Физико-техническая геотехнология

Физико-техническая геотехнология сформировалась как совокупность знаний о способах и взаимосвязи процессов извлечения полезных ископаемых из недр или техногенных образований без изменения химического состава исходного сырья и его агрегатного состояния. Являясь самостоятельным разделом горных наук, она развивается под влиянием все возрастающих потребностей общества в добыче полезных ископаемых из недр Земли. В настоящее время горнодобывающей промышленностью из недр извлекается уже свыше 200 наименований полезных ископаемых. Горные работы ведутся на глубине до 3,5 тыс. м от поверхности.
Значимость физико-технических геотехнологий для общества и необходимость фундаментальных и прикладных исследований обусловлены широкими масштабами и сложностью технологий современного горного производства, ведущегося как в недрах Земли, так и под толщей морей и океанов с использованием взрывных работ и мощной техники, при огромном разнообразии природных условий месторождений, повышенной опасности производства для работающих, экологических воздействиях на окружающую среду. В этих условиях достижение поставленной цели исследований невозможно без выявления, теоретического и экспериментального изучения многих закономерностей и их научного обобщения, т.е. без проведения фундаментальных исследований. С другой стороны, физико-техническая геотехнология имеет дело с большим объемом прикладных исследований, а иногда и опытно-промышленных испытаний, обусловленных необходимостью учета специфики отдельных месторождений или их групп при проектировании технологии добычи полезного ископаемого.
Объекты изучения физико-технической геотехнологии - горные предприятия (карьеры, шахты, рудники, прииски и др.), технологические процессы открытой, подземной, подводной, скважинной и комбинированной разработки месторождений твердых полезных ископаемых, горные выработки и инженерные сооружения технологического и вспомогательного назначения.
Цель исследований физико-технической геотехнологии - установление взаимосвязей между условиями залегания полезных ископаемых в недрах и способами их извлечения, способами сохранения недр для последующего использования, а также установление закономерностей изменения параметров технологических процессов в динамике развития горных работ.
Главная задача - создание научных основ эффективных, безопасных и экологически сбалансированных технологий и способов освоения георесурсов недр Земли.
Основными научными направлениями физико-технической геотехнологии в процессе ее развития как комплекса наук стали:
- изыскание способов доступа к месторождениям полезных ископаемых (вскрытие месторождений);
- исследование горно-геологических и горнотехнических условий месторождений и создание теоретических основ систем их разработки;
- исследование закономерностей функционирования основных технологических процессов горного производства и формирование на их основе цикличных, циклично-поточных и поточных технологий горных работ;
- обоснование параметров горных выработок и способов их поддержания в процессе эксплуатации с учетом физико-механических свойств горных пород, их напряженно-деформированного состояния (НДС) и техногенных воздействий (технология управления НДС массива);
- исследование режимов горных работ и обоснование последовательности и интенсивности разработки месторождений;
- разработка систем управления горными предприятиями и технологическими процессами.
За последние десятилетия достижения физико-технической геотехнологии связаны с созданием научных основ развития и совершенствования современных и разработки новых физико-технических технологий добычи полезных ископаемых и комплексного освоения минеральных и других ресурсов месторождений. Изучены минерально-сырьевая база и территориальное размещение месторождений, горно-геологические характеристики условий залегания полезных ископаемых и свойств горного массива, определены направления комплексного освоения георесурсов, способы и системы разработки, системы вскрытия и подготовки месторождений к эксплуатации.
В результате создана методология установления:
- рациональных условий и области применения открытого, подземного, подводного и комбинированного способов разработки, комплексного освоения георесурсов, а также параметров систем вскрытия, подготовки к эксплуатации и разработки пластов, залежей и других минеральных скоплений;
- рациональных технологических схем управления состоянием массива, геодинамическими и газоаэродинамическими явлениями для безопасных и комфортных условий труда;
- рациональных технологических процессов, параметров эксплуатации и развития систем вскрытия, подготовки и разработки месторождений, схем применения технических средств.
Физико-техническая геотехнология как наука в своем развитии опирается на достижения в области естественных наук (геологии, физики, химии, механики и математики), технических (машиноведения, теории надежности, электродинамики), экономики и организации производства и включает в себя:
- физико-техническую открытую геотехнологию;
- физико-техническую подземную геотехнологию;
- физико-техническую подводную (морскую) геотехнологию;
- физико-техническую комбинированную геотехнологию.
По существу, физико-техническая геотехнология - это научный фундамент горно-инженерных знаний, необходимых для создания и эксплуатации горных предприятий, анализа и прогноза их деятельности, а также для оценки последствий горного производства. В физико-технических геотехнологиях и процессах используются взрывное, механическое, гидравлическое, криогенное, химическое, гравитационное и другие воздействия на горные породы. Они осуществляются при разрушении горных пород, укреплении и упрочении горных выработок и массивов, а также при перемещении отбитой горной массы. В результате производства горных работ в земной коре происходят структурные изменения и перераспределение силовых полей, в значительной мере зависящих от видов и параметров технологий и процессов горных работ.
