Будущее горного дела в XXI веке новые технологии

ПРОБЛЕМЫ БУДУЩЕГО ГОРНОГО ДЕЛА

В.Ж. Аренс

действительный член РАЕН

БУДУЩЕЕ ГОРНОГО ДЕЛА В XXI ВЕКЕ —

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Для того, чтобы заглянуть в будущее горного дела надо четко себе представлять настоящее. Горно-добывающая промышленность - основа благополучия России на рубеже веков. Это ее экономическая и национальная безопасность, которая выражает определенную степень защищенности общества от различных форм насилия. Для успешного развития экономики России прежде всего необходимо обеспечить страну минерально сырьевыми ресурсами (МСР).

Как это сделать? Возможно два варианта: первый - Македонский,

"разрубить узел" (по этому принципу действовал И.В.Сталин, обозначив в 1948 г. план на 3 пятилетки, в результате которого страна была бы ограждена от всяких случайностей: производить 500 млн. т угля, 60 млн. т стали, 50 млн. т чугуна, 50 млн. т нефти). К этому же варианту можно отнести решение вопросов по Наполеону Бонапарту - "сначала ввязаться в бой, а там посмотрим, что получится" (минерально-сырьевой комплекс разрушается, а мы на все это скептически смотрим).

Но сегодня нужен второй вариант - кропотливая работа и научные расчеты по всем полезным ископаемым, с учетом возможностей месторождений, производств, мировых цен и потребителей внутренних и внешних. Этот вариант может обеспечить страну минеральным сырьем в нужных масштабах и в необходимые сроки, но для этого требуется обеспечить мировой уровень науки, техники, информации и не забывать, что, только через минеральное сырье Россия выйдет из кризиса. Если нет "удобных" месторождений, то надо искать новые

технологии, новое сырье (например, природные битумы), осваивать мелкие месторождения, минипредприятия.

Уже сегодня нужна координация всех горных дел через единое "Горное бюро", которое должно изучать конъюнктуру рынка и определять политику освоения месторождений. Пока все ведут работы разобщенно.

Сегодня минерально-сырьевой комплекс, включая сырьевую базу России, несмотря на его огромный потенциал, созданный до начала 90-х годов оказался в критическом состоянии. Хотя всем хорошо известно, что он является фундаментом всего народного хозяйства.

Происходит прогрессирующее падение производства. Так, добыча нефти упала с 516 млн. т в 1990 г. до 305 млн. т в 1995 г., угля соответственно 396 млн. т до 250 млн. т. За этот же период на 25-40% уменьшился выпуск алюминия, меди, никеля, свинца, цинка, драгоценных и редких металлов, алмазов и минеральных удобрений.

После распада СССР Россия оказалась в зависимости от импорта марганца, хрома, стронция, свинца, титана, циркония, барита, глинозема и других полезных ископаемых.

Спад производства минеральных ресурсов связан во многом с ухудшением сырьевых баз действующих предприятий, выбытием добывающих мощностей, катастрофическим сокращением разведочных работ. Все это свидетельствует, о том, что сегодня государство фактически самоустранилось от его важнейших функций - изучения недр и их минеральных богатств на перспективу и осуществления строжайшего контроля за их ра-

циональным использованием. Все это породило тенденцию к выборочной (хищнической) отработке месторождений под давлением необходимости выживания предприятий и получения сиюминутного максимального эффекта, сплошь и рядом связанным с получением личной наживы.

Мировой и отечественный опыт показывает, что открытие крупных новых месторождений в географически доступных регионах и на небольших глубинах практически не реально, а это значит, что для разведки и разработки новых месторождений потребуются новые технологии, основанные на новых физикохимических методах геотехнологии.

Как известно, история не знает сослагательного наклонения. Вполне возможно, что и прошлое ни чем не лучше будущего. И если в прошлом развитие горного дела шло по определенной схеме, то, может быть, его можно экстраполировать в будущее? Но это уже будет фатализм, запрограммированность развития горного дела в будущее. Вероятно, следует согласиться, что правильное понимание прошлого открывает дорогу в будущее.

