Часть II cтроительная геотехнология - базовая наука для практического освоения подземного пространства

Раздел 3 научно-технические и экологические проблемы

«СТРОИТЕЛЬНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ»

Анализируя проблематику Строительной геотехнологии и обобщая многолетний опыт решения проблемы Освоения подземного пространства, можно сформулировать четыре ееосновные научные проблемы

-формирование оптимальной подземной инфраструктуры;

-устойчивость подземных сооружений;

-создание высокоэффективныхспособов и технологий;

-экология подземного строительства.

Рассмотрим последовательно их содержание.

ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ, КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ

Что, сколько и в какой очередности строить в подземном пространстве?

Номенклатура подземных объектов обширна. Подземные сооружения по назначению и использованию могут быть систематизированы по четырем видам:

-подземные объекты хозяйственного назначения: горнопромышленные предприятия, промышленные предприятия, транспорт, инженерные коммуникации, хранилища и т.д.;

-подземные сооружения социального назначения: культурно-просветительные и спортивные сооружения, предприятия торговли, питания, бытового обслуживания, исследовательские учреждения, медицинские объекты;

-подземные сооружения экологического назначения: очистные сооружения, сооружения для захоронения отходов, мусороперерабатывающие объекты и т.д.;

-подземные сооружения военного назначения.

Очевидно, не все из перечисленных сооружений подходят для городской инфраструктуры. Поэтому необходимо, прежде всего, составить номенклатуру городских подземных сооружений и ранжировать их по степени значимости для жизнеобеспечения города, что в конечном итоге определяет приоритеты в очередности строительства. В частности, для Москвы – это, очевидно, инженерные коммуникации и транспортные сооружения.

Где строить и где не строить?

Вопросы возможности строительства подземных объектов определяются многими факторами. Во-первых, это целесообразность строительства. И прежде всего социальная и экономическая. Анализ работ ведущих ученых нашей страны и зарубежного опыта показывает, что подземное пространство является важней­шим государственным ресурсом из-за его эффективности, обус­ловленной:

-прогрессирующим убыванием свободных площадей на по­верхности Земли, пригодных для использования в народнохозяйственных целях;

-необходимостью обеспечения безопасности производств и ус­тройством подземных хранилищ с длительным периодом эксплу­атации, создания подземных АЭС;

-нарастающим ущербом, наносимым окружающей среде на­земными сооружениями и промышленностью;

-отсутствием альтернативы комплексному освоению подзем­ного пространства;

-возможностью освоения подземного пространства с учетом различных свойств недр и массивов горных пород.

Академик РАН Н.Н. Мельников, отмечает, что имеется мето­дологический пробел в оценке ущерба, нано­симого окружающей среде наземными сооружениями и производ­ствами, а соответственно нет и методики оценки стоимости ком­пенсирующих природоохранных мероприятий, отсутствует до сих пор и надежная методика оценки экономической эффективности освоения подземного пространства.

Качество подземных сооружений и экономическая эффектив­ность освоения подземного пространства в значительной мере обусловлены технологией строительства подземных горных выработок и архитектурно-планировочными решениями подземных объек­тов. Современные подземные сооружения являются большими сложными системами интеллектуального уровня со встроенными инвариантными техническими и архитектурными решениями, от­вечающими современным требованиям и критериям «польза, проч­ность и красота».

Вставка. Некоторые архитектурные подходы к дизайну подземных сооружений (излагается по Д.Кармоди и Стерлингу)

В отличие от наземных структур, при работе над дизай­ном подземных сооружений следует учитывать негативную пси­хологическую реакцию на них населения. Вместе с тем, под­земное строительство дает уникальную возможность создать такие внешние формы, которые трудно, если не невозможно, получить при традиционных решениях. Например, хотя наземному зданию можно придать приятные и отвечающие природному окружению формы, оно всегда присутствует в ландшафте и ясно от него отличается. В то же время, распола­гая полностью или частично здания под землей, можно до­биться почти полной его интеграции с естественной средой. Это не только создает ощущение единства искусственных и естественных форм, но дает возможность разместить строя­щийся объект без разрушения масштабов, открытого про­странства или характера территории. Подземные строения могут иметь большой выбор форм, в которых широко варьи­руются внешний вид и степень зрительного восприятия.

Подземные сооружения нового поколения пре­дусматривают использование свойств массива пород и меры по укреплению горных пород, повышению устойчивости подземных горных выработок и предотвращению просадок поверхности зем­ли и возможных негативных последствий. Эти подземные соору­жения оснащены новыми системами вентиляции, безопасности и эвакуации людей при пожарах и могут использоваться для укры­тия в чрезвычайных обстоятельствах, предусматривают использо­вание четкой организации строительных работ, продуманное рас­положение стройплощадок, выполнение работ по разработанным графикам и эффективные схемы инвестирования строительства, Строительство современных подземных сооружений невозможно без привлечения опытных подрядчиков — специализированных строительных и машиностроительных фирм, владеющих высоки­ми технологиями, а также архитектурных мастерских мирового класса.

