CC BY
47
УДК 622.001
Секисов Геннадий Валентинович Gennady Sekisov
ФОРМИРОВАНИЕ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО НАУЧНОГО НАПРАВЛЕНИЯ «ГОРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОМЕХАНИКА»
FORMATION OF INTERDISCIPLINARY SCIENTIFIC DIRECTION «MINING-TECHNOLOGICAL GEOMECHANICS»
Отмечаются перманентно происходящие процессы дифференциации и интеграции наук, в том числе и в ныне объемной области «Науки о Земле», включая горные науки, а в их составе, в частности, — «Геомеханика» и «Геотехнология». Выдвигается и исходно формулируется (как новое) междисциплинарное научное направление на стыке смежных научных дисциплин — «Горная геомеханика» и «Горная технология»
Ключевые слова: наука, научная дисциплина, горные науки, междисциплинарное научное направление, геомеханика, геотехнология, горная технология, горная геомеханика
Permanently flowing processes of differentiation and integration of sciences are registered, including large-scale sphere of «Earth Sciences» and mining sciences, including «Geomechanics» and «Geotechnology». «Mining Geomechanics» and «Mining Geotechnology» are suggested and initially formulated as a new interdisciplinary scientific direction in a junction of closely related branches of science
Key words: science, branch of science, mining sciences, interdisciplinary scientific direction, geomechanics, geotechnology, mining technology, mining geomechanics
Происходящие перманентно в современном мире дифференциации и дифференциация науки практически во всех ее сферах и областях свойственны и такой ее обширной и специфической сфере, как «Науки о Земле». Естественно, происходят они и в субсфере горных и смежных с ними наук, в частности, — геологических и социально-экономических. Причем, данные процессы со временем все более расширяются, ускоряются, углубляются и усложняются, приобретая подчас характер стремительных преобразований. При этом образуются, формируются, развиваются и со временем преобразуются как сравнительно узкие, своего рода обособленные индивидуальные научные поднаправления,
так и крупные междисциплинарные научные направления и даже сложно-комплексные научные дисциплины.
Характерным примером могут служить таковые процессы, происходящие в современных научных сферах «Биологические науки» и «Физические науки».
И «Геомеханика», ныне в классическом отражении представляемая как объемная наука в субсфере наук о Земле [1, 2], зародилась разделом геофизики на рубеже Х1Х-ХХ вв. на стыке геологии и механики и особенно тесно связана с инженерной геологией и механикой сплошной среды.
В целом явление дифференциации и интеграции наук обусловлено необходимостью современного решения многочис-
ленных и в большинстве случаев сложных глобальных и локальных проблем, прежде всего, социально-экономического и экологического характера.
В частности, для России такой весьма актуальной проблемой является проблема резкого повышения производительности труда, причем в короткие сроки, уровень которой ныне составляет порядка 25 % от такового в США. Это относится и к открытой разработке месторождений твердых полезных ископаемых в стране, которая является ныне преобладающей и считается весьма прогрессивной.
Наряду с развитием открытого способа разработки месторождений твердых полезных ископаемых происходит постепенное развитие подземного и комбинированных способов в связи с неуклонным увеличением глубины, на которой производится отработка запасов руд, ископаемых углей и некоторых других типов минерального сырья.
Вместе с тем, постоянно возрастают потребности в создании новых и новейших способов добычи полезных ископаемых. Недостатков в конкретных предложениях нет, о чем свидетельствует многие патенты, включая авторские [3, 4, 5, 6, 7]. Дело, главным образом, за их материализацией и реализацией, а это — далеко не простые проблемы для своего решения в современных условиях.
Большое значение приобретает своевременное и капитальное научное обеспечение, при этом не только на стадиях их обоснований и создания, но и при их эксплуатации, совершенствовании и радикальной модернизации.
При этом особое значение при использовании подлинно безлюдных способов добычи твердых полезных ископаемых (автоматизированных и роботизированных) [6, 7] приобретает современное предметное геомеханическое обеспечение.
