Состояние и основные направления освоения ресурсов земных недр

Благодаря ресурсам земных недр горное дело является одной из важнейших областей деятельности человека по их освоению, так как они занимают основополагающее место не только в богатстве стран, но и в общем развитии цивилизации.

Человечество ежегодно извлекает из недр Земли многие сотни миллиардов тонн различных руд, горючих ископаемых и строительных материалов. В результате переработки этого сырья выплавляется свыше 800 млн т различных металлов, рассеивается на полях более 400 млн т минеральных удобрений и до 4 млн т различных ядохимикатов. Индустрии добычи твердых полезных ископаемых принадлежит первое место в образовании и накоплении на поверхности планеты твердых отходов, количество которых составляет не менее 65—70% от общего объема добычи. В недрах Земли образовалось огромное количество полостей и пустот в виде отработанных шахт и карьеров. В результате изменяется сбалансированное за предшествующие эпохи напряженное состояние массивов, нарушается режим подземных и поверхностных вод, деформируется и сама земная поверхность.

Нарастающий технологический прессинг на природные экосистемы приводит к их быстрому и часто необратимому разрушению, которое по своим масштабам постепенно принимает глобальный характер. При этом парадоксальность ситуации заключается в том, что прогрессирующая деградация природы происходит на фоне быстро растущих расходов человечества на ее охрану; при этом энергетические ресурсы, необходимые для сохранения природы на современном уровне развития, могут быть получены только путем техногенного разрушения фундамента этой природы — литосферы Земли.

Как отмечал академик В.И. Вернадский: «жизнь является... не внешним, случайным явлением на земной поверхности. Она теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых он (человек) не мог бы существовать». Иными словами, в какой бы степени недра ни были исчерпаны, общество не может существовать, когда их использование невозможно.

Поэтому получение полезных ископаемых является сегодня и в обозримом будущем безальтернативной необходимостью для самого факта существования человека. От того, как в наше время будет организовано это производство, какие ограничения и допуски будут наложены
на его развитие, в широком смысле зависит сохранение или необратимое разрушение подвижного равновесия в природной среде, сложившегося за геологические периоды развития планеты.

Сегодня практически все мировое сообщество построено и функционирует за счет результатов прямого или косвенного разрушения определенных участков литосферы и последующего использования полученного при этом вещества. По последним данным, минеральное сырье дает исходные материалы и энергетическую основу производству 70% всей номенклатуры конечной продукции человеческого общества.

Экономическая система человечества состоит из людей, средств производства и материальных благ. На протяжении последних столетий население росло темпами, далеко превышающими известные ранее истории, и это беспрецедентное увеличение стало возможным только в условиях сопровождающего его еще более быстрого расширения производства материальных благ. Население мира за последние около 60 лет увеличивалось примерно на 4,6% в год, а добыча полезных ископаемых на каждого жителя Земли — от 12,6 до 19,6% в год, с удвоением каждые 10 лет.

Следует обратить внимание на то, что термины «производство» и «потребление» не совсем точны для описания процессов извлечения на поверхность значительных объемов полезных ископаемых и пустых горных пород. Фактически человек не производит и не уничтожает вещество и энергию, а только переводит их из одного состояния в другое. Человек преобразует сырье в товары, а товары — в ту или иную форму отходов, которые возможно превратить в сырье путем расхода энергии. В связи с этим при развитии цивилизации всегда будет требоваться определенный уровень добычи из недр Земли прежде всего энергетического сырья.

Россия на протяжении второй половины XIX, всего XX, первых десятилетий XXI веков и обозримого будущего была и будет крупнейшей минерально-сырьевой державой, доля экспорта продукции которой, вне зависимости от социально-политического строя, масштабов страны, в разные периоды составляла не менее 50—75%.

Наше государство обладает конкурентными стратегическими минерально-сырьевыми преимуществами, при сохранении и усилении которых Россия в XXI в. сможет не только удовлетворить наиболее рациональным образом собственные потребности в минеральном сырье, но и занять более высокое и устойчивое геополитическое положение. Даже в кризисных мировых условиях доходы от экспорта важнейших видов минерального сырья и продукции их переработки являются главным источником пополнения федерального бюджета, финансирования инвестиционных программ национального значения, укрепления энергетической безопасности страны.

Вместе с тем ежегодное извлечение различных горных пород из недр до 15 млрд т в бывшем СССР в период второй половины XX столетия приводило к образованию от 3,5 до 10,2 млрд т в год твердых отходов. В результате в отвалах и хвостохранилищах было накоплено уже к 2009 году только в России свыше 100 млрд т таких отходов, наносящих вред охране недр, рациональному землепользованию и окружающей среде. К этому количеству ежегодно добавляется около 4 млрд т в год. При этом доля горнодобывающей промышленности составляет 55%, топливно-энергетической и металлургической промышленности около 35%. Доминируют в образовании и накоплении отходов угольная промышленность, черная и цветная металлургия.

В целом по горной и перерабатывающей промышленности количество отходов составляет от 50 до 95% извлекаемой из недр горной массы. В то же время значительная часть отходов горно-обогатительного и металлургического производств может оцениваться в качестве сырья техногенных месторождений для получения металлов, строительных материалов, удобрений, химической продукции и др.

Особо следует подчеркнуть продолжающееся на протяжении многих последних десятилетий снижение качества полезных ископаемых на разрабатываемых и большинстве вновь вовлекаемых в эксплуатацию месторождений, зн чительное усложнение горно-геологических и экономико-географических условий освоения месторождений, особенно новых, при повышении требований к охране природной среды, что обусловливает устойчивую тенденцию существенного роста эксплуатационных и капитальных затрат в горной промышленности.

