История горного дела. Геометрия недр


А. В. Гальянов





ИСТОРИЯ ГОРНОГО ДЕЛА

ГЕОМЕТРИЯ НЕДР
Монография









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622
ББК 33.12
     Г17

Печатается, по решению редакционно-издательского совета Уральского государственного горного университета




Рецензенты:
член-корреспондент РАН (ИГД УрО РАН) Яковлев В. Л.;
профессор, доктор технических наук (МГГУ) Попов В. Н.;
кандидат технических наук, главный редактор журнала «Маркшейдерия и недропользование» Столчнев В. Г.




     Гальянов, А. В.
Г17 История горного дела. Геометрия недр : монография / А. В. Гальянов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 272 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0924-7

    Рассмотрены естественно-исторические предпосылки возникновения идеи геометрической интерпретации данных геологоразведочных работ в системе пространственных координат. Показана неразрывная связь развития наук о Земле с общим направлением развития фундаментальных знаний об окружающем мире. Выделены этапы становления и промышленного освоения научной дисциплины в горном деле - геометризации месторождений полезных ископаемых. Обозначены ключевые теоретические исследования, составляющие научный фундамент геометрии недр и горногеометрического анализа, а также направления современных исследований в связи с бурным развитием электронновычислительной техники.
    Для широкого круга читателей, интересующихся историей наук о Земле. Может быть полезно студентам и аспирантам, изучающим горное дело.

УДК 622
                                                            ББК33.12






ISBN 978-5-9729-0924-7

    © Гальянов А. В., 2022
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ПРЕДИСЛОВИЕ.....................................................5
1. ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ ОСВОЕНИЯ ВЕРХНИХ СЛОЕВ
ЛИТОСФЕРЫ ЧЕЛОВЕКОМ.............................................9
  1.1. Недра - источник энергетики жизнеобеспечения цивилизации.9
  1.2. Целенаправленный характер освоения недр человеком.......13
  1.3. Зарождение геологических представлений о строении Земли (доХ1Хв.)....................................................17
  1.4. Становление геологии как науки об историческом развитии Земли (Х1Х-ХХ вв.)................................................25
  1.5. Исторические вехи развития горного искусства............36
2. ЕСТЕСТВЕННО-ИСТОРИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ НЕДР...................................63
  2.1. Авангардные идеи естествознания на пороге ХХ века.......63
  2.2. Учение о месторождениях полезных ископаемых на рубеже Х1Х-ХХ веков......................................68
  2.3. Становление маркшейдерии как горной инженерной дисциплины (до середины ХХ века).......................................71
  2.4. Научные основы системы маркшейдерских измерений.........88
  2.5. Формирование теоретических основ оценки точности результатов маркшейдерских измерений...................................104
  2.6. Маркшейдерские задачи нового времени (ХХ в.)...........114
  2.7. Поле как физическая субстанция.........................116
  2.8. Вернадский В. И. - Соболевский П. К. - идея геохимического поля .... 119
  2.9. «Сумасшедшие» идеи ХХ века о генезисе горных пород.....128
  2.10. Учение о способах отработки месторождений полезных ископаемых.................................................133
3. РАЗВИТИЕ ОСНОВ ТЕОРИИ ГЕОХИМИЧЕСКОГО ПОЛЯ..................142
  3.1. Математические действия над поверхностями с числовыми отметками..................................................143
  3.2. Принцип относительности в геометрии недр. Загадочный квадрат.146
  3.3. Оценка точности геометрических построений методом изолиний...151
  3.4. Развитие представлений о геометрической структуре геохимического поля в связи с его геометризацией..........................156
    3.4.1. Освоение вероятностно-статистических методов анализа данных геологоразведочных работ...........................157