Многие исследователи уже пытались заглянуть в будущее [1, 2, 3, 4, 5]. Еще "Римский клуб" в 1978 г. дал "прогноз развития пути человечества", где проф. М.Мидоус сделал пессимистический прогноз "как запасы минерального сырья будут определять жизненный уровень на нашей планете". Жизнь показывает, что запасы полезных ископаемых в недрах огромны, другое дело, что содержание полезного компонента в руде уменьшается, т.е. нет сырьевого кризиса, а есть кризис техники и технологии их получения.

Волны технологических решений по разному воспринимались в разных странах, и именно поэтому значительная часть идей и технологических предложений во многих странах не реализовывались. Так, например, идея кучного и подземного выщелачивания золота была на

кончике пера у многих русских ученых, но получила широкое реальное воплощение в последнее десятилетие в США и ЮАР.

Поэтому в решении этой и других проблем многим странам не обойтись без заимствования чужого опыта, причем он должен усовершенствован опытом развития горного дела в данной стране. От своего опыта отказываться нельзя, ибо он несет в себе зерна будущего, иначе все должно начаться с восстановления потерянного и поиска нового пути.

Всем хотелось бы войти в светлое будущее, а для этого надо много работать, искать новые решения. Ученый -это путешественник в будущее, и он должен предсказывать, подобно Нострадамусу, когда и что свершится, но сегодня утверждать, что-то конкретное в будущем тем более через "пригожинский хаос" очень трудно.

Как известно общество может существовать только при условии непрерывного технического прогресса ибо замедление развития, распространения и освоения достижений науки ведет общество к катастрофе.

Вполне вероятно, что в ближайшие 30-50 лет в связи с ростом населения планеты и расширением промышленного производства, потребуется извлечь из недр большее количество полезных ископаемых.

Постиндустриальная цивилизация будет представлять информационное общество, где главными результатами будет научно-технические знания и информация. Таким образом, задачи горной науки - указывать пути снижения затрат на производство товара (руды, угля, концентрата, окатышей и т.д.) и ускорение разработки новых технологических процессов разведки, добычи и переработки полезных ископаемых и оборудования для их осуществления. Снижение риска неудачных решений, обеспечение экологической и технологической безопасности горных производств - первоочередная задача.

Что же в начале XXI века будет влиять на горное производство:

1. Прежде всего это усложнение горногеологических и географических условий разработки месторождений полезных ископаемых.

2. Видимо не обойдет горную промышленность мировая тенденция объединения добычи и переработки полезных ископаемых в крупные международные конгломераты-компании.

3. В условиях конкуренции предприятия будут стремиться к выпуску конечной продукции.

4. В традиционном горном деле будет превалировать тенденция упрощения и повышения надежности оборудования.

5. Ужесточение законодательных актов по охране окружающей среды и сближении государственных законов недропользования с международным "Mi-ning Law".

6. Видимо предметом особых исследований станет взаимодействие горного производства и природы в их общеконцептуальном - философском смысле. Т.е., необходим поиск общих концептуально-теоретических основ горной науки на базе многокритериального принятия хозяйственных и инвестиционных решений.

7. В ближайшем будущем на первый план выйдут технологии использования минерального сырья, предусматривающие ресурсосберегающие технологии потребления. Это, конечно, не значит, что поиск новых месторождений и новых технологий их разработки и переработки будет забыт.

8. К середине XXI века, вероятно, горное дело вплотную займется минеральными ресурсами миро-

вого океана и космоса (известно, например, что в 1 м3 лунного грунта содержится гелия в 400 раз больше, чем в любой породе на Земле).

9. Нахождение горного дела в створе двух начал - природной среды и человеческой деятельности - делают особо актуальной и сложным изучение их взаимности. Поэтому экологическая проблематика займет одно из главных мест в исследованиях 21 века, ибо необходимо будет знать не только наличие в отвалах и хвостохранилищах определенных элементов, но и формы их нахождения, способность к миграции и т.д.

Таким образом, вступая в новое тысячелетие, необходимо:

1. Разобраться с реальной потребностью каждого полезного ископаемого и на этой основе сократить их потребление (найдя им замену).

2. Обеспечить глобальное экологическое равновесие горного производства с окружающей средой.

3. Разработать национальную стратегию устойчивого развития минерально-сырьевого комплекса.

4. Ужесточить законодательные акты по охране окружающей среды при горных разработках и создать Международный "Mining Law".

5. Реконструировать действующие горные предприятия.

