Современные проблемы науки и производства в области горного дела

структур Земли, опирается на обширную информационную базу знаний об особенностях рельефа, тектоническом строении, закономерностях проявлений различных физических полей, достижениях в технологиях подземного строительства, создании оборудования для подземных объектов и, следовательно, нуждается в интеграции различных наук. Однако центральное место в системе этих наук, обеспечивающих решение проблемы освоения подземного пространства, занимает строительная геотехнология.

4.3.3. Основные научные направления строительной геотехнологии

Основными научными направлениями строительной геотехнологии являются:

1. Методология создания подземных сооружений, включающая:

–исследования и обоснование целесообразности и технической возможности строительства подземных сооружений, месторасположения подземного сооружения, его форм и размеров в зависимости от функционального назначения

игорно-геологических условий строительства;

–стратегию и методы освоения техногенных подземных пространств при утилизации и повторном использовании существующих подземных горных выработок и сооружений.

2. Механика подземных сооружений, содержанием которой являются:

–методы оценки устойчивости подземных сооружений; исследования про-

цессов взаимодействия инженерных конструкций с породными массивами

ивлияния технологии ведения градостроительных работ на состояние внешней среды;

–обоснование новых материалов, рациональных типов и конструкций крепей и обделок;

–разработка новых методов расчета инженерных конструкций, оценка их прочности, устойчивости и долговечности.

3. Обоснование технологии строительства, реконструкции и восстановления подземных горных выработок и сооружений, включающее:

–исследования взаимосвязей элементов технологии горно-строительных

работ;

–установление качественных и количественных параметров, определяющих выбор способов, техники и технологии строительства, методов организации

иуправления с учетом влияния природных и техногенных факторов на ее тех- нико-экономические показатели;

–исследования и обоснование схем и способов реконструкции и восстановления подземных сооружений с целью увеличения срока их службы или повторного использования с новым функциональным назначением.

4. Управление состоянием породного массива при ведении горно-строи- тельных работ, включающее исследования и обоснование способов и техноло-

251

ELIB.PSTU.RU

гических параметров процессов замораживания, химического укрепления, тампонажа, водопонижения, осушения, разупрочнения пород и др.

Первый научный раздел «Строительной геотехнологии» связан с разработкой научных основ или методологии создания подземных сооружений, учения о методах, приемах и операциях проектирования этих сооружений на основе достижений науки и техники с целью рационального освоения подземного пространства.

Потребность в разработке методологии создания подземных сооружений возникла в связи с возрастающим интересом в мире к освоению подземного пространства недр Земли и необходимостью обеспечения экологической безопасности жизнедеятельности общества. К сегодняшнему дню уже обоснованы методы, принципы и подходы, применение которых обеспечивает повышение качества подземных сооружений. Это является крупным вкладом в развитие методологии проектирования подземных сооружений с целью обеспечения перспектив дальнейшего освоения подземного пространства, экологически безопасного использования недр как элемента среды выживания человека.

Освоение подземного пространства, являющееся составной частью освоения ресурсов недр Земли, осуществляется в целях извлечения полезных ископаемых и размещения различных народнохозяйственных объектов, не связанных с добычей полезных ископаемых. Освоение подземного пространства при добыче полезных ископаемых предполагает использование комплексов созданных подземных горных выработок по окончании эксплуатации месторождения или его части в промышленных и хозяйственных целях.

Освоение подземного пространства для целей, не связанных с добычей полезных ископаемых, предполагает специальное создание подземных сооружений для заданных целей.

Эти различия определяют особенности методологии освоения подземного пространства, создаваемого как при добыче полезных ископаемых, так и для специальных целей. Однако и в том, и в другом случае имеет место общность системы творческих приемов и методов исследований. В методологическом отношении строительная геотехнология представляет совокупность знаний о подземных сооружениях в массиве горных пород, технических, экономических

иорганизационных взаимосвязях технологических процессов при их строительстве, реконструкции и восстановлении с природной средой, с назначением объектов. В область исследований строительной геотехнологии включается обоснование методов проектирования, способов расчета конструкции подземных сооружений, а также методов оценки их надежности и долговечности.

