Эволюция и формирование современной парадигмы (модели) комплексного использования минерального сырья

УДК 338.45:622

ЭВОЛЮЦИЯ И ФОРМИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ПАРАДИГМЫ (МОДЕЛИ) КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Ф.Д. Ларичкин

Институт экономических проблем им. Г.П. Лузина КНЦ РАН

Аннотация

Исследована эволюция парадигмы рационального недропользования в трудах отечественных и зарубежных ученых. Выявлена постепенная ее трансформация в перспективе, по мере развития и масштабного освоения ресурсосберегающих, экологосбалансированных технологий комплексного освоения и переработки ресурсов, включая нанотехнологии, в модель малоотходного производства с рециклированием всех видов отходов производства и потребления и максимальным ограничением добычи первичных природных ресурсов.

Ключевые слова:

минеральное сырье, комплексное использование, парадигма (модель) недропользования, нанотехнологии, малоотходное производство.

Специфической особенностью экономики России является ее во многом природно-ресурсный, сырьевой характер. Так, по имеющимся оценкам [1] доля природно-ресурсного комплекса отраслей (добывающая, энергетика, сельское, лесное и охотничье хозяйство, рыбная и т.п.) составляет примерно 30% в ВВП, около 17% в общей численности занятых в народном хозяйстве и около 70% в объеме экспорта. Причем, подавляющая часть приведенных величин обеспечивается в результате эксплуатации и первичного потребления невозобновимой части естественных активов - полезных ископаемых [1, 2]. Минерально-сырьевой комплекс является в настоящее время доминантой реального сектора современной российской экономики. Получаемые здесь максимальные по объему и минимальные по срокам прибыли, рентные средства многократно «прокручиваются» и являются по сути как источником существования различных посреднических структур (торговых, финансово-кредитных, информационных и т.п.), так и базой формирования соответствующей части ВВП в сфере услуг [1].

Приведенные факты свидетельствуют о необходимости разработки стратегии рационального использования и реструктуризации отечественного минерально-сырьевого комплекса, который неизбежно будет оставаться опорой всей экономики России как минимум на ближайшее будущее. Особую актуальность эта проблема имеет для зоны Севера страны, сырьевая специализация которой является объективно обусловленной.

Применительно к минерально-сырьевому комплексу Севера основные усилия должны быть направлены на повышение комплексности использования сырья. Это связано с ресурсной специализацией экономики северных территорий, высокой уязвимостью природной среды, повышенными издержками и налогооблагаемой базой, обусловленными суровыми природноклиматическими условиями и очаговым характером освоения, слаборазвитой инфраструктурой, ограниченной транспортной доступностью и т.п.

Определяющее значение в ресурсном потенциале Севера имеют разнообразные, зачастую уникальные, минеральные ресурсы, характеризующиеся, как правило, комплексным многокомпонентным составом.

Поэтому генеральным направлением развития и экономического роста регионов российского Крайнего Севера является рациональное использование природно-ресурсного потенциала, разработка и реализация ресурсосберегающей экологосбалансированной модели глубокой комплексной малоотходной переработки минерального сырья с широким внедрением методов предварительного обогащения (радиометрических, тяжелосредных и т.п.) с выводом в голове технологического процесса отвальных продуктов в крупнокусковом состоянии и резким сокращением тонко измельченных отходов с высокой удельной поверхностью,

характеризующихся наиболее существенным отрицательным воздействием на все элементы биосферы [3].

В теорию и практику комплексного использования минеральных ресурсов основной вклад внесли отечественные ученые и специалисты. Различные парадигмы (модели) рационального недропользования на основе комплексной переработки минерального сырья по материалам выдающихся отечественных ученых сформулированы и охарактеризованы В.А. Резниченко [4, с. 9-22]. В последующем они дополнены А.Д. Верхотуровым с позиции минералогического материаловедения [5]. Эволюция моделей, c кратким описанием их сущности, характеризуется данными табл. 1, а графическое представление некоторых из них в современном понимании и интерпретации приведено на рис. 1 и 2.

