автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Обоснование и разработка методологии проектирования строительства и повторного использования подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях

Г'ГБ ОД

2 2 ШОП т

На правах рукописи

КОРЧАК АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 622.228.550.82.(043.3)

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В сложных ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность: 05.15.04 - "Строительство шахт и подземных сооружений"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998 г.

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

Научный консультант: Лауреат Государственной премии СССР, докт. техн. наук, проф. КАРТОЗИЯ Б.А.

Официальные оппоненты: докт. техн наук, проф. КОМАЩЕНКО В.И. докт. техн наук, проф. МАЛКИН A.C. докт. техн наук, проф. НИЛЬВА Э.Э.

Ведущая организация АО «РОСТОВШАХТОСТРОЙ»

Защита состоится 25 июня 1998 года в 10 час. на заседании диссертационного совета Д - 053.12.11 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 25 мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук, проф.

М.Н. Шуплик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Составной частью глобальной научно-технической проблемы комплексного освоения недр Земли является освоение подземного пространства, связанное с многофункциональным использованием природных и техногенных полостей для размещения в них различных объектов жизнеобеспечения. Основополагающей идеей освоения подземного пространства является принцип его использования и сохранения как видоизменяемого ресурса.

Этот принцип требует глубокого научного обоснования всех проектных решений по строительству, эксплуатации, реконструкции и повторному использованию подземных сооружений.

Подземное пространство, образующееся при подземной разработке месторождений полезных ископаемых, является практически невостребованным, а его объемы огромны. Объем подземного пространства всех шахт и рудников страны составляет около 1 млрд. м3 капитальных и подготовительных выработок и 500 млн. м3 в год очистных.

В соответствии с новой классификацией горных наук, научное обеспечение проблемы обоснования стратегии и методов освоения подземного пространства осуществляет строительная геотехнология.

Одним из главных научных разделов строительной геотехнологии является методология проектирования строительства подземных сооружений.

Методология проектирования подземных сооружений определяет уровень развития техники и технологии на перспективу. От совершенства практических методов проектирования, их научной обоснованности зависит геотехнологическая стратегия освоения подземного пространства.

Проектирование строительства подземного сооружения осуществляется для каждого конкретного случая индивидуально, в соответствии с основным функциональным назначением, эксплуатационными параметрами и характеристиками вмещающего породного массива. При этом не рассматривается возможность использования проектируемых объектов в новом функциональном качестве в будущем.

Условия, в которых происходит строительство подземных сооружений, характеризуется совокупностью переменных природных, техногенных и антропогенных факторов, взаимодействие которых

создает множество комбинаций, отражающих специфику требований к способам их строительства, эксплуатации или повторного использования.

В связи с увеличением глубины разработки месторождений полезных ископаемых горно-геологические условия резко ухудшаются. Многочисленные проявления сложных гидрогеологических, геомеханических , гео - и газодинамических условий, сопровождающие строительство подземных сооружений, несмотря на применяемые технологические меры по их предупреждению, требуют огромных затрат на их ремонт и восстановление. Так, 77% всех угольных шахт работают в сложных газо-и геодинамических условиях, а 41 % - в сложных геомеханических. Строительство подземных сооружений не связанных с добычей полезных ископаемых осуществляется, как правило, в крупных городах, где также сложные горногеологические условия.

Обоснование методологии проектирования строительства различных подземных сооружений, позволяющей с единых позиций реализовывать их видоизменяемое функциональное назначение применительно к различным горно-геологическим условиям, техническим и технологическим требованиям, экологическим, социальным и экономическим факторам является актуальной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Целью работы является научное обоснование и разработка методологии проектирования строительства и повторного использования подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях, на основе управляемых технологических процессов, обеспечивающих освоение и сохранение подземного пространства как видоизменяемого георесурса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать классификацию сложных горно-геологических условий, соответствующих им 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;

• разработать структурную модель устойчивого функционирования природно-технической геосистемы "массив - технология -подземное сооружение", обеспечивающую освоение подземного пространства как видоизменяемого георесурса;

• разработать классификацию подземных сооружений для повторного использования, методические основы их проектирования строительства с учетом использования в новом функциональном качестве на основе гибких управляемых ресурсосберегающих технологий, в том числе для наиболее трудоемких технологических процессов;

• провести экспериментальные исследования и опытно-промышленную проверку методологических принципов проектирования строительства подземных сооружений для наиболее трудоемких технологических процессов на примере сложных геомеханических условий.

Основная идея работы заключается в представлении подземного сооружения как элемента единой сложной природно-технической геосистемы "массив - технология - подземное сооружение ", основанной на динамической взаимосвязи всех элементов, позволяющей прогнозировать технические, экономические, экологические, социальные последствия принимаемых решений и гибко реагировать на изменение техногенных и антропогенных факторов путем оперативного регулирования параметров технологического процесса.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, шахтные инструментальные наблюдения, аналитические исследования, лабораторные и шахтные натурные эксперименты, методы математической статистики.

Основные научные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:

1. Решающим фактором повышения эффективности освоения и сохранения подземного пространства как видоизменяемого георесурса является проектирование строительства подземных сооружений с целенаправленным воссозданием в новом функциональном качестве. В этом случае подземное сооружение является таким материальным ресурсом, который позволяет компенсировать первоначальные затраты на его строительство и получить дополнительный хозяйственный, экономический или социальный эффект;

2. Эффективность проектирования строительства подземных сооружений определяется определяется уровнем типизации как самих элементов единой сложной геосистемы "массив - технология -подземное сооружение", так и их взаимосвязей, учитывающих изменение техногенных и антропогенных факторов, путем управления

технологическими параметрами строительства, обеспечивая тем самым устойчивое функционирование подземного сооружения на период всего жизненного цикла;

3. Поддержание оптимального режима производственного процесса в системе "массив - технология - подземное сооружение" , а также основные конструктивные и технологические параметры управляемых технологий, в том числе при креплении горных выработок как наиболее сложном технологическом процессе основываются на гибком реагировании к поведению окружающей среды посредством оперативного регулирования различных параметров по данным непрерывного контроля.

4. Управляемая ресурсосберегающая технология крепления горной выработки заключается в предварительном определении качественной и количественной оценки реализации механических процессов по ее длине в процессе строительства, эксплуатации и повторного использования, последовательном выборе параметров базовой крепи и крепи усиления для каждого конкретного участка и непрерывном геомониторинге, обеспечивающем обратную связь в системе «массив - технология - подземное сооружение». Контроль устойчивости горной выработки в процессе ее жизненного цикла осуществляется инструментальным путем по критерию «сигнальные смещения», полученному в результате анализа деформационных процессов вокруг выработки и учитывающим тип и параметры установленной базовой крепи, технологию проходки, конструкцию крепи усиления и время ее установки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

• корректным использованием математических моделей, созданных на основе апробированных аналитических зависимостей при составлении расчетных алгоритмов;

• проверкой результатов теоретических исследований значительным объемом шахтных инструментальных наблюдений за проявлениями горного давления;

• удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований, лабораторных и производственных экспериментов;

• положительными результатами производственных испытаний и внедрением результатов исследований.

Научное значение н новизна работы заключается в следующем:

• сформулирована концепция формирования и функционирования сложных природно-технических геосистем, к которым отно-

сятся объекты шахтного и подземного строительства, положенная в основу методологии проектирования строительства подземных сооружений с использованием гибких управляемых технологических процессов, которая позволяет обеспечивать освоение и сохранение подземного пространства как видоизменяемого георесурса.

• обоснован принцип устойчивого функционирования сложных природно-технических геосистем, основанный на динамической взаимосвязи всех элементов и обеспечивающий проектирование строительства подземных сооружений в соответствии с функциональным назначением, техническими, экономическими и др. требованиями и позволяющий прогнозировать условия развития на период всего жизненного цикла подземного сооружения;

• разработана классификация функциональных, горнотехнологических, экономических и антропогенных критериев для обоснования конструктивных и технологических решений по проектированию строительства подземных сооружений, основанных на снижении капитальных вложений, сохранении окружающей среды, устойчивости функционирования подземного сооружения, а также конкурентоспособности на мировом рынке технологий;

• сформулирована и доказана необходимость введения и учета обратных связей в системе "массив - технология - подземное сооружение", позволяющих учитывать изменения геомеханических условий строительства по длине выработки путем определения и контроля сигнальных смещений для установленной конструкции крепи как на стадии проектирования, так и на стадии строительства и эксплуатации;

Практическое значение диссертации заключается в следующем:

• разработаны классификации горно-геологических условий, с соответствующими им методами подготовки и способами воздействия на массив горных пород, а также критериев оценки эффективности функционирования сложных природно-технических систем, которые позволяют на стадии проектирования строительства подземных сооружений прогнозировать последствия техногенных воздействий и определять эффективные технические решения;

• обоснованы расчетно-аналитические алгоритмы оптимизации параметров технологии крепления капитальных горных выработок ресурсосберегающими конструкциями крепи, защищенные авторским свидетельством, которые доведены до инженерных методов и отраслевых нормативных документов, повышающих обосно-

ванность и надежность проектирования крепления горных выработок;

• разработана методика проектирования ресурсосберегающей технологии крепления горных выработок на основе управляемых технологических процессов, позволяющая снизить стоимость и материалоемкость крепления за счет оптимального по экономическим и техническим показателям возведения по длине выработки различных конструкций крепи;

• разработана новая ресурсосберегающая технология крепления горных выработок крепью регулируемого сопротивления, которая позвбляет уменьшить первоначальные капитальные затраты на строительство и использовать их при переоборудовании технологического подземного пространства для функционирования в новом качестве.

Реализация результатов работы. Результаты использованы при составлении следующих нормативно-методических документов: Основные направления строительного проектирования подземных объектов, Москва, ЦНИИпромзданий, 1991; Временное руководство по проектированию крепи регулируемого сопротивления капитальных горных выработок на шахтах Донбасса ( РД. 12.13.058.87, утв. Минуглепромом СССР, 19В7); Временное руководство по проектированию ресурсосберегающих конструкций крепи капитальных горных выработок на шахтах Кузнецкого угольного бассейна (утв. ОАО "Росуголь", 1997).

Методика проектирования капитальных горных выработок с применением ресурсосберегающих конструкций крепи принята к использованию АО "КузНИИшахтострой".

Основные положения методологии проектирования строительства подземных сооружений включены в справочник "Строительство горных выработок в сложных горнотехнических условиях" (изд. Недра, 1992), два учебных пособия и практикум для студентов, обучающихся по направлению "Горное дело".

Рекомендации по креплению капитальных горных выработок приняты производственными объединениями "Ворошиловградшах-тострой", "Краснодонуглестрой", "Краснодонуголь" при конкретном проектировании и планировании горных работ.