Внедрах Земли, как в развивающейся системе, постоянно происходят фазовые переходы с выделением огромной энергии (землетрясения, обвалы, горные удары, провалы, сдвижения и т.п.). В этих условиях создание подземных сооружений осуществляется как процесс постоянной переработки информации

ипринятия решений, генерирования и оценки инженерных решений с учетом

252

ELIB.PSTU.RU

особенностей строительства и эксплуатации объекта. Поэтому необходимо производить оценку возможных последствий строительства подземных сооружений и его влияния на окружающую среду и экономику региона с учетом критерия «риск – польза».

В процессе строительства подземного сооружения с использованием современных подходов и методов менеджмента создается объект как многофункциональная, интегральная техногенно-природная система, способствующая улучшению инфраструктуры и повышению качества жизни людей. Поэтому методология проектирования подземных сооружений должна также предусматривать оценку особенностей и свойств пород и участка недр для строящихся объектов с целью выбора мест их размещения, определения функций и технологических процессов, осуществляемых на подземном объекте, его архитектурных, объемно-планировочных и конструктивных решений, технологий строительства подземного сооружения.

Это необходимо для определения расчетной стоимости и сроков строительства, исследований технико-экономической целесообразности строительства подземного сооружения с учетом возможных рисков, оценки технического и экономического уровня объекта, оценки его качества и соответствия современным нормам и требованиям.

Проектирование строительства подземных сооружений должно проводиться на основе комплексного подхода к следующим взаимоувязанным проблемам: инженерно-геологической, горно-технологической, конструкционной и защиты объектов во время их эксплуатации. В этом случае представляется возможным выявить все факторы для максимально возможного использования несущих свойств породного массива, передовых технологий с учетом специфики конструкций и их последующей эксплуатации.

Таким образом, методология создания подземных сооружений по существу, является аппаратом, специально приспособленным для принятия решений при проектировании подземных сооружений и освоения подземного пространства.

Утилизация техногенных подземных пространств после окончания деятельности горнодобывающего предприятия или даже одновременно с процессом разработки месторождения является актуальной научной проблемой и важной задачей строительной геотехнологии. Она сулит немалые выгоды по целому ряду соображений:

–техническая и экономическая оценка выработанных пространств является стимулом развития предприятий горнодобывающей промышленности в том смысле, что обоснованием рентабельности малоперспективных шахт и месторождений может служить возможность коммерческого использования их выработок «в последующем»;

–обширные техногенные подземные пространства могут рассматриваться как жизненно важный ресурс в условиях дефицита территории;

253

ELIB.PSTU.RU

–в большинстве случаев систематическое освоение пространства отработанных подземных горных выработок сулит экономический эффект как в отношении строительной стоимости объектов, так и по энергозатратам при их эксплуатации;

–целесообразной в глобальном экологическом аспекте представляется стратегия размещения вредных производств и захоронения промышленных отходов в выработанном пространстве шахт и рудников.

Второй научный раздел «Строительной геотехнологии» связан с геомеханическим разделом горных наук «Недроведение» и имеет целью обоснование технологий, реализующих способы и средства обеспечения прочности, устойчивости и долговечности инженерных конструкций горных выработок и подземных сооружений, на основе закономерностей их взаимодействия с массивом горных пород.

Для прогнозирования механического состояния породного массива, т.е. качественной и количественной оценок 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 в зависимости от параметров сооружений и способов их создания.

Обобщение опыта проведения выработок различного назначения, их размещения в массиве горных пород, выбора формы и площади сечения, а также научные исследования эффективности способов и средств проходки, надежности крепления, долговременной устойчивости выработок привели к созданию рациональных технологий подземного строительства и научно обоснованных конструкций сооружений и крепей. Установлены зависимости смещений контура выработок от глубины их заложения, прочности вмещающих пород, угла залегания, ориентации в массиве; ее размеров, влияния смежных выработок и др.

