Становление и развитие горных наук в Казахстане

Ключевые слова: горное дело, горные науки, их развитие, приоритетные направления, наиболее важные разработки.
Аннотация. Дана история становления и развития горных наук в Казахстане. Горные науки зародились в Казахском горно-металлургическом институте во второй половине тридцатых годов прошлого века. У их истоков стояли первый ректор института А.Ж. Буркитбаев, профессора Г.В. Ключанский, П.А. Рыжов, А.В. Бричкин, позже академики А.С.Попов, О.А. Байконуров, А.С. Сагинов, Ж.С.Ержанов, член-корреспондент АН КазССР А.Ж. Машанов. Ученые КазГМИ создали ряд прогрессивных технологий подземной разработки месторождений полезных ископаемых. С их привлечением во второй половине сороковых годов было создано профильно научно-исследовательское учреждение-институт горного дела АН КазССР. Все горные учебные заведения Республики отпочковались от КазГМИ. Приведены приоритетные направления развития горных наук в Казахстане и некоторые результаты научных работ, проведенных Казахском национальном исследовательском техническом университете им.К.И. Сатпаева за последние годы.

Түйінді сөздер:тау-кен істері, тау-кен ісі ғылымдары, олардың дамуы, ең маңызды бағыттары, құнды өңдеулер.

Аңдатпа. Бұл мақалада Қазақстанның тау-кен ғылымдарының қалыптасу және даму тарихы берілген. Тау — кен ғылымдары өткен ғасырдың отызыншы жылдарының екінші жартысында Қазақ тау-кен металлургия институтынде алғаш басталған. Оны басқарғандар институттың алғашқы ректоры А.Ж. Бүркітбаев, профессорлар Г.В. Ключанский, П.А. Рыжов, А.В. Бричкин, кейінірек — белгілі ғалымдар, академиктер А.С.Попов, Ө.А. Байқоңыров, А.С. Сағынов, Ж.С.Ержанов, ҚазақССР ғылым академиясының корреспондент-мүшесі А.Ж. Машанов болды.
КазТКМның ғалымдары пайдалы қазбаларды жер асты әдістермен игерудің алдыңғы қатарлы технологияларын ұсынды. Осы ғалымдардың арқасында кырқыншы жылдардың екінші жартысында Қазақстан Ғылым академиясының құрамында арнаулы ғылыми зерттеу мекемесі – Тау-кен иституты құралды. Қазақстандағы тау-кен саласындағы жоғарғы оқу орындары да осы ҚазТКМ нен тараған.
Мақалада сонымен қатар Қазақстанда жүргізілетін тау-кен ғылымдарының ең маңызды бағыттары көрсетілген. Қ.И. Сатбаев атындағы Қазақ ұлттық техникалық зерттеу университетінде соңғы жылдары жүргізілген ғылыми жұмыстарының кейбір нәтижелері берілген.

Key words: mining, mining sciences, their development, priority directions, the most important developments.
Abstract. The history of formation and development of mining sciences in Kazakhstan is given. Mining sciences have arisen at the Kazakh mining and metallurgical institute in the second half of the thirtieth years of the last century. Scientists of KAZGMI have created a number of progressive technologies of underground mining of mineral deposits. With their attraction in the second half of the fortieth years it has been created profile research institutions institutes of mining of AN KAZSSR. All mining educational institutions of the Republic have gemmated from KAZGMI. The priority directions of development of mining sciences are given in Kazakhstan and some results of the scientific works which are carried out the Kazakh national research technical university of K. I. Satpayev in recent years.

Зарождение горных наук в Казахстане стало возможным после открытия в 1934 году в г.Алма-Ате первого технического вуза-Казахского горно-металлургического института (КазГМИ) – кузницы инженерных кадров республики. Его первый директор, известный государственный деятель, выпускник Урало-Казахстанской промышленной академии, энергичный и целеустремленный горный инженер Амир Джаналиевич Буркитбаев внес неоценимый вклад как в становление и развитие учебного заведения, а так и в формирование первого отряда ученых-горняков.
Первый заведующий кафедрой разработки полезных ископаемых профессор Г.В. Ключанский – крупный ученый в области горного дела и геологии уже через три года после открытияинститута сгруппой молодых исследователей выполняет научные работы по запросам горныхпредприятий.
В эти годы кафедру маркшейдерского дела возглавляет талантливый и инициативный молодой ученый П.А. Рыжов, впоследствии основатель научного направления «геометризация недр». Под его руководством выполнены крупные топографические, геодезические и маркшейдерские работы, задания по геометризации недр, которые легли в основу рациональной эксплуатации месторождений, подсчета запасов полезных ископаемых.
