3. Наука и образование

Тема: О Горной науке
Содержание:

Ведение
1. Горное дело - фундамент экономики

2. История горных наук

3. Наука и образование

4. Горная наука - система знаний
5. Законы и методы горной науки
6. Взаимодействие горных и других наук
7. Три периода горных наук и геотехнология
Заключение
Литература

Введение
Горная наука - это наука, изучающая законы взаимодействия техники с горными породами во взаимосвязи с организационно-технологическими условиями при учете социальных, экономических и экологических критериев. Опираясь на ее законы, горняки добывают из недр Земли уголь, руды черных и цветных металлов, благородные металлы, горно-химическое сырье, строительные материалы. Огромную роль в разработке и непрерывном совершенствовании способов добычи полезных ископаемых в нашей стране принадлежит отечественным ученым. Основы горной науки в России были заложены М.В. Ломоносовым в его работе "Первые основания металлургии или рудных дел (1765 г.). Дальнейшее развитие труды М.В. Ломоносова получили в работах А.И. Узатиса, профессора Г.Я. Дорошенко, Б.И. Бокия, академиков А.А. Скочинского и А.М. Терпигорева, профессоров М.М. Протодьяконова, Н.И. Трушкова, П.И. Городецкого, П.Э. Зуркова, академиков Л.Д. Шевякова, Н.В. Мельникова и других ученых [5].
Цель горных наук - раскрытие закономерностей и причинно-следственных связей технологий и среды, а также создание основ для коренного совершенствования техники, технологии, организации и экономики горного производства на базе фундаментальных наук.
Объектами изучения горных наук являются: месторождения твёрдых, жидких и газообразных полезных ископаемых и горных пород, вмещающие месторождения; методы и техника их разведки; технология и технические средства добычи и первичной переработки полезных ископаемых, строительство специальных подземных и наземных сооружений. Горные науки вырабатывают рациональные способы ведения горных работ во времени и пространстве с учётом конкретной горно-геологической обстановки и технического прогресса. Горные науки дают теоретическое объяснение технологиям освоения недр посредством открытых и подземных горных выработок, буровых скважин, разведки недр Земли, строительства подземных сооружений, первичной переработки минерального сырья, основным процессам горного производства и др.
Роль горной науки как непосредственной производительной силы горнодобывающей промышленности в современных условиях заключается в разработке путей и методов ее интенсивного развития на основе применения безотходной технологии добычи полезных ископаемых, обеспечивающей использование всех нужных и полезных компонентов при сохранении природной среды.
1. Горное дело - фундамент экономики
В настоящее время горная наука представлена множеством горнотехнических наук и направлений. Повышение эффективности горной науки в значительной мере зависит от успехов в разработке общей теории технологических схем добычи полезных ископаемых. Не по тому, что производится
Разработка недр Земли - основа экономической деятельности человечества. И не случайно она нашла отражение в периодизации древней истории, где эпохи различаются не по тому, что производится. А по тому, чем и как производится, какими орудиями труда это достигается и из какого материала сделаны.
Доля минеральных веществ, извлекаемых из недр. Составляет около 80% всех природных ресурсов, необходимых для удовлетворения потребностей общества. Экономика России базируется на собственном минерально-энергетическом сырье. Доля горного производства нашей страны составляет 25 % мирового [6].
Все развитие земной цивилизации, было, есть и будет связано с успехами горняков. Освоение недр является одним из условий существования цивилизаций. Пока существуют недра - существует человечество. Пока существует человечество - существуют специалисты по техногенному преобразованию недр - горняки, в том числе и горные инженеры - специалисты, выпускаемые Сибирским Федеральным Университетом (Институт горного дела, геологии и геотехнологий).