Исследование процессов взаимодействия породных массивов с конструкциями подземных сооружений пришло на смену поискам универсальной гипотезы горного давления.

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 (диаграмм) равновесных состояний массива, ослабленного выработкой.

Доказано, что несущая способность крепи зависит от толщины прокладок, деформативных свойств забутовочного материала, характера распределения нагрузок по контуру крепи и герметических размеров блоков. Результаты этих исследований вошли в обоснование рациональных конструкций крепей и способов их возведения.

254

ELIB.PSTU.RU

Важным результатом исследования процесса создания набрызг-бетонных обделок является эффект выравнивания нагрузок по контуру выработки. Установлены закономерности изменения контактного давления от последовательности производства проходческих работ.

Многочисленные исследования процесса взаимодействия инженерных конструкций подземных сооружений с породным массивом были направлены на установление закономерностей влияния различных горно-геологических и горнотехнических факторов (рельефа местности, конструктивных особенностей крепей и обделок, температурных условий и т.п.) на формирование нагрузок.

Установлено влияние гористого рельефа на напряженно-деформированное состояние крепей горных выработок, выражающееся в нарушении симметричности поля напряжений и деформаций и искривления главных осей в расчетной области. Это, в свою очередь, приводит к дополнительной концентрации напряжений в кровле и в одной из стенок выработки, 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 регулировку направления максимальной сопротивляемости и податливости.

Разработаны прогрессивные конструкции крепи из армированного набрызгбетона, способные обеспечивать эксплуатационные показатели поддержания выработок и характеризующиеся низкой металлоемкостью при высокой степени механизации ее возведения.

При строительстве и эксплуатации горных выработок и подземных сооружений в условиях значительных сезонных колебаний температуры существенное влияние на напряженно-деформированное состояние крепи могут оказывать температурные напряжения. Для уменьшения их влияния целесообразно применение монолитной крепи без прочной связи с окружающими породами. При сводчатой крепи для снижения суммарных напряжений следует изменить форму выработки, обеспечить переменную толщину крепи в своде с увеличением к пятам.

Установленные фундаментальные закономерности распределения нагрузок на конструкции тоннелей и станций метрополитена явились основой для разработки нормативных документов по проектированию тоннелей.

В основе существующих методик расчета инженерных конструкций подземных сооружений лежат известные методы механики твердого деформированного тела и строительной механики. Данные методики, основанные на одних и тех же принципах механики, отличаются, как правило, гипотезами в постановке и решении задачи. Поскольку расчет конструкций подземных сооружений сопровождается расчетом окружающего породного массива, указанные методы механики применяются как для конструкций, так и для массива, причем в разных сочетаниях в зависимости от постановки задачи и требуемой точности расчетов. Применение этих методов перспективно и в конечном счете сводится

255

ELIB.PSTU.RU

крешению систем алгебраических уравнений, что легко может быть выполнено на современных ЭВМ. Методы механики твердого деформируемого тела имеют довольно ограниченное применение – главным образом для расчета осесимметричных кольцевых конструкций и реже – для конструкций некругового очертания.

Развитием теории и методов расчета конструкций подземных сооружений явилось обоснование принципа единства научных знаний и подходов к расчету всех видов крепи, учитывающего совместное деформирование и взаимодействие обделок подземных сооружений и вмещающего массива, что освобождает от необходимости изначального подразделения нагрузок на активные и реактивные, и позволяет определить нагрузки на крепь в процессе расчета.

Концепция взаимодействия крепи с массивом пород привела к формулировке новых методов расчета и проектирования крепи и в конечном счете –

кформированию нового научного направления в строительной геомеханике – механики подземных сооружений.

Вотличие от традиционных методов расчета, рассматривающих крепь (обделки) как обычные конструкции, испытывающие заданные нагрузки со стороны пород, механика подземных сооружений исследует систему «крепь–массив», рассматривая ее как единую деформируемую систему, воспринимающую внешние нагрузки и воздействия. Элементы указанной системы – крепь и окружающий породный массив – находятся в процессе нагружения в контактном взаимодействии друг с другом. Возникающие в результате этого взаимодействия нормальные и касательные напряжения на контакте крепи с массивом (нагрузки на крепь) определяются в процессе расчета крепи как промежуточный результат.

С использованием этого подхода разработаны математические модели, описывающие взаимодействие с массивом пород и напряженно-деформированное

состояние различных типов, видов и конструкций крепи горных выработок и обделок тоннелей при всех основных видах нагрузок и воздействий, которые испытывает система «крепь–массив».

Разработаны методы расчета и основы технологий возведения многослойных обделок для комплексов параллельных тоннелей круглого и произвольного сечения, крепей стволов в неоднородном и неравномерно оттаивающем массиве вечно мерзлых пород и многослойной крепи в трансверсально-изотропном массиве, различных типов анкерной крепи. Разработаны методы прогнозирования осадок дневной поверхности при строительстве тоннелей и расчета обделок тоннелей мелкого заложения, позволяющие исследовать влияние нагрузок от массы здании, сооружений и транспортных средств.

Обоснование и разработка новых материалов для подземного строительства ведется в направлении повышения долговечности инженерных конструкций. Это приводит к необходимости постановки исследований кинетики комплекса процессов, протекающих при взаимодействии инженерных конструкций с массивом. Примером подобных исследований могут служить исследования меха-

256

ELIB.PSTU.RU

низма процесса массопереноса в бетоне конструкций подземных сооружений при фильтрационном, диффузионном и капиллярном потоках агрессивных веществ и кинетики коррозионных процессов. В частности, установлены эмпирические зависимости изменения прочности бетона тоннельных конструкций, подвергающихся длительному воздействию сульфатных вод, от степени агрессивности последних.

Обводненность подземных выработок и рост гидростатических давлений потребовали создания водонепроницаемых материалов для крепления. Для нейтрализации агрессивного воздействия подземных вод на крепи и обделки созданы сульфатостойкие цементы.

Необходимость забутовки выработанных полостей и закрепного пространства потребовала создания водостойких пластичных и дешевых материалов с использованием гипсоцементно-шлаковых составов совместно с горелыми породами в качестве заполнителей.

Проблемы укрепления и тампонажа несвязных и трещиноватых горных пород привели к разработке рецептур укрепляющих составов на полимерной основе, тампонажных – на глино-цементной и цементной основах.

Третий научный раздел «Строительной геотехнологии» охватывает широкий круг задач, изучающих взаимосвязи горно-строительных процессов и их параметров, техники и технологии подземного строительства с природными факторами и функциональным назначением объектов.

Вертикальные стволы шахт, особенно глубокие (более 1500 м), представляют собой весьма ответственные горные выработки, которые относятся к сложным, трудоемким и дорогостоящим объектам высокого инженерного класса. Затраты на строительство стволов, шахт и рудников составляют от 20 до 50 % общей стоимости горно-капитальных работ, а продолжительность проходки – от 30 до 60 % от общей продолжительности строительства шахты. Естественно, что проблеме исследования технологических схем проходки вертикальных стволов шахт, выбору наиболее рациональных схем для конкретных горногеологических условий, исследованию устойчивости пород, окружающих ствол, выбору типа крепи, взаимодействию пород с крепью ствола, т.е. исследованию вопросов строительной геомеханики, посвящен целый ряд научных работ.

Вэтих работах рассмотрены вопросы оптимального проектирования и создания интенсивных технологий проходки вертикальных стволов, шахт и рудников с применением буровзрывного способа разрушения горных пород. Созданы системы многофакторных моделей, наиболее полно отражающих целостную картину реального многообразия производственного механизма проходки стволов.

