Становление горных наук и вклад ученых ИПКОН РАН в их развитие

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2018-5-141-26-30

В.Н. Захаров, д-р техн. наук, чл.-корр. РАН, Директор ИПКОН РАН, первый вице-президент АГН

В середине XVII в. в Петербургской академии наук М.В. Ломоносов заложил основы отечественной горной науки, сформулировав для того времени задачи горного дела. Он отмечал, что «горная наука учит минералы знать, приискивать и приводить в такое состояние, чтобы в обществе человеческом были угодны». Таким образом, термин «горная наука» принадлежит М.В. Ломоносову.

Корни появления горной науки в Академии наук СССР уходят в тридцатые годы прошлого века, когда был введен новый Устав Академии наук СССР (1935 г.), которым предусматривается всемерное содействие подъему теоретических и прикладных наук, изучению и развитию достижений мировой науки, ставится задача изучения природных богатств и производительных сил, укрепления связи науки и техники. Новый устав меняет структуру Академии наук, создается Отделение технических наук.

В Отделение технических наук вошли группы энергетики, технической механики, технической химии, технической физики, горного дела.

Группа горного дела формируется на базе Горнорудной секции Технического совета. Академик А.А. Скочинский избирается заместителем академика-секретаря Отделения технических наук и председателем Группы горного дела.

Группа горного дела не имела собственной лабораторной базы, однако ученые проводили работу по накоплению и обобщению практического опыта горнодобывающей промышленности в стране и за рубежом, обоснованию направлений и методов исследований на предприятиях по сокращению потерь при добыче и переработке полезных ископаемых, проблемам управления кровлей, предотвращению рудничных пожаров, исследованию причин внезапных выбросов угля и газа, изучению газообильности угольных шахт.

Утвержденная уставом 1935 г. структура АН СССР просуществовала до октября 1938 г., когда в связи с ростом объемов научно-исследовательской работы вместо имеющихся трех создается 8 отделений: физико-математических, химических, геолого-географических, биологических и технических наук, экономики и права, истории и философии, литературы и языка.

15 октября 1938 г. Президиум Академии наук СССР принял решение об организации в составе Отделения технических наук на базе Группы горного дела Института горного дела АН СССР (ИГДАН) с направлениями исследований в области: методов извлечения полезных ископаемых, тепловых и пирогенных процессов в подземных выработках, рудничной аэрологии и вентиляции, механики горных пород и горной механики. Директором института избран академик А.А. Скочинский. На этот пост А.А. Скочинский впоследствии многократно переизбирался и работал до своей кончины в 1960 г.

В Институте горного дела АН СССР трудились выдающиеся ученые: академики А. А. Скочинский, А.М. Терпигорев, Л.Д. Шевяков, члены-корреспонденты АН СССР, а затем академики М.И. Агошков и Н.В. Мельников, члены-корреспонденты АН СССР А.С. Ильичев, Г.И. Маньковский, И.Н. Плаксин, доктора и кандидаты наук Г.Д. Лидин, В.Н. Воронин, Л.Д. Воронина, В.И. Барановский, А.Н. Зеленин, В.С. Кравченко, А.П. Судоплатов, К.Л. Пожарицкий, П.H. Нестеров, З.М. Федорова, В.В. Ходот, Е.М. Фаерман, В.А. Ассонов, Б.Д. Росси, А.Ф. Назарчик, Д.М. Бронников, в будущем член-корреспондент РАН, и многие другие.

ИГДАН играл связующую роль между наукой и горнодобывающей промышленностью, осуществлял научно-методическое руководство исследовательскими работами, проводимыми по важнейшим проблемам горного производства; координацию исследований в области проектирования и технологии разработки месторождений твердых полезных ископаемых подземным и открытым способами, устойчивости горных выработок, откосов и уступов карьеров, внезапных выбросов угля и газа в шахтах, механизации горнодобычных работ, разрушения горных пород взрывом, изучения физико-механических свойств горных пород, подземных рудничных пожаров и борьбы с ними, проветривания рудников и карьеров, интенсификации процессов обогащения полезных ископаемых.

