Способы изучения объектов горного производства
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ГОРНОГО ДЕЛА
1. ГОРНЫЕ РАБОТЫ И ГЕОЛОГИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ
1.1. ГОРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Полезным ископаемым называют природное минеральное образование органического или неорганического происхождения, которое может быть использовано человеком с достаточным эффектом. Полезные ископаемые добывают из недр, природных вод и на поверхности Земли.
Добыча (добывание) полезного ископаемого — извлечение его из земной коры или гидросферы с целью использования. В более узком понимании термин «добыча» применяют для определения количества полезного ископаемого, добытого в определенный промежуток времени. Например, добыча угля в СССР в 1988 г. составила 785 млн т. По прогнозам ученых в мире к 2000 г. ежегодно будут добывать не менее 12 млрд т условного топлива.
Существуют следующие способы добычи полезных ископаемых: подземный, открытый, со дна озер, морей и океанов и Iеотехнологический.
При подземном способе отделение полезного ископаемого от массива производят в недрах Земли, а затем его транспортируют на поверхность по системе горных выработок — искусственных полостей определенной формы, создаваемых в земной коре с определенной целью Горные выработки служат для разведки, добычи полезных ископаемых и строительства подземных сооружений (метрополитена, автомобильных или железнодорожных туннелей, подземных хранилищ и др.).
Открытый способ добычи характеризуется тем, что отделение полезного ископаемого от горного массива и его дальнейшую транспортировку осуществляют на поверхности Земли. При открытом способе горные выработки бывают подземными и наземными.
Добычу полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов осуществляют в основном в пределах континентального шельфа и ложа мирового океана. Добычу производят как
* 1 т условного топлива (1 т. у. т.) равна 1 т каменного угля, или 0,7 т нефти, или 770 м3 природного газа. через водную толщу с применением механизированных баз, оснащенных черпаковыми элеваторами, земснарядами и грейферными погрузчиками, так и с помощью горных выработок, проводимых с земной поверхности по породам дна водоемов до встречи с полезным ископаемым. Средняя глубина подводной разработки в СССР составляет 30 м, в США — 53 м, в Индонезии— 58 м. В США предполагают добывать полезные ископаемые с глубины свыше 5 км. Из полезных ископаемых на россыпях шельфа добывают золото, олово, платину, минералы, содержащие титан, цирконий, железо и др.
Геотехнологический способ предполагает бурение скважин с поверхности или из горных выработок, изменение физического или химического состояния полезного ископаемого в недрах и извлечение его по скважинам на поверхность. Для перевода твердых .полезных ископаемых в транспортабельное состояние применяют механическое разрушение, плавление, растворение, химическую и бактериально-химическую обработку.
Наибольшее распространение получили следующие геотехно-логические способы: подземная выплавка серы, подземное химическое и бактериально-химическое выщелачивание медных, урановых и других руд, подземная газификация угольных пластов. В целом под геотехнологией принято понимать совокупность химических, физико-химических и биохимических процессов, способов и средств добычи полезных ископаемых с изменением их агрегатного или химического состояния в недрах Земли. Объемы применения геотехнологических способов добычи полезных ископаемых пока невелики.
Горное производство — вид человеческой деятельности, направленный на добычу полезного ископаемого. Основой горного производства являются горные работы.
Горное предприятие — самостоятельная производственная единица, которая осуществляет разведку, добычу и обогащение полезных ископаемых. Горное предприятие, служащее в основном для добычи и первичного обогащения полезных ископаемых, называют горнодобывающим.
Горные предприятия имеют специализацию. Шахта — горное предприятие, предназначенное для добычи полезных ископаемых подземным способом. Рудник — горное предприятие, служащее в основном для подземной добычи руд, горно-химического сырья и строительных материалов. В отдельных случаях на руднике могут добывать полезное ископаемое как подземным, так и открытым способом. Понятием рудник иногда пользуются для обозначения нескольких шахт, которые объединены в единую административно-хозяйственную единицу с централизованным хозяйством по добыче, переработке и отправке потребителю полезного ископаемого. Карьер — горное предприятие, служащее для добычи полезных ископаемых открытым способом. Разрез — карьер по добыче угля.
Разведку полезных ископаемых ведут путем бурения гео-лого-разведочных скважин и отбора из них специальных цилиндрических проб пород и полезного ископаемого, называемых кернами. Для разведочных целей используют также разведочные горные выработки. При разведке оценивают и уточняют запасы, качество и элементы залегания полезных ископаемых в недрах .
После утверждения запасов приступают к строительству горного предприятия. Месторождение вскрывают, подготавливают к очистной выемке, а затем приступают к добыче полезного ископаемого. Комплекс горных работ по вскрытию, подготовке и очистной выемке полезного ископаемого называют разработкой месторождения, а сами указанные работы являются стадиями разработки.
