горное недроведение (горная геометрия, квалиметрия недр, механика горных пород и др.), включают исследования свойств пород, горных массивов, георесурсов и недр в целом как средоточия разл. природных и искусственно создаваемых образований, находящихся во взаимосвязи друг с другом. Исследования осуществляются с учётом изменения свойств георесурсов (пространственной локализации, сочетания, агрегатного состояния, экономич. параметров, разнообразия и интенсивности проявлений аномалий и др.) под действием техногенных преобразований.
Группа Горная системология включает в себя науки, которые изучают закономерности развития геосистем и выявляют последствия освоения недр для общества и природы (экономика освоения георесурсов, горная экология и др.).
В группе Геотехнология объединены науки об извлечении полезных ископаемых; предметом их исследований являются технологии и технич. средства, позволяющие извлечь георесурсы из недр и водоёмов. Они же создают науч. предпосылки для использования георесурсов тех видов, утилизация которых не предполагает их извлечения (напр., подземные полости).
В группу Обогащение полезных ископаемых входят науки об извлечении ценных компонентов из природного и техногенного минер. сырья. Предмет этих наук – изучение осн. закономерностей физич., физико-химич. и химич. процессов разделения и концентрации минералов природного и техногенного происхождения, взаимосвязи структурного, вещественного и фазового составов минер. сырья с его технологич. свойствами.
Многообразие учитываемых и анализируемых факторов в Г. н. обусловливает применение широкого спектра методов исследования – от натурных наблюдений, лабораторных и опытно-пром. экспериментов до теоретич. обобщений с использованием гео- и горно-информац. автоматизир. систем.
Взаимосвязь Г. н. со смежными науч. дисциплинами многогранна. Наибольшее взаимодействие Г. н. имеют с геологич., геофизич. и геохимич. науками, черпают из них новые знания о строении и формировании земной коры, эволюции геодинамич. процессов, физико- химич. закономерностях образования минералов, горных пород и коры Земли. Не менее важны для Г. н. учёт экономич. знаний и использование их при освоении недр. Напр., в горном недроведении – это изучение георесурсов как фактора обществ. развития (при оценке источников георесурсов, их отд. качественных характеристик и георесурсного потенциала в целом).
История развития
Создание Г. н. одни авторы относят ко 2-й пол. 18 в., другие – к кон. 19 – нач. 20 вв. До этого времени в лит-ре употреблялся собират. термин «горное искусство», под которым понималась система приёмов и методов науч. и практич. деятельности, связанная с добычей и обогащением полезных ископаемых. Истоки Г. н. восходят к первым науч. обобщениям практики добычи полезных ископаемых. Ученик Аристотеля Теофраст написал кн. «О камнях» и ряд сочинений о рудном деле, не дошедших до наших дней; Стратон описал горные орудия; Страбон – технич. приёмы рудного дела; Плиний Старший в 4 книгах «Естественной истории» привёл 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 15–16 вв., когда У. Рюлейн фон Кальве (ок. 1465–1523), врач и бургомистр г. Фрайберг, издал (ок. 1500) книгу «Полезная горная книжица», ставшую наставлением для горняков и металлургов. В 1540 опубликовано сочинение В. Бирингуччо «Пиротехния», в котором трактуются вопросы минералогии, геологии, технологии горного дела и металлургии. Первое фундам. обобщение накопленного опыта в области добычи и переработки полезных ископаемых выполнено Г. Агриколой в соч. «12 книг о металлах» (1556).
Первое определение Г. н. дал в сер. 18 в. М. В. Ломоносов, как науки, «…которая учит минералы знать». К нач. 20 в., в связи с бурным развитием горной пром-сти, происходит дифференциация науч. направлений, в результате которой определилась группа спец. разделов, а именно: проектирование и строительство рудников, обогащение полезных ископаемых, борьба с подземными пожарами, горноспасат. дело и др. Становлению и выделению отд. дисциплин Г. н. в России в эти годы способствовали капитальные работы: в области вскрытия и систем разработки твёрдых полезных ископаемых – А. М. Терпигорева (1906, 1915), Б. И. Бокия (1914), Л. Д. Шевякова (1928); бурения – Г. Д. Романовского (1866); горной механики – А. И. Узатиса (1843), И. А. Тиме (1899); горного давления и сдвижения горных пород – М. М. Протодьяконова-старшего (1907, 1912), П. М. Леонтовского (1912); науч. основ безопасности работ в шахтах – А. А. Скочинского (1901), Н. Н. Черницына (1917); обогащения полезных ископаемых – Г. Я. Дорошенко (1876), Г. О. Чечотта (1914); гидромеханизации – П. П. Мельникова (1836); подземной газификации углей – Д. И. Менделеева (1888); добычи нефти – В. Г. Абиха (1853), Н. И. Андрусова (1908), В. Н. Вебера (1911), И. М. Губкина (1916).
