книги / Строительная геотехнология

Адаптацией фундаментальных знаний для решения практических задач занимается область научно-технической деятельности, которая находится на стыке двух областей на­ учно-исследовательской и производственной.

Дадим краткую характеристику основных признаков и атрибутов каждой из перечисленных областей деятельности.

Научно-исследовательская деятельность. Рассматривая эту деятельность на сопряжении ее с освоением недр земли, в ее составе следует выделить прежде всего группы естествен­ ных и экономических наук: физику, математику, химию, гео­ логию, механику, экономику. Их обычно называют фунда­ ментальными науками. Ученые, занятые исследовательским процессом, имеют базовые специальности (физик, химик, геолог, математик, механик, экономист и т.п.), соответст­ вующие перечисленным группам наук. Их научные специ­ альности, по которым защищаются докторские и кандидат­ ские диссертации, адекватны перечисленным. Изучаемые проблемы носят общий характер и, большей частью, не свя­ заны с конкретными областями материальной сферы дея­ тельности. Объектами изучения являются глобальные систе­ мы: физические поля, абстрактное материальное простран­ ство, значительные участки земной коры (например, континенты), космос и т.д.

Научно-техническая деятельность. Этот вид деятельно­ сти охватывает науки, именуемые прикладными, и сопря­ гающиеся с соответствующими областями производственной деятельности. Если областью производственной деятельно­ сти является освоение недр земли, то это горные науки.

В этой области трудится огромная армия научных ра­ ботников, изобретателей, конструкторов, проектировщиков, основными задачами которых являются:

♦ адаптация фундаментальных знаний о законах разви­ тия природы и общества и получение новых дополни­ тельных знаний о закономерностях процессов и явлений в конкретно исследуемых системах (например, система «породный массив — горная выработка — человек»);

12

♦ принятие новых прогрессивных решений и разработ­ ка путей их практической реализации в конкретной об­ ласти производства через новые способы, методы, тех­ нологии.

Координация деятельности указанных работников, как правило, осуществляется в рамках глобальной для данной отрасли производства научно-технической проблемы, на­ пример «Комплексное освоение георесурсов недр».

Производственная деятельность. Структура этой сферы деятельности — отраслевая. Ее результатом, в частности, яв­ ляется создание новых материальных ценностей, при ком­ плексном освоении недр — это добыча полезных ископае­ мых и их первичная переработка, строительство горных предприятий и подземных сооружений различного назначе­ ния, повторное использование техногенных полостей и т.д.

В этой области деятельности сосредоточены трудовые, материальные и финансовые ресурсы для решения соответ­ ствующих научно-технических проблем. Основными ее ра­ ботниками являются инженеры, техники и рабочие, имею­ щие соответствующую профессию и квалификацию.

Следует отметить, что исследования ученых-естество- испытателей в сравнении с исследованиями ученых, рабо­ тающих в отраслях технических наук, носят более общий ха­ рактер, так они связаны с масштабными системами и не при­ вязаны к конкретным производственным условиям. Так, ес­ ли для ученого в области механики твердого деформиру­ емого тела типичной темой для исследований является «Изучение напряженно-деформированного состояния слои­ стого тела круговой формы в трансверсально-изотропной среде», то та же тема, развиваемая в горных науках и, в ча­ стности, в строительной геотехнологии, звучит иначе: «Изучение напряженно-деформированного состояния мно­ гослойной крепи ствола, пройденного в слоистом массиве горных пород». При ее решении, безусловно, будет исполь­ зован общий подход, результаты фундаментальных законо­ мерностей, но при этом будет дополнительно исследован це­ лый ряд важных вопросов. Например, закономерности и ха­ рактеристики сцепления между бетонным и чугунным слоем

13

крепи, влияние горно-технических факторов на процессы формирования нагрузки на крепь, критерии для оценки ее устойчивости и т.п.

Как видно йз приведенного сравнения, постановка и цель задачи отличаются степенью конкретизации. В первом случае — это падающее абстрактное «ньютоново яблоко», а во втором — конкретный объем разрушенных пород, обрушающихся в горную выработку.

Крупным результатом исследований последних лет яви­ лись современная концепция использования и сохранения недр и новая классификация горных наук.

В соответствии с этой классификацией научное обеспе­ чение проблемы освоения подземного пространства осуще­ ствляет строительная геотехнология.