В начале сороковых годов кафедру разработки рудных месторожденийвозглавляет доктор технический наук, профессор А.В.Бричкин. Группа ученых института под его руководством разработала и внедрила наиболее рациональную систему вскрытия богатейшей 2-й юго-западной залежи Лениногорского рудника. На рудниках Ачполиметалла, Лениногорского комбината и Узбекистана были внедрены рациональные системы разработок, запроектированы новые шахты. За большой вклад в развитие горных наук Александр Васильевич Бричкин в 1946 году избирается членом-корреспондентом АН КазССР.
Чл.-корр.АН КазССР А.В. Бричкин является основоположником термического разрушения горных пород. Им были организованы проблемная лаборатория новых физических методов разрушения горных пород и головная отраслевая лаборатория комплексной механизации взрывных работ. Он автор более 160 печатных научных трудов, нескольких десятков изобретений.
В послевоенный период в КазГМИ организовывается кафедра разработки пластовых месторождений. Для ее руководства из Узбекистана приглашается крупнейший ученый докт.техн.наук,проф.Александр Сергеевич Попов. Он относится к плеяде первопроходцев ученых – горняков, заложивших научную основу разработки месторождений полезных ископаемых. А.С.Попов был выдающимся ученым в области горных наук, его имя стояло в одном ряду с именами таких всемирно признанных академиков АН СССР как А.А.Скочинский, А.М.Терпигорев и Л.Д.Шевяков. Он основоположник аналитического метода определения основных параметров шахтного поля. За выдающийся вклад в развитие горных наук Александр Сергеевич в 1954 году избран действительным членом АН КазССР. Неоценим вклад академика А.С.Попова в подготовку научных кадров. Его учениками являются академики О.А.Байконуров, А.С.Сагинов, Ш.А.Алтаев, Ш.А.Болгожин, Б.Р.Ракишев и многие другие.
Ректор Казахского политехнического института в 1953-62 г.г. профессор О.А.Байконуров создал научную школу, где комплексно решались вопросы новых и совершенствования существующих технологий и техники подземной разработки руд цветных металлов, горно-химического сырья и нерудных материалов. За выдающийся вклад в развитие горных наук Омархан Аймагамбетович в 1962 г. избран действительном членом АН КазССР.
Итогом научной деятельности академика О.А.Байканурова являются 14 монографий, более 300 статей и докладов, свыше 50 изобретений. Среди них особо следует выделить фундаментальную монографию «Классификация и выбор методов подземной разработки месторождений».
В начале сороковых годов молодой специалист А.Ж.Машанов после окончания института активно включается в выполнение научно-исследовательских работ в области горного дела. На основе изучения физико-механикческих свойств пород, трещиноватости массивов горных пород в естественных геологических условиях еще в сороковых годов он обосновал, что массив пород состоит из естественных отдельностей различных размеров и конфигурации. Это положение легло в основу новой научной дисциплины – геомеханики. Основоположник казахстанской школы геомехаников Акжан Жаксыбекович за этот крупный вклад в горную науку в 1946 году был избран членом-корреспондентом АН КазССР.
Казахский горно-металлургический, с 1960 года Казахский политехнический институт им.В.И.Ленина, является родоначальником научных школ горного профиля республики, сосредоточенных в 5 крупных НИИ и университетах. Это «Институт горного дела им.Д.А.Кунаева», Горно-металлургический институт им.О.Байконурова Казахского национального исследовательского технического университета им.К.И.Сатпаева, Карагандинский государственный технический университет, Институт комплексного освоения недр (г.Караганда), «ВНИИцветмет» (г.Усть-Каменогорск), Жезказганский государственный университет им. О.А.Байконурова.
Дальнейшее развитие горных наук в республике связано с именами известных ученых страны, таких как: Алтаев Ш.А., Адилов К.Н.,Байгурин Ж.Ж.,Баймухаметов С.С.,Бейсебаев А.М.,Бектыбаев А.Д.,Бегалинов А.Б., Береза В.Г., Битимбаев М.Ж., Болгожин Ш.А., Букейханов Д.Г., Буктуков Н.С., Галиев С.Ж., Данияров А.Н., Демин В.Ф., Дрижд Н.А., Едыгенов Е.К., Ержанов Ж.С.,Ергалиев А., Ерофеев И.Е.,Ерофеев Н.П., Жалгасулы Н., Жетесов С.С., Исабек Т.К., Ипалаков Т.Т., Канлыбаева Ж.М., Калыбеков Т.К., Климов Ю.И., Кунаев Д.А.,Кошулько П.М., Кумыков В.Х., Курманкожаев А.К., Крупник Л.А., Лысенко И.З., Малыбаев С.К.,Мильграм М.Г., Мусин А.Ч., Мустафина А.М., Низаметдинов Ф.К., Нифадьев В.И., Нурпеисова М.Б., Ракишев Б.Р., Раскильдинов Б.У., Рогов Е.И.,Рыспанов Н.Б.,Сагинов А.С., Сиразутдинов А.М., Спицын А.Д.,ТамбиевГ.И.,Ткаченко А.М.,Филимонов А.Т., Цеховой А.Ф., Цой С.В., Чулаков П.Ч.,Чабдарова Ю.И.,Шарипов В.Ш.,Юсупов Х.А. и др.