Таблица 1

Эволюция парадигмы (модели) недропользования на основе работ [4-15]

№ п/п Авторы моделей Краткое описание сущности

1. В.И. Вернадский Рециркуляция металлов и неметаллических полупродуктов, создание сплавов и материалов с учетом не только свойств, но и распространенности элементов в природе (на основе 81, А1, Бе, Са, Ка, К, М§, Т1). Рациональное сознательное преобразование биосферы в «ноосферу», сосуществование общества в гармонии с природой

2. А.Е. Ферсман Полное использование всех ценных компонентов минерального сырья, создание комбинированных межотраслевых производств, в которых технологические процессы подбираются к составу сырья

3. И.П. Бардин Отходы одних технологических переделов минерального сырья или производств должны служить сырьем для других

4. Э.В. Брицке Технология производства материалов сосуществует с окружающей средой, когда используется принцип комплексного использования сырья

5. Н.В. Мельников, М.И. Агошков Комплексное освоение недр: достижение оптимальных для народного хозяйства страны и интересов будущих поколений показателей полноты использования всех видов ресурсов недр и участвующих в процессе их освоения трудовых и материальных ресурсов

6. В.А. Резниченко (рис. 1) Организация замкнутого комплексного производства: создание межотраслевых технологически замкнутых производств в рамках предприятий, месторождений, регионов, отраслей; рециркуляция материалов; разработка материалов с учетом распространенности элементов в природе, сохранение окружающей среды

7. А.Д. Верхотуров (рис. 2) Создание мини-заводов в местах добычи сырья с использованием высоких технологий; идеальной схемой безотходного производства, ориентиром на будущие технологии, должна быть разомкнутая схема производства материалов, т.е. с полной переработкой отходов

8. А.Д. Верхотуров Разложение минералов, их восстановление и получение элементов, сплавов и соединений при воздействии на минералы (минеральное сырье) концентрированных потоков энергии (высоких градиентов температур и давлений) в условиях лазерной, электронно-лучевой, электроискровой, электрошлаковой, плазменной обработки, алюмотермии, экстремальных методов порошковой металлургии, а не пиро- и гидрометаллургические процессы

9. К.Н. Трубецкой, В.А. Чантурия Развитие минерально-сырьевого комплекса как составной части процесса устойчивого развития при сохранении естественной биоты Земли путем создания эко-, геотехнологий освоения недр на принципах поточности, малоотходности, ресурсосбережения, ресурсовоспроизведения, повышения контрастности свойств разделяемых компонентов с обеспечением экологической чистоты, аналогичной с функционированием биологических систем

В работах [4, 5] представлены и обсуждаются только модели 1-4 и 6-8 (табл. 1), т.е. проблема исследуется главным образом с позиции комплексной переработки уже добытого минерального сырья. Другие ресурсы недр, комплексное их освоение и собственно процессы недропользования, извлечения ресурсов из недр не рассматриваются, хотя и упоминаются.

В зависимости от конкретных целей и условий любой элемент системы может исследоваться обособленно. Однако для выявления оптимального варианта комплексного использования минерального сырья более продуктивным будет подход с включением в систему конкретного участка недр в его природном состоянии и совокупности необходимых технологических процессов и видов работ для извлечения полезного ископаемого (других ресурсов недр) на дневную поверхность. Эти важные дополнительные элементы во многом определяют как общий объем природно-ресурсного потенциала недр (границы промышленных запасов), так и эффективность его комплексного использования.

Рис. 1. Цикл полного использования материалов [5, 13]

Рис. 2. Незамкнутый цикл (идеальный) полного использования материалов [5]

В соответствии с необходимостью целостного системного рассмотрения проблемы нами введены еще две модели недропользования 5 и 9 (табл. 1), сформулированные на основе изучения и обобщения работ в этой области академиков Н.В. Мельникова, М.И. Агошкова,

Н.К. Трубецкого, В.А. Чантурия и других ученых и специалистов [6, 9-15, 17-20].

Безусловно, основоположником научного недропользования как части природопользования является В.И. Вернадский в рамках его основополагающего философского учения о ноосфере как целостной планетной оболочке Земли, населенной людьми и рационально сознательно преобразованной ими в соответствии с законами сохранения и поддержания жизни для гармоничного сосуществования общества и природы [7].

Большинство приведенных в табл. 1 моделей рационального недропользования и комплексной переработки минерального сырья, представляют собой необходимую конкретизацию, дополнение и последующее развитие идей В.И. Вернадского и А.Е. Ферсмана для конкретных условий и стадий производства с учетом современного уровня научных знаний и практики недропользования, усложнения глобальных экологических проблем и необходимости обеспечения устойчивого развития мирового сообщества при резко сокращающихся запасах невозобновимых минеральных ресурсов и т.п.

