РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ АССОЦИАЦИИ «МИР ГОРНОЙ КНИГИ»
Председатель
Л.А. ПУЧКОВ - президент ассоциации «Мир горной книги», чл.-корр. РАН
Зам. председателя
Л.Х. ГИТИС - генеральный директор ассоциации «Мир горной книги»
Члены редсовета
А.П. ДМИТРИЕВ - академик РАЕН Д.Р. КАПЛУНОВ - чл.- корр. РАН Б.А. КАРТОЗИЯ - академик РАЕН А.В. КОРЧАК - академик МАН ВШ М.В. КУРЛЕНЯ - академик РАН В.Н. ОПАРИН - чл.- корр. РАН В.И.ОСИПОВ -академикРАН В.Л. ПЕТРОВ - академик МАН ВШ И.Ю. РАССКАЗОВ - доктор технических наук АД. РУБАН - чл.- корр. РАН Э.М. СОКОЛОВ - академик МАН ВШ К.Н. ТРУБЕЦКОЙ - академик РАН В.А. ЧАНТУРИЯ - академик РАН
Журнал основан в 1992 г.
ISSN 0236-1493
ГОРНЫЙ
ИНФОРМАЦИОННОАНАЛИТИЧЕСКИЙ БЮЛЛЕТЕНЬ
(НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ)
MINING INFORMATIONAL AND ANALITICAL BULLETIN
(SCIENTIFIC AND TECNICAL JOURNAL)
ТРУДЫ НАУЧНОГО СИМПОЗИУМА «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2010»
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА»
ОТДЕЛЬНЫЙ ВЫПУСК 1 2010
УДК 622 ББКЗЗ
Т78
Издание осуществляется при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 10-05-06000,
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ29.124-94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере зашиты прав потребителей и благополучия человека Ns 77.99.60.953. Д.012634.11.08
Труды научного симпозиума «Неделя горника-2010»: Т78 Сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала) Mining Informational and analitical bulletin (scientific and tecnica journal). — M.: издательство «Горная книга». — 2010. — № OBI. — 496 с.
ISSN 0236-1493 (в пер.)
В сборник вошли статьи по проблемам горного недропользования, горнопромышленной геологии, геофизики, маркшейдерского дела и геометрии недр, геомеханики, рудничной аэрогазодинамики, горной теплофизики, экономики природопользования, геоэкологии, геоинформатики, геотехнологии (подземной, открытой, строительной), электротехнических систем и комплексов, обогащения полезных ископаемых.
Сборник включает в себя пленарные доклады научного симпозиума и ключевые доклады 27 научных семинаров.
Для специалистов горнодобывающих отраслей.
УДК 622
ББКЗЗ
ISSN 0236-1493
©	Коллектив авторов, 2010
©	Издательство «Горная книга», 2010
© Дизайн книги.
Издательство «Горная книга», 2010
ИЗДАНИЕ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПРИ СОДЕЙСТВИИ:
Московского государственного горного университета,
Издательства «Горная книга»,
Инвестиционного фонда поддержки горного книгоиздания, проект ГИАБ-2164-09.
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ Горного информационноаналитического бюллетеня
Главный редактор
Л.А. ПУЧКОВ - чл.- корр. РАН, президент МГГУ
Зам. главного редактора
Л.Х. ГИТИС — кандидат экономических наук, генеральный директор ассоциации «Мир горной книги»
Члены редколлегии
Д.Р. КАПЛУНОВ - чл.- корр. ран,
зав. лабораторией ИПКОН РАН
А.В. КОРЧАК — доктор технических наук, профессор, ректор МГГУ
В.Н. ОПАРИН — чл,- корр. РАН, директор ИГД СО РАН Л.Д. ПЕВЗНЕР — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой МГГУ
В.Л. ПЕТРОВ — доктор технических наук, профессор, проректор МГГУ
А.Д. РУБАН — чл,- корр. РАН, зам. директора ИПКОН РАН
И.Ю. РАССКАЗОВ — доктор технических наук, профессор, директор ИГД ДвО РАН
В.Л. ШКУРАТНИК — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой МГГУ
ОРГАНИЗАТОРЫ НАУЧНОГО СИМПОЗИУМА:
Московский государственный горный университет, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, Научный совет РАН по проблемам горных наук, Научно-учебный центр фундаментальных и прикладных исследований в области горного дела ИПКОН РАН - МГГУ
научный симпозиум «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2010»
Академик В.В. Ржевский
© Л.А. Пучков, 2010
УДК 622 378
ZI.A. Пучков
АКАДЕМИК В.В. РЖЕВСКИЙ -ВЫДАЮЩИЙСЯ УЧЕНЫЙ-ОРГАНИЗАТОР ВЫСШЕЙ ГОРНОЙ ШКОЛЫ
Описан творческий путь В В Ржевского от студента МГИдо его ректора Рассказано о созданных научных школах, о вкладе В В Ржевского в развитие горной науки
Ключевые слова высшая горная школа, горное дело, горные инженеры, подготовка инженерных и научных кадров
Начало деятельности В.В. Ржевского в высшей школе относится к тому периоду, когда очень четко стало вырисовываться одно из новых направлений развития горного дела - открытые горные работы. В 1934 г. ректор Московского горного института акад. А М. Терпигорев выделил в дисциплине «Горное искусство» специальный раздел по открытым горным работам, а в 1940 г. в институте была организована первая в стране кафедра Открытых горных работ, которую возглавил профессор Е Ф. Шешко.
Владимир Васильевич Ржевский окончил Московский горный институт в 1941 году. Находясь в рядах Советской Армии, он принимал участие в Великой Отечественной войне и в горный институт возвратился после ее окончания, где поступил в аспирантуру к профессору Е.Ф. Шешко, основоположнику научной школы открытых горных работ в Московском горном институте. В 1950 году В.В Ржевский оканчивает аспирантуру кафедры Открытых горных работ Московского горного института, которая была первой кафедрой этого профиля в горных вузах страны, и представляет к защите кандидатскую диссертацию на тему «Условия рационального применения скользящих съездов в угольных карьерах». В это время его творческая судьба уже окончательно связана с направлением горной науки и техники «Открытые горные работы» Владимир Васильевич постепенно занимает все более заметные позиции в этой области. В В Ржевский, часто вспоминая пятидесятые годы, отдавал большую дань уважения своему учителю Е Ф. Шешко. Особенно он выделял такие качества своего учителя, как тша-
9
тельность в работе, высокий уровень воспитания в молодом ученом необходимых творческих качеств, правильное обращение с научным словом, выработку научного мышления. В.В. Ржевский вспоминал, в частности, как тщательно профессор Е.Ф. Шешко готовил свои публикации, отшлифовывал печатные труды своих учеников. Это была работа со многими итерациями, каждый научный труд рождался в несколько приемов. И на каждом этапе рождения публикации, рождения статьи происходило ее улучшение, доведение мыслей до необходимой четкости. Это качество В.В. Ржевский старался затем сохранить на протяжении всей своей творческой деятельности. Известно, в частности, его огромное внимание к подготовке докторских диссертаций, которые защищались в Московском горном институте, а это было основное количество диссертаций, которые подготавливались в СССР в области горного дела. Владимир Васильевич часто и много занимался с докторантами, уделяя большое внимание правильности формулировок, аргументированности доказательств, выделению научных проблем, конкретно которыми занимались соискатели, и вот эта особенность в педагогической работе, видимо, у него сохранилась еше со времени контакта со своим учителем профессором Е.Ф. Шешко.
Потребности промышленности с одной стороны и активная работа кафедры по подготовке горных инженеров по специализации «Открытые горные работы» с другой стали основой для создания в 1965 г. новой специальности по технологии и комплексной механизации открытой разработки месторождений полезных ископаемых, которая получила шифр 0209. Создание новой специальности в любой области и, конечно, в горном деле - это очень важное событие. Очень часто вопросы создания новой специальности ставятся, исходя из сиюминутных соображений, либо из каких-то факторов субъективного свойства. На самом деле специальность, по которой готовится горный инженер, должна обладать, в первую очередь, объективной потребностью, спросом в горной промышленности. В горном деле должна быть четко выраженная область, на которую работает эта специальность, в рамках которой затем выпускники будут наиболее оптимальным образом использовать и применять свои знания. И, конечно, создание специальности сопровождается разработкой целого ряда направлений и спо
10
собствует в целом развитию науки в этой сфере, методологическому познанию дисциплин. Эта работа была полностью выполнена преподавательским коллективом кафедры под руководством В.В. Ржевского. Были созданы новые учебные планы по новой специальности, программы, и, наконец, коллектив кафедры под руководством тогда уже ее заведующего - В.В. Ржевского занялся наиболее трудоемкой частью этого дела -подготовкой учебников, учебных пособий для полного методического обеспечения специальности.
Владимир Васильевич написал учебники по процессам открытых горных работ, технологии и комплексной механизации открытых горных работ. Эти книги вышли четырьмя изданиями. Последнее издание вышло в 1985 году, а третье издание этих учебников - «Процессы открытых горных рабор» - 1978 г. и «Технология комплексной механизации открытых горных ра-6ор> - 1980 г. - было удостоено Государственной премии СССР. Учебники В.В. Ржевского - это не только книги для обучения студентов, они являются методологически обобщенными энциклопедическими трудами, работа с которыми дает и новые знания, и упорядочивает имеюшиеся.
Именно благодаря этим особенностям учебники В.В. Ржевского являются и в настоящее время настольными книгами многих поколений горных инженеров. Эти книги используются широко и за рубежом, причем зарубежные специалисты отмечают, что отличительное качество этих трудов заключается в хорошем методологическом построении материала, в его полноте и универсальности.
Научно-методическая основа учебников В.В. Ржевского строится на учении автора об объектах открытых горных работ - горных породах и месторождениях, их физико-технических свойствах и геологических особенностях. Учебники создают единый методологический и логический цикл знаний в области открытых горных работ. В первом учебнике излагаются основные положения производственных процессов - подготовки горных пород к выемке, выемочно-погрузочных работ, перемещения карьерных грузов, а также сведения о взаимной связи и планировании ежедневно протекающих процессов. Во втором - изложены кардинальные вопросы технологии горного производства как науки о закономерностях развития открытых горных работ в течение длительного периода. Многолетний
11
опыт подготовки инженеров-открытчиков в инженерных вузах страны показал, что научно-методический подход к изложению материала в учебниках хорошо воспринимается студентами и служит основой для принятия технических и технологических решений на карьерах и других производственных объектах открытых горных работ. И первые монографии В.В. Ржевского, и учебники полезны аспирантам и научным сотрудникам. В.В. Ржевский уделял огромное внимание технологии учебного процесса в высшем учебном заведении. Это его свойство -стремление к улучшению всех деталей учебного процесса - сохранилось до последних дней его жизни. В первую очередь, он отдавал предпочтение лекционным занятиям. Лекции как важнейший вид учебных занятий были всегда в поле пристального внимания В.В. Ржевского. Сам он был замечательным лектором. В его лекциях важнейшими моментами были убедительность изложения материала и его обобшение. Умение на определенной стадии представления материала сделать своевременное и правильное обобшение является исключительно важным в усвоении любой дисциплины. Конечно, В.В. Ржевский был исключительно компетентен и в деталях технологических, технических, экономических вопросов горного производства открытых горных работ и в других смежных областях горного дела. Однако, детали, конкретные данные он представлял в необходимой пропорции, наверное, интуитивно исходя из правила высшей школы о том, что главное - это не «наполнить стакан», - не наполнить голову студента бесчисленным количеством знаний, тем более, что это само по себе проблематично, главное - заставить их самостоятельно мыслить, думать, главное - зажечь пламя познания. Увлеченность предметом, логика изложения, квалификация лектора, тонкое понимание психологии аудитории, его эмоциональное воздействие на слушателей - всем этим арсеналом лектора владел В.В. Ржевский.
Исключительно большое внимание В.В. Ржевский уделял также практической подготовке студентов. Практическая подготовка студентов - будущих горных инженеров - рассматривалась В.В. Ржевским по нескольким аспектам. В первую очередь, это практическая подготовка в стенах института. Здесь В.В. Ржевский отдавал предпочтение заостренной конкретике решаемых задач. Студент, по его мнению, на стадии усвоения
12
материала должен был четко понять основные движущие мотивы решения. Это, как правило, технико-экономический смысл. Поэтому он стремился на практических занятиях воспитать у студентов понимание, что стоит за каждым параметром экономически, к чему, к каким экономическим преимуществам может привести то или иное решение, каким образом учесть и подсчитать все многочисленные составляющие экономики при добыче полезных ископаемых. Если в лекциях В.В. Ржевский видел способ передачи знания, то в практических занятиях он видел не только возможность закрепления знания, но выработку умения правильно использовать эти знания в повседневной практической ситуации.
В.В. Ржевский уделял огромное внимание такой составляющей учебного процесса как практика. Учебные практики, производственные практики - это элемент обучения, который в учебных планах не только по специальности 0209 «Открытые горные работы», но и по остальным горным специальностям в период В.В. Ржевского приобрели большое значение. Достаточно сказать, что, например, в учебных планах 1982 г. на учебные и производственные практики из общего количества обучения в 252 недели отводилось порядка 27 недель. Это большой объем практической подготовки. Но главное, на что ориентировал В.В. Ржевский учебные планы преподавательский коллектив, было, конечно, содержание этой подготовки. На его кафедре и на других кафедрах рождалось большое количество учебно-методических материалов, согласованных с производством, которые определяли содержание практики. Практическая работа студента на предприятии в период практики сопровождалась анализом деятельности предприятия, горно-геологических процессов, обработкой материалов, которые поступали к студенту. Таким образом, практика в период обучения в вузе становилась не только средством выработки профессионального умения горняка, но и важнейшим элементом творческой подготовки инженера.
В отношении ученых-организаторов, руководящих деятельностью больших творческих коллективов существуют разные мнения.
Одно из них - это вопрос о том, кто должен руководить научным высшим учебным заведением - человек, обладающий высокими профессиональными знаниями, или же только хоро
13
ший организатор, менеджер, - может обеспечить высокоэффективную научную и учебную деятельность вуза.
Хотелось бы в связи с этим вспомнить высказывание академика Л.А. Арцимовича: «Прирожденные организаторы, способные успешно руководить работой большого коллектива встречаются не чаше, чем талантливые ученые, а объединение обоих талантов - редкое исключение».
Из истории науки мы можем сделать один точный вывод: талантливый ученый способен стать менеджером, тогда как обратный подход не получается. Связано это, по-видимому, с тем, что документальные знания, даюшие действительный простор развитию таланта приобретаются в жизни значительно раньше, нежели системное знание жизни, которое в управлении коллективами людей значительно более важно, чем просто освоение теории управления.
Организационная деятельность В.В. Ржевского в должности ректора МГИ является, на мой взгляд, наиболее важной и значимой частью его многогранной деятельности. Она неотделима от его деятельности ученого и педагога, ибо цели и идеи развития горного института, методы их реализации В.В. Ржевский определял из современных в его период деятельности научных методов. А в управлении людьми (а это является главным в управлении институтом, университетом) он широко использовал отмеченные выше качества профессионального и мыслящего педагога. В этой деятельности В.В. Ржевский опирался не только на свое педагогическое мировоззрение, но и вырабатывал в себе то, что в современной науке квалифицируется как «системный подход».
В организационной работе руководителей предприятий, учреждений, организаций в советское время такой подход представлял сложную проблему. Совместить в практической работе множество факторов и ограничений для обеспечения максимальной эффективности удавалось далеко не всегда, поскольку в жизни страны жестко действовал главный ограничитель - советская идеология и политика. Они определяли основной и единственный вектор развития огромной системы СССР.
В.В. Ржевскому было суждено сделать впоследствии немало важных дел в развитии горного образования, горных наук. Но если оценивать всю его многогранную деятельность в
14
должности ректора, я считаю, что сохранение горного института в тот исторический момент было главным достижением ректора, ибо угроза потери ведущего горного института страны в тот период была реальной. Это подтверждается и судьбой Московского института цветных металлов и золота, Харьковского горного института и других научно-учебных центров горного дела, что сказывается на количестве и качестве горных исследований, сопровождается прогрессирующим отставанием технологий горного проектирования и развития горного дела страны в целом.
Причин происходивших ранее и происходящих ныне событий, разрушающих горное дело страны, - множество, и всегда можно среди них найти важные обстоятельства объективного характера. Но, вспоминая сегодня деятельность В.В. Ржевского, нужно сказать и о роли лидеров: лидеров научно-исследовательских, проектно-конструкторских организаций, лидеров вузов и лидеров горного производства. Когда миру не хватает профессиональных знаний, убежденности в роли горного дела в развитии экономики страны, в развитии цивилизаций и мужества в отстаивании интересов горного дела, вряд ли они могут записать в свой актив результаты, которые мы получили в тот период под руководством В.В. Ржевского. И Московский горный институт, практически доказавший своей дальнейшей деятельностью правильность этих решений, оставляет в своей благодарной памяти имя своего лидера в тот период -имя Владимира Васильевича Ржевского.
Наступало время, благоприятное для укрепления, развития материальной базы всей высшей школы и, в частности, в г. Москве. В.В. Ржевский как ректор очень хорошо использовал это обстоятельство, и в 1967 году, опираясь на решение Ученого Совета и коллектива института, добился решения правительства о строительстве нового учебно-лабораторного корпуса на основной территории по Ленинскому проспекту, дом 6. Строить современное здание внушительных размеров предстояло, в сущности, своими силами и не без отрицательных последствий для других направлений деятельности вуза. В рамках МГИ это представляло очень крупную хозяйственную проблему. В.В. Ржевский возглавил и организовал работу коллектива по подготовке проектирования и строительству нового корпуса. Он сам активно участвовал во всех процессах и в
15
подготовке необходимых кадров. И эта его работа явилась основным цементирующим фактором для коллектива. За относительно короткий срок были освобождены и снесены старые ветхие строения площадью около 10 тысяч квадратных метров, в том числе - жилые, переложены инженерные коммуникации, разработан проект строительства нового корпуса. На строительстве нового корпуса безвозмездно работали все - и профессора, и студенты, и сотрудники. Была создана группа содействия развитию материально-технической базы института, и ее работа в течение всего периода строительства представляет собой очень важный опыт решения крупных хозяйственных задач силами самого коллектива института.
Дружно работали в этом направлении ректорат, партком, профком, комитет ВЛКСМ. Практический опыт, хозяйственная хватка, самоотверженная работа - качества, которые высоко ценились в людях ректором и всем коллективом. Эти люди находили поддержку на кафедрах и в лабораториях, и это не могло не сказаться на эффективности их труда. Но, конечно, всех их стимулировала поддержка В.В. Ржевского, поддержка первого руководителя коллектива.
Возвращаясь к этому десятилетию истории нашего института, надо отдать должное всем, кто не пожалел своего труда для укрепления базы Московского горного, заложил основы будущего прогресса института, и в первую очередь - его ректору В.В. Ржевскому.
Новый период развития высшего горного образования в стране в начале 70-х годов характеризуется определенной интеграцией усилий по подготовке горных инженеров. Московский горный институт становится базовым вузом, центром такой интеграции. В 1974 г. приказом Минвуза СССР в стране был создан Учебно-методический совет по высшему горному образованию. Председателем Совета был назначен В.В. Ржевский. Работа Учебно-методического совета (УМС) была организована по инженерным специальностям и отдельным формам подготовки. УМС объединил ведущих специалистов высшего горного образования более сорока вузов. Основными направлениями деятельности Совета и его комиссий были разработка и реализация на практике типовых учебных планов (1972, 1976, 1982 гг.), программ специальных дисциплин, подготовка и издание учебников для высшей горной школы.
16
На заседаниях УМС систематически рассматривались вопросы постановки лекционных курсов, практических и лабораторных занятий, практик и дипломного проектирования, анализировался и обобщался опыт работы различных вузов в развитии учебно-методической работы, использовании технических средств обучения и ЭВМ, повышении квалификации преподавателей. Многие идеи В.В. Ржевского по совершенствованию подготовки горных инженеров были практически отработаны и внедрены в вузах по решениям УМС. Среди них можно назвать предложения по дифференциации специальных дисциплин - выделение для технологов самостоятельных дисциплин "Процессы горных работ", "Технология и комплексная механизация разработки месторождений" и "Проектирование горных предприятий", введение в учебные планы новых дисциплин "Физика горных пород", "Разрушение горных пород взрывом", введение подготовки и сдачу экзамена на "Единую книжку взрывника", проведение учебных практик на специальных учебных горных предприятиях. Активное участие В.В. Ржевский принял во внедрении непрерывных форм подготовки горных инженеров - мировоззренческой, математической, по охране труда и др.
Функционирование УМС по высшему горному образованию под руководством В.В. Ржевского представляет собой новый этап в развитии высшей горной школы. Работа Совета позволила накопить богатый опыт организации и управления высшим горным образованием, координации работы горных вузов и факультетов по принципиальным вопросам развития системы подготовки горных инженеров, способствовала оперативному обмену опытом работы вузов.
Параллельно с УМС работал Научно-технический совет горных вузов страны, осуществлявший координацию научных исследований в горных вузах. Этот совет также возглавлял В.В. Ржевский.
В своей организационной работе В.В. Ржевский действовал прежде всего как ученый технологического профиля. В горном деле, которое действительно является «делом», фундаментальным для экономики страны, ученых такого технологического типа - большинство. Их главное отличие от ученых, исследующих лежащие в основе горных технологий естественных процессов (геохимических, аэрогазодинамических, гидро
17
динамических, физико-химических, биологических) с одной стороны и синтезом влияния горного дела на крупномасштабные системы (экономическую, экологическую, социальную) заключается в том, что горняки-технологи для построения и реализации технологий используют знания как фундаментальных, так и общесистемных наук.
Это вовсе не означает, что горняки-технологи обладают одинаково мощными знаниями во всех трех важнейших средах горного дела, что иногда технологами подается как само собой разумеющееся, просто современные горные технологии невозможно создать без системного синтеза технологических процессов, которые оформлены на основе фундаментальных естественных процессов горного дела.
В.В. Ржевский своевременно понял, что в общесистемном понимании «Разработки месторождений полезных ископаемых» с ее различными вариантами необходимо выделить процессы и технологии горных работ. Это было в тот момент развития горного дела необходимо для правильного построения обшей системы горных знаний с ее составными ступенями усвоения: естественнонаучные - обшеинженерные - горные процессы -горные технологии.
Однако В.В. Ржевский не остановился на этом. Он обладал индуктивным методом мышления, когда во главе ставилась фактология горного дела. А эта фактология говорила о том, что в горных науках и горном производстве наблюдается массовая нехватка специалистов с фундаментальными знаниями горных процессов. Интенсивно расширялись горные знания в области механики горных пород, рудничной аэрогазодинамики, физико-химии. На предприятиях создавались специальные службы по борьбе с внезапными выбросами угля и метана, горными ударами, физико-химической обработки пластов, тогда как количество горных специалистов в этих и подобных им направлениях было весьма незначительным и концентрировалось, в основном, в научных учреждениях.
Наблюдая за развитием смежных направлений науки и техники В.В. Ржевский фиксировал, что в подобных ситуациях вопросы решаются путем развития инженерных наук в их фундаментальной части с созданием новых инженерных и научных специальностей. Так было специальностями Физико-технического института, Инженерно-физического института, где
18
создавались новые специальности инженеров с углубленной фундаментальной подготовкой и новые научные специальности. При этом подготовка новых инженеров с углублением фундаментальных основ знаний потребовало увеличения сроков подготовки инженеров до 5,5 лет.
В.В. Ржевский обосновал точно такой же подход и добился открытия в горном образовании новой специальности горного инженера-физика со сроком подготовки 5,5 лет. Были открыты в МГИ физико-технический факультет, ряд новых кафедр и новая научная специальность для подготовки кандидатов и докторов наук - «Физические процессы горного производства».
Такого рода «процессуальный» научный подход к горным наукам дал очень серьезные результаты для развития горного дела во всех его составных частях - производства, науке и высшем горном образовании. Этот подход был реализован и в близкой к горному делу области добычи нефти и газа. Было время, когда такие науки, как «Подземная гидродинамика», относились целиком к процессам нефтегазового дела, а в горном деле, то есть добыче твердых полезных ископаемых, существовала наука «Рудничная азрогазодинамика», введенная в обиход А.А. Скочинским в качестве одной из составляющих частей технологической науки «Рудничная аэрология». Однако после оформления В.В. Ржевским инженерной специальности в горных вузах страны «Физические процессы горного производства» УМО по нефтегазовому образованию попросило ввести аналогичную специальность в высшем нефтегазовом образовании, что и было сделано. В настоящее время сотни специалистов выпускаются в горных и нефтегазовых вузах по специальности, введенной В.В. Ржевским, и это очень мощное практическое подтверждение работоспособности идей В.В. Ржевского в наше время.
В завершение этого вопроса хочу напомнить, что специальность «Физические процессы горного производства» в 2000 г. была исключена из номенклатуры научных специальностей как целостная наука. Она была дезинтегрирована на составные части, при этом, например, такие важные составные науки как «Разрушение горных пород», «Рудничная термодинамика» и даже горная геометрия - «Маркшейдерия» были в этом процессе дезинтеграции утеряны. Благодаря тому, что ряд ученых РАН
19
и высшей горной школы обратились к министру с просьбой внести изменения в тот приказ, где был реализован такой подход, удалось только включить в номенклатуру горных наук эти потерянные науки, но восстановить интегрированный номер научной специальности, созданный В.В. Ржевским, не удалось. Административно-бюрократическая машина России нам всем хорошо известна: часто бывает легче оформить неверное решение на высшем уровне, нежели его поправить.
В целях разумного и эффективного использования научного наследия В.В. Ржевского такое положение должно быть исправлено.
В.В. Ржевский уделял особое внимание методологическому исследованию горных наук. Его исследования в этой области являются и не только наиболее значимыми по объему и многогранности анализа, но и наиболее качественными в подходе, анализе и обобщениям. Отмеченное выше удивительно глубокое проникновение мысли В.В. Ржевского в фундаментальные процессы горного дела, которые он обобшенно обозначал как «физические» сопровождалось широтой системного анализа. Обшая теория систем к тому времени еше только формировалась, в практическом же плане горное дело оставалось вне строгого системного подхода, также как в целом остается и сейчас. В то время широко практиковались «комплексный подход», «классификация» и другие формы анализа и организации горного дела, которые характеризуются повышенной хаотичностью взаимосвязей и на порядок менее эффективны по сравнению с системным подходом.
С учетом этого особенно интересно наблюдать за ходом мысли В.В. Ржевского. Он дает вначале понятия «горного дела» как «области производства»; горные науки при этом определяются как «комплекс наук об освоении недр и первичной переработке полезных ископаемых». Он говорит далее, что необходимо «разработать целостную структуру горных наук», чтобы «в единстве увязать аспекты горного производства».
Представление этих идей завершилось разработкой классификации горных наук, которая продолжает сегодня играть роль фундаментального ориентира в дальнейшем развитии горных наук.
Особые слова нужно сказать о научной школе В.В. Ржевского.
20
Само понятие «научная школа» допускает некоторое множество толкований. Зачастую это означает, что один ученый является лишь административным лидером, под началом которого работают другие ученые. Часто научные школы ассоциируются с учреждениями или их подразделениями, в которых концентрируются ученые и научные исследования. Научные школы монтируются также, исходя из более меркантильных соображений: например, нужно получить некий грант, премию, официальное признание научного коллектива. В этом случае научная школа, хотя и не является виртуальной, но, тем не менее представляет собой некое искусственное формирование, в котором можно встретить ученых с разными, иногда прямо противоположными взглядами. Такие школы при достижении поставленной цели тихо распадаются, так же быстро, как они и создавались.
Истинная научная школа, на мой взгляд, как и все, существенно значимое в нашем мире, представляет собой естественную системную конструкцию. Если так, то в научной школе, непременно должны быть основополагающие признаки. Прежде всего, в научной школе должно быть достаточное количество учеников и последователей, которые собираются вокруг ученого-лидера. И, конечно, здесь должны быть основополагающие научные и методологические идеи, они и формируют ту систему взаимосвязей, без которой невозможно развитие научной школы.
В.В. Ржевский был прирожденным ученым-лидером, к которому тянулись ученики, он был источником ряда идей, которые объединяли его учеников в единое целое. При этом В.В. Ржевский демонстрировал молодым ученым преданность науке и неистощимый исследовательский энтузиазм. Все это усиливало притягательность научной школы В.В. Ржевского, и она выдавала свои выдаюшиеся результаты. Можно сказать, что в научной школе В.В. Ржевского в полной мере реализовывался «зоологический принцип», когда каждое существо воспроизводит себе подобных. И сейчас, общаясь с бывшими учениками В.В. Ржевского, давно ставшими большими учеными и возглавляющими свои научные школы, мы замечаем в них ту же ясность анализа, ту же научную логику мышления, то же умение выделить и обобщить главное, ту же преданность своему делу, которые были характерны для В.В. Ржевского. В этом, видимо,
21
и заключается непреходящее значение того мощного явления в современной горной науке, которое мы обозначаем, как «научная школа В.В. Ржевского».
Так же, как и другие реализованные на практике методологические разработки В.В. Ржевского его видение научной школы продолжает развиваться, и в этом также заключается современная значимость деятельности замечательного ученого-горняка - Владимира Васильевича Ржевского.
------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Ржевский В.В. Горные науки. - М.: Недра, 1985.
2.	Ржевский В.В. Проблемы горной промышленности и комплекса горных наук. МГИ. - М.: Ладья, 1991.
3.	Пучков Л.А. Академик В.В. Ржевский - видный педагог и организатор высшего горного образования. Сб. «Горные науки и промышленность». -М.: Недра, 1989.
4.	Пучков. ZJ.A. Академик В.В. Ржевский и высшая горная школа. Сб. «Вопросы теории открытых горных работ». - М.: Изд. МГГУ, 1994. ИШЗ
L.A. Puchkov
ACADEMICIAN V. V. RZHEVSKIJ - THE OUTSTANDING SCIENTIST-ORGANIZER OF THE HIGHER MINING SCHOOL
It is described the career of V. V. Rzhevskij from MMU student to its rector. It is told about created scientific schools and about contribution of V. V. Rzhevskij to development of mining sciences.
Key words: the higher mining school, mining, mining engineers.
— Коротко об авторе ------------------------------------------
Пучков ZI.A. - чл.-корр. РАН, президент Московского государственного горного университета,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
22
© К.Н. Трубецкой, 2010
УДК 622(092)
К.Н. Трубецкой
ВЫДАЮЩИЙСЯ УЧЕНЫЙ И ПЕДАГОГ В ОБЛАСТИ ГОРНЫХ НАУК АКАДЕМИК В.В. РЖЕВСКИЙ (к 90-летию со дня рождения)
Приводятся факты из жизни, педагогической и научной деятельности выдающегося ученого в области горных наук академика Владимира Васильевича Ржевского.
Ключевые слова: организатор в области горных наук, открытые горные работы, проектирование карьеров, экология горного производства, подготовка инженерных и научных кадров.
Владимир Васильевич Ржевский широко известен в России и за рубежом как выдающийся ученый, педагог, организатор в области горных наук и высшего образования.
После окончания в 1941 г. Московского горного института (МГИ) горный инженер по широкой специальности «Разработка месторождений полезных ископаемых» В.В. Ржевский в начале июля 1941 г. записался в дивизию народного ополчения и был переведен в действующую армию, в составе которой активно участвовал в Великой Отечественной войне по 1945 г., за что награжден.
С 1947 г., после демобилизации в звании майора, жизнь и деятельность В.В. Ржевского на протяжении 45-ти лет была непрерывно связана с созданными им научными школами в МГИ, где он прошел путь от аспиранта до заведующего первой в стране кафедрой Открытых горных работ (1960-1987 гт.) и ректора МГИ (1962-1987 гт.). Этому способствовали его диссертации: кандидатская «Условия рационального применения скользящих съездов в угольных карьерах» (1950 г.) и докторская -«Исследование режима горных работ карьера» (1955 г.). Широкомасштабное применение скользящих съездов при строительстве и эксплуатации карьеров и использование при проектировании карьеров разработанной В.В. Ржевским теории режима горных работ, позволяющей вскрыть динамическую взаимосвязь между основными решениями по вскрытию, системам разработки, комплексной механизации работ, способствовали научному обоснованию нового метода определения границ и мощности,
23
календарного плана и этапов отработки карьеров, интенсифицировать горные работы, сократить объемы, стоимость и сроки строительства и тем самым расширить область освоения месторождений открытым способом. Результаты этих фундаментальных исследований были изложены В.В. Ржевским в капитальных монографиях «Проектирование контуров карьеров» (1956 г.) и «Режим горных работ при открытой добыче угля и руды» (1957 г.), которые широко используются исследователями и проектировщиками на протяжении около 50-ти лет.
Широкое признание В.В. Ржевский получил как основоположник ряда новых научных направлений, горных наук и специальностей несмотря на то, что уже в начале своей деятельности на посту ректора (с февраля 1962 г.) ему пришлось решать очень трудные задачи государственного масштаба по предотвращению перевода МГИ за пределы г. Москвы, его сохранению и развитию.
В результате этого в июне 1962 г. МГИ был переименован в Московский институт радиоэлектроники и горной электромеханики (МИРГЭМ), но в своей основе сохранен и просуществовал под таким наименованием до июня 1966 г., а затем вновь стал Московским горным институтом. При этом В.В.Ржевский три раза утверждался ректором (в феврале 1962 г., июне 1962 г. и июне 1966 г.). В условиях формирования нового института (МИРГЭМ), умело руководя его модернизацией, В.В. Ржевский проявил себя не только как блестящий организатор высшего образования и науки. По инициативе и под руководством В.В.Ржевского сокращается ряд горных специальностей, вводятся новые и не только радиотехнические; продолжается выпуск горных инженеров и инженеров радиотехнических специальностей. На базе ранее существовавшей лаборатории разрушения горных пород была образована проблемная лаборатория физики горных пород, в которую вошли отделения механики, электродинамики, термодинамики, микроисследований и акустики. Исследованиями в области физики горных пород и процессов руководил В.В. Ржевский. Таким образом, благодаря только В.В. Ржевскому, при модернизации вуза удалось обновить и традиционные горные специальности, создать новые радиоэлектронные и горные, развить материально-техническую базу.
24
В 1962 г. из числа желающих и хорошо успевающих студентов 2-го курса МИРГЭМ была сформирована группа, которая впервые в мире начала обучаться по программе новой специальности «Физические процессы горного производства», а ее выпускники получали новую квалификацию - горный инженер-физик.
Глубокий анализ работы карьеров, опыта проектирования и теоретические исследования позволили В.В. Ржевскому разработать принципы механизации горных работ, классификацию комплексов горного и транспортного оборудования, рекомендовать области и условия их применения. Им предложена новая классификация систем открытых горных разработок, в основу которой были положены порядок и последовательность выполнения горноподготовительных, вскрышных и добычных работ в карьерном поле. Предложенная классификация систем разработки органически увязывается с комплексной механизацией горных работ и способами вскрытия рабочих горизонтов [1].
В.В. Ржевский выделил экологию горного производства в отдельную науку, которая охватывает пять направлений в области охраны: минеральных ресурсов; ресурсов подземных вод; минеральных ресурсов акваторий; земной поверхности и рекультивации земель; охраны атмосферы.
Впервые в стране по инициативе и под руководством В.В. Ржевского и проф. Г.А. Нурока было развито новое научное направление - освоение полезных ископаемых со дна морей, океанов и других водоемов. Это направление получило широкое развитие в стране, способствуя более полному освоению природных ресурсов.
Под руководством В.В. Ржевского МГИ превратился в последней четверти XX века в базовый учебно-научный центр нашей страны, получил мировую известность и признание.
В.В.Ржевский - автор свыше 500 публикаций, включая монографии, учебники, брошюры, справочники, многие из которых переведены на иностранные языки.
Избрание В.В.Ржевского членом-корреспондентом АН СССР (1966 г.), действительным членом (академиком) АН СССР (1981 г.), членом бюро Отделения геологии, геохимии и геофизики АН СССР (1981 г.) и членом бюро Отделения геологии, геофизики, геохимии и горных наук АН СССР (1984 г.) свидетельствует о признании учеными страны его выдающегося вкла
25
да в систематизацию и развитие горных наук, создание новых научных направлений и научных школ.
В.В. Ржевский - выдающийся педагог, создавший учебники для подготовки горных инженеров по вновь основанной в 1965 г. по его инициативе специальности 0209 «Технология и комплексная механизация открытой разработки месторождений полезных ископаемых», научно-методические и организационные основы учебных планов и программ. Его фундаментальные учебники «Процессы открытых горных работ» и «Технология и комплексная механизация открытых горных работ» выдержали четыре издания, а за третье издание этих оригинальных учебников В.В. Ржевский удостоен Государственной премии СССР в 1983 г.
Эти учебники используются во всех горных вузах не только нашей страны, но и в Болгарии, Венгрии, Вьетнаме, Сербии и других странах, были переведены на английский и китайский языки.
Начиная с 50-х годов XX столетия им блестяще прочитаны лекции многим сотням студентов, аспирантов, работников горного производства.
90-летие со дня рождения академика В.В. Ржевского - это вторая дата, которую мы отмечаем, когда его нет в живых почти около 18 лет (скончался 11 марта 1992 г.). И сейчас, по прошествии этих лет невозможно переоценить титаническую деятельность В.В. Ржевского, его выдающийся вклад и в развитие горных наук, подготовку инженерных, научных и педагогических кадров высшей квалификации, организацию высшего горного образования.
За последние 20 лет опубликовано много интересных работ о научной, педагогической и организационной деятельности академика В.В. Ржевского.
Поэтому автору настоящей статьи как базы заказного доклада на предстоящем научном симпозиуме «Неделя горняка-2010» очень трудно не повторяться или быть оригинальным.
В связи с этим хотелось бы, основываясь на своем более чем 30-летнем счастливом опыте общения с Владимиром Васильевичем и учебы у него, работы под его руководством в ИПКОНе и МГИ, в экспертизе проектов по линии Госплана СССР, Госстроя СССР и пр., показать те его высочайшие че
26
ловеческие качества, о которых не говорилось или говорилось недостаточно в более ранних публикациях о нем.
С детства я мечтал быть учителем математики, но не удалось. Тогда, перед распределением в МИЦМиЗе в начале 60-х годов XX столетия по рекомендации моего первого учителя проф. Б.П. Боголюбова я попал на прием к проф. В.В. Ржевскому. Вид у Владимира Васильевича был усталый (рабочий день уже закончился), но он достаточно внимательно выслушал меня. На просьбу взять меня на преподавательскую работу ответил, что единицы есть только по НИСу. Я сказал, что тогда мне лучше пойти в НИИ. А ведь НИС вузовские работники в те годы ценили не хуже НИИ (другой бы, но не Владимир Васильевич, мог обидеться).
В 1964 г. я отправил свою статью (в соавторстве с К.Е. Ви-нинким) «Определение границ открытых горных работ в сложных горнотехнических условиях» в «Горный журнал». На редколлегии рецензент В.В. Ржевский, преодолевая сопротивление члена редколлегии Б.П. Боголюбова, сказал (со слов Б.П.), что методы определения границ уже разработаны (в том числе Владимиром Васильевичем) и поэтому эта статья неактуальна. Я обосновал свое несогласие с рецензией на мою статью, ее послали на дополнительную рецензию на Украину проф. А.С. Фиделеву, который дал положительный отзыв и тогда она вышла в свет в №6 «Горного журнала» в 1964 г.
А ровно через один год В.В. Ржевский дал согласие быть официальным оппонентом по моей кандидатской диссертации (руководители Б.П. Боголюбов и Б.П. Юматов).
В июне 1965 г. мне сказали, что зашита будет осенью, и я уехал в командировку на Солнечный ГОК. Приезжаю, а мне в ИГД им. А.А. Скочинского говорят, что через неделю зашита, а В.В. Ржевский взял билеты и уезжает в отпуск. Я к Б.П. Юматову - он говорит, что иди к В.В. Ржевскому. Прихожу к Владимиру Васильевичу, спрашиваю что делать, а он мне говорит: «... что делать, что делать... буду сдавать билеты». И сдал, и спас меня, т.к. доклад я не успел выучить и изложил весь материал сумбурно, за 15 минут.
Поэтому вопросов задавали около часа, но после прекрасного выступления В.В. Ржевского, в том числе об «оригинальности» разработанного мной метода определения граничного коэффициента вскрыши для установления границ между открыты
27
ми и подземными работами, все члены совета проголосовали за присуждение.
На заседании Горной группы РАН Владимир Васильевич поделился со мной в перерыве, что будет голосовать против одного кандидата. Я аргументировано переубедил его, и Владимир Васильевич проголосовал за поддержку.
Главный вывод этого краткого анализа - В.В. Ржевский, в отличие от многих выдающихся деятелей, мог спокойно изменить свое первоначальное решение, если убеждался, что был неправ [2]. Этот вывод подтвержден также опытом рассмотрения докторской диссертации и результатов исследований проф. А.И. Арсентьева.
15 лет спустя (1980 г.) акад. Н.В. Мельников попросил акад. В.В. Ржевского провести заседание по защите мной докторской диссертации.
Принес я докторскую диссертацию, В.В. Ржевский сделал сразу два замечания: он не согласен с Н.В.Мельниковым, что в работе предложено новое направление, так как у тебя решение крупной научной проблемы. Здесь я с облегчением согласился. А вот что цель и идея похожи как близнецы, я мучаюсь, но не могу их разделить. «Приходи в другой раз, сейчас занят, помогу». Пришел, опять мешали, в следующий раз - делегация немцев помешала и т.д. Владимир Васильевич наконец махнул рукой и - « ... у меня то же не получается, пусть так и будет». Так и было.
По приглашению В.В. Ржевского с 1983 по 1987 г.г. я работал по совместительству профессором кафедры ОГР МП4, где читал курсы лекций и принимал экзамены и зачеты у заочников. Большой опыт я получал в субботние дни проведения Владимиром Васильевичем заседаний кафедры. Было интересно, так как будучи сам высоко ответственным человеком, он строго спрашивал за выполнение поручений, будь это заслуженный профессор, аспирант, студент и т.д. Для меня это была также учеба в школе В.В. Ржевского.
В один из дней посещения В.В. Ржевского в его кабинете он заметил, что я сегодня очень грустный. Я рассказал, что получил в доме АН СССР в начале 1985 г. квартиру, но уже около полугода Ленинский райисполком не дает мне ордер. «Так зачем я депутат в Москве, если не могу помочь человеку?» - воскликнул Владимир Васильевич, - «Готовь письмо». Вопрос был решен в течение нескольких /шей.
28
В 1987 г. моя кандидатура в числе других была выдвинута для избрания в члены-корреспонденты АН СССР. Тогда я считал неприличным присутствовать при голосовании, и был дома, ждал результатов тайного голосования. Уже после избрания знакомые геологи, геофизики и геохимики (члены соответствующего Отделения), поздравляя меня с избранием, спрашивали: «... что это за чудак ходил среди нас и раздавал маленькие записки-скрутки в которых просил проголосовать за Вас...». Тогда они не знали вузовских членов академии (их было мало) и рассказали по моей просьбе, что одет он был в «маодзедунов-ский» китель. Я возбужденно сказал, что это академик АН СССР В.В. Ржевский, 25 лет возглавлявший МГИ. Это тайна - мой вечный, благодарный вопрос, на который я не имею ответа. Владимир Васильевич - великий открытчик, зачем ему еще один в АН СССР ? И никто В.В. Ржевского об этом не просил. Это была его личная инициатива.
Мне, как и большинству, кто работал с Владимиром Васильевичем, хочется отметить его высокие душевные качества человека: интересного собеседника, доступного тактичного и благожелательного оппонента, высоко требовательного, прежде всего к себе, и окружающим, обладающего высокой личной ответственностью за дела, удивительным вниманием и умением слушать других, помогать им в жизни и работе.
Владимир Васильевич работал по 18 часов в сутки, практически без выходных, ночуя в своем кабинете; поэтому его можно было увидеть в институте и поздно вечером, и рано утром, чем пользовались его ученики, соратники и студенты, приходя к нему, руководствуясь слухами, что всегда получат помощь по учебе, науке, работе, жизни, а студенты - «взаймы» деньги.
За выдающиеся достижения в области науки, техники и образования В.В. Ржевскому присуждены Государственная премия СССР, премия Совета Министров СССР, Золотая медаль им. Н.В. Мельникова с премией АН СССР.
Хочется верить, что самой высокой наградой академика В.В. Ржевского будет вечная безмерная благодарность, глубокое уважение, любовь и светлая память сотен людей, которым посчастливилось учиться, работать и общаться с этим настоящим человеком с большой буквы. ЕНЗ
29
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Владимир Васильевич Ржевский - крупнейший деятель науки и организатор высшего горного образования. - «Горная промышленность», №3(85), май-июнь 2009, с. 66-68.
2. Трубецкой К.Н. Ученый и человек: [Памяти В.В.Ржевского] // Горняцкая смена, - 1992. - 17 апр. № 11-12
K.N. Trubetskoj
THE OUTSTANDING SCIENTIST AND TEACHER IN THE FIELD OF MINING SCIENCES ACADEMICIAN V.V. RZHEVSKIJ (to the 90 anniversary from the date of birth)
Are mentioned facts from a life, pedagogical and scientific activity of the oustanding scientist in the field of mining sciences of academician Vladimir Vasil-jevich Rzhevskiy.
Key words: the organizer in the field of the mining sciences, open mining works, designing open pits, ecology of mining manufacture, preparation of the engineering and scientific staff.
— Коротко об авторе ---------------------------
Трубецкой К.Н. - академик РАН, советник президиума РАН.
30
© Б.Р. Ракишев, 2010
УДК 622:378
Б.Р. Ракишев
РОЛЬ АКАДЕМИКА В.В. РЖЕВСКОГО
В РАЗВИТИИ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
И НАУКИ В РЕСПУБЛИКАХ ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ
Приведены сведения об уровне технологий, комплексной механизации и автоматизации горных работ на карьерах Алмалыкского, Навоийского, Жезказганского, Соколовско-Сарбайского горно-металлургических комбинатов и разрезах Экибастуза, научные основы которых были разработаны академиком В. В. Ржевским.
Ключевые слова: горная промышленность, горная наука, проектирование карьеров, геометрический анализ, режим горных работ, комплексная механизация и автоматизация горных работ.
Выдающийся ученый, педагог, организатор высшей школы и горной науки СССР академик Владимир Васильевич Ржевский интеллектуал мирового уровня. Его имя известно во многих уголках света. Особенно близок он нам, ученым, производственникам государств Центральной Азии. Горная промышленность и наука в наших республиках базируются на знаниях, добытых Владимиром Васильевичем.
Становление В.В. Ржевского как видного ученого-горняка связано с бурным, небывало масштабным развитием открытых горных работ в странах СНГ. Как известно, в послевоенное время в стране было принято решение о широком вовлечении в эксплуатацию крупнейших месторождений черных, цветных и редких металлов в Казахстане, Узбекистане, Киргизии и Таджикистане. Стали проектироваться и строиться такие гиганты тяжелой индустрии как Алмалыкский, Навоийский, Жезказганский горно-металлургические, Соколовско-Сарбайский горно-обогатительный комбинаты, Жамбылские горно-химические, Экибастузский, Ангренский теплоэнергетические комплексы с мощными предприятиями с открытым способом разработки. Своевременный ввод их в эксплуатацию и стабильное функционирование потребовали соответствующего научного, научно-технического сопровождения.
Над созданием научных основ такого обеспечения трудились лучшие умы отечественной горной науки и промыш
31
ленности. Среди них выделялся талантливый, энергичный и инициативный молодой доктор наук Владимир Васильевич Ржевский. К началу шестидесятых годов им уже были созданы теоретические основы проектирования крупных современных механизированных и автоматизированных карьеров; новые эффективные технологии открытых горных работ, производительные процессы горного производства. Разработанный им впервые метод геометрического анализа карьерных полей послужил теоретической базой обоснования оптимального порядка отработки месторождений, а теория режима горных работ позволила установить технологическую взаимосвязь между системами вскрытия, разработки и комплексной механизации открытых горных работ за весь период работы карьера. На этой основе стало возможным научное обоснование глубины и мошности карьера, поэтапной их отработки.
Большое внимание уделял В.В. Ржевский развитию Эки-бастузского бассейна, в частности вопросам раскройки месторождения на карьерные поля и порядка их разработки, мошности карьеров. Под руководством акад. В.В. Ржевского для условий Экибастузского бассейна были разработаны научные положения по созданию разрезов особо большой мошности, базирующиеся на принципах формирования карьерных грузопотоков во взаимосвязи со схемами вскрытия, комплексами горного и транспортного оборудования, режимом горных работ. Сформулированы проблемы и основные задачи, которые необходимо решить для выполнения народнохозяйственных планов добычи угля. Впервые на перспективу рассмотрены технологические комплексы вскрышных и добычных работ. Установлен рациональный порядок отработки запасов бассейна.
Экибастузский бассейн - уникальный по угленосности. Его балансовые запасы составляют 8,8 млрд т. Под каждым квадратным километром его поверхности залегает 150 млн т угля, которые сосредоточены в основном в трех сближенных пластах обшей мощностью около 150 м.
Экибастузский комплекс сегодня - это четыре вскрышных и добычных разреза, в том числе крупнейший в мире разрез "Богатырь", добывающий более 50 млн т угля в год. Годовой объем добычи угля в этом регионе достиг 90 млн.т.
32
На экибастузских углях работает 20 электростанций Казахстана, Урала, Западной Сибири, в том числе Экибастузские электростанции обшей мошностью 16 млн кВт.
Разрез "Богатырь", уникальный по производственной мошности и технической оснашенности, является прообразом угледобывающего предприятия будущего. Здесь достигнута самая высокая в отрасли среднемесячная производительность труда рабочего по добыче и самая низкая себестоимость добычи 1 т угля.
Разрезы производственного объединения "Экибастуз-уголь" стали пионерами в освоении новейшего горного оборудования. Именно здесь впервые в мире для разработки каменных углей были применены высокопроизводительные роторные экскаваторы. Роторный экскаватор типа ЭРШРД-5000 обеспечивает суточную производительность 60 тыс. т угля.
С целью повышения эффективности использования мощного выемочно-погрузочного оборудования непрерывного действия на добычных работах внедрены технологические схемы, предусматривающие совместную эксплуатацию роторных экскаваторов и средств конвейерного транспорта. Полная конвейеризация транспорта добываемого угля обеспечила возможность создания на этом разрезе накопительного усреднительно-погрузочного комплекса, позволяющего повысить качество отгружаемого потребителям угля.
Идея В.В. Ржевского по комплексной механизации открытых разработок, более рациональному использованию техники на карьерах, комплектованию цепи взаимосвязанных в работе машин и механизмов, обеспечивающих экономичное и эффективное выполнение всех производственных процессов нашла воплощение в жизнь в условиях карьера Мурунтау Навоийского горно-металлургического комбината, где построен и работает комплекс циклично-поточной технологии (ЦПТ), состоящий из двух линий конвейеров: наклонных (НК), расположенных в траншее (15°) на южном борту карьера, магистральных (МК), передаточных (ПК), отвальных (ОК) и двух отвалообразователей ОШС-4500/125. Дробленую взрывом горную массу крупностью до 1200 мм из забоев автотранспортом доставляют на разгрузочную площадку дробильно-перегрузочного пункта (ДПП) и выгру-
33
жают в бункер вместимостью 360 м3, откуда пластинчатым питателем подают в дробилку КВКД-1200/200, а после дробления - на наклонные конвейеры.
Для сглаживания неравномерности работы цикличного и поточного звеньев комплекса применяют внутрикарьерные склады руды и породы, размещаемые на расстоянии 200-^-400 м от ДПП, заполнение которых производят во время остановок, а отгрузку из них - после запуска конвейеров. Через эти склады ежегодно проходит более 3 млн м3 горной массы.
Отвальные конвейеры смонтированы на автомобильных отвалах. Отсыпку пароды отвалообразователями производят двумя ярусами высотой по 60 м (нижний) и 30 м - (верхний), с постоянным (при каждой передвижке ОК) повышением горизонта установки отвало-образователя и отвального конвейера.
Опыт работы карьера Мурунтау показывает, что существующие средства транспорта требуют значительных площадей для размещения перегрузочных пунктов и стационарных конвейеров, что не позволяет эффективно использовать ресурс выработанного пространства. Задача может быть успешно решена за счет применения в системе ЦПТ самоходных передвижных дробильных перегрузочных пунктов, работающих в комплексе с мобильными межуступными перегружателями.
Мобильные ДПП могут быть созданы на базе дробилок шнеко-зубчатых (ДШЗ). С помощью разработанных самоходных межуступных круто наклонных перегружателей и мобильного ДПП на базе дробилки ДШЗ решается задача отработки глубоких горизонтов скальных карьеров с использованием ЦПТ без увеличения расстояния откатки сборочным автотранспортом.
Опыт работы карьера Мурунтау Навоийского ГМК по внедрению циклично-почтовой технологии горных работ распространен на карьеры Алмалыкского горно-металлургического комбината. Здесь было разработано «ТЭО дро-бильно-конвей-ерного комплекса в системе ЦПТ карьера Кальмакыр» при сохранении схемы вскрытия верхних горизонтов карьера железнодорожным транспортом.
34
Как и во всех имеющихся системах ЦПТ, предусмотрено обязательное оборудование: приемный бункер с пластинчатым питателем, полустационарньй дробильный агрегат, разгрузочный и магистральный конвейеры, отвальный комплекс и транспортные средства для переноса элементов дробиль-но-пере-грузочного комплекса на новое место. Вскрытие карьера ниже отметки, до которой используют железнодорожный транспорт, осуществляется конвейерными наклонными тоннелями и автомобильными въездами, а впоследствии крутонаклонными конвейерными линиями. Горная масса с нижележащих горизонтов на конвейерные линии будет доставляться автосамосвалами.
Дробильно-конвейерный комплекс должен выдавать руду с нижних горизонтов на поверхность в количестве 30 млн т в год, в том числе 15 млн т для перегрузки на железнодорожный транспорт с последующей доставкой на медную обогатительную фабрику и 15 млн т к модулям самоизмельчения на борту карьера. Догрузка свободных мощностей ЦПТ будет осуществляться вскрышными породами.
Строительство комплекса ЦПТ намечено осуществить путем сооружения перегрузочной площадки и дробильной установки в карьере; конвейерной линии в наклонном тоннеле от дробильном установки в карьере до перегрузочной площадки на поверхности за контуром карьера; перегрузочной площадки с отвалообразователем и экскаваторами для перегрузки руды на железнодорожный транспорт, конвейерной линии и отвалобразователя на породним отвале. Затем сдается магистральный конвейер в наклонном тоннеле, соединяющий нижние горизонты карьера с модулями самоизмельчения, и перегрузочные пункты в карьере.
Реконструкция карьера Калмакыр па основе внедрения дробильно-конвейерного комплекса ЦПТ позволит увеличить объемы добычи руды из карьера к 2010 г. до 45 млн т, а в 2015 г. до 60 млн т в год и тем самым обеспечить собственным сырьем медное производство комбината.
Идея В.В. Ржевского о вскрытии глубоких горизонтов наклонным железнодорожным тоннелем в сочетании с рудоспусками впервые в СССР реализована в условиях Сар-байского карьера Соколовско-Сарбайского горно-производственного объединения. Это позволило расширить об-
35
пасть использования железнодорожного транспорта в глубоких карьерах, обеспечить простую форму трассы с уклоном до 55% и высокую производительность локомотивосостав за счет сокращения времени на обмены, уменьшить расстояние перевозок автотранспорта в карьере, исключить дополнительный разнос бортов карьера, уменьшить расстояние перевозок горной массы на поверхности.
Сегодня ССГПО является крупнейшим предприятием по подготовке железнорудного сырья в Казахстане и странах Содружества Независимых Государств. Основная продукция объединения - офлюсованные железорудные окатыши и железорудный концентрат соответствуют мировым стандартам. Это высококачественное сырье для доменного производства пользуется высоким спросом у металлургов Казахстана, России и Китая.
Остается актуальной идея академика В.В.Ржевского о повторной разработке отработанных ранее подземными работами участков уникального Жезказганского месторождения медных руд. При этом выемку потерянных в целиках и потолочинах руд предполагается осуществить открытым способом после заполнения подземного выработанного пространства закладкой из медьсодержащих отходов обогащения.
Проекты перечисленных выше и других предприятий черной, цветной металлургии, химической и угольной промышленности с открытым способом разработки проходили экспертизу у В.В.Ржевского. Руководители строящихся и действующих предприятий постоянно консультировались у Владимира Васильевича, он часто бывал на карьерах и шахтах.
Для развития научного направления "Физические процессы горного производства и физика горных пород" в Казахском, Карагандинском политехнических институтах и институте Горного дела АН КазССР при активной поддержке В.В.Ржевского были созданы лаборатории по изучению состояния массива пород при ведении горных работ и созданию новых физических методов разрушения горных пород.
В этих лабораториях были развиты изыскания по внедрению сейсмоакустических методов в горнодобывающую промышленность. Их результаты позволили расширить и уг-
36
дубить знания в области геоинформатики, разработать методы определения местоположения сейсмоакустических источников в массиве горных пород.
Новые технические решения по определению координат источника сейсмоакустических сигналов в трехмерном пространстве могут быть использованы для решения следующих производственных задач: оценить сейсмическую энергию взрыва, осуществить пеленгацию взрыва и горного удара, оценить размеры зон деформации и нарушения целостности массива при взрыве зарядов ВВ, подсчитать и обнаружить не взорвавшиеся заряды, определить координаты очагов внезапных выбросов на тонких угольных пластах, осуществить региональные прогнозы по горным ударам и др. Они будут способствовать принятию своевременных целенаправленных мер для предотвращения возможных негативных действий названных сил.
В проблемной лаборатории новых физических методов разрушения горных пород в КазПТИ им. В.И.Ленина проводились фундаментальные и прикладные исследования в области разрушения горных пород нетрадиционными способами. Экспериментально были установлены закономерности образования трещин в блоках крепких пород при воздействии различных физических полей (электрофизического, теп-л©физического, гидроимпульсного и т.д.).
Значительный объем исследований посвяшен вопросам проходки в породном массиве шелевых выработок, обеспечивающих безвзрывную добычу блоков крепких горных пород, длительную сохранность подземных выработок, бортов уступов карьеров, откосов дорог и оснований гидротехнических сооружений.
Большая серия исследований посвящена бурению специальных скважин в мерзлых горных породах. При наличии в них крупноблочных включений обоснована целесообразность применения комбинированного способа бурения, использующего тепловое и механическое воздействие на забой. Установлены закономерности оттаивания неоднородных мерзлых пород и перемещения границы оттаивания в зависимости от их теплофизических свойств, тепловой мощности горелки, времени нагрева. Определены теплофизические параметры газовых потоков, генерируемых огнеструйными
37
бурами, и скорости распространения температурного фронта от стенок скважин вглубь массива мерзлой породы. Обоснованы рациональные газодинамические параметры высокотемпературных струй, размеры зон снижения прочности мерзлых пород и силовые характеристики инструмента.
На основе проведенных исследований созданы оригинальные конструкции машин, технических средств и прогрессивные технологии безвзрывной добычи блоков строительных горных пород, проходки шелевых выработок в крепких массивах и скважин в специфических условиях.
На основе теоретического обобщения результатов дробления кусков горных пород с учетом характерных особенностей их разрушения и форм проявления масштабного эффекта выведено уравнение для расчета работы деформации. Оно позволяет определить абсолютную величину работы разрушения в зависимости от физико-механических свойств горных пород и степени их дробления.
Разработанная математическая модель полной работы разрушения горных пород, учитывающая общий случай проявления масштабного эффекта, содержит в себе как объемную, так и поверхностную составляющие энергозатрат. Она находится в полном согласии с гипотезой Ребиндера и удачно взаимоувязывает физико-механические свойства материала, степень его разрушения, гранулометрические характеристики исходного сырья и конечного продукта. Данная математическая модель включает в себя выражения законов Кир-пичева-Кика, Бонда и Риттингера, раскрывает физический смысл коэффициентов пропорциональностей в этих эмпирических законах. Экспериментально подтверждена идея академика Ржевского В.В. о том, что значительное снижение энергоемкости разрушения горных пород обеспечиваются при их разупрочнении за счет воздействием различными видами внешних физических полей. В этом случае задействуют все потенциальные источники ослабления, присущие каждому из уровней разрушения материала.
Таким образом, важным направлением в области уменьшения энергоемкости разрушения твердых естественных образований является их разупрочнение путем воздействия различными видами физических полей. Такая обработка может производиться в определенных условиях и в массиве
38
горных пород. Полученные научные результаты будут способствовать рациональному выбору комбинаций воздействия различных внешних источников и их технологическому воплощению в реальных горно-геологических, горнотехнических системах.
Ржевский был инициатором широкого использования электронной вычислительной техники при проектировании и планировании открытых горных работ. Под его руководством созданы и сейчас разрабатываются математические модели месторождений и различные экономико-математические модели.
В развитие этого направления на кафедре открытых горных работ Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева получены новые научные результаты при исследовании технологии открытых горных работ с использованием компьютерных технологий. Предложены принципы математического моделирования сложноструктурных многокомпонентных месторождений, типизация сложноструктурных блоков, установлены их горно-геологические, технологические характеристики.
Разработана математическая оптимизационная модель стабилизации качества многокомпонентной руды при отработке сложноструктурного блока, позволяющая планировать отгрузку максимального возможного объема качественного сырья в течение смены, суток или нескольких суток при минимальном снижении производительности выемочно-погрузочного оборудования. Она оперативно учитывает изменяющиеся горно-технологические и экономические (конъюнктурные) условия и позволяет активно управлять внутрикарь-ерным усреднением руд и выдачей сырья требуемого качества за смену, сутки или месяц.
Создана дискретная математическая модель расположения деформированной координатной сетки, позволяющая надежно прогнозировать в развале контуры рудных тел любой конфигурации. Разработан метод определения рациональных границ разделения взорванных сложных блоков на однородные экскаваторные заходки, созданы алгоритмы и комплекс программ для расчета параметров раздельной выемки руд. Предложен способ управления качеством руды с внутризабойным усреднением рудной массы в пределах экс
39
каваторной заходки и формирования грузопотоков из разносортных сложных блоков.
Доказана целесообразность использования модифицированной многокомпонентной дискретной математической модели месторождения и карьера для проектирования открытых горных работ при разработке крутопадающих маломощных залежей, обоснован набор технологических, экономических критериев оптимальности, разработана экономикоматематическая модель определения производительности группы карьеров с учетом комплексного использования попутных полезных компонентов. Составлены соответствующие алгоритмы и программы.
В развитие идеи В.В.Ржевского по повышению комплексности извлечения полезных компонентов из руд обоснована структура использования минерального сырья (МС), позволяющая осуществлять выбор наиболее прогрессивных и экономически эффективных технологий его добычи, переработки и наметить пути повышения комплексности использования полезных ископаемых.
Предложен метод оценки полезного использования минерального сырья при различных процессах его добычи и переработки, базирующийся на коэффициенте полезного использования МС, подобном общепринятому в физике, технике коэффициенту полезного действия машин, механизмов и др. Этот показатель может быть принят в качестве технологического критерия комплексного использования МС соответственно при добыче, обогащении и металлургическом переделе. Технологические и ценностные критерии комплексного использования ПИ, как объективные и легко вычисляемые, могут быть положены в основу методик для оценки результатов повышения полноты и комплексности использования МС (КИМС); анализа состояния дела по комплексному использованию МС на отдельных предприятиях и в отрасли в целом; установления рациональной номенклатуры извлекаемых полезных компонентов и целесообразной формы организации их производства; выбора наиболее эффективного варианта КИМС; определения народнохозяйственной значимости реализации выбранного варианта технологии добычи и переработки минерального сырья.
40
Умный, привлекательный и открытый Владимир Васильевич особо притягивал к себе пытливую молодежь. Несмотря на большую занятость, он практически всегда находил время для встречи с молодыми учеными и производственниками. В числе таких был и я. В 1970 г. ректор МГИ, член-корреспондент АН СССР Ржевский В.В. внимательно выслушав меня по программе научных исследований, сделал очень много серьезных замечаний. В конце беседы, увидев, что я пришел в уныние, он посоветовал после осмысления замечаний прийти к нему еше раз. Так завязалась моя длительная творческая связь с выдающимся ученым-горняком XX века.
В дальнейшем было много встреч на научных, научно-технических конференциях, проводимых в Казахстане, Узбекистане, Украине и др., на выездных, московских заседаниях УМО, НТС горной промышленности МВ и ССО СССР.
Кроме УМС, НТС академик В.В.Ржевский был инициатором проведения специальных научно-технических конференций по развитию горных работ на Соколовско-Сар-байском, Жезказганском и Экибастузском комбинатах.
Каждое выступление Владимира Васильевича на научных форумах оказывало сильное влияние на присутствовавших в плане приобретения новых знаний, нестандартных подходов к решению различных теоретических и практических задач горной науки и промышленности. Как талантливый, инициативный ученый он всегда генерировал много оригинальных идей.
Владимир Васильевич был очень благожелательным, простым в общении. В Казахстане, Узбекистане, Киргизстане у него много учеников и последователей. Десятки человек при его поддержке стали докторами наук. Среди них академик А.С. Сатинов, И.Т. Айтматов, Б.Р. Ракишев, В.Р. Рахимов, В.И. Нефадьев, Ш.А. Мамбетов, доктора наук И.З. Табакман, Н.С. Буктуков, Д.Г. Букейханов, А.Ф. Цеховой и др.
Академик В.В. Ржевский был большим другом члена Политбюро КПСС, первого секретаря ЦК КПК академика Димаша Ахмедовича Кунаева. Димаш Ахмедович высоко ценил и уважал Владимира Васильевича как выдающегося ученого, организатора науки и системы высшего образования.
41
Крепкий от природы духом и здоровьем, преданный делу Владимир Васильевич чрезмерно много трудился не жалея себя. Перегрузка, перенапряжение сдали свое дело, он подорвал здоровье и рано ушел из жизни. Великий учитель оставил неоценимое наследстве: уникальную научную, научно-педогаги-ческую школу, признанную научно-техническим сообществом многих стран мира. ЕНЗ
B.R. Rakishev
ROLE OF ACADEMICIAN RZHEVSKY V.V. IN DEVELOPMENT OF MINING INDUSTRY AND SCIENCE IN REPUBLICS OF CENTRAL ASIA
Information is adduced about the level of technology, complex mechanization and automation of mining works at the quarries of Almalyk, Navoi, Zheskazgan, Socolovsky-Sarbas mining-metallurgical group of enterprises and Ekibastuz open-cast mines, the scientific bases of which were elaborated by academician Rzhevsky V. V.
Key words: mining industry, mining science, quarry projecting, geometrical analysis, mining work conditions, complex mechanization and automation.
— Коротко об авторе ----------------------------------
Ракишев Б.Р. - академик НАН РК, Казахский национальный технический университет имени К.И.Сатпаева, г. Алматы, Республика Казахстан.
42
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Научный симпозиум «Неделя горняка» 25-29 января 2010 г.
Семинар №1. Горнопромышленная геология.
Семинар №2. Проблемы маркшейдерии, геометрия и квалиметрия недр.
Семинар №3. Проблемы геофизического контроля состояния геологической среды при техногенных воздействиях.
Семинар №4. Современные проблемы физических процессов горного производства.
Семинар №5. Проблемы угольного метана.
Семинар №6. Проблемы аэрологии и безопасности горных предприятий.
Семинар №7. Проблемы организации и управления горным производством
Семинар №8. Экономика и экология недропользования.
Семинар №9. Финансы горного производства.
Семинар №10. Инженерная зашита окружающей среды.
Семинар №11. Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении недр и земной поверхности.
Семинар №12. Стратегические исследования в горном деле.
Семинар №13. Автоматизация технологических процессов и производств в горной промышленности.
Семинар №14. Информатизация и управление горными процессами и производством.
Семинар №15. Система автоматизированного проектирования в горной промышленности.
Семинар №16. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых.
Семинар №17. Проблемы теории и практики открытых горных работ (посвящается 90-летию со дня рождения академика В.В.Ржевского).
Семинар №18. Проблемы технологии и проектирования подземной разработки рудных месторождений.
Семинар №19. Научные проблемы строительной геотехнологии и освоения подземного пространства.
Семинар №20. Перспективы развития физико-химических способов добычи полезных ископаемых.
Семинар №21. Горно-транспортные машины и оборудование.
для переработки минерального сырья и зашиты окружающей среды.
Семинар №22. Горные машины и оборудование.
Семинар №23. Электрификация и энергосбережение в горной промышленности.
Семинар №24. Технические средства (приборы и системы) обеспечения, безопасности горных работ.
Семинар №25. Природный камень. Дизайн. Технологии.
Семинар №26. Физические и химические методы переработки минерального сырья.
Семинар №27. История МГТУ - источник патриотического воспитания студентов.
______________________________© А.М. Гальперин, В.А. Ермолов, 2010
УДК 622:55
А.М. Гальперин, ВЛ. Ермолов
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОЙ ГЕОЛОГИИ
В СВЕТЕ РАЗВИТИЯ ИЛЕЙ 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
45
и инженерно-геологические), определяющие возможность, целесообразность и условия промышленного освоения геологических объектов; состав и взаимосвязь показателей горногеологических 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.Тишенко, В.В.Мосейкина, В.А.Дунаева, Д.Н.Даричева и др.
Результаты исследований этого направления отражены в следующих разработках: комплексная система геологического обеспечения управления качеством добываемых руд с запасами минерального сырья; геолого-экологическая опенка минерального сырья при управлении качеством добываемых руд,- ком
46
пьютерная 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-технологических 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 помошью конструирования математических моделей оценки взаимосвязанной качественной и геоиндикационной структуры горно-геологических объектов и рудопотоков и распознавания эколого-технологических 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
47
эколого-технологических 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 фракционно-минеральным составом отдельных локализаций (зон) хвостохранилищ.
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
48
ископаемых в соответствии с изменением их состава и свойств, а также количественных соотношений между ними.
Специфика формирования элементов моделей геоиндика-ционной 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 зада
49
но 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 определения пространственной структуры геоинди-кационной 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 экологотехнологических 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 геолого-маркшейдерских работ, проектирование буровзрывных работ, текущее и перспективное планирование горных работ. Представляет собой интегрированную систему, состоящую из функциональных модулей: маркшейдерского, геологического, буровзрывного. Все разработанные геоинформа-ционные 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 геолого
50
эксплуатационной 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 оперативного планирования добычи и др. Данная система разработана кафедрой геологии МГТУ 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 А.М. Гальперина, В.С. Зайцева, В.В. Мо-сейкина, 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),
51
формированию гидроотвала разреза «Таллинский» (Кузбасс), гидромеханизированной разработке техногенных отложений аварийного хвостохранилища ОАО «ОЛКОН», заполнению действующего хвостохранилища ОАО «ОЛКОН», предпроект-ные проработки по экологически безопасному увеличению сроков эксплуатации хвостохранилища Удачнинского ГОКа (АК «АЛРОСА», 2003 г.), разработка проектных решений по консервации гидроотвала «Березовый Лор> (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 хвостохранилища 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 хвостохранилиш для последующего использования.
Действующие международные договорные отношения позволяют также проводить совместные геоэкологические исследования. Так, в 1995-1997 гт. 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 гт.) учебник «Техногенные массивы и охрана окружающей среды (А.М.Гальперин, В.Ф рстер, 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.
52
Развитию третьего направления (геологическое обеспечение строительства подземных сооружений) горнопромышленной геологии посвящены исследования Г.Н.Харитоненко и В.С.Зайцева, которыми разработаны основы специального инженерно-геологического районирования крупных городов (Москва, Самара, Кишинев, Тбилиси, Кабул), что необходимо при составлении проектов 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 инженерно-геологическая 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 инженерно-геологическому обеспечению управления состоянием
53
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. ЕИЗ
А.М. 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, ud@msmu.ru
54
© В.Н. Попов, 2010
УДК 622.1:528
В.Н. Попов
ПУТИ РАЗВИТИЯ КАФЕДРЫ «МАРКШЕЙДЕРСКОГО
ДЕЛА И ГЕОДЕЗИИ» МОСКОВСКОГО
ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА ЗА 90-летний ИСТОРИЧЕСКИЙ ПЕРИОД
Дана краткая историческая справка о становлении кафедры. Приведены этапы методических основ учебною процесса и достижения в этой области. Изложены результаты по основным научным направлениям работы кафедры за рассматриваемый период ее развития.
Ключевые слова: маркшейдер, опыт работы в ВУЗе, горнодобывающие предприятия, маркшейдерское дело.
Семинар № 2
Формирование кафедры началось практически с открытия осенью 1919 года при Московской горной академии одногодичных курсов помощников маркшейдеров в связи с большой потребностью в маркшейдерах в горной промышленности. С 1920 года организация кабинета кафедры и учебного процесса геодезии и маркшейдерского дела проводилась под руководством заведующих кафедрой профессора С.М. Соловьева (1920-1923 гт.), доцента А.И. Лисмана (1923-1936 гг.), доцента Ф.И. Выдрина (1936-1939 гт.), профессора П.К. Соболевского (1939-1949 гт.), профессора П.А. Рыжова (1949-1974 гт.), профессора Ф.Ф. Павлова (1949-1961 гт. кафедра геодезии), профессора В.А. Букринского (1974-1988 гт.), профессора В.Н. Попова с 1988 года по настоящее время.
В разные периоды к чтению лекций и проведению лабораторных и практических занятий привлекались такие крупные ученые и высококвалифицированные специалисты, как проф. И.М. Бахурин, проф. Н.Г. Келль, проф. В.Н. Высоцкий, доп. Н.М. Поляков, доц. Б.А. Колосков, доц. З.И. Поляк, проф. М.П. Ва-сильчук, доц. В.С. Зимич, проф. Д.В. Яковлев.
Со дня образования на кафедре постоянно разрабатывались методические основы учебного процесса, исходя из задач, возлагаемых на маркшейдерскую службу предприятий и организаций, в которых предусматривались следующие этапы:
1.	Приобретение, накопление и совершенствование знаний преподавателями (самоподготовка, НИР, доклады, написание
55
учебников, учебных пособий, конспектов лекций, монографий, статей, диссертаций, ФПК, стажировка, овладение ТСО и ЭВМ, педагогика и психология в высшей школе). Составление учебных планов и программ по специальным дисциплинам.
2.	Передача знаний студентам, учебно-воспитательная работа преподавателя (лекции, лабораторные работы, практические занятия, семинарские занятия, факультативы, консультации, экскурсии, кураторство).
3.	Усвоение и закрепление знаний студентами, самостоятельная работа студентов (домашние работы, УНИРС, учебные практики, производственные практики, курсовое и дипломное проектирование, стажировка).
4.	Проверка и оценка знаний студента (текущий контроль, рубежный контроль, анализ успеваемости).
В соответствии с этими методическими основами кафедра разработала учебно-методическую документацию: типовые для вузов и индивидуальные для МГИ учебные планы, программы учебных дисциплин, учебных и производственных практик, утвержденные и изданные в виде сборников в 1965, 1975, 1983 и в 1990 гг., учебные пособия и методические указания по курсовому и дипломному проектированию, практическим и лабораторным занятиям, учебным и производственным практикам, подготовке и чтению лекций, приему экзаменов и зачетов, проведению научно-исследовательской работы студентами (НИРС).
В 1993 году МГИ был преобразован в Московский государственный горный университет с переходом на трехступенчатую подготовку специалистов маркшейдеров: бакалавр, горный инженер, магистр.
В соответствии с государственными образовательными программами сотрудниками кафедры была разработана необходимая методическая документация по всем ступеням подготовки - учебные планы, составлены программы по всем дисциплинам, переработана и вновь создана учебно-методическая литература, подготовлены и изданы учебники и учебные пособия, учебные лаборатории оснашаются новым образованием и вычислительной техникой.
В настоящее время качественную подготовку специалистов, отвечающим требованиям квалификационной характеристики, обеспечивают высоко квалификационные научно-педагогические кадры при наличии в достаточном количестве учебных аудиторий
56
(2 оборудованы мультимедийным оборудованием), компьютерной класс.
К преподаванию по аттестуемой специальности привлечены преподаватели, имеющие ученые степени и ученые звания (докторов наук, профессоров - 50%; кандидатов наук, доцентов -42,8%), на штатной основе привлекается более 64,3% преподавателей, из них доля лиц с учеными степенями и званиями составляет 89%.
Большинство преподавателей имеют опыт работы в ВУЗе более 20 лет. Все преподаватели проходят такие формы повышения квалификации, как стажировка на предприятиях, участие в Российских и Международных конференциях, окончание различных курсов по компьютерным программам.
На кафедре работают 3 лауреата премии Правительства РФ, 2 лауреата Госпремии, 2 заслуженных деятеля науки России и 8 действующих членов отраслевых академий.
Средний возраст преподавателей кафедры МДиГ составляет 53 года.
Кадровое обеспечение кафедры соответствует требованиям ГОС при подготовке инженеров по специальности 130402 «Маркшейдерское дело».
Все дисциплины учебного плана обеспечены учебниками, учебными пособиями, методическими пособиями и методическими указаниями к курсовым проектам и работам. Основные учебники и учебные пособия по общеобразовательным и специальным дисциплинам изданы в течение 2001-2009 гг.
Сотрудниками кафедры за последние пять лет подготовлено и издано 4 учебника, 5 учебных пособий с грифом Минобрнауки и УМО и 25 методических указаний для изучений специальных дисциплин, 2 монографии. Учебные пособия, составленные преподавателями кафедры, отражают последние достижения науки и техники.
Программно-информационное обеспечение для обучения на выпускающей кафедре разработано для специальных дисциплин и включает в себя программы, которые используются при проведении лабораторных работ, практических занятий, при курсовом и дипломном проектировании, а также в научно-исследовательской работе студентов.
Для изучения специальных дисциплин и дисциплин специализаций установлены пакеты прикладных программ «AutoCad»,
57
«Кредо» и др., которые используются при выполнении самостоятельных работ, курсовых и дипломных проектов.
Учебный процесс организован в соответствии с требованиями законодательства, Устава, нормативных документов Университета, основной образовательной программы, учебных планов и стандартов дисциплин, разработанных в соответствии с требованиями ГОС. Учебный процесс по специальности 130402 «Маркшейдерское дело» до 2008 года осуществлялся по трем формам обучения: очная, вечерняя и заочная в соответствии с утвержденными учебными планами, а с 2008 года вечерняя форма обучения прекратилось.
В учебном процессе используются инновационные методы обучения:
1.	Современные электронно-оптические приборы с программным обеспечением.
2.	Регулярное пополнение информационных ресурсов в виде лицензионных программ.
3.	Использование программных продуктов, разработанных преподавателями кафедры по ряду дисциплин.
4.	Выпускники института ориентированы не только на поиски работы, но и способны выступать в роли создателей новых рабочих мест.
В области маркшейдерии работает много малых предприятий, созданных выпускниками специальности «Маркшейдерское дело».
5.	Система обучения студентов основана на сочетании изучения учебного материала по их будущей специальности с проведением учебных и производственных практик с целью выработки у студентов мотивации к активному усвоению знаний.
После первого года обучения студенты проходят учебную геодезическую практику, на которой знакомятся с современными технологиями съемочных работ. На производственных практиках после второго, третьего и четвертого курсов они получают собственный опыт работы по специальности, т.е. в учебном процессе используются методы «комплексного обучения» и «обучения на основе опыта».
6.	Использование методов, основанных на изучении практик (в учебном процессе при изучении специальных дисциплин, защите отчетов по производственным практикам, выполнении курсовых и дипломных проектов рассматриваются реальные ситуации
58
инженерной практики на горных предприятиях и подземных сооружениях).
В Университете созданы благоприятные условия организации и выполнения самостоятельной работы студентами.
Итоговая государственная аттестация проходит в один этап: зашита дипломного проекта. Тематика дипломных проектов направлена на решение актуальных практических задач маркшейдерского дела.
Председателями и членами аттестационных комиссий являются специалисты в области маркшейдерского дела, руководители крупных предприятий и организации.
Образовательная деятельность по специальности 130402 «Маркшейдерское дело» обеспечивается лицензией на право ведения образовательной деятельности по специальности 130402 «Маркшейдерское дело».
Горный инженер, освоивший основную образовательную программу высшего профессионального образования по специальности 130402 «Маркшейдерское дело» подготовлен для продолжения образования в аспирантуре МГГУ.
Студенты специальности 130402 «Маркшейдерское дело» за период обучения проходят учебную геодезическую, первую производственную, вторую производственную и преддипломную практики.
Первая производственная практика проводится на базе ОАО «Метрострой». На период практики студенты работают на объектах управлений с выполнением всего комплекса работ, предусмотренных общим курсом «Маркшейдерское дело».
Основными базами практик студентов являются: ОАО «Ковдорский ГОК», ОАО «Мосметрострой», ОАО «Стойленский ГОК», «Гайский ГОК», ОАО «Каахем», «СМУ-3 Метрострой», ТОО «Корпорация», ОАО УК «Алмазная», ОАО «Окская горнопромышленная компания», ЗАО «Айхал», ОАО «Мирнинский ГОК АК «Алроса»», ЗАО «Богавеевский карьер», ООО «р.н. Сахалинморнефтегаз», ОАО «Метротоннельгеодезия», ООО «Разрез Тамусинский», ООО «Лентрансгаз», ОАО «ГПР-1 СУ-17», ООО «Прогресс», ОАО «Голиковский каменный карьер», ОАО «ПНГХО», ОАО «Восточное ГРЭ», ООО «Радиус-1», ЗАО «Геостар», ООО «Инж-строй Сити Монолит», ООО «Горгеосервис», ООО «Строй Сити», ООО «Навигатор 2», ЗАО «Тоннельный отряд 44», ЗАО «Тон-нельсервис».
59
Программы по специальным дисциплинам отражают современное состояние маркшейдерского дела в стране и за рубежом и отвечают квалификационной характеристике специалиста по специальности. В учебных программах социальногуманитарного и естественнонаучного циклов имеется логическая взаимосвязь.
На кафедре МДиГ сформировалась и активно развивается научно-педагогическая школа в области маркшейдерии, геометрии и квалиметрии недр, возглавляемая заслуженным деятелем науки РФ В.Н. Поповым, основоположниками которой были профессора П.К. Соболевский, П.А. Рыжов и В.А. Букринский.
Тематика научных исследований носит фундаментальный и прикладной характер. Научные исследования выполняются по грантам и проектам Минобрнауки РФ, заданиям правительства г. Москвы и по договорам с предприятиями и горнорудными компаниями.
Основными научными направлениями кафедры являются:
-	История возникновения, становления и развития маркшейдерии. Существенный научный вклад в результаты исследований внесли проф. П.К. Соболевский, проф. П.А. Рыжов, доц. В.П. Машкевич, проф. В.А. Букринский, проф. В.Н. Попов.
-	Геометризация месторождений минерального сырья и оценки недропользования. Значительный вклад в решение проблем этого направления внесли проф. П.К. Соболевский, проф. П.А. Рыжов, проф. В.А. Букринский, проф. В.М. Гудков, проф. В.В. Руденко, проф. Д.И. Боровский, проф. Е.П. Тимофеенко, проф. В.И. Кузьмин, доц. А.В. Евдокимов, доц. И.Г. Лаврентьев, доц. Е.В. Киселевский, доц. Ю.Н. Новичихин, доц. Ю.В. Коробченко, И.М. Боброва, Г.И.Ходакова, доц. Ю.А. Павлова, к.т.н. С.С. Жданкин, доц. В.Б. Замотин, доц. Л.А. Дробышев, В.А. Федорченко, А.В. Михайлова, М.И. Пугачев.
-	Теоретические исследования в области новой техники и методики геодезических и маркшейдерских работ. Известны работы в этом направлении проф. П.К. Соболевского, проф. Ф.Ф. Павлова, проф. М.П. Мазмишвили, проф. В.А. Букринского, проф. Л.М. Триггер, доцентов А.И. Лисмана, Н.М. Полякова, Г.Е. Лазарева, М.П. Бордюкова, Е.М. Самошкина, А.Н. Ильичева, Н.Е. Федотова, проф. П.Н. Бруевича, проф. Б.Д. Федорова, доц. Ю.Н. Новичихина, доц. Л.П. Пахмутова, доц. Е.А. Тухель, доц. П.В. Яковлева, доц. Н.Н. Аношенко, доц. В.В. Никитина, доц.
60
А.Ф- Кисуркина, К.К. Зинько, Т.Д. Джуламанова, к.т.н. Е.П. Кандрат.
-	Исследования горного давления, сдвижения горных пород, устойчивости карьерных откосов. Существенные научные результаты в этой области получены профессорами П.А. Рыжовым, В.И. Борш-Компониецем В.Н. Поповым, Б.В. Несмеяновым, Г.В. Орловым, М.А. Иофисом, М.Е. Певзнером, Ю.М. Девкиным, Ю.О. Кузьминым, доцентами Н.А. Соцковым, З.И. Поляковым, В.В. Никитиным, Е.В. Киселевским, к.т.н. О.В. Поповой, к.т.н. Чангом.
-	Исследования по мониторингу геотехнической среды, горному праву и горному аудиту. Значительный вклад в решение проблем этого направления внесли профессора кафедры В.Н. Попов, М.Е. Певзнер, П.Н. Бруевич, О.Б. Сильченко, Ю.М. Девкин, докторанты кафедры д.т.н. X. Бадамсурен и Г. Баярсайхан.
Основные научные результаты, полученные в течение последних пяти лет официально признанные как приоритетные, в том числе научные результаты в области приоритетных направлений фундаментальных исследований:
-	модели и методы прогнозирования деформаций земной поверхности под влиянием горных работ;
-	методологические и методические основы геодинамическо-го районирования недр.
В области информационных технологий:
-	информационные технологии управления качеством полезных ископаемых при недропользовании.
В области производственных технологий:
-	автоматизированная система маркшейдерско-геологического обеспечения горнодобывающих предприятий.
В области экологии и рационального недропользования:
-	методы ведения горно-экологического мониторинга на основе спутниковых технологий;
-	методы оценки и обоснования безопасных и эффективных конструкций бортов карьеров.
Результаты НИР внедряются в учебный процесс: лекции и учебно-методическую литературу.
На кафедре имеется магистратура по специальности 550609 Маркшейдерия", а также очная и заочная аспирантуры по специальности
61
25.00.16 "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр".
За период с 1945 по 2009 год кафедра выпустила 1929 горных инженеров маркшейдеров, 380 бакалавров и 31 магистров.
С 1973 по 2009 годы кафедрой рассмотрены и по ее рекомендации защищены на специализированных советах 162 кандидатских и 32 докторских диссертаций. Непосредственно на кафедре было подготовлено за это время 122 кандидатских и 20 докторских диссертаций.
Из числа окончивших маркшейдерскую специальность в МГИ известными учеными, докторами технических наук, профессорами стали (по годам окончания МГИ): И.И. Нуждин (1945), В.И. Кузьмин (1948), В.М. Гудков (1950), М.А. Иофис, И.А. Турчанинов (1951), В.И. Беляев (1952), В.И. Борш-Компониец, В.З. Пащенков, М.Е. Певзнер (1954), А.И. Ильин, Д.М. Казикаев (1955), Ю.И. Мартынов (1956), И.М. Ватутина, С.А. Ватутин, И.Грезер, П.В. Егоров (1957), М.А. Марголин (1958), Ван Шаолин, Джан Голян (1961), С.Ю. Ерохин (1980).
Сотрудники кафедры маркшейдерского дела и геодезии МГТУ активно участвуют в работе Международных симпозиумов, конгрессов и общественных организаций по маркшейдерскому делу, виза
V.N. Popov
WAYS OF DEVELOPMENT OF «MINE SURVEYORY AND GEODESY» SUBDEPARTMENT OF THE MOSCOW STATE MINING UNIVERSITY FOR THE 90-YEARS-OLD HISTORICAL PERIOD
Brief background of the department establishment, stages of methodical fundamentals of educational process and progress in this field are given. The results of the basic trends in scientific activity of the department during the considered period of its development are stated.
Key words: mine surveyor, operational experience in university, mining enterprises, mine surveyory.
— Коротко об авторе ----------------------
Попов В.Н. - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
62
----------------------------------© М.А. Иофис, А.В. Гришин, 2010
УДК 622.831.31
М.А. Иофис, А.В. Гришин
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОСВОЕНИЯ НЕДР*
Проанализировано современное положение дел в области геомеханиче-ского сопровождения освоения подземного пространства городов. Дана опенка возможности применения различных методов наблюдений за состоянием породного массива при производстве горных работ в условиях плотной городской застройки. Приводится методика проведения геоме-ханического мониторинга при строительстве подземных сооружений методом «стена в грунте».
Ключевые слова: подземное пространство города, геомеханический мониторинг, деформации, наблюдательная станция, глубинный репер, методика измерений, массив, скважина.
Семинар № 2
В последнее время наблюдается существенное увеличение работ по комплексному освоению недр крупных городов Мира. Ограниченная площадь занимаемой территории, высокая плотность застройки, а также наличие большого количества зданий, относящихся к памятникам истории и архитектуры, приводит к тому, что дальнейшее развитие мегаполисов невозможно без перевода многих объектов городского хозяйства в подземное пространство. В этом смысле не является исключением и город Москва, ему, как крупнейшему мегаполису Мира, присуши многие проблемы, вызванные дальнейшим его развитием. Особое место в сложившейся ситуации занимает транспортная проблема, положительное решение которой возможно только на основе перевода части транспортных потоков под землю. Без такого решения движение транспорта в городе в ближайшее время будет просто парализовано. Все признаки этого ощущаются уже сегодня.
В сентябре 2008 года на заседании Правительства Москвы было принято постановление «О городской программе подготовки к комплексному градостроительному освоению подземного пространства города Москвы на период 2009-2011 гг.».
‘Работа выполнена при поддержке Фонда содействия отечественной науки.
63
Это постановление следует признать чрезвычайно своевременным и актуальным, поскольку интенсивное наземное строительство, сопровождающееся расширением границ города и уплотнением застройки, приводит к тому, что ресурсы земель, пригодных для строительства, быстро истощаются. Отчуждение новых участков ведет к ликвидации сельскохозяйственных угодий и зеленых насаждений, изменению естественного ландшафта и, в конечном счете, к ухудшению экологической обстановки в городе.
Условия эксплуатации подземных объектов не зависят от капризов погоды. Они надежно защищены и от других внешних воздействий, в них сохраняется постоянный температурно-влажностный режим, следовательно, экономятся энергетические ресурсы. Эти объекты долговечны и экономичны в эксплуатации, поскольку в качестве строительного и изолирующего материала для них используется массив горных пород, что позволяет сократить расходы на капитальный и текущий ремонты. Таким образом, помимо экономии дорогостоящих земельных ресурсов, освоение подземного пространства крупных городов имеет и другие положительные стороны [1, 2].
Вместе с тем нельзя не учитывать, что освоение подземного пространства недр, в отличие от работ на земной поверхности, ведется в сложной, слабоизученной, постоянно изменяющейся и потенциально опасной среде, какой являются массивы горных пород. Эти массивы часто находятся в состоянии неустойчивого равновесия, нарушение которого может привести, и нередко приводит, к серьезным авариям с тяжелыми последствиями, как для самого подземного сооружения, так и для объектов, находящихся в зоне его влияния. Поэтому успех освоения подземного пространства, его эффективность и безопасность во многом будут зависеть от того, насколько надежно мы сумеем оценить геомеханическое состояние грунтового массива и спрогнозировать его изменения под влиянием подземного строительства, а также насколько грамотно и оперативно сумеем воспользоваться этими знаниями.
/Зля предотвращения негативных последствий освоения подземного пространства города Москвы каждой стройке должно предшествовать надежное геомеханическое обоснование и последующее геомеханическое обеспечение [3].
64
Под геомеханическим обеспечением освоения земных недр понимается решение задач длительной (на заданный срок) устойчивости подземных объектов и контроля за напряженно-деформированным состоянием вмещающих их пород, определение влияния подземных объектов на окружающую их природную среду и инженерные сооружения как в период строительства и эксплуатации объектов, так и в период их реконструкции и особенно - ликвидации. Его основной целью является предотвращение аварийных ситуаций при освоении недр, повышение безопасности и эффективности горных работ, обеспечение сохранности и нормальной эксплуатации зданий, сооружений и инженерных сетей, попадающих в зону их влияния, и охрана природной среды [4].
Анализ опыта освоения недр в различных условиях показал, что наиболее целесообразно выполнять работы по геолого-маркшейдерскому и геомеханическому обеспечению в такой последовательности: оценка естественного состояния массива горных пород, прогноз изменения этого состояния под влиянием горных работ, контроль за процессами, происходящими в толще пород и на земной поверхности, и управление этими процессами [5].
Геомеханическое состояние массива до начала горных работ оценивается на основании геологических данных и инженерных изысканий, при этом основное внимание уделяется определению природного (естественного) поля напряжений, характеристике тектонических нарушений, трещиноватости, слоистости, водообильности, карстообразования и других особенностей массива.
Прогноз изменения геомеханического состояния породного массива под влиянием горных работ выполняется как для типовых условий строительства и эксплуатации подземного сооружения, так и для наиболее вероятных аварийных ситуаций (разрушение крепи выработок, прорыв в них плывунов, развитие карстовых образований, активизация древних оползней и т.д.). Он состоит из определения ожидаемых параметров развития геомеханических процессов, основными из которых являются: размеры и местоположение зон сдвижения; значения максимальных сдвижений и деформаций; характер распределения деформаций в мульде сдвижения; продолжительность и скорость развития деформационных процессов [6].
65
При составлении прогноза ожидаемых деформаций применяются различные методы расчета, которые условно можно разделить на теоретические, эмпирические и полуэмпирические. Теоретические методы базируются преимущественно на уравнениях, используемых в механике сплошной среды, при этом массив горных пород рассматривается как упругая, пластичная, вязкая, сыпучая или другая идеализированная среда, существенно отличающаяся от реальной. Поэтому эти методы имеют ограниченное применение. Для широкого применения более пригодны, как показала практика горного дела, эмпирические и полуэмпирические методы. Эмпирические методы базируются на зависимостях, полученных непосредственно из результатов инструментальных наблюдений в натурных условиях, полуэмпирические - на зависимостях, установленных на основании обобщений, теоретических предпосылок и математических аналогий, численные значения коэффициентов в которых определяются по данным натурных наблюдений.
Наиболее ответственным этапом работ является контроль за процессами, происходящими в толше горных пород, на земной поверхности и в сооружениях, называемый геоме-ханическим мониторингом, под которым понимается система инструментальных наблюдений, обеспечивающая своевременное обнаружение признаков, предшествующих возникновению аварийных ситуаций с таким расчетом, чтобы вовремя можно было принять необходимые профилактические и защитные меры.
При освоении подземного пространства г. Москвы, зачастую, геомеханический мониторинг ограничивается проведением геодезических наблюдений за осадками зданий, находящихся вблизи от строящегося подземного сооружения. Такие работы поручаются инженерам-геодезистам наряду с другими, чисто геодезическими задачами (разбивка осей сооружений, проведения исполнительных съемок и т.д.). Вызвано это, скорее всего, желанием заказчика сэкономить финансовые средства в ущерб безопасности проведения горных работ. Геодезические наблюдения за осадками зданий сами по себе не способны обеспечить своевременное обнаружение признаков, предшествующих возникновению аварийных ситуаций, т.к. они фиксируют уже произошедшие нарушения наблюдаемых объектов. Появлению таких нарушений предшествует период из
66
менения напряженно-деформированного состояния породного массива, вызванный ведением горных работ.
Из изложенного следует, что для своевременного выявления признаков, предшествующих возникновению аварийных ситуаций необходимо проводить полноценный геомеханиче-ский мониторинг, включающий в себя наблюдения за деформациями породного массива, земной поверхности и зданий и сооружений попадающих в зону влияния горных работ.
Мониторинг за сдвижением и деформациями толши пород на недоступных для непосредственных наблюдений участках проводят с помощью глубинных реперов, заложенных в существующих или специально пройденных скважинах из горных выработок или с земной поверхности (рис. 1).
Сущность такого метода заключается в том, что в скважины, пробуренные с поверхности или из подземной горной выработки, на определенных расстояниях от их устьев, закладываются глубинные реперы, по которым производятся измерения. В одной скважине размещается несколько реперов. При измерении определяется перемещение каждого репера относительно опорной точки за фиксируемый промежуток времени. В состав такой наблюдательной станции также входят рабочие и опорные реперы. Опорные реперы закладываются за пределами области сдвижения на данном участке работ. Их привязывают к исходным реперам, для этого обычно используют реперы маркшейдерского обоснования, расположенные вне общей зоны влияния горных разработок.
Конструкция глубинных реперов и способы их закладки должны обеспечивать: простоту изготовления и установки (закладки) их в скважине; прочную связь с массивом пород, обеспечивать необходимую точность производства измерений для фиксации начала процесса деформирования массива, а также длительную сохранность и удобство проведения наблюдений.
Существуют различные конструкции глубинных реперов, методы их доставки до места фиксации в скважине и принципы производства измерений их местоположения. Рассмотрим несколько методов, наиболее отвечающим условиям освоения подземного пространства г. Москвы:
1. Метод определения положения реперов в скважине при помощи магнитогерконового датчика.
67
Рис. 1. Схема размешения наблюдательной станнин за деформациями породного массива при ведении горных работ методом «стена в грунте»: 1 - потенциальная поверхность скольжения; 2 - скважина; 3 -глубинный репер; 4 - удерживающая конструкция котлована
Датчик состоит из магнитоуправляемого герметизированного контакта (геркона) и постоянного магнита. Контакты геркона в магнитном поле постоянного магнита замкнуты. При прохождении датчика через металлический репер контакты геркона размыкаются и срабатывает сигнализатор.
Репер представляет собой металлический цилиндр (отрезок трубы) длиной 150—200 мм, к наружным стенкам которого прикрепляются (клепкой или сваркой) 4—6 фигурных пластинчатых пружин; диаметр репера по концам пружин превышает диаметр скважины.
Доставка реперов к местам установки осуществляется при помощи полихлорвинилового става труб, на котором они размещаются на требуемом расстоянии.
Для измерения расстояния до репера магнитогерконовый датчик пропускается по ставу труб. По сигналам, поступающим от датчика на измерительную станцию, регистрируется расстояние до репера.
68
Рис. 2. Рабочий репер: 1 -прорез для соединения репера с досыльником; 2 - визирная цель; 3 - усы из пружинной стали; 4 - корпус репера
Точность измерения смещений, как показали эксперименты, проведенные на шахтах Донбасса, составляет ±0,5 мм.
Существенным недостатком данного мето-
да является невозможность его применения в магнитоактивной среде, что в условиях городской застройке встречается очень
часто.
2. Метод определения положения реперов в скважине при помощи электронного тахеометра.
Рабочий репер представляет собой цилиндрический отрезок трубы круглого сечения (рис. 2). На наружных стенках расположены удерживающие усы, изготовленные из пружинной стали. На внутренней стенке репера закреплена площадка, на которую наклеивается отражатель пленочного типа - визирная цель.
Досылка репера в скважине до места его фиксации осуществляется при помощи досыльника. Для увеличения длинны до-сыльника, к нему добавляются дополнительные колена, соединяемые между собой.
Реперы устанавливаются в скважине с заданным интервалом и каждый последующий репер разворачивается вокруг своей оси на 50° (рис. 3).
