Современные проблемы науки и производства в области горного дела
..pdfявления объективных геотехнологических взаимосвязей, но и об особенностях этой науки, а также о необходимости дальнейшего развития средств и методов исследований. На современном этапе в геотехнологии основными методами остаются вероятностно-статистические, физическое, математическое и аналоговое моделирование, технико-экономический анализ. Наиболее интенсивно геотехнология стала формироваться как наука именно с развитием вероятностностатистических и других методов исследования операций.
Составные части геотехнологии – физико-техническая, физико-химическая и строительные технологии, а также геотехника – как научные направления формируются на базе определенных производств, технологий и процессов.
4.1. Физико-техническая геотехнология
Физико-техническая геотехнология сформировалась как совокупность знаний о способах и взаимосвязи процессов извлечения полезных ископаемых из недр или техногенных образований без изменения химического состава исходного сырья и его агрегатного состояния. Являясь самостоятельным разделом горных наук, она развивается под влиянием все возрастающих потребностей общества в добыче полезных ископаемых из недр Земли. В настоящее время горнодобывающей промышленностью из недр извлекается уже свыше 200 наименований полезных ископаемых. Горные работы ведутся на глубине до 3,5 тыс. м от поверхности.
Значимость физико-технических геотехнологий для общества и необходимость фундаментальных и прикладных исследований обусловлены широкими масштабами и сложностью технологий современного горного производства, ведущегося как в недрах Земли, так и под толщей морей и океанов с использованием взрывных работ и мощной техники, при огромном разнообразии природных условий месторождений, повышенной опасности производства для работающих, экологических воздействиях на окружающую среду. В этих условиях достижение поставленной цели исследований невозможно без выявления, теоретического и экспериментального изучения многих закономерностей и их научного обобщения, т.е. без проведения фундаментальных исследований. С другой стороны, физико-техническая геотехнология имеет дело с большим объемом прикладных исследований, а иногда и опытно-промышленных испытаний, обусловленных необходимостью учета специфики отдельных месторождений или их групп при проектировании технологии добычи полезного ископаемого.
Объекты изучения физико-технической геотехнологии – горные пред-
приятия (карьеры, шахты, рудники, прииски и др.), технологические процессы открытой, подземной, подводной, скважинной и комбинированной разработки месторождений твердых полезных ископаемых, горные выработки и инженерные сооружения технологического и вспомогательного назначения.
Цель исследований физико-технической геотехнологии – установление взаимосвязей между условиями залегания полезных ископаемых в недрах и спо-
181
ELIB.PSTU.RU
собами их извлечения, способами сохранения недр для последующего использования, а также установление закономерностей изменения параметров технологических процессов в динамике развития горных работ.
Главная задача – создание научных основ эффективных, безопасных
иэкологически сбалансированных технологий и способов освоения георесурсов недр Земли.
Основными научными направлениями физико-технической геотехноло-
гии в процессе ее развития как комплекса наук стали:
–изыскание способов доступа к месторождениям полезных ископаемых (вскрытие месторождений);
–исследование горно-геологических и горнотехнических условий месторождений и создание теоретических основ систем их разработки;
–исследование закономерностей функционирования основных технологических процессов горного производства и формирование на их основе цикличных, циклично-поточных и поточных технологий горных работ;
–обоснование параметров горных выработок и способов их поддержания в процессе эксплуатации с учетом физико-механических свойств горных пород, их напряженно-деформированного состояния (НДС) и техногенных воздействий (технология управления НДС массива);
–исследование режимов горных работ и обоснование последовательности
иинтенсивности разработки месторождений;
–разработка систем управления горными предприятиями и технологическими процессами.
За последние десятилетия достижения физико-технической геотехнологии связаны с созданием научных основ развития и совершенствования современных и разработки новых физико-технических технологий добычи полезных ископаемых и комплексного освоения минеральных и других ресурсов месторождений. Изучены минерально-сырьевая база и территориальное размещение месторождений, горно-геологические характеристики условий залегания полезных ископаемых и свойств горного массива, определены направления комплексного освоения георесурсов, способы и системы разработки, системы вскрытия и подготовки месторождений к эксплуатации.
