CC BY
40
УДК 550.3 622
Секисов Геннадий Валентинович Gennady Sekisov
СТРУКТУРИРОВАННЫМ СОСТАВ ГОРНОЙ ГЕОФИЗИКИ КАК СОВРЕМЕННОЙ ГОРНОЙ НАУКИ
С
U
ШЛ
STRUCTURAL COMPOSITION OF ROCK GEOPHYSICS AS A MODERN MINING SCIENCE
Публикация посвящена обоснованию развернутого состава горной геофизики, представленной как одна из важнейших наук в структуре общей геофизики и как одна из составляющих в комплексе горно-геологических наук. Отмечена роль и актуальность горной геофизики, — специфической научной дисциплины, в обеспечении эффективного функционирования и развития освоения месторождений твердых полезных ископаемых в современных сложных условиях, когда глубины производства горных работ достигают 3500...4000 м. Выпделена общая горная геофизика наук в составе общей геофизики, а в составе геофизики (в относительно узком понимании термина) — горная физика; при этом отмечена роль академика В.В. Ржевского как основоположника научной и учебной дисциплин «Физика горных пород». В детальном раскрытии представлены структурированный состав горной геофизики, а также состав горной физики — одной из современных горных наук и центральной составляющей горной геофизики. Приведены основные научные направления горной физики как комплексной и в то же время как смежной научной дисциплины
Ключевые слова: геофизика, горная геофизика, горная физика, физика массивов горных пород, физические процессы горного производства, признаки (аспекты), состав горной геофизики, состав горной физики, наука, научная дисциплина, научные направления
The publication is devoted to the justification of the expanded composition of the rock geophysics presented as one of the most important science in the general structure and geophysics as one component in a complex of geological sciences. The role and relevance of mining geophysics is pointed out - specific scientific discipline, to ensure the effective functioning and development of solid mineral deposits in the current difficult circumstances, when the depth of mining operations reach 3500 ... 4000 m. General mining geophysics is singled out in the composition of general geophysics, and in general geophysics (in a relatively narrow sense of the term) — mining physics. At the same time the role of academician V.V. Rzhevsky as the founder of scientific and educational discipline «Physics of rocks» is highlighted. A structured composition of rock geophysics, as well as the composition of rock physics - one of the modern mining sciences and the central part of the mining geophysics is described in details. The main research areas of physics as a mining complex and at the same time as the related scientific disciplines are listed
Key words: geophysics, mining geophysics, rock physics, rock massifs, physical processes of mining, signs (aspects), composition of mining geophysics, mountainous part of physics, science, scientific discipline, scientific directions
На современном этапе, и особенно в ближайшей перспективе, все большее значение в системном решении проблем и в практике эффективного и безопасного освоения месторождений твердых полезных ископаемых приобретает горная геофизика как смежная наука в системном комплексе горных и геологических наук [1, 2].
Сегодня открытые горные работы производятся на больших глубинах, достигающих 800...900 и даже 1000 м; в частности, глубина некоторых рудных карьеров в нашей стране и, прежде всего, алмазорудных достигала и превысила 800 м (карьеры Удачный, Мир и др.); ныне проектируются суперглубокие рудные карьеры (свыше 1000 м).
Значительных глубин достигли и некоторые угольные карьеры — порядка 350.400 м, а глубина Коркинского угольного карьера превысила 510 м — это один из самых глубоких угольных карьеров в мире и самый глубокий в России.
Еще больших глубин достигли подземные разработки рудных и угольных месторождений, соответственно 1500.2000 и 600.800 м в России и до 3500.4000 м в некоторых зарубежных странах (ЮАР, Индия и др.).
В этих, по существу, экстремальных условиях производства горных работ дают
о себе знать весьма опасные для жизни горняков и рудничных геологов природные и природно-техногенные явления и процессы. Они являются общим объектом изучения, информационного прогнозирования и практического предотвращения, а в целом — объектом, прежде всего, двух смежных наук — горной геофизики и горной геомеханики.
Наиболее характерным примером этому являются горные удары — грозное при-родно-техногенное явление [3]. Данное явление для изучения и производственного предотвращения тоже предстает как общий объект, по крайней мере, двух смежных научных дисциплин — горной геофизики и горной геомеханики [4, 5], если рассматривать их в широком диапазоне (рис. 1). При этом, представляя условно их общий объект в аспекте «двух сторон медали», то его «тыльной стороной» является физика явления как предмет горной геофизики, а «лицевой стороной» — механика явления как предмет горной геомеханики [5] и в определенном аспекте горной геодинамики. В целом же горные удары предстают общим и сложным объектом специфической горной науки, которая представляет собой, по существу, «сплав» нескольких направлений ряда научных дисциплин.