Врезультате многолетних комплексных исследований получены новые научные знания:

–установлены основные закономерности технологии проходческих процессов, реально отражающие современный уровень организации и механизации работ;

257

ELIB.PSTU.RU

–получены многофакторные зависимости комплексного влияния различных горнотехнических и технологических факторов на скорость и трудоемкость проходки стволов;

–разработаны расчетно-аналитические методы интенсификации и оптимизации производственно-технологического режима проходки с учетом оценки детерминированных и вероятностных связей в совокупном их проявлении;

–установлены количественные связи новых элементов технологии БВР

сприменением глубоких шпуров и механизированных бурильных установок;

–определены особенности функционирования погрузочных и подъемных установок в рамках единого процесса безлюдной погрузки породы и работы без перецепки бадей;

–предложен новый подход к определению и оценке стоимостных параметров проходческих работ по системе экономического паспорта на базе обобщения элементов первичных затрат.

Врезультате были разработаны прогрессивные совмещенные технологические схемы проходки стволов с призабойным возведением бетонной крепи, па- раллельно-щитовая схема с возведением постоянной крепи, новые типы призабойных опалубок с автоматизированным отрывом от бетона и др. Все это обеспечило достижение высоких темпов проходческих работ (до 400 м/мес).

Зарубежный и отечественный опыт свидетельствует, что освоение подземного пространства все в большей степени требует применения высоких технологий, представляющих собой органический синтез фундаментальных закономерностей горно-строительных процессов, совершенных способов ведения работ, наивысшего уровня их механизации, контролируемости и возможностей управления.

Характерным примером современной высокой технологии проходки горизонтальных подземных горных выработок является строительство подводного железнодорожного перехода под проливом Ла-Манш. Протяженность каждого из трех тоннелей 50 км. Железнодорожные и вспомогательные тоннели с внутренними диаметрами соответственно 7,6 и 4,8 м прокладывали с обеих сторон. Для проходки тоннелей были использованы специально сконструированные тоннелепроходческие комплексы. На участках сооружения тоннелей в скальных и смешанных породах проходческие комплексы оборудовали системами опережающего химического укрепления пород. В благоприятных условиях при применении обделки, обжимаемой в породу, была достигнута рекордная скорость проходки – 1700 м/мес, а на участках, где применялась обычная обделка из железобетонных тюбингов с болтовыми связями и гидроизоляцией швов, скорость не превышала 1200 м/мес.

Технология строительства подземных сооружений и ее организацион-

ные формы за последние десятилетия претерпели принципиальные изменения, став областью высоких технологий и деловой активности специализированных фирм.

258

ELIB.PSTU.RU

Наиболее перспективен при проходке тоннелей новый австрийский метод (НАТМ). Присущая ему гибкость технологии в сочетании с инженерногеологической экспертизой и систематическим контролем за изменением деформированного состояния крепи и окружающего массива создают оптимальные условия для широкого распространения НАТМ при проходке подземных горных выработок в неоднородных инженерно-геологических условиях, в том числе в закарстованных грунтах. НАТМ предусматривает использование анкеров и набрызг-бетона.

В варианте аналогичного способа проходки горных выработок, разработанном отечественными специалистами, предусматривается закрепление выработки по ее длине крепями, имеющими различную несущую способность и податливость. Таким образом, в процессе строительства выработки как бы регулируется несущая способность крепи в зависимости от изменения геомеханических условий. Способ крепления горных выработок, включающий установку первоначальной крепи и последующее ее усиление дополнительными элементами, отличается тем, что с целью обеспечения соответствия характеристик крепи свойствами массива горных пород определяют минимальные, максимальные и сигнальные смещения кровли выработки, а первоначальную (базовую) крепь устанавливают на всем ее протяжении с несущей способностью, соответствующей минимальным смещениям. Внедрение крепи регулируемого сопротивления позволяет исключить необоснованные запасы прочности крепи на участках с благоприятными горногеологическими условиями и предотвратить ее разрушение и перекрепление в неблагоприятных условиях за счет своевременного увеличения несущей способности. Сформулированный новый подход к креплению выработок является основой для разработки гибкой ресурсосберегающей технологии в шахтном строительстве. Экспериментальное внедрение разработанного способа крепления подтвердило его эффективность.