6. Вести поиск новых технологических приемов добычи и переработки полезных ископаемых, основанных на физикохимической геотехнологии.

Как уже говорилось, все большее значение для будущего человечества приобретает сейчас изучение и освоение

земных недр. Мир уже содрогается от кризисов, вызванных сырьевым голодом, а в ближайшие годы дефицит многих полезных ископаемых станет на повестку дня. Более того, потребность в природном минеральном сырье продолжает расти и, чтобы удовлетворить ее, в разработку вовлекаются все более бедные месторождения, залегающие на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях. В связи с этим совершенствование технологии открытой и подземной добычи не может обеспечить резкого повышения производительности труда и снижения себестоимости полезных ископаемых. Так, например, в США производительность труда на добыче угля за прошлое десятилетие уменьшилась на 38%. То же можно сказать о других отраслях горного производства. Данная закономерность связана с характерными особенностями добывающей промышленности, на которую природа оказывает существенное влияние. Ибо дело заключается не только в общественной, но также и в естественной производительности труда, которая зависит от естественных условий труда.

Известно, что практически за полвека горное дело шагнуло от кайла и лопаты до мощных механизированных комплексов. Однако, происшедший скачок носит более количественный, чем качественный характер, поскольку в основе технологии добычи лежат все те же кайло и лопата, хотя и механические.

Традиционные открытые и подземные способы разработки месторождений, основанные на механическом отделении полезного ископаемого от массива, цикличной погрузки, доставки, транспорта, требуют присутствия людей на месте добычи. Видимо, в ближайшем будущем все операции особенно при подземной разработке, полностью автоматизировать не удастся.

Поэтому так актуально именно сейчас искать принципиально новые пути добычи полезных ископаемых, избежать перемещения масс пустых пород, исклю-

чить присутствие под землей человека, резко повысить производительность труда.

К сказанному следует добавить, что все существующие способы разработки месторождений относятся только к верхней части земной коры, а экономично добывать твердые полезные ископаемые с глубины человечество еще не научилось. В этом плане и геологи, и горняки на сегодня еще не добились решающего прогресса в поиске, разведке и разработке глубинных месторождений полезных ископаемых. Таким образом, прогресс в развитии наук о Земле и освоении недр, связанный с получением столь необходимых людям сырьевых ресурсов, оставляет желать много большего.

При традиционных процессах добычи не происходит изменения качественных, физических или химических свойств добываемого продукта, поскольку последний извлекается из недр земли в виде дробленой кусковатой массы, и только при дальнейшей переработке продукт труда горняка приобретает новые свойства, форму, качества и т.п. На современном этапе развития горного дела, когда добытый "кусок" обходится очень дорого, да и содержит с годами все уменьшающееся количество полезного компонента, его последующая переработка требует затрат, несопоставимых с ценностью извлекаемых продуктов. На основании сказанного можно сделать прогноз, который показывает, что в ближайшем будущем многие полезные ископаемые извлекать из недр в виде "куска" будет не выгодно. Потребуется избирательное извлечение из недр только полезных компонентов или, иначе говоря, добыча должна соединиться в недрах земли с переработкой. Естественно, что осуществление этого перехода должно сопровождаться принципиально новыми качественными изменениями в горном деле и, прежде всего, переходом при рассмотрении процесса добычи полезного ископаемого от уровня "куска" на уровень молекулы, атома и даже иона.

Из сказанного вытекает, что на сегодня в горном деле налицо революционная ситуация, когда общественная необходимость требует отрабатывать все более бедные и глубокозалегающие месторождения с обязательными условиями охраны окружающей среды, а современный уровень развития техники и технологии не позволяет сочетать решение поставленных задач с повышением экономической эффективности производства. В то же время очевидна внутренняя подготовленность и зрелость горной науки для обогащения ее новейшими достижениями фундаментальных наук, на базе которых горное дело сможет резко шагнуть вперед, то есть осуществить сдвиг в техническом базисе горного производства.

Доказано, что исходным пунктом революции в производительных силах может быть только орудие труда. Именно качественное преобразование в орудиях труда служит началом переворота в производительных силах. К.Маркс показал, что для того, чтобы вызвать революцию в производительных силах, орудие труда должно заключать в себе новый принцип.

Известен и пример, который дает К.Маркс "Плуг (если изменилась только тяга, вместо животного - машина, В.А.) вовсе не заключает в себе нового принципа и совершенно не годится для того, чтобы вызвать промышленную революцию". Отсюда ясно, что замена лопаты экскаватором или тачки самосвалом, а его - 120-тонным самосвалом не вызовет НТР.

Условие НТР в горном деле - смена принципа действия орудия на предмет труда, то есть путь коренного преобразования технологии добычи полезных ископаемых один - замена старых методов и технических средств горного производства новыми, основанными на совершенно иных принципах.

Нужно сказать, что научно техническая революция должна затронуть все разновидности орудий труда в технологии добычи и переработки, поскольку их

замена в одной технологической операции, например отбойке, при сохранении принципа действия подавляющего большинства остальных орудий труда в других операциях, не сможет революционизировать производительные силы, то есть, революция в производительных силах должна проявляться как технологическая революция, где исчерпание потенций одних форм движения требует перехода к другим, обладающим более высокой технологической потенцией.

С нашей точки зрения, НТР в сфере горного производства во многом связана с развитием новой научной дисциплины - физико-химической геотехнологии и с использованием ее возможностей для разработки новых геотехнологических методов добычи.

Известно, что обязательно в недрах старого появляется нечто новое, которое отрицает его и в будущем заменит. Так это происходит и в горном деле.

С давних пор добыча соли осуществляется подземным ее растворением. В прошлом веке Д.И.Менделеев предложил идею подземной газификации угля. Подземная выплавка - метод Фраша - широко используется для добычи серы с начала XX века. Методы выщелачивания меди, урана, золота, сейчас обрели широкое промышленное применение. Но это только начало. С углублением горных разработок в недрах можно будет создавать практически любые температуры и давления, вести самые разнообразные химические или физические процессы, позволяющие во многих случаях обеспечить получение на поверхность уже не промежуточных, а конечных продуктов, то есть, совместить в недрах извлечение и переработку полезных ископаемых.

При геотехнологических методах добычи полезное ископаемое переводится в подвижное состояние (газ, расплав, раствор, гидросмесь) и извлекается на поверхность. Для этого в недра - на место его залегания, подводятся рабочие агенты и осуществляются тепловые, массообменные, химические, гидродинамические

процессы, благодаря которым обеспечивается возможность выемки и выдачи полезного ископаемого из недр через скважины. Из сказанного ясно, что суть гео-технологического процесса - перемещение полезного ископаемого в месторождении. Вероятно здесь уместно сказать о внутренних и внешних факторах, способствующих протеканию процесса добычи. Внутренние факторы - это свойства минералов, внешние - физико-геологическая обстановка (1°, Р, С, pH, ЕН и т.д.). Все эти факторы действуют совместно.

Геотехнология - наука о геотехнологических методах добычи полезных ископаемых и средствах их осуществления. Она изучает физико-геологическую обстановку, горную среду, химию и физику процессов добычи, методы и средства их осуществления. Нужно заметить, что исследователь, ведущий работу в области геотехнологии, должен смотреть на полезное ископаемое и горную среду, где оно залегает, с геотехнологической точки зрения, которая заключается прежде всего в исследовании путей перевода извлекаемых полезных ископаемых в подвижное состояние.

В геотехнологии выделяются два основных направления. Первое связано с изучением физико-геологической обстановки месторождения. Второе - с разработкой способов и средств добычи, выявление их зависимости от физикогеологических обстановки и ее изменения в процессе эксплуатации месторождения. Из сказанного ясно, что связь геологического цикла наук с геотехнологией самая близкая. Более того, по образному выражению акад. Н.В.Мельникова, геотехно-логические методы "... вторят природе с той только разницей, что процессы в недрах подобны природным и управляет ими человек. А идут они в выгодном для него "обратном порядке" [5]. Известно, что главной причиной отложения многих минеральных веществ являются химические реакции с образованием нерастворимых или труднорастворимых продуктов. Поэтому, изучая месторождения по-

лезных ископаемых, для размышления и анализа можно сформулировать такие общие вопросы:

1. Какие физические, химические или физико-химические процессы могут обеспечить изменение агрегатного состояния полезного ископаемого?

2. В каких условиях устойчивые минеральные ассоциации возможно привести в подвижное состояние?

