До последнего времени совершенствование технологий разработки месторождений полезных ископаемых во всем мире осуществлялось преимущественно экстенсивным путем. Например, в угольной отрасли звено «кайло-корзина» первоначально сменилось на «отбойный молотоквагонетка», а затем - на «комбайн-транспортер». При этом сущность технологий долгое время оставалась принципиально прежней. То же самое относится и к рудной отрасли, где весьма примитивные приспособления хотя и сменились высокопроизводительными буровыми станками, экскаваторами и прочими механизмами, но концептуальная сущность технологий не поменялась. И только к настоящему времени созданы принципиально новые технологии освоения месторождений полезных ископаемых, получившие название «физико-химические геотехнологии» [1, С. 30].
Еще в середине 60-годов ХХ столетия было обращено внимание специалистов на подготовленность и зрелость горной науки для развития геотехнологии, с использованием ее возможностей для разработки новых геотехнологических методов добычи.
При геотехнологических методах добычи полезное ископаемое переводится в подвижное состояние (газ, расплав, раствор, гидросмесь). Для этого в недра, на место залегания полезного ископаемого, 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 геотехнологического процесса - перевод полезного ископаемого в подвижное состояние с целью последующего его извлечения на поверхность. Вероятно, здесь уместно сказать о внутренних и внешних факторах, способствующих протеканию процесса добычи. Внутренние факторы - это свойства минералов, внешние - физико-геологические (геологические, гидрогеологические и геотермические) условия залегания месторождений. 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 [2, 3].
В геотехнологии выделяются два основных направления. Первое связано с изучением физико-геологической обстановки месторождения; второе - с разработкой способов и средств добычи выявлением их зависимости от физико-геологической 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 академика Н.В. Мельникова, геотехнологические 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»»
[4, С. 5].
Известие, что главная причина отложения многих минеральных веществ - это химические реакции с образованием нерастворимых или труднорастворимых продуктов, причем газовые или жидкостные растворы служат средой для миграции полезных ископаемых. Поэтому подход к изучению месторождений полезных ископаемых в геотехнологии определяется постановкой следующих вопросов. Какие механизмы физических, химических или физико-химических процессов могут обеспечить изменение агрегатного состояния полезного ископаемого? В каких условиях устойчивые минеральные ассоциации возможно привести в подвижное состояние? Ответить на эти вопросы нам поможет изучение генезиса месторождения, поскольку, вскрыв процессы образования полезного ископаемого, можно выявить технологию «обратного» воздействия - 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. Струя воды из гидромонитора дает возможность привести руду в подвижное состояние. Образование гидротермальных месторождений связано с осаждением полезных ископаемых из высокотемпературных газов, паров, растворов. Путем изменения гидротермодинамических параметров участка можно создать искусственные газогидротермы и из них извлекать полезные компоненты.
Принципиальное отличие геотехнологических методов от обычных, позволяющее видеть в новой технологии перспективу горного дела, заключается 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, т.е. месторождение одновременно представляет собой объект разработки и место, где протекает технологический процесс частичной переработки [5, С. 259].
Анализ горнотехнических процессов позволяет выделить следующие основные звенья их осуществления:
1) отделение породы от материнского массива;
2) трансформация породы к виду, удобному для перемещения;
3) перемещение трансформированного материала в заданное место;
4) укладка (складирование) доставленного материала для его последующего использования;
5) поддержание и управление выработанным пространством;
6) ряд процессов, связанных с созданием безопасных и комфортных условий для работы людей (вентиляция, водоотлив, освещение выработок, кондиционирование воздуха и т.д.).
Закономерности, присущие этим звеньям производства, являются общими для геотехнологических процессов. Основная проблематика геотехнологии как науки, очевидно, состоит в выявлении законов протекания указанных звеньев производства и разработке на этой основе новых, более эффективных методов осуществления геотехнологических процессов. Классификация геотехнологических процессов может быть проведена на основе различных признаков, вследствие чего возможно несколько классификаций [6, С. 31].
Для общего обозрения геотехнологических процессов и выявления их различий и взаимосвязей можно использовать классификационную схему, основанную на способах их осуществления.
С этой точки зрения целесообразно провести разделение геотехнологических процессов на две большие группы: на процессы, осуществляемые под открытым небом, и процессы, организуемые под земной или водной поверхностями. К первой группе отнесены большинство строительных процессов, а также открытая добыча полезных ископаемых; ко второй группе - все геотехнологические процессы подземной или подводной добычи полезных ископаемых и строительство некоторых подземных или подводных сооружений. Дальнейшее разделение подземных (подводных) геотехнологических процессов можно провести по существующему признаку, который характеризует условия труда при их проведении.
