Зарегистрироваться

Горные науки

Категории Горные науки | Под редакцией сообщества: Науки о Земле

Эта версия статьи от 06 Октябрь 2010 17:59, редактировал Копчиков Михаил Борисович
Список всех версий Перейти к списку версий
Перейти к последней версии

Горные науки (англ. mining science; нем. Bergbauwissenschaften; франц. sciences miniиres; итал. ciencias mineras)– совокупность знаний о природных условиях залегания месторождений полезных ископаемых и физических явлениях, происходящих в толще горных пород в связи с проведением горных выработок, о способах добычи и обогащения твёрдых полезных ископаемых, а также организации производства, обеспечивающей безопасную и экономичную разработку месторождений.

Первые научные обобщения опыта добычи и переработки полезных ископаемых относятся к XVI-XVIII вв. (Г. Бауэр (Агрикола), М.В. Ломоносов). Становлению горных наук способствовало увеличение масштабов добычи полезных ископаемых в начале XX в. Горные науки изучают процессы разработки месторождений полезных ископаемых в тесной взаимосвязи с геологическими условиями их залегания; физические явления и процессы, происходящие в толще горных пород в связи с проведением в ней горных выработок; технологию извлечения полезных ископаемых и их первичной переработки; вопросы строительства горных предприятий, экономики горного производства и комплексного освоения недр.

Цель горных наук – раскрытие закономерностей и причинно-следственных связей технологий и среды, а также создание основ для коренного совершенствования техники, технологии, организации и экономики горного производства на базе фундаментальных наук.

Объектами изучения горных наук являются: месторождения твёрдых, жидких и газообразных полезных ископаемых и горных пород, вмещающие месторождения; методы и техника их разведки; технология и технические средства добычи и первичной переработки полезных ископаемых; строительство специальных подземных и наземных сооружений. Горные науки вырабатывают рациональные способы ведения горных работ во времени и пространстве с учётом конкретной горно-геологической обстановки и технического прогресса. Горные науки дают теоретическое объяснение технологиям освоения недр посредством открытых и подземных горных выработок, буровых скважин, разведки недр Земли, строительства подземных сооружений, первичной переработки минерального сырья, основным процессам горного производства и др. Классическими университетскими школами преподавания горных наук являются Московский государственный горный университет и Санкт-Петербургский государственный горный университет.

История горных наук

В истории горнорудного производства, как и в истории цивилизации, можно условно выделить четыре основных периода: древнейший (до X в. до н.э.); древний (до I в.н.э.); средневековый (до XVIII в.); и новый, в котором мы и сейчас живем.

Истоки горных наук восходят к первым научным обобщениям практики добычи полезных ископаемых[1]. Ученик Аристотеля Теофраст (около 372 – около 287 до н.э.) написал книгу «О камнях» и ряд сочинений о рудном деле, не дошедших до наших дней. Философ Стратон из Лампсака (340-270/268 до н.э.) описал горные орудия (сочинение не сохранилось). Крупнейший древнегреческий географ и историк Страбон (около 64/63 до н.э. – 23/24 н.э.) описал технические приёмы рудного дела. Плиний Старший (I в. н.э.) в 4 книгах «Естественной истории» (всего 37 книг) привёл сведения по горному делу и минералогии. Древнеримский архитектор и инженер Витрувий (I в. до н.э.) в труде «Десять книг об архитектуре» описал подъёмные механизмы и уделил внимание выделению углекислого газа в колодцах и способам борьбы с ним. В средние века ценные обобщения по горному делу и геологии дали в своих сочинениях среднеазиатские учёные Бируни и Авиценна. Наиболее полные работы относятся к XV-XVI вв., когда Ульрих Рюлейн фон Кальве (около 1465-1523 гг.), врач и бургомистр г. Фрайберг, издал (около 1500) в Аугсбурге книгу «Полезная горная книжица», явившуюся наставлением для горняков и металлургов. В 1526 г. была издана работа Ж. Бессониуса, посвященная прикладной механике и содержащая сведения о применении механизмов в горном деле. В 1540 г. опубликовано сочинение итальянского учёного Ванноччо Бирингуччо (1480-1539), инженера, минералога и металлурга «О пиротехнике», в котором трактуются вопросы минералогии, геологии, технологии горного дела и металлургии.

Вслед за книгой Ванноччо Бирингуччо в 1544 г. появился обширный труд «Космография» немецкого ученого Себастиана Мюнстера (1489-1552). В «Космографии» содержится описание известных в ХVI в. стран. Данный научный труд в течение ста лет выдержал более 45 изданий на немецком, латинском, французском, итальянском, английском и чешских языках. В нем среди прочих сведений содержится много данных по горному делу, в том числе и по процессам обогащения полезных ископаемых.