ОБЩАЯ ГЕОФИЗИКА
Г
Солнечно-земная физика
Физика атмосферы Физика Земли (геофизика)
Гидрофизика
Вычислительная геофизика
Промысловая геофизика Общая горная геофизика Разведочная геофизика
Рис. 1. Научные разделы общей геофизики (с включением авторами раздела «Горная геофизика»)
Наиболее обширной и в то же время предметной (по отношению к горной геофизике) является собственно геофизика (или кратко — геофизика). Это определенный системный комплекс наук в составе
общей геофизики — большого комплекса горно-геологических наук [6]. В нашем воззрении исходный состав геофизики, установленный на основе данных [7], представлен схематически на рис. 2.
Сейсмология
Гравиметрия Геомагнитизм
Геотермия
ГЕОФИЗИКА
Геолого-разведочная физика Горная геофизика Геодинамика
Геоэлектрика
Физика минералов и горных пород при воздействии высоких температур и давлений
Рис. 2. Системный комплекс разделов геофизики как комплекса наук в составе общей геофизики
Следует отметить, что основоположником горной физики как науки и учебной дисциплины является академик В.В. Ржевский [8]. Он же основоположник научной и учебной дисциплин «Физика горных пород» [9].
Горная геофизика — это профильный системный комплекс предметных научных дисциплин в области общей геофизики и собственно геофизики.
Объект горной геофизики комплексный, к которому целесообразно отнести совокупность локальных частей тех сред оболочки Земли, которые подвергаются
влиянию (в том числе экологическому, а в целом — техногенному) различных минеральных производств (горнодобывающих, горно-обогатительных, горнометаллургических и др.).
При рассмотрении состава горной геофизики в объемном отражении она предстает весьма многоликой; раскрытие ее состава в полном отражении — предмет отдельной публикации. В данной статье ее состав далее раскрывается в аспекте представления в качестве комплексной научной дисциплины (рис. 3).
ГОРНАЯ ГЕОФИЗИКА
I
Горная сейсмология Горная гравиметрия
Горный геомагнетизм
Горная геотермия
}
Физика горных пород ^ г и процессов Горно-геологическая физика
Горная геодинамика
Горная физика
Горная геоэлектрика
Рис. 3. Общий состав горной геофизики как комплексной научной дисциплины
Горная сейсмология относится нами к научным подразделам горной геофизики, оценивающим и изучающим сейсмичность района выявления локализации месторождений, разведываемых, осваиваемых и проектируемых к освоению, а также создания и функционирования минеральных производств.
Объектами горной сейсмологии являются три типа сейсмичности: природная,
природно-техногенная, т.е. природная сейсмичность, которая возникает («провоцируется») вследствие горно-техногенной деятельности человека, а также техногенная, обусловленная, главным образом, взрывными работами.
К горной гравиметрии целесообразно отнести изучение гравитационных полей как отдельных, так и группы смежных месторождений твердых полезных иско-
паемых, главным образом, рудных и угольных.
Наука «Горный геомагнетизм» — это специфический подраздел горной геофизики, объектом которой являются геомагнитные поля месторождений твердых полезных ископаемых разведываемых и подлежащих освоению.
Будучи одной из важных составляющих более общей науки «Геомагнетизм», наука «Горный магнетизм» включает ряд специфических подразделов (рис. 4), которые можно рассматривать и формулировать как научные направления в составе научной дисциплины.
ГОРНЫЙ МАГНЕТИЗМ
Магнитные свойства горных 1 Магнитная 1 Магнитные 4 Магнитный
пород минеральных сепарация свойства минералов каротаж
объектов , г 1
Магнитная горно-эксплуатационн Магнитная съемка Магнитный
разведка (локальная) анализ
Рис. 4. Основные подразделы (и как научные направления) научной дисциплины «Горный геомагнетизм»
Наиболее крупным подразделом (или научным направлением), выделяемым в составе горного геомагнетизма, является подраздел «Магнитные свойства горных пород» в силу как большого разнообразия горных пород, так и их магнигныгх свойств.
Данный подраздел предстает многоаспектно смежным не только по отношению к подразделам горного магнетизма, но и по отношению к ряду других наук в области общего геомагнетизма.