В результате создана методология установления:
–рациональных условий и области применения открытого, подземного, подводного и комбинированного способов разработки, комплексного освоения георесурсов, а также параметров систем вскрытия, подготовки к эксплуатации
иразработки пластов, залежей и других минеральных скоплений;
–рациональных технологических схем управления состоянием массива, геодинамическими и газоаэродинамическими явлениями для безопасных и комфортных условий труда;
182
ELIB.PSTU.RU
– рациональных технологических процессов, параметров эксплуатации и развития систем вскрытия, подготовки и разработки месторождений, схем применения технических средств.
Физико-техническая геотехнология как наука в своем развитии опирает-
ся на достижения в области естественных наук (геологии, физики, химии, механики и математики), технических (машиноведения, теории надежности, электродинамики), экономики и организации производства и включает в себя:
–физико-техническую открытую геотехнологию;
–физико-техническую подземную геотехнологию;
–физико-техническую подводную (морскую) геотехнологию;
–физико-техническую комбинированную геотехнологию.
По существу, физико-техническая геотехнология – это научный фундамент горно-инженерных знаний, необходимых для создания и эксплуатации горных предприятий, анализа и прогноза их деятельности, а также для оценки последствий горного производства. В физико-технических геотехнологиях и процессах используются взрывное, механическое, гидравлическое, криогенное, химическое, гравитационное и другие воздействия на горные породы. Они осуществляются при разрушении горных пород, укреплении и упрочении горных выработок и массивов, а также при перемещении отбитой горной массы. В результате производства горных работ в земной коре происходят структурные изменения
иперераспределение силовых полей, в значительной мере зависящих от видов
ипараметров технологий и процессов горных работ.
При добыче твердых полезных ископаемых сложные и глобальные геотехнологические проблемы возникают в связи с извлечением из недр и перемещением на поверхность Земли колоссальных объемов горных пород с дезинтеграцией их структуры, образованием техногенных открытых и подземных пространств. В этих условиях неуправляемое развитие горных работ, рост их объемов без надежного научно-технического обоснования чреваты весьма серьезными последствиями.
В процессе горных работ стремятся к двум взаимно противоположным целям:
1)локально, в ограниченных контурах, разрушить массив горных пород
счастичным или полным перемещением дезинтегрированной отбитой массы в выработанное пространство или за его пределы;
2)сохранить в устойчивом состоянии породный массив, окружающий контуры горных выработок и выработанного пространства.
Каждая цель определяет принципы технологий и процессов горных работ. По первому признаку горные технологии основываются на следующих способах разрушения: взрывной; машинный или инструментальный (резанием или скалыванием); гидравлический (размывом, резанием, отрывом, отделением по трещинам); терморазрушение (шелушением, плавлением, выжиганием).
Взрыв, являясь наиболее мощным, но и трудно управляемым физическим процессом, оказывает наибольшее влияние на все последующие производствен-
183
ELIB.PSTU.RU
ные процессы и технологии горных работ в целом, предопределяя цикличность их выполнения, ухудшая устойчивость горных массивов и загрязняя атмосферу. Взрывное разрушение, как и другие методы дезинтеграции горных пород, изучается в соответствующем разделе горного недроведения, где объектами исследований являются действие взрыва в различных природно-минеральных средах, физика процесса разрушения, а также физико-химические аспекты процесса взрыва. В геотехнологии же рассматривается технологическая сторона процесса, а именно: конструкции, параметры, схемы коммутации взрывной сети; интервалы и последовательность взрывания зарядов взрывчатых веществ в увязке с параметрами систем разработки и с общей технологией горных работ. При этом ставят вполне конкретные технологические задачи – отделение руды или других пород по заданному контуру, их дробление в соответствии с размером кондиционных кусков, взрыводоставка рудной массы к выпускным выработкам и др.