Апробация работы. Основные результаты работы, отдельные положения и разделы диссертации докладывались и получили одобрение на: региональной научно-технической конференции "Совершенствование технологии, механизации и автоматизации горных

работ", г. Тула, 1981; международном коллоквиуме по механике горных пород в г. Фрайберг, (Германия), 1986; IX Всесоюзной научной конференции "Разработка и внедрение средств комплексной механизации и автоматизации проведения горных выработок", г. Рудный, 1987; Всесоюзной научной конференции "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов", Москва, 1987; IV международной горно-геологической конференции в Чехословакии, г. Острава, 1990; международной конференции "Горная наука и технология", Китай, 1991; межвузовском семинаре по проблеме "Освоение подземного пространства недр России и Украины", Украина, г. Краснодон, 1996; Всемирном конгрессе по тоннелестроению, Австрия, 1997; заседании круглого стола "Научно-технические проблемы разработки экологически безопасных технологий строительства и эксплуатации подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях", Москва, ИПКОН-МГГУ, 1997; II региональном международном симпозиуме "АРСОМ-97 Применение компьютеров и исследование операций в горной промышленности", Россия, Москва, 1997; заседании круглого стола "Строительная геотехнология: научно-технические проблемы освоения подземного пространства", Москва, ИПКОН-МГГУ, 1998; на экспертных советах по шахтному строительству по программе "Уголь России" ОАО "Росуголь", (1994-1997); на научно-технических советах "Укршахтострой", "Краснодонуглестрой", "Краснодонуголь", (1987- 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликована 51 работа (39 из них приведены в автореферате), в том числе 1 справочник, 2 учебных пособия, практикум, 2 отраслевых руководства, получено авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 308 наименований. Диссертация изложена на 405 страницах, включая 245 страниц текста,129 рисунков и таблиц.

Характер работы требовал привлечения, систематизации и интеграции знаний из самых различных областей научных исследований. В частности, при работе над диссертацией автор опирался на результаты фундаментальных и прикладных исследований в области: проектирования строительства горно-добывающих предприятий (В.В. Ржевский, Н.В. Мельников, К.Н. Трубецкой, Л.Д. Шевяков, А.М. Терпигорев, Д.Р. Каплунов, A.C. Бурчаков, A.C. Малкин, Б.М.

Воробьев, А.П. Судоплатов, К.И. Татомир, А.П. Килячков, В.А. Харченко, A.C. Астахов, М.И. Устинов, Д.Б. Борисов, А.Е. Евтушенко, В.Л. Яковлев, В.А. Шестаков, В.Р. Именитов, В.В. Попов, и др.), проектирования строительства подземных сооружений (Н.М. Покровский, В.Л. Попов, В.М. Мостков, В.М. Рогинский, Л.Г. Грабчак, Э.Э. Нильва, А.Г. Гузеев, В.В. Першин, Д.М. Голицын-ский, В.Г. Храпов, Л.В. Маковский, В.Е. Меркин, И.Я. Дорман, В.А. Гарбер, В.Г. Лукьянов, и др.), комплексного освоения недр, в том числе освоения подземного пространства и его повторного использования (М.И. Агошков, К.Н. Трубецкой, H.H. Мельников, Е.И. Шемякин, Д.Р. Каплунов, H.H. Чаплыгин, Б.А. Картозия, Е.В. Петренко, В.Н. Скуба, И.В. Садардинов, Ю.Д. Дядькин, В.В. Гущин,

B.Е. Меркин, A.C. Малкин, А.Г. Саламатин, У Кельми, 3 Бенявский,

C. Фриш, Т. Дзюбек и др.), исследования сложных природно-технических систем (В.К. Епишин, В.А. Королев, А.Л, Ревзон, Г.К. Боднарик, Л.А. Ярг, М.С. Голицын, В.Н. Островский и др.), моделирования сложных систем, системного и структурного анализа, концептуального проектирования (В.Н. Бусленко, Р. Акофф, М. Ме-сарович, В.Н.Садовский, Я. Дитрих, Л.Г. Дмитриев, Н.Г. Лихогруд, В.В Штабенко, А.И. Половинкин, В.В. Попов и др.), исследования напряженно-деформированного состояния породных массивов, вмещающих подземные сооружения и расчета крепи (К.А. Ардашев, Б.З. Амусин, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, 3. Бенявский, В.В. Виноградов, В.Т. Глушко, М.Н. Гелескул, И.К. Гуджабидзе, Д. Дир, Е.Б. Дружко, Л.А.Джапаридзе, Л.М. Ерофеев, Ю.З. Заславский, Б.А. Картозия, В.Н. Каретников, Э.В. Казакевич, В.Б. Клейменов, К.В. Кошелев, Ю.М. Либерман, Г.Г. Литвинский, А.П. Максимов, Р. Мюллер, В.Л. Попов, А.Г. Протосеня, В.А. Пшеничный, H.H. Фо-тиева, И.Л. Черняк, Е.И. Шемякин и др.)

В ходе подготовки работы автор обсуждал промежуточные результаты и перспективы исследований с рядом ведущих специалистов в области методологии проектирования и технологии строительства подземных сооружений, управления состоянием массива, математических методов 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, к.т.н. В.А. Пшеничному, д.т.н. М.Н. Шуплику, д.т.н. В.Н. Скубе, к.т.н. A.C. Иванову, д.т.н. С.А. Редкозубову, д.т.н. В.А. Горбатову, д.т.н. В.Л. Шкуратнику, проф. IO.A. Жежелевско.му, д.э.н.

Я.В. Моссаковскому и многим другим. Автор благодарен коллективу кафедры и лаборатории "Строительства подземных сооружений и шахт" МГГУ, а также работникам "Укршахтостроя", "Ворошиловградшахтостроя", "Краснодонуглестроя", шахт "Воро-шиловградская №1", "Самсоновская - Западная", "Суходольская -Восточная" д.т.н. P.A. Тюркяну, к.т.н. A.B. Быкову, к.т.н. В.И. Кул-дыркаеву, Н.И. Кулдыркаеву, A.A. Бортникову, помогавшим в работе на различных этапах исследований.

Основное содержание работы

В ряду горных наук строительная геотехнология, предметом изучения которой является установление закономерностей взаимодействия подземных сооружений с массивом горных пород, технических, экономических и организационных взаимосвязей технологических процессов при их строительстве, реконструкции и восстановлении, занимает особое место, т.к. исследует комбинации объективных законов природы применительно к искусственно создаваемым системам "человек - подземное сооружение - массив горных пород".

Методология проектирования строительства подземных сооружений, которая объединяет вопросы обоснования стратегии и методов освоения подземного пространства, в том числе при их повторном использовании является одним из главных научных разделов строительной геотехнологии.

Проектирование строительства горнодобывающих предприятий и подземных сооружений в настоящее время регламентируются нормативными, методическими и инструктивными документами, которые носят в целом отраслевой характер. В каждой из горнодобывающих отраслей (угольная, горнорудная, горно-химическая и др.) и отраслей жизнеобеспечения (подземные сооружения коммунального назначения, транспортные, гидротехнические и др.) действует целый ряд ведомственных документов, образующих нормативно-методическую базу проектирования строительства подземных сооружений.

Современная методология проектирования горнодобывающих предприятий основана на системном подходе, при котором шахта или рудник представляет собой сложную динамическую вероятностную систему. Для этих объектов разработаны новые концепции поэтапного проектирования, оптимизации проектных решений на графах и сетях, принятия сложных решений многокритериальной

оптимизации и оценки качества проектов. В то же время, при проектировании строительства подземных сооружений принципы системного подхода разработаны недостаточно, хотя любое подземное сооружение можно отнести к классу сложных (больших) систем.

В действующих отраслевых нормах проектирования строительства подземных сооружений есть только общие указания на необходимость учета закрепленных в законодательном порядке требований по рациональному и комплексному освоению недр.

Отличительной особенностью горнодобывающего предприятия является необходимость периодического воспроизводства его мощности в течение всего жизненного цикла, причем такое воспроизводство обходится все дороже, поскольку осуществляется в непрерывно ухудшающихся горно-геологических условиях, связанных с увеличением глубины разработки. Многочисленные проявления сложных гидрогеологических (прорывы воды в выработки), геомеханических (вывалообразование, незатухающее пучение почвы выработок ) и газо- и геодинамических (внезапные выбросы угля, породы и газа, горные удары) условий, сопровождающие строительство подземных объектов, несмотря на применяемые технологические меры по их предупреждению, требуют огромных затрат на их ремонт и восстановление. Анализ показывает, что строительство новых и реконструкция действующих подземных сооружений в большинстве случаев будет производиться в сложных горногеологических условиях.

Усложнение горно-геологических условий разработки полезных ископаемых, ухудшение экологической ситуации горнопромышленных регионов, широкое освоение подземного пространства крупных городов, а также изменение экономических взаимоотношений и формирование различных видов собственности предопределяют объективную необходимость формирования новых методологических подходов к проектированию строительства подземных сооружений.

В рамках существующих методов проектирования строительства подземных сооружений отсутствует основа, на которой возможно построить принципиально новую методологию, предусматривающую проектирование строительства подземных объектов на основе управляемых технологических процессов и с целенаправленным воссозданием в новом функциональном качестве. Более того, использование традиционных методов проектирования строительства подземных сооружений может привести к тому, что на стадии

их перехода к новому функциональному качеству, затраты могут значительно превысить первоначальные капитальные вложения, либо вообще повторное использование подземных сооружений не представляется возможным.

Разработка классификаций сложных горно-геологических условий строительства и повторного использования подземных сооружений

Породный массив как сложная природная среда предоставляет многокомпонентную систему и может рассматриваться как система взаимосвязей фазовых состояний, причем эти взаимосвязи отражают многообразие причинно-следственных факторов природных, техногенных и антропогенных воздействий. Основой построения таких взаимосвязей являются выявленные возмущения в природной среде, которые являются реакциями массива на технологические воздействия при строительстве подземного сооружения с реальном масштабе времени. В процессах проектирования учет этих взаимодействий реализуется путем включения в проектируемые технологии специальных мероприятий, направленных на снижение этого воздействия и обеспечивающих безопасность строительства.

Поскольку каждый конкретный участок массива горных пород, включенный в природно-техногенную систему характеризуется определенными физико-механическими свойствами и различными видами состояний, необходимо применение методов й способов, позволяющих путем соответствующих воздействий придавать ему требуемые свойства и состояния, т.е. производить подготовку массива горных пород для получения заданного качества (типа условий).

Под методами подготовки массива понимается совокупность способов направленного воздействия на массив горных пород, позволяющих изменить его физико-механические свойства или состояние до начала горно-строительных работ.

Под способами воздействия на массив понимается комплекс технических мероприятий, обеспечивающих достижение заданных по условиям строительства свойств или состояния массива горных пород.

Разработанная классификация сложных горно-геологических условий включает тип сложных условий (гидрогеологические, геомеханические, reo- и газодинамические, геотермические), характеристику породного массива (рыхлые, водонасыщенные, слабосвязные,

устойчивые, трещиноватые, весьма водообильные, пучащие, ударо-опасные, выбросоопасные, газонасыщенные, многолетнемерзлые, замороженные и высокотемпературные горные породы.), а также характер проявления сложности (затопление подземных сооружений, образование областей руинного разрушения, незатухающее пучение почвы, горные удары, внезапные выбросы, суфляры, образование ореола оттаивания, подземные пожары, ухудшение санитарно-гигиенических условий труда).

