ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ГОРНОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

Понятие «техника» происходит от греч. techne, означающего умение, мастер­ство. В античную (от лат. antiquities —древность, старина) эпоху это слово ассоци­ировалось с мастерством художника.

Античность — эпоха становления Древнего Рима и Греции, эпоха развития греко-римской цивилизации. Она охватывает период примерно с конца 2-го тыс. до н. э. до середины 1-го тыс. до н. э. Со временем это понятие расширилось; ору­дия труда, механизмы, машины также стали относиться к технике. В современной науковедческой литературе технику определяют как систему средств труда.

Техника неразрывно связана с технологией — совокупностью взаимосвязан­ных процессов производства, в которых осуществляется взаимодействие челове­ка и техники по определенной технологии. Развитие техники обусловливает со­вершенствование технологии, которая, в свою очередь, влияет на параметры тех­ники.

Горная техника в своем развитии прошла длинный исторический путь совер­шенствования. Этапы и их эволюция связаны главным образом с использованием различных энергетических источников.

Начальный биоэнергетический этап развития горной техники (человек — ин­струмент—предмет труда) связан с использованием в качестве энергетическо­го источника мускульной силы человека и животного и энергии ветра и воды. Античная эпоха в целом характеризуется крайне низким техническим уровнем развития производительных сил. Причинами этого являлись: рабовладельческий способ производства; натуральное хозяйство, небольшая численность населения и незначительный его прирост. В этот период технический прогресс был обуслов­лен прежде всего развитием военной и строительной техники, а также потребно­стями сельского хозяйства и различных ремесел.

Греческие государства классического периода и позже, на территории кото­рых находились месторождения полезных ископаемых, быстро обогащались и становились могущественными. В античном мире хорошо понимали все выгоды, связанные с обладанием минеральными ресурсами. Поэтому нередко войны, воз­никавшие в античную эпоху, носили характер борьбы за то или иное месторож­дение полезных ископаемых. Так, афиняне длительное время вели борьбу за фра­кийские золотые рудники; лакедемоняне с афинянами — за обладание лаврийскими серебряными разработками; римляне с карфагенянами — за богатые иберий­ские месторождения серебра, золота, меди; македонский царь Филипп с пергамским царем Аггалом — за пергамские золотые прииски. Древнегреческий географ и историк Страбон (64/63 г. до н. э. — 23/24 г. н. э.) отмечает в своем 17-томном труде «География», что причина известного плавания аргонавтов за золотым ру­ном в Колхиду, а раньше — некоего Фрика, совершившего аналогичное плавание, определялась стремлением к захвату россыпных месторождений золота в долине реки Риони на Кавказе.

Помимо использования физической силы в период развития мануфактур ши­роко применялась энергия ветра и воды. Механическая энергия воды приводила в движение механизмы, лес обеспечивал производство топливом. В горном деле повсеместное распространение получил водяной двигатель. Верхнебойные коле­са устраивались для насосных установок, подъема руды и ее дробления. В России крупная гидравлическая машина была построена на Змеиногорском руднике на Алтае выдающимся горным инженером Н.К. Фроловым в 1785 г. и использовалась для откачки воды из шахты.

Использование пороха в горном деле с начала XVII в. дало мощное средство для разрушения горных город.

XVII — XIX века можно отнести к этапу машинного производства (человек — машина — инструмент — предмет труда). Промышленный переворот в этот пери­од связан с изобретением паровой машины, которая открывала путь машинному производству, а машинное производство обусловило расширение масштабов гор­нодобывающей промышленности.

В этот период древесина заменяется углем, водяные колеса — паровым дви­гателем — энергетической основой промышленности, инструмент рабочего ману­фактурного периода — машинами, а железо — сталью — основным материалом крупной промышленности.

В области транспорта началось строительство железных дорог и внедрение паровой тяги.

В XX в. энергетика становится комплексной. Паровые двигатели все больше вытесняются электрическими. Замена пара электричеством — одно из главней­ших направлений технического прогресса. За счет открытий в области радиотех­ники и электротехники машины начинают принимать на себя функции контроля и (частично) управления производством.

Этот этап можно характеризовать как этап электрификации, т. к. основой со­временной техники, механизации и автоматизации производства является элек­трификация, благодаря которой интенсифицируется производство, увеличива­ется производительность машин и оборудования. Машине передаются испол­нительная и двигательная функции. В технологических процессах за человеком остается функция управления. Настоящее время можно назвать этапом автомати­зации. В этот период научно-технической революции функция управления тоже передается электронным техническим устройствам (ЭВМ, АСУ, АСУП и т.д.). Технические устройства, управляющие машинами, олицетворяют собой этап ав­томатизации в развитии техники.

Таким образом, горная техника и технология теснейшим образом связаны с использованием энергии, с ее различными видами.

Сейчас, учитывая экологическую обстановку на планете, многие ученые снова обращают внимание на исконные источники энергии, такие как солнце, ветер, вода, морские волны, тепло земных недр и т. д. На основе современной техники освоение этих источников возможно в значительно больших масштабах, чем прежде.