Ныне немаловажным научным подразделом горной геофизики должен стать подраздел «горная геоэлектрика», назначение которой — изучение электрических свойств массивов горных пород, слагающих осваиваемые или предусматриваемые к освоению месторождения, главным образом, рудныгх и угольных.
С позиций основного назначения, или области изучения объектов, в общем составе геоэлектрики следует выделить [10] две группы:
1) «Глубинная геоэлектрика», объектом исследования которой является электропроводимость земной коры и мантии;
2) «Прикладная геоэлектрика» или электрика разведки, общим объектом изучения которой служат естественные и искусственные магнитные поля.
Применительно к горной геоэлектрики с тех же позиций (или того же аспекта) можно выделить в ее общем составе:
1) эксплуатационную горную электрику, или собственно горную геоэлектрику, объектом которой предстает электропроводность локальных естественных магнитных полей месторождений, их участков и отдельных геологических тел, а также локальных искусственных полей тех же минеральных объектов;
2) горноразведочную геоэлектрику, объектами изучения которой являются локальные естественные и искусственные магнитные поля. Комплекс методов электрической разведки основан на изучении вариаций естественных электромагнитных полей [10].
С позиций уровня фундаментальности горная геоэлектрика как подраздел науки «Общая геоэлектрика» разделяется нами на три основныгх типа: фундаментальная горная геолектрика, фундаментально-прикладная и прикладная горная геолектрика, или электрика разведки горно-геологической и горно-эксплуатационной.
В составе системного комплекса наук «Геодинамика» [11] нами выделяется как его составляющая научная дисциплина
«Горная геодинамика». К объектам изучения горной геодинамики следует отнести локальные явления и процессы, происходящие в слоях массивов горных пород месторождений, отрабатываемых или предусматриваемых для отработки, главным образом, подземным способом (угольные шахты, рудники).
Особенно важную роль и центральное положение в ряду разделов горной геофизики должна выполнять горная физика, общим объектом которой являются физические свойства массивов горных пород месторождений твердых полезных ископаемых и собственно физические процессы, происходящие в них, включая горное давление.
К основным процессам как объектам изучения горной физики следует отнести разрушение горных пород, физическую устойчивость массивов горных пород, гидрофизические процессы, физику взрыва.
К отдельному разделу горной геофизики нами относится «Физика горных пород
и процессов», выдвинутый В.В. Ржевским как «самостоятельный раздел горной науки» [8]. Эта наука является, в определенной мере, смежной по отношению к геологическим наукам, таким, как петрография, минералогия и даже кристаллография. Главным объектом её является физические свойства и параметры горных пород.
К основным предметам изучения данной науки следует отнести механические свойства горных пород месторождений, акустику, термодинамику, электродинамику и радиационную физику горных пород [8].
Центральной и относительно обширной системой наук является «Горная физика» в системном научном комплексе «Горная геофизика».
Исходный состав горной физики в свете воззрений авторов и в аспекте агрегатного состояния горных пород схематически представлен на рис. 5.
í
Физика массивов горных пород
Физика горных по
ГОРНАЯ ФИЗИКА
I
Физика горной массы род в массиве
1
Физика минеральных элементов горных пород
Физика отдельностей горных пород (блоков, кусков и т.д.)
Рис. 5. Исходный состав горной физики с позиций агрегатности горных пород
о о 7~~т о о
Общий состав горной науки «Горная ственной и техногенной их природы пред-физика» с позиций основных физико-тех- ставлен схемой на рис. 6. нических свойств горных пород [9], есте-
ГОРНАЯ ФИЗИКА
Физика плотностных свойств горных пород (г.п.)
Физика механических свойств г.п.
Физика горно-технологических свойств г.п.
Физика гидродинамических свойств г.п.
, г Физика радиационных свойств г.п. Физика волновых свойств г.п.
Физика тепловых свойств г.п. Физика электрических свойств г.п.
Физика электрических свойств г.п.
Рис. 6. Состав науки «Горная физика» в аспекте основных свойств горных пород
С позиций процессов горных производств состав горной физики представлен в табличной форме в аспекте основных на-
Выделенные в составе научной дисциплины «Горная физика» научные направления должны стать, своего рода, предметом обстоятельного обоснования, формирования и развития с позиций современных требований, предъявляемых к горно-гео-
Литература-
1. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли; под ред. К.Н. Трубецкого. М.: Академия гор-ныгх наук, 1997. 478 с.
2. Секисов Г.В. Современный состав наук о Земле и актуальность их развития в Восточно-Российском регионе / / Вестник ЗабГУ. 2014. № 3. С. 39-48.
3. Петухов. И.М. Механика горных ударов и выбросов. М.: Недра, 1983.
4. Геофизика. Горная энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1986. Т. 2. С. 9-10.
5. Горная геомеханика. Горная энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1986. Т. 2. С. 90.
учных направлений. При этом он дополнен (в качестве научныгх направлений) двумя разделами (см. таблицу).
логическим наукам, включая горнотехнологическую геомеханику [12] как новое научное направление в системе комплексной научной дисциплины «Горная геомеханика».
_References
1. Gornye nauki. Osvoenie i sohranenie nedr Zemli [Mining sciences. Development and preservation of the Earth's interior]; ed. K.N. Trubetskoy. Moscow: Academy of Mining Sciences, 1997. 478 p.
2. Sekisov G.V. Vestn. Zab. Gos. Univ. (Transbaikal State University Journal), 2014, no. 3, pp. 3948.
3. Petukhov I.M. Mehanika gornyh udarov i vy-brosov [The mechanics of rock bursts and releases]. Moscow: Nedra, 1983.
4. Geofizika. Gornaya entsiklopediya [Geophysics. Mining Encyclopedia]. Moscow: Soviet Encyclopedia, 1986. Vol. 2. P. 9-10.
5. Gornaya geomehanika. Gornaya entsiklopediya [Mining Geomechanics. Mining Encyclopedia]. Moscow: Soviet Encyclopedia, 1986. Vol. 2. P. 90.
Состав горной физики в аспекте основных научных направлений
№ п/п Научные направления (разделы) горной физики, ее состав в аспекте процессов горного производства как их исходных объектов
1 Поддержание горных выработок
2 Упрочнение
3 Оттаивание
4 Разрушение взрыванием
5 Экскавирование горных пород и их массивов
6 Дробление
7 Перемещение
8 Минеральная подготовка
9 Измельчение
10 Отвалообразование
11 Осушение
12 Первичная переработка и обогащение
13 Складирование минеральной массы
14 Складирование полуфабрикатов
15 Контроль за особенностями горных пород
6. Геофизика. Большая Российская энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 2006. Т. 6. С. 643-644.
7. Геофизика. Горная энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1986. Т. 2. С. 9-11.
8. Ржевский В.В. Горные науки. М.: Недра, 1985.
9. Ржевский В.В. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. М.: Недра, 1984.
10. Геофизика. Горная энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1986. Т. 2. С. 10.
11. Геодинамика. Большая Российская энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия. 2006. Т. 6. С. 599.
12. Секисов Г.В. Формирование междисциплинарного научного направления «Горнотехнологическая геомеханика» // Вестник ЗабГУ. 2005. № 03 (118). С. 70-74.
6. Geofizika. Bolshaya Rossiyskaya entsiklo-pediya [Geophysics. Large Russian Encyclopedia]. Moscow: Large Russian Encyclopedia, 2006. Vol. 6. P. 643-644.
7. Geofizika. Gornaya entsiklopediya [Geophysics. Mining Encyclopedia]. Moscow: Soviet Encyclopedia, 1986. Vol. 2. P. 9-11.
8. Rzhevsky V.V. Gornye nauki [Mining Sciences]. Moscow: Nedra, 1985.
9. Rzhevsky V.V. Fizicheskie svoistva gornyh po-rod i poleznyh iskopaemyh [The physical properties of rocks and minerals]. Moscow: Nedra, 1984.
10. Geofizika. Gornaya entsiklopediya [Geophysics. Mining Encyclopedia]. Moscow: Soviet Encyclopedia, 1986. Vol. 2. P. 10.
11. Geodinamika. Bolshaya Rossiyskaya entsik-lopediya [Geodynamics. Large Russian Encyclopedia]. Moscow: Large Russian Encyclopedia. Vol. 6. 2006. 599 p.
12. Sekisov G.V. Vestn. Zab. Gos. Univ. (Transbaikal State University Journal), 2005, no. 03 (118), pp. 70-74.
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 atesobol^mail. ru
Научные интересы: науки о Земле, горные науки, минерало- и недропользование, освоение месторождений, горные технологии
_ 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, Russia
Scientific interests: earth sciences, mining sciences, mineral and subsoil, field development, mining technology
