книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений
..pdfмы, так как каждый раз система может быть ориентирована на решение различных проектных задач в зависимости от раздела проекта, стадии и комплексности проектирования. Это накладывает ограничения как на структуру входных па раметров, так и на структуру базы знаний. Отмеченная спе цифическая особенность проектирования строительства под земных сооружений выделяет их в самостоятельный класс экспертных систем, для создания которых требуется научно обоснованные подходы, совершенные инструментальные средства и подготовленные специалисты.
До настоящего времени технология строительства, экс плуатации, реконструкции и повторного использования под земных сооружений слабо учитывает требования сохранения стабильности окружающей среды.
Вместе с тем, закрытие и ликвидация угольных шахт при водит к необходимости использовать имеющееся техноген ное подземное пространство очистных и подготовительных выработок именно для решения экологических проблем и проектированию повторного использования этого вырабо танного пространства в качестве хранилища отходов различ ной этиологии.
По мнению В.Н. Скубы и других ученых [39], разработка методологических основ освоения выработанного простран ства недр (ВПН) должна быть направлена на то, что из зем ных недр не должно выниматься ни одного кубического метра горной массы без технического решения его 100 %-го использования и обоснования полезности образованного при этом выработанного пространства для народного хозяйства и улучшения экологического состояния среды. Для решения этой проблемы необходимо провести исследования по ее важнейшим аспектам:
•объемная распространенность подземного пространст ва, обусловливающая оценку возможности использо вания недр по горизонтам и вертикали с учетом кли мата региона, свойств массива и уровня техники;
многовариантность освоения подземного пространст ва, предусматривающая исследования по разработке различных технологий образования ВПН.
многофункциональность, т.е. возможность использо вания пространства для различных целей; технико-экономические оценки освоения подземного пространства с учетом стоимостных параметров при родных составляющих среды (земля, лес, вода, воздух); определение свойств породного массива, вмещающего выработанное пространство; энергетические аспекты освоения подземного про
странства, выявляемые в результате теплофизических, аэрологических и других специальных исследований; изучение влияния подземного пространства на жизне деятельность человека (психофизические, геронтоло гические и другие медикобиологические особенности); оценка экологических характеристик подземного про странства как среды обитания человека, растительного и животного мира, функционирования машин, а также степени влияния опасности его освоения на окру жающую среду, инженерные сооружения и человека на поверхности Земли.
В связи с этим необходимо произвести переоценку всех технологических способов подземного строительства, требо ваний к материалам и конструкциям подземных сооруже ний.
В основе технологических решений, принимаемых на разных стадиях проектирования подземных объектов, долж ны лежать принципы приоритетности безопасности и ком фортности труда человека в подземном пространстве и со хранности окружающей среды.
Предлагаемая методология заключается в представлении объекта проектирования как неотъемлемой части сложной динамической природно-технической геосистемы (illГС), включающей еще два элемента: "окружающий породный массив" и "технологию".
Составляющие этой системы раскрываются посредством структуризации элементов объектов проектирования, как системы "массивтехнология - подземное сооружение", че рез классификационные структуры, характеризующие осо бенности условий строительства подземных объектов, их
функционального назначения, методов подготовки и спосо бов воздействия на массив горных пород, способов строи тельства и организационно-технических решений при строи тельстве подземных сооружений в сложных горно геологических условиях.
Системный подход означает не только целостную разра ботку объемно-планировочных, конструктивных, технологи ческих, санитарно-технических и энергетических частей проекта, но и поиск организационно-технических решений, средств и методов проектирования и управления строитель ством. При этом обеспечивается выбор оптимальных конст руктивно-технологических решений, в наибольшей степени отвечающих требованиям надежности и долговечности со оружения, индустриализации и комплексной механизации строительства, цроков и стоимости производства работ, обеспечения сохранности окружающей среды.
Основу разработанной методологии составляет классифи кация сложных горно-геологических условий, а также мето дов подготовки и способов воздействия на породный массив. Классификация включает 6 методов подготовки массива, ко торые объединяют 20 способов воздействия на массив и 11 способов строительства подземных сооружений [47].
Исследования в данной области позволили выявить новые ресурсные возможности в методологии проектирования, ко торые будут соответствовать современным потребительским запросам и включать в себя потенциальную возможность оптимизации проектных решений, начиная с анализа исход ных данных породного массива, закладываемых в проект функциональных характеристик подземного сооружения и способов строительства с учетом последних достижений науки и техники.
Под ресурсными возможностями в данном случае пони маются новые методические подходы к использованию имеющихся знаний при проектировании, а также собствен но накопление новых знаний.
Предлагаемый методологический подход к проектирова нию строительства подземных сооружений увязан с общей методологией комплексного освоения недр, что достигается путем соответствия принимаемых решений совокупности
общих требований. Степень такого соответствия оценивает ся с помощью специальных критериев, позволяющих про гнозировать технические, экономические, экологические и социальные последствия принимаемых решений.
Свойства системной модели "массив технология под земное сооружение" проявляются в функционировании об ратных связей между элементами системы. Целевая функ ция проектирования - разработка оптимальных и экономич ных конструкторско-технологических решений, направлен ных на обеспечение безопасного и устойчивого функциони рования подземного сооружения в пределах его жизненного цикла. Такая постановка вызывает необходимость итераци онного обращения как к исходным данным о состоянии по родного массива, так и к характеристикам типовых модулей проектных решений, реализующих различные методы подго товки и способы воздействия на массив, способы строитель ства и организационно-технические решения при строитель стве подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях.
В таком процессе (рис. 3.18) последовательно из меняют влияющие харак теристики и оценивают результат. Если оценка положительна, т.е. дос тигнут удовлетворитель ный результат, то процесс проектирования продол жают далее. Полученное решение становится осно вой для выполнения последующих процедур. Если же оценка отрица тельна, то характеристики
изменяются и информация возвращается для повторной пе реработки. Этот процесс длится до тех пор, пока не будет достигнут результат, который получит положительную оцен ку и будет признан решением инженерной задачи.
Особенностью итерационной процедуры является необхо димость учета динамики вливающих факторов, а также про гнозирование последствий их воздействий на технологиче ские процессы для принятия оперативных решений и созда ния возможности управления технологическим процессом. Так, например, разработанный в МГГУ подход к оптимиза ции крепления горных выработок, позволяет исключить не обоснованные запасы прочности крепи на участках с благо приятными горно-геологическими условиями и предотвра тить разрушение и перекрепление выработки в неблагопри ятных условиях за счет увеличения ее несущей способности. Оптимальные параметры крепи определяются на основе не прерывного контроля смещений породного массива при по мощи специальных датчиков [49].
Аналитические и экспериментальные исследования этого подхода изложены в главах 4 и 5.
Выбор оптимального решения, согласно предлагаемой ме тодике, достигается на основе структуризации как задач проектирования, группировкой по уровням, значимости, функциональным характеристикам, масштабам производства и пространственно-временным характеристикам, так и груп пировкой и типизацией условий размещения подземных со оружений.
Структурная модель процесса проектирования строитель ства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях представлена на рис. 3.19.
Данная структурная модель представляет собой следую щие наборы типовых модулей:
•Блок А - условия строительства. Наборы классифика ционных структур условий строительства 1, 2, 3, ...r m представлены сложными гидрогеологическими, геомеханическими, газодинамическими условиями и их комбинациями. Структурно-классификационные при знаки в конкретной классификации выражаются кри териальной оценкой конкретного типа сложных усло вий. Так, например, для сложных геомеханических ус ловий такими критериями (признаками) являются: ус тойчивость породного обнажения, величина смещений на контуре выработки, размеры возможных областей
l,2,3,...,m - наборы классификационных структур условий строительства;
1.1, l.n, 2.1, 2.n,...,m.f, m.n - структурно-классификационный признак в кон кретной классификации;
Г, 2*, 3*,...,ш* - наборы классификационных структур методов подготовки, способов воздействия на массив, способов строительства и организационно технических решений при строительстве подземных сооружений в сложных гор но-геологических условиях; Л
l\n , 2*.n, 3*.n,...,m\f - структурно-классификационный признак в конкретной классификации.