На базе разработанной общей классификации сложных горногеологических условий разработаны классификации методов подготовки, способов воздействия на массив горных пород и организационно-технических решений при строительстве подземных сооружений в сложных гидрогеологических, газодинамических и геомеханических условиях. Особенностью этих классификаций является то, что по характеру проявления сложности уже на стадии проектирования мы можем предусмотреть технические и технологические мероприятия по воздействию на окружающий породный массив. Так, например, в сложных reo механических условиях при образовании вокруг выработки области руинного разрушения и значительных вывалов мы можем заранее предусмотреть либо различные способы воздействия на массив, которые обеспечат снижение этих сложностей или вообще их исключат, либо применение управляемых технологий строительства (НАСПТ, HCT, института Бергбау-Форшунг и др.), либо проведение выработок с поэтапным наращиванием несущей способности крепи по ее трассе в зависимости от геомеханической ситуации.

Проблема повторного использования горных выработок, образованных в результате добычи полезных ископаемых, для целей размещения в них различных объектов народного хозяйства и отходов производства, особенно в связи с массовым закрытием угольных шахт и освобождением огромных подземных пространств, приобретает все большее значение для решения экономических, экологических и социальных проблем. В фондах государственного учета подземных выработок, пригодных для повторного использования, на долю горных предприятий приходится всего около 10%.

Однако в настоящее время при существующей технологии добычи полезных ископаемых только в угольной промышленности ежегодно выбывает из оборота более 2,2 тыс. км горных выработок, в т.ч. более 2 тыс. км выработок, закрепленных долговечными металлическими, железобетонными и бетонными крепями.

Важнейшей социальной и экономической проблемой, возникшей в последние годы, является реструктуризация угольной промышленности и связанная с нею проблема закрытия неперспективных шахт . В настоящее время ликвидационные работы ведутся на 105 шахтах и на 55 из них уже произведена ликвидация горных выработок.

В 1998 году намечено направить более одного миллиарда рублей на технические работы по ликвидации предприятий, в том числе и уничтожение технологического подземного пространства.

Анализируя опыт повторного использования подземных сооружений, их новое функциональное назначение можно классифицировать по пяти основным направлениям: энергетика, промышленность, экология, социальная сфера и аграрный сектор. При этом надо отметить, что повторное использование подземных сооружений в любом новом функциональном качестве благоприятно сказывается на экологической обстановке (освобождение и рекультивация земель, отсутствие вредного влияния на окружающую природную среду и др.). Классификация производилась по типу выработок (вертикальные стволы, штольни, камеры околоствольных дворов, капитальные, подготовительные и очистные выработки) и по их возможному новому функциональному назначению при повторном использовании. Причем, для размещения горной породы, отходов обогатительных фабрик, ТЭЦ, доменного производства можно использовать очистные и подготовительные выработки, расположенные в сложных горно-геологических условиях, а капитальные горные выработки - в новом функциональном качестве.

Формирование и функционирование природно-технической

геосистемы «массив - технология - подземное сооружение»

Под природно-технической геосистемой (ПТГС) понимается совокупность взаимодействующих природных и техногенных систем.

Новый уровень проектирования основывается на том, что любое находящееся в стадии строительства подземное сооружение, независимо от своего первоначального функционального назначения, рассматривается как один из составляющих элементов сложной природно-технической геосистемы , вторым элементом которой является окружающий подземное сооружение породный массив. В период строительства и эксплуатации подземных сооружений на

взаимодействие подземного сооружения и породного массива существенное влияние оказывает технология строительства, которая является третьим элементом системы. Причем технология строительства во многом определяет характер взаимодействия подземного сооружения и окружающего породного массива на период всего жизненного цикла подземного сооружения.

Очевидно, что указанная система "массив - технология - подземное сооружение" должна быть отнесена к разряду динамических как в силу постоянного изменения свойств и состояния ее элементов, так и характера взаимодействия между последними.

Эта система включает в себя три основных элемента: породный массив (блок А), технологию (блок Б), подземное сооружение (блок В) и их взаимосвязи. Блок В включает характеристики, описывающие функциональное назначение подземного сооружения в решаемой задаче и формирует требования к характеристикам вмещающего массива. Блок А формирует исходную информацию по вмещающему массиву и предопределяет требования к технологии строительства. Соответственно, блок Б описывает варианты технологических решений, которые могут быть использованы для удовлетворения требования блока А и блока В.

Сформированная таким образом система включает элементы, состояние которых описывается разномасштабными и разноуровневыми характеристиками. С этих позиций подготовка исходных данных для проектирования строительства подземного сооружения в сложных горно-геологических условиях заключается в выявлении соответствия между характеристиками элементов системы, а также оценке их взаимовлияния и взаимосвязей. Области такого соответствия находятся во взаимосвязях взаимодействующих элементов.

Взаимодействие подземного сооружения с породным массивом 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 состоит в том, чтобы из разнообразного материала создать единую природно-техническую геосистему, функционирующую в оптимальном по некоторым фиксированным критериям режиме.

ПТГС охватывает некоторое пространство, включающее собственно подземное сооружение (ПС), а также некоторую часть окружающей среды в пределах так называемой области влияния (ОВ).

С позиций системного анализа, граница ПТГС выбирается так, чтобы ограничить изменение окружающей среды под воздействием подземного сооружения в некотором оптимальном диапазоне по заранее выбранным критериям оптимальности.

Поскольку процессы в породном массиве протекают непрерывно с изменениями от техногенного и антропогенного воздействия, то на всех этапах проектирования возникает вопрос уточнения исходных данных. По существу построение модели объекта для проектирования объективно требует активного геомеханического мониторинга ситуации в массиве и подземном сооружении как основы для прогнозирования и разработки требований к технологии. Существующая практика не реализует этого подхода по многим, в основном экономическим и техническим причинам. Разрешение этого противоречия возможно при переходе к концепции проектирования на основе информационного моделирования систем. С этих позиций рассматриваемая система "массив - технология - подземное сооружение" представляет собой модель, которая, с одной стороны, обладает всеми свойствами открытой системы (гибкость, динамичность, целостность, сложность и т.д.), а, с другой стороны, как некоторое логическое построение, отображающее наше представление об объекте и протекающих в нем процессах, обладает свойствами информационной модели.

Применение различных специальных мероприятий (методов подготовки и способов воздействия на массив горных пород), направленных на снижение природных, техногенных и антропогенных воздействий, создает предпосылки формирования обратных связей в системе "массив - технология - подземное сооружение ", минимизирующих реакцию системы на эти воздействия. Минимальные отрицательные воздействия элементов системы друг на друга является целью управления поведением системы для поддержания ее в устойчивом состоянии, что, собственно, является целью и при проектировании строительства подземных сооружений.

В соответствии с теорией систем такая минимизация свидетельствует о возможностях формирования управления системой уже на этапе проектирования подземного сооружения. Исследовать технологические процессы, имеющие многовариантные сетевые структуры, а также находить оптимальные сочетания вариантов, вместе составляющих единые цепи, пути, единые схемы, возможно с применением теории графов. Графически возможность разработки управляющего воздействия на связи "массив - технология" может быть

представлена в виде иерархических к-дольных графов взаимосвязей, которые, с одной стороны, представляют собой набор характеристик, отражающих взаимодействие природных процессов, протекающих в массиве и зависящих от взаимодействия состояний элементов массива, с другой стороны, технологические процессы, направленные на снижение негативного воздействия этих процессов на подземное сооружение и на создание благоприятных условий использования различных способов их строительства.

В графической интерпретации вершинами графа являются следующие технологические процессы при строительстве подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях: методы подготовки массива (II), способы воздействия на массив (III); способы строительства подземных сооружений (IV); организационно-технические варианты реализации способов строительства подземных сооружений (V).

В качестве отправной вершины графа принимаются конкретные сложные горно-геологические условия строительства подземных сооружений (I).

Теоретико-графовая модель представляет собой 5-дольный

значно соответствует классификационному пространству:

- пространство условий строительства подземных сооружений;

Уг -Г (V,) - пространство методов подготовки массива горных пород;

У3 = Г (У2) - пространство способов воздействия на массив;

У4-Г (У}) - пространство способов строительства;

V;- Г (У4) • пространство организационно-технических решений при строительстве подземных сооружений;

Г- прямое отображение - ой доли в (/' + 1) - ю, г = 1, 2, 3, 4.

Стратегия строительства подземного сооружения в сложных горно-геологических условиях формально определяется выбором одной из вершин в каждой доле и соответствует пути, связывающему эти доли.

Очевидно, что возможное количество стратегий ЛГС (О) не больше произведения мощностей носителей долей графа:

каждая доля взаимоодно-

NC(G) < \V,\ X\V,\ X\V,\ X\V4\ X\V5\ = JJ \v,\

i —1

Порождение стратегий основано на вычислении элементов матрицы достижимости D (G):

D(G)=£s'(G),

где

S(G) - матрица смежности графа, элементы которой показывают переходы из одной доли в другую;

элементы матрицы S2(G) - переходы, соответствующие путям длины два;

элементы матрицы S3(G) - переходы, соответствующие путям длины три;

элементы матрицы S4(G) - переходы, соответствующие путям длины четыре.

Каждая вершина графа взвешена характеристиками, оценивающими соответствующую компоненту стратегии проектирования строительства подземного сооружения. Разработан сценарий проведения экспертных оценок с целью формирования оптимальной стратегии. Оптимальность оценивается аддитивно-мультипликативным функционалом качества сформированной технологии строительства подземного сооружения.

Поиск оптимальной стратегии сводится к поиску оптимального пути в многопродуктовой сетевой модели.

Если оптимизируемый функционал внешним оператором имеет

оператор "шах", <рор[ =шахУ (je, )> то поиск оптимальной страте-

i

гии сводится к определению пути с максимальным суммарным весом.

Алгоритм при этом имеет вид следующей рекурсивной процедуры:

1. Каждая вершина о, е у графа G=(V,U) взвешивается величиной jy (у,-),

W Ы+тах^г-'Ы),

j

где р (и,) - экспертная оценка /-ой вершины; ГА - обратное отображение.

2. И,) (№(»,)=()), где VI - первая доля.

3. Определяем IV(иа ), оаеГ5.

4. Определяем вершину ui е Г'х{ра), для которой

}¥ ("<)= ГтЛ"а)-Р (О»

5. Повторяем п. 4 с учетом, что оа =и,, до получения вершины первой доли.

6. Найденные вершины определяют искомую стратегию.

Если оптимизируемый функционал является внешним оператором имеет оператор "тт", <рор1 =тш/"(х, )> ТО поиск оптималь-

1

ной стратегии сводится к определению пути с минимальным суммарным весом.

Алгоритм при этом имеет вид следующей рекурсивной процедуры:

1. Каждая вершина и1 еу графа С = (У,и) взвешивается величиной ЦТ

¡V {и,)=р

]

2. еК,)И<л)=0),

3. Определяем (оа), оаеУ5.

