автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Влияние внеземных условий на горные технологии для тел солнечной системы

С:

СО

О.

!_

На правах рукописи

НАГОВИЦЫН Олег Владимирович

ВЛИЯНИЕ ВНЕЗЕМНЫХ УСЛОВИЙ НА ГОРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ (на примере Луны)

Специальность 05.15.11 - "Физические процессы

горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Апатиты - 1995

Работа выполнена в Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук.

Научные руководители - чл.-корр. РАИ, профессор,

доктор технических наук Мельников H.H.

кандидат технических наук, с.н.с. Решетняк С.П.

Официальные оппоненты - профессор, доктор технических на}

Алимов О.Д.

доктор технических наук Епимахов Ю.А.

Ведущая организация - Институт Геохимии и аналитическо£

химии РАН им В.И.Вернадского

Защита состоится декабря 1995 г.

в "ЗС" часов мин. на заседании специализированно

совета К.003.79.01 в Горном институте Кольского научно центра Российской академии наук

по адресу: 184200, г.Апатиты Мурманской обл., ул. Ферсмана, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института КНЦ РАН.

Автореферат разослан "_£/' ноября 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Чуркин О.]

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуалъность работы. В Российской Федерации (РФ) исследование и использование космического пространства, включая Луну и другие тела Солнечной системы (ТСС), является одним из важнейших направлений деятельности в интересах граждан, общества и государства. В принятом 20 августа 1993 г. Законе РФ "О космической деятельности", "...под космической деятельностью понимается любая деятельность, связанная с непосредственным проведением работ по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела". С целью сохранения интеллектуального, экономического и оборонного потенциала космической науки н промышленности 27 апреля 19 93 г. было принято Постановление Верховного Совета РФ "О мерах по стабилизации положения в космической науке и промышленности". В Постановлении указывается на необходимость разработки программы структурных преобразований в космической науке, изыскания и концентрации финансовых средств в целях стимулирования научно-исследовательских работ поискового характера.

В связи с вышеизложенным видится особая актуальность развития наук, связанных с использованием ресурсов внеземной среды, ресурсов космических тел. Актуальность исследований, проводимых в этой сфере, подтверждается неослабным интересом и многочисленными проектами освоения внеземных (лунных, в первую очередь) минеральных ресурсов. Началом научного поиска в данном направлении следует считать работы К.Э.Циолковского, который в своем знаменитом плане завоевания мировых пространств наметил и выделил этапы освоения и использования материалов космических тел для создания поселений вокруг Солнца.

Целъ исследований - найти или создать концептуальные способы ведения горных и земляных строительных работ во внеземных условиях.

Идея работы состоит в использовании условий природной среды при создании перспективных, технически осуществимых технологий ведения горных работ вне Земли.

Цель исследований с помощью идеи достигается посредством решения следующих задач:

1. Анализ природных условий на поверхности тел Сол нечной системы с точки зрения особенностей ведения горны работ на них.

2. Анализ горных технологических процессов с точк зрения применения их вне Земли.

3. Разработка концептуальных горных технологий дл строительства баз и добычи полезных ископаемых на Луне.

Научные положения, защищаемые в работе:

1. При строительстве и освоении минеральных ресурсо на Луне преобладающим будет применение открытого способ

2. Производительность основного горного оборудовани в условиях Луны будет изменяться прямо пропорциональн уменьшению силы тяжести для буровых станков - линейна зависимость и для экскаваторов - криволинейная зависимостЕ и обратно пропорционально - для транспортирующих средств.

3. Рабочие процессы горных машин для работы в уело виях с силой тяжести, значительно меньше земной, должн быть основаны на принципе замыкания рабочих усилий чере обрабатываемый массив.

Научная новизна работы состоит в установлении харак тера влияния природных условий Луны и других тел Солнеч ной системы на ведение открытых горных работ, и исследо вания на уровне концепции процессов и способов ведени горных работ, учитывающих и использующих необычные при: родные условия космических тел.

Достоверность и обоснованность научных положений выводов-,' сформулированных в диссертации, подтверждаете использованием современных методов научных исследований математического моделирования процессов влияния внеземнь природных условий на технологические процессы горног производства и основана на:

- детальном анализе природных факторов, влияющих ь производство горных работ во внеземных условиях;

- учете применимости тех или иных процессов горног производства в различных природных внеземных условиях;

- фундаментальных законах механики и физики, на коте рых основаны предлагаемые технические решения;

- учета опыта применения некоторых машин и аппарате во время советских и американских лунных экспедиций.

