Откатка

Го́рное де́ло — отрасли науки и техники, охватывающие процессы извлечения (добычи) из недр Земли полезных ископаемых.

Горное дело – область деятельности человека по освоению недр Земли. Включает все виды техногенного воздействия на земную кору, главным образом извлечение полезных ископаемых, их первичную переработку и научное исследование, связанными с горными технологиями.

Горное дело зародилось в глубокой древности с возникновением человеческого общества и развивалось в тесной связи с его социально- экономической структурой на базе совершенствования орудий производства. Ранние периоды истории горного дела протекали в разных регионах в различное время – наиболее достоверные и ранние по времени археологические источники культур периода каменного века обнаружены Африки, Европе и Азии и бронзового – в странах Средиземноморья, Малой Азии, на Балканах и в Альпах, на Урале и в Казахстане, периода железных орудий – в странах античного мира, Мало и Средней Азии, Закавказье, Китае, Японии. Возникновение горного промысла и ремесла, перерастание их в горную промышленность впервые происходит в странах Переднего Востока, античного мира, Западной Европы и др.

С развитием горного дела росло число широко используемых полезных ископаемых: к нерудному минеральному сырью каменного века добавляются в 7 – 5 тыс.до н. э. руды цветных металлов (меди, золото, олова), 9 – 8 вв до н.э. – железные руды, в античные времена и средние века – горючие полезные ископаемые, в 20 в. – радиоактивные полезные ископаемые. Известная с древнейших времен разработка полезных ископаемых открытым и шахтным способами дополняется в первом тысячелетии до н.э. технологией добычи посредством буровых скважин, с 50 – х гг. 20 в. технологией разработки залежей в морских акваториях. В 70 – е гг. горное дело перерастает в гигантскую по масштабам и комплексную по содержанию область производства, обеспечивающую до 70 % всех потребностей общества в сырье. В мире ежегодно извлекается из недр около 100 млрд. т. горной массы, добывается около 20 млрд.т. полезных ископаемых, суммарная ежегодная стоимость горной продукции – сотни млрд. руб. Важнейшее место среди минеральных ресурсов занимает топливно-энергетическое минеральное сырье, в балансе которого около 27 % стоимости приходится на уголь, около 40% - на нефть, 17% - на природный газ. За историческое время в мире добыто 140 млрд. т. угля, больше 50 млрд. т. нефти.

Одним из главных факторов развития горного дела определяющим его уровень в различные исторические периоды, являются орудия горного производства. Наряду с каменными топорами древнейшего периода в 12–6-м тысячелетии до н.э. используется роговые кайла, в 5 – 4 тысячелетии появляются медные, а затем бронзовые, позднее, с начала 1 – го тысячелетия до н.э., железные кирки и кайла. В античное время в каменоломнях в качестве горных орудий применяются простейшие механизмы, появляются первые горные машины, в 16-17 века они значительно совершенствуются, с конца 18 века оснащаются автономным приводом. Научно-техническая революция 20 века открыла дорогу внедрению в горное дело машин-автоматов и автоматизированных систем.

Эпоха горных орудий составила наиболее протяженный этап истории горного дела. Собирательство каменного сырья предшествовало целенаправленной разработке недр и восходит к раннему палеолиту. Период характеризуется отбором с поверхности Земли каменных материалов, которые могли быть применены без какой – либо обработки или после скалывания для резания или рубящих действий. Установлено что в это время наряду с кремнем человек использовал больше 20 минералов и около 10 горных пород, а также минеральные краски. Собирание каменного материала на протяжении палеолита привело, с одной стороны, к заметному истощению поверхностных залежей качественного кремня, с другой – способствовало выработки навыков в создании техники обработки камня и распространения ее в Африке, Азии и Европе. Примитивное собирательство высококачественного каменного материала с поверхности к концу периода постепенно сменяется целенаправленной добычей с некоторой глубины.

С эпохами мезолита и неолита связано использование вначале камня, позже рогов животных, в качестве примитивных горных орудий. Аграрная революция, вызванная появлением земледелия и скотоводства, привела к выделению ремесла, в том числе по изготовлению каменных орудий. Появляются молоты, кайла, мотыги, кирки, клинья для горных работ. Формируется древнейшее горное дело как система приемов применения этих орудий: для добычи кремня выкапываются ямы, канавы, ниши в крутых берегах рек и подземные ходы – выработки. Археологические реконструкции показали, что для выемки залежи кремня, обнажающихся на крутых берегах рек, в оврагах и балках, проводились горизонтальные выработки, а применительно к пластам или конкрециям кремня в известняках – вертикальные выработки, вначале в виде котлованообразных ям, а с развитием навыков горных работ – стволов шахтного типа, глубина которых достигала 18 м. Стремление отработать возможно большую площадь залежи приводило к созданию расширений в забойной части и сбойке стволов под землей. Появляются деревянные распорки для крепления.