В современных условиях огромное значение приобретает сис­тема критериев и показателей оценки эффективности инвестици­онных проектов. Анализ публикаций отечественных и зарубеж­ных ученых, результатов экспертизы инвестиционных проектов и бизнес-планов показывает, что достигнуть приемлемых технико-экономических и финансовых показателей в инвестиционных про­ектах можно только путем наилучшего сочетания подсистем и па­раметров проекта подземного объекта.

Так, например, при строи­тельстве подземных сооружений рассматриваются различные ва­рианты размещения его по глубине и конфигурации, способов строительства подземных горных выработок, организации строитель­ства, конструкции крепей подземных горных выработок и укреп­ления вмещающих массивов горных пород с целью повышения их устойчивости для предотвращения просадки поверхности земли, применения горнотранспортного оборудования и строительной техники, технических, архитектурных, конструктивных и объем­но-планировочных решений.

При строительстве горнодобывающих предприятий рассмат­риваются варианты мощности предприятия и номенклатуры продукции, основных технологических решений и календарного плана отработки запасов месторождений с учетом первоочеред­ной выемки наиболее богатых руд или наиболее продуктивных пластов, обеспечения предприятия ресурсами, основных строи­тельных решений. Следует также помнить, что при разработке инвестиционных проектов и их экспертизе производится оценка воздействия любого подземного объекта на окружающую среду и соответствия принятых решений техническим условиям и требо­ваниям согласовывающих организаций и инвесторов.

Известны различные критерии оценки целесообразности ос­воения подземного пространства. Используя эти критерии, мы облегчаем принятие решения об экономической эффективности освоения подземного пространства. Однако для более объектив­ной и всесторонней оценки экономической эффективности осво­ения подземного пространства и выявления новых подходов к этой проблеме нужно расширить спектр критериев. Таким критерием, например, является необходимость освоения подземного простран­ства, которая диктуется в основном дефицитом территорий, от­сутствием стратегических запасов энергоносителей и питьевой воды (под землей), экологической перегрузкой окружающей среды раз­личными отходами и др.

Поскольку, свойства подземных сооружений являются осуще­ствленной функцией их способности обеспечить бесперебойную работу подземного объекта в определенных условиях с учетом пре­дотвращения вредных последствий, то становится понятным, что в качестве критерия целесообразности освоения подземного пространства, выдвигается длительная устойчивость подземных со­оружений, их надежность как укрытия от оружия массового пора­жения в особый период и в чрезвычайных ситуациях, как храни­лище радиоактивных и токсичных отходов, складов стратегичес­ких запасов энергоносителей, продовольствия и питьевой воды и т.д.

Экономические факторы естественно также должны рассмат­риваться в качестве критерия оценки целесообразности освоения подземного пространства. Опыт освоения подземного простран­ства свидетельствует об успешном использовании энергии и теп­ла; об уменьшении потерь при хранении энергоносителей и про­довольствия; о повышении защищенности населения от эпиде­мий при подземном хранении воды и в чрезвычайных ситуациях; о снижении затрат при освоении подземного пространства горо­дов и повторном использовании отработанных подземных горных выработок

Современные методы оценки экономической эффективности освоения подземного пространства, в частности, изложены в «Методических ре­комендациях по оценке эффективности инвестиционных проек­тов предприятий угольной промышленности». В них приведены:

-система критериев и показателей оценки эффективности инвестиционных проектов;

-оценка сравнительной экономической эффективности инвестиционных проектов;

-коммерческая эффективность проекта;

-бюджетная эффективность проекта;

-эффективность реализации инвестиционного проекта;

-особенности оценки эффективности проекта;

-особенности оценки эффективности проектов с иностранными участниками;

-оценка социальных и экологических последствий реализации проекта;

-расчет инвестиционных рисков.

В результате общей оценки экономической эффективности инвестиционного проекта и анализа, его устойчивости определя­ются основные технико-экономические и финансовые показате­ли, среди которых объем инвестиций, необходимых для реализа­ции проекта, продолжительность строительства, балансовая при­быль, чистая прибыль, срок окупаемости инвестиций, дисконти­рованный срок окупаемости, внутренняя норма доходности (нор­ма прибыли), дисконтированный чистый доход за расчетный пе­риод, рентабельность инвестиций (индекс доходности), источни­ки финансирования проекта (собственные средства, заемные сред­ства, бюджетные ассигнования) и сроки возврата кредита.

В выводах об экономической эффективности строительства подземного объекта приводится следующая информация: хозяй­ственная и коммерческая целесообразность реализации проекта; техническая возможность его реализации; выгоды от реализации проекта (экономические и социальные); финансовая устойчивость проекта; прогрессивность используемых в проекте научно-техни­ческих решений, технологий, оборудования.

Одновременно с этим нужно иметь в виду, что по каждому подземному объекту необходимо проводить и выбор экономичес­ки эффективных схем инвестирования строительства.

При освоении подземного пространства мегаполисов, например, при развитии сети метрополитена и его последующей эксплу­атации учитывается социальная стоимость, т.е. оцениваются расходы на все виды транспорта, в том числе индивидуальный; убыт­ки от наземного транспорта, обусловленные шумом, загрязнени­ем воздуха, потерями времени; доходы от экономии городской территории, которую можно использовать с большим эффектом, и от экономии времени на передвижение; убытки, связанные с гибелью людей в дорожно-транспортных происшествиях и т.д.