на первых этапах

Апробация на конференциях, симпозиумах, и публикация основных результатов исследований подтверждают обоснованность и достоверность основных положений диссертации.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные способы реализации основных процессов горного производства вне Земли помогут в создании перспективных технологий строительства лунных баз и освоения минеральных ресурсов тел Солнечной системы.

Методы исследования: анализ, обобщение, математическое моделирование, общефизические и инженерные расчетные, т.е. аналитические методы.

Апробация работа. Основные положения работы докладывались на Международном совещании "Комплексная разработка рудных месторождений мощными глубокими карьерами", г. Апатиты, 1993г; Международной конференции по открытым горным, земляным и дорожным работам, Москва, 1994г.; Международном симпозиуме по механизации и автоматизации горных работ, г. Голден, Колорадо, США, 1995г.; 22-м Международном микросимпозиуме по планетологии, Москва, 1995г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 54 наименований, представлена на 157 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц и 37 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Подавляющее большинство проектов и футуристических проработок освоения планет и их спутников рассматривало Луну как первый и основной форпост человечества в космосе, имеющий развитые энергетическую, строительную и промышленную базы для обеспечения собственных нужд и для поддержки полетов к другим телам Солнечной системы. Общетехнические описания лунных баз стали появляться с 1946 г. Однако применение горных технологий требует достаточно конкретных знаний о предмете разработки и условиях природной среды в районе работ, поэтому говорить о добыче полезных ископаемых на Луне стало возможным лишь после выполнения программ исследований экспедициями "Луна", "Surveyor", "Apollo".

Результаты исследований лунных природных условий и свойств реголита изложены в трудах таких ученых, как

A.Т.Базилевский, М.Я.Маров, В.В.Ржевский, К.П.Флоренский И.И.Черкасов, В.В.Шварев, В.В.Шевченко и др., прогнозны технологии освоения ресурсов тел Солнечной системы описа ны в трудах отечественных и зарубежных исследователей

B.П.Бармина, И.В.Бармина, А.Т.Улубекова, R.Miller, E.Pod nieks, W.Sharp, S.Zaburunov, результаты создания механиз мов для внеземных условий опубликованны О.Д.Алимовым И.С.Болховитиновым, В.В.Громовым и др.

Следует отметить, что практически все источники касающиеся горных проблем для внеземных условий, как пра вило, рассматривают ресурсы тел Солнечной системы, в многих из них указывается на сложные, необычные услови для ведения горных работ, но предлагают достаточно мал технических решений. В целом, есть очень немного горны технологических разработок и почти совсем нет разработок использующих в своих рабочих процессах особенности вне земных природных условий. Наиболее детально разработана Висконсинском университете США технология ведения горны работ для добычи гелия-3 (3Не) для энергетических целе из поверхностных слоев реголита Луны,. В России наиболе глубоко проработаны вопросы создания бурового оборудова ния для разведки верхних слоев реголита Луны - для авто матических станций "Луна - 16, 20, 24", транспортны средств для Луны - "Луноход - 1, 2" и планирующейся марсианскс экспедиции.

В настоящей работе рассматриваются различные аспект ведения открытых горных работ вне Земли в целях строи тельства и добычи полезных ископаемых. Применение подзем ных способов ведения горных работ потребует значительны затрат на доставку с Земли таких обязательных компонен тов, как оборудование для буро-взрывных работ, запасо взрывчатых материалов, оборудования для проходки подзем ных выработок и их возможного крепления, и пр. В связи этим на начальных этапах освоения внеземных ресурсо доминирующими будут горные работы на поверхности те Солнечной системы.

УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОИЗВОДСТВО ГОРНЫХ РАБОТ ВО ВНЕЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

В ходе исследований были рассмотрены условия окру жакнцей среды тел Солнечной системы, которые могут оказат злияние на процессы горных работ:

1. Сила тяжести. Изменение значения ускорения свободного падения (д) может повлечь за собой следующее: изменение соотношения массы тары и полезной нагрузки на транспорте, изменение соотношения режущих усилий на рабочем инструменте и массы машины (экскаваторы, скреперы, буровые станки и т.д.), изменение баллистических параметров разлета кусков пород при взрыве и траекторий движения свободно выбрасываемого минерального потока. Изменятся и параметры гравитационных методов обогащения полезных ископаемых. Изменение соотношения сил гравитации и сил внутреннего сцепления породных частиц приведет к изменению параметров искусственно формируемых массивов.