4. Определяем вершину и, е Г'х(оа), для которой

Ж ("/) = 1Кп„Аоа)-р (иа)

5. Повторяем п. 4 с учетом, что иа =и,, до получения вершины первой доли.

6. Найденные вершины определяют искомую стратегию.

Если оптимизируемый функционал <рор( является вектором, то

используется один из методов векторной оптимизации.

Рассмотрим мультипликативный функционал <рор, в виде,

г / N -Л

«V = шах шах А1 штйу

1 \ 1 1 У /

где А1 - величина, характеризующая свойство сооружения типа "устойчивость",

ВI - величина, определяющая ресурсно-стоимостные (временные) свойства. -

Составляющие функционала <рор, противоречивы.

Выбираем из найденных решений в каждой доле то, которое минимально отличается от среднеарифметической величины в этой доле. Этот выбор определяет эвристику, позволяющую построить оптимальную стратегию проектирования строительства подземного сооружения.

Для нормального безаварийного функционирования ПТГС необходимо, чтобы действующие в ней природные и техногенные силы различной физической природы не приводили к потере ее устойчивости. Обеспечение последней обычно осуществляется за счет реализации таких технических решений (принимаемых в частности на стадии проектирования), которые минимизируют изменения исходного равновесного состояния системы, а также за счет организации целенаправленных консолидирующих обратных связей в системе, обеспечивающей поддержание ее в равновесном состоянии.

Структурная модель, иллюстрирующая сущность поддержания устойчивости ПТГС за счет управляющих воздействий, представлена на рис.1. Методически в указанной модели целесообразно выделить два контура управления. Первый из них отражает формирование проектных управляющих воздействий на основе учета целевой функции строительства и анализа исходной инженерно-геологической информации. Причем, если эта информация достаточно полная и имеются соответствующие технологические возможности, то очевидно можно было бы предусмотреть проектными решениями такие управляющие воздействия, которые гарантировали бы устойчивость рассматриваемой системы.

Однако, как показывает опыт, в ряде случаев проектировщики не обладают таким объемом инженерно-геологической информации, которая позволила бы решить проблему поддержания устойчивости ПТГС уже на стадии проектирования.

о

Рис. 1. Структурная схема поддержания устойчивости ПТГС

Особенно очевидно это проявляется при строительстве подземных сооружений в сложных горно-теологических условиях, которые, с одной стороны, могут рассматриваться как совокупность факторов, увеличивающих вероятность потери устойчивости ПТГС, а с другой, существенно усложняют возможности получения исчерпывающей информации о динамике взаимодействия подземного сооружения и окружающего породного массива.

Вторичный контур управления ПТГС учитывает взаимовлияние элементов системы "массив - технология - подземное сооружение" и основан на фактическом наблюдении за динамикой ее состояния. Оценка фактического состояния системы позволяет корректировать управляющие воздействия на ПТГС.

С учетом отмеченных выше особенностей, представляется, что концепция эффективного управления рассматриваемой системой в сложных горно-геологических условиях должна базироваться, с одной стороны, на заранее запрограммированных проектных решениях, минимизирующих изменение равновесного состояния системы, а с другой - на реализации активного геомеханического мониторинга.

Блочно-иерархическое представление о ПТГС требует использования на каждом иерархическом уровне своих критериев оптимальности. В этом случае уменьшается сложность математических моделей, однако при этом возрастает и сложность задач по согласованию между собой результатов, полученных на разных уровнях. В диссертационной работе разработана классификация критериев оценки эффективности функционирования природно-технической геосистемы. В систему критериев, позволяющих оценить эффективность ПТГС, входят функциональные критерии, группа горнотехнологических, экономических и антропогенных критериев.

Каждый такой критерий, измеряемый.в денежной или натуральной форме, дает оценку одной или нескольких сторон многогранного понятия "эффективность". Наиболее комплексной оценки достигают при использовании экономических .и антропогенных критериев. Остальные из перечисленных выше показателей определяют не цель, а средство достижения экономического эффекта и, получив денежную оценку, могут быть включены в состав экономического критерия.

Структурная модель процесса проектирования строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях представлена на рис. 2.

.С

Объекты проектирования (подземные сооружения различного назначения)

I

Типовые модули условий строительства

1.1

2.1

3.1

ш.Г

к

Типовые модули технологических проектных решении

1« 1М

п

3* зм -1

| э-„

2* 2'.1

П1 т*Т

-1-1

т

Масштаб и комплексность решений 15

1

Т

2

1,2,3, ... т- наборы классификационных структур условий строительства, 1.1; 1. п; 2.1; 2. п; ... ш. £ т, п - структурно-классификационный признак в конкретной классификация.

I*, 2*, 3*„... т* - наборы классификационных структур методов подготовки, способов воздействия на массив, способов строительства и организационно-технических решений при строительстве подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях.

1*. п; 2*. п; 3*. п; ... ш*.Г - структурно-классификационный признак в конкретной классификации.

Рис. 2. Структурная модель процесса проектирования строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях.

(Г) - требования к проектным решениям, (Г) - реализация требований.

Данная структурная модель представляет собой следующие наборы типовых модулей: 1. Блок Л - условия строительства. Наборы классификационных структур условий строительства 1, 2, 3, ...ш представлены сложными гидрогеологическими, геомеханическими, газодинамическими условиями и их комбинациями. Структурно-классификационные признаки в конкретной классификации выражаются критериальной оценкой конкретного типа сложных условий.

Так, например, для сложных геомеханических условий такими критериями (признаками) являются: устойчивость породного обнажения, величина смещений на контуре выработки, размеры возможных областей разрушения. Эти критерии накладывают соответствующие требования на проектируемый объект и типовые технологические решения, которые в различных комбинациях реализуют сооружение объекта проектирования; 2. Блок Б - технологические проектные решения. Наборы классификационных структур технологических проектных решений представлены методами подготовки, способами воздействия на породный массив, способами строительства и организационно-техническими решениями при строительстве подземных сооружений (1* ,2*, 3*, ... , т*). Так, например, для сложных газодинамических условий методами подготовки являются: уменьшение газоносности и пылеобразующей способности массива, изменение напряженно-деформированного состояния и свойств массива. Способы воздействия на массив включают: гидравлическое (гидровымывание, торпедирование, увлажнение и др.), механическое (дегазация, разгрузка скважинами, щелями и др.) и физико-химическое воздействие. Собственно технология проектирования должна удовлетворять требованиям блока А, то есть реализовывать соответствие по обратной связи блока Б. Принятие решения по строительству подземного сооружения в процессе проектирования в этом случае будет зависеть от уровня развития технологических модулей (блок Б), степени изученности породного массива (блок А) и конкретной задачи проектирования (блок В).

Структурная модель проектирования строительства и повторного использования подземных сооружений приведена на рис. 3. В общем случае проектирование может осуществляться по двум основным вариантам. Первый вариант предполагает проектирование строительства подземных сооружений для добычи полезных ископаемых с учетом только основного функционального назначения. Проектирование же повторного использования подземного соору -

Рис.3. Структурная модель проектирования строительства и повторного использования подземных сооружений

жения выполняется уже на последующих стадиях его существования, начиная со строительства , эксплуатации и заканчивая консервацией.

Второй вариант предполагает проектирование строительства подземных сооружений для добычи полезных ископаемых уже с учетом повторного использования. В обоих вариантах необходимым элементом является мониторинг за состоянием подземного сооружения в процессе строительства и эксплуатации, позволяющий использовать управляемые технологические процессы путем оперативного регулирования их входящих и выходящих параметров.

Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Так, первый вариант требует меньших затрат на само проектирование и значительно меньших капитальных затрат для собственно строительства подземных сооружений. Помимо этого, в процессе строительства поступает дополнительная геологическая информации о вмещающем подземное сооружение породном массиве, что повышает достоверность проектирования повторного использования технологического подземного пространства. Имеющийся при этом резерв времени позволяет без ущерба принять решение о переориентации нового функционального назначения подземного сооружения при повторном использовании с учетом постоянно изменяющейся экономической, социальной и экологической обстановки.

Однако при первом варианте резко возрастают затраты на переоборудование подземного сооружения для его повторного использования. В общем случае выбор того или иного варианта проектирования определяется технико-экономическими показателями каждого конкретного подземного сооружения за весь срок его существования.

Учитывая уровень ставок за кредит, вложение капитальных затрат имеют смысл при сроке их окупаемости не свыше 8-10 лет. Поэтому капитальные горные выработки с большим сроком службы целесообразно проектировать для повторного использования по первому варианту. По этому варианту для повторного использования необходимо проектировать и уже существующие горные выработки.

Второй вариант является более предпочтительным для горных выработок (очистные и подготовительные), имеющих небольшой срок службы и ежегодно погашаемых.

Подземные сооружения, расположенные в сложных горногеологических условиях, в новом функциональном качестве, в пер-

вую очередь необходимо использовать для размещения в них горной породы, отходов обогатительных фабрик, ТЭЦ и других экологически вредных производств, т.к. размещение этих отходов не требует дальнейшего постоянного присутствия людей и не оказывает вредного влияния на окружающую геологическую среду.

Разработанный методологический подход к проектированию строительства подземных сооружений увязан с общей методологией освоения подземного пространства, что достигается путем соответствия принимаемых решений совокупности общих требований по сохранению недр как видоизменяемого георесурса.

Таким образом, современная концепция, положенная в основу разработанной методологии проектирования строительства различных подземных сооружений, должна базироваться на следующих основных принципах:

1. Подземное сооружение рассматривается как видоизменяемый георесурс, позволяющий реализовывать его многофункциональное качество;

2. Подземное сооружение является составным элементом сложной динамической геосистемы "массив - технология - подземное сооружение", позволяющей прогнозировать технические, экономические и социальные последствия принимаемых решений;

3. Эффективность управления геосистемой базируется на активном геомеханическом мониторинге, предполагающем непрерывное наблюдение за ее состоянием и организацию целенаправленных консолидирующих обратных связей в системе для управляющих воздействий, обеспечивающих затухание дестабилизирующих процессов в ней;

4. Технология строительства, эксплуатации, реконструкции и повторного использования подземных сооружений должна базироваться на управляемых технологических процессах, позволяющих гибко реагировать на изменение техногенных и антропогенных факторов путем оперативного регулирования параметров технологического процесса.

Наиболее сложным процессом для проектирования строительства подземных сооружений является обеспечение их устойчивости в течение всего жизненного цикла. Основной составной частью обеспечения устойчивости подземных сооружений является их крепление.

Трудоемкость и стоимость крепления составляет 40 - 50%, а иногда и более от общей трудоемкости и стоимости работ по строи-

тельству подземного сооружения. В связи с ухудшением горногеологических условий строительства горных выработок, связанным, в первую очередь с увеличением глубины ведения горных работ, несмотря на возросшую за последние годы в 1,4 раза металлоемкость крепи и широкое применение тампонажа закрепного пространства, ежегодный объем перекрепления составляет 10 - 15% от общего объема вновь проводимых горных выработок, а на выработках глубоких шахт он доходит до 65%.

Особенно возрастает роль обеспечения длительной устойчивости подземных сооружений при их дальнейшем использовании в новом функциональном качестве. Возведение мощных долговечных конструкций крепи в период строительства подземного сооружения требует привлечения значительных дополнительных капитальных затрат, которые начнут окупать себя через много лет при его повторном использовании. Что в ряде случаев является экономически нецелесообразным.

Разработанная методология проектирования строительства и повторного использования подземных сооружений, основанная на управляемых технологических процессах, позволила разработать технологию обеспечения их устойчивости с минимальными капитальными затратами. Средства полученные от экономии капитальных затрат при этом могут быть использованы для обеспечения длительной устойчивости подземных сооружений, необходимой при их повторном использовании.

Поэтому экспериментальная проверка разработанной нами методологии проектирования строительства подземных сооружений была проведена в реальных условиях строительства капитальных горных выработок в сложных геомеханических условиях для наиболее трудоемкого процесса проходческого цикла - крепления.

Реализация структурной модели обеспечения устойчивости в системе «массив - технология - подземное сооружение» в сложных геомеханических условиях

Проведенными шахтными инструментальными наблюдениями за проявлениями горного давления установлено, что особенностями деформирования породного массива, вмещающего выработку, проводимую в сложных геомеханических условиях, являются: образование вокруг выработки области полного разрушения горных пород, в которой последние находятся в практически несвязном со-

стоянии и при отсутствии крепи обрушаются в выработку. Величина зоны полного разрушения достигает 2 -3 метра в капитальных и 7 - 8 метров в подготовительных выработках. Значительные смещения породного контура выработки (свыше 500 мм) требуют применения конструкций крепи с повышенной податливостью. Наиболее интенсивно смещения породного контура выработки развиваются в первые 30 - 40 суток после ее проходки. За это время реализуется 50 -70% конечных смещений контура; смещения породного контура выработки в породах Ш-1У категории устойчивости резко отличаются по ее длине (в 5 - 6 раз), что свидетельствует о целесообразности применения для крепления выработки различных конструкций крепи. Какого-либо периодического закона в колебаниях смещений породного контура капитальных горных выработок не установлено. В основном оно определяется различием в физико-механических характеристиках вмещающих пород.

Анализ существующих моделей взаимодействия конструкций крепи горных выработок с породным массивом показал, что они не учитывают целый ряд важных горно-геологических факторов, что снижает уровень функционирования обратных связей между элементами системной модели "массив - технология - подземное сооружение". К этим факторам, поддающимся изучению и анализу, прежде всего относятся взаимодействие вмещающего породного массива с крепью горной выработки в режиме "заданной" нагрузки (нагрузка от вывалов породы) и особенности взаимодействия крепи и вмещающего массива при проведении горных выработок в однородных породах.

С целью определения минимальной несущей способности крепи от вывалов породы как одного из параметров крепи регулируемого сопротивления были проанализированы 654 вывала породы и установлено, что их причинами являются:

♦ перекрепление и расширение проектного сечения выработок и разделка сопряжений (31,9% от общего объема);

♦ комбайновое проведение горной выработки (вывалы происходят на расстоянии более Юм от забоя) - 9,4%;

♦ ведение буровзрывных работ (вывалы происходят непосредственно в забое выработки на расстоянии до 5 м от него) -35,4%;

♦ ведение буровзрывных работ (вывалы происходят на расстоянии 5 -10 м от забоя выработки) - 14,6%;

• вывалы в близлежащих выработках при ведении взрывных работ в режиме сотрясательного взрывания - 8,7%.

Из перечисленных пяти причин вывалов 4 относятся к собственно процессу проведения выработок комбайновым или буровзрывным способом. По высоте вывалы распределились следующим образом:

• вывалы до 1 м - 118 (18,1 %);

• вывалы от 1 м до 2 м - 322 (49,2 %);

• вывалы от 2 м до 3 м - 90 (13,8 %);

• вывалы свыше 3 м - 124 (18,9 %).

Диапазон изменения влияющих горно-геологических и горнотехнических факторов следующий: глубина заложения выработок Н = 80 - 1160 м; крепость вмещающих пород f = 3 ч- 9; угла залегания пород а = 0 - 71°; площадь поперечного сечения выработок Snp = 6,4- 15,5 м2; ширина выработки в проходке Ьг,р = 3,8 -т- 5,7 м; высота выработки Ьвыр = 2,8-ь 4,0 м.

С целью получения зависимостей высоты вывалов (1ъыв) от различных факторов был выполнен корреляционный анализ вывалов по причинам их возникновения. Наибольшую опасность представляют вывалы, происходящие во время ведения буровзрывных работ непосредственно в забое выработки и на расстоянии 5-г- 10 м от него. Для этих случаев полученные зависимости имеют следующий вид:

в забое выработки:

Ьвыв=0,17 + 0,0001Н + 0,025 Ьпр- 0,27 f + 0,68 h„i,p

на расстоянии 5-í- 10 м от забоя:

11ВЫ8 — 1 , 8 - 0,0016Н - 0,081 Ьпр + 0,13 h выр

Полученные зависимости позволяют определять нагрузку на крепь горной выработки от вывалов породы и более обоснованно подходить к проектированию строительства горных выработок в сложных геомеханических условиях.

Другой важнейшей величиной, определяющей параметры проектируемой крепи, являются смещения породного контура выработки. Их величина даже для одной и той же горной выработки значи-

тельно колеблется по ее длине. При проведении горной выработки в неоднородных породах этот факт легко объясним различием их физико-механических свойств.

Если выработка проходится в однородных породах, то и в этом случае будет иметь место изменение их физико-механических свойств по длине выработки. Даже при испытании образцов пород, взятых из одного керна, мы получаем разброс показателей их свойств и в дальнейшем оперируем средней величиной этого показателя, например, прочности на одноосное сжатие, определенного с той или иной степенью достоверности. Необходимо учитывать, что свойства массива горных пород в различных точках, даже сложенного одними породами, будут еще более отличаться друг от друга, чем свойства образцов пород, взятых из этого массива. Это происходит в силу действия масштабного эффекта, наличия анизотропии свойств пород и трещиноватости естественного и искусственного происхождения в самом породном массиве. Поэтому физико-механические свойства однородного массива горных пород, вмещающего выработку, по ее длине будут отличаться.

Внешним проявлением этих отличий будут различные смещения породного контура горной выработки по ее длине. Для количественной оценки разницы смещений можно использовать данные замерных станций с контурными реперами, установленными в различных сечениях одной и той же выработки.

Проведенными исследованиями установлено, что смещения кровли выработки имеют разброс значений ± 25%, а смещения боков - ± 32%, т.е. в однородных породах III и IV категорий устойчивости целесообразно применение различных конструкций крепи.

Действующие в настоящее время нормативные документы по выбору типа конструкции крепи (СНиП-Н-94-80) "Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи" в принципе предусматривают дифференцированный подход к креплению отдельных участков выработки, имеющих более 30% отклонения прочностных свойств вмещающих пород, однако это условие не реализуется ввиду отсутствия практических рекомендаций.

Для реализации структурной модели поддержания устойчивости системы «массив - технология - подземное сооружение» (рис. 1), основываясь на структурной модели (рис. 2) и проведенных лабораторных и экспериментальных исследованиях, в МГГУ разработан способ крепления выработок в сложных геомеханических условиях,

защищенный авторским свидетельством и получившим название «Крепь регулируемого сопротивления»

В основе такого подхода лежит идея оптимальности параметров крепи, возводимой в конкретных горно-геологических условиях.

Крепь регулируемого сопротивления в общем виде включает в себя базовую крепь, крепь усиления и устройство для контроля сигнальных смещений.

Базовая крепь - это конструкция крепи (или комбинация нескольких конструкций), возводимая непосредственно при проведении горной выработки. Параметры базовой крепи определяются для участка выработки с наибольшими значениями предела прочности на одноосное сжатие и модуля деформации пород.

Крепь усиления - это конструкция крепи (или комбинация нескольких конструкций), технологически сочетаемая с базовой крепью, повышающая суммарную несущую способность и возводимая по необходимости, в зависимости от контролируемых сигнальных смещений контура выработки.

Контролируемые сигнальные смещения - это максимальные допустимые смещения породного контура, при которых базовая крепь еще обеспечивает устойчивое состояние выработки. В случае превышения смещениями породного контура на каком-то участке величины сигнальных смещений, устойчивость выработки на этом участке обеспечивается вводом в работу крепи усиления. Таким образом, в общем случае выработка на своем протяжении будет закреплена как базовой крепью, так и ее различными сочетаниями с крепью усиления, что в совокупности обеспечивает рациональный расход крепежных материалов при соблюдении эксплуатационных требований.

На рис. 4 приведена схема определения параметров КРС:

на первом этапе определяются величины смещений породного контура выработки (II) в зависимости от отпора крепи ( Р ) для различных геомеханических условий строительства выработки по ее длине. В результате получается семейство кривых зависимостей и -

/(Р).

Нижняя из этих кривых характеризует наиболее благоприятные для крепления горно-геологические условия, имеющие место по длине выработки, а верхняя - наименее благоприятные.

Для дальнейшего определения параметров КРС используются эти две кривые.

и

I этап: Определение смешений породного контура (и) в зависимости от отпора крепи (Р) для различных горно-геологических условий по длине выработки

и-

и»=/(Р>) и»,=/(Р0

и!=/(Р0 и,=/(Ро

о р

П этап: Определение параметров базовой крепи

Ц тп =/(/>) {Рб>Ртп

игшх=/(Р)

1]тт — / (Р)

Ш этап: Определение параметров крепи усиления

и* и1*

I \

и8п

аз

и а > и -АР)

[[/V+)■>£/ в*у

+ у ** Р ДОН

...В]

„В2 . р!

О

Рис. 4. Схема определения параметров КРС

Область на границе между этими двумя кривыми включает в себя все возможные величины смещений контура выработки при ее строительстве в данных геомеханических условиях.

Учитывая возможные вывалы породы из кровли выработки, определяется их возможная высота и нагрузка на крепь от вывала породы. Эта величина откладывается по оси абсцисс и проектируемые конструкции крепи должны находиться справа от отрезка АВ.

На втором этапе производится выбор базовой КРС. Базовая крепь выбирается таким образом, чтобы ее параметры (податливость и несущая способность) соответствовали кривой итт =/(Р) и располагались на ней или выше.

На третьем этапе производится выбор крепи усиления в зависимости от принятой базовой крепи регулируемого сопротивления.

Начало координат переносится в выбранную на предыдущем этапе точку аз. Выбор варианта крепи усиления производится аналогично тому, как это делается при выборе базовой крепи, т. е. подбирается точка Ь„ наиболее близко расположенная сверху к кривой. ит =/(Р).

Специфическим параметром КРС служащим индикатором обратной связи в системе «массив - технология - подземное сооружение» является величина сигнальных смещений ид, на которую настраиваются датчики-сигнализаторы и реализация которых свидетельствует о необходимости возведения на данном участке, закрепленном базовой крепью, крепи усиления.