Общепризнанным в научной литературе является приоритет акад. А.Е. Ферсмана во введении в научный оборот понятия «комплексное использование сырья» [13], определении и характеристики его сущности, направлений, значимости и эффективности, а также конкретных практических примеров организации комплексных природно-ресурсных производств.

Модель Н.В. Мельникова, М.И. Агошкова [6, 10, 11] существенно расширяет перечень видов и масштабы ресурсов земных недр, повышает эффективность комплексного недропользования.

Модель Н.К. Трубецкова, В.А. Чантурия [9, 12, 14, 15] ориентирует на преобразование традиционной технологии добычи и переработки полезных ископаемых путем целенаправленного создания экологически безопасных геотехнологий, позволяющих не превышать порога возмущения биоты, допустимого по условиям ее существования. Основными элементами таких биогенных технологий являются: замкнутый цикл обращения твердых, жидких и газообразных отходов; избирательная добыча полезного ископаемого (перевод в подвижное состояние, сегрегация и селективная дезинтеграция горной массы; управление контрастностью свойств минеральных компонентов; предконцентрация руды радиометрическими методами в очистном пространстве); восходящий порядок горных работ с размещением основной части отходов в отработанном пространстве; минимизация экологической цены продукции; ограничение (нормирование) уровня техногенного воздействия на конкретные экосистемы и т.д. Обоснованные биогенные принципы построения горной технологии составляют концептуальную основу «идеальной разработки». И хотя такая технология, как отмечают авторы [12], скорее всего, останется мечтой, но ее формирование укажет основные направления научного поиска экологически безопасных решений.

Значительный интерес представляет модель замкнутого комплексного использования минеральных ресурсов с рециркуляцией полезных компонентов на основе утилизации и переработки отходов, предложенная В.А. Резниченко и А.А. Морозовым [4, с. 9-22]. Схема подобного производства (рис. 1) была представлена на «Неделе материалов» в г. Чикаго (США) в 1994 г. [16].

В развитие модели В.А. Резниченко и А.А. Морозова А.Д. Верхотуровым предлагается разомкнутая схема производства материалов с полной переработкой отходов на основе создания мини-заводов в местах добычи сырья с использованием высоких технологий, представленную на рис. 2. Указанную схему А.Д. Верхотуров называет идеальной, ориентированной на будущие технологии. И, в качестве таких грядущих технологий, в предлагаемой им седьмой парадигме производства материалов рассматриваются воздействия на минеральное сырье концентрированных потоков энергии с разложением минералов, их восстановлением и получением элементов, сплавов и соединений «непосредственно из горной массы без предварительного разделения содержащихся в ней минералов и без обогащения» [5, с. 7].

Изложенные идеи и соответствующая им схема (рис. 2) представляются весьма заманчивыми, однако маловероятными на практике, во всяком случае, в обозримом будущем.

Во-первых, вариант создания мини-заводов на каждом месторождении, либо кустовых на группе сближенных месторождений явно более затратный по сравнению с транспортировкой концентратов и их совместной переработкой на ограниченном числе более крупных заводов (как правило, с реализацией положительного синергетического эффекта и эффекта масштаба).

Во-вторых, в связи с постоянным снижением содержания полезных компонентов в минеральном сырье его переработка с применением концентрированных потоков энергии будет весьма энергоемкой и дорогостоящей по сравнению с простыми методами механического обогащения и переработкой меньшего объема более чистого и богатого сырья (концентратов) новыми методами с применением концентрированных потоков энергии. В-третьих, значительная часть горной массы необходима для закладки выработанного пространства и рекультивации нарушенных земель. Кроме того, по мнению многих исследователей [21, 22] и автора настоящей работы, является недостижимым, нереальным технически полностью безотходное производство на всех без исключения стадиях трансформации природного сырья, а также совпадение потребностей общества со структурой и объемами выпуска продуктов переработки отходов производства и потребления. В связи с этим более вероятной на обозримое будущее представляется схема с частичным (возможно временным) складированием отходов, по крайней мере, некоторых стадий производства, представленная на рис. 1.