2. Температура на поверхности. Это условие ограничивает область применения тех или иных конструкционных материалов. Причем, как нижний -230°С (Плутон-Харон), так и верхний +4 80°С (Меркурий, Венера) уровни температур не являются приемлемыми для земной техники, только на Марсе с его средней температурой -23°С могут найти применение обычные "земные" материалы. Во всех остальных случаях потребуется как использование термически стойких в широком диапазоне температур материалов, так и осуществление терморегуляционных мероприятий.

3. Атмосфера. Можно выделить несколько моментов, определяющих влияние атмосферы:

- атмосфера является источником газов и, совместно с магнитным полем, защищает поверхность планет от проникновения высокоэнергетичных потоков космических лучей, ультрафиолетового и жесткого излучений Солнца;

- отсутствие атмосферы, пригодной для дыхания, вынуждает создавать искусственную атмосферу в местах жизнедеятельности человека;

- отсутствие атмосферы вызывает дегазацию металлов и синтетических полимерных материалов конструкций машин и сооружений, что приводит к снижению их прочностных характеристик, исключает возможность применения привычных источников энергии таких, как двигатели внутреннего сгорания;

- наличие атмосферы с агрессивными компонентами может вызвать повышенный коррозионный износ конструкционных материалов горных машин.

Транспортно-энергетические условия показывают, что возможность утилизации ресурсов того или иного тела Солнечной системы в наибольшей степени зависит от его удаленности от Земли. Стоимость доставки 1 кг массы полезно-

го груза на низкую земную орбиту составляет около 4 50 долл. Стоимость доставки грузов к планетам увеличится н порядки. Из этого следует:

1. Развертываемые на телах Солнечной системы элемен ты технологий, в т.ч. и горных, должны иметь минимальны вес и габариты.

2. Освоение космического пространства начнется ближайших космических тел.

3. Местное сырье должно использоваться в максималь ной степени, что обусловливает применение технологий ис пользования, добычи и переработки полезных ископаемых возможных строительных материалов.

Условие близости тел Солнечной системы к Земле явля ется наиболее значимым фактором для последовательност освоения тел Солнечной системы. Если не принимать во вни мание доставляемые с Земли источники энергии (ядерные химические), то наибольшее влияние на обеспеченност энергетическими ресурсами оказывает удаленность космиче ских тел от Солнца. Источником энергии может служить кинетическая энергия газовых потоков в атмосферах те Солнечной системы. Еще один значительный источник энерги - разность температур, обеспеченная внутренним теплом те Солнечной системы, нагревом их поверхности Солнцем и рав новесными температурами поверхностных слоев коры космиче ских тел.

Предложена классификация тел Солнечной системы п подобию условий ведения горных работ на них. Она основан на следующей схеме:

1. Тела Солнечной системы упорядочиваются по величк не силы тяжести;

2. Тела Солнечной системы объединяются в группы п близким значениям д;

3. Выделяются тела Солнечной системы с газовой оболочкой;

4. В особый класс выделяются тела Солнечной систе*< с массивной атмосферой (планеты - газовые Гиганты).

Следуя этой схеме, получим распределение тел Сот нечной системы на группы, показанное в табл.1.

АНАЛИЗ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ ЛУНЫ

Поскольку Луна будет являться первым форпостом челе вечества вне Земли, более подробно были рассмотрены прг родные условия ее поверхности. Были выделены следующ! особенности природной среды Луны:

1. Резкие и глубокие перепады температуры на поверэ ности Луны могут быть использованы для разрушения горных пород.