В послевоенный период в ИГДАНе проводились работы, направленные на восстановление горнодобывающей промышленности Подмосковного, Донецкого и Криворожского бассейнов, разработаны совместно с Союзвзрывпромом паспорта на буровзрывные работы для восстанавливающихся шахт Донбасса, новые взрывчатые вещества.

В 1953 г. в состав ИГДАНа вводится Горно-геологическая станция (ГГС), расположенная в районе Курской магнитной аномалии (КМА). Под руководством академика А.М. Терпигорева и чл.-корр. АН СССР М.И. Агошкова проводятся исследования по созданию эффективных систем разработки богатых железистых руд КМА в сложных гидрогеологических условиях, предложена система для подземной отработки кварцитов.

Под руководством чл.-корр. АН СССР Н.В. Мельникова была доказана возможность освоения КМА, в первую очередь открытыми горными работами, и обосновано строительство Лебединского, Стойленского, Михайловского горных предприятий.

В ИГДАНе совместно с пылевой лабораторией станции разработан комплекс инженерных мероприятий, обеспечивающих снижение запыленности рудничной атмосферы. Под руководством чл.-корр. АН СССР И.Н. Плаксина в лаборатории ГГС разработана технология использования мела вместо известняка при агломерации магнетитовых концентратов КМА.

В 1958 г. ГГС была реорганизована в филиал ИГД АН СССР, а в 1962 г. в самостоятельный институт, занимающийся решением основных проблем освоения месторождений КМА. Институту присвоено имя Л.Д. Шевякова.

Институт горного дела АН СССР занял ведущее положение в стране в области горных наук, а горные науки признаются одной из важнейших отраслей знаний и занимают достойное место в академической системе. Это явилось основанием для создания институтов горного профиля в филиалах АН СССР, а также республиканских академиях наук.

Создание горно-геологических институтов в Уральском, Западно-Сибирском филиалах АН СССР, а также в академиях наук Грузии, Казахстана, Киргизии, Украины способствовало повышению уровня и расширению научных исследований в области горных наук.

Учитывая большой научный авторитет Института горного дела АН СССР и его существенную помощь предприятиям горнодобывающей промышленности, отраслевые министерства выделили ассигнования на строительство здания для него, поскольку коллектив института, насчитывающий к тому времени более 300 человек (не имея собственного здания), размещался в помещениях Отделения технических наук в Малом Харитоньевском пер., 4, Института горючих ископаемых на Большой Калужской, 29, шахты Метростроя на Коровьем валу.

В 1955 г. здание на 1-м Академическом пр., 71 (ныне ул. Вавилова, 32) было построено, и коллектив института начал переезд в него. К этому времени штат сотрудников составлял более 600 человек, в него входили крупные ученые, пользующиеся большим авторитетом в горнодобывающей промышленности: академики А.А. Скочинский, возглавлявший отдел рудничной аэрологии, А.М. Терпигорев – отдел горной механики, Л.Д. Шевяков – горный отдел; члены-корреспонденты АН СССР Н.В. Мельников – отдел открытых работ, М.И. Агошков – лабораторию подземной разработки рудных месторождений, И.Н. Плаксин – отдел обогащения полезных ископаемых.

ИГДАН оставался в Академии наук СССР до 1960 г., в 1961 г. был подчинен сначала Госплану СССР, а затем Министерству угольной промышленности, которое перевело его в г. Люберцы, и получил после кончины его директора академика А.А. Скочинского название Института горного дела им. А.А. Скочинского.

В 1960 г. директором института был назначен тогда чл.-корр. АН СССР Н.В. Мельников, позднее (1962–1984 гг.) чл.-корр. АН СССР А.В. Докукин. Отдел обогащения полезных ископаемых, возглавляемый чл.-корр. АН СССР И.Н. Плаксиным, был передан в состав Научно-исследовательского и проектно-конструкторского института обогащения твердых полезных ископаемых Министерства угольной промышленности СССР (ИОТТ).