В обозримом будущем взрывная отбойка в горном производстве, очевидно, по-прежнему, будет иметь доминирующее значение, особенно при разработке скальных пород, что определяет необходимость дальнейших научных исследований по изысканию путей нейтрализации отрицательных последствий взрывной отбойки крепких горных пород и созданию на этой основе новых технологий и процессов добычи полезных ископаемых.
Машинный способ отбойки, доминирующий в технологиях добычи угля, особенно подземной, за последние годы существенно расширил границы своего применения при разработке рудных месторождений. Это явилось следствием успешных исследований в области геотехники и создания на этой базе машин, комбайнов и разрушающего инструмента с лучшими показателями. Новые технические средства разрушения горных пород с повышенными усилиями резания, а также работающие по принципу скалывания, позволяют разрабатывать принципиально иные технологии добычи скальных пород. С созданием таких технологий будут более эффективно решать проблемы поточности, сохранения природной устойчивости массивов, уменьшения загрязнения атмосферы, сохранности кристаллов драгоценных камней и слюд, комплексной автоматизации горного производства в крепких породах. Решению этих проблем способствует также развитие других способов разрушения горных пород, в частности термических и гидравлических.
Сохранение законтурного породного массива от разрушения и обеспечение его устойчивости осуществляются путем использования внутреннего запаса прочности этого массива, крепления выработок, укрепления или упрочнения примыкающей к горным выработкам зоны массива, заполнения выработанных пространств породной закладкой или временно замаганизированной рудной массой, обрушения части горного массива, сохраняя тем самым целостность остальной его части. Каждая из этих технологий сопровождается определенными физическими и производственными процессами, требующими изучения в связи с горно-геологическими и горно-техническими условиями их протекания. При
184
ELIB.PSTU.RU
этом физические процессы в толще горных пород исследуют методами геомеханики. В геотехнологии на базе этих исследований изучают горно-технологи- ческие аспекты проблем – обоснование способов управления устойчивости массива, технологию и параметры процессов их осуществления.
Научные направления физико-технической геотехнологии имеют свои объекты исследований, характеризуемые главными, решаемыми при соответствующих способах разработки месторождений проблемами, общими из которых являются:
1.Максимальная экономическая эффективность горных технологий.
2.Наиболее полное, но экономически оправданное извлечение подлежащих выемке из недр запасов полезных ископаемых.
3. Обеспечение необходимого качества добытых полезных ископаемых в условиях систематического снижения его уровня в недрах из-за отработки наиболее качественных запасов.
4.Обеспечение максимальной безопасности горных работ.
5.Максимальное сокращение отрицательных экологических результатов деятельности горных предприятий с восстановлением нарушенного горными работами природного равновесия.
6.Сохранение в недрах невостребованных запасов полезных ископаемых
идругих потенциально ценных георесурсов.
7.Использование выработанного пространства в промышленных и других хозяйственных целях.
4.1.1. Физико-техническая открытая геотехнология
Физико-техническая открытая геотехнология – раздел горных наук, обеспечивающий исследованиями развитие открытой (с поверхности Земли) разработки месторождений всех видов твердых полезных ископаемых путем сооружения комплекса горных выработок и производства вскрышных и добычных работ, а также развитие массовых земляных работ.
Открытый способ разработки месторождений, как генеральное направление развития горнодобывающих отраслей отечественной промышленности на протяжении последних нескольких десятилетий, сохранит свои позиции и в обозримой перспективе благодаря в первую очередь основным преимуществам (по сравнению с подземным способом) экономического, технического, технологического, организационного и социального характера. В России в последние годы открытым способом ежегодно добывают около 90 % железной руды, 90 % горной массы, 62 % руд цветных металлов, 60 % угля, почти 100 % алмазосодержащих руд и сырья для производства строительных материалов.