Таблица 1

Распределение тел Солнечной системы на группы по подобию _условий ведения горных работ на них_

Группа Название Характеристика Ускорение силы Состав

тяжести, м/с2 атмосферы

Юпитер планета 25.87 Н, Не

I Нептун планета 11.56 Не,метан

Уран планета 11.47 Не,метан

Сатурн планета 11 .27 Н, Не

Земля планета 9.81 N,0

Венера планета 8.62 со2

II Меркурий планета 3.72 нет

Марс планета 3.63 С02,АГ

Тритон сп.Нептуна 2.83 N,метан

Ио сп.Юпитера 1.81 нет

Луна сп.Земли 1.62 нет

III Ганимед сп.Юпитера 1.43 нет I

Титан сп.Сатурна 1.35 метан,аммиак,N

Европа сп.Юпитера 1.30 нет

Каллисто сп.Юпитера 1.25 нет

Плутон планета 0.53 нет

Титания сп.Урана 0.38 нет

Оберон сп.Урана 0.34 нет

Рея сп.Сатурна 0.28 нет

Ариэль сп.Урана 0.26 нет

IV Умбриэль сп.Урана 0.24 нет |

Япет сп.Сатурна 0.24 нет

Диона сп.Сатурна 0.22 нет

Харон сп.Плутона 0.21 нет

Тефия сп.Сатурна 0.18 нет

Амальтея сп.Юпитера 0.13 нет

Энцелад сп.Сатурна 0. 085 нет

Мима с сп.Сатурна 0.065 нет

V Гамалия сп.Юпитера 0.047 нет

Адрастея сп.Юпитера 0. 040 нет

Элара сп.Юпитера 0.024 нет

Теба сп.Юпитера 0.015 нет

Метида сп.Юпитера 0.0095 нет

Нереида сп.Нептуна 0.0086 нет

Фобос сп.Марса 0.0068 нет

Синопе сп.Юпитера 0.0032 нет

VI Пасифея сп.Юпитера 0.0031 нет

Деймос сп.Марса 0.0030 нет

Карме сп.Юпитера 0.0026 нет

Ананке сп.Юпитера 0.0023 нет

VII Писитея сп.Юпитера 0.0013 нет

Леда сп.Юпитера 0.0010 нет

2. Существующая на поверхности Луны радиационная метеоритная опасности предопределяют использовани средств ведения грунтовых работ для постройки, в перву очередь, засыпных сооружений.

3. Свойства лунного грунта предопределяют характе процессов бурения и экскавации:

- различие по плотности верхних слоев реголита;

- действие межмолекулярных сил сцепления между час тичками реголита;

- увеличение сцепления и угла внутреннего трения пр уплотнении реголита.

На основании анализа экзогенных процессов на Луне выделены месторождения в слое реголита, различающиеся п генезису и типам полезного ископаемого:

- месторождения, связанные с выбросом коренных поре из воронки метеоритного кратера;

- месторождения, образованные за счет измельчени коренных пород;

- месторождения - поверхностный слой реголита, обе гащенный изотопом 3Не.

Реголит - основной строительный материал, сырьева база для получения 3Не, его основные породообразующи минералы - пироксен, плагиоклаз и ильменит, будут источш ками кислорода и воды, а также железа, титана и других металлов.

АНАЛИЗ ГОРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Переходя к анализу земных технологических процессов следует заметить, что основным фактором, влияющим на из менение характеристик технологических процессов, являете сила тяжести. Для анализа были приняты в рассмотрение та называемые гипотетические машины, т.е. машины, которые N переносим с одного ТСС на другое без изменения их конст рукций, которое могло быть необходимо для учета всег многообразия условий окружающей среды различных плане! спутников и астероидов. Проанализировав влияние величин силы тяжести на такие типичные для открытых горных рабе процессы, как бурение взрывных скважин, экскавация транспортирование горных пород, можно заключить, 41 влияние уменьшенной величины силы тяжести, по сравнению земной, на эти процессы проявляется так: для эффективне работы бурового оборудования и экскавационных машк

необходимо увеличение массы механизмов, а для автотранспорта возможно увеличение массы груза (рис.1):

1. В условиях Луны буровой станок с определенными технологическими характеристиками (диаметр скважины, скорость бурения в различных породах), подобными земному аналогу, должен иметь массу большую в 6 раз, либо при той же массе станка, необходимо будет пропорционально уменьшить диаметр скважины и, при том же удельном осевом уси-пии, бурить все же с меньшей скоростью - большее количество взрывных скважин. Уменьшение силы тяжести отрицательно сказывается на всех технологических характеристиках процесса бурения, степень ухудшения пропорциональна уменьшению величины силы тяжести.