После завершения строительства горное предприятие передают в эксплуатацию. В период эксплуатации добывают полезное ископаемое. Одновременно ведут работы по вскрытию и подготовке новых участков.
Участки месторождения полезного ископаемого подготавливаются путем проведения горных выработок. При проведении выработки по угольному пласту ее забой называют угольным, по породе — породным, одновременно по пласту и породе (с подрывкой породы)—смешанным. Забои проводимых выработок называют подготовительными. Работы по проведению выработок на шахтах ведут подготовительные участки и участки горно-капитальных работ. Выемку угля ведут в очистных забоях — местах его отделения от массива, представляющих собою поверхность пласта, которая ограничивает выработку со стороны массива и перемещается в процессе добычи угля. Очистные работы на шахте осуществляют добычные участки.
Отбитый уголь транспортируют по горным выработкам скребковыми, ленточными или пластинчатыми конвейерами, в вагонетках с помощью электровозов или лебедок, а также самотеком по желобам, листам, рештакам и трубам. Перемещение угля в потоках воды по трубам или желобам называют гидротранспортом. Работы по транспортировке угля и породы организуют участки внутришахтного транспорта.
На разрезе уголь транспортируют автомобилями, по железной дороге и ленточными конвейерами.
На поверхность полезные ископаемые и породу из шахты поднимают в клетях, оборудованных под заезд в нее шахтной вагонетки, или в скипах — специальных сосудах. Клети и скипы в вертикальных горных выработках движутся по направляющим проводникам, а в наклонных — по рельсам. Комплекс
подъемных машин и оборудования носит название шахтного или рудничного подъема.
Действующие горные выработки снабжают свежим воздухом, подаваемым с поверхности. Струя такого воздуха называется свежей. Воздух, проходя по горным выработкам и попадая в забой, загрязняется угольной и породной пылью, а также газами, выделяющимися из угля, пород и в процессе работы машин и оборудования. Струя такого воздуха называется исходящей. Для отвода исходящей струи служат специальные воздухоотводящие выработки. Процесс обеспечения воздухом горных выработок и забоев называется вентиляцией. Вентиляцию рабочих мест в разрезе обеспечивают обычно за счет их естественного проветривания. Составление вентиляционных планов шахты, контроль за расходом воздуха, содержанием газов и пыли в шахтной атмосфере, состоянием техники безопасности ведут участки вентиляции и техники безопасности (ВТБ).
В горных породах содержится вода. При ведении горных работ подземные воды выделяются в горные выработки и могут скапливаться в них. Для предотвращения этого выработки проводят с уклоном в сторону главного, общешахтного водосборника, оттуда ее откачивают на поверхность насосами по трубам.
Систему сбора и удаления поступающей в горные выработки воды называют водоотливом. В весьма водообильных шахтах или разрезах указанных мер бывает недостаточно. Тогда в массиве пород бурят скважины, обсаживают их металлическими трубами и по ним собирают воду, минуя горные выработки. Такую систему называют дренажной, а процесс удаления воды из массива — осушением.
Для работы машин и различных установок на горном предприятии используют электроэнергию и пневмоэнергию. Обеспечение действующих установок электроэнергией называют электроснабжением, а пневмоэнергией — снабжением сжатым воздухом.
Ниже определенной глубины наблюдается постепенное увеличение температуры горных пород. При повышенной температуре атмосферы условия труда в шахте ухудшаются. Поэтому в глубоких шахтах и рудниках устанавливают систему кондиционирования воздуха, т. е. его охлаждения и частичного очищения.
При ведении горных работ в шахтах могут происходить внезапные выбросы угля и газа, внезапные выбросы породы и газа, самовозгорание угля, оставшегося в выработанном пространстве или находящегося в целиках, выделение метана из угля или пород, образование угольной и породной пыли и внезапные обрушения горного массива — горные удары. В большинстве случаев горняки научились прогнозировать эти явления и принимать меры по их предотвращению.
В тех случаях, когда не удается предотвратить аварию на горнодобывающем предприятии, ликвидацию ее последствий производят подразделения специальной службы — военизированные горноспасательные части (ВГСЧ). Бойцов ВГСЧ снабжают приборами и оборудованием, позволяющими автономно работать в задымленной шахтной атмосфере и при высоких температурах.
Поверхность современной шахты представляет собой комплекс зданий и сооружений, которые группируют обычно блоками. На поверхности шахты расположены здания подъемных машин, копры (конструкции для установки шкивов под канаты клетей и скипов и разгрузки последних), а также помещения электроподстанции, компрессорной, административно-бытового комбината, механических мастерских. На поверхности располагают угольный склад для временного хранения добытого угля
Породу, добываемую попутно с полезными ископаемыми, выдают на поверхность, размещают в специальных местах, разравнивают или складируют в конусообразных терриконах, перерабатывают, используют в качестве строительного материала. Использование шахтной породы в качестве дорожного, строительного материала получает все большее распространение.