Приоритетными направлениями развития горных наук в Казахстане на современном этапе являются:
— разработка научных основ инновационных ресурсосберегающих, безопасных и экологически чистых технологий и оборудования для оптимального функционирования и устойчивого развития горно-металлургического и топливно-энергетического комплексов РК;
— созданиенаучныхосновтехнологий полного и комплексного использования природных ресурсов;
— создание новых функциональных и экономических структур, обеспечивающих наивысшую эффективность преобразования природных ресурсов;
— создание теории и методологии равновесного (экологически сбалансированного) природопользования при освоении недр;
— развитие информационных технологий и создание автоматизированных средств поддержки решений в области освоения недр и их сохранения;
— создание эффективных, экологически чистых и безопасных технологий освоения природных и техногенных месторождений полезных ископаемых;
— прогноз и управление геомеханическими процессами при открытой и подземной добыче руд и угля;
— разработка автоматизированных систем управления технологическими процессами на рудниках, карьерах;
— создание нового поколения технологических средств системной механизации подземных и открытых горных работ;
— разработка принципов, теории, методологии и новых методов проектирования и планирования экологически безопасного (сбалансированного) освоения недр Земли с целенаправленным воссозданием в новом функциональном назначении.
В целях решения ряда перечисленных проблем на кафедре открытых горных работ Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева под руководством автора статьи за последние годы создана теория разрушения массива пород, удачно взаимоувязывающая физико-технические свойства пород массива, физико-химические характеристики ВВ с конечными результатами взрыва. Выведены зависимости для определения основных характеристик взрыва: предельного радиуса взрывной полости, размеров зон мелкого дробления и радиальных трещин, критической скорости разрушения массива пород и скорости движения центра масс разрушенной части уступа.
Эти кинематические и динамические характеристики разрушения и движения пород массива положены в основу принципа рационального размещения зарядов ВВ массиве пород, методов прогнозирования гранулометрического состава взорванных пород и пространственного размещения разнородных пород в развале, а также расчета энергии, затрачиваемой на дробление массива пород и перемещение взорванной горной массы. Доказано, что каждая среда характеризуется определенным пределом энергоемкости своего качественного разрушения, при достижении которого дальнейшего улучшения качества дробления не наблюдается, а происходит лишь выброс разрушенной среды на большое расстояние.
Выявленные закономерности распределения пород из различных частей уступа в развале четко устанавливают их границы и объемы, а предложенная структурно-технологическая характеристика сложных блоков служит критерием для выбора технологии буровзрывных и экскаваторных работ, обеспечивающей оптимальный уровень потерь и разубоживания руды при заданных горно-геологических условиях.
С учетом конкретных требований к качеству дробления для каждого типа пород, исходя из принципа рационального размещения заряда ВВ в массиве, назначаются конкретные параметры расположения зарядов в массиве и схемы их взрывания.
Разработаны новые геотехнологические способы управления движением запасов горных пород в рабочей зоне, включающие установление горно-технологических характеристик сложноструктурных блоков в развале; определение объемов вскрытых, готовых к выемке и долговременных запасов горных пород в рабочей зоне карьера.
Геотехнологическое управление качеством многокомпонентных руд основано на тесной взаимоувязке процессов геолого-технологической информации, различных приемов выемки разнородных пород из развала, внутризабойной стабилизации качества вынимаемой руды, межзабойного усреднения руды, приемов сортировки в транспортных емкостях или на конвейере рудного потока на технологические типы и сорта с удалением из него кусковой породы в виде щебня и другой попутной продукции.
В этой связи установлены горно-геологические, технологические характеристики пород, включающие коэффициент рудонасыщенности и показатель сложности строения блоков. Они позволяют количественно оценить пригодность сложностурктурного блока для селективной или валовой отработки, установить параметры технологий подготовки блоков к выемке, параметры элементов выемочных слоев и др.
Предложенная математическая оптимизационная модель стабилизации качества многокомпонентной руды при отработке сложноструктурного блока, позволяет планировать отгрузку максимального возможного объема качественного сырья в течение смены, суток или нескольких суток при минимальном снижении производительности выемочно-погрузочного оборудования. Она оперативно учитывает изменяющиеся горно-технологические и экономические (конъюнктурные) условия и дает возможность активно управлять внутрикарьерным усреднением руд и выдачей сырья требуемого качества за смену, сутки или месяц.