Проводимые в мире аналитические исследования свидетельствуют, что состояние развития горного дела в стране характеризует спектр добываемых минералов, так как почти каждый добываемый минеральный ресурс несет свою отличительную особенность в зависимости от месторождения, горнотехнической системы, горного оборудования. В лидирующую группу стран, каждая из которых добывает свыше 30 минералов, входят: Россия, Китай, США, Австралия, Бразилия, Индия, ЮАР, Канада, Иран и Мексика. Прямая оценка роли горного дела в формировании экономического потенциала страны позволяет сделать следующие выводы: минерально-сырьевой комплекс обеспечивает 22,4% от объема промышленного производства, при этом добыча твердых полезных ископаемых составляет 4,4% от объема промышленного производства в стране. При всей важности вклада горного дела в экономику страны главное его значение заключается в том, что минеральные продукты лежат практически в основе развития всей экономики, и особенно в тех направлениях, которые в настоящее время определяют развитие высоких технологий. Таким образом, современное горное дело является основой экономики и национальной безопасности страны.
2. История горных наук
Горная наука родилась в недрах производства и первоначально являлась сводом правил по его организации и ведению. Она вбирала в себя запас знаний по геологии, разведке, горной геометрии, горной механике, по способам извлечения и обогащения полезных ископаемых и плавке металлов. Горная наука - это наука о способах добычи полезных ископаемых, изучающая законы взаимодействия техники с природной средой. Горная наука занимается не горными породами и техникой в отдельности, а их взаимодействием. Поэтому следует иметь в виду, что изучать это взаимодействие нельзя в отрыве от организационно-технологических отношений, экономики и экологии [5].
Цель горной науки, согласно академику Н.В. Мельникову, - "раскрытие закономерностей и научное объяснение явлений и процессов, происходящих при разработке полезных ископаемых, для коренного совершенствования техники и экономики горного производства".
Горное дело издавна считается горным искусством. Наука - это мир логических понятий. А искусство - мир эмоций. Если наука в своей основе - рациональна, то искусство - интуитивно. Наука и искусство используют в своих целях мысленный и эмоциональный опыт человека. Влияние искусства на науку проявляется в эстетике научного творчества. Искусство в науке - это интуитивная деятельность человека. Основанная на умелом обращении с предметом исследования как внутренним эстетическим образом. В основе интуиции человека лежат основы красоты.
Так почему же горное дело иногда называют горным искусством? Потому, что деятельность горного инженера объединена единством мысли и чувства, она требует повседневного, непрерывного и обязательно творческого подхода. Потому, что горный инженер имеет дело со сложными природными факторами и развивает свою деятельность динамичной, постоянно изменяющейся во времени и пространстве системе горных выработок, сооружений, коммуникаций, в постоянном общении с весьма непростыми системами - людьми.
В течение почти двух миллионов лет основным орудием человека служил камень. В конце каменного века (IY-III тыс. до н.э.) человек постепенно перешел к использованию меди, золота. В III-II тыс. до н.э. была освоена плавка меди и ее сплава - бронзы. В середине II тыс. до н.э. на смену бронзе пришло железо. горный экологический экономический недра
Горное дело зародилось, по сути, вместе с человеческим обществом и, пока, и пока существует на Земле человек, оно не перестанет играть выдающуюся роль. Об огромном значении горного дела убедительно писали многие мыслители прошлого. Целую книгу посвятил этому вопросы Георгий Агрикола (1556 г.).
В истории горнорудного производства, как и в истории цивилизации, можно условно выделить четыре основных периода: древнейший (до X в. до н.э.); древний (до I в.н.э.); средневековый (до XVIII в.); и новый, в котором мы и сейчас живем.