Комплексное использование многокомпонентного сырья за счет совместного применения в одном производстве нескольких ценных компонентов, мощностей и ресурсов вспомогательных, обслуживающих производств, всей инфраструктуры комбината, как правило, имеет положительный синергетический эффект [23, 24] по сравнению с односторонним

(монопродуктовым) использованием того же сырья для производства равноценного количества тех же видов продукции аналогичного качества, как простой суммы индивидуальных производств.

В работах [23, 24] показано, что природа синергетического эффекта комплексного использования многокомпонентного сырья может быть выявлена и наглядно представлена при рассмотрении принципиально возможных моделей индивидуального (монопродуктового), интегрированного (конгломератного типа) и комбинированного (комплексного) производств, организуемых на базе месторождения многокомпонентного минерального сырья (рис. 3).

Г отовые продукты 1 2

Готовые продукты 1 2

Готовые продукты 1 2

1. Индивидуальное производство 2. Интегрированное производство 3. Комбинированное

(конгломерат) (комплексное) производство

Рис. 3. Разновидности принципиально возможных моделей производств при использовании месторождения многокомпонентного минерального сырья

Чтобы избежать ненужных усложнений рассматриваемых моделей (рис. 3) будем полагать, что каждый из полезных компонентов сырья представлен собственными минералами,

существенно различающимися по физико-химическим свойствам, которые могут извлекаться в любом порядке по разным технологиям независимо друг от друга.

Расширение номенклатуры извлекаемых полезных компонентов при переработке многокомпонентного сырья сопровождается преобразованием только части перерабатывающих мощностей на стадии обогащения или, чаще всего, лишь на заключительных химикометаллургических операциях переработки концентратов, полуфабрикатов, промежуточных продуктов. При этом не требуется увеличения объема добычи сырья, соответственно дополнительных инвестиций и текущих затрат (см. рис. 3), связанных с подготовкой сырьевой базы, горными работами и начальными стадиями подготовки сырья к переработке (процессами дробления, измельчения*, классификации и т.п.).

Самый поверхностный анализ разработанных моделей наглядно и однозначно убеждает в существенных эколого-экономических преимуществах комплексного использования невозобновимых минеральных ресурсов, возможности существенного экономического роста и экологизации минерально-сырьевого комплекса при ограничении и даже снижении объемов добычи минерального сырья из недр, что подтверждено и экономическими расчетами на конкретных примерах комбинированного комплексного использования природного и техногенного многокомпонентного минерального сырья [23, 24].

Современная парадигма недропользования, как представляется, должна включать наиболее важные совместимые элементы всех перечисленных моделей и дополняться новыми достижениями науки и техники, в частности, нового научного направления - «нанотехнологии».

«Нанонаука», «нанотехнологии», «наноматериалы» - новое направление науки, возникшей на стыке физики, химии, материаловедения, биологии, электронной и компьютерной техники, получило особенно интенсивное развитие в последние 15-20 лет. Оно оперирует наноразмерными объектами величиной приблизительно от долей нанометра (нм) до 100 нм (1 нм = 10_ м). Причем верхний предел интервала размеров чисто условен, а нижний определяется размерами атомов и молекул [25]. Многие ученые, занимающиеся нанотехнологией, предсказывают в не столь отдаленном будущем революционные перемены во всех областях науки и жизнедеятельности человека, в частности в химии, биологии, медицине, экологии, электронике и др. [25, 26]. Принципиальная возможность построения с помощью

нанотехнологии материальных структур атом за атомом или молекула за молекулой [25, 26] позволяет перейти в перспективе к идеальному комплексному действительно малоотходному использованию определенной части практически любого природного или техногенного материала, рециклированию полезных соединений или химических элементов из отходов производства и потребления и, соответственно, резкому ограничению объемов добычи первичного природного сырья. Очевидно, таким путем человечество в будущем сможет перейти к экологосбалансированному устойчивому экономическому развитию, научному преобразованию биосферы в ноосферу, сферу разума по В.И. Вернадскому [7].

