CC BY
55
© А.М. Г альперин, В.А. Ермолов, 2010
УДК 622:55
А.М. Гальперин, В.А. Ермолов
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОЙ ГЕОЛОГИИ В СВЕТЕ РАЗВИТИЯ ИДЕЙ В.В.ЕРШОВА
Рассмотрено состояние и перспективы развития основных направлений горнопромышленной геологии: управление запасами и качеством полезных ископаемых; управление состоянием массива горных пород; строительства подземных сооружений.
Ключевые слова: горнопромышленная геология, геологическое обеспечение, качество руд, состояние массива горных пород.
Семинар № 1
Согласно определению В.В.Ершова, одного из основоположников горнопромышленной геологии, эта наука является базовой для исследований в области физических и химических процессов горного производства, геотехнологий и первичной переработки минерального сырья и включает три части: теоретическую, методическую и технологическую. Теоретической основой горнопромышленной геологии служит учение о горно-геологических объектах и факторах промышленного освоения месторождений полезных ископаемых. Методическая база - методы, средства и организация процессов изменения и оценивания геологических показателей, характеризующих горно-геологические объекты, а также принципы и конкретные условия использования геологических данных для принятия обоснованных горно-технологических решений. В общенаучном аспекте горнопромышленная геология способствует формированию целостного представления о геологической среде в сфере горного производства. Народнохозяйственная значимость дисциплины связана с решением проблемы комплексного освоения и сохранения недр, с мероприятиями по сокращению территорий, нарушенных горными работами, поддержанию и восстановлению экологического равновесия.
Предметом изучения горнопромышленной геологии являются: геологические факторы и параметры (пространственноморфологические, объемно-качественные, гидрогеологические и инженерно-геологические), определяющие возможность, целесооб-
разность и условия промышленного освоения геологических объектов; состав и взаимосвязь показателей горно-геологических объектов разных уровней на различных стадиях развития горного производства; методы получения и оценки этих показателей; закономерности их преобразования в ходе горно-технологических процессов; методы, средства, структура и организация геологического обеспечения горного производства.
Целью горнопромышленной геологии является формирование научных геологических основ управления состоянием массива горных пород, запасами и качеством извлекаемых и используемых георесурсов на всех стадиях их освоения для повышения эффективности и безопасности горного производства, комплексного освоения и сохранения недр.
Достижения горнопромышленной геологии за последние годы связаны с изучением следующих геологических факторов и параметров, определяющих целесообразность промышленного освоения геологических объектов: определение состава и взаимосвязи показателей горно-геологических объектов разных уровней на различных стадиях развития горного производства и методов получения и оценки этих показателей, а также закономерностей их преобразования в ходе горно-технологических процессов; разработка средств, структуры и организации геологического обеспечения горного производства.
Приоритетным направлением научных исследований коллектива кафедры в последние двадцать лет является геологическое обеспечение: 1 - управления запасами и качеством полезных ископаемых; 2 - управления состоянием массива на карьерах; 3 -строительства подземных сооружений.
Развитию первого направления посвящены исследования В.В.Ершова, В.А Ермолова, В.М. Тростя, В.Н. Зуя, А.С. Дремухи, Г.П. Бедриной, Т.В.Дубровской, В.П.Зервандовой, Т.В.Тищенко,
В.В.Мосейкина, В.А.Дунаева, Л.Н.Ларичева и др.
Результаты исследований этого направления отражены в следующих разработках: комплексная система геологического обеспечения управления качеством добываемых руд с запасами минерального сырья; геолого-экологическая оценка минерального сырья при управлении качеством добываемых руд; компьютерная технология геологического обеспечения подготовки руд к обогащению и переработке.
Управление запасами и качеством полезных ископаемых при освоении недр направлено на повышение полноты их извлечения, комплексности использования, улучшение показателей переработки, а также на снижение негативного воздействия горного производства на окружающую среду.
Сущность геоэкологического обеспечения управления качеством руд состоит в определении совокупности свойств минерального сырья (первичного и вторичного) и их генетических взаимосвязей (обоснование геоиндикаторов), позволяющих установить необходимые уровни качества, технологичности и экологичности руд, а также в поддержании их в заданных соотношениях и допустимых пределах отклонений в процессе добычи и рудоподготовки на основе оценки и распознавания эколого-технологических ситуаций отработки месторождения с учетом масштаба рассматриваемых горно-геологических объектов.
Под экологичностью руд следует понимать совокупность взаимосвязанных природных свойств (геоиндикаторов), характеризующих качество минерального сырья и определяющих степень его относительной опасности, которая проявляется при переработке руд по конкретной технологии путем негативного воздействия на окружающую среду.
