Минерально-сырьевой комплекс как основа технократической цивилизации
Основополагающее место в общем развитии цивилизации занимает минерально-сырьевой комплекс. Человечество ежегодно извлекает из недр Земли многие сотни миллиардов тонн различных руд, горючих ископаемых и строительных материалов. В результате переработки этого сырья выплавляется около 800 млн т различных металлов, рассеивается на полях более 400 млн т минеральных удобрений и до 4 млн т различных ядохимикатов. Индустрии добычи твердых полезных ископаемых принадлежит первое место в образовании и накоплении на поверхности планеты твердых отходов, количество которых составляет не менее 65–70 % от общего объема добычи. В недрах Земли образовалось огромное количество полостей и пустот в виде отработанных шахт и карьеров. В результате изменяется сбалансированное за предшествующие эпохи напряженное состояние массивов, нарушается режим подземных и поверхностных вод, деформируется и сама земная поверхность.
Нарастающий технологический прессинг на природные экосистемы приводит к их быстрому и часто необратимому разрушению, которое по своим масштабам постепенно принимает глобальный характер. При этом парадоксальность ситуации заключается в том, что прогрессирующая деградация природы происходит на фоне быстро растущих расходов человечества на ее охрану; при этом энергетические ресурсы, необходимые для сохранения природы на современном уровне развития, могут быть получены только путем техногенного разрушения фундамента этой природы — литосферы Земли.
И тем не менее получение полезных ископаемых является сегодня и в обозримом будущем безальтернативной необходимостью для самого факта существования человека. Поэтому от того, как в наше время будет организовано это производство, какие ограничения и допуски будут наложены на его развитие, в широком смысле зависит сохранение или необратимое разрушение подвижного равновесия в природной среде, сложившегося за геологические периоды развития планеты.
Исходный биологический принцип существования живой материи состоит в непрерывном поглощении низкоэнтропийной энергии солнечного света. Этот процесс дает возможность поддержания и увеличения упорядоченности и сложности на планете с помощью фотосинтеза и других процессов жизнедеятельности. Солнечная энергия поступает на поверхность Земли в определенном объеме, и за миллионы лет эволюции биосфера приспособилась к использованию этого фиксированного количества солнечной энергии. На протяжении последних столетий (а это лишь мгновение в истории биосферы) человек перестал довольствоваться годовым поступлением солнечной энергии и начал со все нарастающей интенсивностью проживать земные запасы низкоэнтропийного материала (минерального топлива и сырья), которые, по сути, также представляют собой часть полученной в прежние эпохи от Солнца энергии. Но, в отличие от прямой солнечной энергии, их можно использовать с любой необходимой в данный момент для развития общества интенсивностью. Поэтому сегодня минеральное сырье, извлекаемое из недр Земли, является основой существования технократической цивилизации. Практически весь антропогенный материальный мир построен и функционирует за счет результатов прямого или косвенного разрушения определенных участков литосферы и последующего использования полученного при этом вещества. По последним данным, минеральное сырье дает исходные материалы и энергетическую основу производству 70 % всей номенклатуры конечной продукции человеческого общества.
Экономическая система человечества состоит из людей, средств производства и материальных благ. На протяжении последних столетий ее наиболее яркой чертой был огромный количественный рост. Население росло темпами, далеко превышающими известные ранее в истории, и это беспрецедентное увеличение стало возможным только в условиях сопровождающего его еще более быстрого расширения производства материальных благ. Население мира увеличивалось примерно на 2 % в год, удваиваясь каждые 35 лет, мировое потребление товаров — на 4 % в год с удвоением каждые 17–18 лет, а добыча полезных ископаемых на каждого жителя Земли — на 9,98 % в год с удвоением каждые 9–10 лет (табл. 1.1, рис. 1.1 и 1.2).
Рассматривая экологические последствия этого факта, следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев добыча единицы объема полезного ископаемого (особенно твердого) сопровождается извлечением на поверхность значительно большего объема пустой породы. Поэтому масштаб общего разрушения литосферы возрастает значительно быстрее, чем добыча собственно полезных ископаемых.