Таким образом, современное состояние минерально-сырьевого комплекса России, и без того ухудшающееся в связи с кризисными явлениями, в условиях резкого колебания цен на минеральные ресурсы, высокого уровня инфляции в сочетании с ростом банковских ставок (до 24—26%), сокращения до 30—40% уровня использования обрабатывающих отраслей, нехватки доступных кредитных средств даже у крупных горнодобывающих компаний, современной системы налогообложения, близкой к полной изношенности основных средств и применения устаревших технологий привело к нерентабельности освоения существенной части балансовых запасов месторождений. Сохранение этого со стояния, а также отсутствие требуемых инвестиций и средств для освоения новых геотехнологий резко снижают уровень использования потенциала горной промышленности и не обеспечивают конкурентоспособность ее продук ции (по номенклатуре, качеству и стоимости) на мировом рынке.

Основные направления развития горного дела в РФ в XXI в. стимулируют в первую очередь способы добычи и переработки руд черных, цветных и драгоценных металлов, урана, угля, алмазоносного, горно-строительного и горнохимического сырья, которые являются наиболее надежным плацдармом развертывания крупных инновационных проектов. При этом открытый способ разработки месторождений твердых полезных ископаемых был во 2-й половине XX в. и остается в 1-й половине XXI в. генеральным направлением развития горнодобывающей промышленности России, несмотря на все более усложняющиеся геологические и суровые природно-климатические условия освоения месторождений Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока и других регионов. Так, например, если глубина карьеров и угольных разрезов в первой половине XX в. не превышала 200—300 м, во второй половине она возросла до 600—700 м, а перспективные карьеры XXI в. ориентированы на глубину 900 м и более.

Эффективность освоения глубокозалегающих месторождений потребовала от горных наук оптимизировать параметры горных работ, техники и технологии, изучить и разрабатывать принципы рационального сочетания различных ресурсосберегающих, малоотходных и ресурсовоспроизводящих технологических процессов и прежде всего предусматривающих широкое применение автоматизированных систем планирования и методов управления добычей полезных ископаемых, особенно при разработке уникальных по масштабам распространения, как, например, КМА. Исследованиями ученых и производственников обоснованы и реализованы коренные изменения геотехнологии освоения месторождений КМА с полной утилизацией всех образующихся отходов добычи и переработки в подземном выработанном пространстве с замкнутым оборотным водоснабжением горных предприятий (рис. 1) [1].

Рис. 1. Поверхностная часть закладочного комплекса
Fig. 1. Surface part of the filling complex

При реализации этих геотехнологий не требуется изъятие дополнительных плодородных земель, сокращаются потери полезных ископаемых в целиках и потолочинах, обеспечивается сохранность подработанных территорий и природно-техногенных запасов, оставленных в земных недрах. Эти геотехнологии адаптированы к условиям действующих комбинатов КМАруда, Лебединского, Стойленского, Михайловского.

В промышленном масштабе реализован способ приготовления закладочной смеси (рис. 2) с формированием из отходов добычи и переработки руд природно-техногенного массива (рис. 3), который становится элементом горнотехнической системы эксплуатации месторождений и служит для повышения устойчивости и несущей способности ограждающих конструкций, сохранения георесурсов для перспективного вовлечения их в промышленную эксплуатацию и гидрогеологического баланса региона за счет полного оборотного водообеспечения горно-обогатительных предприятий.

Рис. 2. Формирование консолидированного природно-техногенного массива в недрах Земли
Fig. 2. Formation of a consolidated natural-technogenic massif in the bowels of the Earth

Рис. 3. Технологическая схема движения минерально-сырьевых потоков
Fig. 3. Technological scheme of the movement of mineral raw materials flows

Широкий спектр выполненных исследований в конце XX — начале XXI веков, охватывающих проблемы развития горной техники, технологии, геомеханики, экономики освоения недр и геоэкологии, позволяет обоснованно рассмотреть возможность изменения парадигмы освоения ресурсов из недр в том виде, в каком их создала природа.

Уже в ближайшей перспективе человечество должно осваивать месторождения полезных ископаемых с разработанными и заданными параметрами, обеспечивающими минимизацию отходов и загрязнения окружающей среды.

Заключение

Технологии целенаправленного формирования месторождений целесообразно создавать на основе принципа геотехнологического продолжения образования полезных компонентов искусственными методами с использованием природных сил для преобразования залежей к состоянию, максимально приемлемому к последующей разработке. Технологии должны предусматривать создание в массиве условий для пространственного обособления полезных компонентов, изменение физических свойств пород, условий залегания полезных ископаемых и — на этой основе — повышение эффективности традиционных и новых способов освоения месторождений. Применение этих технологий позволит расширить сырьевую базу за счет повышения концентрации полезных компонентов в недрах и вовлечения в разработку бедных месторождений и рудопроявлений; увеличить ценность месторождений за счет попутных компонентов, получаемых в процессах вещественных преобразований руд; снизить глубину горных работ за счет формирования техногенных залежей на геохимических барьерах вблизи поверхности Земли; сократить сроки разработки месторождений; снизить техногенную нагрузку на окружающую среду.

Для создания таких технологий потребуется глубокая интеграция усилий геологов, геохимиков, геофизиков, экологов и горняков.

В последние годы в ИПКОН РАН разрабатываются научные основы создания принципиально новой технологической базы природоподобных технологий, т.е. фактического включения технологии в цепочку замкнутого и самодостаточного ресурсооборота, который существует в природе. [2][3].