Физико-техническая открытая геотехнология

Физико-техническая открытая геотехнология - раздел горных наук, обеспечивающий исследованиями развитие открытой (с поверхности Земли) разработки месторождений всех видов твердых полезных ископаемых путем сооружения комплекса горных выработок и производства вскрышных и добычных работ, а также развитие массовых земляных работ.
Открытый способ разработки месторождений, как генеральное направление развития горнодобывающих отраслей отечественной промышленности на протяжении последних нескольких десятилетий, сохранит свои позиции и в обозримой перспективе благодаря в первую очередь основным преимуществам (по сравнению с подземным способом) экономического, технического, технологического, организационного и социального характера. В России в последние годы открытым способом ежегодно добывают около 90 % железной руды, 90 % горной массы, 62 % руд цветных металлов, 60 % угля, почти 100 % алмазосодержащих руд и сырья для производства строительных материалов.
Исследования в области открытой разработки месторождений полезных ископаемых уходят в далекое прошлое. Однако современное направление горных наук, связанное с открытой разработкой, интенсивно начало развиваться только в 20-е годы прошлого столетия, когда стали появляться средства механизированной выемки и транспортирования горной массы. Первые исследования этого периода были посвящены разработке методов научного обоснования целесообразной высоты уступов и определения эффективных границ карьеров. В 1924 году известный советский ученый, акад. Л.Д. Шевяков разработал положение по определению высоты уступа при транспортной системе разработки исходя из условий безопасности и технико-экономической целесообразности. Другой советский ученый М.И. Гоберман в 1927 году впервые начал проводить исследования по определению границ карьеров, основанные на принципе сравнения граничного и контурного коэффициентов вскрыши. Такой подход не утратил своего значения и сегодня.
В 20-х годах в связи с применением бестранспортных и транспортноотвальных систем разработки (Челябинские угольные копи, Черемховское месторождение) были предложены методы расчета их основных параметров. В этот же период были заложены основы теории применения массовых взрывов скважинными зарядами и минными камерами.
В последующие годы начали формироваться научные школы Н.А. Старикова в СГИ, Е.Ф. Шешко в МГИ и др. Основные исследования проводились по наиболее трудоемкой в то время операции - буровзрывным работам. Значительные по объему исследования проводились в областях гидромеханизации, применения многочерпаковых экскаваторов и транспортно-отвальных мостов. Были созданы первые классификации систем открытой разработки, разработаны и систематизированы различные схемы вскрытия.
Наиболее быстрое развитие открытых горных работ в России началось после окончания Великой Отечественной войны. Открытый способ разработки становится основным при добыче большинства видов полезных ископаемых. На базе выполненных в этот период научных разработок создаются проекты строительства крупных карьеров большой глубины, позволяющих обеспечить все возрастающие потребности страны в минеральном сырье путем применения бестранспортной системы разработки с мощными шагающими драглайнами, современных способов взрывания, применения автомобильного и комбинированного автомобильно-железнодорожного транспорта.
Научное обеспечение интенсивного развития открытой разработки месторождений полезных ископаемых базируется на широко проводимых исследованиях: физических, механических и других свойств горных пород и массивов и взаимодействия последних с рабочими органами горных машин для разрушения, выемки, погрузки, перевозки и складирования (отвалообразования) горной массы; теории создания и совершенствования высокопроизводительного горного (бурового, выемочного, транспортного) оборудования (обоснование прогрессивных видов, размеров и главных параметров техники); теории процессов вскрышных и добычных работ; теории проектирования главных параметров карьеров (их границ, производительности и др.), вскрытия месторождений и рабочих горизонтов карьеров, режимов и систем открытых горных работ.
Одним из важнейших предметов исследования в области открытой геотехнологии является управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород на базе выявленных закономерностей перераспределения первоначальных напряжений и деформаций пород в зонах техногенного воздействия.