В целях надежного обеспечения безопасного и эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых в условиях увеличивающихся природных осложнений необходимо создать, перманент-
но развивать и использовать инновационную научную основу.
Весьма важной ее составляющей должно стать выдвигаемое автором междисциплинарное научное направление «Горнотехнологическая геомеханика».
«Горнотехнологическая геомеханика» как междисциплинарное научное направление и новый подраздел смежных горных наук является органическим совмещением, своего рода «научным сплавом» предметных составляющих основных смежных с ними научных дисциплин — «Горной геомеханики» и «Горной технологии», а также «Горной геологии», «Инженерной геологии», «Физики горных пород», «Технологической минералогии» и некоторых других.
Определения и основное содержание данных научных дисциплин (в кратком отражении) представлены в табл. 1.
Из приведенных в табл. 1 сведений о геомеханике как горной науке наблюдается разночтение ее определения: одни авторы наделяют ее весьма широкой научной областью, выходящей за пределы собственно горной науки, другие определяют ее как «науку о деформациях горных пород, движения в них жидкости и газа и силах, вызывающих эти деформации и движения» [2], что расширяет область собственно горной геомеханики.
Рассматривая горную геомеханику как специфическую и относительно объемную горную науку с позиций иерархической системы основных аспектов, представляется целесообразным выделить главные составляющие ее направления (табл. 2).
Формирование и сохранение временно не осваиваемых минеральных объектов на стадиях проектирования освоения минеральных объектов обосновываются на стадиях строительства и реконструкции предприятия; текущей разработки месторождения, т.е. на стадии эксплуатационных горных работ; сквозной минеральной подготовки; первичной переработки минерального сырья; на стадиях консервации и ликвидации (закрытия) минерального производства.
Таблица 1
Основное содержание базовых смежных горных наук, в области которых формируется новое научное направление
Научная дисциплина Информационный источник Определение научной дисциплины Объект Предмет Цель Основные целевые задачи
Геомеханика 1. БЭС, С. 314 [6] Геомеханика (от reo...и механика) наука о механическом состоянии земной коры и процессах Объект не указывается, но он вытекает из определения Предмет не указывается, но можно его выделить как исследование механического состояния земной коры и процессов, развивающихся в ней вследствие различных естественных физических воздействий «Цель геомеханики -объяснение происходящих и предсказание развития предстоящих процессов изменения напряженно-дефор-мированного состояния разных участков земной коры...» Основная задача «установление объективных закономерностей формирования механических свойств горных пород и протекания процессов перераспределения напряжений, деформирования, перемещения, разрушения участков
2. Горные науки. Освоение и сохранение недр [6] «Геомеханика - это наука о деформациях горных пород, движениях в них жидкости и газа, вызывающих эти деформации и движения Объекты - «горные массивы» со всеми элементами геологического строения и нарушенности в недрах Земли..^ собственно горные породы, слагающие эти массивы» Предмет - геомеханическое обеспечение технологий, процессов, технических средств Цель «..состоит в познании законов согласования горных объектов с природными телами земных недр при изменяющемся поведении тел в процессии комплексного освоения недр» «Основной задачей геомеханики является изучение геомеханических процессов, происходящих в геологической среде под влиянием горных работ, и создания методов оценки, прогноза и контроля...»