Управление рядом процессов, осуществляемых, например, в гидротехническом строительстве или связанных с добычей природного газа, воды, нефти и других полезных ископаемых, производится с поверхности земли (воды); другие процессы, связанные с добычей, главным образом, твердых полезных ископаемых, и некоторые процессы, применяемые в строительстве, требуют присутствия людей в подземных выработках или под водой. Еще более детальное разделение геотехнологических процессов можно провести, например, по методам осуществления отдельных звеньев этих процессов (механические, физические, химические, биологические).
Человек пользуется механическими, физическими, химическими свойствами вещей, для того, чтобы в соответствии со своей целью заставить их действовать в качестве орудия его власти. Геотехнологические процессы и соответствующая горная техника основаны на использовании различных свойств горного массива, являющегося объектом труда. Ведущими здесь являются процессы непосредственного отделения полезных ископаемых от массива. Механические и физические процессы отличаются лишь применяемыми способами ослабления и разрушения объекта без изменения его агрегатного состояния; химические и биологические процессы выделяют полезные компоненты химических превращением. В соответствии с этими процессами создаются средства перемещения добытой продукции.
Кроме средств или их комплексов, которыми человек воздействует на внешнюю природу, техника охватывает целый ряд средств, которые создаются человеком не для непосредственного воздействия на предмет труда и перемещения продукции, а для создания условий нормального протекания производственного процесса. Это особенно наглядно прослеживается в горной промышленности. Поэтому, кроме основной системы орудий и механизмов на шахте (карьере) имеется ряд механизмов и сооружений, предназначенных для обеспечения комфортных условий труда и нормального протекания производства. К ним относится вся система вентиляции, освещения горных выработок, кондиционирования воздуха, водопонижения и водоотлива. Все это должно быть учтено при проектировании горнодобывающих предприятий и соответствующих геотехнологических процессов.
Совокупность геотехнологических процессов в общем виде может быть представлена схемой, изображенной на рис. 1.
Современная добыча полезных ископаемых состоит из ряда звеньев технологической цепи, отмеченных выше. Все эти звенья главным образом, осуществляются в настоящее время механическими и физическими методами, при которых добываемое ископаемое изменяет лишь свою внешнюю форму. Для управления процессами добычи, основанными на механических методах, в настоящее время требуется присутствие людей под землей. Месторождения полезных ископаемых не содержат, как правило, свободных элементов; химические элементы находятся в залежи в виде разнообразных соединений. Эти соединения используются или для превращения имеющихся в них запасов химической энергии (уголь, нефть, природный газ) в другие формы энергии (тепловую или электрическую) или для превращения их (например, руды) в другие более ценные для потребителей соединения. Сравнительно редко добываемое из недр минеральное сырье используется в неизмененном виде, большинство видов минерального сырья подвергается дальнейшей технологической переработке, прежде чем стать конечным продуктом потребления. Поэтому добыча этих видов ископаемого в натуральном виде не является принципиально необходимым условием: достаточно, чтобы ископаемое обладало свойствами, позволяющими его использовать для тех же конечных целей, для которых предназначается натуральное ископаемое. Таким образом, сохранение неизменными агрегатного состояния и молекулярной структуры добываемого ископаемого, вообще говоря, не требует обязательного использования только механических способов добычи. Преимущественное распространение механических методов обусловлено тем, что они сейчас являются наиболее эффективными и обеспечивают более полное извлечение богатств недр.
В связи с этим заслуживают внимания возможности применения других методов осуществления геотехнологических процессов, для управления которыми принципиально не требуется присутствия людей под землей. Такого рода методы могут основываться на применении процессов химической технологии (в которых материал претерпевает изменение своих физических свойств, агрегатного состояния, молекулярной структуры). Целью такой химической подземной переработки твердых полезных ископаемых является превращение их в такие виды соединений, которые допускают более легкое отделение их от материнской залежи и находятся в более удобном виде (жидком или газообразном) для доставки их на поверхность. Очевидное преимущество применения химических процессов для добычи твердых полезных ископаемых - возможность избежать необходимости пребывания людей под землей.
Повышенная экономическая эффективность химической технологии существенно основывается на том, что здесь не нужно создавать искусственные инструменты, механизмы непосредственного воздействия на предмет труда (как в случае механических или некоторых физических методов обработки). В качестве такого орудия выступают, прежде всего, сами естественные химические свойства веществ, реакции между которыми и ведут к образованию новых веществ. Это обстоятельство приводит к возможности в ряде случаев достичь селективности химико-технологического воздействия, т.е. к избирательному воздействию процессов с применением
химических методов, которые теперь можно встретить в практике горнодобывающей промышленности: подземная газификация углей, подземное выщелачивание руд, подземное растворение солей, подземное расплавление и выдача серы, подземная возгонка ртути, мышьяка, сурьмы и других элементов, подземный микробиологический метод добычи металлов с использованием микробов, питающихся металлом, повышение пластового давления при добыче нефти с помощью микробов, выделяющих углекислый газ и др.