При добыче твердых полезных ископаемых сложные и глобальные геотехнологические проблемы возникают в связи с извлечением из недр и перемещением на поверхность Земли колоссальных объемов горных пород с дезинтеграцией их структуры, образованием техногенных открытых и подземных пространств. В этих условиях неуправляемое развитие горных работ, рост их объемов без надежного научно-технического обоснования чреваты весьма серьезными последствиями.
В процессе горных работ стремятся к двум взаимно противоположным целям:
1) локально, в ограниченных контурах, разрушить массив горных пород с частичным или полным перемещением дезинтегрированной отбитой массы в выработанное пространство или за его пределы;
2) сохранить в устойчивом состоянии породный массив, окружающий контуры горных выработок и выработанного пространства.
Каждая цель определяет принципы технологий и процессов горных работ. По первому признаку горные технологии основываются на следующих способах разрушения: взрывной; машинный или инструментальный (резанием или скалыванием); гидравлический (размывом, резанием, отрывом, отделением по трещинам); терморазрушение (шелушением, плавлением, выжиганием).
Взрыв, являясь наиболее мощным, но и трудно управляемым физическим процессом, оказывает наибольшее влияние на все последующие производственные процессы и технологии горных работ в целом, предопределяя цикличность их выполнения, ухудшая устойчивость горных массивов и загрязняя атмосферу. Взрывное разрушение, как и другие методы дезинтеграции горных пород, изучается в соответствующем разделе горного недроведения, где объектами исследований являются действие взрыва в различных природно-минеральных средах, физика процесса разрушения, а также физико-химические аспекты процесса взрыва. В геотехнологии же рассматривается технологическая сторона процесса, а именно: конструкции, параметры, схемы коммутации взрывной сети; интервалы и последовательность взрывания зарядов взрывчатых веществ в увязке с параметрами систем разработки и с общей технологией горных работ. При этом ставят вполне конкретные технологические задачи - отделение руды или других пород по заданному контуру, их дробление в соответствии с размером кондиционных кусков, взрыводоставка рудной массы к выпускным выработкам и др.
В обозримом будущем взрывная отбойка в горном производстве, очевидно, по-прежнему, будет иметь доминирующее значение, особенно при разработке скальных пород, что определяет необходимость дальнейших научных исследований по изысканию путей нейтрализации отрицательных последствий взрывной отбойки крепких горных пород и созданию на этой основе новых технологий и процессов добычи полезных ископаемых.
Машинный способ отбойки, доминирующий в технологиях добычи угля, особенно подземной, за последние годы существенно расширил границы своего применения при разработке рудных месторождений. Это явилось следствием успешных исследований в области геотехники и создания на этой базе машин, комбайнов и разрушающего инструмента с лучшими показателями. Новые технические средства разрушения горных пород с повышенными усилиями резания, а также работающие по принципу скалывания, позволяют разрабатывать принципиально иные технологии добычи скальных пород. С созданием таких технологий будут более эффективно решать проблемы поточности, сохранения природной устойчивости массивов, уменьшения загрязнения атмосферы, сохранности кристаллов драгоценных камней и слюд, комплексной автоматизации горного производства в крепких породах. Решению этих проблем способствует также развитие других способов разрушения горных пород, в частности термических и гидравлических.
Сохранение законтурного породного массива от разрушения и обеспечение его устойчивости осуществляются путем использования внутреннего запаса прочности этого массива, крепления выработок, укрепления или упрочнения примыкающей к горным выработкам зоны массива, заполнения выработанных пространств породной закладкой или временно замаганизированной рудной массой, обрушения части горного массива, сохраняя тем самым целостность остальной его части. Каждая из этих технологий сопровождается определенными физическими и производственными процессами, требующими изучения в связи с горно-геологическими и горно-техническими условиями их протекания. При этом физические процессы в толще горных пород исследуют методами геомеханики. В геотехнологии на базе этих исследований изучают горно-технологические аспекты проблем - обоснование способов управления устойчивости массива, технологию и параметры процессов их осуществления.
Научные направления физико-технической геотехнологии имеют свои объекты исследований, характеризуемые главными, решаемыми при соответствующих способах разработки месторождений проблемами, общими из которых являются:
1. Максимальная экономическая эффективность горных технологий.
2. Наиболее полное, но экономически оправданное извлечение подлежащих выемке из недр запасов полезных ископаемых.
3. Обеспечение необходимого качества добытых полезных ископаемых в условиях систематического снижения его уровня в недрах из-за отработки наиболее качественных запасов.
4. Обеспечение максимальной безопасности горных работ.
5. Максимальное сокращение отрицательных экологических результатов деятельности горных предприятий с восстановлением нарушенного горными работами природного равновесия.
6. Сохранение в недрах невостребованных запасов полезных ископаемых и других потенциально ценных георесурсов.
7. Использование выработанного пространства в промышленных и других хозяйственных целях.

---