2. Для экскавации в процессе копания участвуют силы, как зависящие от силы тяжести, так и не зависящие от нее, поэтому влияние силы тяжести не имеет однозначно опреде-ияющего характера. Например, для условий Луны (и гипотетического экскаватора) может произойти уменьшение максимального усилия копания в 3,5 раза, но не в б раз (рис.1). В той же степени следует ожидать ухудшения производительности экскаватора и сужения диапазона катего-эийности пород, доступных для отработки. Уменьшение силы тяжести отрицательно сказывается на технологических характеристиках процесса экскавации, но характер этого злияния не является прямо пропорциональной зависимостью.

3. Изменение величины силы тяжести влечет за собой вменение соотношения между массой груза и массой средств колесного транспорта, ведь почти все силы сопротивления движению транспортного средства зависят от его веса. Поэтому для гипотетического транспортного средства в усло-зиях Луны масса перевозимого груза увеличится в 10 раз, 1ри этом следует ожидать увеличения производительности в

9 раз (рис.1). Меньшая сила тяжести оказывает толожительное влияние на работу транспорта, и технологи-юские показатели процесса транспортирования улучшаются золее круто, чем уменьшается сила тяжести.

Несмотря на то, что уменьшение величины силы тяжести ?олжно приводить к уменьшению энергоемкости процессов тарных работ, связанных с подъемом и перемещением горных юрод, а, так или иначе, это присутствует во всех процес-:ах, можно отметить, что улучшение характеристик процесса 1роисходит только для транспортирования.

ЭКСКАВАЦИЯ

ш,ТН,а"

*!•» НИ t4.ll tt.ll ID.lt III III М»

г." ш

-i.il

К

и

д»

и м

М 13.1

О,. М/С

ТРАНСПОРТ

Рнс.1. Влияние величины силы тяжести на основные горно-технс логические процессы: тг - масса бурстанка, экскаватора; С3 - ве бурставка на Земле; Р0в - величина максимального осевого усилн» 9т» 9 - ускорение свободного падения на космическом теле и на Зе* ле; РР - сипа сопротивления внедрению передней грани рабочего оргг на в породу; Рт- сила сопротивления трению рабочего органа о поре ду; Рп - сила сопротивления от перемещения породы вдоль или попер< грани рабочего органа и от перемещения призмы волочения; К1 - кс эф.пропорциональности между весом экскаватора и суммарным сопрс тивлением копанию на ковше (Р0) ; тГт - масса груженого автомобил) К^ - коэф. грузоподъемности; штс - масса тары; X - часть массы гр; за, появляющаяся за счет изменения веса тары; тгд- изменение мас< груза при его постоянном весе

Ответ в том, что с уменьшением силы тяжести происходит ухудшение условий применения традиционных способов передачи энергии от рабочего органа для разрушения (бурение) и обработки (экскавация) горных пород. Для этих процессов характерно использование веса машины ила ее отдельных частей в процессе передачи энергии от рабочего оборудования к породе. Однако, этот принцип в условиях с малой силой тяжести не эффективен.

Следовательно, необходима разработка концептуальных средств ведения горных работ в условиях малой силы тяжести, основанных на использовании принципа замыкания рабочих усилий в механизмах горных машин через обрабатываемую среду, приспособленных к природным условиям различных тел Солнечной системы и использующих их.

ГОРНЫЕ РАБОТЫ ВО ВНЕЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

На основании проведенных исследований внеземных природных условий и земных технологических процессов предложены концептуальные способы ведения горных и земляных работ для условий Луны.

Предлагаются три пути создания необходимого осевого давления при бурении взрывных скважин на космических телах с малой силой тяжести:

1. Увеличить массу станка, использовав пригруз из металла или горных пород.

2. Создавать искусственное пригружающее усилие - например, напряженными канатами, притягивающими станок к анкерам на поверхности (рис.2,а).

3. Использовать силы трения в начальном участке пробуренной скважины (рис.2,в,г).

Для экскавационных работ в условиях с пониженной силой тяжести необходимо использовать механизмы, основанные на использовании замыкания рабочих усилий через отрабатываемый массив. Гак экскаватор обратная лопата должен быть оснащен активным бульдозерным отвалом - упираясь и частично внедряясь в развал взорванной породы, он будет увеличивать усилие копания на ковше при черпании пород выше уровня стояния экскаватора. Следует придать отвалу большую управляемость, он должен не только подниматься и опускаться, но и внедряться в развал, создавать напорное усилие, противоположное по направлению напорному усилию на зубьях ковша (рис.3,а).