Величина сигнальных смещений ид представляет собой уменьшенное на некоторую величину, допускаемое смещение базовой крепи с соответствующей ей предельной несущей способностью.

Для определения действительной величины сигнальных смещений, на которую должны настраиваться датчики-сигнализаторы, был проведен анализ результатов наблюдений за легко измеряемым параметром - смещениями контура выработки в зависимости от длины датчика-сигнализатора и способа проходки выработки.

В результате были получены корреляционные зависимости для определения величин сигнальных смещений в функции от смещений контура выработки, способа ее проведения и длины датчика-сигнализатора.

На рис. 5 приведены базовые конструкции крепи регулируемого сопротивления и крепи усиления. В зависимости от диапазона изменения смещений по длине выработки и принятой конструкции крепи возможно одно-, двух- и трех стадийное усиление.

Рис. 5 Этапы усиления ЬСРС в зависимости от принятой конструкции базовой крепи

При возможном повторном использовании горных выработок проектируемая конструкция крепи должна использовать несущую способность самого массива горных пород, для чего в качестве крепи усиления необходимо применение тампонажа закрепного пространства и глубинного упрочнения вмещающих пород.

Экспериментальная проверка разработанной управляемой технологии обеспечения устойчивого состояния подземного сооружения была произведена в капитальных горных выработках на шахтах "Ворошиловградская №1", "Комсомолец Донбасса" и "Суходоль-ская-Восточная".

Экспериментальная проверка производилась для методики проектирования КРС, как элемента структурной модели «массив -технология - подземное сооружение», так и для технологии строительства подземных сооружений с этой крепью.

На шахте «Ворошиловградская №1» восточный полевой откаточный штрек по проекту крепился металлической арочной податливой крепью из СВП - 27 с шагом установки арок через 0,5 м. В дальнейшем наносился слой набрызг-бетона по железобетонной затяжке и производился тампонаж закрепного пространства. Натурные исследования смещений контура штрека показали, что они изменяются от 26 мм до 611 мм, т.е. охватывают все четыре категории устойчивости по СНиП Н-94-80, и здесь возможно применение самых различных конструкций крепи. Поэтому в качестве базовой крепи здесь были использованы сталеполимерные анкера с металлической сеткой. Через каждые 10 метров были установлены датчики сигнальных смещений для базовой крепи и глубинные реперные станции для контроля работы датчиков и проверки разработанной методики определения величины сигнальных смещений. На 44 сутки датчики №1 и №2 показали величину сигнальных смещений 1)д= 40 мм, и было принято решение об усилении крепи на этом участке. После этого на первых двадцати метрах экспериментального участка было произведено усиление крепи. Для этого была произведена тщательная оборка кровли выработки и нанесен слой набрызг-бетона толщиной 15 см в стенках и 20 см в кровле выработки.

Как показали дальнейшие инструментальные наблюдения, смещения контура выработки практически затухли и за следующие 5 месяцев составили 8 -ь 20 мм. Датчики №3 и №4 показали максимальные смещения кровли штрека 23 мм и 26 мм, которые далеки от значений сигнальных смещений, поэтому на этом тридцатиметро-

вом участке усиление крепи не производилось и выработка осталась закреплена базовой конструкцией крепи.

Визуальное обследование экспериментального участка, проведенное через три года после установки крепи КРС, показало, что его состояние хорошее, выпадение анкеров не наблюдается и трещин в набрызг-бетонной крепи не имеется.

Комплексную апробацию разработанная методика проектирования строительства горных выработок с крепью регулируемого сопротивления прошла на шахте "Суходольская-Восточная". Проведенные на этой шахте исследования включили в себя: обследование фактического состояния капитальных горных выработок, определение их устойчивости и анализ имеющихся проектных решений, определение физико-механических свойств вмещающих горных пород в допредельном и запредельном состояниях, натурные наблюдения за смещениями породного массива вокруг выработок, разработку методики проведения экспериментальных исследований крепи регулируемого сопротивления и собственно их проведение и анализ.

Экспериментальные исследования были проведены в 1-ом южном магистральном откаточном штреке гор. 915 метров. Штрек расположен в выбросооласном сильнотрещиноватом песчанике прочностью на одноосное сжатие 74,4-147,3 МПа, коэффициент структурного ослабления Кс= 0,2. Расчетные смещения кровли штрека по его длине составляют 360-800 мм.

В качестве базовой крепи в данном случае принята металлическая арочная податливая крепь из СВП-27 с шагом установки рам через 0,7 метров. Величина сигнальных смещений для нее составляет 264 мм. В качестве крепи усиления принята анкерная крепь АД-1 длиной 2 метра и плотностью установки 1 анкер на 1 м2.

Наблюдения за смещениями кровли выработки на замерных станциях проводились в течение 240 суток. За время наблюдения смещения составили в первые 40 суток 262 мм. В это время было произведено усиление крепи анкерами, и дальнейшие смещения составили 12 мм. В данном случае наблюдается качественная картина затухания смещений массива с удалением от контура выработки. Это свидетельствует о том, что в вокруг выработки не образовалась зона полного разрушения пород и массив деформируется на запредельной стадии с частичным разрушением. На контрольном же участке вокруг выработки образовалась зона полного разрушения пород, результатом чего является потеря ею несущей способности. Таким образом, использованные в качестве крепи усиления на экспе-

риментальном участке анкера, упрочняя массив, препятствуют его полному разрушению и повышают устойчивость выработок в сложных геомеханических условиях.

Проведенные экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Разработанная методика определения величины сигнальных смещений для контроля устойчивости горной выработки в процессе ее жизненного цикла является достоверной, о чем свидетельствует максимальное расхождение между показателями датчика-сигнализатора и контрольной глубинной реперной станцией в 6 мм или 9% от абсолютной величины смещений.

2. Натурные исследования подтвердили достоверность разработанной методики проектирования строительства горных выработок с крепью регулируемого сопротивления, позволяющей учитывать изменения геомеханических условий строительства по трассе выработки и допускающей наличие обратной связи в системе "массив - технология - подземное сооружение" путем определения и контроля сигнальных смещений для установленной конструкции крепи как на стадии проектирования, так и на стадии строительства и эксплуатации.

3. Разработанная технология крепления горных выработок крепью регулируемого сопротивления обладает высокой надежностью, интегрируемостью с остальными процессами проходческого цикла и является достаточно эффективной при строительстве горных выработок в сложных геомеханических условиях. Экономия капитальных затрат составляет до 40 %.

Заключение

В диссертационной работе дано теоретическое обобщение и решение актуальной научной проблемы проектирования строительства и повторного использования подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях, обеспечивающих снижение капитальных вложений, сохранение окружающей среды, устойчивость функционирования подземного сооружения, а также конкурентоспособность на мировом рынке технологий.

Основные научные и практические результаты, полученные лично соискателем заключаются в следующем:

1. Современная концепция проектирования в шахтном и подземном строительстве должна основываться на представлении подземных сооружений как класса сложных динамических открытых управляемых систем. Подземное сооружение необходимо рассматривать как видоизменяемый георесурс, позволяющий реализовы-вать его многофункциональное качество. Технология строительства, эксплуатации, реконструкции и повторного использования подземных сооружений должна базироваться на управляемых технологических процессах, позволяющих гибко реагировать на изменение техногенных и антропогенных факторов путем оперативного регулирования параметров технологического процесса.

2. Новый уровень проектирования основывается на том, что любое находящееся в стадии строительства подземное сооружение, независимо от своего первоначального функционального назначения, рассматривается как один из составляющих элементов сложной природно-технической геосистемы , вторым элементом которой является окружающий подземное сооружение породный массив. В период строительства и эксплуатации подземных объектов на взаимодействие подземного сооружения и породного массива существенное влияние оказывает технология строительства подземных сооружений, которая является третьим элементом системы. Причем, технология строительства во многом определяет характер взаимодействия подземного сооружения и окружающего породного массива на период всего его жизненного цикла. Эффективность проектирования строительства подземного сооружения как элемента сложной геосистемы «массив - технология - подземное сооружение» определяется уровнем типизации как самих элементов системы, так и их взаимосвязей.

3. Эффективное управление геосистемой «массив - технология -подземное сооружение» в сложных горно-геологических условиях должно базироваться, с одной стороны, на заранее запрограммированных проектных решениях, минимизирующих изменения равновесного состояния системы, а с другой - на реализации активного геомеханического мониторинга. В основе эффективного информационного обеспечения строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях должно лежать разумное сочетание базовой (априорной, полученной до начала строительства) информации о ПТГС и информации о динамике ее структуры, свойств и состояния в процессе жизненного цикла подземного сооружения.

4. Проектирование подземных сооружений должно включать в себя возможность их повторного использования в новом функциональном качестве. Для вновь проектируемых горнодобывающих предприятий это должно закладываться на стадии проекта строительства горного предприятия; для эксплуатируемых горнодобывающих предприятий - на стадии разработки ежегодных планов развития горных работ; для ликвидируемых шахт - на стадии технико-экономического обоснования их закрытия. При ликвидации угольных шахт горные выработки, расположенные в сложных горно-геологических условиях, в новом функциональном качестве использовать в первую очередь для размещения в них горной породы, отходов обогатительных фабрик и других экологически вредных производств, так как размещение этих отходов не требует дальнейшего постоянного присутствия людей и не оказывает вредного влияния на окружающую геологическую среду.

5. Управляемая технология крепления горной выработки заключается в предварительном определении качественной и количественной оценке реализации механических процессов по ее длине в процессе строительства, эксплуатации и повторного использования, последовательном выборе параметров базовой крепи и крепи усиления для каждого конкретного участка и непрерывном геомониторинге, обеспечивающем обратную связь в системе «массив - технология - подземное сооружение». Контроль устойчивости горной выработки в процессе ее жизненного цикла осуществляется инструментальным путем по критерию «сигнальные смещения», полученному в результате анализа деформационных процессов вокруг выработки и учитывающим тип и параметры установленной базовой крепи, технологию проходки, конструкцию крепи усиления и время ее установки.

6. Экспериментальные исследования подтвердили достоверность разработанной методики проектирования строительства горных выработок с крепью регулируемого сопротивления, позволяющей учитывать изменения геомеханических условий строительства по трассе выработки. Разработанная технология крепления горных выработок крепью регулируемого сопротивления обладает высокой надежностью, интегрируемостью с остальными процессами проходческого цикла и является достаточно эффективной при строительстве горных выработок в сложных геомеханических условиях.

7. Разработанная новая ресурсосберегающая технология крепления горных выработок крепью регулируемого сопротивления по-

зволяет уменьшить первоначальные капитальные затраты на строительство и использовать их при переоборудовании технологического подземного пространства для функционирования в новом качестве.

8. Экономическая эффективность от опытно-промышленного внедрения крепи регулируемого сопротивления на шахтах Донбасса составила около 800гыс. рублей или 125 руб. на 1 метр в ценах 1990 года. Результаты использованы при составлении следующих нормативно-методических документов: Основные направления строительного проектирования подземных объектов, Москва, ЦНИИпром-зданий, 1991; Временное руководство по проектированию крепи регулируемого сопротивления капитальных горных выработок на шахтах Донбасса ( РД.12.13.058.-87, утв. Минуглепромом СССР, 1987); Временное руководство по проектированию ресурсосберегающих конструкций крепи капитальных горных выработок на шахтах Кузнецкого угольного бассейна (утв. ОАО "Росуголь", 1997).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Картозия Б.А., Корчак A.B., Пшеничный В.А. и др. Временное руководство по проектированию ресурсосберегающих конструкций крепи капитальных горных выработок на шахтах Кузнецкого угольного бассейна. М., МГГУ, 1997. 88 с.

2. Картозия Б.А., Корчак A.B., Франкевич Г.С. Перспективы использования ресурсосберегающих конструкций крепи капитальных горных выработок на шахтах Кузнецкого угольного бассейна. Горный информационно-аналитический бюллетень. № 5, М., МГГУ, 1996, с. 9-16.

3. Картозия Б.А., Корчак A.B. Классификация и критерии оценки сложных горно-геологических условий при строительстве подземных сооружений. Горный информационно-аналитический бюллетень. № 1. М., МГГУ, 1996, с. 15-24.

4. Картозия Б.А., Корчак A.B. Научные основы выбора технологии строительства горных выработок в сложных геомеханических условиях. В сб. "Научно-технические проблемы разработки экологически безопасных технологий строительства и эксплуатации подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях". М., ИПКОН - МГГУ, 1997, с.9-16.

5. Картозия Б.А., Корчак A.B., Пшеничный В.А., Свирский Ю.И., Быков A.B., Цейтлин Г.М. Временное руководство по проектированию крепи регулируемого сопротивления капитальных горных выработок на шахтах Донбасса. М., МГИ, 1987, 23с.

6. Картозия Б.А., Корчак A.B., Пшеничный В.А., Каверин В.В. Зарубежный опыт проектирования и крепления горных выработок анкерами. Обзорная информация ЦНИИЭУголь, М., 1988, 30с.

7. Картозия Б.А., Корчак A.B., Пшеничный В.А., Свирский Ю.И., Цейтлин Г.М., Быков A.B. Авторское свидетельство № 1384772. Способ крепления горных выработок. Опубликовано в Б. И. 1988, №12

8. Картозия Б.А., Пшеничный В.А., Корчак A.B. и др. Строительство выработок в сложных горнотехнических условиях: Справочник. М., Недра, 1992, 320 с.

9. Корчак A.B., Пшеничный В.А. Проектирование строительства и повторного использования горных выработок. Деп. в издательстве МГГУ, справка № 110/1 от 17. 04.98.

10. Корчак A.B. Анализ технико-экономических показателей вскры-тия пологих выбросоопасных пластов вертикальными стволами. В сб. "Строительство горных выработок". М., МГГУ, 1994, с. 78-82.

11. Корчак A.B. Выбор эффективных типов строительных подходов насосных камер глубокого заложения. В сб. "Строительство подземных сооружений в условиях городской застройки" М., МГИ, 1987,с. 57-62.

12. Корчак A.B. Критериальная оценка эффективности функционирования сложных природно-технических геосистем. В сб. "Проблемы строительной геотехнологии". М., МГГУ, 1998, с. 170 -185.

13. Корчак A.B. Логико-информационный подход к проектированию строительства подземных сооружений в сложных горногеологических условиях. - Горный информационно-аналитический бюллетень. М„ МГГУ, 1996, Вып. 3, с. 6-11.

14. Корчак A.B. Методы сооружения подземных камер большого сечения. В сб. "Строительство подземных сооружений и шахт". М„ МГИ, 1980, с.72-76.

15. Корчак A.B. Направления развития методологии проектирования строительства подземных сооружений в сложных горногеологических условиях. Горный информационно-аналитический бюллетень. № 4, М., МГГУ, 1996, стр. 48-57.

16. Корчак A.B. О целесообразности применения проходческих комбайнов при строительстве подземных камер. Межвузовский научно-технический сборник, Свердловск, МГИ, 1986, с. 59-62.

17. Корчак A.B. Об особенностях информационного обеспечения проектирования, строительства и эксплуатации подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях. Горный информационно-аналитический бюллетень. № 1, М., МГГУ, 1997, с. 15-22.

18. Корчак A.B. Определение длины стартовой площадки для разработки основного массива камерных выработок. "Строительство предприятии угольной промышленности". Научно-технический сборник, ЦНИИЭУголь Минуглепрома УССР № 2, 1982, с.26-28.

19. Корчак A.B. Практикум по дисциплине "Шахтное и подземное строительство". М., МГГУ, 1996, 45 с.

20. Корчак A.B. Проходка стволов при строительстве действующих горнодобывающих предприятий способом бурения. В сб. "Ремонт и реконструкция горных предприятий и подземных сооружений". М., МГИ, 1986, с.85-87.

21. Корчак A.B. Расчет анкерной и набрызг-бетонной крепи. В кн. Каргозия Б.А., Борисов В.Н. Инженерные задачи механики подземных сооружений. М., МГГУ. 1997. с. 38-43.

22. Корчак A.B. Расчет шарнирных арочных крепей при симметричной и косонаправленной нагрузке. В кн. Картозия Б.А., Борисов В.Н. Инженерные задачи механики подземных сооружений. М.,МГГУ, 1997, с. 49-64.

23. Корчак A.B. Технические средства бурения скважин при замораживании и водопонижении. В сб. "Специальные способы строительства подземных сооружений и шахт". М., МГИ, 1984, с. 129-134.

24. Корчак A.B., Пшеничный В.А. Вывалы породы при проведении горных выработок угольных шахт. Горный информационно-аналитический бюллетень. № 2, М., МГГУ, 1995, с. 54-57.

25. Корчак A.B., Алексеев A.B. Совершенствование технологических схем проходки коллекторных тоннелей проходческими щитами. В сб. "Научные основы проектирования и строительства шахт и подземных сооружений". М., МГИ, 1982, с.87-91.

26. Корчак A.B., Оськина Г.А. Определение основных размеров монтажной щитовой камеры. "Строительство предприятий угольной промышленности" Научно-технический сборник, ЦНИИЭУголь Минуглепрома УССР №5, 1982, с.28-29.

27. Корчак А.В., Пшеничный В.А. К вопросу об определении величин сигнальных смещений кровли выработки, закрепленной крепью регулируемого сопротивления. Горный информационно-аналити-ческий бюллетень. М., МГГУ, № 2, 1998, с. 33-36.

28. Корчак А.В., Пшеничный В.А. Крепление капитальных горных выработок крепью регулируемого сопротивления. Тезисы доклада на Всесоюзной научной конференции " Разработка и внедрение средств комплексной механизации и автоматизации проведения горных выработок". Рудный, 1987, с.40.

29. Корчак А.В., Пшеничный В.А. Новый способ крепления капитальных горных выработок. В сб. "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов". Тезисы доклада на IX Всесоюзной научной конференции. М., МГИ, 1987.

30. Корчак А.В., Пшеничный В.А. Проектирование геомеханических параметров технологии крепления горных выработок. В кн. Картозия Б.А., Баклашов И.В. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. М., Недра, 1992. с. 312-326.

31. Федюкин В.А., Корчак А.В. Совершенствовать и развивать бурение стволов. - Шахтное строительство, 1985, № 8, с. 6-9.

32. Федюкин В.А., Корчак А.В. Выбор эффективных технологических параметров строительства подземных насосных станций. В сб. "Совершенствование технологии, механизации и автоматизации горных работ" Тезисы докладов на региональной научно-технической конференции. Тула, 1978.

33. Федюкин В.А., Корчак А.В. Направления совершенствования схем и способов сооружения подземных камер перекачных насосных станций глубокого заложения. В сб. "Строительство подземных сооружений и шахт". М., МГИ, 1979, с.64-66.

34. Федюкин В.А., Корчак А.В. Обоснование способа выемки породы при строительстве подземных насосных станций глубокого заложения. В сб. "Строительство городских подземных сооружений". М., МГИ, 1984, с. 50-56.

35. Федюкин В.А., Корчак А.В. Основные направления развития бурения стволов установками РТБ. В сб. "Строительство горных выработок на предприятиях горнодобывающих отраслей промышленности". М., МГИ, 1986, с.34-41.

36. Kartozija В.А., Korchak A.V., Fedunets B.I., Schuplik M.N., ' Schilin A.A. Metodology of designing underground processes in complicated mining and geological conditions. 2nd Regional APCOM'97 symposium, P. 55-58.

37. Kartozija B.A., Korchak A.V., Fedunets B.I., Schuplik M.N., Schilin A.A. Scientific, technological and environmental problems of construction and rehabilitation of urban underground structures. World Tunnel Congress -97 Austria, Vienna, 12-17 April 1997,

Kartozija B.A., Korchak A.V., Pshenichnij Y.A. New technology of mine workings supporting. Mining science & technology. China University 1991.

38. Kartozija B.A., Korchak A.V., Pshenichnij V.A. Resursosbere-gajascaja technologija kreplenija kapitalnych gornych vyrabotok. IV VEDECKA KONFERENCE HORNICOGEOLOGICKE FAKULTY VSB VYSOKA SKOLA BANSKA V OSTRAVE 1990, p. 72-82.

: 99- 5 ш- £

МИНИСТЕРСТВО ФБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 622.228.550.82.(043.3)

Корчак Андрей Владимирович

Обоснование и разработка методологии проектирования строительства и повторного использования подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях

Специальность: 05.15.04 "Строительство шахт и подземных сооружений "

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: Лауреат Государственной премии СССР, профессор, доктор технических наук Картозия Б. А.

Москва-1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................4

ГЛАВА I Анализ современных методов проектирования строительства и повторного использования подземных сооружений........................

1.1 Анализ методов проектирования угольных шахт...................................№

1.2 Анализ методов проектирования горнорудных предприятий...............36

1.3 Анализ методов проектирования строительства подземных сооружений.............................................

..............................................................................46

1.4 Анализ опыта повторного использования технологического

подземного пространства горнодобывающих предприятий................................

Выводы...............................................................................................................95

ГЛАВА II Разработка классификаций повторного использования подземных сооружений и сложных горно-геологических условий

строительства.................................................................................................96

2.1. Классификация повторного использования подземных сооружений..............................................................................................................................%

2.2 Классификация сложных горно-геологических условий строительства подземных сооружений....................................................................................100

2.3 Классификация и критерии оценки сложных гидрогеологических

ф условий строительства подземных сооружений...................................................Ю5

2.4 Классификация и критерии оценки сложных газодинамических условий строительства подземных сооружений...................................................<40

2.5 Классификация и критерии оценки сложных геомеханических условий строительства подземных сооружений.......................................................

Выводы...............................................................................................................122

ГЛАВА III Формирование и функционирование природно-технической геосистемы "массив - технология - подземное сооружение "....................