3. Советский философский словарь (СФС), С. 290 [8] «Геомеханика (механика горных пород), наука, изучающая физико-механические свойства пород, их напряженное состояние, процессы деформировании и разрушения, происходящие под влиянием природных и технологических факторов» Объект не выделяется, но исходя из определения сущности дисциплины - это горные породы, их природные и техногенныенару-шения Предмет науки не выделен, однако в определенной мере обозначен: это, главным образом, напря-женно-деформированное состояние и разрушение горных пород Цель не сформулирована, однако, по существу, она сводится к изучению свойств объекта и их изменения «под влиянием природных и технологических факторов» Основные, или целевые задачи хотя специально не выделяются, однако они вытекают из определения содержания научной дисциплины: это изучение свойств горных пород; их напряженно-деформированного состояния; процессов нарушения и разрушения под влиянием природных и технологических факторов
Продолжение табл. 1
Научная дисциплина Информационный источник Определение научной дисциплины Объект Предмет Цель Основные целевые задачи
Технология 1.СЭС, С. 1321 [8] «Технология (от греч. 1ес(1пе - искусство, мастерство, умение и ...логия, совокупность методов обработки и изготовления, изменения состояния, свойств, форм сырья, материалов или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции» Объект не выделяется, но его можно вычленить «как состояние и изменение свойств сырья, материалов и полуфабрикатов» Предмет не выделяется Цель можно выделить как «...Определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производств» «Задачи технологии как науки - выявление физических, химических, механических и других закономерностей»
Геотехнология БСЭ, С. 324 [Ю] «Геотехнология, химические, физико-химические, биохимические и микробиологические методы добычи ископаемых на месте залегания» Объект в [10] не выделяется. Однако его можно определить как методы добычи полезных ископаемых, исходя из представленного определения геотехнологии Предмет в [10] не выделен, но его можно определить в составе: физико-химических, биохимических и микро-биологических методов добычи полезных ископаемых Цель не сформулирована в [11], но ее не сложно определить как научное обоснование технологических методов добычи полезных ископаемых в целом Аналогично выделены и целевые задачи: - научное обоснование физи-ко-химических технологий; - научное обоснование биохимических технологий; - научное обоснование микробиологических и технологических методов
Горные науки. Освоение и сохранение недр [12] «Геотехнология -это комплекс горных наук (физико-техническая, физико-химическая и строительная геотехнологии, геотехника) об извлечении полезных ископаемых из недр и водоемов или использовании георесурсов тех видов, утилизация которых не предполагает их извлечения (например, подземные полости)» «Объекты ее изучения - технологии процессов и технические средства предназначаются в земной коре, т.е в некоторой твердой минеральной среде» «Предмет этого комплекса горных наук составляют взаимосвязи технологий, процессов, технических средств, технологических конструкций,технических сооружений и природно-минеральной среды...» Цель - «изыскание наиболее безопасных, экологически приемлемых и экономически выгодных способов эксплуатации минеральных ресурсов» К основным задачам, которые можно выделить, относим следующие: - выявление и изучение закономерностей; - установление зависимостей; - обоснование технических и организационных средств и методов
ч
ч§
н 0) в в а
V =
о Й О
ш
о
X
о О
з аз О
Э- са
0 О
ф т
1 8
ш Е Ч
ш &
ш .а ю О
1?;
= *
¡2 о *
■И
-I
1?
со
аз ^ Ф $
_о
со з
£ ЕЕ
§ £
о: 3
9 ™
.2 аз
=
Итога
С2 ^
"" х _а
о о
И
X ф
Ф с1 ^ Ф
о х СО от со § -к I О ф I— о <и со га о Э о
£. 2
^
£ 5 ^ 55 £ 8
^ СО о
£ И £
1.5.8
I 1
II си
ф о
2 О
СО О
Б £ §
С О О ^
о = Е о :=
со о с СО
^ о ск га >- оо 2 х со з ц
О I
£ 8
га х со г
-
_ о
а!
-я С* -о 00
3 18 I
^ а?
• о ^ а5 = о
со
- и £ I & 3
52 со
ю
£
О оо ■л =
£8Ё ск о о
ЕЕ « -
о I
о
0 « .
I
^ « ш
1 &
и
00
^ •—-О ° : 2 х =г
ге
=1 :
о : -
о о о с » о
8 т
га
о £
° £
то 3
^ о
ф 00
т со
° ^
^ Э
Ф :
& 3
нГ о
о о
I— Ж
О I—
г о
55 3
О О. .