После установки рабочих реперов в скважине производится съемка планово-высотных координат. Измерения реперов производятся при помощи электронного тахеометра следующим образом:
В непосредственной близости от устья скважины устанавливается опорный репер так, чтобы при центрировании на него инструмента, были видны все визирные цели установленных в скважине реперов.
Осуществляется его привязка к исходным реперам.
69
Рис. 3. Реперы установленные в скважине: 1 - репер; 2 - скважина; 3 - визирная цель
3
Натурные исследования с применением глубинных реперов позволяют дать оценку степени расслоения массива, поскольку по величине деформаций растяжения между парами реперов можно судить о местах расположения плоскостей возможного расслоения. Другими словами применение указанных методов при осуществлении геомеханического мониторинга позволит выявить признаки, предшествующие возникновению аварийной ситуации при освоении подземного пространства крупных городов.
Для надежной и оперативной оценки состояния подземного сооружения, вмещающих его горных пород и объектов, попадающих в зону влияния сооружения, измеренные деформации сравниваются с их допустимыми, критическими и предельными значениями. При этом допустимыми следует считать деформации, не представляющие угрозы для эксплуатации подземного сооружения и объектов, попадающих в зону его влияния. Повреждения, Вызванные этими деформациями, легко устраняются проведением текущих ремонтных и наладочных работ без нарушения характера эксплуатации объектов. Появление критических деформаций свидетельствует о начале развития необратимых процессов, при которых дальнейшая эксплуатация объектов без принятия соответствующих профилактических и защитных мероприятий недопустима. К таким мероприятиям следует отнести разрезку трубопроводов в местах наибольших деформаций для снятия накопившихся напряже
70
ний, выправления зданий и сооружений с помощью поддомкрачивания и другие аналогичные меры.
Под предельными понимаются деформации, превышения которых вызывает аварийное состояние объектов с угрозой опасности для жизни людей. При таких деформациях эксплуатация объектов прекращается и люди из них выводятся в безопасные места.
--------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Ресин В. И. Об осво999999ении подземного пространства Москвы // Горный вестник. - 1997. - №4.
2.	Петренко ЕВ. Освоение подземного пространства. - М.: Недра, 1998.
3.	Трубецкой К.Н., Иофис М.А. Геомеханическое обеспечение комплексного освоения недр г. Москвы. //Горный журнал. - 1999. - №11.
4.	Трубецкой К.Н., Малышев Ю.Н., Иофис М.А. Геомеханическое обеспечение разработки месторождений полезных ископаемых: Доклад на IX Международном маркшейдерском конгрессе. - Прага, 1994.
5.	Инструкция по наблюдениям за сдвижениями земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Москве подземных сооружений /Трубецкой К.Н., Ильичев В.А., Медведев С.Г. и др. -М.: ИПКОН РАН, 1997.
6.	Геомеханика: Учеб, пособие /Э.В. Каспарьян, А.А. Козырев, М.А. Иофис, А.Б. Макаров. - М.: Высш, шк., 2006. - 503 с. IEES
М.А. lofts, AV. Grishin.
PERFECTION OF METHODS OF GEOMECHANICAL MAINTENANCE OF DEVELOPMENT OF BOWELS
The modem state of affairs in the field of geomechanical support of development of underground space of cities is analysed. The estimation of possibility of application of various methods of supervision over a condition of a pedigree file is given by manufacture of mountain works in the conditions of dense city building. The technique of carrying out of geomechanical monitoring is resulted at building of underground constructions by a method «a wall in a ground».
Keywords: Geomechanical support, methods of supervision, monitoring
— Коротко об авторах-----------------------
Иофис М.А. - профессор, доктор технических наук, Гришин А. В. - кандидат технических наук, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
71
------------------------ © В.А. Винников, B.ZI. Шкуратник, 2010
УДК 622: 550.372
В.А. Винников, ВЛ. Шкуратник
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
ТЕРМОАКУСТОЭМИССИОННЫХ ЭФФЕКТОВ
В ГОРНЫХ ПОРОДАХ *
Обосновываются теоретические модели термоэмиссионного эффекта памяти в горных породах, возникающего при их циклическом нагревании с возрастающей от цикла к циклу амплитудой температуры. На основе указанных моделей рассмотрены возможные механизмы возникновения эффекта, обусловленные ростом трещин, разделяющих отдельные структурные элементы геоматериала.
Ключевые слова: теоретическая модель, память горных пород, циклическое нагревание, акустическая эмиссия, математическое моделирование.
Семинар № 3
В основе акустоэмиссионного метода исследования геоматериалов лежит явление акустической эмиссии (АЭ), суть которого состоит в образовании упругих волн при динамической внутренней локальной перестройке структуры твердых тел под влиянием внешних и внутренних факторов различной физической природы. В качестве источников и механизмов генерации АЭ в горных породах выступают рост или закрытие микро- и макротрешин, схлопывание пор, процессы двойникования, перемещение и выход на границы зерен дислокаций и их скоплений и др. Интерес геомехаников, геофизиков и геологов к акустоэмиссионному методу исследования обусловлен, прежде всего, тем, что он является эффективным инструментом изучения закономерностей деформирования и разрушения геологических объектов, определения их физикомеханических свойств и напряженно-деформированного состояния, установления генотипа горных пород по их акусго-эмиссионным паспортам [1].
Практическая реализация метода АЭ при исследовании геоматериалов предполагает установление и последующий анализ особенностей проявления в них разнообразных акусто-
‘Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 07-05-00045)
72
эмиссионных эффектов. Последние заключаются в аномальном характере изменения информативных параметров эмиссии при различных режимах механических, термических и других воздействий на горные породы. Например, эти эффекты проявляются в стадийности АЭ, то есть зависимости ее соответствующих характеристик от стадий деформирования и разрушения; в скачкообразном возрастании активности АЭ при превышении максимального ранее достигнутого уровня напряжений (эффект Кайзера) или температуры (термоакустоэмиссион-ный эффект памяти) при циклическом воздействии на горные породы с возрастающим от цикла к циклу уровнем напряжений или температур [2].
Важнейшим направлением исследований акустоэмиссион-ных эффектов является разработка теоретических моделей, объясняющих их механизмы и особенности проявления. До недавнего времени такие модели были разработаны только применительно к механическому нагружению горных пород [2]. В настоящей работе обосновываются и анализируются теоретические модели, объясняющие природу и механизмы акустической эмиссии, возникающей при нагревании горных пород.
1.	Базовая модель термоакустоэмиссионных эффектов в горных породах
Приведенное ниже описание теоретической модели отражает один из возможных механизмов проявления термоакустоэмиссионных (ТАЭ) эффектов на примере формирования эмиссионной памяти горных пород об испытанных ранее максимальных термических воздействиях. При этом предполагается, что причиной ТАЭ эффектов в горных породах является образование новых или рост существующих трещин под влиянием напряжений, обусловленных влиянием тепловых полей.
Предположим, что рассматриваемый объем горной породы представлен совокупностью структурных элементов, обладающих разными тепловыми свойствами (в частности, разными величинами коэффициентов теплопроводности). В качестве структурных элементов могут выступать, например, минеральные зерна, их агрегаты или составные части агрегатов, не обязательно являющиеся зернами. Пусть на границах между этими структурными элементами расположены микротрешины, имеющие характерный размер 2L, а весь рассматриваемый объем подвергается мгновенному нагреву по внешним грани
73
цам до заданной температуры. Подведенная таким образом тепловая энергия в дальнейшем распределяется между структурными элементами в соответствии с их тепловыми свойствами.
Будем считать, во-первых, что ни до, ни после температурного воздействия берега трещин не могут сомкнуться, и в силу этого при росте трещин трение по этим берегам отсутствует, а во-вторых, что раскрытие трещин весьма мало, и их наличие существенно не искажает тепловое поле в рассматриваемом объеме горной породы. При этом естественно предположить, что большее влияние на тепловое поле окажут сами границы структурных элементов, чем расположенные вдоль них микротрещины.
При таком подходе нагрев образца может моделироваться изменением температуры, до которой осуществляется мгновенный нагрев по границам, а временные факторы (темп роста температуры, время выдержки между циклами) в данной модели не учитываются. Каждый из обусловленных нагревом актов зарождения или роста трещин сопровождается единичным актом акустической эмиссии, которую в силу первопричины ее возникновения можно назвать термоакустической. При этом рост трещин в соответствии с представлениями механики разрушения происходит при условии превышения коэффициентом интенсивности напряжений К критического значения Кс.
Пусть однородный тепловой поток постоянной интенсивности q действует на квазиоднородную изотропную среду, в которой перпендикулярно направлению этого потока расположена трещина 2L с раскрытием s. С учетом полученного в [3] для этого случая решения задачи термоупругости можно записать следующие выражения коэффициентов интенсивности напряжения вблизи вершины трещины, соответственно первого, третьего и второго типов:
/C/(±L) = /C///(±L) = O; K,,(±L) = ^-^[ qLV2 ,	(1.1)
4(1-уЦ
где а - коэффициент линейного теплового расширения, 1/К; Е - модуль Юнга, Па; и - коэффициент Пуассона; 2 - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К).
Поскольку q / Я = А( / s , где AZ - перепад температур на берегах трещины, то второе из соотношений (1.1) может быть записано в виде:
74
К„(±£) = Т AfZ.1'2 •	(12)
"	4(1-v)s
В плоской постановке задачи рост трещины под воздействием температурного поля будет происходить, если определенный выражением (1.2) коэффициент интенсивности напряжений второго типа превышает критическое значение Кс Kn(+L)>KC.	(1.3)
В трехмерном случае необходимо рассмотреть дискообразную трещину радиуса L, тепловые потоки на поверхностях которой имеют различное направление. При этом согласно [3] с учетом сделанных выше замечаний коэффициенты интенсивности напряжений всех типов вблизи вершины трещины будут определяться следующими выражениями: л:,(±£)=л:„,(±£)=о ; к,(+1)=т^^ла.,,г-	(1.4)
Таким образом, рост трещины под воздействием температурного поля в трехмерном случае будет происходить, если определенный выражением (1.4) коэффициент интенсивности напряжений первого типа превысит критическое значение коэффициента интенсивности напряжений
£Z(±L)>£C.	(1.5)
При росте трещины, обусловленном воздействием температурных полей, вблизи ее вершины произойдет перераспределение механических напряжений, что приведет к уменьшению коэффициента интенсивности напряжений, и при достижении характерным размером трещины некоторого критического значения ее рост остановится. Следующая ступень температурного нагрева приведет к очередному росту и очередному акту акустической эмиссии, и т.д.
Учитывая, что в подвергаемом нагреву объеме горной породы исходные микротрешины могут иметь различную длину, процесс их роста происходит не моментально, а с некоторым «размытием» по температурной шкале. Это наглядно показывают экспериментальные данные, представленные на рисунке.
Сглаженные зависимости относительной активности акустической эмиссии в образце калийной соли от температуры
75
в процессе первого (1), второго (2) и третьего (3) циклов нагревания (по данным [6])
/Зля расчетов термоэмиссионных эффектов по описанной выше модели необходимо определить величину перепада температур на берегах трещины А/. Очевидно, что эта задача может быть решена только с учетом строения самой горной породы. Рассмотрим определение величины Af в случае, когда объем горной породы представлен структурными элементами одинакового состава, но с разными тепловыми свойствами (в случае зернистой породы - поликристаллический агрегат с различным образом ориентированными зернами).
Задачу о нахождении стационарного теплового поля в неоднородной бесконечной поликристаллической среде будем решать, считая эту среду состоящей из совокупности конечных областей с различными тепловыми свойствами, считая заданной на бесконечности величину скорости роста температуры.
Для решения этой задачи рассмотрим вспомогательную задачу. Пусть во вмещающей среде расположено включение конечных размеров с коэффициентом теплопроводности, отличным от коэффициента теплопроводности среды. Указанная среда, в которой задан тензор коэффициентов теплопроводности Л^(хп), подвергается мгновенному нагреванию до температуры Т. Найдем распределение температуры внутри включения, тензор коэффициентов теплопроводности которого ра-венЛ^(х„).
76
Очевидно, что, суммируя найденные распределения температур внутри каждого такого включения, можно построить температурное поле во всей неоднородной среде, рассматриваемой как совокупность указанных включений, и определить температурные градиенты на границах включений.
Для решения вспомогательной задачи запишем уравнение теплопроводности:
VaGa(x~) = -q(xn},	(1.6)
где <?(хп) - суммарная скорость выделения тепла в единичном объеме (при отсутствии источников она равна нулю);
(Уа (хп) - плотность теплового потока.
Очевидно, что:
<Ха(Хп) = Аар(Хп) £р(х„),	(1.7)
причем ер(х) = grad Т  Тогда получим тензорное дифференциальное уравнение второго порядка, которое понимается в обобщенных функциях:
veA^(x„)v pT(xn)=-q(xn).	(1.8)
Сведем полученное уравнение к интегральному, введя функцию Грина G(x„) =
{grad Т\ +	(х„-х„’)Арр (х„')(grad T\dV = (grad Т°)*,
(1.9) гае Kap(xn) = -VaVpG(xny Apfl(xn) = A^(xJ-А^(х„), а объем Г—>°°. Символом (gradT^ обозначен тензор градиента температур во внешней среде.
Поскольку в силу определения функции Грина (хп ) pG ( хп ) = ~ S ( хп ) > то согласно [4, 5]:
[ 1
,110)
—--------- при плоской постановке.
I 2л-
77
Вычислим интеграл, стоящий в левой части уравнения (1.9), равный разности градиентов температур во включении и внешней среде. Воспользовавшись преобразованием Фурье, получим для указанного интеграла следующее соотношение:
9 у
где £ - нормирующий множитель, величина которого зависит от размерности задачи, V - единичная площадь или объем включения, по которой (или по которому) производится интегрирование,
= (к^к*) ’ • клк^ -
Воспользовавшись обратными преобразованиями, определим, что разность градиентов температур, возникающая на границе включения и среды, окажется равной:
(grad Т°)а-(grad T)a = (l + J• (Л1 - А°))"' Т,	(1-12)
где /- единичный двухвалентный тензор.
Выше представлен один из возможных механизмов возникновения термонапряжений, связанный с градиентом температур на берегах трещин, разделяющих отдельные структурные элементы горной породы, и построена одна из возможных моделей термоэмиссионных эффектов в горных породах. Несовершенство указанной модели проявляется в том, что она недостаточно четко объясняет такой установленный экспериментально факт, как более высокие значения параметров термоакустической эмиссии (ТАЭ) в полиминеральных средах по сравнению с мономинеральными, и совсем не объясняет влияние на параметры ТАЭ скорости нарастания температуры в образце [6, 7]. В связи с этим в следующих разделах предлагается обоснование теоретических моделей ТАЭ, особенностью которых является учет термонапряжений, обусловленных различием тепловых коэффициентов объемного расширения (ТКОР) отдельных минеральных зерен, слагающих породу, а также неоднородностью температурного поля в образце.
78
2.	Термоакустоэмиссионные эффекты при однородном температурном поде в исследуемом образце
При отсутствии градиентов температуры в породе, состоящей из элементов с различными ТКОР, единственным параметром, определяющим величину акустической эмиссии (АЭ), является уровень текущей температуры. Чем значительнее он отличается от исходного уровня (для которого предполагается полное отсутствие механических напряжений внутри и на границах минеральных зерен), тем выше будут значения локальных напряжений и тем больше будет вероятность роста существующих и образования новых трещин и, как следствие, выше уровень активности АЭ. Поскольку величина термонапряжений будет пропорциональна перепаду температур, можно ожидать близких друг другу значений производной суммарной АЭ N по температуре при различной скорости изменения последней.
Если породы рассматривать как идеально упругие и хрупкие и пренебрегать перераспределением напряжений, вызываемым образованием микродефектов, то при их циклическом нагревании рост существующих и образование новых трещин (сопровождающиеся АЭ) будут происходить только при превышении максимальной температуры, достигнутой за всю предыдущую историю, что и предопределяет механизм термоаку-стоэмиссионного эффекта памяти (ТЭП).
Модель 2.1. /Зля качественной оценки ТАЭ рассмотрим простейшую модель: отдельное зерно будем рассматривать как включение в однородной матрице с отличным ТКОР. При этом предположим, что в процессе повышения температуры окружающая среда воздействует на рассматриваемое зерно посредством жестких кинематических граничных условий, соответствующих тепловому расширению вещества матрицы. Тогда включение подвергается действию напряжения (сжатия), равного
а = Да-£-ДГ,	(2.1)
где ДОГ — разница ТКОР окружающего вещества (матрицы) и включения; Е - модуль упругости включения: АТ - изменение температуры по сравнению с исходным состоянием.
Внешняя область при этом будет испытывать воздействие в виде напряжения, действующего со стороны включения. На-
79
пряжения при этом будут обладать более сложной структурой, иметь касательные составляющие и убывать с увеличением расстояния от включения. На больших расстояниях (г>3го) все компоненты напряжений от подобного концентратора имеют асимптотику следующего вида:
(2.2)
е
где г - расстояние до включения, гд - характерный размер включения, f[O,(p} - функция, зависящая от ориентации рассматриваемой точки относительно включения (углы 6Q (р -соответственно долгота и широта в сферической системе координат).
Предположим, что рост существующих и образование новых трещин а, следовательно, и акустическая эмиссия в породе происходят при достижении напряжениями некоторого критического значения [сг]. Под воздействием температуры вокруг каждого включения будет возникать область, внутри которой напряжения превосходят [сг], причем с увеличением А У объем этой области будет расти. Выразим из (1.1) и (1.2) ее размер:
Тогда объем, занимаемый данной областью, ограниченной поверхностью S, запишется так:
г
(2.3)
V
&а &Т 
(2.4)
Предположив, что суммарная АЭ N пропорциональна объему области, внутри которой напряжения превосходят [сг], получаем, что согласно рассматриваемой модели:
Л^(АГ) = £-А7\	(2.5)
где £ - коэффициент пропорциональности, зависящий от выражения, стоящего в скобках формулы (2.4). Он должен быть
80
уточнен с учетом приближенности модели и ее геометрии, а также упругих свойств. Однако, учитывая качественный характер приводимых рассуждений, его скорее следует определять экспериментально.
Модель 2.2. Рассмотренную выше модель можно уточнить, если предположить, что напряжения внутри включения получены из решения задачи не с жесткими, а с упругими граничными условиями. Предположим, что контактные напряжения на границе зерна (Уу , равные напряжениям внутри включения, определяются из задачи Эшелби о напряжениях во включении из материала с иными свойствами, претерпевающем собственные деформации £® (в нашем случае вызванные температурными напряжениями):
^ij = ^ijkl [Sklpq£pq ~ £kl) •
В выражении (2.6) компоненты тензора Етп определяются из решения системы уравнений [8, 9]:
ELIS,,	=	(2.7)
ijkl\ klmn mn kl) ijkl \klmn тп к1)	'
гае £° и ijkl
Е\, ijkl
- тензоры модулей упругости матрицы и вклю-
чения соответственно,
^ijkl ~ компоненты тензора Эшелби,
связывающие стесненную деформацию во включении £*^ со свободной деформацией ^0 в нем [8]. В нашем случае собственные деформации определяются лишь разностью ТКОР матрицы и включения , являющейся в общем случае тензором
второго ранга:
Е^=Ь(ХуЬТ.	(2.8)
Заметим, что выражения (2.6) с учетом (2.8) и (2.1) отличаются друг от друга лишь коэффициентом, который, в силу качественного характера рассматриваемых моделей должен определяться экспериментально; поэтому с точностью до постоянного множителя выражение для суммарной акустической эмиссии N (2.5) будет справедливо и для этой модели.
81
Модель 2.3. Известно, что угловые точки границы, разделяющей материалы с различными упругими свойствами, являются одним из типов концентраторов напряжений. В условиях внешнего нагружения напряжения вблизи двугранных углов границ раздела имеют степенную особенность:
'2-9>
где f[(p} ~ функция, зависящая от местоположения рассматриваемой точки относительно угла поверхности раздела. Предположив, как и ранее в модели 2.1, что рост существующих и образование новых трещин, а также АЭ происходят в некоторой области, внутри которой напряжения превосходят [ст], получаем оценку для линейного размера этой области:
ГДа-ДТ
I И
/(^) • 7
(2.10)
Так как сама область представляет собой двугранный угол, то ее объем
!s
(2.11)
где I - параметр, имеющий размерность длины. Аналогично предыдущим моделям, получаем, что суммарная АЭ N является функцией разности температур:
ЛГЕ(Д7’) = £'-ДТ’',
(2.12)
причем показатель у=2/к>4 и коэффициент пропорциональности определяются экспериментально.
Таким образом, для каждой из моделей определяемые ими напряжения пропорциональны разности между температурными коэффициентами объемного расширения включения и матрицы, умноженными на разность исходной и текущей температур. Объем зоны, где напряжения превышают критические и где может возникать АЭ, является степенной функцией разности температур, причем показатель степенной функции равен единице для первой и второй моделей и больше четырех для третьей модели.
82
Заметим, что значение показателя у — 1 соответствует асимптотике дальнего (от включения) поля, в то время как значение у =4 отвечает асимптотике ближнего поля; поэтому следует ожидать, что в действительности значение показателя у может лежать в промежутке между этими значениями.
Следует также отметить, что в породе может существовать несколько групп неоднородностей, различимых по ТКОР. Кроме того, на распределение напряжений вокруг зерна влияет его форма. Безусловно, локальные прочностные свойства породы имеют некоторое статистическое распределение. В связи с этим можно ожидать наложения указанных факторов друг на друга и, как следствие, достаточно сильной нелинейности зависимости акустической эмиссии от перепада температур.
3.	Термоакустоэмиссионные эффекты при неоднородном температурном поле в исследуемом образце
Неоднородный нагрев (когда температурное воздействие зависит от направления в пространстве) приводит к появлению дополнительного источника возникновения концентрации напряжений, связанного с градиентом поля температур. При этом на нестационарном этапе нагрева можно ожидать возрастания активности АЭ с последующим ее уменьшением по мере выравнивания температур по объему.
В этом случае для вычисления напряжений необходимо решить сначала нестационарную задачу теплопроводности, а затем по найденному температурному полю найти напряжения с использованием уравнений термоупругости. Напряжения в образце цилиндрической формы радиуса R могут быть определены по формулам [10]:
(3.1)
Здесь СТДр) и	- радиальная и окружная компо-
нента нормальных напряжений, р = г/7?<1 - безразмерная координата.
83
Если температура цилиндрической поверхности образца меняется во времени t по закону Т(R,t} = kt, где к - ско-
рость нагрева образца, то, при игнорировании влияния торцевых эффектов, распределение приращения температур можно определить согласно [11] так:
^i(Rany
(3.2)
где а - коэффициент температуропроводности, JQ(r(Xn^ и J^RoQ - функции Бесселя нулевого и первого родов соот
ветственно, ССп - положительные корни уравнения
«/0 —
Для больших времен подобное приближение приводит к систематической ошибке. Однако, распределения температуры и напряжений, соответствующие установившемуся состоянию, могут быть найдены подстановкой в (3.1) соотношения
_ / х kaER2\\ ^2~\
_ /х kaER2r, 2“|
(3.3)
Из полученных формул видно, что предельное напряженное состояние определяется температуропроводностью, размерами образца и скоростью нагрева и не зависит от условий теплообмена на границе.
Исходя из приведенных оценок можно заключить, что уровень механических напряжений и вызываемая ими АЭ не определяются однозначно текущим уровнем температуры даже для простых программ ее задания в эксперименте.
Термоакустоэмиссионные эффекты при установившемся и переходных режимах могут быть менее ярко выражены из-за наложения различных механизмов их возникновения.
84
4.	Сравнение влияния вклада различных механизмов формирования термоакустоэмиссиоиных эффектов
Напряжения, вызываемые наличием глобальной неоднородности температурного поля, некорректно сравнивать с напряжениями, возникающими на границах зерен из-за различия их ТКОР при отсутствии такой неоднородности. Представляется возможным сравнение напряжений (2.1) с напряжениями (3.3), возникающими в установившемся температурном состоянии под действием напряжений на концентраторах. Тогда для последнего случая можно по аналогии записать:
<7 „	(4.1)
*rad 16 д
Сравнение (2.1) и (4.1) показывает, что преобладание того или другого механизма определяется скоростью нагрева. Составим соотношение:
Ggrad = еч & k	(4 2)
ст 5 Да Е \6akT'
где - коэффициент пропорциональности, по порядку величины близкий к единице.
Если данное соотношение больше единицы, то преобладает процесс, связанный с глобальной неоднородностью поля температур. Оценим соотношение (4.2). В реальных горных породах различие в модулях упругости может изменяться в существенно больших пределах, чем различие в ТКОР, то есть а &Е > 1. Величина к R2 представляет собой разность тем-
Да Е	16а
ператур в центре образца и на его поверхности. Поэтому в к R2
любом случае отношение * меньше единицы. Таким об-16дДТ
разом, для реализации механизма ТАЭ, не связанного с глобальной неоднородностью температурного поля, требуются весьма медленные скорости нагрева образца.
Выводы
Обоснованные выше теоретические модели свидетельствуют о том, что под влиянием температурных воздействий в
85
горных породах могут развиваться различные механизмы формирования термонапряжений, а возникающая при этом термоакустическая эмиссия является результатом кооперативного влияния всех этих механизмов. В то же время, вклад каждого из них в суммарную АЭ будет различным, и определяется как теплофизическими свойствами структурных элементов горных пород, так и в значительной степени скоростью нарастания величины температурного воздействия. При этом, анализируя динамику АЭ при изменении указанной скорости, можно выявлять преобладающий механизм возникновения термонапряжений и судить о степени однородности теплофизических свойств составляющих элементов полиминерального агрегата. Очевидно также, что для горной породы определенного строения и состава должны существовать оптимальные скорости нарастания температуры, при которых тот или иной термоэмиссионный эффект (в частности, термоэмиссионный эффект памяти) будет проявляться в большей или меньшей степени. Фактор скорости нарастания температурного воздействия должен учитываться при идентификации генотипа горных пород и принадлежности их к тому или иному конкретному месторождению по соответствующим термоэмиссионным паспортам.
Очевидно. Что рассмотренные выше модели не отражают всех возможных механизмов формирования термоакустоэмиссионных эффектов в горных породах, например, таких, как испарение влаги, взрыв газово-жидких включений, процессы трения между отдельными структурными элементами и др. В связи с этим, работы по развитию модельных представлений при изучении явления ТАЭ должны быть продолжены.
------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Лавров А.В., Шкуратник В.Л. Акустическая эмиссия при деформировании и разрушении горных пород / Акустический журнал. - 2005 - Т.51. -№4 - С. 6-18.
2.	Шкуратник В.Л., Лавров А.В. Эффекты памяти в горных породах. Физические закономерности, теоретические модели. - М.: Издательство Академии горных наук, 1997. - 159 с.
3.	Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упруго-пластического разрушения. - М.: Наука, 1975, С. 359-361.
4.	Морс Ф.М. , Фешбах Г. Методы теоретической физики, т.1. - М.: ИЛ, 1958.
86
5.	Схоутон Дж.А. . Тензорный анализ для физиков. - М.: Наука, 1965. - 456 с.
6.	Термоэмиссионные эффекты памяти горных пород /В.В.Ржевский, В.С.Ямщиков, В.Д.Шкуратник и др. //Докл. АН СССР. -1985 - Т.283. -№4,- С. 843-845.
7.	Шкуратник В.Д., Кучурин С.В., Винников В.А. Закономерности акустической эмиссии и термоэмиссионного эффекта памяти в образцах угля при различных режимах термического воздействия //ФТПРПИ. 2007. № 4. с. 61-70.
8.	Эшелби Дж. Котинуальная теория дислокаций. М.: ИД, 1963. С. 103-139.
9.	Mura Т. Micromechanics of defects in solids. Martinus Nijhoff Publishers, 1982. 587 c.
10.	Коваленко АД. Термоупругость. Киев: Вища школа, 1975. 261 с.
11.	Карслоу К, Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. С. 199. ШИЗ
V.A. Vinnikov, V.L. Shkuratnik
THEORETICAL MODELS OF THERMOACOUSTIC EMISSION EFFECTS IN ROCKS
Models far the thermal emission memory effect in rocks under cyclic heating with the temperature amplitude increasing from cycle to cycle are validated. This models are used to consider some possible mechanisms of the effect related to the cracks dividing structural elements of a geomaterial growth.
Key words: theoretical model, rock memory, cyclic heating, acoustic emission, mathematical modeling.
— Коротко об авторах------------------------------------
Винников В.А. - профессор, доктор технических наук, Шкуратник В.Д. - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Физико-технический контроль процессов горного производства», Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
87
---------------------------- © С.Д. Викторов, А.Н. Кочанов,
А.А. Осокин, 2010
УДК 622:83
С Л. Викторов, А.Н. Кочанов, А.А. Осокин
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ПРЕДРАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ГЕНЕРАЦИИ
МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ *
Разработана оригинальная методика и проведены экспериментальные исследования по квазистатическому нагружению образцов горных пород для прогнозирования состояния предразрушения. Впервые экспериментально зарегистрирована генерация микро- и наноразмерных минеральных частиц при статическом сжатии образцов горных пород. Получены количественные оценки размеров минеральных частиц в зависимости от действующих напряжений и петрографических особенностей горных пород.
Ключевые слова: горные породы, лазерная спектрометрия, генерация частиц, предразрушение, структура, деформация, напряжение.
Семинар № 4
В рамках современных представлений при описании процесса разрушения горных пород принимается, что непосредственно конечная его стадия - переход среды в качественно новое физическое состояние (ее фрагментация, обусловленная развитием макротрешин) является лишь заключительным актом, а сам процесс разрушения характеризуется последовательным зарождением и развитием дефектов структуры на различных масштабных уровнях. При наиболее общих физических подходах можно ограничиться рассмотрением двух основных стадий: зарождением и развитием микродефектов и формированием макроразрушения на второй стадии [1-3]. Начальная стадия эволюции внутренней микроструктуры горных пород, когда происходит деформация и переориентация отдельных зерен, нарушение связей, развитие микродефектов, изменение свойств и состояния некоторого объема среды, в последнее время характеризуется как состояние предразрушение [4-5]. Особенность сложных геологических процессов, происходящих в массиве горных пород, обуславливает присущую всем горным породам неоднородность (изменчивость), связанную с неравномерностью распределения вещества и различными свойствами составляющих элементов. Горные породы неоднородны, состоят
‘Работа выполнена в рамках гранта РФФИ № 10-05-00525 а.
88
из отдельных минеральных зерен, имеют структурные особенности и различную плотность микродефектов, что обуславливает формирование специфического поля напряжений с высокими локальными параметрами при внешнем воздействии. В поликри-сталлических горных породах негидростатические сжимающие напряжения могут приводить к возникновению локальных напряжений растяжения, обуславливающих возможность развития микродефектов. Описанию закономерностей развития микро-трешин в образцах горных пород при квазистатическом нагружении посвящены многочисленные экспериментальные и теоретические исследования. Из анализа результатов этих работ следует, что структура области предразрушения породы может быть определена как кластер - связанные каналы сложной геометрии. Образование кластеров микронарушений на стадии предразрушения не ведет к дезинтеграции породы, но может в значительной степени изменить ее проницаемость. При испытаниях образцов горных пород на одноосное сжатие фактор предразрушения проявляется в нарушении закона линейной связи между деформациями и напряжениями. В неоднородном геоматериале на стадии предразрушения формируются локальные микрообъекты разрушения или микрообласти запредельного деформирования, развитие которых сопровождается геофизическими явлениями (акустической эмиссией, температурными изменениями, магнитными изменениями и т.п.) [6-7]. В вершинах трещин происходит диссипация энергии на всех структурных уровнях природной нарушенное™ (вплоть до молекулярного), происходит критическое сдвижение и отрыв поверхностных микроструктурных фрагментов, т.е. эти области могут являться источниками генерации минеральных микро- и наночастиц.
С целью прогнозирования состояния предразрушения горных пород и изучения закономерностей генерации микро и наночастиц разработана оригинальная методика и проведены экспериментальные исследования. При проведении исследований в образцах горных пород создавался измерительный объем в виде сквозного отверстия диаметром 6 мм, внутренний объем отверстия соединялся с атмосферой через высокоэффективный воздушный фильтр (рис. 1). Все измерения проводились в обеспыленной атмосфере с низкой фоновой концентрацией частиц (в однонаправленном горизонтальном потоке чистого воздуха после высокоэффективного фильтра).
89
Количество и дисперсный состав, образующихся минеральных частиц, измерялись с помощью ручного счетчика частиц HAND HELD 3013 - новейшей разработки компании Lighthose (США) в этой области, позволяющий контролировать генерацию частиц в диапазоне 0,3-10 мкм. Общий
Рис. 1. Вид образца горной породы с вид экспериментального стенда представлен на рис 2. Образцы горных пород подвергались ступенчатому	одноосному
сжатию.	Регистрация
числа частиц и их дисперсного состава проводилась с помощью счетчика аэрозолей каждые 60 секунд. Результаты измерений представлены на рис 3, где по оси ординат отложено число частиц,
Рнс. 2. Общий вид экспериментально- генерируемых за время го стенда	каждого единичного из-
мерения (каждые 60 сек) для различных диапазонов размеров частиц. На рис. 4 представлены зависимости количества частиц для образца доломита в диапазоне 0,3-0,5 мкм от напряжения сжатия. Результаты экспериментов указывают на значительное увеличение генерации частиц при достижении определенного порога напряжений. Для образца известняка значительное увеличение частиц наблюдалось в диапазоне 0,3-0,5 мкм, а частицы размером более 0,5 мкм практически не генерировались. Для образцов ур-тита и доломита наибольшая генерация частиц наблюдалась в диапазоне 0,5-5,0 мкм, причем для уртита их количество превышало 20000 единиц.
90
a
Диапазоны измерений, мкм
Диапазоны измерений, мкм
Рис. 3. Количество образовавшихся частиц при одноосном сжатии образцов горных пород в диапазонах 0,3-0,5, 0,5-5 и 5-10 мкм: а) в образце известняка при напряжении а = 20 МПа ; б) в образце доломита при напряжении а = 50 МПа: в) в образце уртита при напряжении а = 50 МПа
Рис. 4. Зависимость количества частиц для образца доломита в диапазоне 0,3-0,5 мкм от напряжения сжатия
Таким образом, экспериментально установлено явление генерации частиц в диапазоне 0,3-10 мкм при допредельном деформировании и сжатии образцов горных пород. Получены количественные оценки размеров и дисперсного состава частиц в зависимости от дейст-
вуюших напряжений. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что количество и
дисперсный состав генерируемых частиц, динамика их образования зависят от петрографических особенностей горных пород и степени их напряженности. Анализ генерации частиц с поверхности геоматериалов может быть положен в основу
контроля развития разрушения пород и перехода разрушения в критическую фазу динамического разрушения. Исследование этого явления могут развиваться как в области изучения физики процесса разрушения различных геоматериалов, так и в прикладных направлениях, особенно в сейсмологии в связи с прогнозом землятрясений, в горном деле - для контроля уда-роопасности массивов горных пород и прогнозирования динамических проявлений горного давления.
-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	KuksenkoV., Tomilin N., Damaskinskya E., Lockner B.A Two-stage Model of Fracture of Rocks//Pure Appl. Geophys. 146(2). - 1996. - p.253-263.
2.	Jung Young-Hoon, Chung Choong-Ki, Fmno Richard Development of nonlinear cross-anisotropie model for the pre-failure deformation of geomaterials// Comput.and Geotech. - 2004. - 31. - №2. - C. 89-102.
3.	Одиниев В.Н. Отрывное разрушение скальных горных пород. - М.: ИПКОН РАН, 1996,166 с.
92
4.	Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомеханика. -1998.-№1,-С. 5-22.
5.	Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Одинцев В.Н. Предразрушение горных пород как стадия процесса разрушения при квазистатическом и динамическом нагружении// Записки горного института. - Том. 171. - 2007. - С. 153-157
6.	Мирошниченко М.И., Куксенко В.С. Изучение электромагнитных импульсов при зарождении трешин в твердых диэлектриках // Физика твердого тела. - 1980. - Т.22 - вып. 5
7.	Курленя М.В., Кулаков Г.И., Вострецов А.Г. и др. Фоновое электромагнитное излучение горных пород, регистрируемое в подземных выработках// ФТПРПИ. - 2002. - №2. ЕШ
S.D. Viktorov, A.N. Kochanov, А.А. Osokin
DEFINITION OF THE CONDITION OF PREDESTRUCTION OF ROCKS ON GENERATION MIKRO-AND NANO PARTICLES
The original technique is developed and experimental researches on quasistatic influence on samples of rocks for forecasting of a condition of predestruction are spent. For the first time generation mineral particles is experimentally registered at static compression of samples of rocks. Quantitative estimations of the sizes of mineral particles depending on operating pressure and petrographic features of rocks are received.
Key words: Rocks, laser spectrometry, generation of particles, predestruction, structure, deformation, pressure, properties.
— Коротко об авторах--------------------------------------
Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. - УРАН ИПКОН РАН, info@ipkonran.ni
93
© С.В. Сластунов, 2010
УДК 622.411.33
С.В. Сластунов
ПРОБЛЕМА УПРАВЛЕНИЯ СВОЙСТВАМИ
И СОСТОЯНИЕМ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
С ЦЕЛЬЮ БОРЬБЫ С ОСНОВНЫМИ ОПАСНОСТЯМИ
В ШАХТАХ (К 90-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ АКАДЕМИКА В.В. РЖЕВСКОГО)
Обозначена основная проблема шахтного метана - метанобеэопасносгъ подземной угледобычи при разработке высокогазоносных угольных пластов и показаны реальные перспективы решения этой проблемы в основных угольных бассейнах РФ. Представлены основные технические решения по заблаговременной дегазационной подготовки газоносных угольных пластов.
Ключевые слова: метанобезопасность угольных шахт, дегазационная подготовка.
Семинар № 5
Работы по обеспечению безопасности горных работ при подземной разработке высокогазоносных угольных пластов ведутся в Московском государственном горном университете (Московском горном институте) уже более 50 лет и начало их в основном связано с именем академика А.А. Ско-чинского. Последние два десятилетия эти работы активно ведутся в рамках научной школы «Подземные горные системы» (научный руководитель школы — чл.-корр. РАН Пучков Лев Александрович).
Весьма значимый этап становления и развития научных исследований в этом направлении связан с академиком Владимиром Васильевичем Ржевским.
Цикл исследований, выполненный в 1962 -1971 г.г. под руководством В.В. Ржевского, А.С. Бурчакова, Э.М. Москаленко, И.А. Молчанова и Н.В. Ножкина «Исследование процессов и разработка основ гидродинамического, микробиологического и физико-химического воздействия на пласт с целью борьбы с метаном и пылью в шахтах» был выдвинут на соискание Ленинской премии по науке 1972 г.
Научная работа в числе других была представлена следующими разделами [1]:
1. Исследование характерных свойств углей и угольных пластов (чл.-корр. АН СССР Ржевский В.В.),
94
2. Исследование гидродинамического, микробиологического и физико-химического воздействия на пласт (чл. корр. АН СССР Ржевский В.В., проф., докт техн.наук Бурчаков А.С., докт. техн, наук Москаленко Э.М.. дон., канд.техн. наук Ножкин Н.В., ст. научн. сотрудник, канд. техн.наук Молчанов И.А.).
В 1981 г. цикл научных исследований (1962- 1980 гт.), выполненный под руководством чл.-корр. АН СССР В.В. Ржевского, докт.техн.наук А.С. Бурчакова, докг.техн.наук Э.М. Москаленко, докт.техн.наук Н.В. Ножкина «Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах» был вновь выдвинут на соискание Ленинской премии 1982 г. [2]. На последнем этапе авторский коллектив возглавил тогдашний министр угольной промышленности СССР Борис Федорович Братченко.
Сам факт выдвижения работы на наиболее престижную в СССР премию и достойное ее прохождение (всего нескольких голосов не хватило для ее присуждения) сделало ее одной из наиболее значимых научных работ за всю истории МГА-МГИ-МГГУ.
Для проведения шахтных исследований и внедрения данного направления в Донецком и Карагандинском бассейнах были созданы специализированные лаборатории при МакНИИ и КНИУИ, а также производственные структуры, обеспечивавшие выполнение работ на шахтах.
Проблема управления свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах в технологическом плане во многом базируется на эффективном заблаговременном извлечение угольного метана через скважины, пробуренные с поверхности.
В выполнении различных этапов научных работ в указанный период приняли участие научные сотрудники лабораторий и научных секторов Московского горного института [2]:
доктора наук: А.П. Дмитриев, Д.В. Ершов, А.И. Ксенофонтова, Г.Я. Новик, Д.А. Пучков, В.А. Харченко, В.С. Ямщиков и некоторые др.;
кандидаты наук и научные сотрудники: В.М. Аниканов, В.И. Анисимов, Ю.Г. Анпилогов, Р.К. Атыгаев, Ш.У. Ахметбе-ков, Н.В. Балакшей, А.Ф. Брынько, А.И. Буханцов, Ю.Ф. Ва-сючков, Н.Д. Гладкий, В.А. Громов, Ф.И. Грохотов, Ю.А.
95
Жежелевский, В.С. Иванюк, В.М. Карпов, В.В. Качак, А.Б. Ковальчук, В.В. Конарев, В.Н. Королева, Ю.В. Костин, А.В. Крысин, ZI.C. Кузяев, K.ZL Ли, В.И. Липа, А.С. Лукаш, И.А. Молчанов, В.М. Муравьева, И.Л. Пастоев, А.Е. Пережилов, Б.М. Перминов, Е.А. Петровская, Б.Р. Раимжанов, Б.Е. Рудаков, Л.В. Савенко, В.И. Самойленко, В.С. Сапронов, Г.И. Селиванов, С.В. Сластунов, Н.Г. Смольянинов, А.Б. Соколов, Б.Д. Сусленков, Б.Д. Терентьев, Н.В. Томашев, Е.И. Третьяков, М.С. Усенбеков, С.Я. Филоненко, М.Х. Хамиев, И.М. Царев, Н.Х. Шарипов, В.Ф. Шевченко, М.В. Шмидт, А.Н. Яковлев, С.А. Ярунин и некоторые другие.
В 1984 г. под руководством Ржевского В.В. была выдвинута и в 1985 г. получила премию Совета Министров СССР работа «Создание и внедрение региональных методов управления массивами угольных месторождений, обеспечивающих эффективное и безопасное производство горных работ в шахтах и попутное извлечение газа» (авторы - Ржевский В.В., Бурчаков А.С., Ножкин Н.В., Васючков Ю.Ф., Ярунин С.А. и ДР-[3]).
В цикле исследований 1962-1980 г.г. были представлены следующие специальные методы и средства управления свойствами и состоянием высокогазоносной угольной толши через скважины, пробуренные с дневной поверхности [2]:
1.	Предварительное увлажнение, заблаговременное гидрорасчленение, пневморасчленение, пневмооттеснение, акустические воздействия, внутрипластовое взрывание.
2.	Микробиологическое воздействие.
3.	Тепловое воздействие — водным, парообразным или газообразным теплоносителем.
4.	Физико-химическое воздействие — водными растворами кислот, поверхностно-активными веществами, ингибиторами, мономерами и полимерами, способными изменять состояние углей.
5.	Многостадийное последовательное воздействие групповым сочетанием упомянутых выше воздействий на пласт.
На следующем этапе развития данного направления в плане обеспечения метанобезопасности подземной угледобычи и повышения эффективности дегазации были разработаны и запатентованы новые технологии извлечения метана из неразгруженных угольных пластов [4, 5].
96
В качестве наиболее перспективных схем можно отметить следующие.
Пневморасчленение пластов (патент РФ № 1548463, МГГУ, Ножкин Н.В., Сластунов С.В., Карпов В.М.) - наиболее перспективная схема при наличии мощных компрессоров, обеспечивающих темп нагнетания q > 60^-80 м3/мин и способных создавать давление до 20 МПа.
В реальных условиях отсутствие компрессоров необходимой мощности (темп нагнетания, давление), а также соображения энергетической целесообразности предопределяется применение комбинированных воздействий, а именно - различных схем пневмогидровоздействия на пласт.
Пневмотепловое воздействие (а.с. № 1511435, МГГУ, Ножкин Н.В., Сластунов С.В., Карпов В.М., Буханцов А.И.) заключается в нагнетании в подвергнутый ранее гидрорасчленению угольный пласт нагретого воздуха и применяется для углубления дегазации угольного пласта за счёт повышения фазовой проницаемости для интенсификации извлечения метана, снижения сорбционной емкости угля вследствие повышения температуры в системе «уголь-метан» и образования дополнительной подсистем трещин, объединения последних в единую систему, ориентированную к нагнетательной скважине вследствие проникновения воздуха в непроницаемые для рабочей жидкости каналы.
Пневмооттеснение рабочей жидкости ГРП (патент РФ № 1610048 МГГУ, Ножкин Н.В., Сластунов С.В., Ворошилов О.О.) может применяться и как вспомогательное воздействие, т.е. не непосредственно после ГРП, а на иной стадии комбинированного воздействия, например, после освоения скважины станком-качалкой, после дополнительных интенсифицирующих воздействий и т.д.
Гидрорасчленение с использованием газообразного азота (патент РФ № 1375839, МГГУ, Ножкин Н.В., Сластунов С.В.) применяют с целью интенсификации извлечения рабочей жидкости гидрорасчленения из пласта. Для этого газообразный азот подают в пласт одновременно с рабочей жидкостью или воздействие осуществляют циклически, чередуя порции газообразного азота и воды.
97
Знакопеременное гидровоздействие в режиме кавитации с использованием геоэнергии углегазоносного массива (патент РФ на изобретение № 2159333 от 20.11.2000. «Способ дегазации угольного пласта» (Пучков Л.А., Сластунов С.В., Фейт Г.Н.). Сущность технологии заключается в том, что после ка-вернообразования в призабойной зоне скважины нагнетание воды ведётся в специальном режиме, инициирующим реализацию геоэнергии массива и образование взаимосвязанных каверн и высокопроницаемых трещин. Режим кавитации может реализовываться также после гидрорасчленения пласта.
Нагнетание в угленосную толщу углекислого газа (патент РФ на изобретение № 2121062, Воробьев А.Е., Сластунов С.В., Шилов А.А.). Реализация способа направлена на обеспечение возможности более полного извлечения метана из угольного пласта. Это достигается тем, что после завершения процесса самоистечения метана из угольного пласта после пневмогидравлической обработки в последний закачивают вещество с большей, чем у метана сорбционной способностью, в частности углекислый газ.
Гидрорасчленение с использованием сжиженного азота (ha-тент РФ № 1375839, Ножкин Н.В, Сластунов С.В.) применяется для повышения равномерности обработки вокруг нагнетательной скважины за счет создания условий для раскрытия в процессе повторного ГРП дополнительных систем трешинообразования. Первоначально раскрытые трещины временно блокируются ледяными перемычками. Данная технологическая схема позволяет поэтапно раскрывать все естественные системы трещин в угольном пласте. Возможно использование этой схемы для временной консервации сбоек между скважинами, сбоек с геологическими нарушениями или с горными выработками.
Способ гидравлической обработки угольного пласта с использованием эффекта обратного гидроудара (патент № 2188322, авторы Пучков Л.А., Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С.). Технология циклического гидровоздействия предусматривает реализацию эффекта обратного гидроудара.
Способ гидравлической обработки угольного пласта с использованием щелевого вскрытия пласта (патент № 2232899, авторы Пучков Л.А., Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С.). Технология базируется на повышении равномерно
98
сти обработки пласта и интенсификации притока газа в разгруженную призабойную зону.
Способ извлечения метана из угольного пласта (патент № 2326147, авторы Пучков Л.А., Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С.), предусматривающий в процессе извлечения метана также секвестрование углекислого газа в нерабочих угольных пластах и ряд других.
Ряд технологических решений базируется на открытии «Свойства органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твёрдых растворов» (№ А-016 от 30.06.1994 г.) (соавтор открытия - профессор МГГУ Ю.Ф. Васючков).
Всего технология извлечения угольного метана защищена более, чем 80 патентами и авторскими свидетельствами МГГУ. Основные технологические решения вошли в «Руководство по дегазации угольных шахт» [6], «Положение по дегазации угольных шахт» [7], а также в «Отраслевое руководство по заблаговременной дегазационной подготовке высокогазоносных угольных пластов к безопасной и эффективной отработке», разработанное по заказу Федерального агентства по энергетике и согласованное с Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (М., 2006).
Принципиальную новизну научных разработок составляет комплексное решение проблемы извлечения, подготовки и использования метана, решение экологических проблем и обеспечение безопасных условий работы в шахте на основе применения новых технологических решений и типов оборудования.
Перечисленные активные воздействия должны обеспечить эффективное извлечение метана при дегазации первого рабочего пласта в свите. На втором этапе, после проведения очистных работ по этому пласту, предусматривается интенсивное с существенно большим дебитом извлечение метана из частично разгруженной угленосной толщи через те же самые поверхностные дегазационные скважины. Кроме этого, предусматривается извлечение значительных объемов метана из закрываемых шахт.
Такая комплексная технология должна обеспечить промышленную добычу не только угля, но и метана из высокоуглегазо-носной толщи, а также улучшить экологическую ситуацию в регионе за счёт существенного уменьшения выброса метана в атмосферу.
99
Описание конкретных показателей, параметров и характеристик объекта разработки, технико-экономические показатели
добыча метана с одной тонны запасов угля - 5 10 м3; коэффициент извлечения метана - 0,75+0,80;
дебит метана на первой стадии из одной скважины - 3+10 тыс.м3/сут.;
длительность эксплуатации одной скважины - до 12+15 лет;
глубина залегания дегазируемых с поверхности угольных пластов - до 1200 м;
диаметр скважины — 100+150 мм;
радиус действия скважины при активных воздействиях -150+250 м;
давление нагнетания рабочих агентов - 10+25 МПа; темп нагнетания - 80+150 л/с;
концентрация извлекаемого и подготавливаемого к дель-нейшему использованию метана - 95+100%;
потери метана при добыче и подготовке к использованию - 20% в недрах, 2% - при подготовке;
сброс сточных вод - вода используется в замкнутом цикле;
полная утилизация извлекаемого метана в качестве энергетического сырья, газообразного и моторного топлива;
обеспечение рентабельности угольных предприятий и конкурентоспособность их продукции - с учётом технологий использования попутных ресурсов;
обеспечение предотвращения опасности взрывов мета
на в угольных шахтах;
обеспечение безопасных условий работы в угольных шахтах.
В развитие методов и средств управления свойствами и состоянием высокоуглегазоносной толши через скважины, пробуренные с дневной поверхности в последующие годы большой вклад внесли следующие ученые МГИ-МГГУ при участии ряда специалистов из других организаций: Ю.Г.Анпилогов, А.В. Агарков, Ш.У. Ахметбеков, С.К. Баймухаметов, А.И. Бу-ханцов, Ю.Ф. Васючков, О.О. Ворошилов, С.М. Горбунов, Н.Н. Грозное, Ф.И. Грохотов, Г.Г. Каркашадзе, В.М. Карпов, К.С. Коликов, В.Н. Королева, В.И. Липа, А.С. Лукаш, Ф.А. Муллагалиев, А.Е. Пережилов, Г.М. Презент, Л.В. Савенко, С.В. Сластунов, В.И. Тонких, Г.Н. Фейт,. Н.Х. Шарипов, И.А.
юо
Швец, А.И. Швец, А.А. Шипулин, М.В. Шмидт, А.А. Шилов, С.А. Ярунин и некоторые другие.
В настоящее время МГТУ - единственная в РФ научная организация, имеющая большой научно-практический опыт по заблаговременному извлечению метана из угольных пластов через скважины с поверхности. МГТУ имеет в своем составе коллектив специалистов, обладающих высокой квалификацией и большим опытом в области разработки и внедрения технологий извлечения и использования метана угольных пластов. Сотрудники МГТУ внедряют работы по данному направлению более 40 лет на шахтах Донецкого, Карагандинского и Печорского бассейнов (более 20 шахтных полей и 300 скважин). МГТУ обладает высоким кадровым потенциалом (более 20 докторов наук, 40 кандидатов наук работают в МГТУ и сотрудничающих с ним организациях в настоящее время по рассматриваемому научному направлению). Ученые МГТУ являются авторами приоритетных публикаций (более 40 монографий) и основной нормативной документации. Последние работы МГТУ получили широкое международное признание, награждены золотыми медалями и дипломами на ряде выставок и салонов инноваций и изобретений (Брюссель-2001, Париж-2002, Женева-2002), золотыми медалями на научнопромышленной выставке «Экспо-Уголь, (2005, 2006) и на ряде других мероприятий и выставок. Комплекс работ по извлечению метана был трижды награжден премией имени академика А.А. Скочинского (в различные годы Бурчаков А.С., Ножкин Н.В., Васючков Ю.Ф., Ярунин С.А., Пучков /Т.А., Сластунов С.В., Коликов К.С., Презент Г.М., Баймухаметов С.К., Сарафанов М.П., Тонких В.И., Анпилогов Ю.Г., Королева В.Н.).
Извлечение метана на шахтных полях - комплексное решение всех основных проблем шахтного метана:
1.	Обеспечение метанобезопасности при подземной разработке высокогазоносных угольных пластов.
2.	Обеспечение высокоэффективной работы по добыче угля за счет снятия «газового барьера».
3.	Решения экологических проблем на базе минимизации газовых выбросов в атмосферу парникового газа метана.
4.	Извлечение шахтного метана для его использования как Дополнительного энергетического источника или в другом полезном качестве.
tot
Коллективом специалистов Московского государственного горного университета с привлечением ведущих специалистов-практиков ряда бассейнов СНГ (Воркута, Кузбасс, Караганда) в 2006 г. была разработана и согласована Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору «Концепция метанобезопасности угольных шахт России на 2006-2010 гг.» [8]. На основе выполненного анализа состояния проблемы метанобезопасности угольных шахт была осуществлена попытка системного анализа проблемы, разработаны основные требования к системам обеспечения метанобезопасности, включающие требования к технологии, системам вентиляции, дегазации и утилизации метана, а также к системе мониторинга безопасности. Определен порядок и этапы реализации концепции. Базовым элементом концепции является заблаговременное извлечение метана.
Некоторая повышенная активность в вопросах обеспечения метанобезопасности проявилась после ряда крупных аварий на шахтах Кузбасса в 2007 г. Однако деятельность в этой области не имеет системного характера и, к сожалению, пока не ведет к серьезным результатам в угольной отрасли России.
Обеспечение метанобезопасности при подземной разработке высокогазоносных угольных пластов - актуальнейшая задача сегодняшнего дня [9, 10]. И решать ее надо на всех уровнях - от руководителей угольной отрасли, руководителей угледобывающих регионов, до собственников угольных шахт, с привлечением ведущих специалистов и ученых. Необходимо в полном объеме востребовать огромный опыт ученых МГИ-МГГУ, включая и весь комплекс научных и промышленных исследований, реализованный в свое время коллективом, возглавляемым академиком В.В.Ржевским, 90-летие со дня рождения которого отмечается всей горной научной общественностью в этом году.
-------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Ржевский В.В., Бурчаков А.С., Москаленко Э.М., Молчанов И.А., Ножкин Н.В. «Исследование процессов и разработка основ гидродинамического, микробиологического и физико-химического воздействия на пласт с целью борьбы с метаном и пылью в шахтах» (цикл исследований 1962-1971 г.г.) (Аннотация работы, выдвинутой на соискание Ленинской премии по науке 1972 г.)., М., МГИ, 1971.
102
2.	Ржевский В.В., Бурчаков А.С., Москаленко Э.М., Молчанов И.А., Ножкин Н.В. Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах. Цикл научных исследований (1962-1980 гт.), М., МГИ, 1981.
3.	Создание и внедрение региональных методов управления массивами угольных месторождений, обеспечивающих эффективное и безопасное производство горных работ в шахтах и попутное извлечение газа (авторы Ржевский В.В., Бурчаков А.С., Ножкин Н.В., Васючков Ю.Ф., Ярунин С.А., Гуревич Ю.С., Красюк Н.Н., Пережилов А.Е., Дрижд Н.А., Токмагамбетов Ш.Т., Швец И.А., Гунько Г.З., Худин Ю./I., Рудаков Б.Е., Конарев В.В., Шарипов Н.Х. и др). Москва - 1984.
4.	Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М., изд-во МГГУ, 1996 - 441с.
5.	Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С Извлечение метана из угольных пластов. М., изд-во МГТУ, 2002, 383 с. (монография).
6.	Руководство по дегазации угольных шахт, М, Недра, 1990.
7.	Положение по дегазации угольных шахт. М, ИПКОН РАН, 2006.
8.	Концепция обеспечения метанобезопасности угольных шахт России на 2006-2010 гг. / Пучков ZI.A., Сластунов С.В., Каледина Н.О. и др. - М., изд-во МГТУ, 2006. - 18 с.
9.	Баймухаметов С.К., ПолчинА.И., КоликовК.С. Совершенствование управлением газовыделением шахт в Карагандинском угольном бассейне.М., ГИАБ, отдельный выпуск № 6 «Безопасность», 2008.
10.	Пучков /1.А., Сластунов С.В., Логинов А.К., Ютяев Е.П., Мазаник Е.В. Предпосылки промышленной апробации технологии заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов в Кузбассе. М., ГИАБ, отдельный выпуск № 6 «Безопасность», 2008. ВИЗ
S.V. Slastunov
PROBLEM OF COAL BED STATE AND PROPERTIES CONTROL TO PREVENT MAIN HAZARD WHILE MINING.
The key problem while mining coal beds with high gas content capacity is methane safety. The article shows real prospective of how to solve the problem at the main coal basins of the Russian Federation. The main technical solutions for gas bearing coal seams advanced degassing preparation are presented in the issue.
Key words: methane safe of undergraund coal mining, degassing preparation.
— Коротко об авторе -----------------------------------------
Сластунов С.В. - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Инженерная зашита окружающей среды», Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
103
© В. А. Бобин, 2010
УДК 622.817
В.А. Бобин
ПРОЕКТ ДОБЫЧИ МЕТАНА ИЗ НЕРАЗГРУЖЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ПОМОЩЬЮ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН
Представлены результаты исследований по установлению закономерностей формирования фильтрационных характеристик неразгруженною угольного пласта при различных вариантах технологии извлечения метана с помощью бурения горизонтальных скважин. Рассмотрены способы добычи метана из неразгруженного угольного пласта с использованием горизонтальных коллинеарных и компланарных скважин. Разработана методика расчета проницаемости неразгруженных угольных пластов при коллинеарном расположении горизонтальных скважин и аналогичную методику при компланарном расположении горизонтальных скважин. Полученные результаты позволяют научно обоснованно реализовать проект добычи метана из перегруженных угольных пластов с помощью горизонтальных скважин.
Ключевые слова: добыча метана, угольный пласт, горизонтальная скважина, фильтрационные характеристики, проницаемость пласта.
Семинар № 5
В России положительный опыт промышленного извлечения метана из угольных пластов содержится в работах К.Н. Трубецкого [1], В.В. Гурьянова, Л.А. Пучкова, В.М. Шика и других исследователей.
Однако промышленная добыча метана из угольных пластов требует глубокой теоретической проработки новых методов интенсификации газовыделения из угольного пласта. Кроме того, в современных условиях натурные исследования не обоснованные соответствующими научными разработками и расчетами приводят к дискредитации прогрессивного метода добычи угольного метана и отдаляют момент его практического использования.
В УРАН ИПКОН РАН разработаны новые способы заблаговременного извлечения метана из неразгруженных угольных пластов с помощью горизонтальных скважин, пробуренных по радиусам и получены патенты на их использование [2].
На рис. 1 представлен вариант этого способа добычи метана из неразгруженного угольного пласта с использованием так называемых коллинеарных скважин, который осуществляют следующим образом: с поверхности земли, где расположена буровая вышка 1, бурится один основной добычной вертикально-
104
Рис. 1
восходящий ствол 2, продолжение которого первый горизонтальный ствол 3 формируется в угольном пласте 4 с помощью технологии бурения по радиусам в направлении по восстанию угольного пласта. Далее с помощью той же технологии у первого горизонтального ствола формируется сеть скважин 5, пробуренных по пласту на заданное расстояние. Система скважин 5 формирует таким образом систему горизонтальных коллинеарных скважин.
Такая схема вскрытия угольного пласта применима для маломощных угольных пластов. Она обеспечивает образование внутри угольного пласта системы свободных поверхностей, являющихся источником десорбируемого метана, который по образованным фильтрационным каналам поступает в горизонтальные скважины и далее через вертикально-восходящий добычной ствол поднимается на поверхность.
Механизм дегазирующего влияния горизонтальных скважин, пробуренных по пласту, реализуется за счет образования вокруг горизонтальной скважины (рис. 2) зоны нарушенного (зона 1) и ненарушенного угольного вещества (зона II) (3-4].
Общим свойством для зон А и Б является то, что в этих зонах нарушена целостность угольного пласта под действием энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата, которая выражается сначала в разрыве связей между структурными элементами угольного вещества на микроуровне, а затем и в нарушении макроструктуры угля [5-6].
105
Зона дегазации
Скважина
Рис. 2
В зоне I для каждой фракции угля выделение газа из объема частиц угля можно в первом приближении описывать уравнением газовыделения, полученным для суперсорбционных частиц находящихся на поверхности фильтрационно-сорбционных частиц и имеющим вид [7]:
Qm = (ЗгЧгЦ-ехрК/кф)]	(1)
где Q2=ab(p0-pK)(l+apK)2, кф=128фф71/Нфлс14рк, (1ф 1Ф, и Мф -соответственно диаметр, длина и число капилляров, Vi - объем фильтрационного пространства, т| - вязкость газа, а и b -константы Ленгмюра, р0 и рк соответственно давление газа на границах фильтрационного пространства, q2 - доля суперсорбционных частиц, находящихся на поверхности фильтрационно-сорбционных частиц.
В зоне II характер газовыделения в основном определяется в принципе теми же суперсорбционными частицами, но находящимися уже не на поверхности частиц угля, в его объеме, так как к тому времени газовыделение из суперсорбционных частиц, находящихся на поверхности частиц угля, практически завершится. Тогда газовыделение в этой зоне будет описывать уравнением вида [7]:
Qxa= Q2q3[l-exp(-tAn)]	(2)
где kn = 128qlnVn/Nn7tdn4pK, dп, 1п, и Nn - соответственно диаметр, длина и число каналов переходного типа, Vn - объем
106
фильтрационного пространства каналов переходного типа, т) - вязкость газа, Цз - доля суперсорбционных частиц, находящихся в объеме фильтрационно-сорбционных частиц.
Для оценки размеров зон I и II, используя зависимости (1) и (2), будем считать, что их длина определяются соответственно длинами капилляров фильтрационного и переходного типа, так как именно по ним происходит транспортировка метана по угольному пласту и далее в пробуренную скважину (Rae = 1ф, Rb = W-
Учитывая, что транспортные каналы длиной 1ф и 1п представляют собой цилиндрические капилляры постоянного сечения, принимаем в этом случае значения фильтрационного объема и объема каналов переходного типа соответственно в виде \7ф = 1Чф7Сс12ф/4 и Vn = Nnnd2n./4, тогда с учетом того, что т| = 1,83-10'5 с/ м2, a pk = 105 Па имеем:
1Ф = 1,2-104 (кф)1/2	(3)
1П = 1,2-104 (кп)1/2	(4)
Для оценки размеров зон структурной нарушенности в окрестности горизонтальной скважины по минимуму порядка величины принимаем значения транспортных каналов как величины бф = 10'6 м, dn = Ю'7 м [8], а кф ~ 4-104 с (порядка 3-х часов) , kn ~ Ю6 с (порядка нескольких десятков суток) [9]. Тогда 1ф ~ 2-3 м, а 1П ~ 1,5-2 м.
Таким образом, радиус эффективного влияния горизонтальной скважины может составлять, Rэфф = 3,5-5 метров.
Далее для оценки проницаемости непосредственно в массиве вокруг горизонтальной скважины использовался на метод определения проницаемости по замерам скорости газовыделения в скважину [10].
Учитывая, что пробуренная горизонтальная пластовая скважина образует в пласте поверхность обнажения, вокруг которой в результате упомянутых ранее процессов формируются различные зоны А и Б, тогда фильтрационные свойства массива угольного пласта около неподвижной поверхности пласта в выработке изменяются в соответствии с формулой [11-12]:
X = X. + (Хо - X.) (1 - R/R^) 3	(5)
107
где - ппиродная проницаемость пласта (для большинства пластов Кузбасса ее значение колеблется в пределах 510'3-510'5 мД); Х-о - газопроницаемость пласта на поверхности обнажения в скважине; R - текущий радиус вглубь угольного пласта.
Газопроницаемость пласта на поверхности обнажения в горизонтальной скважине определяется согласно формуле [10]: Кпр = дц1п(Гн/гв)/2лгЬ(Рн- Рв)	(6)
где g - дебит газа (скорость газовыделения) при радиальной фильтрации метана в скважину (см3/с), Ц = 0,1 сП = 10'8 кгс-с/см2 - вязкость метана, гн - радиус контура питания скважины (см), гв - радиус контура стока газа в скважину (см), г - радиус скважины (см), h - длина скважины (см), Рн -давление газа на контуре питания (атм), Рв - давление газа на стоке.
Поскольку общее количество газа, выделяющего в скважину, описывается суперпозицией функций, определяемых уравнениями (1) и (2), то выражение для него примет следующий ВИД:
Qin = С^ЧгЦ-ехрК/кф)] + Q2q3[l-exp(-t/kn)]	(7)
В свою очередь скорость газовыделения с математической точки зрения является первой производной от величины газовыделения, и ее значение на поверхности скважины в начальный период времени будет:
9 = {Q242 ехр(Ч/кф)/кф + Q2q3-exp(-tAn)An}t=o =
=Q2q2/kj) + Q2q3/kn	(8)
Подставляя значение скорости газовыделения (8) в формулу для вычисления проницаемости на поверхности скважины окончательно получим
Апр = ЮгРгАф + О2р3Ап}ц1п(Гн/гв)/2тггЬ (Рн- Рв)	(9)
Расчет коэффициента проницаемость на поверхности скважины, пробуренной по угольному плату дает величину численно равную 6,3 мД при значениях а = 0,01 атм1, в = 21,2 см3/г, ц = 0,1 сП = 10'8 кгс с/см2, гн = 500 см, гв = 10 см, г = 10 см, h = 50000 см, Рн = 40 амт, Рв = 1 атм, кф = 4-104 с, kn= 106 с, q2 = 0,17, q3 = 0,85.
108
Рис. 3
Характер изменения проницаемости угольного пласта с углублением в него показан на рис. 4, при этом использовалась зависимость (5), а значения входящих в нее величин составляли X* = 510’3 мД, Хо = 6,3 мД, Кэфф= 5 м.
Данные на рис. 3 показывают, что в зоне I (0 < R < 3 м) газопроницаемость угольного пласта изменяется незначительно по сравнению с газопроницаемостью на поверхности скважины (всего на 20%), однако, в зоне II (3 < R < 5 м) она резко уменьшается и на контуре питания скважины равняется природной проницаемости, равной 510'3 мД.
При этом начальное значение дебита метана (скорость газовыделения) из объема угля, соответствующего зоне I, в скважину, рассчитанное по формуле (8) составит около 1 м3/с, и в течение 105 с (порядка 30 часов) будет на уровне не ниже 0,37 м3/с. Поэтому для обеспечения дебита метана, имеющего промышленное значение и составляющего примерно 5 м3/с необходимо задействовать целую разветвленную систему горизонтальных коллинеарных скважин, а их число (N) как: N = 5/g
Таким образом, можно ожидать, что увеличение проницаемости неразгруженных угольных пластов при коллинеарном расположении горизонтальных скважин составит почти три порядка величины, т.е. увеличится в зоне вокруг горизонтальной скважины диаметре 8 метров, почти в тысячу раз с 510'3 До 6,3 мД.
109
Рис. 4
В свою очередь для угольных пластов средней и большой мощности (более 3-х метров), применима схема вскрытия, изображенная на рис. 4.
При этом по сравнению с ранее рассмотренным способом, используя тот же вертикально-восходящий ствол 2, бурят второй горизонтальный ствол 6 перпендикулярно первому горизонтальному стволу 3 так, чтобы его направление совпадало с направлением пласта по простиранию угольного пласта, после чего с помощью технологии бурения по радиусам формируют сеть скважин 7 также на заданное расстояние. При этом сети скважин 5 и 7 являются компланарными (рис. 4).
Компланарную систему горизонтальных скважин, образованных в неразгруженном угольном пласте, рационально использовать особенно в таких случаях, когда неизвестна ориентация трещин кливажа в угольном пласте, вдоль которых при бурении горизонтальных скважин газопроницаемость наибольшая, а энергетические затраты на бурение наименьшие. Благодаря такому расположению горизонтальных скважин вероятность вскрытия трещин кливажа значительно возрастает, что приводит к значительному увеличению газопроницаемости угольного пласта в этом направлении и интенсивному газовыделению метана в горизонтальную скважину. Система компланарных скважин разбивает продуктивную в отношении метана область угольного пласта на два равновеликих объема, в каждом из которых создана система параллельных горизонтальных скважин, являющихся для каждого отдельного объема угольного пласта системой коллинеарных скважин.
Используя методику оценки проницаемости неразгруженных угольных пластов при коллинеарном расположении горизонталь
но
ных скважин и применяя ее в отдельности для каждого равновеликого объема угольного пласта, легко получим значения коэффициента газопроницаемости для каждого объема в отдельности, а коэффициент газопроницаемости всего угольного пласта будем рассматривать как среднее арифметического значение полученных коэффициентов газопроницаемости для каждого отдельного объема. Естественно, что значения этих двух величин газопроницаемости будут существенно различаться, так как одна из систем горизонтальных скважин будет пробурена в том же направлении, что и естественная система кливажных трещин в угольном пласте.
При этом для того, чтобы выяснить, какая же из систем горизонтальных скважин пробурена в плоскости кливажных трещин, необходимо провести замеры величины метановыделения из каждой системы скважин в отдельности.
Таким образом, главной отличительной чертой методики расчета проницаемости неразгруженных угольных пластов при компланарном расположении горизонтальных скважин по сравнению с аналогичной методикой для коллинеарного расположения горизонтальных скважин является операция по замеру величины газовыделения в каждой их двух систем горизонтальных скважин, тогда как расчет значения дебита метана (скорость газовыделения) из объема угля вокруг системы компланарных горизонтальных скважин и расчет их количества производится по стандартным формулам.
Таким образом, для реализации проекта добычи метана из неразгруженных угольных пластов с помощью горизонтальных скважин получен комплекс научно обоснованных результатов, который позволил установить характер изменения проницаемости пласта вокруг горизонтальных скважин для типичных угольных пластов Кузбасса, оценить размеров зон структурной нару-шенности в окрестности горизонтальной скважины, а также разработать методики расчета проницаемости неразгруженных угольных пластов при коллинеарном и компланарном расположении горизонтальных скважин.
---------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Трубецкой К.Н. и др. О развитии исследований и разработок по вопросам добычи метана угольных пластов, ГИАБ бюллетень, 1996, вып.4, С. 13-18.
2.	Патент РФ № 2211308 «Способ вскрытия угольного пласта для добычи метана». Трубецкой К.Н., Бобин В.А., Гурьянов В.В. Бюл. № 24, 2003.
ill
3.	Айруни А. Г. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. - М.: Наука, 1987. - 310 с.
4.	Айруни А. Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах. - М.: Недра, 1981. - 335 с.
5.	Бобин В А., Зимаков Б.М., Одинцев В.Н. Оценка энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата в микропорах угля. ФТПРПИ, №5, 1989, С. 52-59.
6.	Бобин ВА., Зимаков Б.М., Одинцев В.Н., Эттингер И.Л. Модель опережающего разрушения угольного массива при выбросах угля и газа. Тезисы докладов. Симферополь, 1987, С. 12.
7.	Бобин В А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура. ИПКОН АН СССР, 1987,135 с.
8.	Айруни А. Т, Бобин ВА. Модель макроструктуры угольного вещества. Изв. ВУЗов, Горный журнал, №3, 1987, С. 1-7.
9.	Гурьянов ВВ., Бобин В.А. Формы нахождения метана в углях и геотех-нологические методы дегазации угольных пластов. Росгов-на Дону, Изд-во СКНЦВШ, 2000, 62 с.
10.	Кузнецов С.В., Кригман Р.Н. Природная проницаемость угольных пластов. М., "Наука", 1978,122 с.
11.	Айруни А.Т., Бобин ВА, Зверев И.В. и др. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. М., "Наука", 1986, 300 с.
12.	Васючков Ю.Ф. Физико-химические способы дегазации угольных пластов. М., "Недра”, 1986,145 с. НШЗ
V.A. Bobin
PROJECT OF MINING A METHANE FROM NONUNLOADED COAL LAYERS BY MEANS OF HORIZONTAL BOREHOLES
In the item represented results of studies on the qualification of regularities of shaping the filtration features nonunloaded coal layer under different variants of the technology of the extraction of the methane by means of boring the horizontal bore holes. Considered ways of mining a methane from nonunloaded coal layer with use horizontal collinear and complanar bore holes. Herewith installed nature ofchanging permeability of layer around horizontal bore holes for typical coal layers of the Kuzbass and created method of the evaluation of amounts of areas structured disturbance in vicinities of the horizontal bore hole. This has allowed to develop a strategy of the payment of permeability nonunloaded coal layers at collinear location of horizontal bore holes and similar strategy at complanar location of horizontal bore holes. Received results allow scientifically validly to realize a project of mining a methane from nonunloaded coal layers by means of horizontal bore holes.
Key words: mining a methane, coal layers, horisontal bore hole, filtration features, permeability of layer.
— Коротко об авторе --------------------------------------------
Бобин В.А. - доктор технических наук, УРАН ИПКОН РАН, bobin_va@mail.ru
112
—— -------------------------------- © А.Д. Алексеев, А.Н. Молчанов,
2010
УДК 622.411.33:539.21
А.Д. Алексеев, А.Н. Молчанов
ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАНА В ИСКОПАЕМОМ УГЛЕ В АСПЕКТЕ ЕГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ*
Рассмотрены особенности процесса истечения метана из угольного пласта. Приведены оценки содержания метана в угле в зависимости от температуры и давления.
Ключевые слова: уголь, метан, диффузия, фильтрация, десорбция, фазовое состояние метана.
Семинар № 5
Изучение явления выделения метана из угольных пластов является важной задачей, связанной с такими актуальными вопросами, как охрана окружающей среды, безопасность горных работ, и др. Эффективное использование метана угольных пластов возможно только при максимальном его извлечении, для чего необходим перевод связанного с угольным веществом метана в свободную фазу.
В процессе метаморфизма происходило образование метана и частичное накопление его в угольном пласте. В природных условиях ископаемый уголь может содержать значительное его количество. Так, некоторые сорта углей Донецкого бассейна содержат до 40 м3 метана в расчете на одну тонну угля. В нетронутых метаноносных угольных пластах метан распределен равномерно - его давление в системе сообщающихся трещин, пор и каналов одинаково вдоль всего пласта. Метан находится в равновесии, которое может быть нарушено под действием геологических или техногенных факторов. В настоящее время при ведении горных работ на угольных шахтах происходит высвобождение метана. Процесс выделения метана зависит от множества природных и техногенных факторов, таких как количество газа в пласте, распределение его между различными фазовыми состояниями, пористость (открытая и закрытая) угля, газопроницаемость пласта, характер горных работ. Так, например, шахта им Засядько наиболее метанообильная в Донбассе. Угольные пласты имеют газоносность более 20 м3/т с.б.м. Вмещающие породы содержат мощные
из
слои газоносного песчаника. При нагрузках на очистные забои 3000 - 5000 т/сут среднее метановыделение на выемочных участках превышает 100 м3/мин [1]. Для создания безопасных условий работы необходимо обеспечить эффективное извлечение метана из угольных пластов и удаление его из горных выработок.
Метан в угольном пласте находится [2, 3]:
-	в свободном газообразном состоянии в фильтрационном объеме угля, т.е. в системе пор, трещин и каналов, сообщающихся с внешней поверхностью угольного пласта;
-	в адсорбционной пленке на поверхности угольного вещества;
-	в виде твердого раствора в объеме блоков.
В последнем случае необходимо уточнить, что внутри каждого блока имеется система закрытых пор (не сообщающихся каналами с фильтрационным объемом), в этих порах метан находится как в газообразном состоянии, так и в адсорбированном - на поверхности пор.
Связь молекул метана с угольным веществом обеспечивается главным образом силами Ван-дер-Ваальса. Энергия вхождения ^молекулы метана в твердый раствор не является строго определенной величиной; она зависит от конкретной локализации молекулы, т.е., от того находится ли она в алифатике или в теле кристаллита. Среднюю оценку 0,2 ev можно получить, исходя из калориметрических данных [4, 5].
Сорбированный углем метан распределяется между твердым раствором (абсорбция) и поверхностью трещин и пор (адсорбция). Уголь обладает весьма разветвленной внутренней поверхностью, порядка 20 м2 на кубический сантиметр [6, 7], поэтому количество адсорбированного метана может быть сопоставимо с количеством абсорбированного. Мы не располагаем надежными экспериментальными данными об энергии связи % мопемупьА метана с поверхностью угля. Теоретические соображения, учитывающие энергию набухания угля, также не дают однозначного ответа на вопрос, что больше, х н™ V-
В природном пласте метан находится в равновесии, распределяясь между фильтрационным объемом, блоками и их поверхностью таким образом, чтобы химический потенциал был однородным вдоль пласта. В случае однородной макро- и мезоструктуры угля и однородного горного давления это при
114
водит к выравниванию давления метана во всем фильтрационном объеме. Плотность газообразного метана будет также одинаковой во всех местах пласта. В угольных пластах средней глубины залегания давление метана Pq порядка нескольких десятков атмосфер.
При заданном пластовом давлении метана его перераспределение между отдельными фазовыми состояниями определяется конкретным видом изотерм сорбции. Так, если мы считаем, что газ является идеальным, а твердый раствор - разбавленным, то связь между концентрацией газа в твердом растворе с (в м’3, число молекул в единице объема твердого раствора) и его плотностью р в газообразном виде (в тех же единицах) устанавливается законом Генри.
В тех условиях, когда справедлива изотерма Ленгмюра, количество “поверхностных” молекул метана ps в расчете на единицу объема угля подчиняется соотношению [6, 8]:
сгЛ(1 + К4р)
Здесь Л - обратная удельная поверхность системы открытых пор и трещин, т.е. обратная величина отношения плошади внутренних поверхностей угля к его объему, о- площадь, приходящаяся на одну поверхностную молекулу. Величину
можно назвать объемом встраивания молекулы метана в структуру поверхности блока. Безразмерный параметр 2k аналоги
сгЛ
чен растворимости v, только там речь идет о встраивании в объем блока, а здесь - о встраивании в поверхность блока.
При комнатных температурах растворимость v меняется в
-2	1	V
пределах 10 - 10 [4], в то время как —— на два - три по-
<тЛ
рядка меньше. Это означает, что, несмотря на разветвленность внутренней поверхности, адсорбция незначительна по сравнению с абсорбцией. Исключение составляет ситуация, когда энергия связи с поверхностью |^|, значительно превышает энергию связи в глубине блока Ы.
115
При нарушении равновесия пласта, например, в результате проведения выемки угля или бурения скважин, начинается массоперенос метана, его десорбция и истечение в область пониженных давлений, т.е. в сторону горной выработки. Нас интересует развитие этого процесса во времени.
Особенность явления истечения метана из угольного пласта состоит в наложении двух процессов массопереноса [4, 8]: 1) фильтрации газа через систему открытых каналов, трещин и пор; 2) диффузии метана из твердого раствора (блоков) в фильтрационный объем.
Ведущим процессом является фильтрация. По мере фильтрации давление газа в фильтрационном объеме снижается, что создает предпосылку возникновения термодинамической силы для десорбции метана из блоков в фильтрационный объем посредством диффузии.
Диаметр фильтрационных каналов в природных углях колеблется в широких пределах lO^-s-lO-5 м. Характер течения в узких капиллярах отличается от такового в широких каналах. В широких, по сравнению с длиной Л свободного пробега молекул метана, каналах реализуется обычное пуазейлевское течение вязкого сжимаемого газа. В узких же каналах реализуется кнудсеновское течение. Величина Л зависит от плотности (давления) газа и для рассматриваемой нами задачи колеблется в пределах (3+6)-10“8 м, т.е. может быть как больше, так и меньше среднего диаметра каналов.
При условии равновесия метана с угольным веществом Р
плотность газа в порах рп=~^ (в 1/м ) [4]. Метаноемкость пор (в м3 на тонну угольного вещества), т.е. объем метана (при атмосферном давлении), содержащийся в 1т угольного вещества, равна:
у =
Р Pfa'
где рс- плотность угольного вещества (в тоннах на м3), Ра - атмосферное давление, Рм - горное давление, у - пористость угля.
Связь между концентрацией метана в твердом растворе и плотностью его в фильтрационном объеме [9] определяется законом Генри:
116
c(x,t) = vp(x,t),
где v - растворимость метана в твердом растворе (безразмерная величина, зависящая лишь от температуры). Для ее определения следует использовать стандартные методы статистической физики [10]:
Здесь
Г18У/3Й^
S
«вращательная температура», т -
масса молекулы метана, S - момент инерции молекулы метана, |\|<| - энергия связи молекулы метана с угольным веществом в твердом растворе, Т - абсолютная температура, £1 - объем, приходящийся на одно место, которое может быть занято одной молекулой метана (обратная метаноемкость). Согласно экспериментальным данным, приведенным в [7, 11] грубая оценка растворимости метана при комнатной температуре дает v = 10~2.
Метаноемкость твердого раствора выразится формулой:
_У(1-У)РЛ<
г»
Рс^а
Теперь учтем адсорбированный метан. Считаем, что на границе полость поры - адсорбированный слой не происходят химические реакции, фазовые превращения, а также нет поверхностной пленки (кроме адсорбционной), затрудняющей проникновение газовых молекул через границу. Исходя из этих предположений, связь поверхностной концентрации в адсорбционном слое с плотностью молекул газа в поре [12] также описывается законом Генри
Слов = Срп ,
здесь £ = mam8, m - полное число сорбционных ячеек, ат -площадь, приходящаяся на одну сорбционную молекулу, 8 -Функция, характеризующая локальное равновесие молекул газа У поверхности сорбента (фактически, характеризует вероятность сорбции) - растворимость:
117
s т-3Г2лй2т;У/2	Г|Е1+Д>
«Д ™ J	I T J
где E - энергия связи молекулы с сорбционным центром, Д -вклад внешних факторов в сорбционную способность, в частности, это может быть внешнее сжатие образца и т.п.; как правило, этот вклад намного меньше энергии связи Е.
Полное число мест сорбции можно определить как:
w = Al [1/г],
ат
где Ат - удельная поверхность (в м2/г).
Средняя величина Ат для угля - 20 м2/г [13]. ат для метана оценивается как 0,2 нм2 [6].
Исходя из всего этого, метаноемкость адсорбционного
слоя оценивается как
/	->	\3/2
Рт , Рт Л I 2лЙ2Г )
~ Р„ Ра а Т31 т , а	а т \	/
Общее количество метана в угле представляет собой сумму трех слагаемых: свободный газ, адсорбированный на поверхности метан и метан в твердом растворе, и основную его часть составляет свободный метан:
I Л I
РСРа Ра РсРа
Оценим, какое количество метана выделится из пласта при повышении температуры от Ti до Тг.
При повышении температуры в замкнутом объеме повысилось бы давление газа, что привело бы к нарушению равновесия; для сохранения равновесия часть свободного метана должна выделиться из пор угольного пласта (тем или иным путем). Количество выделенного свободного газа в этом случае
определяется как
PVp =
ТРм РсРа
Т2-Т, т\
Считаем, что входящие в выражение параметры (пористость, плотность угольного вещества) в температурном интер
118
вале от 293 К до 393 К не зависят от температуры. Тогда зависимость количества газа Vp от температуры Т имеет линейный вид. Угол наклона прямой пропорционален пористости угольного вещества и давлению газа.
При данных условиях (Р и Т) количество газа, находящегося в твердом растворе (рис. 1), рассчитывается из соотношения:
(1-г)Л. (^п2тг
а в адсорбированном состоянии:
у =-^-у sorp р га
Атп атТ
7 Л3/2 2лй2т;
m
Общее количество газа в угле (рис.2) будет:
= —
р г а
<2лЪ2тг . mT2
(1-/) &Рс
Y Т\
Рс Т
Общее количество выделившегося адсорбированного газа
и из твердого раствора при повышении температуры определяется выражением [12]:
£ D
О-/)	4. (=1
+—exp -
ОД	а-	'Т '
X. г~т> р/
\ Т
Из рис. 2 видно, что величина вклада отдельных фаз метана в общую метаноемкость, как и сама метаноемкость, очень сильно зависит от температуры. При низких температурах количество метана в угле может достигать очень больших величин, и определяются эти величины, в основном, адсорбированным и растворенным метаном. При повышении температуры количество метана, которое может содержаться в угле, резко сокращается и в фазовом составе превалирует свободный газ. Значения характеристической (низкая - высокая) температуры зависят от свойств системы уголь-газ, в частности от энергии
119
Рис. 1 Зависимость количества метана в твердом растворе от температуры Т при различных давлениях (а) и энергиях связи (б)
связи метана с углем, и могут варьироваться в довольно широких пределах.
Извлекать из угля возможно только тот метан, который находится в двух фазовых состояниях - свободный газообразный
120
Рис. 2 Зависимость общего количества выделившегося метана от температуры
и адсорбированный метан. Адсорбированный метан переходит в свободный. На время перехода влияет изменение термодинамических параметров. К примеру, для шахты им. Засядько количество свободного метана составляет только 10%, а адсорбированного - 18%. Основная часть метана (газ, адсорбированный метан, твердый раствор) сосредоточена в изолированных блоках угля из которых он медленно “выходит” путем твердотельной диффузии. Следовательно, при дегазационных мероприятиях следует ожидать быстрого выхода только 28% от общего количества метана.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Звягильский ЕЛ., Бокий Б.В., Касимов О.И. Перспективы развития дегазации на шахте им. Засядько / Уголь Украины, 2003. - №12. - С. 35 - 39.
2.	Alexeev AD., Vasilenko ТА., Ulyanova Е. V. Closed porosity in fossil coals / Fuel. -1999. - V. 78, N.6. - P. 635-638.
3.	Alexeev A. D., Vasilenko T. A, Ulyanova E V. Phase states of methane in fossil coals / Solid State Communication. - 2004. -Vol. 130, N10 - P. 669-673.
4.	Alexeev A.D., Feldman E.P., Vasilenko T.A. Alternation of methane pressure in dosed pores of fossil coals / Fuel. - 2000. - Vol. 79, N.8. - P. 939-943.
5.	Эттингер ИЛ., Ковалева И.Б. Напряжение набухания и свободная энергия в системе газ - уголь / ДАН СССР. - 1979. - Т. 244, № 3. - С. 659-663.
121
6.	Грег. С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. -Москва: Мир, 1984. - 312 с.
7.	Лазаров Л., Ангелова Г. Структура и реакции углей. - София: Болгарская академия наук, 1990. - 232 с.
8.	Кузнецов С.В., Кригман Р.Н. Природная проницаемость угольных пластов и методы ее определения. - М.: Наука, 1978. - 122 с.
9.	Массоперенос метана в угле, обусловленный совместной фильтрацией и диффузией / А.Д. Алексеев, Э.П. Фелйман, Т.А. Василенко, А.Н. Молчанов, Н.А. Калугина //ФТВД. - 2004. - Т. 14, № 3. - С. 107-118.
10.	Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.. Статистическая физика. Т. 2, Теория конденсированного состояния. - Москва: Наука, 1978. - 448 с.
11.	Ковалева И. Б. Энергия связи метана с углем в угольных пластах. Авто-реф. дис.... канд. техн, наук / ИПКОН АН СССР. - Москва, 1979. -16 с.
12	Метан в угле при различных температурах / Алексеев А.Д., Василенко Т.А., Молчанов А.Н., Слюсарев В.В., Троицкий Г.А., Шевченко Л.В. // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Матер. XVII Межд. науч, школы. -Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2007. - С. 10-13.
13	ХодотВ.В. Внезапные выбросы угля и газа. - Москва: Горгостехиз-дат, 1961. - 364 с. ВШЗ
A.D. Alexeev, A.N. Molchanov.
Institute for Physics of Mining Processes NAS of Ukraine
THE PHYSICAL STATE OF METHANE IN FOSSIL COAL IN THE ASPECT OF HIS RECOVERY
Process features of effluence of methane from coal layers are considered. Estimates of methane content in coal, depending on the temperature and pressure are presented.
Key words: coal, methane, diffusion, filtration, desorption, phase state of methane.
г— Коротко об авторах-------------------------------------------
Алексеев А.Д. — директор Института физики горных процессов НАН Украины, член-корреспондент НАН Украины, доктор технических наук, профессор.
Молчанов А.Н. — и.о. заведующего отделом Института физики горных процессов НАН Украины, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник.
mailto:an_mol@list.ru.
122
__  —---------------------- © Г.Г. Каркашадзе, С.В.Сластунов, 2010
УДК 622.411.33
Г.Г. Каркашадзе, СЛ.Сластунов
ФИЛЬТРАЦИЯ МЕТАНА В СКВАЖИНУ С УЧЕТОМ ПРОЦЕССА СОРБЦИИ И ФРАКТАЛЬНОЙ
СТРУКТУРЫ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Рассмотрена задача плоскорадиальной фильтрации метана с учетом процесса сорбции и фрактальной структуры угольного пласта. Описано дифференциальное уравнение процесса и выполнены расчеты распределения пластового давления газа вокруг скважины и изменение дебита метана в течение времени. Представленная аналитическая модель существенно более достоверно отражает особенности процесса фильтрации по сравнению с описанием процесса в однородной среде.
Ключевые слова: угольный пласт, газ, сорбция, фрактальная структура, извлечение метана.
Семинар № 5
В работе Черных В.А, [1] рассмотрена задача о притоке газа к линии равных стоков в среде с фрактальной структурой. В случае плоскорадиального течения уравнение фильтрации имеет вид:
at г dr
где Vs - поровый объем, приходящийся на один узел фрактала, м3; 7(г) - число узлов в единице объема породы на -Q
расстоянии г от оси скважины, м ;
=	(2)
где as - постоянная; h - высота плоскопараллельного потока, м; df - фрактальная размерность породы; г - радиальная координата, м; t - время, с; qr - радиальная компонента вектора массовой скорости фильтрации, кг/(с м2);
kf (г) d<t>
4,=-^-^,	(3)
// dr
kf(rj - проницаемость среды, зависящая от радиуса, м2; ц - динамическая вязкость газа, Па с; Ф - функция Лейбензона, Па-кг/м3,
123
о
p - плотность газа, кг/м3; р - давление газа, Па.
С другой стороны, уравнение фильтрации газа с учетом процесса десорбции имеет вид:
(к А
-div —pgradp =0, J
-- mp + (l-m)—^-от[	(1 + qp
где m - эффективная пористость; а (Па1), b (кг/м3}-параметры изотермы сорбции; к - газопроницаемость среды, м2; р - динамическая вязкость газа, Па-с.
Из сопоставления (1) и (4) запишем плоскорадиальное уравнение фильтрации газа в среде с фрактальными свойствами и с учетом процесса сорбции газа по изотерме Ленгмюра:
(4)
Vsn<r)p + {\-Vsii(r))--^-	.
От L	(1 + ap) J r dr
В изотермическом процессе идеального газа Лейбензона, в частности для метана, принимает вид:
Ф = tpdp= [Ь1±рар = Есн^Р
J J RT RT 2
где pern ~ молярная масса газа, моль/кг; 7? - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т- температура, К.
Следовательно, формула (3) радиальной компоненты массовой скорости qr в изотермическом процессе с учетом (6) принимает вид:
_ kf(r)pCH dp
Чг р RT Р dr'
Как показано в работах [2, 3] проницаемость системы тре- i шин при плоскорадиальном течении выражается зависимостью:
,	(8>
где as, / -постоянные коэффициенты; 0 - структурный коэффициент системы трещин, в частности для треугольника Сер-пинского
df = 1,58; 0 = 0,32 [2, 4].
dt
+~т-(^г)=о-
(5)
функция
(6)
(7)
124
Постоянные as, % определяются из условия, что известна пористость то угля и проницаемость ко пласта в месте заложения скважины, т.е. при г=го: Vs?i(ro)= т0,
(9) (Ю)
(11)
(12)
Из решения системы уравнений (9) и (10) следует:
Y-h-.re л ~ _ го ’ т0
asVs=2nh-^. го'
Следует иметь в виду, что если анализируется фильтрация в ненарушенном трещинами угольном пласте, то коэффициент проницаемости ко определяется по результатам испытаний угольных кернов. Если же произведена предварительная гео-механическая разгрузка пласта или его гидромеханическая дезинтеграция, то проницаемость ко уже иная и может быть определена по начальным или текущим параметрам дебита скважины.
Массовый поток метана в скважину выражается формулой:
= _ 2^hk^ р^ dp р RT dr
Таким образом, после подстановок полученных выражений в (5) получим следующее уравнение осесимметричной фильтрации газа угольном пласте с фрактальной структурой и с учетом процессов сорбции и десорбции:
2 dt
(13)
RT
Р +--
abp
Рен ь \ то\г ) J (1
(14)
1 (г Y/-2
Эр)
дг
тор г J гр Ъг
Косвенная проверка показывает, что процесс фильтрации в однородной сплошной среде, без фактора фрактальности трещин, является частным случаем уравнения (14) и реализуется, при значениях коэффициентов <4=2; 0=0; /?=1.
125
3
Рис. 1. Распределение давления газа вокруг скважины через 1, 5 и 10 лет, соответственно: ц.=0,010810‘3 Пас; то=О,О2; ко=1О12м2; <//=1,58; 0=0,32; /?=8,31 ДжДмоль К); Л=2м; Т=300К; а=0,207 10-6 Па1; Ь=67,39кг/м3; Ро=Ю5Па; Рпл=30 105Па; рсн4=1610'3кг/моль
В качестве численного примера решения уравнения (14) рассмотрим случай фильтрации метана из угольного пласта мощностью h в открытую скважину с давлением Ро, диаметром 2го при условии, что начальное пластовое давление Рт. газа распределено равномерно. Анализ подобных задач для однородной среды выполнен в работах [5, 6]. /Для упрощения задачи принимаем, что проницаемость пород кровли и почвы настолько мала, что перетоками газа через границу угольного пласта можно пренебречь. Последнее допущение является достаточно грубым, однако решение задачи представляет интерес для оценки максимально возможных радиусов распространения зоны дегазации.
Краевые условия для функции давления свободного газа в пласте p=p(r,t) в поставленной задаче следующие:
126
0.8|
Время эксплуатации скважины, годы
Рис. 2. Дебит метана из скважины в течение времени: ц=0,010810'3 Пас; Л?о=О,О2; /го=1О‘12М2; d/=l,58; 0=0,32; 7?=8,31 Дж/(мольК); Л=2м; Т=300К; а=0,207 10-6 Па1; Ь=67,39кг/м3; Ро=1О5Па; Рга=30 105Па; ДСН4= 16 10’3кг/моль
p(r,O) = Pm; p(r0,f) = P0;
(15)
dr
Численное решение уравнения (14), выполненное средствами Matchad позволяет проанализировать распределение давления газа вокруг скважины в различные моменты времени. На рис. 1 показано, что при заданных фильтрационных свойствах пласта на расстоянии 100 м от оси скважины пластовое давление понижается более чем в два раза уже через год и с течением времени продолжает понижаться. На рис. 2 показано изменение дебита скважины с течением времени. Естественно, наибольший дебит газа наблюдается в начале эксплуатации скважины. В дальнейшем дебит стабилизируется и имеет тенденцию к незначительному понижению в течение времени, по крайней мере, в течение 10 лет.
127
Таким образом, представленная модель отражает физический процесс фильтрации газа в трещиноватой среде с фрактальными свойствами и с учетом процесса сорбции. Использованные в расчете параметры фрактальности (df = 1,58; в = 0,32) весьма существенно уточняют картину фильтрации по сравнению с однородной средой (df = 2,0; в = 0), что позволяет выполнять аналитические расчеты с большей достоверностью.
-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Черных В.А. Нелинейные эффекты в процессах разработки газовых залежей// Нелинейный мир. 2004. т.2. №3, С. 154-168.
2.	Черных В.А., Черных В.В. Физические основы неклассической теории фильтрации нефти и газа. Учебное пособие. СПб. Санкт-Петербургский государственный горный институт. 2005. 58 с.
3.	Chang J. and Yortos Y.C. Pressure-transient analysis of fractal reservoir//SPE Formation Evaluation. 1990. v.5. n.l. C. 31-38.
4.	O'Shaugehnessy В/ Diffusion on fractals. - Physical Review. A. 1985, v.32, n.5, c. 3073-3083.
5.	Пучков Л.А., Сластунов C.B., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов, изд-во МГТУ, 2002, 655 с.
6.	Каркашадзе Г. Г. Методика расчета дебита метана из зоны гидрообработки неразгруженного угольного пласта. //ГИАБ. - 2007. - Метан. -С.83-95. GEES
G.G. Karkashadxe, S.V. Slastunov
METHANE FILTRATION IN A BOREHOLE IN VIEW OF SORPTION PROCESSES AND COAL SEAM CRACK STRUCTURE
We have carried out the analysis of radial methane filtration in a borehole in view of sorption processes and coal seam structure. The differential equation of process is described and the accounts of distribution gas pressure around of a hole and change methane recovery during time are executed. The submitted analytical model reflects features of process of a filtration in comparison with the description of process in homogeneous coal seam much more authentically.
Key words: coal seam, gas, sorption, seam structure, methane recovery
— Коротко об авторах-----------------------------------------------
Каркашадзе Г.Г. - профессор, доктор технических наук,
Сластунов С.В. - профессор, доктор технических наук,
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
128
________________________________ © С.Б. Романченко, 2010
УДК 622.807
С.Б. Романченко
КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ
Добыча угля в высокопроизводительных забоях приводит к образованию значительного объема пыли, распространяющейся в аэрозольном состоянии и осаждаемой в сети горных выработок. Наряду с совершенствованием технических средств борьбы с пылью (оросительные и аспирационные системы, специальные режимы проветривания) возникает необходимость в достоверных методах расчетов динамических параметров пылевых аэрозолей. В статье приведены результаты комплексных экспериментальных и теоретических исследований распространения и осаждения пыли, выполненные на новой технической базе, что позволяет исследовать параметры турбулентных режимов проветривания.
Ключевые слова: пыль, динамика аэрозолей, фракционный состав, турбулентная диффузия, осаждение, время витания, дальность полета, траектория движения, скорость осаждения.
Семинар № 6
Актуальность проблемы контроля уровней запыленности и пылевзрывобезопасности определяется тем, что отдельные природные и техногенные опасности в угольных шахтах могут проявляться с различной интенсивностью. Так, например, существуют негазовые шахты. Вместе с тем «непыльных» шахт не существует [1].
Изучение динамики угольных аэрозолей основывается на принципиально новых возможностях изучения фракционного состава пыли в процессе ее движения по сети горных выработок. Прогресс в данной области вносят современные приборы пылевого контроля, лазерные анализаторы фракционного состава, позволяющие получать процентное содержание для 62ч124 аэродинамических диаметров частиц, электронные микроскопы со специальным программным обеспечением.