Таким образом, общая экономическая эффек­тивность включает в себя:

Эобщ = Эцт +Ээт + Ээр +Экв +Эвс + Эдп + Э в + Эу + Эн,

где Э_цт — эффект от повышения градостроительной ценности го­родской территории в районах, где проходит метрополитен, так как повышается стоимость земли и жилья (определяется конкрет­ным расчетом по городу);

Э_эт — эффект от экономии городской территории; метрополи­тен занимает в 100 раз меньше городской территории, чем автома­гистрали наземного транспорта (определяется конкретным расче­том по городу);

Э_эр — эффект от снижения эксплуатационных расходов по на­земному транспорту (в среднем составляет 18%);

Э_кв — эффект от снижения капиталовложений в наземный транспорт (в среднем составляет 7,5%);

Э_вс — эффект от сокращения вредных выбросов в воздушную среду (метрополитен экологически чистый вид транспорта) и сни­жения транспортного шума (в среднем составляет 5%);

Э_дп — эффект от снижения дорожно-транспортных происше­ствий (в среднем составляет 3,5%);

Э_в — эффект за счет экономии времени на передвижение (эк­сплуатационная скорость метрополитена 42 км/ч, наземного транс­порта до 15 км/ч) и повышения комфортабельности передвиже­ния (в среднем составляет 38%);

Э_у — эффект от снижения транспортной усталости в метропо­литене (в среднем составляет 28%);

Э_н — непосредственный доход действующего метрополитена (определяется расчетом по эксплуатационной деятельности).

Субсидирование (дотации) эксплуатационных расходов дей­ствующим метрополитенам в России производят только местные бюджеты. В зарубежных странах (Бельгия, Нидерланды) эксплуа­тационные расходы полностью покрываются государством, а в Италии государство покрывает до 85% расходов.

Важно отметить, что без стабильной государственной поддер­жки, как показывает отечественная и зарубежная практика, раз­витие метрополитена невозможно.

Например, центр города и районы, прилегающие к Садовому кольцу, достаточно насыщены предприятиями торговли, притягивающими к себе большое количество единиц транспорта и людей. С этой точки зрения они не являются объектами первостепенной важности. А вот дальнейшее расширение транспортных сетей и строительство подземных автостоянок – очень насущная для мегаполиса проблема. Нет смысла говорить о важности прокладки коммуникационных тоннелей различного назначения, без них жизнь города просто невозможна.

Важным фактором являются горно-геологические и геомеханические характеристикипородного массива, которые допускают строительство не каждого вида подземного сооружения. В последнее время добавляют еще и геодинамическую характеристику массива.Строительство городских подземных сооружений необходимо вести с учетом того, что массив горных пород уже не природного, а природно-техногенного происхождения.

Далее – характер сложившейся застройкипредполагаемого места строительства, ее плотность, наличие ранее построенных подземных сооружений, и все это в увязке с функциональным назначением строящегося объекта и его конструктивными особенностями. Отсюда возникает совершенно новый вопрос в проектировании:где нельзя строить подземные сооружения? Возможно, будут выделены особые зоны в исторических районах города, где для гарантии их сохранения строительство подземных сооружений будет запрещено или резко ограничено. А для строительства их в исключительных случаяхследует создать элитную научно-проектно-строительную организацию. Для решения всех обозначенных проблем потребуется районирование городских территорий с выделением участков, допускающих строительство тех или иных по значимости подземных объектов.

В публикациях часто употребляется словосочетание «комплексное освоение», особенно в части освоения подземного пространства крупных городов. Более правильно говорить о комплексном освоении городских территорий. Иными словами, подземное строительство в городе должно рассматриваться не как разовое строительство отдельных, пусть даже уникальных подземных объектов, а в самой тесной увязке с общим развитием городских территорий. Только при таком подходе«Генеральный план развития»может обеспечить рациональное и эффективное развитие городской инфраструктуры. Однако главная трудность в реализации такого комплексного подхода состоит именно в том, что в действующем Генеральном плане развития города Москвы (впрочем, и других городов) освоение подземного пространства как отдельное направление градостроительного развития города Москвы отсутствует.

Строго говоря, термин «комплексное» лучше сочетается с понятием «освоение и сохранение недр» (георесурсов недр, одним из которых является «подземное пространство»).

Следует заметить, что и подход к решению данной проблемы должен быть комплексным (системным) Для ее решения требуется привлечение ученых широкого круганаучных специальностей (Таблица.4) и в первую очередь, такихкак горные и строительные науки, архитектура, юридические науки безопасность деятельности человека и, даже, психологические науки.