Ответить на эти вопросы нам поможет изучение генезиса месторождения, поскольку, вскрыв процесс образования полезного ископаемого, можно придти к технологии оснований на "обратном" процессе перевода его в подвижное состояние. Так, например, одна из основных гипотез образования соляных месторождений связывает их генезис с испарением воды в морской лагуне, поэтому для разработки таких месторождений возможно использовать растворение солей водой. Осадочные месторождения рыхлых руд, как правило, образовались в результате осаждения механических взвесей из воды, а струя воды из гидромонитора дает возможность привести руду в подвижное состояние. Образование гидротермальных месторождений связано с осаждением полезных ископаемых на высокотемпературных газов, паров, растворов. Путем изменения гидротермодинамических параметров участке месторождения можно создать искусственные газо-гидротермы и из них извлечь полезные компоненты.

Принципиальное отличие геотехнологических методов от обычных, позволяющее видеть в новой технологии перспективу горного дела, заключаются в их характерных особенностях: добыча полезного ископаемого ведется через скважины, что позволяет осуществить управление процессом добычи с поверхности, изменяя параметры технологии (расход, давление, температуру, концентрацию и т.д.); орудием труда - инструментом добычи является рабочий агент

(растворитель, теплоноситель, окислитель и т.д.), который посредством физического, химического и т.д. воздействия переводит полезное ископаемое в подвижное состояние; в недрах одновременно с добычей полезных ископаемых часто ведется их переработка, то есть месторождение одновременно является объектом разработки и местом, где протекает технологический процесс частичной переработки.

Уже на современном этапе развития техники и технологии подготовительных работ существует принципиальная возможность для добычи геотехноло-гическими методами всех полезных иско-

паемых, свойства которых позволяют перевести их тем или другим способом в подвижное состояние. В таблице представлен обобщенный анализ состояния развития геотехнологических методов добычи, из которого видно, на каких месторождениях уже сейчас или в ближайшей перспективе можно применить различные геотехнологические методы.

Громадные перспективы горного дела века связаны с добычей полезных ископаемых из морей и океанов. Этот резерв человечества они практически не используются.

Использование геотехнологических методов

Таблица

Метод Объекты промышленного освоения Объект полупромышленных и опытных исследований. Проработки, предложения

Подземное растворение Месторождения каменной, калийных солей Месторождения бншофнта, соды, глауберовой соли

Подземное выщелачивание Зоны окисления сульфидных месторождений меди и никеля. Уран инфильтрационных и осадочно-инфиль грационных месторождений, а также забалансовые участки эндогенных месторождений Месторождения марганца, сульфидные месторождения меди, свинца, цинка и никеля, золота, титана, известняка. Осадочные бурожелезняковые месторождения

Подземная выплавка Месторождения самородной серы Сера в непроницаемых рудах, битум и тяжелая нефть, озокерит, сера вулканогенных месторождений, асфальтит, металлы

Подземная газификация Месторождения каменного и бурого угля Осушенные месторождения серы. Известняк, месторождения битумов, горючих сланцев; руд, содержащих мышьяк и ртуть

Скважинная гидродобыча Месторождения фосфоритов, строительные пески, железо Осадочные месторождения металлов, строительные пески и гравий. Титан, касситерит в погребенных россыпях, желваковые фосфориты, уголь, мягкие бокситы, железо и т.д.

Добыча полезных ископаемых из подземных вод Месторождения йодобромн-стых вод, а также вод, содержащих бор, уран, стронций Сточные воды шахт, рудников и нефтепромыслов

Извлечение и использование тепла Земли Природные пapoгидpoтq>мы Тепло "сухих" горных пород

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Sajkewicz Л "Регере^умегпе Клегип1а ек$р1оа1аср Биптсст ттега1пусР' Согтс^о 0<1кгук<те 1976 № 8 5. 279-288.

2. Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых / Геотехнология. М. Медра, 1986 г.

3. Аренс В.Ж. Состояние и задачи геотехнологии. Горный журнал № 12, 1987, стрю 32-37.

4. Будущее горной науки. Наука, 1988.

5. Проблемы будущего горной науки России. Изд. РАЕН. М. 1992. 237 с.

6. Горное производства и наука на рубеже веков. Вестник ГМС. РАЕН. М. 1996. 277 с.

© В.Ж. Арнес