В горном деле к пыли относятся твердые частицы, различной формы, способные (т.е. имеющие потенциальную возможность) определенное время находиться во взвешенном состоянии. Исходя из данного свойства, к пыли могут быть отнесены частицы от субмикроскопических размеров (10‘2 мкм) до макроскопических 102-103 мкм. С учетом возможностей средств улавливания и контроля диапазон рассматриваемых размеров частиц относимых к пыли принят следующий:
129
•	при изучении вопросов пыли как вредного производственного фактора рассматриваются частицы размерами 1-100 мкм (по действующим ПБ - 74 мкм). Это обусловлено тем, что масса витающих субмикроскопических частиц несущественна, а частицы размерами более 100 мкм для допустимых диапазонов скоростей воздушного потока 0,15-6 м/с пребывают во взвешенном состоянии непродолжительное время;
•	при изучении комплекса вопросов, связанных со взрывами угольной пыли, рассматриваются частицы размерами до 1000 мкм. Для установленных скоростей ударной взрывной волны 335-435 м/с и более такие частицы также могут переходить во взвешенное состояние и принимать участие во взрывах.
Традиционно [1, 2, 3, 4] на основе теоретических предпосылок считалось, что содержащуюся в рудничной атмосфере угольную пыль возможно разделить на витающую и осаждаемую. Величина скорости воздуха в выработке v и ее вертикальная составляющая vv противодействуют гравиметрическим силам осаждения и теоретически не позволяют частицам определенного веса (и соответственно определенного аэродинамического диаметра) оседать на почве выработки. Наиболее наглядно данный тезис опровергается фракционным анализом осевшей пыли на расстоянии 1-3 метров от источника в экспериментальном стенде (рис. 1, рис. 2).
Для экспериментов подготавливалась мономодальная либо полимодальная пыль, фракционный состав которой был определен до экспериментов. В процессе эксперимента в горизонтальном стенде фиксировалась определенная скорость воздуха их, проводилось измерение вертикальной составляющей скорости потока vv и проводилась подача пыли в спутный поток.
В точках (А, В) проводился отбор проб витающей пыли. Осаждаемая пыль отбиралась на подложки П1-П4, по окончании каждого эксперимента пробы взвешивались, пыль подвергалась детализированному анализу ее фракционного состава.
Эксперименты проведены для скорости потока воздуха vx равных 0,52; 0,77; 1,20, 1,67 и 1,78 м/с, то есть в диапазоне скоростей, при котором не происходит активный срыв пыли с поверхности подложек за счет сил лобового давления и аэродинамических подъемных сил.
130
ВЕНТИЛЯТОР
Рис. 1. Схема экспериментального стенда
Рис. 2. Сопоставление фракционного состава входящей пыли и пыли в контрольной точке 1 (3 метра от входа) при скорости воздуха 0,52 м/с
Как показала обработка многочисленных проб (рис. 2), в указанном диапазоне скоростей воздуха, при турбулентном режиме проветривания, уже на первых дециметрах движения пылевого аэрозоля осаждению подвержены все фракции пыли
начиная от дымных с аэродинамическим диаметром от 0,01ч0,1 мкм до грубых фракций 75ч500 мкм. На физическом уровне турбулентные силы приводят к перемешиванию примесей (метан, пыль) между элементарными объемами воздуха. Турбулентная диффузия, направленная на равномерное распределение частиц в сечении стенда (выработки), перемещает все фракции витающей пыли как в вертикальном направлении, так и в сторону почвы. При этом грубые фракции оседают под действием силы веса, а респерабельные и дымные фракции пыли «принудительно» осаждаются на подложки силами турбулентной диффузии.
Как видно из рис. 2 на подложке П1 в трех метрах от источника пылевыделения отмечено отложение всех фракций пыли, начиная от сверх тонких. Для лазерного прибора определения фракционного состава пыли «Анализетте 22» (Фрич, Германия) определяются значения величины фракции для следующих аэродинамических диаметров частиц:0,164; 0,189; 0,216; 0,247; 0,283; 0,324; 0,370; 0,423; 0,484; 0,554; 0,633; 0,724; 0,828; 0,947 мкм. Перечисленные фракции составили около 0,5% на подложке П1, при их содержании 1,1% в подаваемой пыли. Осаждению подвержена также вся респирабельная пыль (1,083; 1,239; 1,417; 1,620; 1,853; 2,119; 2,424; 2,772; 3,170; 3,626; 4,147; 4,743; 5,424 мкм} и торокальные фракции пыли (6,203; 7,094; 8,114; 9,279; 10,614; 12,137; 13,881; 15,875; 18,156; 20,765; 23,748; 27,160 мкм}.
Для уточнения законов движения аэрозоля рассмотрим систему уравнений движения частиц. Поскольку время t - неза-
висимая переменная, координаты х; у; z и их первая производная по времени являются функциями t, а движение материальной частицы (рис. 3) описывается дифференциальными уравнениями на основе второго закона Ньютона:
d* 2y	dx	dy	dz.
m—^- = Y(t,x,y,z, —, — ,—), dt2	dt dt dt
(1)
132
Рис. 3. Движение частицы пыли с начальной скоростью vo
где m - масса материальной частицы, X,Y,Z - компоненты равнодействующей приложенных сил.
Траектория частицы (рис. 3) для трехмерного случая рассчитывается с учетом начальных условий: t=0 : Хо=О; Уо= Н; zo=O; vx=vx0; Vy=Vyo; vz=vz0 ;	(2)
где H - высота источника пылевыделения или высота начала движения рассматриваемой частицы; vo - начальная скорость частицы; vx,vy, vz - проекции на оси координат скорости частицы.*
Для формирования правых частей уравнений (1) на рис. 4 представлены силы, действующие на частицу пыли в произвольной точке витания (двумерный разрез). Наряду с силой тяжести Р и силой сопротивления осаждению Ry (вертикальная составляющая силы аэродинамического сопротивления) на рис. 4 представлены: сила лобового давления потока воздуха Рл д,
’Начальные скорости существенны для частиц, обладающих достаточной массой или кинетической энергией для формирования в рудничном воздухе индивидуальных траекторий. Для частиц, движущихся в продольном направления (ось X) со спутным потоком начальная скорость vx (t=o> равна скорости потока, начальные значения vv могут приниматься равными 0.
133
сила продольного аэродинамического сопротивления Rx, подъемная аэродинамическая сила Faa.
Сила турбулентной диффузии Ft,d (как количественная мера механического взаимодействия потоков воздуха и частил пыли), приводит к интенсивному переносу пыли между элементарными объемами рудничного воздуха и Ftd возможно определить как силу, направленную на распределение частиц в пределах рассматриваемого объема воздуха. Ввиду неоднозначности вектора сил Ft d данная сила на рис. 4 не представлена.
Характер Ft d приводит к разбросу в траектории отдельных частиц относительно наиболее вероятного их движения в составе аэрозоля под действием гравиметрических сил и сил инерции. При этом важную роль Ft d играет при ее участии во взаимодействии сил по оси Y: частица витает до момента осаждения на почву при у = 0, отклонения в траекториях частиц в проекциях на оси X и Z не играют столь существенной роли. Время от начального момента (нахождения частицы в составе аэрозоля либо от начала наблюдений) до осаждения частицы называется временем витания - tv (сек).
Кроме сил, представленных на рис. 4 и Ftd, никакие другие силы в процессе витания на частицу не действуют. Так, сила, сообщившая частице импульс (например, сила воздействия
134
(3)
t.d.Y ’
резца комбайна на массив угля, в процессе которого образовавшаяся частица осуществляет движение), действовала до момента to. Результат этого действия в уравнениях (1) обозначен величиной начальной скорости частицы vo.
На основе (1), (2) в общем случае движение произвольной частицы будет описываться уравнениями:
at at
где Ft.d.x, Ft.d.Y, Ft.d.z - проекции сил турбулентной диффузии на оси X,Y,Z; Rx, Ry, Rz - проекции сил аэродинамического сопротивления на соответствующую ось координат.
Не нарушая общности рассуждений, рассмотрим случай результирующего осаждения частиц, когда осредненная за определенный промежуток времени величина результирующей подъемной силы и силы веса связаны соотношением Р > Fy: J2x _	= Q
dt2 dt
Су -d2 -у2 C d2 -v^.y dt2 dt & m
Введем обозначение:
l	С ' d • V возд.у
g =g--------------L — g —
m	8 m
С учетом (5) уравнение движения в проекции на ось Y из имеет вид:
=	= v	/ pe-x-d2 vy2
dt2 dt у dy	т *	16 т
Разделение переменных в уравнении проекции сил по оси Y приводит к выражению:
= g b2-v2 b
(4)
m
j2 2
-*'P' 'd	, м/сек2. (5)
(7)
135
rae b = = ’м/с- (8) у С,у и V	Рв $
Решение уравнения (7) относительно иу:
= vy = М(1-ехр(-2-^г-.у))	(9)
at	v	о
Учитывая, что скорость vy является первой производной от координаты Y по времени, интегрирование уравнения (9) позволяет получить закон движения частиц пыли различного а.д., двигающихся с различной начальной скоростью. Параметр а (угол наклона траектории в начальный момент времени) позволяет учесть многообразие векторов скоростей частиц в турбулентном потоке воздуха.
Разделение переменных в (9) позволяет в явном виде получить решение относительно переменной t. При интегрировании (9) в пределах значений координаты у = Н (начальный момент движения частицы) до координаты осаждения у=0 определяется время витания частицы tv:
<, = f—j- 	(10)
° Ь- J(l-exp(-2 ~ y)) V	b
Исходя из анализа полученных решений для осаждения частиц в сопротивляющейся среде и с учетом подъемной силы восходящих потоков воздуха от почвы к центру выработки, скорость частиц по (9) асимптотически стремится к величине b (8), которая имеет размерность скорости и называется предельной скоростью осаждения Vy-max. В табл. 1 приведены расчетные по (8)-(10) значения скоростей осаждения частиц в турбулентном потоке воздуха для условий металлических труб квадратного сечения (1 м2) при различных скоростях воздуха в стенде. При этом масса частиц определена по средней плотности угольной пыли рСр и по плотности в виде линейной функции а.д. частиц. Соответственно в табл. 1 приведены значения Vy-max (рср) и Vy-max (Pd)-
В соответствии с полученными зависимостями рост скорости воздуха от 0 до 0,98 vy.rnax происходит достаточно быстро -в течение первых 0,10-0,17 секунд нахождения частицы пыли
Ш Ш 04 00 40
О 00
С
оо 00 00



S S
Б
О S
I

5
X еч
сч
136
137
Таблица 2
Рост скорости осаждения частицы пыли с ал. 7 мкм Динамические параметры частицы
Время от начала осаждения, сек	0,0713	0,1012	0,1340	0,1674	0,2010	0,3683
Скорость осаждения, м/с	0,28051	0,29656	0,29839	0,29860	0,29863	0,298633
Расстояние (Y), м	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,10
во взвешенном состоянии (табл. 2), то есть при прохождении частицей первых 2-3 см в направлении почвы выработки.
Таким образом, на основании численного анализа полученных решений (табл. 2) возможно сделать вывод о близости к постоянной величине скорости осаждения частиц в турбулентном режиме проветривания за счет сил гравитации, сопротивления воздуха и подъемных аэродинамических сил. В этом случае время витания частицы 4 и горизонтальная дальность полета частицы Lrop (для условий аэрозоля -основной массы частиц) определяются из уравнений:
о
где Н - высота выработки; b параметр по (8), м/с.
L =t -V	(12)
гор v возд..х	\ж^/
В табл. 3 представлены результаты численного эксперимента по полученным зависимостям (8) - (12) для стенда высотой 1 м.
Зависимости, полученные на основании полных экспериментальных данных, фрагментарно представленных в (табл. 3), позволяют оценить дальность разлета от комбайна частиц различных фракций пыли, при этом с ростом скорости потока возрастает предельный диаметр частиц, движение которых определяется рассмотренными силами. При нулевом либо отрицательного значения в подкоренном выражении (8), движение частиц определяется силами турбулентной диффузии (ось Y) и спутным потоком воздуха (ось X). Для условий табл. 3 (с учетом параметров стенда) к таким частицам относятся: частицы 1 мкм со скорости потока 1,2 м/с и одно и двух микронные частицы со скорости 1,67 м/с.
138
139
5. Пыль в лаве 24-50 шахты им.С.М.Кирова (10 м от комбайна)
Таким образом, проведенные исследования параметров пылевой динамики для различных скоростей потока воздуха позволили уточнить зависимости (8-12), апробированные в дальнейшем в условиях горных выработок шахт Кузбасса.
Практические аспекты полученных решений: при интенсивной добыче угля и возрастающем пылеобразовании прогресс в области инструментального пылевого контроля должен сопровождаться совершенствованием нормативов и методов моделирования пылевой обстановки. Современными методами лазерного и электронно-микроскопного анализа установлено, что крупные частицы пыли с а.д. 75ч171 мкм (рис. 5) улавливаются приборами и датчиками пылевого контроля (ПКА, АЭРА, ИЗСТ-01) на рабочих местах машинистов очистных и проходческих комбайнов.
Указанные частицы грубых фракций пыли составляют от 10,1 до 27,4% по объему или 35-54% по обшей массе пыли. Это не соответствует диапазону а.д. частиц пыли, подлежащих контролю в соответствии с Инструкциями по комплексному обеспыливанию воздуха [5].
Результаты измерения запыленности на рабочих местах по фактическому содержанию частиц 1-^74 мкм оказываются значительно завышенными, возникает риск необоснованной остановки деятельности производственных участков шахт по пылевому фактору [6]. При этом резко уменьшается фактическая доля респерабельных и вредных (1-3 мкм) фракций: одна частица 200 мкм по массе эквивалентна более 15 000 000 одно микронных частиц.
Также фракционный состав пыли резко изменяется при ее движении со спутным потоком воздуха, что не отражено в существующих нормативах при расчете интенсивности пыле-отложения. Наличие современных методов расчета параметров пылевого аэрозоля и интенсивности отложения пыли в области гигиенического и производственного контроля повысит достоверность результатов измерений, снизит риски предприятий по фактору ограничений производственной деятельности, обеспечит основу достоверного учета индивидуальных пылевых нагрузок.
141
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Lebecki К. Zagrozenia pylowe w gymictwie / Glowny Instytut Gumictwa, Katowice, 2004, - 399 c.
2.	Рудничная аэрология горных предприятий / Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Медведев И.И. - М.: Недра, 1978, - 440 с.
3.	Воронин В.Н. Параметры вентиляционной струи, характеризующей эффективность выноса пыли из горных выработок. Издательство АН СССР, том I, Москва. 1953, С. 97-114.
4.	Рудничная вентиляция: Справочник/ Гращенков Н.Ф., Петросян А.Э., Фролов М.А. и др.-М.: «Недра», 1988, - 440 с.
5.	Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). Серия 5 Выпуск 11/- М.: ФГУП «НТЦ Промбезопасность», 2004. - 296 с. (Инструкции).
6.	Приказ № 451 от 5.07.2007 г. «Об аварии в филиале «Шахта Ульяновская ОУК Южкузбассуголь».: Москва. - 2007. - 16 с. ВИЗ
S.B. Romanchenko
COMPLEX RESEARCHES OF FRACTIONAL STRUCTURE OF A COAL DUST
The coal mining in high-efficiency faces leads to formation of significant volume of the dust extending in an aerosol condition and besieged in a network of developments. Alongside with perfection of means of struggle against a dust there is a necessity for authentic methods of calculations of dynamic parameters of dust aerosols. In clause results of complex experimental and theoretical researches of distribution and sedimentation of the dust, executed on new technical base that allows to investigate parameters of turbulent modes of airing are resulted.
Key words: Dust, dynamics of aerosols, fractional structure, turbulent diffusion, sedimentation, time of flight of a particle, range of flight, a trajectory of movement, speed of sedimentation.
— Коротко об авторе ----------------------------------
Романченко С.Б. - кандидат технических наук, главный горняк по комплексному обеспыливанию ОАО «СУЭК», доцент, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru.
142
---------------------------------© С.М. Романов, Г.Ф. Алексеев, 2010
УЖ 622.338
С.М. Романов, Г.Ф. Алексеев
МЕТОДОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ БАЛАНСОМ РЕГИОНА
Сбалансированное развитие добычи и потребления нефти, природного газа и угля является одной из основных государственных задач. Во многих странах успешно функционирует централизованное управление энергетическими балансами с элементами государственного регулирования. В статье изложены методологические принципы и пути совершенствования механизма формирования и управления перспективными топливно-энергетическими балансами регионов России.
Ключевые слова: топливно-энергетический баланс, энергоресурсы, спрос, потребление, управление.
Семнвар № 7
Устойчивое энергоснабжение и обеспечение энергетической безопасности страны и ее отдельных регионов является одной из основных задач органов государственного управления. Особую проблему при этом представляет достижение сбалансированного развития добычи и потребления первичных энергетических ресурсов, прежде всего нефти, природного газа и угля.
В плановой экономике проблема неравномерности распределения производства и потребления первичных энергоресурсов решалась за счет централизованного планирования и директивного установления объемов их добычи, поставки и использования. Однако за годы реформ произошел глубокий "разрыв" между постепенно усиливающейся ролью рынка и ослабевающей ролью государственного регулирования.
В СССР существовала система топливно-энергетических балансов, которая насчитывала более 25 взаимосвязанных и соподчиненных документов, разрабатываемых на единой методологической основе и обеспечивающих преемственность показателей. В ее состав входили: комплексный баланс (первичных ТЭР); сводные балансы (котельно-печного и моторных топлив); натуральные (частные и однопродуктовые) балансы.
Формально эта система балансов сохранилась и в настоящее время, однако ее функциональность резко снизилась. На
143
федеральном уровне прогнозные балансы разрабатываются и утверждаются Министерством энергетики и Министерством регионального развития. Законодательное оформление деятельности по формированию и исполнению перспективных топливно-энергетических балансов на сегодняшний день отсутствует. Утверждаемые цифры прогнозных балансов не увязаны с бюджетным процессом страны и регионов и не сопровождаются мерами, которые были бы направлены на их выполнение. В результате топливно-энергетический баланс превратился в обыкновенный статистический документ, притом не всегда корректный.
В то же время, мировая практика показывает, что во многих странах успешно функционирует централизованное управление энергетическими системами с обязательным государственным регулированием и сохранением элементов конкуренции. Например, в Германии существует закон, прямо прописывающий установление конечных цифр и отдельных позиций прогнозных балансов топлива и энергии. Особое внимание уделяется отчетности бизнеса перед государством, структурному взаимодействию государства и производителей энергии.
В США, стране, по праву считающейся флагманом рыночной экономики, фактически в ранге закона конгресс утверждает документ под названием “Национальная энергетическая политика”, где прописываются главные параметры топливно-энергетического баланса и намечаются конкретные меры по достижению этих параметров. И если ранее принятые параметры топливно-энергетического баланса оказываются недостаточно результативными, то оперативно принимается решение об изменении курса и соответствующей корректировке параметров баланса топлива и энергии.
Зарубежный опыт говорит о том, что государственный контроль за балансами топлива и энергии, основанный на методах рыночного регулирования, приводит к эффективным результатам в тарифной и ценовой политике и является основой динамичного развития производительных сил и инвестиционной привлекательности в сфере ТЭК.
Аналогичные подходы должны применяться и в России. Из справочного материала, отражающего поступление ресурсов из различных источников и их распределение по экономическим направлениям использования, баланс должен стать гиб
144
ким и адаптивным инструментом, позволяющим наглядно отразить изменения конъюнктуры рынка энергоресурсов под воздействием разнонаправленного действия внешних и внутренних факторов. Следовательно, методологический аппарат формирования балансов должен позволять не только адекватно отражать, как будет развиваться рынок при заданном сочетании внешних и внутренних факторов, но и определять, за счет изменения каких факторов удастся направить развитие рынка по желаемому пути.
Исходя из вышеизложенного, формирование топливно-энергетического баланса представляет собой многоуровневую комплексную процедуру, которая далеко не исчерпывается разработкой документа, отражающего соотношение ресурсов и распределения энергоносителей в регионах страны в кратко-, средне- и долгосрочном периоде. В составе указанной процедуры можно выделить следующие основные задачи:
-	формирование вариантов топливно-энергетического баланса под заданные сочетания макроэкономических факторов;
-	анализ полученных вариантов баланса на предмет дефицита/перепроизводства различных видов котельнопечного топлива;
-	мониторинг выполнения топливно-энергетического баланса;
-	управление топливно-энергетическим балансом.
В условиях рыночной экономики критерии формирования топливно-энергетических балансов, как отдельных регионов, так и государства в целом существенным образом изменились. Сегодня объемы потребления котельно-печного топлива определяются не только потребностью в конкретных энергоносителях, но и наличием соответствующих финансовых ресурсов для их приобретения. В свою очередь, объемы производства различных видов КПТ зависят не столько от производственных возможностей, сколько от наличия экономически эффективных рынков сбыта.
Традиционно балансовая модель строится на решении оптимизационной задачи распределения имеющихся ресурсов. Однако в случае преобладания среди производителей и потребителей энергоносителей частной и корпоративной собственности поиск оптимального решения должен осуществляться с
145
учетом интересов отдельных компаний (как поставщиков, так и потребителей энергоресурсов). От того, в какой мере сформированные перспективные топливно-энергетические балансы соответствуют реалиям рыночной экономики и интересам компаний, напрямую будет зависеть их жизнеспособность и адекватность.
В зависимости от складывающейся ситуации и задач, стоящих перед исследователем, при анализе результатов и формировании итоговых балансов могут использоваться различные методологические подходы.
При необходимости оценить угрозу дефицита различных видов котельно-печного топлива внутреннее потребление КПТ в регионе принимается равным прогнозному спросу. Тогда в случае недостатка ресурсов для покрытия региональной потребности баланс имеет отрицательное сальдо, которое указывает величину дефицита. Такой подход позволяет определить регионы, в которых может возникнуть нехватка котельно-печного топлива, а также понять, какого именно вида КПТ будет не хватать.
/Зля определения наиболее вероятных при складывающейся на рынке ситуации объемов удовлетворенного спроса внутреннее потребление принимается равным разности между совокупным объемом поставок угля в регион, включая собственное производство, и вывозом угольного топлива из него. При этом обратным счетом можно оценить снижение выработки электроэнергии и темпов развития экономики региона от недопоставки энергоносителей.
В случае, когда необходимо установить потребные объемы производства различных энергоресурсов, обеспечивающих бездефицитный баланс, статья «Производство» рассчитывается по формуле: «Внутреннее потребление» + «Вывоз» - «Ввоз», т.е. фактически отражает складывающийся спрос на различные виды котельно-печного топлива по регионам.
/Зля определения объемов дефицита или перепроизводства различных энергоносителей их производство принимается в соответствии с прогнозом предложения. При этом в случае недостатка ресурсов для покрытия региональной потребности баланс имеет отрицательное сальдо (дефицит баланса), а при избытке -положительное (перепроизводство).
На основании сопоставления ресурсов и распределения различных видов котельно-печного топлива делается вывод либо о соответствии приходной и расходной части баланса, либо о на
146
личии в данном регионе дефицита или избытка энергоресурсов. При отсутствии диспропорций полученный вариант баланса может быть принят в качестве ориентира. В противном случае, необходимо проанализировать причины возникновения дефицита или избытка энергоресурсов и наметить меры по их преодолению за счет различных управляющих воздействий на рынок.
При этом полученный вариант топливно-энергетического баланса не является догмой, а представляет собой лишь предмет лля дальнейшего анализа. Какая бы совершенная методика не применялась бы при формировании перспективного топливно-энергетического баланса, он все равно носит вероятностный характер, т.е. расчетные объемы дефицита или перепроизводства энергоносителей справедливы лишь при реализации заданных при моделировании сочетаний макроэкономических факторов.
Обшее количество вариантов, как спроса, так и предложения энергоносителей весьма велико (десятки и, даже сотни вариантов), а число комбинаций итогового баланса - еше больше. Решение такой объемной задачи, хотя и возможно технически, но слишком трудоемко, и при этом из-за дальнего горизонта прогнозирования оно не гарантирует абсолютного совпадения какого-либо варианта прогнозного баланса с фактическим.
Практически неизбежно возникает разрыв между представленными модельными расчетами региональных топливно-энергетических балансов и более сложным процессом реального развития энергетического сектора. Наиболее негативное проявление данного разрыва заключается в быстрой потере актуальности конкретных оценок и рекомендаций, невозможности использования разработанных балансов в качестве оперативного руководства по управлению развитием ТЭК страны под воздействием новых событий и незапланированных проблем.
Более эффективным способом согласования спроса и предложения в долгосрочной перспективе представляется использование всего двух граничных вариантов прогнозного топливно-энергетического баланса - минимального и максимального. Указанные варианты формируются на основании ориентиров официальных прогнозов, подготовленных государственными органами управления.
На основании минимального варианта прогнозного топливно-энергетического баланса устанавливаются обязательные ориентиры развития производственных мощностей и добычи. При
147
этом регионы-производители, вошедшие в минимальный вариант баланса, представляют собой эффективное ядро ТЭК.
На основании максимального варианта прогнозного топливно-энергетического баланса устанавливаются предельные ориентиры развития производственных мощностей и добычи. При этом, если указанные ориентиры не достигаются (баланс является дефицитным), то производится корректировка прогнозных объемов потребления энергоресурсов в сторону понижения, в том числе за счет использования механизмов энергосбережения.
После построения минимального и максимального вариантов прогнозного топливно-энергетического баланса в найденных допустимых границах производится имитационное моделирование изменения спроса и предложения по каждому региону-производителю и региону-потребителю. На основании результатов моделирования определяются регионы-производи-тели, за счет наращивания добычи в которых происходит переход от минимального к максимальному варианту прогнозного баланса, и регионы-потребители, в которых возникают наибольшие риски недопоставки энергоносителей при интенсификации спроса на КПТ. При этом рыночные принципы координации хозяйственной деятельности должны дополняться управляющим воздействием со стороны государства, его федеральных и региональных структур, а также различных субъектов рынка топливно-энергетических ресурсов.
Обоснование целесообразности корректировки складывающихся тенденций развития региональных энергетических рынков следует основывать на сравнительной оценке эффективности рассматриваемых мероприятий по соотношению «затраты - эффективность». При этом эффективность должна пониматься в широком смысле - не только чисто экономическом, но и в смысле уменьшения рисков различного рода, что требует применения методов многокритериального анализа.
/Зля оценки экономических последствий от диспропорций региональных топливно-энергетических балансов необходимо использовать как методы прямого счета (объем невыпущенной продукции, затраты на устранение энергетических и социальных кризисов, компенсации населению и промышленным предприятиям, выплаты по страховым и судебным искам и т.д.), так и экспертные методы. Последние играют ключевую роль при оценке косвенного ущерба, а также долгосрочных последствий от дефицита или перепроизводства различных энергоносителей.
148
Наибольшими возможностями для изменения перспектив развития региональных топливно-энергетических рынков обладают органы государственного управления. Для преодоления диспропорций перспективных региональных топливно-энергетических балансов ими может быть использован ряд мер экономического, нормативно-правового и административного характера.
С позиций государства разработка мероприятий, корректирующих складывающиеся тенденции развития топливно-энергетического рынка страны в целом и ее отдельных регионов, обусловлена необходимостью: обеспечения стабильного функционирования энергетики; формирования топливно-энергетическими компаниями внутренних финансовых ресурсов для текущей деятельности и инвестиций; предотвращения социальных конфликтов, вызванных перерывами в энергоснабжении.
Предварительная оценка влияния указанных выше управляющих воздействий со стороны государства на прогнозный топливно-энергетический баланс осуществляется за счет внесения соответствующих изменений при формировании вариантов балансов в параметры моделей прогноза (отпускные цены, транспортные тарифы, закупочные цены), а также использования в процессе расчетов дополнительных ограничений (ограничение импорта, экспорта, добычи, потребления и т.д.).
Следует оговориться, что речь не идет о директивном управлении объемами добычи частных компаний. Государство должно дать четкие ориентиры относительно уровня спроса на энергоносители на внутреннем рынке в кратко-, средне- и долгосрочной перспективе, а компании ТЭКа могут принять или не принять указанные ориентиры.
Если совокупность управляющих воздействий позволила требуемым образом изменить прогнозный топливно-энергети-ческий баланс, то данная последовательность может быть зафиксирована, как программа действий на случай реализации рассматриваемого сценария развития. Лучшим при этом считается мероприятие (или их совокупность), которое при минимальных затратах позволяет максимально сократить выявленные диспропорции перспективных региональных балансов ТЭР.
Разработка всего комплекса управляющих воздействий на прогнозный топливно-энергетический баланс страны и ее отдельных регионов, методов их поиска и оценки, учитывающих их
149
взаимосвязь и обеспечивающих достижение искомых результатов в максимально сжатые сроки и с минимальными затратами, представляет собой особо актуальную народнохозяйственную проблему. Применение предложенных принципов формирования и управления перспективными топливно-энергетическими балансами позволит обеспечил» максимально эффективное использование природных топливно-энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для роста экономики и повышения качества жизни населения, а также энергетическую безопасность нашего государства.
-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Романов С.М. Использование балансов угля в управлении развитием угольной отрасли. //ГИАБ. - 2002. - №3. - С. 88-91.
2.	Романов С.М. Методологические основы моделирования угольного рынка. //ГИАБ. - 2003. - №2. - С.70-72.
3.	Романов С.М. Методология формирования и управления прогнозными региональными балансами энергетических углей. - М., МГГУ, 2004. 120 с.
4.	Романов С.М. Прогнозирование спроса электростанций на котельно-печное топливо в условиях свободного рынка энергоресурсов. Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. - 2004. №1. - М., Издательство Московского государственного горного университета. 8 с. ЕНЗ
S.	M. Romanov, G.F. Alekseev
METHODOLOGY OF FORMATION AND MANAGEMENT OF REGIONAL ENERGY BALANCE
The balanced development of production and consumption of oil, natural gas and coal is a major state task. In many countries the centralized management of energy balances with elements of state regulation successfully functions. This article contains methodological principles and ways of perfection of formation and management of perspective energy balances in Russia.
Key words: energy balance, power resources, demand, consumption, management.
— Коротко об авторе --------------------------------------------
Романов С.М. - проректор, по научно-исследовательской и инновационной деятельности, профессор, доктор экономических наук, E-mail: romanov@msmu.ru
Алексеев Г.Ф.- профессор,
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
150
© Н.Н. Чаплыгин, 2010
УДК 622.014
Н.Н. Чаплыгин
ФАКТОР «НЕВОЗМОЖНОГО» В ПРЕДСТАВЛЕНИИ ОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ РАЗВИТИИ
Рассмотрены вопросы усиления экологической роли новых производственных технологий на жизнедеятельность мирового сообщества. Произведен анализ базового состава компонентов, обеспечивающих динамичное сосуществование и взаимодействие природы и человека.
Ключеаые слова: экология, природная среда, биосфера, эволюция, освоение недр..
Семинар № 8
В области горной экологии следует считать вполне очевидными те кардинальные расхождения, какие сложились между научными воззрениями и хозяйственной экологической практикой. Также мало общего обнаруживается при сопоставлении традиционных для общества ожиданий благоприятных долгосрочных экологических перспектив с тем, что логично следует из содержательного рассмотрения основных факторов существования природы и человека.
Во многом по этой причине в отношении взаимодействия биосферы и общества существует широкий разброс мнений ученых и специалистов. Здесь можно видеть и надежды одних на усиление «положительной экологической роли» новых производственных технологий, в том числе технологий будущего, до сего времени не известных, и уверенность других в способности мирового сообщества повернуть вектор глобального развития в сторону обеспеченной экологической безопасности (сохранения биосферной устойчивости).
В данной статье также предлагается рассмотреть экологические возможности человеческого развития, но с новой позиции. Новизна состоит в том, что в основание для рассуждений положены не надежды людей и статистические выводы относительно сохранения на неопределенную перспективу тех трендов, какие формируются по результатам положительного решения человечеством своих частных проблем в прошлом и настоящем. Опору в таких рассуждениях составят общие для человеческого вида непреложные, факты существования «границ возможного», реальных обстоятельств
151
жизни, накладывающих на людей и общество в целом непреодолимые ограничения.
Такое значение обстоятельства приобретают по той причине, что для их преодоления человек, независимо от уровня своего развития, никогда не сможет располагать необходимыми возможностями.
Представление об аргументах такого рода возникает из анализа базового состава компонентов, обеспечиваюших динамичное сосуществование и взаимодействие природы и человека. Общим для всех названных компонентов является то, что каждый из них несет в себе свойство особого рода, а именно постоянство проявления своей неустранимое™ в течение всего время существования человека как биологического вида, как функции биосферы.
Рассмотрим их содержание.
1.	Экологическая проблема как выражение постоянного процесса взаимодействия человека и природы.
Из сопоставления параметров взаимодействия биосферы и техносферы по состоянию на конец XX столетия, приведенных в [1], следует, что биосфера, значительно превышающая техносферу по эффективности функционирования, вытесняется последней, причем эти геосферы уже близки по массе и по территории, занимаемой той и другой. Опасность этого явления заключается в том, что в результате окружающая человека среда со временем все более деградирует. По данным данной работы можно также судить о динамике процесса вытеснения биосферы. Важно заметить, что увеличение нагрузки на биосферу опережающим темпом превышает рост населения.
Исследованиями многих ученых (среди них Арский Ю.М., Горшков В.Г., Данилов-Данильян В.И., Кондратьев К.Я., Досев К.С., Реймерс Н.Ф. и др.) подтверждается тот факт, что человечество в своей деятельности многократно превысило допустимую нагрузку на природную среду. Например, предел возмущения естественной биоты по такому интегральному показателю как потребление человеком ее чистой первичной продукции составляет 1%, но к концу XX века ее потребление достигло 10% при попутном разрушении еще порядка 30% 12].
Подобные изменения окружающей человека природной среды дают отчетливый сигнал о реальной угрозе существованию общества.
152
Из сказанного можно заключить, что:
-	в каком бы направлении и в каких бы формах ни происходило развитие цивилизации, и от каких бы факторов оно ни зависело, эволюции общества закономерно сопутствует формируемый им техногенез, реакция же биосферы адекватна характеру последнего;
-	экологические результаты развития человека могут получить объективное сводное выражение и оценку только по результатам непрерывно совершающегося глобального физического взаимодействия природной и технической геосфер;
-	в указанном взаимодействии состоит постоянная первопричина глобальной экологической проблемы. Она представляет собой одну из составляющих и, вместе с тем, характеристику такого взаимодействия как процесса, и по этим причинам в принципе неустранима для человечества в течение всего времени его существования независимо ни от каких локальных положительных достижений в сферах охраны окружающей среды и рационального природопользования.
2.	Биосфера как константа. Естественная биосфера с течением времени изменяется в параметрах и свойствах, она демонстрирует по отношению к сфере человеческой деятельности постоянство в одном - в абсолютном системном совершенстве собственной организации, уровень которой невозможно достигнуть при попытках искусственного воспроизведения и регулирования биосферы.
Известны весомые аргументы [2], убеждающие в том, что у человека нет никаких шансов овладеть в сколько-нибудь обозримом будущем возможностью оперировать в необходимой мере потоками информации, проходящими через живое вещество, контролирующее биосферу.
Существует и энергетическое обоснование практической невозможности техногенной регуляции окружающей среды. В указанной работе показано [с. 181], что в случае такой попытки порядка 99% энергетической мошности человеческой цивилизации и 99% труда самого человека, направленного на управление мощностью цивилизации, будут затрачиваться только на стабилизацию окружающей среды. Это не оставляет обществу достаточных ресурсов для дальнейшего развития.
Данное свойство естественной биосферы - непревосходи-мое искусственным путем совершенство - сохраняется при
153
всех возмущениях ее состояния под действием природных и техногенных воздействий.
Управление природой человеку не под силу при любом уровне его интеллекта и технического развития. Это закономерно. Человек представляет собой, по выражению акад. В.И. Вернадского, определенную функцию биосферы, ее часть, а часть по определению не может быть в состоянии управлять целым. Одним из объяснений этого является закон необходимого разнообразия, согласно которому управляющая система должна быть разнообразнее управляемой, у нее должно быть больше степеней свободы. Чтобы иметь возможность управлять биосферой, человеку необходимо приобрести способность выйти из биосферного процесса и занять для управления более высокую позицию за его пределами. Однако, такая ситуация в реальности невозможна даже теоретически.
На этом основании совершенство биосферы по отношению к человеческим способностям принято здесь за «непреодолимую границу возможного».
3.	Константа «эволюции человека». Здесь необходимо обратить внимание на изменение роли человека в разрешении объективно складывающегося экологического положения дел в силу того, что, пребывая субъектом экологического управления, он становиться его первостепенным по важности объектом. Это предполагает направленное по его разумению изменение самого сознания человека, его мировоззрения, воспитания, и поведения.
Данное обстоятельство вынуждает рассмотреть принципиальный вопрос - существуют ли для этого объективные предпосылки. Ответ на него может быть получен в результате изучения закономерной направленности эволюции человека.
Эволюция живого, как известно, происходит путем освоения (закрытия) различными организмами экологических ниш, как бы понуждая каждый из них к новым физиологическим «изобретениям». Экологическая ниша, по Реймерсу Н.Ф. [3], это место вида в природе, включающее не только положение вида в пространстве, но также его функциональную роль в биологическом сообществе и положение относительно абиотических условий существования.
Претерпевая процесс эволюции, человек на протяжении всей своей истории приспосабливался к изменяющимся био
154
сферным условиям, главным образом, посредством такого «изобретения», как цефализация - эволюционно обусловленного увеличения и развития мозга и важных функций нервной системы, включая прогрессивное усложнение сознательной деятельности человека [4]. Принцип цефализации был сформулирован американским геологом и палеонтологом Джеймсом Дана (1813-1895). Акад. В.И. Вернадский относил обоснование данного принципа к 20-и наиболее значительным достижениям в естествознании [5].
В течение эволюции любые органы биологического организма могут измениться и преобразоваться, но никогда при всех превращениях не исчезает и не деградирует головной мозг. Цефализация - направление эволюции живых организмов в сторону обособления мозга, увеличения его веса и усложнения организации, развития структур, ответственных за речь и тонкое различение объектов и понятий.
На определенной ступени развития человека именно цефализация позволила ему преодолеть грань, отделяющую возможность «использовать случайный шанс» в сложившейся без его участия ситуации от «изобретения» и «организации» как форм преднамеренной деятельности. Особую роль головного мозга в эволюции человека подчеркивает то обстоятельство, что вес мозга составляет всего лишь 2% от веса его тела, потребляет же он около 20% получаемой организмом энергии.
Развиваясь по этому пути, человек превратился по отношению к биосфере в крупнейшую, по акад. В.И. Вернадскому, геологическую силу. Но ее проявление оказалось особенным. Действие этой силы всегда целенаправленно, оно в биосфере созидательно только в отношении самого ее обладателя - человека, концентрируясь не только на сохранении его жизни и здоровья, но и на достижении наибольших результатов в использовании всех окружающих его доступных ресурсов. В таком применении своей силы человек игнорирует все, чем он по разным причинам либо не в состоянии управлять, либо не считает целесообразным это делать.
С проявлением в человеке такой избирательной способности по-новому обозначилось его дальнейшее развитие, в ходе которого он принципиально противопоставил себя биосфере. Суть противопоставления состоит в следующем.
155
Все виды живых организмов, за исключением человека, осваивают те экологические ниши, образующиеся с изменением природных условий, которые соответствуют их специфическим свойствам как живых веществ или существ и присушим им «по природе» конкурентным возможностям. Именно таким образом получала развитие их дифференциация.
Лишь человек, в отличие от всего иного живого, «свертывает» для себя все природное дифференцированное многообразие условий существования в одну интегрированную экологическую нишу, какой в настоящее время является доступная ему часть биосферы в целом. Осваивание им экологически разнящихся природных компонентов происходит путем дифференциации в человеке не столько морфологических, физиологических признаков его организма, сколько представляющих, по сути, его самого технических средств, включая при необходимости в качестве таковых и отдельных подходящих микро- и макро-представителей живого мира.
Техника представляет человека в его взаимодействии с окружающей природой. Под техникой будем понимать, следуя [6], последовательное применение научных и иных видов систематизированных знаний для решения практических задач.
Дифференциация технических средств по их назначению и условиям использования углубляется и дополняется в жизни человека в силу такого фактора, как общественное разделение труда и вообще - процесса глобализации.
Человек проявляет себя как весьма консервативное существо, не изменяющее в течение всей своей истории присущей ему генетической запрограммированности. Она требует от него осмысленного подчинения себе природной среды, применяя для этого возрастающую силу своего интеллекта, нацеленного на наиболее экономное выполнение посредством техники внешней работы (здесь под интеллектом понимается все то, что позволяет довести генетически заложенную программу поведения до требований реальной среды).
Тем самым, благодаря цефализации, человек предстает перед всем фундаментально отличным от него биологическим сообществом единственным существом, которое реализует свои развивающиеся возможности, дифференцируя их в себе - путем усложнения работы мозга, а вне себя - техническими средствами. Это позволяет наиболее полно реализовать эволюци
156
онно закрепленную в человеке цель его существования - увеличение степени личной свободы преднамеренной деятельности.
Индивидуальные положительные генетические, морфологические и физиологические изменения, закрепляясь в человеческом организме с течением времени силой обратных связей, формируют процесс собственно цефализации всего биологического вида, чему объективно способствует широкое распространение того, что сейчас именуется новой техникой.
На этом основании возможен такой вывод: человек лишь тогда может считаться им в полной мере, когда он способен продолжить линию эволюции своего вида наиболее эффективным способом, а именно таким, который доставляет наибольшую возможность для цефализации - развития мозга, для совершенствования его организации и функционирования.
Поскольку практические результаты мыслительной деятельности человека находят, в конечном итоге, свое завершенное выражение в технике (в принятом здесь широком ее понимании), то можно видеть, насколько органична, значительна, объективно сложна и, вместе с тем, противоречива роль техники в жизни человека.
В ней он обретает опору для эволюции и в значительной степени гарантии существования своего биологического вида. В технике человек выражает себя в интеллектуальном отношении, воплощая в ней итоги мыслительного процесса. Посредством ее он приобретает материальные и виртуальные средства для своего бытия. Однако, вместе с тем, техника взаимодействует с биотой и накладывает все более значительные ограничения на естественные условия существования как ее самой, так и каждого из сообщества людей. Этим она обременяет человека, его мозг и вынуждает его изобретать необходимые искусственные инструменты и способы продолжения жизни, то есть новую все более разнообразную технику.
4.	«Ресурсно-технологическая» константа. Цефализация, как мы видим, позволила человеку создать особые средства, облегчающие ему существование в изменяющемся мире тем, что дало возможность выполнять с помошью техники все больший объем внешней работы.
Сам человек обладает невысокой собственной энергетической мощностью (мощностью метаболизма) - порядка 100 -
157
300 Вт. Тем не менее, она оказывается вполне достаточной для того, чтобы создать и привести в действие технику, энерговооруженность которой превышает его внутреннюю несоизмеримо. Такая изобретенная человеком трансформация внутренней энергии в энергию внешнюю оказалась чрезвычайно эффективной.
Однако, очевидно, что как нет экологических проблем вне взаимодействия биосферы и техносферы, так и нет взаимодействия без обмена физическими ресурсами между обеими геосферами.
Выполняемая человеком за счет указанной трансформации колоссальная внешняя работа стала возможной только ценой использования в применяемых различного рода технологиях биосферных ресурсов в количестве, соразмерном выигрышу в энергии. В ресурсном же отношении взаимодействие человека и природы не только не эффективно, но и отличается высокой расточительностью.
Наши предыдущие исследования показали следующее [7]:
-	освоение месторождений полезных ископаемых на базе существующего, традиционного технологического уклада происходит по выраженному экстенсивному типу, когда прирост производства товарной продукции отстает от обусловившего его прироста совокупного объема основных производственных ресурсов;
-	в соотношении факторов развития производства, экстенсивных (за счет увеличения только физических объемов применяемых ресурсов) и интенсивных (в силу более высокого научно-технического уровня производства), влияющих на изменение ресурсной продуктивности получения товарной продукции в минерально-сырьевом секторе отечественной экономики, первые из них доминируют во всех случаях, их доля колеблется от 80 до 100%;
-	фактором, определяющим в наибольшей мере уровень ресурсной продуктивности горных технологий, во всех случаях являются основные производственные фонды, то есть материально-технические ресурсы;
-	материально-технический фактор действует со временем (то есть с понижением горных работ) таким образом, что природные ресурсы совместно и каждый вид в отдельности испытывают возрастающую техногенную нагрузку;
158
-	с позиции ресурсной продуктивности повышение единичной мошности горной техники, традиционно рассматриваемое как основное направление ее совершенствования, представляет собой, также как и для производства в целом, процесс экстенсивного типа, поскольку увеличение единичной мошности машин требует опережающего роста ресурсного обеспечения.
На примере этих конкретных научных фактов можно убедиться в том, что высокая эффективность использования человеком с помощью традиционной техники собственной, внутренней энергии «для себя» не подкрепляется столь же эффективным способом существования человека в биосфере, как биологического вида. Выигрыш человека в расходовании собственной энергии на достижение необходимых результатов достигается ценою соответствующего «проигрыша» биосферы в ресурсах. В этом отношении интересны машины, рассматриваемые как подражательные изобретения [8].
Несмотря на стремление человека к наиболее полной и содержательной имитации, процессы, воплощаемые им в технике, по своему содержанию, назначению и способу выполнения коренным образом отличаются от аналогичных им природных прототипов, поскольку первые из названных разомкнуты с биосферой, отторгнуты от нее как единого целого, более того, технические процессы противопоставлены ей.
Исходя из этого, можно говорил» о том, что субъективные интересы человека, удовлетворяемые с помощью техники, не следуют из законов природы, в силу которых биосфера остается в целом замкнутой и поэтому устойчивой, а противоречат им.
«Подражательность» в конструировании машин открывает человеку возможность с высокой эффективностью использовать собственную энергию на выполнение для себя внешней работы, но приводит, вместе с тем, к перерасходу ресурсов биосферы и нарушению тем самым ее природной упорядоченности и устойчивости.
Совершенствование техники, осуществляемое в традиционных формах, не только не смягчает конфликт между природой и человеком, но и обостряет его.
Следовательно, техногенная эволюция (техногенез) с неизбежностью сокрашает необходимое для жизни природное ресурсное пространство.
159
В этом сокращении присутствует важная особенность. Она заключается в том, что техногенез не в одинаковой степени «чувствителен» к ресурсам биосферы; некоторые из них исчерпываются быстрее, принимая во внимание их доступность, дефицит в других ощущается менее остро.
Таким образом, на современном уровне совершенства материально-технического базиса цивилизации ресурсно-технологические показатели свидетельствуют, судя по такому виду деятельности как освоение недр, о его выраженном экстенсивном типе развития. Повышение уровня этого базиса определяется возможностью снизить ресурсоемкость техногенеза в рамках его непреодолимого экстенсивного характера в целом.
5.	Константа «Освоение недр». Человек осваивает нашу планету как экологическую нишу таким образом, что место для ее освоения другими обитателями Земли непрерывно сокращается. Он с помощью техники расширяет для себя жизненное пространство, в котором может существовать как на Земле, так и за ее пределами, использует открываемые им с помощью техники новые возможности и закрепляет их за собой техническими средствами для собственного дальнейшего повсеместного пребывания.
В результате человек может, в принципе, находиться в меру технических возможностей повсюду в биосфере и даже за ее пределами и в любых природных средах, которые он способен преобразовывать (или изолироваться от них) для собственных нужд. Это позволяет ему реализовать посредством техники самые различные свои функции - геологическую, геохимическую, биохимическую и другие.
Ему недоступна только одна функция - биосферная.
Осваивая Землю и околоземное пространство, человек нуждается в технике. Создание же техники для расширения человеком границ техносферы и укрепления в ней своего положения требует ресурсов различных видов. Осуществляя техническое строительство, он употребляет для этого, осваивая недра, широкий ряд незаменимых ресурсов фундаментального значения.
Отсюда следует, что освоение недр является компонентом общего эволюционного процесса. Оно представляет собой, по сути, выполнение человеком генетически заложенной в нем и реализуемой с помощью цефализации функции, назначение
160
которой состоит в обеспечении своего существования путем использования вещества недр для создания необходимых орудий труда и сооружений.
Поскольку освоение недр находится в начале всей хозяйственной цепи мировой экономики, то обусловленная именно этим видом деятельности экологическая проблематика выражает для человека «первородное» содержание всего явления взаимодействия биосферы и техносферы.
Распространено мнение, что наиболее логичная и более всего спасительная реакция общества на формирование такого бытия - это последовательно расширяемая и углубляемая самоорганизация общества с целью его «коэволюции» с окружаюшей природной средой. Признание за обществом роли не только субъекта экологического управления, но и объекта, организация и целеполагание которого подлежит направленному изменению, свидетельствует о том, что общественное сознание поднялось на новый, более высокий уровень.
Не исключает значения общественной самоорганизации и концепция известной «биотической регуляции окружаюшей среды» [2], в научном отношении наиболее аргументированная в настоящее время из всех известных подобного рода. Ее основная мысль заключается в том, что возможность выживания человечества состоит в восстановлении на большей части территории планеты естественной биоты в масштабах, достаточных для сохранения ее способности к саморегуляции окружаюшей среды в глобальных масштабах. Иными словами, следуя этой концепции, человечеству предлагается вернуться в выделенный ему законами устойчивости биосферы коридор для развития, границы которого в глобальном масштабе уже научно оценены и обоснованы.
Как видно, концепция биотической регуляции исходит из необходимости ограничения пространственного развития техносферы, установления соответствующих ему пределов биосферных изменений и постоянного поддержания вполне определенного соотношения обеих геосфер.
Конечно, подобный сценарий потребует от человеческого сообщества решения многих грандиозных по масштабу и сложности проблем самоорганизации его жизни и деятельности. Но, по нашему мнению, если и существует теоретическая воз
161
можность биотической регуляции окружающей среды, то она обусловлена, прежде всего, соответствующим ограничением потребления человеком природных ресурсов, в том числе георесурсов. А это может быть достигнуто не иначе, кроме как на базе техники нового поколения, значительно более высокого уровня в параметрах ресурсоемкое™.
Иными словами, переход общества в экологическое состояние, отвечающее возможности биотической регуляции, не может состояться вне адекватных технологических сдвигов (выигрыш в экологическом качестве природной среды не бесплатен, он «оплачивается» экологическим совершенством новой техники). Но, как было показано выше, реализация таких сдвигов обусловлена опережающим совокупным ростом потребления различных видов обеспечивающих ресурсов, в том числе и биосферных.
Вместе с тем есть и другое обстоятельство, в свете которого ограничение развития техносферы для сохранения устойчивости биосферных процессов выглядит проблематичным, и это обстоятельство связано со спецификой недр, как объекта хозяйственного использования. Ресурсы недр, во-первых, всегда территориально локализованы и, во-вторых, они конечны, будучи ограниченными пределами таких локальных участков. Поэтому исчерпание одних источников требует вовлечения в эксплуатацию иных, расположенных на других, как правило, все более отдаленных территориях, где сохранились естественные или мало измененные освоением экосистемы.
Положение усугубляется закономерным проявлением обшей тенденции к снижению содержания полезных компонентов в извлекаемых из недр ресурсах, усложнению их вещественного и химического состава, перемещению горных работ на большие глубины. Все это приводит, в конечном итоге, к возрастанию объемов добычи и переработки полезных ископаемых для производства единицы товарной продукции и, вместе с тем, отходов.
По этим причинам развитие природной минерально-сырьевой и топливно-энергетической ресурсной базы сопровождается непременным техногенным освоением новых площадей (в среднем 10 тыс. га на одно горное предприятие по добыче твердого полезного ископаемого), чему неизбежно сопутствует угнетение на них экосистем.
162
Из этого следует, что техногенное преобразование недр при любой технологии их освоения в принципе не может не иметь пространственного расширения, которое, постепенно охватывая всю планету, с неизбежностью сокращает плошали, занятые естественной биотой, и деформирует новые участки геологической среды, изменяя ее природные свойства.
6.	Экономическая константа. В том, как осуществляется пользование недрами в настоящее время, основным побудительным мотивом повсеместно является рыночный интерес, стремление пользователя недр удовлетворить запросы потребителя полезных ископаемых экономически наиболее эффективным способом в складывающихся рыночных условиях.
Такой подход имеет глобальное распространение, и его суть выражается как «полное удовлетворение рыночного спроса на ресурсы недр». Соответственно, горное производство рассматривается, прежде всего, с тех позиций, с которых наиболее полно открываются возможности управлять процессом формирования стоимости производимой продукции.
Рыночное хозяйствование нечувствительно к угрозам для человека, исходящим от изменяемой им биосферы. Этот факт известен в современной экономической теории, как один из видов «провалов рынка», когда в рыночной цене товаров и услуг автоматически не отражается экономическая цена природных ресурсов. С провалами рынка тесно связаны внешние «экстерналии» - например, такие экологического характера последствия деятельности субъектов производства для третьих лиц (в частности, населения), которые ухудшают их положение [9].
Биосфера «не понимаер» языка экономики, она существует в силу не социально-экономических, а иных, естественных законов, и изменяется под действием человека, нарушающего своей деятельностью эти законы. Действительное взаимодействие биосферного и технического начал своего бытия он обнаруживает как процесс ресурсного обмена (замещения), причем, и прежде всего, на технологическом уровне. Именно ресурсное взаимодействие обеих геосфер - первичный и единственный источник общественного экологического неблагополучия, проявляющегося во всех возможных видах и случаях.
Поэтому экологическая сторона взаимного влияния биосферы и техносферы (главным образом техники) не может быть с достаточной логической полнотой описана, объяснена и
163
оценена в стоимостных категориях. Поэтому обществе, инициирующем техногенез и поддерживающем его развитие, экологические отношения, основанные не на рыночных, а на ресурсных оценках результатов человеческой деятельности, остаются невостребованными и поэтому не имеют до сих пор каких-либо механизмов регулирования.
В указанном несоответствии наглядно выражается такая свойственная только человеку особенность его поведения, как стремление наиболее полно реализовать генетически закрепленную в нем цель существования - не ограниченное условиями биосферной устойчивости увеличение степени личной свободы преднамеренной деятельности.
Неустранимое стремление именно к такой деятельности отделило в человеке работу «на себя» в человеческом сообществе от работы «на себя», как биосферного существа, и сделало первую приоритетной.
Желаемый по биосферным условиям переход человека на существование в рамках природно-ресурсных ограничений противоречит генетической определенности такого развития его самого, какое предполагает минимизацию с помощью техники выполняемой им внешней работы.
7.	Время, как константа. Независимо от того, как понимается, в чем и как раскрывается время, ясно, что человек в результате своей деятельности, направленной на обустройство своего существования в природе путем целенаправленного использования ее ресурсов, создал по отношению к биологическому времени новый для себя ритм жизни. И этот ритм - ритм функционирования техносферы. Его задает вся масса согласованно управляемой человеком работающей техники, в таком ритме фиксируется последовательность смены ее состояний.
Техносфера, получая развитие с введением в действие новой техники, инициируемое и направляемое человеком, сама отсчитывает свое время согласно собственному ритму.
Человек в ходе эволюции оказывается в качестве инициатора техносферного преобразования, все более охваченным этим ритмом, распространяющим его на динамику взаимодействия с биосферой.
Сказанное важно в том отношении, что в ходе эволюции человек приобрел такую мощь, проявляемую в давлении на биосферу, какая позволяет его сравнивать с геологической силой.
164
Он, рассматриваемый как организм, появившейся в биосфере как ее часть и существующий как ее функция, закономерно подчиняется ритму, задаваемому биохимическими процессами. Именно ими определяется для человека биологическое время. Течение этого времени остается неизменным на протяжении миллионов лет, что позволяет некоторым исследователям рассматривать биологическое время как абсолютное для мира живого. В этом времени длится биологическая жизнь человека, происходит физиологическое обеспечение его деятельности.
Существование человека в биологическом времени подчеркивает в нем общность с миром всего живого, но бессознательного.
Рассматривая же человека как существо, обладающего сознанием, надо отметить, что операционное поле человеческого разума не находится под влиянием только биологического ритма. По ходу биологического времени человек, воздействуя посредством техники по своему усмотрению на биосферу и на самого себя, принужден к существованию еще и в ином ритме, свойственном миру искусственного, созданному им самим. Это заставляет его приспосабливаться ко времени, в котором фиксируется изменение и длится развитие техники и техносферы в целом.
Такое время - абсолютное технологическое, оно задается новыми машинами, пополняющими и развивающими общественную (глобальную) технологию. Технологическое время синхронизирует собой всю совокупность материальных процессов, в каких раскрывается человеческая жизнь и деятельность.
Размеренность жизни людей, задаваемая работающей техникой, зависит не только от достигнутого общего уровня интеллектуальной, экономической и технической моши человечества, но и тех запросов, какие возникают у человека в отношении будущего своего состояния. Поскольку, как известно, разнообразная мощь всего сообщества возрастает в общем случае с ускорением (различным по отдельным ее компонентам), то и абсолютное технологическое время ускоряет свое общее течение с развитием техносферы, с глобализацией.
Обе формы проявления времени - биологическая и технологическая - не имеют никакой скорости хода относительно Друг друга, они независимы в силу разной своей природы. Их
165
рассогласованность объективна, неустранима и постоянна в том, что расхождение скоростей течения каждого времени может только увеличиваться.
Двойственность времени, в каком существует человек, имеет последствия и для него самого, и для биосферы.
Жизнь одновременно в двух временных измерениях добавляет человеку ряд и требований, и возможностей, не свойственных ему по биологической природе. Среди требований -стандарты поведения и организации, а также темп жизни, и все это должно соответствовать развивающейся технике. Возможности же следуют из способности человека все более разнообразно воздействовать «технически» на свой организм, поддерживая различными приемами и средствами здоровье, искусственно продлевая жизнь и находя для себя новые логические возможности существования в изменяющихся биосферных условиях.
Человек переносит эту рассогласованность на геологические процессы по мере того, как он - геологическая сила -реализует свое влияние на природную среду. Содержание таких процессов под воздействием техники остается естественным, но поскольку они происходят в технологическом времени, то их режим становится все более активным. Это соответствующим образом изменяет природную структуру геологических факторов и обстановок различного порядка.
Поскольку техносфера с ускорением охватывает планету, поглошает и преобразует ее ресурсы, то пространство, в котором жизнь человека подчиняется ходу технологического времени, также расширяется и уплотняется событиями технической природы.
8.	Ноосфера как константа. Большинством научного сообщества разделяется понимание ноосферы как высшей стадии эволюции биосферы, обусловленной возникновением и развитием в ней цивилизованного человечества. При этом подчеркивается необходимость разумной организации взаимодействия природы и человека в противоположность воздействию на нее, приводящему к ухудшению состояния окружаюшей среды. Под разумной организацией подразумевается такая [4], которая позволяет сохранить эволюционный тип биосферы, где возник и может существовать, сохраняя свое здоровье, человек как вид.
166
Взаимодействие между мирами естественного и искусственного, наблюдаемое на планете, неопровержимо свидетельствует о таком изменении биосферы, которое достигло к настоящему времени уровня, опасного для человека и всего живого. За ним, при сохранении того, как развиваются события, следует ожидать слом механизмов, поддерживающих глобальную современную устойчивость природной среды.
Несомненно, что увеличение масштаба и глубины ее поражения в результате неизбежного и непрерывного роста в перспективе потребления ресурсов недр (на чем сходятся мнения всех специалистов) только усиливает опасность такой угрозы. В итоге, человек, формируя техносферу, сам превращает биосферу из «лона человечества» в среду, ему противостоящую.
Рассмотренные выше константы (границы возможного) подводят к мысли о том, что развитие биосферы и техносферы происходит по разным, но взаимообусловленным траекториям, при этом вторая, техническая сфера не представляет собой непосредственный продукт функционирования первой, естественной. Она рождается и развивается в результате действия разума и трудом человека, приобретает все более сложные, системные свойства. Физическая же ее основа формируется из биосферного материала в меру человеческих потребностей, не следующих из закономерного бытия природы нашей планеты в целом.
Принципы организации и функционирования биосферы и техносферы не могут быть сведены друг к другу, именно в этом состоит первичная и неустранимая причина глобальной экологической проблемы. Человеческое сообщество даже теоретически не в состоянии современными ему ресурсоемкими, как было показано на примере освоения недр, способами и средствами преодолеть усиление негативного воздействия собственной деятельности на окружающую среду.
Доступная пониманию человека и создаваемая по его замыслу техносфера и есть сфера человеческого разума - ноосфера, и для того, чтобы ее рассматривать как высшую форму биосферной эволюции с участием цивилизованного человека, нет объективных оснований.
Дальнейшая утрата биосферой современной устойчивости под действием техногенеза, судя по всему, неизбежна.
167
В каком же направлении следует ожидать вероятного дальнейшего развития ноосферы?
Со временем рост разрушительной моши теряющей устойчивость биосферы и ухудшение для человека качества природной среды неизбежно приобретут значение первостепенной, жизненной важности. Человек, чтобы сохранить себя как вид, будет вынужден направлять со временем все большее количество ресурсов на принятие превентивных, корректирующих и компенсирующих мер, отвлекая их от целей продуктивного использования.
Поэтому создание и поддержание им самим искусственной среды своего постоянного существования, обретение при этом способности собственного организма противостоять угрозам со стороны биосферы и адаптироваться к жизни в усложняющейся искусственной среде - вот какие проблемы, по-видимому, станут со временем ключевыми.
Применительно к экстремальным условиям (в космосе, на Антарктиде, на больших водных глубинах и др.) формирование искусственной среды обитания находится в одних случаях в состоянии научных разработок, в других - на стадиях экспериментальных испытаний и даже индустриального освоения и применения.
Что касается жизни человека в искусственной среде, его адаптации к ухудшающимся условиям существования, то уже в настоящее время достаточно отчетливо проявляются многие тенденции, свидетельствующие о реальной способности человека расширять технические возможности до предвидимых пределов на базе достижений в результате развития медицины, биологии, генетики и генной инженерии, искусственного интеллекта, био- и нанотехнологий, роботизации и др.
В подтверждение этого можно привести много свидетельств, число которых быстро увеличивается со временем.
Например, знаменательным следует признать факт расшифровки генома конкретного человека [10]; известные геномные последовательности Homo sapiens собирались до сего времени из фрагментов ДНК многих разных индивидуумов [И].
Разработанный токийскими исследователями метод [12] позволяет переносить целые геномы бактерий от одного вида к другому.
168
Специалисты американской биотехнологической компании Cytograft Tissue Engineering разработали и успешно опробовали в ходе клинических испытаний технологию выращивания искусственных кровеносных сосудов из клеток пациента [13].
Группа британских, китайских и американских ученых объявила о начале работ над реализацией международного проекта «100 Genomes Project», основной задачей которого станет выявление и изучение тех генных отклонений в организме людей, которые приводят к заболеваниям [14].
Южнокорейские ученые из университета Хоннам изобрели микроскопический робот, вводимый с помощью инъекции в кровеносную систему человека с целью очистить стенки артерий и вен от патологических образований, восстановить просвет сосудов и укрепить их стенки [14]. В настоящее время человек стоит в начале пути к все более значительному изменению своего биологического естества - трансформации самого себя искусственным путем, «технически».
В целом есть достаточные основания для утверждения, что человек в попытках решить проблему собственного выживания и обеспечения своей деятельности в ужесточающихся биосферных условиях непременно будет использовать все возможности, какие открывает для него искусственная, то есть целенаправленная и преднамеренная трансформация собственной физиологии и морфологии. Интернет-портал LiveScience сообщает о десяти топ-технологиях, позволяющих создать искусственные органы и устройства, способные заместить вышедшие из строя природные человеческие компоненты. Среди них бионический глаз, «саморастушие» кости, портативная поджелудочная железа, искусственный язык и другие, дающие наглядное представление о поистине неограниченных возможностях, какие может открыть человечеству дальнейшее развитие науки и высоких технологий.
В этой связи следует особо указать на социально-экономическую сторону дела, поскольку подобного рода научные открытия и технологии способны в исторически короткие сроки сформировать активно и практически безгранично расширяющийся рынок этих товаров и услуг. Такой рынок способен придать «самоинструментализании» человека настолько мощные импульсы к развитию, по сравнению с которыми все экологически мотивированные призывы - как
169
правило, требующие высоких затрат на их практическую реализацию и не приносящие значительных доходов - мало кем будут восприняты.
Здесь необходимо обратить внимание на следующее. Эволюцию человека, основным содержанием которой является природная цефализация, можно рассматривать в качестве ограничивающего (в контексте данной статьи) обстоятельства до того времени, пока Homo Sapiens не обретет возможность реально оперировать собственным генетическим аппаратом. Тогда для него станут доступными не только работы по ремонту своего организма или совершенствованию природных способностей, будет открыт путь к изменению человеческого биологического содержания изначально и в целом, но уже «не по божьему промыслу, а своему личному разумению».
Судя по современным результатам и динамике развития отраслей знаний, имеющих к этому прямое отношение, можно ожидать, что такая возможность возникнет уже не в столь отдаленном будущем, во всяком случае, необходимые предпосылки для этого уже имеются.
После этого логика взаимодействия человека и природы может сложиться совершенно другой, причем непредсказуемым сегодня образом.
В целом же тот рывок принципиального значения, который суждено совершить человеку в познании себя на генном уровне, оставит неизменным главное - он по-прежнему будет являться компонентом общего биосферного процесса, находясь «внутри» его. Изменяя себя, свою природу и жизнеобеспечивающее окружение (по сути, техническую инфраструктуру), по своей воле, хотя и вынужденно, человек будет двигаться к еще более тесному и быстрому сближению с техникой, превращая себя в ее биологизированную часть.
Интенсификация и изменение человеком собственной природы придадут все более мошные дополнительные импульсы развитию техносферы (следовательно, ноосферы), увеличивающие, в свою очередь, глубину и масштабы противостояния человека природе.
Заключение
Рассмотренные константы (они же - границы возможного) выражает собой в совокупности те ограничения, которые че
170
ловек, воспринимаемый как функция биосферы, никогда не будет в состоянии преодолеть - с оговоркой относительно освоения человеком в будущем генных технологий. Главным образом в кругу именно этих обстоятельств формируется логика взаимодействия человека и биосферы, и в силу ее -предвидимый в общих чертах возможный результат соответствующего эволюционного процесса.
Человек, как вид, существует в силу особенностей эволюции в 2-х принципиально различающихся измерениях.
Одно из них - биосферное, биологическое. Здесь человек существует в естественной среде, используя данные ему природой возможности.
Другое измерение - рассудочное, субъективное. Для гарантированной жизни в этом измерении он развил в себе исключительно изощренные и постоянно развиваемые возможности, которые действуют наиболее продуктивно в человеческом сообществе. Начала этого лежат в генетическом аппарате человека. Его неопределенно длительное развитие в этом измерении, как биологического вида, предполагает отсутствие ограничений со стороны биосферы.
Встречая в этом затруднения различного характера, человек перестраивается, но не сам, а использует для своей адаптации новую технику.
Одновременное существование человека в двух мирах все более отделяет его от безгранично сложной и совершенной природы, недоступной в каждодневной жизни для полного понимания и взаимодействия с ней «на равных». Человек погружается все более глубоко в сферу действия зависимой от него техники. Техника же, составляя базис и «несущие конструкции» искусственной среды обитания человека, постоянно расширяемой им и усложняемой, переводит биосферу в другой режим существования, все менее устойчивый.
Исходя из этого, видимый сейчас участок траектории развития взаимодействия человека и природы может закончиться на все более глубоко трансформирующем себя и нуждающемся в природных ресурсах человеке, поглощенном техникой, где он будет играть роль биологизированного системообразующего компонента ноосферы, функционально связующего ее всю.
171
Из этого следуют основные выводы:
-	генетически предопределенное субъективное экологическое поведение человека имеет в действительности значение закономерно действующего фактора эволюции нашей планеты в той мере, в которой закономерен сам человек, как функция биосферы;
-	развитие техники не является фактором, способным повысить уровень организации и эффективности естественной среды существования человека и его биосферного благополучия;
-	техника требует георесурсного обеспечения возрастающих потребностей общества в материалах и энергии, в том числе для замещения сужающихся для него биосферных условий развития; за расширением логических возможностей существования человека следует увеличение многообразия новой техники и условий ее применения;
-	освоение земных недр, их техногенное преобразование с разнообразными целями всегда будет сопровождать развитие общества независимо от степени физиологической, морфологической и генетической трансформации человека, как непременное и незаменимое условие открытия им для себя новых возможностей для более совершенного технического оснащения;
-	в свете изложенных здесь аргументов экологическим императивом для общества выступает всемерное ресурсосбережение.
---------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. -556 с.
2.	Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие. - М.: «Прогресс-Традиция», 2000. - С. 171.
3.	Реймерс Н.Ф. Охрана природы и окружаюшей человека среды. - М.: Просвещение, 1992. - 320 с.
4.	www.mgimo.ru/kf/myweb8/docs/Hrucki_Partl.htm
5.	Аксенов Г.П. Причина времени. - М.: Эдиториал УРСС, 2001. - С. 188.
6.	Гэлбрейт Дж. Новое индустриальное общество. - М.: ООО «Транзит-книга»; СПб.: Terra Fantastica, 2004. - С. 30.
7.	Чаплыгин Н.Н. Основания экологической теории комплексного освоения недр. - М.: Изд. ИПКОН РАН, 2006. - 101 с.
172
8.	Юнгер Ф.Г. Совершенство техники. - Санкт-Петербург; Изд-во «Владимир Даль», 2002. - 559 с.
9.	Бобылев С.Н., Ходжаев А.Ш. Экономика природопользования. - М.: ИНФРА-М, 2004. - 501 с.
10.	Samuel Levy et al. The Diploid Genome Sequence of an Individual Human // PLoS Biology. 2007. 5(10): e254.
11.	http://www.upi.com/NewsTrack/Science/2005/10/18 /blending_ bacterial_genomes_for_megacloning/3756/
12.	http: //www. cytograft.com/pic_TESI2005.html
13.	http://www.cybersecurity, ru/it/40193.html
14.	http://www.doctor.ua/news/id. 1545/ШНЗ
N.N. Chapligin
THE FACTOR "IMPOSSIBLE" IN REPRESENTATION ABOUT ECOLOGICAL DEVELOPMENT
Questions of amplificationfstrengthening) of an ecological role of new industrial technologies on ability to live of the world community are considered. The analysis of base structure of the components providing dynamical coexistence and interaction of the nature and the person is made.
Key words: ecology, the natural environment, biosphere, evolution, development of bowels.
— Коротко об авторе ------------------------------------
Чаплыгин Н.Н. - доктор технических наук, УРАН ИПКОН РАН, info@ipkonran.ru
173
© А.В. Мясков, 2010
УДК 622:502.7
А.В. Мясков
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОХРАНЕНИЯ БИОРАЗНООБРАЗИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ РЕГИОНАХ
Ратрагиваются вопросы эколого-экономической опенки сохранения биоразнообразия в промышленных регионах, определения его ценности. Предлагается эколого-экономический механизм выбора природоохранных мероприятий.
Ключевые слова: экономический механизм, природоохранные мероприятия, биоразнообразие, ценность.
Семинвр № 8
Биоразнообразие - биологическое разнообразие жизненных форм и формируемые ими биогеоценозы -является основой существования природных экосистем и, как следствие, жизни на земле.
Биологическое разнообразие планеты можно охарактеризовать, во-первых, как важнейший природный ресурс, обладающий огромной экономической ценностью для человечества и включающий в себя запасы древесины, различные пищевые ресурсы, природные лекарственные и косметологические препараты и многое другое; во-вторых - как природную экосистемную функцию по продуцированию кислорода, регулированию состава атмосферы и вод, формированию плодородного слоя,- и, в-третьих, - биоразнообразие как психологическая составляющая существования человечества, что подтверждается нарастающей популярностью национальных парков, как мест уникальной рекреации, собирающих значительные суммы за счет экотуризма, а также желанием жить в районах с максимально сохранившейся и разнообразной природой.
Биоразнообразие является главным средообразуюшим ресурсом на планете, обеспечивающим возможность ее существования, сохранения среды обитания для человека и биологических ресурсов вообще. Негативное воздействие на природные экосистемы или утрата хотя бы одного вида животного или растения, может привести к колоссальным экономическим по
174
терям как в самом регионе, так и в более глобальных планетарных масштабах.
К сожалению, долгие годы к живой природе относились как к некоторой данности, выполняющей скорее эстетические и психологические функции. Сейчас, в период ежегодного наращивания темпов мирового производства, увеличения численности людей на планете и в то же время осознания остроты и необходимости проведения глобальных природоохранных мероприятий, отношение к биоразнообразию, как неотъемлемой части природы, начинает меняться. За последние годы главы большинства государств подписали целый ряд протоколов и конвенций, направленных на сохранение биоразнообразия, ежегодно значительные суммы тратятся на различные мероприятия связанные с сохранением живой природы, уникальных мест на планете и поддержание различных функций экосистем, а также экологическое воспитание. В то же время вопросу ответственности за нарушение биоразнообразия и природных экосистем, и как следствие финансирования природоохранных мероприятий не уделялось должного внимания.
Надо отметить, что большинство из существующих исследований были приурочены к проекту ГЭФ и датированы 2002 годом, разработка же конкретных мероприятий направленных на сохранение биоразнообразия и снижения негативного воздействия на него со стороны промышленных объектов развивается очень медленными темпами, а такие составляющие как правовое регулирование и экономические рычаги практически не рассматриваются. Это происходит на фоне того, что в мире все яснее осознается, что без экономических механизмов, стимулирующих и делающих выгодным охрану биоразнообразия и природных экосистем для местного населения, целых регионов, стран и человечества, а также промышленных предприятий, спасти природу очень сложно.
Особенно это относится к промышленным районам, в которых расположены крупнейшие добывающие и перерабатывающие предприятия, наносящий значительный вред окружающей среде. Воздействие объектов промышленности на природу велико и даже в тех случаях, когда деятельность предприятия соответствует экологическим нормам по воздействию на воду, воздух и почву, нарушения биоразнообразия не учитываются и зачастую являются крупномасштабными.
175
Основной причиной этому является недостаточное понимание ценности природы и её экосистемных функций. Определение ценности биоразнообразия важнейший этап работ по его сохранению, необходимый в наибольшей степени для последующего выявление ущерба и предложения мероприятий по его снижению. Выявление ценности биоразнообразия, может рассматриваться с точки зрения определения самой ценности как экономического понятия, его стоимости, его адекватной рыночной цены и значимости.
Современные методы стоимостной оценки биоразнообразия и природных объектов условно можно разделить на две группы: методы, основанные на рыночных подходах, и использующие методологию оценки стоимости недвижимого имущества, и методы, основанные на косвенных оценках или субъективных оценках, основанных на проведении социологических исследований и опросах. Первая группа позволяет определить экономические параметры и характеристики, большей частью, ориентированные на определение стоимости использования, стоимости косвенного использования, а также альтернативной стоимости биологических объектов. Вторая группа методов, ориентирована на получение стоимостных оценок благ, продуцируемых живой природой, которые не поддаются измерению в стоимостных показателях при применении традиционных процедур. Использование методов первой и второй группы дает возможность решить основные проблемы оценки биологических компонентов природы и создать систему их стоимостных показателей, совместимую с системой показателей, применяемых для оценки других видов природных и материальных ресурсов и финансового капитала.
По предлагаемой С.Н. Бобылевым методике, обшая экономическая ценность биоразнообразия предлагает совокупность составляющих, которая охватывает спектр эффектов от прямой стоимости использования, косвенной стоимости использования, до стоимости не использования:
TEV = DV + IV + OV + EV
TEV - обшая экономическая ценность (стоимость); DV - прямая стоимость использования; IV - косвенная стоимость использования; OV - потенциальная стоимость; EV - стоимость существования.
176
г
Прямая стоимость использования — использование древесных ресурсов, сбор лекарственных трав, грибов и ягод, туризм, рекреация, охота и рыболовство и т. д. Косвенная стоимость использования — продуцирование кислорода, связывание углекислого газа и другие экосистемные функции. Стоимость отложенной альтернативы — потенциальные выгоды от использования в будущем. Показатель стоимости не использования отражает социальные аспекты значимости природы для общества. Он часто определяется только величиной стоимости существования. Таким образом, можно представить экономическую ценность биоразнообразия.
С экологической точки зрения значимость биоразнообразия невозможно переоценить. Совокупности популяций живых организмов в экосистемах создают устойчивые биогеохимические циклы, благодаря которым поддерживается постоянство современных сред жизни - почвенной, наземной и водной. В биогеоценозах многообразие биологических видов поддерживает устойчивые круговороты биогенов, химических элементов, входящих в состав живых организмов (кислорода, углерода, водорода, азота, фосфора, кальция, серы и др.), благодаря которым осуществляется усвоение и трансформация солнечной энергии в биосфере, получение ресурсов и переработка отходов.
Определив, что к биоразнообразию относятся все живые организмы (бактерии, простейшие, грибы, растения, животные) и их сообщества, формирующие экосистемы (биогеоценозы) можно предложить систематизацию вкладов биоразнообразия в существование природы и человека (табл. 1).
Выяснив, что биоразнообразие и как ресурс и, в первую очередь, как единственный элемент, поддерживающий природный баланс на планете, обладает огромной ценностью, необходимо выявить ущерб наносимый ему. Естественно, что он возникает при любой хозяйственной деятельности человека, в процессе функционировании большинства крупных промышленных объектов. В России в настоящий момент существует ряд правовых и нормативных актов и методик позволяющих рассчитать ущерб нанесённый объектам биоразнообразия.
Вред (ущерб) наносимый элементам биоразнообразия делится на несколько составляющих:
• ущерб местообитаниям и природным экосистемам;
177
Таблица 1
Вклады живых организмов в существование природы и человека
	Вклад в природу (экол.)	Использование человеком (экой.)
Бактерии и простейшие	Функция редуцентов Образование плодородного слоя Образование минеральных веществ Регулирование атмосферного состава Участие в биогеохимических циклах Самоочищение воды Синтезирование витаминов	Биотехнологии пиши Биотехнологии топлива Биотехнологии лекарств Очистка загрязнений Борьба с вредителями
Грибы	Функция редуцентов Образование плодородного слоя Образование минеральных веществ Участие в биогеохимических циклах	Биотехнологии пиши Биотехнологии лекарств Пищевые ресурсы
Растения	Регулирование атмосферного состава Функция продуцентов Регулирование биоценозов Регулирование ландшафтов Самоочищение экосистем	Пищевые ресурсы Строительные ресурсы Топливные ресурсы Социальные ресурсы Лекарства Полезные ископаемые Биотехнологии пиши Биотехнологии топлива Биотехнологии лекарств
Животные	Функция консументов Регулирование биоценозов	Пищевые ресурсы Охотничьи ресурсы Социальные ресурсы
• ущерб объектам животного мира;
• ущерб объектам животного мира, находящимся в хозяйственном обороте;
• ущерб биологическим ресурсам, находящимся в хозяйственном обороте.
При трансформации местообитания экологический ущерб исчисляется в размере снижения стоимости исходного участка местообитания, умноженной на коэффициент экологической значимости территории и минимальный размер оплаты труда, и рассчитывается по формуле:
Ут=(Си-Сп)*Шт*5*Кэ
178
где Ут - размер экологического ущерба, вызываемого трансформацией среды обитания объектов животного мира (руб.); Сп - стоимость местообитания, образовавшегося после хозяйственного воздействия (руб\га); Си - стоимость исходного местообитания объектов животного мира до начала хозяйственного воздействия (руб\ га); Шт - установленный законом размер штрафных санкций за деградацию природных территорий (в единицах, кратных минимальному размеру оплаты труда) (руб.); S - площадь участка местообитания, подвергшегося воз-действию(га.); Кэ - коэффициент экологической значимости территории.
Расчет биосферного ущерба по объектам животного мира. Расчеты проводятся для каждого вида отдельно. Величина биосферного ущерба (для каждого вида) вычисляется по формулам:
Убп=(Чб-Чпв)*Кэ *Шт
где Убп - биосферный ущерб позвоночным; Чб - численность животных до воздействия(голов); Чпв - численность животных после воздействия(голов); Кэ - коэффициент экологической значимости территории; Шт - размер штрафных санкций (минимальной заработной платы) на момент оценки (руб.).
Вычисления ущерба ресурсам животных находящихся в хозяйственном обороте, следует производить отдельно для каждого вида, даже если в настоящий момент они не используются в хозяйстве. Затем результаты видовых оценок хозяйственного ущерба суммируются.
Ух=(31-32)*Из*Кв*Ки*Кл
где Ух - хозяйственный ущерб по виду; 31 - запас животных до воздействия (голов); 32 - запас животных после воздействия (голов); Цз - цена одной особи данного вида (руб.); Кв -коэффициент (степень) воздействия ; Ки - коэффициент использования (степень использования данного вида); Кл - коэффициент временного лага (продолжительность восстановления).
Каждую из представленных формул и их более частные варианты можно дополнить выявленными коэффициентами, описывающими особенности биоразнообразия и воздействия на него со стороны промышленных предприятий. К ним можно отнести:
Кв - коэффициент (степень) воздействия;
179
К ре - коэффициент реагирования вида при данном типе воздействия;
Ке - коэффициент поправки на экологическую значимость вида;
Кт - коэффициент экологической ситуации территории;
КЬ - коэффициент статуса редкости вида;
Kv - коэффициент хозяйственной ценности;
Kf - коэффициент поправки на генетическую значимость;
Кд - коэффициент поправки на представительность вида в мировой и местной фауне;
Kq - коэффициент поправки на обитание вида на охраняемой территории;
Кд - коэффициент степени деградации почв и земель;
Кэ - коэффициент экологической значимости территорий;
Ки - коэффициент использования (степень использования данного вида);
Кл - коэффициент временного лага (продолжительность восстановления)
Не менее значимым этапом реализации экономического механизма сохранения биоразнообразия является определение видов воздействия на природные экосистемы и факторов такого воздействия. Проанализировав основные отрасли промышленности, являющиеся нарушителями различных компонентов окружаюшей природной среды, проведя анализ хозяйственной деятельности и выявив наиболее «грязные» предприятия, к которым в первую очередь относятся добывающие и перерабатывающие отрасли, необходимо перейти к разработке и выявлению факторов способных описать влияние промышленных предприятий на окружающую природную среду в целом, на биоразнообразие и природные экосистемы в частности. В первую очередь для систематизации факторов воздействия, перейдем непосредственно к определению видов такого воздействия. Перечень основных видов воздействия на окружающую природную среду с учетом интересов биоразнообразия можно представить в следующем виде:
1.	выбросы в воздушную среду;
2.	сбросы в водные объекты;
3.	забор воды;
4.	размещение отходов;
5.	освоение новых территорий под нужды промышленности;
180
Таблица 2 Систематизация факторов воздействий промышленных предприятий на биоразнообразие__________________
типы	ФАКТОРЫ
По источникам	Точечные Объектные Комплексные
По поступлению	Первичные Вторичные
По периодичности	Единоразовые Редкие Частые Постоянные
По масштабам	Локальные Региональные Глобальные
По элементам	Атмосферные Гидросферные Почвенные Другие
По стойкости	Неустойчивые Стойкие Сверхустойчивые
По воздействию	Химические Физические Физико-химические Биологические
6.	технологическая обработка земель;
7.	пожары и чрезвычайные ситуации;
8.	неконтролируемая эксплуатация (браконьерство, рубки);
9.	переэксплуатация;
10.	нерегулируемая рекреация и неконтролируемый туризм.
Выявлены воздействия можно систематизировать и типизировать по факторам, которые представлены в табл. 2.
Естественно, что каждый из ранее представленных видов воздействия можно разделить на несколько, но для первоначального определения и решения проблемы предлагается оставить выбранные. Выделив основные виды воздействия промышленных предприятий на биоразнообразие и природные экосистемы для определения в будущем их взаимосвязей с показателями биоразнообразия и выбора мероприятий по его сохранению, на первоначальном этапе их желательно типизировать, основываясь на представленной выше систематизации.
181
Сочетание каждого вида воздействия и фактора влечет за собой совершенно разные последствия для биоразнообразия. В зависимости от источника все воздействия можно разделить на три группы: точечные, объектные и комплексные. Если негативный эффект произошел в результате работы какого-либо объекта находящегося на предприятии, либо вследствие аварии на определенном участке, то такое воздействие будем называть точечным. В случае рассмотрения в качестве источника предприятие в целом, то воздействие носит название объектного. Введем также понятие «комплексного воздействия». Оно включает в себя эффект точечного и объектного воздействия в совокупности, а также может включать воздействие нескольких предприятий, причем не связанных между собой по своему производству и не имеющие общего собственника.
Загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в окружающую среду, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Вторичное воздействие - загрязнение среды, являющейся природным местообитанием видов, которое возникает в результате биохимических реакций между первичными загрязняющими веществами и природными компонентами и вследствие превращений загрязняющих вешеств. Подобным образом можно представить каждый тип и фактор воздействия.
Аналогичным образом можно представить симбиоз каждого вида воздействия с каждым фактором, при этом их совместный учет повлечет за собой совершенно неоднозначные и неодинаковые последствия. Так точечные выбросы могут быть гораздо менее значимыми точечных сбросов, влекущих за собой заметно большие нарушения природной среды и требующие значительно больших затрат для их невелирования, что в свою очередь потребует решения экономических задач привлечения инвестируемых в сохранение биоразнообразия средств от различных участников (частных, государственных, общественных).
Как и показатели биоразнообразия последствия делятся на экосистемные и видовые и характеризуют биоразнообразие и описывает возможные негативные проявления, которые зависят от тех или иных воздействий. Ешё больше эти последствия могут зависеть от факторов воздействия, т.е. чем более стойкими, частыми, комплексными и глобальными являются воздействия
182
Рис. 1. Взаимосвязи различных составляющих позволяющих выявить связь между негативными воздействиями и мероприятиями
тем больше различных последствий для разных уровней (экосистема, популяция, вид) биоразнообразия можно наблюдать. Чем более серьезные последствия проявляются, тем больше разных мероприятий различной глубины и широты охвата необходимо применять для их нивелирования (рис. 1).
Наиболее важным блоком для определения влияния промышленности на биоразнообразие является определения зависимостей факторов и показателей, которые целесообразней провести с использованием метода принятия решений и элементов экспертной оценки.
Каждое из проводимых мероприятий помимо возможных эффектов на различных уровнях и различным объектам необходимо оценить с экономической точки зрения определив экономический эффект или эффективность их проведения.
Это можно сделать путем соизмерения затрат и выгод во времени. Сегодняшние затраты и выгоды больше чем их аналогичные величины в последующие годы. С учетом фактора времени соотношение может быть записано в следующем виде:
п гэ_ Q
где Э - эколого-экономический эффект от реализации мероприятий; 3 - эколого-экономические дополнительные затраты мероприятия; г - коэффициент дисконтирования.
Данная формула позволяет соизмерять меняющие во времени затраты и результаты/выгоды. В том случае, когда показатель чистого дисконтированного дохода больше 0, тогда программа реализации мероприятий считается эффективной и ее целесообразно реализовывать.
183
МЕХАНИЗМ ОЦЕНКИ И ВЫБОРА МЕРОПРИЯТИЙ ПО СОХРАНЕНИЮ БИОРАЗНООБРАЗИЯ
Рис. 2. Механизм оценки и выбора мероприятий по сохранению биоразнообразия
Другими словами, с учетом фактора времени суммарные выгоды должны превышать суммарные затраты. При сравнении альтернативных проектов предпочтение должно отдаваться проекту с большим NPV. Разница между выгодами и затратами часто определяется как прибыль или эффект от реализации мероприятия. И для эффективности проекта необходима положительная сумма приведенных прибылей (эффектов). Соотношение является основным для определения экономической эффективности проекта/программы с учетом экологической составляющей и фактора времени.
Основой экономической и управленческой политики по сохранению биоразнообразия должен являться механизм, на основе которого можно совершенствовать процесс природопользования (рис. 2). Благодаря такому механизму процесс сохранения природных экосистем и живых организмов в районе функционирования промышленных объектов может принести пользу не только самой природе, но и региону и предприятию. Необходимо учитывать, что предлагаемый механизм может быть полезен на местном, региональном, федеральном и глобальном уровне. В предлагаемом механизме используются все ранее проведенные исследования.
Использование данного механизма может быть применимо для решения вопросов сохранения биоразнообразия в промышленных регионах с точки зрения экономической составляющей. ВШЭ
A.V. Myaskov
ECONOMIC ASPECTS OF PRESERVATION OF A BIODIVERSITY IN INDUSTRIAL REGIONS
In article questions of an ekologo-economic estimation of preservation of a biodiversity in industrial regions, definitions of its value are mentioned. The ekologo-economic mechanism of a choice of nature protection actions is offered.
Key words: the economic mechanism, nature protection actions, a biodiversity, value.
— Коротко об авторе ------------------------------------------
Мясков А.В. - докторант, доцент кафедры «Экономика природопользования», floranimal@rambler.ni
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
186
---------------------------------- © А.В. Ишии, 2010
УДК 622:502.
А.В. Ишии
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГОЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ
Значительную роль при реконструкции территорий крупных городов играет использование подземного пространства. Решения в этой сфере необходимо принимать на основе эколого-экономической оценки. Предложены соответствующие методологические основы, позволяющие осуществлять оценку на различных стадиях принятия решений.
Ключевые слова: эколого-экономическая оценка, городская территория, подземное пространство.
Семинар № 8
Все большая часть населения планеты и нашей страны проживает в больших городах. Негативные экологические последствия урбанизации территорий не успевают компенсироваться совершенствованием городской инфраструктуры. Необходима их существенная перестройка - реконструкция, в том числе с изменением функционального назначения. В Генеральном плане развития Москвы до 2020 года планируется полное изменение существующего использования (функционального, строительного, ландшафтного) 15% и частичное преобразование 44% территорий города Москвы.
Реконструкция территорий должна обеспечивать гармоничное развитие населенного пункта. На поверхности реконструируемых территорий должны располагаться только необходимые для их нормального функционирования объекты. В этой связи максимальное количество объектов инфраструктуры требуется разместить в подземном пространстве.
Для того, чтобы требуемые для реконструкции высокие затраты окупились за счет повышения функциональности территорий, роста эффективности создаваемых объектов, улучшения условий для жизни и деятельности населения, данные процессы следует осуществлять обоснованно, с использованием современных научных подходов и учетом совокупности экономических, экологических и социальных факторов. В этой связи, актуальной научной проблемой является обоснование подхо-
187
лов и методов эколого-экономической оценки и выбора рациональных вариантов использования подземного пространства при реконструкции территорий современных крупных городов.
Под реконструкцией городских территорий понимается их целенаправленное преобразование средствами градостроительства и архитектуры в целях формирования благоприятных условий для жизнедеятельности населения, в соответствии с современными требованиями и достижениями научно технического прогресса. В этой связи использование подземного пространства является неотъемлемым условием реконструкции территорий, обеспечивающим улучшение городской среды при растущей интенсивности использования городских территорий.
В целях учета возможных последствий и результатов рассматриваемой деятельности, разработана структурная модель взаимовлияний используемого при реконструкции городских территорий подземного пространства с окружающей средой. При этом сформированы пространственные уровни и направления взаимовлияний. В каждом из указанных направлений выявлены наиболее значимые составляющие (рис. 1).
Уровни взаимовлияний в модели, обозначенные соответствующими символами, включают: А - непосредственно подземный объект, В - реконструируемая территория, С - район города, D - город в целом, Е - пространственные системы более высокого уровня (регион, страна). Наиболее значимые направления взаимовлияния обозначены римскими цифрами: I -изменения в окружающей среде, II - экономические процессы, III - изменения в социальной сфере, IV - функциональные изменения, V - политико-административные процессы. Факторный анализ данных влияний позволил выявить наиболее значимые из них, на схеме они отмечены символом «+» и наименее значимые - символом «-». Большинство влияний действует на уровне подземного объекта и реконструируемой территории, однако процессы на других уровнях также необходимо принимать во внимание.
Оценку и принятие решений об использовании подземного пространства следует осуществлять в три основных этапа: предварительный - определение целесообразности подземного размещения объектов конкретного вида городской инфраструктуры; предпроектный - выбор вида, состава объектов, их
188
Рис. 1. Схема структурной модели взаимовлияния подземного пространства реконструируемой территории с окружающей средой
размеров и расположения; проектный - уточнение планировочных решений, способов и технологий строительства, необходимости переноса действующих к моменту реконструкции подземных сооружений, выбор мероприятий по охране окружающей среды, безопасности и т.д.
Эколого-экономические последствия использования подземного пространства реконструируемых территорий на стадии принятия предварительных решений описываются достаточно большим количеством показателей, имеющих различные
189
Средняя по годам минимальная температура, %
б)
Рис. 2. Зависимости эколого-экономической желательности подземного размещения объекта инфраструктуры от: а) размера города, б) климатических условий
единицы измерения и значимость. В этой связи для оценки предложено применять функцию эколого-экономической желательности.
На основе статистического анализа результатов оценок выявлены зависимости эколого-экономической желательности размещения объектов инфраструктуры в подземном пространстве от влияющих факторов, описываемых количественно. Указанные зависимости, на примере факторов численность населения и климатические условия, приведены на графиках (рис. 2).
По результатам экспертных оценок, а также с использованием выявленных зависимостей построены функции экологоэкономической желательности использования подземного пространства реконструируемых городских территорий от факторов описываемых количественно и факторов описываемых качественно, фрагментарно представленные в таблице
Для определения общего значения эколого-экономической желательности подземного размещения объекта при реконструкции территорий предложено использовать среднегеометрическое значение желательности по отдельным факторам. Приемлемость получаемых таким образом значений желательности определяется с использованием шкалы Харрингтона. Следует считать целесообразным подземное размещение объекта инфраструктуры на реконструируемой территории при желательности более 0,37.
С использованием ранее представленной структурной модели взаимовлияния подземного пространства с окружающей средой проведена систематизация факторов, влияющих на эколого-экономические эффекты от использования подземного пространства реконструируемых территорий. Они объединены в четыре группы: факторы местоположения, факторы градостроительства, факторы реконструкции и факторы использования подземного пространства. Оценка влияния конкретных значений факторов на эколого-экономические эффекты осуществлялась методом экспертных оценок. Выявлены коэффициенты значимости данных факторов при формировании эколого-экономических эффектов от использования подземного пространства.
С учетом данных оценок, показатель конкретного вида эколого-экономического эффекта от использования подземного
191
192
пространства реконструируемых территорий определялся как сумма частных влияний факторов с учетом их значимости для данного вида эффекта и направления реконструкции территорий.
На этапе разработки и принятия проекта наилучшим методом оценки и выбора проектных решений в данном случае является экономико-математическое моделирование. На данной основе разработана экономико-математическая модель эколого-экономической оценки вариантов использования подземного пространства реконструируемых территорий (1). Целевой функцией модели является эколого-экономическая эффективность суммарных издержек, связанных со строительством подземного объекта. В модели учитываются также экономические, экологические, социальные и другие объективные ограничения.
ъ (^Дип-З^Л-З^р^-У^р^ЦО^+ЛЗ^-И^р^+^фР,,,^ ^иПП Тстр	Х
2/Р^ +3pml-P^3HCM-Р^+З^ ргр)Д
xl00-»max	(1)
где Эцпп - эколого-экономическая эффективность использования подземного пространства реконструируемой территории, %/год; /7ИЛ - расчетный годовой доход предпринимателей от эксплуатации объекта, использующего подземное пространство, руб/год; Зилл - расчетные годовые затраты предпринимателей, связанные с эксплуатацией объекта, использующего подземное пространство, руб/год; tj - коэффициент участия города в прибыли предприятий, использующих подземных объект, через систему налогообложения, доли ед.; ЗцПГ - годовые затраты из городского бюджета, связанные с использованием подземного пространства, руб/год; рзк, рэл, ргр ‘ соответственно коэффициенты значимости экономического, экологического, социального и градостроительного эффектов от использования подземного пространства реконструируемой территории, доли ед.; Уэкс - годовой ущерб окружающей среде в результате использования подземного пространства, определяемый как сумма ущербов от влияния на воздушную среду, водоемы, землю и недра, руб/год; Отр - дополнительные доходы населения в связи с трудоустройством на создаваемом объ
193
екте инфраструктуры, руб/год; ДЗЛО7- - экономия затрат населения на удовлетворение материальных потребностей при использовании созданных объектов инфраструктуры, руб/год; Инас - дополнительные издержки населения, связанные со строительством и эксплуатацией подземного объекта, руб/год; ^Зцнф - экономия затрат города от создания новых объектов инфраструктуры при реконструкции территорий, руб/год; t -индекс года, на который производится оценка, /е Т ; Т^р -срок строительства объекта, лет; З^рл - затраты на строительство подземного объекта в t-м году, руб; 3pnn.t- затраты связанные с реконструкцией подземного пространства в t-м году, руб; Зсов г - экономия затрат за счет совмещения реконструкции подземного пространства с реконструкцией территорий в t-м году, руб; Устрл- ушерб окружающей среде от строительства объекта в t-м году, определяемый как сумма ущербов от влияния на воздушную среду, водоемы, землю и недра, руб; Знстл - дополнительные затраты населения, связанные с воздействием на него и его собственность процессов строительства подземного объекта в t-м, руб; З^фл - дополнительные затраты города, связанные с ограниченной работой инфраструктуры при строительстве подземного объекта в t-м, руб; /3t - коэффициент приведения разновременных затрат (к первому году эксплуатации), доли ед.
Для реализации полного цикла последовательной экологоэкономической оценки и выбора решений по использованию подземного пространства реконструируемых территорий разработан соответствующий экономический механизм. Основные этапы данного механизма включают: анализ исходных условий (I); оценку и выбор объектов городской инфраструктуры, размещаемых в подземном пространстве (II); принятие предпро-екгных решений с учетом влияния реконструкции территорий на эколого-экономическую эффективность использования подземного пространства (Ш); оценку и выбор вариантов проектных решений по созданию подземных сооружений (IV).
Таким образом, на основе проведенного анализа предложены методологические подходы к эколого-экономическому обоснованию использования подземного пространства реконструируемых городских территорий. Основными результатами являются: функции эколого-экономической желательности под
194
земного размещения объектов, экономико-математическая модель эколого-экономической оценки вариантов проектных решений, а также механизм эколого-экономической оценки и выбора вариантов использования подземного пространства реконструируемых городских территорий. (ВИЗ
A.V. Ishin
METHODOLOGICAL FOUNDATIONS OF ENVIRONMENTAL AND ECONOMICAL JUSTIFICATION FOR THE USE OF UNDERGROUND SPACE RECONSTRUCTION OF URBAN AREAS
Significant role in the reconstruction of areas of large cities is the use of underground space. Decisions in this area should be taken on the basis of environmental and economical assessment. The appropriate methodological framework for evaluation at various stages of decision-making were suggested.
г— Коротко об авторе ----------------------------------
Ишин А.В. - кандидат экономических наук, докторант каф. ЭП, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru «Мосстройлицензия» ФГУ Ф/ILI, директор филиала в г. Москве, e-mail: mgoagn@mail.ru
195
--------------------------------- © В.И. Папичев, 2010
УДК 622.014
В.И. Папичев
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ НАГРУЗКИ
НА АТМОСФЕРУ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
ВЗРЫВНЫХ РАБОТ В КАРЬЕРАХ
Рассмотрен характер изменения нагрузки на атмосферу в целом и от отдельных компонентов, содержащихся в пылегазовом облаке, в зависимости от длительности существования веществ и частоты производства взрывных работ.
