книги / Строительная геотехнология
..pdf5 .1 . СИСТЕМА «МАССИВ — ТЕХНОЛОГИЯ— ПОДЗЕМ НОЕ СООРУЖЕНИЕ» (ОСНОВНЫ Е СОСТАВЛЯЮ Щ ИЕ СИСТЕМЫ )
Для успешного строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях необходимо учиты вать современные принципы оптимального управления, ме тоды обоснования и принятия различного рода решений и другие аспекты.
Управление — функция системы, ориентированная на сохранение ее основного качества либо на выполнение неко торой программы достижения цели системы. Однако до на стоящего времени нет общепризнанного формализованного определения. Всякое описательное определение управления неизбежно ассоциируется с такими понятиями, как цель, сис тема, среда, связи, разнообразие и т.п. В сфере человеческой деятельности управление сводится к целенаправленному воздействию на систему для достижения конкретных целей.
Сущность управления конкретизируется через понятие «система».
Производными от него являются понятия системного анализа как методологии исследования и системного подхо да как принципа обоснования методологии системного ана лиза и синтеза.
В литературе приводится множество определений систе мы. Однако в большинстве случаев эти определения несут отпечаток сферы их использования и по мере повышения уровня знаний видоизменяются и уточняются. В то же время определены ключевые позиции анализа и синтеза систем, их основные отличительные свойства и признаки.
Понятие «проектирование технической системы» (ПТС) гораздо шире по объему, чем понятие «проектирование под земного сооружения», так как, помимо собственно подзем ного объекта, ПТС включает и часть породного массива в границах взаимодействия с подземным объектом.
137
Понятие «природно-техническая система» известно, но разные авторы по-разному трактуют это понятие.
Так, по В.К. Епишину, природно-технической системой называется совокупность инженерного сооружения (комп лекса инженерных сооружений) с частью геологической сре ды в зоне его (их) влияния, имеющей операционально-фик сированные границы. Синонимом понятия ПТС является термин «.геотехническая система» (ГТС), под которой пони мается совокупность взаимодействующих природных и тех ногенных систем. А.Л. Ревзон разделяет эти два понятия, от мечая, что «геотехническая система» — совокупность форм взаимодействия инженерных сооружений с геологической средой — является частью, подсистемой природно-техни ческой системы. Последняя, наряду с геотехнической, вклю чает в себя подсистемы: тропотехническую, аквотехническую, биотехническую и историко-архитектурную. Следова тельно, ГТС представляет собой структурно-функциональ ную часть ПТС.
Г.К. Боднарик и Л.А. Ярг вводят понятие «литотехни ческая система», а М.А. Шубиным введено понятие «геосис тема (природно-технической системы)», ориентированное на комплексирование геосистемного и программно-целевого подходов.
М.С. Голицын и В.Н. Островский часть геологической среды, непосредственно взаимодействующую с техногенны ми объектами, называют «геолого-техногенная система».
В монографии под редакцией академика К.Н. Трубецко го введено понятие «геосистема». Этим понятием выражает ся любая совокупность природных и искусственно создан ных объектов, обладающая свойствами системы, создавае мая или используемая в целях освоения недр.
В.Х. Ахмет и Л.Г. Грабчак под ПТС понимают не про изводственно-технические системы, а производственно-тех нологические, «которые производят готовый продукт, в них сочетаются интересы отдельных личностей и общества...».
Анализируя все вышеперечисленные определения, мож но сделать вывод, что для строительной геотехнологии, где исследуются закономерности поведения подземных соору138
жений в массиве горных пород, технические, экономические и организационные взаимосвязи технологических процессов при их строительстве, реконструкции и повторном исполь зовании, система, которая функционирует в пределах жиз ненного цикла подземного сооружения, носит название
«природно-техническая геосистема» (ПТГС).
На современном этапе развития горного производства ме тодология решения локальных задач становится малоэффек тивной по многим причинам, основнымиизкоторыхявляются:
♦непрерывно изменяющиеся комбинации, параметры оборудования и технологии в зависимости от функцио нального назначения подземных сооружений;
♦непрерывно изменяющиеся параметры физико-меха нических характеристик вмещающего породного масси ва, что требует, с одной стороны, проведения постоян ного мониторинга состояния массива, а с другой сторо
ны — моделирования динамики состояния массива на стадии проектирования технологии строительства под земных сооружений и анализа соответствия технологи ческих решений многовариантным ситуациям; ♦ изменение социально-экономических отношений с
одновременным формированием нескольких видов соб ственности, что осложняет разработку и контроль рег ламентов и нормативов на проведение горно-проходчес ких работ и выдвигает как приоритетную проблему — устойчивость подземных сооружений и безопасность их функционирования на заданный период эксплуатации.
Эти причины (массив, технология, подземное сооружение) можно рассматривать как основные составляющие элементы системы эффективного проектирования подземных сооруже ний, если ее представлять как динамическую систему.
Представим принципиальную логическую схему проек тирования строительства подземных сооружений (рис. 5.1).