Классификация горных наук

ГОРНОЕ НЕДРОВЕДЕНИЕ

Горно-промышленная геология Геометрия и квалиметрия недр Геомеханика Разрушение горных пород

Рудничная аэрогазодинамика Горная теплофизика

ГОРНАЯ СИСТЕМОЛОГИЯ

Теория проектирования освоения недр Экономика освоения георесурсов Горная информатика Горная экология

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

Физико-техническая геотехнология Физико-химическая геотехнология С т р о и т е л ь н а я г е о т е х н о л о г и я Геотехника

ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Технологическая минералогия Дезинтеграция и подготовка минерального сырья к обогащению

Физические и химические процессы разделения, концентрации и переработки минералов Физические и химические процессы извлечения полезных

компонентов из природных и техногенных вод

14

Впервые термин «Строительная горная технология», или «Строительная геотехнология», был введен академиком В.В. Ржевским. Ее главную задачу он определил как «обеспечение исследованиями проектирования, строительства и реконст­ рукции горных предприятий по добыче полезных ископае­ мых и подземных сооружений различного назначения».

Строительная геотехнология (англ. — Construction geote­ chnology, нем. — Geotechnology im Bauweisen, фр. — Geotechnologie de construction) — горная наука о закономерностях поведения подземных сооружений в массиве горных пород, технических, экономических и организационных взаимосвя­ зях технологических процессов при их строительстве, рекон­ струкции и восстановлении.

Поскольку основным предметом изучения строитель­ ной геотехнологии являются процессы и явления в системе «человек — подземное сооружение — массив горных по­ род», предложенная формулировка достаточно полно ха­ рактеризует ее содержание, однако это не исключает воз­ можности существования и других, более общих форму­ лировок, например:

строительная. геотехнология — совокупность знаний о прочности, устойчивости и долговечности подземных со­ оружений, закономерностях, методах и средствах освоения подземного пространства;

строительная геотехнология — горная наука об освое­ нии подземного пространства.

Такие формулировки, на первый взгляд, воспринимают­ ся легче, однако в их дефиниции содержится другой, более сложный для понимания термин — освоение подземного про­ странства, а следовательно, эти определения требуют до­ полнительного разъяснения. Кроме того, методы, способы и средства являются вторичными по отношению к знаниям о процессах и явлениях, на базе которых они разрабатывают­ ся. Следует также иметь в виду, что для решения проблемы освоения подземного пространства, кроме строительной геотехнологии, привлекаются знания многих других наук.

Закономерности, составляющие научную базу строи­ тельной геотехнологии, отражают две различные группы процессов: физические (механические) и технологические

15

(горно-строительные). Накопленные в результате многочис­ ленных теоретических и экспериментальных исследований знания об этих процессах еще недостаточно систематизиро­ ваны. Это обстоятельство затрудняет формулировку фунда­ ментальных закономерностей, присущих строительной гео­ технологии как науке.

Совокупность знаний о механических процессах взаи­ модействия массива горных пород с конструкциями под­ земных сооружений составляет теорию их прочности, ус­ тойчивости и долговечности. В ее основе лежат законо­ мерности, позволяющие качественно и количественно оценивать влияние свойств пород, условий строительства и особенностей дальнейшей эксплуатации подземных со­ оружений на формирование напряженно-деформирован­ ного состояния инженерных конструкций. При этом под инженерными конструкциями понимаются не только кре­ пи горных выработок и обделки подземных сооружений, но и окружающие их части массива горных пород, спо­ собные выполнять грузонесущие функции.

В качестве примера можно привести закономерности формирования напряженно-деформированного состояния на контакте породного массива с крепью в зависимости от формы поперечного сечения выработки, свойств пород и ме­ ханического состояния массива, конструктивных особенно­ стей крепей и технологии их возведения. Важную роль в оценке состояния конструкций подземных сооружений иг­ рают закономерности (критерии), определяющие условия их прочности, устойчивости и долговечности.

К горно-строительным процессам относятся выемка, по­ грузка и транспортировка породы, возведение временных и постоянных инженерных конструкций (крепей, обделок, армировки стволов), управление состоянием массива вмещаю­ щих пород (замораживание, химическое укрепление, тампо­ наж, водопонижение и т.п.), а также возведение надшахтных зданий и сооружений.