ЛИТЕРАТУРА

1. Думнов А.Д. Природно-ресурсный комплекс России: статистическая оценка 90-х годов // Вопросы статистики, 2000, № 5. С. 23-33. 2. Балукова В.А. Методология корпоративного подхода к реструктуризации промышленных предприятий в условиях российской экономики. СПб.: СПбГИЭУ, 2002. 204 с. 3. Ларичкин Ф.Д. и др. Экономическая оценка ресурсов многокомпонентного минерального сырья и оптимизация комплексного его использования / Ф.Д. Ларичкин, В.Н. Мотлохов // Природные ресурсы северных территорий: проблемы оценки, использования и воспроизводства. 4. Комплексное использование руд и концентратов / В.А. Резниченко, М.С. Липихина, А.А. Морозов и др. М.: Наука, 1989. 172с. 5. Верхотуров А.Д. Минералогическое

материаловедение как раздел науки о материалах //Химическая технология. 2002. № 6. С. 2-8; № 7. С. 2-8. 6. Агошков М.И. Развитие идей и практики комплексного освоения недр // Горный журнал. 1984. № 3. С. 3-6. 7. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М.: Наука, 1969. 262 с. 8. Горные науки, освоение и сохранение недр Земли / под ред. акад. К.Н. Трубецкого. М.: Изд. АГН, 1997. 475с. 9. Достижения и приоритеты горных наук в России / К.Н. Трубецкой, В.А. Чантурия, Д.Р. Каплунов, Н.Н. Чаплыгин // Горный журнал. 2000. № 6. С. 22-27. 10. Мельников Н.В. Минерально-сырьевые ресурсы и комплексное их освоение. Избранные труды. М.: Наука, 1987. 300 с. 11. Мельников Н.В. и др. Задачи научных исследований в области комплексного освоения месторождений, использования минерального сырья и охраны недр / Н.В. Мельников, М.И. Агошков // Комплексное использование минерального сырья. 1979. № 7. С. 3-11. 12. Трубецкой К.Н. и др. Экологические проблемы

* В ряде случаев может потребоваться операция доизмельчения некоторых продуктов.

освоения недр при устойчивом развитии природы и общества / К.Н. Трубецкой, Ю.П. Галченко, Л.И. Бурцев. М.: Научтехлитиздат, 2003. 261 с. 13. Ферсман А.Е. Комплексное использование ископаемого сырья. М.: АН СССР, 1932. 20 с. 14. Чантурия В.А. Основные направления комплексной переработки минерального сырья // Горный журнал. 1995. № 1. С. 50-54. 15. Чантурия В.А. Теоретические основы повышения контрастности свойств и эффективности разделения минеральных компонентов // Цветные металлы. 1998. № 9. С. 11-17. 16. Materials Week. International Conference of Minerals, Metals and Materials Society. Oktober. 2-6. 1994. Rosemont (Chicago). Illinois USA. 1994. P. 1-183. 17. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология. М.: МГГУ, 2001. 656 с. 18. Воробьев А.Е. Ресурсовоспроизводящие технологии горных отраслей: уч. пособие. М.: МГГУ, 2001. 150 с. 19. Дядькин Ю.Д. Проблемы комплексного освоения ресурсов недр и использования подземного пространства // Горный журнал. 1990. № 7. С. 54-57. 20. Приоритетные направления научных исследований в области геологических, геохимических и горных наук по изучению, освоению и сбережению недр России / В.А.Жариков, Ю.Г.Леонов, Ю.Г.Сафонов и др.; под ред. В.А. Жарикова. М.: ИПКОН рАн, 1996. 213 с. 21. Бобылев С.Н., Ходжаев А.Ш. Экономика природопользования: уч. пособие. М.: ТЕИС, 1997. 272 с. 22. Экология и экономика

природопользования: учебник для вузов / под ред. проф. Э.В. Гирусова, проф. В.Н. Лопатина. 2-е изд., доп. и перераб. М.: ЮНИТИ-ДАНА, Единство, 2002. 519 с. 23. Ларичкин Ф.Д. Научные основы оценки экономической эффективности комплексного использования минерального сырья. Апатиты: КНЦ РАН, 2004. 252 с. 24. Специфика учета и управления затратами в комбинированных горнопромышленных производствах / Ф.Д. Ларичкин, А.Г. Воробьев, Ю.Г. Глущенко, Т.А. Блошенко, Т.А. Ковырзина. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2012. 285 с. 25. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / пер. с англ. / под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П. Аливисатоса. М.: Мир, 2002. 292 с. 26. Скорина М.Л. и др. Нанотехнология в материалах сайтов сети Интернет / М.Л. Скорина, Е.В. Юртов // Химическая технология. 2003. № 1. С. 39-43.

Сведения об авторе

Ларичкин Федор Дмитриевич - д.э.н., профессор, директор Института; e-mail: lfd@iep.kolasc.net.ru