Термины «производство» и «потребление» не совсем точны для описания этого процесса. Фактически человек не производит и не уничтожает вещество и энергию, он только переводит их из одного состояния в другое. Человек преобразует сырье в товары, а товары — в ту или иную форму отходов. Для того чтобы численность людей и количество товаров постоянно увеличивались, требуется все больший объем сырья, трансформируемого в товары и в конечном итоге — в отходы.
Отходы невозможно снова превратить в сырье иначе как путем расхода энергии, которая неизбежно перейдет в отходящее тепло, непригодное для вторичного использования. Природа может регенерировать некоторые виды отходов, но это занимает время и создает опасность перегрузки естественных систем. Возможности регенерации ограничены процессом рассеяния материала и энергии, или вторым законом термодинамики. Вещество может восстанавливаться, но всегда с коэффициентом значительно меньше 100 %, а энергия вообще невозобновима. Именно поэтому количественное и качественное развитие цивилизации всегда будет требовать того или иного уровня добычи из недр Земли минерального сырья и прежде всего — сырья энергетического.
Приведенные на рис. 1.1 и 1.2 соотношения темпов роста народонаселения Земли и приходящегося на одного человека объема добычи минеральных ресурсов свидетельствуют прежде всего об экстенсивности процессов обеспечения развития общества этими ресурсами.
Общее количество вещества, ежегодно извлекаемого из литосферы, а также распределение его по видам полезных ископаемых приведено в табл. 1.2.
Наиболее существенной частью минерально-сырьевого комплекса является индустрия строительных материалов. Добыча их более чем в полтора раза превышает добычу всего вместе взятого рудного и энергетического сырья (рис. 1.3).
При современном уровне развития геотехнологий на единицу извлекаемого из недр твердого полезного ископаемого приходится от 1,1 до 6,7 единицы пустой породы, также извлекаемой из недр и размещаемой затем на поверхности Земли. Это при достигнутых объемах добычи, адекватно ежегодному изъятию из естественного оборота более 5000 км2 поверхности. Не менее значимые экологические последствия имеет ограниченность запасов любого месторождения. Если срок существования среднестатистического добывающего предприятия принять равным 40 годам, то это означает, что для простого поддержания уровня обеспеченности минеральным сырьем необходимо ежегодно 1/40 общего его потребления обеспечивать за счет освоения новых месторождений. В силу геологической предопределенности местоположения новых добывавших предприятий это означает практически неизбежную необходимость отторжения от сохранившихся площадей естественной биоты Земли не менее 3500–4000 км2 ежегодно.
Безусловно, горная промышленность — не главный виновник экологического кризиса. По интенсивности загрязнения природной среды она находится далеко позади таких отраслей, как химическая промышленность, металлургия, нефтепереработка или теплоэнергетика, а по размерам нарушаемых площадей более чем на порядок отстает от лесной промышленности. И тем не менее главная особенность минерально-сырьевого комплекса заключается в перераспределении в объеме литосферы и на земной поверхности огромных масс горных пород (табл. 1.2), уже соизмеримых по своей величине с объемом вещества, находящемся в биологическом обороте нашей планеты (табл. 1.3).
Общая масса вещества, извлекаемого из литосферы и включаемого в том или ином виде в оборот на земной поверхности (889,1 × 109 т/год), составляет уже почти половину мировой величины сухого веса биомассы всех материковых экосистем (1836,55 × 109 т), или 19 % от живого веса всех животных и растений, населяющих сушу нашей планеты.
Пересчитав объемы добываемой горной массы в показатели, аналогичные показателям биологической продуктивности, можно видеть, что в наше время на каждый квадратный метр поверхности суши ежегодно приходится 4,08 кг только пустых пород, извлеченных при получении минеральных ресурсов, что более чем в 5 раз превосходит удельную готовую продуктивность всех сухопутных экосистем и в 3,6 раза больше годовой удельной продуктивности естественной биоты в целом (рис. 1.4).
При таких соотношениях вполне можно говорить о том, что продолжение экстенсивного развития минерально-сырьевого комплекса несет в себе вполне реальную угрозу разбалансирования системы обращения вещества в биосфере планеты.
