книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

ВВЕДЕНИЕ

Глобальный интерес к проблеме освоения подземного пространства и успехи, достигнутые в практическом реше­ нии этой важной для человеческого общества проблемы спо­ собствовали активизации исследований в области методоло­ гии горных наук. Крупным результатом теоретических ис­ следований, проведенных во второй половине 90-х годов, явились современная концепция использования и сохране­ ния недр и новая классификация горных наук. В соответст­ вии с новой классификацией, строительная геотехнология осуществляет научное обеспечение проблемы освоения под­ земного пространства как специфического георесурса недр. Издание в 1997 году фундаментального труда «Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли», подготовленного груп­ пой российских ученых под эгидой ИПКОН РАН, является событием особой важности, так как подводит итоги много­ летних исследований в области методологии горных наук, проводимых под руководством академиков Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского и М.И. Агошкова и знаменует начало нового этапа исследований по проблеме комплексного освоения недр.

Огромная заслуга акад. В.В. Ржевского состоит в том, что он первым из ученых - горняков сумел преодолеть стереотип в подходе к определению понятия "горное дело" и разрабо­ тал классификацию горных наук, включающую все основ­ ные элементы освоения недр земли. Он, в частности, впер­ вые ввел термин "строительная горная технология" и обо­ значил им горную науку, главной задачей которой является обеспечение исследованиями проектирования, строительства и реконструкции горных предприятий по добыче полезных ископаемых и подземных сооружений различного назначе­ ния. Предложенный термин полностью отвечает научному содержанию технологии в современном ее понимании: вы­ явления физических, химических, механических и других закономерностей с целью определения и использования на

практике наиболее эффективных и экономичных производственных процессов.

В свете новых подходов к проблеме комплексного освоения недр, при которой "использование недр и их сохранение как видоизменяемого ресурса жизнеобеспечения общества составляет современное идейное содержание комплексного освоения недр" [97], роль подземного строительства резко возрастает, прежде всего ввиду расширения понятия «георе­ сурсы», которое согласно классификации [45] охватывает и функционирующие подземные сооружения.

При такой постановке, сами горные выработки и подзем­ ные сооружения не только становятся материальным ресур­ сом, но и открывают путь к освоению иных ресурсов, ис­ пользование которых позволит не только компенсировать первоначальные затраты, но и получить дополнительный хо­ зяйственный, экономический или социальный эффект.

С этих позиций отдельные участки земной коры, пригод­ ные для размещения в них промышленных, хозяйственных и других объектов с полным основанием могут быть отнесены к георесурсам [45].

Использование этого нового материального георесурса может рассматриваться как этап дальнейшего использования недр для новых общественных потребностей (размещение новых производств, хранилищ, захоронение отходов и т.д.).

Проектирование строительства подземных сооружений является частью исследований по «разработке принципов, теории, методологии и новых методов проектирования и планирования экологически безопасного (сбалансированно­ го) освоения недр с целенаправленным воссозданием в но­ вом функциональном назначении» [97].

В условиях рынка строительство, как и все отрасли про­ изводственной сферы, приобретает новый экономический смысл, связанный со свободной динамикой капитала и сво­ бодой деятельности каждого объекта собственности. На сме­ ну вертикальным отраслевым связям, преобладающим в ад­ министративно-плановой экономике, приходят горизонталь­ ные связи инвесторов, поэтому строительство как экономи­ ческий процесс представляет собой непрерывную инвести­ ционную деятельность собственников капитала на протяже­

нии жизненных циклов зданий или сооружений, в возведе­ ние которых этот капитал был вложен.

Для успешного строительства подземных сооружений не­ обходимо учитывать современные принципы проектирова­ ния, оптимального управления, методы обоснования и при­ нятия различного рода решений и другие аспекты.

Управление - функция системы, ориентированная на со­ хранение ее основного качества, либо на выполнение неко­ торой программы достижения цели системы. Однако до на­ стоящего времени не имеется общепризнанного формализо­ ванного определения. Всякое описательное определение управления неизбежно ассоциируется с такими понятиями, как цель, система, среда, связи, разнообразие и т.п. В сфере человеческой деятельности управление сводится к целена­ правленному воздействию на систему для достижения кон­ кретных целей.

Сущность управления конкретизируется через понятие «система». Производными от него являются понятия систем­ ного анализа как методологии исследования и системного подхода как принципа обоснования методологии системного анализа и синтеза.