Экскаваторы прямая лопата, должны быть оснащены вспомогательным ковшом или скребком, который поможет загрузке основного ковша за счет сгребания породы из развала (рис.3,а).

Наличие плотного (1.36 кВт/м2) и постоянного в течении лунного дня потока солнечной энергии позволяет использовать его в процессах бурения (рис 2,6) и экскавацш (рис.3,6) - концентрация излучения Солнца с 1 м2 нг "зайчике" площадью 1 см2 создаст 200...1000 Вт/см2, чтс достаточно для термического разрушения многих пород. Пр1 площади концентрации 2...70 м2 (плотность потока излучениз 1.5103___105 Вт/см2) горные породы будут плавиться и испаряться.

В условиях пониженной силы тяжести и отсутствия атмосферы для транспортирования грунтов пригодны машины, использующие принцип метания, т.е. придание ускорения телу и выброс его под некоторым углом к поверхности. Пород; летит по баллистической траектории, преодолевая значительное расстояние, реактивные моменты, действующие нг машину, будут погашены через лунную поверхность. Отрицательным моментом применения таких способов в условиях Луны явится повышенное пылеобразование в зоне ведения горных работ и в зоне падения транспортируемого грунта. Несмотря на то, что отсутствующая атмосфера не будет поддерживать пыль на весу, пылевая завеса всегда будет пополняться новыми порциями прибывающего материала.

Катапультирующие метатели относятся к машинам цикличного действия, и применять их также целесообразно с экскаваторами и сборочным транспортом цикличного типа.

Метатели центробежного типа будут представлять собо! автономные агрегаты, производящие экскавацию грунта и выброс его к месту назначения, а также стационарные или полустационарные установки, осуществляющие только транспортирование горной массы. С помощью экскавационно-транслор-тирующих метателей можно производить как строительство -рытье траншей и котлованов, создание слоя засыпки дл.! подповерхностных помещений, так и вскрышные и отвальньк работы на открытых разработках <рис-3,в).

Предложены технологические схемы разработки предполагаемых месторождений на Луне:

Технологические схемы отработки поверхностных месторождений. Из процесса добычи исключается процесс подготовки, т.е. бурения и взрывания пород.

• • * * ( ^ \ ' * * * ' • •• . • • _

Рис.2. Бурение взрывных скважин на Луне; а - создание осевого усилия напряженными канатами: 1 - анкера; 2 - бурстанок; 3 - напряженные канаты; б - бурение концентрированной солнечной энергией; в, г - использование сил трения в начальном участке скважины для создания осевого усилия: 1 - буровой став; 2 -расклинивающий механизм; 3 - башмаки распора; 4 - стрела; 5 - часть привода хода станка; Ь - глубина скважины, пробуренной с осевым давлением, обеспеченным только весом станка

Рис. 3. Экскавация (а, б) и транспортирование горных пор метателями (в) в условиях Луны

Рис. 4. Схема отработки поверхностного месторождения

Отработка (рис.4) ведется на участке поверхности, разделенном на сектора (2) примерно одинаковой площади.

)(■-------На каждом секторе

работает одна ре-голитособирагащая и перерабатывакь-щая машина (4). Назначается порядок отработки сектора. Реголи-тособирающая машина, передвигаясь по сектору согласно порядку отработки (1), собирает слой реголита, перерабатывает его, выделяя нужный компонент (обогащает), и помещает концешрат в контейнер. По мере наполнения контейнера он заменяется на порожний в месте перегрузки (3).

Технология разработки месторождений в толще реголита. Предлагаются две технологии отработки подобных месторождений:

1. Эта технология похожа на земные транспортные системы отработки. Выделяются зоны работы экскавирующих машин, таких как роторные экскаваторы, машины типа земных погрузчиков и т.д. Погрузка реголита производится в транспортные машины, возможно применение и механизмов, аналогичных конвейерному земному транспорту.

2. Следующая технология основана на применении экскавирующих механизмов типа канатных скреперов (рис.5). Разгрузка реголита из ковша производится в транспортное средство, в бункер конвейера или перерабатывающей машины. После того, как участок реголита будет отработан, одну из хвостовых опор переносят по радиусу и производится отработка следующего участка.

Первая технология требует мощной технической базы и может быть применена только на развитых этапах освоения Луны. Вторая, напротив, может быть использована на самом первом этапе.