Первое фундаментальное обобщение накопленного опыта в области добычи и переработки полезных ископаемых выполнено Г. Бауэром (Агриколой), который издал в 1556 г. книгу «О горном деле и металлургии».

Прогресс в горном деле, обогащении полезных ископаемых и металлургии вызвал появление новых трудов. К ним относятся сочинения: В.И. Геннина (1734 г.), М.В. Ломоносова (1763 г.) и И.А. Шлаттера (1760 г.).

С середины XVIII в. процесс получения и систематизации геологических знаний резко активизировался, в связи с развитием техники и технологий, все большим ростом потребности промышленности в минеральном сырье. В отработку начинают вовлекаться все большие участки земной коры. С этого времени горные науки неразрывно развиваются вместе с растущим потреблением человечеством природных ресурсов.

 

Возникновение горных наук в России

Первые обобщения по горному делу в России сделаны В.И. Генниным, который в 1735 окончил описание горно-металлургического производства на Урале (сохранилась в рукописи). Термин «горные науки» принадлежит М.В. Ломоносову, сформулировавшему основные положения в труде «Первые основания горной науки» (1742). На основе этого рукописного труда в 1763 г. М.В. Ломоносов издал книгу «Первые основания металлургии и рудных дел». Большой вклад в учение о залегании руд, способах их разработки и обогащения внёс русский учёный И.А. Шлаттер, опубликовавший в 1760 «Обстоятельное наставление рудному делу». В 1795 И. Бригонцов подготовил рукопись «В общественную пользу внутренней государственной экономии. Руководство к познанию, разрабатыванию и употреблению каменного угля...», которая была обнаружена в архиве 155 лет спустя. Н.А. Львов (1751-1803) опубликовал в 1799 работу «О пользе и употреблении русского земляного угля»; И.Ф. Герман (1755-1815) в 1797-1810 – книги «Сочинения о сибирских рудниках и заводах» (ч. 1-3), «Описание заводов, под ведомством Екатеринбургского горного начальства состоявших» (ч. 1-2), «Исторические начертания горного производства в Российской империи» (ч. 1). В 1807-19 А.С. Ярцов написал 8-томную «Российскую горную историю» (сохранилась в рукописи). Выдающуюся роль в развитии русских горных наук сыграло открытие в 1773 Петербургского горного училища – первого в России высшего технического учебного заведения, позже преобразованного в Горный кадетский корпус, затем в Институт корпуса горных инженеров, позже в Горный институт.

Становлению и выделению отдельных дисциплин горных наук в России способствовали капитальные работы: в области вскрытия и систем разработки твёрдых полезных ископаемых – А.И. Узатиса (1843), Г.Я. Дорошенко (1880), А.М. Терпигорева (1906, 1915), Б.И. Бокия (1914); бурения – Г.Д. Романовского (1866); горной механики – И.А. Тиме (1899) и П.А. Олышева; горного давления и сдвижения горных пород – М.М. Протодьяконова (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 (1876), С.Г. Войслава (1876), Г.О. Чечотта (1914), В.А. Гуськова (1915); гидромеханизации – П.П. Мельникова (1836), М.А. Шостака (1891), И.А. Тиме (1891); 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).

 

Состав горных наук

Горные науки тесно взаимодействуют с физикой (создание учения о свойствах горных пород и технологий разрушения массивов), химией (эффективное разделение природных минеральных комплексов, создание основ изменения агрегатного состояния полезных ископаемых в недрах), биологией (извлечение полезных ископаемых из недр микробиологическими методами, методы охраны окружающей среды), математикой (аналитические методы исследований, автоматизация горного производства), геологическими науками, экономикой.

В горных науках выделяются крупные направления: горно-геологическое (горная геология, маркшейдерия, нефтяная геология и др.), горнотехнологическое (скважинная горная технология, шахтная горная технология, открытая горная технология, физико-биохимическая горная технология, строительная горная технология), горнотехническое (машиноведение горное), горнофизическое (горная геомеханика, физика горных пород, физика взрыва, подземная гидрогазодинамика и др.), горноэкономическое (горная экономика и др.), минералургия (первичная переработка полезных ископаемых), история горной науки и техники.