Предложенная математическая модель управления объемами добычи руды в режиме межзабойного усреднения с применением метода случайного поиска позволяет производить стабилизацию качества многокомпонентной руды, учитывать изменение процентного содержания компонент в зависимости от выбранного объема, что дает возможность оперативно перераспределять нагрузку на забои в зависимости от производственной ситуации (поломка экскаватора, отсутствие запаса руды в конкретном забое).
Разработан метод оценки полезного использования минерального сырья при различных процессах его добычи и переработки, базирующийся на коэффициенте полезного использования минерального сырья (МС), подобном общепринятому в физике, технике коэффициенту полезного действия машин, механизмов и др. Технологические и ценностные критерии комплексного использования полезных ископаемых, как объективные и легко вычисляемые, могут быть положены в основу методик для оценки результатов повышения полноты и комплексности использования минерального сырья (КИМС); анализа состояния дела по комплексному использованию МС на отдельных предприятиях и в отрасли в целом; установления рациональной номенклатуры извлекаемых полезных компонентов и целесообразной формы организации их производства; выбора наиболее эффективного варианта КИМС; определения народнохозяйственной значимости реализации выбранного варианта технологии добычи и переработки минерального сырья.
Предложена принципиально новая классификация систем открытой разработки полезных ископаемых. Во всех известных классификациях система разработки взаимоувязывается с проведением горных работ в карьерном поле. В то же время известно, что карьерное поле, как правило, отрабатывается уступами сверху вниз. После вскрытия рабочих горизонтов и проведения подготовительных выработок, последние трансформируются в очистные (вскрышные и добычные) выработки.
Совокупность взаимозависимых и взаимосвязанных между собой подготовительных, вскрышных и добычных выработок в карьерном поле, предназначенных для извлечения полезных ископаемых из недр Земли, представляет собой систему открытой разработки полезных ископаемых. Это определениеобъективно отражает состояние горных выработок в динамике и отвечает понятию системы в общепринятом смысле. В нем соблюдаются все основные системные принципы: целостности, иерархичности структурности, взаимозависимости элементов системы.
По общему характеру перемещения указанных выработок в карьерном поле можно выделить только три системы открытой разработки: сплошную, углубочную и комбинированную и 16 подсистем разработки.
Обоснованы основные параметры и показатели систем открытой разработки. Доказано, что максимально возможная по природным и техническим условиям производственная мощность по полезному ископаемому при минимальных затратах на выполнение всех видов работ достигается при формировании в карьере рабочей зоны, позволяющей поддерживать на заданном уровне основные показатели системы разработки.
Горные работы в упомянутых выработках выполняются посредством определенных технологий. Технология вскрышных и добычных работ представляет собой совокупность способов и приемов выемки, погрузки и перемещения вскрышных пород и полезного ископаемого из забоев к пункту их назначения. Как видно, система разработки является совокупностью упорядоченных горных выработок, а технология – способом производства горных работ в ее элементах. Эти отличительные признаки ставят четкую грань между системой разработки и технологией открытых горных работ.
По способу перемещения вскрышных пород и полезного ископаемого к пункту назначения технология открытых горных работ может подразделяется на бестранспортную, транспортную, специфическую и комбинированную. По непрерывности процессов выемки, погрузки и перемещения вскрышных пород и полезного ископаемого она подразделяется на цикличную, циклично-поточную и поточную. По совокупности эти составляющие представляют собой суть классификации технологий открытых горных работ.
Впервые в горном деле предложена классификация технологических комплексов открытых горных работ. Академиком В.В. Ржевским доказано, что технологии выемочно-погрузочных и транспортных работ и технические средства их реализации составляют единый комплекс, объединяющий способы и средства извлечения полезных ископаемых из недр Земли. Этот комплекс им назван технологическим комплексом открытых горных (вскрышных и добычных) работ (ТК ОГР). Нами установлены четыре элемента этогокомплекса. Объединяясь попарно по выполняемым функциям, они образуют два компонента ТК ОГР: выемочно-погрузочный и транспортный. По числу составляющих компонентов технологические комплексы открытых горных работ могут быть подразделены на однокомпонентные, двухкомпонентные, трехкомпонентные (два вида транспорта) и именоваться названием участвующих в процессах машин. Например, экскаваторным, бульдозерным,…, экскаваторно-железнодорожным, экскаваторно- конвейерным.., экскаваторно- автомобильно- железнодорожным, экскаваторно- автомобильно- конвейерным и т.д.
Приведенные результаты НИР в КазНИТУим. К.И.Сатпаева служат научной основой создания инновационных ресурсосберегающих, экологических чистых геотехнологий, обеспечивающих надежное функционирование и устойчивое развитие горно-металлургического и топливо – энергетического комплексов РК, прогрессивных технологий полного и комплексного использования минеральных ресурсов.
Надеюсь, что достойный вклад в решение названной проблемы внесут ученые – горняки — члены вновь созданной Национальной академии горных наук Казахстана.