Норвежский способ проходки тоннелей (НГМ) наиболее применим для сооружения тоннелей в крепких трещиноватых породах, разрабатываемых обычно с выемкой пород буровзрывным или комбайновым способами и креплением на- брызг-бетонной крепью и анкерами.

Одним из важнейших направлений научных исследований в области совершенствования технологии строительства тоннелей является механизация горнопроходческих работ.

Ведущие фирмы мира разрабатывают новые проходческие комбайны и совершенствуют уже созданные. Так, японская фирма «Мицубиси» изготовила новый проходческий комбайн для сооружения тоннеля диаметром 8,4 м. Самый большой в мире роторный проходческий щит изготовлен также японской фирмой «Кавасаки даюкоге». Его наружный диаметр 13,98 м, длина 11,8 м, мощность привода 1080 кВт. Самый большой в мире проходческий арочный щит для проходки тоннелей сечением 150 м2 изготовлен в Италии.

259

ELIB.PSTU.RU

Расширяется область применения стреловых комбайнов избирательного действия, имеющих навесное оборудование для бурения шпуров и установки анкеров и металлической арочной крепи. При использовании комбайнов избирательного действия в тоннелестроении средняя скорость проходки составляет 150 м/мес и более.

На проходке перегонных и станционных тоннелей метрополитенов в России применяются проходческие комбайны со стреловидным органом. Их внедрение обусловило коренное изменение технологии проходки и крепления выработок, применение многооборотной инвентарной и металлической арочной крепи и, что особенно важно, позволило отказаться от буровзрывного способа работ в условиях городской застройки.

Строительство метрополитенов в самых различных гидрогеологических условиях, и в первую очередь в неустойчивых и мягких горных породах, осуществляется во все более увеличивающихся масштабах с помощью проходческих щитов различных типов. В частности, реализована технология, при которой порода в призабойной камере щита, отделенной герметичной перегородкой и заполненной грунтовым или тиксотропным раствором, разрабатывается гидромеханизированным способом или механизированным исполнительным органом, превращается в пульпу и удаляется по трубе.

Особенно эффективным оказалось применение механизированных щитов в сочетании с обделками, обжимаемыми в породу. На строительстве СанктПетербургского метрополитена в сухих протерозойских глинах были достигнуты устойчивые скорости проходки тоннеля щитовым комплексом до 300 м/мес, а рекордная скорость сооружения составила 1253 м/мес.

Сооружение камер большого сечения требует решения двух взаимосвязанных проблем: обеспечение устойчивости массива пород вокруг камер и эффективность разработки внутрикамерного объема. Для решения первой проблемы разработан ряд конструктивных и технологических решений, к которым относится предварительное укрепление скального массива при сооружении подземных камер большой площади сечения, предназначенное, в частности, для проходки камер пролетом 50–60 м и высотой 60–80 м в зонах значительных тектонических нарушений и сейсмических районах.

Для строительства вертикальных камер цилиндрической формы предложен способ, в котором для создания защитного пояса используется спиральный тоннель, проводимый по периферии камеры. Размеры породных целиков между спиралями тоннеля должны обеспечивать их устойчивость. Из спирального тоннеля крепят контур камеры предварительно напряженными анкерами. Тем самым еще до начала разработки вокруг камеры создается защитный пояс из породы, укрепленной анкерами, воспринимающий деформации горного массива при строительстве камеры. При недостаточно прочных породах для этой цели модно применять инъекционное упрочнение массива различными способами.

260

ELIB.PSTU.RU