Интересными являются перспективы применения немеханической технологии. Сейчас начинают шире внедряться методы химико-технологические, связанные с физико-химическими изменениями тех природных образований, с которыми приходится иметь дело в геотехнологии. Особенно большие перспективы принадлежат лучевой (лазерной) геотехнологии. Лучевое разрушение массива является самым эффективным процессом.
Геотехнологические процессы могут быть классифицированы более детально (рис. 2). Как видно из классификационной схемы, общая геотехнология состоит из трех крупных комплексов: сельскохозяйственная, строительная и горная геотехнология. Каждый из этих комплексов имеет разновидности по способу осуществления и назначения основных звеньев технологической цепи. Так, сельскохозяйственные геотехнологические процессы включают перемещение земли при устройстве мелиорационных и ирригационных систем (плотин, каналов, туннелей и т.п.).
На рис. 3 приведена классификация строительной геотехнологии. В основу деления здесь принят признак назначения сооружения. Каждая из групп, входящих в схему, может быть дифференцирована на более мелкие группы сооружений. Например, строительство гидротехнических сооружения может состоять из образования плотин, гидротехнических тоннелей, каналов.
гидравлический, плазменный, лучевой (лазерный) и другие.
К химическим методам относятся растворение с выдачей рассола, и последующим выпариванием соли; расплавление серы перегретой водой с выдачей расплава и охлаждением на поверхности; подземная возгонка (сублимация) мышьяка, сурьмы, ртути и т.п.; подземное выщелачивание меди с последующей цементацией; подземная газификация угля, горючих сланцев. В зависимости от места осуществления геотехнологические процессы могут быть разделены на открытые (карьерные), подземные (шахтные), скважинные и подводные. Соответственно можно различать карьерную, шахтную, скважинную и подводную геотехнологию.
Правильный выбор эффективного способа осуществления геотехнологического процесса требует тщательного изучения свойств полезного ископаемого и вмещающих пород (минералогический, химический состав, химико-технологические, физико-технические свойства). Для изучения этих свойств массива широко используются химические, механические, физические методы и современная электроника.
Достижения естественных наук, как видно, используются не только для исследования свойств массива, но и создания и проведения самих геотехнологических процессов. Земная кора здесь становится не только объектом познания, но и объектом деятельности человека, источником богатств. На рис. 5 рассматривается схема соотношения геотехнологических и естественных наук.
Геотехнологические науки для исследования геотехнологических процессов используют данные фундаментальных и естественных наук (стрелки к центру рисунка). С другой стороны, естественные науки, находя применение в проведении и исследовании геотехнологических процессов, расширяют диапазон своих исследований, обогащаются новыми данными, что отображено стрелками, направленными от центра.
На схеме (рис. 5) показана связь геотехнологии с естественными науками, но геотехнология тесно связана и со многими техническими науками (теория сооружений, теория машин и механизмов, технология металлов, железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта, электротехника, электроника и др.)
Есть основание считать принципиально возможным решение при помощи геотехнологических процессов таких проблем [6, С. 40]:
1) организация направленных процессов миграции элементов в земной коре с целью концентрации их в определенных местах земной коры и создание тем самым искусственных месторождений полезных ископаемых (этим возможно в какой-то мере решение проблемы возобновления таких природных ресурсов, которые до сих пор считались невозобновимыми);
2) организация в недрах без присутствия там людей химических производств;
3) применение геотехнологических процессов для использования в производственной деятельности тепла глубин земной коры и вулканических процессов;
4) разработка новых геотехнологических процессов для использования, месторождений полезных ископаемых, залегающих на дне морей и океанов.
Проводимые геотехнологические процессы должны обеспечивать экономическую эффективность разработки месторождений, строительства транспортных, гидротехнических и других сооружений. Поэтому геотехнология взаимодействует с экономической наукой.
Литература:
- Трубецкой К.Н., Воробьев А.Е. Классификация методов воспроизводства минерального сырья // Горный журнал. - 1998. - №1. - С. 30-34.
- Аренс В.Ж. Геотехнологические методы разработки месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1975. - 263 с.
- Аренс В.Ж., Гайдин А.М. Геологогидрогеологические основы геотехнологии. - М.: Недра, 1978. - 214 с.
- Мельников Н.В. Геотехнология // Знание - сила. - 1976. - №9. - С. 5-7.
- Аренс В.Ж. Геотехнология и геотехнологические методы добычи полезных ископаемых / В книге «Горная наука и рациональное использование минерально -сырьевых ресурсов». - М.: Издательство «Наука», 1978, С.
258-273.
6 . Байконуров О.А. Наука и горная промышленность. - Алма-Ата: КазНИИНТИ, 1979. - 45 с