О £
е| ^ ^00
СО о;-аз га =1 ^
асю о о ^
О
Основные аспекты проявления — природа минеральных сред; категории твердых полезных ископаемых и минеральных объектов, разработки месторождений; некоторые другие аспекты, в том числе и те, которые предопределяют поднаправления геомеханических научных исследований.
Однако все это предопределяет необходимость специальных обоснований, формирования и соответствующих публикаций.
Основываясь на обобщении и анализе приведенных данных, а также на теоретическом обосновании, далее представлены определения, состав и содержание выдвигаемого междисциплинарного научного направления под исходным термином «Горнотехнологическая геомеханика». Ориентировано оно как на традиционные, так и на новые и новейшие способы и методы освоения твердых полезных ископаемых.
«Горнотехнологическая геомеханика» — междисциплинарное новое научное направление в области двух базовых и ряда смежных горных наук — научная ветвь о геомеханическом обеспечении горных технологий освоения и сохранения месторождений твердых полезных ископаемых и других минеральных объектов.
При этом освоение месторождений, при котором осуществляются объемные горные работы, представляется нам в составе следующих основных стадий:
1) геологоразведочные работы — предварительные и детальные как предлицензи-онного, так и лицензионного и постлицензионного осуществления;
2) проектирование горно-обогатительного предприятия и освоение месторождения в целом;
3) строительство горнодобывающего предприятия (карьера, рудника, шахты) и технологического комплекса, перерабатывающего минеральное сырье;
4) разработка месторождения, включающая, главным образом, производство горно-подготовительных и добычных работ;
5) сквозная (в производственном и временном проявлении) минеральная подготовка добываемого и добытого сырья;
6) первичная переработка (преиму- 7) реконструкция и модернизация ми-
щественно — обогащение) минерального нерального производства. сырья;
Таблица 2
Главные научные направления горнотехнологических исследований в обеспечении освоения и разработки месторождений
№ п/п Основные признаки (аспекты) градации технологий Главные научные направления
I Природа физико-географической минеральной среды 1. Горные технологии суши (континентальной, островной, полуостровной) 2. Подводные горные технологии суши 3. Морские и океанические горные технологии
II Природа сформированных минеральных объектов освоения 1. Горные технологии освоения и разработки природных (геологических) месторождений 2. Горные технологии ...техногенных месторождений 3. Горные технологии ...природно-техногенных минеральных объектов
III Способ воздействия на минеральную среду освоения 1. Физические горные технологии, включая физико-технические 2. Горные технологии химические 3. Биологические горные технологии
III Способ воздействия на минеральную среду освоения 1. Комбинированные горные технологии: а) физико-химические; б) физико-биологические; в) химико-биологические и другие типы комбинированных технологий. 2. Комплексные горные технологии
IV Тип полезных ископаемых, слагающих минеральные объекты 1. Горные технологии освоения и разработки рудных месторождений 2. Горные технологии освоения месторождений твердых горючих полезных ископаемых 3. Горные технологии освоения нерудных месторождений, включая месторождения строительных материалов горных пород 4. Горные технологии извлечения полезных компонентов при освоении квазирудных месторождений (нефти, ископаемых углей и т. д).
V Способ осуществления добычи полезных ископаемых 1. Открытые горные технологии 2. Подземные технологии (рудничные, шахтные) 3. Скважинные горные технологии 4. Строительные горные технологии 5. Комбинированные горные технологии
Общий объект междисциплинарного научного направления, каковым является «Горнотехнологическая геомеханика», — комплексный, т.е. состоящий из некоторого ряда субобъектов: технологии горных работ освоения минеральных объектов в целом и разработки месторождений; природные и техногенные массивы горных пород и горной массы — объекты технологической отработки, которые являются общими объектами не только в целом горной геомеханики, но и ряда других горных и смежных с ними научных дисциплин; технологические процессы; динамические явления и процес-
сы, возникающие и происходящие при реализации горных технологий.