С развитием масштабов добычи полезных ископаемых открытым способом все большее значение приобретают научные проблемы обеспечения устойчивости конструктивных элементов систем разработки, уступов и откосов бортов карьеров, отвалов вскрышных пород. С использованием новых знаний о первоначальном напряженном состоянии массива пород установлено, что напряженное состояние массива формируется в результате перераспределения первоначальных напряжений вокруг карьерного пространства и определяется параметрами карьера, в том числе его размерами и формой. Взаимосвязь этих двух факторов (первоначальное напряженное состояние - форма и параметры карьера) открывает перспективу управления параметрами вторичного поля напряжений, а следовательно, и устойчивостью бортов карьеров путем задания специальной последовательности образования карьерного пространства, создания защитных и разгрузочных зон.
Создана теория формирования транспортных систем карьеров, которая является составной частью физико-технической геотехнологии и в значительной степени опирается на достижения геотехники. Предмет изучения этого направления открытой физико-технической геотехнологии - физико-механическая сущность процессов перемещения горных пород различными техническими средствами.
Учение о карьерном транспорте развивается как связующее звено технологических процессов добычи и переработки полезных ископаемых. Серьезные научные исследования в этой области начались лишь в 50-60-е годы, когда наладили промышленный выпуск нескольких типоразмеров карьерных автосамосвалов, локомотивов, думпкаров, конвейеров. Актуальными научными задачами в тот период были: определение рационального соотношения вместимости транспортного сосуда и ковша экскаватора; обоснование рациональных схем расположения в рабочей зоне карьера транспортных коммуникаций, схем маневров в забоях и т.п.
По мере развития карьеров и понижения горных работ встала задача обоснования рациональных условий применения различных видов карьерного транспорта в зависимости от высоты подъема и дальности транспортирования горной массы.
Значительным вкладом в создание научных основ формирования транспортных систем глубоких карьеров явилась разработка теоретических основ и методики сравнения и выбора видов карьерного транспорта. Приоритетными направлениями исследований проблемы карьерного транспорта как технологического процесса открытых горных разработок являются: установление эффективных по энергетическим, экологическим и экономическим показателям областей применения основных видов транспорта в различных горнотехнических условиях; разработка методов учета экологических и экономических факторов при обосновании оптимальной последовательности формирования транспортных систем глубоких карьеров; изыскание технологических схем глубокого ввода железнодорожного транспорта на основе применения тяговых агрегатов и уклонов до 60 %; обоснование параметров технологических схем комбинированного транспорта с применением крутонаклонных (до 50°) конвейерных подъемников.
В 60-70-е годы прошлого века при интенсивном развитии открытого способа разработки железных руд и росте глубин ряда крупных карьеров возникла научная проблема перехода от цикличной технологии к поточной, успешно осуществленного, например, при разработке рыхлых пород. Препятствием к такому переходу была цикличная буровзрывная, технология отбойки больших объемов скальных горных пород от массива, в результате которой получали крупнокусковую горную массу, практически не пригодную для погрузки и транспортирования производительными машинами непрерывного действия. В этот период был проведен обширный комплекс исследований и созданы научные основы циклично-поточной технологии (ЦПТ) разработки скальных горных пород. При этой технологии сохраняется буровзрывная отбойка пород массива и их погрузка экскаваторами цикличного действия. Далее горная масса подвергается механическому дроблению непосредственно в карьере и выдается на поверхность средствами непрерывного транспорта (конвейерами).
В составе научных основ ЦПТ были разработаны: принципиальные технологические схемы ЦПТ и их классификация; состав комплектов оборудования для основных схем ЦПТ со стационарными, передвижными, самоходными дробильными и грохотильными агрегатами; способы вскрытия, проведения капитальных и подготовительных выработок, подготовки горизонтов, развития горных работ, размещения транспортных коммуникаций в карьерах и т.д.; методы ведения буровзрывных работ, обеспечивающие приемлемую для ЦПТ степень дробления горной массы при различных физико-механических свойствах пород; методика определения момента перехода от цикличной технологии к ЦПТ при реконструкции карьеров.