Исследования в области открытой разработки месторождений полезных ископаемых уходят в далекое прошлое. Однако современное направление горных наук, связанное с открытой разработкой, интенсивно начало развиваться только в 20-е годы прошлого столетия, когда стали появляться средства механизиро-
185
ELIB.PSTU.RU
ванной выемки и транспортирования горной массы. Первые исследования этого периода были посвящены разработке методов научного обоснования целесообразной высоты уступов и определения эффективных границ карьеров. В 1924 году известный советский ученый, акад. Л.Д. Шевяков разработал положение по определению высоты уступа при транспортной системе разработки исходя из условий безопасности и технико-экономической целесообразности. Другой советский ученый М.И. Гоберман в 1927 году впервые начал проводить исследования по определению границ карьеров, основанные на принципе сравнения граничного и контурного коэффициентов вскрыши. Такой подход не утратил своего значения и сегодня.
В 20-х годах в связи с применением бестранспортных и транспортноотвальных систем разработки (Челябинские угольные копи, Черемховское месторождение) были предложены методы расчета их основных параметров. В этот же период были заложены основы теории применения массовых взрывов скважинными зарядами и минными камерами.
В последующие годы начали формироваться научные школы Н.А. Старикова в СГИ, Е.Ф. Шешко в МГИ и др. Основные исследования проводились по наиболее трудоемкой в то время операции – буровзрывным работам. Значительные по объему исследования проводились в областях гидромеханизации, применения многочерпаковых экскаваторов и транспортно-отвальных мостов. Были созданы первые классификации систем открытой разработки (Е.Н. Барбот–де–Марни, Е.Ф. Шешко, Н.В. Мельников), разработаны и систематизированы различные схемы вскрытия.
Наиболее быстрое развитие открытых горных работ в СССР началось после окончания Великой Отечественной войны. Открытый способ разработки становится основным при добыче большинства видов полезных ископаемых. На базе выполненных в этот период научных разработок создаются проекты строительства крупных карьеров большой глубины, позволяющих обеспечить все возрастающие потребности страны в минеральном сырье путем применения бестранспортной системы разработки с мощными шагающими драглайнами, современных способов взрывания, применения автомобильного и комбинированного автомобильно-железнодорожного транспорта.
Научное обеспечение интенсивного развития открытой разработки месторождений полезных ископаемых базируется на широко проводимых исследованиях: физических, механических и других свойств горных пород и массивов и взаимодействия последних с рабочими органами горных машин для разрушения, выемки, погрузки, перевозки и складирования (отвалообразования) горной массы; теории создания и совершенствования высокопроизводительного горного (бурового, выемочного, транспортного) оборудования (обоснование прогрессивных видов, размеров и главных параметров техники); теории процессов вскрышных и добычных работ; теории проектирования главных параметров карьеров (их границ, производительности и др.), вскрытия место-
186
ELIB.PSTU.RU
рождений и рабочих горизонтов карьеров, режимов и систем открытых горных работ.
Одним из важнейших предметов исследования в области открытой геотехнологии является управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород на базе выявленных закономерностей перераспределения первоначальных напряжений и деформаций пород в зонах техногенного воздействия.
С развитием масштабов добычи полезных ископаемых открытым способом все большее значение приобретают научные проблемы обеспечения устойчивости конструктивных элементов систем разработки, уступов и откосов бортов карьеров, отвалов вскрышных пород. С использованием новых знаний о первоначальном напряженном состоянии массива пород установлено, что напряженное состояние массива формируется в результате перераспределения первоначальных напряжений вокруг карьерного пространства и определяется параметрами карьера, в том числе его размерами и формой. Взаимосвязь этих двух факторов (первоначальное напряженное состояние – форма и параметры карьера) открывает перспективу управления параметрами вторичного поля напряжений, а следовательно, и устойчивостью бортов карьеров путем задания специальной последовательности образования карьерного пространства, создания защитных и разгрузочных зон.