В 1920-х гг. были созданы науч. и учебные центры, концентрировавшие исследования в области горных наук, – Моск. горная академия (1918), горные ин-ты в Харькове (1922), Кривом Роге (1922), Механобр (Петроград, 1920), а также горные факультеты в политехнич. ин-тах в Тбилиси, Баку, Новочеркасске, Ташкенте, Владивостоке. Большое значение для развития Г. н. имела деятельность Об-ва горных инженеров, горных отделов Рус. технич. об-ва, а также съездов горнопромышленников. В 1999 состоялся возрождённый 1-й съезд горнопромышленников России.
За рубежом крупные исследования в области Г. н. выполнены во 2-й пол. 20 в.: в Германии установлены закономерности распределения напряжений в толще пород вокруг выработанных подземных пространств в разл. горно-геологич. условиях, взаимодействия горных пород и крепей; в Чили созданы основы математич. теории горного давления; в Австралии, Бельгии, Великобритании, Канаде, США, Франции решён ряд конкретных задач в горной практике на основе изучения закономерностей горно-геологич. процессов в скальных массивах и др.
С 1960-х гг. по тематич. плану бывшего СЭВ производились совм. работы по созданию исследоват. комплексов разл. аппаратуры, совершенствованию методов определения напряжений в массиве горных пород, междунар. науч. конгрессы (горные, нефтяные и др.) и конференции по обсуждению результатов исследований в области горного недроведения.
Более чем за 230 лет изменился предмет изучения Г. н. – от минералов (по М. В. Ломоносову, 1763), процессов разработки полезных ископаемых (по Н. В. Мельникову, 1952), технологии, техники, экономики и организации горного произ-ва (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. Каплунову, Н. Н. Чаплыгину, 1994). Накопление и обобщение знаний в области горного дела (по сути, становление Г. н.) в течение нескольких столетий было столь тесно связано с непосредственным повседневным развитием производств. деятельности общества, что создавало впечатление прикладного, а не фундам. характера Г. н. Более того, исключительная трудоёмкость и опасность горного произ-ва, его особое социально-экономич. положение в отд. периоды трансформировали Г. н., уводя их от наук о Земле к наукам прикладного характера (напр., к циклу экономич. и машиностроит. наук). Насыщение Г. н. смежными знаниями в области геологии, геофизики, геохимии, математики, механики, физики, химии, экономики, экологии и мн. др. наук, с одной стороны, и возрастание сложности экономич. и социальных проблем, возникающих перед горной пром-стью, с другой стороны, привели в последней четв. 20 в. к наиболее радикальному изменению концепции Г. н. Согласно ей, Г. н. представляют собой систему знаний о закономерностях и методах освоения и сохранения недр Земли как ресурса жизнеобеспечения для устойчивого развития общества.
Основные проблемы и направления современных горных наук
Широкое содержание Г. н. предопределяет необходимость проведения фундаментальных и прикладных исследований в целом ряде новых науч. направлений: создание науч. основ оценки недр Земли, важнейших параметров их состояния и характеристик качества земных ресурсов; изучение закономерностей формирования и осуществления ресурсовоспроизводящих функций при комплексном экологически безопасном освоении и сохранении недр; создание технологий извлечения нетрадиц. видов углеводородов, глубокой переработки труднообогащаемого топливно-энергетич. и минер. сырья; создание теории и методологии равновесного (экологически сбалансированного) природопользования при освоении земных недр; развитие информац. технологий и создание автоматизир. средств поддержки решений в области освоения недр и их сохранения; создание технологии произ-ва и использования водоугольного топлива; развитие методологии и разработка геотехнологий искусств. формирования месторождений полезных ископаемых в литосфере; решение проблем освоения и использования чистых питьевых источников подземных вод; развитие теории поэтапного освоения недр; дальнейшее развитие прогноза и предотвращения катастроф при освоении недр и после техногенных процессов вторжения в них и др.
Источник