Маркшейдерия и недропользование

Основой существования технократической цивилизации сегодня и в обозримом будущем является минеральное сырье, которое дает исходные материалы и энергетическую базу производству 70% всей номенклатуры конечной продукции человеческого общества.
Как отмечал акад. В.И.Вернадский, «жизнь является… не внешним, случайным явлением на земной поверхности. Она теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых он (человек) не мог бы существовать». Иными словами, в какой бы степени недра Земли не были освоены (исчерпаны), общество не может существовать без минерального сырья, то есть быть в состоянии, когда его использование невозможно.

В связи с этим не случайно в период 20-80-х годов уже прошлого, ХХ века, ежегодное извлечение в мире различных горных пород из недр достигло 35-40 млрд. т (в том числе в бывшем СССР 15 млрд. т), что вызвало технологический прессинг на природные экосистемы, приводящий к их глобальному по масштабам разрушению и тем самым реально угрожающий существованию природного базиса жизни.

Так, в последней четверти XX и первом десятилетии XXI веков человечество столкнулось с качественно новыми глобальными и весьма острыми проблемами при освоении земных недр, обусловленными практически повсеместным увеличением глубины горных работ, динамическими и газодинамическими явлениями, техногенными землетрясениями (рудники объединения «Апатит», Соликамского РУ, «Верра» в Германии и др.), горными ударами (рудники Таштагола, Норильска, СУБРа), тектоническими нарушениями, катастрофическими прорывами воды в выработанное пространство рудников (3-го и 1-го Березниковского рудоуправления ОАО «Уралкалий»), взрывами метана в угольных шахтах (Казахстан, Россия, Украина и др.), приводящими часто к гибели значительного числа шахтеров, крупным деформациям массивов горных пород, разрушению горных выработок, выбросам сотен кубических метров пород и полезных ископаемых, сдвижению поверхности и образованию на ней воронок, разрушению зданий и сооружений, затоплению рудников, обезвоживанию земель и др.

В XXI веке минерально-сырьевая база России будет характеризоваться дальнейшим значительным увеличением глубины горных работ (глубина залегания полезных ископаемых превысит 700-1500 м), ростом горного давления и температуры пород, усложнением природных условий вновь осваиваемых месторождений – снижением (более чем в 1,5- 2 раза) содержания полезных компонентов, повышением содержания вредных примесей, увеличением (почти в 3 раза) доли труднообогатимых (упорных) полезных ископаемых, ухудшением экологической обстановки, особенно в крупных горнодобывающих регионах.

Горнодобывающие и перерабатывающие предприятия, занимающиеся освоением минерально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, остаются одними из крупных загрязнителей окружающей среды. Этим предприятиям принадлежит первое место, прежде всего по твердым отходам, так как из добываемых ежегодно многих миллиардов тонн горных пород около 2/3 идут в отходы в виде отвалов горных пород и хвостохранилищ обогатительных фабрик, которые в большей части не используются. Предприятия к тому же ежегодно выбрасывают миллионы тонн вредных пылегазовых отходов, загрязняя атмосферный воздух, земельные и водные ресурсы, так как на их долю приходится более 1/3 всех выбросов вредных веществ. После переработки добытых полезных ископаемых получают единицы процентов железа из железосодержащих руд, и только доли процента цветных металлов из соответствующих руд, 15-40% готовой продукции из строительных горных пород, в среднем 10-12% полезной энергии из углей и сланцев. В то же время значительная часть отходов горно-обогатительного и металлургического производств является ценным техногенным сырьем для получения как металлов, так и строительных материалов, удобрений, химической продукции и др.

Таблица 1.
Приоритетные технологии освоения и утилизации георесурсов – основы ряда критических геотехнологий федерального уровня

Так, только на Урале имеется около 200 млн. т хвостов обогащения медных и медно-цинковых руд, в которых содержатся свыше 500 тыс. т меди, 700 тыс. т цинка и 40 млн. т серы. Например, накопленные хвосты только Бурибаевской, Красноуральской и Учалинской обогатительных фабрик в объемах свыше 60 млн. т в среднем содержат меди 0,35- 0,5%, цинка 0,19-1,04% и серы 17-33%.

В России также имеются сотни миллионов тонн хвостов переработки свинцово-цинковых, оловосодержащих и многих других руд и россыпей, часто с более высоким содержанием, чем содержание полезных ископаемых в рудах, перерабатываемых на предприятиях.

Современное состояние минерально-сырьевого комплекса России, и без того ухудшающееся в связи с кризисными явлениями в мировой и соответственно Российской финансово-кредитной системе, в условиях резкого колебания цен на минеральные ресурсы, высокого уровня инфляции в сочетании с ростом банковских ставок (до 24-26%), сокращения до 30-40% уровня использования обрабатывающих отраслей, нехватки доступных кредитных средств даже у крупных горнодобывающих компаний, современной системы налогообложения, близкой к полной изношенности основных средств и применения устаревших технологий привели к нерентабельности освоения существенной части балансовых запасов месторождений. Сохранение этого состояния, а также отсутствие требуемых инвестиций и средств для освоения новых геотехнологии и техники резко снижают уровень использования потенциала горной промышленности и не обеспечивают конкурентоспособность ее продукции (по номенклатуре, качеству и стоимости) на мировом рынке.