Целью геолого-экологического обеспечения управления качеством минерального сырья является поддержание отклонений фактических уровней качественных и эколого-техно-логических показателей добываемой руды от базовых уровней с заданной вероятностью в допустимых пределах в любой произвольный момент времени.
Указанная цель геолого-экологического обеспечения управления качеством руд реализована с помощью конструирования математических моделей оценки взаимосвязанной качественной и геоиндикационной структуры горно-геологических объектов и ру-допотоков и распознавания эколого-техноло-гических ситуаций отработки месторождения.
Выделение на заданных временных интервалах требуемой комбинации горно-геологических объектов и соответственно их качественных свойств обусловливает переменность состава, структуры и типа моделей, используемых для отображения экологотехнологических особенностей геологического обеспечения управления технологиями.
Специфика геологического обеспечения технологий связана с необходимостью моделирования пространственной структуры месторождения с учетом всех уровней объектов различного типа на основе параметров, характеризующих эффективность технологических процессов переработки руд. Указанные параметры, как правило, являются неизмеряемыми характеристиками минерального сырья и могут быть получены расчетным путем на основе экспериментально установленных зависимостей между первичными показателями, характеризующими качество руд.
Такие параметры представляют собой геоиндикаторы технологичности минерального сырья при рудоподготовке (например, контрастность руд с учетом изменчивости взаимосвязанных показателей качества), обогатимости (совокупности расчетных показателей извлечения, выхода и качества концентратов) в процессах переработки и экологичности руд (соотношения содержаний экологически вредных и технологически полезных компонентов). При этом техногенные месторождения могут характеризоваться дополнительными специфическими геоиндикаторами технологичности вторичного сырья, связанными, в частности, с фракционноминеральным составом отдельных локализаций (зон) хвостохрани-лищ.
Моделирование проблемной ситуации возможно в данном случае с помощью конструирования совокупности многоуровневых моделей, относящихся к одной и той же системе, но позволяющих оценивать различные аспекты ее функционирования. Многоуровневое моделирование геотехнической системы - стратификация композиционных рядов моделей - может осуществляться путем детализации исходной модели или с помощью построения дополнительных моделей.
Построение совокупности моделей различных уровней на основе стратифицированного подхода связано с определением иерархической организации уровней описания системы и ее отдельных элементов.
Геоиндикационная система месторождений определяется как множество композиций, построенное на основе информационной взаимосвязи отдельных первичных параметров (элементов) месторождения, характеризующих качество полезных ископаемых в соответствии с изменением их состава и свойств, а также количественных соотношений между ними.
Специфика формирования элементов моделей геоиндикацион-ной системы связана, с одной стороны, с изучением на основе экспериментов закономерностей поведения природных типоморфных ассоциаций минералов или техногенных фракционно-минеральных агрегатов в различных технологических процессах рудоподготовки и обогащения, с другой, - с анализом и обработкой исходной геологической информации, что делает необходимым использование вероятностного подхода к оценке отношений между показателями. При этом необходимо также сопоставление и объединение первичных характеристик качества минерального сырья с целью получения более информативных параметров, т.е. геоиндикаторов комплексных свойств полезных ископаемых.
Фундаментальным в разработке теоретических основ геоиндикации месторождений первичного и вторичного минерального сырья является положение о генетическом характере системообразующих отношений (геоиндикаторов), отражающих условия образования природных или техногенных месторождений и взаимодействие геологических компонентов геотехнических систем.
Геоиндикационная система месторождения является пространственно распределенной, что позволяет использовать при построении ее пространственной структуры теорию и методы моделирования месторождений на основе дискретно измеряемых геологических показателей, отвечающих определенной, координатно описываемой точке геологической среды.
Синтезирующим уровнем композиции моделей геотехнической системы являются множества ситуационных моделей сложности горно-геологических и эколого-технологических условий при управлении качеством минерального сырья в технологиях.
Пространственно-временное сочетание состояний горногеологических объектов, связанных с изменчивостью совокупности свойств качества руд отдельных участков месторождения, вовлекаемых в процессы добычи, рудоподготовки и обогащения на различных временных интервалах (проектирование, планирование, прогнозирование и т.д.), может быть задано в виде системы множеств, определяющих ситуации геоэкологического обеспечения управления качеством руд.