Классификация горных наук, разработанная в основном для иссле­дования и добычи твердых полезных ископаемых, выглядит следующим образом[2]:

Горное недроведение

  • Горнопромышленная геология
  • Геометрия и квалиметрия недр
  • Геомеханика
  • Разрушение горных пород
  • Рудничная аэрогазодинамика
  • Горная теплофизика

Горная системология

  • Теория проектирования освоения недр
  • Экономика освоения георесурсов
  • Горная экология
  • Геоинформатика

Геотехнология

  • Физико-техническая геотехнология
  • Физико-химическая геотехнология
  • Строительная геотехнология
  • Геотехника

Обогащение полезных ископаемых

  • Технологическая минералогия
  • Дезинтеграция и подготовка минерального сырья к обогащению
  • Физические и химические процессы разделения, концентрации и переработки минералов
  • Физические и химические процессы извлечения полезных компонентов из природных и техноген­ных вод

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 под углом зрения 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 геосистемы и выявляют последствия освоения недр для общества и природы.

Горные науки группы «Геотехнология» - 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 извлечение (например, подземные полости).

Объединяющая идея - выявить научные предпосылки для технических решений, расширяющих функциональные возможности горных предприятий в преобразований 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 в продукты, пригодные для последующего использования в различных хозяйственных отраслях.

 

Взаимосвясь горных и других наук

Наибольшее взаимодействие горные науки имеют с науками геологическими, геофизическими и геохимическими, 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[1].

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 - общие 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 областях геотехнологий и обогащении 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 геоэкология. Практические результаты научных исследований здесь в большей или меньшей степени воздействуют на окружающую природную среду. Экологическая оценка различных аспектов этого воздействия, 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, автоматизированное проектирование 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 и нынешнего и будущего общества минеральными ресурсами требует рассмотрения всех вопросов в контексте фундаментальной социальной проблемы - устойчивого общественного развития.

Все известные виды преобразования горного производства обязательно должны предполагать улучшение экологической обстановки. Это означает установление и соблюдение экологически безопасных параметров для всех элементов, подсистем и всей системы производства на всех иерархических уровнях и стадиях процесса комплексного освоения георесурсов и сохранения недр.

При пользовании недрами должны быть в полной мере учтены два императива: социальный и экологический. Это обстоятельство требует кардинального повышения наукоемкости горного производства и создает предпосылки для гуманизации труда горняков и повышения общественного статуса и престижа деятельности по освоению недр.

Мерой наукоемкости для горного производства должна стать и степень осуществления разнообразных ресурсовоспроизводящих технологий воздействия на минеральную среду. Именно они призваны сейчас обеспечить «рекультивацию» недр в пространственных границах преобразуемого участка литосферы с учетом его свойств, требований и экологических нормативов. В этих технологиях должны быть использованы новые знания о свойствах природных и техногенных геосистем.

Необходим поиск радикальных решений, которые выводят горное производство на высший уровень совершенства. Наибольший рост его эффективности (с точки 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.

В нынешних условиях важное значение имеет разработка новой ресурсовоспроизводящей технологии производства угольных суспензий, гидродобычи металлических руд через скважины, складирования и хранения некондиционного минерального сырья.

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

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

Эффективность добычи полезных ископаемых зависит от новых форм освоения недр. Так, их использование для размещения радиоактивных и токсичных отходов обеспечивает практически единственную возможность решения одной из наиболее острых экологических, социальных и экономических проблем. Необходимость создания подземных сооружений различного назначения также предполагает новые направления использования недр Новые пути исследований и соответствующая их переориентация на сохранение недр Земли, комплексность и экологическая сбалансированность освоения всего многообразия георесурсов открывают широкие возможности для реализации наиболее радикальных идей по совершенствованию горного производства.

 

Рекомендуемая литература

В.В. Авдонин, Н.В. Короновский. Геология для горного дела

Г. Агрикола. О горном деле и металлургии в двенадцати книгах (главах)

М. Ломоносовъ. Первыя основанiя металлургiи, или рудныхъ делъ

В.Ж. Аренс. Основы методологии горной науки

П.В. Егоров, Е.А. Бобер, Ю.Н. Кузнецов, Е.А. Косьминов, С.Е. Решетов, Н.Н. Красюк Основы горного дела: Учебник для вузов

Горная энциклопедия. Под ред. Е.А. Козловского

В.И. Городниченко, А.П. Дмитриев. Основы горного дела

 

Ссылки

  1. Старостин, В.И. Игнатов, П.А. Геология полезных ископаемых: Учебник для высшей школы. –М.: Академический проект, 2004. 512 с.  ↑ 1 2
  2. Лаверов, Н.П., Трубецкой К.Н. Горные науки в системе наук о Земле. Вестник РАН. Том 66, № 5., 1996. С. 411-418 с.  ↑ 1
  3. Лаверов, Н.П., Трубецкой К.Н. Горные науки в системе наук о Земле. Вестник РАН. Том 66, № 5., 1996. С. 411-418 с. 

Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.