CC BY
56
УДК 378:622 К.Н. Трубецкой
МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ЗАДАЧИ ГОРНЫХ НАУК ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ОСВОЕНИЯ НЕДР ЗЕМЛИ В XXI ВЕКЕ
Пленарное заседание
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 повсеместно увеличением глубины горных работ, динамическими и газодинамическими явлениями, техногенными землетрясениями (рудники объединения «Апатит», Соликамского РУ в России, «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 Бе-резняковского РУ «Уралкалий»), взрывами метана в угольных шахтах (Казахстан, Россия, Украина и др.), приводящими к частой гибели значительного числа шахтеров, крупным деформациям массивов горных пород, разрушению горных выработок, выбросам сотен кубических метров пород, 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 за-
легания полезных ископаемых превысит 700-1500м), 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 (более чем в 3 раза) доли труднообогатимых (упорных) полезных ископаемых, ухудшением экологической обстановки, особенно в горнодобывающих регионах с крупномасштабным освоением минерально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов. При этом значительная часть отходов горно-обогатительного и металлургического производств прежнего периода также будет ценным сырьем для получения, как металлов, так и строительных материалов, удобрений, химической продукции и др.
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 освоения месторождений (таблица).
Многие из представленных в классификации (таблице) малоотходных, ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих технологий освоения и утилизации георесурсов были озвучены нами в течение последних 17 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]), «ресурсовоспро-изводство» (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.
9
Приоритетные технологии освоения и утилизации георесурсов - основы ряда критических геотехнологий федерального уровня
Малоотходные технологии, обеспечивающие максимально возможное сокращение или исключающие твердых, жидких и газообразных видов отходов, или наиболее полное их использование. Ресурсосберегающие технологии, обеспечивающие сбережение природных и техногенных минеральных ресурсов и природной среды при снижении трудовых, энергетических и материальных ресурсов, сохранение и восстановление нарушенных земель и ландшафтов, режима поверхностных и подземных вод. Ресурсовоспроизводящие технологии, при которых наряду с освоением определенных запасов полезных ископаемых частично воспроизводятся или формируются новые виды ресурсов недр, либо осуществляется перевод потенциальных георесурсов в реальные.
Биотехнологии добычи и глубокой переработки полезных ископаемых. Безвзрывного освоения месторождений полезных ископаемых. Выщелачивания полезных ископаемых и продуктов обогащения. Дегазации и разработки метаноносных залежей угольных пластов. Использования подземных, наземных и подводных сооружений для захоронения отходов крупных городов, на дне морей и океанов, изоляции затопленных выработанных пространств солесодержащих залежей. Подземной газификации угля. Промышленного извлечения метана из нетронутых горными работами высокогазоносных угольных месторождений. Создания новых видов водоугольного топлива. Безлюдной выемки в забоях. Г идроскважинного извлечения ценных компонентов из земных недр. Глубокой переработки полезных ископаемых. Добычи твердых полезных ископаемых со дна водоемов и из морской воды. Комплексного освоения недр, природных и техногенных месторождений. Направленного изменения свойств массивов горных пород и минерального вещества на макро и микроуровнях. Обогащения полезных ископаемых с использованием вибрационных воздействий. Освоения россыпных месторождений в сложных природных условиях. Очистки промышленных и природных вод. Переработки и водоподготовки при обогащении различных видов минерального и техногенного сырья. Сочетания (комбинирования) открытой и подземной физико-технических геотехнологий с физико-химической. Воспроизводства минеральных ресурсов в литосфере. Воспроизводства ресурсов торфа. Искусственного продолжения формирования месторождений полезных ископаемых. Повышения технологических свойств попутно извлекаемых горных пород для превращения их в минеральное сырье. Создания техногенных месторождений в выработанном пространстве недр. Форсированного формирования выработанного пространства карьеров и рудников.
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 МИЦМиЗе 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 после-
дующего изучения свойств 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 Березняковского РУ «Уралкалия» началось катастрофическое затопление его выработанного пространства водой, а ровно через 1 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 Березовского РУ также ровно через 1 год образовалась 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 необходимость проведения фундаментальных и прикладных исследований в целом ряде междисциплинарных научных направлений и задач:
• 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;
• развитие теории и разработка
новых методов проектирования по-
этапного экологически безопасного освоения недр Земли, в том числе средних и мелких природных и техногенных месторождений полезных ископаемых;
• создание теории и методоло-
гии 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 искусственного формирования месторождений полезных ископаемых в литосфере;
• разработка информационных методов и автоматизированных систем управления технологическими процессами, освоением и сохранением земных недр;
• развитие теории извлечения нетрадиционных видов углеводоро-
дов (метана угольных пластов, газо-гидратных залежей и др.);
• развитие теории глубокого обогащения угля с получением концентрата зольностью менее 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 будущего горных наук должен быть положен принцип междисциплинарности, открывающий в контексте фундаментальной социальной проблемы - устойчивого общественного разви-
тия - широкие возможности для реализации наиболее радикальных идей и крупных научно-технологических проектов по совершенствованию и развитию освоения недр
1. Мельников Н.В. Проблемы использования природных ресурсов. - М.: Изд-во АН СССР, 1967.
2. Агошков М. И. Развитие идей и практики комплексного освоения недр. -М.: ИПКОН РАН АН СССР, 1982. - 19 с.
3. Трубецкой К.Н. Развитие новых направлений в комплексном освоении недр. - М.: ИПКОН АН СССР, 1990. -11 с.
4. Трубецкой К.Н. Развитие технологий открытой разработки месторождений полезных ископаемых при комплексном их освоении// Проблемы открытой разработки глубоких карьеров: Материалы Международного симпозиума по открытым горным работам «Мирный-91» (Мирный), 25-27 июня 1991г. - Удачный, 1991. - С. 3-7.
5. Трубецкой К.Н., Шапарь А.Г. Малоотходные и ресурсосберегающие технологии при открытой разработке месторождений. - М.: Недра, 1993. - 272 с.
Земли, обеспечивающих возможность получения широкой номенклатуры высококачественной и конкурентоспособной на мировом рынке продукции.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Трубецкой К.Н. Проблемы горных наук в связи с научно-технологическим развитием освоения недр Земли // Развитие новых научных направлений и технологий освоения недр Земли: Материалы юбилейной сессии ОГГГГН РАН (24-26 ноября 1999 г., Москва). - М., 2000. С. 4-22.
7. Чантурия В.А., Трубецкой КН., Викторов С.Д., Бунин И.Ж. Наночастицы в процессах разрушения и вскрытия геоматериалов. - М., - 2006. - 216 с.
8. Трубецкой К.Н. Междисциплинарные направления и задачи современных горных наук// Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. Материалы Международной научной школы молодых ученых и специалистов. 6-7 ноября 2007г. -М.: ИПКОН РАН, 2007. - 472 с.
9. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / Под ред. академика К.Н.Трубецкого. - М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. - 478 с. ШИЗ
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------
Трубецкой Климент Николаевич - академик РАН, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