Непрерывно возникающие задачи при строительстве подземных сооружений требуют наличия механизма упо рядочения, типизации и ранжирования этих задач в зави симости от целесообразности и возможности решения, от
139
установления приоритета, границ и областей с позиций социально-экономической, экологической и производст венной значимости.
Такой механизм представляется постоянным итерацион ным процессом выявления соответствия возникающих за дач, независимо от области и характера решаемой задачи, наличию нормативно-правового обеспечения, структурных элементов типовых технологических процессов и установле нию границ возможностей решения задач. Эффективность проектирования зависит от того, насколько возможно ком плексно рассмотреть условия размещения подземных соору жений и технологические решения по их строительству, а также соотнести их на параметрическом уровне.
Рис. 5.1. Логическая схема проектирования строительства подземных сооружений
140
Рис. 5.2. Схема взаимосвязей системы «задачи— способы решения»
Главным свойством системы является возможность структуризации объекта проектирования, позволяющая осуществлять адаптацию как с возникающими задачами, так и со способами их решения.
Остановимся на рассмотрении этого вопроса. На рис. 5.2 представлена схема взаимосвязей системы «задачи — способы решения».
Стохастически возникающие задачи, как правило, труд но упорядочить, и тем более типизировать. Поэтому каждую из задач в настоящее время решают по индивидуальной тех нологии, при этом задачи и способ их решения вставляют в типовую структуру проектирования. Имеется еще один принципиальный момент. Формирование традиционных способов решения задач предопределяет первичность поста новки цели и достижение результата, т. е. организационная структура, а она в этом случае представляется структурой и составом технологических решений (средства, механизмы, последовательность операций), всегда вторична. Между тем объективно существует и второй механизм решения: когда первична структура способов решения задач и ставится цель
— какие задачи этой структурой могут решаться. Особо остро этот механизм решения поставили рыночные отноше ния, так как роль технологического ресурса ставится на один уровень с ролью цели.
Таким образом, можно утверждать, что типизация ре шений не может быть выявлена только в последовательных технологических решениях как от цели, так и от структур. Поэтому схема, представленная на рис. 5.2, ставит перед на ми задачу необходимости типизации как структурных эле ментов результата (например, методы подготовки, способы воздействия на массив, методы информационного обеспече ния проектных решений), так и структурных элементов тех нологических процессов (способ проходки выработки, тип
141
Рис. 5.Э. Схема модели соответствия типовых модулей решений (цель) и типовых модулей реализации (технологический ресурс)
крепления, организационно-технические решения). Меха низм решения в конкретном случае проектирования должен позволять конструировать различные комбинации между этими типовыми элементами.
Таким образом, схема взаимосвязей системы «задачи — способы решения» может быть представлена как модель ме ханизма соответствия результата (целевой структуры) и тех нологического ресурса (структуры способа решения задач) в принципиальной схеме проектирования (рис. 5.3).
На схеме модели соответствия «цель — технологический ресурс» блок 1 предусматривает возможность структуриза ции процесса проектирования в соответствии с соотнесением решаемой задачи с предметно-ориентированной структурой результата. Такое соотнесение предполагает, что решение, заложенное в проекте, и реализуемая задача имеют равные характеристики, отражающие направленность решения: со вершенствование технологии ведения горно-строительных работ, возможность создания новых функциональных объ ектов в проектируемых подземных сооружениях, воздейст вие на окружающую среду и ее реакцию, а также последствия
142
в социальной сфере. Эти характеристики задач формируют содержание постановки проектирования в виде, удобном для сравнения. Блок 2 аналогично блоку 1 приводится к виду, позволяющему рассмотреть все его составляющие, заклады ваемые в проект в сравнимом виде и формирующими техно логию реализации.
Закладываемый в механизм соответствия принцип сравни мости по характеристикам элементов результата в виде харак теристик по производственным процессам, по воздействию на окружающую среду и по социальному фактору применительно к конкретному подземному объекту позволяет сформировать целостную систему, отображающую взаимодействие всех фак торов, влияющих на эффективность и безопасность создания и эксплуатации подземных сооружений.
Применяя подходы, используемые в системном анализе, рассмотрим жизненный цикл реализации задачи — создания подземных сооружений, которая включает все стадии от по становки проектирования до строительства, эксплуатации, повторного использования и ликвидации.
Представим схему взаимодействия системы «массив — технология — подземное сооружение» (рис. 5.4).
Эта система включает в себя три основных элемента: массив, технологию, подземное сооружение и их взаимосвя зи. На приведенной схеме блок 3 включает характеристики, описывающие функциональное назначение подземного со оружения в решаемой задаче, и формирует требования к ха рактеристикам вмещающего массива. Блок 1 формирует ис ходную информацию по вмещающему массиву и предопре деляет требования к технологии строительства. Соответс твенно блок 2 описывает варианты технологических решений,
Рис. 5.4. Схема взаимо действия системы «массив
— технология — подзем ное сооружение»; ■+■ — требования по соответст вию; ♦ — выполнение требований
143
которые могут быть использованы для удовлетворения тре бования блоков 1 и 3.