Длительное отсутствие в системе Академии наук СССР Института горного дела отразилось на состоянии фундаментальных исследований в области горных наук. Учитывая это, Государственный комитет по науке и технике СМ СССР Постановлением № 56 от 28 февраля 1967 г. принял предложения АН СССР о проведении в 1967 г. дополнительных научно-исследовательских работ в области физико-технических горных проблем, которые были поручены Институту физики Земли им. О.Ю. Шмидта АН СССР, где 20 апреля 1967 г. был организован Сектор физико-технических горных проблем.

Учитывая, что за 10-летний период (1967–1977 гг.) Сектор физико-технических горных проблем сложился в самостоятельную научную организацию, ЦК КПСС и СМ СССР постановлением № 603 от 4 июля 1977 г. «О мерах по дальнейшему развитию черной металлургии в соответствии с решениями XXV съезда КПСС» для усиления работ по рациональному использованию недр и комплексному извлечению из них полезных ископаемых разрешил Академии наук СССР создать в Москве на базе Сектора физико-технических горных проблем Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Институт проблем комплексного освоения недр Академии наук СССР.

Президиум Академии наук СССР постановлением от 15 сентября 1977 г. организовал при Отделении геологии, геофизики и геохимии АН СССР Институт проблем комплексного освоения недр АН СССР на базе Сектора физико-технических горных проблем Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта АН СССР в пределах численности работников и ассигнований, установленных для указанного сектора, и утвердил основные направления научных исследований Института.

Высочайшее качество выполняемых учеными ИПКОН РАН исследований, их уникальность и потенциал неоднократно отмечались государственными наградами и премиями СССР и Российской Федерации, премиями и наградами Академии наук СССР и РАН, зарубежных академий и научных центров.

Приказом ФАНО России от 28 апреля 2017 г. Институту было присвоено имя академика Николая Васильевича Мельникова.

Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук более сорока лет является центром фундаментальных исследований в области горных наук в России. В институте работали и продолжают работать выдающиеся ученые и специалисты с мировыми именами, внесшие крупный вклад в развитие наук о Земле. Продолжают традиции научных школ ИПКОН РАН молодые ученые, обеспечивая непрерывность накопления фундаментальных знаний в области горных наук, разработку инновационных решений и технологий, не имеющих аналогов в практике. За более чем сорокалетнюю историю Института им руководили выдающиеся ученые: академик Николай Васильевич Мельников (1977–1980 гг.), член-корреспондент АН СССР Дмитрий Михайлович Бронников (1980–1987 гг.), академик Климент Николаевич Трубецкой (1987–2003 гг.), академик Валентин Алексеевич Чантурия (2003–2011 гг.), член-корреспондент РАН Анатолий Дмитриевич Рубан (2011 г.), член-корреспондент РАН Валерий Николаевич Захаров (2011 г. – настоящее время).

Наиболее важные результаты ученых ИПКОН РАН:

По направлению геотехнология

Установлены технологические условия снижения негативного влияния горных работ на окружающую среду как база проектирования рациональных горнотехнических систем, сочетающих комбинированные подземные геотехнологии с радиометрической сепарацией и выщелачиванием руды на месте ее залегания и/или рудной массы в специально сформированном выработанном пространстве.

Разработана структура полного цикла комплексного освоения месторождений, включающая энергоэффективные геотехнологии как условие снижения негативного влияния горных работ на окружающую среду. Созданы соответствующие данным условиям и принципам горнотехнические системы (рис. 1) [1].

Рис. 1 Горнотехническая система с полным циклом комплексного освоения участка недр

Рис. 1 Горнотехническая система с полным циклом комплексного освоения участка недр

Определены условия адаптации подземных геотехнологий к задачам энергоэффективного освоения недр:

  • установлены условия применения эффективных подземных геотехнологий при проектировании горнотехнических систем – как фактор их устойчивого развития;
  • установлено, что утилизация в полном цикле отходов добычи руд (пород от проходки горных выработок, отходов рудничной сортировки и сепарации) без выдачи их на поверхность с применением технологии закладки передвижными закладочными комплексами модульного типа позволяет повысить энергоэффективность закладочных работ в 1,15–1,35 раз в зависимости от глубины ведения горных работ;
  • доказано, что экономическая эффективность реализации физико-химических геотехнологий в 1,1–1,25 раза выше по сравнению с традиционными за счет качественно иной структуры энергетических затрат;
  • установлены закономерности формирования, структура и условия использования потенциала возобновляемых техногенных источников энергии потоков водоотлива и закладки выработанных пространств как основы проектирования энергоэффективных горнотехнических систем с полным циклом комплексного освоения рудных месторождений.

Результаты исследований опубликованы в базовых монографиях, учебных пособиях и послужили основой для развития горной терминологии, отраженной в [2].

Основные публикации в области комплексного освоения недр Земли за 2015–2017 гг.

По направлению комплексного извлечения минеральных компонентов из природного и техногенного сырья

Научно обоснованы, разработаны и апробированы новые селективные реагенты-комплексообразователи для флотационного извлечения золото- и платиносодержащих минералов. Синтезированы и испытаны термоморфные полимеры с привитыми к ним функциональными группами, позволяющие повысить извлечение благородных металлов при флотации и селективной флокуляции шламовых продуктов (Научные руководители: акад. В.А. Чантурия, д-р техн. наук Т.Н. Матвеева) [3].

Разработана теория и обоснована эффективность процессов селективной дезинтеграции и вскрытия минеральных комплексов благородных металлов при воздействии мощных (высоковольтных) наносекундных электромагнитных импульсов. Установлены основные механизмы воздействия мощными наносекундными электромагнитными импульсами на тонкодисперсные минеральные среды сложного вещественного состава (Научные руководители: академик В.А. Чантурия, д-р техн. наук И.Ж. Бунин) [4].

026d 2a

026d 2b

Рис. 2 РЭМ-фотографии микроструктуры сгущенного продукта электрохимической сепарации (а) и твердой фазы, выделенной из исходной техногенной воды (б)

Впервые на основе изучения структуры (рис. 2) и минерального состава электрохимически модифицированного сапонита – техногенного продукта оборотных вод обогатительного процесса алмазосодержащих кимберлитов научно обоснованы и экспериментально подтверждены эффективные методы получения высококачественных керамических материалов с улучшенными физико-механическими и декоративными характеристиками (рис. 3) и сорбентов тяжелых металлов, характеризующихся высокой емкостью катионного обмена и обеспечивающих очистку техногенных вод от ионов тяжелых металлов до показателей ПДК для рыбохозяйственных водоемов.(ИПКОН РАН, ИППЭС КНЦ РАН, ИХТРЭМС КНЦ РАН).(Научные руководители: акад. В.А. Чантурия, д-р техн. наук В.А. Маслобоев) [5].

Рис. 3 Зависимости предела прочности при сжатии (а) и изгибе (б) керамических материалов (в) из исходного (1) и модифицированного (2) сапонита от температуры обжига

Рис. 3 Зависимости предела прочности при сжатии (а) и изгибе (б) керамических материалов (в) из исходного (1) и модифицированного (2) сапонита от температуры обжига

Рис. 3 Зависимости предела прочности при сжатии (а) и изгибе (б) керамических материалов (в) из исходного (1) и модифицированного (2) сапонита от температуры обжига

Научно и экспериментально обоснован способ повышения контрастности технологических свойств природных алмазов и породообразующих минералов кимберлита, основанный на использовании продукта бездиафрагменного электролиза оборотной воды с целью активации пассивированных кристаллов ценного компонента вследствие деструкции гидрофилизирующих минеральных фаз и подавления породных минералов в результате удаления с их поверхности гидрофобизирующих углеводородных загрязнений техногенного происхождения, что способствует интенсификации ряда процессов первичной переработки алмазосодержащих кимберлитов (рис. 4). (Программа ОНЗ-5 Научный руководитель – акад. В.А. Чантурия) [6].

Рис. 4 Минеральные образования на поверхности алмазных кристаллов: а – на ровной поверхности алмаза; б – на впадинах; в - в трещинах и сколах; г – на ступенях роста кристалла и во впадинах

Рис. 4 Минеральные образования на поверхности алмазных кристаллов: а – на ровной поверхности алмаза; б – на впадинах; в - в трещинах и сколах; г – на ступенях роста кристалла и во впадинах

По направлению разработки геотехнологических процессов

Разработана «Технология по созданию трехмерной численной модели сложных природно-технических объектов на различных стадиях их строительства и эксплуатации», включающая «Технический регламент расчета напряженно-деформированного состояния массива горных пород с помощью численной модели подземного объекта, вмещающих пород, открытых и подземных горных выработок» для работы в программном комплексе ANSYS. Технология предназначена для специалистов, осуществляющих проектирование, строительство и эксплуатацию сложных природно-технических объектов (карьеров, шахт, подземного строительства и т.п.) (рис. 5).