В этих условиях особое значение приобретают проблемы ресурсосбережения при комплексном освоении недр, основными направлениями которого являются:

• малоотходность;
• создание ресурсосберегающих технологий и вовлечение в комплексное освоение техногенных и природно-техногенных минеральных ресурсов (образований, месторождений, полостей и др.);
• ресурсовоспроизводство;
• создание новых приоритетных горнотехнических систем на основе комбинированных технологий освоения и утилизации всех георесурсов в замкнутом технологическом цикле.

Истощение крупных приповерхностных месторождений с относительно хорошим качеством полезных ископаемых вызовет необходимость освоения крупных месторождений на больших глубинах, средних месторождений с бедным содержанием компонентов, вовлечения мелких месторождений с большим содержанием компонентов, в том числе на труднодоступных территориях, разработка которых в связи с уровнем развития техники и технологии была ранее экономически нецелесообразна. Потребуется доработка забалансовых и потерянных запасов на ранее разрабатываемых месторождениях, освоение морской минерально-сырьевой базы шельфовой зоны России для создания горных предприятий, широкое вовлечение в освоение техногенных месторождений и др.

С появлением всех этих проблем горным наукам необходимо на основе накопленных знаний о глубинных явлениях и закономерностях природы, свойствах природных и техногенных геосистем, технологических процессах разрабатывать новые геотехнологии извлечения и переработки полезных ископаемых из недр и специальные технические средства, обеспечивающие широкое промышленное применение безлюдной выемки в забоях, повышение безопасности работ и высокий экономический уровень функционирования предприятий при подземном, открытом и комбинированных способах разработки месторождений (табл.1).

Многие из представленных в табл.1 малоотходных, ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих технологий освоения и утилизации георесурсов были озвучены нами в течение последних 20 лет [3-6], но отсутствие достаточного финансирования, в том числе и связанная с ним невозможность формирования мощных междисциплинарных творческих коллективов, с одной стороны, и узкоспециальная подготовка научных и инженерных кадров – с другой, до сих пор не позволила разработать и довести до широкой реализации значительной части из них.

Формулирование и обоснование новых понятий «комплексное освоение недр» (академик Н.В. Мельников в конце 60-х годов [1], академик М.И. Агошков в первой половине 80-х годов XX столетия [2]), «ресурсовоспроизводство» (академик К.Н. Трубецкой, 1990 г. [3]) и «сохранение недр Земли» [9], дальнейшее развитие и реализация их в науку и практику, значительное расширение целевой направленности проникновения человека в глубь земных недр в связи с увеличением областей его деятельности от разработки природных месторождений полезных ископаемых и их переработки до освоения всех других ресурсов недр (природных и созданных человеком полостей в земных недрах – выработанного пространства, техногенных месторождений, глубинных источников пресных, минеральных и термальных вод, внутреннего – глубинного тепла недр Земли и др.) привели к наиболее радикальному изменению концепции горных наук.

Более чем за 230 лет изменился предмет (объект) исследования горных наук от минералов (по М.В. Ломоносову, 1763 г.), процессов разработки полезных ископаемых (по Н.В. Мельникову, 1952 г.), технологии, техники, экономики и организации горного производства (по В.В. Ржевскому, 1981 г.), технологии разработки, обогащения полезных ископаемых и ряда других горных наук (по М.И. Агошкову, 1983 г.) до техногенно изменяемых недр Земли (по К.Н. Трубецкому, Д.Р. Каплунову, Н.Н. Чаплыгину, 1994 г.).

Таким образом, произошел глубинный исторический, философский процесс упорядочивания количественного и качественного «роста» предмета (объекта) исследований горных наук от минералов, процессов, технологий разработки и обогащения до техногенно изменяемых недр Земли.

Современные горные науки – это комплекс из 18-ти наук о закономерностях и методах освоения и сохранения недр Земли, целью которых является получение новых знаний, обеспечивающих возможность управления состоянием, а также изменением функционального назначения недр при их комплексном и экологически безопасном освоении и сохранении.

Дифференциация горных наук и соответствующих научных дисциплин способствовала более глубокому изучению динамических, газодинамических и многих других явлений и процессов, происходящих в массивах горных пород при освоении недр Земли различными методами и геотехнологиями.

Однако появление качественно новых глобальных проблем при освоении земных недр и разработка крупных научно-технологических проектов требуют для своего решения положить в основу будущего научного развития – междисциплинарность, которая может быть эффективно реализована лишь в тех крупных академических НИИ и вузах, где под одной «крышей» изначально были собраны специалисты в области всех горных наук, геологии, гидрогеологии, физики, математики, геохимии и других отраслей знаний.

Приведу для пояснения ряд примеров.