Перспективы качественного изменения в развитии добычи полезных ископаемых сегодня связаны с основными принципами концепции устойчивого развития (sustainable development), в основе которой лежат исходные принципы физики, биологии и морали.
Из первого закона термодинамики (сохранения вещества и энергии) со всей очевидностью следует, что мы ничего не производим и не потребляем, мы просто что-нибудь преобразуем. Из второго закона (возрастания энтропии) вытекает, что при этих преобразованиях происходит постоянное уменьшение полезного потенциала в системе как целом.
Рассматривая структуру добычи полезных ископаемых (табл. 1.2) и характер дальнейшего использования каждого их вида, можно уверенно сказать, что возможности этого пути снижения антропогенного давления на природу весьма ограничены. Наиболее существенная составная часть сырьевого потока из литосферы — нерудное сырье (в основном это стройматериалы) используется таким образом, что повторное его использование в первоначальном качестве практически невозможно. Поэтому любое увеличение потребления этих видов сырья требует пропорционального увеличения антропогенного нарушения литосферы и соразмерной с ним нагрузки на биосферу. Точно так же обстоят дела и с энергетическим сырьем в силу полной невозобновимости энергии, полученной из него.
Однако существуют реальные возможности снижения техногенного давления на биоту в этом секторе добывающей индустрии за счет повышения эффективности потребления энергии, применения энергосберегающих технологий, ограничения неконтролируемого использования энергии и стимулирования эксплуатации более «чистых» альтернативных источников энергии.
Таким образом, возможности снижения экологических последствий развития минерально-сырьевого комплекса за счет регенерации использованного сырья существуют главным образом для сырья рудного, занимающего всего 14,6 % в общей добыче полезных ископаемых и 42,5 % в годовой добыче горной массы. Однако возможности регенерации металлов ограничены технологическими и экономическими условиями, а также сроком существования изделий из этих металлов. Несложный расчет показывает, что если потребление металла растет на 3 % в год, а средний возраст 1 т утилизируемого металла — 10 лет, то даже полный возврат металла в промышленный оборот позволит удовлетворить не более 3/4 роста потребности. Одновременно следует учитывать, что регенерация металлов требует дополнительного расхода энергии, и поэтому экологический эффект от повторного их использования будет существенно ослаблен. Таким образом, хотя данный способ ресурсосбережения может играть важную роль в решении локальных экологических проблем, он не сможет полностью решить эти проблемы в будущем, а потому дальнейшее развитие уровня потребления нашего общества всегда будет связано с необходимостью получения минерального сырья из литосферы.
Построение технократической цивилизации на основе экстенсивного процесса проживания накопленных в ходе развития планеты запасов вещества и энергии связано с рядом значительных проблем.
Во-первых, эти запасы, по крайней мере в технологически доступной части, будут постепенно оскудевать и в перспективе исчерпаются. Замена ресурсов продлит их жизнь, но не создаст новых ресурсов. Во-вторых, поскольку человек является единственным биологическим видом, живущим вне рамок бюджета солнечной энергии, он неизбежно выйдет из равновесия с остальной частью биосферы, которая на протяжении длительной эволюции приспособилась к фиксированному потоку солнечной энергии. Вполне естественно, что такое несоответствие способов получения энергии должно привести рано или поздно к реакции обратной связи со стороны остальной части системы в самых неблагоприятных для человека формах. Однако естественная биота Земли обладает еще значительными резервами и эластичностью, которые тем не менее исчерпываются в одном направлении за другим. Комплекс этих соображений приводит к мысли, что человечество должно эволюционировать к экономике, более зависящей от солнечной энергии. Можно и нужно стремиться стабилизировать потоки энергии и сырья и направлять развитие техники и технологии на использование возобновимых ресурсов. Сырье литосферы, безусловно, придется расходовать, но этот процесс должен обрести такую форму, чтобы платой за развитие человеческой цивилизации не стало бы уничтожение естественной биоты Земли, а вместе с ней и самого человека.