Создана теория формирования транспортных систем карьеров, которая является составной частью физико-технической геотехнологии и в значительной степени опирается на достижения геотехники. Предмет изучения этого направления открытой физико-технической геотехнологии – физико-механическая сущность процессов перемещения горных пород различными техническими средствами.
Учение о карьерном транспорте развивается как связующее звено технологических процессов добычи и переработки полезных ископаемых. Серьезные научные исследования в этой области начались лишь в 50–60-е годы, когда наладили промышленный выпуск нескольких типоразмеров карьерных автосамосвалов, локомотивов, думпкаров, конвейеров. Актуальными научными задачами в тот период были: определение рационального соотношения вместимости транспортного сосуда и ковша экскаватора; обоснование рациональных схем расположения в рабочей зоне карьера транспортных коммуникаций, схем маневров в забоях и т.п.
По мере развития карьеров и понижения горных работ встала задача обоснования рациональных условий применения различных видов карьерного транспорта в зависимости от высоты подъема и дальности транспортирования горной массы.
Значительным вкладом в создание научных основ формирования транспортных систем глубоких карьеров явилась разработка теоретических основ и методики сравнения и выбора видов карьерного транспорта. Приоритетными
187
ELIB.PSTU.RU
направлениями исследований проблемы карьерного транспорта как технологического процесса открытых горных разработок являются: установление эффективных по энергетическим, экологическим и экономическим показателям областей применения основных видов транспорта в различных горнотехнических условиях; разработка методов учета экологических и экономических факторов при обосновании оптимальной последовательности формирования транспортных систем глубоких карьеров; изыскание технологических схем глубокого ввода железнодорожного транспорта на основе применения тяговых агрегатов и уклонов до 60 %; обоснование параметров технологических схем комбинированного транспорта с применением крутонаклонных (до 50°) конвейерных подъемников.
В 60–70-е годы прошлого века при интенсивном развитии открытого способа разработки железных руд и росте глубин ряда крупных карьеров возникла научная проблема перехода от цикличной технологии к поточной, успешно осуществленного, например, при разработке рыхлых пород. Препятствием к такому переходу была цикличная буровзрывная, технология отбойки больших объемов скальных горных пород от массива, в результате которой получали крупнокусковую горную массу, практически не пригодную для погрузки
итранспортирования производительными машинами непрерывного действия. В этот период был проведен обширный комплекс исследований и созданы научные основы циклично–поточной технологии (ЦПТ) разработки скальных горных пород. При этой технологии сохраняется буровзрывная отбойка пород массива
иих погрузка экскаваторами цикличного действия. Далее горная масса подвергается механическому дроблению непосредственно в карьере и выдается на поверхность средствами непрерывного транспорта (конвейерами).
Всоставе научных основ ЦПТ были разработаны: принципиальные технологические схемы ЦПТ и их классификация; состав комплектов оборудования для основных схем ЦПТ со стационарными, передвижными, самоходными дробильными и грохотильными агрегатами; способы вскрытия, проведения капитальных и подготовительных выработок, подготовки горизонтов, развития горных работ, размещения транспортных коммуникаций в карьерах и т.д.; методы ведения буровзрывных работ, обеспечивающие приемлемую для ЦПТ степень дробления горной массы при различных физико-механических свойствах пород; методика определения момента перехода от цикличной технологии к ЦПТ при реконструкции карьеров.
При активном участии машиностроительных институтов и заводов были обоснованы технические требования и создан ряд опытных образцов оборудования для ЦПТ, испытанных на ряде горных предприятий. Положительные результаты научно-исследовательских, конструкторских и опытно-промышленных работ позволили запроектировать и впоследствии реализовать ЦПТ на большинстве железорудных комбинатов бывшего СССР. Опыт применения ЦПТ показал, что своевременное внедрение ее на глубоких карьерах позволяет сократить за-
188
ELIB.PSTU.RU
траты на транспортирование горной массы на 15–20 %, повысить производительность труда, снизить объем горно-капитальных работ и количество вредных выбросов в атмосферу.