В научной литературе приводится множество определе­ ний системы. Однако в большинстве случаев эти определе­ ния несут отпечаток сферы их использования и по мере по­ вышения уровня знаний видоизменяются и уточняются. В то же время определены ключевые позиции анализа и синтеза систем, их основные отличительные свойства и признаки.

Для строительной геотехнологии, где исследуются зако­ номерности поведения подземных сооружений в массиве горных пород, технические, экономические и организацион­ ные взаимосвязи технологических процессов при их строи­ тельстве, реконструкции и повторном использовании [45], система которая функционирует в пределах жизненного цикла подземного сооружения носит название "природно­ техническая геосистема" (ПТГС).

В рамках существующих методов проектирования строи­ тельства подземных сооружений отсутствует основа на ко­ торой возможно построить принципиально новую методоло­ гию, предусматривающую проектирование строительства

подземных объектов на основе управляемых технологиче­ ских процессов и с целенаправленным воссозданием в новом функциональном качестве. Более того, использование тради­ ционных методов проектирования строительства подземных сооружений может привести к тому, что на стадии перехода подземного объекта к новому функциональному качеству, затраты могут значительно превысить первоначальные капи­ тальные вложения, либо вообще использование подземных объектов в новом функциональном качестве не представля­ ется возможным.

Отличительной особенностью горнодобывающего пред­ приятия является необходимость периодическою воспроиз­ водства его мощности в течение всего жизненного цикла, причем такое воспроизводство обходится все дороже, по­ скольку осуществляется в непрерывно ухудшающихся горно­ геологических условиях, связанных с увеличением глубины разработки. Многочисленные проявления сложных гидро­ геологических, геомеханических и газодинамических усло­ вий, сопровождающие строительство подземных объектов, несмотря на применяемые технологические меры по их пре­ дупреждению, требуют огромных затрат на их ремонт и вос­ становление. Анализ показывает, что строительство новых и реконструкция действующих подземных объектов в боль­ шинстве случаев будет производиться в сложных горно­ геологических условиях.

Усложнение горно-геологических условий разработки по­ лезных ископаемых, ухудшение экологической ситуации горнопромышленных регионов, широкое освоение подземно­ го пространства крупных городов, а также изменение эко­ номических взаимоотношений и формирование различных видов собственности предопределяют объективную необхо­ димость формирования новых методологических подходов к проектированию строительства подземных сооружений.

Отсутствие такого рода исследований подчеркивает объ­ ективность и необходимость типизации различных горно­ геологических условий строительства подземных объектов, методов подготовки и способов воздействия на массив гор­ ных пород как основного процесса подготовки исходных данных для проектирования строительства с одной стороны,

а с другой стороны, для выявления вариантности последст­ вий техногенного воздействия с целью разработки и опти­ мизации способов предотвращения опасных реактивных яв­ лений.

Условия, в которых происходит строительство подземных сооружений, характеризуются множеством переменных природных, техногенных и антропогенных факторов, взаи­ модействие которых создает множество комбинаций, отра­ жающих специфику требований к способам их строительст­ ва, эксплуатации или повторного использования.

При таком большом количестве влияющих факторов, из­ менение любого из них может привести к нарушению нор­ мально запроектированного технологического режима. В этих условиях разработка и внедрение гибких управляемых технологических процессов при строительстве подземных объектов, позволяющих быстро реагировать на происходя­ щие изменения, является новым направлением в техниче­ ской политике проектирования.

Разработанный методологический подход к проектирова­ нию строительства подземных сооружений увязан с общей методологией освоения подземного пространства, что дости­ гается путем соответствия принимаемых решений совокуп­ ности общих требований по сохранению недр как видоизме­ няемого георесурса. Степень такого соответствия оценивает­ ся с помощью специальных критериев, позволяющих про­ гнозировать технические, экономические, экологические и социальные последствия принимаемых решений.

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 (банк знаний и их конверта­ ция).

Поскольку процессы в массиве протекают непрерывно с изменениями от техногенного и антропогенного воздейст­ вия, то на всех этапах проектирования возникает вопрос уточнения исходных данных. По существу, построение моде­ ли объекта для проектирования объективно требует геомеханического мониторинга ситуации в рассматриваемой сис­ теме, как основы для прогнозирования и разработки требо­ ваний к технологии, в которой изначально должны быть за­ ложены элементы управления. Существующая практика не реализует этого подхода, в основном, по экономическим и техническим причинам. Разрешение этого противоречия возможно при переходе к концепции проектирования на ос­ нове информационного моделирования систем. С этих пози­ ций, рассматриваемая система "массив технология под­ земное сооружение " представляет собой модель, которая с одной стороны, обладает всеми свойствами открытой систе­ мы (гибкость, динамичность, целостность, сложность и т.д.), а, с другой стороны, как некоторое логическое построение, отображающее наше представление об объекте и протекаю­ щих в нем процессах, обладает свойствами информационной модели.

В ходе подготовки рукописи к публикации, автор обсуж­ дал промежуточные результаты и перспективы исследований с рядом ведущих специалистов в области методологии про­ ектирования и технологии строительства подземных соору­ жений, управления состоянием массива, математических ме­ тодов моделирования в горном деле, физико-технического геоконтроля. Такие контакты способствовали формированию взглядов автора в выбранной области исследований, за что автор искренне благодарен научному консультанту д.т.н. Б.А. Картозия, д.т.н. М.Н. Шуплику, к.т.н. В.А. Пшеничному, д.т.н. А.С. Малкину, д.т.н. С.А. Редкозубову, д.т.н. В.Л. Шкуратнику и др.

Глава 1

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Современная практика проектирования строительства подземных сооружений в основном использует традицион­ ный эмпирический подход, основанный на опыте строитель­ ства аналогичных объектов, на данных инженерных изыска­ ний и наблюдений за процессом строительства.

Проектирование строительства подземного объекта осу­ ществляется для каждого конкретного случая индивидуально, в соответствии с основным функциональным назначением, эксплуатационными параметрами и характеристиками вме­ щающего породного массива. При этом не рассматривается возможность использования проектируемых объектов в но­ вом функциональном качестве в будущем. Вместе с тем, в действующих отраслевых нормах проектирования строи­ тельства подземных объектов есть только общие указания на необходимость учета закрепленных в законодательном по­ рядке требований по рациональному и комплексному освое­ нию недр, однако каких-либо конкретных рекомендаций на этот счет не содержится.

От качества проектов непосредственно зависит техниче­ ский и экономический уровень создаваемых объектов, сроки и затраты на их строительство, качество и стоимость выпус­ каемой продукции, материалоемкость и трудоемкость строи­ тельства и эксплуатации, рациональное использование ре­ сурсов. Именно поэтому прогрессивность и экономичность способов работы, а также развитие будущих шахт опреде­ ляются тем, насколько полно в проектах будут учтены пере­ довые достижения горной науки, техники и технологии. Ка­

чество проектных решений, в конечном счете, оказывает не­ посредственное влияние на конкурентоспособность пред­ приятия в рыночной среде.

В настоящей главе проведен анализ современных методов проектирования в шахтном и подземном строительстве, а также анализ методов и средств машинного моделирования, используемых в проектировании.

§ 1.1. Анализ методов проектирования угольных шахт

Проект шахты является основой не только ее работы в период эксплуатации, но и предопределяет всю дальнейшую деятельность шахты, как бы долго она не продолжалась.

Современная угольная шахта является весьма сложной большой системой взаимоувязанных технологических про­ цессов и комплексов. При этом, в связи с развитием техники и совершенствованием процессов и комплексов их взаимоувязка и выбор наиболее оптимального сочетания становятся задачей все более трудоемкой. Кроме того, проектирование угольных предприятий требует учета большого количества отраслевых нормативных документов.

Технологическая система шахты включает набор матери­ альных объектов и информацию об их состоянии. Эта сис­ тема является управляемой, весьма сложной из-за большого числа элементов и имеет непрерывное развитие. По мнению акал В.В. Ржевского существует задача исследования систе­ мы на оптимум, т.е. определение такого варианта набора со­ ответствующих элементов и способа их соединения в кон­ кретных условиях, при котором ни один другой способ не обеспечивает большей эффективности производства [86].

Теоретической базой для решения сложных задач проек­ тирования угольных шахт служат работы основоположников горной науки: академиков: Л.Д. Шевякова, А.А. Скочинского, А.М. Терпигорева, профессоров: Б.И. Бокия, М.М. ПротоДья­ конова и других ученых.

Заметное развитие теории проектирования угольных шахт достигнуто в результате внедрения в практику проектирова­