® - требования к проектным решениям, (2) - реализация требований.
Рис. 3.19. Структурная модель процесса проектирования строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях
разрушения. Эти критерии накладывают соответст вующие требования на проектируемый объект и типо вые технологические решения, которые в различных комбинациях реализуют сооружение объекта проекти рования.
• Блок Б - технологические проектные решения. Набо ры классификационных структур технологических проектных решений представлены методами подготов ки, способами воздействия на породный массив, спо собами строительства и организационно-техническими решениями при строительстве подземных сооружений (Гг 2*, 3% ... , пГ). Так, например, для сложных газоди намических условий методами подготовки являются: уменьшение газоносности и пылеобразующей спо собности массива, изменение напряженно-деформи рованного состояния и свойств массива. Способы воз действия на массив включают гидравлическое (гидро вымывание, торпедирование, увлажнение и др.), меха ническое (дегазация, разгрузка скважинами, щелями и др.) и физико-химическое воздействие. Собственно технология проектирования должна удовлетворять требованиям блока А, то есть реализовывать соответ ствие по обратной связи блока Б. Принятие решения по созданию объекта в процессе проектирования в этом случае будет зависеть от уровня развития техно логических модулей (блок Б), степени изученности по родного массива (блок А) и конкретной задачи проек тирования (блок В).
На рис 3.20 представлена структурная модель проектиро вания подземных сооружений в сложных геомеханических условиях.
На основании типовых модулей условий строительства (блох А) определяются требования к технологическим и про ектным решениям (блох Б), позволяющим реализовывать требуемую задачу проектирования (блох В). В свою очередь конкретные задачи проектирования (минимизация стоимо сти строительства, обеспечение устойчивости подземного объекта и др.) по принципу действия обратной связи опре-
деляют реализацию требований к технологическим проект ным решениям для существующих условий строительства.
На рис. 3.21 представлена структурная модель проектиро вания повторного использования техногенного подземного пространства горных предприятий. Существующие геогра- фо-климати-ческие, горно-геологические, горнотехнические, социально-экономические и экологические факторы {блок А), определяющие возможность и необходимость повторного использования техногенного подземного пространства в за висимости от принятого его функционального назначения (энергетического, промышленного, сельско-хозяйственного, экологического или социального) (блок Б), позволяют решить необходимую задачу проектирования (блок В) по защите ок ружающей среды, сохранности земельных ресурсов и ре культивации земель, созданию новых рабочих мест и др.
Актуальность' проблемы проектирования подземных со оружений аргументируется анализом многочисленных по требительских факторов: социально-экономических, эколо гических, производственных. Повышение эффективности горнопроходческих и других видов работ на стадии проекти рования приобретает в условиях формирования рыночной экономики особую значимость, когда доминирующим крите рием производственной деятельности является прибыль предприятия. Эго формирует новые требования к проекту в целом и к методологии проектирования в частности.
Раскрытие условий влияния различных социальноэкономических и экологических факторов, влияющих на формирование объекта проектирования, является новым на правлением в методологии проектирования, несмотря на то, что отдельные составные элементы этих факторов учитыва лись в выходных проектных документах, например, в техни ко-экономических обоснованиях (ТЭО), в соответствующих разделах проектов и т.п. Особенностью разработанной мето дологии проектирования является то, что она должна соот ветствовать возможностям системной модели "массив - тех нология - подземное сооружение", предусматривающей гиб кость, динамичность и открытость к внешним воздействиям. Такое соответствие возможно только при создании такой методологии проектирования, которая будет иметь возмож-
О- - требования к проектным решениям;
©- реализация требований
Рис. 3.21. Структурная модель повторного использования техно генного подземного пространства горных предприятий