книги / Строительная геотехнология
..pdfАдаптацией 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