Рис. 5 Фрагмент конечно-элементной сетки в разрезе при моделировании карьера

Рис. 5 Фрагмент конечно-элементной сетки в разрезе при моделировании карьера

Оценена степень естественной дегазации подрабатываемых и надрабатываемых пластов угля с целью обоснования параметров искусственной скважинной дегазации свиты угольных пластов по газовому фактору при ведении высокопроизводительных очистных работ. Разработаны рекомендации по эффективному управлению технологическими процессами газовыделения на выемочных участках средствами скважинной дегазации на расстояниях по нормали до 60 м при подработке и до 35 м – при надработке [7].

По направлению геомеханических исследований

Разработана компьютерная технология моделирования геомеханического состояния подрабатываемой толщи пород при разработке пласта полезного ископаемого, с помощью которой выявлены геомеханические, геотехнологические и гидрогеологические параметры, определяющие возможность возникновения опасных процессов проникновения воды из наземных и подземных источников в горные выработки. По результатам исследований разработаны научные основы мероприятий для уменьшения экологических последствий при разработке пологопадающих пластовых месторождений твердых полезных ископаемых вблизи водных объектов.

Установлены закономерности развития процесса сдвижения и деформаций земной поверхности, горного массива, зданий и сооружений в зоне влияния строительства при освоении подземного пространства.

Разработаны методология и принципы построения систем мониторинга состояния геомеханической системы – земной поверхности, горного массива, подрабатываемых объектов (зданий и сооружений) и строящегося подземного сооружения на основании усовершенствованной методики прогноза изменения ее напряженно-деформированного состояния. Составлена классификация методов геомеханического обеспечения горных работ в сложных условиях.

Обоснованы пути снижения потерь полезных ископаемых при камерных системах разработки.

Разработана и прошла опытно-промышленные испытания «Методика определения природной газоносности угольных пластов».

Внедрена на шахтах АО «Воркутауголь» и АО «СУЭК-Кузбасс » многофункциональная автоматизированная система прогноза и мониторинга геодинамических явлений в углепородном массиве [8].

По направлению экологии горного производства Разработана стратегия управления системой оборота металлоносных вод горных предприятий, обеспечивающая рациональность и комплексность их использования, снижение экологической нагрузки на окружающую среду и включающая: оценку целесообразности вовлечения потока в ресурсосберегающую переработку; априорный выбор метода переработки с селективным извлечением металлов; выбор пространственно-временных участков эффективности стадиальной переработки; формирование потока гидроминерального ресурса; переработку потоков с получением дополнительных продуктов и очищенных до нормативных показателей вод, утилизацию продуктов (рис. 6) [1].

Рис. 6 Стратегия управления системой оборота металлоносных вод горных предприятий

Рис. 6 Стратегия управления системой оборота металлоносных вод горных предприятий

Разработана новая методология количественной оценки динамики состояния окружающей среды в процессе изменения техногенной нагрузки в масштабе реального времени на территориях добычи и переработки минерально-сырьевых ресурсов. В качестве интегрального маркера используется нормализованный вегетационный индекс (NDVI аэрокосмические измерения) и степень фитотоксичности почв (натурные измерения) с контрольными функциями.

Разработан комплекс методик по оценке опасности объектов и технологических процессов горного производства для прилегающих к карьерам территорий, являющихся результатом непосредственного и опосредованного потребления ресурсов атмосферы и почвенного покрова из окружающей среды, позволяющих установить количественные взаимосвязи параметров процессов и объектов с характеристиками атмосферы и выявить направления рационализации параметров с целью снижения опасности [9].

Ключевые слова: ИПКОН РАН, горная наука, создание, становление, история

Журнал "Горная Промышленность" №5 (141) 2018, стр.26