Комплексным предстает и предмет исследований, включающий:
— напряженно-деформированное состояние природных, природно-техногенных и собственно техногенных массивов горных пород и горной массы — как объектов технологий их отработки и освоения в целом;
— изменения данного состояния под технологическим воздействием горных работ;
— горно-геологические и горнотехнические объекты и условия их технологической отработки;
— создаваемые и реализуемые технологии разработки;
— технологическая минеральная подготовка (включая рудоподготовку, россы-пеминеральную, углеминеральные и другие типы твердоминеральной подготовки);
— геодинамическая активность локального района отрабатываемого месторождения и ее геомеханическое влияние на горные технологии.
Главная цель выдвигаемого научного направления — научное обоснование геомеханического обеспечения создаваемых, проектируемых и реализуемых технологических способов и методов освоения и разработки месторождений твердых полезных ископаемых.
Целевые задачи научных исследований таковы:
1) выявление важнейших закономерностей в геомеханических и технологических проявлениях отрабатываемых массивов горных пород и горной массы природной и техногенной минеральной среды под воздействием технологий горных работ и, в свою очередь, — влияния этих проявлений на горные технологии;
2) установление и изучение геомеханических процессов, происходящих природных, природно-техногенных и собственно техногенных массивах горных пород и гор-
Литература_
1. Большая Советская Энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1970. Т. 6. С. 251.
2. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли. Под. ред. К.Н. Трубецкого. М.: Из-во Академии горных наук, 1997. С. 283-284.
3. Пат. 2425976 Российская Федерация, МПК E21C41/00. Способ освоения месторождений руд нетугоплавких металлов / Секисов Г.В., Александров А.В., Зыков Н.В., Якимов А.А. опубл. 10.08.2011, Бюл. № 22.
4. Пат. 2478788 Российская Федерация, МПК Е21С41/26. Способ разработки месторождений полезных ископаемых полускального и нескального
ной массы при воздействии на них технологий горных работ;
3) обоснование безопасных и эффективных геомеханических и технологических средств и методов управления этими процессами в комплексе, в частности, — управления горным давлением и предотвращения опасных обрушений и оползней горных пород и горной массы;
4) оценка геомеханического состояния массивов горных пород и горной массы как до начала, так и в процессе их технологической отработки;
5) создания высокоэффективных методов прогноза и контроля геомеханического состояния массивов горных пород и горной массы с горно-технологических позиций.
Общим методом исследований в области данного научного направления должен стать системно-комплексный подход как к их постановке и формированию, так и в процессе их выполнения и обсуждения полученных результатов; частные методы исследований — это комплекс основных методов, используемых в предметных разделах смежных наук и, прежде всего,
— горной геомеханики, горных технологий, геологии и некоторых других. В частности,
— это теоретические и экспериментальные исследования.
_References
1. Bolshaya Sovetskaya Entsiklopediya [Great Soviet Encyclopedia]. Moscow: Soviet Encyclopedia, 1970. Vol. 6. P. 251.
2. Gornye nauki. Osvoenie i sohranenie nedr Zemli [Mining Sciences. Development and conservation of the Earth's subsurface]. Under. Ed. K.N. Tru-betskogo. Moscow: Academy of Mining Sciences, 1997, pp. 283-284.
3. Pat. 2425976 Rossiyskaya Federatsiya, MPK E21C41/00. Sposob osvoeniya mestorozhdeniy rud netugoplavkih metallov (Pat. 2425976 Russian Federation, IPC E21C41 / 00. Method of ore deposits development of slow-melting metals); Sekisov G.V., Alexandrov A.V., Zykov N.V., Yakimov A.A.; publ. 10.08.2011, Bull. No. 22.
4. Pat. 2478788 Rossiyskaya Federatsiya, MPK E21C41/26. Sposob razrabotki mestorozhdeniy poleznyh iskopaemyh poluskalnogo i neskalnogo tipa
типа / Секисов Г.В., Рассказов И.Ю., Соболев А.А.; опубл. 10.04.2013, Бюл. № 10.
5. Пат. 2533398 Российская Федерация, МПК E21C41/26. Способ освоения месторождений строительных горных пород скального и полускального типов / Секисов Г.В., Чебан А.Ю., опубл. 20.11.2014. Бюл. № 32.
6. Пат. 2533406 Российская Федерация, МПК E21C41/26. Способ освоения нескальных пластовых и пластообразных месторождений наклонного и крутого падения / Секисов Г.В., Якимов А.А., Зыков Н.В., опубл. 20.11. 2014. Бюл. № 32.
7. Пат. 2537310 Российская Федерация, МПК E21C41/26. Способ освоения алмазорудных месторождений / Секисов Г.В., Рассказов И.Ю. Якимов А.А. опубл. 27.12.2014. Бюл. № 36.
8. Советский философский словарь. М.: «Советская энциклопедия», 1984. С. 290.
9. Горная энциклопедия. М.: «Советская энциклопедия», 1991. Т. 5. С. 148-149.
10. БСЭ. М.: «Советская энциклопедия». 1970. Т. 4, С. 324.
(Pat. 2478788 Russian Federation, IPC E21C41 / 26. The development method of mineral deposits and halfrock and non-rock types); Sekisov G.V., Rasskazov I.Yu., Sobolev A.A.; publ. 04.10.2013, Bull. No. 10.
5. Pat. 2533398 Rossiyskaya Federatsiya, MPK E21C41/26. Sposob osvoeniya mestorozhdeniy stroitelnyh gornyh porod skalnogo i poluskalnogo tipov (Pat. 2533398 Russian Federation, IPC E21C41 / 26. The development method of deposits of building rocks of rock and semi-rock types); Sekisov G.V., Che-ban A.Yu.; publ. 11.20.2014. Bull. No. 32.
6. Pat. 2533406 Rossiyskaya Federatsiya, MPK E21C41/26. Sposob osvoeniya neskalnyh plastovyh i plastoobraznyh mestorozhdeniy naklonnogo i kru-togopadeniya (Pat. 2533406 Russian Federation, IPC E21C41 / 26. The method of formation and development of non-rock beds and deposit beds of slanting and steep falls); Sekisov G.V., Yakimov A.A., Zykov N.V.; publ. 20.11. 2014. Bull. No. 32.
7. Pat. 2537310 Rossiyskaya Federatsiya, MPK E21C41/26. Sposob osvoeniya almazorudnyh mestorozhdeniy (Pat. 2537310 Russian Federation, IPC E21C41 / 26. The development method diamond-ore deposits); Sekisov G.V., Rasskazov I.Yu., Yakimov A.A.; publ. 12.27.2014. Bull. No. 36.
8. Sovetskiy filosofskiy slovar [The Soviet philosophical dictionary]. Moscow: «Soviet Encyclopedia», 1984, p. 290.
9. Gornaya entsiklopediya [Mining Encyclopedia]. Moscow: «Soviet Encyclopedia», 1991. Vol. 5. P. 148-149.
10. Bolshaya Sovetskaya Entsiklopediya [Great Soviet Encyclopedia]. Moscow: «Soviet Encyclopedia». 1970. Vol. 4. Р. 324.
Коротко об авторе _
Секисов Г.В., д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, чл.-корр. НАН КР, зав. лабораторией, Институт горного дела Дальневосточного отделения Российской академии наук, г. Хабаровск, Россия afesobol^mail. ru
Научные интересы: науки о Земле, горные науки, минерало- и недропользование
_ Briefly about the author
G. Sekisov, doctor of technical sciences, professor, honored scientist of Russian Federation, corresponding member of National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic, head of laboratory, Mining Institute, Far Eastern branch, Russian Academy of Sciences, Khabarovsk city, Russia
Scientific interests: Earth Sciences, mining sciences, mineral and subsoil use