3.1 Система "массив - технология - подземное сооружение" (основные составляющие системы)...........................................................................................№4

3.2 Взаимосвязи элементов природно-технической геосистемы "массив - технология - подземное сооружение"....................................................132

3.3 Разработка структурной модели поддержания устойчивости природно-технической геосистемы "массив - технология - подземное сооружение"......................................................................................................................../155

3.4 Классификация критериев оценки эффективности функционирования природно-технических геосистем в сложных горно-геологических

^ условиях.....................................................................................................................-16?

3.5 Направления развития методологии проектирования строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях..............

Выводы.............................................................................................................

ГЛАВА IV Обоснование и разработка методики проектирования строительства горных выработок в сложных геомеханических условиях............................................................................................................................

4.1 Анализ современных способов обеспечения устойчивости подземных сооружений.......................................................................................................¿94

4.2 Экспериментальные исследования и анализ геомеханических процессов вокруг горных выработок..........................................................................

4.3 Анализ аналитических исследований геомеханических процессов вокруг горных выработок.......................................................................................Я.26

4.4 Разработка методики проектирования строительства капитальных горных выработок с ресурсосберегающими конструкциями крепи.,

Выводы.......................................... ..................................................................¿59

ГЛАВА V Экспериментальные исследования крепи регулируемого сопротивления..................................................................................................................

5.1 Проектирование строительства горных выработок с крепью регулируемого сопротивления для экспериментальных участков шахт "Ворошиловградская № Г' и "Комсомолец Донбасса"......................................

5.2 Экспериментальная проверка методики проектирования крепи регулируемого сопротивления в натурных условиях на шахтах "Ворошиловградская №1" и "Комсомолец Донбасса"......................................¿75

5.3 Проектирование строительства горных выработок с крепью регулируемого сопротивления и экспериментальные исследования на шахте" Суходольская-Восточная"...........................................................¿90

Выводы............................................................................................................$.59

ГЛАВА VI Разработка конструкций базовых крепей и крепей усиления для управляемых технологий крепления капитальных горных выработок 3*10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................$87

%

ВВЕДЕНИЕ

Составной частью глобальной научно-технической проблемы комплексного освоения недр Земли является освоение подземного пространства, связанное с многофункциональным использованием природных и техногенных полостей для размещения в них различных объектов жизнеобеспечения. Основополагающей идеей освоения подземного пространства является принцип его использования и сохранения как видоизменяемого ресурса [273]. Этот принцип требует глубокого научного обоснования всех проектных решений по строительству, эксплуатации, реконструкции и повторному использованию подземных сооружений.

В ряду горных наук строительная геотехнология, предметом изучения которой является установление закономерностей взаимодействия подземных сооружений с массивом горных пород, технических, экономических и организационных взаимосвязей технологических процессов при их строительстве, реконструкции и восстановлении, занимает особое место, т.к. исследует комбинации объективных законов природы применительно к искусственно создаваемым системам Человек - подземное сооружение - массив горных пород" [102, 112]. Подобные закономерности принято называть комбинационными. Они обладают всеми присущими закономерностям признаками: объективностью, общностью, повторяемостью, устойчивостью и внутренней необходимостью. Число таких закономерностей адекватно числу искусственных систем, то есть условий подземного строительства, в которых функционирует тот или иной горно-строительный процесс.

Одним из главных научных разделов строительной геотехнологии является методология проектирования строительства подземных сооружений, которая объединяет вопросы обоснования стратегии и методов освоения подземного пространства, в том числе при утилизации и повторном их использовании.

Проектирование - это первый важнейший этап инвестиционного процесса и одновременно звено, связывающее науку с производством. Методология проектирования подземных сооружений определяет уровень развития техники и технологии на перспективу. От совершенства практических методов проектирования, их научной обоснованности зависит геотехнологическая стратегия освоения подземного пространства.

Проектирование строительства горнодобывающих предприятий и подземных сооружений в настоящее время регламентируются обширной номенклатурой нормативных, методических и инструктивных документов. Однако, несмотря на наличие этих документов, проектирование строительства подземных сооружений носит в целом отраслевой характер. В каждой из горнодобывающих отраслей (угольная, горнорудная, горно-химическая и др.) и отраслей жизнеобеспечения (подземные сооружения коммунального назначения, транспортные, гидротехнические и др.) действует целый

ряд ведомственных документов, образующих нормативно-методическую базу проектирования строительства подземных сооружений.

Более того, проектирование строительства подземного сооружения ф осуществляется для каждого конкретного случая индивидуально, в соответ-

ствии с основным функциональным назначением, эксплуатационными параметрами и характеристиками вмещающего породного массива. При этом не рассматривается возможность использования проектируемых объектов в новом функциональном качестве в будущем. Вместе с тем, в действующих отраслевых нормах проектирования строительства подземных сооружений есть только общие указания на необходимость учета закрепленных в законодательном порядке требований по рациональному и комплексному освоению недр, однако каких-либо конкретных рекомендаций на этот счет не содержится.

Развитие методологии и практических методов проектирования строительства подземных сооружений неразрывно связано с эволюцией представления о комплексном освоении недр.

Анализ нормативно-методической базы проектирования строительства подземных сооружений в различных горнодобывающих отраслях показывает, что основными задачами отраслевых требований при централизованном планировании народного хозяйства являлись повышение полноты извлечения различных ресурсов недр (угля, руды, солей и т.д.) и эффективность их дальнейшего использования.

Таким образом, под комплексным освоением месторождений на на-• чальном этапе понималось наиболее полное использование ресурсов недр и

конкретного полезного ископаемого. Эта традиционная методология остается пока единственной реальной основой всей проектной деятельности горнодобывающих отраслей.

В результате исследований, выполненных за последние годы [25, 96, 98 и др.], созданы теоретические предпосылки для формирования методологии проектирования строительства горнодобывающих предприятий в динамической постановке, позволяющей прогнозировать условия его развития, а также возможную динамику технико-экономических показателей в процессе функционирования. Это системный подход, базирующийся на экономико-математическом моделировании, который стал новым этапом развития методологических принципов проектирования.

Разработанные в этот период методологические основы системного подхода к проектированию строительства горнодобывающих предприятий при комплексном освоении месторождений [96, 97] позволяют получить максимальное количество продукции высокого качества при условии обеспечения оптимальной полноты использования недр, минимально возмож-ф ного уровня всех видов затрат, связанных с освоением, а также при наи-

меньшем ущербе для окружающей среды.

В такой постановке комплексность освоения недр - это уже не максимальная полнота их использования, а именно комплексный, т.е. всесторон-

ний подход к выбору путей и средств освоения. В соответствии с этим уровень комплексности должен оцениваться не степенью полноты извлечения полезных ископаемых, а степенью оптимальности процесса с позиций учета всей совокупности народнохозяйственных требований.

Таким образом, методология проектирования строительства различных горнодобывающих предприятий на этом этапе исходит из того, что проектируемый объект должен выполнять свое основное целевое назначение с оптимальными технико-экономическими показателями, и все технические решения принимаются только с этих позиции. Это приводит к тому, что при полном исчерпании своих ресурсных возможностей, либо дальнейшей нерентабельности горное предприятие закрывается, либо ликвидируется. Примером этому может служить массовое варварское закрытие шахт, их затопление. При этом практическое проектирование по-прежнему основывается на дифференцированной по отраслям нормативно-методической документации, регламентирующей решение проектных задач в рамках традиционной методологии.

Проектирование строительства подземных объектов жизнеобеспечения в основном используется традиционный эмпирический подход, основанный на опыте сооружения аналогичных объектов, на данных инженерных изысканий и наблюдений за процессом строительства. На современном этапе разрабатываются системные принципы автоматизированного проектирования строительства подземных сооружений различного функционального назначения. Эти принципы отвечают требованиям только основного функционального назначения подземного сооружения.

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" [273], роль подземного строительства резко возрастает, прежде всего, ввиду расширения понятия "георесурсы", которое согласно классификации [102] охватывает и функционирующие подземные сооружения. При такой постановке сами горные выработки и подземные сооружения не только становятся материальным ресурсом, но и открывают путь к освоению иных ресурсов, использование которых позволит компенсировать первоначальные затраты и получить дополнительный хозяйственный, экономический или социальный эффект.

С этих позиций "отдельные участки земной коры, пригодные для размещения в них промышленных, хозяйственных и других объектов, с полным основанием могут быть отнесены к георесурсам" [102].

Подземное пространство страны является важнейшим государственным ресурсом, освоение которого позволяет хотя бы частично решить такие глобальные проблемы, стоящие перед человечеством, как сохранение земли, энергосбережение, экология [181].

Подземное пространство, образующееся при подземной разработке месторождений полезных ископаемых, является практически невостребован-

ным, а его объемы огромны. Достаточно сказать, что объем только вскрывающих и подготовительных выработок с большим сроком службы и хорошим доступом к ним с поверхности составляет на шахте среднего мас-

41 штаба (производительностью 1 млн. тонн в год) 600 - 1200 тыс. м3, объем

рабочего (отработанного) пространства очистных забоев, равный объему вынимаемого угля, составляет около 500 тыс. м3 в год. Если учесть ориентировочно все шахты и рудники страны, то объем их подземного пространства составляет 1 млрд. м3 капитальных и подготовительных горных выработок и 500 млн. м3 в год очистных [178].

Наряду с этим, на поверхности создаются громадные объемы продуктов переработки и использования минерального сырья, промышленных и хозяйственных отходов. Известно, что выданная из шахты порода вместе с «хвостами» обогащения и золой сжигания угля формирует объем отходов, достигающий 120 млн. тонн в год. Проблема освобождения поверхности от этого пока бесполезного материала постоянно «загрязняющего» окружающую среду беспокоит все страны.

Важнейшей социальной и экономической проблемой, возникшей в последние годы, является реструктуризация угольной промышленности и связанная с нею проблема закрытия неперспективных шахт. В настоящее время ликвидационные работы ведутся на 105 шахтах и на 55 из них уже произведена ликвидация горных выработок (технологического подземного пространства) и производится демонтаж поверхностных зданий и сооружений.

• В 1998 году намечено направить более одного миллиарда рублей на

технические работы по ликвидации предприятий, в том числе и уничтожение технологического подземного пространства, что в 2,1 раза больше, чем фактически освоено в 1997 году.

Вместе с тем, в отечественной и мировой практике уже накоплен значительный опыт повторного использования горных выработок в новом функциональном качестве.

На наш взгляд современная концепция, положенная в основу методологии проектирования строительства различных подземных сооружений, должна базироваться на следующих основных принципах:

1. Подземное сооружение рассматривается как видоизменяемый георесурс, позволяющий реализовывать его многофункциональное качество.

2. Подземное сооружение является составным элементом сложной динамической геосистемы "массив - технология - подземное сооружение позволяющей прогнозировать технические, экономические и социальные последствия принимаемых решений.

% 3. Эффективность управления геосистемой базируется на активном

геомеханическом мониторинге, который предполагает непрерывное наблюдение за ее состоянием и организацию целенаправленных консолиди-

рующих обратных связей в системе и управляющих воздействий, обеспечивающих затухание дестабилизирующих процессов в ней.

4. Технология строительства, эксплуатации, реконструкции и повторного использования подземных сооружений должна базиров