Закономерности и зависимости, характеризующие взаи­ мосвязь горно-строительных процессов, в совокупности со-

16

ставляют теоретические основы методологии проектирова­ ния методов, способов и технических средств освоения под­ земного пространства. Примерами могут служить: зависи­ мости технической производительности проходческих ком­ байнов от физико-механических свойств пород; скорости бурения шпуров и скважин от их диаметра и крепости по­ род; времени создания ледопородного ограждения от темпе­ ратуры замораживания; допустимой скорости подъемных сосудов от шага армировки; грузонесущей способности рамной крепи от типоразмера профиля и др.

Строительная геотехнология, как и другие горные нау­ ки, изучает комбинации объективных законов природы применительно к искусственно создаваемым системам, в данном конкретном случае к системе «человек— подземное сооружение — массив горных пород».

Закономерности, устанавливаемые при изучении физи­ ческих и технологических процессов, представляют собой единые в пространстве и времени комбинации законов при­ роды. Поэтому вполне правомерно говорить о них как об основных объективных технических закономерностях, обус­ ловленных искусственной системой их взаимодействия, в ко­ торых реализуются заданные параметры материальных про­ цессов. Подобные закономерности принято называть ком­ бинационными. Количество таких закономерностей адек­ ватно числу условий, в которых функционирует тот или иной технологический процесс.

Типичной комбинационной закономерностью является взаимосвязь между скоростью проходки ствола, горнотех­ ническими и горно-технологическими параметрами: диамет­ ром и глубиной ствола, крепостью пород, производительно­ стью погрузочных и подъемных машин, составом проходче­ ской бригады. Аналогичным образом можно выделить закономерности организационного характера, например: за­ висимость численности работающих в горно-строительной организации от трудоемкости строительных работ за рас­ четный период; зависимость продолжительности работ от среднегодовой выработки одного рабочего.

17

В строительной геотехнологии известны и более слож­ ные виды закономерностей. Например, закономерность раз­ вития и обновления горно-строительной техники и техноло­ гии, сущность которой состоит в том, что новая технология проходит три периода развития: период роста объема при­ менения, период стабилизации развития и, наконец, период технической нецелесообразности.

Целью строительной геотехнологии как науки является изучение объективных закономерностей и взаимосвязей ме­ жду элементами горно-строительной технологии, качествен­ но и количественно характеризующих эксплуатационную надежность подземных сооружений и эффективность про­ цесса их строительства, реконструкции и восстановления.

Главной задачей строительной геотехнологии следует считать разработку научных рекомендаций, обеспечиваю­ щих надежность, безопасность и эффективность реализации технических решений по строительству, реконструкции и восстановлению подземных сооружений.

Объектами изучения строительной геотехнологии явля­ ются подземные сооружения горно-добывающих предпри­ ятий и энергетических комплексов, транспортные, гидротех­ нические, коммунальные тоннели, метрополитены, инженер­ ные сооружения в подземном пространстве городов и другие подземные сооружения хозяйственного, социального, эколо­ гического и оборонного назначения.

Предметом изучения строительной геотехнологии яв­ ляются: процессы взаимодействия конструкций подзем­ ных сооружений с массивом горных пород; методы проек­ тирования и расчета конструкций подземных сооружений; способы и средства обеспечения их прочности, устойчиво­ сти и долговечности; способы и методы строительства, реконструкции и восстановления подземных сооружений и горно-технических зданий и сооружений; способы и средства механизации и автоматизации горно-строитель­ ных работ; способы охраны подземных сооружений от вредных природных и техногенных воздействий; методы организации и управления горно-строительными работа­ ми и их экономической эффективностью; материальные и

18

трудовые ресурсы; методы и технические средства обеспе­ чения безопасности работ; экологические последствия горно-строительных работ и меры по сохранению недр и окружающей среды.

Основными научными направлениями строительной гео­ технологии являются:

♦ методология проектирования подземных сооружений,

включающая исследования и обоснование социальноэкономической целесообразности и технической возможно­ сти строительства подземных сооружений, месторасположе­ ния подземного сооружения, его формы и размеров, в зави­ симости от функционального назначения, горно-геологичес­ ких условий строительства, влияния технологии строитель­ ных работ и т.п.; стратегию и методы освоения техногенных подземных пространств, при утилизации и повторном ис­ пользовании существующих подземных горных выработок и сооружений; ♦ механика подземных сооружений, содержанием которой