Технологические cxei отработки mi сторожденнй коренных пор« дах. При разр; ботке коренн! пород основн; трудность з г ключается дроблении их ) приемлемых ра: меров куска, которым мог; работать экс кавирующие транспортные механизмы.

Рис.5. Применение канатных скреперов для ЛУННЫХ У СЛОВИ-

отработки месторождения в толще реголита: 1, 2 - производить б;

тяговая и хвостовые башни и лебедки; 3 - ковш; 4 ровые рабоч

- приемный бункер; 5, б - тяговый и хвостовой „„„,„„„„„„,„„..„.

г _ И затруднительн«

канаты; 7 - дорога; 8 - схема перемещения хво- rJ

стовых башен а взрываш

требует весы

значительных объемов ВВ. Необходимо минимизировать объ! этих операций. Для этого целесообразно применение заряд' средней и большой мощности. При этом работы по подготов: взрыва сводятся к бурению скважины требуемой глубины диаметра, достаточного для прохождения заряда.

Предлагаются три варианта использования мощных взр] вов при эксплуатации месторождений:

Во-первых, для удаления части вскрышных пород пределы возможных границ открытых горных работ, и отр ботки оставшегося массива сериями менее мощных взрывов : сотрясание для дробления горных пород. Во-вторых, д подготовки массива к выемке в пределах границ открыто способа взрывом на сотрясание. В-третьих, для выноса лунную поверхность как руды, так и породы при взрыван на выброс.

При использовании для разработки крутопадающих месторожд ний первой и второй схем для осуществления добычи полезногс

ископаемого необходимо применение специальных установок, которые смогут перемещаться по всему пространству карьера и по развалу в условиях отсутствия дорог. Одним из возможных вариантов конструктивного воплощения таких установок может быть их подвеска на канатах над карьерным пространством (рис. 6). Добычная установ-Рис. 6. Канатная установка для разработки месторож- ка перемещается дений в коренных породах; а - разрез; б - план; 1 - карь- по карьерному ерное пространство; 2 - добычная установка; 3 - опорные пространству за

мачты с натяжными лебедками; 4 - приемный бункер; 5 — отсчет перепава лы пустых пород; 6 - вагонетки

совки канатов

на натяжных станциях. Канаты используются в качестве несущих элементов канатно-подвесной дороги для транспортировки вскрыши и руды. Добычная установка осуществляет ру-доразборку массива взорванной горной массы, производит селекцию образцов и погрузку их в транспортные сосуды рудной или вскрышных ветвей. Кроме того, она производит разбуривание негабаритов и заряжание взрывной скважины.

ЭТАПЫ ОСВОЕНИЯ ЛУНЫ

Широкомасштабное освоение Луны имеет смысл лишь в случае освоения ближнего космоса и создания базы для освоения всей Солнечной системы. Можно выделить три этапа освоения околоземного пространства:

- подготовка к освоению Луны - на Луне производят« продукты (газы, вода, изделия) только из реголита, веду? ся только открытые горные работы;

- техническое освоение Луны - начинается производи во и обработка металлов, сырье - реголит;

- освоение ближнего космоса и обживание Луны - прс изводятся все необходимые компоненты для промышленное! и потребительской сферы, появляется возможность веса подземные горные работы.

Выделенные этапы освоения Луны будут характеризс ваться техническими средствами ведения горных работ, ра: личающимися массой, энергетическими источниками, разраб; тываемыми породами. В табл.2 для каждого этапа освоен] приведены предполагаемые технологии освоения минеральш ресурсов.

Таблица

Особенности применения предлагаемых технологий

1 Технологии Учитываемый Условия Область Э

{ эффект1 применения применения

(Бурение с созда- (-) м/с^ Горные I-

нием осевого Сила тяжести работы

|усипия канатами

¡Бурение с (-) д>1.0 м/с'' То же I-

¡распорными Сила тяжести

•устройствами

(Бурение (+) Отсутствие атмо- Горные рабо- I-

[солнечной Энергия Солнца сферы, ТСС до ты и строи-

¡¡энергией орбиты Марса тельство

¡Канатные (+) Наличие мелкораз- Горные I-

[скреперы Сила тяжести дробленных пород работы

[Экскаваторы с (-) д£3.5 м/с* Горные рабо- I-

[замыканием Сила тяжести ты и строи-

[рабочих усилий тельство

[экскаваторы с [тепловым ( + ) Энергия Солнца Отсутствие атмосферы, ТСС до Горные работы II

{разупрочнением орбиты Марса

[массива

[Метатели ( + ) Отсутствие Горные рабо- I-

[роторные Сила тяжести; Отсутствие атмосферы атмосферы ты и строительство

[Метатели То же То же Горные II

]катапультирующие работы

примечание: (-) - эффект преодолевается; (+) - э(

фект используется.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Б результате исследований в диссертации предлагается решение задачи обоснования рациональных, технически, осуществимых способов и технологий ведения горных работ на поверхности Луны, которые учитывают и частично используют местные природные условия. Предложенные технологии позволяют осуществлять как строительство лунных баз, так и снабжение их необходимыми минеральными источниками для нужд жизнеобеспечения, развертывания научных и промышленных программ.

Основные результаты работы:

1. Предложено распределение тел Солнечной системы на группы по подобию условий ведения горных работ на них.

2. Определено, что на ведение горных работ на Луне будут влиять следующие природные условия:

- Меньшая по сравнению с Землей сила тяжести повлияет на соотношения масс и рабочих усилий горных механизмов.

- Отсутствие атмосферы и воды создаст трудности для традиционных процессов бурения и некоторых процессов обогащения полезных ископаемых.

- Резкие и глубокие перепады температуры на поверхности могут вызвать трудности с подбором конструкционных материалов.

- Особенности поверхностного слоя лунного грунта повлияют на процесс взаимодействия рабочих инструментов горных машин с забоем.

3. Систематизированы сведения по генезису потенциальных месторождений лунного минерального сырья, и выделены типы месторождений в реголите и коренных породах.

4. Показано, что наличие огромных запасов готового к переработке реголита на поверхности Луны предопределяет преимущество ведения открытых горных работ.

5. Аналитически выведены зависимости технологических характеристик основных горно-транспортных процессов в условиях с различной силой тяжести.

6. Для процессов бурения и экскавации предложены способы реализации принципа замыкания рабочих усилий в конструкции машины через обрабатываемую породу.

7. Определено, что способы реализации горных технологических процессов, технологии отработки месторождений и способы строительства засыпных сооружений на Луне будут основаны на таких особенностях природной среды, как мень-

шая сила тяжести, отсутствие атмосферы и неограниченш запасы энергии Солнца.

Перспективы дальнейших исследований в области вед( ння горных работ вне Земли состоят в более детальном уч< те влияния широкого спектра всего многообразия природн; условий на телах Солнечной системы, в поиске таких горн! технологий которые используют внеземные природные услов] ях. Необходима разработка методов позволяющих, при мин; мальных межпланетных перевозках, разворачивать на ocBai ваемом космическом теле полную, самовоспроизводящую! технологическую инфраструктуру.

Основные положения диссертации были опубликованы следующих работах:

1. Решетняк С.П., Наговицын О.В. Открытые горные земляные работы во внеземных условиях. // Международн. конференция по открытым горным, земляным и дорожным pa6i там. - М.: ЦНИИОМТП, 1994, С.62-69.

2. Наговицын О.В. Влияние ускорения свободного пад| ния на процесс перевозки горной массы колесным транспо; том. // Комплексная разработка рудных месторождений и в> просы геомеханики в сложных и особо сложных условиях. Апатиты: КНЦ РАН, 1995, С.91-98.

3. Наговицын О.В. Предполагаемые способы отработ месторождений полезных ископаемых во внеземных условия // Комплексная разработка рудных месторождений и вопро геомеханики в сложных и особо сложных условиях. - Апат ты: КНЦ РАН, 1995, С.98-108.

4. N.N.Melnikov, S.P.Reshetnyak and O.V. Nagovitsy Surface Mining for a Lunar Environment. Third Intern tional Symposium on Mine Mechanization and Automatio Golden CO, USA, 1995, Vol. II, Section 24, P.55-64.

5. Nagovitsyn O.V. Surface Mining on the Moon. 22 Russian-American Microsimposiura on Planetology. Mosco Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Che istry, 1995, P.67.

Автореферат Наговицын О.В.

ВЛИЯНИЕ ВНЕЗЕМНЫХ УСЛОВИЙ НА ГОРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ (на примере Луны)

Объём 1 п.л. Тираж 100 эхз

Горный институт Кольского научного центра Российской Академии наук. 184200, Апатиты, Мурманская обл. Ферсмана, 24