Совершенствование обработки камня посредством шлифования, пиление и сверление привело к использованию наряду с кремнем других крепких и абразивных горных пород в качестве исходного сырья и расширению ассортимента каменных орудий изготавливаемых в древних специализированных мастерских. Вблизи поселений обычно добывалась глина для керамический изделий.

Первое использование медных минералов (малахит) для изготовления украшений датируется 10-8 тысячелетиями до н.э. Наиболее ранний пример добычи и плавки медной руды зафиксирован в 7 тысячелетии до н.э. (поселок Чатал-Хююк в Анатолии). Однако начало распространения медных орудий датируется 6-5 тысячелетиями до н.э., когда добыча медных руд и изготовление изделий из меди приобретают относительно широкий характер (территория Ирана, Анатолия, Балкано-Карпаты). Наряду с медными рудами добываются золото, руды олова, мышьяка, свинца. С 5-4 тысячелетий до н.э. из среды общинников выделяются группы горняков-профессионалов, передававших свой опыт из поколения в поколение. Целые кланы и даже племена могли специализироваться в горном деле. Появляются первые горные чертежи – сохранился древне-египетский папирус, на котором показана схема шахты по добыче золота. Складываются навыки и приемы подготовки руд к плавке, в частности разделение их в водной среде с использованием разности в плотности минералов. Возникает новая область горного дела – обогащение полезных ископаемых.

В самостоятельное направление горного дела выделилась добыча и обработка каменных блоков. Наиболее крупных масштабов эта деятельность достигла в Древнем Египте при сооружении пирамид. Развитие горного дела происходит на фоне возникновения и расцвета античных государств – Древней Греции, Древнего Рима и других стран Средиземноморья.

В 1 тысячелетии до н.э. отмечается резкий подъем горного дела и в древних регионах Старого Света. Например, в Китае ведется разработка нескольких тысяч месторождений руд железа, меди, олова и других полезных ископаемых.

Развивавшиеся производительные силы требовали увеличения масштабов производства и потребления. Экономический кризис перерастает в социальный и приводит к распаду рабовладельческого строя на территории Европы в первых веках н.э. Горное дело с крушением могущественной Римской империи в течение нескольких веков переживает глубокий кризис.

С формированием феодальных отношений и выделением свободных производителей (в т.ч. ремесленников-горняков) связан новый подъем производительных сил. Объемы горного производства расширяются, возобновляются римские разработки в Альпах, а Трансильвании, Северных Балканах, северных районах Европы. С 4-5 веков разрабатываются угольные месторождения в районе Льежа (Бельгия). С 11 века в странах Европы стали формироваться крупные города – центры ремесленной деятельности горняков (в Чехии, Саксонии, Франции и др.). Резкое повышение производительности труда в горном деле было связано с переходом к особой- цеховой организации рудокопов, которые создают в этот период товарищества по эксплуатации месторождений. Деятельность этих товариществ начинает регламентироваться горным правом.

Центром добычи золота и серебра в 16 веке становится Южная Америка, где объемы получения этих металлов в 5 раз превышают уровень Европы до открытия Нового Света. Эпоха горных машин связана с возникновением мануфактурного производства, которое в 16-18 веках стало истоком для научно-технического прогресса в Европе. Научные разработки нашли отражение и при создании первых горных машин. Это позволило сооружать шахты в виде упорядоченной системы горных выработок, придавая им облик крупного производства. Качественно новый период в развитии горного дела наступает с налаживанием индустриального выпуска высокопроизводительных горных машин во время промышленного переворота (конец 18 – начало 19 веков), который характеризовался победой и утверждением капитализма. Изобретение и применение рабочих машин стало началом перехода от мануфактурного производства к машинному. Возникает машиностроение, которое к 70-ым годам 19 века превращается в крупную отрасль фабрично-заводского производства (Великобритания), создаются заводы горного машиностроения. С развитием промышленного производства тесно связан процесс развития науки. Научные исследования в области горного дела приводят к созданию основ горной механики, теории горного давления, теоретических основ обогащения полезных ископаемых. В 1761 г. Патентуется механическое приспособление для подрубания угольного пласта (М. Мензис, Великобритания). Патентуется основная машина для открытого способа разработки – одноковшовый паровой экскаватор на рельсовом ходу (В. Отис, США,1834г.) и дисковая врубовая машина для угольных шахт (С. Воринг, Великобритания, 1852г.). Внедряются пневматические поршневые перфораторы (Франция, 1861г.). В 30-х годах появляются стальные канаты для рудничного подъема и откатки (Германия, 1835г.), устройство для воздействия на горную породу напорной струей воды – водометы. В 1860 г. Французский инженер М. Кувре изобрел многоковшовый экскаватор, в 1863г. Началась добыча золота с помощью драг (Новая Зеландия). В 1864г. Изготовлена первая цепная (баровая) врубовая машина (Великобритания).