являются оценка устойчивости подземных сооружений, ис­ следование процессов взаимодействия инженерных конст­ рукций с породными массивами и установление качествен­ ных и количественных характеристик их напряженно-дефор­ мированного состояния, изучение закономерностей форми­ рования нагрузок с учетом влияния горного и гидростатиче­ ского давления, сейсмического воздействия, температуры окружающей среды, влияния технологии ведения горно­ строительных работ и т.п., обоснование новых материалов, рациональных типов и конструкций крепей и обделок, раз­ работка новых методов расчета инженерных конструкций (крепи, обделки, породные конструкции, армировка), оценка их прочности, устойчивости и долговечности; ♦ обоснование технологии строительства, реконструкции и

восспшновления подземных горных выработок и сооруже­ ний, включающее исследования взаимосвязей элементов тех­ нологии горно-строительных работ, установление качест­ венных и количественных параметров, определяющих выбор способов, техники и технологии строительства, с учетом влияния природных и техногенных факторов на ее технико-

19

экономические показатели, методов организации и управле­ ния работами по строительству одиночных горных вырабо­ ток, комплексов подземных сооружений обычными и специ­ альными способами, а также горно-технических зданий и сооружений на поверхности; исследования и обоснование схем и способов технологии ремонта, реконструкции и вос­ становления подземных сооружений с целью увеличения срока их службы или повторного использования с новым функциональным назначением; ♦ управление состоянием породного массива при ведении

горно-строительных работ, включающее исследования и обоснование способов и технологических параметров про­ цессов замораживания, химического укрепления, тампонажа, водопонижения, осушения, разупрочнения пород и др., при строительстве, реконструкции и восстановлении подземных сооружений в сложных горно-геологических и горно-техни­ ческих условиях.

Строительная геотехнология, как составная часть ком­ плекса горных наук, связана с широким кругом естествен­ ных, общетехнических и социально-экономических наук. В своем развитии она опирается на знания физики, химии, ма­ тематики, геологии, теплотехники и термодинамики, эконо­ мической теории, социологии и др. Кроме того, ее специфи­ ческие особенности обусловливают связь со строительной механикой, инженерной геологией, материаловедением, ох­ раной труда, экологией и правом. Из комплекса горных наук наиболее тесную связь строительная геотехнология имеет с геомеханикой, геотехнологиями, геотехникой, геоинформа­ тикой. На базе научных знаний, составляющих содержание строительной геотехнологии, сформировались учебные и научные дисциплины: «Механика подземных сооружений и конструкции крепей»; «Материалы и конструкции подзем­ ных сооружений»; «Сооружение и реконструкция горных выработок»; «Технология строительства подземных соору­ жений»; «Горно-технические здания и сооружения»; «Тон­ нели и метрополитены»; «Подземные гидротехнические со­ оружения»; «Городские подземные транспортные сооруже­ ния» и др.

20

Отдельные разделы перечисленных дисциплин, в силу своей значимости и сложности, получили углубленное само­ стоятельное развитие. К их числу относятся: бурение ство­ лов, проектирование и расчет армировки стволов; специаль­ ные способы строительства подземных сооружений; строи­ тельство городских подземных сооружений и др.

1.2. НЕКОТОРЫ Е АКТУАЛЬНЫ Е ПРОБЛЕМ Ы ОСВОЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА

В последнее время много говорится о внедрении в под­ земное строительство высоких технологий, то есть техноло­ гий, основанных на использовании результатов фундамен­ тальных научных исследований и обеспечивающих достиже­ ние таких технических, экономических и социальных по­ казателей, которые по своему уровню либо значительно превосходят все аналогичные показатели в данной отрасли производства, либо вообще недостижимы при существую­ щих технологиях.

Иными словами, высокие технологии в подземном строительстве — это технологии, в которых производст­ венный процессразработан иреализуется для единой системы «горная выработка — породный массив», а его параметры оперативно регулируются в зависимости от изменений со­ стояния этой системы. Разумеется, что неотъемлемой со­ ставляющей подобных технологий является ее экологическая чистота, полная механизация трудоемких работ, автомати­ зация контроля и обработки результатов наблюдений, высо­ кий уровень безопасности и комфортности условий труда.

В подземном строительстве говорить о высоких техно­ логиях в чистом виде еще преждевременно. Однако уже имеются их отдельные элементы. В основном это элементы технологии проведения выработок, основанные на исполь­ зовании закономерностей влияния горно-строительных ра­ бот на напряженно-деформированное состояние породного массива, позволяющие гибко реагировать на поведение ок­ ружающей среды и путем оперативного регулирования тех-

21