Соотношение науки и техники — величина переменная, каждая эпоха харак­теризуется своим соотношением. До XVII —XVIII вв. наука в своем развитии от­ставала от техники. Связи науки с производством были слабыми, т. к. орудия и машины являлись в основном претворением в жизнь накопленных эмпирических знаний, а не результатом научных исследований.

В XVIII —XIX вв. наука догоняет технику. Машинное производство дало тол­чок бурному развитию науки. С середины XX в. наука в своем развитии опережающаю промышленность и развитие цивилизации

ет технику и превращается в непосредственную производительную силу. Она воз­действует на предметы труда, ее развитие приводит к появлению новых материа­лов, техники и способов производства.

Все обозначенные выше этапы развития горной техники и технологии систе­матизированы в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Периоды эволюции в освоении недр Земли (по акад. К.Н. Трубецкому)

Рис. 1.6. Горные орудия из камня, костей и бронзы:

1 — каменный лом; 2 — каменный молоток; 3, 4 — куски кости для мягких пород; 5, 6,7 — бронзовые долото, лопата и молоток (г. Фрайберг, Германия)

Рис. 1.7. Подземная добыча кремня для каменного оружия и орудий труда:

1 — путем проходки горизонтальных выработок из вертикальных шурфов в Грамс-Грейвс (Великобритания); 2 — путем проходки вертикальных выработок (шурфов) в районе Красного Села (Белоруссия); 3 — древние горные выработки

Рис. 1.5. Роговые орудия горняков эпохи неолита

в Спьене (Бельгия) для добычи кремня

Рис. 1.8. Рисунки из книги М.В. Ломоносова «Первые основания металлургии

или рудных дел» (1763)

Рис. 1.9. Начальные этапы развития горного машиностроения:

1 — добыча нефти из колодцев (Апшеронский п-ов, 1683); 2 — шахтный электровентилятор (кон. XIX в.); 3 — подземный электрический буровой станок (Германия, 1884); 4 — первый паровой экскаватор (кон. XIX — нач. XX в.); 5 — горные работы в карьере с применением конного транспорта

■ 1.4. СИСТЕМА ЗНАНИЙ ОБ ОСВОЕНИИ НЕДР (ГОРНЫЕ НАУКИ)

В основе развития всей нашей цивилизации лежит простая логическая триада: знание — умение — продукт. Применительно к развитию минерально-сырьевого комплекса трансформируется в триединую систему, состоящую из горных наук; горной технологии (геотехнологии); горного производства. Приблизительно в та­кой последовательности будут рассмотрены все основные разделы настоящего курса.

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 XX в. До этого времени в литературе употреблял­ся собирательный термин «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 «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), Л.Д. Шевякова (1950); бурения — Г.Д. 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. Скочинского (1901), Н.Н. Черницына (1917); обогащения полезных ископаемых — Г.Я.Дорошенко (1875); С.Г. Войслава (1876); Г.О. Чечотта (1914), И.Н. Плаксина (1951), Б.Н. Ласкорина (1956), В.И. Ревнивцева (1990); гидромеханизации — П.П. Мельникова (1836); подземной газификации углей — Д.И. Менделеева (1888); добычи нефти — В.Г. Абиха (1853), Н.И. Андроусова (1908), В.Н. Вебера (1911), И.М. Губкина (1916).

В 1920-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 М.В. 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. Каплунову, Н.Н. Чаплыгину, 1994). Накопление и обобщение знаний в области горного дела (по сути, становление горных наук) 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 с другой, привели в последней четверти XX 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; сопряженно­сти 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 моделирования 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.

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», или природно-техническая система», которая выража­ет всю совокупность природных и искусственно созданных объектов, несущих в себе свойства системы, создаваемой и используемой в целях освоения недр.

Таким образом, современное естественно-научное содержание и методоло­гия горных наук раскрываются как система знаний о закономерностях и методах 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 впервые представить классификацию горных наук примени­тельно к освоению и сохранению недр при добыче твердых полезных ископаемых (табл. 1.7).

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 и оценить 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 и природы.

«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).

Таблица 1.7

Классификация горных наук

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 и изменению их функ­ционального назначения.

В группу «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 их 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 (рис. 1.10, см. вкл.).

Наибольшее взаимодействие горные науки имеют с науками геологическими, геофизическими и геохимическими они 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.

В горном 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 с компьютерными технологиями), так и математической статистики.

В геотехнологии следует активно использовать научные достижения матема­тики и физики для решения вопросов деформирования горных пород в различ­ных физических полях — механических, тепловых, радиационных, комбиниро­ванных, 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 физико-химической механики являются общими 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, для оптимизации структуры, параметров функционирования, пространственного размещения и организации взаимодействия геосистем различного уровня.

Аналогичную по значимости роль в развитии горных наук играет горная эко­логия. Техногенное разрушение недр в процессе извлечения полезных ископа­емых сопровождается сильным и часто необратимым изменением состояния не только литосферы, но и гидросферы, атмосферы и биосферы Земли. При этом ко­ренным образом изменяются условия развития антропосферы. Экологическая оценка различных аспектов этих изменений, 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 этой связи в горных науках активно используются общенаучные подходы, базирующиеся 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 тяжел фи­зически, опасен 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.

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.

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

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, на создание или воссоздание полезных аномалий в свойствах минеральных сред.