Изобретение во Франции (1844-1849гг.) способа бурения свободно падающим инструментом послужило основой увеличения объемов проходки скважин. Начинается скважинная добыча нефти (США, 1859г.). В США внедряется глубиннонасосная добыча нефти (1865г.), а с конца 80-х годов – роторное бурение на нефть с применением лопастных долот и промывкой глинистым раствором (штат Луизиана). В конце 19 – начале 20 веков резко увеличивается потрбность в полезных ископаемых, выделяются крупные отрасли горнодобывающей промышленности: каменноугольная, железорудная, нефтяная. Новые общественные условия, возникновение крупных капиталистических объединений горного машиностроения приводят к качественным изменениям в горном деле. Значительно совершенствуется буровая техника для проведения нефтяных скважин глубиной до 500 м; появляются станки вращательного бурения с паровым приводом, а также от двигателей внутреннего сгорания. Для отбойки угля широко применяются цепные врубовые машины (в 1913г. в Великобритании эксплуатировалось около 3 тысяч врубовых машин, в США – 15 тысяч). Развивается механизированная откатка в шахтах с тягачами – воздуховозами (США, 1881г.), электровозами (Германия, 1882г.). В угольных шахтах появляются конвейеры – скребковые (Великобритания 1902г.), ленточные (Великобритания, 1906г.), качающиеся (Германия, 1906г.). Появляется электрический шахтный подъем (Германия, 1894г.). Внедряются шахтные водоотливные установки с центробежными насосами (Испания, 1903г.).

Наряду с шахтным способом возрастают объемы открытых горных работ – этому способствуют развитие буровзрывных методов и изготовление паровых экскаваторов. Основным видом транспорта на карьерах остаются конные повозки и ручные тачки.

Создание горных машин большой единичной мощности и средств автоматики позволяет планировать и осуществлять разработку месторождений по принципу поточного производства. Это прежде всего относится к открытому способу разработки месторождений полезных ископаемых, на долю которого приходится около 40 – 70 % добычи угля, руд металлов, горно – химического сырья и 100 % нерудных строительных материалов. Шахтным способом разрабатываются залежи на глубинах, недоступных для открытой разработки. На шахтах получают распространение дистанционное управление машинами на основе телевизионной технике, системы контроля за шахтной атмосферой и работы шахты в целом. Увеличиваются производственные мощности шахт: создаются предприятия годовой производительностью свыше 10 млн. тонн.

Область применения скважинного способа добычи расширяется за счет его внедрения для выемки твердых полезных ископаемых: серы, калийных и каменных солей, руд цветных металлов и урана, каменного и бурого угля, а также использования тепла земных недр. С появлением плавучих буровых установок (впервые а США в 1949г., Мексиканский залив) открываются перспективы применения скважинного способа на морских территориях, где сосредоточена значительная часть природных запасов нефти и газа. Для вовлечения в разработку недр Мирового океана создают Морские нефтегазовые промыслы. Осуществляется прокладка подводных газо- и нефтепроводов на большие расстояния (например, газопровод Алжир – Италия). Мировые объемы добычи полезных ископаемых в 20 веке удваиваются примерно в течение каждых 12-20 лет.

Удельный вес капиталистических стран в промышленном производстве продукции из минерального сырья в целом в два раза превышает их долю в собственной добыче большинства видов полезных ископаемых. Повышается роль развивающихся стран в снабжении минеральным сырьем развитых капиталистических государств, на долю которых приходится 85-90% суммарного потребления минерального сырья в мировом капиталистическом хозяйстве. Удельный объем используемых основных видов минерального сырья в расчете на душу населения в развитых капиталистических странах превышает этот показатель в развивающихся странах в 10-20 раз (в США в 20-40 раз). Истощение ряда важных видов минеральных ресурсов в развитых капиталистических странах и борьба стран Азии, Африки и Латинской Америки за экономическую независимость оказывают большое влияние на расстановку сил в сырьевом секторе мирового хозяйства, стимулируют освоение месторождений в труднодоступных арктических районах и морских акваториях. Особенностью периода стало то обстоятельство, что на минеральное сырье приходится примерно 1/3 мировой капиталистической торговли. Созданы международные отраслевые организации, которые пытаются осуществлять регулирование мировых рынков минерального сырья, ограничить диктат транснациональных корпораций. Объемы добычи полезных ископаемых в рамках этих ассоциаций значительны: оловянные руды свыше 72%, бокситы около 76%, ртутные руды 70%, нефть 45%, железные руды около 70%, медные руды около 50%, вольфрамовые руды 42,4% (1984г.)