Обеспечение технологической и экологической устойчивости качества минерального сырья связано с необходимостью использования геоиндикаторов различной целевой направленности для оп-
ределения пространственной структуры геоиндикационной системы месторождений. Это может составить основу для организации эффективного управления технологиями добычи, рудоподготовки и переработки полезных ископаемых.
Регламентация геолого-экологических ситуаций при формировании качества добываемых и перерабатываемых руд состоит в определении оптимального состава шихты эколого-технологических сортов, обеспечивающей стабильную работу и эффективное управление процессом технологии с учетом экологических требований.
В связи с этим выделены следующие функции геологического управления качеством руд: опробование, статистический анализ и оценка, прогнозирование, учет, статистический контроль и регулирование. Эти функции в системе управления обеспечивают необходимую информацию о качестве руд, а на основе этой информации - технологические решения для поддержания требуемого качества в любой момент времени.
Компьютерная технология геологического обеспечения разработки месторождений полезных ископаемых предназначена для формирования горно-геологических моделей месторождений и решения на их основе горно-геологических задач: подсчет геологических и эксплуатационных запасов, автоматизация геологомаркшейдерских работ, проектирование буровзрывных работ, текущее и перспективное планирование горных работ. Представляет собой интегрированную систему, состоящую из функциональных модулей: маркшейдерского, геологического, буровзрывного. Все разработанные геоинформационные системы представляют собой совокупность функциональных модулей, каждый из которых включает одинаковое для всех программное ядро, и дополнительный программный компонент (прикладной модуль). Программный компонент - набор специальных программ, создающих интерфейс ядра с пользователем и реализующих алгоритмы решения определенных задач.
Собственно геологический модуль предназначен для формирования и ведения данных геологоразведочной и геологоэксплуатационной информации, моделирования месторождения и отдельных его участков, подсчета запасов методом вертикальных сечений и пересчета запасов по горизонтальным слоям (этажам), оценки пространственной изменчивости оруденения, построения геологических планов и разрезов, планов в изолиниях содержания компонентов, регламентирующих качество руд, годового и опера-
тивного планирования добычи и др. Данная система разработана кафедрой геологии МГГУ и институтом ВИОГЕМ и реализована на Ковдорском, Норильском комбинатах, а также на объектах ОАО «АЛРОСА».
В рамках второго направления (геологическое обеспечение управления состоянием массива на карьерах) выполнены научные разработки A.M. Гальперина, B.C. Зайцева, В.В. Мосейкина, Ю.В. Кириченко, Ю.И. Кутепова, В.С. Круподерова, Л.Н. Ларичева, В.Н. Зуя, С.Е. Жданова, В.В. Никитина, М.В. Щёкиной, А.Ю. Панфилова, С.А. Пуневского.
Основные результаты научных исследований этого направления: унифицированные инженерные расчетные схемы уплотнения несущей способности намывных массивов; технологические схемы гидравлической укладки грунта в гидроотвалы; математическое обеспечение геомеханических задач в практике открытых работ; технические средства и методы контроля состояния массива; система дистанционного контроля состояния откосных сооружений и намывного массива — разработки внедрены на объектах Михайловского, Лебединского, Стойленского ГОКов (КМА) и СевГОКа (Кривбасс).
На кафедре геологии ведутся научно-исследовательские работы по договорам с ОАО «Лебединский ГОК», ОАО «Стойленский ГОК», ОАО «Михайловский ГОК», ОАО «ОЛКОН», АК «АЛРОСА» и др., направленные на обеспечение промышленной и экологической безопасности горного производства и комплексное геологическое изучение техногенных массивов.
Объектами научных исследований кафедры являлись месторождения КМА, Кольского полуострова (Оленегорск, Ковдор), Норильского горнопромышленного района, Кузбасса, Кривбасса, месторождения строительных горных пород в различных регионах, хранилища промышленных и городских отходов, объекты подземного строительства.
С 1996 г. выполнены проектные проработки и рабочие проекты по складированию илового осадка (Мосводоканал), формированию гидроотвала разреза «Талдинский» (Кузбасс), гидромеханизированной разработке техногенных отложений аварийного хвосто-хранилища ОАО «ОЛКОН», заполнению действующего хвосто-хранилища ОАО «ОЛКОН», предпроектные проработки по экологически безопасному увеличению сроков эксплуатации хвостохра-
нилища Удачнинского ГОКа (АК «АЛРОСА», 2003 г.), разработка проектных решений по консервации гидроотвала «Березовый Лог» (2004 г., ЛГОК).