При активном участии машиностроительных институтов и заводов были обоснованы технические требования и создан ряд опытных образцов оборудования для ЦПТ, испытанных на ряде горных предприятий. Положительные результаты научно-исследовательских, конструкторских и опытно-промышленных работ позволили запроектировать и впоследствии реализовать ЦПТ на большинстве железорудных комбинатов бывшего СССР. Опыт применения ЦПТ показал, что своевременное внедрение ее на глубоких карьерах позволяет сократить затраты на транспортирование горной массы на 15-20%, повысить производительность труда, снизить объем горно-капитальных работ и количество вредных выбросов в атмосферу.
Наиболее существенными научными достижениями последних десятилетий в области физико-технической открытой геотехнологии являются:
- теория вскрытия и систем разработки месторождений различных полезных ископаемых в разнообразных горно-геологических и природно-климатических условиях;
- теория формирования транспортных систем глубоких карьеров на основе одновременного или последовательного (во времени и пространстве) применения автомобильного, железнодорожного и конвейерного видов транспорта;
- научные основы применения циклично-поточной технологии разработки скальных пород и руд;
- расчетные методы определения оптимальных параметров современного мощного горного и транспортного оборудования и принципы формирования на их основе рациональных комплексов для различных горнотехнических условий;
- разработка и внедрение рецептур и технологии приготовления простейших горячельющихся водонаполненных и эмульсионных BB;
- разработка и применение на многих глубоких карьерах поэтапной разработки и других схем ведения горных работ с временной консервацией бортов и отдельных уступов.
Приоритетность ряда указанных выше научных исследований возрастает в условиях проведения экономических реформ, ресурсных, экономических и экологических ограничений.
Основные направления научных исследований в области физико-технической открытой геотехнологии:
- развитие теории комплексного освоения минеральных ресурсов недр Земли, включая разработку научных и методических положений по добыче и сохранению попутных полезных ископаемых, освоению запасов, находящихся за проектными контурами разработки, использованию техногенного минерального сырья и целенаправленному созданию техногенных минеральных образований, утилизации отходов добычи полезных ископаемых;
- разработка научных основ развития современных и перспективных карьеров, обеспечение их конкурентоспособности в условиях проведения экономических реформ, ресурсных, экономических и экологических ограничений при научном обосновании этапов реконструкции карьеров, параметров рабочей зоны и степени концентрации горных работ, новых ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих технологий, целенаправленного формирования выработанного пространства и использования его для внутреннего отвалообразования, эффективных транспортных схем и комплекса мер, обеспечивающих комфортные условия труда;
- развитие теории в области создания новых эффективных видов горного оборудования, применение которого позволит компенсировать объективное ухудшение условий разработки месторождений и снижение производительности;
- создание методологии обоснования границ и последовательности применения открытого и подземного способов при комбинированном их использовании для разработки месторождений;
- разработка научных основ создания новых ресурсосберегающих технологий извлечения георесурсов из недр открытым способом, обеспечивающих повышение полноты и качества их извлечения;
- развитие методологии оценки устойчивости откосов разрабатываемых горных массивов и техногенных горных объектов, включая развитие расчетных методов по определению устойчивости откосов, установлению механических характеристик массивов горных пород, критических величин смещений и их скоростей для различных инженерно-геологических комплексов, и обоснование технологических мер повышения устойчивости откосов бортов карьеров, уступов и отвалов;
- разработка научных основ создания ресурсосберегающих и экологически безопасных транспортных систем глубоких карьеров.
Перспективы дальнейшего прогресса физико-технической открытой геотехнологии и ее места в горных науках будущего тесно связаны с решением проблемы оптимизации взаимоотношений между человеком и природной средой. Особое значение для будущего человечества имеют разработки эффективных и в то же время экологически чистых технологий, не наносящих ущерба окружающей среде.

---