Исторические аспекты развития горного дела
Истоки горного дела уходят в глубокую древность. Одним из главных факторов развития горного дела, определяющим его уровень в различные исторические периоды, являются орудия горного производства. Периодом неолита датируются первые разработки в Европе кремня в горных выработках, иногда с деревянным креплением. Позднее, с 7–6-го тыс. до н. э., начинается систематическая разработка медных и оловянных руд, добыча золота и серебра. В Центральной Европе от этого периода остались выработки со следами крепления, лестниц и т. п. Постепенно выплавка изделий из меди приобретает относительно широкий характер. Например, древние племена, обитавшие на территории современной Армении, выплавляли бронзу 14 типов. С 5–4-го тыс. до н. э. выделяются группы горняков-профессионалов, передававших свой опыт из поколения в поколение. Расширение объемов добычи медных руд приводит к совершенствованию горных технологий. Так, на территории Южной Болгарии по окончании работ горные выработки заполнялись пустой породой. Древние способы разработки россыпных месторождений (в основном золота) принципиально не отличались от современных способов многократного промывания. Задолго до нашей эры горное дело существовало и в Китае, Японии, странах американского континента.
Главным фактором развития производительных сил в античном обществе стало освоение производства железа. Добыча руд и производство металлов относились к наиболее развитым и прибыльным отраслям хозяйства греко-римской цивилизации. С развитием феодальных отношений в горном деле происходят значительные сдвиги. В XI–XIII вв. начинается его широкое развитие в Центральной Европе, возникает пока еще ручное бурение горных пород. Важные усовершенствования были сделаны в Европе в XV–XVI вв. Применение конного привода и водяного колеса для рудничного подъема, а также для водоотливных устройств позволило вести горные работы на глубине до 150 м. Применяются взрывные технологии добычи. Вводится мокрое обогащение, что позволяет вести разработку сравнительно бедных руд. В 1512 г. в Саксонии была выдана привилегия на мокрую толчею. В это время в рудниках начинают устраивать деревянные настилы для перемещения по ним тележек с полезным ископаемым. Появляются первые горные училища и руководства по горному делу («12 книг о металлах» Г. Агриколы, 1556). В горном деле раньше, чем в других отраслях промышленности, нашли применение паровые машины, первоначально для откачивания воды (англичанин Т. Ньюкомен в 1711–1712 гг.), затем и для рудничного подъема.
С эпохи промышленного переворота (кон. XVIII — нач. XIX в.) осуществляется переход к широкому применению машин. В 1815 г. англичанин Г. Дэви, изобретает безопасную рудничную лампу. Совершенствуется техника бурения, все шире применяются взрывчатые вещества, вводится рельсовая откатка с конной тягой. В 30-х гг. XIX в. начинают применяться стальные канаты для рудничного подъема и откатки.
Этапы развития горного дела в России в XVIII—XIX вв.
Россия обладает огромными запасами природных ресурсов, поэтому горному делу на всем протяжении развития страны отводилась ведущая роль. Потребностями экономического и стратегического характера было вызвано строительство уральских, сибирских и олонецких заводов в первой четверти XVIII в. Создание в России горно-металлургической промышленности потребовало коренной реформы горного дела. Начало реформ было положено созданием Петром I 24 августа 1700 г. Приказа рудокопных дел. К концу 1-й четверти XVIII в. завершился период коренной ломки высших административных учреждений. Было централизовано управление горнозаводским производством и создана Берг-коллегия — орган по управлению горнорудными предприятиями в России вместо упраздненного Рудного приказа. В 1719 г. был принят законодательный акт, определявший политику русского правительства в горнорудной промышленности — Берг-привилегию. В 1739 г. в дополнение к Берг-привилегии был издан Берг-регламент. Он просуществовал до 1806 г., как и сама Берг-коллегия, функции которой затем передали Горному департаменту.