Для повышения качества добываемого угля на поверхности производят разделение его по размерам кусков на классы и отделение от него породы — обогащение угля. Для этого строят для одной или группы шахт обогатительную фабрику.
Потребителю (теплоэлектростанции, коксохимическому заводу или котельной) шахта или разрез должна отгружать уголь заданного качества. Для этого на каждом горном предприятии ведут систематический контроль и учет качества добываемого полезного ископаемого.
Контроль за состоянием недр и ведением горных работ осуществляет маркшейдерская служба. В ее задачи входят составление и пополнение документации, необходимой для безопасного и правильного ведения горных работ, контроль за соответствием проведения горных выработок программе и технической документации, учет добычи полезного ископаемого и его остатков в недрах, контроль за соответствием выполняемых горных работ проектам на разработку месторождения или его части.
Контроль за соблюдением правил безопасного ведения горных работ осуществляет горнотехническая инспекция.
Горное производство имеет отходы — породы, не содержащие полезных ископаемых, шахтную воду, исходящие струи воздуха. Эти отходы загрязняют окружающую среду — почву, водоемы, атмосферу. Кроме того, выемка полезного ископаемого, особенно в карьерах, приводит к изъятию из пользования значительных участков земли. Для сохранения национального богатства — земли — в СССР предусмотрена ее передача горнодобывающим предприятиям только во временное пользование. При этом Основами земельного законодательства Союза ССР и союзных республик установлено, что горнодобывающее предприятие обязано за свой счет по окончании пользования приводить получаемые земельные участки в состояние, пригодное для их дальнейшего использования в народном хозяйстве. Уже во время эксплуатации шахта или карьер проводит восстановление участков земли, подвергшихся влиянию горных работ,— рекультивацию. Выработанное пространство на поверхности засыпают породой и восстанавливают плодородный слой земли. Высоту терриконов уменьшают, а их поверхность озеленяют. При возможности выработанные пространства карьеров используют под искусственные водоемы. Одновременно принимают меры против нарушения гидрогеологического режима расположенных в зоне ведения горных работ водоемов. Рекультивация земной поверхности, сохранение чистоты воздушного бассейна и нормального гидрогеологического режима в зоне ведения горных работ является важнейшей задачей экологии горного производства.
Источник
Основные методы исследования в горной науке
Классификация методов исследований
Основные этапы НИР
Выбор темы исследований
Тема исследований, выбираемая студентами, аспирантами или научными работниками, должна удовлетворять ряду требований, в том числе:
— актуальности, т.е. быть своевременной и решающей ту или иную проблему (задачу), стоящую перед горной наукой:
— иметь связь с планами и перспективами развития кафедры, лаборатории, института, отрасли;
— обладать научной новизной, заключающейся в установлении, уточнении или обобщении, в ходе исследований, ряда
зависимостей или закономерностей, которые не были известноранее;
— иметь практическое значение, заключающееся в том,что результаты работы позволяют решать достаточно широкийкруг производственных вопросов.
Для студентов тема исследований, как правило, предлагается преподавателем, но может быть выбрана и самостоятельно, с учетом их интереса к тому или иному разделу науки. Целесообразно, чтобы тема работы выбиралась с перспективой ее завершения (хотя бы частичного) в дипломной работе или проекте.
Любая научно-исследовательская работа (НИР) выполняется в определенной последовательности. Наиболее эффективной при этом является нижеследующая.
1. Конкретизируется цель и задачи исследования.
2. Проводится обзор и анализ литературных источников, патентный поиск.
3. Разрабатывается методика и программа исследований.
4. Составляется рабочий план с указанием примерных объемов экспериментальных работ, методов, технического
обеспечения, трудовых ресурсов и сроков выполнения отдельных этапов.
5. Проводятся теоретические, лабораторные и экспериментальные исследования.
6. Проводятся анализ и обобщение полученных результатов, осуществляется сопоставление гипотез с результатами эксперимента.
7. Формируются научные и производственные выводы,составляется научно-технический отчет.
8. Осуществляется внедрение результатов исследований в производство.
Следует отметить, что в силу объективных и субъективных причин не всегда выполнение научно-исследовательской работы может включать все указанные этапы, а также не всегда она выполняется в строго указанной последовательности. Зачастую, исполнителю приходится корректировать методику исследований, пополнять обзор новыми источниками информации, уточнять программу исследований. Однако основные из этапов: обзор, установление цели и формулировка задач, выполнение исследований, анализ результатов и составление отчета являются обязательными.