Таблица 4

ГОРНЫЕ НАУКИ

Технология и техника геологоразведочных работ

Инженерная геология, Гидрогеология

Геомеханика,

Теория проектирования освоения недр,

Строительная геотехнология,

Геотехника (горные машины и оборудование),

Геодезия и квалиметрия недр

Рудничная аэрогазодинамика,

Горная теплофизика,

Геоэкология

СТРОИТЕЛЬНЫЕ НАУКИ

Строительная механика

Строительные материалы

Строительные конструкции

Основания и фундаменты

АРХИТЕКТУРА

Архитектура зданий и сооружений

Градостроительство

БЕЗОПАСНОСТЬ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Охрана труда

Пожарная и промышленная безопасность

Безопасность в чрезвычайных ситуациях

ЮРИДИЧЕСКИЕ НАУКИ

Природоресурсное право

ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

Психофизиология

Психология труда, инженерная психология

Неотъемлемой частью рассматриваемой проблемы является вопрос о сохранении недр, имеющий принципиальное отличие от существующего понятия «охрана недр». Под последним, понимается, как правило, совокупность мероприятий, направленных на предотвращение опасных для человека явлений и процессов, которые могут возникнуть в недрах в результате его деятельности в них (обрушение пород, пылегазовые выбросы, взрывы метана, опускание поверхности и т.д.), т.е. обеспечить безопасное техногенное вмешательство в недра при освоении их георесурсов.

Понятие «сохранение недр» более емкое нежели «охрана недр» и включает не только безопасность недропользования, т.е. охрану недр в ее существующей трактовке, но и сохранение геологической среды, как составной части природной среды и биосферы в целом, иначе говоря, предполагает обеспечениебезопасности самой планеты Земля, ибо недра - ее суть и содержание. Отсюда возникает настоятельная необходимость совместного решения указанных задач. С практической точки зрения это означает, что рассматривая вопрос об охране недр следует изыскивать и предусматривать комплекс мер, направленных на предотвращение глобальных негативных последствий от воздействий техногенеза на планету (ее часть).

Следует сделать одно важное замечание по вопросу эксплуатации подземных сооружений. Времена, когда каждый сам по себе проектировал, строил и эксплуатировал, должны уйти в прошлое. Особенности эксплуатации, а может быть и возможность повторного использования подземного сооружения, должны быть учтены уже на стадии проектирования строительства. Ярким примером негативных последствий неучета этого обстоятельства явилась невозможность использования в полной мере закрываемых угольных шахт. А ведь это огромный в масштабах страны ресурс –в горных выработках могли быть размещены резервуары для пресной воды, складские помещения, хранилища и другие объекты.

Когда проектирование, строительство и последующая эксплуатация станут по-настоящему звеньями одной технологической цепи, отпадут очень многие вопросы, связанные, в частности, с внеплановыми ремонтами, нерационально используемыми финансовыми и материальными ресурсами. Несомненно, качество эксплуатируемых объектов должно возрасти.

Исходя из сказанного ранее можно попытаться сформулировать видение общей структуры подобного нормативного документа.

• Общие положения, оговаривающие область применения документа и все многочисленные юридические и правовые аспекты.

• Номенклатура основных городских подземных сооружений с указанием их класса (категорийности).

• Характеристика горно-геологической, геомеханической и геодинамической ситуации подземных участков городских территорий с указанием степени их пригодности для строительства различного типа подземных сооружений.

• Обоснование целесообразности территориального размещения различных по своему функциональному назначению подземных объектов.

• Нормативы (объемные, количественные) требующихся подземных сооружений на условную единицу административных территорий или на количество жителей с учетом п.3 и сложившейся социальной инфраструктуры.

• Объемно-планировочные и конструктивные решения подземных сооружений. Со временем они могут стать типовыми.

• Технологические решения по строительству подземных объектов, в основе которых должны лежать требования технологической доступности на современном уровне развития, обеспечения жизнебезопасности и экономичности. Кроме того, следует помнить опринципе минимизации ущерба от последствий негативных проявлений возможных рисков.

• Требования безопасности (технологической, пожарной, экологической) при строительстве и эксплуатации подземных сооружений.

• Оснащение горных выработок в соответствии с их функциональным назначением.

• Эксплуатация подземных сооружений.

Важное замечание. В советское время сложилась идеология «безремонтного поддержания» горных выработок, которая себя не оправдала, да и не могла оправдать. Ремонт профилактический или капитальный есть составная часть эксплуатации подземных сооружений. Необходимо, чтобы вопросы эксплуатации рассматривались уже на стадии проектирования. Например, в части ремонтопригодности проектируемых инженерных конструкций.

• Научное сопровождение строительства и эксплуатации подземных сооружений.

Крайне важным условием для решения вопросов качества и безопасности при подземном городском строительстве является мониторинг, например, включение геоконтроля в качестве полноправного элемента строительных геотехнологий и постепенный переход на экспертные, диагностические системы, позволяющие оценить остаточный ресурс подземных объектов и риск их эксплуатации. Основной задачей таких систем должна стать не фиксация отклонения нормируемых параметров (то есть наличие дефектов), а регистрация и исследование физических эффектов и процессов, предшествующих моменту перехода объектов в неустойчивое состояние. Все перечисленные базовые вопросы в процессе их разработки должны быть обеспечены конкретными рабочими материалами для проектировщика, с научно-экономическим обоснованием всех обязательных разделов проекта. И, наконец, необходимо иметь в виду, что параллельно с разработкой нормативной базы должны проводиться научные исследования, обеспечивающие необходимыми данными систему нормативных документов.

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ.УСТОЙЧИВОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ.

Взаимодействие массивов горных пород с подземными сооружениями и проблема обеспечения их устойчивости. Методы оценки устойчивости горных выработок, исследование процессов взаимодействия инженерных конструкций с породными массивами. Установление и изучение закономерностей формирования нагрузок на конструкции подземных сооружений.

Проблема устойчивости подземных сооружений

Основу этого важнейшего направления составляют исследования геомеханических процессов в системе «подземное сооружение – породный массив», а также исследования свойств породных массивов, определяющих выбор места расположения подземного сооружения, его рациональную форму и размеры. Необходимо развивать исследования по оценке устойчивости подземных сооружений, выбору рациональных типов конструкций крепей и обделок, продолжить разработки систем автоматизированного проектирования и расчета конструкций подземных сооружений, в том числе многоцелевого назначения, создания геомеханического мониторинга для контроля их состояния на всех этапах строительства и эксплуатации. Важной составляющей этих исследований является изучение геодинамических процессов, районирование участков земной коры в зависимости от степени их проявлений, что имеет большое значение при выборе места расположения не только подземных объектов, но и строящихся городов

Научный раздел Строительной геотехнологии «Механика подземных сооружений» свя­зан с геомеханическим обоснованием способов и средств обе­спечения прочности, устойчивости и долговечности инженер­ных конструкций горных выработок и подземных сооружений на основе изучения закономерностей их взаимодействия с массивом горных пород.

Научные исследования в рамках этого раздела могут быть сгруппированы в четыре крупных направления:

-прогнозирование механического состояния породного массива вмещающего горную выработку на период ее строительства и эксплуатации;

-исследования процессов взаимодействия породных массивов, вмещающих горную выработку с конструкциями подземных сооружений;

-исследования напряженно-деформированного состояния инженерных конструкций и их элементов, изучение механизма их деформирования и разрушения;

-исследования и обоснование новых строительных материалов и конструкций для подземного строительства.

Знания, получаемые в результате проведения указанных исследований, служат для решения трех основных инженерных задач механики подземных сооружений:

-обоснование и выбор способов и средств обеспечения нормального эксплуатационного состояния подземных сооружений.

-расчет параметров инженерных конструкций подземных сооружений

-обоснование и разработка новых методов расчета конструкций подземных сооружений.

Для прогнозирования механического состояния породного массива, т. е. качественной и количественной оценки уровня развития и реализации процессов деформирования пород, вмещающих подземные сооружения, необходимо знать разме­ры и форму областей разрушения, величины смещений пород­ного контура, характер их распределения по периметру.

Такое прогнозирование механического состояния породно­го массива в горнотехнической литературе получило название «прогнозирование устойчивости породных обнажений» или «прогнозирование устойчивости незакрепленных выработок».

Анализ результатов многочисленных исследований позво­ляет выделить три различных подхода к решению задачи по оценке устойчивости незакрепленных выработок.

Первый ос­нован на прочностных и деформационных критериях, позволя­ющих качественно и количественно оценить уровень развития деформационных процессов.

Второй подход основан на неко­торых абстрактных численных показателях (например, бал­лах), совокупно учитывающих различные горно-геологические, горнотехнические и технологические факторы. И, нако­нец, третий подход является вероятностно-статистическим.

Наибольшее распространение получили прочностные кри­терии, основанные на условии недопущения образования на контуре выработки областей предельного и запредельного со­стояния. Впервые подобный подход был сформулирован в ра­ботах К. В. Руппенейта и развит И. В. Баклашовым.

Прогнозирование устойчивости в общем случае сводится к сопоставлению главного максимального напряжения, дей­ствующего на контуре незакрепленной выработки _д, с проч­ностью вмещающих пород на одноосное сжатие или растяже­ние_сж. Выработка считается устойчивой, если выполняется условие

_д - _сж<0( 1 )

Такой подход позволяет интерпретировать этот критерий как прочность незакрепленной выработки.

Различные варианты данного условия связаны либо с уточнением методики определения численного значения пре­дела прочности пород, для чего используется целая система коэффициентов, позволяющих учесть влияние различных горно-геологических и горнотехнических факторов (пластические и реологические свойства пород, трещиноватость, сплошность, естественную и искусственную неоднородность, анизотропию, форму выработки, вид начального напряженного состояния, способ проведения выработки и т. д.), либо с различным спо­собом сравнения напряжений и прочностных характеристик (в точке, на площадке, в условной зоне, по периметру выработки). Фундаментальные исследования в этом направлении проведены Г.Г. Литвинским, И. В. Баклашовым, Б. А. Картозия, Н. С. Булычевым, Н. Н. Фотиевой, В. И. Шейниным, В. В. Виноградовым и др.

Статистическая обработка данных о состоянии горных вы­работок Центрального района Донбасса, эксплуатируемых без крепи, позволила Ю. 3. Заславскому не только подтвер­дить правомерность подобного подхода, но и критерия, харак­теризующего степень устойчивости породного обнажения

К = γН /_сж( 2 )

где γН—вертикальная составляющая компонента начально­го напряженного состояния.

При значениях К>0,24 породный контур считается устой­чивым. Аналогичный критерий получен Л. М. Ерофеевым для условий Кузнецкого бассейна и с успехом применяется для проектирования крепей горизонтальных выработок:

n = _сж / k₁к₂к₃ γН ( 3 )

где к₁ - коэффициент концентрации напряжений на 'контуре выработки;

к₂ - коэффициент влияния смежных выработок;

к₃- коэффициент влияния очистных работ.

При значениях 0,2<n<0,7 вокруг выработки образуется область разрушенных пород.

Один из главных недостатков приведенных выше прочност­ных критериев заключается в том, 'что они не учитывают про­цессы деформирования 'пород за пределом прочности, т. е. основаны на модели идеального хрупкого .массива, согласно -которой несущая способность породы исчерпывается сразу после достижения напряжениями критического значения. В це­лом же положительный опыт использования прочностных кри­териев, дает право на его применение, о чем свидетельствует факт включения в Строительные нормы и правила (СНиП II-94-80),

Развитие исследований по запредельному деформирова­нию пород в 70-х годах привело к установлению принципиаль­но новых закономерностей поведения пород вокруг вырабо­ток. Так, благодаря исследованиям А. П. Немчина, А. М. Линькова, И. В. Баклашова и Б. А. Картозия, В. Т. Глушко. В. В. Виноградова, Г. Т. Кирничанокого, А. Г. Протосени, Г. Н. Ставрогина было существенно развито понимание ме­ханизма потери устойчивости незакрепленных выработок в породах, склонных к хрупкому разрушению» и сформулиро­ван принципиальный подход к построению классификации не­закрепленных горных выработок по устойчивости. К устойчивым относятся незакрепленные выработки, у ко­торых максимальное напряжение на контуре выработки за расчетный промежуток времени не превышает прочности по­род на одноосное сжатие. Выработками средней устойчивости считаются такие, на контуре которых породы переходят в пре­дельное» и затем в запредельное состояние. Неустойчивыми считаются незакрепленные выработки, если породы вокруг них находятся в состоянии остаточной прочности. И, наконец, к сильно неустойчивым - выработки, вокруг которых породы перешли в состояние полного (руинного) разрушения.

В обобщенном виде принцип оценки устойчивого состояния пород, с учетом их запредельного деформирования сформули­рован А. М. Линьковым: устойчивым называется такое состоя­ние пород, для которого любые бесконечно малые перемеще­ния сопровождаются убыванием разности между приращени­ем работы внешних сил и энергией дополнительных деформа­ций. При этом рассчитанные по этим перемещениям напряже­ния в запредельной области должны удовлетворить статиче­ским уравнениям равновесия. Сформулированный А. М. Линь­ковым подход позволяет с единых позиций ставить и решать широкий класс задач геомеханики.

Большим научным и практическим достижением в прогно­зировании устойчивости породных массивов вокруг горизон­тальных выработок явился метод, разработанный во ВНИМИ (К. А. Ардашев, Б. 3. Амусин и др.) и вошедший в Строитель­ные нормы и правила. В качестве критерия для оценки устой­чивого состояния породного массива вокруг горизонтальных выработок приняты смещения на контуре поперечного сечения выработки за весь срок ее службы в незакрепленном состоя­нии.

Величину смещений Uопределяют из выражения

U =K_K_ K_sK_U_Т ( 4 )

где U_Т— типовые смещения, определяемые по специальным графикам в зависимости от глубины заложения выработки и прочности пород на сжатие;K_, K_,K_s, K_ - коэффициенты, учитывающие соответственно угол залегания пород, направ­ление смещений, размеры, выработки, влияние соседних выра­боток и времени установки крепи.

Породы вокруг выработки относятся к неустойчивым, при U> 200 мм для осадочных пород,U> 100 мм для изверженныхU> 300 мм для соляных пород.

Поскольку смещения породного контура являются инте­гральным показателем механических процессов вокруг выра­боток, использование их в качестве критерия .значительно по­вышает надежность прогнозирования устойчивости незакреп­ленных выработок. Исследованиями Ю. 3. Заславского, Е. Б. Дружко, Л. М. Ерофеева установлены эмпирические свя­зи между численными значениями прочностного критерия ус­тойчивости и величинами смещений породного контура. Полученные результаты были успешно реализованы при проекти­ровании крепления капитальных горных выработок на шахтах Донбасса и Кузбасса.

В России и за рубежом проводятся исследования, направ­ленные на разработку классификаций породных массивов по инженерно-техническому состоянию (качеству), основанные на комплексной оценке большого числа влияющих факторов. Примерами таких классификаций могут служить классификации В. А. Гиленко, Н. С. Булычева, Т. X; Кундуроса, 3. Т. Бенявского и др.

Принцип построения таких классификаций состоит в том, что вначале отбираются и группируются факторы, влияющие на инженерно-техническое состояние (качество) массива, за­тем каждому из этих факторов в зависимости от степени его важности присваивается показатель (балл) и по сумме этих показателей оценивается качество исследуемого массива.

В отличие от классификаций, применяемых в настоящее время и основанных только на прочностных или деформацион­ных показателях свойств породы, такие классификации, за счет дифференцированного подхода к учету большого числа факторов позволяют существенно повысить надежность про­гнозирования состояния массива, а, следовательно, и надеж­ность проектных решений.

Так, в классификациях, разработанных в разное время 3. Т. Бенявским и Т. X. Кундуросом, выделены две группы факторов.

В группу естественно-геологических факторов включены механические свойства пород, условия залегания массива, его эрозионная стойкость, структурные нарушения, гидрогеологи­ческие условия, начальное напряженное состояние. К груше инженерно-технических факторов отнесены форма и размеры поперечного сечения выработки, ее ориентация в массиве, на­личие смежных выработок, технология ведения работ, несу­щая способность временной крепи и т. д.

Другим примером может служить классификация Н. С. Бу­лычева, основанная на некотором числовом показателе устой­чивости, учитывающем влияние крепости пород, числа систем трещин, шероховатости стенок трещин, влажности пород, рас­крытия незаполненных трещин, и их заполнения разработан­ной породой или вторичными минералами, а также влияние ориентировки выработки относительно основной системы тре­щин. В соответствии со значением показателя выделяется пять категорий пород по устойчивости: от вполне устойчивых до весьма неустойчивых.

Используемые в расчетах устойчивости величины прочно­стных и деформационных характеристик в силу физической неоднородности и анизотропности массива горных пород дол­жны рассматриваться как существенно случайные. Соответственно случайными становятся и значения действующих на­пряжений. Это обстоятельство послужило развитию особого подхода к оценке устойчивости незакрепленных выработок - вероятностно-статистического (K. В. Руппенейт, В. В. Матвиенко, И. В. Баклашов,, В. И. Шейнин, А. Н. Шашенко и др.).

Особенностью такого подхода является то, что оценивает­ся не собственно устойчивость (прочность) контура выработ­ки, а вероятность ее разрушения, как вероятность достижения предельного состояния пород. Для описания состояния пород­ного контура вводится случайная функция (параметр неразрушимости), равная разности среднего значения предела прочности на одноосное сжатие _сжи среднего значения дей­ствующего напряжения_д . Ее вероятностные характеристики вычисляются через характеристики неоднородного массива и реального контура выработки.

Формула для определения вероятности разрушения имеет вид:

V =0,5 - Ф(Δ) ( 5 ) ,

где Ф(Δ) - функция безопасности;

Δ - характеристика безопасности;

В зависимости от условий задача об оценке устойчивого состояния контура выработки может быть решена в двух ва­риантах: в первом — путем сравнения расчетного объема вывалообразования и вероятности его появления с их допускае­мыми значениями, а во втором - подбором на стадии проек­тирования допустимых значений параметров, определяющих прочность породного контура (например, глубины заложения выработки, размеров ее сечения и т. п.).

В первом случае возможная величина вывалообразования Wpнаходится из следующего выражения:

W_р = W_гл V_p / V_гл( 6 )

где W_гл - возможная величина вывалообразования в выра­ботке с гладким круговым контуром;

V_гл- вероятность появления разрушения на гладком круговом контуре выработки;

V_p - вероятность появления разрушения на контуре ис­следуемой выработки.

Во втором случае определяется допустимый размер R_доппоперечного сечения незакрепленной выработки:

R_доп = √W_доп V_гл / V_рω_гл ( 7 )

где W_доп- допускаемая величина вывалообразования;

ω_гл - коэффициент, не зависящий от размера выработки.

Дальнейшим развитием вероятностного подхода к оценке устойчивости торных выработок являются исследования А. Н. Шашенко, основная идея которых состоит в том, что изменяющийся, по длине выработки коэффициент устойчиво­сти рассматривается как случайная функция, значения кото­рой в произвольном сечении могут отклоняться в ту или иную сторону от предельного уровня. В процессе исследований ус­тановлены статистические закономерности формирования на­грузки на крепь. Доказано, что после того, как основная на­грузка сформирована, коэффициент устойчивости становится по длине выработки стационарной случайной функцией. Для практических расчетов рекомендован вероятностный показа­тель устойчивости, в зависимости от величины дисперсии кото­рого следует планировать такой объем ремонтных работ, при котором соотношение между затратами на проведение и ре­монт выработки будут оптимальными.

Изучение закономерностей взаимодействия породных массивов с конструкциями подземных сооружений

Исследование процессов взаимодействия породных масси­вов с конструкциями подземных сооружений пришло на сме­ну поискам универсальной гипотезы горного давления. Одной из наиболее ранних является гипотеза свода М. М. Протодьяконова. Известны также гипотезы А. П. Гер­мана, В. Д. Слесарева, П. М. Цимбаревича, К. Терцаги и др. Характерной особенностью всех гипотез было отсутствие свя­зи между давлением горных пород на крепь и жесткостью (деформируемостью) самой крепи. Явление взаимодействия крепи с массивом, т. е. зависимость давления (нагрузок) на крепь от жесткости крепи была установлена в результате экс­периментальных и в первую очередь натурных исследований нагрузок на крепь стволов (Г. А. Крупенников, А. М. Козел и др.).

Теоретические исследования взаимодействия крепи с мас­сивом пород осуществлялись на основе решения полярно сим­метричных (одномерных) задач механики горных пород для различных механических моделей пород. Результатом таких исследований явились зависимости между напряжениями на контуре выработки круглого сечения (отпором крепи) и пере­мещениями этого контура, получившие название уравнений (и, соответственно, диаграмм) равновесных состояний мас­сива, ослабленного выработкой. За границей указанные диа­граммы известны как диаграммы Феннера—Пахера, кривые разгрузки и др.

Первое уравнение равновесных состояний было получено К. В. Руппенейтом для упругопластической модели массива при условии несжимаемости материала в пластической области на основе решений Р. Феннера и А. Лабасса, которые по­лучили зависимости напряжений (нагрузок на крепь) от ра­диуса зоны пластических деформаций соответственно для не­связной среды и среды со сцеплением и внутренним трени­ем. Модель Феннера-Лабасса- Руппенейта устанавливает характер и степень снижения требуемого отпора пород (на­грузок на крепь) по - мере допускаемого перемещения контура сечения выработки.

Исследованы модели взаимодействия для упругопластиче­ской среды с линейным упрочнением (Ф. А. Белаенко), для идеально хрупкой среды при образовании вокруг выработки зоны разрушенных - пород с учетом дилатансии пород в зоне разрушения (Ю. М. Либерман), для среды, разрушению ко­торой «предшествует пластическая деформация, в соответствии с деформационным критерием прочности (Н. С. Булычев, Б. 3. Амусин), для среды с линейным разупрочнением за пре­делом прочности, характеризуемым модулем спада напряже­ний (А. М. Линьков, А. Г. Протосеня), для реологических мо­делей пород (А. Салустович, Р. Парашкевов) и др.

Особенностью решения, полученного Ф. А. Белаенко, явля­ется то, что оно в самом общем виде описывает процесс фор­мирования нагрузки на крепь в условиях взаимовлияющей деформации. Нагрузка на крепь может быть определена из уравнения равновесных состояний:

U_∞(P) – U₀=U(P) ( 8 ) ,

где U_∞(P) - смещение породного контура к моменту установ­ления статического равновесия в системе «крепь — массив»;

U₀ -начальные смещения породного контура до мо­мента введения крепи в работу;

U(P),смещение внешнего контура крепи к моменту ус­тановления статического равновесия в системе «крепь—массив».

Уравнение ( 8 ) получило широкое распространение при решении задач механики подземных сооружений, так как при­менимо для анализа процесса взаимодействия крепи с любой геомеханической моделью массива.

Многочисленные исследования процесса взаимодействия инженерных конструкций подземных сооружений с породным массивом направлены на установление закономерностей влия­ния различных горно-геологических и горнотехнических фак­торов на формирование нагрузок: рельеф местности, конструк­тивные особенности крепей и обделок, температурные усло­вия.

Так, например, исследованиями И. К. Гуджабидзе установлено влияние гористого рельефа на напряженно-деформированное состоя­ние крепей горных выработок, сущность которого состоит в том, что нарушается симметричность поля напряжений и де­формаций и искривление главных осей в расчетной области, г. е. осей, перпендикулярных контуру выработки, вдоль кото­рых касательные напряжения равны нулю. Это в свою оче­редь приводит к дополнительной концентрации напряжений в кровле и одной из стенок выработки. В результате, одна часть массива вокруг выработки перегружается в 1,5—2,0 раза больше другой, что ухудшает условия ее устойчивости в це­лом. С увеличением неравномерности строения рельефа и воздействия наземных сооружений указанный эффект усили­вается, что вызывает необходимость предусматривать в кон­струкциях крепей возможность регулирования направления максимальной сопротивляемости и податливости.

Анализируя закономерности взаимодействия крепи с мас­сивом горных пород и влияние ее жесткости на величину на­грузки, Ю. М. Либерман впервые сформулировал принцип оптимальной податливости крепи: оптимальной является та­кая податливость, при которой нагрузка от веса объема по­род в пределах области разрушения равна конструктивной несущей способности этой крепи.

Рассмотрим этот вопрос более подробно. Как уже отмеча­лось ранее, нагрузка на крепь может быть определена из ре­шения уравнения равновесного состояния ( 8 ), в котором ле­вая часть характеризует зависимость смещений на контуре выработки от реакции крепи, а правая выражает зависимость смещений самой крепи от величины действующей на нее на­грузки. Решение этого уравнения удобнее всего представить графически (рис. 1). Кривая 1 отображает левую часть уравнения, а 2, 3 и 4 характеризуют правую часть уравнения, при различных значениях жесткости крепи. Точки их пересе­чения с кривой 1 - О₂, О_з, О₄определяют искомые значения давления на крепь и соответствующего ему смещения контура выработки.

Казалось бы, что чем меньше жесткость крепи, т. е., чем больше ее податливость, тем конечная величина нагрузки на крепь будет меньше (т. О₄). Однако следует иметь в виду, что с уменьшением жесткости (сопротивления) крепи размеры области разрушения вокруг выработки и нагрузка от веса стремящихся обрушиться пород будут увеличиваться. Это на­глядно видно из выражения ( 9 ), определяющего величину нагрузки на крепьРв зависимости от физико-механических свойств пород и сопротивления крепиР_к: