Горные науки

ГОРНЫЕ НАУКИ, комплекс наук о закономерностях и методах освоения (разведка, разработка и обогащение полезных ископаемых) и сохранения недр Земли.

Объект исследования - техногенно изменяемые недра Земли во взаимосвязи технологических процессов с горно-геологическими условиями. Цель горных наук - получение новых знаний, обеспечивающих возможность управления состоянием, а также изменением функционального назначения недр при их комплексном и экологически безопасном освоении и сохранении.

Классификация горных наук. В горных науках выделяют 4 основные группы. Горные науки, которые объединены в группу Горное недроведение (горная геометрия, квалиметрия недр, механика горных пород и др.), включают исследования свойств пород, горных массивов, георесурсов и недр в целом как средоточий различных природных и искусственно создаваемых образований, находящихся во взаимосвязи друг с другом. Исследования осуществляются с учётом изменения свойств георесурсов (пространственной локализации, сочетания, агрегатного состояния, экономических параметров, разнообразия и интенсивности проявлений аномалий и др.) под действием техногенных преобразований.

Группа Горная системология включает в себя науки, которые изучают закономерности развития геосистем и выявляют последствия освоения недр для общества и природы (экономика освоения георесурсов, горная экология и др.).

В группе Геотехнология объединены науки об извлечении полезных ископаемых; предметом их исследований являются технологии и технические средства, позволяющие извлечь георесурсы из недр и водоёмов. Они же создают научные предпосылки для использования георесурсов тех видов, утилизация которых не предполагает их извлечения (например, подземные полости).

В группу Обогащение полезных ископаемых входят науки об извлечении ценных компонентов из природного и техногенного минерального сырья. Предмет этих наук - изучение основных закономерностей физического, физико-химического и химического процессов разделения и концентрации минералов природного и техногенного происхождения, взаимосвязи структурного, вещественного и фазового составов минерального сырья с его технологическими свойствами.

Многообразие учитываемых и анализируемых факторов в горных науках обусловливает применение широкого спектра методов исследования - от натурных наблюдений, лабораторных и опытно-промышленных экспериментов до теоретических обобщений с использованием гео- и горно-информационной автоматизированных систем.

Взаимосвязь горных наук со смежными научными дисциплинами многогранна. Наибольшее взаимодействие горные науки имеют с геологическими, геофизическими и геохимическими науками, черпают из них новые знания о строении и формировании земной коры, эволюции геодинамических процессов, физико-химических закономерностях образования минералов, горных пород и коры Земли. Не менее важны для горных наук учёт экономических знаний и использование их при освоении недр. Например, в горном недроведении - это изучение георесурсов как фактора общественного развития (при оценке источников георесурсов, их отдельных качественных характеристик и георесурсного потенциала в целом).

История развития. Создание горных наук одни авторы относят ко 2-й половине 18 века, другие - к концу 19 - началу 20 века. До этого времени в литературе употреблялся собирательный термин «горное искусство», под которым понималась система приёмов и методов научной и практической деятельности, связанная с добычей и обогащением полезных ископаемых. Истоки горных наук восходят к первым научным обобщениям практики добычи полезных ископаемых. Ученик Аристотеля Теофраст написал книгу «О камнях» и ряд сочинений о рудном деле, не дошедших до наших дней; Стратон описал горные орудия; Страбон - технические приёмы рудного дела; Плиний Старший в 4 книгах «Естественной истории» привёл сведения по горному делу и минералогии. В средние века ценные обобщения по горному делу и геологии дали в своих сочинениях Бируни и Ибн Сина. Наиболее полные работы относятся к 15-16 векам, когда У. Рюлейн фон Кальве (около 1465-1523), врач и бургомистр г. Фрайберг, издал (около 1500) книгу «Полезная горная книжица», ставшую наставлением для горняков и металлургов. В 1540 году опубликовано сочинение В. Бирингуччо «Пиротехния», в котором трактуются вопросы минералогии, геологии, технологии горного дела и металлургии. Первое фундаментальное обобщение накопленного опыта в области добычи и переработки полезных ископаемых выполнено Г. Агриколой в сочинение «12 книг о металлах» (1556).

Первое определение горных наук дал в середине 18 века М. В. Ломоносов, как науки, «...которая учит минералы знать». К началу 20 века, в связи с бурным развитием горной промышленности, происходит дифференциация научных направлений, в результате которой определилась группа специальных разделов, а именно: проектирование и строительство рудников, обогащение полезных ископаемых, борьба с подземными пожарами, горноспасательное дело и др. Становлению и выделению отдельных дисциплин горных наук в России в эти годы способствовали капитальные работы: в области вскрытия и систем разработки твёрдых полезных ископаемых - А. М. Терпигорева (1906, 1915), Б. И. Бокия (1914), Л. Д. Шевякова (1928); бурения - Г. Д. Романовского (1866); горной механики - А. И. Узатиса (1843), И. А. Тиме (1899); горного давления и сдвижения горных пород - М. М. Протодьяконова-старшего (1907, 1912), П. М. Леонтовского (1912); научных основ безопасности работ в шахтах - А. А. Скочинского (1901), Н. Н. Черницына (1917); обогащения полезных ископаемых - Г. Я. Дорошенко (1876), Г. О. Чечотта (1914); гидромеханизации - П. П. Мельникова (1836); подземной газификации углей - Д. И. Менделеева (1888); добычи нефти - В. Г. Абиха (1853), Н. И. Андрусова (1908), В. Н. Вебера (1911), И. М. Губкина (1916).

В 1920-х годах были созданы научные и учебные центры, концентрировавшие исследования в области горных наук, - Московская горная академия (1918), горные институты в Харькове (1922), Кривом Роге (1922), Механобр (Петроград, 1920), а также горные факультеты в политехнических институтах в Тбилиси, Баку, Новочеркасске, Ташкенте, Владивостоке. Большое значение для развития горных наук имела деятельность Общества горных инженеров, горных отделов Русского технического общества, а также съездов горнопромышленников. В 1999 году состоялся возрождённый 1-й съезд горнопромышленников России.

За рубежом крупные исследования в области горных наук выполнены во 2-й половине 20 века: в Германии установлены закономерности распределения напряжений в толще пород вокруг выработанных подземных пространств в различных горно-геологических условиях, взаимодействия горных пород и крепей; в Чили созданы основы математической теории горного давления; в Австралии, Бельгии, Великобритании, Канаде, США, Франции решён ряд конкретных задач в горной практике на основе изучения закономерностей горно-геологических процессов в скальных массивах и др.

С 1960-х годов по тематическому плану бывшего СЭВ производились совместно работы по созданию исследовательских комплексов различной аппаратуры, совершенствованию методов определения напряжений в массиве горных пород, международные научные конгрессы (горные, нефтяные и др.) и конференции по обсуждению результатов исследований в области горного недроведения.

Более чем за 230 лет изменился предмет изучения горных наук - от минералов (по М. В. Ломоносову, 1763), процессов разработки полезных ископаемых (по Н. В. Мельникову, 1952), технологии, техники, экономики и организации горного производства (по В. В. Ржевскому, 1981), технологии разработки и обогащения полезных ископаемых (по М. И. Агошкову, 1983) до техногенно изменяемых недр Земли (по К. Н. Трубецкому, Д. Р. Каплунову, Н. Н. Чаплыгину, 1994). Накопление и обобщение знаний в области горного дела (по сути, становление горных наук) в течение нескольких столетий было столь тесно связано с непосредственным повседневным развитием производственной деятельности общества, что создавало впечатление прикладного, а не фундаментального характера горных наук. Более того, исключительная трудоёмкость и опасность горного производства, его особое социально-экономическое положение в отдельные периоды трансформировали горные науки, уводя их от наук о Земле к наукам прикладного характера (например, к циклу экономических и машиностроительных наук). Насыщение горных наук смежными знаниями в области геологии, геофизики, геохимии, математики, механики, физики, химии, экономики, экологии и многих других наук, с одной стороны, и возрастание сложности экономических и социальных проблем, возникающих перед горной промышленностью, с другой стороны, привели в последней четверти 20 века к наиболее радикальному изменению концепции горных наук. Согласно ей, горные науки представляют собой систему знаний о закономерностях и методах освоения и сохранения недр Земли как ресурса жизнеобеспечения для устойчивого развития общества.

Основные проблемы и направления современных горных наук. Широкое содержание горных наук предопределяет необходимость проведения фундаментальных и прикладных исследований в целом ряде новых научных направлений: создание научных основ оценки недр Земли, важнейших параметров их состояния и характеристик качества земных ресурсов; изучение закономерностей формирования и осуществления ресурсовоспроизводящих функций при комплексном экологически безопасном освоении и сохранении недр; создание технологий извлечения нетрадиционных видов углеводородов, глубокой переработки труднообогащаемого топливно-энергетического и минерального сырья; создание теории и методологии равновесного (экологически сбалансированного) природопользования при освоении земных недр; развитие информационных технологий и создание автоматизированных средств поддержки решений в области освоения недр и их сохранения; создание технологии производства и использования водоугольного топлива; развитие методологии и разработка геотехнологий искусственного формирования месторождений полезных ископаемых в литосфере; решение проблем освоения и использования чистых питьевых источников подземных вод; развитие теории поэтапного освоения недр; дальнейшее развитие прогноза и предотвращения катастроф при освоении недр и после техногенных процессов вторжения в них и др.

Лит.: Мельников Н. В. Развитие горной науки в области открытой разработки месторождений в СССР. 2-е изд. М., 1961; Шевяков Л. Д. Избранные труды. М., 1968. Т. 1-2; Трубецкой К. Н. Методология и основные направления развития горных наук // Горный информационно-аналитический бюллетень. 1996. Вып. 1; Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / Под редакцией К. Н. Трубецкого. М., 1997.