Ключевые слова: атмосфера, нагрузка, взрывные работы.
Семинар № 8
Производство массовых взрывов в карьерах является кратковременным процессом, но представляет собой мощный источник воздействия на атмосферу, последствия которого проявляются в течение продолжительного времени и зависят как от мощности взрыва, так и от длительности существования в атмосфере продуктов взрывных работ. Основными продуктами взрывных работ являются пыль и газы (окислы азота и углерода).
Использование для оценки воздействия на тот или иной компонент природной среды традиционных методов не позволяет получить целостной картины техногенной нагрузки, оказываемой на эти компоненты. В частности, не производится комплексный учёт агрессивности поступающих в окружающую среду загрязнителей, не даётся интегральных оценок воздействия на природные ресурсы по их потреблению. Оценки не учитывают выбросы нетоксичных веществ, хотя их появление в атмосфере также изменяет качество атмосферного воздуха, загрязняя его, не учитывают различий веществ в их токсичности и продолжительности воздействия на атмосферу. В результате внесения в атмосферу вредных веществ одинаковой массы, но различной токсичности, результат воздействия может различаться от десятков до миллионов раз. Важно учитывать также период времени, в течение которого загрязняющие вещества сохраняются в природной среде. В частности, в атмосфере он меняется от многих лет до нескольких часов.
Таким образом, требуется проведение интегральной оценки с учётом всех перечисленных факторов.
196
Такая оценка выполняется с использованием интегрального показателя Ит, представляющего собой сумму относительных отклонений фактических значений количества ресурса от его исходных (естественных) значений, которые могут явиться результатом как непосредственного, так и опосредованного потребления ресурса [1].
В общем виде нагрузка на атмосферу рассчитывается из следующего выражения:
£ |Vj| I |О||к„
И* =1=1----+1=1-------
т	т
ZRt SRt t=l	t=l
где IVI - величина отклонения запасов ресурса в результате непосредственного потребления ресурса атмосферы (воздуха); G- величина части ресурса, изменившей свои свойства в результате внесения в ресурс инородного вещества; Кн - коэффициент нагрузки; Rt - запасы ресурса; t - временные интервалы оценки; Т - верхний временной предел оценки.
Коэффициент нагрузки показывает степень опосредованного потребления ресурса в результате изменения его природных свойств при внесении инородного вещества. Формула для его расчёта имеет следующий вид:
Ум,.-я,.-т
Кн= £ ' ' '
i=l
где Т - поправка на время существования примесей в окружаюшей среде. Поправка Т показывает, какую часть выбранного временного интервала оценки составляет время жизни примеси в природной среде с момента эмиссии до деструкции в рамках этого интервала. Её величина может быть определена из соотношения: T=ti/to,
где to - длительность выбранного временного интервала оценки; tj - длительность существования примеси.
В том случае, если длительность существования примеси превышает длительность временного интервала t, принимается равным to.
197
Доля нагрузки на атмосферу по компонентам
Рис. 1. Нагрузка на атмосферу от взрывных работ
Показатель Агтого определяется отношением предельной величины используемого для санитарной оценки среды показателя самого безопасного вещества (например, диметилнитроза-мина ПДК сс = 50 мг/м 3 или метана ОБУВ =50 мг/м3) к величине этого показателя i-того вещества.
С применением предложенного показателя выполнены сравнительные оценки нагрузки на атмосферу при производстве массовых взрывов на железорудных карьерах СНГ. Результаты оценки свидетельствуют о том, что основным компонентом, оказывающим воздействие на атмосферу, является пыль (рис. 1, табл. 1).
Доля нагрузки от пыли колеблется в пределах от 24 до 72%, при среднем значении 48%. Вторым компонентом по величине нагрузки является двуокись углерода (в среднем 22%), далее следуют окислы азота (17%), окись углерода (9,3%); на водород и водяные пары приходится менее 1%.
Представленные результаты показывают величины общей нагрузки, оказываемой взрывными работами на атмосферу за год. Однако в течение года нагрузка в зависимости от частоты взрывных работ и длительности существования веществ в атмосфере носит переменный характер.
198
Таблица 1
Распределение нагрузки на атмосферу по компонентам, содержащимся в выбросах от взрывных работ на карьерах
Значения	Доля нагрузки по компонентам, 96					
	Пыль	СО	NO,	со2	Н2О	Н
Минимум	24,36	39,35	3,323	9,261	0,01	0,36
Среднее	47,34	9,348	16,83	22	0,025	0,822
Максимум	71,81	20,84	37,8	49,05	0,055	1,832
Таблица 2
Длительность существования веществ в атмосфере
Элемент или соединение	Время существования в атмосфере, сутки
Водород (Н)	2600
Диоксид углерода (СОг)	1460
Оксид углерода (СО)	130
Водяные пары (НгО)	10
Диоксид азота (NO2)	10
Оксид азота (NO)	9
Взвешенные вещества (пыль)	2
Ясно, что максимальная её величина будет иметь место в момент производства взрывных работ. В дальнейшем нагрузка будет снижаться и достигнет минимума перед производством следующего массового взрыва. Причём, это снижение по каждому компоненту будет носить индивидуальный характер. Характер изменения нагрузки в течение года с начала производства взрывных работ в железорудном карьере средней мощности по горной массе (~12 млн. м3) в зависимости от частоты взрывов представлен на рис. 2.
Как видно из рисунка пики превышений нагрузки в дни производства взрывных работе при частоте взрывов 1 раз в месяц приблизительно в два раза превышают аналогичные пики, имеющие место при взрывах два раза в месяц.
Общая нагрузка складывается из нагрузок компонентов, представленных в табл. 1, имеющих различную длительность существования в атмосфере. В табл. 2 представлены сроки существования содержащихся в выбросах веществ, принятые в результате анализа данных, приведенных в различных источниках [2, 3, 4, 5].
199
Общая нагрузка от всех компонентов выбросов
Характер изменения нагрузки на атмосферу от выбросов окислов углерода при взрывных работах, производимых два раза в месяц, представлен на рис. 3.
Величина нагрузки стабилизируется по прошествии дней, соответствующих длительности существования вещества в атмосфере. Иля СО - это 130 суток, как видно из рис. 3, /тля СОг - 1460 суток, которые наступят через 4 года.
Характер изменения нагрузки на атмосферу для менее долгоживущих пылевых частиц и окислов азота в таких же условиях представлен на рис. 4.
Из рисунка видно, что короткоживущие в атмосфере газы и частицы полностью выводятся из атмосферы за рассматриваемый промежуток времени между взрывными работами и не успевают накапливаться в атмосфере. Т.е. то накопление нагрузки, которое видно на рис. 2, происходит за счёт, в основном, двуокиси углерода. Нагрузка на атмосферу от выбросов водорода и водяных паров является незначительной и практически не меняет общую картину характера её изменения.
Накопление некоторых короткоживущих вешеств и газов в атмосфере может происходить в результате увеличения частоты производства взрывных работ. Об этом свидетельствуют результаты оценок, выполненных для окислов азота при четырёх вариантах частоты производства взрывных работ (рис. 5).
При увеличении числа взрывов за год до 52 и 104 число дней с незагрязнённой атмосферой отсутствует. Для веществ, существующих в атмосфере продолжительное время, картина изменения нагрузки со временем в зависимости от частоты взрывных работ, несколько иная (рис. 6).
Накопление СО в атмосфере происходит постоянно, независимо от частоты производства взрывных работ. Стабилизация нагрузки наступает по прошествии периода длительности существования вещества в атмосфере.
Таким образом, процесс производства взрывных работ в карьерах в целом сопровождается увеличением нагрузки на атмосферу в течение нескольких лет с момента начала взрывных работ и также в течение нескольких лет по завершении этих работ нагрузка от них будет ощущаться атмосферой. Основным компонентом такого длительного воздействия является газ СОг. Из токсичных веществ наиболее длительное воздействие на атмосферу оказывает газ СО.
201
Рис. 3. Изменение нагрузки на атмосферу от выбросов окислов углерода
Нагрузка на атмосферу от выбросов пыли и окислов азота
Дни
— — Пыль —— Nox
Рис. 4. Изменение нагрузки на атмосферу от выбросов пыли и окислов азота
Нагрузка на атмосферу от выбросов окислов азота
Дни
13 взрывов------26 взрывов.......52 взрыва — 104 взрыва
Рис. 5. Изменение нагрузки на атмосферу от выбросов окислов азота при различной частоте взрывов
Нагрузка на атмосферу от выбросов СО
Дни
- - - (13 вз.)------(26 вз.)-----(52 вз.) ...."(104 вз.)
Рис. 6. Изменение нагрузки иа атмосферу от выбросов СО при различной частоте взрывов
Его присутствие в атмосфере ощущается практически всё время эксплуатации карьера. И после прекращения взрывных работ нагрузка на атмосферу от присутствия этого газа будет иметь место более четырёх месяцев. Пыль и окислы азота несмотря на их основную роль в нагрузке в атмосфере практически не накапливаются и с завершением эксплуатации карьера их воздействие на атмосферу практически прекращается.
------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Папичев В. И. Оценка воздействия горного производства на природные ресурсы регионов. - Горный журнал. №4, 2005 - С. 94-96.
2.	Бретшнайлер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений: технология и контроль: Пер. с англ. / Под ред. А.Ф.Туболкина. -71.: Химия, 1989. - 288с.
3.	Расул С. Химия нижней атмосферы. - М.: Мир, 1976.
4.	Малышев Ю.Н., Айруни А.Т., Куликова Е.Ю. Физико-химические процессы при добыче полезных ископаемых и их влияние на состояние окружаюшей среды. - М.: Издательство АГН, 2002 - 270 с.
5.	Robinson Е., Robbins R. Sources, abundance, and fate of gaseous atmospheric pollutants, Stanford Research Institute Final Rept. Proj. PR - 6755, Menlo Park, Calif, 1968; also supplemental report, 1969. И5НЗ
V.I. Papichev
CHARACTER OF CHANGING OF THE LOAD UPON THE ATMOSPHERE IN THE PERIOD OF EXPLOSION WORKS IN PITS
Character ofchanging of the load upon the atmosphere both us u whole and due to the separate components, which contain in dust-gas cloud in dependence of time of substances existence and frequency of explosion works is considered in the article.
Key words: atmosphere, load, explosion works.
— Коротко об авторе -------------------------------------
Папичев В.И. - доктор технических наук, Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук, тел. (495) 360-76-11, info@ipkonran.ru
206
© Л.В. Рыбак, 2010
УДК 622:502.7
Л.В. Рыбак
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГОЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
ПО ДОБЫЧЕ УГЛЯ В УСЛОВИЯХ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Обосновывается развитие производственной деятельности угледобывающих предприятий в условиях урбанизированных территорий, позволяющее обеспечить рациональность природопользования и хозяйственной деятельности шахт при снижении экологической нагрузки.
Ключевые слова: шахты, урбанизированные территории, развитие производства, рациональность природопользования, экология.
Семинар № 8
Развитие угледобывающего производства было и остается неотъемлемой частью процесса обеспечения потребностей страны в энергоресурсах.
В то же время, в результате развития процесса урбанизации, растет доля предприятий угольной отрасли, работающих в условиях урбанизированных территорий, то есть таких, которые формируются в результате наложения (пересечения) всей или части шахтного поля и территории, расположенных над ними городов или поселков городского типа.
В настоящее время около 19% предприятий угольной отрасли, из которых 16% приходится на шахты, работают в условиях урбанизированных территорий. При этом доля угля добытого в таких условиях, по отрасли составляет около 24%, в которой на шахты приходится около 13%, на разрезы - 11%.
Объем геологических запасов угля в пределах урбанизированных территорий составляет порядка 29 млрд, т, из них (около 25 млрд, т) расположены под территорией городов Кемеровской области. При этом, на 14 шахтах Кузбасса, шахтные поля которых частично расположены под урбанизированными территориями, в настоящее время только промышленные запасы угля составляют около1262 млн. т.
Добыча угля в урбанизированных территориях влечет за собой увеличение производственных расходов, связанных с негативными последствиями для состояния городской инфра
207
структуры и окружающей природной среды. С другой стороны, для шахт, работающих в таких условиях, появляется более благоприятная возможность для получения доходов от сопутствующей производственной деятельности, направленной для обеспечения потребностей подрабатываемых населенных пунктов.
Поэтому производственная деятельность шахт в условиях урбанизированных территорий сопряжена с необходимостью поиска рациональных вариантов развития как основного, так и сопутствующих видов производственной деятельности, установления экономических отношений с другими субъектами в новых (рыночных) условиях хозяйственной деятельности.
В результате перехода на рыночные методы ведения хозяйствования создались условия, позволяющие более гибко использовать индивидуальный потенциал шахт, работающих в условиях урбанизированных территорий как за счет создания продукции конкурентоспособной в пределах локальных рынков таких территорий, так и для нахождения компромисса интересов всех субъектов, принимающих участие в различных видах производственной деятельности.
Однако накопленные в настоящее время знания, связанные с обоснованием развития производственной деятельности шахт в урбанизированных территориях не в полной мере учитывают особенности учета стоимости подрабатываемых объектов городской инфраструктуры, формирования спроста в пределах локальных рынков этих территорий, а также экономические и эколого-экономические отношения между всеми субъектами хозяйственной деятельности.
Это обстоятельство, в свою очередь, не позволяет обосновать условия мотивации и заинтересованности для участников различных видов хозяйственной деятельности, связанной с развитием производственной деятельности шахт в таких условиях.
Таким образом, формирование методов и подходов, позволяющих обосновано осуществлять развитие основной и сопутствующей производственной деятельности шахт в условиях урбанизированных территорий с учетом экономических и экологических особенностей такой хозяйственной деятельности, является актуальной научной проблемой.
208
г
Работа угледобывающих предприятий в урбанизированных территориях сопряжена с формированием нового результирующего вектора в суммарном действии многих факторов, влияющих на эффективность работы угледобывающих предприятий. Это связанно, с одной стороны, с тем, что добыча угля в таких условиях приводит к негативным последствиям для состояния городской инфраструктуры и окружающей природной среды. С другой - в появлении более благоприятных условий для использования природного и природно-техногенного потенциала угледобывающих предприятий для обеспечения потребностей населенных пунктов.
Таким образом, работа угледобывающих предприятий в условиях урбанизированных территорий предполагает возникновение влияния (взаимовлияния) угледобывающего производства и некоторых субъектов (объектов), расположенных в этих территориях, приводящих к существенному улучшению (ухудшению) их состояния.
В настоящее время производство по добыче угля в урбанизированных территориях представляет собой сложную многогранную систему взаимодействия природных, технических, экономических, экологических, социальных, правовых и других компонентов.
На формирование условий работы угледобывающей компании в урбанизированных территориях кроме проседания земной поверхности дополнительное влияние оказывают более жесткие ограничения по загрязнению окружающей среды и использованию земной поверхности.
В то же время, работа угледобывающих компаний в урбанизированных территориях создает для них благоприятные условия для создания и развития сопутствующих дополнительных видов хозяйственной деятельности. Это особенно актуально для тех угледобывающих компаний, экономическая эффективность работы которых невысока. Создание сопутствующих производств для таких компаний, способствует не только по-' вышению обшей эффективности их работы, но создает условия для обеспечения устойчивости их работы при резких колебаниях рыночного спроса на добываемый ими уголь.
Разработка угольных месторождений в условиях урбанизированных территорий характеризуется рядом существенных отличий, с точки зрения эффективности природопользования,
209
значимости экологических последствий угледобычи и результативности производственно-хозяйственной деятельности угольных компаний.
Эти отличия возникают в результате: Ужесточения экологических нормативов по выбросам и сбросам загрязняющих веществ, для всех расположенных там предприятий, и в том числе шахт. Возникновения негативных последствий для состояния городской инфраструктуры, расположенной на земной поверхности, подрабатываемой в процессе отработки угольного месторождения. Наличия более благоприятных условий для создания различных сопутствующих угледобыче видов производственной деятельности, основными потребителями которой могут быть субъекты рынка, находящиеся в пределах этих территорий.
Таким образом, в условиях урбанизированных территорий развитие производственной деятельности шахт может происходить не по одному, а по многим направлениям.
В соответствии с разработанной систематизации направлений развития производственной деятельности на шахтах, работающих в условиях урбанизированных территорий, к основным видам производственной деятельности, отнесены все возможные виды организационно-технологических решений, которые могут приниматься при отработке отдельных участков шахтного поля, расположенных под объектами городской инфраструктуры.
К сопутствующей производственной деятельности отнесено: развитие производства связанного с дополнительной добычей угля, отличающегося от основных направлений такой деятельности возможностью добычи угля из внешних (смежных) по отношении к шахтному полю участков угольного месторождения; использование природно-техногенных ресурсов, образующихся в подземном пространстве шахт в результате разработки угольных месторождений (метан, шахтные воды); использование подземного пространства шахт для размещения там внешних ресурсов, которыми являются, прежде всего, отходы жизнедеятельности; использование угольных шламов для создания водоугольного топлива (ВУТ); использование твердых отходов угледобычи.
С целью упорядочения всех возможных вариантов взаимоотношений, которые могут возникать у угледобывающей ком
210
пании при развитии производства по добыче угля в условиях урбанизированных территорий с другими субъектами хозяйственной деятельности, разработана их систематизация, в основу которой положены: потребность в формировании взаимоотношений угледобывающей компании с другими субъектами хозяйственной деятельности; область (сфера) сопутствующей производственной деятельности; характеристика субъектов хозяйственной деятельности, с которыми могут быть установлены взаимоотношения; целеустремленность (цели) угледобывающей компании и других субъектов хозяйственной деятельности при формировании взаимоотношений; форма установления взаимоотношений; период действия взаимоотношений.
Расширение хозяйственной деятельности угледобывающих компаний путем включения в нее различных видов сопутствующего производства в условиях урбанизированных территорий во многих случаях может оказаться экономически не только возможным, но и целесообразным, преимущественно за счет близости к нему субъектов близлежащего (локального) потребительского рынка.
Исходя из вышесказанного, можно сделать заключение о том, что участки территории рынка урбанизированных и прилегающих к ним территорий, на которых может быть реализована продукция и (или) услуги, созданные в сопутствующей угледобыче производственной деятельности, в дальнейшем следует рассматривать как территории отдельных локальных потребительских рынков. При этом на территории таких локальных потребительских рынков целесообразно выделять отдельные сегменты рынка в соответствии с уровнем рыночных цен на реализуемые там продукцию и (или) услуги.
В то же время, в силу неравномерности распределения по территории локального потребительского рынка величин спроса, цены и затрат на создаваемые при сопутствующей угледобыче различных видов потребительных стоимостей, то прирост суммарной величины прибыли, получаемой при насыщении отдельных сегментов рынка, будет различен.
Рассмотренные методические подходы представляют собой основные элементы методологии, используемой для разработки механизма эколого-экономической оценки и выбора вариантов развития производственной деятельности шахт в условиях урбанизированных территорий. В то же время приведен-
211
ные методические подходы не позволяют сделать заключение о том, в какой мере в них учтено влияние на формируемый механизм определяющих его факторов.
Поэтому для обеспечения полноты рассмотрения в проводимых исследованиях действия всех выявленных в результате проведенного анализа факторов, они были объединены в группы факторов, однородных по характеру их влияния на развитие производственной деятельности шахт.
В первую группу однородных факторов «А», оказывающих влияние на развитие производственной деятельности шахт в урбанизированных территориях, отнесены факторы, характеризующие состояние горно-геологических условий, в которых должна осуществляется разработка участка угольного месторождения.
Во вторую группу однородных факторов «Б» отнесены факторы, характеризующие состояние произволственно-хозяйственной леятельности шахт в условиях урбанизированных территорий.
В соответствии с результатами проведенного анализа все факторы, входящие в группу «Б» разделены на три однородные по содержанию подгруппы факторов, характеризующих: организацию и технологию основного и сопутствующего производства, экологическую и экономическую стороны производственно-хозяйственной деятельности угледобывающих предприятий.
В третью группу однородных факторов «В», оказывающих влияние на развитие производственной деятельности в условиях урбанизированных территорий, отнесены факторы, характеризующие состояние городской инфраструктуры территорий, под которыми ведутся горные работы.
В четвертую группу однородных факторов «Г» отнесены факторы, характеризующих влияние внешних условий на производственную деятельности угледобывающих предприятий.
Выявленные взаимосвязи факторов стали основой для формирования методических подходов к оценке влияния урбанизированных территорий на развитие основной и сопутствующей производственной деятельности угледобывающих предприятий.
Первый из них основывается на том, что разработка угольных месторождений подземным способом в условиях урбанизированных территорий сопряжена с образованием раз-212
личных ущербов окружающей природной среде города. Одним из них является ущерб, образующийся в результате проседания земной поверхности.
Поэтому при формировании планов развития производства по добыче угля в условиях урбанизированных территорий могут приниматься варианты развития горных работ: а) предусматривающие их воздействие (подработку) на конкретные объекты городской инфраструктуры (с необходимостью компенсации наносимого им ущерба), б) исключающие возможность воздействия (подработки) таких объектов (при условии внесения соответствующих изменений в планы работ, которые в свою очередь также ведут к росту дополнительных затрат).
При этом, выбор того или иного варианта сопряжен с величиной дополнительных издержек угледобывающего предприятия, которые будут иметь место при его работе в урбанизированных территориях
На основании проведенных исследований осуществлена систематизация вариантов влияния урбанизированных территорий на развитие угледобывающего производства.
В соответствии с систематизаций, первый вариант предусматривает выполнение комплекса работ необходимых для оставления целиков под объектами городской инфраструктуры при подготовке выемочных участков, позволяющих исключить их подработку.
Данный вариант предполагает прирост капитальных расходов при подготовке выемочных участков.
Кроме того, необходимо учитывать, что часть капитальных затрат, которые были осуществлены при подготовке выемочных полей (крыльев) шахтного поля, не будет компенсированы в полном объеме, в связи с не выемкой части запасов угля, оставляемых в целиках. При этом величину прироста удельных капиталовложений на добычу угля в таких зонах влияния урбанизированных территорий можно установить по отношению приведенных во времени описанных выше капитальных затрат к тому объему запасов угля, которые при этом должны быть добыты.
Второй вариант предусматривает необходимость осуществления комплекса работ предусмотренных при закладке выработанного пространства для зашиты объектов поверхности от негативного воздействия горных работ. При этом угледобы
213
вающее предприятие будет вынуждено нести дополнительно капитальные и эксплуатационные расходы.
При этом варианте в угледобывающем предприятии имеет место прирост эксплуатационных и капитальных расходов, связанных с необходимостью применения соответствующих технологий. Прирост эксплуатационных затрат сопряжен с необходимостью выполнения дополнительных работ непосредственно при отработке выемочных участков, а капитальных - в период их подготовки.
Третий вариант предусматривает для угледобывающей компании осуществление платежей, направляемых на компенсацию владельцам объектов (участков) поверхности полной стоимости утрачиваемого ими имущества до начала ведения горных работ. Поскольку полное восстановление потребительной стоимости подрабатываемых объектов (участков) поверхности должно быть выполнено превентивно, то есть до осуществления горных работ, то распространение работ по добыче угля в эти зоны может быть только при условии осуществления своевременных капиталовложений.
Четвертый вариант предусматривает необходимость для угледобывающего предприятия осуществления затрат, направляемых на восстановления частично утрачиваемой, в результате подработки, потребительной стоимости объектов городской инфраструктуры.
При этом угледобывающее предприятие вынуждено нести дополнительные эксплуатационные расходы, связанные с необходимостью оплаты расходов на ремонт (восстановление) частично утраченной потребительной стоимости подработанных объектов городской инфраструктуры.
Пятый вариант предусматривает необходимость для угледобывающего предприятия осуществлять платежи за частичную утрату ценности земной поверхности (парковых зон и т.п.) города (населенного пункта) в результате ведения подземных горных работ.
При этом угледобывающее предприятие будет вынуждено нести дополнительные эксплуатационные расходы, связанные с необходимостью осуществления выплат за снижение ценности природных объектов в черте города.
Создание различных видов сопутствующей производственной деятельности, представленные в систематизации направ-
214
пений развития производства на угледобывающих предприятиях работающих в условиях урбанизированных территорий, могут стать основой для получения дополнительной прибыли при условии согласования интересов в повышении эффективности своей деятельности всех участвующих в ней сторон.
Второе заключается в том, что в соответствии с методологическими основами оценки рынков сбыта для потребительных стоимостей, создаваемых в сопутствующей угледобыче производственной деятельности, емкость таких рынков должна быть достаточной для размещения в них создаваемой продукции.
В результате выполненного анализа установлены и систематизированы следующие варианты влияния урбанизированных территорий на развитие сопутствующей производственной деятельности угледобывающих предприятий.
1.	Отработка законсервированных участков месторождения, расположенных под объектами городской инфраструктуры.
2.	Использование шахтного метана (воды) для нужд города.
3.	Использование подземного пространства шахт для размещения городских отходов потребления предусматривает создание на шахте капитальных сооружений, приобретения технологического оборудования, позволяющих осуществлять прием, транспортировку к местам размещения и, собственно, размещение городских отходов потребления в выработанном пространстве шахт.
4.	Использование шламов для производства водоугольного топлива предусматривает необходимость приобретения технологического оборудования и коммуникаций, позволяющих производить из угольных шламов водоугольное топливо, а также осуществлять транспортировку водоугольного топлива к потребителям расположенным в урбанизированных территориях.
5.	Производство продукции из твердых отходов шахт предусматривающей необходимость приобретения технологического оборудования, позволяющего производить из твердых отходов угледобычи различные виды продукции. Осуществление такой сопутствующей производственной деятельности может быть выполнено самим угледобывающим предприятием или другим субъектом хозяйственной деятельности, специализирующимся на производстве продукции из твердых отходов
215
угледобычи при условии учета ограниченной емкости локального рынка для создаваемых видов продукции.
6.	Разработка краевых участков шахтного поля открытым способом предусматривает необходимость выполнения определенного объема горных работ и приобретения технологического оборудования для разработки краевых участков шахтного поля открытым способом.
Реализация такой деятельности может быть осуществлена при условии заинтересованности угледобывающего предприятия в повышении объемов добываемого угля и рентабельности производства.
7.	Отработка участков шахтного поля расположенных под ветхим жильем предусматривает необходимость осуществления соответствующих горных работ, а также осуществления шахтами действий по приобретению или строительству жилья, взамен сносимому до его подработки, шиз
L.V. Rubak
THE METHODOLOGICAL THE BASES OF THE ECOLOGICAL-ECONOMIC SUBSTANTIATION OF THE DEVELOPMENT OF PRODUCTION ACTIVITY IN COAL MINING UNDER THE CONDITIONS OF THE URBANIZED TERRITORIES
Is based the development of the production activity of the coal-mining enterprises under the conditions of the urbanized territories, which makes it possible to ensure the rationality of use of natural resources and economic activity of mines with a reduction in the ecological load.
Key words: mine, the urbanized territories, the development of production, the rationality of use of natural resources, ecology.
— Коротко об авторе ------------------------
Рыбак Л.В. - докторант кафедры ЭП, тел. 236-94-65 Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
216
----------------------------------© М.Х. Пешкова, Р.Р. Сибгатулин, 2010
УДК 622:338.3
МЛ. Пешкова, Р.Р. Сибгатулин
МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ ОБОРОТНЫМ КАПИТАЛОМ УГОЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Проведен факторный анализ угольных компаний различной эффективности. Определены наиболее значимые компоненты оборотных средств и источников их формирования для групп угольных компаний различной эффективности функционирования. Установлены рекомендуемые значения коэффициентов финансового состояния угольных компаний. Разработана экономико-математическая модель управления оборотным капиталом угольных компаний различной эффективности.
Ключевые слова: оборотный капитал, коэффициенты финансового состояния.
Семинар № 9
В результате приватизации угольные компании лишились государственной поддержки, что в рыночных условиях сопровождалось падением объемов добычи угля. Большинство угольных компаний, вынужденных самостоятельно решать вопросы финансирования своей деятельности, оказались в затруднительном экономическом положении.
Необходимость увеличения производственных мощностей угольных компаний, что невозможно без улучшения их финансового состояния, определяется энергетической стратегией РФ, в которой отмечено, что доля угля в энергетическом балансе страны должна возрасти с 17% до 34%.
Проведенный анализ финансового состояния угольных компаний, в частности, анализ ликвидности компаний, показал, что в настоящее время угольные компании находятся в высокой зависимости от внешних источников финансирования. Это приводит к тому, что угольные компании зачастую не способны покрывать свои краткосрочные обязательства даже с учетом полного расчета с дебиторами.
В ходе проведенного анализа было выявлено неудовлетворительное состояние запасов угольных компаний, а именно, большинство угольных компаний характеризуются завышенной величиной запасов. С одной стороны, благодаря образованию материальной части оборотных средств на каждой стадии процесса воспроизводства обеспечиваются его бесперебойность и
217
непрерывность, а, следовательно, стабильность функционирования компаний. С другой стороны, значительное завышение запасов угольных компаний может привести к быстрому сокращению и отвлечению дополнительных источников финансирования в неликвидных активах, а, следовательно, к снижению кредитоспособности и ухудшению финансовых результатов деятельности компаний.
Поскольку значения коэффициентов маневренности и обеспеченности запасов собственными источниками финансирования большинства угольных компаний свидетельствует о том, что они не в состоянии обеспечить производственные оборотные фонды собственными финансовыми источниками, риск снижения кредитоспособности и потери финансовой устойчивости значительно возрастает. Усугубляет сложившуюся ситуацию отрицательное значение коэффициента прогноза банкротства (в целом по отрасли), то есть предприятия не способны рассчитаться по своим краткосрочным долгам даже при полной реализации имеющихся запасов. Кроме того, отрицательная динамика коэффициентов рентабельности и оборачиваемости негативно характеризует финансовый результат деятельности большинства угольных компаний.
Таким образом, проведенный анализ показал, что большинство угольных компаний России находится в неустойчивом финансовом состоянии, при этом ключевыми факторами, оказывающими влияние на финансовую устойчивость компаний, выступают основные элементы оборотного капитала: запасы, денежные средства, краткосрочные финансовые вложения, кредиторская задолженность и прочие краткосрочные кредиты и займы, дебиторская задолженность.
Следовательно, можно сделать вывод, что эффективное управление оборотными активами и источниками их формирования в значительной степени определяет повышение финансовой устойчивости угольных компаний, а, следовательно, и улучшение их финансового состояния в целом.
В общем понимании оборотный капитал компании представляет собой денежные средства, необходимые для создания производственных запасов, расчетов с поставщиками, выплат в бюджетные фонды, расчетов с персоналом компании.
Следовательно, «оборотный капитал - это фонд денежных средств и сформированные за его счет оборотные активы
218
предприятия, предназначенные для обеспечения планомерного, непрерывного и расширенного производства и обращения, и авансируемые, с одной стороны, в сферу производства и сферу обращения, а с другой - в материальные и нематериальные оборотные активы» [6].
Множество неоднозначно влияющих элементов оборотного капитала на финансовое состояние угольных компаний, характеризующихся различными условиями функционирования, привело к необходимости разработки экономико-математической модели, позволяющей наиболее эффективно управлять оборотным капиталом отдельных компаний.
Поскольку исследуемые компании значительно различаются по финансовым результатам их деятельности, от убыточных до высокоэффективных, была выдвинута идея определения наиболее значимых факторов, влияющих на финансовое состояние компаний различной эффективности. Такой подход позволяет наиболее качественно управлять оборотным капиталом, акцентируя внимание на те его элементы, которые являются определяющими для компаний, функционирующих с соответствующей эффективностью. В качестве анализируемых объектов были отобраны угольные компании, расположенные в Кемеровской, Иркутской, Читинской областях, а также в Республике Коми. В качестве признаков анализа приняты рассчитанные значения коэффициентов финансового состояния, а также некоторые элементы, составляющие актив и пассив бухгалтерского баланса каждой компании. Всего проанализировано 90 объектов и 41 признак.
Исследуемые компании были разбиты на 6 групп в зависимости от эффективности их функционирования. Каждая группа содержит 15 объектов анализа (табл. 1). В качестве классификационного признака принят коэффициент рентабельности продаж компаний (КРП), который характеризует эффективность их функционирования.
Для выявления наиболее важных компонент оборотного капитала, влияющих на финансовое состояние каждой группы угольных компаний, проведен факторный анализ и получены матрицы факторных нагрузок. Сущность метода факторного анализа состоит в переходе от описания некоторого множества изучаемых предметов, заданного большим набором косвенных непосредственно измеряемых признаков, к описанию меньшим
219
Таблица 1
Разделение угольных компаний на группы по рентабельности продаж
№ группы
2
3
4
5
6
Интервал значения К р/1 Кт < -0,11
-0,11<А'га <0,03
0,03 <КРП <0,13
0,13 <КРП <0,26
0,26 < К„, < 0,36 Кр„ > 0,36
числом максимально информативных переменных, отражающих наиболее существенные свойства изучаемого объекта. То есть, основная цель факторного анализа состоит в обнаружении общих факторов, объясняющих связи между наблюдаемыми признаками объекта.
Началом факторного анализа служит исходная матрица наблюдений следующего вида:
Z,7,z = l.W j = 1-« где: i - номер объекта исследования, J- номер признака.
В результате проведенного факторного анализа получены полиномиальные аппроксимирующие функции, отражающие степень влияния элементов оборотного капитала и источников их формирования на финансовое состояние угольных компаний различной эффективности.
В качестве примера в данной статье приведены две полиномиальные функции, определяющие влияние собственного капитала (рис. 1) и запасов (рис. 2) на финансовое состояние угольных компаний различной эффективности.
Высокие коэффициенты аппроксимации, характеризующиеся значениями более 0,9, позволяют с достаточной достоверностью использовать полученные функции для выделения областей высокой значимости исследуемых признаков для компаний различной эффективности. Так, например, собственный капитал и запасы являются наиболее значимыми элементами оборотного капитала для компаний с рентабельностью продаж меньше 0,5 и более 0,25 (значения факторной нагрузки а, <-0,7 И >0,7)-
220
v = 0,021х4 - 0,359xJ + 2,043х2 - 4,035х + 1,414
R2= 0,979
1
Рис. 2. Влияние запасов на финансовое состояние угольных компаний различной эффективности
На следующем этапе исследований проведена количественная оценка финансовой устойчивости угольных компаний, которая состояла в сопоставлении фактических значений коэффициентов финансовой устойчивости с рекомендуемыми значениями.
Для такого сопоставления была разработана система рекомендуемых значений коэффициентов финансовой устойчивости, которая в отличие от существующих зарубежных и отечественных аналогов нормативных значений, отражает специфику исследуемых угольных компаний и учитывает не только объемы, но и эффективность производства продукции.
/Зля разработки системы рекомендуемых коэффициентов финансовой устойчивости угольных компаний была определена средневзвешенная структура баланса, которая в полной мере отражает специфику угольной отрасли. Такая структура получена с использованием метода средневзвешенной оценки активов и пассивов исследуемых компаний.
Исходным массивом данных для определения средневзвешенной структуры баланса угольных компаний является их бухгалтерская отчетность.
Наиболее важным моментом при построении такой структуры является выбор веса каждого /-го признака, поскольку именно от значения весового коэффициента во многом будет определяться среднее значение.
В качестве такого веса, который с одной стороны отражал бы масштаб деятельности компании (то есть объем производства), а с другой - эффективность ее функционирования, принята величина, равная произведению суммарных активов компании и рентабельности продаж той же компании,-
(2)
Поскольку рекомендуемые показатели призваны служить ориентиром для всех компаний угольной отрасли, то для их расчета использованы данные только тех компаний, финансово-хозяйственная деятельность которых оцениваться положительно.
Таким образом, для определения средневзвешенной структуры баланса угольной отрасли отобраны предприятия со значением К,,п > 0 (табл. 2).
223
Таблица 2
Средневзвешенная структура баланса угольных компании
Статьи баланса	Доля к ИБ в %
Капитал и резервы (ПЗ)	62,54
Итог Баланса (ИБ)	100,00
Долгосрочные обязательства (П4)	13,10
Краткосрочные обязательства (П5)	24,41
Внеоборотные активы (А1)	72,21
Запасы (3)	8,44
НДС	1,57
Денежные средства (ДС)	2,39
Краткосрочные финансовые вложения (КФВ)	5,45
Дебиторская задолженность меньше 1 года (Д3< 1)	9,85
Прочие обортные активы (ПОА)	0,00
Оборотные активы (А2)	27,79
Нематериальные активы (НА)	0,13
Основные средства (ОС)	22,10
Сырье и материалы (СиМ)	2,99
Незавершенное производство (НП)	0,00
Готовая продукция	0,53
Займы и Кредиты	7,58
Кредиторская задолженность (КЗ)	11,58
Прибыль от прдаж	15,55
Выручка нетто	42,69
На основе определенной средневзвешенной структуры баланса угольной отрасли рассчитаны рекомендуемые коэффициенты финансового состояния угольной отрасли (табл. 3).
На основе проведенных исследований разработаны системы неравенств, включающие рекомендуемые значения коэффициентов финансового состояния и элементы оборотного капитала, которым должны удовлетворять компании, принадлежащие к различным группам эффективности.
224
Таблица 3
Рекомендуемые значения коэффициентов финансового состояния для угольных компаний
Наименование коэффициента (расчетная формула)	Рекомендуемые значения
Коэффициент автономии (Ка=(ПЗ/ИБ)	0,63
Коэффициент соотношения заемных и собственных средств (Кз/с=(П4+П5)/ПЗ)	0,60
Коэффициент маневренности (Км=(П4+П5-А1)/ПЗ)	-0,55
Коэффициент абсолютной ликвидности Кал=(ДС+КФВ)/П5	0,32
Коэффициент ликвидности (Кл=(ДС+КФВ+ДЗ< 1+ПОА)/П5)	0,72
Коэффициент покрытия (Кп=А2/П5)	1,14
Коэффициент реальной стоимости имущества производственного назначения	0,25
(Кип=(НА+ОС+СиМ+НП)/ИБ) Коэффициент прогноза банкротства (Кпб=(3+Н71А-П5)/ИБ)	-0,08
Коэффициент кредиторско-дебиторской задолженности (Кк/д=(КЗ/ДЗ))	1,18
Коэффициент общей оборачиваемости капитала (Коок=В/ИБ)	0,43
Коэффициент оборачиваемости мобильных средств (Комс=В/А2)	1,54
Коэффициент оборачиваемости материальных оборотных средств (Кмос=В/(3+НДС))	4,26
Коэффициент оборачиваемости готовой продукции (Когп=В/ГП)	81,15
Коэффициент оборачиваемости дебиторской	4,33
задолженности (Кодз=В/ДЗ<1)	
Коэффициент оборачиваемости кредиторской задолженности (Кокз=В/КЗ)	3,69
Коэффициент фондоотдачи внеоборотных активов (Кфва=В/А1)	0,59
Коэффициент оборачиваемости собственного капитала (Коск=В/ПЗ)	0,68
Данные системы неравенств являются основой для разработки рекомендаций по управлению оборотным капиталом, направленных на повышение финансовой устойчивости угольных компаний.
Алгоритм разработанной экономико-математической модели управления оборотным капиталом угольных компаний приведен на рис. 3.
225
0,13 <S 0^6 I
дзzk,• па л2-з-ндс
Сим бк^иб-осбз
3-СиМЪГП&-2— Когр
К*В БК^П5БЛ2-3-НДС-ДЗ
ПЗ-К.'ИВ
ПАБПЗ- (К„9 + 1)-П5 В ИБ
Ч'
026 < Крп£ 0J6
---1___
*т>озб
ДЗЛК^ПЗЛЛ2-3-ЦДС СиМ ВК^ ИБ-ОСВЗ 3-СчМгГПзЗ-Когр
КФВБК^П5-ДСБМ-3-НДС-ДЗ ПЗ-К^ИБ
КЗВК^ДЗВПЗ
ДЗВК„1Т5ВА2-3-ЦДС амвк^ив-освз 3-СиМЪГПБ^—
Kojp
ДСВК^ПЗБМ-З-НДС-дз
ПЗ-К^ИБ
КЗВК^,-ДЗВП5
* Разработка рекомендаций по повышению финансовой устойчивости компании
Рис. 3. Алгоритм экономико-математической модели управления оборотным капиталом угольных компаний
где ДЗ - дебиторская задолженность; Клр - нормативный коэффициент ликвидности; 775 - краткосрочные обязательства; А2 - оборотные активы; 3 - запасы; НДС - налог на добавленную стоимость; СиМ - сырье и материалы; Кипр - нормативный коэффициент реальной стоимости имущества производственного назначения; ИБ - итог баланса; ОС - основные средства; КЗ - кредиторская задолженность; - нормативный коэффициент соотношения кредиторской и дебиторской задолженности; ПЗ - капитал и резервы; Кар - нормативный коэффициент автономии; ЗиК - займы и кредиты; 777 -готовая продукция; К - нормативное значение коэффициента абсолютной ликвидности; Кз1ср - нормативное значение коэффициента соотношения заемных и собственных средств; 774 - долгосрочные обязательства.
Выводы:
1.	Установлено, что управление оборотными активами и источниками их формирования является действенным механизмом, позволяющим повысить финансовую устойчивость угольных компаний.
2.	Для наиболее эффективного управления оборотным капиталом выделены наиболее значимые факторы, влияющие на финансовую устойчивость угольных компаний различной эффективности.
3.	Определены рекомендуемые значения коэффициентов финансового состояния угольных компаний, которые отражают их специфику и учитывают не только объемы добычи, но и эффективность производства продукции.
4.	Разработана экономико-экономическая модель, позволяющая определить области рационального изменения величины оборотных активов и источников их формирования, обеспечивающие финансовую устойчивость функционирования угольных компаний различной эффективности.
228
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Жилкина А.Н. Управление финансами. Финансовый анализ предприятия. Учебник. - М.: Инфра-М, 2005. - 336 с.
2.	Ковалев В.В. Финансы. - М.: ТК Велби, 2007. - 512 с.
3.	Ковалева А.М., Лапуста М.Г., Скамай Л.Г. Финансы фирмы. - М.: Инфра-М, 2007. - 522 с.
4.	Крейнина М.Н. «Финансовый менеджмент», 2-ое издание. - М: Дело и сервис, 2001. - 400 с.
5.	(Украинец Т.И. Теория управления финансовой устойчивостью компании. МПГУ, 2006.
6.	Управления финансами (Финансы предприятий): Учебник/ А.А. Володин и др. - М.: Инфра-М, 2006. - 504 с.
7.	Федорова ЕВ. Методика экспресс-анализа финансовой устойчивости угольных компаний // ГИАБ, 2005.
8.	Шеремет AM., Сайфулин Р.С. Учебное пособие. Методика финансового анализа - М.: Инфра-М, 2002. - 208 с.
9.	Шеремет, AM. «Анализ финансово - хозяйственной деятельности», Москва, «ИПБ - БИН ФА», 2003 г.
10.	http://dvo.sut.rU/libr/opds/il30hod2/7.htm ИЯЗЗ
М.Н. Peshkova, R.R. Sibgatulin
THE MECHANISM OF MANAGEMENT BY WORKING САРП-AL OF THE COAL ENTERPRISES
Factor analysis of the coal companies of various efficiency is conducted. The most significant components of working capital and sources of their formation for groups of the coal companies of various efficiency are advanced. Recommended significances of factors of financial circumstances of the coal companies are established. The economic-mathematical model of management by a working capital is developed for the coal companies of various efficiency.
Keywords: working capital, factors of financial circumstances.
— Коротко об авторах----------------------------------------
Пешкова М.Х. - доктор экономических наук, профессор, зав. кафедрой «Финансы горного производства»,
Сибгатулин Р.Р. - ст. преп. кафедры «Финансы горного производства», Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
229
------------------------------------- © Е.А. Ельчанииов, 2010
УДК 502:551.345
Е.А. Ельчанинов
НАУЧНОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ПРОМЫШЛЕННОМ ОСВОЕНИИ СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ РОССИИ
Рассмотрены экологические проблемы масштабного промышленного освоения Северных территорий. Дается характеристика и место природоохранной проблемы, а также направления снижения негативного влияния на природную среду при масштабном промышленном освоении Северных территорий. Предложены ключевые экологические требования для разработки и реализации государственной программы освоения Северных территорий.
Ключевые слова: экология, природопользование, территории, Север, освоение.
Семинар № 10
Богатые природные ресурсы Крайнего Севера, рассредоточенные на огромнейшей территории, при ее слабой транспортной освоенности предопределили очаговый характер размещения производства, привязав его к опорным базам, расположенным в южных, обжитых районах Сибири и Дальнего Востока и на побережье океана и внутренних рек. С этих баз сырье и промышленные товары переправляются в самые отдаленные точки Крайнего Севера.
Серьезные вопросы возникают в области транспортного, промышленного и гражданского строительства. Непросто решается проблема формирования трудовых ресурсов и создания для них материально-бытовых условий. Современный уровень изученности проблемы позволяет утверждать, что она хранит в себе центробежные силы, которые окажут преобразующее влияние на смежные проблемы, осуществляемые на осваиваемых территориях.
Можно без преувеличения утверждать, что важнейшие экономические и хозяйственные задачи России сегодня могут быть решены только с учетом освоения Северных территорий и вовлечения их топливно-энергетических, сырьевых и других природных ресурсов в экономический и хозяйственный оборот. Северные территории России всегда были объектами, активно участвующими в создании промышленной индустрии страны.
230
Интенсивное хозяйственное освоение Серверных территорий и акватории ледовитого океана, несомненно, будет иметь далеко идущие экономические и социальные последствия, которые предопределят весь ход развития северной части территории России, а также восточной зоны страны.
Достаточно вспомнить реализацию богатейших топливно-энергетических возможностей Восточной Сибири, нефтяных и газовых ресурсов Западно-Сибирской низменности, развитие Норильского горно-металлургического комбината. Очередным этапом грандиозного развития экономики России может стать дальнейшее хозяйственное освоение Северных территорий от Кольского полуострова до Берингова пролива и акватория Северного Ледовитого океана.
Промышленное освоение Северных территорий открывает для развития внешнеэкономических связей недоступные ранее возможности. Это будет проявляться в двух направлениях. Во-первых, по линии создания надежных транспортных условий для более широкого использования нефте- и газадобываюшей отрасли, горнодобывающей и металлургической промышленности. Во-вторых, по линии комплексного использования сырьевых ресурсов непосредственно на осваиваемой для организации производств экспортной специализации. Все это дает нам основания считать, что освоение Северных территорий - часть программы международного экономического сотрудничества.
Что представляет собой экономическая проблема промышленного освоения Северных территорий России? Проблема хозяйственного освоения Северных территорий России имеет непростой путь развития, подвергаясь переоценке в соответствии с конкретными политическими и хозяйственными задачами страны, а также с учетом уже накопленных знаний о природно-климатических условиях и ресурсном потенциале этих территорий. При освоении ресурсов реальные материально-технические возможности практической реализации этой проблемы играли и продолжают играть не последнюю роль.
Сегодня проблема освоения северных территорий не исходит из определения, что северный морской путь это кратчайший транспортный путь призванный выполнять только транспортные функции. Речь идет о комплексном хозяйственном освоении, в котором северный морской путь явится только частью способствующей и обеспечиваюшей промышленное освоение территории.
231
Следует отметить, что характерной особенностью освоения Северных территорий является то, что оно осуществляется в зоне, где экономический потенциал, недостаточен для того, чтобы служить опорной базой на первом этапе развертывания строительных работ и размещения крупных контингентов работающих. Это обусловливает необходимость в кооперировании экономических возможностей заинтересованных отраслей для осуществления, межотраслевых пионерных работ по подготовке и освоению территории, а также создания обще зональной инфраструктуры.
Социально-экономический статус Северных территорий на протяжении всего XX века, начала хозяйственного освоения северных территорий, определялся приоритетным развитием горнодобывающей промышленности (золото, алмазы, нефть, газ, полиметаллические руды, олово и др.). Горнодобывающая промышленность являлась основной отраслью, обеспечивающей промышленное развитие Российского Севера.
Современный этап горнопромышленного освоения территории отразился значительными масштабами техногенной нагрузки с дифференцированным воздействием на все компоненты биосферы. Последствия горнодобывающего техногенеза многократно усиливаются характерными для территории неблагоприятными климатическими, геологическими, эндо- и экзогенными процессами, которые при низкой интегральной устойчивости экосистем становятся необратимыми.
Российский Север является одним из крупнейших регионов России по потенциальным ресурсам полезных ископаемых и минерально-энергетического сырья, достаточных для устойчивого социально-экономического развития на длительную перспективу. Однако дальнейшее горнопромышленное производство должно основываться на цивилизованном отношении к окружающей природной среде, учитывать специфику геоэкологических условий территории и социально-экологические аспекты жизнедеятельности, способствовать развитию малых народов проживающих на осваиваемых территориях, а также закреплению трудовых ресурсов привлекаемых для освоения территории.
Учитывая тот факт, что действующая система районирования северных территорий не отражает всего многообразия и специфики природно-климатических условий и не учитывает комплексного влияния геоэкологических факторов на жизне
232
деятельность, в качестве научно обоснованного критерия районирования территории предлагается интегральный показатель комфортности среды обитания. Интегральный показатель комфортности среды обитания может быть положен в основу районирования территории Крайнего Севера для разработки единой системы социальных гарантий и компенсаций, и оптимизации порядка их финансирования.
Методологический подход к комплексной оценке геоэкологического состояния территории должен основываться на изучении особенностей региональной геоэкологической системы, представляющей собой совокупность взаимодействующих структурных компонентов среды обитания: природной среды, геологической и антропогенной. Компоненты среды обитания территориально локализованы границами региональной геоэкологической системы, характеризуются геоэкологическими факторами, которые оказывают определяющее влияние на устойчивость окружающей среды, т.е. среды обитания.
Проблема в первую очередь связана с программой освоения нефтегазовых ресурсов северных территорий. Наряду с активным влиянием на развитие центров нефтехимической промышленности непосредственно на территории Крайнего Севера она будет связана с освоением ресурсов в границах шельфа и открытого пространства Северного ледовитого океана. Важной предпосылкой решения проблемы является также успешное решение проблемы освоения месторождений стратегических полезных ископаемых за полярным кругом создавая производственные комплексы по их добыче и переработке.
Эти комплексы и станут экономическими форпостами для развертывания работ как по освоению месторождений полезных ископаемых, так и по строительству морских портов, аэропортов, автомагистралей, железнодорожных путей, трубопроводов и линий электропередач, обеспечивая хозяйственноэкономическое укрепление нового района хозяйственного развития на Севере России, Немаловажную роль в решении этой проблемы должна сыграть активная внешнеполитическая линия по разработке целого ряда совместных экономических программ с развитыми капиталистическими странами.
Проблему эту предстоит решать в очень сложных природно-климатических условиях. Речь идет о строительстве и формировании территориально-производственных комплексов в местах не
233
имеющих прямых транспортных связей, отдаленных от промыт- | денно развитых центров, в условиях арктического сурового кли- 1 мата с низкими температурами атмосферного воздуха, высокими 1 ветровыми нагрузками, с разнообразными формами многолетней I мерзлоты, с растительным и животным миром весьма чувстви- 1 тельным к малейших экологическим изменениям. Это выдвигает 1 ряд серьезных требований к научно-технической мысли, связан- 1 ной с разработкой и реализацией проектов строительства линей- 1 ных инженерных объектов (железнодорожных, автомобильных, | трубопроводных линий и электропередач, взлетно-посадочных 1 полос при строительстве новых аэропортов), технологических ме- | тодов добычи и переработки полезных ископаемых, изготовлени- 1 ем машин и механизмов, пригодных для эксплуатации в северных | условиях, обустройством жилья и быта, утилизацией и перера- 1 боткой бытовых и промышленных отходов, особенно управлени- 1 ем экологическими процессами.	I
Методы и средства инженерной зашиты окружаюшей при- I родной среды при разработке месторождений полезных иско- | паемых: - рекультивация нарушенных земель и ее особенности; 1 - управление тепловыми полями с помощью тепловой и элекгри- 1 ческой энергии, а также без энергетическими средствами; созда- 1 ние искусственных массивов: применение систем теплового ос- 1 давления многолетнемерзлого массива: снижение окислительных ! процессов; снижение запыленности и пылеподавление с приме- | нением термических, пено- и снегообразуюших установок;	J
Управлять влиянием факторов природной среды и про- 1 мышленной инфраструктуры на формирование радиационно- 1 теплового баланса поверхности земли осваиваемого района. | Регулировать условия связи температурного режима пород с | составляющими радиационнотеплового баланса поверхности, з Прогнозировать влияние освоения территории на структуру | радиационно-теплового баланса поверхности.	|
Создавать методы и средства инженерной зашиты окру- | жаюшей природной среды при разработке месторождений по- | лезных ископаемых: - рекультивация нарушенных земель и ее | особенности; - управление тепловыми полями с помощью теп- 1 ловой и электрической энергии, а также без энергетическими <1 средствами; создание искусственных массивов: применение | систем теплового ослабления многолетнемерзлого массива: I снижение окислительных процессов; снижение запыленности и | 234	|
пылеподавление с применением термических, пено- и снегооб-разуюших установок.
Использовать выработанные пространства для размещения твердых и жидких отходов; защищать подземные и поверхностные воды применением замкнутого дренажа, закладки выработанного пространства с последующим замораживанием холодом атмосферного воздуха, перепуском в ниже лежащие водоносные горизонты, др.; обеспечивать повышение устойчивости бортов карьеров и отвалов используя мерзлотные условия, анкерные крепи и синтетические сетки; защищать водные объекты от загрязнения твердыми взвесями и химическими продуктами, размещая не очищенные технологические воды в геологических многолетнемерзлых структурах не являющихся источниками питания подземных водоносных горизонтов.
В проектах освоения Северных территорий, в первую очередь, необходимо учитывать:
-	эффективное использование и утилизацию вторичных горючих и топливных энергоресурсов;
-	создание экологически чистых тепловых электростанций и котельных;
-	создание малоотходных технологий для производства товарной продукции из отходов основного производства;
-	исключение возможных окислительных процессов в отработанных пространствах горных предприятий;
-	применение глубокой очистки технологических вод производства;
-	освоение нетрадиционных источников энергии, особенно ветровой и низкопотенциальной отходящей тепловой энергии;
-	создание новейших систем аккумулирования тепла;
-	результаты прогнозирования научно-технического прогресса в области охраны природы и рационального использования природных ресурсов, энергосберегающих и экологически щадящих технологий;
-	рынка спроса ресурсов накапливающихся в отходах потребления и производства;
-	оценка технической, экономической, экологической и социальной эффективности планируемых к применению технологий для каждого района освоения и по видам предусматриваемого производства продукции;
-	предупредительные меры, исключающие негативные последствия экстремальных экологических ситуаций.
235
Имеющиеся природные сырьевые ресурсы и благоприятно складывающиеся транспортные условия позволят создать крупные промышленные комплексы. Вопрос о передаче северной нефти предполагает строительство целого ряда нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. Известно, что такая постановка вопроса ранее была не приемлемой. Теперь положение меняется коренным образом, нефтепроводы ежегодно должны переправлять на юг, восток и запад значительный поток не только сырой нефти, в первую очередь, продуктов ее переработки.
Развитие энергетики на рассматриваемых территориях, в виду ее широтного расположения, видимо не позволит на данном этапе объединить в единую энергетическую систему Севера. Однако необходимо рассматривать возможность включения ее в единую электроэнергетическую систему, что позволит достигнуть значительной экономии мощностей электростанций (за счет сокращения резервов и использования разницы в поясах времени), повышена надежность и маневренность электроснабжения.
Трансконтинентальное значение Северного морского пути велико. Так как кратчайший путь между странами Европы, Азии и Тихого океана пролегает через северные моря нашей территории, в перспективе, с вводом в эксплуатацию новых территориально-промышленных комплексов, возрастет значение Северного пути для обслуживания как собственных потребностей, так и международных. Эта новая функция должна быть учтена как в процессе подготовки, так и в процессе освоения территорий. Северному морскому пути предстоит справляться с мощным грузопотоком, а это потребует развития портов побережья страны по всему Крайнему Северу, строить новые и реконструировать существующие. Поэтому освоение Северных территорий - должно стать неотъемлемой частью программы международного экономического сотрудничества.
Возникает вопрос о границе осуществления программы освоения Северных территорий, так как здесь возникает множество неоднозначных решений, которые связаны непосредственно с развертыванием фронта строительных работ и размещением предприятий строительной индустрии. Представители промышленности под зоной освоения понимают территорию, на которой размешены месторождения полезных ископаемых, и места, отведенные для будущих предприятий по их промышлен
236
ному использованию. Шире рассматривают этот вопрос органы управления тех субъектов федерации, краев, республик, территории которых подлежат освоению. Они правомерно считают, что промышленное освоение окажет непосредственное влияние на социально-экономическое развитие каждого из этих административных образований. Дела и заботы промышленного освоения северных территорий становятся близки людям всей страны, которые примут участие в реализации этой крупнейшей хозяйственной проблемы. Таким образом, освоение Северных территорий является программой национального масштаба.
Затраты, связанные с программой, многообразны и потребуют отвлечения определенной части произведенного совокупного продукта страны. Это обусловливает необходимость в кооперировании экономических возможностей заинтересованных фирм и физических лиц для осуществления, межотраслевых пионерных работ по подготовке и освоению территории, а также созданию обшей зональной инфраструктуры. На основе данных мировой статистики следует признать, что природоохранные мероприятия должны составлять 8-10 процентов от обшей величины производственных капиталовложений, то есть следует считаться с необходимостью целевого выделения ресурсов из генеральных смет проектируемых объектов, предназначенных для осуществления природоохранных мероприятий.
При освоении северных территорий необходимо учитывать следующие требования:
-	создание такого комплекса жизненной среды, который отвечал бы всем медико-санитарным, материальным и культурно-бытовым требованиям населения, формируемым под влиянием особенностей природно-климатических условий и производственной специализации зоны хозяйственного освоения;
-	обеспечение такого режима природопользования, который отвечал бы предельно допустимым нормам вторжения человека и управляемого им производства в природную среду. Планируя взаимоотношения с компонентами природной среды, следует учитывать низкую способность северной природы естественно восстанавливать нарушаемое человеком и производством экологическое равновесие и наличие ресурсных и производственно-технических возможностей, активно участвовать в оказании помощи природной среде, справляться с восстановлением баланса экологического равновесия;
237
-	осуществлять эффективное хозяйственное освоение сырьевых ресурсов с учетом ранимости природной среды;
-	развивать производства с учетом региональных инженерно-геологических, креологических, климатических и других условий хозяйственного освоения Северных территорий.
Такой подход позволит разработать конкретные рекомендации, направленные на управление взаимодействия человека со средой, а также на защиту человека от вредных факторов внешней среды.
Необходима разработка законодательных природоохранных норм «поведения» для всех заинтересованных фирм и предпринимателей в зоне освоения.
Северная природа требует особенно бережного отношения. Разрушению легко подвергается верхний слой почвы и растительность, которая в условиях многолетней мерзлоты, практически, не восстанавливается и не поддается рекультивации, на многих нарушенных промышленностью участках растительный покров не восстановился по прошествию 60-75 лет, например, в республике Саха (Якутия), Магаданская область, Таймыр (район Норильска), Ханты-Мансийский район, Канада (район Черчилль, Тампсон). шиз
Е.А. Yeltchaninov Dr. Sc., Prof.
ECOLOGICAL SAFETY SCIENTIFIC AND PRACTICAL SUPPLY WHILE INDUSTRIAL DEVELOPMENT OF THE TERRITORIES IN THE NORTH OF RUSSIA
Ecological problems connected with large-scale industrial development of the territories in the North of Russia are examined in the paper. Characteristics and position of nature conservation allow working out measures to lowering negative influence on the environment while large-scale industrial development of the territories in the North of Russia. Key ecological demands for State program of development of the territories in the North of Russia establishment and realization are proposed.
Key-words: ecology, nature conservation, territories, the North of Russia, development.
— Коротко об авторе ---------------------------
Ельчанинов Е.А. - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
238
----------------------------------------- © Ю.П. Галчвнко, 2010
УДК 622:55
Ю.П. Галченко
МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ИНЖЕНЕРНУЮ ЗАЩИТУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Рассмотрены общие методологические принципы построения горных технологий и нормативов уровня техногенного воздействия, обеспечивающие инженерную защиту окружающей среды при подземном освоении минеральных ресурсов литосферы.
Ключевые слова: методология, литосфера, геотехнология, кластер, абио-та, биота, биологический норматив, экологическая безопасность.
Семинар № 10
Проблема экологической безопасности при освоении недр имеет два существенных аспекта. С одной стороны, динамичное увеличение потребности в минеральном сырье приводит к постоянному повышению обшей техногенной нагрузки на естественную биоту Земли, а с другой - негативное воздействие каждого конкретного добывающего предприятия всегда ограничено во времени, вследствие исчерпаемости запасов любого месторождения. Поэтому при определении смысла и внутреннего содержания понятия экологической безопасности геотехнологий необходимо учитывать как устойчивость биосистем к действию техногенных факторов горного производства, так и возможности биологической релаксации в зонах техногенного поражения экосистем в постэксплуатационный период. Следовательно, инженерная защита окружающей среды, как система действий, обеспечивающих сохранение жизнеспособности этой среды, должна развиваться в двух, существенно различных, направлениях:
•	полное или частичное устранение причин техногенного изменения геологической среды, как первоисточника экологических опасностей при освоении недр;
•	ликвидация последствий неизбежного изменения литосферы при добыче полезных ископаемых для всех остальных сфер Земли (прежде всего - для биосферы).
Результаты реализации первого из этих направлений целиком зависят от целевой функции предпринимаемых дейст
239
вий, то есть от содержания понятия безопасности геотехнологии для экосистемы, как объекта воздействия.
Известно, что биогеоценоз, экосистема, биологическое сообщество, существующее в более или менее неизмененном виде достаточно длительное время, обладают некоторой внутренней способностью противостоять возмущающим факторам, которые в изобилии поставляет внешняя среда и антропогенное воздействие. Эту способность экологической системы обычно называют «устойчивостью» или «стабильностью».
При оценке взаимодействия техно- и биосистем, устойчивость экосистемы обретает, как бы двоякий смысл. С одной стороны, устойчивость экосистемы является её свойством, характеризующим способность выдерживать внешние нагрузки. Но с другой - если какая-то экосистема устойчива к конкретному воздействию, то значит это воздействие безопасно для данной экосистемы. Таким образом, понятие экологической безопасности технологии (производства) есть проекция в техносферу понятия устойчивости биологической системы. Учитывая, что целевой функцией при изучении взаимодействия техно- и биосферы является сохранение естественной биоты Земли, то оба обозначенных понятия увязываются воедино через достижение этой цели, но каждое из них имеет свое собственное предназначение. Исследование устойчивости экосистем должно дать количественную оценку допустимого, по условиям сохранения экосистемы, уровня техногенного воздействия, а изучение причинно-следственной связей в процессе формирования этого воздействия, должно определить технологические пути достижения биологически обусловленного порога для каждого техногенного фактора.
Ведение промышленной деятельности в экосистеме существенно изменяет её абиотическую составляющую, что, через механизм гомеостаза, оказывает влияние на те или иные биологические виды, обычно угнетая или подавляя их. Поэтому экосистема выходит из равновесия и, согласно принципу /1е-Шетелье-Брауна, её равновесие смешается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабевает. Применительно к специфике горного производства, экосистема устойчива к техногенному воздействию до тех пор, пока её биота сохраняет способность к самовосстановлению (т. е. к возврату на путь эволюции по законам циклической сукцессии) после
240
снятия техногенной нагрузки в связи с исчерпанием запасов месторождения.
Проецируя эти условия в техносферу, можно сформулировать понятие экологической безопасности горного производства: производство экологически безопасно, если техногенное возмущение абиотической составляющей экосистемы не превышает уровня, при котором её биота сохраняет способность к самовосстановлению (т. е. к возврату на путь эволюции по законам циклической сукцессии) после снятия техногенной нагрузки в связи с исчерпанием запасов месторождения [1].
Вполне очевидно, что в обозримой перспективе, по мере исчерпания запасов наиболее богатых по качеству сырья, простых по строению и доступных по расположению и экономике месторождений, предметом освоения будут становиться всё более сложные геологические объекты с невысоким качеством извлекаемого сырья и труднодоступные по расположению относительно поверхности Земли. При этом не менее очевидно, что потребность нашей технократической цивилизации в минеральных и энергетических ресурсах литосферы будет возрастать всё более быстрыми темпами. То есть, имеет место сложное комплексное противоречие уменьшающихся ресурсов литосферы и возможностей биосферы с нарастающим в количественном и качественном отношении давлением потребностей антропосферы.
Наиболее реальные возможности преодоления или разрешения этого системного противоречия связаны с развитием геотехнологий, применяемых для освоения ресурсов недр. Причём глобальный масштаб обозначенного противоречия требует, чтобы это развитие шло не по пути совершенствования и повышения эффективности отдельных технологических процессов, как это происходит в настоящее время, а затрагивало бы сами принципы построения горных технологий. В самом обшем виде, эти принципы были сформулированы в работе [2], как гомеостатическая трансформация в техносферу принципов функционирования биологических систем.
Антропогенное вторжение в литосферу Земли, с целью извлечения полезных ископаемых, кардинально изменяет состояние огромных её участков. В результате формируется новый сложноструктурный объект, включающий в себя зону полного разрушения, в которой материал литосферы утрачивает
241
свои первоначальные свойства и выдаётся затем на земную поверхность, и зону геофизического экотона, структура которого характеризуется качественной симметрией и количественной асимметрией. При достаточно однотипном характере деформационных изменений массива в подработанной и надрабо-танной областях, они кардинально отличаются размером зон влияния горных работ. В надработанной части массива эта зона имеет замкнутую, почти симметричную форму. В то время как в подработанной части - зона деформационных изменений может простираться вплоть до земной поверхности, создавая экологическую опасность в виде потенциального нарушения равновесного состояния подземной гидросферы, прогиба или разрушения земной поверхности, изменения условий обращения поверхностных вод и условий водного питания корнеобитаемого слоя фитоценозов.
Таким образом, техногенное вторжение в литосферу с целью извлечения минеральных ресурсов приводит ее отдельные участки в совершенно новое состояние, причем, вследствие единства материального мира, эти изменения неизбежно имеют прямые или косвенные последствия для всех остальных элементов экосистемы планеты Земля. Именно в таком объемном характере техногенного воздействия, активно нарушающем состояние не только литосферы, но и гидросферы, атмосферы, биосферы, и заключается главная особенность экологии освоения недр. С точки зрения сохранения естественной биоты Земли, техногенное влияние добывающих предприятий выражается в появлении неприродных факторов, под хроническим воздействием которых природно-равновесные экосистемы начиняют изменяться в направлении предшествующих стадий сукцессии, вплоть до полной их деградации. Обратная же связь, отражающая влияние биосферы на техносферу выражается в том, что введение биологически обоснованных ограничений величины техногенных факторов определяет выбор инженерных решений и через них - пути развития техносферы в целом.
Разработанные Всемирным фондом дикой природы «Основные положения политики экологической и социальной ответственности горнодобывающих компаний» предусматривают «...обезвреживание отходов и воздействий до состояния, не представляющего опасности для окружающей среды...» и
242
«...уменьшение площадей земельного отвода...» [3, 4]. Кардинальное решение этих проблем при подземном освоении месторождений возможно только на основе геотехнологий с замкнутым циклом обращения твёрдого вещества [1]. В целом, реализация этих положений во всех областях развития минерально-сырьевого комплекса привела к формированию нового научно-технического направления по созданию «зелёных» технологий, то есть технологий с минимальным количеством отходов (грант РФФИ № 09-05-00291).
Применительно к особенностям подземной разработки месторождений можно представить три взаимно дополняющих друг друга пути создания подобных технологий:
•	простое сокращение общего объёма отходов посредством перехода к избирательной выемке полезного ископаемого на всех видах горных работ;
•	сокращение объёма хранения отходов за счет создания технологий их использования в других отраслях хозяйства;
•	сокращение объёма отходов, складируемых на земной поверхности путём частичного (а в идеале - и полного) возврата переработанного вещества литосферы в выработанное пространство.
Применением идей избирательной выемки полезного ископаемого на всех стадиях разработки месторождений имеет в нашей добывающей промышленности достаточно длинную историю. Оно пока не нашло широкого практического применения, но перспективы его развития, по мере роста экологических ограничений производства, неизбежны.
Подземная сортировка была достаточно широко распространена несколько десятилетий назад при разработке богатых месторождений с неравномерным оруденением. Использование технологии забойной сортировки позволяло сократить количество пустых пород, выдаваемых на поверхность на 20-40%, но требовало огромных затрат ручного труда и усложнения отдельных технологических процессов. Поэтому, по мере развития механизированных способов подземной разработки месторождений, эта технология полностью перестала применяться и вряд ли может быть востребована в перспективе, даже при самых высоких экологических требованиях и ограничениях.
243
Гораздо более реальную перспективу имеет технологическое направление, основанное на разделении руд и пород по искусственно заданным признакам на стадии отбойки полезного ископаемого. Наибольший научный и практический задел в этой области накоплен при разработке жильных месторождений, как наиболее сложных геологических объектов, эксплуатация которых сопровождается высоким удельным объемом выдачи и размещения на поверхности пустых пород. Из всех возможных вариантов раздельной выемки прямое экологическое значение имеют способы выемки, при которых пустая порода либо отбивается и не выдается из блока, либо вообще не отбивается. Наиболее технологичен и эффективен второй вариант.
Технологической основой реализации принципа избирательности добычи полезного ископаемого и построения экотехнологии, является достаточно хорошо проработанные в научном плане и мало применяемые практически разнообразные варианты разделения руд и пород на различных стадиях процесса разработки месторождений. Общая концепция развития этого технологического направления заключается в том, что уровень избирательности технологии добычных работ, путём целенаправленного выбора возможных решений, приводится в соответствие с характером и уровнем изменчивости естественного распределения полезного компонента в разрабатываемом участке литосферы. Признаки, по которым производится это разделение, могут быть естественными или создаваться искусственно (рис.).
Возможности использования отходов горного производства в других отраслях определяются наличием технологий повторного использования твёрдых отходов горного производства и могут быть с наибольшей эффективностью использованы в освоенных районах, что не соответствует реальным экономико-географическим особенностям распределения перспективных месторождений основных видов минерального сырья в нашей стране.
И, наконец, создание геотехнологий с полностью или частично замкнутым циклом обращения вещества, извлеченного из литосферы в процессе разработки месторождения, открывает наиболее интересные перспективы решения геоэкологических задач. Разрушение части объёма литосферы, выдача этого материала на поверхность и включение его в оборот вещества и энергии антропо- и биосферы Земли нарушает внутреннее равновесие литосферы.
244
Предельные масштабы такого изменения литосферы определяются способностью геофизических структур локализовать область техногенного воздействия и, со временем, включить эту область в эволюционный процесс окружающего ее природного объекта. Поэтому обеспечение геоэкологической безопасности при освоении недр связано с фундаментальной научной проблемой геомеханики по исследованию влияния неприродных нагрузок на процессы, протекающие в геодинамиче-ских структурах литосферы.
Вокруг объёма техногенного поражения литосферы формируется пространство, в пределах которого материал литосферы сохраняет свое агрегатное состояние, но меняет механические свойства (плотность, трещиноватость, напряженно-деформированное состояние и т.д.). Трансформируя для этих условий классическую триаду экологии (загрязнение - транзитная среда - депонирующая среда), можно сформулировать следующее построение: разрушение некоторого объёма первично равновесной литосферы приводит к искажению геофизических полей (загрязнение); через транзитную среду - поле тяготения Земли - это «загрязнение» передается в нетронутые участки литосферы и приводит их в новое напряженно-деформированное состояние (депонируется в них). Принятие такой схемы развития динамических процессов в литосфере при техногенном воздействии на неё в процессе разработки месторождений, по аналогии с теоретической экологией, означает наличие внешней границы у зоны загрязнения, на которой всё загрязнение депонировано элементами первичной системы.
Геофизические свойства техногенно изменённых недр безусловно определяются особенностями геотехнологических процессов извлечения полезных ископаемых, т.е. определяются набором неизбежных действий, необходимых для осуществления целевой функции геотехнологии - изъятие и доставка на поверхность части материала литосферы, представляющего хозяйственную ценность.
Поэтому, в рамках принятой модели, методология построения экологически безопасной для природной системы геотехнологии (т.е. геотехнологии, обеспечивающей инженерную защиту литосферы при добыче минеральных ресурсов) определяется решением фундаментальной проблемы по преодолению или минимизации влияния антропогенного разрушения 246
локальных участков литосферы на процессы, протекающие в её динамических структурах. Это означает, что при создании геотехнологии, как системы последовательно выполняемых технологических процессов, главным оптимизационным критерием следует считать условия, при которых постоянно воспроизводятся устойчивые динамические структуры, не порождающие кардинальных изменений состояния структурных элементов литосферы, включая флюидонесушие горизонты (грант РФФИ № 08-05-00889).
Рассмотрение геотехнологий, применяемых для подземной добычи минерального сырья (т.е. формирования зоны техногенного разрушения), позволяет выделить одну общую для всех случаев особенность развития геотехнологических и геомеха-нических процессов - добыча полезного ископаемого в зоне техногенного разрушения литосферы и зашита этой зоны от последствий геомеханического возмущения прилегающих участков литосферы всегда совмешены по времени [5]. В связи с этим, добычные работы неизбежно включают в себя необходимость выполнения дополнительных процессов, обеспечивающих поддержание динамического равновесия всей геотехнической системы. С изменением геомеханических условий разработки и возникновения опасных проявлений горного давления маневр в применяемых геотехнологиях существенно ограничен. Кроме того, при наличии во вмещающих породах флюи-донесуших коллекторов (с водой, нефтью, рассолами или газами), горные работы всегда оказываются незащищенными от их проявлений со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Таким образом, при развитии геотехнологий всегда имеет место локальное противоречие между необходимостью и возможностью изменения геотехнологий с изменением условий разработки.
Согласно современным представлениям о литосфере, как сплошной среде с разномасштабными неоднородностями, избыточные напряжения (или их эквивалент - неупругие напряжения) на этих неоднородностях возникают лишь при конечной скорости деформирования твердого тела и со временем самопроизвольно релаксируют [6].
Применительно к проблемам подземной разработки месторождений, которая, по сути своей, есть не что иное, как формирование в литосфере антропогенных неоднородностей с умень-
247
шейной средней плотностью и с возрастающими во времени размерами, все приведенные выше рассуждения означают, что при формировании достаточно крупной неоднородности с нулевой плотностью (отрабатываемого участка) условия воспроизводства устойчивых динамических структур в литосфере будут определяться релаксационными процессами на внешнем контуре неоднородности [7]. Поэтому опережающее формирование этого контура открывает реальную возможность преодоления обозначенного выше локального противоречия выделением зоны техногенного разрушения литосферы из общего поля геофизических изменений состояния геологического массива за счёт разделения во времени добычи основной массы полезного ископаемого и процессов преодоления последствий геомеханического возмущения прилегающих участков литосферы.
С геотехнологических позиций идеи и возможности инженерной зашиты окружающей среды, в нашем случае - литосферы, могут быть реализованы путём увеличения «масштаба» понятия геотехнология.
Сложившаяся практика проведения геотехнологических исследований базируется на функциональном дифференцировании технологий по локальным целям. Изучаются и создаются технологии очистной выемки, проведения выработок различного назначения или направления, возведения закладочных массивов и т.д., в рамках которых развиваются технологии более низкого иерархического уровня: бурения шпуров и скважин, взрывной отбойки, доставки, погрузки, крепления и т.п. Однако, в рамках проблем геоэкологии, когда имеет место взаимодействие природного объекта с техногенным, последний рассматривается как единое целое, обладающее определёнными свойствами, которые и определяют уровень и характер техногенного воздействия на окружающую среду, свойства которой, в свою очередь, являются характеристикой нарушаемого природного объекта. При такой модели взаимодействия появляется необходимость формирования понятия геотехнологии освоения месторождения, как единой системы, или, в современных понятиях - кластера, объединяющего несколько однородных элементов (в нашем случае локальных технологий) и обладающего определёнными свойствами (в нашем случае - характером техногенных факторов, влияющих на природный объект). Тогда обеспечение геоэкологической безопасности при освоении месторождения в форме инженерной зашиты
248
окружающей среды может быть интерпретировано как создание геотехнологического кластера, свойства которого коррелируют с условиями релаксации геофизических возмущений литосферы, вызванных освоением её минеральных ресурсов.
Второе из обозначенных выше направлений развития инженерной зашиты биологической среды при освоении минеральных ресурсов недр по существу сводится к созданию и применению системы нормативов, ограничивающих уровень техногенного воздействия условиями сохранения или самовосстановления биологических систем. Методологические подходы к такому решению проблемы экологической безопасности горного производства для биосферы Земли строятся на основе корреляции величины негативных техногенных факторов с шириной диапазона толерантности основополагающих элементов биоты природных экосистем - вида эдификаторной синузии её фитоценоза [1].
Комплексный характер техногенного воздействия горного производства в сочетании с распространенным утверждением о том, что суммарное воздействие комплекса поллютантов опаснее суммы их воздействий за счет возникновения различных побочных эффектов, является формальным препятствием для использования редукционалистких подходов к решению пограничных задач взаимодействия техно и биосферы. Но если при изучении биологических последствий действия тех или иных техногенных факторов это обстоятельство, безусловно, необходимо учитывать, то при поиске путей создания новых геотехнологий, обеспечивающих сохранность естественной биоты Земли, допущение о равенстве (или адекватности) суммарного воздействия и суммы воздействий не только приемлемо, но и просто необходимо.
Такая постановка предопределяет и методологический подход к решению геотехнологических проблем путем предельно дифференцированного рассмотрения внутренних процессов, определяющих количественные и качественные характеристики каждого техногенного фактора, оказывающего влияние на биоту экосистем.
Любое ограничение величины техногенного воздействия на естественную биоту Земли в методологическом плане трансформируется в понятие и величину нормы этого воздействия. Содержание этого понятия достаточно хорошо разработано в медицине на современном уровне, где существует показатель крайней патологии - гибель организма. На уровне популяции этот показатель
249
уже не играет определяющей роли и здесь критерием патологии может служить ее неспособность воспроизводить себя в данных условиях. Гораздо сложнее обстоит дело с экосистемами. Здесь угнетение или гибель отдельных видов не может быть абсолютным критерием разрушения экосистемы. Реализация любой критической ситуации ведет «.. .только к перестройке системы, причем возможность восстановления прежнего состояния не исключается...». В самом общем представлении, понятие нормы - частный случай категории меры. Последнюю же в экологии конкретизирует концепция критических уровней развития экосистем, под которыми понимается такое их состояние, в котором происходит её качественная перестройка [1]. Именно не согласованность с этим фундаментальным положением и является сегодня основным внутренним противоречием существующей системы нормирования уровня техногенных воздействий на естественную < биоту Земли. В этом случае методология решения проблемы: должна строиться на принципе дифференцированного рассмотрения поведения техногенных поллютантов в транзитных и депонирующих средах.
В рамках принятой нами модели строения биоты экосистем устанавливаются закономерности изменения жизнеобеспечивающих факторов, затронутых техногенным воздействием, и устанавливается диапазон толерантности к нему видов эдификаторной синузии. На основе этих данных определяется биологический норматив допустимого воздействия. Но использовать этот норматив в качестве нормы технической нельзя, так как у этих двух показателей всегда разная размерность. Биологически допустимое воздействие всегда будет определено в единицах измерения этого фактора, отнесенных на единицу какого-то параметра биологического объекта. В то время, техническая норма может быть задана только в виде тех же единиц измерения техногенного фактора, но отнесенных к единице какого-либо технологического параметра.
Так как техногенный фактор, как свойство геотехнологии, превращается в техногенную нагрузку на биоту экосистем в границах зоны поражения, то будет вполне правомочным методологическое положение о том, что преобразование биологической нормы в техническую должно быть основано на использовании установленных законов транзита техногенных поллютантов. В такой постановке техническая норма есть такая величина интен
250
сивности источника техногенного воздействия, при которой ни в одной точке зоны поражения экосистемы этим воздействием не будет превышен его биологически обоснованный предел.
Исполнение биологически обоснованных технических норм на техногенные воздействия становится главным фактом, определяющим типы и характеристики технологий, обеспечивающих инженерную защиту биологической среды от техногенных поллютантов, свойственных горному производству.
-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л.И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. М.: На-учтехлитиздат, 2003. 260 с.
2.	Галченко Ю.П., Сабинин Г. В. Экотехнология разработки крутопадающих жил со сложной морфологией // Золотодобывающая промышленность. - 2006. - № 2(14). - С. 40-43.
3.	ICMM Principles for sustainable development performance // International Council on Mining & Metals (ICMM), 2003: http://www.icmm.com/ publi-cations/ICMM Principles en.pdf.
4.	Основные положения политики экологической и социальной ответственности горнодобывающих компаний: http://www.wwf.ru/data/ programmes/mining/osnovnepologeniy_red_7iuny.doc.
5.	Галченко Ю.П., Родионов В.Н., Сабинин Г. В. Инженерно-физическое обоснование создания новых подземных геотехнологий // Инженерная физика. - 2009. - № 6. - С. 40-45.
6.	Родионов В.Н Очерк геомеханики. - М.: Научный мир, 1996. - 126 с.
7.	Родионов В.Н. Геомеханика (кинематика воспроизводимых структур). - М.: ИНЭК, 2004. - 80 с. ЕНЗ
J.P. Galchenko
METHODOLOGY OF CREATION OF THE UNDERGROUND GEOTECHNOLOGIES PROVIDING ENGINEERING PROTECTION OF ENVIRONMENT
There are considered the general methodological principles of construction of mining technologies and standard level of anthropogenic influence, providing engineering protection of environment at underground development of mineral resources lithosphere.
Key words: methodology, lithosphere, geotechnology, cluster, abiota, biota, biological standard, ecological safety.
— Коротко об авторе ------------------------------
Галченко Ю.П. - доктор технических наук, ИПКОН РАН, info@ipkonran. ru
251
© А.С. Ватутин, 2010
УДК 622.831:622.502 551.14 550343.4
А.С. Батурин
ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГОРНОТЕКТОНИЧЕСКИХ УДАРОВ С ПОДВИЖКАМИ КРЫЛЬЕВ КРУПНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ
Исследованиями автора в 1983-86 годах на шахтах СУБРа, 1992-93 годах на шахтах Бейпяо было установлено соответствие направлений подвижек при горно-тектонических ударах по мелким тектоническим нарушениям техногенному полю напряжений, связанному с ведением горных работ, а по крупным тектоническим нарушениям - современному тектоническому полю напряжений. Для объяснения этих фактов автор использует соотношение между размерами области подготовки горного удара R и размерами его очага г.
Ключевые слова: тектонофизическая модель горно-тектонических ударов с подвижками крыльев крупных тектонических нарушений.
Семинар № 11
Характерной чертой горно-тектонических ударов является то, что они происходят со смешением крыльев тектонических нарушений на величину до первых десятков сантиметров. В 1982-86 годах при обследовании гипоцентров нескольких крупных горно-тектонических ударов и изучении тектонической нарушенности и трещиноватости на Северо-Уральском бокситовом руднике автор обратил внимание на то, что подвижка крыльев крупных нарушений при горно-текгоническом ударе происходит практически в том же направлении, которое зафиксировано на их сместителях по «тектоническим» штрихам и бороздам скольжения. То есть ориентировка штрихов скольжения от подвижки во время горнотектонического удара совпадает с ориентировкой более древних штрихов скольжения, табл. 1 [1]. Для мелких нарушений направления смешений по нарушениям при горных ударах распределены хаотично и определяются техногенным полем напряжений, которое сформировано в области ведения горных работ. Как видно из материалов табл. 1, различие в ориентировке угла склонения штрихов у (измеряется в плоскости сместителя как угол между линией простирания и направлением смещения) не превышают 10-15° , т.е. находятся в пределах точности измерения.
252
Рис. 1. Схема расположения эпицентров горно-тектонических ударов с подвижками по крупным тектоническим нарушениям шахты 15 СУБРа
Таблица 1
Сопоставление ориентировки следов скольжения на крупных нарушениях до и после горно-тектонических ударов
	Место наблюдения, название дизьюнктива (рис. 1)	Угол склонения штрихов скольжения на сместителе		Различие в ориентировке	
		«старые» следы скольжения	После подвижки при горнотектоническом ударе	Угол V	Ощах аз.пад/ уг.пад
1	Граница блоков 1-1 (нарушение 25-25)	25	10	15	28/20
2	2-й Северный сброс	115	125	10	12/16
3	Граница блоков 5-5 (нарушение 6-6)			10	
4	Апофиза 3-го Северного сброса (нарушение 7-7)	100	90	10	28/20
5	Восточный сброс	70	75	5	9/18
253
Эти наблюдения привели автора к мысли о том, что подвижки по крупным нарушениям происходят в направлении действия касательных напряжений современного поля напряжений и легли в основу предлагаемой тектонофизической модели горно-тектонического удара с подвижкой крыла тектонического нарушения.
Взаимодействие тектонического нарушения с полями напряжений разных рангов.
Из представлений об иерархической соподчиненности полей напряжений (Осокина Д.Н. и др.) следует вывод о том, что подвижка по нарушению заданного размера (длины 1} может произойти только под действием поля напряжений не ниже некоторого ранга. Поле напряжений, локальное по отношению к данному разрыву, не может вызвать по нему подвижку. Поле напряжений, вызывающее подвижку, действует в некоторой области Я, включающей данное нарушение и является региональным по отношению к нему.
В соответствии с положениями тектонофизики подвижка по произвольно ориентированному сместителю происходит в направлении вектора максимального касательного напряжения, действующего в плоскости данного сместителя. Ориентация максимального касательного напряжения, действующего в плоскости произвольно ориентированного сместителя зависит от ориентации осей напряжений регионального по отношению к данному сместителю поля напряжений и соотношения их величин и может быть выражена аналитически [2].
При физическом и математическом моделировании, это внешнее (региональное) поле напряжений часто задается действующим на бесконечности. Имеются также оценки отношения размеров области R к размеру нарушения / его очага.
Из представлений о балансе энергии горного удара следует, что энергия горного удара складывается из энергии упругих деформаций, накопленных в очаговой зоне и энергии, накопленной боковыми породами. При этом доля энергии, накапливаемой в целиках угля, составляет лишь несколько процентов от полной потенциальной энергии горного удара [3] . Например, расчеты полной потенциальной энергии, проявившейся при горном ударе 12 мая 1963 года
254
на шахте им. Калинина Кизеловского бассейна показали, что в угле заключено лишь 7,3% полной потенциальной энергии горного удара. При ширине очистной выработки более 100 м эта доля может сократиться до 2-3%. Отсюда, учитывая зависимость выделяемой энергии от объема пород можно получить соотношение г размеров области подготовки горного удара R к размерам его очага 1, г = R/1, до 3-5.
В работе [4] на основе изучения геомеханического взаимодействия породного и закладочного массива соотношение размеров «работающего» блока и диаметра полости оценено как 6-9. Такой же порядок соотношения между размерами блоков и областями деформаций принят при математическом моделировании напряженного состояния Таштаголь-ского месторождения в работе [5].
Экспериментальные исследования В.А. Смирнова по изучению геофизических полей в областях подготовки горных и горно-тектонических ударов дают оценку отношения R/1 до 10 и более [6].
Результаты изучения предвестников землетрясений дают для R/1 еше более высокие оценки. Так, в работе М. Усмановой на основе теоретических методических посылок Ю.В. Ризниченко рассчитаны значения параметров очагов сильных землетрясений. Средний радиус разрыва составляет 4,4-10,7 км для землетрясений с Ms от 5,5 до 6,4 [7]. В то же время для таких землетрясений выделяют ближнюю (100-200 км) и дальнюю (до 350 км) зоны предвестников землетрясений. Например, для Кегеньского землетрясения в Казахстане 01.11.1995 с Ms = 5,5 предвестники фиксировались геофизической станцией «Тургень», расположенной в 200 км от эпицентра [8]. С учетом определяемого по материалам М.Усмановой размера R (около 4,5 км) отношение R/1 превысит 20.
По результатам тектонофизических исследований автора на СУБРе и месторождении Бейпяо соотношение размеров «однородно напряженных блоков» превышает размер тектонических нарушений на один порядок.
Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов с подвижками крыльев тектонических нарушений. При обычных горных ударах с размером области / до 10-20 метров размеры области R составляют первые десятки-сотни
255
метров, т.е. область R лежит в зоне наибольшего изменения первоначального напряженного состояния массива в результате ведения горных работ. В этом случае при «оживлении» нарушений подвижки по ним должны фиксироваться как происходящие под воздействием техногенного поля напряжений, что подтверждается фактическими данными [9, 10].
При горно-тектонических ударах подвижки по нарушениям фиксируются одновременно на нескольких горизонтах и на сотни метров по простиранию. Например, при горнотектоническом ударе на СУБРе 5 октября 1984 года видимые смещения по тектоническому нарушению 25-25 отмечались одновременно на горизонтах -230 м, -275 м, -320 м, т.е. около 100 метров по падению залежи, а также более чем на 200 метров по простиранию. Размеры очага горнотектонического удара 1990 году на шахте Кургазакская на ЮУБРе составляли по простиранию не менее 300 метров, на шахтах Бейпяо в КНР - первые сотни метров. На руднике Колар в Индии по опубликованным данным, размеры очага составляли около 400 метров по падению и сотни метров по простиранию, на руднике Таштагол при горно-тектоническом ударе 24.10.1999 г. - 175 метров.
Если принять по фактическим данным размеры очага в первые сотни метров, то размеры области R, энергия которой участвует в горно-тектоническом ударе, составят уже первые километры, что соизмеримо с блоками земной корь! IV ранга, находящихся в процессе самостоятельных тектонических движений и характеризующихся региональным тектоническим полем напряжений. Это региональное поле напряжений и управляет направлениями подвижек при горно-тектоническом ударе по крупным нарушениям. Поэтому направление подвижек по ним увязывается с направлением тектонических сил в регионе, несмотря на влияние поля напряжений более низкого ранга, измененного ведением горных работ [11] .
Под воздействием горных работ создаются не только зоны пригрузки, но обширные зоны разгрузки, связанные с образованием выработанных пространств. Область разгрузки, захватывая сместители нарушений, приводит к уменьшению нормального сжатия крыльев. При этом для крупных протяженных сместителей, выходящих за зону влияния горных ра
256
бот, сдвигающие напряжения не изменяются, так как они относятся к полю напряжений более высокого регионального уровня, и зависят от направленности современных тектонических движений, которые в регионе на период разработки месторождения можно принимать постоянными. Снижение нормального сжатия крыльев приводит к снижению т, росту Тп/ и в итоге срыву блоков пород по сместителю. Такой / * крит
срыв, по сравнению с нетронутым массивом, облегчается также и тем, что теперь одному из крыльев нарушения есть куда двигаться - в выработанное пространство [3, 11].
Данная тектонофизическая модель подвижек по крупным тектоническим нарушениям согласуется с современной синергетической концепцией самоорганизации массива и находит подтверждение в работах по механизму горно-тектонических ударов [12, 13. 14 и др.].
Примеры горно-тектонических ударов на участках различной степени геодинамической опасности.. Исследованиями автора и др. для угольного месторождения Бейпяо, находящегося на участке земной коры 4-й степени геодинамической опасности, установлено, что максимальное сжатие действует в субгоризонтальной плоскости по азимуту 255° (рис. 2). Вертикальной осью является ось промежуточных напряжений. В этом поле напряжений нарушения северо-восточной ориентировки испытывают тенденцию к правому сдвиганию, а северо-западной ориентировки - к левому. Крупные нарушения № 8, №9, №10 уходят за границы шахтного поля. По этим нарушениям неоднократно отмечались подвижки блоков пород при горно-тектонических ударах. Результаты обследования сместителей нарушений показывают, что нарушения испытывают реверсивные современные подвижки, не считающиеся с их прежней тектонической кинематикой и направление подвижек подчиняется современному полю напряжений. Нарушение №10 при горно-тектонических ударах работает как левый сдвиг, а нарушения №9 и №8 - как правые сдвиги. У всех нарушений во время горно-тектонического удара двигалось только одно из крыльев - то, породы которого могли смешаться в выработанное пространство.
257
Рис. 2. Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов на угольной шахте Бейпяо: 1 - тектонические нарушения; 2 - граница блоков; 3 - направление смешения крыла нарушения при горно-тектоническом ударе; 4 - направление современных касательных напряжений на смесителях нарушений; 5 - кинематический тип нарушения; 6 - номера нарушений
Таким образом, для этого месторождения, находящегося на участке земной коры 4-й степени геодинамической опасности отмечается явление: смещения крыльев крупных различно ориентированных нарушений происходят вдоль сместителей по направлениям, соответствующим ориентировке максимальных касательных напряжений современного поля в их плоскостях. Во-вторых, эти смешения происходят в направлениях, которые не считаются с направлениями предыдущих тектонических смешений, т.е происходят по сместителям, имеющим высокий коэффициент трения.
Это возможно при высоком запасе энергии в массиве и является, по мнению автора, характерной чертой участков 4-й степени геодинамической опасности.
На Североуральском бокситовом месторождении (участок 3 степени геодинамической опасности) напряженное состояние характеризуется субгоризонтальным направлением оси максимального сжатия С соотношением Omax/Omin = 2,5. В этом поле напряжений нарушение 25-25 работает как правый сдвиг, нарушения 31-31 и 32-32 работают как правые взбросо-сдвиги, 258
Рис. 3 (а, б) - Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов на СУБРе: 1 - тектонические нарушения; 2 - граница блоков; 3 - направление смещения крыла нарушения при горно-тектоническом ударе; 4 - приподнявшееся крыло нарушения при горно-тектоническом ударе; 5 - направление максимального сжатия в регионе; 6 - направление современных касательных напряжений на смесителях нарушений; 7 - кинематический тип нарушения; 8 - гипоцентр горно-тектонического удара; 9 - номера нарушений; 10 - отработанное рудное тело
Восточный сброс испытывает тенденцию к взбросовому смешению крыльев При горно-тектоническом ударе 5.10.84 г. произошла подвижка по нарушению 31-31, при которой висячее крыло нарушения переместилось на горизонте -320 м на 5 см вверх и 3-4 см на восток, т.е. произошла правосдвиговая подвижка со взбросовой составляющей вдоль ранее существовавших штрихов и борозд скольжения (рис. 3, а). По Восточному сбросу регистрировались взбросовые перемещения (рис. 3, б). По нарушению 25-25 при горно-тектоническом ударе произошла правосдвиговая подвижка подвижка на 7 см также в направлении ранее существовавших штрихов и борозд скольжения.
Для Североуральского и Южноуральского бокситовых месторождений устанавливается унаследованное поле напряжений. В результате этого тектоническая структура месторождения уже подготовлена к деформированию массива путем смешений блоков пород по существующим нарушениям. Их массовое «оживление» начинается, когда возникают разуплотненные отработанные пространства.
Вторым условием, способствующим возникновению подвижек по крупным тектоническим нарушениям на СУБРе является то, некоторые из них, являясь границами блоков, выходят на земную поверхность и поглощают поверхностные воды. На это обстоятельство обратил внимание заведующий лабораторией ИГЛ в Североуральске И.И.Бакиновский. На Южноуральском бокситовом месторождении на протяжении многих лет отмечались процессы карстообразования прямо в русле реки Ай в местах ее пересечения с геодинамически активными зонами. Провалы на реке обнаруживали себя постепенным увеличением притока воды в горные выработки. Разрастаясь, провалы в русле реки принимали громадные размеры с глубиной до 21 метра. Очередной провал образовался на реке Ай весной 1990 г., а спустя некоторое время произошел крупнейший горно-тектонический удар, в результате которого шахта Кургазакская была закрыта. Одной из причин этого горно-тектонического удара могло стать заполнение речной водой крупных тектонических нарушений рудника, что привело к их «распиранию», снижению трения между крыльями и последующему толчкообразному смешению.
260
Таким образом, на различных угольных и рудных месторождениях, находящихся в районах с высоким уровнем тектонических напряжений (участки 3-й и 4-й степеней опасности), прослеживается закономерность, согласно которой подвижки блоков пород по нарушениям при горнотектонических ударах происходят в направлении действия касательных напряжений современного поля напряжений, в соответствии с предлагаемой тектонофизической моделью.
В последнее десятилетие для Кузбасса (участок 2-й степени геодинамической опасности) отмечено повышение сейсмической активности [15]. Повышение уровня сейсмической активности может быть также свзано с процессом затопления шахт. Механизм таких землетрясений схож с механизмом горно-тектонических ударов, описанным выше и кратко заключается в следующем [16, 17]. На участках земной коры 2-й степени геодинамической опасности горизонтальные напряжения являются максимальными, но недостаточными для того, чтобы вызвать внезапные смешения по ослабленным поверхностям (границам блоков). Ведение горных работ приводит к уменьшению механической прочности массива на отрабатываемых участках, а возникающие зоны разгрузки снижают нормальное сжатие крыльев крупных тектонических нарушений. В результате подъема уровня воды в шахте происходит ее проникновение в трещины различных порядков, в том числе и между крыльями крупных тектонических нарушений. Из-за повышения давления воды р нормальное сжатие крыльев нарушения постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению механического контакта между ними. Уменьшение механического контакта крыльев вызывает, в свою очередь, изменение траекторий главных нормальных напряжений и сдвигающие силы вдоль плоскости сместителя увеличиваются. В какой-то момент растущие касательные напряжения при уменьшающемся нормальном сжатии крыльев и вызывают внезапную подвижку по нарушению.
В табл. 2 приведены данные о сроках затопления шахт Кузбасса и случаях мелкофокусных землетрясений. Как можно видеть из приведенных в таблице данных, наблюдается прямая взаимосвязь между началом процесса затопления шахт и произошедшими мелкофокусными землетрясениями.
261
Таблица 2
Взаимосвязь сейсмичности Кузбасса с процессом затопления шахт
Район Кузбасса	Дата землетрясения	Интенсивность землетрясения	Затапливаемые шахты района	Начало затопления шахт	Интервал между началом затопления н землетрясением, год
Анжерский	25.10.97	М=2,3	Шахта Анжерская	1995	2
Анжерский	30.10.97	М=2,3	Шахта Анжерская	1995	2
Прокопьев-ско-Киселев-ский	1995	5-6 баллов, М=4,6	Шахты района	1994	1
Прокопьев-ско-Киселев-ский	1998		Шахты района	1994	1-4
Эта взаимосвязь подчеркивается также тем обстоятельством, что общий фон сейсмичности Кузбасса возрос именно в 1990-е годы, когда начался процесс массового затопления шахт.
Также косвенная взаимосвязь между процессом затопления шахт и повышением сейсмичности района прослеживается и для другого горно-промышленного района, расположенного на участке 3-й степени геодинамической опасности - Кизеловского угольного бассейна. Данные о хронологии сейсмических событий Кизеловского района можно получить, например из работы [18]. Затопление шахт в этом районе началось в конце 1980-х годов. С этого же времени после продолжительной (30 лет) сейсмической паузы отмечен всплеск сейсмической активности данного региона.