В условиях крепостнической России частные предприятия нередко переходили в казенные и наоборот. Особенно много казенных заводов было на Урале. Экономическая отсталость и слабое развитие капитализма вынуждали государство строить и содержать заводы на свои средства. В начале XVIII в. казенные заводы стали раздаваться частным лицам. Например, в 1702 г. 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. В 1730–1750х гг. раздача казенных заводов приняла массовый характер, но уже в конце XVIII в. казна выкупила большинство заводов, разоренных их владельцами. И все-таки в связи с общим кризисом феодально-крепостнического хозяйства казенные заводы постепенно пришли в упадок и оказались не в состоянии обеспечивать нужды страны. Сказалась не только экономическая неэффективность крепостнических отношений; развитие заводов тормозилось хищнической политикой казенных 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 поступавших сведений о залежах полезных ископаемых. Улучшились и приемы разведывания месторождений: наряду с закладкой шурфов вводилась разведка посредством ручных буров (щупов). Изменились организационные формы рудоискательства. Экспедиционная деятельность в России началась в 1702 г., когда Приказ рудных дел направил в Олонецкий край экспедицию подьячего И. Голованова, разведавшую медные руды и основавшую медеплавильный завод близ Онежского озера.
В начале 1730-х гг. в Сибирь «для географического описания и осмотра о плодах земных и минералах» отправилась экспедиция Адмиралтейств-коллегий и Петербургской академии наук. Ею были открыты и описаны месторождения железных и медных руд на землях Кузнецкого и Красноярского краев, залежи каменного угля на Верхней Тунгуске и др. В 1768–1774 гг. Академия наук организовала еще пять экспедиций, работавших на огромной территории — от Кольского полуострова и Белоруссии до Кавказа и Каспийского моря. Программа работ предусматривала в том числе и обследование предприятий горнорудной промышленности. В итоге были открыты многочисленные месторождения, на месте которых возводились заводы по переработке медных, серебряных, золото- и железосодержащих руд. Во второй половине XVIII 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 промышленного производства, и быстрое истребление лесов вызвали настойчивые поиски новых топливных ресурсов — торфа и каменного угля. С 1720-х гг. развернулись поиски каменноугольных месторождений на территории европейской части страны и на юго-западе Сибири. В 1721 г. обнаружены залежи каменного угля на Дону. Применение минерального топлива привлекло также частных предпринимателей, например Н.П. Рюмина, А. Демидова, получивших привилегии на добычу угля.
Горное дело в XIX – начале XXI в.
В результате огромного спроса на продукцию горной промышленности со стороны все более расширяющегося производства горное дело в XIX в. превратилось в крупнейшую отрасль капиталистического хозяйства (табл. 1.4).
Из табл. 1.4 следует, что характерной особенностью этого периода был интенсивный рост добычи полезных ископаемых. К середине XIX в. Россия заняла первое место в мире по добыче золота и платины. В 1814 г. на Урале, на Березовском прииске началась добыча россыпного золота, а с 1830 г. его стали разрабатывать и в Сибири. Если за 1814–1820 гг. добыли 184 пуда золота, то в 1831–1840 гг. его добыча превысила 4328 пудов.
Интенсивно развивалась техника проходки стволов шахт. Усовершенствованные методы проходки, вентиляции и водоотлива позволили увеличить глубину разработок. Были созданы высокопроизводительные системы разработки угольных и рудных месторождений; введен электрический привод для подъемных машин, насосов, вентиляторов, рудничного транспорта; осуществлена механизация зарубки с помощью врубовых машин и др. Возникли самостоятельные научнотехнические дисциплины, занимающиеся вопросами добычи отдельных видов полезных ископаемых: угля, руд, нефти, торфа и т. п.
В начале XX в. в России продолжился рост горного производства. С 1901 по 1913 г. добыча угля увеличилась с 16 до 21 млн т, железной руды — с 6,2 до 9 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 г. достиг 265 тыс. т, Россия занимала ведущее положение в мире (53 % мировой добычи).
Новый этап в развитии горного дела связан с научно-технической революцией (2-я половина XX в.) и характеризуется автоматизацией процессов горного производства и созданием системы горных наук. Научно-техническая революция превратила науку в непосредственную производительную силу, привела к внедрению комплексной автоматизации горного производства, контроля и управления основными технологическими процессами, охраны окружающей среды от влияния горных работ.
В 1990-х гг. в связи с большими объемами добычи основных видов минерального сырья (см. табл. 1.5) перед человечеством встали качественно новые глобальные проблемы, обусловленные динамическими и газодинамическими явлениями: техногенными землетрясениями, горными ударами, тектоническими нарушениями и др. Все это потребовало новых подходов и технологий для преодоления ухудшающихся геологических, горнотехнических и экологических условий. Примерами таких геотехнологий являются: направленное изменение свойств массивов горных пород и минерального вещества на макро- и микроуровне; выщелачивание (в основном подземное) полезных ископаемых и продуктов их обогащения; дегазация и разработка метаноносных угольных пластов; промышленное извлечение метана из нетронутых 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 различного назначения (в т. ч. для захоронения и утилизации отходов крупных городов); искусственное продолжение формирования и воспроизводства минеральных ресурсов в литосфере; добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов.
Быстрыми темпами шло также развитие горных наук, которые постепенно уходили от простой эмпирики и вступали в стадию обобщения знаний: Б.И. Бойкий разработал основы аналитического метода проектирования горных предприятий; акад. А.М. Терпигорев заложил научно-методические основы механизации горных работ; акад. Л.Д. Шевяков создал теорию проектирования шахт; акад. А.А. Скочинский заложил основы рудничной аэрологии и безопасного ведения горных работ; акад. Н.В. Мельников и акад. М.И. Агошков заложили научные основы открытой и подземной геотехнологий и комплексного освоения недр.
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 Атталом — 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 ХVII в. дало мощное средство для разрушения горных город.
ХVII–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 ХVII–ХVIII 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 ХVIII–XIX вв. наука догоняет технику. Машинное производство дало толчок бурному развитию науки. С середины XX в. наука в своем развитии опережает 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.
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.
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), А.М. 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 осно в 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. Лас корина (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).
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.
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, физикохимических 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 физикохимической 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 без-опасности. 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 (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.
Основные представления о комплексном освоении недр
Комплексное освоение недр для горных наук представляет собой базовое понятие. Вместе с тем оно рассматривается как учение и важное направление практической деятельности. Здесь находят взаимосвязь все основные отрасли горных знаний и направления исследований.
Развитие комплексного освоения недр осуществляется этапами, приуроченными к определенным периодам времени.
На первом этапе оно как научное направление и одновременно актуальная проблема было выдвинуто и описано впервые академиком А.Е. Ферсманом еще в 1932 г. Комплексное освоение с позиций государственной значимости раскрыто и обосновано академиками А.В. Сидоренко и Н.В. Мельниковым в конце 60-х — начале 70-х гг. Цель такого освоения состояла в укреплении минерально-сырьевой базы страны, что предполагало производство максимально широкой номенклатуры товарной продукции на основе повышения полноты и экономической эффективности извлечения полезных ископаемых в процессах их добычи и переработки.
В 1982 г. академик М.И. Агошков положил начало второму этапу развития понятия комплексного освоения недр. Им предложена классификация ресурсов земных недр по шести группам. В ней были обобщены имевшиеся на то время знания о ресурсном потенциале недр и технологических способах их освоения. С учетом этого комплексное освоение раскрыто с двух позиций: полного использования осваиваемых георесурсов (не только полезных ископаемых) и сочетания применяемых в процессе освоения существенно различных способов. Имелось в виду, что на этой основе может быть достигнут оптимальный народно-хозяйственный и социальный эффект от промышленного освоения ресурсов недр.
Академик К.Н. Трубецкой в 1990 г. развил данное представление. Он ввел новые понятия: «реально выявленные ресурсы недр», «потенциальные георесурсы», «ресурсовоспроизводящие функции горного производства» и «ресурсовоспроизводящие геотехнологии». Это позволило на третьем этапе включить в представление о комплексном освоении еще и процессы создания новых ресурсов недр, в том числе путем перевода потенциальных ресурсов (т. е. не полностью выявленных и оцененных) в реальные. Для этого необходимо изменение условий залегания минеральных образований, их качества, а также параметров, сроков формирования и состояния выработанного пространства.
Есть основания предположить, что следующий, четвертый этап развития комплексного освоения недр будет отличаться от предыдущих включением в состав ресурсов недр нового по содержанию экологического ресурса. Его сохранение, предотвращение сверхнормативного расходования, восстановление в необходимых параметрах — все это как целенаправленная деятельность по формированию в массивах горных пород участков с заданными свойствами с целью сохранения экологической функции недр должно рассматриваться в качестве нового вида их освоения в дополнение к известному перечню видов.