Истоки горных наук восходят к первым научным обобщениям практики добычи полезных ископаемых [1]. Ученик Аристотеля Теофраст (около 372 - около 287 до н.э.) написал книгу "О камнях" и ряд сочинений о рудном деле, не дошедших до наших дней. Философ Стратон из Лампсака (340-270/268 до н.э.) описал горные орудия (сочинение не сохранилось). Крупнейший древнегреческий географ и историк Страбон (около 64/63 до н.э. - 23/24 н.э.) описал технические приёмы рудного дела. Плиний Старший (I в. н.э.) в 4 книгах "Естественной истории" (всего 37 книг) привёл сведения по горному делу и минералогии. Древнеримский архитектор и инженер Витрувий (I в. до н.э.) в труде "Десять книг об архитектуре" описал подъёмные механизмы и уделил внимание выделению углекислого газа в колодцах и способам борьбы с ним. В средние века ценные обобщения по горному делу и геологии дали в своих сочинениях среднеазиатские учёные Бируни и Авиценна. Наиболее полные работы относятся к XV-XVI вв., когда Ульрих Рюлейн фон Кальве (около 1465-1523 гг.), врач и бургомистр г. Фрайберг, издал (около 1500) в Аугсбурге книгу "Полезная горная книжица", явившуюся наставлением для горняков и металлургов. В 1526 г. была издана работа Ж. Бессониуса, посвященная прикладной механике и содержащая сведения о применении механизмов в горном деле. В 1540 г. опубликовано сочинение итальянского учёного Ванноччо Бирингуччо (1480-1539), инженера, минералога и металлурга "О пиротехнике", в котором трактуются вопросы минералогии, геологии, технологии горного дела и металлургии.
Вслед за книгой Ванноччо Бирингуччо в 1544 г. появился обширный труд "Космография" немецкого ученого Себастиана Мюнстера (1489-1552). В "Космографии" содержится описание известных в ХVI в. стран. Данный научный труд в течение ста лет выдержал более 45 изданий на немецком, латинском, французском, итальянском, английском и чешских языках. В нем среди прочих сведений содержится много данных по горному делу, в том числе и по процессам обогащения полезных ископаемых.
Первое фундаментальное обобщение накопленного опыта в области добычи и переработки полезных ископаемых выполнено Г. Бауэром (Агриколой), который издал в 1556 г. книгу "О горном деле и металлургии".
Прогресс в горном деле, обогащении полезных ископаемых и металлургии вызвал появление новых трудов. К ним относятся сочинения: В.И. Геннина (1734 г.), М.В. Ломоносова (1763 г.) и И.А. Шлаттера (1760 г.).
С середины XVIII в. процесс получения и систематизации геологических знаний резко активизировался, в связи с развитием техники и технологий, все большим ростом потребности промышленности в минеральном сырье. В отработку начинают вовлекаться все большие участки земной коры. С этого времени горные науки неразрывно развиваются вместе с растущим потреблением человечеством природных ресурсов.
В основных направлениях рыночной экономики, когда значительно повышаются цены на энергоресурсы, особую важность приобретает задача эффективного использования энергии в различных отраслях промышленности [1-3]. Проблема эта многоплановая, включает комплексы задач, каждая из которых имеет большое значение при решении вопросов сбережения и рационального использования топливноэнергетических ресурсов. Прежде всего - это задача учета и анализа расхода электроэнергии, установления электрических характеристик оборудования и его оптимальных режимов работы, нормирования и планирования электропотребления, распределения лимитов на электроэнергию с учетом эффективности ее использования, а также прогнозные оценки энерго-затрат на различных уровнях управления производством. Причем, если задачи учета и анализа относятся к информационным, то остальные относятся к задачам управления. Отсюда видно, насколько важен и актуален анализ, рациональное использование электропотребления, научно-обоснованное нормирование и прогнозирование электропотребления на предприятиях. Целью работы является повышение эффективности электропотребления за счет составления модели его прогнозирования, анализ временных рядов расхода электроэнергии и факторных моделей. Общая теоретическая база, позволяющая решать проблему повышения эффективности электропотребления на всех уровнях горного производства, в настоящее время отсутствует. Это приводит к тому, что реализация задач по улучшению использования электроэнергии оказывается слишком субъективной и слабо связанной с предприятием и теми изменениями, которые происходят в процессе их решения. В изменяющихся условиях потребление электроэнергии в горной промышленности зависит от множества производственных и горно-геологических, метеорологических и технологических факторов, большинство которых в настоящее время не учитывается при анализе, планировании и управлении на всех уровнях