Сформированная таким образом система включает эле менты, состояние которых описывается разномасштабными и разноуровневыми характеристиками. С этих позиций под готовка исходных данных для проектирования строительст ва подземного сооружения в сложных горно-геологических условиях заключается в выявлении соответствия между ха рактеристиками элементов системы, а также оценке их взаи мовлияния и взаимосвязей. Области такого соответствия на ходятся во взаимосвязях взаимодействующих элементов.
Качественное изменение характера современных процес сов требует переосмысления методов их описания и проек тирования. Повышение эффективности проектирования мо жет быть достигнуто за счет применения новых подходов к описанию основных взаимодействующих компонентов сис темы и их взаимосвязей. При этом требуется как разработка эффективных методов оценки и анализа составляющих эле ментов, так и анализ существующих систем описания.
5.2. ВЗАИ М О СВЯЗИ ЭЛЕМ ЕНТОВ П ТГС «М АССИ В — ТЕХН О ЛО ГИ Я — П О ДЗЕМ Н О Е СООРУЖЕНИЕ»
Взаимосвязи элементов системы «массив — технология
— подземное сооружение» — есть основа оценки технологи ческих решений при проектировании строительства подзем ных сооружений.
В подразд. 5.1 были обоснованы основные элементы системы «массив — технология — подземное сооружение», которые включали: подсистему «породный массив» со всеми характеристиками и параметрами, позволяющими оценить состояние массива в рассматриваемый момент; подсистему «подземное сооружение», с характеристиками и параметра ми, оценивающими ее состояние и взаимодействие с масси144
вом; подсистему «технология», включающую технологиче ские процессы и средства, которые реализуют строительство подземного сооружения и поддержание его устойчивости в массиве. Оформленная таким образом система включает элементы, состояние которых описывается разномасштаб ными и разноуровневыми характеристиками. С этих пози ций подготовка исходных данных для проектирования строительства подземного сооружения заключается в выяв лении соответствия между характеристиками элементов сис темы, а также оценке их взаимовлияния и взаимосвязей. Об ласти такого соответствия находятся во взаимосвязях взаи модействующих элементов.
Взаимодействие подземного сооружения с породным мас сивом определяется сочетанием типа подземного сооружения с типом массива, как принципиально различных по материалу: «материал» породного массива функционирует по природным законам, а материал подземного объекта — по техническим. При этом задача проектировщика (изыскателя, строителя, экс плуатационника) состоит в том, чтобы из разнообразного ма териала создать единую природно-техническую геосистему, функционирующую в оптимальном, по некоторым фиксиро ванным критериям, режиме.
Структуру ПТГС и взаимодействие подземного соору жения с окружающей средой можно представить в виде схе мы взаимодействия, приведенной на рис. 5.5.
Рис. 5.5. Взаимодей ствие подземного со оружения (ПС) с ок ружающей средой:
ПТГС — природно техническая геосистема; ОВ — область влияния подземного сооружения на окружающую среду
145
Как видно из этой схемы, ПТГС охватывает некоторое пространство, включающее собственно подземное соору жение (ПС), а также некоторую часть окружающей среды в пределах так называемой области влияния (ОВ).
Рассматривая ПТГС с позиций системного анализа, гра ница ПТГС выбирается так, чтобы ограничить изменение окружающей среды под воздействием подземного сооруже ния в некотором оптимальном диапазоне по заранее вы бранным критериям оптимальности.
Эти границы в общей теории систем называются «гомеостатическими». Они характеризуют допустимый диапазон изменений характеристик ПТГС, внутри кото рого данная ПТГС еще сохраняет механическую устойчи вость или «гомеостазис системы» (от греч. homoios — по добный и statis — состояние, неподвижность), т.е. не пере ходит в другую систему.
Для оптимального функционирования ПТГС обеспече ния одной лишь механической устойчивости недостаточно. Построенный подземный объект может быть устойчивым в механическом отношении, однако вследствие различных инфильтрационных выбросов в окружающий породный массив он может привести к загрязнениям, опасным для здоровья людей, находящихся в пределах данной ПТГС. Таким обра зом, устойчивость функционирования ПТГС должна рас сматриваться с более широких экологических позиций с уче том взаимодействия ПТГС и человека.
Эколого-геологический аспект рассматриваемой про блемы предусматривает выяснение взаимосвязей и взаимо влияния трех основных составляющих ПТГС: массива, тех нологии и подземного сооружения. Схема взаимодействия между ними представлена на рис. 5.6.
Как видно из схемы, между рассматриваемыми элемен тами действуют прямые и обратные связи. Прямая связь (1) выражается в управленческой функции человека (через тех нологию) над подземным объектом в его создании (функци онировании, повторном использовании и т.п.) и не несет эколого-геологического содержания. Обратная связь (2) от ражает прямое влияние подземного сооружения на человека
146