Таким образом, в рамках тектонофизической модели может быть объяснена активизация блоков земной коры при масштабном ведении горных работ.
262
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Ватутин А. С., Воинов К.А. Сравнительная оценка тектонофизического и сейсмического методов определения ориентировки главных нормальных напряжений // Совершенствование технологии сооружения горных выработок. Сб. науч. тр. Кемерово.: КузПИ. -1986. - С. 102-106.
2.	Гушенко О.И. Метод кинематического анализа структур разрушения при реконструкции полей тектонических напряжений // Поля напряжений и деформаций в литосфере.- М., 1979. - С. 7-25.
3.	Прогноз и предотвращение горных ударов. М.: Издательство АГН, 1997,- 376 с.
4.	Курленя М.В., Опарин В.Н., Тапсиев А.П., Аршавский В.В. Геомехани-ческие процессы взаимодействия породных и закладочных массивов при отработке пластовых рудных залежей. - Новосибирск.: Наука, 1997. - 175 с.
5.	Дементьев А.Д., Назаров Л.А., Назарова Л.А. Деформирование и разрушение природных объектов. - Новосибирск, 2001. - 215 с.
6.	Смирнов В.А. Физические процессы в очагах горных ударов и региональный прогноз их по геофизическим полям: Автореф. /тисс, д-ра техн, наук. - С.-Петербург: ВНИМИ, 1991. - 51 с.
7.	Усманова М. О сейсмических моделях сильных землетрясений западного Тянь-Шаня/Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии. - Алмааты. 2004. С. 78-83.
8.	Садыков А., Садыкова А., Ревенко О., Жунусова А. Сейсмичность территории Казахстана/ Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии. - Алмааты. 2004. С. 107-114.
9.	Селивоник В.Г., Воинов К.А., Козлов С.В. Результаты сейсмологических и геомеханических исследований природного поля напряжений на шахтах СУБРа / Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. - Новосибирск: Изд-во: Институт горного дела СО РАН, 2001. - С. 364-367.
10.	Ермаков НИ. Инициирование тектонических деформаций как причина разрушения подработанной толши пород // ГИАБ, 2005, № 8. С. 150-156.
11.	Ватутин А.С. К механизму проявления подвижек по сместителям нарушений при горно-текгонических ударах // Горное давление, горные удары и сдвижение массива. Сб. науч. тр. Часть I. СПб.: ВНИМИ, 1994. - с. 157-160.
12.	Сырников Н.М., Тряпицын В.М. О механизме техногенного землетрясения в Хибинах. // Доклады академии наук СССР. - 1990. - Т. 314. -№ 4. - С. 830-833.
13.	Козырев А.А., Савченко С.Н., Панин В.И., Мальцев ВА. Особенности прогноза и профилактики мощных динамических явлений в природнотехнических системах / Геодинамика и напряженное состояние недр Земли. -Новосибирск: Изд-во: Институт горного дела СО РАН, 2001. - С. 327-334.
14.	Ловчиков А. В. Механизм возникновения разрушительных горно-текгонических ударов в рудниках // Труды международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2004. С. 378-385.
15.	Лазаревич Т.Н, Поляков А.Н. Результаты исследования техногенной сейсмичности Кузбасса // ГИАБ МГГУ Москва, 2002, №9, с.151-154.
263
16.	Ватутин А.С., Климанова В.Г. Оценка влияния глубины затопления ликвидируемых шахт на повышение геодинамической опасности. Деформирование и разрушения материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. Симферополь, 2000, с. 26-27.
17.	Ватутин А. С. К механизму землетрясения 25.04.97 и 27.04.97 на севере Кузбасса// Горный информационно-аналитический бюллетень, 2006. № 2, с.185-189.
18.	Ломакин В.С., Холевин Н.И. Горно-тектонические удары в реальной сейсмичности Урала // Геодинамическая безопасность при освоении недр и земной поверхности. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002. - с. 79-89. ИШЗ
A.S. Batugin
TEKTONOPHYSICS MODEL OF TECTONIC ROCKBURST WITH MOTIONS OF WINGS OF LARGE FAULTS
The author ’ s research works in 1983-86 on mines Ural and in 1992-93 on mines Bejpjao , have established the conformity of directions of motions at tectonic rockbursts on small faults to a technogenic field of the pressure connected with conducting of mining , and on large tectonic faults - to a modem tectonic field of pressure . For an explanation of these facts the author uses a parity between the sizes of the area of preparation of rockburst R and the sizes of its hypocentre r.
Key words: tectonic rockburst, tectonic faults, the geodynamic active block, tectonic pressure, the sizes of the hypocenter.
— Коротко об авторе ----------------------
Ватутин А. С. - кандидат технических наук, доцент, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
264
© А.А. Пешков, Н.А. Манко, М.Ю. Харитонова, 2010
УДК 330.552
А.А. Пешков, Н.А. Манко, М.Ю. Харитонова
ВЕРОЯТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ ОЦЕНКИ ДОСТУПНОСТИ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ *
Изложены вероятностные подходы к оценке доступности месторождений полезных ископаемых. С использованием этих подходов разработана модель опенки темпов роста минерально-сырьевого сектора с учетом состояния сырьевой базы, процессов выбытия и ввода новых мощностей. Рассмотрено влияние научно-технического прогресса. Приведены результаты оценки вероятных темпов роста меднорудной отрасли России.
Ключевые слова: доступность запасов, вероятность вовлечения месторождений в разработку, инерционность изменения цен, научно-технический прогресс, темпы рос.
Семинар № 12
Понятие «доступность ресурсов» (информационных, трудовых, финансовых и др.) обычно имеет два основных значения: состояние готовности к участию в процессе и возможность их использования в виду приемлемости цены.
Понятие доступность применительно к минерально-сырьевым ресурсам используется давно и, как правило, отражает трудности, связанные с извлечением запасов и обусловленные неблагоприятным географическим положением ресурсов и горно-геологическими условиями разработки. До последнего времени не существовало строгого научного определения доступности минерально-сырьевых ресурсов, поэтому смысловые границы этого понятия были достаточно размыты.
На основе изучения различных значений слова доступность, включая известные характеристики доступности полезных ископаемых (minerals availability), предложенные Горным Бюро США [1], авторами данной статьи было предложено следующее определение [2]: доступность минеральных ресурсов - это свойство системы «общество - минеральные ресурсы», характеризующее возможность эффективного и безопасного их использования на основе достигнутого технологического уровня.
‘Результаты исследований получены при финансовой поддержке РГНФ (грант 07-02-00038а)
265
Наиболее удобной количественной мерой доступности запасов полезных ископаемых является вероятность их вовлечения в разработку. На вероятность освоения месторождений влияют многие факторы, основными являются объем, качество, состояние запасов, уровень развития технологий добычи и переработки минерального сырья, то есть факторы, определяющие уровень затрат, необходимых для освоения данных ресурсов.
С другой стороны, на доступность запасов влияет цена на минеральные ресурсы, которая отражает уровень потребности общества в данном виде сырья. Кроме того, существует масса других факторов, влияющих на вероятность освоения месторождений. Например, наличие в регионе аналогичных запасов изменяет конкурентоспособность данного месторождения. Существуют также особенности инвестиционного климата и механизмов принятия решений, которые также желательно учитывать при определении вероятности вовлечения месторождений в разработку.
Для оценки влияния основных факторов на доступность запасов был использован подход, основанный на установлении связи между вероятностью освоения месторождений и индексом доходности их разработки. Индекс доходности определялся как отношение фактической цены товарного продукта (Цф) к его расчетной цене (Up), обеспечивающей безубыточное извлечение и переработку минерального сырья:
Решение об использовании ресурсов принимается при значениях показателя доступности, превышающих единицу. В некоторых случаях, например для стратегически важных видов сырья или с учетом социальных факторов, могут приниматься решения о разработке недоступных запасов (при ID <1).
В системе «общество - минеральные ресурсы» фактическая цена характеризует потребность в данном виде сырья и его дефицитность и, таким образом, отражает допустимые для общества затраты на извлечение и использование данного вида сырья. В качестве фактических могут быть использо
266
ваны цены на мировых сырьевых рынках. При получении из оцениваемых запасов нескольких товарных продуктов фактическая цена может быть рассчитана как средневзвешенная.
Состояние конкретных запасов, их качество, особенности залегания и расположения учитываются расчетной ценой. Расчетная цена характеризует минимальную цену товарного продукта, при которой принимается решение о разработке и использовании данных запасов. Критерии принятия решения о разработке и использовании запасов и ресурсов различны и зависят от стадий освоения запасов и ресурсов и степени их готовности к использованию. Поэтому методы определения их расчетной цены различны. Однако все они основаны на учете предстоящих затрат. Именно эти затраты позволяют оценивать степень готовности запасов к использованию. Кроме того, только эти затраты учитываются при принятии решения о продолжении разработки месторождения.
В общем виде расчетная цена (Upt,r) может быть определена при решении уравнения:
Pt ’ЦР.,г ~Ct t	Kt _q
Pt (l + i)tT (\ + i)‘-T .^P,
<=>	,	(2)
где T - срок освоения месторождения, лет; t - год освоения;! - год оценки доступности запасов (ресурсов), т < t; Pt -объем оцениваемого запаса металла, извлекаемого в t-ом году освоения, т; Upt.T - расчетная цена оцениваемого запаса металла, извлекаемого в t-ом году освоения, на момент оценки т, (определяется при решении уравнения) дол.; Ct -текущие затраты, необходимые для получения товарной продукции, дол.; Ht - сумма налогов, уплачиваемых в t-ом году, дол.; i - ставка дисконтирования для приведения разновременных затрат к одному моменту оценки т; принимается равной 5%; Kt - капитальные вложения в t-ом году, дол.
Значения текущих и капитальных затрат в выражении (2) могут приниматься по фактическим данным, если оценивается доступность оставшихся запасов на действующем горном предприятии, или по проектным данным для оценки доступности запасов нового месторождения. На ранних стадиях
267
оценки месторождений могут быть использованы нормативные модели оценки затрат.
Индекс доходности запасов может быть рассчитан с использованием текущей рыночной (spot) цены. Тогда индекс доходности будет изменяться в соответствии с колебаниями значений фактической цены. Эти колебания могут быть весьма значительны. Например, коэффициент вариации среднегодовых значений цены на медь составляет 39,6%. Коэффициент вариации цен на золото достигает 49,3%. При таких колебаниях значений рыночной цены запасы большинства месторождений будут считаться доступными или недоступными в зависимости от момента оценки. В качестве фактической цены в выражении (1) можно использовать среднюю за длительный промежуток времени цену. При этом полученные оценки запасов будут характеризовать их долгосрочную доходность.
В современной практике решение о строительстве горного предприятия принимается на основе техникоэкономической оценки проекта, которая, в свою очередь, основывается не на текущих или долгосрочных средних ценах, а на маркетинговых исследованиях и прогнозных ценах.
К сожалению, достаточно достоверных методов прогнозирования цен на минеральное сырье не существует. Для прогнозирования цен обычно используют метод трендов. Иногда используют различные теории волнового развития экономики: теорию длинных волн Н.Д.Кондратьева, инновационную теорию Й.Шумпетера, ценовую теорию У.Ростоу и др. Не обсуждая здесь научную обоснованность такого рода теорий, отметим, что установленные в рамках данных теорий циклы, как правило, характеризуются неодинаковой продолжительностью с разбросом 50% и более. Что касается амплитуды, то она не только случайна, но зачастую характеризуется неодинаковыми показателями экономической активности.
Многолетние исследования рядов динамики цен на минеральное сырье, выполненные авторами данной статьи, свидетельствуют о том, что спектры временных рядов изменения цен являются достаточно размытыми (см. рис. 1), что указывает на отсутствие преобладающих циклов или на то, что длина периода является случайной величиной.
268
Рис. 1. Спектральная плотность временного ряда изменения цен на медь
Аналогичные результаты были получены в работе [3] при изучении цикличности экономических показателей модернизированными методами спектрального анализа.
На основе анализа временных рядов изменения рыночных цен известными статистическими методами не удалось получить устойчивые закономерности, характеризующие влияния изменчивости цен на принятие решений о разработке месторождений полезных ископаемых с различной доступностью.
Поэтому была разработана модель для оценки инерционности изменения цен на минеральное сырье. Модель позволяет в зависимости от текущего уровня цены определять сроки, в течение которых цена не снизится с заданной доверительной вероятностью. Эти сроки характеризуют инерционность процесса изменения цен.
Разработанная модель позволяет учесть особенности принятия решений о разработке месторождений. Несмотря на наличие и использование арсенала методов прогнозирования рыночной конъюнктуры, положительные решения о строительстве нового горного предприятия обычно принимаются в периоды, когда фактическая цена повышается и превышает тот уровень, при котором обеспечивается необходимая эффективность освоения месторождения. Причем для принятия положительного решения о вовлечении в разработку крупных месторождений цена, как правило, должна
269
превышать необходимый уровень в течение 3-5 лет, а для небольших месторождений (со сроком эксплуатации не более 5-7 лет) в течение одного года или нескольких месяцев. Кроме очевидных в данном случае психологических причин, подмеченная особенность принятия решений о вовлечении в разработку месторождений имеет и объективные причины, связанные с наличием временного лага между ростом цены, отражающим повышение спроса на данное минеральное сырье, и увеличением предложения сырья. Такой лаг в горной промышленности в среднем составляет 8-15 лет и объясняется длительностью процессов ввода в эксплуатацию новых месторождений.
В модели оценки инерционности изменения цен используется рассечение временного ряда по оси ординат с помощью индикатрис, отражающих различные уровни текущих цен на металлы. На дальнейших этапах определяются количество и суммарная длительность интервалов времени, в течение которых цена находится на уровне, не ниже текущего. Распределения вероятностей этих сроков были получены для группы цветных и благородных металлов, и с их помощью построены зависимости, характеризующие инерционность изменения цен на эти металлы. На рис. 2 показаны примеры зависимостей, характеризующие инерционность изменения цен на медь и золото.
Установлено, что наименее инерционными являются процессы изменения цен на медь, никель, цинк и свинец.
Так, например, если текущий уровень цены на медь в какой-либо момент времени превысит среднее значение всего на 10%, то только 2-3 года цена будет выше текущего уровня. После этого она с 90%-ной вероятностью снизится. Временные ряды цен на золото, алюминий и олово, напротив, характеризуются высокой инерционностью: тенденции в изменении цены сохраняются дольше. Когда цена на золото превышает среднее значение, она может сохранять тенденцию к росту в течение 4-5 лет. Даже если цена достигает значений, в 1,6-1,8 раз превышающих среднее значение, она с 90%-ной вероятностью не упадет ниже достигнутого уровня в течение 2-3 лет.
Разработанный подход для оценки инерционности изменения цен на минеральное сырье, позволяющий с высокой
270
Рис. 2. Изменение сроков, в течение которых цена на медь (а) и золото (б) превышает текущий уровень с заданной доверительной вероятностью (Р)
доверительной вероятностью судить о важных особенностях «поведения» цены в зависимости от ее текущего уровня, был использован для учета влияния динамики изменения цен на принятие решения о вовлечении месторождений в разработку и о продолжении эксплуатации запасов действующих горных предприятий.
Были получены зависимости доступности запасов новых месторождений (вероятностей их вовлечения в разработку) от долгосрочной доходности разработки. На рис. 3, в качестве примеров, показаны зависимости вероятностей вовлечения в разработку запасов новых месторождений меди и золота.
271
а) Индекс долгосрочной доходности
Рис. 3. Зависимости вероятностей вовлечения в разработку запасов новых месторождений меди (а) и золота (б) от индекса долгосрочной доходности
При расчете вероятностей вовлечения запасов новых месторождений в разработку минимальный срок, необходимый для принятия решения о строительстве горного предприятия, в течение которого цена равна или превышает требуемые значения, был принят равным 3 годам, что соответствуют практике принятия решений.
В результате моделирования установлено, что долгосрочная доходность разработки запасов цветных металлов, при которой новые месторождения могут быть вовлечены в разработ
272
ку с 90 %-ной доверительной вероятностью, находится в диапазоне 1,2-1,5 и составляет: для меди - 1,4, для никеля - 1,22, для свинца - 1,5, для олова - 1,43, для цинка - 1,3. Долгосрочная доходность разработки запасов золота должна превышать 1,7.
Долгосрочная доходность так же, как и текущая доходность, рассчитывается с помощью формулы (1), в числитель которой подставляется средняя фактическая цена за длительный промежуток времени. Для определения длительности промежутков времени, в течение которых необходимо определять среднюю цену, были выполнены специальные исследования. Дело в том, что если среднюю цену определять за слишком продолжительный период времени, то в число ретроспективных данных попадут значения, которые характеризуют устаревший уровень развития техники и технологии освоения месторождений. Поэтому длина периода усреднения данных должна быть минимальной. В то же время, продолжительность данного периода должна быть достаточной, чтобы отражать основные периоды колебания цены.
Исходя из гипотезы о наличии циклов с периодом, являющимся случайной величиной, были исследованы временные ряды цен продолжительностью 100 лет для группы 8 металлов. В результате установлено, что средняя продолжительность цикла для различных металлов изменяется от 4,4 до 7 лет. Для меди, свинца, цинка, никеля, серебра в 90% случаев длина цикла не превышает 9 лет, для олова и алюминия - 12 лет, а для золота - 14 лет. Эти значения интервалов времени были приняты для оценки долгосрочной средней цены.
Для реализации изложенного подхода к определению доступности запасов необходимы сведения, получаемые при технико-экономической оценке месторождений, и данные об изменении цен на добываемое сырье в течение длительного промежутка времени. Данный подход не позволяет учесть взаимное влияние разрабатываемых и резервных месторождений, расположенных в пределах отдельных регионов и стран. Для учета взаимного влияния, а также особенностей инвестиционного климата необходим обширный массив статистических данных о сырьевой базе региона, включающих сведения степени освоенности месторождений.
273
Линия, отделяющая группу месторождений с вероятностью вовлечения в разработку Р< 10 %
На основании данных Государственного баланса месторождений полезных ископаемых строятся диаграммы «запас-содержание» по промышленным типам месторождений для данного региона с выделением резервных и находящихся в эксплуатации объектов. На рис. 4 приведен пример такой диаграммы для меднорудных месторождений России. Поскольку большинство месторождений, кроме меди, в качестве попутных компонентов содержат другие цветные и драгоценные металлы, на оси ординат показано эквивалентное содержание меди, которое рассчитывалось с учетом содержания и цены попутных полезных компонентов.
С использованием процедуры логит-регрессии определяется функция принадлежности объектов к классам разрабатываемых и неразрабатываемых, то есть определяется вероятность вовлечения месторождений в разработку (Р) в зависимости от размеров запасов и содержания полезных компонентов в руде. Ниже приведена формула для определения вероятности вовлечения месторождений в разработку, которая, кроме параметров размера запасов и содержания полезных компонентов, включает коэффициент вскрыши для характеристики месторождений с открытым способом разработки.
exptbp + b^a+b^S)
l + exp(b0 + bl- a+bz -S)
где bi - коэффициенты модели; a - содержание полезного компонента в руде (для комплексных руд - эквивалентное содержание полезных компонентов), д.ед.; S - запасы руды, тыс.т.
Коэффициенты модели Ьо-Ьг определяются статистически на основе анализа распределения разрабатываемых и неразрабатываемых месторождений в рамках конкретной региональной сырьевой базы. Полученные вероятности могут служить оценками доступности запасов, при этом для расчета вероятностей не требуется подробного технико-экономического анализа разработки месторождений.
Для сравнения изложенных подходов были проведены исследования по оценке доступности запасов для различных видов сырья и регионов.
275
Вероятность вовлечения месторождения в разработку
Вероятность вовлечения месторождения в разработку
Рис. 5. Взаимосвязь индекса доходности и вероятности вовлечения в разработку запасов для минерально-сырьевой базы: а) меднопорфировых месторождений мира; б) медьсодержащих месторождений России
Рис. 5 демонстрирует связь между индексом доходности и вероятностями вовлечения месторождений в разработку, установленными с помошью логит-регрес-сионных моделей.
На рис. 5, а сырьевая база не ограничена рамками какого-либо региона, а зависимость получена для меднопорфировых месторождений мира в целом. В результате теснота связи между доходностью разработки и доступностью запасов невелика. Это объясняется тем, что уровень доходности, при котором месторождения вовлекаются в разработку в различных регионах и странах, неодинаков. Кроме того, это подтверждает тот факт, что на решения о вовлечении месторождений в разработку влияют не только экономические факторы.
Как следует из рис. 5, а, для обеспечения 90%-ной вероятности вовлечения медно-порфировых месторождений в разработку необходимо, чтобы индекс доходности от извлечения запасов находился в пределах 1,2-1,8. Как было установлено с помощью подхода, основанного на использовании свойств инерционности временных рядов изменения цен, индекс доходности разработки медных месторождений для вовлечения в разработку с 90% вероятностью должен превышать 1,4. Оба подхода дают близкие значения. В то же время, для условий разработки меднорудных месторождений России, как показано на рис. 56, для 90% вероятности вовлечения месторождений в разработку необходимый уровень доходности превышает 2,5. Частично это объясняется присутствием в сырьевой базе России уникальных Норильских месторождений, которые существенно снижают конкурентоспособность других, более бедных, месторождений. Последние как, например, Удоканское месторождение, долгое время остаются в числе резервных. Кроме того, известно, что в России требования бизнеса к доходности проектов значительно выше, чем в других странах.
Разработанные вероятностные методы и модели для оценки доступности месторождений позволяют решать различные задачи. В данной статье авторами приводятся результаты применения вероятностного подхода к оценке возможных темпов роста минерально-сырьевого сектора в зависимости от состояния сырьевой базы. Для прогнозирования экономического роста создано множество моделей, основанных на балансе спроса
277
и предложения и, как правило, учитывающих три фактора: капитал, труд и научно-технический прогресс. Основным отличием моделей является способ учета этих факторов. Так, например, существуют классы моделей с представлением научно-технического прогресса в виде эндогенного или экзогенного процессов. Особенностью минерально-сырьевого сектора является зависимость его развития от главного ресурса в виде запасов минерального сырья. Что касается капитала и трудовых ресурсов, то они в данном случае жестко не ограничены. Например, в России в минерально-сырьевом секторе занято всего 11% промышленного капитала и 3,2% от общих трудовых ресурсов. Поэтому возможности роста минерально-сырьевого сектора были исследованы в зависимости от состояния разрабатываемых, наличия резервных месторождений и от доступности их запасов.
Исследования были выполнены применительно к сырьевой базе меднорудных месторождений России. Всего было рассмотрено 117 разрабатываемых и резервных месторождений. Диаграмма запасы - содержание для этих месторождений показана на рис. 4. В Госбалансе РФ эти месторождения учитываются как меднорудные, хотя на многих из них встречается очень высокое содержание других цветных, редких и благородных металлов. При этом цена на эти попутные металлы, как правило, намного превышает цену меди. Все это, безусловно, влияет на доступность запасов. Поэтому при исследовании возможных темпов роста использовался эквивалентный объем меди, который в стоимостном выражении равен стоимости всех извлекаемых металлов. В результате содержание, эквивалентное меди, в некоторых случаях достигало 20-30%, а общий объем извлекаемого в настоящее время эквивалентного металла по расчетам был равен 5,7 млн. т, в то время как по официальным данным добыча меди из недр в 2007 году составляла 0,804 млн т.
Изменение эквивалентного объема металла было принято в качестве основного показателя роста отрасли. Более корректным показателем является изменение добавленной стоимости. Но подобное упрощение было сделано осознанно с учетом того, что рост в минерально-сырьевом секторе имеет преимущественно экстенсивный характер и, следовательно, определяется ростом объемов добываемого сырья.
278
Идя оценки изменения эквивалентных объемов меди была построена модель, в которой с использованием изложенного выше статистического подхода в зависимости от содержания металла, размеров запасов, взаимного влияния освоения различных запасов были определены вероятности вовлечения в разработку для каждого месторождения сырьевой базы меди. Затем в зависимости от установленных вероятностей были определены вероятные сроки начала разработки месторождений. Вероятные сроки определялись, исходя из предположения о том, что вовлечение месторождения может произойти, когда в течение определенного срока (было принято 3 года) индекс доходности проекта превышает 1. Очевидно, что вероятность появления хотя бы одного такого периода возрастает с увеличением временного интервала. Величина этого временного интервала, принятого в качестве вероятного срока вовлечения месторождения в разработку, определялась из уравнения:
(4)
где Р - вероятность вовлечения месторождения в разработку; 8 - темп роста вероятности вовлечения месторождения в разработку в результате научно-технического прогресса; Рт - вероятность вовлечения месторождения в разработку в течение вероятного срока (принята равной 0,9); п - число временных интервалов, необходимых для повышения вероятности вовлечения месторождения в разработку до величины Рт..
Число временных интервалов определялось из уравнения (4) в результате решения квадратного уравнения:
(5)
Вероятный срок вовлечения определялся умножением числа интервалов на 3, так как интервал, в течение которого может быть принято решение, был принят 3 года.
Прирост объемов добычи во времени определялся в зависимости от распределения вероятных сроков вовлечения
279
Рис. 6. Графики изменении эквивалентных объемов металла с учетом текущего состояния минерально-сырьевой базы меди России, вероятных темпов ввода месторождений в эксплуатацию и выбытия производственных мощностей
месторождений в разработку и расчетных значений мощности для резервных месторождений. Мощность по извлекаемым объемам руды рассчитывалась в зависимости от величины запасов по формуле Тейлора:
Q = 5Z015	(6)
где Z - размер запасов руды месторождения, т.
Годовая мощность по металлу определялась с учетом извлечения и эквивалентного содержания меди.
Чтобы определить темп роста объемов добычи учитывалось также выбытие разрабатываемых месторождений в зависимости от их запасов, эквивалентного содержания меди и производственной мощности. Графики изменения во времени эквивалентных объемов меди, полученные с использованием разработанной модели, показаны на рис. 6.
Сплошной линией на рисунке показано изменение эквивалентных объемов металла без учета действия научно-технического прогресса. Штриховой линией показано изменение объемов с учетом прогресса. Как видно из графика, эти
280
кривые не сильно отличаются. Так возможный средний темп роста объемов на ближайшие 20 лет составляет 1,6% в год с учетом прогресса и 1,5% в год без учета прогресса. Средние темпы роста за 40 лет отрицательны и, соответственно, равны (-0,8%) в год и (-0,9%) в год. Это происходит за счет истощения сырьевой базы меди.
Не улучшает ситуацию и научно-технический прогресс, темпы которого в сырьевой отрасли очень низки. Как было установлено авторами, темп снижения затрат на разработку меднорудных месторождений в течение последних 100 лет в мире не превышал 1% в год. Это, конечно, средний темп снижения затрат и повышения доступности запасов. На самом деле изменение технологий происходит крайне неравномерно, серьезные нововведения в сырьевой отрасли происходят раз в 20-30 лет. Это ограничивает возможности интенсивного экономического роста в минерально-сырьевом секторе. Существенный рост в этой отрасли возможен только при развивающейся сырьевой базе, когда постоянно происходит открытие новых месторождений. В рассмотренной задаче этот важный фактор не учитывался, хотя в настоящее время существуют методы для прогнозирования вероятности открытия новых месторождений различного размера и качества. Такие методы разработаны Геологической службой США и даже реализованы в виде программного продукта. Допущение, сделанное в данной работе, исключающее пополнение сырьевой базы, возможно при истощенных минерально-сырьевых базах, к которым и относится отечественная минерально-сырьевая база меди. Кроме того, в последние 20 лет воспроизводство погашаемых запасов в России почти не осуществлялось.
Таким образом, рассмотренные вероятностные подходы к определению доступности позволяют осуществлять экспресс-оценку месторождений на предпроекгных стадиях, осуществлять мониторинг региональных сырьевых баз, изучать влияние освоения одних месторождений на вовлечение в разработку других месторождений. Кроме того, имеется возможность решать различные задачи, связанные с прогнозированием развития сырьевых отраслей.
Результаты исследований, приведенные в данной статье, получены при финансовой поддержке РГНФ (грант 07-02-00038а)
281
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	An Appraisal of Minerals Availability for 34 Commodities. - US Department of the Interior, Bureau of Mines. - 1987. - Bulletin 692. - 300 p.
2.	Пешков А.А., Манко H.A. Доступность минерально-сырьевых ресурсов. - M.: Наука. - 2004. - 321 с.
3.	Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов, Том 2. Циклическая динамика в природе и обществе. М.: Научный мир, 1998. - 432 с. ЕИЗ
A.A. Peshcov, N.A. Macko, M.U. Xaritonov
PROBABILISTIC MODELS OF THE ESTIMATION OF MINERAL RESOURCES AVAILABILITY
In the article probabilistic approaches to an estimation of availability of mineral deposits are stated. With use of these approaches the model of an estimation of growth rates of mineral resources sector is developed. Influence of scientific and technical progress is considered. Results of an estimation of probable rates of growth are given for Russian copper industry.
Key words: availability of mineral reserves, probability of involving of mineral deposits in development, inertia of mineral price changes, scientific and technical progress, rates of growth
— Коротко об авторах----------------------------------------
Пешков А.А. - член-корреспондент РАН, доктор технических наук, заведующий отделом, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, apeshkov@tochka.ru
Манко Н.А. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, тел. (495) 360-12-42,
Харитонова М.Ю. - кандидат технических наук, ИХХТ СО РАН, E-mail: chem@icct.ru
282
© К.И. Волошиновскин, 2010
УДК 621.39
К.И. Волошиновскин
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС УЧЕТА ГАЗА
НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОННОГО КОРРЕКТОРА
SEVC-91 И КОНТРОЛЛЕРА ICP-DAS I7188XB
Приведено описание модернизации электронного корректора учета газа SEVC-91 производства французской фирмы Schlumberger. Модернизация проведена с целью обеспечения архивации данных об учете газов, поступающих с датчиков давления, температуры и объемного расхода. Отличительной особенностью проведенной модернизации является аппаратная архивация данных в контроллере 17188ХВ, которая не требует вмешательства человека-оператора.
Ключевые слова: электронный корректор учета газа, датчики давления, температуры и объемного расхода газа, программное обеспечение.
Семинар № 13
Для измерительных комплексов, предназначенных для промышленного мониторинга, характерной особенностью является необходимость обеспечения аппаратной архивации данных, не требующая присутствия человека-оператора, на основе опроса данных, полученных с датчиков и преобразователей. С целью опроса корректора разрабатывается программа для контроллера I7188XB на языке C++, которая проводит опрос приборов, размешает полученные данные в ячейке памяти х601 и отвечает на запросы ЭВМ с целью передачи архива на персональный компьютер. Кроме того, разработан программный продукт SEVC-7188 для считывания архива с контроллера J7188XB и его размещения в базе данных на жестком диске персонального компьютера.
2.	Оснащение электронного корректора SEVC-91 контроллером I7188XB
В корректоре SEVC-91 (рис. 1) не предусмотрено накопление архивов учетных параметров газа, получаемых с подключенных датчиков. С помощью программы поставляемой в комплекте с корректором, предусмотрен только опрос настроек и текущих значений параметров, измеренных с помощью датчиков. Рабочее место оператора, оснащенное персональным компьютером, удалено от электронного корректора, установленного в ГРУ котельной. Оператор не имеет возможности
283
регулярно проводить опрос первичного прибора с набором датчиков. Поэтому, с целью автоматизации процесса опроса, между электронным корректором и персональным компьютером. размешается промежуточный контроллер I7188XB (рис. 1) со встроенной ячейкой памяти х601.
Кроме того, чтобы прибор отвечал на запросы через оптический порт Опто232, оператор должен подойти и нажать одну из кнопок прибора, чтобы вызвать его "пробуждение". Для организации автоматического "пробуждения" прибора в схеме используется оптрон (рис. 2), а контакты одной из кнопок прибора выведены на разъем прибора. Как только по шине ТХ передатчика контроллера поступает сигнал, оптрон открывается и замыкает контакты кнопки, что приводит к "пробуждению" прибора. Блок промежуточного контроллера включает контроллер I7188XB и конвертор интерфейса I7520R. Контроллер имеет два последовательных порта RS232 и RS485. Использование конвертора I7520R с интерфейсом RS485 совместно с контроллером I7188XB позволяет организовать обмен данными между персональным компьютером и контроллером на расстоянии до 500 м.
Система архивации эксплуатируется преимущественно при выключенном компьютере. Тогда, когда необходимо провести мониторинг системы, оператор включает компьютер и проводит опрос архива контроллера и распечатку отчетов.
С 2004 г. в Московской области узлы учета газа стали оснащаться средствами сотовой связи. В данный момент времени службами Мособлгаз предписывается установка шкафов сотовой связи Аксон-XL на базе контроллеров 1CP-DAS. Серийно выпускаемые шкафы Аксон-XL ориентированы на применение контроллеров ICP-DAS I7188XA. Поэтому опыт разработки системы накопления данных и передачи на персональный компьютер с использованием контроллеров I7188XB при необходимости может быть использован при разработке систем сотовой связи.
3.	Блок контроллера I7188XB и схема подключения оборудования
Устройство, реализующее схему подключения (рис. 2) оборудования в измерительном комплексе SEVC-91 с контроллером I7188XB, реализовано с учетом цепей питания и "пробуждения" прибора.
284
Рис. 1. Измерительный комплекс на основе прибора Seuc-91 с контроллером 17188ХВ
Рис. 2. Схема системы сбора и хранения данных корректора SEVC-91 на базе контроллера I7188XB
Рис. 3. Монтажный комплект контроллера I7188XB, подготовлен-
ного для программирования и наладки
Устройство, реализующее схему подключения, представлено на рис. 3. В монтажный комплект контроллера входят: контроллер I7188XB, конвертор I7520R, клеммник и два выключателя для коммутации выхода режима программирования и цепи питания контроллера. После монтажа и наладки выключатели исключаются из схемы.
Дуплексный обмен данными происходит через цепь: прибор учета SEVC-91, оптическая головка, контроллер, шина RS485, конвертор, персональный компьютер. Конвертор, ко
286
торый подключается на порт RS485, необходим, т.к. как в контроллере только один порт RS232.
Введение в схему конвертора RS485, позволяет удалить рабочее место с персональным компьютером на расстояние до 500м от места установки первичного прибора с датчиками. Протокол RS485 является промышленным и предусматривает длины кабельных линий связи до 500 метров на скорости до 115200Кбод, на который и проводится выдача в порт накопленного в /VA/VD-памяти контроллера Г7188ХВ архива данных о газопотреблении. NAND-память представлена в виде ячейке хб01 устанавливаемой в разъем, размешенный на плате внутри контроллера I7188XB. Информация в архиве накапливается в виде часовых показаний.
4.	Разработка программного продукта SEVC-7188
После того, как была проведена вышеописанная модернизация, выходной протокол системы поменялся. В порт компьютера стал поступать объемный архив в соответствии с новым циклическим протоколом. Смена протокола шины RS232 подключаемой к порту персонального компьютера (ПК) потребовала разработки новой программы для ПК. Вид главного окна программы КОНТРОЛЛЕР-КОМПЬЮТЕР для опроса контроллера и декодирования протокола приводится на рис. 4.
В процессе эксплуатации модуль опроса прибора SEVC-7188 посылает запрос на контроллер и получает ответ в виде последовательности пакетов, каждый из которых размешен на отдельной странице памяти ячейки х601, размешенной внутри контроллера. Размер пакета подобран таким образом, чтобы его половина перекрывала страницу памяти целиком. Ячейка х601 использует постраничный механизм записи, поэтому чтобы обеспечить экономичность процесса записи, необходимо проводить запись таким образом, чтобы запись байтов не проводилась в пустую.
Контроллер I7188XB удобен в работе, прост в программировании, но его работа сопряжена с определенными сложностями. В процессе работы над программой потребовалось протокол обмена сделать дуплексным, чтобы контроллер мог работать под управлением персонального компьютера, с таким расчетом чтобы, например, в случае зависания контроллера с компьютера можно было осуществить перезагрузку контроллера.
287
Рис. 4. Текстовое представление данных с выхода контроллера I7188XB в окне программы терминала и главное окно программы SEVC-7188 v5.4 с поддержкой дуплексного протокола
Программный продукт SEVC-7188 проводит опрос контроллера, осуществляет декодирование данных, полученных в процессе опроса, и пополнение базы данных персонального компьютера новыми записями, формируемыми в процессе декодирования, после чего отправляет запрос на перезагрузку контроллера. На основе базы данных с учетом выбранных в главной форме месяца и года пользователь имеет возможность распечатать отчет о газопотреблении. Таблица базы данных в которой хранятся накопленные записи может быть подключена к серверу базы данных и интегрирована в систему автоматизации деятельности промышленного предприятия.
Заключение
Выполнена модернизация электронного корректора объема газа Sevc-91 для обеспечения архивации данных о давлении, температуре и объемном расходе природного газа. В процессе модернизации электронного корректора SEVC-91
288
была выполнена разработка драйвера (Sevc91.c) контроллера Sevc-7188 для измерительного комплекса на базе контроллера I7188XB и ячейки памяти х601, обеспечивающей накопление архивных данных на жестком диске персонального компьютера. Кроме того, выполнена разработка программного продукта SEVC-7188, предназначенного для опроса контроллера I7188XB и распечатки отчетов о газопотреблении.
------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Хаммел Р.Л. Последовательная передача данных. Пер. с англ., М..-Мир, 752 с., 1996.
2.	Ятом А.М. и Яглом И.М., Вероятность и информация, М.: Нарка, 511 с„ 1973.
3.	Игумнов Д.В. и др. Особенности применения оптронов в режиме малых токов, М. Энергия, с. 56, 1979.
4.	Новиков Ю.В. и др. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера IBM PC. М.: ЭКОМ, с. 224, 2000. вига
К.1. Voloshinovskiy
THE MEASUREMENT SYSTEM AIMED FOR GAS BASED ON ELECTRONIC CORRECTOR SEVC-91 AND CONTROLLER ICP-DAS I7188XB
In the article is published description of hardware and software modernization of measurement system SEVC-91, aimed for gas accounting at industrial units and objects. Modernization is aimed to collect archive of gas account data from pressure, temperature and volume consumption sensors. The distinctive kind of developed system is hardware data collecting with industrial controller I7188XB, such data collecting using controller allows to avoid human presence.
Key words: measurement system aimed for gas, pressure, temperature and volume consumption sensors, the hardware and software modernization.
— Коротко об авторе ------------------------------------------
Волошиновский К.И. - ассистент кафедры AT, e-mail: volkir@mail.ru Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
289
----------------------------- © Н.И. Федунеи, С.С. Кубрин, 2010
УДК 662.27:618.5
Н.И. Федунеи, С.С. Кубрин
ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РАДИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ШАХТАХ И РУДНИКАХ
Современный уровень развития технологий беспроводной связи отражает возрастающие потребности общества в использовании недорогих универсальных телекоммуникационных мобильных устройств нового поколения. Однако внедрение беспроводных технологий в системы управления горного предприятия сдерживается необходимостью создания устройств, применимых к условиям горного производства. На данный момент наблюдается огромный интерес в области разработки новейших нанотехнологий для создания беспроводных телекоммуникационных систем и самоорганизующихся сетей и систем связи для шахт и рудников.
Ключевые слова: беспроводная передача данных, транспортная инфраструктура, пространственная топология, горное производство, самоорганизующиеся сети и системы связи.
Семинар № 14
Беспроводная передача данных активно распространяется по всей планете. Наиболее часто она используется при подключении пользователей к Интернету. Беспроводная сеть предприятия является одной из важных частей транспортной информационной инфраструктуры, которая обеспечивает передачу данных от их источника к потребителю. Отсутствие проводов, наличие автономного питания повышает мобильность, как потребителей, так и источников информации. Значительно снижаются расходы на создание, модификацию и поддержания ГГ-транспортной инфраструктуры систем оперативного управления предприятием. Особенно это важно для объектов, имеющих значительную пространственную топологию, которая к тому же все время изменяется. На современном рынке услуг давно уже стали стандартными предложения по организации корпоративной беспроводной сети, общему беспроводному Интернету, беспроводное соединение локальных и корпоративных сетей, резервирование проводных каналов связи на базе релейных линий, решение о подключении -так называемая задача «последняя миля», видеонаблюдение и т.д. Все более активно технологии беспроводной передачи
290
информации стали проникать в подземное пространство шахты и рудников.
Наиболее явно преимущества беспроводных решений проявляются тогда, когда:
•	работникам предприятия необходима свобода передвижения, возможность оперативно реагировать на изменения ситуации на производстве, всегда иметь доступ к важной информации и быть в зоне доступа;
•	прокладка сетевого кабеля и кабеля питания устройств затруднена, невозможна или экономически нецелесообразна;
•	требуется быстрое развертывание и модификация информационных сетей в местах проведения работ;
•	желание снизить эксплуатационные расходы;
•	требуется в реальном времени сбор информации с территориально разнесенных датчиков и передача управляющих воздействий на объекты управления.
Перечисленные задачи крайне актуальны для шахт и рудников, характеризующихся сложной пространственной топологией подземных горных выработок и сооружений на поверхности.
Однако распространение беспроводных линий связи под землей сдерживаются объективными условиями подземного способа добычи полезных ископаемых. Во-первых, ограниченное подземное пространство, во-вторых, отсутствия прямой видимости, в-третьих, большой протяженностью и разветвленностью горных выработок, в-четвертых, наличием вмещающих пород с различными проводящими и отражающими свойствами обуславливающие распространение радиоволн, в-пятых, ограничение на мощность сигнала из-за повышенной взрывоопасности шахтной атмосферы, в-шестых, отсутствия разветвленных линий энергопитания.
Рассмотрим основные технологии беспроводной передачи данных и возможность их использования в подземном пространстве. Общеизвестно несколько способов беспроводной передачи данных между устройствами: посредством радиоволнового диапазона, микроволнового диапазона - сверх высоких частот (СВЧ) и в инфракрасном диапазоне. Классифицируют беспроводные сети передачи данных и по дальности передачи сигнала на «короткие», локальные, распределенные и глобальные. Соединения.
291
Так называемые «короткие» соединения протяженностью в несколько метров используют технологии Bluetooth и Wireless. Передача данных на основе светового луча в инфракрасном диапазоне с длиной волны 880 нм (Wireless) позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля на коротком расстоянии в режиме точка-точка. Стандарт не предусматривает создание локальной сети. Инфракрасная связь полудуплексная, т.к. передаваемый луч неизбежно засвечивает соседний усилитель приемника. Таким образом, применение инфракрасной связи ограничено офисным помещением.
Технология беспроводной передачи данных Bluetooth разрабатывалась как технология беспроводного соединения мобильных устройств и представляет собой радио-интерфейс малой мощности предназначенный для замены существующих кабельных и инфракрасных соединений офисной и бытовой электронной техники. В отличие от инфракрасной связи технология Bluetooth позволяет организовывать как двухточечные, так и многоточечного соединения, не обязательно в зоне прямой видимости. В спектре радиочастот системе беспроводной связи Bluetooth отведено 79 радиоканалов в диапазоне 2,4465-2,4835 ГТц (примерно по 1 МГц каждый). Диапазон 2,4 ГГц относится к безлицензионному промышленному, научному и медицинскому диапазону ISM (Industrial, Scientific, Medical), что позволяет свободно и бесплатно использовать устройства Bluetooth. Модули Bluetooth способны передавать данные со скоростью до 720 кбит/с на расстояние от 10 до 100 метров. Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал передачи данных, до трех синхронных голосовых каналов или канал с одновременной асинхронной передачей данных и синхронной передачей голоса. Скорость голосового канала — 64 кбит/сек в каждом направлении, асинхронного в асимметричном режиме — до 723,2 кбит/сек в прямом и 57,6 кбит/сек в обратном направлениях, в симметричном режиме — до 433,9 кбит/сек в каждом направлении. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802. К областям использования Bluetooth-технологии можно отнести передачу цифрового звука на близких расстояниях, замену инфракрасной связи, дистанционное управление с мобильного средства связи; создание малых сетей компьютеров и оргтехники, в офисных помещениях.
292
Беспроводная технология ZigBee предназначена для использования в системах сбора данных и управления и по назначению подходит для организации сетей автоматических систем диспетчерского управления и аэро-газового контроля. Она обладает малым энергопотреблением, надежностью передачи данных и зашиты информации. ZigBee ориентирована на передачу данных в тех системах, где не выдвигается жестких требований к задержкам при передаче данных. Эта технология позволяет охватить единой беспроводной сетью здания и другие крупные объекты с большим числом узлов (по стандарту — до 65 тыс.). Однако для достижения этого необходимо применять сложные механизмы маршрутизации сообщений для передачи информацию через десятки промежуточных узлов сети к конечной точке. Это приводит к увеличению вероятности отказов, к сложности развертывания, настройки и обслуживания.
Стандарт IEEE 802.15.4 содержит описание радиочастотной сети ZigBee, её частотные диапазоны и скорости передачи. Предусматривается передача информации до 75 метров с максимальной скоростью 250 кбит/с. Однако, малая пропускная способность компенсируется сверхнизким энергопотреблением, за счет того, что большую часть времени аппаратура находится в спяшем режиме. За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов в трех частотных диапазонах - 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Скорость передачи данных для этих диапазонов составляет, соответственно, 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с.
Особенность ZigBee заключается в том, что она предназначена для реализации не только простых соединений "точка-точка" и "звезда", но и сложных сетей с топологиями "дерево" и "ячеистая сеть", способных поддерживать ретрансляцию и поиск эффективного маршрута передачи данных. Сети ZigBee являются самоорганизующимися и самовосстанавливаюшими-ся. Благодаря встроенному программному обеспечению их устройства при включении питания умеют сами находить друг друга. В случае выхода из строя какого-либо прибора они способны искать новые маршруты для передачи сообщений.
Энергопотребление устройств сети ZigBee, такое, что, теоретически, одной небольшой батарейки должно хватать для поддержания работоспособности ZigBee-оборудования в течение нескольких месяцев и даже лет. Среди прочих достоинств
293
стандарта следует упомянуть хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простоту настройки. Низкая пропускная способность и маленький радиус действия не позволяют применять сети ZigBee для трансляции потокового видео или аудио.
Основной сферой применения ZigBee-усгройств в перспективе станут системы автоматизированного диспетчерского управления, аэро-газового контроля, операторского управления технологическими процессами на горном предприятии.
Wireless USB - это один стандарт из целой серии беспроводных интерфейсов, основанных на использовании технологии сверхширокополосной UWB (Ultra-Wideband) модуляции в частотном диапазоне шириной 7,5 ГГц. Все беспроводные интерфейсы на основе UWB имеют единую организацию протоколов канального и физического уровней на базе спецификаций IEEE802.15.3. UWB - это беспроводная технология, предназначенная для передачи данных на короткие - до 10 метров, расстояния, с высокой пропускной способностью (до 480 Мбит/с) и низкой потребляемой мощностью.
В период с 1990 по 1997 годы в результате работы рабочей группы Institute Electrical Equipment Engineering (IEEE) была создана спецификация стандарта беспроводных локальных соединений 802.11. IEEE 802.11 стал группой стандартов, определившей основные протоколы, необходимые для организации беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Network -WLAN). Для передачи данных стандарты 802.11 используют безлицензионные частотные диапазоны 2,4 ГГц и 5 ГГц. Связь обеспечивается в радиусе 100-300 метров от стандартной точки доступа на открытой местности. На сегодняшний день основными стандартами являются 802.11а, 802.11b и 802.11g.
IEEE 802.11а. В 1999 году был принят стандарт IEEE 802.11а. Он ориентирован на работу в диапазоне 5 ГГц и способен обеспечить скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В России оборудование стандарта использовать не разрешено, поскольку в нем работает оборудование государственных служб.
IEEE 802.11b. Данный стандарт известен по наименованию - Wi-Fi (Wireless Fidelity). Для работы сетей Wi-Fi стандартом предусмотрено использование безлицензионного частотного диапазона от 2,4 до 2,4835 ГГц.
294
IEEE 802.11g. Этот стандарт принят в середине 2003 года, как развитие стандарта 802.11b. В нем используется тот же частотный диапазон. Использование алгоритма псевдослучайной скачкообразной перестройки рабочей частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS), обеспечивает достижение скорости передачи данных до 54 Мбит/с.
Во всех стандартах 802.11 предусмотрено два основных типа архитектуры сетей: Ad-hoc и Infrastructure. Вариант Ad-hoc называют также IBSS (Independent Basic Service Set) или режим Peer-to-Peer ("точка-точка"). В этом режиме связь устанавливается непосредственно между рабочими станциями пользователей по принципу "каждый с каждым" и создание какой-либо обшей сетевой инфраструктуры не требуется. Основу сети в режиме Infrastructure составляет сотовая архитектура, подобная той, что используется в мобильной связи. При этом такие сети могут состоять как из одной, так и из множества ячеек. Каждая ячейка управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point), которая взаимодействует с находящимися в пределах ее радиуса действия пользовательскими устройствами. В этом режиме устройства пользователей напрямую друг с другом не связываются, а действуют через точку доступа. Сами же точки доступа соединяются между собой с помощью кабельной сети.
Другой беспроводной технологией, которая использует безлицензионный ISM диапазон 2.4 ГГц, является стандарт HomeRF 2.0. Его спецификация основана на протоколе совместного беспроводного доступа (Shared Wireless Access Protocol — SWAP), который интерфейс, поддерживающий беспроводные сети передачи аудио информации и данных в пределах здания.
Основанная на стандарте беспроводной связи IEEE 802.16-2004 технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) на сегодняшний день развивается стремительными темпами и, вероятно, будет играть ключевую роль в создании региональных сетей в ближайшем будущем. Она стандартизирована институтом IEEE как широкополосная беспроводная связь, дополняющая линии DSL и кабельные технологии в качестве альтернативного решения проблемы "последней мили" на больших расстояниях.
295
Технология WiMAX обеспечивает широкий диапазон вариантов построения сети - от стационарных систем беспроводного доступа до двухточечных систем передачи масштаба предприятия.
Базовые характеристики стандарта 802.16 предусматривают дальность действия радиосвязи до 50 километров, покрытие с возможностью работы вне прямой зоны видимости и пиковую скорость обмена данными до 100 Мбит/с на сектор одной базовой станции и поддерживает динамически изменяемый канала - от 1.25 до 20 МГц. В отличие от рассмотренных выше методик организации беспроводных сетей, зона охвата которых в лучшем случае составляет сотни метров относительно точки доступа, WiMAX позволяет значительно увеличить расстояние между передатчиками и повысить мобильность соединения.
Технология, основанная на стандарте IEEE 802.20, описывает системы мобильного беспроводного широкополосного доступа которые можно использовать для развертывания сетей большого масштаба работает в диапазонах частот не выше 3.5 ГГц. Данная технология определяет сеть персонального асимметричного широкополосного доступа, способную обеспечить пропускную способность в канале по направлению к абоненту до 1-4 Мбит/с, и до 0.3-1.2 Мбит/с от абонента при перемещении абонентских терминалов со скоростью до 250 км/ч, в том числе и вне зоны прямой видимости. Однако, использование её в условиях шахты и рудника ограничивает требуемая большая мощность.
Наибольшее распространение в мире получила сотовая сеть. Её развитие прошло несколько ступеней. Вначале она была аналоговой - поколение 1G: NMT (Nordic Mobile Telephone) и AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Потом c 1985 года началась эра развития цифровой сотовой связи Поколение 2G: GSM (Global System for Mobile Communications). Далее, появились сотовые сети поколения 2G (GPRS - General Packet Radio Service),, поколение 2,75 G (EDGE - Enhanced data rates for GSM and TDMA/136 evolution), поколение 3G: (UMTS - Universal Mobile Telecommunications System), поколение 3,5G: (HSDPA - High Speed Downlink Packet Access), поколение 3,75G: (HSUPA - High Speed Uplink Packet Access), поколения
296
297
4G: (HSOPA - High Speed OFDM Packet Access). Однако, использование сотовой связи под землей невозможно из-за большой стоимости, диапазона требуемых мощностей и необходимости.
В настоящее время на рынке имеются системы профессиональной цифровой мобильной радиосвязи стандарт TETRA, DECT. Наилучшие перспективы в цифровой транкинговой связи имеет стандарт TETRA. В России пока действуют и аналоговые решения - оборудование SmarTrunk П (Selectone), MPT 1327 и др, в связи с огромным парком установленных систем, относительно низкой стоимостью, простотой в обрашении и обслуживании. Основная проблема цифровой транкинговой связи в России заключается в проблемах получения разрешений на использование соответствующих диапазонов частот. Системы технологической связи стандарта DECT, широко используются в промышленности. Их отличает высокая пропускная способность по абонентской нагрузке и отсутствие проблем электромагнитной совместимости со средствами автоматизированных систем управления на предприятии. В отличие от TETRA для установки и эксплуатации системы DECT не требуется предварительного выделения частот, а необходима лишь регистрация системы по упрошенной процедуре. Кроме того, системы DECT отличает простота монтажа, настройки и эксплуатации.
Остальные существующие технологии беспроводной передачи данных (оптической атмосферной, радиорелейной спутниковой связи) принципиально не могут быть использованы в подземном пространстве.
Современный уровень развития технологий беспроводной связи отражает возрастающие потребности общества в использовании недорогих универсальных телекоммуникационных мобильных устройств нового поколения. Однако, для внедрения беспроводных технологий в системы управления горного предприятия сдерживается необходимостью создания устройств, применимых к условиям горного производства и учитывающих особенность топологии выработанного пространства. На данный момент наблюдается огромный интерес в области разработки новейших беспроводных телекоммуникационных систем и создания самоорганизующихся сетей и систем связи для шахт и рудников.
298
	1 X	Технологии не совместимы	Малый	радиус действия, Мобильность ограничена невысокое качество телефонии и видео	Высокая стоимость оборудования ТОЛЬКО НА ПОВЕРХНОСТИ.	Низкая скорость передачи данных, ограничен радиус действия
1 $ §	Достоинства	Не требуют частотных разрешений и сложных устройств	Широкое распространение, наличие стандартов, недорогие устройства	Единый стандарт, возможность работы на отражениях при непрямой видимости, высокие скорости, мобильность	Не требует частотных разрешений
1ерспективные технологии беспроводной передачи данных и связи, юдходяшие для организации промышленной информационной сети i	Назначение	Соединение электронных	уст- ройств, организация сетей, создание малых сетей и др.		Сети предприятий i		Организация широкополосного радиоканала, “последней» мили	Телефония, организация радиодоступа систем мик-росотовой связи
	Скорость	106 Кбит/с - 5 Гбит/с	11 Мбит/с - 54 Мбит/с (	23 Мбит/с]	144 Кбит/с
	Дальность	10-100 м	100-300 м	До 20 км	50-200 м
	Категория/ Технология/ Стамлапт	Сети (WPAN): Bluetooth (802.15.1), ZigBee (802.15.4), NFC, Wibree, UWB, WiHD и др.	Локальные сети (WLAN)/Wi-Fi/ /802.11 a, b, g	Корпоративные сети (FBWA)/WiMax/802.16	DECT
299
В соответствии с системно-синергетической концепцией любую сложную открытую информационно-телекоммуникационную систему можно определить как самоорганизующуюся коммуникативную структуру. Такое определение и проведенные исследования в области синергетики и самоорганизации информационных и телекоммуникационных систем и сред подтверждаются в настоящее время резким ростом научного и прикладного практического интереса в следующих направлениях:
1.	Построение гетерогенных многоячеистых самоорганизующихся сетей производственной направленности на основе беспроводных технологий передачи данных;
2.	Создание новых методов и технологий беспроводной передачи мультимедийной информации и ее представления в системах обработки информации и управления;
3.	Разработка новых методов персональной информационной поддержки специалистов и руководителей предприятия на базе современных мобильных средств коммуникации;
4.	Разработка технологий мониторинга промышленной безопасности и оперативного управления в горной промышленности на базе беспроводных технологий.
В качестве примера рассмотрим некоторые перспективные возможности, которые открываются при широком распространении дешевой, надежной и безлицензионной технологии ZigBee связи (серия экспериментов проведенных в 2006 году институтом Гипроуглеавтоматизация подтвердила, что частоты от 2 до 11 ГГц обеспечивают наилучшее распространение сигнала в условиях горных выработок угольной шахты.). Прежде всего - это использование стационарных автономных радиомодулей с низким энергопотреблением и интеллектуальными функциями в беспроводной самоорганизующейся сети для обмена информацией о перемещающихся мобильных устройствах в зонах доступа. В обшем случае можно определить следующие перспективные направления научных исследований в области использования технологий беспроводной связи для организации и синтеза гетерогенных многоячеистых самоорганизующихся сетей, систем мониторинга безопасности, систем диспетчерского управления и систем оперативного управления горным производством. ЕНЗ
300
N.I. Fedunec, S.S. Kubrin
PROSPECTS AND PROBLEMS OF CONSTRUCTION OF THE AUTOMATED RADIO TELEMETERING CONTROL SYSTEMS OF TECHNOLOGICAL PROCESSES IN MINES AND MINES
Wireless data transmission actively extends on all planet. Most often it is used at connection of users to the Internet. Absence of wires, presence of an independent food raises mobility, both consumers, and information sources. Expenses on creation, updating and maintenance of an IT transport infrastructure of systems of an operational administration by the enterprise are considerably cut. Especially it is important for the objects having considerable spatial topology.
The modem level of development of technologies of a wireless communication reflects increasing requirements of a society for use of inexpensive universal telecommunication mobile devices of new generation. However introduction of wireless technologies in control systems of the mountain enterprise restrains necessity of creation of devices, applicable to conditions of mountain manufacture. Huge interest in the field of working out of the newest nanotechnology for creation of wireless telecommunication systems and self-organizing networks and communication systems for mines and mines is at present observed.
Key words: wireless data transmission, transport infrastructure, spatial topology, mountain manufacture, self-organizing networks and communication systems.
— Коротко об авторах------------------------
Федунеи Н.И. - аокгор технических наук, профессор, Кубрин С.С. - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
301
© В.А.Трофимов, 2010
УДК 622.831
В.А.Трофимов
КАТАСТРОФИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД
Приведены общие закономерности протекания катастрофических разрушений в массиве горных пород, связанные с возникновением неустойчивого состояния некоторой его части. В качестве примера, иллюстрирующего эти положения, рассмотрены условия возникновения горного удара в целике при отработке горизонтальной пластообразной залежи.
Ключевые слова: катастрофа, целик, горный удар, жесткое и мягкое нагружение, запредельное деформирование.
Сеиввар № 14
Масштабные катастрофические разрушения в массиве горных пород при разработке твердых полезных ископаемых являются довольно редкими природными явлениями. Тем не менее, непредсказуемость возникновения, а зачастую и масштаб проявления, делают их весьма опасными с точки зрения работоспособности добывающего предприятия. К ним можно отнести горные удары различной природы, внезапные обрушения пород кровли выработки, внезапные оседания земной поверхности, внезапные выбросы угля и газа и др. Характерной чертой этих явлений является внезапное, скачкообразное изменение состояния в результате разрушения той или иной горнотехнической конструкции в рамках используемой системы разработки.
К настоящему времени накоплен большой практический опыт и выполнены многочисленные теоретические исследования, связанные с выявлением природы и механизмов возникновения и протекания катастрофических проявлений в горных выработках. Все это позволило разработать мероприятия, снижающие в определенных случаях возможность возникновения такого рода явлений и сформулировать их прогнозные признаки для различных горнотехнических ситуаций. Тем не менее, положение дел представляется достаточно сложным в связи с невозможностью проведения регулярных наблюдений в шахтных условиях и накопления экспериментальных данных об этих катастрофических проявлениях именно в силу их уникальности.
302
В связи с этим большое значение придается теоретическим разработкам, описывающим природу и механизм этих явлений, а также условия их возникновения. Нужно отметить, что и в этом направлении остаются нерешенными многие важные вопросы.
Отметим, что термин «катастрофа» неоднозначен. Обычно им характеризуют некоторые происшествия, связанные с большими материальными или /лодскими потерями. В дальнейшем изложении будем следовать определению «катастрофы» как потере устойчивости части горнотехнической конструкции вне зависимости от масштабов протекания явления. При этом, как обычно, потеря устойчивости предполагает, что при определенных условиях малому изменению параметра нагружения соответствует значительное изменение параметров, описывающих систему. В этом смысле, например, и мощное землетрясение и неустойчивое прорастание трещины в лабораторном образце - это «катастрофа».
Несомненно, что все перечисленные выше природные явления, связанные с разработкой твердых полезных ископаемых, т.е. с созданием в массиве горных пород открытых пространств, выработок, носят катастрофический характер. При этом под землей по мере развития горных работ постепенно формируется система пустот, иногда заполненных закладкой или обрушенными породами, которая большую часть времени своего существования является устойчивой, подверженной незначительным, локальным разрушениям. В этот период параметры, описывающие ее состояние, изменяются непрерывно, без значительных скачков. Именно в таком режиме с учетом конкретных горно-геологических условий месторождения и должна функционировать любая система разработки.
Тем не менее, иногда возникают ситуации, в которых нарушается непрерывный характер изменения параметров системы, что приводит к катастрофическим разрушениям, как в выработках, так и на земной поверхности. Отметим необходимые условия возникновения таких разрушений.
Во-первых, в массиве всегда можно выделить структурные элементы, которые играют роль «нагружающей системы» (в дальнейшем «система») и собственно «нагружаемый элемент» («элемент») в основном воспринимающий нагрузку. Например, целик и вмещающие горные породы. Либо, трещина контакта, в которой заполнитель и неровности берегов составляют «элемент», а собственно берега трещины - «систему».
303
Во-вторых, рассматриваемые катастрофические разрушения всегда связаны с первоначальным разрушением «элемента» и последующими подвижками массива горных пород. При этом разрушающим фактором является кинетическая энергия движущихся горных пород («нагружающей системы»). Смешения могут быть незначительными, порядка нескольких сантиметров, но энергия велика из-за вовлечения в движение больших масс породы. При этом она может реализоваться в виде разрушения в выработках на значительном расстоянии от «элемента».
В-третьих, силовое взаимодействие «системы» и «элемента» должно происходить в режиме «мягкого» нагружения. В общем случае это означает, что в каком-то смысле деформационные характеристики «системы» и «элемента» должны обеспечивать более высокую податливость у «системы», чем у «элемента». «Система» и «элемент» деформируются совместно, т.е. должен выполняться принцип совместности деформаций, выражающийся, в частности, в непрерывности смешений на их обшей границе. При этом в случае «мягкого» нагружения эти смешения определяются в основном деформационными свойствами «элемента», тогда как при «жестком» нагружении - свойствами «системы». На рис. 1 показаны условные схемы для этих двух видов нагружения - (а) жесткое, (б) мягкое.
Обычно при подготовке катастрофического явления и при его протекании массив горных пород деформируется таким образом, что «система» разгружается, т.е. ее деформации возрастают, а силовые факторы (скажем, напряжения) уменьшаются. Взаимосвязь между ними на рис. 1 показана семействами линий (1-4), где в качестве параметра семейства выступает некоторый параметр нагружения. В этом качестве может выступать, скажем, протяженность выработанного пространства, изменяющаяся во времени. Либо расстояние от забоя выработки, приближающейся к разлому, до этого разрывного нарушения в массиве и т.д. в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий отработки. При этом с ростом параметра нагружения соответствующие кривые из упомянутых семейств постепенно перемешаются вверх. Заметим, что форма этих кривых зависит от конкретных условий нагружения, тем не менее, можно констатировать, что чем жестче «система», тем больший наклон имеют кривые (1-4) на рис. 1.
304
Рис. 1. Схематическое изображение «жесткого» (а) и «мягкого» (б) нагружения
В тоже время для «элемента» имеет место нагружение, описываемое соответствующей диаграммой деформирования, в общем случае с запредельной ветвью (кривая 5). Отметим, что катастрофическое разрушение произойдет в точке А на рис. 1, б. Она характерна тем, что помимо равенства в ней силовых и деформационных факторов для «системы» и «элемента», в ней соблюдается равенство наклонов соответствующих кривых.
305
z
-L 1 -I /	L
д j
Рис. 2. Схематическое изображение разделительного целика и разрабатываемого пласта между вмещающими горными породами
Таким образом, имеет место их касание, т.е равенство производных Кроме того, их кривизна должна быть строго положительной. Заметим, что на рис. 1, а таких точек нет.
Далее в качестве примера, иллюстрирующего сказанное, приведены конкретные соотношения, описывающие деформирование целика при отработке горизонтальной пластообразной залежи и показаны условия возникновения в нем горного удара.
Схематическое изображение этого целика и отработанных участков пласта с зависающей кровлей показано на рис. 2. При этом основными параметрами в этой схеме являются глубина разработки Н, мощность пласта 2h, исходное горное давление на пласт q°H, деформационные параметры горных массивов Е, V. ширина целика 21, пролеты выработанных участков пласта L-1.
В соответствии со схемой на рис. 2 обозначим через оц усредненную по всей площади целика интенсивность его реакции на сжатие вмещающими горными породами, а через 2ДЛч деформацию целика, вызванную отработкой пласта.
Эти две переменные величины связаны между собой. При условии равновесия и неразрывности горных пород вокруг выработок эта связь определяется из решения соответствующей задачи геомеханики, математическая постановка которой и ее общее решение дано в работе [1]. При этом из решения выводится уравнение, связывающее интенсивность реакции целика и сближение кровли и почвы на участке целика. В принятых обозначениях это уравнение имеет вид
306
уН VI)	) h
гае м =----;---1----- h
, 1~уЛ 1
Е„ Е, J
(1)
(2)
А — в — ' известные функции. Они сравнительно просто U/ \l J
записываются через полные эллиптические интегралы
К (к), Е(к) [2] в виде
а(—У = ^Е(к)-К(к)+^О-Е(к')\—, в(~\ = ^Ц,	(3)
U) [	К(к) J к U) К{к')
гае к=-,	=
L	V Ш
В уравнении (1) три переменных величины: S- —ч. _.
уН’ h ’ I
Из них — - независимая величина, которая полностью опреде-I
ляется технологией горных работ и не может убывать. При разработке пласта L возрастает и 1 остается постоянной, а при отработке целика 1 убывает в то время, как L остается постоянной. В обоих случаях — возрастает.
Обратим внимание на коэффициент М в уравнении (1). Он объединяет исходные параметры горного массива и относительный размер целика, но не зависит от его деформационных характеристик. Следовательно, М является единственным критерием подобия, по которому можно судить об идентичности реакции целика (независимо от его физического состояния) на сближение кровли и почвы для разных вмещающих горных массивов. Обычно значения параметра М и его вариации в реальных условиях определяются заранее исходя из горногеологических условий разработки пласта.
Весь процесс нагружения целика связан с уравнением (1).
Из него в частности следует, что реакция целика и сбли-
YH
307
жение кровли и почвы ___s. связаны линейно. При этом, чем
h
больше , тем меньше и наоборот, чем больше _S_, тем h	уН	уН
меньше . Особенности его хорошо видны в геометрическом h
изображении на рис. 3, где прямоугольные координаты пред-
ставлены переменными величинами	. В этих ко-
уН' h' I
ординатах при постоянном значении М уравнение (1) описывает, в общем, поверхность неразрывности взаимодействия вмещающих горных пород и целика на всех стадиях деформирования его вплоть до полного разрушения. Иначе говоря, деформация сжатия целика независимо от его деформационных свойств, как на стадии нагружения, так и на стадии запредельного деформирования будет соответствовать сближению боковых пород связанному линейно с Яг. уравнением (1). При
h	уН
этом, каждому значению параметра М будет соответствовать своя поверхность неразрывности независимо от деформационно-прочностных свойств целика.
На рис. 3 такая поверхность показана для значения М
равного 20. Характерно, что при постоянных значениях — се-/
чением поверхности неразрывности будут прямые линии, ко-
<т Л/1
торые описываются в координатной плоскости —i_ _ тем уН ’ h
же уравнением (1). Эти прямые будем называть образующими поверхности неразрывности, каждая из которых соответствует определенному значению _.
I
Теперь перейдем к обсуждению поведения целика при сжатии его вмещающими горными породами. Каждый целик, как и составляющие его горные породы, имеет свою диаграмму напряжение-деформация с запредельной ниспадающей ветвью. Характерный вид этой диаграммы показан на рис. 4. Количественно диаграммы для разных целиков могут существенно
308
-°у/уН
Рис. 3. Поверхность неразрывности взаимодействия вмещающих горных пород и разделительного целина при значении параметра подобия М=20
отличаться друг от друга по величине временного сопротивления сжатию о0, по наклону и крутизне как на нарастающем, так и на ниспадающем участке. Уравнение диаграммы напряжение-деформация запишем в виде
F(O) = 1.	(5)
\ h )
Заметим, что эта диаграмма относится к квазистатическому нагружению целика, включая ниспадающую ветвь запредельного деформирования. Уравнение (1) тоже относится к квазистатическому сближению вмещающих горных пород в зависимости от А. Поэтому, до тех пор, пока, процесс сжатия целика / вмещающими горными породами остается квазистатическим, реакция целика ац и средние сжимающие напряжения должны быть не только равны при одних и тех же значениях — , но и удовлетворять одновременно уравнениям (1), (5). h
Совместное решение этих уравнений дает зависимость нагрузки на целик и деформации целика от _. На поверхности неразрывности, показанной на рис. 3, это решение дает соответствующую кривую, проекция которой на координатную
309
Рис. 4. Характерный вид безразмерной диаграммы напряжение-деформация целика
плоскость _	— будет совпадать с диаграммой напряже-
уН’ h
ние-деформация целика на участке существования совместного решения уравнений (1), (5). На рис. 5 показаны полная диаграмма напряжение-деформация и семейство прямых, которые являются проекциями образующих поверхности неразрывности. Иначе говоря, эти прямые представляют собой решения линейного уравнения (1) при различных значениях А.
Точки пересечения этих прямых с диаграммой напряжение-деформация соответствуют совместным решениям уравнений (1) и (5). По этим точкам пересечения легко проследить, как с увеличением — изменяется нагрузка на целик и как он
деформируется. Очевидно, что прямые того же семейства, которые не пересекают диаграмму напряжение-деформация целика, относятся к значениям —, при которых не существует со-
вместных решений уравнений (1) и (5). Эти значения — физически не реализуются.
310
-V't/'tH
О 0.05	0,10	0.15	0.20	0,25	0.30	0.35	0.40 ДЛ/Л
(ДЛ/Л)*
Рис. 5. Проекции на координатную плоскость--— сечений
уН’ h
поверхности неразрывности М=20 прн — , равных 2, 4, 6, 8, 1
10,12, 14, 16, 18 и кривой нагружении пелнка, совпадающей с диаграммой напряжение-деформация
На рис. 5 среди семейства прямых, приведенных в качестве примера для параметра М=20, есть одна прямая, которая является касательной к данной диаграмме напряжение-деформация на участке ниспадающей ветви. Она соответствует определенному значению которое обозначим через | —| .
I	и)
Заметим, что чем меньше значение параметра М, тем более пологими становятся прямые соответствующего семейства, а точка касания располагается ближе к максимуму на диаграмме, оставаясь на ниспадающей ветви.
Переходя от уравнений (1), (5) к их решению в виде пересечения диаграммы семейством соответствующих прямых (см. рис. 5), видим, что нагрузка на целик возрастает до максимального значения по мере увеличения —. Когда нагрузка на целик
достигает максимального значения, равного предельной несу-
311
шей способности, он будет оставаться в устойчивом состоянии и оказывать достаточное сопротивление квазистатическому сближению вмещающих горных пород. При дальнейшем увеличении относительного пролета —, но пока он остается меньше I
, сближение вмещающих горных пород будет происходить также квазистатически. При этом нагрузка на целик и соответствующая ей реакция целика будут падать по ниспадающей ветви запредельного деформирования. Здесь статическое равновесие сохраняется благодаря тому, что при фиксированных значениях — напряжения ац, удерживающие кровлю и почву в равновесии, с увеличением — падают по линейному закону h
более круто, чем несущая способность целика (Усж по ниспадающей ветви своей диаграммы. Избыточное падение ац по сравнению с компенсируется соответствующим увеличением А. Это легко видеть из совместного решения уравнений (1), (5) и результатов расчета, приведенных на рисунке 5.
Относительный пролет разрабатываемого участка пласта — будет критическим, если он достигнет значения \ А | . При 1	U)
этом равновесие вмещающих горных пород становится неустойчивым, и они самопроизвольно переходят в динамическое сжатие целика. Действительно, при критическом значении —, I
равном |	, и соответствующем значении | — \ дальнейшее
U )	[h )
самопроизвольное сближение вмещающих горных пород становится невозможным, т.к. с увеличением — напряжение <УЦ, h соответствующие статической реакции целика, оказывается больше несущей способности самого целика. При этом <7и убывает по линейному закону (1), а Осж убывает в соответствии с диаграммой целика (5) на ниспадающем участке запредельно-312
го деформирования. Разность между ац и <Тсж, которая сначала увеличивается, а затем убывает до нуля, компенсируется соответствующим развитием динамического сближения вмещающих горных пород, т.е. сближением с ускорением, а следовательно и динамическим воздействием на целик. Сила этого воздействия и вызываемое им динамическое разрушение целика определяются той же разностью ац -
Критическое значение \ к ] определяется в соответствии с U )
(1), (5) из совместного решения уравнений

(6)
(7)
которые при существовании решения являются необходимым условием проявления горного удара. Первое из этих уравнений выражает условие неразрывности взаимодействия целика и вмещающих горных пород, а второе уравнение определяет условие равенства наклона касательной к диаграмме напряжение-деформация целика и прямой, соответствующей уравнению (1) при | к | .
Остановимся на анализе формирования удароопасных ситуаций и проявления горных ударов в зависимости от отдельных горно-геологических и горнотехнических параметров разработки пласта около разделительного целика. Из уравнения (1) видно, что только обобщенный параметр М определяет в координатах —кк., к положение соответствующей по
уН' h ’ I
верхности неразрывности, показанной на рис. 3. Этот параметр включает в себя горное давление на глубине разработки пласта, деформационные свойства вмещающих горных пород со стороны кровли и почвы, а также относительные размеры целика. Поэтому все массивы горных пород в сочетании с разделительным целиком, которые имеют одно и то же значение обобщенного параметра М, подобны относительно взаимодей
313
ствия целика и вмещающих горных пород, а сам параметр М, представленный формулой (2), является критерием подобия.
/Зля сравнения по этому критерию массивов горных пород заметим, что чем больше значение М, тем быстрее падают напряжения аи с ростом деформации — при одном и том же h
значении А. Это положение в сочетании с диаграммой напряжение-деформация целика непосредственно связано с прогнозом и оценкой удароопасности. Действительно, обращаясь к рисунку 6 и условиям проявления горных ударов (6), (7), легко заметить, что чем круче будут прямые, соответствующие уравнению (1) при разных значениях А в пределах диаграммы, тем /
ниже будет критическая точка на ее ниспадающей ветви или вообще будет отсутствовать на ней. Таким образом, чем больше критерий М, тем меньше удароопасность. И наоборот, чем ниже критерий М, тем выше удароопасность. Такова обшая сопоставимость массивов горных пород в сочетании с размерами целиков относительно удароопасности.
Для прогноза горного удара и оценки энергетического уровня его проявления всегда требуется полная диаграмма напряжение-деформация целика, в качестве которой для сравнительно добротных и достаточно однородных целиков можно использовать аналогичные диаграммы соответствующих представительных образцов горных пород с учетом коэффициента ослабления или масштабного фактора. При этом в соответствии с критерием М можно определенно сказать, что чем более пологая в относительных величинах диаграмма напряжение-деформация на ниспадающей ветви, тем ниже удароопасность.
Теперь можно легко и достаточно обоснованно оценить, как зависит проявление горных ударов от параметров, входящих согласно (2) в критерий М.
Таким образом, из анализа проявления горных ударов в рассмотренном варианте разработки пласта следует, что нет удароопасных горных пород и нет удароопасных глубин, а есть удароопасные технологические параметры, которые в каждом конкретном случае подлежат определению. Для расчета соответствующих параметров разделительного целика и нагрузок,
314
которые он воспринимает по мере развития свободного очистного пространства, можно использовать основное уравнение неразрывности (1) совместно с диаграммой напряжение-деформация (5). При этом следует исходить из технологической необходимости или допустимости выполнения одного из двух основных условий: сохранности целика с заданным уровнем соответствующей длительной прочности или квазистатиче-ского сжатия целика вмещающими породами до полного его разрушения при неограниченном развитии очистных горных работ. В первом случае относительное расстояние между границами отработанного участка L/1 должно быть меньше критического значения (L/Г). Во втором случае относительная ширина целика Uh изначально не должна превышать своего критического значения (l/h), при котором энергетический уровень динамического проявления горного давления практически равен нулю. В случае технологической ограниченности выбора размеров целика и очистных выработок выполнение условия сохранности или квазистатического разрушения целика может достигаться, соответственно, искусственным упрочнением или обеспечением более высокой податливости его, частичной закладкой выработанного пространства, послойной отработкой пласта и другими специальными мероприятиями, эффективность которых определяется достаточностью изменения критических значений (L/1) и (/ / й)* в нужном направлении.
------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трубецкой К.Н., Бронников Д.М., Кузнецов С.В., Трофимов В.А. Механизм горных ударов и расчет нагрузок на разделительный целик при разработке пластообразной залежи. /ФТПРПИ, 1995, №5, 3-16.
2. Грааштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений./ М., Госиздат физ.-мат. лит., 1963. И233
— Коротко об авторе --------------------------------------
Трофимов В.А. - Учреждение Российской академии наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, Москва.
E-mail: asas_2001@mail.ru
315
-------------------------- © А.В. Горбатов, И.А. Зорин,
2010
УДК 622:55
А.В. Горбатов, ИЛ. Зорин
ИНФОРМАТИЗАЦИЯ В ГОРНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Описаны основные принципы информатизации горного образования. Представлены основные направления, в которых должна развиваться информатизация образовательного учреждения в области горного дела.
Ключевые слова: Горное образование, горная промышленность, информатизация в горной промышленности, информатизация в горном образовании.
Семинар Ns 15
Современное общество непредставимо без информационных технологий. Практически любая отрасль современного хозяйства так или иначе использует ИТ для своего развития, ведь автоматизация рутинных бизнес-процессов позволяет повысить качество их выполнения, существенно увеличить скорость и сократить сопутствующие затраты.
Горная промышленность России не становится исключением. Являясь крайне важной отраслью народного хозяйства, горнодобывающая промышленность представляется непаханым полем для развертывания различного рода ИТ-комплексов. Ведь, цена ошибки в данной отрасли - человеческие жизни! И здесь информатизация играет критически важную роль.
Важнейшей составляющей горнопромышленного комплекса России является горное образование. Особенно важным является высшее образование в области горного дела, поскольку именно из горных ВУЗов страны выходят специалисты, работающие впоследствии на горных предприятиях. При этом, самые известные горные ВУЗы страны являются государственными, что накладывает определенный отпечаток на процесс информатизации в них.
К сожалению, государственные предприятия сильно отстают от коммерческого сектора в области развития ИТ. В первую очередь это объясняется недостаточным финансированием, ведь содержание хорошего программиста - это достаточно большие деньги, а тем более целой команды программи
316
стов. В результате, уровень информатизации большинства современных государственных организаций далек от идеала.
Но, в последнее время в России намечается положительная тенденция. При огромной поддержке власти, под личным патронажем Президента РФ Д.А. Медведева информационные технологии занимают прочные позиции в государственных учреждениях. Уже сейчас у большинства государственных учреждений есть сайты, существует возможность с использованием сети Интернет обратиться напрямую к Президенту, в Правительство, в другие ведомства. Также можно, используя компьютер, получить доступ к информации о своей квартплате, оплате электроэнергии.
В сфере горного образования информационные технологии должны играть крайне высокую роль, ведь образование -это прежде всего коммуникации между людьми, а коммуникации, в свою очередь - это и есть основное предназначение ИТ.
Уже сейчас во многих ВУЗах РФ есть системы автоматизации делопроизводства в деканатах, позволяющие сотрудникам деканатов вести учет студентов, экзаменов, предметов и даже составлять расписание. В некоторых ВУЗах даже студенты могут зайти в режиме реального времени в данную систему через Интернет и узнать текущие новости своего учебного процесса. Таким образом, сами студенты могут контролировать процесс своего обучения, следить за своими оценками и другими важными событиями. Да и преподаватели могут отследить судьбу каждого студента и каждого своего экзамена.
В 2009 году многие ВУЗы даже принимали документы через Интернет с использованием электронной почты. Однако, такая система была неудобной, потому что не поддавалась никакой автоматизированной обработке. Но, даже это позволяло абитуриенту подать документы в любой выбранный ВУЗ, не выходя из дома!
При этом, в некоторых ВУЗах страны (например, в МГТУ или в КГУ) был в инициативном порядке проведен смелый эксперимент по развертыванию формализованной подачи документов в ВУЗ через Интернет. Так, в М1ТУ почти 200 человек подали заявления через Интернет, не выходя из дома! К сожалению, наличие таких систем в России пока можно пересчитать по пальцам, но, сама тенденция обнадеживает. Такие системы позволяют сделать процесс приема в ВУЗ открытым, честным.
317
Ведь, программе невозможно дать взятку или уговорить принять или не принимать документы у абитуриента вопреки правилам приема.
Говоря о применении ИТ в ВУЗе, нельзя не упомянуть и о системе дистанционного образования. Используя Интернет, можно обучать студентов не только в Москве, но и в любом городе РФ, и даже за рубежом. При этом, интерактивные лекции ничем не будут уступать реальным, поэтому, образование будет почти что очным! При этом, студент сможет «посетить» лекцию не в строго определенное время, а в любое удобное для него, студента. Ведь видеозапись лекции можно разместить на сайте ВУЗа для доступа к ней всех желающих.
Также, важную роль в системе информатизации любого ВУЗа играет web-сайт этого ВУЗа, как прежде всего средство представления этого ВУЗа во внешней среде. Не секрет, что большинство современных студентов, абитуриентов, да и просто людей ищут необходимую им информацию во всемирной сети Интернет. Именно поэтому, крайне важен технологический уровень сайта ВУЗа, его сравнительный уровень. Ведь, если раньше многие абитуриенты выбирали ВУЗ «по фасаду», т.е., по впечатлению, который производил внешний вид ВУЗа, то сейчас, в век бизнеса и торговли, абитуриент просто не приедет в ВУЗ, который не может себя прорекламировать в Интернет. И поэтому, реклама в сети Интернет критически важна для любого ВУЗа. А она, в свою очередь, неразрывно связана с сайтом ВУЗа.
Еще одним крайне важным аспектом информатизации является доступ студентов и преподавателей к информационным ресурсам внутри и вне ВУЗа. Ведь, Интернет изначально создавался как средство обмена научной информацией между несколькими университетами, и лишь потом стал «Всемирной паутиной». В этом контексте в ВУЗе крайне желательны такие аспекты информатизации как электронная библиотека, единое хранилище информационных ресурсов, доступ к информационным ресурсам различных библиотек (например, богатейшим запасам Российской государственной библиотеки).
Развитие горной промышленности страны во многом определяется развитием ее образовательной системы в области горного дела, и здесь у России очень сильны традиции. Однако, одних традиций очень мало в нашем молниеносно меняю-
318
шемся мире. Традиции нуждаются в подкреплении в виде современных технологий, знаний, методов. И самым современным таким методом являются информационные технологии. Именно поэтому, любой горный ВУЗ должен максимально широко использовать ИТ в своей научной, образовательной и хозяйственной деятельности, едз
A.V. Gorbatov, LA. Zorin
INFORMATION IN THE MINING INDUSTRY
The article describes main principles of mining education. There are main directs of mining university ГГ-development in the article.
Key words: Mining higher education, mining industry, ГГ-development in mining, ГГ-development in mining higher education.
— Коротко об авторах-------------------------------------
Горбатов А.В. - доктор технических наук, профессор, проректор по информатизации,
Зорин И. А. - нач. отдела информационных технологий,
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
319
----------------------------------------- © В.В. Мельник, 2010
УДК 622.22
В.В. Мельник
ПРИОРИТЕТНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПОДЗЕМНОЙ УГЛЕДОБЫЧИ НА ШАХТАХ РФ
Сформулированы приоритетные направления развития подземной угледобычи на шахтах РФ: совершенствование традиционных комплексно-механизированных технологий подземной добычи угля; применение технологий добычи угля камерными, камерно-столбовыми системами и короткими забоями; развитие нетрадиционных технологий угледобычи (бурошнековой, гидравлической нового технологического уровня, скважинной гидравлической технологии и их комбинаций); строительство угледобывающих предприятий для отработки свиты угольных пластов комбинированным открыто-подземным способом на основе гидромеханизации.
Ключевые слова: шахты, подземная угледобыча, напрвления развития.
Семинар № 16
Добыча угля в РФ, так же как и нефти и газа, своих максимальных значений достигала в 1988 г. - 425,4 млн. т (подземным способом - 192,6 млн. т). Далее объем добычи снизился на 45% - до 232 млн. т в 1998 г. и увеличился до 269,3 млн. т в 2001 г. Из анализа современного состояния подземного способа добычи в РФ следует, что объем добычи начиная с 2003 г. возрастает - на 244 предприятиях в 2008 г. добыто 328,8 млн. т угля, причем на 96 шахтах - 104,9 млн. т и на 148 разрезах - 223,9 млн. т [1]. На начало 2009 г. прекращена добыча на 203 (188 шахтах и 15 разрезах) угледобывающих предприятиях, причем на 187 работы по технической ликвидации завершены [2]. Только за период 1993-2008 гт. в отрасли произошло выбытие мощностей по добыче угля порядка 163 млн. т при вводе всего порядка 30 млн. т. Только в Кузбассе прекращена добыча на 43 шахтах с выбыванием производственных мощностей 50 млн. т угля в год [3].
Несмотря на увеличение, начиная с 1993 г. нагрузки на очистной забой с 485 до 2318 т/сут (в том числе на комплексно-механизированный с 719 до 3157 т/сут) и производительности труда рабочего по добыче с 66,3 до 168,1 т/мес, а также наличие 30 бригад, обеспечивающих нагрузку на очистной забой более 1 млн. т в год (из них 9 по 1,5 млн. т) и одной бригады, добывшей в 2006 г. 4,098 млн. т угля. Однако оснований
320
для оптимистических прогнозов развития подземного способа добычи, к сожалению, весьма мало.
Доказательствами такого положения служат динамика ввода и выбытия мощностей за последние годы, объем незавершенного строительства в угольной промышленности, значительный травматизм. Следует отметить чрезмерную ориентацию в отрасли только на комплексно-механизированную добычу угля (75,1% в 2008 г.). Например, объем добычи гидравлическим способом в 2008 г. составил всего 2,1 млн т (ОАО «Прокопьевскуголь» и шахтоуправление «Прокопьевское» [1]).
Кроме того, из анализа распределения добычи из действующих очистных забоев шахт отрасли по мощности отрабатываемых пластов следует, что: весьма тонкие угольные пласты не отрабатываются вообше; добыча угля из тонких угольных пластов составляет всего 4,4%, а мощностью 1,21-1,80 м -только 16,5%; добыча из пластов мощностью 1,81-3,5 м равняется 57,3%, а более 3,5 м - 21,8%.
Если рассматривать шахты Кузбасса, то на них не отрабатывают как весьма тонкие, так и тонкие пласты (0,02%). Объем добычи из пластов мощностью 1,21-1,80 м составляет всего 9,6%; 1,81-3,5 м - 57,1%; а более 3,5 м - 33,2%. Объем добычи по шахтам Кузбасса по углам падения распределяется следующим образом: до 35° - 44,9 млн. т; 36-45° - 0,914 млн. т; свыше 46° - 2,5 млн. т угля.
Следовательно, из анализа распределения добычи из действующих очистных забоев шахт отрасли в целом и по Кузбассу по мощности и углам падения отрабатываемых пластов следует, что область применения сегодняшней подземной угледобычи - это наиболее благоприятные горно-геологические и горнотехнические условия. При этом следует отметить, что объем промышленных запасов только в тонких пластах на примере ОАО «ОУК Южкузбассуголь» составляет порядка 244 млн. т, а в целиках различного назначения УК «Прокопьевскуголь» -950 млн. т, для которых отсутствуют высокопроизводительная технология и техника.
Как уже отмечалось, одним из недостатков существующей практики горного дела является чрезмерная ориентация подземной технологии угледобычи на применение в шахтах длинно-столбовой системы разработки с использованием механизированных комплексов.
321
Существовавшие в 70-х годах альтернативные традиционная коротко-забойная и гидравлическая технологии были практически полностью ликвидированы. В то же время объем добычи из коротких забоев в США составляет 63%, Австралии -50%, ЮАР и Индии - 90% [3].
В горной практике в последние годы расширяется область применения открыто-подземного способа разработки особенно рудных месторождений полезных ископаемых. За счет использования инфраструктуры разрезов можно существенно сократить затраты на строительство таких шахт и снизить эксплуатационные расходы на 30-50% по сравнению с действующими шахтами-аналогами. Значительный опыт проектирования и эксплуатации таких шахт накоплен в институте «ВНИИгидро-уголь» и МГТУ [3-6].
С учетом предложений ученых ведущих институтов и про-изводствен-ников отрасли сформулированы следующие приоритетные направления развития подземной угледобычи на шахтах РФ [3-7].
1. Совершенствование традиционных комплексномеханизированных технологий подземной добычи угля. При этом годовая добыча из длинного очистного КМЗ должна составлять 3-5 млн. т, производительность труда рабочих должна быть не ниже 400-450 т/мес [3, 4]. Этого возможно добиться в соответствующих горно-геологических и горнотехнических условиях при инженернопроработанных пространственно-планировочных решениях и применении надежного и высокопроизводительного очистного оборудования.
В настоящее время на кафедре «Подземной разработки пластовых месторождений» МГГУ успешно развиваются девять основных направлений научных исследований одно из которых посвящено разработке вариантов гибких технологий интенсивной отработки шахтных полей с использованием высокопроизводительного оборудования нового технического уровня (руководитель - проф., докт. техн, наук Ю.Н. Кузнецов).
В рамках этого научного направления выполнены следующие исследования:
1.	Разработаны базовые варианты технологий интенсивной отработки запасов высокоугленосных участков шахтных полей при рациональном интегрировании длиннозабойных и камерно-столбовых систем.
322
2.	Разработаны базовые варианты интегрированных технологий интенсивной добычи угля с нагрузкой 3-5 тыс. т в сутки на перспективных шахтах.
3.	Разработаны варианты интенсивных технологий монтажно-демонтажных работ при эксплуатации высокопроизводительных комплексов в очистных забоях с нагрузкой более 1 млн. т угля в год.
4.	Разработаны научно-методические основы геомеханиче-ского обоснования устойчивости и эксплуатационной надежности транспортных выработок высокой пропускной способности.
5.	Разработаны варианты технологий интенсивной и безопасной добычи угля в сложных горно-геологических условиях с рациональным управлением геомеханическими процессами и использованием адаптивных средств механизации горных работ.
6.	Разработаны методические рекомендации по обоснованию параметров технологии интенсивной отработки запасов шахт модульного типа.
7.	Разработаны методические рекомендации по обоснованию вариантов и параметров интенсивной технологии очистных работ с изменяющейся траекторией движения механизированного комплекса.
8.	Созданы и внедрены очистные механизированные комплексы ОКС-1 и ОКС-2 на шахтах «Покровская» ПО «Тула-уголь», «Казахстанская» ПО «Карагандауголь», «Новокузнецкая» ПО «Южкузбассуголь» (руководитель работ - проф., докт. техн, наук А.Б. Ковальчук).
9.	Создан и прошел испытания автоматизированный струговой агрегат «Ф-1» на шахтах «Юбилейная» ПО «Гидроуголь», «Распадская» ПО «Южкузбассуголь» (руководитель работ -проф., докт. техн, наук О.В. Михеев).
10.	Внедрены новые способы вскрытия, подготовки и отработки Антоново-Есаульского месторождения Кузбасса (авторское свидетельство №1259008 положено в основу строительства шахт «Антоновская», «Есаульская» ПО «Южкузбассуголь».
11.	Созданы и внедрены механизированные комплексы, агрегаты с гидромониторными органами разрушения и проходческие комбайны для гидрошахт (агрегаты типа АФГ, АФГ-2, АВГ, комбайн КПА - шахты «Полосухинская», «Юбилейная»,
323
«Инская» ПО «Гидроуголь» (руководитель работ - проф., докт. техн, наук О.В.Михеев).
12.	Созданы и внедрены технологии непрерывной отработки выемочных столбов с разворотами очистных забоев с комплексами типа ОКП, 4КМ-30, КМТ, «Пиома» на шахтах: «Распадская», «Новокузнецкая», «Капитальная» ПО «Южкузбассуголь», «Октябрьская» ПО «Ленинскуголь» (руководитель работ - проф., докт. техн, наук А.С. Бурчаков).
2. Применение технологий добычи угля камерными, камерно-столбовыми системами и короткими забоями [3-8]. Оптимальное сочетание высокопроизводительных КМЗ с короткозабойной и гидравлической технологиями нового уровня позволит достичь «порога рентабельности» и обеспечить конкурентоспособность шахт с открытыми горными работами. Практическое подтверждение оптимальному сочетанию таких технологий было получено еще в 60-е годы на шахте им. В. И. Ленина в Кузбассе. Так, на этой шахте весьма эффективно сочетались длинные комплексно-механизированные забои, камерно-столбовая и гидравлическая технологии, а также участок открытых горных работ.
3. Развитие нетрадиционных технологий угледобычи, а именно: бурошнековой, гидравлической нового технологического уровня, скважинной гидравлической технологии и их комбинаций [5-9]. В настоящее время бурошнековая технология находит все большее применение за рубежом. Например, на шахте «Саутленд» компании «Тиссен Майнинг Групп Австралия» [9] для отработки участков пластов, непригодных для применения КМЗ, применяется бурошнековый агрегат СА4 со шнековыми штангами диметром 1,5 м, длинной скважин до 50 м и расстоянием между осями скважин 2,2 м.
На кафедре ПРПМ в этой области успешно развиваются два направления научных исследований, а именно:
-	создание комплексов скважинной гидравлической добычи (СГД), переработки и транспортировки угля потребителям (руководитель - проф., докт. техн, наук В.В. Мельник);
-	создание углеэнергетических комплексов СУГЭК для разработки угольных месторождений с получением сверхчистого газового топлива (руководитель - проф., докт. техн, наук Васючков Ю.Ф.).
324
В рамках научного направления (руководитель - проф., докт. техн, наук В.В. Мельник) выполнены следующие исследования:
1.	Разработана и реализована методологическая база создания комплексов СГД, первичной переработки и транспортировки угля потребителю.
2.	Разработаны приоритетные технологические и технические решения, обеспечивающие высокую производительность и безопасность скважинной гидротехнологии при вскрытии и предварительной подготовке запасов выемочного блока, выемке угля рекомендуемыми гидромониторными (АСГ), тонкоструйными (АФТ, ГВМ) и механогидравлическими (АСМ-1 и АСМ-2) агрегатами с последующей первичной переработкой и транспортировкой угля потребителю.
3.	Разработаны базовые варианты тонкоструйнных агрегатов АФТ и ГВМ для добычи угля из подземных горных выработок.
4.	Обоснованы рациональные параметры механогидравли-ческой технологии отработки запасов тонких пластов агрегатом АСМ-1 и АСМ-2.
5.	Разработана и реализована методика геомеханиче-ского обоснования параметров скважинной гидротехнологии (параметры блоков, отрабаты-ваемых полос, заходок, расстояние между целиками различного назначения и их размеры).
6.	Предложена методика расчета производительности основных подсистем скважинной гидродобычи, а именно, разрушения угольного массива, безнапорного транспорта пульпы и напорного транспорта.
В рамках научного направления (руководитель - проф., докт. техн, наук Васючков Ю.Ф.) выполнены следующие исследования:
-	установленная тепловая мощность блока скважинного комплекса, которая для условий Кузбасса может быть принята на уровне 130 МВт. Коэффициент полезного действия процесса преобразования тепловой энергии в электрическую составит 0,46, установленная электрическая мощность 60 МВт. Исходя из таких показателей, выбраны оборудование и типы технологических установок СУГЭК;
-	определена эффективность функционирования СУГЭК.
325
4. Строительство угледобывающих предприятий для отработки свиты угольных пластов комбинированным открыто-подземным способом на основе гидромеханизации. В НПО «Гидроуголь» и МГГУ [5-7] накоплен значительный опыт проектирования, строительства и эксплуатации угледобывающих предприятий на основе механогидравлических технологий как для подземной угледобычи (шахты «Нагорная-1», «Нагорная-2», «Анжерская-Южная-3»), так и открытоподземным способом (разрезы «Листвянский», «Кедровский»). Имеется и зарубежный опыт открыто-подземного способа добычи угля. Так, в Австралии на угледобывающем предприятии «Улан» добыча угля осуществляется открытым, подземным и комбинированным способом.
На кафедре ПРПМ в этой области успешно развиваются следующее направление научных исследований, а именно:
- создание комбинированных технологий добычи угля на основе гидромеханизации (руководитель - проф., докт. техн, наук В.А. Атрушкевич).
В рамках этого научного направления выполнены следующие исследования:
1.	Разработана и реализована концепция создания интегрированной технологии на основе декомпозиции технологических схем открытой, подземной и гидравлической технологий на элементы, интеграции элементов в группы, научного обоснования новых технических и технологических решений, позволяющих объединить группы элементов в единую технологическую систему.
2.	Конструирование новых вариантов технологических схем рекомендуется осуществлять с использованием разработанных технологических и технических решений. 3. Разработана адаптивная математическая модель прогноза деформаций массива горных пород в двумерном и трехмерном пространствах при взаимодействии открытых и подземных горных работ.
3.	Установлены закономерности изменения геомеханиче-ских параметров в коротких очистных забоях при отработке крутых пластов от основных горно-геологических и горнотехнических факторов.
4.	Разработаны многофункциональные элементы технической базы интегрированной технологии подземной гидромеха-низированной добычи угля из открытых горных выработок.
326
5.	Разработаны логическая и экономико-математическая модели синтеза вариантов и оценки эффективности интегрированной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок.
6.	Проведена опытно-промышленная проверка варианта интегрированной технологии отработки запасов выше дна траншеи. Схемы вскрытия и подготовки с использованием диагональных горных выработок обеспечивают непрерывность технологических процессов выемки, транспорта и переработки угля. Экономическая эффективность реализации данного варианта технологии в условиях действующего разреза составила в 1996 г. 1229 млн. руб. при объеме добычи 98 тыс. т.
7.	Подтверждена эффективность и установлена работоспособность технологической схемы: выемка угля —> самотечный гидротранспорт —> транспорт с переработкой горной массы —> подъем.
Однако не следует забывать, что около 40% запасов высококачественного угля залегают в сложных горно-геологических условиях, для которых, к сожалению, не разработана высокопроизводительная техника и технология.
Анализируя приоритетные направления подземной добычи угля, следует отметить, что оптимальное сочетание подземной, (с длинными и короткими очистными забоями), открытоподземной угледобычи, гидротехнологии нового уровня, обеспечат повышение полноты извлечения запасов угольных пластов и эффективность угольной отрасли в целом.
----------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Таразанов И.Г Итоги работы угольной отрасли за 2008 г. Уголь, 2009, № 3. - С. 23-29.
2.	Агапов А.Е. Итоги работы государственного учреждения «ГУРШ» по реализации программы ликвидации особо убыточных шахт и разрезов. Уголь, 2007, № 3, - С. 3-7.
3.	Пугачев Е.В., Фрянов В.Н. Проблемы развития угольной промышленности Кузбасса. Уголь, 1999, № 4. - С. 33-35.
4.	Мазикин В.П., Вылегжанин В.Н. Перспективы развития горнодобывающей промышленности. Уголь, 1999, № 6. - С. 14-17.
5.	Пучков Л. А, Михеев О.В., Атрушкевич В.А. Атрушкевич О.А. Интегрированные технологии добычи угля на основе гидромеханизации. - М.: МГГУ, 2000. - 296 с.
327
6.	Атрушкевич В.А. Разработка интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок. - Дис. докт. техн. наук. - М: МГТУ, 1997. - 423 с.
7.	Пучков Л.А., Михеев О.В, Атрушкевич В.А., Атрушкевич О.А. Создание высокопроизводительных угледобывающих предприятий на основе механо-гидравлической технологии. - М.: Горная пром., 2000, №6. -С. 2-5.
8.	Михеев О.В. Интенсификация подземной добычи угля на основе создания малооперационных технологий и автоматизированных процессов. -Дис. докт. техн. наук. - М.: МГИ, 1986. - 609 с.
9.	Мельник В.В. Разработка технологических решений скважинной гидравлической добычи угля. - Дис. докг. техн. наук. - М.: МГТУ, 2005, - 327 с. 1Дми
V.V. Melnik, а Dr.Sci.Tech.
PRIORITY DIRECTIONS OF DEVELOPMENT OF UNDERGROUND COAL OUTPUT ON MINES RUSSIAN FEDERATIONS
In article following priority directions of development of underground coal output on mines Russian Federations are formulated: perfection of the traditional complexly-mechanised technologies of an underground coal mining; application of technologies of a coal mining by chamber, chamber-and-pillar systems and short working faces; development of nonconventional technologies of coal output (бурошнековой, hydraulic new technological level, downhole hydraulic technology and their combinations); building of the coal-mining enterprises for working of retinue of coal seams by the combined is opened-underground way on the basis of hydromechanization.
Key words: mines, underground coal output, evelopments
— Коротко об авторе -----------------------------------------
Мельник В.В. - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Подземная разработка пластовых месторождений», Email: msmu-prpm@yandex.ru
Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
328
---------------------------------------- © В.С. Коваленко, 2010
УДК 622.01
В.С. Коваленко
ВКЛАД АКАДЕМИКА В.В. РЖЕВСКОГО В СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ МГИ-МГГУ «ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ»
Изложены основные этапы становления научной школы и роль академика В.В. Ржевского и его учеников в ее развитие.
Ключевые слова: открытые горные работы, научная школа, академик в. в. ржевский.
Семинар № 17
В юбилейном году горная общественность России и многих стран ближнего и дальнего зарубежья, как и прежде, чтит память Владимира Васильевича Ржевского - выдающегося ученого и педагога, неутомимого организатора науки, действительного члена Российской академии наук, лауреата Государственной премии, премии Совета Министров, доктора технических наук, профессора Московского горного института, выдающегося специалиста в области открытых горных работ, одного из основоположников их теории, автора фундаментальных учебников и научных трудов, внесшего неоценимый вклад в становление и развитие горной науки, горного образования и производства, возглавлявшего в течение двадцати пяти лет коллектив Московского горного института, кафедру открытых горных работ и научную школу МГИ-МГГУ в области открытых горных работ.
Приход В.В. Ржевского в Московской горный институт в 1947 г. совпал с бурным развитием открытого способа практически во всех регионах страны, что было связано с постоянно увеличивающимися потребностями в минеральных ресурсах. Оказалась экономически оправданной добыча открытым способом полезных ископаемых, залегающих на глубине десятков и даже сотен метров от поверхности, так как открытой способ разработки обеспечивал наращивание объемов добычи более быстрыми темпами.
Этот рост во многом был достигнут благодаря преимущественному развитию открытых горных работ, доля которых в
329
горном производстве стала преобладающей и уже к 1970 году достигла на добыче железной руды 79,2%, руд цветных металлов - 70%, марганцевых руд - 61,5%, сырья горной химии -56%. На карьерах в железорудной промышленности в среднем прирост составлял 12-13 млн. т в год, и в отдельные периоды достигал 20 млн. т сырой руды в год.
Увеличение объемов добычи происходило как за счет развития мощности на действующих карьерах благодаря их реконструкции и коренному перевооружению, так, главным образом, за счет строительства мощных горных предприятий. Так, например, только в железорудной промышленности с 1954 по 1970 год было введено в эксплуатацию 14 крупных горно-обогатительных комбината, таких как Соколовско-Сарбайский с производственной мощностью 30 млн. т руды год и с проектной глубиной карьеров 470-650 м, Лебединский мощностью 30 млн. т с проектной глубиной карьера 500 м, Качканарский мощностью 45 млн. т. В это период были построены также мощные предприятия в других отраслях: горнохимические комбинаты Апатит и Каратау, угольные разрезы в Экибастузе, Кузбассе, Якутии, Сибири, в цветной металлургии - Гайский ГОК, Приднепровский ГОК, карьеры по добыче марганцевой руды и самородной серы на Украине. Кроме того, строилось большое количество средних и небольших карьеров во всех отраслях горного производства и, прежде всего, по добыче нерудного минерального сырья. Причем строительство и реконструкция горных предприятий осуществлялась на базе новой техники и новых технологий.
Бурное развитие горного производства потребовало такого же стремительного развития научных исследований, создания широкой сети специализированных институтов, лабораторий и кафедр, организации массовой подготовки кадров.
Широкому и интенсивному развитию открытого способа разработки, доминирующего и практически безальтернативного при освоении месторождений большинства видов полезных ископаемых во второй половине прошлого века и на любую обозримую перспективу, в большой степени способствовало формирование и развитие научной школы «Технологические системы открытых горных рабор» МГИ-МГГУ, становление которой приходится на 40-50-ые годы, когда была организована по инициативе проф. Е.Ф. Шешко кафедра открытых горных работ и начался выпуск горных инженеров - открытчиков.
330
В этот период небольшой коллектив кафедры (проф. Е.Ф. Шешко, доц. А.Г. Ионов, научные сотрудники М.Н. Курепин, СВ. Васильева, С.Н. Рабинович, А.И. Мещеряков, Н.А. Кулешов, В.В. Ржевский) работал над обоснованием развития открытых горных работ в Подмосковном бассейне, Кузбассе, на Богословском и Коркинском угольных месторождениях Урала. Также велись исследования на Магнитогорском руднике, апатитовом руднике им. С.М. Кирова, Баженовских карьерах асбеста, на уральских хромитовых месторождениях и многих других.
Сотрудники кафедры принимали самое активное участие в разработках и экспертизе многих проектов новых карьеров. Эти работы послужили вместе с тем основой для дальнейшего творческого развития теории открытых горных работ, генерировали новые идеи и программы исследований. Менялись структура научного знания и процедуры его формирования. От стадии накопления эмпирического материала осуществлялся переход к формированию теоретических схем и законов, становлению развитой теории открытых горных работ (в классическом и современном вариантах).
Основные теоретические исследования в области открытых горных работ проводились по ряду главных направлений с целью создания наиболее совершенной и высокомеханизированной технологии горного производства.
Интересы научной школы в этот период постоянно расширялись по мере ее роста и развития научных работ. Творческий потенциал ученых был направлен на решение принципиальных вопросов теории открытых горных работ. Активно велась работа над созданием теории вскрытия месторождений и систем открытой разработки, изысканием теоретических основ проектирования карьеров, научным обоснованием рациональных структур комплексной механизации и режимов открытых горных работ, решением задач, возникающих при проектировании и эксплуатации глубоких карьеров, исследованием технологических процессов и эксплуатации горного и транспортного оборудования и многими другими проблемами и задачами.
На основе этих исследований Е.Ф. Шешко издал в 1950 г. книгу «Основы проектирования угольных карьеров», которая явилась первым научным трудом по вопросам проектирования открытых разработок.
331
В этот период были созданы многие классические методы решения задач открытой разработки месторождений полезных ископаемых, которые актуальны и сегодня. Предложенные методы проектирования контуров карьера и обоснования режима горных работ при открытой добыче угля и руды используются в настоящее время в качестве основных как при проектировании, так и в производственной практике. Получили дальнейшее теоретическое углубление вопросы вскрытия глубоких горизонтов карьера при различных видах транспорта.
В 1959 г. кафедру и научную школу возглавил ученик Е.Ф. Шешко проф. В.В. Ржевский.
В этот период на кафедре защищаются много кандидатских и докторских диссертаций, в которых рассматриваются и решаются крупные задачи и проблемы открытых горных работ.
Эти годы были наиболее значимыми и плодотворными для научной школы кафедры ТО, поскольку в это время под руководством ее авторитетного лидера В.В. Ржевского при высокой концентрации творчески одаренных молодых ученых и специалистов разрабатывались и реализовывались многие программы, в том числе государственного уровня.
Характерное для этого периода единство исследований и обучения, проникновение научной школы в другие организационные формы, например в НИИ, появление периферии, т.е. коллективов ученых и научных школ, участвующих в совместной реализации многих программ, возможность выхода за национальные границы, наличие оппонентов, оспаривающих значимые для научной школы идеи, образование традиций, норм, регулирующих деятельность ученых — все это явилось благодатной почвой для дальнейшего развития научной школы в области открытых горных работ.
Важнейшие результаты научной школы можно представить следующими основными достижениями.
В качестве крупнейшего методологического достижения следует отметить структуризацию накопленных знаний об открытых горных работах, выполненную в период 30-60-х годов XX века основателями научной школы проф. Е.Ф. Шешко и акад. В.В. Ржевским, выделение ими технологических систем производственных (основных, технологических) процессов горных работ (эксплуатационных вскрышных и добычных, горно-подготовительных). Разработанные в МГИ-МГГУ и из
332
ложенные в фундаментальных монографиях и учебниках учения об этих системах органично базируются на физико-технических и синтезирующих их горно-технологических характеристиках горных пород, типизации месторождений по совокупности горно-геологических признаков.
В 30-40-х годах прошлого века проф. Е.Ф. Шешко разработаны основы современной теории открытых горных работ, характеризуемые установлением расчетных взаимосвязей между основными параметрами системы разработки (высота уступа и протяженность его фронта), способа вскрытия (руководящий уклон, длина и объем капитальных траншей), горной и транспортной техники (техническая и эксплуатационная производительность экскаватора, сцепной вес локомотива, полезная масса поезда, его производительность и парк локомотивососта-вов), главными параметрами карьера (производственная мощность по горной массе, конечная глубина и размеры карьера в плане). Установленные закономерности явились начальным научным обеспечением формирования ряда систем открытых горных работ.
Разработанный в 40-50-е годы проф. Е.Ф. Шешко режим экскаваторно-транспортных работ явился начальной теоретической основы качественной и количественной комплектации экскаваторов и локомотивосоставов, предтечей теории комплексной механизации.
В 40-50-х годах в МГИ разработаны (Е.Ф. Шешко, В.В. Ржевский) аналитические методы комплексного изучения горных и транспортных параметров, сформированы научные основы технико-экономического анализа открытых горных работ, позволившие определить области рациональных параметров отдельных технологических систем.
Важнейшей проблемой того времени было научиться управлять календарными объемами горных работ, правильно определять главные параметры карьеров - границы, запасы, производственную мощность. В.В. Ржевский впервые предложил комплексное научное решение этой проблемы в первой половине 50-х годов. Рассмотрев с помощью разработанных методов геометрического анализа развитие карьера, он сформулировал новое научное направление режима горных работ. Это направление развивается и сейчас, в основном на базе компьютерных технологий и оптимизационных математических
333
методов, инициатором применения которых также выступил в первой половине 60-х годов Владимир Васильевич.
В.В. Ржевский - основатель учения о грузопотоках. Грузопотоки положены им в основу развития теории вскрытия рабочих горизонтов, начала которой разработаны проф. Е.Ф. Шешко. Грузопоток является и базовым понятием теории комплексной механизации открытых горных работ, объединяющим производственные процессы.
Были разработаны теоретические основы вскрытия рабочих горизонтов карьеров, предложены системы (способы) вскрытия и их классификация (Е.Ф. Шешко, 40-е годы), используемая и ныне, научно обоснованы (50-90-е годы) системы и схемы вскрытия капитальными траншеями, скользящими съездами, подземными выработками и их комбинациями (В.В. Ржевский, Б.А. Симкин, Е.И. Васильев, Ю.И. Анистратов, П.И. Томаков, М.И. Варийчук, В.И. Супрун, В.С. Коваленко, В.П. Макшеев).
Во второй половине 60-х годов акад. В.В. Ржевским сформулированы научные положения о системах комплексной механизации открытых горных работ, далее широко развитые в трудах проф. П.И. Томакова (70-е годы) и проф. Н.Н. Медникова (80-90-е годы), их учеников.
Одновременно в конце 60-х годов В.В. Ржевский предложил новую концепцию систем открытой разработки, их классификацию и методы расчета параметров.
И это на наш взгляд, естественно, ибо классификации являются важными научными обобщениями, базирующимися на результатах ранее выполненных крупных исследований: у Е.Ф. Шешко - теории вскрытия и схемах экскавации, у Н.В. Мельникова - механизации производственных процессов открытых горных работ, у В.В. Ржевского - горно-геометрического анализа карьерных полей и режима открытых горных работ.
Конечно, в представлениях В.В. Ржевского о системах разработки присутствует геометрический фактор, коль скоро речь идет о фронте горных работ (он есть и у Е.Ф. Шешко). Но на этом основании считать, что система разработки сводится к геометрической конструкции и повторять тем самым еше довоенные научные идеи, нет никаких оснований. Фронт горных работ, характеристики которого подробно рассмотрены Е.Ф. Шешко и В.В. Ржевским, и порядок выполнения горных работ
334
являются динамическим понятиями и это очень важно для теории и практики современных открытых горных работ.
Нельзя не признать исключительно важной роли средств механизации открытых и вспомогательных процессов открытых горных работ, без широкого применения и прогресса которых приоритетное развитие открытого способа практически во всех горнодобывающих отраслях было бы невозможным. Но, в то же время нельзя сводить горные работы только к их механизации, что нередко прослеживается в научных исследованиях. Как известно, В.В. Ржевский одновременно с новой классификацией систем разработки предложил и классификацию структур комплексной механизации открытых горных работ, далее -комплексов горного и транспортного оборудования. Тем самым были разделены эти понятия, а учение о комплексной механизации получило новые направления развития.
Современные научные представления о системах открытой разработки, их классификации, впервые опубликованные В.В. Ржевским в 1968 г., развиты позже его учениками. Проф. Ю.И. Анистратовым обоснованы модификации углу-бочной поперечной системы разработки (60-70-е годы). Впервые сплошная поперечная система разработки крутопадающих залежей предложена П.И. Томаковым (60-е годы). Новая группа углубочно-сплошных поперечных систем разработки предложена проф. В.С. Коваленко (90-е годы). Ими и другими учеными школы созданы методы обоснования основных параметров элементов системы открытой разработки: высоты уступа и ширины рабочей площадки, конструкции и протяженности фронта работ и экскаваторного блока, темпа углубления горных работ и другие. Проф- В.В. Истоминым в 80-90-е годы обоснованы элементы системы разработки - блоки запасов горной массы различной степени подготовленности и имитационное моделирование системы разработки. Основатели научной школы (Е.Ф. Шешко, В.В. Ржевский) обосновали технологические системы горных работ: вскрышных, добычных, горно-подготовительных. Эти технологические системы логично включают и средства механизации, и горнотехнические элементы. Они (системы) могут применяться как для добычи полезных ископаемых, так и для массовых земляных работ, создания различных горно-строительных объектов (каналов, гидротехнических плотин и др.).
335
В 1980 г. В.В. Ржевский обобщил представления о технологических системах открытых горных работ (названных тогда технологическими комплексами вскрышных и добычных работ), связав их понятия с комплексами (системами) горного и транспортного оборудования, параметрами систем разработки и вскрытия.
Теория этих обобщающих систем развивается в последние десятилетия в первую очередь в направлениях создания бестранспортных и транспортных (в том числе поточных) технологий с использованием как мощного, так и мобильного горного и транспортного оборудования: драглайнов, других одноковшовых и роторных экскаваторов, тяговых агрегатов, автосамосвалов, конвейеров. В научной школе МГИ-МГТУ основные заслуги в развитии этих направлений принадлежат М.И. Щадову, П.И. Томакову, В.И. Супруну, В.С. Коваленко, Ю.П. Самородову, В.В. Манкевичу, В.П. Макшееву.
Направление формирования и управления системами (технологическими комплексами) открытых горных работ с построением геолого-математических моделей месторождений, разработкой современных математических моделей развития горных работ и его оптимизации на базе широкого применения ЭВМ развито в трудах проф. С.Д. Коробова, В.В. Истомина, доц. Н.П. Сенаторова, Д.В. Пастихина.
Важные научные результаты получены в области обоснования технологических комплексов разработки сложноструктурных угольных и рудных месторождений, повышения качества и стоимости добытого полезного ископаемого П.И, Тома-ковым, Н.А. Малышевой, Н.Я. Репиным, С.А. Филипповым, В.М. Щадовым, В.В. Манкевичем, В.Е. Огарковым, Л.Н. Репиным.
Технологические комплексы нагорных карьеров обобщены в трудах проф. С.А. Ильина.
Теоретические основы обоснования технологических комплексов карьеров строительных материалов созданы в научной школе МГЙ-МГГУ трудами И.Б. Шлайна, Н.А. Малышевой, Ю.Д- Буянова, А.С. Чиркова, В.Н. Сиренко, Г.Р. Буткевича, ZI.ZI. Сотникова, Е.В. Птичникова, Р.Г. Петроченкова, а в области добычи и обработки природного облицовочного камня — Н.Т. Бакка, Ю.Г. Карасева, Г.Д. Першина, А.И. Косолапова, В.Р. Ткача, Н.В. Амбарцумяна, О.Б. Синельникова.
336
Научные основы отвальных работ как системы формирования крупномасштабных горнотехнических объектов, установления параметров отвалов с учетом природоохранных требований созданы трудами И.И. Русского, П.И. Томакова, В.В. Истомина, В.И. Супруна, В.С. Коваленко, В.В. Манкевича, В.А. Карельского, В.Н. Степанова, С.А. Радченко и др.
Важные результаты в изучении производственных процессов подготовки горных пород к выемке, выемочно-погрузочных работ и перемещения горной массы, взаимосвязи производственных процессов получены Н.Я. Репиным, Г.Г. Домоносовым, М.И. Ва-рийчуком, К.С. Поповым, С.М. Кочергиным, В.И. Белозеровым.
Полученные важные результаты в исследовании систем открытых горных работ позволили Е.Ф. Шешко и В.В. Ржевскому в 50-х годах прошлого века сформировать основы теории проектирования карьеров, определения их главных параметров и изучения технологических систем открытых горных работ. Научные основы проектирования карьеров получили развитие в трудах профессоров Г.А. Нурока, Ю.И. Анистратова, Ю.В. Бубиса, В.В. Истомина, В.С. Коваленко, Н.Н. Медникова, П.И. Томакова, А.С. Чиркова, В.В. Хронина, И.М. Ялтан-ца, доцентов Д.В. Пастихина, В.В. Таланина.
Разработаны научные основы гидромеханизации открытых работ на угольных, железорудных и других карьерах, приисках и в гидротехническом строительстве (Г.А. Нурок, Н.Н. Медников, И.М. Ялтанец, Е.А. Кононенко, В.И. Шело-ганов и др.). Впервые в нашей стране по инициативе В.В. Ржевского и Г.А. Нурока было основано и развито новое направление в горном деле - подводная добыча полезных ископаемых со дна морей, океанов и других водоемов. Крупномасштабными исследованиями на шельфе многих морей были заложены научные основы подводной геотехнологии, морского горного дела (Г.А. Нурок, Ю.В. Бубис, Ю.В. Бруя-кин, К.В. Яблоков, Л.Н. Молочников, А.Э. Тухель и др.).
На базе научных достижений школы написаны фундаментальные учебники Е.Ф. Шешко и В.В. Ржевского, удостоенные соответственно в 1952 и 1983 гг. Государственных премий. Научные результаты школы - в основе известных учебников Г.А. Нурока, Н.А. Малышевой, П.И. Томакова, И.К. Наумова, В.С. Коваленко, Н.Н. Рогатина, А.С. Чиркова В.В. Хронина, И.М. Ялтанца.
337
Достижения научной школы МГИ-МГТУ во многом способствовали резкому росту объемов добычи полезных ископаемых открытым способом, выпуску высокопроизводительных экскаваторов, автосамосвалов, тяговых агрегатов, конвейеров и бульдозеров для всех отраслей горнодобывающей промышленности, строительству новых и техническому перевооружению действующих карьеров, совершенствованию подготовки горных инженеров.
----------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Боярский В.А. Развитие открытой добычи руд. 1950-1970 гт. - М.: Наука, 1975.
2.	Истомин В.В., Коваленко В.С. Развитие теории систем открытой разработки. Горный журнал, №1, 1999. - С. 33-36.
3.	Коваленко В. С., Истомин В.В. Основные достижения научной школы. Современные проблемы и задачи. - Научные школы Московского государственного горного университета: В 2т. - М.: Изд-во МГТУ, 2008. - Т. 1. С. 299-304. КИЗ
V.S. Kovalenko
THE CONTRIBUTION MADE BY V.V.RZHEVSKIY, MEMBER OF THE ACADEMY OF SCIENCES, TO FORMATION AND DEVELOPMENT OF THE SCIENTIFIC SCHOOL AT MGI-MGGU “TECHNOLOGICAL SYSTEMS OF OPEN PIT MINING WORKS”
General stages of the formation of the scientific school and V. V. Rzhevskiy’s and his followers share in it’s development have been set forth.
Key words: open pit mining works, scientific school, v.v.rzhevskiy, member of the academy of sciences.
— Коротко об авторе ----------------------------------
Коваленко В.С. - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология, механизация и организация открытых горных работ», Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
338
© Ю.В. Бубне, 2010
УДК 622.271
Ю.В. Бубис
РОЛЬ АКАДЕМИКА ВЛАДИМИРА ВАСИЛЬЕВИЧА РЖЕВСКОГО В СТАНОВЛЕНИИ МОРСКОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ
Изложен вклад В.В. Ржевского в создании морской добычи.
Ключевые слова: В.В. Ржевский, вклад, морская добыча
Семинар № 17
Отмечая 90-летие со дня рождения ВВ. Ржевского, мы должны вспомнить его прозорливость в определении направленности новых горных наук. При этом те направления, формирование которых связано с именем В. В. Ржевского, отмечаются неразрывной связью фундаментальной и прикладной структур. Одним из таких новых направлений является морская геотехнология.
В середине шестидесятых годов, когда взгляды на минеральные ресурсы Мирового океана были на уровне «Поделись, Нептун», Владимир Васильевич поставил задачу создания научных основ промышленных технологий освоения минеральных ресурсов шельфа и Мирового океана. Решение этой задачи ректор МГИ В.В. Ржевский поручил проф. Нуроку Г.А. и его ученикам.
Для этого момента характерна скептическая оценка рудо-носности шельфа Советского Союза, сформированная вице-президентом АН СССР, Министром геологии СССР Сидоренко А.В. Если вспомнить, что А.В. Сидоренко был членом ЦК КПСС, депутатом Верховного Совета СССР, то как не напомнить слова генерального директора Национального центра по эксплуатации океанов Франций Ив Да Прери: "Дишь многочисленный отряд энергичных и прозорливых людей постиг всеобъемлющее значение Океана. Эти люди уже не удивляются тому, что во имя "прогресса", подчас толкуемого довольно странно, поиски исследователей и инженеров, экономистов или политиков часто идут по неправильному пути. Ведь широкое общественное мнение нередко способствует тому, что стимулируются бесперспективные направления исследований и вкладываются миллиарды в мероприятия, которые заводят в
339
тупик. И тогда мы являемся свидетелями того, что блестящие фокусники ошибаются, нанося громадный ущерб тем странам, в которых они развернули свою деятельность".
В этих условиях были отвергнуты идеи сбора литературных материалов и экскурсий за рубеж. Опровергнуть точку зрения геологов можно было только промышленной партией концентратов, добытых на континентальном шельфе. Владимир Васильевич одобрил и выбор первого объекта - шельф Восточной Балтики (его, как всегда, не испугали сплетни, что сотрудники едут отдыхать!! ). Разработанные на кафедре открытых работ технологии добычи россыпей шельфа Восточной Балтики нашли поддержку Заместителя
министра цветной металлургии Владимира Николаевича Костина, по докладу которого коллегия Министерства во главе с Министром Ломако П.Ф. приняла решение об опытных работах.
Добыча морским самоотвозным земснарядом "Выборгский" двух сотен тысяч кубометров морских россыпных песков с получением партии стандартных концентратов рутила, ильменита и циркона, показала необходимость переоценки рудоносности.
Образцы концентратов были нами подарены А.В. Сидоренко. Мнение Министерства геологии начало меняться, но появились новые скептические нотки - «шельф Союза, в основном, арктический, и это вам не курорты Балтии».
Созданная в МГИ по инициативе В.В. Ржевского и Г.А. Нурока «Проблемная лаборатория по подводной добыче полезных ископаемых со дна океанов и морей» провела успешную добычу оловянных концентратов на Чекурдахской в море Лаптевых и Валькумайских в Восточно-Сибирском море, золотоносных в Японском море, магнетитовых россыпях в Охотском, Японском и Черном морях.
Это привело к тому, что геологи приступили к изучению шельфа. Идеи, родившиеся в Московском горном институте под руководством В.В. Ржевского, стали получать свою минерально-сырьевую базу. Велика заслуга в этом морских геологов и геофизиков, которые работали под руководством В.Д. Ша-шина, С.А. Оруджева, В.А. Федынского, И.С. Грамберга, Н.П. Буд-никова, Ю.Б. Казьмина, В.А. Максимова, И.Ф. Глумова, И.М. Мирчинка, В.Г. Ульста, К.В. Яблокова и других.
340
Но изученность российского шельфа, составляющего по площади более 21% всего мирового шельфа, на твердые полезные ископаемые остается ничтожной. Эта огромная территория, составляющая 4,2 млн. км2, изучена на несколько порядков ниже, чем шельфы США в Мексиканском заливе, шельфы Северного моря или шельф Юго-Западной Африки. Выдвинутая теория, что основным видом россыпей на шельфе являются россыпи погребенных прадолин, привела к тому, что поиск велся, в первую очередь, в береговой зоне и на островах. Это позволило сегодня иметь серьезный узел россыпной оловоносности в Восточной части моря Лаптевых. По остальным полезным ископаемым объекты имеют пока малую значимость.
Тот же тип морских россыпей, на котором был осуществлен в 1966 г. старт поисковых добычных работ, представляется так же плохо изученным в геологическом отношении, как три десятка лет назад.
Несколько эффективнее ведутся работы по морской нефтегазоносности. По данным докт. геол.-мин. наук, проф. Я.П. Маловицкого открыты в пределах шельфа 29 месторождений, среди которых выделяются супергиганты - Штокмановское с запасами газа 3,1 трлн, м3 в Баренцевом море, Русаковское и Ленинградское в Карском море с запасами газа по 4-5 трлн, м3 газа в каждом. Напомним, что годовой объем добычи газа составляет 550-600 млрд. м3. Но отсутствие надежных опробованных технических решений сегодня показывает сложность освоение таких месторождений, находящихся в необычных условиях арктического шельфа, и может отодвинуть их освоение на долгие годы.
На шельфе Восточного Сахалина работала морская добычная платформа "Моликпак" производительностью 5 млн. т нефти в год. И это на фоне того, что добыча нефти на мировом шельфе превышала в том же году 30% мировой добычи. Причина в слабой постановке работ по технике и технологии. Если осваивать эти месторождения принятыми на Западе технологиями, то стоимость освоения, к примеру, Штокманского месторождения оценивается в 20 млрд, долларов. Необходимы принципиально новые технологии. А они должны разрабатываться с учетом анализа знаний, накопленных в России океанологами, геологами, горняками.
341
Нами, сотрудниками Московского горного института, был накоплен опыт работы в море Лаптевых и Восточно-Сибирском море. И этот опыт не позволяет нам согласиться с оптимистическим заявлением В.П. Орлова, высказанным на страницах "Минеральные ресурсы России" (стр. 5, № б, 1999 г.): "Одновременно появилась основа для дальнейшего изучения и реализации углеводородного потенциала шельфа Баренцева, Карского, дальневосточных и других морей". Ресурсы нефти и газа в морях России требует решений для районов не только плавающих льдов, а для морей с дрейфующими льдами. Принципиально новые решения требуют и минеральные ресурсы непосредственно дна океана.
Привлекательность этих ресурсов очевидна из следующих данных при сопоставимой степени изученности. Содержание кобальта на оконтуренных участках поля конкреций составляет 0,22% и корок - 0,64% против известного месторождения суши 0,05% марганца в конкрециях 29,94% и корках 22,3% против 21,0% в месторождении на территории СНГ.
Но привлекательность и экономичность разработки этих руд определяется технологическими решениями. Горные работы в океане должны быть максимально безопасными для окружающей Среды. И это тоже наследство В. В. Ржевского.
Основным фактором, определяющим эффективность ресурсосбережения и охраны окружающей Среды при ведении горных работ, является высокая адекватность состоянию окружающей Среды используемой или формируемой технологии добычи полезных ископаемых, материализуемой, в первую очередь, в виде комплекса машин.
Формируемый комплекс должен в своей работе максимально исключать возможность появления негативного воздействия на состояние окружающей среды, то есть в основе постулатов горной науки должен быть принцип: на стадии выбора направления исследований должны из альтернативных решений выбираться те, которые на всех этапах горного производства дадут минимальное воздействие на окружающую среду.
В настоящее время во многих странах продолжаются научно-исследовательские работы по созданию технологии и оборудования по добыче океанических железомарганцевых образований. При этом ясно, что технология, максимально соответствующая состоянию океанических вод, обеспечивает и сопоставимо сбережение энергетических, материальных и других ресурсов.
342
В Российской Федерации работы по формированию технологии добычи глубоководных ресурсов ведутся по двум направлениям. Одним является в какой-то мере в своей основе повторяющееся направление, развивающееся, как показывают данные профессора Горной школы в Колорадо Д.С. Чанга в США, Канаде, Западной Европе и других странах и основанное на использовании гидроподьема в различном исполнении. Другим является оригинальное решение, основанное на глубоководном подъеме в специальных сосудах (ковшах). Первое приводит к повышению негативной напряженности из-за не-учета особенности последующего процесса при отсутствии анализа характера возможного протекания предыдущего. При этом надо постоянно помнить, что море - это враждебная человеку стихия. Оно раздавливает, опрокидывает, уничтожает, разъедает творения рук человеческих. Автор, испытавший точно такую стихию, не перестает удивляться "идеям" публикуемым сегодня в горных журналах на уровне знаний 50-х годов. И здесь надо вспомнить принципиальность В.В. Ржевского, рецензента и эксперта, который не допустил бы появления в журналах таких "идей".
Вспоминая В.В. Ржевского, необходимо вспомнить ту поддержку, которую у него, ректора МГИ, находили казавшиеся не очень актуальные на первый взгляд, регионы. К примеру, железосодержащие россыпи южнокурильской гряды. Экспедиция МГИ под руководством рано ушедшего из жизни Ю.В. Бруякина добыла и обогатила концентраты до промышленной значимости. Труд проф. Нурока Г.А., к.т.н. Бруякина Ю.В., д.т.н. Бубиса Ю.В., д.т.н. Молочникова /1.Н., к.г-м.н. Яблокова К.В., к.т.н. Шилыков-ского В.С., к.т.н. Баранова В.А., к.т.н. Тухеля А.Э. и других, работавших под руководством ВВ. Ржевского над оценкой шельфа Курил должен быть предъявлен как альтернатива горе-политикам, говорящим только о голых островах с убогой структурой. Родившаяся в МГИ идея плавучих ГОКов со всей необходимой для человека инфраструктурой на их борту позволяет иначе рассматривать и геополитические критерии. И здесь хочется с одобрением привести слова В.П. Орлова: "Каждый кусочек суши и квадрат шельфа, оставленный нам в наследие...должен чувствовать принадлежность к Великой стране, имеющей тысячелетнюю историю... Ибо прежде чем политики начнут обсуждать возможность уступить какой-то участок территориальных интересов России в
343
пользу сиюминутной (пусть даже государственной!) выгоды, мы должны показать ценность и значимость этого участка для будущих поколений".
В.В.	Ржевский это хорошо понимал и вместе с Г.А. Нуроком формировал эту научную школу для великой державы. Эта научная школа доказала необходимость изучения рудоносного шельфа, территориального моря и океана.
За последние десятилетия эта научная школа, предоставляющая союз опыта преподавателей и молодости докторантов, аспирантов и студентов МГГУ, сделала новый прорыв в изучении Мирового океана.
Современное состояние проблемы освоения минеральных ресурсов Мирового океана в форме твёрдых полезных ископаемых характеризуется результатами многолетнего многонационального эксперимента по добыче металлосодержащих конкреций на полигоне «В1Е» (Benthic Impact Experiment, т.е. «Удар по морской фауне и флора»).
Этот эксперимент является одним из важнейших этапов создания новой сырьевой базы как для России, так и для других государств, и представляется наиболее удачным примером взаимовыгодного международной кооперации при реализации природоохранных программ, связанных с добычей в океане.
Эксперимент «В1Е» был проведён в течение 1990-2000 гг’ российско-американской экспедицией с судна «Южморгеология» в Тихом океане под руководством ныне доктора геологоминералогических наук Пилипчука М.Ф. при научном руководстве доктора технических наук Глумова И.Ф.
Этот эксперимент был первым в серии аналогических экспериментов, проведенных совместно с другими странами. Глубоководный землесосный снаряд «Дисторбер» на глубине 4650 м производил выемку конкрецисодержашую породу и выбрасывал в океан на разных глубинах гидросмесь, доказывая что авария не вызывет нарушения экологической обстановки в океане. Заключительный эксперимент на полигоне «В1Б> показал, что в условиях экспериментальной добычи жизнеспособность океанической глубоководной фауны не нарушена.
Но эти эксперименты показали, что многие методики, взгляды и «истины», описанные в учебниках, весьма относительны. Анализ результатов позволил докторантам и аспирантам МГГУ обосновать новые истины и научные положения, такие как:
344
-	при расчете процессов осаждения пульповых потоков необходимо учитывать особенности движения гидросмеси при выпуске пульпы из трубопроводов;
-	при расчетах и конструировании трубопроводов необходимо учитывать сложную термодинамику потоков океанских вод по глубине;
-	при расчетах гидравлических земснарядов нужно учитывать не только скорости всасывания и размыва, но и скорости перемещения;
-	последнее было экспериментально доказано на всех глубинах их работы от карьеров, шельфов и дна океана, морей и озер;
-	при формировании новых технологий необходимо использовать особенности гидросферы и изменчивость свойств пород на различных глубинах.
Горные работы, проводимые по программам «В1Е» в гидросфере, задали и новые загадки, к примеру такие как:
-	почему откосы выработок с глубиной 20 - 40 м вертикальны и устойчивы многие годы и другие;
-	почему при высокой влажности пород океанического дна порядка 130% для отрыва их за счет эрозийного размыва нужно их ещё насыщать не менее 1м3 воды/м3 породы.
Отмечая заслуги В.В. Ржевского, мы снова призываем посмотреть на карту Мира. Суша, площадь которой менее 1/3 поверхности Земли, это место обитания человека. Но если из неё изъять места со сложными условиями, то ешё понятнее станет необходимость освоения океана. ОЕНЗ
U.V. Bubis
ROLE OF ACADEMICIAN VLADIMIR VASILYEVICH RZHEVSKIJ IN FORMATION OF SEA GEOTECHNOLOGY
Article about investment of V. V.Rgevskiy in creature sea output hard minerals.
Key words: V. V.Rgevskiy, investment, sea output
— Коротко об авторе ----------------------------------
Бубис Ю.В. - действительный член АГН РФ, доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
345
© Д.Р. Каплунов, 2010
УДК 622.275
Д.Р. Каплунов
ПЕРСПЕКТИВА КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ
НЕДР - КОМБИНИРОВАННЫЕ ГЕОТЕХНОЛОГИИ *
Показано, что перспектива комплексного освоения рудных месторождений связана с вовлечением в эксплуатацию наряду с балансовыми запасами залежей бедных руд, техногенного сырья путем реализации комбинированных геотехнологий, базирующихся на сочетании технологических процессов различных способов добычи в едином завершенном цикле. Описаны технологии извлечения георесурсов рациональным сочетанием технологических процессов и оборудования различных способов добычи с утилизацией отходов горно-металлургического производства в закладке выработанного пространства. Даны способы управления качеством потоков извлекаемого из недр минерального сырья сложного вещественного состава и различного агрегатного состояния. Определены основные направления развития комбинированной гео технологии.
Ключевые слова: комплексное освоение, комбинированные геотехнологии, завершенный цикл, утилизация, закладка выработанного пространства, управление качеством, минерально-сырьевые потоки, техногенные образования.
Семинар № 18
В многообразных горно-геологических условиях залегания рудных залежей при высокой степени неопределенности факторов внешней и внутренней среды развитие геотехнологии должно базироваться на накопленном опыте реализации наиболее эффективных и безопасных технологических решений, а также на разработке и внедрении новых прогрессивных технологических схем, обеспечивающих повышение полноты и комплексности освоения недр. Обеспечить полноту и комплексность освоения месторождений с вовлечением в эксплуатацию бедных руд, техногенного сырья возможно только на основе сочетания технологических процессов различных способов добычи в едином завершенном цикле комбинированной геотехнологии.
Комплексное освоение недр базируется на реализации двух неотъемлемых положений - это безотходное (малоотходное) использование всех вовлекаемых в ходе освоения участка недр георесурсов и извлечение их рациональным сочетанием
‘Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 09-05-00675-а
346
технологических процессов и оборудования различных способов добычи с утилизацией отходов горно-металлургического производства в закладке выработанного пространства, использовании последних при рекультивации территорий, в промышленном и дорожном строительстве, при создании горных объектов нового производственного назначения.
Крупным шагом в этом направлении является переход горнодобывающих предприятий на совместную деятельность подземных рудников и карьеров - комбинированный способ разработки. Комбинированные геотехнологии, основанные на различных сочетаниях во времени и пространстве в пределах одного месторождения технологических процессов открытого и подземного способов добычи, нашли достаточно широкое применение в практике горных работ. При этом для вскрытия запасов, подлежащих добыче подземными технологиями, используются традиционные варианты вскрытия выработками, располагаемыми за пределами зон сдвижения. В этой связи, создание единой схемы вскрытия и подготовки запасов на различных этапах открытых и подземных работ стало основой комбинированной разработки. При этом карьерные транспортные системы и сам карьер необходимо рассматривать как вскрывающие выработки для запасов, подлежащих подземной отработке, а вскрывающие подземные выработки - как вариант вскрытия глубоких горизонтов карьера.
Развитие комбинированного способа разработки месторождений в ряде случаев сдерживается применением раздельных технологических решений на открытые и подземные горные работы. Так, например, принятые и широко апробированные в практике горных работ методики обоснования производственной мощности предприятия и выбора рациональных комплексов механизации открытых и подземных технологий не учитывают специфики отработки запасов переходной зоны от открытых горных работ к подземным, что приводит к нерациональному использованию имеющегося на руднике оборудования, а также к снижению интенсивности и качества извлечения рудной массы системами разработки с массовым выпуском. В связи с этим, необходимо изыскание технологических решений, направленных на обоснование интенсивности добычи руды в переходной зоне с учетом возможностей современных высокопроизводительных комплексов механизации и рациональ
347
ных способов управления качеством рудной массы при едином методическом подходе к проектированию горнотехнической системы комбинированной геотехнологии.
Качество добываемых георесурсов является одним из важнейших аспектов комплексного освоения минерально-сырьевой базы и должно рассматриваться как среднее содержание в них полезного компонента в сочетании со стабильностью этого показателя. Формирование рациональных качественных характеристик добываемого сырья зависит от выбора схемы выемки -валовой или селективной. Решение этой задачи приобретает принципиально новое значение с точки зрения обоснования эффективной стратегии при комплексном освоении месторождений. При ее решении необходимо учитывать такие задачи, как определение наиболее целесообразной очередности извлечения разносортных запасов и обоснование оптимального соотношения их объемов, а также выбор схемы вскрытия, отвечающий этим требованиям.
В этом отношении комбинированный способ разработки месторождений позволяет создавать благоприятные условия для формирования комплексных схем рудопотоков в сочетании с использованием различных вариантов способов выемки -валовой и селективной на открытых, открыто-подземных и подземных горных работах. При этом, как показывают результаты проведенных исследований, формирование комплексных схем рудопотоков должно осуществляться с учетом совокупности факторов, оказывающих влияние на изменение качества минерального сырья, а выбор способа управления качеством рудопотоков на различных этапах освоения месторождения комбинированной геотехнологией следует осуществлять с учетом изменения содержания, контрастности, ценности и соотношения богатых, рядовых и бедных руд по глубине и площади месторождения в установленной последовательности открытых, открыто-подземных и подземных горных работ.
Несмотря на преимущества применения комбинированного открыто-подземного способа добычи, принятые в настоящее время в проектах решения не всегда позволяют вовлечь в эффективную отработку все промышленные запасы руд. В подземном пространстве за проектным контуром в бортах и основании карьеров остаются выклинивающиеся в массиве и распределённые по периметру рудные участки; в шахтных полях
348
не полностью отрабатываются бедные руды и маломощные рудные залежи, отдаленные локальные рудные тела, запасы, расположенные в неблагоприятных горно-геологических условиях.
Эффективное вовлечение таких запасов в промышленное освоение возможно путем применения различных комбинаций физико-технических, физико-химических способов добычи, а также совершенствования технологии повторной разработки месторождений и специальных способов добычи.
При этом в едином комплексном проекте решаются вопросы поэтапного вовлечения в эксплуатацию отдельных участков недр с оптимизацией во времени и пространстве последовательности реализации сочетаний процессов комбинированной геотехнологии отработки природных залежей и сопутствующих техногенных образований, с использованием сформированных открытыми и подземными работами выработанных пространств.
Создание горнотехнических систем на базе комбинации традиционного открытого и подземного способов добычи с процессами физико-химической геотехнологии на основе кучного и подземного выщелачивания ценных компонентов из бедных руд и техногенного сырья, в особых геомеханических и гидрологических условиях с процессами гидродобычи, а в отдельных случаях для отработки маломощных рудных тел и жил со специальными геотехнологиями извлечения рудного керна при бурении скважин большого диаметра обеспечивает наиболее полное вовлечение всех природных и техногенных георесурсов в эффективное промышленное использование.
Применение таких технологий связано с рассмотрением не только рудопотоков, но и минерально-сырьевых потоков, характеризующихся сложным вещественным составом и различным агрегатным состоянием, для которых необходимо изыскание новых эффективных способов управления качеством и обоснования их параметров на различных этапах освоения месторождений. Исходя из этого, совершенствование способов управления качеством добываемого минерального сырья должно базироваться на таком принципе, который учитывает: вид комбинированной геотехнологии, тип горнотехнической системы, вещественный и агрегатный состав потоков, а также тип основных вскрывающих выработок. Вид комбинированной
349
геотехнологии следует определять сочетанием физико-технических и физико-химических способов добычи. При этом к физико-техническим технологиям относятся горнотехнические системы, включающие сочетание традиционных - открытого и подземного способов добычи, а также на отдельных участках нетрадиционных методов, таких как, например, скважинная гидродобыча или выбуривание руды скважинами большого диаметра как с поверхности, так и из подземных выработок. К физико-химическим - выщелачивание подземное, скважинное, кучное, дегазация выплавка в сочетании с выщелачиванием бедных руд и техногенных отходов на поверхности, в выработанном пространстве карьера и подземных выработок.
Необходимо также отметить, что различные комбинации физико-технических и физико-химических геотехнологий создают дополнительные возможности по повышению качества некондиционных руд путем их обогащения на месте залегания. Технология освоения предусматривает разделение рудных тел на донорские и акцепторные, выщелачивание донорских тел, благоприятных по вещественному составу, на месте залегания, сбор продуктивного раствора, транспортирование его к акцепторным рудным телам и обогащение последних на месте залегания путем переосаждения выщелоченных ранее ценных компонентов из растворов в объеме акцепторных рудных тел. Обогащенный таким образом массив разрабатывается аналогично балансовым запасам месторождения.
Данные технологии пока не нашли широкого промышленного применения на горнодобывающих предприятиях. Основная причина - отсутствие апробированных в промышленных масштабах технологий, а также нормативной документации по их проектированию.
В настоящее время при ужесточении требований к охране недр и окружаюшей среды (увеличение экологических платежей), становятся актуальными проблемы захоронения отходов горно-обогатительного производства тем более, что затраты на подземное захоронение в виде закладки сопоставимы с затратами на складирование в поверхностных хвостохранилишах. При этом необходимо учитывать, что вещественный состав отходов переработки, накопленных на предприятиях в большом объеме, характеризуется достаточно высоким содержанием ценных компонентов, извлечение которых возможно путем
350
применения физико-химических методов. Разработка и реализация эффективной технологии переработки хвостов является основой для перевода хвостохранилища из категории хранилищ отходов, состоящих на балансе предприятия, в категорию «техногенные месторождения», что позволит сократить экологические платежи предприятия. Поэтому решение проблемы предполагает выбор технологических решений, направленных на целенаправленное формирование техногенных месторождений еше на стадии эксплуатации предприятий.
Утилизация отходов после выщелачивания в качестве компонентов закладочной смеси, отвечает также тенденции увеличения доли систем с закладкой выработанного пространства, являющихся, как известно весьма перспективным направлением комплексного освоения рудных месторождений.
Применение твердеющей закладки позволяет надежно обеспечить управление горным давлением, уменьшить плошадь изымаемых сельскохозяйственных угодий для горных отводов и предохранить земную поверхность от оседания. Одним из главных факторов, сдерживающих область применения закладки, является ее высокая стоимость, основную долю которой (до 60%) составляют затраты на исходные материалы, что существенно влияет на экономические показатели рудников. В этой связи изыскание составов закладочных смесей на основе отходов переработки, местных материалов и подбора химических добавок, способствующих улучшению технологических свойств искусственного массива и удешевлению закладочных работ в целом, есть и будет в ближайшем будущем актуальной проблемой.
Для всех способов разработки месторождений характерно воздействие на биосферу, затрагивающее практически все её элементы: водный и воздушный бассейны, землю, недра, растительный и животный мир.
Это воздействие может быть как непосредственным (прямым), так и косвенным, являющимся следствием первого. Размеры зоны распространения косвенного воздействия значительно превышают размеры зоны локализации прямого воздействия и, как правило, в зону распространения косвенного воздействия попадает не только элемент биосферы, подвергающийся непосредственному воздействию, но и другие элементы.
В процессе подземной разработки образуются и быстро увеличиваются пространства, нарушенные горными выработ
351
ками, отвалами пород и отходов переработки, представляющие собой бесплодные поверхности, отрицательное влияние которых распространяется на окружающие территории.
В связи с осушением месторождений и сбросом дренажных и сточных вод (отходов переработки полезных ископаемых) в поверхностные водоёмы и водотоки резко изменяются гидрогеологические и гидрологические условия в районе месторождения, ухудшается качество подземных и поверхностных вод.
В настоящее время не представляется возможным дать сравнительную количественную оценку влияния на окружающую среду горного производства и других видов деятельности человека, поскольку отсутствуют научно-методические основы для такого сравнения. Применение же различных частных критериев не позволяет получить однозначный ответ на этот вопрос.
Так, если сравнивать абсолютные затраты на строительство очистных сооружений в цветной и чёрной металлургии, теплоэнергетической и горнодобывающей промышленности, то наибольшие затраты приходятся на теплоэнергетику. По относительной доле этих затрат в общих капиталовложениях на первое место выходит цветная металлургия.
Превращение проблемы национального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды в важнейшую общегосударственную проблему требует в области горного дела развития как перспективных технологий, в том числе и совершенствование применяемых, так и принципиально новых, исследования, в которых практически не проводились. Таковыми в ближайшем будущем являются нанотехнологии.
Уже сейчас существует достаточно много перспективных направлений, в которые вкладываются значительные средства, что касается горного дела, то пока в России начаты исследования практически только в области обогащения минерального сырья. Планируется разработка взрывчатых материалов, вторые смогут использоваться в горной промышленности с областью применения практически в любых условиях.
Нанотехнологии могут использоваться и при создании закладочных смесей, свойства которых на наноуровне позволят коренным образом изменить долю применения систем с искусственным поддержанием очистного пространства при освоении рудных месторождений и подход к подбору компонентов, необходимых для обеспечения требуемых прочностных характеристик закладочного массива.
352
Известно, что при реализации процессов выщелачивания тонкодисперсного природного и техногенного сырья, одной из проблем является укладка предварительно окомкованного материала с сохранением его структуры. Обеспечить требуемые прочностные характеристики окатышей без повышенного расхода вяжущего, который, как правило, отрицательно влияет на фильтрационные характеристики, возможно путем изменения свойств окатышей на наноуровне. Применение нанотехнологий целесообразно и при создании наноматериалов для принципиально новых видов крепления подземных горных выработок различного назначения. Широкие перспективы применения нанотехнологий связаны с разработкой составов комплексных растворителей минералов для выщелачивания ценных компонентов из руд и техногенного сырья сложного вещественного состава, а также с новых материалов, способных селективно сорбировать переведенные в продуктивные растворы элементы.
Таким образом, перспективы разработки рудных месторождений должны быть связаны с такой методологией проектирования, которая базируется на всестороннем учете и адекватном отображении проектируемых объектов с прогнозными показателями освоения недр и технического прогресса. Такая методология позволяет перейти к научно-обоснованному выбору геотехнологической стратегии комплексного освоения месторождений различными способами или их рациональным сочетанием во времени и пространстве.
Последовательность и параметры реализации технологических процессов должны быть определены на основе оптимизационного моделирования показателей функционирования всех технологических подсистем с установлением времени вовлечения в промышленную эксплуатацию отдельных участков недр, сформированных выработанных пространств и техногенных образований.
Решение проблем комплексного освоения рудных месторождений возможно двумя путями:
-	совершенствование применяемых технологических решений с обоснованием их рациональных параметров с целью повышения полноты, комплексности и обеспечения экологической и промышленной безопасности горных работ;
-	создание принципиально новых инновационных геотехнологий и технологических схем освоения недр, основанных на проведении научно-исследовательских и проектно-конструк
353
торских работ с целью качественного изменения технических и экономических показателей горного производства; получения новых видов продукции.
Реализация основных направлений комплексного освоения рудных месторождений позволит:
-	повысить качество и уровень извлечения полезных компонентов из недр, а также объемы дополнительной товарной продукции;
-	рассматривать целенаправленно сформированные хранилища отходов, как техногенные месторождения, которые могут быть эффективно освоены методами физико-химической геотехнологии.
Таким образом, изменение подхода к освоению рудных месторождений существенно расширяет минерально-сырьевую базу горнодобывающих предприятий, решает вопросы вскрытия, подготовки запасов к очистной выемки кондиционных и некондиционных руд в зависимости от применяемой геотехнологии и особенностей использования накопленных и текущих техногенных образований в завершенном цикле комплексного освоения участка недр. оенз
D.R. Kaplunov Corresponding member RAS
COMBINED GEOTECHNOLOGIES AS A PROSPECT OF COMPREHENSIVE EXPLOITATION OF THE BOWELS
This paper shows, that prospect of comprehensive development of ore deposits is associated with involving in exploitation low-grade ores and anthropogenic mineral resources by means of combined geotechnologies based on combination of works of different mining methods making a close integrated circuit. Technologies of extracting resources by rational combination of technological processes and equipment of different mining methods with recycling of mining wastes in backfill mixtures were described. Methods of quality management of ore material extracted from the bowels which has complex composition and which is presented in different aggregative states are designed. Main trends of development of combined geotechnologies were defined.
Key words: comprehensive exploitation, combined geotechnologies, closed cycle, recyling, stope backfill, quality management, mineral raw material flows, anthropogenic formations
— Коротко об авторе ---------------
Каплунов Д.Р. -Член-корр. РАН, УРАН ИПКОН РАН.
354
------------------------------- © Е.В. Кузьмин, А.В. Баранов, 2010
УДК 622:55
Е.В. Кузьмин, А.В. Баранов
ОСВОЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ ДОБЫЧЕ КИМБЕРЛИТОВЫХ РУД
Приведены данные по первым этапам освоения автоматически управляемых комплексов погрузо-доставочного оборудования при подземной разработке кимберлитовых месторождений. Оснащение спептехникой выполнено компанией Сандвик для подземного рудника Финч транснациональной корпорации Де Бирс, отрабатывающего кимберлитовое месторождение подземным способом. Получены первые интересные результаты работы ПДМ и автосамосвалов в автоматическом режиме.
Ключевые слова: автоматизация погрузо-доставочных работ, подземная разработка кимберлитовых месторождений, дробильные комплексы, компьютерное управление движением самосвалов по выработкам.
Семинар Ns 18
Компанией Де Бирс (ЮАР) ведется большая планомерная работа по совершенствованию технологии подземной разработки кимберлитовых месторождений. Она первой в мировой алмазодобывающей отрасли внедрила прогрессивную высокопроизводительную систему разработки с самообрушением руды, что позволило вдвое повысить качество добываемых алмазов и в пять раз снизить себестоимость добычи, перешла на сухое бурение скважин, чтобы не снижать прочность кимберлита промывочной водой, освоила средства автоматизации основных технологических процессов подземной добычи и много других принципиальных решений.
Подземный рудник «Финч» компании Де Бирс является наиболее автоматизированным из всех подземных рудников компании, он оснащен шестью комплектами оборудования по автоматическому движению погрузо-доставочных машин (ПДМ). Ими также оснащены автосамосвалы «Сандвик Торо», обеспечивающие транспортирование руды от пункта перегрузки до пунктов первичного дробления. На руднике принята в качестве принципиальной идеологии комплексная механизация с применением автосамосвалов и ПДМ на ближайшее будущее. На доставочных операциях по перемещению руды из очистных блоков к рудоспускам используют ПДМ, они в автоматическом
355
режиме двигаются по выработкам, пройденным в руде или породе к пунктам дробления.
Управление данной техникой и дробилками осуществляется из пунктов текущего управления с поверхности.
Компания продала и закрыла несколько нерентабельных рудников, рудник Финч, добывая в год более 4,5 млн. тонн руды, является тренировочной платформой, на которой отрабатывается новая идеология ведения подземных горных работ. В дальнейшем предполагается подземная разработка открытых месторождений, которые перейдут на подземную отработку нижних частей разрабатываемых рудных тел, это карьеры «Вениша», «Орапа» и «Жваненр».
Расположенная в 165 км западнее г. Кимберли, трубка «Финч» была обнаружена геологами Финчамом и Швабелем в 1960 году. Трубка «Финч» - самая ценная по содержанию кимберлита в группе, включающей «Пейсертонскую» трубку. Трубка проходит внутри Гаапского плато доломитовой формации. Это вторая группа кимберлитов возрастом 118 миллионов лет. Залегает трубка с углом простирания приблизительно 50° с севера, размеры трубки на поверхности составляют плошадь 17,9 га. Эти показатели делают трубку второй по своей ценности в Южной Африке после трубки Кулинан.
Вскрыта трубка традиционно, но рудник построен в короткие сроки. Рудник имеет спиралевидный съезд с поверхности до уровня горизонта 680 м и 9- метровый в диаметре глубокий шахтный ствол, который оснащен тремя автоматическими подъемниками производительностью 5,4 млн. тонн руды в год. Вскрышные работы начались в 1978 году, шахтный ствол был принят комиссией в эксплуатацию в 1982 году.
Верхние уровни - оставшиеся в бортах карьера неотработанные запасы - блоки 1-3 - были отработаны до 2005 года с использованием систем подэтажного обрушения и систем с открытым очистным пространством. Руда и пустая порода перемешались с добычных горизонтов с помощью вертикальных рудоспусков к главным конвейерным системам, до дробилок и далее к главному подъемному шахтному стволу (рис.).
На горизонтах 430 м и 510 м отработка велась с помощью системы этажного самообрушения. В блоке - горизонте 4 на горизонте 630 м, который в данный момент является основным
356
Схема вскрытия подкарьерных запасов месторождения Финч: блоки 1-3 отработаны системой с открытым вь работанным пространством; блоки 4-6 - отрабатываются системой этажного самообрушения
выемочным горизонтом, используется одна основная конусная дробилка первичного дробления.
Выемка блока (горизонта) 4 была спроектирована с автоматизацией всех основных производственных процессов, и предполагается, что она будет использоваться как платформа для будущего, влияющая не только на разработку блока (этажа) 5, но также и на решения по добыче алмазов и других месторождений компании.
Пока проект автоматизации находится в стадии рассмотрения, это также оптимизирует поток денежных средств и капитала на сегодняшний день, переход на автоматику должен быть обоснован экономически.
Блок 4 - это вертикальный 100-метровый массив руды ниже основания старого карьера, которое находится на уровне гор. 510 м. Подсечка для обнажения кровли проходит на уровне гор. 610 м, добычной горизонт находится на уровне гор. 630 м. Основание блока имеет 305 воронок (всего 358, включая те, которые находятся по периметру массива) с размерами доставочных выработок 4,544,5 м. Размеры выработок горизонта подсечки немного меньше и составляют 444 м.
Выемка блока 4 началась с образования купола самообру-шения, который образуется с горизонта подсечки, для чего бурятся и взрываются серии скважин на горизонте подсечки до тех пор, пока гидравлический радиус плошади подсечки не станет достаточным для того, чтобы весь массив в силу трещиноватости начал обрушаться.
Полуавтоматические буровые установки «Сандвик Там-рок», применяемые для бурения скважин, ведут бурение на сухую (без воды), из-за влажностных характеристик кимберлита, влияющих на его прочность. На руднике «Финч» используется эмульсионное ВВ, которое приготавливается под землей и заряжается в шпуры и скважины. Используется для этого транспорт и оборудование африканской компании по производству взрывных работ (AEL). Получаемая эмульсия достаточно вязкая, что позволяет произвести заряжение этого ВВ в 102 мм скважину без вытекания.
Автомобильная база в настоящее время состоит из 8 ГЩМ Сандвик 007, которые совместно работают с двумя ГЩМ Сандвик 006 на горизонте подсечки. Автомобильная база состоит из подземных автосамосвалов T50D фирмы Сандвик Торо,
358
впервые введенных в эксплуатацию конце 2005 года, которые доставляют руду по выработкам к пунктам первичного дробления, оснашенным конусными дробилками фирмы Кавасаки.
Шесть грузовиков перемешаются по скоростным выработкам на горизонт 630м, где автоматически управляемые ГЩМ доставляют руду из воронок в блоке и загружают в самосвалы, в одном из 5 пунктов перегрузки.
Системой предусмотрена доставка ГЩМ также и с ручным управлением. В отличие от дробилок, используемых непосредственно в блоках 1-3, в блоке 4 дробилка первичного дробления устанавливается на некотором расстоянии от рудного тела, так как процесс самообрушения в самом блоке вызывает увеличенное горное давление, что может вызвать непредвиденные вывалы, поломку оборудования.
Приобретенный опыт работы машин в автоматическом режиме позволил сделать некоторые неожиданные выводы. Автоматически управляемые автосамосвалы могут перемешаться с большей скоростью, чем автосамосвалы, управляемые вручную, в более узких по сечению тоннелях, при этом они обеспечивают более высокую производительность, чем обычное оборудование. Риск субъективной ошибки (человеческого фактора) исчезает, в результате чего стали возможными названные достижения, кроме того, поломок и столкновений грузовиков на сопряжениях выработок стало меньше.
В первой стадии выпуска руды из воронок горные работы ведутся с непрерывным мониторингом количества тонн руды, выпушенной из каждой выпускной воронки, ежедневно. Данная информация поступает в систему управления производством (PCS) и, в конечном счете, в главное управление производством. Выпускные воронки нарезаны так, что каждая из них функционирует в своем добычном режиме. Производство, нужные объемы выпуска постоянно пересчитываются и корректируются. В основном центральные воронки, из которых выпуск руды начинается раньше, имеют более высокую суточную выемку руды по сравнению с теми, из которых начался выпуск позже. Это позволяет сохранять куполообразование при развитии навала самообрушенной руды, а также предотвращает возникновение большого воздушного зазора между куполом и необрушенным массивом при выпуске слишком большого объема руды, что бывает при большом темпе выпуска.
359
Фактическое извлечение руды, из расчета на каждую воронку в соответствии с заданным планом, составляет 75% балансовых запасов блока, воронки создаются с использованием набрызг-бетона и поддерживаются с использованием напряженного бетона.
Текущая добыча блока 4 в первой стадии составляла 16000т в день, далее она была увеличена вовлечением новых выпускных отверстий. Конусная дробилка Кавасаки имеет производительность 1200 т в час, стволовой подъем - 1000 т/час, таким образом, есть резерв производительности, возможность для дальнейшего увеличения добычи.
В настоящее время в блоке 4 на доставке работает 8 ПДМ и на транспорте - 6 автоматизированных самосвалов, которые перевозят около 700 т руды в час. Ближайший план состоит в увеличении добычи по руднику до 20000 тонн в день, что будет достигнуто с использованием дополнительно одного самосвала, одного дополнительного пункта погрузки и дробилок, установленных на горизонте подсечки, а также некоторой оптимизацией работ. Ограничивающим фактором являются ситуации, когда один из самосвалов находится в обслуживании, либо в поломке. В дальнейшем предусматривается разработка специального оборудования для первичной дробилки - лазерных сканеров, регистрирующих объемы возникающей пыли.
Преимущество от приобретения 6 автоматизированных самосвалов, успешно работающих, представляет только первую стадию в трехступенчатом плане для проекта, который должен реализоваться до 2014 года. Во вторые три года реализуется стадия 2 (2007-2010), сутью которой является развить потенциал автоматизированных систем посредством приобретения еще 17 автоматизированных самосвалов T50D и 9 ПДМ, а также постоянно работающей дробилки для крупных кусков свыше 1500 мм в качестве второй дробилки на горизонте подсечки.
Дробилки MMD уже использовались при отработке блока 1-3, поэтому их техническое обслуживание изучено в ходе добычных работ рудника «Финч». Новая дробилка позволяет перерабатывать дополнительно 3900 тонн в неделю, беря руду с горизонта подсечки, и ПДМ будут иметь возможность грузить руду так же прямо в дробилку, помимо основной погрузки в
360
рудоспуски, где руда перемешается на гор. 630 м и грузится в автосамосвалы.
Следующее совершенствование в направлении увеличения годовой мошности рудника заключалось в установке дозатора «Сандвик» ближе к пунктам перегрузки. В дополнение был установлен мобильный бутобой, который разбивает крупные куски в горловине пунктов выпуска и улучшает истечение руды к погрузочному оборудованию.
Автоматизированные ПДМ Сандвик 007 также оценивались по технологичности при работе на горизонте подсечки, и это формирует базовые решения по их эксплуатации как автоматов на основном - доставочном гор. 630 м. Со стороны детального экономического анализа проект использования автоматов на горизонте подсечки и на горизонте доставки находится в состоянии оценки, но принципиальное положительное отношение со стороны горняков - технологов при ведении очистных, доставочных работ является несомненным.
--------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Самообрушение руды при подземной добыче. М.: МГГУ. - 2006. - 284 с.
2. Mining Magazine, Volume 197, №6, 2007, р. 10-15. ЯШЗ
ЕЛ/. Kuzmin, AV. Baranov
AUTOMATION TECHNOLOGY IN THE KIMBERLITE UNDERGROUND MINING
The paper is dedicated to very interesting experience collected the underground mine Finsh De Beers transnational corporation, mines the kimberlite ore. The computer aggregates have been supplied by Sandvic company. The first results of application automatic controlled mashines are very specific and surprised.
Key words: automated underground minig, control LHD and trucks, krushing complecses, advantage of the automotive operations.
— Коротко об авторах---------------------------
Кузьмин E. В. - доктор технических наук, профессор,
Баранов А.В. - горный инженер,
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
361
© Б.А. Картозия, 2010
УДК 622.25/26
Б.А. Картозия
РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
НА КАФЕДРЕ «СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ШАХТ» (1932-2009 гг.)
Статья посвяшена истории становления и развития кафедры "Строительство подземных сооружений и шахт» МГГУ. Подробно рассказывается о постановке научных исследований за период с 1932 года до наших дней. Приводятся сведения о наиболее существенных научных достижениях и государственной оценке работы ученых кафедры.
Ключевые слова: история, кафедра "Строительства подземных сооружений и шахт», научные работы, шахтное и подземное строительство.
Семинар № 19
С 1932 года учеными кафедры СПС и Ш, созданной в Московской горной академии в 1929 году, выполняются работы, направленные на решение актуальных научных проблем шахтного строительства.
Опираясь на глубокие теоретические исследования, д.т.н., проф. П.М.Цимбаревич сформулировал основные положения теории горного давления и крепления выработок. Его перу принадлежит первая в горнотехнической литературе монография “Механика горных пород” (1934), а также фундаментальный учебник “Курс рудничного крепления” (1936).
По заданию Наркомата тяжелой промышленности на кафедре были разработаны: “Правила производства работ и техники безопасности при проходке стволов шахт”, “Расчетная таблица для замены круглого леса распилом” (П.М. Цимбаре-вич) и “Механизация работ по проведению наклонных выработок” (Н.М. Покровский). Кафедра проводила экспертизу крупных технических предложений, в частности таких, как: “Ограждающая передвижная крепь очистных забоев системы Журавлева” и “Щит для очистных работ Кузбасса системы Чи-накала”.
В 1939 Наркомат угольной промышленности (НКУП) поручил кафедре провести анализ и оценку состояния проектирования, испытания и внедрения новых машин и механизмов при проходке стволов шахт и горизонтальных выработок. Комиссия под руководством Н.М. Покровского проанализирова
362
ла состояние работ по проектированию новых машин в Гор-машпроекте, а также результаты испытаний ряда машин по механизации бурения шпуров и погрузке породы при проходке стволов на шахтах Донецкого и Подмосковного бассейнов.
Результаты исследований были доложены коллегии НКУП. Коллегия рекомендовала их для использования при проектировании новой горнопроходческой техники и технологии проходки шахтных стволов и капитальных горизонтальных выработок.
После начала Великой Отечественной войны кафедра вместе с институтом была эвакуирована и продолжила работу в Караганде. В 1942 году кафедре было поручено обобщить мировую практику восстановления капитальных горных выработок шахт и разработать методы производства и восстановления стволов, камер, капитальных горизонтальных и наклонных выработок для условий Донецкого бассейна. Коллектив кафедры во главе с Николаем Михайловичем Покровским в 1942 году выполнил крупную научно-исследовательскую работу “Восстановление горных выработок”, которая была одобрена и принята техническим управлением НКУП. На базе этих исследований в 1943 году была разработана “Инструкция по восстановлению вертикальных горных выработок”, которая явилась основным нормативным документом при восстановлении шахт Донбасса.
После возвращения института из эвакуации в Москву, была восстановлена и расширена материально-техническая база кафедры. Созданы лаборатории фотоупругости, искусственного замораживания горных пород, водопонижения, механики горных пород и строительных материалов. Научные исследования этого периода, осуществлявшиеся под руководством Н.М. Покровского, были направлены на дальнейшее совершенствование техники и технологии шахтного строительства. Кафедра исследовала влияние бурового инструмента на скорость бурения шпуров (Г.Д. Чупрунов, Ю.К. Епифанцев), механизацию погрузки пород при проходке стволов (В.Е.Нейенбург), процессы осушения пород (А.И. Чекин), вопросы безопалубочно-го бетонирования при проведении выработок (А.М. Солодов, Э.В. Казакевич), организацию погрузочных работ в стволах (В.К. Фисейский), технологии контурного взрывания (П.В. Сдобников, Д.Н. Степанов), щитовую проходку горных выработок в сложных гидрогеологических условиях (С.А. Маршак) и
363
технологии строительства гидротехнических тоннелей (Е.М. Глазунов).
В связи с интенсивным освоением месторождений полезных ископаемых, залегающих в сложных горно-геологических условиях, таких, как Яковлевское месторождение КМА, Верхне-Камское месторождение калийных солей, Запорожские железорудные месторождения, Подмосковный угольный бассейн и др. на кафедре совершенствовалась материальная база (замораживающая станция, гидрогеологический лоток) и начались систематические исследования проблем, связанных с искусственным замораживанием горных пород (А.П. Медведев, Л.К. Сельвестров, И.Н. Кацауров, И.Д. Насонов).
Профессором И.Д. Насоновым были исследованы процессы формирования поля скоростей фильтрации вокруг одиночных ледопородных цилиндров и замкнутого ледопородного тела, что позволило создать теорию расчета образования ледопородных ограждений в условиях фильтрации подземных вод.
Вопросы механики горных пород, горного давления и крепления получили свое развитие в работах преподавателей и аспирантов кафедры Н.С. Суворова, Л.Н. Насонова, В.Ф. Трумбачева, Е.Т. Проявкина, И.Н. Кацаурова, И.Д. Джандж-гава, Г.П. Махо, Г.А. Ганзена, М.Н. Махарадзе.
Основными направлениями исследований были: изучение напряженно-деформированного состояния массивов горных пород вокруг горизонтальных и вертикальных выработок и разработка новых методов расчета крепей. Проводились фундаментальные исследования устойчивости подземных горных выработок с использованием вероятностных методов, разрабатывается метод расчета многослойных крепей стволов (И.В. Баклашов). Важное место в научной работе кафедры занимают исследования свойств материалов для шахтного строительства. Разрабатываются составы и рекомендации по бетонированию в условиях отрицательных температур (Ю.Н. Куликов).
К концу 60-х годов объем и содержание исследований резко расширились. При кафедре была образована отраслевая научно-исследовательская лаборатория “Специальные способы проходки горных выработок и искусственное упрочнение горных пород”. Научные исследования при этом велись по трем основным направлениям: химическое закрепление горных пород; исследования в области сооружения шахтных стволов
364
способом бурения; совершенствование искусственного замораживания грунтов при проходке горных выработок.
Исследования по химическому закреплению пород проводились на ряде наклонных шахт в Западном Донбассе. Были отработаны составы закрепляющих растворов, оборудование и технология химического закрепления грунтов. Значительный вклад в развитие данного направления внесли Ю.Н. Куликов, Д.Х. Таймуразова, В.И. Митраков. В этот же период проводились теоретические и экспериментальные исследования по тампонажу горных пород (к.т.н. П.П. Гальченко).
Выполнялись исследования по бурению шахтных стволов с применением буровых установок типа УЗТМ (В.А. Федюкин, В.С. Голубов). Были установлены закономерности процесса разрушения породы буровым инструментом, обоснованы эффективные режимы бурения с помощью установки типа УЗТМ-8,75, что позволило успешно пробурить ряд шахтных стволов в Западном Донбассе.
Продолжались исследования по совершенствованию искусственного замораживания горных пород. Изучены закономерности формирования ледопородных ограждений в зависимости от естественных и технологических параметров (И.Д. Насонов, М.Н. Шуплик, О.А. Долгов), физико-механические свойства замороженных пород в объемном напряженном состоянии (Б.А. Картозия). Проводились экспериментальные исследования с целью установления возможности применения БВР для увеличения темпов проходки шахтных стволов по замороженным породам и необходимых мер безопасности ведения горнопроходческих работ (П.Н. Терехов). Разработаны технологические средства и методика ультразвукового контроля напряженно-деформированного состояния ледопородного ограждения, метод расчета ледопородных ограждений, учитывающий физико-механические свойства пород в естественном и замороженном состоянии, особенности температурного поля ледопородного ограждения, его фактическую форму и технологические схемы проходки выработки (И.Н. Кацауров, П.М. Тютюнник, Б.А. Картозия, В.Н. Коновалихин, К.З. Ранее, А.М. Роменский, Ху Сяндон).
В целях совершенствования способа замораживания при строительстве тоннелей метрополитенов и наклонных шахтных стволов были теоретически и экспериментально исследованы
365
закономерности образования ледопородных массивов вертикальными и наклонными замораживающими скважинами, разработаны методика расчета и конструкции замораживающих колонок для зонального или ступенчатого замораживания (В.Н. Романов). Большое внимание кафедра уделяла развитию методов и средств оперативного контроля над состоянием ледопородных ограждений при горнопроходческих работах (М.И. Фридман, В.М. Варенышев).
В дальнейшем, в результате многолетних исследований и испытаний на конкретных объектах, была разработана автоматизированная дистанционная схема измерения температурных параметров режима работы замораживающей системы и состояния горных пород. Совместно с проектной конторой треста "Шахтспецстрой" разработан "Типовой проект термоконтроля", внедрение которого обеспечило успешную проходку стволов Яковлевского рудника КМА, ПО "Якуталмаз", Березниковских калийных заводов и других объектов.
С 1967 года на кафедре под руководством И.В. Баклашова проводились работы по исследованию динамических процессов в системе "подъемный сосуд - армировка" для глубоких шахт Донбасса и Кривого Рога, результаты которых позволили разработать и внедрить ряд принципиально новых конструктивных решений жесткой армировки и выпустить нормативный документ по ее проектированию (В.Н. Борисов, Ю.Г. Крупник, Ю.Б. Пильч). Были исследованы вопросы устойчивости надшахтных зданий и сооружений и, в частности, башенных копров (Г.П. Антонов).
В связи с возрастающими объемами строительства подземных сооружений в крупных городах, в 1973 году отраслевая лаборатория была преобразована в отраслевую лабораторию "Технологии городского подземного строительства" Главмос-инжстроя при Мосгорисполкоме. Сформировалось новое направление научных исследований, связанное с обоснованием и разработкой технологии строительства подземных сооружений в условиях плотной городской застройки. Впервые в стране была научно обоснована и разработана принципиально новая схема и технология строительства коммунальных тоннелей глубокого заложения в Москве (И.Д. Насонов, М.Н. Шуплик, А.В. Корчак). Выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния пространственных многоярус
366
ных конструкций (типа многоэтажных подземных гаражей) в зависимости от способа и технологии их строительства (В.Н. Борисов, B.ZI. Попов). Теоретически обоснованы способы безлюдного проведения городских подземных работ. Определены проектные параметры технологии щитовой проходки городских подземных сооружений (В.И. Курносов, А.В. Алексеев).
Разработаны и внедрены в практику городского подземного строительства технологические схемы строительства коллекторных тоннелей с помощью проходческих щитов, новые конструкции крепей, обделок и опалубок, способы их гидроизоляции, а также принципиально новые способы строительства в обводненных грунтах, что позволило повысить производительность труда проходчиков на 15-20% и снизить стоимость горно-строительных работ на 10-15% (М.Н. Шуплик, В.И. Курносов, В.Н. Борисов, Ю.Н. Куликов, А.А.Шилин, Я.М. Месхидзе).
Планомерное освоение подземного пространства Москвы и других крупных городов поставило задачу, обосновать способы и схемы реконструкции, восстановления и ремонта подземных сооружений с целью увеличения срока их службы или повторного использования с новым функциональным назначением.
Важное место в решении этой проблемы занимает диагностика состояния конструкций подземных сооружений, эксплуатируемых в различных горно-геологических условиях. На кафедре разработан метод прогнозирования состояния конструкций подземных сооружений, позволяющий обосновать сроки их безремонтного поддержания, установить объемы и содержание плановых ремонтно-восстановительных работ.
Метод основан на использовании закономерностей изменения во времени качества строительных материалов и конструкций при их взаимодействии с окружающей средой (А.А. Шилин, А.М. Кириленко, О.Н. Павлов).
Меняются формы выполнения научных исследований. В 1987 году совместно с Главмосинжстроем, при Мосгорисполкоме, Мосинжпроекгом ГлавАПУ Москвы, СКТБ Главмосинж-строя, Мосоргинжстроем было образовано учебно-научно-производственное объединение “Город”. Его основной задачей была организация и координация научных и экспериментальных исследований, направленных на повышение технического уровня горнопроходческих работ. Объединение также занималось выработкой специальных способов проходки, разработ
367
кой и внедрением нормативных документов для строительства коллекторных тоннелей в Москве.
Многие наиболее сложные инженерные объекты в Москве были построены при участии ученых кафедры. Наиболее крупным является подземный гараж в районе ВДНХ, при строительстве которого учитывались рекомендации М.Н. Шуплика, В.Н. Борисова, А.М. Левицкого. Разработкой специальных крепежных материалов для насосных станций и подводящих коллекторных тоннелей занимались И.Д. Насонов и Ю.Н. Куликов.
Разработаны и широко внедрены в практику городского подземного строительства Москвы новые технологические схемы строительства стволов и коллекторных тоннелей проходческими щитами диаметром 2,0-5,5 м. Эти схемы позволили увеличить темпы проходки стволов в 1,2-1,4 раза и в 1,8-2,2 раза - коллекторных тоннелей (В.И. Курносов, В.Н. Борисов, В.А. Федюкин).
Для горизонтальных и вертикальных выработок в городских подземных сооружениях разработаны методы проектирования и расчета временных крепей стволов и обделок коллекторных тоннелей (Б.А. Картозия, В.Н. Борисов). Выполненный комплекс исследований позволил существенно расширить и усовершенствовать технологию искусственного замораживания грунтов в условиях плотной городской застройки. Были обоснованы и апробированы принципиально новые безрассольные способы замораживания (М.Н. Шуплик, А.М. Девицкий, И.А. Королев). Разработаны и внедрены на многих объектах методы термоконтроля и акустического контроля над состоянием ледопородных ограждений (П.М. Тютюнник, В.М. Варенышев). Обоснован способ горизонтального замораживания (В.И. Ресин, В.Н. Пуголовкин).
Были исследованы возможные методы подбора составов бетонов и технологии их укладки, а также рецептуры и технологии химического закрепления грунтов для подземного строительства, которые внедрены на многочисленных объектах Москвы (Ю.Н. Куликов, А.А. Шилин, В.И. Митраков).
Работы В.Д. Попова и Г.А. Оськиной посвящены принципам проектирования строительства подземных сооружений методами математического моделирования на основе использования ЭВМ, которые позволяют находить оптимальные конструктивные, технологические и организационные решения.
С 1987 года тематика научных исследований для нужд Москвы еще больше расширилась за счет выполнения НИР для
368
Мосметростроя по Договору о сотрудничестве. Были обоснованы, разработаны и испытаны техника и технология строительства перегонных тоннелей и коротких выработок с применением проходческих комбайнов, а также технология крепления выработок набрызг-бетоном (Б.И. Федунеи).
Разработан и внедрен метод оперативного контроля, позволяющий вплотную подойти к решению вопроса о рискобезопасных технологиях в подземном строительстве, снизить уровень риска при выполнении специальных горных работ, особенно, в тех случаях, когда непосредственный контроль над их качеством затруднен. Созданная под руководством Д.Г. Малюжиниа передвижная лаборатория успешно прошла испытания и эксплуатируется на строительстве подземных объектов Москвы.
Кафедра по-прежнему уделяет большое внимание развитию научных исследований для шахтного строительства. Тесно сотрудничает со своими филиалами в институте КузНИИшахтост-рой (Г.С. Франкевич) и "Краснодонуглестрое" (В.И. Кулдыркаев).
На кафедре традиционно развиваются исследования в области геомеханики и крепления горных выработок (д.т.н. проф. Б.А. Картозия). В рамках этого направления разработан и внедрен метод прогнозирования механических процессов и явлений в породном массиве, обеспечивающий надежность и экономичность проектных решений при проведении и креплении горных выработок (И.К. Гуджабидзе, Д.М. Ерофеев, X. Кундурос, А.Ю. Семений, А.И. Мороз, Г.С. Франкевич, Д.Н. Шахназаров, В.И. Кулдыркаев, В.М. Удовиченко, Бай Тинь-цюань). Разработан способ крепления, основанный на дифференцированном подходе к креплению отдельных участков выработки, - "Крепь регулируемого сопротивления" (Б.А. Картозия, В.А. Пшеничный, А.В. Корчак, А.В. Быков, Ю.И. Свир-ский, Н.В. Корчак, В.В. Каверин). Новый подход предусматривает закрепление выработки по ее длине крепями, имеющими различную несущую способность и податливость. Таким образом, в процессе строительства выработки как бы регулируется несущая способность крепи в зависимости от изменения геомеханических условий. Опытное внедрение крепи регулируемого сопротивления на шахтах - новостройках Донбасса подтвердило ее эффективность.
Наряду с другими кафедрами института, кафедра СПС и Ш проводила научные исследования по проблеме "Углегаз".
369
Под руководством доц. Б.А. Филимонова выполнено обоснование строительства подготовительных выработок в условиях новой безлюдной технологии отработки угольных месторождений.
В области автоматизации проектирования проф. B.ZI. Поповым разработана универсальная методика расчета конструкций подземных сооружений с учетом геометрической и физической нелинейности свойств, материала конструкции и окружающего породного массива. Разработаны программы для ЭВМ, позволяющие оценивать силовые и кинематические факторы в элементах конструкции на основании ее взаимодействия с окружающим породным массивом. Программа используется при проектировании новой технологии проведения капитальных выработок на строительстве шахт в Кузбассе.
Профессором Б.И. Федунцом выполняются научные исследования по совершенствованию конструкций исполнительных органов с поперечно-осевыми барабанами для проходческих комбайнов избирательного действия. Обосновываются параметры широкозахватных проходческих комбайнов.
Кафедра ведет исследования в области совершенствования технологии, проведения и крепления выработок большого поперечного сечения при строительстве подземных ГЭС. Обоснованы схема и технологические параметры работ при строительстве машинного зала Рагунской ГЭС (В.К. Фисейский, А.Н. Панкра-тенко, Фам Мань Хао). Крупномасштабные теоретические и экспериментальные исследования по обоснованию и разработке способов и технологий строительства подземных сооружений для хранения газонефтепродуктов и захоронения промышленных отходов выполнены д.т.н. В.И. Смирновым.
Новое научное направление, связанное с экологической безопасностью при освоении подземного пространства мегаполисов развивается в работах д.т.н. Е.Ю. Куликовой.
Важное место в научной работе кафедры в середине 90-х годов занимает формирование методологических основ горной науки - “Строительная геотехнология”. Эта работа, начатая в конце семидесятых годов академиком В. В. Ржевским и продолженная д.т.н., проф. Б.А.Картозия, в 1997 году получила свое логическое завершение - "Строительная геотехнология" включена в новую классификацию горных наук, принятую в феврале 1997 года Отделением геологии, геофизики, геохимии и горных наук РАН.
370
В начале третьего тысячелетия на кафедре продолжаются исследования в области Строительной геотехнологии и Геомеханики, в частности, по совершенствованию конструкций обделок городских подземных сооружений (А.Н. Левченко, А.В. Корчак, Б.И. Федунец, В.Н. Борисов, О.Н. Павлов, С.А. Мельникова), обоснованию экологически безопасных технологий подземного строительства (Е.Ю. Куликова) и бестраншейных способов прокладки подземных коммуникаций (А.Н. Панкратенко).
Проф., д.т.н. Б.И. Федунцом и к.т.н. А.Н. Левченко разработана и внедряется инновационная технология строительства тоннелей специального назначения без сооружения вторичной бетонной рубашки на базе применения высокопроизводительных тоннелепроходческих механизированных комплексов. Особенностью этой технологии является применение разработанных авторами коллекторных обделок нового технического уровня с повышенной несушей способностью и водонепроницаемостью. В 2007 году по этой технологии было успешно пройдено около трех километров тоннеля. Дальнейшее ее внедрение предусмотрено при строительстве Царицынского коллекторного тоннеля.
Инновационные научные разработки д.т.н., проф. М.Н. Шуплика успешно внедрены при замораживании сбоечных выработок при строительстве Серебряноборского тоннеля.
Интерес к научной тематике кафедры на данном этапе вызывает и то, что она напрямую отвечает духу Постановлений Правительства Москвы «Концепция освоения подземного пространства и основные направления развития подземной урбанизации города Москвы» и «О мерах формирования нормативной базы градостроительного и технического проектирования для строительства подземных сооружений капитального строительства в г. Москве».
Коллективом ученых МГГУ (Б.А.Картозия) и НИИОСП (Д.Н.Репников и А.И.Мороз) сделано научное открытие в области геомеханики: установлено явление самонапряженного состояния геоматериалов, образование которых происходило по схеме «нагружение - цементация», заключающееся в том, что их разгрузка от действия внешних сил сопровождается формированием совмещенных разнополярных полей напряжения в его активной и консервативной подструктурах, что приводит к снижению прочностных характеристик и даже само
371
разрушению, вызываемому реализацией энергии упругих деформаций активной подструктуры. Установленное авторами явление носит фундаментальный характер. Открытие способствует более глубокому и полному пониманию физической природы формирования прочностных и деформационных свойств горных пород с учетом предыстории их образования. Оно вносит коренное изменение в представление о причинах самопроизвольного понижения прочностных характеристик разгруженной породы. Практическое значение открытия заключается в том, что на его основе возможна разработка новых, более совершенных, методов оценки напряженно-деформированного состояния геомассива и прогрессивных способов обеспечения устойчивости горных выработок. Областями применения открытия могут быть: строительство глубоких подземных сооружений, глубинная разведка полезных ископаемых, подземная добыча полезных ископаемых.
Под руководством проф., д.т.н. А.А.Шилина широко развернулись научно-эксперименентальные работы по гидроизоляции подземных сооружений при их строительстве, ремонте и реконструкции на основе разработанной в ЗАО «Триада-Холдинг» (А.А. Шилин, А.М. Кириленко, В.А. Пшеничный, М.В. Зайцев, В.В. Гапонов и др.) конформативной технологии, обеспечивающей высокие эксплуатационные показатели и долговечность ремонтируемых строительных конструкций
Обобщая результаты научных исследований за последние десятилетия, можно с уверенностью сказать, что ученые кафедры внесли заметный вклад в развитие Строительной геотехнологии.
-	Сформированы методологические основы горной науки по освоению подземного пространства - «Строительная геотехнология», которая включена в состав новой классификации горных наук, принятой Российской академией наук 14.02.1997 г.
-	Разработаны и внедрены на шахтах Кузбасса и Донбасса управляемые технологии обеспечения устойчивости конструкций подземных сооружений при освоении подземного пространства в сложных горно-геологических условиях;
-	Разработаны теоретические основы и технологии низкотемпературного замораживания горных пород при проходке стволов шахт в сложных гидрогеологических условиях;
372
-	Обоснованы методы подбора составов бетонов и разработаны технологии их укладки, а также рецептура и технологии химического закрепления грунтов для подземного строительства на объектах г. Москвы;
-	Исследованы реологические свойства замороженных грунтов в условиях объемного напряженного состояния, обоснованы и внедрены при освоении угольных и рудных месторождений России и Украины;
-	Разработаны фундаментальные основы и внедрены практические способы строительства высокоэффективных подземных хранилищ нефтепродуктов;
-	Разработаны теоретические основы проектирования, строительства и реконструкции экологически безопасных подземных сооружений глубокого заложения при освоении подземного пространства г. Москвы;
-	Разработаны технологические методы управления гео-механическими процессами при комплексном освоении недр;
-	Разработаны методы акустического контроля качества строительных конструкций при ведении горно-строительных работ специальными способами;
-	Разработаны теоретические основы проектирования и строительства экологически безопасных подземных сооружений глубокого заложения при освоении подземного пространства г. Москвы;
-	Разработаны метод контроля и оценки состояния конструкций подземных сооружений и конформативная технология их ремонта;
-	Разработаны конструкции и технология производства коллекторных обделок нового технического уровня;
-	Заложены научные основы создания рискобезопасных технологий в подземном строительстве основным принципом которых является минимизация ущерба от последствий негативных проявлений рисков.
Научные исследования, выполненные на кафедре и внедренные в шахтном и городском подземном строительстве, неоднократно получали высокую государственную оценку.
За большой вклад в подготовку инженерных и научных кадров профессор П.М.Цимбаревич награжден орденами Ленина и Знак Почета.
За разработку и составление генерального плана восстановления шахт Донбасса Н.М. Покровский награжден медалью
373
"За восстановление Донбасса" и орденом Трудового Красного знамени.
Лауреаты государственных премий СССР в области науки и техники - Насонов И.Д., Картозия Б.А., Попов В.Л., Долгов О. А.; лауреат премии Совмина СССР в области науки и техники - Насонов ИД; лауреаты Премии Правительства РФ в области науки и техники - Шуплик М.Н Франкевич Г.С., Картозия Б.А., Левченко А.Н ; лауреаты Премии Президента России в области образования - Насонов И.Д, Шуплик М.Н.; Лауреаты Премии Правительства РФ в области образования - Федунец Б.И., Картозия Б.А., Шуплик М.Н., Корчак А.В., Панкра-тенко А.Н., Куликова Е.Ю., Смирнов В.И, Левицкий А.М., Лернер В.Г.; лауреат Премии им. академика А.А.Скочинского - Картозия Б.А.
Результаты научных исследований неоднократно экспонировались на ВДНХ СССР и были удостоены двух серебряных и пяти бронзовых медалей, премии имени академика А.А. Ско-чинского, отмечены дипломами победителей конкурса АН СССР и газеты "Известия" на лучшую научно-исследовательскую работу, выполненную по целевым комплексным научно-техническим программам.
Научные достижения ученых кафедры докладывались на многих отечественных и зарубежных форумах в США, Англии, Германии, Франции, Австралии, Бразилии, Норвегии, Австрии, Китае, Болгарии, Югославии, Вьетнаме и др.
В 1991 году кафедра Строительства подземных сооружений и шахт Московского государственного горного университета организовала Первую Всесоюзную научную конференцию по проблемам освоения подземного пространства недр России. Этот научный форум собрал очень широкий круг ученых, инженерно-технических работников и производственников, работающих в самых различных направлениях, связанных с использованием подземного пространства недр.
В докладах и выступлениях был обобщен опыт использования подземного пространства России и сформулированы основные научные задачи: О.А. Алимов, А.Г. Беляев, Н.П. Ва-учский, С.Н. Власов, Г.Е. Голубев, Н.В. Дмитриев, О.Д. Кед-ровский, В.А. Копцов, В.В. Дукшин, Д.В. Маковский, Г.А. Марков, Н.Н. Мельников, В.Е. Меркин, П.Е. Мильман, И.Д. Насонов, М.М. Папернов, Е.В. Петренко, В.В. Ржевский, А.А.
374
Сегетдинов, В.Н. Скуба, В.В. Смирнов, А.П. Старицын, Б.А. Картозия, O.ZI. Кедровский, Е.А. Котенко, С.А. Чесноков, Е.И. Шемякин, И.П. Шепелев и др.
Своим решением конференция наметила основные направления развития научных исследований по указанным проблемам. Термин «Освоение подземного пространства» использовался в горнотехнической и в градостроительной литературе достаточно давно, но именно Всесоюзная конференция дала мощный импульс для начала широких исследований в этой области. И хотя в тот период экономическая ситуация в стране не способствовала развитию науки, исследования по намеченной программе все-таки не прекращались. Это во многом способствовало окончательному формированию науки, обеспечивающей знаниями подземное строительство. Поэтому, когда в 1997 году Отделение геологии, геофизики, геохимии и горных наук Российской академии наук утвердило новую классификацию горных наук, в их состав с полным основанием была включена горная наука «Строительная геотехнология», которая является научной базой для решения проблемы «Освоения подземного пространства».
При кафедре, в рамках ежегодной “Недели горняка” действует научный семинар “Строительная геотехнология. Научно-технические проблемы освоения подземного пространства”.
Ученые кафедры избраны:
- в Российскую академию естественных наук - Картозия Б.А., Федунец
Б.И., Шуплик М.Н., Шилин А.А., Панкратенко А.Н., Куликова Е.Ю.;
-	в Академию горных наук - Корчак А.В., Федунец Б.И., Шуплик М.Н.;
-	в Международную академию наук высшей школы - Корчак А.В.;
-	в Академию горных наук Украины - Картозия Б.А.;
-	в Академию строительства Украины - Картозия Б.А. и Панкратенко А.Н.
Со дня своего основания кафедра СПС и Ш вела подготовку научных кадров. На сегодняшний день кафедра подготовила 26 докторов и 170 кандидатов технических наук для Рос
375
сии и стран ближнего и дальнего зарубежья. Украина, Грузия, Армения, Китай, Вьетнам, Болгария, Польша, Египет, Кипр -вот далеко не полный перечень государств, где трудятся доктора и кандидаты наук, подготовленные кафедрой СПС и Ш.
Среди тех, кто подготовил свои докторские диссертации на кафедре - известные ученые в области шахтного и подземного строительства: Н.М. Покровский, Н.Г. Трупак, И.Д. Насонов, Л.Н.Насонов, Т.Н. Пай, И.В. Баклашов, И.В. Димов, Э.Я. Кипко, Л.А. Джапаридзе, Б.А. Картозия, М.Н. Шуплик, С.Г. Васильев, П.М. Тютюнник, Д.М. Ерофеев, Р.А. Тюркян, А.М. Задорожный, В.Б. Клейменов, Э.В. Казакевич, Е.Б. Дружко, И.К. Гуджабидзе, В.И. Смирнов, А.В. Корчак, Г.С. Франкевич, А.А. Шилин, Е.Ю. Куликова, А.Н. Панкратенко.
BA. Kartozia
ENVIRONMENT OF SCIENTIFIC AT THE DEPORTMENT «UNDERGROUND CONSTRUCTION AND MINING»
The article tells about history and environment of« Underground construction and mining department» at the Moscow State Mining University. It describer scientific work at the department from 1932 till now days. The most important scientific goals and government awards are described.
Key words: Histories .Department “Underground constructions and mining”, scientific works, mining and underground construction.
— Коротко об авторе ----------------------------------
Картозия Б.А. - доктор технических наук, профессор, советник ректората, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
376
© П.М. Соложенкин, 2010
УДК 669.213.3:622.765
П.М. Соложенкин
БИО- и НАНОСОРБЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ И ПРОДУКТИВНЫХ РАСТВОРОВ
Разработаны условия синтеза наносорбентов типа акаганеита и их модификаций. Полученные наносорбенты охарактеризованы современными физико-химическими методами. Показаны синтез наносорбента типа акаганеита, его модифицирование катионным ПАВ (N-цетил, N,N,N-триметиламмония бромид) и применение их для эффективного удаления ионов тяжелых металлов типа анионов мышьяка, катионов кадмия и цинка. Изучены основные условия сорбции мышьяка, кадмия и цинка акаганеитом. Показано, что наносорбент акаганеит обладает высокой сорбционной емкостью по сравнению с изученными сорбентами.
Ключевые слова: наносорбент, сорбция, флотация, мышьяк, золото, серебро, хром, цинк, акаганеит, гетит, бионаносорбционная флотация.
Семинар Ns 20
В настоящее время извлечение металлов из разбавленных растворов приобретает актуальное значение в связи с проблемами предотвращения воздействия растворов на окружающую среду и получение ценных компонентов.
Известно, что различные микроорганизмы устойчивы к тяжелым металлам и способны накапливать их в своих клетках за счет процессов транспортирования. Отделение биомассы микроорганизмов от жидкости фильтрацией, многократной флокуляцией, центрофугированием - малоэффективно. Наиболее перспективно и наиболее эффективно флотационное отделение тонких частиц микроорганизмов, нагруженных металлом. Целесообразно сочетание двух процессов - селективной сорбции металлов на био- и наносорбентах и флотации, так называемая, бионаносорбционная флотация [1].
В качестве сорбентов могут выступать биомассы различных микроорганизмов: бактерий, микромицетов, грибов (мицелиальные отходы производств антибиотиков), дрожжей (пекарских, пивных и кормовых), активного ила и микроводорослей, а также наносорбенты на основе оксигидрата железа типа акаганеита p-FeO(OH).
Известно, что извлечение золота в основном осуществляется агитационным выщелачиванием (39%), кучным выщелачи
377
ванием (10%), предварительной обработкой руд с последующим цианированием (10%). Предварительная обработка упорных руд включает автоклавное выщелачивание (53%), обжиг (36%) и бактериальное окисление комплексных концентратов (11%). Угольная технология занимает 50%, технология плавки - 18% и осаждение цинком - только 9%.
Обсуждается новое направление в золотодобывающей промышленности для извлечения золота из водных растворов различной биомассой микроорганизмов, как альтернатива технологии «уголь в пульпе» (CIP), «уголь при выщелачивании» (CIL), «уголь в растворе» (CIS, CIC - для растворов кучного выщелачивания, растворов с низкой концентрацией металла, сливов сгустителей и т.п.). Большинство биомасс связывают золото, содержащих золото(1) в виде [Au(CN)2]‘ или золото(Ш) в [AuCU], Высокий уровень извлечения золота достигнут, используя биомассу из отходов ферментации при производстве антибиотиков, или различные водоросли. Chlorella vulgaris извлекала до 90% золота из растворов Au (Ш) при pH 2, концентрацией 10'9 М. Золотонагруженная биомасса содержала 10% Au на сухой вес, и был достигнут концентрационный фактор равный 5000. Водоросли легко флотируются воздухом, растворенным в воде, или электрофлотацией. Поэтому наряду с использованием активированного угля, заслуживает дальнейшего развития флотация водорослей, нагруженных благородными металлами. Эти методы заслуживают внимания у предприятий небольшой производительности, особенно для переработки вторичного сырья (электронного лома).
Научная и практическая актуальность проблемы состоит в выявлении взаимосвязи между сорбцией цветных, благородных металлов биомассой микроорганизмов и её флотируемостью, установлении оптимальных параметров регулирования флотации биомассы, нагруженной металлами. Это позволит дать обоснование роли поливалентных металлов в процессе гидро-фобизации поверхности биомассы микроорганизмов, выявить новые аспекты действия металлов в процессе разделения суспензии биомассы микроорганизмов, создать на этой основе оптимальные технологии извлечения металлов из разбавленных растворов и выдать конкретные рекомендации по био- наноф-лотационной технологии извлечения благородных и цветных металлов.
378
В настоящее время исследованием в области биосорбции металлов охвачен широкий круг бактерий, грибов, дрожжей и водорослей [2]. Показано, что способность сорбировать металлы из растворов в той или иной степени обладают все микроорганизмы.
Процесс биосорбции металлов является высокоселективным, т.к. связывание металлов осуществляется как за счет различных механизмов (ионный обмен, комплексообразование, восстановление, образование малорастворимых соединений), так и за счет особенностей поведения различных металлов в растворах. Сорбционная ёмкость микроорганизмов различных систематических групп (микромицетов, микроводорослей и бактерий) в ряде случаев превышает 40% от сухого веса биомассы. По данным С.А. Маракушева, максимальная золотоак-кумулируюшая способность у клеток М. luteus за один час достигала 45 % от веса сухой биомассы микрококка [3].
Биосорбция металлов
Благородные металлы
В результате исследования сорбции металлов из растворов микроорганизмами выявлены следующие закономерности:
-	сорбционная способность живых клеток значительно выше, чем инактивированных;
-	различия в величинах сорбции разных металлов достигают 1,5-2,0 порядков;
-	выделение металлов или их соединений происходит в виде коллоидных частиц на поверхности клеток;
-	емкость клеток в отдельных случаях превышает сорбционную ёмкость неорганических сорбентов [4-5].
В табл. 1-3 представлены обобщенные сведения о сорбции благородных металлов водорослями, бактериями и биополимерами.