Горное дело представляет собой одну из важнейших областей общественного производства, в которой заняты десятки миллионов человек. Продукция горного дела – незаменимый сырьевой ресурс промышленности, транспорта, сельского хозяйства и строительства. Этим определяется значение горного дела в мировой экономике.

Горное дело в России

Исключительное значение на Руси имел соляной промысел. Сохранились документальные данные о добыче соли из подземных рассолов в Старой Руссе от 1363 г.

В 1491 году первая экспедиция отправляется в Печорский край искать полезные ископаемые.

При Иване IV в 1584 году возник государев Приказ каменных дел. В составе этого приказа были специалисты по разведке и поиску месторождений.

В 1773 г. в Петербурге открылось Высшее горное училище, преобразованное впоследствии в Горный институт.

К концу XIX века горное дело занимает главное место в ряду других отраслей российской промышленности. Число занятых горнозаводскими промыслами рабочих равнялось 436 тыс. человек.

К началу XX века добыча угля возросла с 121 тыс. тонн в 1860 г. до 12 млн. тонн в 1900 г., а в 1916 г. достигла 34,5 млн. тонн.

В 1935 г. в угольной промышленности зародилось стахановское движение.

Компьютерные технологии в горном деле

Специфика горного производства заключается в том, что в подготовке информационного сопровождения производственных процессов, из которых складывается добыча полезного ископаемого, должны быть использованы весьма разнородные модели и алгоритмы их обработки. В двух крайних случаях это приводит либо к очень большому количеству узкоспециализированных программных продуктов и к необходимости иметь связующие программные компоненты. Либо, другой крайний вариант – суперсистема, охватывающая все информационные аспекты производственной жизни предприятия. В чистом виде эти варианты не встречаются, первый в силу того, что даже изначально ограниченные функционально программы развиваются и расширяют сферы своего действия на смежные участки, второй - по причине крайней сложности проектирования, настройки и обслуживания такой системы.

На мировом рынке программных продуктов предлагается достаточно много интегрированных горных систем, которые предлагают примерно одинаковый набор функций:

1. Создание векторных, каркасных и блочных моделей объектов горной технологии.
2. Визуализация моделей объектов в трёхмерном пространстве
3. Геостатистический анализ месторождений
4. Формирование базы данных (каталога) маркшейдерских точек и решение на их основе различных маркшейдерских и геодезических задач
5. Подсчет объемных и качественных показателей выемочных единиц
6. Горно-геометрический анализ и оптимизация границ карьера по экономическим показателям
7. Планирование открытых и подземных горных работ, проектирование массовых взрывов

Примеры интегрированных горных систем:

1. САПР для автоматизированного планирования, проектирования и сопровождения горных работ
2. Продукты компании Micromine
3. Продукты компании Gemcom
4. Продукты компании Mincom

Литература

1. Мала гірнича енциклопедія: В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: «Донбас», 2004. ISBN 966-7804-14-3
2. Georgius Agricola: De re metallica libri XII. Basel 1556 (Digitalisat der 2. Ausgabe 1561) — перша наукова праця з гірництва
3. Агрикола Г. О горном деле и металлургии в двенадцати книгах (главах) / Под ред. Шухардина С. В.. — М.: Недра, 1986.
4. Сборник Русского исторического общества. Т. 6. К истории горного дела. — М.: ИД Русская панорама, 2003. — 384 с. ISBN 593165061X
5. Бібліотека гірничого інженера в 14 томах / Академія гірничих наук України.
6. Лукичёв С.В., Наговицын О.В., Белоусов В.В., Ким А.В., Мельник В.Б. Внедрение системы автоматизированного планирования и сопровождения горных работ. – Горный журнал, № 9, 2004, С.78-80.
7. Лукичев С.В., Наговицын О.В., Морозова А.В. Моделирование рудных и пластовых месторождений в системе MineFrame. ГИАБ, №5, 2005, с.296-297.

См. также

• Шахта
• Карьер
• Горная выработка
• Полезные ископаемые

Ссылки

• Горное дело