Кафедрой геологии МГГУ разработана и внедрена на объектах Лебединского ГОКа и АО «Кузбассразрезуголь» технология формирования гидроотвалов, предусматривающая создание в слабоводопроницаемых намывных массивах системы дренажных элементов с применением основного оборудования гидромеханизации. Элементы этой технологии использованы при формировании хво-стохранилища ЛГОКа и в рабочем проекте наращивания действующего хвостохранилища ОАО «ОЛКОН».
Предлагаемая технология формирования намывных сооружений обеспечивает повышение их вместимости (в проектных контурах, без наращивания дамб) на 15-20%, ускорение водооборота и сокращение на период до 30 лет сроков ввода территорий заполненных гидроотвалов и хвостохранилищ для последующего использования.
Действующие международные договорные отношения позволяют также проводить совместные геоэкологические исследования. Так, в 1995-1997 гг. на объектах МГОК проведены натурные исследования по совершенствованию геотехнического контроля хранилищ промышленных отходов с целью повышения их экологической безопасности. Исследования выполнялись сотрудниками МГГУ и Фрайбергской горной академии (ФГА) в рамках научной программы «Фольксваген-Штифтунг».
В издательстве Московского государственного горного университета издан выдержавший 3-и издания (1997, 2001, 2006 гг.) учебник «Техногенные массивы и охрана окружающей среды (А.М.Гальперин, В.Фёрстер, Х.-Ю.Шеф), в котором систематизирован отечественный и зарубежный опыт формирования техногенных массивов. Наибольший интерес вызывает обширный новый материал по экологически безопасному складированию отходов городских агломераций и промышленных отходов.
Развитию третьего направления (геологическое обеспечение строительства подземных сооружений) горнопромышленной геологии посвящены исследования Г.Н.Харитоненко и В.С.Зайцева, которыми разработаны основы специального инженерногеологического районирования крупных городов (Москва, Самара, Кишинев, Тбилиси, Кабул), что необходимо при составлении про-
ектов освоения подземного пространства, выборе технологии производства работ и конструктивных решений различных сооружений.
Решены задачи пространственного размещения коллектора Черкизово-Кусково в Москве, что позволило в 1,6 раз сократить затраты на строительство этого крупнейшего коллектора для отвода сточных вод из северной части города. Выполнена инженерногеологическая оценка, даны рекомендации по выбору технологий производства работ и конструктивным решениям сложных инженерных сооружений в Нижнем Новгороде (подъездные туннели метро из центра к метромосту через р. Волгу); в Ростове-на-Дону (коллектор протяженностью 5 км под рекой); в Москве (торговый центр на Манежной площади).
Эффективность научных исследований, выполненных на кафедре, подтверждает полученные ее специалистами авторские свидетельства и патенты. Всего сотрудниками кафедры получено 10 патентов РФ по способам контроля состояния и формирования техногенных массивов на горных предприятиях.
По научным специальностям 05.15.15 «Геологическое обеспечение шахт, рудников и карьеров» и 25.00.16 «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр» за период с 1988 г. на кафедре подготовлено 8 докторов и 33 кандидата наук.
На кафедре много внимания уделяется привлечению студентов с научно-исследовательской работе. Под руководством преподавателей и сотрудников кафедры подготавливались и представлялись на различные конкурсы студенческие работы. Работы студентов, подготовленные на кафедре, неоднократно удостаивались высших наград - медалей Министерства образования СССР (1974, 1980, 1987) и Министерства образования России (2002 г.).
В 1980 г. студенческая работа Ю.В.Кириченко по инженерногеологическому обеспечению управления состоянием намывных массивов, выполненная под руководством А.М.Гальперина, получила медаль АН СССР за лучшую научную студенческую работу. Ныне Ю.В.Кириченко - профессор кафедры. Он успешно руководит студенческими работами, что отмечено многочисленными дипломами и нагрудным знаком Минобразования РФ «За развитие научно-исследовательской работы студентов».
К настоящему времени кафедра представляет сложившийся стабильный научно-педагогический коллектив, способный не только эффективно решать проблему геологической подготовки студентов горных специальностей, подготовки кадров высшей квалификации, но и выполнять научно-исследовательскую работу по проблемам современного горного производства.
A.M. Galperin, V.A. Ermolov
STATE AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT OF MINING GEOLOGY DUE TO IDEAS BY V. V.ERSHOV
The condition and prospects of development of the basic directions of mining geology is considered: management of resources and quality of minerals; management of a state of rock massif; building of underground constructions.
Key words: mining geology, geological maintenance, quality of ores, state of rock massif.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------
Гальперин А.М. - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой геологии,
Ермолов В.А. - доктор технических наук, профессор, кафедра геологии, Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