Сорбционная емкость биомасса микроорганизмов (водорослей, бактерий и биополимеров) обладает емкостью, превышающей ёмкость синтетических и природных сорбентов (угля и смолы АМ-2Б). Например, морская, коричневая водоросль, Sargassum natas, сорбирует золото до 420 мг Au/г биомассы, Mi-crococus luteus за 30 мин - 177,3 мг Au/г, а за 2 часа - 253,1 мг Аи/г биомассы. Гранулы АМТ Bioclam tm поглотали до 462 мг Pd и 102 мг Pt [6]. Chlorella vulgaris аккумулировала до 120 мг Au/г, Chlorella pyrenoiclosa - свыше140 мг Au/г (рис. 1, 2, 3).
379
Таблица 1
Сорбция благородных металлов биомассой водорослей
N	Водоросли	Катионы Me	Условия	Емкость металла на 1г, мг Ме/г	Извлечение, %
1.	Sargassum natans	AuCl 4	pH<2,5	420	
2.	Chlorella regularis	AuCl 4'	p-p 10'9 M	10%	
3.	Chlorella pyrenoi-dosa	Ag+		50	
4.	Chlorella pyrenoi-dosa	Au		180	
5.	Chlorella vulgaris	AuCl 4'	гранулы	10%, 10,5 ммоль/г	
6.	Chlorella vulgaris	AuCl 4 ’	сорбент	420	
7.	AMT_Bioclamtrn	Au(CN)2‘	гранулы	155, (15,5%)	89-99
		Au(CN)2'	pH 3,6-3,7	127 (12,7%)	96-99
		Au(CN)2'	pH 10,34	27	99-90
		Ag(S2Os)	pH 8,4	94	99-93
		PdCl2	гранулы	436	99-99
		PdCl2Cu	гранулы	102	69-98
8.	Chlorella kessleri	Ag+		45	
9.	Palmaria tevere	Au		164	
10	Palmaria palmata	Au		124	
11	Cyanidium caldar-ium	Au		84	
12	Chlorella vulgaris	Au		80	
13	Chondrus crispus	Au		76	
14	Spirulina platensin	Au		58-71	
15	Phodymenia palmata	Au		40	
16	Ascophyllum nodo-	Au		24	
	sum				
17	Водоросль из свежей воды	Au	сорбент	27-127	
18	S. ocliguus	Ag		45	
Сорбция золота грибами Aspergillus niger составляла 176 мг Au/г, а грибами Phizopus arrhizus - 100-164 мг Au/г. Хитозан из растворов АиСЦ при pH 3,3-4,2 сорбировал до 150 мг Аи/г при извлечении до 99,5%.
380
Таблица 2
СЬрбция благородных металлов микроорганизмами
N	Микроорганизм	Катион металлов	Ёмкость металла на 1г биомассы, мг Ме/г
1.	Aspergillus niger	Au	176
2.	Phizopus arrhizus	Au	100-164
3.	Bacillus subtiles	Au	79
4.	Bacillus licheni formis	Au	59
5.	Биосорбент из гриба	Ag	65
6.	Phizopus arrhizus	Ag	54
7.	Streptomyces noursei	Ag	38,4
8.	Saccharomyces cerevisiae	Ag	4,7-60
9.	Act. roseolus-биосорбент линкоминина, гранулы	Ag	99,8 Ag/Cu=4,2.106
Таблица 3
Сорбция благородных металлов на биополимерах (хитозане)
N	Катион металлов	pH	Ёмкость металла на 1г биомассы, мг Me / г	Извлечение, %
1.	Au СЦ'	3,3-	150	99,5
		4,2		
2.	Au(CN)2 '	10	8	
3.	Ag	3,5	194	
		6,5	129	
4.	Ag(CN)2		45,6	
Для микроводорослей, предварительно адаптированных к ионному золоту, сорбционная способность уменьшается в ряду: Au>Fe>Cu>Ni>Mn. Кинетика сорбции металлов клетками микроорганизмов показывает, что оптимальная продолжительность сорбции составляет 20-60 мин.
Например, максимальная золотоаккумулируюшая способность у клеток М. luteus за один час достигала 45% от веса сухой биомассы микрококка [3]. Полученные результаты представлены в табл. 4.
Ионы могут превращаться в коллоидные частицы свободного металла или его нерастворимого соединения (этим объясняются необыкновенно высокие показатели сорбции). Значительная сорбция золота связана с возможностью восстановления золота до коллоидного золота (О). Через 20, 69, 93 час на биомассе водорослей наблюдается четкий пик для коллоидного
381
Рис. 1. Способность Chlorella vulgaris сорбировать металлы из
различных электролитов
Рис. 2. Способность Chlorella pyrenoidosa сорбировать металлы из различных электролитов. Исходная концнтрания растворов - 51 (X4 , продолжительность контакта -1ч [5]
300 -I
[HAuCl4+FeCI3]
Рис. 3. Способность Bacillus sp. сорбировать металлы из различных электролитов.
Таблица 4
Количество поглощенного золота (мг/г сухой биомассы) в зависимости от времени контакта при 25 ° С.
Исходная концентрация металла 510~3 М
Бактерии	Время, мян			
	10	30	120	1440
Р. stutzery	72,1	74,3	89,2	99,1
P.sp	58,6	59,6	65,9	84,2
B.subtilis	0	0	8,1	18,4
B.cereus	78,4	84,8	107,5	161,3
F.rigense	23,7	82,5	101,7	112,4
M.luteus	121,5	177,3	253,1	450,7
золота(О), которое практически не отличается от исходного раствора коллоидного золота [7-14].
Обнаружено, что биомасса A. niger является эффективным сорбентом ионов серебра из растворов с концентрацией Ад 2,5 ррм, способным связывать до 10% на сухой вес биомассы. Величина pH в пределах 5-7 не влияет на биосорбцию серебра.
383
Связанное серебро можно полностью десорбировать разбавленным раствором азотной кислоты, а биосорбент регенерировать промывкой Са2+/Мд2+ растворами. Этот биосорбент является уникальным в механизме сорбции ионов металлов, установлен стехиометрический обмен с ионами кальция и магния биосорбента.
32 гриба из коллекции были испытаны для установления их способности аккумулировать Ag, Cd, Си, Ni, Pb из водных растворов. Гриб Phoma sp. терпим к 1 ммоль/л серебра и аккумулирует его селективно. Способность грибов аккумулировать пять тяжелых металлов не коррелируется с ионным радиусом металлов.
Известно, ответственным за поглощение коллоидного золота биомассой, являются аминокислоты, а также белки. Использовали для сорбции коллоидного золота материалы с наибольшим выходом этих органических соединений. Был испытан белково-витаминный концентрат (БВК), содержащий 48,3% протеина, на долю аминокислот приходится 23%. Полное обеззолачивание коллоидных растворов достигается при загрузке БВК 1,5-2,0 г/л и продолжительности контакта 6 ч [18]. Полная статическая обменная ёмкость концентрата по коллоидному золоту составила 40 мг/л при равновесной концентрации в растворе 2,5 мг/л. БВК по своим показателям значительно превосходит биомассу Aspergillus niger из-за большого содержания аминокислот и белков.
Рентгеновское микроспектральное исследование позволило установить, что золотые частицы концентрируются на поверхности БВК. Форма и размер частичек золота не изменялись по сравнению с теми, которые фиксируются в коллоидных растворах. Золото регистрируется не на всех кусочках БВК. Флотация неорганических сорбентов, нагруженных комплексом золота, нашла практическое применение в производстве [15-16].
Исследованы процессы сорбции тиомочевинного комплекса золота на порошке активированного угля (ПАУ) [15]. ПАУ имеет ряд преимуществ по сравнению с гранулированным углем в связи его большой поверхностью сорбции и дешевизной. Извлечение золота (I) достигает 99% в одну стадию менее чем за 20 мин контакта. Для извлечения насыщенного по золоту (I) порошка активированного угля и отделение его от раствора была
384
использована в течение 5 мин пенная флотация с олеатом натрия, концентрации 100 мг/л. Высокое извлечение золота (I) возможно только в щелочной среде при pH 11 и концентрации эталона 0,5 об %. Выделение ПАУ из водных растворов флотацией нужно рассматривать как конкурентоспособный, относительно дешевый, эффективный и быстрый процесс.
При разрушении пены получали богатую золотосодержащую дисперсию золота (I) с выходом около 5% первоначального объема. Содержание золота (I) в ней составляет 400 мг/л при 100-ным извлечении золота из раствора. Извлекать золото (I) из такой фазы после удаления из нее воды можно металлургическим способом.
Н.А. Дементьева, Д.И. Коган и С.Б. Леонов разработали сорбционно-флотационные варианты извлечение золота из цианистых пульп с помощью активированного угля КАД-молотый, модифицированный органическими реагентами [17]. Модификатором порошкообразных углей является триалкил-бензиламмоный хлорид (ТАБАХ) - четвертичная амммониевая соль (ЧАС). Активированные угли, обработанные ЧАС, увеличивают сорбционную способность по золоту. ТАБАХ, являющийся экстрагентом золота, выполняет при флотации роль собирателя, который концентрируется в порах угля, т.е. реализуется непременное требование, согласно которому уголь может быть сфлотирован, только при заполнений его пор гидрофобным продуктом. По данной технологии проведены полупромышленные испытания на Коммунаровской ЗИФ. Предложенный процесс позволяет повысить извлечение золота на 7,5% по сравнению с фильтрационной технологией, принятой на фабрике.
Кадмий
Для биосорбции кадмия использовали биомассу различных микроорганизмов- грибов, дрожжей, бактерии и водорослей [2, 14]. Особое внимание уделяется некоторым грибам, как полупродуктам процессов ферментации, и некоторым коричневым морским водорослям. Например, коричневая морская водоросль Ascophyllum nodosum поглощала 215 мг Cd/г, a Sar-gassum natans - 135 Cd/r. Акгиномицеты типа Streptomyces griseus (выращенный в лаборатории) и Streptomyces cla-vuligerus(npoMbiiwieHHbift образец) сорбируют кадмий порядка 0,17 кмоль Cd/кг при начальной концентрации металла 110-4 моль/дм"3.
385
Таблица 5
Влияние pH раствора на биосорбиию ионов мели, цинка н никеля биомассой Streptomyces
Величина pH	Извлечение катионов металлов, %		
	Медь	Никель	Цинк
3	16,28	2,33	2,33
4	34,83	6,98	2,33
5	69,77	9,3	2,33
6	93,02	6,98	11,63
7	95,35	11,63	18,6
8	95,35	27,91	58,14
9	93,02	81,4	97,67
10	90,7	86,05	97,67
11	86,05	93,02	97,67
Медь, цинк, никель
Streptomyces rimosus (актиномицеты при производстве тетрациклина) селективно поглощают катионы меди из смеси растворов с концентрацией: Zn - 0,765, Си - 0,157, Ni -3,40810’2, Са - 2,495, Na - 4,34810’3 ммоль/дм'3 (табл. 4).
Катионы меди начинают связываться с биомассой при pH 4, максимальное удаление меди достигается при pH = 6. В противоположность этому катионы цинка осаждаются только при pH выше 7, а катионы никеля - при pH = 8. Эти данные свидетельствуют о способности биомассы к специфической селективной сорбции и удалению меди из смеси других катионов в растворе.
Флотация клеток микроорганизмов и биомассы микроорганизмов, нагруженных металлами
Живые клетки представляют собой в значительной степени нетривиальный объект при решении задач, связанных с их флотацией из водных сред. Трудности, возникающие при флотации микроорганизмов, связаны с малыми их размерами (обычно 1-3 мкм) и высокой, в основном, гидрофильностью поверхности. Поэтому повышение эффективности их флотационного выделения обычно обеспечивается двумя видами воздействий: гидрофобизацией поверхности клеток с помощью поверхностно-активных веществ и агрегированием клеток с помощью неорганических электролитов и флокулянтов. Наиболее оптимальным является сочетание обоих путей повыше
386
ния эффективности флотации. Это позволяет выделить весь комплекс вопросов, связанных с флотацией клеток в отдельную проблему, требующую всестороннего экспериментального и теоретического изучения.
Процесс заключается в предварительном захвате иона или молекулы частицами носителя (благодаря адсорбции, абсорбции, соосаждения) с последующей флотацией , нагруженных частиц. Носителем могут служить биомасса микроорганизмов, наносорбенты, ионообменные смолы, активированный уголь, образуемый в растворе осадок. Носитель может обладать как собственной флотируемостью, так и быть гидрофобизизирован с помощью собирателя. Имеются отдельные работы по флотации металлнагруженной микробной биомассы.
Зеленые микроводоросли
Исследована флотация биомассы зеленых водорослей Chlorella vulgaris, Chlamydomonos sp. нагруженных Pb (II) из водных растворов. Для хорошей флотации хлореллы с додеци-ламином при pH = 8 необходимо добавлять поливалентные катионы, такие как Al (III).Лучшая флотация водорослей при pH 8 связана с отрицательным зарядом поверхности микроорганизма и при добавлении алюминия наблюдается флокуляция тонких частиц. При применении коллектора додецилсульфата натрия лучшая флотация наблюдается при pH 4. В присутствии алюминия наблюдается перезарядка поверхности хлореллы, а затем её флокуляция. Максимальный положительный заряд хлореллы наблюдается в области от 4 до 5 pH и в этих условиях она хорошо флотируется. Роль свинца в этой системе вероятно подобна алюминию и поэтому для лучшей флотации при pH 4 необходимо наличие алюминия в системе.
С. vulgaris успешно флотируется М-додецил-2-амино-пропионовой кислотой, хотя в этих условиях флокуляция частиц не происходит. Поверхность водоросли содержит, как карбоксильные, так и аминные функциональные группы, такие же функциональные группы находятся и в структуре аминопропионовой кислоты. Флотируемость хлореллы возрастает при добавлении сульфата железа до 80 г/м3 при pH 3, pH 9 и pH 9,6 и отсутствии собирателей. Хунсукатт использовал необычную процедуру флотации водорослей. Поверхностно покрытый газ аргон вводился во флотационную камеру, где обеспечивалось взаимодействие между коллектором, закреп
387
ленным на пузырьках аргона и поверхностью водоросли, т.е. была развита так называемая флотация в активированных водных дисперсиях воздуха (ABZJB), ранее предложена автором настоящей статьи.
Грибы
В качестве биомассы использовали отходы от производства двух товарных грибов Penicillium chrysogenum и Phizopus ar-rihizus. Изучена безреагентная флотация биомассы грибов Penicillium chrisogenum и Phizopus arrihizus, предварительно насыщенных кадмием. Максимальное извлечение биомассы грибов было при pH 2. Флотация протекала с высокой скоростью: за 1-2 мин извлекалось свыше 80 % биомассы и кадмия без подачи флотационных реагентов. Изучено удаление активного ила, нагруженного Cd, Zn, Ni. Биосорбционная флотация с активным илом позволила эффективно удалить из растворов кадмий, цинк и никель.
Бактерии
Биомасса бактерий Streptomyces pilosus извлекает Pb(II) из водных растворов.
Додецилсульфат натрия (ZIZlSNa) сорбируется на биомассе S. pilosus и в присутствии РЬ(П) сорбция коллектора возрастает. Биомасса бактерии флотируется незначительно и добавление ZIZlSNa несколько её улучшает флотируемость. В присутствии РЬ(П) биомасса бактерий S. pilosus флотируется как в присутствии, так и в отсутствии ZIZlSNa. Увеличение флотации в отсутствии коллектора является результатом повышения гидрофобности биомассы или увеличения агрегации клеток бактерий. Когда добавляется ZIZlSNa флотация возрастает значительно. В присутствии РЬ сорбция коллектора приводит к такой конфигурации, когда углеводородная часть ZIZlSNa направлена в раствор и создается более гидрофобная поверхность. Сульфат алюминия способствует улучшению флотируемости Bacillus cereus при использовании лауриламина в качестве собирателя.
Actinomycetus
Ранее биомасса актиномицетов рода Streptomyces-Streptomyces clavuligerus и Streptomyces griseus была применена для эффективного извлечения кадмия [1]. Тонко диспергированные пузырьки (10-120цм) генерировали за счет воздуха растворенного в воде. Сорбент использовали многократно.
388
С целью повышения эффективности извлечения металлов также разработан способ флотации, в котором используется биомасса микроорганизмов- актиномицетов в качестве селективного биосорбента и носителя. Преимуществом предлагаемого способа заключается в том, что он наиболее пригоден для низких концентрации извлекаемых ионов, меньше 50 мг/л, когда частицы осадка катионов металлов имеют коллоидные или близкие к коллоидным размеры и не могут быть эффективно выделены существующими методами.
В качестве биомассы микроорганизмов применяли грамм -положительные акгиномицеты Actinomycetes АК61и J L322 отходы при производстве антибиотиков, удалялся металл из низких начальных концентрации кадмия 10 мг/л., использовали распространенные катионные собирателя типа - цетилтриметил аммония бромид, при pH = 6-10 и контакте с сухой биомассой актиномицетов АК-61 и J L322 15 мин.
Биомассу при концентрации 0,5 мг/л суспензировали в растворе с содержанием 5,0 мг/л кадмия, pH регулировали растворами NaOH или HNO3 (0,lN). Флотацию проводили в колонне с диспергатором в основании. Размер пор 10-16 ммк. Поток воздуха составлял 100 см3/мин. Начальная концентрация кадмия 5,0 мг/л. Этиловый спирт в количестве 0,25% v/v использовали в качестве пенообразователя. Для повышения гидрофобности биомассы микроорганизмов применяли катионный собиратель цетилтриметил аммония бромид (U Т М А Вг) в количестве 2,5-10’5 М и его контакте в течение 15 мин. Извлечение кадмия равным 100% означало, что остаточное содержание кадмия в растворе было ниже предела чувствительности 0,03 Cd мг/л. Флотация нагруженной биомассы протекает быстро. За 1 мин извлекается почти 100% биомассы актиномицетов и свыше 95% кадмия при указанных выше условиях (табл. 6)
Скорость потока воздуха 100 см3/мин является достаточным для эффективной флотации нагруженной биомассы и наличие U Т М А Вг повышает отделение биомассы. В области pH от 6 до 10 отделение биомассы и удаление кадмия было эффективным. Удаление кадмия было почти 100%, так как остаточная концентрация кадмия была ниже 0,03 мг/л. В отсутствие биомассы удаление кадмия наблюдалось только при pH выше 10 (табл. 7).
389
Таблица 6
Влияние продолжительности флотации на удаления кадмия и отделения биомассы, нагруженной кадмием в присутствии Ц Т МА Вг
Продолжительность флотации, мни	Биомасса J L322 Извлечение, %		Биомасса АК61 Извлечение, %	
	Биомассы	Кадмия	Биомассы	Кадмия
0	0	0	0	0
1	100	96	100	99,9
3	100	96	100	99,9
5	100	96	100	99,9
10	100	98	100	99,9
20	100	98	100	99,4
Таблица 7
Влияние pH на флотацию биомассы, нагруженной кадмием, и удаление Cd без использования биомассы
Измене-нне pH	Биомасса J L322		Биомасса АК 61		Удаление Cd без биомассы
	Извлечение, %		Извлечение, %		
	Биомассы	Кадмия	Биомассы	Кадмия	
3	39	42,86	100	20	0
3,6		42,86	—	—	—
4	100	64,29	100	60	—
4,5	100		100	88,1	0
5	100	90,48	100	95,25	—
6	100	95,24	100	97,62	—
7	100	97,62	100	97,62	4,77
8	100	95,24	100	97,62	4,77
9	100	95,24	100	97,62	4,77
9,5					64,29
10	100	95,24	100	97,62	95,24
Благодаря внутренней структуре актиномицетов, их гидрофобным свойствам и способности коагулировать/фло-кулировать с образованием больших флокул они легко захватываются пузырьками воздуха и флотируются, чем небольшие отдельные клетки. Биомасса относительно легко флотируется (свыше 80%) без флотореагентов, хотя добавление небольшой дозы Ц Т М А Вг интенсифицирует ее отделения (табл. 8).
С целью обеспечения возможности многократного использования биомассы в качестве биосорбента и утилизации элюированного металла были определены оптимальные условия десорбции кадмия. Биосорбированный кадмий был элюирован из биомассы при небольших расходах 1 М сульфата натрия при
390
Таблица 8
Влияние расхода собирателя на флотацию биомассы актиномицетов, нагруженных кадмием
Расход ЦТ МА Вг, 10 5 М	Биомасса JK322		Биомасса КА 61	
	Извлечение, %		Извлечение, %	
	Биомассы	Кадмия	Биомассы	Кадмия
0	70	78,05	41,46	92,68
0,67	82,93	82,93	85,37	90,24
1	87,80	87,8	—	—
1,7	90,24	82,93	—	—
2	91,46	85,37	97,56	95,12
2,5	97,57	87,80	97,56	95,12
5	92,68	90,24	97,56	95,12
pH ниже 5,2. В элюенте концентрация кадмия возросла почти в 11 раз, по сравнению с первоначальной концентрацией кадмия в растворе. Биомассу использовали во вторичных циклах флотации и она сохраняла высокую эффективность удаления кадмия из раствора. Предлагаемый способ эффективен и может действовать как "полирующий" в тех процессах, в которых не достигается необходимая степень удаления кадмия.
Таким образом, биомасса микроорганизмов широко используется в биотехнологии цветных, благородных металлов и её выращивание осуществляется в фармацевтической, пивоваренной промышленности и при производстве пекарских дрожжей.
НАНОСОРБЕНТЫ
Удаление мышьяка, кадмия, цинка из растворов наносорбентами
Оксигидраты железа типа гетита a-FeO(OH) широко известны как сорбенты для удаления загрязнений из сточных вод и жидких токсичных отходов. Другим типом соединений железа менее известным, является акаганеит 0-FeO(OH) [18, 19]. Этот наноструктурный сорбент был синтезирован в лаборатории осаждением из водных растворов хлорида Fe(III) и карбоната аммония простым и легко воспроизводимым методом. Реактивы для его получения дешевы и широко распространенны, поэтому данный наносорбент характеризуется низкой ценой и доступностью. На нижеприведенной схеме приведен синтез акаганеита.
391
СИНТЕЗ НАНОСОРБЕНТА АКАГАНЕИТА
FeCl36H2O	(NH4)2CO3
каплями, дозиметрическим насосом при скорости потока 0,15104 дм3/с)
* ГИДРОЛИЗ, ПОЛУЧЕНИЕ ГЕЛЯ
(при интенсивном перемешивании 600 об/мин, с pH 1,7 до pH 8 при Т-298)
▼
ДЕКАНТАЦИЯ В ТРУБКУ ДЛЯ ДИАЛИЗА ЧЕРЕЗ ЦЕЛЛЮЛОЗНУЮ МЕМБРАНУ
▼
УДАЛЕНИЕ АНИОНОВ СУСПЕНЗИИ CL, NH4, СО3 2 ОСМОСОМ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ ПРИ МНОГОКРАТНОЙ СМЕНЫ ВОДЫ
ИЗОЛИРОВАНИЕ КЕКА НА ПОВЕРХНОСТИ МЕМБРАНЫ ПУТЕМ ДЕКАНТАЦИИ
ЛИОФИЛЬНАЯ СУШКА (высушивание замораживанием)
УЛЬТРАТОНКИЙ ПОРОШОК АК
3-6 нм
Полученный материал состоит из нанокристаллов размером 2-6 нм с площадью поверхности 330 м2/г с узким распределением размера пор (1-6 нм) с максимальным 3,6 нм, преимущественно 2,5 нм. Дана детальная его характеристика
392
(крупность частиц - 2-6 нм; специфическая площадь поверхности - 299-300 м2/г; размер диаметра пор - 1,5-7 нм; измеренный диаметр пор - 2,12 нм).
Поглощение As (v) из растворов наноструктурой акаганеита p-FeO(OH)
Удаление арсенатных оксианионов из разбавленных водные растворов путем сорбции на синтетическом акаганеите 0-FeO(OH) было изучено [20-21].
Исследовано влияние акаганеита, концентрации арсената, времени контакта, температуры, значение pH, различной ионной силы на процессе обработки акаганеита растворами мышьяка. Адсорбция арсената на акаганеите протекала с высокой скоростью и составляла 90% после 3 ч перемешивания при pH 5 и ионной силе 0,1 М KNO3. После 15 ч максимальная адсорбция была 99%, а 24 ч было временем для достижения необходимого равновесия. Установлена специфическая адсорбция частиц мышьяка на сорбенте с образованием арсената мышьяка Fe AsC>4 (pH раствора, как известно, играет важную роль в адсорбции).
Адсорбция мышьяка на акаганеите при pH от 4 до 12 была исследована для трех различных времен контакта. Как показано на рис. 4 при большем времени контакта, наблюдаются лучшее адсорбционное удаление; однако, различия главным образом отмечены при значениях pH больше 7. Известно, что в диапазоне pH между 3 и 6 пятивалентный мышьяк находится главным образом в форме H2ASO4, в то время как двухвалентный анион HASO4’2 доминирует при значениях pH между 8 и 10,5. Исследовали влияния ионной силы раствора на сорбцию арсената акаганеитом. При 0,1М KNO3 мышьяк удалялся более, чем на 95%. Рост ионной силы раствора приводит к сдвигу оптимальных значении pH в щелочную область и облегчению сорбции мышьяка в диапазоне pH = 7-12. На рис. 5 представлено удаление мышьяка (в процентах) для различных концентраций сорбента и начального содержания As (V).
Очевидно, что увеличение количества сорбента повышает удаление мышьяка. Для предсказания скорости сорбции загрязнителя при различных условиях (pH, ионной силы и т.д.) на природном или синтетическом адсорбенте обычно испытывают различные модели для инженерной оценки исследованных материалов.
393
R,%
1 Ч Зч 24 ч
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
рн
Рис. 4. Влияние pH на удаление As(V) при различном времени контакта (исходная концентрация As(V) - 20 мг/л, концентрация сорбента - 2 г/л, 1=0,01М KNO3 н температура - 298К.
Я, %
Концентрация мышьяка, мг/л
Рис. 5. Влияние начальной концентрации мышьяка на удаления As (V) для различных концентрациях сорбента. I - 0,1 М KNO3, pH * 7,5, время контакта 24 ч, температура 298 К
Были получены типичные изотермы сорбции для акаганеита: изотермы адсорбции по Фрейндлиха и Лэнгмюра моделям, а также изотерма адсорбции с использование линейного уравнения Лэнгмюра.
Обе модели хорошо соответствуют экспериментальным данным. Значение коэффициента корреляции R , подтверждает хорошее соответствие экспериментальных данных этим моделям, хотя лучшая корреляция наблюдалась для изотермы адсорбции Лэнгмюра. Механизм сорбции был исследован элек-трокинетическим методом, методом рентгеновской дифракции, инфракрасной спектроскопии с Фурье преобразованием и сканирующей электронной спектроскопией для измерения размеров частиц порошка сорбента.
Установлено, что адсорбционная способность акаганеита составляет 100-120 мг As (V) на 1 г сорбента и является наибольшей по сравнению со способностями других сорбентов. Показано, что количество адсорбированного арсената увеличивается при понижении pH системы, возрастании количества сорбента и ионной силы раствора. Определен специфический характер адсорбции частиц мышьяка на сорбенте с образованием арсената железа FeAsO4,4ro было подтверждено путем измерения дзета-потенциала акаганеита и анализом его ИК-спектров до и после адсорбции им арсената.
Показано, что акаганеит удаляет мышьяк из раствора, который сорбируется на его поверхности. В случаях, когда поверхность становится насыщенной мышьяком необходимо ее восстановление. Это достигается обработкой акаганеита в каустической среде, которая удаляет поверхностный слой акаганеита и мышьяк, поглощенный в этом слое. Акаганеит был нейтрализован промывкой в серной кислоте для повторного использования. Регенерация акаганеита протекает не полностью. 75% мышьяка было элюировано после обработки NaOH при pH 12. Акаганеит теряет приблизительно 25-30% сорбционной способности с каждой регенерацией, как это было замечено, после трех-четырех регенерации.
Поглощение As (III) из растворов наноструктурой модифицированного акаганеита.
Акаганеит относится к так называемым простым наноматериалам первого поколения, которые раньше остальных могут войти в нашу жизнь. Получать их относительно просто, по
395
скольку технология производства материалов не может изменяться, а лишь дополняться различными модификациями. Для извлечения As из разбавленных растворов использовали гидроксиды железа, в качестве которого применяли осадок нанокристаллов p-FeO(OH) акаганеита, модифицированный катионным поверхностно-активным веществом.
Был приготовлен модифицированный акаганеит (Акм), предварительно обработав его гексилдецил триметил аммония бромидом (ГДТМВг) (N-цетил, 1Ч,№,ЬЬтриметиламмония бромид) [22]. После сепарации твердого от жидкости, твердое суспензии фильтровали на мембране 0,45 цм. Сорбент подвергали сублимационной сушки. Ак„ был охарактеризован. Размер пор был около 4,6 нм. Поверхность составляла 131,7 м2/г, с объемом пор 0,116 см3/г. Уменьшение плошади поверхности на Акм связано с присутствием катионного ПАВ.
Для извлечения мышьяка из растворов добавляют осадок модифицированного ПАВ акаганеита p-Fe3+O(OH) в наноструктурном диапазоне в пределах от 2,12 до 2,34 нм и pH 6-8.
Данные адсорбции ГДТМВг на акаганеите соответствует уравнению Фрейндлиха типа: Qeq= Кр-Сеч 1/п, где Qeq есть количество ГДТМВг, сорбированного на единицу веса твердого сорбента (Ак), Ceq - концентрация растворенного вещества в растворе при равновесии, и Kf и 1/п константы показывающие адсорбционную способность и адсорбционную интенсивность, соответственно. Значение этих констант представлено в табл. 9.
Сорбция ГДТМВг описывается изотермой Дэнгмюра с коэффициентом корреляции(К2) свыше 0,99 и максимальная адсорбция была 765 мг/г.
При модифицировании наносорбента емкость его возрастает до 328,3 MrAs/r. При этом происходит взаимодействие между поверхностью акаганеита и ПАВ по уравнению: -FeOH + RN(CH3)+3 +Br- (-FeO-)[RN+(CH3)3] +H + +Br
Акм эффективен для удаления ионов мышьяка из водных растворов. Максимальная сорбция ионов мышьяка была установлена 328,3 мг/г в широком диапазоне pH, что значительно выше, чем для всех известных сорбентов.
Данные адсорбции ГДТМВг на акаганеите соответствует уравнению Фрейндлиха типа: Qeq = Кр-Сеч 1/п, где Qeq есть количество ГДТМВг сорбированного на единицу веса твердого сорбента (Ак), Ceq - концентрация растворенного вещества в рас
396
творе при равновесии, и Кр и 1/п константы показывающие адсорбционную способность и адсорбционную интенсивность соотве-ственно (1/п < 1). Значение этих констант представлено в табл. 1.
/Зля удаления ионов мышьяка использовали растворы с 0,1 М ионной силы. Навеска модифицированного акаганеита Акм весом 0,5 г/л помещали в колбы с серией растворов мышьяка, варьируя начальную концентрацию от 0-300 мг/л. Регулирование pH осуществляли 0,1 М или 0,1 М. Растворы перемешивали шейкером в течение 24 ч при температуре 25°С до достижения равновесия. Предварительными экспериментами установлено, что после 24 ч не наблюдалось изменение количества в сорбции.
Поглощение Cd(ll) из растворов наноструктурой акаганеита p-FeO(OH).
Изучены сорбционных свойств наносорбентов (НС) при удалении ими ионов кадмия из водных растворов [23-24]. Наносорбент имел характеристики: размер частиц - 2,6 нм; удельная площадь поверхности - 330 м2/г. Эксперименты для удаления ионов токсичных металлов из разбавленных водных растворов осуществляли путем добавления НС в неионизиро-ванную воду с последующим перемешиванием растворов шейкером в течение 24 час. Остаточную концентрацию кадмия анализировали ААС обычным способом.
Показано, что точка нулевого заряда 0- акаганеита после сорбции Cd 2+ отклоняется на 0,7 pH от 7,3 до 8 pH.
Установлено, что кривые изотермы сорбции для монослоя по модели Фрейндлиха и Люнгмюра дают хорошие результаты (коэффициент корреляции R2 соответственно равен 0,994 и 0,997). Исследования показали, что сорбция Cd2+ увеличивается при повышении температуры с 25 до 65 °C. Из уравнения Ван-Гоффа было рассчитано изменения энтальпии и найдено АН= 25 ккал/мол. Это значение указывает на хемосорб-ционный механизм процесса. Сорбция Cd 2+ осуществляется в виде гидроксида кадмия, который легко десорбируется при сравнительно низком pH (при pH 9,5 - на 90% Cd 2+).
Показано, что при начальной концентрации Cd 2+ в растворе, равной 10 мг/л, десорбция ионов металла с поверхности 0- акаганеита происходит в течение 10 часов (при pH 7 удаления на 95% Cd 2+). Сорбция кадмия уменьшается при увеличении ионной силы раствора.
397
Поглощение Zn(II) из растворов наноструктурой акаганеита p-FeO(OH).
Сорбция ионов цинка, присутствующих в разбавленных водных растворах, была исследована на акаганеите, который был представлен как нанокристаллами, так и гранулированным материалом [25]. На основе изучения кинетики сорбции, измерениях рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (XPS) и слабым изменением сорбции при нагревании уставлен механизм удаления цинка слабой хемосорбцией. Увеличение температуры несколько снижает удаление цинка. Акаганеит в сравнении с другими сорбентами имеем высокую сорбционную емкость.
Наносорбционная флотация для удаления хрома (VI) и ионов цинка из водных растворов.
Поглощение Cr(VI), Zn(II) из растворов наноструктурой гетита a- FeO(OH)
Для исследований использовали два типа образца гетита , полученные по различным методам. Изучено влияние pH системы и типа гетита на количество^, %) удаляемых ионов хрома и цинка из растворов (рис. 6).
Кинетические исследования показали, что для обоих металлов (Cr(VI) и Zn) процесс сорбции достигает за 15 минут. При значении pH значительно ниже ТНЗ (точки нулевого заряда) большинство поверхностных участков гетита положительно заряжены (5ОНг+). При соответствующей ТНЗ, увеличивается число нейтрализованных участков с отрицательным зарядом, образуя SOH’, и небольшое число приобретает отрицательный заряд, формируя SO" прежде, чем ТНЗ достигнет. В соответствии Mineql+ программным обеспечением:
-	хром представлен в форме НСгО<г (рН<7.5), CrOZ’ (рН>7,5), Сг2072’ (>0,01 М Cr(VI) в сильно кислой среде.
-	цинк главным образом существует в виде катиона Zn2+, который при pH > 7 осаждается в виде гидроксида.
Эти теоретические данные могут быть использованы для объяснения экспериментальных результатов сорбции и флотации. Например, оптимум pH раствора мог быть оценен и, следовательно, отрегулирован. Так, 100% удаление хрома из раствора для обоих образцов гетита достигалось при pH = 4-5, в то время как при высоких значениях pH происходит снижение эффективности процесса.
398
Рис. 6. Удаление хрома и цинка различными типами гетита. Условия опыта: количество гетита 1 r/n,Cr(VI)=Zn=10 мг/л, продолжительность контакта 2 час
Последнее может быть приписано менее положительному заряду поверхности и увеличенному числу ОН’, который формирует внутрисферные комплексы с гетитом.
В противоположность хрому наибольшее удаление цинка наблюдается в нейтральных и щелочных диапазонах pH, в которых сорбция хрома почти заканчивается.
Наносорбционная флотация гетита, нагруженного металлами
Было изучено применение многообещающего метода, названного наносорбционной флотацией, для удаления хрома (VI) и цинковых ионов из водных растворов.
Гетит оказывается эффективным наносорбентом для удаления хрома (VI) и цинковых ионов. Найдена зависимость удаляемого количества ионов металла от концентрации гетита (рис. 7) в присутствии до децил сульфата натрия (SDS).
На рис. 7 представлены полученные результаты.
399
Рис. 7. Удаление ионов хрома (pH 4,0) и цинка (pH 7,0)прн различной концентрации FefUI): CrfVI) = Zn = 50 мг/л, [SDS] = 50мг/л
При обеих концентрациях гетита хром (VI) при pH = 4 и цинк при pH = 7 удалялись из раствора практически на 100%.
При использовании гетита с концентрацией 1 г/л хром удаляется на 90%, при, в то время как удаление ионов металла было почти полно для более высоких концентрациях наносорбента. Нагруженный металлом твердый носитель (гетит, акаганеит) удаляли из раствора флотацией. Исследовано влияние на процесс размера воздушных пузырьков, а также присутствие в растворе флокулянта. Электрофлотация более эффективна, так как произведенные воздушные пузыри были более мелкого размера. Присутствие флокулянта (Zetag) повышает извлечение твердого носителя почти до 100%.
Изучали наносорбционную флотацию цинка. Удаление твердого носителя соответствовало тем же самым закономерностям, как в предыдущем случае, для удаления хрома. Удаление 50 мг/л цинка был пропорционально удалению твердого носителя, достигая 100%, при использовании 4 г гетита/л и получения пузырьков воздуха определенного размера.
Проведены исследования по использованию биореагентов для отделения твердого носителя путем флотации и для удаления гетита, предварительно нагруженного Cr(VI) и Zn(II) металлами.
400
Биореагенты Surfactin и Lichenysin эффективно удаляют гетит при pH 4-7 и обладают более высокой собирательной способностью по сравнению с додеииламином и додецилсульфатом натрия. При установленных экспериментальных условиях, оба коллектора эффективно удаляют Cr(VI) (50 мг/л) после сорбции на гетите или используя in situ генерированный гидроксид железа при pH 4.
Surfactin эффективный коллектор для удаления цинка (50 мг/л) после сорбции его на генерированной гидратированной гидроокиси железа при pH = 6.
Заключение
На основании теоретических и экспериментальных данных развивается био-нанофлотационная технология извлечения металлов из разбавленных растворов. В основу технологии положено сочетание двух процессов - селективной сорбции металлов на биологических и нано сорбентах и флотации биомассы, нагруженной металлами.
Концентрирование ионов металла микроорганизмами и наносорбентами с последующей их флотацией может стать индустриальным процессом, как для очистки сточных вод, так и для извлечения металлов. Имеется много оснований для проведения широких исследований и дальнейшего развития весьма перспективного направления флотации микроорганизмов и наносорбентов.
Полученные данные позволяют рекомендовать следующий технологический процесс:
-	сорбция ценного компонента био- наносорбентом из индивидуального или сложного раствора в течение 30-40 мин при концентрации электролита до 10-50 ммоль/л и при pH < 7;
-	флотация биомассы, наносорбента, нагруженной благородными металлами;
-	десорбция металла в виде ионов или коллоидных частиц;
-	элюирование концентрированного раствора металла и возвращение отмытой биомассы, наносорбента в технологический процесс.
Разработаны условия синтеза наносорбентов типа акаганеита и их модификацию. Полученные наносорбенты охарактеризованы современными физико-химическими методами.
Изучены основные условия сорбции мышьяка, кадмия и цинка акаганеитом.
401
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Соложенкин П.М., f-fe6epaB.il., З^булисА.И., Матс КА. Биосорбционная флотация металлов. Доклады Академии Наук. 1999. Т. 367.5. С. 652-655.
2.	Vofesky В. and Holan Z.R. Biosorption of Heavy Metals. Biotechnol. Prog. 1999.11. pp. 235-250.
3.	Маракушев С.А. Геомикробиология и биохимия трансформации золота. Автореф. дис. докт. биол. наук. - М.: МГУ,1997.
4.	Ульберг З.Р., Марочко Л.Г., Полишук Т.А, Периов НВ. Об избирательной сорбции металлофильными микроорганизмами металлов из смешанных растворов электролитов. Коллоид.журн. 1990. 52. выл. 3. С. 536-539.
5.	Ульберг З.Р., Марочко Л.Г., Савкин А.Г., Периов Н.В. Химические взаимодействия в процессах сорбции металлов клетками микроорганизмов. Коллоид. журн. 1998. 60. выл. 6. С. 836-842.
6.	Pertsov N., Marochko L., Polischuk T, Ulberg Z. Some aspects of biohydrometallurgy of non ferros metals. Proc.XVH IMPC. 1991. V. 5. P. 121-130.
7.	Brierfe J.A., Vance D.B. Recovery of precious metals by microbial biomass. In: Biohydrometallurgy: Proc, of Фе Int. Sump. Eds. Morris P.R., Kelley D.P. Sci. Technol. Letters; Kew, Surrey, 1988. P. 477-486.
8.	Damall D.W., Greene B., Henri M.T., Hosea M., McPherson R.A, Sneddon J., Alexander M.D. Selective recovery of gold and оФег metal ions from an algal biomass. Environmental Science Technology. 1986. P. 206-208.
9.	Greene B., Hosea M., McPherson R.A., Henri M., Alexander M.D and Dar-nall D. W. Interaction of gold(l)and gold (Ш) complexes with algae biomass. Environmental Science Technology. 1986. P. 627-632.
10.	Hosea M., Greene B., McPherson R.A., Henri M., Alexander M.D and Damall D. W. Accumulation of elemental gold on Фе Chlorella vulgaris. Inorganica chimica Acta. 1986. 123. P. 161-165.
11.	Watkins J.W., Elder R.C., Greene B. and Damall D.W. Determination of gold binding in an algae biomass using EXAFS and XaNes spectroscopes. J. Inorg Chem. 1987. 26. P. 1147-1151.
12.	Gee A.R. and Dudeney A. W.L Adsorption and crystallization of gold at biological surfaces. Precious and rare metal technologies. 1989. P. 437-451.
13.	DamallD.W, GreeneB., Hosea M., McPhersonR.A., HenriM.T., Alexander M.D. Recovery of heavy metals by immobilized algae. Trace Metals removal from aqueous solution: Proc. Symp. Aunn. Chem. Congr.: London 1986. P.1-24.
14.	Kuyucak N., Vofesky B. Biosorbents for recovery of metals from industrial solutions. Biotechnology Letters. 1988. Vol. 10. N.2 H. 137-142.
15.	Минеев Г. Г, Панченко А.Ф. Растворители золота и серебра в гидрометаллургии. М.: Металлургия. - 1994. - 241 с.
16.	Небера В.П., Соложенкин П.М., Зоубоулис АИ., Матс КА. Флотация комплексных соединений золота и серебра. ЖПХ, 2000, т.367, №7, С. 1061-1065.
17.	Дементьева Н.А., Коган Д.И., Леонов С.Б. Технология сорбционнофлотационного обогащения золотосодержащего сырья. Изв. ВУЗ «Цветная металлургия» 1999, № 5, С. 23-26.
18.	Deliyanni Е, Bakoyannakis D, Zouboulis A, Matis К, Nalbandian L (2001). Akaganeite-type (p-FeO(OH) nanocrystals: preparation and characterization. Microporous &c Mesoporous Mater 42, 49-57.
402
19.	Соложенкин П.М., Делиянни Е.А., Бакояннакис В.Н, Зоубоулис А.И., Матис К.А. (2003). Удаление ионов As(V) из растворов нанокристаллами p-FeO(OH) акаганеита. ФТПРПИ. №3, С. 92-102.
20.	Делиянни Е. А., Бакояннакис В.И., Зубулис А.И., Соложенкин П.М., Соложенкин О.И. (2007). Нанотехнология удаления токсичных металлов на основе наносорбента р-акаганеита. Тезисы докладов XVIII Менделеевского съезда по обшей и прикладной химии: В 5 т.; т. 2. - М.: Гранила, С. 214.
21.	Делиянни Е.А., Бакояннакис В.Н., Зубулис А.И., Соложенкин П.М. (2007). Нанотехнология удаления токсичных металлов коллоидной флотацией, нагруженных наносорбентов. Современные методы комплексной переработки руд и нетрадиционного минерального сырья. (Плаксинские чтения): Материалы международного совещания. Часть 2. Апатиты, 01-07 октября 2007. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, С. 255-257.
22.	Соложенкин П.М., Делиянни Е.А., Бакояннакис В.Н., Пелека Е., Зоубулис А.И., Матис К.А. (2007).Удаление ионов тяжелых металлов из сточных вод. Экология Производства. Химия и нефтехимия. № 5, С. 5-8.
23.	Deliyanni Е. A, Peleka E.N., and Matis К. А. (2007). Effect of Cationic Surfactant on the Adsorption of Arsenites onto Akaganeite Nanocrystals. Separation Science and Technology. V. 42. P. 993-1012.
24.	Deliyanni E., Bakoyannakis D., Zouboulis A., Matis K. Development and study of iron-based nanosorbents. Journal of Mining and Metallurgy. (2004). 40B(l). P. 1-9.
25.	Johnson B.B. (1990). Effect of pH, temperature and concentration on theadsorption of cadmium on goethite. Environ Sci Technol. 24, 112-118.
26.	Deliyanni E.A, Paleka E.N., Matis K. (2007). Removal of zink ion from water by sorption onto iron-based nanosorbents. Journal of Hazardous Materials. 141. P. 176-184. EES
P.M. Solozhenkin
BIO- and HAHOSORPTIVE TECHNOLOGY of PROCESSING TEHNOGENIC and PRODUCTIVE SOLUTIONS
The conditions of synthesis nanosorbent of a type akaganeit and their updating are developed. Received nanosorbent are characterized by modem physical -chemical methods. The synthesis nanosorbent of a type akaganeit, his modifying cation compound and application them for effective removal of ions of heavy metals of a type anion arsenic, cation cadmium and zinc is shown.
The basic conditions sorption arsenic , cadmium and zinc by akaganeit are investigated. Is shown, that nanosorbent akaganeit has high sorption capacity in comparison with investigated sorbets. There are many bases for realization of wide researches and further development of a rather perspective direction flotation of microorganisms and nanosorbent.
Key words: nanosorbent, sorption, flotation, arsenic, gold, silver, chromium, zinc, akaganeit, getit, bionanosorptive flotation
— Коротко об авторе ------------------------------
Соложенкин П.М. - профессор, доктор технических наук, УРАН ИПКОН РАН, info@ipkonran.ru
403
---—--------------------------------- © В.И. Галкин, 2010
УДК 622:001.12/.18
В.И. Галкин
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИННОВАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КАФЕДРЫ «ГОРНАЯ МЕХАНИКА И ТРАНСПОРТ»
Приведены перспективые направления инновационной деятельности кафедры в области различных видов непрерывного транспорта, шахтного подъёма и системного подхода в области создания горно-транспортных машин
Ключевые слова: инновационные работы, направления, ленточные конвейеры, расчёты, узлы, подъёмные установки, надёжность, показатели системы
Семинар № 21
Создание высокопроизводительных горных предприятий нового технико-экономического уровня является одним из важнейших направлений реформирования угледобывающей отрасли России. Строительство горных предприятий с технологическими схемами непрерывного (конвейерного транспорта), позволит обеспечить высокую концентрацию горных работ
В связи с этим учёные кафедры "Горной механики и транспорта" на основании многолетних теоретических и экспериментальных исследований разработали методические основы расчёта основных узлов ленточных конвейеров обеспечивающих их надёжную и высокопроизводительную работу в горной промышленности.
Основные направления выполненных инновационных работ в области ленточных конвейеров приведены ниже:
•	программа для ЭВМ по выполнению тягового расчета ленточного конвейера, обеспечивающая поддержание оптимального распределения общего тягового усилия между барабанами двухбарабанного привода (по условию его беспробук-совочной работы) (проф. В.И. Галкин, проф. В.Г. Дмитриев);
•	обоснование основных конструктивных параметров для возможности внедрения на отечественных горных предприятиях экологически безопасных трубчатых ленточных конвейеров, способных транспортировать грузы по пространственной трас
404
се, с углами наклона в вертикальной плоскости до 35° , положительно влияющих на окружающую среду и условия работы персонала (проф. В.И. Галкин, проф. В.Г. Дмитриев);
•	обоснование основных конструктивных параметров (ширины и прочностных характеристик ленты, узла загрузки, переходного участка, прижимных устройств, привода), для возможности внедрения на отечественных горных предприятиях экологически безопасных, крутонаклонных ленточных конвейеров с прижимной лентой, способных транспортировать грузы с большими углами наклона (до 90°), значительно сокращающих затраты на горно-строительные работы (проф Е.Е.. Шешко);
•	обоснование конструктивных параметров загрузочных устройств, обеспечивающих снижение динамических нагрузок на ленту и ролики при погрузке кусковых грузов (проф. В.И. Галкин, проф. В.Г. Дмитриев);
•	алгоритм рационального управления приводами мощных ленточных конвейеров, обеспечивающих минимизацию динамических усилий при заданном времени пуска (проф. И.В. Запенин);
•	исследование тепловых режимов и обоснование параметров дисковых тормозов ленточных конвейеров, на основании разработанной методики выбора параметров дискового тормоза (проф. И.В. Запенин);
•	повышение технического уровня автоматических натяжных устройств, позволяющих обеспечивать оптимальную величину натяжения ленты в процессе её эксплуатации и при переходных режимах работы конвейеров (пуск, торможение) проф. И.В. Запенин);
•	теоретические основы тягового расчета ленточного конвейера с промежуточными приводами, позволяющие обоснованно выбирать длину промежуточного привода при его взаимодействии с одной или двумя ветвями конвейерной ленты в зависимости от типов используемых лент, степени её загрузки, угла установки конвейера. Выбор шага установки промежуточных приводов для случая управляемых и неуправляемых приводов, с учётом условия, когда необходимо выбирать минимальную прочность грузонесушей ленты (проф. И.В.Запенин);
405
•	обоснование силовых и тепловых параметров вулканизационных прессов для конвейерных лент (проф. В.И. Галкин, проф. В.Г. Дмитриев);
•	развитие теории надежности ленточных конвейеров горных предприятий (проф. В.И. Галкин, проф. В.Г. Дмитриев);
•	обоснование основных конструктивных параметров для возможности внедрения на отечественных горных предприятиях экологически безопасных ленточных конвейеров с подвесной лентой, способных транспортировать крупнокусковые грузы, исключающих возникновение динамических нагрузок в конвейерной ленте, а, следовательно, увеличивающих срок её службы (проф. В.Г. Дмитриев, проф. В.П. Дьяченко);
•	обоснование основных конструктивных параметров для возможности внедрения на отечественных горных предприятиях экологически безопасных трубчатых скребковых конвейеров, способных транспортировать грузы по пространственной трассе, а также вертикально, исключающих пыление грузов, за счет замкнутого грузонесушего органа (проф. В.И. Галкин);
•	мероприятия, обеспечивающие снижение бокового схода ленты и повышение срока службы её бортов (проф. В.Г. Дмитриев).
Кроме того, на кафедре ведётся работа по развитию теории рудничных подъёмных установок с нетрадиционными тяговыми органами, в том числе с резинотросовыми лентами (проф. Картавый Н.Г., доц. Зотов В.В.).
Проводимые исследования направлены на установление основных зависимостей между конструктивными и режимными параметрами подъёмных установок с ленточными тяговыми органами целью повышения технического уровня и улучшение технико-экономических показателей вертикального и наклонного подъёма, обоснования областей использования ленточных тяговых органов вместо канатов и увеличения срока их службы на подъёмных установках.
Выполнено научное обоснование целесообразности применения резинотросовых лент вместо стальных канатов, используемых в качестве тяговых органов рудничных подъёмных установок, установлены зависимости основных кинематических и динамических параметров подъёмных установок с резинот
406
росовым тяговым органом от геометрических, режимных и других параметров, разработана математическая модель динамики вертикальной подъёмной установки с учётом переменного коэффициента жёсткости тягового органа и массивности подъёмной системы. Созданы прикладные пакеты компьютерных программ и методика определения рациональных параметров подъёмных установок с ленточными тяговыми органами.
Проводятся дальнейшие исследования по разработке рекомендаций по повышению эффективности подъёмных установок за счёт выбора рациональных параметров подъёмной системы и привода при использовании подъёмных резинотросовых лент, которые могут эксплуатироваться, как на горных предприятиях, так и при строительстве городских подземных сооружений.
Эффективность работы горнодобывающей промышленности во многом зависит от её оснащенности современными горными машинами и комплексами оборудования.
За годы Советской власти в нашей стране было создано мощное угольное и горнорудное машиностроение, где задачи создания новой техники совместно решались научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими институтами, машиностроительными заводами и шахтами. К сожалению, в настоящее время такая связь между различными предприятиями отсутствует, однако, одной из основных задач развития экономики России является увеличение производства отечественной конкурентоспособной продукции горного машиностроения.
/Зля создания и широкого внедрения современных горных, транспортных машин и машин по переработке полезного ископаемого требуется системный подход к их проектированию, к решению задач выбора параметров различных функциональных машин, задействованных в технологическом процессе добычи, транспортировке и переработке полезного ископаемого, во взаимосвязи их между собой и с окружающей их средой.
Одним из возможных решений данной проблемы является работа кафедры ГМТ (доц. Назаров К.С.) по созданию новой системы оценки жизненного цикла машины от момента её проектирования, производства, продажи, а также технического обслуживания за весь жизненный цикл машины, до момента её
407
утилизации или переработки. При этом должны быть четко отражены основные факторы, влияющие на эту систему.
Методология такого типа позволит дать оценку и определить конкурентоспособность машин с учетом важности, а так же перспективности отдельных компонентов этой системы. Система охватывает все виды деятельности связанных с выпуском и эксплуатацией оборудования, начиная от маркетинговых исследований и заканчивая утилизацией машин. В итоге ответственность за конкурентоспособность продукции несут не технологи и конструкторы, а многокомпонентная система оценок, позволяющая на ранних стадиях учесть риски связанные с проектированием и последующей реализацией новых машин и оборудования. Для этих целей крайне важным является разработка методики определения перспективности показателей системы, в зависимости от их важностью, используемой при проектировании новых и усовершенствовании существующих машин,.
В связи с этим необходимо осуществить систематизацию факторов формирования перспективности новых внедрений при проектировании машин с учётом степени возникающих рисков при их реализации. Предполагается разработка математической модели оценки эффективности, важности и перспективности элементов системы оценки, влияющих на конкурентоспособность в целом, новых и усовершенствованных машин.
Комплексную задачу процесса проектирования современных машин необходимо решать с учетом экономических, социальных, технических, эксплуатационных, технологических и специальных требований, предъявляемых к современным машинам используемых в горной промышленности России.
Технические требования заключаются в первую очередь в том, чтобы, закладываемые в создаваемые машины технические решения основывались на последних достижениях науки и техники и имели основные параметры не ниже стандартов мирового уровня.
Горные машины должны иметь высокие коэффициент полезного действия, прочность, надежность, долговечность, энерговооруженность и режимные параметры, необходимые для обеспечения требуемой величины производительности, а также
408
выполнения своих рабочих функций с минимальными энергозатратами.
При проектировании машин должны быть заложены предпосылки увеличения степени их использования во времени за счет повышения надежности и предусмотрены резервы дальнейшего конструктивного совершенствования.
Применение в отечественной и мировой горной промышленности вышеперечисленных инновационных разработок кафедры ГМТ позволит увеличить производительность машин, надёжность их работы в сложных условиях эксплуатации, снизить воздействие результатов их работы на окружающую среду, и на обслуживающий персонал. ЕНЗ
V.I. Gallkin
PERSPECTIVE DIRECTIONS OF INNOVATIVE ACTIVITY OF DEPARTMENT “MINING MECHANICS AND TRANSPORTS”
Are resulted the perspective directions of innovative activity of department in the field of various kinds of continuous transport, mine rise and the system approach in the field of creation of mountain-transport machinesfcarsl
Key words: innovative works, directions, belt conveyors, calculations, units, elevating installations, reliability, parameters of system
— Коротко об авторе ----------------------------------
Галкин В.И. - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Горная механика и транспорт», Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
409
----------------------------- © Л.И. Кантович, И./I. Пастоев, 2010
УДК 622.232
Л.И. Кантович, ИЛ. Пастоев
ПРОБЛЕМА УПРАВЛЯЕМОСТИ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ АГРЕГАТОВ
И КОМПЛЕКСОВ ПРИ РАБОТЕ НА ПОЛОГИХ ПЛАСТАХ БЕЗ ПРИСУТСТВИЯ ЛЮДЕЙ В ЗАБОЕ
При полной автоматизации очистных комплексов остро встанет проблема их управляемости. В статье излагаются результаты исследований управляемости автоматизированных агрегатов при работе без присутствия людей в забое на пологих пластах. Даются рекомендации по способам и средствам вождения агрегатов и комплексов в плоскости пласта, по его гипсометрии и мощности.
Ключевые слова: Очистной комплекс, агрегат, управляемость, база агрегата, базовая секция, взаимодействие с боковыми породами, плоскость пласта, прямолинейность базы, гипсометрия пласта, мощность пласта, способ управления.
Семинар № 22
Совершенствование очистных комплексов идет по пути автоматизации основных технологических операций в забое. Конечным итогом этого процесса является обеспечение работы комплекса без присутствия человека в очистном забое.
Специалисты отмечают [1], что автоматизация и, в частности, дистанционное управление машинами комплекса позволяет повысить показатели его работы в 1,3-1,5 раза, сократить объем тяжелого физического труда, сделать его безопасным и повысить надежность оборудования.
Вместе с тем традиционно сложившаяся структура комплекса и схема его работы затрудняют задачу автоматизации. Последовательная передвижка секций крепи вслед за комбайном, волновая передвижка забойного конвейера и наличие в схеме работы комплекса концевых операций значительно усложняют автоматизацию процесса его передвижения.
Совершенствование очистных комплексов в конечном итоге нацелено на повышение технической производительности. В этом направлении совершенствование комплексов приближается к своему пределу. Дальнейшее их совершенствование должно привести к качественному скачку.
410
Анализ направлений развития механизированных комплексов, сложившихся на сегодняшний день, показывает, что идут поиски рациональной структуры комплекса, которая бы совершенствовала схему его работы и облегчала задачу автоматизации. Предполагается [2] перейти к прямолинейной фронтальной схеме передвижения забойного конвейера, применению двух очистных комбайнов с односторонним расположением рабочего органа и выводом его на штрек при зарубке на новую дорожку. Схема работы такого комплекса близка к агрегатной и значительно упрошает вопросы автоматизации передвижения последнего.
Известно, что агрегатная схема выемки угля, по сравнению с комплексной, имеет существенные преимущества [3]. Она позволяет совместить во времени и увязать в автоматический цикл все операции по выемки угля в забое, что делает технологический процесс добычи угля непрерывным, а производительность труда максимальной.
Агрегатная выемка угля все время привлекала конструкторов горных машин. Все ведущие проектные и научно-исследовательские институты работали над созданием выемочных агрегатов. Было создано и испытано значительное количество экспериментальных и опытных образцов агрегатов для различных горно-геологических условий. Наибольшую апробацию в шахтных условиях прошли струговые агрегаты типа А-2, СА и фронтальные агрегаты типа А-3, АК-3, Ф-1. При испытании этих агрегатов была достигнута производительность труда свыше 100 т/вых. по забою. Эксплуатация опытных образцов агрегатов показала, что они позволяют производить добычу угля без постоянного присутствия человека в очистном забое и решают крупную социальную проблему: делают труд шахтера высококвалифицированным и безопасным.
Вместе с тем все агрегаты на пологих пластах имели чрезвычайно низкую надежность, вследствие чего они не обеспечивали расчетную нагрузку на забой и не были рекомендованы к серийному производству. Низкая надежность агрегатов обусловливалась в основном их неуправляемостью как в плоскости пласта, так и по его гипсометрии, и, как следствие, высокой аварийностью машин и механизмов.
При работе автоматизированных комплексов и агрегатов с дистанционным или автоматическом управлении их передви
411
жением по угольному пласту остро встает проблема управляемости. Требования минимальности потерь угля и минимальности присечки боковых пород обусловливает необходимость их передвижения в границах пласта и в соответствии с условиями залегания последнего.
Очистной агрегат или комплекс, как объект передвижения, кинематически сложен. Он представляет собой совокупность элементов (секций, модулей) расставленных по лаве во фронт и увязанных между собой кинематически и конструктивно. Движение комплекса или агрегата осуществляется фронтально с определенным требованием расположения элементов относительно друг друга. Процесс передвижения многофункционален, программа движения сложная, многооперационная и задана условиями залегания угольного пласта.
Путем систематизации процессов передвижения комплексов и агрегатов по функциональному признаку установлено [4], что управляемый процесс передвижения по угольному пласту должен включать в себя три типовых процесса: передвижение в плоскости пласта, перемещение по гипсометрии пласта и перемещение по мощности пласта. Несмотря на разницу в назначении процессов передвижений в плоскости и профиле пласта, структура их в функциональном отношении одинакова, поскольку они призваны обеспечить движение агрегата в заданном направлении.
Для осуществления процесса направленного передвижения агрегата необходимы соответствующие средства. Анализ результатов систематизации этих средств позволил установить, что все системы управляемого передвижения агрегата, как в плоскости пласта, так и в его профиле имеют средство задания направленности движения. Этим средством во всех трех подсистемах является база агрегата. Она является ведущим элементом, задающим направление движения агрегата по угольному пласту. Все остальные элементы агрегата, в том числе и механизированная крепь, являются ведомыми и двигаются в координатах базы.
В связи с этим под базой следует понимать совокупность конструктивно увязанных и одновременно передвигаемых на забой элементов, осуществляющих кинематическую увязку функциональных машин агрегата или комплекса и обеспечивающих направленное передвижение последних по пласту по
412
лезного ископаемого. Поскольку агрегат движется по пласту как одно целое в одном направлении, база в нем может быть только одна.
/Зля обеспечения направленности движения агрегата в плоскости пласта в структуре базы должна быть балка, проложенная по длине лавы. Такой балкой обычно служит став забойного конвейера. /Зля обеспечения направленности движения агрегата в профиле пласта в структуре базы должны быть опорные элементы, расставленные по лаве и шарнирно связанные со ставом конвейера. Этими элементами являются базовые секции крепи, передвигаемые на забой вместе с конвейером.
На рис. 1, в качестве примера, показаны схемы баз: а) стругового агрегата СА, б) фронтального агрегата Ф-1
В обоих агрегатах балкой базы служит став конвейера 1, а опорными элементами 2 в агрегате СА служили обычные секции механизированной крепи, а в агрегате Ф-1 базовые секции специальной конструкции. Они выполнялись узкими (250 мм) и располагались под перекрытиями лавных секций 3. От характера взаимодействия базы с боковыми породами зависит направленность движения агрегата по гипсометрии пласта.
В агрегате СА базовые секции участвовали в управлении кровлей. В связи с этим перекрытия этих секций нагружались обрушенной породой и равнодействующая вертикальных сил, действующих на базу, была расположена ближе к ее завальной стороне (рис. 1, а). Это приводило к тому, что завальная сторона базы вдавливалась в почву больше, чем забойная, и агрегат имел постоянную тенденцию движения вверх в кровлю. Этим объясняется плохая управляемость струговых агрегатов А-2, СА и А-3 при работе на пологих пластах.
На рис. 1, б показана схема взаимодействия с боковыми породами базовой секции агрегата Ф-1. В этом агрегате базовые секции контактировали с кровлей только через козырек, вследствие чего равнодействующая вертикальных сил, действующих на базу, располагалась ближе к забойной стороне. Это обусловливало то, что забойная сторона базы вдавливалась в почву больше, чем завальная, и агрегат приобретал направление движения вниз в почву. Для задания направления движения агрегату вверх на земник в этом случае достаточно оставить в почве ступеньку, на которую агрегат вынужден будет наезжать.
413
Рис. 2: (ИО) - исполнительный орган агрегата, обрабатывающий грудь забоя; (ИОц) - кутковые резцы исполнительного органа, обрабатывающие верхнюю пачку угля у кровли; (ИОН) - почвенные резцы; (Г) - система управления агрегатом по гипсометрии пласта; (М) - система управления по мощности пласта; (Б) - база агрегата; (П) - система подачи на забой (система поддержания прямолинейности); (ОМ) - опорные механизмы (лавные секции крепи)
На рис. 2 показана обобщенная схема средств передвижения агрегата и взаимодействия его с угольным пластом и боковыми породами в очистном забое.
Из схемы видно, что исполнительный орган агрегата подается на забой вместе с базой системой поддержания прямолинейности. Опорой при этом служат распертые лавные секции крепи. База взаимодействует как с почвой, так и с кровлей. Управление по гипсометрии пласта и по его мощности осуществляется путем перемещений элементов исполнительного органа относительно базы.
Передвижение агрегата или комплекса в плоскости пласта в технологическом процессе является обязательным и главным. Перемещение агрегата вдоль выемочного столба измеряется сотнями и тысячами метров, в то время как перемещение агрегата по гипсометрии пласта ограничивается допустимой величиной земника или присечки пород почвы, а перемещение по мощности пласта ограничено раздвижностью гидростоек крепи.
415
Для осуществления управляемого движения агрегата в плоскости пласта рекомендуется гидравлическая следящая система поддержания прямолинейности, разработанная в МГГУ, работоспособность которой проверена в шахтных условиях на опытных образцах фронтальных агрегатов Ф-1.
Принципиальная схема этой системы показана на рис. 3.
Она представляет собой оригинальную следящую систему, состоящую из n-го количества следящих гидроприводов 2, объединенных в единую систему общим задающим устройством, проложенным по всей длине лавы. Таким задающим устройством является управляющая линейка 1, представляющая собой рессорную полосу, разбитую на пролеты длиной L, связанные между собой шарнирно. Длина пролета линейки равняется длине модуля агрегата.
Каждый модуль агрегата подается на забой следящим гидроприводом 2. В данном гидроприводе исполнительным механизмом является гидроцилиндр передвижения секции крепи (или два спаренных). В качестве гидроусилителя применен регулятор потока жидкости, работающий на водомасляной эмульсии и имеющий выходное звено с поступательным видом движения. Применение регуляторов потока в качестве гидроусилителей исключает из режимов следящего гидропривода переходные процессы, вызванные изменением нагрузки на гидроцилиндры, что повышает точность работы всей системы. Золотник регулятора потока, установленного на управляющей линейке, связан рычажной обратной связью с соседним пролетом последней (Кос - коэффициент обратной связи).
Угол а в шарнире управляющей линейки для следящего гидропривода 2 является управляющим сигналом. Появление или изменение его вызывает соответствующее изменение расхода в регуляторе. При искривлении базы угол а увеличивается, соответственно увеличивается расход жидкости через регулятор и скорость выдвижки гидроцилиндров, что приводит к уменьшению угла и восстановлению прямолинейности базы.
Все следящие гидроприводы, расположенные по длине лавы, объединены управляющей линейкой в единую систему, в которой задающими элементами являются гидроприводы фланговых секций 3 и 4. Изменение скорости подачи флангов базы является управляющим сигналом для всей системы поддержания прямолинейности.
416
Рис. 4: 1 - управляющая линейка; 2 - регулятор потока жидкости; 3 - рычажная обратная связь; 4 - датчик угла в шарнире управляющей линейки; 5 -шарнир в линейке
Управляет системой оператор путем изменения расхода жидкости в задающих регуляторах потока. При увеличении скорости движения обеих флангов базы увеличивается скорость подачи агрегата на забой. При увеличении скорости движения одного фланга базы агрегат разворачивается относительно другого фланга. При этом прямолинейность базы поддерживается автоматически с плавным прогибом в пределе расчетной величины.
На рис. 4 показано устройство системы поддержания прямолинейности агрегата Ф-1.
Датчик угла 4 в шарнире 5 управляющей линейки 1 служит для передачи информации о прямолинейности агрегата на пульт управления. Испытания агрегата Ф-1 на шахте «Юбилейная» в Кузбассе подтвердили работоспособность этой системы поддержания прямолинейности [5].
Применение данной системы в автоматизированных агрегатах и комплексах позволяет решить проблему их управляемости в плоскости пласта.
Она позволяет отрабатывать выемочный столб с непараллельными штреками за счет изменения стрелы прогиба базы, компенсировать сползание комплекса или агрегата на наклонном
418
Рис. 5: 1 - став конвейера; 2 - исполнительный орган; 3 - гидроцилиндр управления
пласте за счет опережающего движения нижнего фланга, разворачивать комплекс или агрегат вплоть до перевода их в другой забой без перемонтажа.
Обобщение результатов исследования средств направленного передвижения агрегатов по гипсометрии пласта позволило установить, что управляемость их зависит от взаимодействия базы с боковыми породами. Формируя эпюру давления базы на почву пласта можно эффективно управлять агрегатом по гипсометрии пласта.
Результаты исследований позволили рекомендовать эффективный способ управления агрегатом по гипсометрии пласта путем принудительного наклона става конвейера вместе с исполнительным органом относительно базовых секций крепи.
Такой способ был применен и испытан в агрегате Ф-1 и показал положительные результаты: агрегат Ф-1 имел хорошую управляемость по гипсометрии пласта [5]. Устройство механизма управления агрегатом Ф-1 по гипсометрии пласта показано на рис. 5. Управляемость агрегата по мощности пласта обеспечивается при соблюдении единства координат движения агрегата по угольному пласту. Для этого величину управляющего воздействия необходимо отсчитывать от почвы пласта.
419
Результаты структурных исследований средств направленного передвижения автоматизированных агрегатов показывают, что для обеспечения управляемости агрегата при работе без присутствия людей в забое требуются как минимум следующие средства:
-	автоматическая система поддержания прямолинейности агрегата непрерывного действия;
-	дистанционная (или с ручным управлением) система управления по гипсометрии пласта периодического действия;
-	механизмы ручного управления по мощности пласта эпизодического действия.
------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Виленкин Е. С. Система электрогидравлического управления для механизированных крепей. РФ Уголь. № 10. 1999.
2.	Мышляев Б. К. О направлениях развития техники и технологии очистных работ на шахтах РФ. Уголь. № 4. 1999.
3.	Хорин В.Н. Перспективы развития технологии и средств выемки угля в длинных очистных забоях. Уголь. № 1. 1988. 4..
4.	Пастоев И. Л. Структура и функции системы передвижения очистного агрегата по пласту полезного ископаемого. Изв. Вузов. Горный журнал. №11. 1985.
5.	Протокол приемочных испытаний опытного образца автоматизированного стругового агрегата Ф-1.Новокузнецк. 1983. ВИЗ
L.I. Kantovich Professor, LL. Pastoev professor
PROBLEM OF CONTROLLABILITY OF THE AUTOMATED COMPLEXES AT MOVEMENT ON A COAL LAYER WITHOUT PRESENCE OF PEOPLE
At full automation of complexes there will be a problem of their controllability. In results of the message of researches of controllability of the automated complexes are declared on work without presence of people on flat layers. Recommendations about ways and means of driving of complexes on a coal layer are given.
Key words: The automated complex, controllability, interaction with lateral breeds, frankness, гипсометрия a layer, layer height, management mechanisms.
— Коротко об авторах------------------------------------------
Кантович Л.И. - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Горные машины и оборудование», Пастоев И.Л. - профессор, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
420
© С.В. Козлов, 2010
УДК 622.232
С.В. Козлов
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ УГОЛЬНОЙ
ОТРАСЛИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Приведен анализ производства угля в основных угледобывающих странах.
Сформулированы современные проблемы угольной отрасли РФ.
Ключевые слова: производство угля, потребление энергоресурсов, комплексно-механизированные забои.
Семинар № 22
Геологические ресурсы угля в недрах земли оцениваются в 15 триллионов тонн, из которых на долю России приходится 36% (более 5,3 триллионов тонн), США - 24% и Китая 10 %.
Мировое производство угля по основным угледобывающим странам приведено в табл. 1.
Из таблицы видно, что почти 93,8% прироста мирового производства угля за отмеченный период произошло за счет Китая (67%), Индонезии (9,1%), Индии (9,0%), США (4,6%), Австралии (4,1%). Следует отметить стремительный рост добычи в Индонезии, Китае и Индии, где за восемь лет объемы добычи выросли соответственно в 3,7; 2,4 и 1,5 раза.
Из стран постсоветского пространства Россия и Казахстан несмотря на рост добычи за последние 8 лет, на 34 и 40% еще не достигли уровня 90-х годов, а Украина снизила объемы добычи более чем в 3 раза, хотя и добывают стабильно в 59-62 млн. тонн в год.
Потребление первичных энергоресурсов экономиками различных стран по данным «Бритиш петролиум» за 2007 год приведены в табл. 2.
Из нее видно, что формирование внутренней потребности в угле экономики различных стран является определяющим в планировании объемов добычи и развитии угольной отрасли. Так, потребления угля в Китае составляет 70,4%, Польше 60,5%, Индии 51,4%, Казахстане 49,8%, России 13,7%. В тоже время потребления газа составляет в России 57,1 %, на Украине 38%, в Индии 9%, в Китае 3,3 %.
421
Таблица 1
Мировое производство угля, тыс.
К 2000 г	£	’Я. 2-	<N <N ч 03О1П0'<ТК1пЙ^5^' in2i’-,‘^c4ico^Lr) 1 Т	1
		NLfi22o'®NrtTTt'’ 1 N T—1
2008 г.		Й S, 2 а 'Л '-л c- o л м co ЯпЫ'-'ОМЮ'ОйоооЕ X.Otxr-lt-'CO’tl/WCOI»,-, r S. c N <?м co co ooi-o > 'J^^C'CCONOJ^-^
2007 г.		f2c5oo^«’-|’*^’*Oaslr1 £	& CO oooj 40 40 o> л Sj Й 2^ооооооочо^о^2;5$ V© СЧ r-t
2006 г.		SooOJCM^O^^COt^,-,-, ”	м £ co co	cd	w	co	co	Г *	iCW	lO	CO	t- С	О	® g \D СЧ r-4
2005 г.		JSSirjoo^oo^ooS^^g^ 5 S S 40 mo° 04 S « SlOCO’*^c^O’*^<^<oo Ж^ос01'Ооог-^оюЖ§ Lfl СЧ H
2004 г.		<0 Q\ fl\ 00 СЧ	Г""*	f""* О® |Л gJS^OOC^^OOCNE^CM^g; 5йо'*мс'лмс'*®“
2000 г.		CO	C*4	-_x<	40 T-x< r/} 2^C'>w?j3o'Xico3g ®2Jl040>-cogo4Cr-5§ ^Ojr'COO’^SoJOcO^S ®	C> « СО М	M N “ T—t
422
Таблица 2
Потребление первичных энергоресурсов в 2007 году, млн. т. н.э.
Ранжирование	Уголь	Нефть	Газ	Атомная энергия	Гидроэнергетика
Мир	28,6%	35,6%	23,8%	5,6%	6,4%
ЮАР	76,5%	20,2%		2,3%	0,9%
Китай	70,4%	19,7%	3,3%	0,8%	5,9%
Польша	60,5%	25,7%	13,0%		0,7%
Индия	51,4%	31,8%	9,0%	1,0%	6,8%
Казахстан	49,4%	17,6%	29,6%		3,0%
Австралия	43,6%	34,7%	18,6%		3,1%
Тайвань	35,7%	45,6%	9,2%	8,0%	1,6%
Турция	30,5%	30,6%	31,1%		7,9%
Германия	27,7%	36,2%	24,0%	10,2%	2,0%
Ю.Корея	25,5%	46,2%	14,2%	13,8%	0,5%
США	24,3%	39,9%	25,2%	8,1%	2,4%
Япония	24,2%	44,2%	15,7%	12,2%	3,7%
Украина	18,2%	36,2%	38,1%	6,5%	1,0%
Be л. Британия	18,2%	36,2%	38,1%	6,5%	1,0%
Россия	13,7%	18,2%	57,1%	5,2%	5,9%
Наивысших показателей угольная промышленность России достигла в 1988 году, когда объем добычи на шахтах и разрезах Минуглепрома составил 425 млн. тонн. 1988 год явился переломным, в последующие годы систематическое улучшение технико-экономических показателей отрасли прекратилось. Ситуация усугубилась внутриполитическими причинами связанными с распадом Советского Союза и разрушением системы научно-технического развития и управления отрасли. Использование ранее выполненных разработок приобретает не комплексный характер. Беспорядочная закупка импортного оборудования, не эффективное использование научно-технического потенциала и производственных возможностей оборонных предприятий как нельзя лучше иллюстрируют этот период.
Таким образом, в начале 90-х годов в угольной промышленности России произошел кризис, который имел системный и структурный характер.
Кризисная ситуация в отрасли определила начиная с 1990 года провальное падение объемов добычи и снижения всех
423
Таблица 3
Добыча угля в Российской Федерации (млн. т)
Добыча угля для коксования		'l Ч Я. °0. -I Ч	Ч Ч Ч О тр" см ем* Г' ги тр’ со оС тр" о< \6 см" с? СОШШшШчО'П'П'ПГ^'П'ПГ^ф
Открытый способ до- ‘ 	бычи 	I	Уд. вес в обшей добычи	©оотр©сооос-^оо<мсмсоо'<мсм Г» О* см" тр" тр" тр" тр" 1П \б тр’ 1Л тр’ in" 00* in\D\Di£\D\0\D\D<O\D\D\D\Di£
	всего	Ч^чщ'всЧС'-'ООСОтРоотО’® CM m" CM" © о" Г- \D co" CM" Tp" O' тр" CM inmm^<\D\Dt^\Dooooo'0'oe>i
Подземн. способ добычи		4 Q\ O\ 00 О O' CM\D CM Ч Ч Ч 4. ® 2 O'" <-<" CM* O< o' in О CO Й n n n jt *oioiqo®o'O'®0'22225 r4	i—« i—« i—« г—«
Бурый уголь !			0> CM_ 00. Tf CM CO. CO. CM. Г' 00. co. О in O' in" 00* co" IO co" co" O'" o"	«-Г CM* 00<юоогч<поооог--.г'-г'-г--.с-'.с-'-00
Каменный уголь	антрацит	м. Ч 4 °®. ’1 4 oo co <-< O' co o' ю H H H ® 2 2 O'	O' O' O' ei
	всего	®14 CMinor-CM^CMO'Dr-CO'O co in" O'" m ЧО «-<" md" о" Кco" cm" <-<' тр b'sOinm'nr-ooMO'rtcimrfrf HrHrtrtrH-Jr4rt-HClNClNN
1		06 о. тр CO. CTi. CO. тр Ш I-I co Ш \D *о CM in" TP CM O' Г-' O'" co" \o" тр" oo" t< cm" IO Л1П^,п’ртц'0 1пГ'®С'0-'см CM<MCMC4<M<N<M<M<M<M<MCOCOCO
годы :		1П'ПГ^0б0'О>-<<МС0тр1П'ПГ'00 О'О'О'С'О'ОООООООО© O'O'O'C'O'OOOOOOOO© ^-(’^^r4^<N<N(N<N<N<N<N(NcM
424
технико-экономических показателей. Снижение объемов добычи продолжалось вплоть 1998 года, когда она снизилась до рекордного уровня 232,3 млн т.
Основными причинами такого состояния явились:
-	невостребованность рынком угольной продукции из-за сокращения платежеспособного спроса потребителей, особенно бюджетных организаций, а также отсутствия сбалансированной политики цен на энергоносители. Цены на уголь на 20-30% выше, чем на газ, в то время в развитых странах Запада наблюдалось обратное соотношение;
-	высокий износ основных фондов и отсутствие работоспособного горнотранспортного и вспомогательного оборудования на шахтах и разрезах. Коэффициент обновления основных фондов упал в 1995 году, к уровню 1989 г. в 2 раза (до 4%);
-	несоответствие реального потенциала предприятий установленной производственной мощности. По этой причине ежегодно недоосваивалось около 15 млн. т мощностей.
Все это не могло не волновать руководство угольной отраслью, компанию «Росуголь». Принимаемые меры привели к тому, что начиная с 1999 года положение начало выравниваться, наметились тенденции к росту объемов добычи практически по всем маркам добываемых углей (табл. 3).
За 2008 г. угольными предприятиями Российской Федерации было добыто 326,6 млн т угля в т.ч. подземным способом 104,0 млн т. Прирост добычи к прошлому году составил 14 млн т за счет увеличения объемов добычи открытым способом на 18,6 млн т. Неудовлетворительная работа шахт во 2 полугодии 2008 г. обусловлена:
-	уменьшением почти вдвое спроса на угли для коксования из-за снижения металлургами производств до уровня сохранения и поддержания мощностей;
-	снижением спроса на энергетические угли поставляемые на ТЭС из-за сокращения потребления тепла и электроэнергии в регионах, особенно в Восточной Сибири.
На рис. 1 приведена схема формирования потоков внутреннего потребления угля и экспорта в России в 2008 г. исходя из реальных возможностей собственных угольных предприятий и поставок угля по импорту.
425
Разразившийся в 2008 году мировой экономический кризис не мог не коснуться угольной отрасли. Из-за сокращения экспортных поступлений и высоких процентов по кредитам угольные компании стали массово пересматривать свои инвестиционные программы. В первую очередь были приостановлены работы по капитальному строительству и реконструкции угольных предприятий.
Снижение цен и объемов производства ударило по экономике, как предприятий, так и регионов. Убытки в целом по угольной отрасли оценены на сумму 20,0 млрд, рублей.
Несомненно, что принятый на федеральном и региональном уровнях пакет антикризисных мер позволил избежать катастрофических последствий для экономики России. Сохранена банковская система, не допущены опасные инфляционные процессы.
Нет катастрофы и в угольной промышленности. Многие угольные компании, особенно в Кузбассе в кратчайшие сроки стабилизировали производственный процесс. Так, промышленные запасы на 01.01.09 г. составили:
-	по 137 разрезам 11951125 тыс. т, в т.ч. готовых к выемке 15724 тыс. т;
-	по шахтам 5324319 тыс. т, в т.ч. на действующих горизонтах 1745521 тыс. т, из них готовые к выемке 107221 тыс. т, что создает предпосылки устойчивой работы в 2009 году.
Основным поставщиком качественных энергетических и коксующихся углей в России является подземный способ добычи. Где определяющее значение имеет работа комплексномеханизированных забоев (КМЗ).
Не смотря на то, что в целом объем подземной добычи снизился к уровню 2007 года на 4,6 млн т, уровень добычи и комплексно-механизированных забоев вырос на 0,7% и составил 84,8%.
В целом по стране в 2008 г. работало 83,7 среднедейст-вуюших комплексно- механизированных забоев, из которых было добыто 88 130 тыс. т угля (-3 187 тыс. т к 2007 г.), среднесуточная нагрузка составила 3060 т (+206 т), сменная производительность труда рабочего по добыче - 40,1 т/см.
Доля шахт Кузбасса в этих объемах составила 75,3% или 66295 тыс. т., при этом 48,0 среднедействуюших комплексномеханизированных забоев при среднемесячном подвигании
426
I
118 м обеспечили среднесуточную нагрузку на забой 3956 т, что на 143 т выше уровня прошлого года.
В табл. 4 приведены основные параметры и показатели работы КМЗ по основным угледобывающим регионам Российской Федерации. Следует отметить, что более 42% КМЗ работало в течении года, в режиме один миллион и более тонн угля в год, 16% работало с нагрузками более 5000 т/сут.
Наивысшая нагрузка достигнута на шахте Салек ОАО «Южкузбасуголь» - 7064 т/сут. (забой длинной 133м, оборудован крепью ДВТ с комбайном SL 500), производительность рабочего по добыче составила 156,2 т/см. С высоким показателями отработали в 2008 году 11 забоев компании СУЭК (Ленинск-Кузнецкий), ими было добыто 24516 тыс. т, среднесуточная нагрузка на забой составила 6664 т/сут, среднемесячное подвигание 164,4 м, в лавах /глинной 225-240 м. работали, три крепи JOY с комбайнами SL 500, две крепи ZJBT с комбайнами SL 300 и SL 500 четыре крепи КМ 138 с комбайном К 500 Ю.
В течение года на шахтах России работало 187,8 механизированных комплекса, из них 86 оборудованы механизированными крепями зарубежного производства в т.ч.;
JOY	- 8 комплектов,
ДВТ	- 6,3 комплекта,
Глиник - Некомплекта,
КД80 и КД90 - 16 комплектов.
Вместе с ними работало 219 очистных комбайна в т.ч. зарубежного производства 107 из них JOY - 11 шт., Эйкгоф -20 шт., польских (Фамур и ZZMS.A) - 41 шт., чешских - 9 шт., украинских - 82 шт.
В 98 забоях использовались конвейеры отечественного производства типа «Анжера», в 36 забоях польские, в 28 забоях фирмы «JOY» и «ДВТ» в 16 забоях украинские, завода «Свет Шахтера».
Подготовка очистного фронта последние годы имеет вялотекущий характер и не предусматривает долгосрочных программ развития шахты. Подготовительные работы, в основном, ведутся с целью воспроизводства выбывающего очистного фронта. Темпы горнопроходческих работ за 2008 г. и их характеристика приведены в табл. 5.
427
Таблица 4
Технические параметры и показатели работы КМЗ в 2008 г.
Сменная производительность труда рабочего КГ	чО 1П 1П СЧ 40 40 Ш О СЧ О О СО гГ гГ	Tf чО Tf Сч Сч ri Г' Tf 00 СО Tf in 1-Н 1-Н	О Ш 40 04 О 04 40 О 04 04 04 rt* Ю	00 40 ш н со со 1-н Ш 04 1—« О 1—« rt* rt* rt*
« 1 « S s s	Ш СО гГ О СЧ СО	ГН гГ 04 04 00 о	СО 40 00 СО 40 Ф	£	t?
« (Q S-=	Tf Tf Tf	of of СО	т/	Тр	со' со' со'
дняя ина ого >н, м	00 Н If)	40 гн	О 00 00	гГ о* О
Сре ДЛ1 оди заб<	н СЧ IN	г-м 04 04	1-н 04 04	04 04 04
внес, ес	in m m	04 in О	Г- Ш о	1П 40 Г*
Пол гаи» м/м	СЧ 04 СО 04 04 04	СЧ О 1П in чС чС	о’ г-н 00* СЧ Н н 1—Ч 1-Н 1-Н	LD 0* г-н 04 00 04
Нагрузка на забой т/сут 1	О Tf О	1219 1241 1448	04 04 Ш	н 04 О
	т-t Ш 40 гГ 00 О 04 04 00		О* 1—< in СО 00 04 со со со	Г*» СО 04 0* 40 00 04 04 04
Добыча за год, тыс. т	86155 91317 88130	СО гГ 40 40 Ш 40	СЧ 40 Ф 40	62730 68585 66295	04 гГ О 40 Н Щ 04 СО О СЧ н н 1-Н гН 1-Н
[Ms И н	Tf Г' о <*>’	1-н СЧ СО ЧО ID СЧ	40 ш О of О оо'	04	СО 04' 04' 1-н
III’	2 04 00	1-Н гН гН	in л	1-Н 1-Н 1-Н
1	2005 2007 2008	2005 2007 2008	2005 2007 2008	2005 2007 2008
Регион 	1	Всего по РФ	Донецкий бассейн	Кузнецкий бассейн	Печорский бассейн
Таблица 5
Объемы подготовительных работ на шахтах РФ
Регион	Проведение подготовительных выработок иа 1000 тонн годовой добычи угля, метров				Протяженность горных выработок иа 1000 т годовой добычи угля, метров	
	Всех выработок		В т.ч. вскрывающих и подготавливающих			
	2007	2008	2007	2008	2007	2008
Всего по РФ	5,3	5,7	4,0	4,4	43,7	45,9
Донецкий бассейн	3,8	3,5	2,8	2,7	80,1	80,2
Кузнецкий бассейн	5,7	6,3	4,2	4,9	36,1	39,7
Печорский бассейн	3,3	3,2	2,9	2,7	64,0	62,5
В течение года в работе находилось 287 проходческих комбайна. В том числе отечественного производства 142 (96-ГПКС, 46-КП 21), 101 комбайн производства украинских заводов (48-КСП 32, 47-П110), 44 стран дальнего зарубежья из них фирмы «JOY» 14 штук.
Комбайны работали в основном по угольным и смешанным забоям, средние темпы проходки составляли 18-22 м/сут.
На шахтах Восточного Донбасса работало 11 породопогрузочных машин в основном типа 2ПНБ 2Б Копейского машзавода. В сложившихся условиях особенно актуальной для угольных компаний и предприятий отрасли становится задача приобретения надежного горношахтного и транспортного оборудования, обеспечивающего высокую эксплуатационную надежность.
В настоящий момент на рынке горного оборудования России порядка двух десятков отечественных и зарубежных предприятий осуществляет поставку и ремонт горной техники. Из отечественных производителей горной техники заслуживает внимания четыре предприятия. Это ООО «Юрмаш», ОАО «Ан-жеромаш», ОАО «Александровский машзавод», ОАО «Копейский машзавод».
429
428
Эти заводы имеют в своем активе налаженное производство, оснащенное современными станками и оборудованием, высококвалифицированный инженерно-технический и рабочий персонал.
Технические возможности этих предприятий настолько велики, что в течении года объем производства может быть увеличен в 1,5-2 раза, а в течении 2-Злет в 3-4 раза. Заслуживает внимание тот факт, что когда ведущие институты угольного машиностроения прекратили свое существование, они смогли создать собственные конструкторские коллективы способные решать не только технологические задачи, но и заниматься созданием новой техники.
Так, ООО «Юрмаш» был разработан и передан на шахту «Заречная» проходческий комбайн КПЮ-50, весом 53 т, способный проходить выработки сечением до 35 м2 по породам прочностью до 100 МПа, ОАО «Анжеромаш» занимается разработкой конструкторской документации и подготовкой производства ленточных конвейеров с шириной ленты 1000-1400 мм, ОАО «Копейский машзавод» изготовил и передал на испытание 2 новых комбайна КП 200, весом 78 т. Один проходит испытания на шахтах в Воркуте, второй передан Свердловскому Метрострою.
Много внимания уделяется совершенствованию технологии и повышению качества выпускаемой продукции. Так, ОАО «Копейский машзавод» за 2007-2008 гт. построил новый цех по изготовлению корпусов машин с самым современным станочным оборудованием, ОАО «Анжеромаш» закупает линию по производству конвейерных роликов. Из зарубежных поставщиков заслуженное признание получили проходческие комбайны Ясиноватского машзавода (Украина) типа КСП, очистные комбайны чешского производства и польские конвейеры.
Основные показатели хозяйственной деятельности выше указанных предприятий приведены в табл. 6.
Следует отметить, что поставкам этой техники предшествует организация в основных угледобывающих регионах сервисных центров и консигнационных складов запасных частей.
Последние 5-6 лет резко выдвигается на российских рынках Китайские производители горной техники, которая все больше и больше находит сторонников среди российских шахтеров.
430
Таблица 6
431
Продвижению зарубежной техники на российский рынок способствует не совершенство в таможенном и налоговом законодательствах. Так, при поставке горных машин и оборудования иностранные производители освобождены от таможенных пошлин и налога на добавленную стоимость.
В тоже время российские машиностроительные заводы-потребители зарубежных комплектующих вынуждены платить все причитающие сборы сполна. Такая ситуация естественно не защищает отечественного производителя и благоприятствует проникновению на российской рынок зарубежной техники.
Анализируя выше приведенные данные и события можно сделать следующие выводы:
-	процесс реструктуризации угольной промышленности явился закономерным шагом в развитии российской экономики;
-	ликвидация особо убыточных нерентабельных шахт положительно повлияло на общее состояние шахтного фонда, добыча угля перспективными шахтами в общем объеме увеличилась до 70%;
-	реструктуризация и приватизация угольной промышленности является наиболее успешным примером структурных преобразований в ТЭК. Традиционно убыточная и дотационная отрасль с большим количеством внутренних проблем и противоречий в кратчайшие сроки трансформировалась в безубыточную;
-	ситуации, возникшие с приходом мирового экономического кризиса в Россию, не привели к обвальному падению добычи угля в стране.
Однако в отрасли сохраняются проблемы, сдерживающие ее развитие, к числу которых относятся:
-	низкий уровень рентабельности добычи угля, связанный с падением спроса и недогрузкой производственных мощностей и не обеспечение их воспроизводства;
-	монополизированный характер рынка энергетических и коксующихся углей со стороны крупных потребителей, при отсутствии долгосрочных условий сбыта продукций;
-	процесс вытеснения российских углей с рынка в котельно-печном топливе, обусловленный наличием заниженных цен на природный газ и рост импорта экибастузских углей;
-	высокая степень износа и моральное старение основной части производственного потенциала, требующего реконструкции и технического перевооружения.
432
Формирование потоков потребления угля в России
Для решения негативных проблем, стимулирования инвестиционной и хозяйственной деятельности отрасли необходимо создать эффективный механизм государственной поддержки организаций по добыче угля, приведя его в соответствие с принятой международной логикой развития рыночных отношений. Для этого необходимо привести в соответствие с мировой практикой нормативно- правовые и законодательные основы недропользования.
----------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Угольная промышленность Российской Федерации [текст]: Информ,-анал. журн.-М. Росинформуголь, 2009.
2.	Козлов С.В., [текст]: Состояние и перспективы развития угольного машиностроения /- М. Горные машины и автоматика, 2003, июль, С. 18-20.
3.	Козлов С.В., [текст]: Угольная промышленность в энергетической стратегии России /- М. Горные машины и автоматика, 2003, сентябрь, С. 2-6. QEQ3
S.V. Kozlov, ОАО «Rusuglemach»
THE DEVELOPMENT MODERN COAL-MINING INDUSTRIES IN RUSSIAN FEDERATION.
The analysis coal-mining industries in staple nations. Stateding modem problem coal-mining industries Russian Federation.
Key words: coal-mining industries, energy resources consumption, complexmechanization faces.
— Коротко об авторе -----------------------
Козлов С. В. - доктор технических наук, профессор МГТУ, Генеральный директор ОАО «Русуглемаш».
434
© А.Т. Ерыгии, 2010
УДК 622.81
А.Т. Ерыгии
РАЗВИТИЕ РАСЧЕТНОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Проанализировано современное положение в мире в части расчетной оценки искробезопасности электрических цепей. Показаны преимущества расчетной оценки искробезопасности электрических цепей в сравнении с экспериментальным методом. Приведены последние результаты исследований в области расчетной оценки искробезопасности электрических цепей и намечены пути ее дальнейшего развития.
Ключевые слова-, искробезопасность, электрическая цепь, электрооборудование, расчетная оценка.
Семинар № 23
При оценке на искробезопасность электрических цепей на практике используются следующие методы:
1) экспериментальный, основанный на коммутации электрических цепей искрообразуюшим механизмом во взрывной камере, заполненной испытательной взрывоопасной смесью, и определении вероятности ее воспламенения;
2) расчетный, основанный на использовании характеристик искробезопасности, полученных с помощью экспериментов во взрывной камере для электрической цепи, которая оценивается на искробезопасность.
Согласно действующего стандарта [1] оба эти методы равно применимы при оценке искробезопасности электрических цепей. Однако расчетный метод оценки искробезопасности электрических цепей в сравнении с испытаниями во взрывной камере имеют значительные преимущества:
1)	более высокая достоверность оценки. Точки на характеристике искробезопасности исключают значительные колебания значений воспламеняющих параметров в сравнении с отдельными испытаниями;
2)	расчетная оценка имеет более широкую область применения в сравнении с камерными испытаниями. Характеристики искробезопасности могут быть получены в области параметров электрических цепей, где экспериментальные методы невозможны из-за влияния реактивных параметров искрообразую-шего механизма и его присоединительных проводов. При уста
435
новлении характеристик искробезопасности реактивные параметры искрообразующего механизма и его присоединительных проводов могут быть измерены и использованы в качестве эталонных;
3)	расчетная оценка имеет более высокую информативность за счет получения ее результатов в количественной форме в виде значений коэффициентов искробезопасности. Испытания во взрывной камере обеспечивают только качественный результат: да или нет;
4)	для выполнения расчетной оценки в сравнении с камерными испытаниями требуется затратить меньше труда и меньше времени;
5)	расчетная оценка позволяет выбирать более рациональные параметры искробезопасного электрооборудования;
6)	расчетная оценка искробезопасности электрических цепей доступна не только испытателям Сертификационных центров взрывозашишенного и рудничного электрооборудования, но и разработчикам искробезопасной аппаратуры, которые обычно не имеют экспериментальной испытательной аппаратуры.
О необходимости развития, совершенствования и расширения использования расчетной оценки искробезопасности электрических цепей настоятельно рекомендует МЭК (Международная электротехническая комиссия) в своих стандартах на взрывозашишенное электрооборудование [2]. При всей привлекательности расчетных методов оценки искробезопасности электрических цепей они до сих пор не заняли достойного места в процессе разработки нового искробезопасного электрооборудования и в его сертификационных испытаниях. В данной работе намечено проанализировать настоящее положение в России и за рубежом с расчетной оценкой искробезопасности электрических цепей и наметить пути ее дальнейшего развития.
При коммутации (замыкание и размыкание) электрических цепей возникают электрические разряды. Электрические разряды подразделяются на разряды замыкания и размыкания. Причем в зависимости от параметров электрических цепей или один или другой вид разрядов может быть более опасным. Чаще всего разряды замыкания в основном являются более опасными в емкостных цепях, а разряды размыкания - в омических
436
и индуктивных цепях. Первоначально рассмотрим вопрос расчетной оценки искробезопасности электрических цепей по разрядам замыкания.
В электрических цепях емкости конденсаторов и напряжения на них могут превышать искробезопасные значения. Существует несколько способов, основанных на снижении энергии и мощности электрического разряда, которые позволяют емкостную цепь сделать искробезопасной. К таким способам следует отнести снижение значения емкости конденсатора, уменьшение величины напряжения на нем или подсоединение непосредственно к конденсатору ограничительного сопротивления или индуктивного элемента. Использование одного или нескольких методов для обеспечения искробезопасности зависит от параметров разрабатываемой аппаратуры. В разрабатываемой аппаратуре могут быть несколько различных конденсаторов. В результате учета аварийных режимов может возникнуть параллельное соединение конденсаторов. Электрооборудование считается искробезопасным относительно имеющихся в нем емкостных элементов только в том случае, если каждая емкостная цепь в отдельности и возможное параллельное соединение нескольких емкостных цепей является искробезопасным.
Количество возможных параллельных соединений с одной стороны определяется уровнем искробезопасной цепи и связанным с ним количеством учитываемых при испытаниях повреждений. Не учитываемые повреждения возникают в основном при уменьшении электрических зазоров и путей утечки, а также других конструктивных повреждений относительно требований, установленных нормативными документами. Уменьшение электрических зазоров и путей утечки, как правило, имеют место при использовании в электрических схемах современных элементов микроэлектроники из-за их недостаточной надежности и необходимости увеличения плотности монтажа в электрических схемах.
В искробезопасном электрооборудовании емкостные цепи могут состоять из одних конденсаторов, а также содержать резисторы и индуктивные элементы. Если в емкостных цепях последовательно с конденсаторами не включены другие элементы, то параллельное соединение эквивалентно одному конденсатору с емкостью, равной сумме емкостей отдельных конденсаторов. Искробезопасность одного конденсатора может быть
437
оценена по характеристике искробезопасности Uc = /(С) при условии, что в электрический разряд попадает только энергия , накопленная в конденсаторе. В стандарте МЭК [3] приведены характеристики искробезопасности Uc = /(С) для четырех представительных смесей классификационной таблицы и в виде табличных данных. Однако эти характеристики искробезопасности имеют ограниченную область применения, так как установлены при токе подпитки от источника питания не более 2 мА. Желая расширить область применения расчетной оценки на искробезопасность емкостных цепей и не имея других характеристик искробезопасности разработчики искробезопасной аппаратуры и испытатели в сертификационных центрах взрывозашишенного и рудничного электрооборудования ошибочно используют данные характеристики искробезопасности вне зависимости от тока подпитки от источника питания, что приводит к необъективной оценке. О серьезности ошибок при оценке на искробезопасность емкостных цепей при использовании данных характеристик искробезопасности проследим ниже.
Важным этапом в развитии расчетной оценки искробезопасности емкостных цепей явилось установление с помощью экспериментов во взрывной камере с использованием искро-образуюшего механизма 1-типа (механизм МЭК) зависимостей воспламеняющего напряжения от емкости конденсатора и сопротивлений в ее зарядной и разрядной цепях для активизированных взрывоопасных смесей I, НА, ПВ и ПС категорий взрывоопасности для токов подпитки от источника питания от 2 мА до 2,0 А. Для каждой взрывоопасной смеси установлены зависимости Ub = /(С, Ri, Rg) в виде 4 аналогичных зависимостей (рис. 1) для Ri = 0, 10, 100 и 1000 Ом. На рис. 1 приведены зависимости Ub = /(С, Ri, Rg) для Ri = 0 и взрывоопасных сред I категории взрывоопасности. Анализ приведенных характеристик Ub = /(С, Ri, Rg) показывает, что в зависимости от параметров электрических цепей наиболее опасными являются разряды размыкания или разряды замыкания. Для ряда электрических цепей при одном значении емкости конденсатора в зависимости от тока подпитки напряжение зажигания изменяется в несколько раз, что говорит о недопустимости использования при оценке характеристик искробезопасности Uc = /(С) без учета токов подпитки от источника питания. Установлен
438
ные характеристики искробезопасности для активизированных взрывоопасных смесей ПА и ПВ категорий взрывоопасности приведены в стандарте [1]. Приведенные характеристики искробезопасности Ub = /(С, Ri, R2) позволяют установить искробезопасные параметры емкостных цепей, когда параллельное соединение емкостных элементов может быть заменено одним.
Сложные емкостные цепи, например, содержащие искрогасящие сопротивления, оценить по характеристикам искробезопасные Ub = /(С, Ri, R2) на искробезопасность невозможно. Поэтому была разработана методика расчетной оценки искробезопасности сложных емкостных цепей, использующая принцип эквивалентного замещения сложных цепей простыми с последующим использованием указанных характеристик искробезопасности. В основе эквивалентного замещения сложных емкостных цепей простыми лежит одинаковая воспламеняющая способность основанная на одинаковом законе выделения энергии из простой и сложной емкостной цепи в разряд при коммутации этих цепей. Справедливость такого метода замещения емкостных цепей была подтверждена экспериментально. Для удобства работы при оценке сложных емкостных цепей была разработана компьютерная программа, позволяющая наряду с оценкой искробезопасности осуществлять выбор оптимальных параметров электрической цепи.
Так как характеристики искробезопасности Ub = /(С, Ri R2) получены для размыкаемых токов до 2,0 А, то в настоящее время ведутся исследования по расширению их области применения на большие токи и меньшие напряжения источников питания. На рис. 2 приведены вновь установленные зависимости Ub = /(С, Ri, R2) для Ri = 0 и взрывоопасных сред I категории взрывоопасности. Характеристики искробезопасности Ub = /(С, Ri, R2) [4] должны ограничиваться определенным значением низкого напряжения. Таким ограничением является минимальное напряжение зажигания дуги, которое для материалов контактов искрообразуюшего механизма МЭК равно 8 В. При этом следует иметь в виду, что характеристики искробезопасности Ub = /(С, Ri, R2) могут существовать только при напряжении источников питания выше 8 В. При напряжениях источников питания 8 В и меньше возможны в емкостных цепях только разряды размыкания.
439
Рис. 1. Минимальное воспламеняющее напряжение в активизированной водородо-кислородной смеси (85%Н2+15%О2) для ёмкостных цепей рудничного электрооборудования при Ri- О Ом
Рис. 2. Минимальное воспламеняющее напряжение в активизированной водородо-кислородной смеси (85%Н2+15°/оО2) для ёмкостных пепей рудничного электрооборудования при Ri - О Ом
В части разрядов размыкания до последнего времени расчетная оценка искробезопасности электрических цепей по разрядам размыкания ограничивалась простыми индуктивными и омическими цепями, для которых с помощью экспериментов во взрывной камере были установлены и приведены в действующих стандартах [1,3] характеристики искробезопасности 1в = f(L, Е). Однако оценка искробезопасности этих простых электрических цепей имеют ограниченную область применения. Характеристики искробезопасности 1в = f(L, Е) получены для размыкаемых токов до 2 А в пределах области применения искрообразующего механизма I типа. В последнее время в ИПКОН РАН в результате экспериментальных исследований установлены характеристики искробезопасности 1в = f(L, Е) (рис. 3) для активизированной кислородоводородной смеси применительно к рудничному электрооборудованию [4]. В данных характеристиках размыкаемые токи повышены до 16,8 А, что позволяет оценивать на искробезопасность химические источники тока в режиме короткого замыкания и совместно с индуктивными нагрузками. Новые характеристики искробезопасности позволяют разрабатывать рудничные переносные приборы с более высокими технико-экономическими показателями. Аналогичную работу намечено выполнить применительно к взрывоопасным смесям других категорий взрывоопасности. Более сложные электрические цепи оценить по этим характеристикам искробезопасности нельзя. Некоторые испытатели пытаются по этим характеристикам искробезопасности оценивать источники питания со стабилитронной зашитой. Однако это недопустимо, так как искробезопасный ток в источнике питания со стабилитронной зашитой при одном выходном напряжении с источником питания с линейной нагрузочной характеристикой может быть в несколько раз меньше что ведет к необъективной оценке.
Была поставлена задача разработать расчетный метод оценки искробезопасности электрических цепей любой сложности, учитывающий наиболее опасные условия коммутации для каждой электрической цепи. Научным базисом перехода к такой оценке послужили исследования, приведенные в работе [5]. На основе проведенных исследований был сформулирован принцип расчетной оценки искробезопасности электрических цепей по разрядам размыкания, заключающийся в определении
442
Рис. 3. Зависимости минимального воспламеняющего тока от элс. источника питания и индуктивности цепи для водородокислородиой (85% Нг + 15% О2) смеси
энергии и длительности электрического разряда на каждой из возможных скоростей размыкания контактов и последующего сравнения полученных энергий со значениями воспламеняющих энергий при одинаковых длительностях разрядов и скоростях размыкания контактов. Данный метод расчета искробезопасности электрических цепей приведен в действующем стандарте II].
Для практической реализации этого принципа расчетной оценки искробезопасности электрических цепей необходимо определять параметры электрического разряда при разных скоростях размыкания цепи. Для этого была использована модель электрического разряда, построенная на основе экспериментальных статических вольтамперных характеристик электрического разряда [5]. Математическая модель электрического разряда определяется выражением
Up = UK + (а + ЬДР) 1Р	(1)
где ир - напряжение на разрядном промежутке; UK - минимальное значение катодного падения напряжения; 1р - ток разряда; 1р- длина разряда; а и b - коэффициенты.
Для трех диапазонов изменения тока разряда 1Р < 0,058 А; 0,058 А < 1Р < 0,340 A; Zp>0,340 А значения коэффициентов а и b соответственно составляют а = 98,122 В/мм, b = 2,033 В.А/мм;
а = 49,235 В/мм, b = 4,848 В.А/мм; а = 35,712 В/мм, b = 9,442 В.А/мм.
Оценка искробезопасности электрической цепи по данной методике сводится к следующему. При параметрах электрической цепи, используя модель электрического разряда (1), расчетным путем определяют энергию разряда за вычетом катодных потерь и его длительность при заданной скорости размыкания контактов I/ из диапазона Km,„<^<Fmac. Полученное значение энергии разряда сравнивают со значением минимальной воспламеняющей энергии при такой же длительности и скорости разведения контактов. Электрическая цепь считается искробезопасной, если при всех скоростях разведения контактов энергии электрических разрядов не превышают минимальных воспламеняющих значений энергии разряда, получаемых из зависимостей на рис. 4. Если значения энергии и длительности электрического разряда определяют
444
Рис. 4. Минимальная воспламеняющая энергия метановоздушной смеси (8,3%СН4+91,7% воздух) в зависимости от длительности электрического разряда и скорости размыкания контактов
при номинальных параметрах электрической цепи, то для сравнения используют значения воспламеняющих энергий, уменьшенных в Кю раз, где Kw - коэффициент искробезопасности по энергии, обеспечивающий регламентированный коэффициент искробезопасности К по току для рассматриваемой электрической цепи.
Приведенная методика расчетной оценки искробезопасности электрической цепи позволяет определить минимальный воспламеняющий ток и наиболее опасную скорость размыкания контактов, характерную для оцениваемой электрической цепи любой сложности. В отличие от экспериментального метода оценки искробезопасности электрических цепей данная
445
методика учитывает наиболее опасные условия коммутации для всех электрических цепей. Искрообразующий механизм взрывной камеры не обеспечивает весь диапазон изменения скорости движения контактов. Он имеет максимальную и минимальную скорость разведения контактов, а также некоторые промежуточные скорости, что не позволяет реализовать наиболее опасные условия коммутации для огромного числа сложных электрических цепей. Методика расчетной оценки дает возможность получать численные значения коэффициентов искробезопасности и из многих испытательных электрических цепей выбирать наиболее опасный испытательный режим, который при необходимости можно подвергнуть камерным испытаниям, снижая тем самым сроки испытаний электрооборудования на искробезопасность. Использование данной методики позволяет осуществлять оптимальный выбор параметров разрабатываемого электрооборудования.
Сложным моментом использования данной методики расчета является необходимость решения дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы в оцениваемой электрической цепи и в электрическом разряде. Используя данную методику были рассчитаны и построены характеристики искробезопасности 1в = f(L, Е) для представительных взрывоопасных смесей для омических и индуктивных цепей с индуктивностью от 10'7 до 0,1 Гн и размыкаемыми токами от десятка мА до сотни Ампер. Расчет выполнялся из условия, что источником воспламенения взрывоопасных смесей являлся только электрический разряд Экспериментальные исследования по установлению аналогичных характеристик искробезопасности для активизированной взрывоопасной смеси I категории взрывоопасности показали, что контактным перегревом для токов до 16,8 А можно пренебречь. Разделив рассчитанные значения воспламеняющих токов на коэффициент искробезопасности 1,5, получаем полное совпадение с экспериментальными характеристиками искробезопасности. В дальнейшем была разработана программа и рассчитаны воспламеняющие токи для источников питания со стабилитронной зашитой. Перспективным направлением данной работы является разработка электрической модели разряда, которая позволит оценивать на искробезопасность электрические цепи любой сложности. В этом случае мы от расчетного метода оценки искробезо-
446
пасности электрических цепей переходим к электроизмерительному, не требующему решения сложных дифференциальных уравнений.
В заключение следует отметить, что в данной работе рассмотрено современное состояние в России и за рубежом в части расчетного метода оценки искробезопасности электрических цепей. Приведены новые решения в России в этой области и намечены дальнейшие пути развития расчетного и электроизмерительного метода оценки искробезопасности электрических цепей.
------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. ЧастьИ. Искробезопасгая электрическая цепь i. Введен. От 01.01.00.- М.: Издательство стандартов. - 2000. - 117 с.
2.	МЭК 60079-0-98. Электрооборудование для взрывоопасных сред. Часть 0. Общие требования.
3.	МЭК 60079-11-99. Электрооборудование для взрывоопасных сред. Часть 11. Искробезопасгая электрическая цепь i.
4.	Толченкин Р.Ю. Разработка метода оценки и способов обеспечения искробезопасности рудничных переносных приборов и электрооборудования. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн, наук. М.-. ИПКОН РАН. - 2009. - 18 с.
5.	Ерыгин А.Т.,Трембинкий А.Л., Яковлев В.П. Методы оценки искробезопасности электрических цепей. М.: Наука, 1984. - 256 с. шыз
А.Т. Erygin
DEVELOPMENT OF A SETTLEMENT METHOD OF ESTIMATION INTRINSIC SAFETY ELECTRIC CIRCUITS.
In the report modem position in the world regarding a settlement estimation intrinsic safety electric circuits is analysed. Advantages of a settlement estimation electric circuits in comparison with an experimental method are shown. Last results of researches are resulted in the field of a settlement estimation intrinsic safety, electric circuits and ways of itsfher) further development are planned.
Key words: intrinsic safety, safe circuit, apparatus, settlement estimation.
— Коротко об авторе ---------------------------------
Ерыгин А. Т. - профессор, доктор технических наук, УРАН ИПКОН РАН, т.р. 360-76-05, т.д. 559-64-52.
447
------------------------------ © С.З. Шкундин, A.ZI. Иванников, 2010
УДК 622: 004.94
С.З. Шкундин, АЛ. Иванников
РАЗРАБОТКА МЕТОДА МЕЖУЗДОВЫХ ДЕПРЕССИЙ ДЛЯ РАСЧЁТА ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ
В НОРМАЛЬНЫХ И АВАРИЙНЫХ УСЛОВИЯХ
Предложен новый метод расчёта вентиляционных сетей, не требующий применения теории графов и построения дерева минимальных сопротивлений с выделением контуров. Разработаны алгоритм и программа расчёта вентиляционной сети любой сложности с нулевой невязкой по депрессии в любом контуре. Предложенный метод может быть использован для контроля состояния проветривания выработок при различных режимах движения воздуха. Полученные результаты можно использовать при оценке устойчивости вентиляционных струй в диагоналях и определении расхода пожарных газов, поступающих на свежие струи.
Ключевые слова: метод межузловых депрессий, вентиляционные сети, сетевые методы расчёта, математическое моделирование.
Семинар Ns 24
Наряду с известным методом контурных расходов [1 -7] для решения сетевой вентиляционной задачи предлагается метод межузловых депрессий, сущность которого заключается в следующем. Используя те же уравнения движения воздуха и его неразрывности, можно выразить расходы воздуха через депрессии и устранять тем или иным приближённым методом невязки не депрессий в контурах, а невязки расходов в узлах. В этом случае ЭВМ сразу же приступает к итерационному процессу уменьшения невязок расходов, используя в каждом узле всего 2-4 ветви.
Наличие одной висячей ветви, примыкающей к узлу, не будет указывать на допущенные ошибки при вводе исходных данных, так как в этом случае ветвь воспринимается как непроветриваемая выработка. Кроме того, введение ешё и ламинарного аэродинамического сопротивления позволяет не вводить начальные приближения, что имеет большое преимущество по сравнению с другими методами.
Для наиболее общего случая движения воздуха в выработках, когда в вентиляционной сети имеются участки с ламинарным, турбулентным и промежуточным режимами движения, а также имеются вентиляторы главного проветривания с такой
448
А
же полиноминальной характеристикой, используем трёхчленный закон аэродинамического сопротивления в виде [8]:
h = h+ RO + RО2,	(1)
т л*-'	’	' '
где h - депрессия, прикладываемая к выработке, Па; hT - депрессия, создаваемая вентилятором или естественной тягой, Па; - линейная составляющая общего аэродинамического сопротивления, Па с/м3; RT - квадратичная составляющая общего аэродинамического сопротивления, Па-с2/м6; Q - расход воздуха в выработке, м3/с.
Можно показать, что линейная составляющая общего аэродинамического сопротивления находится в тесной связи с квадратичной составляющей. Так, исходя из двучленного закона сопротивления, имеем:
R„Q+RmQ2=(Q0+Q)RmQ,	(2)
где Qo ~ пороговая величина ламинарного расхода воздуха, м3/с.
Таким образом, линейная составляющая общего аэродинамического сопротивления равна:
R^RmQ0-	(3)
Пороговая величина ламинарного расхода воздуха определяется по формуле:
где v - коэффициент кинематической вязкости воздуха, равный 1,5-10’5 м2/с; Р- периметр выработки, м; £- коэффициент турбулентного аэродинамического сопротивления выработки.
Так как в рудничной аэрологии размерный коэффициент сопротивления трения в основном, исключая лавы, находится в пределах а ! О3 = 5 + 25 кг/м3 [8], то безразмерный коэффициент трения будет находиться в пределах Ci = 0,033 + 0,167, поскольку в рудничной аэрологии принято считать за коэффициент трения величину [8]:
« = ^о/8-	(5)
Согласно табл. 1 [9] периметр выработок различных форм сечения равен:
Р = (3,86 ±0,3) VJ,	(6)
где S - площадь поперечного сечения, м2.
449
Таблица 1
Связь между площадью поперечного сечения выработки и её сечением
Форма сечения	Формула для определения периметра
Круглая	3,56^5
Трапениевидная	4,16
Арочная	3,84a/S
Квадратная	4a/S
Расчёты по формуле (6) показывают, что отклонения средних значений периметров выработок для различных форм сечения согласно табл. 1 не превышают 8%.
Тогда при значениях площади S = 5-15 м2 и при v = 1,5-10'5м2/с получим:
бо =1^ = 0,012 +0,11 м3/с.	(7)
Таким образом, если расход воздуха в выработке меньше Q < 0,1 м3/с, то режим движения ламинарный. Если Q > 1 м3/с, то режим движения турбулентный. Очевидно, в диапазоне расходов от 0,1 м3/с до 1 м3/с имеет место промежуточный режим.
Такую же зависимость, как и (1), представляет собой характеристика вентилятора главного проветривания [8]:
h = a-bxQ-b2Q2,	(8)
где а - максимальная депрессия, которую может создать ВГП при малых расходах воздуха, Па; bi - параметр линейной характеристики вентилятора, Па-с/м3; th - параметр квадратичной характеристики вентилятора, Па с5/м6.
Параметры зависимости (8) обычно определяются, исходя из графической характеристики ВГП. При этом параметр bi может быть как положительным, так и отрицательным.
На рис. 1 представлены кривые характеристик ВГП при различных коэффициентах уравнения (2), чтобы показать, что нельзя пользоваться только квадратичной зависимостью.
450
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
h, да ПА
bi = 2 даПа-с/м3
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Рис. 1. Возможные характеристики вентиляторов главного проветривания при их работе иа вентиляционную сеть (кривая 1)
Кривые рис. 1 построены в соответствии с зависимостью (2) при а = 500 даПа, Ьг = 0,1 даПас2/м6 и при аэродинамическом сопротивлении сети R = 0,1 даПа с2/мб (кривая 1). Анализ графических зависимостей показывает, что при изменении режимов проветривания каждый раз придётся перестраиваться при квадратичной зависимости (bi = 0) на фактическую кривую {bi t 0). Не в пользу квадратичной зависимости говорит и то, что, как отмечается в работе [7], действительная характеристика имеет перегибы («горбы»), которые можно учесть только при bi < 0.
Учёт трёхчленного закона сопротивления как раз и позволяет учесть любую действительную характеристику вентилятора, приняв для ветви-вентилятора hm = -a; R„ = -by RT = -Ьг-Таким образом, каждая ветвь может моделироваться как вентилятор и их количество неограниченно вплоть до того, что все ветви - вентиляторы. Это открывает широкие возможности при математическом моделировании воздухорас-пределения в вентиляционных сетях со множеством источников тяги.
Таким образом, предлагается унифицированный подход к ветвям и вентиляторам, не делая различий между ними.
451
Разрешая уравнение (1) относительно расхода воздуха, получим:
-R+jR2+4Rm(h -hm) q _ л v л_______(g)
27?_ т
Полученная зависимость (9) расхода воздуха от депрессии и аэродинамических сопротивлений неудобна для анализа режима проветривания выработки (турбулентного или ламинарного). Она также неудобна для определения знака направления движения воздуха. Поэтому дополняя числитель до квадрата, получим:
[-Я +-xte+4/? (й + Jr2+4R (h -Л )]
_ •- л у л т \ m/JL л у л т\	т / J	(10) 2Rm № + лМл2+4Я,(/г -А)]
/я«- л у л т к	т/ J
Из полученной зависимости (10) следует, что числитель представляет собой разность квадратов. Это позволяет получить с учётом знака удобную для расчёта расхода воздуха формулу:
Q =------ .	(11)
Я +Ж+4Л |/г -hm I
Л у Л	Ш	/И
Из анализа полученной формулы (11) следует, что она одновременно учитывает, как турбулентный (R^ = 0), ламинарный (Rm, = 0), а также промежуточный режимы проветривания выработок.
Так как в контурах сумма депрессий должна равняться нулю, то будем рассматривать только уравнение неразрывности вентиляционного потока в узлах сети, присваивая каждой ветви, относящейся к узлу индекс "Г:
Ё(<2,+А)=о,	(12>
/=1
где 4 - постоянный напорный источник (дебит метана) в ветви /, м3/с.
Подставляя формулу для расхода воздуха (12) в уравнение неразрывности вентиляционного потока (12), будем иметь:
/(*,) - £[-----i2r~h"‘-l------7+/'1'
(13)
452
Очевидно, уравнение (13) учитывает закон сохранения расходов воздуха в узлах, как при ламинарном, так и при турбулентном режимах. В результате имеем систему нелинейных уравнений, равных количеству узлов сети. В этом случае нет необходимости связываться с построением дерева минимальных сопротивлений и поиском независимых контуров, поскольку при решении системы уравнений (13) невязки в контурах по депрессии, как уже указывалось, автоматически будут равны нулю.
Для решения системы уравнений (13), выраженных для расходов воздуха через депрессии, используем итерационный метод касательных или метод Ньютона [10], в котором невязка по депрессии в каждом узле определяется по формуле:
ДА	(14)
J fW
где Ahj- невязка по депрессии в/-м узле; j -номер узла.
Производная функции f находится путём дифференцирования уравнения (13) по Д и равна:
У ------J-------.	(15)
« А2<+4Л-А-<и
Анализ полученной зависимости (15) показывает, что она представляет собой известную в электротехнике проводимость узла, в чём можно убедиться, полагая при линейном сопротивлении Rmi = 0. Поэтому с полным основанием можно утверждать, что предлагаемый метод межузловых депрессий является аналогом метода узловых потенциалов, широко используемым при расчётах электрических цепей [11].
При последовательном приближении невязка в узлах (13) будет уменьшаться по депрессии и, следовательно, по расходу воздуха до тех пор, пока не будет достигнута заданная точность, например:
де,=Ё<—+/)so,oi, ив)
« Л„ + 7д.2,+4Л.,|Л,-Л„|
где AQ - невязка по расходу воздуха для узлов у, м3/с.
Таким образом, в предлагаемом методе межузловых депрессий, в отличие от метода контурных расходов, невязка по депрессии в контурах автоматически равна нулю и к тому же
453
не требуется первоначальное задание депрессий или расходов в ветвях, так как удаётся избежать деления на ноль благодаря учёту ламинарного сопротивления. Все невязки по расходам воздуха в узлах могут быть принятыми после определённых шагов приближения менее 0,01 м3/с, что будет говорить о большой точности расчётов вентиляционных сетей.
Разработанный метод межузловых депрессий может быть использован для расчёта вентиляционных сетей любой сложности, а также для расчёта электрических цепей с линейными и нелинейными характеристиками и отличными от нуля сопротивлениями.
При расчёте сложных вентиляционных сетей можно хранить только один массив аэродинамических сопротивлений, учитывая при этом турбулентный, ламинарный и промежуточный режимы движения воздуха. Второй массив ламинарных сопротивлений определяется автоматически, если принимать
= QoRm при среднем значении Qo согласно (7). Для ветвей-вентиляторов или выработок с пожаром линейное и квадратичное сопротивления определяются обособленно.
Разработаны алгоритм и программа расчёта вентиляционных сетей методом межузловых депрессий. При вводе исходной информации о вентиляционной сети можно иметь всего два узла, если все ветви параллельны друг другу, и можно иметь столько узлов, сколько ветвей при последовательном их соединении. Допускаются даже "висячие" узлы или ветви, поскольку это соответствует реальному объекту - непроветриваемым подготовительным (тупиковым) выработкам. Кроме того, отключение вентилятора местного проветривания (ВМП) для проветривания тупика вовсе не означает, что в данном случае появился "висячий" узел или ветвь. Они всё равно должны включаться в сеть и отражать реальную обстановку.
Необязательно знать, сколько узлов. Допускаются даже их пропуски, например: 1, 2, 5, 10, 11, 20 - лишь бы были указаны максимальный узел, в данном случае - 20, и количество ветвей - 6.
Единственное требование: все аэродинамические сопротивления должны быть отличны от нуля, даже для коротких выработок, так как в них обязательно есть местные потери депрессии, связанные с поворотами потоков в узлах.
454
Рис. 2. Схема простой диагональной вентиляционной сети
Результаты расчёта на ЭВМ методом межузловых депрессий вентиляционных
сетей, как при нормальных, так и при аварийных условиях, показали, что невязки в контурах равны нулю, а невязки расходов в узлах менее 0,01 м3/с.
Для демонстрации точности и преимущества разработанного метода межузловых депрессий при расчётах нарушения и устойчивости проветривания горных выработок рассмотрим пример простого диагонального соединения (рис. 2).
Номера ветвей, узлов и их количество приведены в табл. 2. Там же указаны аэродинамические сопротивления ветвей и характеристика вентилятора. Приведенная схема (рис. 2) соответствует реальному объекту, когда в выработке 2-4 возник пожар и, чтобы пожарные газы не попадали в выработку 2-3, где находятся люди, решено было увеличить её аэродинамиче
ское сопротивление.
Известно [8], что направление движения воздуха в диагонали 2-4 будет от узла 2 к узлу 4, если выполняется неравенство:
^1-4 ' ^2-3 > ^1-2 ' ^3-4 •	(1?)
Однако, как показали расчёты известным контурным методом, даже при невязке в контурах Ah < 1 Па воздух с расходом почти 0,5 м3/с движется от узла 4 к узлу 2, чего согласно (17) быть не может.
Если ранее допускалось менее 10 Па или менее 1 мм вод. ст. [7] при количестве итераций не более 200, когда невязки по депрессиям могут быть ешё больше, то оценки устойчивости вентиляционных струй по контурному методу могут быть очень грубыми. В этом случае для повышения точности расчётов необходимо во много раз уменьшать невязку по депрессии в контурах,
455
что приведёт к значительному увеличению числа итераций. Если даже при современном быстродействии ПЭВМ можно не обращать внимания на количество итераций, то всё равно при приближённом равенстве соотношения (17) нельзя ответить на вопрос, куда движется воздух, так как невязка по депрессии всё равно остаётся. С другой стороны, результаты расчёта узловым методом показали, что при соблюдении неравенства (17) воздух с расходом около 0,5 м3/с движется от узла 2 к узлу 4, как и должно быть. При этом невязки в контурах равны нулю, а расходы в узлах определяются с точностью до второго знака после запятой, причём, как показали дальнейшие расчёты, даже большие невязки по расходу воздуха в узлах не сказываются на точности оценок устойчивости вентиляционных струй.
------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Разработка программно-вычислительного комплекса «Аэросеть» для расчёта вентиляционных сетей шахт и рудников /Б.П. Казаков, Ю.В. Круглов, А.Г. Исаевич, 71.Ю. 71евич //Аэрология: Сб. научных трудов по материалам симпозиума «Неделя горняка» - М..- Изд-во МГТУ, 2006. - 240 с.
2.	Красноштейн А.Е., Алыменко Н.И., Круглов Ю.В. Вентиляционные режимы шахты «Объединённая» при пожаре в стволе шахты «Центральная» /Безопасность труда в промышленности, 2007, №9. - С. 28 - 32.
3.	Автоматизированное рабочее место для решения проблем проветривания шахт /И.Е.Болбат, С.Б.Романченко, М.В.Кравченко, В.П.Самбур //Уголь Украины. - 1992,	11. - С. 33 - 36.
4.	Романченко С.Б., Клебанова Н.М. Усовершенствованный алгоритм решения сетевой вентиляционной задачи //Горноспасательное дело: Сб. науч. тр. НИИГД. - Донецк, 1993. - С. 65 - 68.
5.	Кравченко М.В., Кравченко Н.М. Комплекс программ для решения задач вентиляции шахт и разработки планов ликвидации аварий //Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий. Тезисы докладов Международной научно-практической конференции. - Донецк, Украина, 2002. - С. 85 - 87.
6.	Компьютерная система для оперативного реагирования на аварийные ситуации в подземных сооружениях. /П.С. Пашковский, В.И. Лебедев, М.В. Кравченко, Н.М. Кравченко. - Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. Сб. тезисов докладов IV Международной научно-практической конференции, т. 3. - Минск, 2007. - С. 88 - 90.
7.	Иванов В.В., Рязанцев ГК Проветривание шахт и рудников с учётом аэротермодинамики. - Алма-Ата, Наука Казахской ССР, 1989. - 144 с.
8.	Ушаков КЗ., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Медведев И.И. Аэрология горных предприятий. - М.: Недра, 1987. - 421 с.
456
457
9.	Устав ВГСЧ по организации и ведению горноспасательных работ. -М.: Недра, 1970. - 200 с.
10.	Уорн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1974 с. - 831 с.
11.	Нерретер В. Расчёт электрических цепей на персональной ЭВМ: Пер. с нем. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 220 с. ЕНЗ
S.Z. Shcundin, A.L. Ivannicov
THE INTERVENTILATION NET NODES METHOD ELABORATION FOR NETS MODELING IN REGULAR AND EMERGENCY SITUATIONS
The new method of ventilation nets is offered. It does not need the graph theory application and the minimum resistance tree building with outlines extraction. The algorithm and program for ventilation net of any complexity modeling with absence of the depression misbalance in any outline, the method offered may be applied for ventilation control under different regimes of air movement. The method may be used for ventilation in diagonal mode stability evaluation and for fire gases flow rates determination.
Key words: interventilation net nodes method, ventilation nets, calculation methods, mathematics modeling.
— Коротко об авторах----------------------------------------
Шкундин С.З. - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой Электротехники и информационных систем, Заслуженный деятель науки и техники РФ, E-mail: shkundin@msmu.ru
Иванников А.Л. - кандидат технических наук, доцент кафедры Электротехники и информационных систем, E-mail: ivannickov@msmu.ru Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
458
---------------------- © Е.П. Мельников, И.Н. Миков, Т.Б. Теплова, Ю.А. Павлов, В.И. Морозов, 2010
УДК 671 (12+15)
Е.П. Мельников, И.Н. Миков, Т.Б. Теплова,
Ю.А. Павлов, В.И. Морозов
СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ ЮВЕЛИРНО-
КАМНЕРЕЗНОГО НАПРАВЛЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЙ В МГТУ
Определяются актуальные направления совершенствования образовательной и исследовательской подготовки высококвалифицированных кадров в Московском государственном горном университете по специальности «Технология художественной обработки материалов».
Ключевые слова: образование, научные исследования, подготовка, кадры, технология, обработка, геммология, дизайн, материалы.
Семинар № 25
В настоящее время кафедра ТХОМ МГТУ ведет подготовку дипломированных специалистов по направлению «Технология художественной обработки материалов». Студенты после окончания университета получают квалификацию инженер-технолог. Кафедра входит в первую пятерку ВУЗов России, где был начат выпуск специалистов по данному направлению. В России в настоящее время подготовка специалистов по направлению ТХОМ ведется в 40 ВУЗах, с учетом специфики региона, где расположен ВУЗ. Московский энергетический университет (Смоленский филиал, огранка алмазов в бриллианты), МГУ (геммология), Иркутский технический университет (производство и оценка ювелирных изделий), Российский геологоразведочный университет (геммология, технология обработки драгоценных камней), Уральский горно-геологический университет (технология художественной обработки драгоценных камней, цветного и облицовочного камня), Магнитогорский технический университет (технология художественной обработки камня), Тверской технический университет (технология обработки камня), Костромской технический университет (технология обработки драгоценных металлов и производство ювелирных украшений), Ростовский строительный университет (обработка керамики), Московский государственный институт сервиса. Другие ВУЗы готовят специалистов в области изготовления художественных изделий из дерева, стекла, керамики и других материалов. Поэтому кафедра видит свою главную задачу
459
лов. Поэтому кафедра видит свою главную задачу в повышении качества подготовки специалистов. По уровню знаний и умения студенты МГТУ должны быть лучшими в России. Это позволит привлечь абитуриентов из регионов России.
Учитывая, что МГТУ находится в Москве, где расположены крупные фирмы и предприятия по выпуску художественных изделий из камня и ювелирных изделий, кафедра нашла свою образовательную нишу. В настоящее время кафедра ведет подготовку по двум специализациям: первая - технология производства и оценка ювелирных изделий; вторая - технология художественной обработки камня. Готовы вести подготовку на платной основе по специализациям - геммология, дизайн ювелирных изделий и художественных изделий из камня. В связи с переходом России на подготовку специалистов в соответствии с Болонскими соглашениями будут меняться структура учебных планов и технология обучения. Кафедра ТХОМ уже имеет опыт подготовки бакалавров и магистров, накопленный в предыдущие годы и не будет иметь проблем с переходом на новую форму обучения. Считаем целесообразным сохранить подготовку и специалистов по нашему направлению на платной основе.
Особенности подготовки специалистов на кафедре заключаются в том, что студенты наряду с теоретическими знаниями получают практические навыки по изготовлению физических художественных изделий. Студенты работают с цветными и облицовочными камнями, с простыми сплавами. Университет и кафедра не имеют пока лицензии на работу с драгоценными камнями и ювелирными сплавами. Каждый студент, выходя на защиту дипломного проекта, представляет физическое художественное изделие собственного изготовления, пояснительную записку, комплект чертежей. Пояснительная записка, в зависимости от темы проекта, включает в себя общую часть (описание художественного изделия и материала, из которого оно изготовлено, методы определения свойств материала, описание аналога, годовая программа выпуска, тип производства), технологический процесс изготовления художественного изделия с комплектом технологических и операционных карт; проект ювелирного или камнеобрабатывающего участка, стандарт предприятия по качеству или стандарт технического регламента, расчет себестоимости изготовления художественного изде
460
лия, техника безопасности. Ювелиры для ювелирного участка приводят проект организации охранной безопасности.
Используя опыт машиностроения, кафедра ТХОМ впервые среди родственных кафедр выступила инициатором обучения студентов разработке технологических карт, разработке охранной безопасности ювелирных производств. В настоящее время этот опыт распространяется среди ювелирных и камне-обрабатываюших предприятий России.
Научная работа на кафедре
В МГГУ на кафедре ТХОМ с 1998 года проводятся научные исследования по актуальной теме поверхностной обработки твердых хрупких минералов с получением нанометрового рельефа поверхности. В работах участвуют преподаватели, студенты и аспиранты кафедры. С 1998 года защищено 2 докторских и 2 кандидатских диссертаций, студенческие работы по этому направлению занимают призовые места на конкурсе «Неделя студенческой науки». Преподаватели, аспиранты и студенты кафедры участвуют в международных конференциях и симпозиумах. В 2009 году на кафедре проводятся научно-исследовательские работы по гранту МГГУ «Исследование условий получения нанометрового рельефа поверхности твердых хрупких минералов при их обработке». Актуальность темы обусловлена тем, что в настоящее время наблюдается быстрый рост производства различной высокотехнологичной продукции на основе алмаза и сапфира, требующей высокого качества поверхности этих материалов (до 1-10 нм). Такие жесткие требования необходимы для возможности их использования в качестве конструкционных материалов мощных СВЧ транзисторов, светодиодов и лазеров голубого и ультрафиолетового диапазона и т.д. Например, применение таких транзисторов в спутниках связи позволяет существенно снизить вес системы охлаждения спутников и продлить срок их службы. Однако для таких материалов, как алмаз, сапфир, карбид кремния не существует хорошо отработанных технологий обработки с получением нанометровой шероховатости поверхности.
Используемые в различных областях науки и техники материалы, (включая производимые в промышленных масштабах синтетические кварц, сапфир, рубин, алмаз, кремний и другие виды кристаллов), имеют природные аналоги. Не составляют исключения и наноматериалы (фотонные кристаллы, метомате
461
риалы). Однако в настоящее время работы в области наноматериалов сосредоточены в известных и давно практикующихся направлениях без исследования принципиально новых классов наноматериалов.
Соответственно, актуальным представляется создание в составе МГТУ Нанотехнологического центра с задачей поиска природных аналогов теоретически предсказываемых наноматериалов, проведение первичных исследований их свойств и реальной структуры, методик ориентации подложек и отработки методов механической обработки (резка, шлифовка, полировка и т.п.), динамических испытаний, в т.ч. модального анализа станков для механической обработки наноматериалов.
Организационная структура Центра будет представлена тремя направлениями:
1.	Исследование природных прототипов наноматериалов и нанопроцессов;
2.	Научно-технологическое обоснование методов и технологий синтеза кристаллов и эпитаксиальных пластин;
3.	Исследование механической обработки алмазов и других твердых материалов с получением нанометрового уровня шероховатости поверхности;
4.	Разработка и испытания технологического оборудования и рекомендаций по технологии обработки наноматериалов.
В работе над проблемой создания подложек для микроэлектроники с нанометровым рельефом поверхности будут принимать участие ведущие специалисты кафедры ТХОМ (Миков И.Н., Мельников Е.П., Теплова Т.Б., аспирант Гладченков Е.В. и др.) и специалисты научно-исследовательских и производственных организаций: Институт физики твердого тела РАН, Институт обшей физики им. А.М.Прохорова РАН, Институт кристаллографии РАН, ООО НПЦ «УралАлмазИнвест», ЦНИТИ Техномаш, Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ЭНИМС), Национальный институт авивционных технологий, ведущие ученые и технологи других организаций (Зеленоград, Сходня и др).
Кафедра продолжает научные исследования по научному направлению «Разработка теории сверхточной обработки сложных художественных изделий из хрупких материалов с анизотропными механическими характеристиками», позволяющей перейти из области искусства оператора в область машин
462
ного автоматизированного производства на основе осуществления размерно-управляемого пластического микрорезания с наложением дополнительных физических полей на станках с ЧПУ нового поколения.
В рамках этого направления ведутся исследования по темам:
-	Исследования, разработка концепции и организация выпуска экспортно-ориентированного станочного модуля с ЧПУ для микрошлифования технических и ювелирных алмазов и других сверхтвердых материалов. Руководитель работ доцент, к.т.н. Коньшин А.С.. Исполнители: проф., д.т.н. Миков И.Н., доц., к.т.н. Теплова Т.Б, асе. Ивлева Д.П., аспирант Гладченков Е.В.
-	Исследования, разработка концепции и организации выпуска настольных и накладных факсимильно-копировальных станков, позволяющих переносить в автоматическом режиме изображения на плоскую поверхность изделия , изготовленного из твердого материала, (камень, стекло, металл и др.).
Руководитель работ: проф., д.т.н. Миков И.Н.. Исполнители: к.т.н. Науменко И.А., асп. Осипова Д.П., Мезенцева И.Л., соискатель Стефанова Н..
-	Новыми для кафедры являются научные исследования в области геммологии. Сотрудниками кафедры ТХОМ развиваются два направления:
Диагностическая и генетическая геммология, позволяющая выявлять критерии происхождения драгоценных камней, определяющие их свойства и объекты добычи, что важно для потребителя и контролирующих органов.
Технологическая геммология, устанавливающая пределы механического и теплового влияния на камень без его разрушения или изменения природных качественных характеристик-Обратной задачей данных исследований является изучение влияния драгоценного камня на обрабатывающие инструменты и оборудование.
Актуальными являются и другие научные направления, развиваемые на кафедре ТХОМ:
Разработка концепции интегрированной модульной компьютерно-ориентированной системы дизайна, конструкторско-технологического проектирования и подготовки производства ювелирных изделий и художественных изделий из камня и других материалов.
463
Руководитель работы: проф., д.т.н. Павлов Ю.А.
Исполнители: доц. Кривоносов А.В., асп. Коржов Е.Г.
Разработка новых технологий изготовления ювелирных изделий и художественных изделий из минералов с оптимизацией режимов обработки.
Руководитель работы: проф., д.т.н. Морозов В.И..
Исполнители: ст. преподаватель Дубинин П.И., аспирант Дубинин С.П.
Соисполнители: ООО «Феникс серебряный»; ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы»
Считаем, что кафедра должна использовать имеющийся в МГТУ опыт кафедр ТО, ПРПМ, ОУГП, ЭЭГП по подготовке кандидатов и докторов наук среди высшего управленческого звена ювелирных и камнеобрабатывающих предприятий. В настоящее время ювелирные предприятия используют научные разработки ВПК, а камнеобрабатывающие - покупают иностранную технику. GEEJ3
Е.Р. Melnicov, LN. Micov, Т.В. Teplova,
U.A. Paavlov, V.I. Morozov
CONDITION AND DEVELOPMENT OF JEWELRY-STONECUTTING DIRECTIONS OF EDUCATION AND SEARCHINGS IN THE MOSCOW STATE UNIVERSITY OF MINING
The matter directions of improvement educational and searching training of high qualified specialists in the Moscow State University of Mining in specialty “Technology of art material process ” are determined.
Key words: education, science searching, preparation, stuff, technology, process, gemology, design, materials.
— Коротко об авторах------------------------------------------
Мельников Е.П. - профессор, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедры ТХОМ,
Миков И.Н. - профессор, доктор технических наук,
Теплова ТБ. - доиент, кандидат технических наук,
Павлов Ю.А. - профессор, , доктор технических наук, заместитель заведующего кафедры ТХОМ,
Морозов В.И. - профессор, , доктор технических наук, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
464
----------------------------- © В.М. Авдохин, Е.Н. Чернышева, 2010
УДК 622.7: 622.371 В.М. Авдохин, Е.Н. Чернышева СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБОГАЩЕНИЯ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ КИМБЕРЛИТОВ
Проведен сравнительный анализ технологий обогащения алмазосодержащих кимберлитов. Ключевые слова: технологии, обогащение, алмазосодержащие кимберли-
Семинар № 26
В настоящее время добыча алмазов осуществляется более чем в 25 странах мира. В том числе основных относятся Ботсвана (27%), Россия (20%), ЮАР (15%), Ангола (10%), Канада (7%), Конго (7%), Австралия (5%) и другие (порядка 5%).
Несмотря на ряд особенностей вещественного состава сырья, уровня развития горнодобывающих комплексов, климатических условий и других составляющих современные технологии добычи и обогащения алмазосодержащих кимберлитов в России в зарубежных странах имеют общие тенденции развития.
Современная зарубежная фабрика по добыче алмазов за последние десятилетия постепенно на макроуровне становится практически стандартной.
Общепринятая зарубежная технологическая схема состоит из следующих элементов: первичное дробление, скруббирова-ние и грохочение, вторичное дробление, тяжёлосредная сепарация, додрабливание валковым прессом высокого давления, осушка, магнитная сепарация, рентгено-люминесцентная сепарация, ручная сортировка, пневматическая транспортировка алмазов.
Отечественная технология обогащения алмазосодержащих кимберлитов на первых этапах своего становления опиралась на Южно-Африканский опыт обогащения кимберлитов. Проектная технология обогащения алмазного сырья на фабрике № 3 МГОКа (Мирнинского горно-обогатительного комбината) являлась модернизированной копией технологических схем обо-
465
гашения, используемых при переработке кимберлитов, принятых в корпорации Де Бирс. В силу существенных различий (природно-климатических, экономико-географических, технических) отечественной технологии пришлось во многом отказаться от первоначальных принципов построения технологических схем за рубежом.
Отечественная технологическая схема обогащения кимберлитов сводится к следующему. Исходный материал через стадию крупного начального дробления (или без него) поступает на самоизмельчение в замкнутом цикле с обесшламливаю-шим классификатором. После классификации материал рассеивается на классы, более крупные из которых идут на рентгенолюминесцентную сепарацию, а затем на доводку, а более мелкие - на отсадку и на РД- и жировую сепарации. Класс 2 мм обогащается с помощью винтовых сепараторов и флотацией.
Дезинтеграция исходной руды
Существует два основных метода по высвобождению алмазов, которые применяются на алмазодобывающих фабриках. Традиционно дробление применялось в ЮАР, и теперь этот способ используется в Австралии и Канаде. В России почти всегда применялось мокрое самоизмельчение с помощью мельниц, которые недавно были также установлены на руднике Ка-тока в Анголе.
Характерной чертой Южно-Африканской и Австралийской технологий обогащения алмазосодержащих кимберлитов является многостадиальное дробление исходной рудной массы. Чаше всего применяют три стадии дробления - крупное (с размером куска на выходе 200-300 мм), среднее (200-50 мм), и мелкое (50-6(8)мм). Стадиальное дробление применяется для разрушения прочных коренных пород с применением конусных, щековых и валково-зубчатых дробилок. Отличительной чертой является использование на крупных производствах оборудования большой единичной мощности с целью упрощения контроля за ведением процесса и снижением затрат на обслуживание и ремонт. До крупности 100-150 мм дробление идет в открытом цикле, при меньшей крупности - в замкнутом цикле с грохотами. Достоинством стадиального дробления является высокая сохранность кристаллов при их высвобождении из руд и меньший удельный расход электроэнергии. Однако, дробление глинистых руд, особенно мелкое (менее 8 мм) в
466
промышленных масштабах неосуществимо. При этом остается нераскрытой значительная часть алмазов меньшей крупности, К недостаткам также следует отнести: увеличение циркуляции руды за счет уменьшения ошламования её в дробилках, что приводит к увеличению числа обогатительного и вспомогательного оборудования; сложность и громоздкость основного и транспортного оборудования; значительное увеличение обслуживающего персонала дробильного отделения. Пылеобра-зование при дроблении в местах загрузки руды и в перегрузочных узлах подавляется водой и специальными порошками.
Для дезинтеграции руд на отечественных фабриках характерно крупное начальное дробление до размера 400 мм в щековых или конусных дробилках.
Размер дробленого куска определен требованиями создания оптимальной гранулометрии для эффективного ведения процесса самоизмельчения. При снижении размера дробленого куска до 200-100 мм в мельницах самоизмельчения резко сокращается объем измельчающей среды. На Юбилейнинском ГОКе пушены в эксплуатацию бесшаровые мельницы диаметром 10,5 м, позволяющие принимать исходное сырье в виде кусков размером до 1200 мм, что интенсифицирует процесс самоизмельчения и позволяет исключить стадию крупного дробления из технологии.
Дроблёная руда поступает в мельницы самоизмельчения диаметром 7; 9; 10,5 м, обеспечивающие выход готового продукта до 60%, Остальная часть материала (40%) крупностью +2 мм после первичного обогащения поступает в циркуляцию и направляется на доизмельчение в те же мельницы. Такой принцип измельчения сырья в отечественной технологии носит название "Замкнутая схема обогащения".
Процесс мокрого самоизмельчения обеспечивает хорошую дезинтеграцию руды (в том числе и глинистой), сокращение исходной рудной массы по заданному отвальному продукту, значительно упрощает технологическую схему рудоподготовки за счет исключения операций среднего и мелкого дробления, в зимнее время при обработке мерзлых руд отпадает необходимость в подогреве руды. Количество тепла, выделяемого при самоизмельчении, в большинстве случаев достаточно для подогрева рудного материала до положительных температур. Существенным недостатком этой схемы являются неизбежные
потери массы и качества алмазов за счет их техногенной повреждаемости.
На обогатительных фабриках Экати (Канада), климатический режим работы которых схож с отечественными, в корпусе крупного дробления руда на первой стадии дробится валковозубчатой дробилкой в мерзлом виде, а теплая вода для растоп-ления подается в конусную дробилку и скрубберы на второй стадии.
В конце 70-х годов основное внимание стало уделяться исследованию принципов разрушения алмазов, и корпорация «Де Бирс», начиная с 1980 года, предложила использовать валковые дробилки (или прессы) высокого давления «Крупп Полизи-ус» в качестве установки по высвобождению алмазов. Эти установки в основном используются в качестве вторичных дробилок в операциях додрабливания, поскольку они существенно лучше конусных дробилок с точки зрения характеристик по высвобождению и обеспечению сохранности алмазов. Использование валковых дробилок в процессе рудоподготовки существенно снижает общую энергоемкость процесса по сравнению со схемой мокрого самоизмельчения. В настоящее время АК «АЛРОСА» рассматривает возможности и целесообразность применения валковых дробилок на фабриках компании.
Дискуссии и сравнение эффективности схем дробления с мокрым самоизмельчением всё ещё продолжаются до настоящего. Компромисс может быть найден в будущем по мере развития взаимодействия между западными и российскими производителями и проектировщиками.
Таким образом, в настоящее время сложившаяся практика заключается в том, что за рубежом на большинстве алмазных рудников применяются щековые, вращательные, конусные и валковые дробилки высокого давления в качестве основного оборудования в многоступенчатых схемах для высвобождения алмазов, в то время как на российских рудниках обычно применяются щековые и конусные дробилки на стадии крупного головного дробления и мельницы самоизмельчения.
Обогащение
Исторически на старых рудниках в районе Кимберли в качестве основного оборудования по обогащению использовались отсадочные установки и ротационные столы, появившиеся ещё в 19 веке. Эти технологии используются и в настоящее
468
время. На подавляющем большинстве небольших рассыпных месторождений эти столы применяются из-за низкой стоимости их установки и эксплуатации при переработке небольших объёмов материала. После этого используются отсадочные установки для повторного обогащения, которое предшествует окончательному извлечению алмазов.
Однако основной технологией первичного обогащения алмазного сырья за рубежом стало тяжелосредное обогащение. В ряде случаев эта технология оказалась значительно более эффективной по сравнению с отсадкой, кроме того, она обеспечивает более высокий коэффициент обогащения (т.е. образуется меньше концентрата). К достоинствам этого процесса можно отнести и то, что плотность разделения регулируется реальным, конкретным параметром - плотностью рабочей суспензии, а гак же возможность автоматического контроля и полной компьютеризации процесса компактность технологических схем, максимальное использование самотечной транспортировки продуктов, быстрый монтаж модульных установок и надежность их работы. Положительной стороной обогащения в тяжелых суспензиях является и широкий диапазон одновременно обрабатываемого сырья. Одновременно в гидроциклон подается сырье крупностью -50+10 мм и -10+1,15 мм. Тщательная подготовка материала перед обогащением, развитая схема классификации позволяют вести процесс с относительно небольшим расходом суспензоида 80-150 г/тонну исходного материала.
В качестве суспензоида применяется гранулированный ферросилиций. Обогащение идет в тяжелосредных гидроциклонах, изготовленных из хром-никелевой стали (срок службы - до 1 года). Процесс разделения происходит в суспензии с плотностью разделения 2,7-2,8 г/см3; в центробежном поле гидроциклона плотность разделения повышена до 3,2 г/см3, что позволяет с высокой степенью селективности отделить алмазы и другие тяжелые минералы от сопутствующей минеральной массы. Регенерация суспензоида идет на барабанных магнитных сепараторах. В настоящее время процесс тяжелосред-ного обогащения высокоавтоматизирован; управление процессом ведется по параметрам: 1) плотность суспензии, подаваемой в процесс и 2) контроль за объемом зернистой массы, поступающей на обогащение. Выход гравитационных концентра
469
тов, как правило, составляет около 1%. т.е. сокращение материала происходит в 100-150 раз.
Недостаток этой технологии, кроме того, что в ней применяется дорогостоящее оборудование и расходные материалы, заключается в том, что в подаваемом материале питания не должна содержаться глина и очень мелкие частицы. В случае, если материал питания не освобождается от глины и таких частиц, среда засоряется, повышается степень её вязкости и, как следствие, снижается эффективность извлечения алмазов. Это означает, что перед участком тяжёлосредной установки необходимо установить оборудование для скруббирования и грохочения с целью удаления таких примесей из материала питания. Этот участок, однако, положительно влияет на всю цепочку извлечения алмазов, и поэтому экономически оправдан.
На фабриках АК «АЛРОСА» из гравитационных процессов обогащения широкое применение получили отсадка в надрешетном и подрешетном режимах и обогащение на винтовых сепараторах. Процесс обогащения в тяжелых суспензиях был освоен на фабрике АК «АЛРОСА» однако позже заменен рентгенолюминесцентной сепарацией и отсадкой.
Процесс отсадки кимберлитов является одним из основных процессов обогащения руды класса -5+2 (-6+3) мм на обогатительных фабриках АК «АЛРОСА». При обогащении рудного материала этой крупности хвосты направляются в мельницы самоизмельчения, образуя замкнутый цикл. В этих условиях с целью получения удовлетворительных результатов по извлечению алмазов на отсадочных машинах процесс ведется с большим выходом концентрата. Этот метод эффективен на легко-обогатимых гравитационными методами рудах (при большой разнице между плотностью алмаза и плотностью вмещающей руды), на глинистой руде, а так же предпочтителен с экономической точки зрения - стоимость оборудования и расходных материалов, абразивный износ оборудования тяжелосредной технологии намного превышают аналогичные показатели технологии отсадки. Большое значение имеют контроль и регулировка процесса отсадки. На предприятиях АК «АЛРОСА» внедрен способ автоматизированного поддержания разрыхленное™ постели в отсадочных машинах путем воздействия на цикл отсадки. Этот способ не требует механизмов для регулировки подачи воды или воздуха или перевода части потока из
470
одного контура в другой. В настоящее время эксплуатируются автоматизированные отсадочные машины над решетного типа, которые настраиваются на любой тип кимберлитов посредством автоматического формирования компонентов аддитивного цикла пульсации. Следует отметить, однако, что на российских фабриках постепенно осваивается обогащение в тяжелых суспензиях на модульных тяжелосредных установках фирм «Бейтман» и «Сведала».
При всех положительных чертах тяжелосредного обогащения, у этого метода, кроме отсадки, есть и другой конкурент рентгено-люминесцентная сепарация рудного материала крупностью более 5(8) мм, которая в ряде случаев оказывается более эффективной из-за потерь утяжелителя и неустойчивой работы оборудования. На отечественных фабриках рентгенолюминесцентная сепарация используется очень широко в диапазоне классов -50+5 мм. Р/1-сепараторы могут работать на основных и на доводочных операциях как на сухих, так и на влажных продуктах при производительности 35-100 т/ч на основных 0,3-8 т/ч - на доводочных операциях. При достаточно высоком извлечении алмазов степень сокращения материала составляет в зависимости от крупности от 50 до 1500. Класс крупности -5+2(1,6) мм обогащается по гравитационной и комбинированной схемам (гравитация и PZI-сепарация). /Для обогащения самого продуктивного материала крупностью -5+2 мм в последнее время применяются комбинированные схемы, включающие автоматизированные отсадочные машины, РЛ- и липкостные сепараторы.
Отличительной особенностью технологического процесса за рубежом является крупность обогащаемого материала. Класс крупности -1,15 мм не обогащается. Это связано с тем, что рынок очень мелких природных алмазов вытесняется алмазами синтетического производства, поэтому потребность в извлечении алмазов размером менее 1 мм постепенно отпадает.
Однако, на предприятиях АК «АЛРОСА» признано целесообразным обогащать мелкие классы. Класс крупности -2(-1,6) мм на отечественных фабриках обогащается с применением пенной и жировой сепарации. В технологии обогащения алмазов крупностью -2 мм используется новый тип пневматических флотационных машин производительностью по пи
471
танию до 200 т/ч. Особенность машин состоит в том, что в них совмещены процессы пенной сепарации материала крупностью -2+1 мм, который подается на поверхность пенного слоя, и флотации из объема пульпы материала крупностью -1 мм. Флотационный процесс составляет единый комплекс вместе с предварительной гидравлической классификацией материала по крупности -2+1 и -1 мм, обработкой флотореагентами, их дозировкой посредством системы АДФР-5 и контролем концентрации в оборотной воде. Данная флотационная схема работает в условиях замкнутого водооборота.
Доводочные операции
Принципиальная технологическая схема доводки черновых алмазных концентратов как за рубежом, так и в России одинакова и включает в себя (в разнообразных комбинациях) жировую сепарацию, рентгене-люминесцентную сепарацию, электростатическую и электромагнитную сепарации.
В настоящее время общепринятой практикой является использование рентгено-люминесцентной сепарации. Рентгеновские установки, спроектированные для обработки как влажного, так и сухого материала, доказали свою высокую эффективность в том, что касается извлечения алмазов и коэффициента выхода концентрата. Другим важным аспектом рентгеновских установок является то, что в отличие от жировых столов они не предусматривают ручной обработки, что делает их более надёжными в плане обеспечения сохранности алмазов. С годами рентгеновские установки были настолько усовершенствованы, что их стали применять для извлечения всего спектра алмазов вплоть до размера 1 мм. Рентгеновские установки имеют определённый недостаток, который заключается в том, что это довольно дорогостоящее оборудование.
Основной доводочной операцией и за рубежом и в России является жировая (липкостная) сепарация. Исторически за рубежом на старых фабриках применялись жировые столы для обработки концентратов, поступающих с отсадочных установок и ротационных столов. Они показали свою высокую эффективность в извлечении крупных алмазов, при условии обеспечения надлежащего контроля за качеством жира, уровнем потока воды и её качеством. Эти статические столы были впоследствии усовершенствованы в вибрационные столы и
472
грохота для уменьшения выхода концентрата. В конечном итоге были разработаны полностью автоматизированные жировые ленты с полным удалением и заменой жира. Эти системы применяются и в настоящее время, причём даже на современных фабриках и в основном для извлечения мелких алмазов (<3 мм). Большинство небольших по размеру фабрик используют жир, поскольку при обработке небольших объёмов материа/fe его использование обходится дешевле по сравнению с рентгеновскими установками в плане их установки и эксплуатации. Необходимо, однако, отметить, что жировая сепарация эффективна не на всех типах кимберлитов (например, при обогащении кимберлитов трубки Катока в Анголе или на фабрике «Экати» в Канаде).
На отечественных обогатительных фабриках процесс лип-костной сепарации является контрольным, так как обогащению на жировой поверхности подвергаются хвосты ренттенолюми-несцентной сепарации. Реагенты, используемые в процессе -петролатум, октол-600 и масло индустриальное. Из них приготавливается методом варки липкий состав, который наносится на рабочую поверхность ленты сепаратора CZI-1O Процессов, альтернативных липкостной сепарации на этой технологической операции, практически нет, так как хвосты рентгенолюминесцентной сепарации содержат в том числе, и алмазы со слабой интенсивностью рентгенолюминесценции. Гравитационные процессы здесь малопригодны, исходя из того, что питанием липкостной сепарации служат концентраты гравитационного обогащения. Низкое содержание ферромагнитных минералов исключает возможность применения магнитной сепарации, а электростатическая на материале крупнее 2 мм малоэффективна. На отечественных фабриках хорошо зарекомендовали себя автоматизированные жировые сепараторы ленточного типа, производительность которых на продуктах оптимальной крупности -5+2 мм составляет до 7 т/ч. Возможный диапазон крупности обогащаемого материала для данного оборудования лежит в пределах от 8 до 0,5 мм. При этом степень сокращения материала составляет 200-600, а извлечение - 90-98% в зависимости от типа и крупности обогащаемой руды.
Одним из основных доводочных процессов за рубежом и в России является магнитная сепарация. Процесс идет на маг
473
нитных сепараторах барабанного типа («Перм Ролле» - за рубежом, на отечественных фабриках сепараторы типа ЭБМ или ЭВМ). Необходимость применения магнитного обогащения вызвана высоким количеством магнитных минералов (магнетит, гидроокислы железа, микроильменит, гранат) в составе концентратов. Сокращение материала после магнитной сепарации происходит в 2-3 раза.
Одним из доводочных процессов обогащения алмазосодержащих руд крупностью менее 1 мм в практике отечественных фабрик является пневмофлотация. Реагенты для этого процесса - мазут флотский, аэрофлот, полифосфат натрия (подаются в кондиционеры) и ОПСБ (подается в чистую и оборотную воду). В последнее время широкое применение получила комбинированная схема обогащения рудного материала крупностью -2+0,5 мм, включающая операцию первичного обогащения на винтовых сепараторах и пневмофлотацию, как процесс перечистки гравитационного концентрата. Преимуществами этой схемы являются то, что при первичном обогащении на винтовом сепараторе в отвальный продукт выводится большая часть шламов, вредно влияющих на процесс флотации, более чем в 2 раза сокращается количество руды, направляемое на флотацию, снижается расход флотореагентов.
За прошедшие годы установки по осушке мокрых концентратов претерпевают крупные изменения. Традиционно осушка обеспечивалась путём сжигания в печи газа или масла, либо сушилками кипящего слоя. Потребности обеспечения безопасности и сохранности алмазов привели к разработке инфракрасных сушилок, которые были популярны короткий промежуток времени, однако оказались ненадёжными. Последней разработкой в этой области является пневмосушилка. Её проект основан на новаторском подходе, поскольку объединяет транспортировку материала непосредственно с процессом его осушки, обеспечивая тем самым максимальную сохранность алмазов. Эта система была разработана и внедрена на рынок компанией «Бэйтман».
Конечная разборка концентратов происходит как правило вручную и остаётся основным процессом, который применяется по сей день и в России, и за рубежом. В Австралии и Канаде разработаны и установлены одношаговые сортировщики
частиц, в основном на основе рентгеновской технологии. Эффективность этих установок, однако, по-прежнему вызывает споры, однако в будущем ожидается их более широкое применение.
Заключительная операция в алмазном производстве отмывка алмазов в кислотах - одинакова и в России, и за рубежом.
Водно-шламовая схема
Водно-шламовые схемы алмазоизвлекательных фабрик состоят на 90-95% из оборотного водоснабжения, и только 10% от общего водопотребления обеспечивается за счет подпитки свежей водой. В основном, свежая вода используется на хозяйственно-бытовые нужды фабрики (питьевое водоснабжение, приготовление пиши, санитарно-бытовые потребности), в отдельные точки технологических процессов, предъявляющих жесткие требования к качеству воды: в рентгено- люминесцентную сепарацию на охлаждение рентгеновских трубок PZI-сепараторов, на липкостную сепарацию, в пневмофлотацию и т.д., а так же для восполнения потерь воды в хвостохранили-щах. Замкнутый внутренний водооборот не создается. Отвальные продукты крупностью -1 мм выводятся в хвостохранили-ще, создавая внешний водооборот. Складирование хвостов осуществляется в хвостохранилише намывного типа с использованием транспортной воды. Это связано с климатическими условиями районов месторождений. В зимнее время складирование хвостов осуществляется под лед. Очистка воды внешнего водооборота от шламов происходит естественным путем - свободным осаждением твердой фазы. Оборотная вода должна отвечать следующим требованиям: иметь слабощелочную реакцию pH в пределах 8-9; содержание взвешенных частиц не более 1 г/л; концентрация флотореагентов в пределах ПДК.
В зависимости от выбранной схемы обогащения на фабриках создаются один или два локальных водооборота. При нижнем пределе крупности обогащаемого рудного материала, равном 1 мм, используются сливы магнитных сепараторов, установленных для регенерации некондиционной суспензии, для первичной грубой отмывки гранулированного ферросилиция от концентрата и хвостов тяжелосредного обогащения. При снижении крупности обогащаемой руды до 0,5 мм в отделении пневмофлотации организуется второй локальный водооборот
475
из сливов обезвоживающих гидроклассификаторов. Это необходимо для поддержания заданной концентрации флотореа-гентов, снижения их расходов, сокращения выброса флото-реагентов в хвостохранилише.
Практически на всех зарубежных алмазоперерабатывающих фабриках используется оборотное водоснабжение. Регенерация воды при этом осуществляется в сгустителях диаметром до 50 м. Расход свежей воды составляет 20-30%, что является высоким показателем, учитывая климатические условия Южно-Африканских и Австралийских месторождений. Складирование хвостов крупностью более 0,5 мм осуществляется всухую в отвалах; шламы крупностью менее 0,5 мм складируются в шламоотстойниках.
Следует отметить, что выбор технологии на зарубежных фабриках связан в значительной степени с климатическими особенностями регионов, в частности, с дефицитом воды и большим расходом ее на испарение. Например, в Ботсване длина водовода, подающего воду из артезианских скважин, составляет около 50 км. Таким образом, основой полного процесса обогащения кимберлитов за рубежом являются маловодные технологии.
Автоматизация производства
Технологический процесс алмазоизвлекательной фабрики состоит из ряда разнородных технологических процессов со специфическими целями и задачами управления, что предопределяет целесообразность распределительного подхода к построению комплекса технических средств и организации управления процессом на современной фабрике. Выделяются следующие автоматизированные системы управления технологическими процессами: отделение рудоподготовки; тяжело-средная сепарация (ТСС) рудного материала; отделение пневмофлотации руды крупностью -1+0,5 мм.
Организационно структура автоматических систем управления фабрики должна обеспечивать эффективное управление технологическим процессом. В связи с этим выделяются два организационных уровня. На первом (верхнем) уровне диспетчер фабрики решает вопросы оперативной организации управления всем технологическим процессом фабрики. На этом уровне используется информация как верхнего, гак и нижнего уровней управления.
476
На втором уровне осуществляется оперативное управление технологическими процессами отдельных переделов (отделений, цехов фабрики). Эти функции осуществляют операторы с использованием как средств автоматических систем управления, так и ручного управления, где не осуществлено дистанционное или автоматическое управление.
Для осуществления визуального контроля за ходом технологического процесса осуществляется монтаж системы промышленного телевидения. Телевизионные камеры устанавливаются на приемных бункерах, в местах загрузки и разгрузки рудного материала дробилок, мельницы самоизмельчения, ленточных конвейеров, в местах разгрузки продуктов тяжелосред-ного обогащения и концентратов флотации, липкостной, магнитной и электрической сепарации.
Приоритетной целью «Де Бирса» на протяжении последних 10 лет оставалась разработка полностью автоматизированных технологических процессов. Новый, полностью автоматизированный цех сортировки строится в настоящее время в Ботсване. Первичное тестирование показало, что была значительно улучшена не только сохранность алмазов, но и эффективность их извлечения. шиз
* По материалам журналов «Горный журнал» и «Mining Engineering»
V.M. Avdokhin, E.N. Chemichova
UP-ТО DATE TECHNOLOGIES OF CONCENTRATION OF DIAMOND - BEARING KIMBERLITES
Up-to-date state and possibilities of further improvement of equipment and technology for diamond extraction from kimberlite ores are analyzed.
Key words: technologies, concentration, diamonds
— Коротко об авторах-----------------------------------
Авдохин В.М. - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Обогащение полезных ископаемых», Чернышева Е.Н. - научный сотрудник, kaf opi@msmu.ru Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
477
© В.А. Карноухов, 2010
УДК 622(091)
В.Л. Карноухов
ВКЛАД УЧЕНЫХ МГИ В РАЗВИТИЕ ГОРНОГО ДЕЛА В ПЕРИОД ВЕЛИКОЙ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ВОЙНЫ
Статья посвящена вкладу ученых Московского Горного института в развитие горного дела в годы Великой Отечественной войны. Автор показывает разносторонний характер деятельности ученых МГИ, направленной на достижение Победы: участие в боевых действиях на фронтах Великой Отечественной войны; развитие горной науки и производства в интересах фронта; разведка новых залежей полезных ископаемых; подготовка кадров горняков с высшим образованием. Важное значение имело также активное участие ученых МГИ в сборе средств и теплых вещей для воинов Красной Армии и Флота.
Ключевые слова: Великая Отечественная война; Победа; вклад ученых; героизм на фронте; самоотверженность в труде; горняки.
Семинар Ns 27
Говоря о вкладе ученых нашего ВУЗа в Победу над фашистской Германией и её сателлитами в 1941-1945 годах, следует отметить его разносторонний характер. Являясь неотъемлемой составной частью нашего великого народа, ученые МГИ так же самоотверженно делали все возможное, а порою и невозможное, для разгрома врага. Делали там и тогда, куда и когда их посылала Родина.
В связи с началом войны - рвались на фронт.
Так, на шестой день войны добровольцем ушёл на фронт преподаватель кафедры философии В. Брыскин. В 1943 г., поднимая бойцов в атаку, майор В. Брыскин был сражен вражеской пулей.
Добровольцами на фронт ушли доценты В.А. Фадеев и А.А. Харев, научные сотрудники М.М. Ольвовский и Т.Т. Тер-новский. Трое из них, это В.А. Фадеев, Т.Т. Терновский и М.М. Ольвовский смертью храбрых погибли на полях войны.
Значительная часть преподавателей, сотрудников и студентов (около 200 чел.) вступила в ряды 1-й дивизии народного ополчения Денинского района г. Москвы, в последствии 60-ю стрелковую дивизию, которая в начале октября 1941г. получила первое боевое крещение. Оказавшись в чрезвычайно сложной ситуации, личный состав дивизии проявил стойкость и героизм.
478
Большие потери противнику нанес 969-й артиллерийский полк, до последнего снаряда расстрелявший в упор наступающую пехоту и танки противника. В составе этой части были сотрудники и студенты нашего ВУЗа. Часть личного составы этой дивизии группами и отдельными отрядами вышла из кольца окружения, сохранять свои боевые знамена.
После переформирования 60-я стрелковая дивизия продолжала вести оборонительные и наступательные боевые действия. На её счету - прорыв фронта противника на Курской дуге и освобождение г. Севска, форсирование Днепра и успешные боевые действия на территории Белоруссии, Украины, Польши, Германии, участие в освобождении Варшавы и наступлении на Берлин.
Таков боевой путь 60-й Севско-Варшавской Краснознаменной ордена Суворова стрелковой дивизии в которой, наряду с другими, храбро сражались и питомцы нашебго ВУЗа, в том числе и преподаватели.
Невозможно переоценить научную и педагогическую деятельность коллектива профессоров, преподавателей и сотрудников Московского горного института в годы Великой Отечественной войны. Хотя работать ему пришлось в сложных условиях военного времени, пережить эвакуацию, и неоднократную реорганизацию.
В связи с угрожающей для Москвы обстановкой, 15 октября 1941г. Государственный Комитет Обороны принимает решение об эвакуации из Москвы ряда учреждений, ВУЗов и предприятий, в том числе МГИ. Новым местоположением института был определен г. Караганда - центр Карагандинского угольного бассейна.
Эвакуация профессорско-преподавательского состава и оборудования была возложена на заместителя директора, профессора Шешко Евгения Фомича. Выбор этот для решения столь сложной задачи не случаен. Евгений Фомич уже в то время был широко известным и глубоко уважаемым не только в МГИ человеком. В 1921 г. он поступил в Московскую горную академию, которую окончил с похвальным отзывом в 1927 г. Работал инженером-проектировщиком, старшим и главным инженером горнотехнического отдела. С 1930 г. начал работать в МГИ; сначала по совместительству ассистентом, в 1932 г. -доцентом, а с 1936 г. - перешел на постоянную работу. В
479
1937 г. назначается заведующим кафедрой разработки рудных месторождений, а в 1940 г. - кафедры открытых горных работ, которую сам организовал.
В этом же году Е.Ф. Шешко опубликовал капитальный труд «Открытые горные работы», который стал первым в мировой литературе учебным пособием по этой теме для ВУЗов. В последующем он становится Горным генеральным директором III ранга, Заслуженным деятелем науки и техники, профессором, доктором технических наук, Лауреатом Государственной премии. Был удостоен награждения орденом Трудового Красного Знамени, медалями «За оборону Москвы», «За доблестный труд в Великой Отечественной войне», «800-летие Москвы».
По воспоминаниям ученых, с которыми Евгения Фомича связывали деловые и дружеские отношения, в частности, академика Н.В. Мельникова, он был человеком исключительной скромности, высокой культуры, хорошо знал русскую и зарубежную литературу, любил и понимал музыку. Особенно его выделяли такие качества, как ровность и обязательность в общении с людьми, исключительная внутренняя дисциплина [1]. Думается, что именно эти качества Е.Ф. Шешко и позволили ему успешно выполнить исключительно ответственную задачу по эвакуации МГИ в полном смысле слова экстремальной ситуации.
Положение усугублялось и тем, что директор МГИ М.Г. Акопов фактически самоустранился от выполнения своих служебных обязанностей. В связи с этим с 17 октября 1941 г. исполняющим обязанности директора МГИ решением Комитета по высшей школе был назначен зав. кафедрой высшей математики профессор М.К. Гребенча.
Эвакуация института прошла быстро и в целом организованно. На факультетах были составлены списки подлежащих эвакуации (с учетом личных пожеланий). Группа профессорско-преподавательского состава во главе с ее начальником -заместителем директора по АХЧ В.А. Покровским отъезжала специальным эшелоном.
Отбор и упаковка оборудования, необходимого для обеспечения учебного процесса на новом месте, возлагались на профессоров Кашина Н.В. и Цимбаревича П.М. Студенты, подлежащие эвакуации, были сведены в пять взводов и на поездах отправлены в Караганду.
480
Нельзя не отметить, что в сложнейшей ситуации второй половины октября 1941г., когда Москва была объявлена на осадном положении, профессора и преподаватели, сотрудники и студенты МГИ, за редким исключением, проявили высокую политическую сознательность, глубокое понимание своего долга перед Родиной.
Оставшиеся в Москве профессора, преподаватели и сотрудники МГИ на базе наличного оборудования ряда лабораторий создали цех оборонных работ, который выполнял ответственные заказы Наркомата обороны.
Начальником этого цеха был назначен Е.Ф. Шешко.
К концу октября 1941г. значительная часть профессорско-преподавательского состава и сотрудников МГИ прибыла в Караганду, где уже находился эвакуированный сюда ранее Днепропетровский горный институт (директор П.Г. Нестеренко). 29 октября приказом Наркома угольной промышленности № 764/к Нестеренко Петр Григорьевич назначается директором МГИ им. И.В. Сталина [2].
В тяжелых условиях эвакуации значительную работу провела объединенная кафедра разработки рудных месторождений, рудничной вентиляции и техники безопасности (зав. кафедрой Н.С. Поляков). В ее состав входили и такие выдающиеся ученые, как А.А. Скочинский, А.И. Ксенофонтова и Е.С. Геншер. Наряду с учебной работой под руководством А.И. Ксенофонтовой бригада кафедры, состоявшая из окончивших МГИ молодых инженеров, исследовала вентиляцию шахт, возможности главных вентиляторных установок по увеличению подачи воздуха в шахты с целью повышения объема добычи по фактору вентиляции, что диктовалось возросшей потребностью страны в угле (в этот период Донецкий бассейн находился в оккупации).
Детом 1942 г. во время пребывания в Караганде наркома угольной промышленности В.В. Вахрушева по его заданию А.И. Ксенофонтова составила проект приказа Наркомугля и Академии наук СССР по улучшению вентиляции шахт Карагандинского бассейна.
Детом 1943 г. в Караганде работала Комиссия Наркомугля и Академии наук СССР по увеличению добычи угля в Карагандинском бассейне. Комиссию возглавлял академик А.А. Скочинский. А.И. Ксенофонтова участвовала в составлении
481
подробной записки о состоянии вентиляции, возможностях и мероприятиях по реконструкции вентиляции шахт Карагандинского бассейна [3].
Нельзя не отметить, что за 1,5 года пребывания в Караганде профессора и преподаватели МГИ подготовили 210 горных инженеров, значительная часть которых осталась работать в этом регионе, что способствовало развитию этого каменноугольного бассейна. Здесь ученые МГИ провели большую исследовательскую работу. Так, в соответствии с приказом НКУП № 706/а от 4 сентября 1942 г. Гапеев А.А., Шеш-ко Е.Ф. и Гендлер С.Е. в короткий срок разработали мероприятия по ускорению строительства и развитию добычи угля шахтоуправлением Ташкент-Сталинуголь (Ангренское месторождение). Ими были представлены соображения о целесообразности продолжения строительства Левобережного карьера, о закладке мелких и средних шахт, о разработке пласта «Мощного» шахты №3.
Приказом Наркомугля №121 от 7 апреля 1943 г. была создана комиссия по установлению ресурсов коксующихся углей Карагандинского бассейна и разработке месторождений по увеличению их добычи. От МГИ в ее состав были включены профессора Гапеев А.А., Селецкий Р.А. и Прейгерзон Г.И. Эта работа была успешно выполнена и получила заслуженную оценку на самом высоком уровне государственного руководства СССР.
За годы Великой Отечественной войны Карагандинский бассейн, ставший после временной оккупации Донбасса второй по значению угольной базой страны, увеличил объем добычи каменного угля в 2 раза. Здесь было построено и введено 30 новых шахт и 3 угольных разреза с обшей годовой производительностью 7,2 млн. т. Уровень механизации работ превысил 90%. Было создано крупное угольное машиностроение (на базе эвакуированного в Караганду Луганского завода. Во всей этой громадной работе есть и значительная доля ученых МГИ).
В соответствии с приказом Наркомугля СССР от 12 июля 1943 г. филиал МГИ в Караганде был закрыт. 25 профессоров и преподавателей с семьями возвращались из Караганды в Москву для работы в МГИ. НИР стала еше более активной.
В феврале 1942г. сразу после разгрома фашистских войск под Москвой, два ведущих профессора-механика МГИ А.С.
482
F
Ильичев и А.О. Спиваковский приказом Народного Комиссара угольной промышленности СССР В.В. Вахрушева были откомандированы для выполнения работ по восстановлению шахт Подмосковного бассейна, только что освобожденного от фашистских оккупантов. В приказе Наркома было сказано: «... предоставить право консультантам Наркомугля т.т. Ильичеву и Спиваковскому решать на месте технические вопросы, связанные с работами по восстановлению шахт. Обязать управляющих трестами, заведующих шахтами проводить в жизнь все технические мероприятия, предлагаемые т.т. Ильичевым и Спиваковским в установленные ими сроки». Любые вопросы следовало решать на месте с уполномоченным Наркомугля, бывшим начальником комбината Москвауголь Д.Г. Они-кой.
Нельзя не отметить проявленную здесь высокую степень доверия Наркома к ученым МГИ. Вместе с тем и мера ответственности их за порученное дело была исключительно высокой, так как Подмосковный уголь был остро необходим хозяйству столицы и всего центра страны. Если к тому же учесть, что разрушения в этом бассейне были огромны, становится ясно, насколько сложной и трудной была задача, поставленная перед учеными МГИ.
Во многих случаях требовалось проходить заново выработки и полностью восстанавливать или заменять все оборудование, которого явно не хватало - шла война. Работа требовала неослабевающего внимания, напряжения всех сил и постоянного поиска оптимальных решений.
Оба представителя МГИ с честью выполнили возложенную на них задачу - в конце 1942 г. подмосковный уголь стал регулярно поступать в Москву во всевозрастающих объемах, обеспечив нормальную жизнь и работу столицы зимой 1942-1943 годов и последующие военные годы.
В 1943 г. начинается работа по восстановлению разрушенных фашистами шахт Донбасса, в которой активно участвовали ученые МГИ. Некоторые из них были привлечены к разработке генерального плана восстановления шахт Донбасса, а также в состав правительственной комиссии под руководством академика А.М. Терпигорева.
Восстановительные работы в Донбассе оказались значительно сложнее, чем в Подмосковном угольном бассейне. Это
483
объяснялось не только большими масштабами разрушений, но и большей сложностью горнотехнических условий.
Тем не менее всего лишь через 1 месяц комиссия успешно выполнила поставленные перед ней задачи и разработала непосредственно на месте основные предложения по реконструкции шахт одновременно с их восстановлением, а также по выбору стационарного оборудования. Все это позволило не только восстановить шахты, но и увеличить добычу угля, резко повысить технический уровень шахт бассейна одновременно с его реконструкцией. Соответствующая развернутая программа работ была передана проектным организациям Наркомугля и впоследствии полностью реализована.
В августе 1944 г. приказом Наркома угольной промышленности А.О. Спиваковский назначается председателем Комиссии по вопросам улучшения техники и организации подземного транспорта на шахтах. К этой комиссии были предъявлены новые повышенные требования. К решению этой задачи был привлечен А.О. Спиваковский, Л.Г. Шахмейстер, Н.А. Малевич, С.Х. Клорикьян, Н.Д. Самойлюк [4].
С первых дней освобождения Донбасса на восстановлении его угольных шахт самоотверженно трудился Арнольд Таймуа-зович Картозия, 33-х летний талантливый организатор и специалист, работавший сначала в должности начальника комбината «Донбассшахтострой», а затем начальника «Главшахтовос-становления». Под его непосредственным руководством были восстановлены и сданы в эксплуатацию шахты им. Карла Маркса, Красный профинтерн, Дидиевская, Юнком, имени Калинина и др.
За разработку и осуществление методов, обеспечивающих ускорение темпов восстановления разрушенных фашистами шахт Донбасса А.Т. Картозии в 1948 г. было присвоено звание Лауреата Государственной премии I степени. За успешную работу по восстановлению шахт и разрезов в угольных бассейнах страны А.Т. Картозия награжден орденами Ленина, Трудового Красного Знамени и многими медалями СССР. Он является полным кавалером почетного знака «Шахтерская слава», ему присвоено почетное звание «Заслуженный строитель РСФСР».
Огромную работу в годы войны вел Александр Александрович Скочинский (1874-1960 гт.) - крупнейший ученый в области рудничной геологии и смежных с нею дисциплин, свя
484
занных с безопасностью горных работ. Основатель русской, а затем Советской школы ученых, работающих в области рудничной атмосферы, аэродинамики, рудничной термодинамики, борьбы с газопроявлениями в выработках, их запыленностью и рудничными пожарами.
Он разрабатывал мероприятия по повышению добычи руд и производства алюминия и редких металлов. Под его руководством разработаны основные технические направления восстановления шахт Донбасса и Подмосковного бассейна.
В 1943 г. А.А. Скочинский организует Западно-Сибирский филиал АН СССР, председателем которого он избран. На протяжении многих лет он являлся членом экспертной комиссии ВАКа. Организатор и руководитель Института горного дела. Его называли «мудрым». Академический ум, скромность, доброжелательность, такт. Подвижник в науке. Высоко ценил научный, профессиональный патриотизм, не терпел «мотыльков», не прощал измену в науке. Человек, получивший ученую степень в Институте, бросивший его - переставал для него существовать.
До конца своей жизни (а он умер в 86 лет) ежедневно ходил на работу. Имя академика Скочинского А.А. присвоено Институту горного дела, который он возглавлял свыше 20 лет, а также одной из шахт. За выдающиеся заслуги перед страной А.А. Скочинский был удостоен высокого звания Героя Социалистического труда, награжден 5 орденами Денина, двумя орденами Трудового Красного Знамени и многими медалями. Дважды ему присуждалась Государственная премия СССР.
Установлена также премия имени А.А. Скочинского, которая присуждается Министерством угольной промышленности и горным отделением Научно-технического общества.
Невозможно переоценить вклад в Победу, который внес Александр Онисимович Спиваковский. Приведем лишь некоторые примеры его самоотверженной деятельности во время эвакуации в г. Караганду. Приехав туда, он немедленно включился в решение научно-технических проблем развития шахт комбината Караганда-уголь, роль которого в годы Великой Отечественной войны в связи с временной потерей Донбасса стала особенно велика. Буквально в считанные дни и ночи, не считаясь со временем и не зная отдыха, профессор А.О. Спиваковский выполнил ряд неотложных проработок для срочного
485
освоения конвейеризации транспорта угля по подземным выработкам и наклонным стволам Караганды, реализованных при реконструкции действующих и строительстве новых шахт бассейна.
А.С. Сатинов и Ю.З. Шпектров рассказывают, что они были покорены выдержкой, работоспособностью и даром научного предвидения, который проявил Александр Онисимович. Было непонятно, когда он спал, чем питался и отдыхал ли вообще - в любое время суток его можно было застать в проектном отделе, где он просчитывал варианты, скрупулезно выбирал тот, который открывает пути более быстрого, дешевого и производительного решения задачи. Изредка он просил лошадь (об автомобиле говорить стеснялся), чтобы съездить на шахту, на месте уточнить особые условия задачи, и снова возвращался к письменному столу думать, сравнивать, рассчитывать и принимать решения. Они, эти решения, были настолько глубоки и обоснованны, что невозможно вспомнить ни одного случая, когда технический совет или руководство бассейна хоть в малейшей степени поставили их под сомнение [5].
Под руководством А.О. Спиваковского были разработаны первые в стране схемы конвейерных отвалов породы на крупных Коркинских карьерах, а также технология взрывонавалки угля на скребковые конвейеры в лавах шахт треста Копейск-уголь.
Безупречным примером патриотизма может служить также деятельность академика Льва Дмитриевича Шевякова, в том числе в годы Великой Отечественной войны.
«Отличительными чертами этого большого ученого, - пишет Н.В. Мельников, - была состоятельность, принципиальность, мужество, доброжелательное отношение к людям, развитое чувство товарищества и высокий гражданский патриотизм» [6]. В суровую годину испытаний Л.Д. Шевяков активно участвовал в мобилизации ресурсов горной промышленности на нужды обороны. По поручению министерств и президиума АН СССР Л.Д. Шевяков обследовал угольные предприятия Урала, Караганды и Кузбасса, Коунрадский рудник, меднорудные шахты Урала, асбестовые рудники и др. Каждое обследование заканчивалось техническими рекомендациями о путях увеличения добычи угля и руды.
486
Лев Дмитриевич был постоянным экспертом угольной промышленности и привлекался для решения сложных горнотехнических вопросов. Так, в 1944 г. он назначался председателем комиссии по разработке мер, направленных на ликвидацию последствий внезапного прорыва вод на Богословских угольных разрезах.
В годы войны Л.Д. Шевяков опубликовал целый ряд работ аналитического характера. К их числу относятся: «Определение размеров шахтных полей на разработке россыпей» (1941), «К вопросу о наименьшей работе транспорта при двух пунктах своза», «О нахождении оптимальных пунктов при перемещении масс на траектории» (1942), «Определение места заложения подъемного ствола шахты», «Определение положения гезенка при вскрытии части шахтного поля по падению» (1944) и многие другие. Он оставил после себя более 300 научных работ, значительная часть которых переведена на иностранные языки.
Чрезвычайный интерес представляют взгляды этого выдающегося ученого на роль науки, ее предназначение. В рукописи своей статьи «О назначении науки» он писал, что наука как система полезных знаний должна служить для облегчения жизни людей и, только выполняя эти цели, она может называться наукой. Он считал, что горная наука должна быть неразрывно связана с практикой. Очень интересны также требования Д.Д. Шевякова к званию «профессор». Он считал, что кроме глубокого знания специальности, профессор должен быть новатором. Главным в изучении литературы, по его мнению, должна быть система. Инженер и научный работник должны постоянно заниматься самообразованием.
Ценный литературный документ представляет дневник академика Шевякова Д.Д. за 1941-1943 годы, опубликованный в журнале «Исторический архив» в 1961 г. под названием «Люди науки на Урале в дни войны». Автор рассказывает о самоотверженной работе людей науки по укреплению тыла. Он описывает день за днем деятельность ученых на Урале, показывает их патриотические чувства и дела, высочайшую степень ответственности за порученное дело, направленное на достижение победы над врагом - будь то оценка проекта новых производств или же задание прочесть лекцию раненым бойцам Советской армии. Сам Л.Д. Шевяков в эти годы часто выступал с лекциями по радио и в госпиталях [7]. За участие в работе «О
487
развитии народного хозяйства Украины в условиях войны» Д.Д. Шевяков был удостоен государственной премии СССР первой степени, а за выполнение заданий Правительства по увеличению добычи угля награжден орденом Трудового Красного Знамени.
Такие люди как Лев Дмитриевич Шевяков не могут не быть предметом особой гордости всех последующих поколений горняков. Эту мысль он сам пророчески выразил в своем стихотворении «Творчество»:
Пройдут века, тысячелетья.
Туманна даль грядущих /шей!
Быть может, грозы лихолетья
Разрушат город и музей.
Быть может дивное творенье
Потом в земле сырой найдут,
Опять в музей на обозренье
С крылом отбитым привезут.
Творца забудут, облик, званье...
Но мысль его в его созданье
С людьми пребудет навсегда.
Нет, дорогой Дев Дмитриевич, не забудут, не должны забыть ни облик прекрасного Человека, ни ученое звание академика. Что касается Ваших идей, то они были и останутся на века золотым фондом всех горняков России [8].
В годы Великой Отечественной войны ученые МГИ активно участвовали в разработке учебников и учебных пособий.
Так, А.И. Ксенофонтова и Д.Ю. Берман в 1941г. издали труд «К вопросу о проветривании угольных выработок после взрывных работ в условиях угольных шахт», а также «Методы подсчета количества воздуха для проветривания рудников»; С.Я. Хейфиц - «Охрана труда в каменноугольной промышленности», «Практика борьбы со взрывами в шахтах»; В.Н. Воронин, Д.Д. Воронина «Проветривание металлических рудников после взрывных работ» [9].
В конце 1942 г. - начале 1943 в нашей стране проходил массовый сбор средств среди населения на строительство тан
488
ковых колонн и эскадрилий боевых самолетов. В этом патриотическом начинании активно участвовали и ученые МГИ, а некоторые из них, как например, академики А.А. Скочинский, А. Терпигорев, профессора Е.Ф. Шешко, П.М.Цымбаревич и ряд других внесли на эти цели крупные денежные суммы, а профессор И. Верховский - 100 тысяч рублей, за что получил благодарность Верховного Главнокомандующего.
Собирались также теплые веши, посылались на фронт подарки для бойцов Красной Армии и Военно-морского флота.
Коллектив МГИ оказывал помощь строителям метрополитена - 8 часов в квартал каждый отрабатывал на участке района.
В эти же годы коллектив института под руководством преподавателей часто выходил на воскресники по сбору и отгрузке металлолома, заготовке дров для столицы, принимал участие в сельхозработах, благоустройстве территорий района, особенно Парка культуры и отдыха [10].
Завершая разговор о вкладе ученых МГИ в Победу над фашистской Германией и ее сателлитами, можно сделать вывод, что он был значителен без всякого преувеличения.
Победа нашей страны - это наша Победа, Победа ученых и всего личного состава Московского горного института. В2ИЗ
V.A. Kamouhov
THE PARTICIPATION OF MOSCOW STATE MINING UNIVERSITY SCIENTISTS IN THE DEVELOPMENT OF MINING DURING GREAT PATRIOTIC WAR
This article is about the participation of Moscow State Mining University scientists in the development of mining during Great Patriotic War. The writer shows versatile nature of MSMU scientists activities, dedicated on the Victory achievement; the development of mining science and manufacturing; minerals prospecting; training of high-education miners.
Active participation MSMU scientists in fund raising and warm clothes was of great importance.
The author provides a well-based conclusion about the meaningful part of MSMU scientists in the Victory over fascist Germany and it’s satellites. Showing Themselves as patriots of their Motherland.
Key words: The Great Patriotic War, the participation of scientists, the heroism at the battlefield, the selflessness at work miners.
489
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Горняки вспоминают и размышляют. Выпуск 2. Изд. дом «Руда и металлы», М., 2003, с. 127-130.
2.	Горняки Советского Союза в Великой Отечественной войне. М., изд. МГТУ, 2006, с. 71.
3.	Ушаков КЗ. Кафедра аэрологии и охраны труда, Исторический очерк (1930-2000 гг.). - Изд. «ИСПИН», М„ 200, с.31-32.
4.	Кальниикий Я.Б., указ, соч., с.54-55
5:	Кальниикий Я. Б. Александр Онисимович Спиваковский (1888 -1986 гг.). - Изд., «Илим», Фрунзе, 1988, с.51.
6.	Мельников Н.В. Горные инженеры. - М.: Недра, 1981, с.22.
7.	Мельников Н.В. Горные инженеры. - М.: Недра, 1981, с.60.
8.	Мельников Н.В. Горные инженеры. -М.: Недра, 1981, с.61.
9.	Мельников Н.В. Горные инженеры. - Изд. инженеры. - Изд. «Недра», 1981, с. 159-160.
10.	«Горняцкая смена», №7 (2419), май 1995 г.
— Коротко об авторе ----------------------
Карнаухов В.А. - профессор, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
490
СОДЕРЖАНИЕ-----------------------------------------------------
Пленарные доклады
Пучков ЛА. Академик В.В.Ржевский - выдающийся ученый-организатор высшей горной школы............................ 9
Трубецкой К.Н. Выдающийся ученый и педагог в области горных наук академик В.В.Ржевский (к 90-летию со дня рождения)................................................... 23
Ракишев Б.Р. Роль академика В.В.Ржевского в развитии горной промышленности и науки в республиках Центральной Азии...................................................... 31
Неделя горняка 2010	43
Гальперин А.М., Ермолов В А. Состояние и перспективы развития горнопромышленной геологии в свете развития идей В.В.Ершова........................................... 45
Попов В.Н. Пути развития кафедры «Маркшейдерского дела и геодезии» Московского государственного горного университета за 90-летний исторический период................... 55
Иофис М.А., Гришин А.В. Совершенствование методов геомеханического обеспечения освоения недр................ 63
Винников ВА., Шкуратннк В.Л. Теоретические модели термоакустоэмиссионных эффектов в горных породах....	72
Викторов СЛ-, Кочанов А.Н., Осокин АА. Определение состояния предразрушения горных пород по генерации микро- и наноразмерных частиц................................ 88
Сластунов С.В. Проблема управления свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах (к 90-летию со дня рождения академика В.В. Ржевского)................................... 94
Бобин В.А. Проект добычи метана из неразгруженных угольных пластов с помощью горизонтальных скважин............. 104
Алексеев АЛ. Физическое состояние метана в ископаемом угле в аспекте его извлечения............................. ИЗ
Каркашадзе Г.Г., Сластунов С.В. Фильтрация метана в скважину с учетом процесса сорбции и фрактальной структуры угольного пласта.................................... 123
Романченко С.Б. Комплексные исследования фракционного состава угольной пыли.................................... 129
Романов С.М., Алексеев Г.Ф. Методология формирования и управления топливно-энергетическим балансом региона....	143
Чаплыгин Н.Н. Фактор «невозможного» в представлении об экологическом развитии................................... 131
Мясков А.В. Экономические аспекты сохранения биоразнообразия в промышленных регионах.......................... 174
491
Ишин А.В. Методологические основы эколого-экономического обоснования использования подземного пространства реконструируемых городских территорий................... 187
Лаптев В.И. Характер изменения нагрузки на атмосферу при производстве взрывных работ в карьерах................. 196
Рыбак /1.В. Методологические основы эколого-экономического обоснования развития производственной деятельности по добыче угля в условиях урбанизированных территорий........................................................ 207
Пешкова МЛ., Сибгатулин Р.Р. Механизм управления оборотным капиталом угольных предприятий................. 217
Ельчанииов Е.А. Научное и практическое обеспечение экологической безопасности при промышленном освоении Северных территорий России................................. 230
Галченко Ю.П. Методология создания подземных геотехнологий, обеспечивающих инженерную защиту окружаюшей среды.................................................... 239
Батугин А.С. Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов с подвижками крыльев крупных тектонических нарушений................................................ 252
Пешков АА., Мапко НА., Харитонова М.Ю. Вероятностные модели опенки доступности минеральных ресурсов 	265
Волошнновскин К.И. Измерительный комплекс учета газа на базе электронного корректора SEVC-91 и контроллера ICP-DASI7188XB............................................... 283
Фелунеп Н.И., Кубрин С.С. Перспективы и проблемы построения автоматизированных радиотелеметрических систем управления технологическими процессами в шахтах и рудниках......................................................   290
Трофимов В.А. Катастрофические проявления горного давления в массиве горных пород............................. 302
Горбатов А.В., Зорин ИА. Информатизация в горной промышленности.............................................. 316
Мельник В.В. Приоритетные направления развития подземной угледобычи на шахтах РФ.............................. 320
Коваленко С.С. Вклад академика В.В.Ржевского в становление и развитие научной школы МГИ-МГТУ «Технологические системы открытых горных работ»........................... 329
Бубис Ю.В. Роль академика Владимира Васильевича Ржевского в становлении морской технологии................... 339
Каплунов Д.Р. Перспектива комплексного освоения недр -комбинированные геотехнологии............................ 346
Кузьмин Е.В., Баранов А.В. Освоение автоматически управляемых комплексов при добыче кимберлитовых руд 	355
492
Картозия Б.А. Развитие научных исследований на кафедре "Строительство подземных сооружений и шахт» (1931-2009 гг.)................................................ 362
Соложенкин П.М. Био- и наносорбнионная технология переработки техногенных и продуктивных растворов........... 377
Галкин В.И. Перспективные направления инновационной деятельности кафедры «Горная механика и транспорт».....	404
Кантовнч /1.И., Пастоев ИЛ., Проблема управляемости автоматизированных агрегатов и комплексов при работе на пологих пластах без присутствия людей в забое............ 410
Козлов С.В. Современное состояние угольной отрасли Российской Федерации........................................ 421
Ерыгии А.Т. Развитие расчетного метода оценки искробезопасности электрических цепей............................. 435
Шкундин С.З., Иванников АЛ. Разработка метода межузловых депрессий для расчета вентиляционных сетей в нормальных и аварийных условиях............................. 448
Мельников ЕЛ., Миков ИЛ., Теплова Т.Б., Павлов Ю.А., Морозов В.И. Состояние и развитие ювелирно-камнерезного направления образования и исследований в МГГУ... 459
Авдохин В.М., Чернышева Е.Н. Современные технологии обогащения алмазосодержащих кимберлитов.................. 465
Карноухов В А. Вклад ученых МГИ в развитие горного дела в период Великой Отечественной войны..................... 478
493
ТРУДЫ НАУЧНОГО СИМПОЗИУМА «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2010»
ISSN 0236-1493
ГОРНЫЙ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИМ БЮЛЛЕТЕНЬ (ГИАБ) MINING INFORMATIONAL AND ANALITICAL BULLETIN (MIAB)
Секретариат ГИАБ
Е.В. Дмитриева
Рабочая группа:
Руководитель Н.А. Гэлубцов
Подготовка макета Н.А. Гэлубцов, О.Ю. Долгошеева
Зав. производством Н.Д. Уробушкина Дизайн оформления В. Ю. Котов Инвестиционные проекты К.М. Кириллов
Государственное свидетельство о регистрации ГИАБ в Роскомнадзоре ПИ № ФС77-36292 от 19.05.2009
Решением Президиуме ВАК журнал включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых могут быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата и доктора наук
Все статьи ГИАБ рецензируются.
Редакция принимает решение о публикации по результатам рецензирования и имеет право отклонить статью без объяснения причин
Статьи публикуются в авторской редакции
Редакция не ведет переписки с авторами и не дает справок о прохождении статей
При перепечатке ссылка на ГИАБ обязательна Подписной индекс издания
в каталоге агентства «Роспечать» — 32777
Подписано в печвть 19.11.2009. Формат 60х90/16.
Бумага офсетная. Гарнитура «AGPresquire». Печать офсетная. Усл. печ. л. 30. Тираж 1000 экз. Изд №2164 Заказ №875
119049 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6, издательство «Горная книга»
тел. (495) 236-97-80; факс (495) 956-90-40; тел./факс (495) 737-32-65
Отпечатано в ОАО «Московская типография № 6» 115088 Москва, ул. Южнопортовая, 24
ЭЛ1Л 0ТДЕЛЬНЫЙ I V ВЫПУСК 1
к ♦ н ♦ и ♦ г» и
ИЗДАТЕЛЬСТВА МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА И ИЗДАТЕЛЬСТВА «ГОРНАЯ КНИГА» можно приобрести:
ф в киоске Издательства МГГУ (м. «Октябрь-ская»-кольцевая, Ленинский просп., 6, главный корпус, 2-й этаж);
ф заказать через систему «Книга—почтой»; заказы в произвольной форме направлять по адресу:
119991 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6, Издательство МГГУ;
ф заказать по телефонам:
ф заказать по факсам:
(495) 236-97-80, (495) 737-32-65;
(495) 956-90-40, (495) 737-32-65;
ф через e-mail: info@gornaya-kniga.ru
Распространение книг осуществляют Издательство МГГУ, издательство «Горная книга» и ООО «Горкниготорг»
Подробная информация размещена в Интернете на сайте www.gornaya-kniga.ru