Метод исследования — это совокупность правил и норм, регламентирующих и регулирующих деятельность в процессе проведения научного исследования.
Методы можно разделить на всеобщие, действующие во всех областях науки и на всех этапах исследований: общенаучные (т.е. для всех наук); частичные (для определенных наук); специальные или специфические (для данной науки). Разделение методов всегда условно, т.к. по мере развития познания научный метод может переходить из одной категории в другую.
К общенаучным методам относятся как простейшие (измерение, наблюдение, сравнение), так и более сложные:
— абстрагирование — отвлечение от несущественных
свойств, связей и выделение сторон объекта, интересующих исследователя;
— формализация — отображение объекта в математической форме и ее изучение.
— моделирование — изучение объекта посредством устройств и методов, моделирующих его поведение с последующим переносом результатов с модели на оригинал;
— эксперимент — изучение объекта путем создания искусственных условий,позволяющих выявить его основные свойства и особенности.
При исследованиях сложных систем с многообразным связями, характеризуемым и как непрерывностью и детерминированностью, так дискретностью и случайностью, используют ся системные методы, допускающие усиление основных и ослабление второстепенных факторов. Они включают, в частности, анализ и синтез-методы разложения объекта исследование на составные части или объединения их в единое целое.
Разнообразные методы исследований условно подразделяются на ряд уровней: эмпирический, экспериментально-теоретический и теоретический. Методы экспериментально-теоретического уровня позволяют обнаружить достоверные факты, накопить их, подвергнуть проверке и систематизации. Методы теоретического уровня позволяют произвести логические исследования собранных фактов, выработать понятия и сделать обобщения.
Число методов исследований, применяемых в горной науке велико, а их сколько-нибудь подробный анализ сложен практически. Поэтому они классифицируются по основным признакам, например, по признакам получения информации о изучаемом объекте, явлении или процессе. Методы могут быть разделены на три большие группы: аналитические (теоретические), экспериментальные и комбинированные (комплексные).
Целью аналитических исследований является установление математических зависимостей между параметрами изучаемого явления для его глубокого анализа. Например, применительно к задачам изучения проявлений горного давления эти исследования заключаются, в частности, в вычислении напряжений, деформаций и смещений горных пород, нагрузок на крепь выработок, в определении опасных зон и условий равновесия горных пород на основе методов теории сплошной среды и различных предположений (гипотез) горного давления и др. Для решения сложных технологических задач, используются, например, методы математического моделирования, позволяющие одновременно учитывать взаимодействия многих факторов и их влияние на показатели эффективности технологии..
Экспериментальные исследования в свою очередь делятся на две большие группы: лабораторный эксперимент и производственный — в шахтных условиях.
Лабораторные методы исследований позволяют изучать и решать те вопросы, которые по каким-либо причинам не могут быть изучены в производственных условиях. К ним относятся, например, многочисленные методы исследования свойств горных пород на образцах, физическое и аналоговое моделирование, а также другие методы.
Натурные (шахтные) исследования основаны на наблюдениях и опытах непосредственно в шахтах. Они дают много полезных материалов для изучения механизма процесса, обоснования теоретических схем, гипотез и закономерностей.
Сами эксперименты, как правило, организуются по двум принципиально различным схемам и могут быть активными и пассивными.
Активный эксперимент отличается от пассивного тем, что он ведется по плану, разработанному в соответствии со специальной теорией планирования экспериментов. Причем экспериментатор планирует в этом случае не порядок регистрации интересующих его данных, изменяющихся некоторым произвольным способом, а намечает порядок, их варьирования, последовательность постановки опытов и их количество. Шахтный эксперимент, за редким исключением, является
пассивным и неконтролируемым, так как его результаты в значительной мере подвержены влиянию природных факторов.
Комбинированные методы исследований нашли широкое распространение и являются наиболее перспективными, так как содержат в себе лучшие стороны аналитических и экспериментальны методов. К ним относятся, например, «аналитико-экспериментальньй метод» предложенный проф. Ю.З. Заславским и Г.И. Грицко для исследований проявления горного давления. Суть его заключается в том, что с применением аналитических (теоретических) методов устанавливается качественная картина явления и формулы, отвечающие физическому смыслу изучаемого явления. Погрешности же решения, вызванные рядом допущений, корректируется эмпирическими коэффициентами, значения которых находятся из шахтных замеров.
Контрольные вопросы
1. Требования к теме исследований.
2. Основные этапы НИР.
3. Какие общенаучные методы исследований Вы знаете?
4. Лабораторные методы исследований.
5. Основные методы исследований в горной науке, их суть.
6. Чем активный эксперимент отличается от пассивного?
7. В чем суть комбинированных методов исследований
Источник