промышленности. В связи с этим необходимо установление взаимосвязей между технологическими и энергетическими режимами производственных процессов. В решении указанных вопросов наряду с другими методами, весьма существенную роль может сыграть использование вероятностно статических моделей и методов анализа. Тем более, что эти методы представляют собой уже достаточно полно разработанный аппарат, обладающий большой универсальностью применений и дающий весьма надежные результаты как в части особо разнообразных условий, так и в точности получаемых количественных оценок. Предпосылкой использования методов анализа и расчета электропотребления на уровне цеха или предприятия является то, что реальные связи между энергетикой и технологией не могут быть заключены в рамки строго функциональных зависимостей с их однозначностью, детерминированностью и симметрией в отношении зависимых переменных. Вероятностный характер моделей электропотребления, в свою очередь, вызывает необходимость перед построением модели проведения анализа электропотребления на уровне предприятия, результаты которого могут быть использованы не только при построении моделей, но и при определении конкретных мероприятий по рациональному использованию электроэнергии. Для решения проблем рационального использования, нормирования и планирования электропотребления необходимо: 1. Анализировать временные ряды расхода электроэнергии. 2. Построить временные и факторные модели электропотребления. 3. Выполнить прогнозирование электропотребления. Следует отметить, что первые работы по нормированию и анализу расхода электроэнергии в горном производстве базировались на чисто аналитических расчетах, обычно не связанных с производительностью и другими важными технологическими параметрами. Горное производство, как одна их наиболее энергоемких отраслей промышленности, занимаетсущественную часть в энергетическом балансе страны. Увеличение электропотребления горной промышленности вызывается не только абсолютным ростом производства, но и коренными качественными изменениями технологии. С вопросами технологии и механизации открытых горных работ неразрывно, органически связаны вопросы электроснабжения. Совершенствование технологии и развитие механизации вызывает электроснабжение открытых горных работ (экономичность, рациональное использование электроэнергии и др.). Учитывая большое разнообразие месторождений полезных ископаемых, систем вскрытия и добычи, технологий разработки, типа горных машин и механизмов, все вопросы электроснабжения открытых горных работ должны решаться с учетом и в зависимости от этих систем вскрытия и добычи, технологии разработки, применяемых типов горных машин и механизмов, глубины, размеров и производительности карьеров горно-геологических и горнотехнологических факторов и т.д. Следует отметить, что электроснабжение открытых горных работ в значительной степени усложняется с увеличением глубины карьера. В связи с этим, особенно важное значение приобретают вопросы, связанные с электроснабжением открытых горных работ при решении проблемы глубоких карьеров, которая является в настоящее время одной из важнейших проблем открытой разработки месторождений полезных ископаемых. Высокая эффективность открытых горных работ и ее дальнейшее повышение предъявляют серьезные требования к повышению надежности электроснабжения карьеров. Выполненные исследования показали, что моделирование электропотребления целесообразней осуществлять, используя метод корреляционного анализа, построение временных и факторных моделей и прогнозирование электропотребления. Полученные результаты дают возможность разработать рекомендации по нормированию электропотребления на горных предприятиях, включающие: разработку корреляционного анализа; анализ временного ряда электроэнергии; построение временных и факторных моделей электропотребления; прогноз электропотребления. Основные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему: 1. Создана методология моделирования связи с корреляционным анализом. 2. Разработан анализ временных рядов расхода электроэнергии. 3. Построены временные и факторные модели электропотребления. 4. Разработана методика прогнозирования электропотребления.
4. Горная наука - система знаний
Горные науки тесно взаимодействуют с физикой (создание учения о свойствах горных пород и технологий разрушения массивов), химией (эффективное разделение природных минеральных комплексов, создание основ изменения агрегатного состояния полезных ископаемых в недрах), биологией (извлечение полезных ископаемых из недр микробиологическими методами, методы охраны окружающей среды), математикой (аналитические методы исследований, автоматизация горного производства), геологическими науками, экономикой.