3

    3.4.2. Совершенствование способов обработки данных разведки при геометризации сложноструктурных месторождений..........168
    3.4.3. Эвристические подходы к оценке изменчивости показателей геохимического поля........................................171
    3.4.4. Идея случайного геохимического поля.................194
    3.4.5. Анализ структуры анизотропного геохимического поля..195
    3.4.6. Шумовая составляющая в формализованной модели геохимического поля........................................204
    3.4.7. Спектральное разложение динамических рядов..........205
    3.4.8. Характеристика изменчивости показателя геохимического поля........................................210
  3.5. Корреляция поверхностей.................................214
4. ГЕОМЕТРИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ В ГОРНОМ ДЕЛЕ.......................218
  4.1. Исторические предпосылки возникновения идеи геометризации производственных процессов...................................218
  4.2. Особенности геометризации процессов в горном деле.......220
  4.3. Горное предприятие как сложная динамическая система.....222
  4.4. Принцип поточности в динамических системах..............224
  4.5. Связь геометрических характеристик динамических рядов с параметрами его корреляционной функции.....................230
  4.6. Спектральное разложение потока..........................232
  4.7. Материальный баланс - основа организации горного производства.243
  4.8. Технологический резерв как основное условие устойчивого функционирования горного предприятия.........................245
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................249
Список использованных литературных источников..................251
ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ..............................................259

4

                ПРЕДИСЛОВИЕ





                                      Мир идей является своеобразным выражением нужд или тенденций эпох.

                                      Д. Я. Стройк. Краткий очерк истории математики

      Земля, Вода, Огонь и Воздух всегда были объектами восхищения, поклонения и одухотворения с тех самых пор, когда жизненная линия предков современного человека навсегда отделилась от высших приматов. Земля - накормит, Вода - утолит жажду, Огонь - согреет, Воздух наполнит грудь живительным кислородом. Это среда обитания всего живого (Биосфера), энергетическая субстанция жизнеобеспечения. Что еще нужно для того, чтобы чувствовать себя счастливым и ощущать аромат Жизни? Так, видимо, и чувствовал себя человек разумный на заре своего становления. Но проходили тысячелетия, численность популяции росла, адаптируясь к окружающей среде, человек расширял область своего проживания, приобретая знания, сноровку и навыки созидательной деятельности: сучок, палка, камень и огонь, затем каменный топор, молоток и нож стали первыми и потому величайшими изобретениями Человека. Они служили средствами защиты от хищников и посягательств соседних семей.
      Период дикости в истории человечества заканчивается изготовлением и освоением первых орудий труда из камня и палки. Обустройство своего быта подтолкнуло человека к использованию свойств лещадности камня, а необходимость защиты от стихии привела к строительству гротов и пещер. Так началась эпоха освоения верхних слоев литосферы. От тысячелетия к тысячелетию человек расширяет список используемых пород и их свойств, все глубже проникает в недра, создавая все более совершенные способы и средства извлечения минерального сырья. Использование силы одомашненных крупных животных, энергии водных потоков и ветра открыли человеку широкие технические возможности в добывании и использовании богатств доступных глубин недр. Вместе с этим человек развивал способность ориентироваться в пространстве и времени, наблюдая за изменениями окружающего мирка, расширяя его, углубляясь взором в голубую бездну неба и звездную бесконечность. Ориентирование по Солнцу и звездам, оценка расстояния через «время в пути» превратились в опорные знания человека независимо от того, где он проживал, будь то экваториальные широты, средние или северные.