Наиболее существенными научными достижениями последних десятилетий
вобласти физико-технической открытой геотехнологии являются:
–теория вскрытия и систем разработки месторождений различных полезных ископаемых в разнообразных горно-геологических и природно-климати- ческих условиях;
–теория формирования транспортных систем глубоких карьеров на основе одновременного или последовательного (во времени и пространстве) применения автомобильного, железнодорожного и конвейерного видов транспорта;
–научные основы применения циклично-поточной технологии разработки скальных пород и руд;
–расчетные методы определения оптимальных параметров современного мощного горного и транспортного оборудования и принципы формирования на их основе рациональных комплексов для различных горнотехнических условий;
–разработка и внедрение рецептур и технологии приготовления простейших горячельющихся водонаполненных и эмульсионных ВВ;
–разработка и применение на многих глубоких карьерах поэтапной разработки и других схем ведения горных работ с временной консервацией бортов
иотдельных уступов.
Приоритетность ряда указанных выше научных исследований возрастает в условиях проведения экономических реформ, ресурсных, экономических и экологических ограничений.
Основные направления научных исследований в области физикотехнической открытой геотехнологии:
–развитие теории комплексного освоения минеральных ресурсов недр Земли, включая разработку научных и методических положений по добыче и сохранению попутных полезных ископаемых, освоению запасов, находящихся за проектными контурами разработки, использованию техногенного минерального сырья и целенаправленному созданию техногенных минеральных образований, утилизации отходов добычи полезных ископаемых;
–разработка научных основ развития современных и перспективных карьеров, обеспечение их конкурентоспособности в условиях проведения экономических реформ, ресурсных, экономических и экологических ограничений при научном обосновании этапов реконструкции карьеров, параметров рабочей зоны
истепени концентрации горных работ, новых ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих технологий, целенаправленного формирования выработанного пространства и использования его для внутреннего отвалообразования, эффективных транспортных схем и комплекса мер, обеспечивающих комфортные условия труда;
189
ELIB.PSTU.RU
–развитие теории в области создания новых эффективных видов горного оборудования, применение которого позволит компенсировать объективное ухудшение условий разработки месторождений и снижение производительности;
–создание методологии обоснования границ и последовательности применения открытого и подземного способов при комбинированном их использовании для разработки месторождений;
–разработка научных основ создания новых ресурсосберегающих технологий извлечения георесурсов из недр открытым способом, обеспечивающих повышение полноты и качества их извлечения;
–развитие методологии оценки устойчивости откосов разрабатываемых горных массивов и техногенных горных объектов, включая развитие расчетных методов по определению устойчивости откосов, установлению механических характеристик массивов горных пород, критических величин смещений и их скоростей для различных инженерно-геологических комплексов, и обоснование технологических мер повышения устойчивости откосов бортов карьеров, уступов и отвалов;
–разработка научных основ создания ресурсосберегающих и экологически безопасных транспортных систем глубоких карьеров.
Перспективы дальнейшего прогресса физико-технической открытой геотехнологии и ее места в горных науках будущего тесно связаны с решением проблемы оптимизации взаимоотношений между человеком и природной средой. Особое значение для будущего человечества имеют разработки эффективных
ив то же время экологически чистых технологий, не наносящих ущерба окружающей среде.
4.1.2. Физико-техническая подземная геотехнология
Физико-техническая подземная геотехнология – раздел горных наук, обеспечивающий исследованиями различные технологии добычи твердого минерального сырья посредством сооружения комплекса подземных выработок и производства подземных работ по извлечению полезного ископаемого.
Предметами изучения этого раздела горных наук являются:
– вскрытие месторождений; технологические процессы извлечения георесурсов из недр; технологии управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород;
– способы управления газоаэродинамическими и пылевыми режимами
вшахтах и рудниках;
–взаимодействие и взаимосвязи технологических процессов с состоянием массива горных пород и атмосферы подземного горнодобывающего предприятия; методы управления качеством добываемого минерального сырья.
190
ELIB.PSTU.RU