В горных науках выделяются крупные направления: горно-геологическое (горная геология, маркшейдерия, нефтяная геология и др.), горнотехнологическое (скважинная горная технология, шахтная горная технология, открытая горная технология, физико-биохимическая горная технология, строительная горная технология), горнотехническое (машиноведение горное), горнофизическое (горная геомеханика, физика горных пород, физика взрыва, подземная гидрогазодинамика и др.), горноэкономическое (горная экономика и др.), минералургия (первичная переработка полезных ископаемых), история горной науки и техники.
Классификация горных наук, разработанная в основном для исследования и добычи твердых полезных ископаемых, выглядит следующим образом [2]:
Горное недроведение
· Горнопромышленная геология
· Геометрия и квалиметрия недр
· Геомеханика
· Разрушение горных пород
· Рудничная аэрогазодинамика
· Горная теплофизика
Горная системология
· Теория проектирования освоения недр
· Экономика освоения георесурсов
· Горная экология
· Геоинформатика
Геотехнология
· Физико-техническая геотехнология
· Физико-химическая геотехнология
· Строительная геотехнология
· Геотехника
Обогащение полезных ископаемых
· Технологическая минералогия
· Дезинтеграция и подготовка минерального сырья к обогащению
· Физические и химические процессы разделения, концентрации и переработки минералов
· Физические и химические процессы извлечения полезных компонентов из природных и техногенных вод
Горные науки, которые объединены в группу "Горное недроведение", включают исследования свойств пород, горных массивов, георесурсов и недр в целом - как средоточия различных природных и искусственно создаваемых образований, находящихся во взаимосвязи друг с другом. Исследование осуществляется под углом зрения изменения свойств георесурсов (разнообразия аномалий, масштабов и интенсивности их проявлений, пространственной локализации, сочетания, агрегатного состояния, экономических параметров и др.) под действием техногенных преобразований. Научные дисциплины этой группы объединены общей идеей - выявить закономерности техногенной эволюции недр. Тогда можно будет судить о базе георесурсов для промышленности, получить представление о состоянии недр и оценить степень комплексности их освоения, сохранения и динамики возможных целенаправленных воздействий.
"Горная системология" включает в себя науки, которые изучают закономерности развития геосистемы и выявляют последствия освоения недр для общества и природы.
Горные науки группы "Геотехнология" - науки об извлечении полезных ископаемых из недр и водоемов, предметом исследований которых являются технологические процессы, технические средства, технологии, способы и горные объекты, позволяющие извлечь георесурсы из недр. Они же создают научные предпосылки для использования георесурсов тех видов, утилизация которых не предполагает их извлечение (например, подземные полости). Объединяющая идея - выявить научные предпосылки для технических решений, расширяющих функциональные возможности горных предприятий в преобразований недр в целом. Теоретической основой могут стать положения о ресурсовоспроизводящих технологиях горного производства.
Знания, полученные в этой области, должны содействовать комплексному использованию пород, горных массивов, георесурсов и недр и изменению их функционального назначения.
В группу "Обогащение полезных ископаемых" входят науки об извлечении ценных компонентов из минерального сырья. Предмет этих наук - изучение основных закономерностей физических, физико-химических и химических процессов разделения и концентрации минералов природного и техногенного происхождения, взаимосвязи структурного, вещественного и фазового состава минерального сырья с его технологическими свойствами. Установленные закономерности - основа технологий и технических средств для извлечения из земных недр ценных компонентов и превращения в продукты, пригодные для последующего использования в различных хозяйственных отраслях.
5. Законы и методы горной науки
При изучении и теоретическом осмыслении различных сторон воздействия техники на горные породы формируются логические задачи и понятия. Главная задача горной науки - выяснение присущих каждому способу добычи полезных ископаемых объективных законов. В этой связи горную науку можно определить как науку о законах, управляющих производством добычи полезных ископаемых из недр Земли. В понятиях науки отражается статика, а в законах - динамика рассматриваемого процесса.
Процесс разработки месторождений полезных ископаемых подчиняется целому ряду законов: