книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений
..pdfА.В. КОРЧАК
МЕТОДОЛОГИЯ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВА
ПОДЗЕМНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
Научный консультант:
Заслуженный деятель науки РФ,
проф., д.т.н. Б.А. Картозия
Москва 2001
УДК 622.228:550.82 ББК 33.15
К 70
А.В. Корчак.
Методология проектирования строительства подзем ных сооружений. — М.: "Недра коммюникейишс ЛТД", 2001. — 416 с.: ил.
ISBN 5-85723-038-1
В монографии проведен анализ современных методов проектирования подземных объектов, а также методов и средств машинного моделирова ния, используемых в проектировании.
Разработаны классификации сложных горно-геологических условий, методов подготовки и способов воздействия на массив горных пород, а также критериев оценки эффективности функционирования сложных природно-технических геосистем для обоснования новых методологических подходов к проектированию строительства подземных сооружений. Разра ботана классификация подземных сооружений для повторного использова ния, методические основы их проектирования строительства с учетом ис пользования в новом функциональном качестве на основе гибких управ ляемых ресурсосберегающих технологий. Приведены результаты экспери ментальных исследований и опытно-промышленная проверка методологи ческих принципов проектирования ресурсосберегающих конструкций кре пи.
Книга рассчитана на широкий круг читателей: проектировщиков, производственников, предпринимателей и студентов высших учебных за ведений, обучающихся по специальности "Шахтное и подземное строи тельство"
ISBN 5-85723-038-1
© А .В. К ор ч ак , 2001
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