5

     Наряду с изготовлением орудий труда, осознанное восприятие пространства и времени укрепляло положение человека на планете. Горный промысел насыщался способами, средствами и знаниями. Революционным этапом следует считать изобретение приспособлений для «привязки» горных выработок к ситуации на поверхности, что как бы приоткрыло глаза для того, чтобы лучше ориентироваться в кромешной темноте подземелья. От навыков к ремеслу, от ремесла к искусству и от искусства к науке - таков исторический путь, который прошло человечество в развитии своих производительных сил и отношений с недрами. Но только в XX в. были подготовлены объективные предпосылки для того, чтобы накопленные знания о горном производстве позволили сделать качественный скачок в оформлении этих знаний в упорядоченную систему.
     Двадцатый век был революционным в жизни человечества. Наряду с социальными преобразованиями он сопровождался крупными политическими потрясениями, войнами и, конечно, великими научно-техническими достижениями. Все это оказалось возможным благодаря интеллектуальному гению человека, научившегося в борьбе за жизнь покорять недоступные глубины недр и океанов, преодолевшего силы земного притяжения и проникшего в тайны генетического кода. В этом неукротимом стремлении продемонстрировать превосходство рационального знания над стихией человечество пришло в противоречие с требованием сбалансированного общения со средой обитания. Биосфера и Человечество - вот проблема, порожденная эгоизмом Homo Narcissus и переданная по эстафете поколениям третьего тысячелетия.
     Вторая половина XX в. характеризовалась годовым приростом численности населения на Земле около 1,5 %. При сохранении этой тенденции можно ожидать к концу XXI в. увеличение численности людей, живущих на Земле, в 4,4 раза, что оценивается в 25-28 млрд человек, и этот «демографический взрыв» определяет весь комплекс проблем жизнеобеспечения человечества. Совершенно очевидно, что только для поддержания достигнутого уровня энергетического баланса, приходящегося на одного жителя планеты, потребуется увеличить производство топливно-энергетического комплекса пропорционально росту населения, а производственные мощности еще почти вдвое.
     Наступившее третье тысячелетие продолжит тенденции овладения внутренней энергетикой планеты, предложив свои темпы освоения жизнеобеспечивающего пространства, поскольку первоисточником материального и энергетического потенциала человеческого общества были, есть и будут ресурсы Земли. Благоустраивая свой быт, человечество в XXI в. будет представлять для Природы серьезную опасность, ибо, созидая города, покоряя реки и осваивая Космос, оно разрушает Биосферу - неповторимую ауру Жизни. Как и каким путем пойдет развитие человечества, во многом определяется ресурсами недр и техническими средствами, которыми человек пользуется при освоении потребительских свойств и потенциальных возможностей кладовой этих недр. Накопленные знания и новые технические идеи будут стимулировать этот процесс; экологические и социальные проблемы при этом относятся к сдерживающим факторам, не считаться с которыми - значит поставить под угрозу саму Жизнь на планете.

6

     Горная наука - область многоплановых знаний, охватить которые невозможно в рамках одной книги. Сложная и потому достойная задача, которая стоит перед горной наукой - дать аналитический, соответствующий современным научным представлениям обзор исторического развития научных идей в каждой конкретной области горных знаний. Автор взял на себя труд и сделал попытку, заглянув в глубь веков, проследить важнейшие этапы развития представлений о недрах в связи с общим развитием интеллекта человечества. Ибо только на первый взгляд кажется, что изобретения и открытия делаются случайно, неожиданно, как бы невзначай. Научная мысль должна созреть, и созревает она не в одном уме, а в поколении, но лишь немногим удается впитать в себя дух времени, обобщить и четко сформулировать ее.
     Эта книга задумана как аналитический экскурс в историю научной дисциплины в горном деле - «Геометрия недр и горногеометрический анализ». Лейтмотивом книги служит внутренняя связь мировоззренческих представлений в науке как таковой с теоретическими концепциями отдельных наук и научных направлений. Прекрасной иллюстрацией тому служит история маркшейдерского дела и геометрии недр, которые без всякого преувеличения следует отнести к авангардному направлению в системе точных знаний в горной науке.
     Изложение в книге построено таким образом, чтобы читатель мог проследить общий ход развития горного дела от промысла до науки, но только как одного из направлений в общей системе знаний, и потому непосредственно связанного с уровнем развития точных наук, техники и потребностей человечества. Открытия всякого рода мы связываем не только и не столько с именем их авторов, которым наука воздает дань первооткрывателей, а Человечество - свою благодарность гению или презрение «злому гению», сколько с запросами и потребностями времени, имея в виду общий интеллектуальный потенциал общества и развития производительных сил.
     Маркшейдерское дело возникло и развивалось в полном согласии с потребностями горняков и недропользователей, с развитием геометрии, физики, астрономии и геодезии. Геометрия недр могла возникнуть только в XX в. и только на базе геологических знаний, теоретической физики, маркшейдерского искусства и топографии. Наконец, горногеометрический анализ мы рассматриваем как диалектическое развитие методов геометрии недр в новых исторических условиях развития горного дела и горной науки, которые со всей отчетливостью проявились к середине XX в. в связи с бурным развитием горнодобывающих отраслей промышленности.
     Не претендуя на исчерпывающую полноту охвата материала, автор все же рассчитывает на то, что его концепция и оценки представят интерес для широкого круга читателей, привлекут внимание специалистов и, может быть, кого-то подтолкнут на отчаянную попытку предложить свое видение вопроса.
     В заключение автор выражает свою признательность и благодарность чл.-корр. РАН проф. д-ру техн. наук Виктору Леонтьевичу Яковлеву, с которым автора связывает многолетняя работа в ИГД УрО РАН и который оказал определенное влияние на формирование концепции рационального освоения недр

7

в современных исторических условиях. Познакомившись в рукописном виде с книгой, он сделал целый ряд замечаний, которые позволили улучшить представление материала. Также автор выражает свою благодарность проф. д-ру техн. наук Виктору Александровичу Гордееву, поддержку которого автор испытывал во все время работы над книгой. Его знакомство с работой «предвзято по-товарищески» позволило избежать целого ряда неточностей и своевременным их исправлением. Автор благодарит Н. А. Барабошкину и Ж. И. Пионтик за техническую помощь в подготовке рукописи.

8

                1. ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ ОСВОЕНИЯ ВЕРХНИХ СЛОЕВ ЛИТОСФЕРЫ
                ЧЕЛОВЕКОМ




                        ...великие выгоды и удобства приобретаются при добыче ископаемых веществ. Разумеется, мы были бы лишены этих выгод и удобств, если бы не было изобретено людьми горное искусство, совершенно необходимое для рода человеческого. Горное дело приумножает достаток честными и достойными способами. А вот добыча человека, промышляющего войной, по большей части нечестива, ибо военная ярость разграбляет и духовные, и светские имущества.

                        Г. Агрикола. О горном деле и металлургии, кн. 1.



            1.1. Недра - источник энергетики жизнеобеспечения цивилизации


     Род Ното начинает свою историю с того самого периода, когда один из видов приматов в силу исторической необходимости приобрел осанку человека прямоходящего (homo erectus), что и обеспечило ему прогрессивный и динамичный характер последующего развития. Он научился бегать, держать палку в руке, целенаправленно использовать этот первый инструмент - приспособление, совершенствуя его форму и функциональное назначение. Силы челюстей и зубов не хватало ему для разделки туш животных и придания необходимой формы палке. Нужен был предмет крепкий, удобный для держания в руке и одновременно достаточно весомый для разбиения костей. Произошло первое знакомство человека с осколками горных пород и их осознанное применение, при

9

дание им нужной формы. Зарождение признаков активной формы приспособления к окружающей среде окончательно разделило исторические судьбы приматов и рода Homo: homo habilis (человек умелый) приспосабливался и осваивал окружающий мир, совершенствуя приобретенные навыки и развивая образное мышление; homo sapiens (человек разумный) путем проб и ошибок пришел к выводу о том, что далеко не всегда в обломках камней можно найти именно тот, который бы отвечал нужным качествам: был бы заостренным, округлым, тяжелым, крепким. Он открыл для себя речную гальку, обратил внимание на свойства кремня, кварцитов, доломита и нашел их вполне подходящими для использования. Правда, для этого над обломком необходимо было поработать, убрать лишнее, найти плоскость скола.
     Наиболее примитивные каменные орудия изготавливались при помощи немногих ударов камня о камень. Их появление связывается с развитием охоты, поскольку они служили и орудием, и инструментом разделки. Галька кварцевой или кварцитовой породы затесывалась на конце с одной стороны (чопперы) или, значительно реже, с двух сторон (чоппинги). В результате получался сечковидный рубящий инструмент. Чопперы и чоппинги дали начало рубилам, скребкам, остроконечникам, ножам, изготовленным из крупных пластин, приколкам, отбойникам, нуклеусам (заготовки более мелких инструментов). Совершенствование, которое претерпевает камень в руках человека, говорит о непрестанном усилии его труда и мысли, которые, подчиняясь логике любопытства, удивления и полезности, привели к открытию охры, уже homo habilis умел находить и использовать минерал, воссоздающий краски живой природы. Далеко не всегда сырье для изготовления орудий и приспособлений находилось под руками. Археологами обнаружены стойбища homo, расположенные за 3-20 километров от мест собирания каменного материала. Развивая способность к созиданию и изготовлению орудий труда, отличающихся от заостренных палок или острых камней, которые лежат под рукой в готовом виде, жизнь человека умелого стала стартовой площадкой на пути к активному взаимодействию с литосферой планеты как источником жизнеобеспечения, жизнедеятельности - колыбели Жизни.
     Что заставило наших предков жить именно так, а не как все приматы? Сегодняшний уровень знаний отводит важное место калорийности пищи и необходимому ее количеству для сохранения и воспроизводства жизни. Переход на прямое хождение деформировал у человека многие звериные качества: обоняние и слух значительно снизились; напротив, зрение приобрело объемный стереоэффект и колерантность (способность различать цветовую гамму); он потерял в скорости, ловкости и силе движения, но все это компенсировалось развитием мозга, мышления, сознания, хитрости (обмана), стадность дала начало социальной форме общего проживания, созидания, производства.
     Изменялось функционирование всех внутренних органов, произошли генетические и морфологические изменения в организме, развивалась потребность в разнообразной диете, оседлом образе жизни, в общении и передаче информации голосом, гримасой, жестами. Для поддержания жизни требовалось уже более 50 калорий на 1 кг веса. Род homo вступил в неравную бескомпромиссную конкурентную борьбу со всем живым миром, за «место под солнцем».

10

Первый исторический этап становления homo - этап потребительский. Подобно всем окружающим живым существам он довольствовался сначала тем, что давала ему окружающая среда. Чистая пресная вода подземных ключей, горных ручьев, рек и водопадов снабжала организм солями, содействовала выработке защитных иммунитетов. Коллективные, но по существу хищнические повадки охоты на крупного зверя, и даже примитивные каменные орудия уже не могли удовлетворить естественные потребности жизнеобеспечения развивающейся видовой популяции. Человек вынужден был открывать и осваивать новые источники поддержания жизни. Наиболее острыми и жизненно важными проблемами стали удовлетворение потребностей в продуктах питания, источниках тепла, энергии и минеральном сырье.
     Добывание и сохранение пищи - две основные проблемы, которые решал первобытный человек. Они стимулировали развитие мышления, решение их увенчано великими открытиями и изобретениями. Через освоение палки как орудия труда и защиты, человек осваивает заостренный камень и «покоряет» огонь. С тех пор становление человечества и развитие производительных сил планеты неразрывно связаны с освоением минерально-сырьевых ресурсов литосферы Земли. Борьба со стихией за выживание, совершенствование приемов охоты и рыбной ловли привели человека к окультуриванию злаковых растений и приручению диких животных. Поиск соли, ее добывание и производство, совершенствование орудий труда, открытие свойств металлов и их производство, добыча строительного камня были предопределены действием главного закона жизни - борьбой за существование. И каждый исторический этап знаменуется определенной победой Разума над Стихией, отражая гигантскую работу мозга в поиске путей поддержания все возрастающей энергетики жизни.
     Возникновение самых первых и потому примитивных с позиций современных знаний элементов добычи и обработки полезных ископаемых целиком связано с древнейшими этапами исторического развития человека. Человек в этот период мало чем отличался от животного, и только переход на преимущественное потребление вареной пищи не просто разделил исторические судьбы человека и животного, а навсегда связал жизнь человека, как явления космологического, с освоением недр планеты.
     Рост численности популяции, повышение потребности в продуктах питания расширяли границы освоения жизненного пространства. Целенаправленное собирание, отбор и откапывание являют собой первый этап освоения литосферы. Возросшие потребности приводили к росту роли каменных орудий труда и предметов быта. Крупнейшим завоеванием культуры периода первобытнообщинного строя стало освоение минералов и угля. Горное дело как самостоятельная область ремесла формировалась и развивалась, удовлетворяя потребности общества в металле, стимулируя развитие других ремесел. Уже в античный период человечество широко использовало свойства 18 химических элементов и их соединений, в том числе Au, Ag, Fe, Си, Zn, Sn, S, Na, Cl, N, O, Hg и др.
     На смену античному периоду пришло средневековье - период зарождения и становления мануфактурного способа производства. Новая форма организации производства сопровождалась развитием ремесел, увеличением товарооборота

11

и потребностей в металлопродукции. Горное производство, как сфера профессиональной производственной деятельности, приобрело определенную автономность. Немаловажным фактором, стимулирующим развитие горного производства, по-прежнему были многочисленные военные столкновения между формирующимися государствами. Общий интеллектуальный уровень производственной сферы деятельности человека связывается с совершенствованием техники владения рычагом, клином, наклонной плоскостью, винтом, воротом, колесом, полиспастом. В полной мере оформились открытый и подземный способы добывания полезных ископаемых: карьер Канимансур имел длину 350 м и ширину 25 м, штольня в Бабакане была длиной 150 м, выработки в Такели достигали 120-150 м глубины. Потребность в пищевой соли удовлетворялась не только отработкой естественных природных месторождений, но и вываркой соли из морской воды, подземных вод, добычей каменной соли. И хотя сохранялись ручной способ и первобытные приемы работы, этот период знаменовал собой новый этап во взаимоотношениях человека с окружающим миром. Уже древние греки и римляне освоили Средиземное море. Славянские племена осваивали побережье Черного моря, варвары - побережье европейского континента. Мануфактурные производства использовали энергию речных потоков. Четко определилось разделение труда в рудокопном производстве: копачи, дымари (дымники), кузнецы.
     В целом рассматриваемый период в большей степени характеризуется развитием и совершенствованием технологий добычи и переработки сырья и в несколько меньшей - расширением сведений о потребительских свойствах недр.
     Целый ряд благоприятных обстоятельств способствовал прорыву человечества в мир переосмысления своего места на земле и предназначения в эпоху Возрождения. Строительство городов-крепостей, развитие кораблестроения и освоение морских пространств, новый, более совершенный инструментарий для физических и астрономических наблюдений, увеличение общих объемов добычи и переработки полезных ископаемых и строительного камня - все это подталкивало общественное сознание к необходимости расширения сферы интересов в освоении новых пространств и глубин недр.
     К концу XX в. общий годовой объем горной массы, добываемой на планете, перешагнул уровень 30 млрд т. Уникальная горная техника позволяет интенсивно отрабатывать как глубокозалегающие залежи, так и маломощные пласты. Регулирующими критериями являются экономические показатели. Двадцатый век продемонстрировал большие возможности человеческого разума в освоении окружающего мира. Экологическая и демографическая ситуация на планете приближаются к критической черте, энергия расщепленного атома то тут, то там выходит из-под контроля управляющих систем [38].
     Наступивший XXI век - век компьютерных технологий управления производственными процессами, это век электроники и телемеханики, синтеза атома. Человечество одновременно углубится в недра, космос, атом и ДНК. И, как в весь предшествующий исторический период развития, единственным и надежным источником энергии будет освоенное пространство литосферы. XX в. передал на баланс XXI в. металлический фонд общественного производства планеты

12