Первый. В Московском институте цветных металлов и золота (ИЦМиЗе) я изучал (включая практические занятия) науку кристаллографию как часть геологии для анализа минералов. Спустя около 50 лет мне потребовалось найти в Отделении наук о Земле РАН соответствующий институт. Оказалось он в Отделении физики. Исследования химических свойств элементов кристаллов сделали кристаллографию частью химии, а благодаря последующему изучению свойств кристаллов соответствующими физическими методами кристаллография преобразовалась в самостоятельную область физики. Если бы сразу была положена междисциплинарная основа, не потребовалось многих десятилетий для достижения результата.

Второй пример. Напомню, что 28 октября 2006 г. на Первом руднике Березниковского РУ «Уралкалия» началось катастрофическое затопление его выработанного пространства водой, а ровно через один год, 28 октября 2007 г. на поверхности затопленного рудника побывал Губернатор края. Спустя буквально 2-3 часа на этом месте образовался огромный провал. И только тогда вспомнили, что при затоплении много лет назад 3-го рудника Березниковского РУ через 0,5 года образовалось обрушение и воронка. Разве кто-нибудь из специалистов–горняков может объяснить это явление, происходящее при разных площадях подработки, объемах выработанного пространства, водопритоках, свойствах и нарушенности массивов горных пород и т.д.

Широкое содержание современных горных наук предопределяет развитие фундаментальных и прикладных исследований в целом ряде междисциплинарных научных направлений и задач, включая:

• создание научных основ оценки недр Земли, важнейших параметров их состояния и характеристик качества земных ресурсов;
• изучение механизмов образования наноразмерных частиц в природных технологических процессах, законов их транзита и депонирования в абиоте и биоте природных и антропогенных экосистем, в природно-технических системах освоения недр;
• развитие теории комплексного освоения недр Земли, обеспечивающего извлечение или утилизацию (подземных полостей, термальных вод и др.) всех георесурсов, конкуренто- и жизнеспособность предприятий в условиях проведения реформ, ресурсных, экономических и экологических ограничений;
• изучение закономерностей формирования и осуществления ресурсовоспроизводящих функций при комплексном, экологически безопасном освоении и сохранении различных видов георесурсов и разработка механизма и методов экономической оценки ресурсовоспроизводящей деятельности;
• совершенствование известных и создание новых методов выбора способов разработки месторождений и установления границ между сопоставимыми способами в условиях комплексного освоения недр Земли на основе экономичного и экологичного использования всех видов ресурсов земных недр и сохранения их путем управляемого ресурсовоспроизводства;
• разработка экономичной открытой физико-технической геотехнологии с подготовкой скальных пород к выемке для создания в карьерах рабочих площадок минимальной ширины с отнесением части вскрыши на более отдаленную перспективу, что особенно важно в условиях кризиса и для развития комплексного освоения месторождений открытым и комбинированным способами;
• дальнейшее совершенствование, создание и широкое применение малоотходных, ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнологий; оценка возможности модернизации существующих геотехнологий с целью обеспечения эффективной работы подземных рудников, шахт и карьеров в кризисных и послекризисных условиях и другие;
• развитие теории и разработка новых методов проектирования поэтапного экологически безопасного освоения недр Земли, в том числе средних и мелких природных и техногенных месторождений полезных ископаемых;
• создание теории и методологии равновесного (экологически сбалансированного) природопользования и разработка на этой основе геотехнологий освоения недр;
• развитие теории и разработка геомеханического мониторинга недр как комплексного ресурса с учетом техногенных изменений в их состоянии и различных направлений использования;
• развитие методологии и разработка геотехнологий искусственного формирования месторождений полезных ископаемых в литосфере;
• разработка информационных методов и автоматизированных систем управления технологическими процессами, освоением и сохранением земных недр;
• развитие теории и создание геотехнологий извлечения нетрадиционных видов углеводородов (метана угольных пластов, газогидратных залежей и др.);
• развитие теории глубокого обогащения угля с получением зольности концентрата не более 2% и содержанием серы менее 1% для производства и использования новых видов водоугольного топлива;
• развитие теории и создание новых высокоэффективных, экологически безопасных процессов комплексной переработки и вскрытия труднообогатимых (упорных) руд и сырья техногенных месторождений на основе комбинирования современных и перспективных методов, пиро- и гидрометаллургии, использующих дополнительные энергетические воздействия;
• изучение проблем освоения и использования чистых питьевых источников подземных вод;
• развитие методов прогнозирования и предотвращения катастроф при освоении недр и после техногенных процессов вторжения в них;
• развитие методологии междисциплинарной подготовки научных и инженерных кадров путем ухода от узкой специализации к широкой для выполнения крупных научно-технологических исследований, проектов и мобильности использования кадров в изменяющихся рыночных условиях горного производства.

Оценка перечисленных направлений и задач свидетельствует об изменении парадигмы развития исследований от метода анализа и накопления знаний к методу созидания, синтеза (более 80%).

Таким образом, в основу развития горных наук должен быть положен принцип междисциплинарности, открывающий широкие возможности для реализации наиболее радикальных идей и крупных научно-технологических проектов по модернизации техники и технологии освоения недр Земли, обеспечивающих возможность получения широкой номенклатуры высококачественной и конкурентоспособной на мировом рынке продукции.