Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
Прежде чем перейти к существу проблемы, обозначенной в заглавии книги, считаю необходимым выразить свою точку зрения на взаимосвязи науки и производства.
Вся полезная деятельность человека может быть отнесена к двум глобальным сферам.
Первая является источником духовных ценностей, создаваемых посредством науки, искусства, религии, а вторая – материальных ценностей, необходимых для жизнеобеспечения человеческого общества.
Главная цель науки как сферы человеческой деятельности состоит в генерации новых знаний, которые в свою очередь должны быть положены в основу технических решений, обеспечивающих прогресс в сфере производства. Но, поскольку ученый-исследователь, изучающий объективные закономерности процессов и явлений в окружающей среде, в своем научном поиске должен быть свободен от узковедомственных интересов производства, результаты его исследований не всегда напрямую могут быть использованы для принятия практических решений. Великий английский физик М.Фарадей, к примеру, сделав свое открытие электромагнитной индукции, никаких идей о его практической пользе не имел. А оно, впоследствии, легло в основу электротехники.
Фундаментальные знания используются для решения практических задач в области научно-технической деятельности, которая, в свою очередь, находится на стыке научно-исследовательской и производственной.
Дадим краткую характеристику основных признаков каждой из перечисленных областей деятельности.
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ.
Рассматривая научно-исследовательскую деятельность с точки зрения освоения недр земли, следует выделить прежде всего естественные и экономические науки: Физику, Математику, Химию, Геологию, Механику, Экономику. Их обычно называют фундаментальными науками. Ученые, занятые исследовательским процессом, имеют базовые специальности, соответствующие перечисленным группам наук: физик, химик, геолог, математик, механик, экономист и т.п. Их научные специальности, по которым защищаются докторские и кандидатские диссертации, адекватны перечисленным. Изучаемые проблемы носят общий характер и большей частью не связаны с конкретными областями материальной сферы деятельности. Объектами изучения являются в основном глобальные системы: абстрактное материальное пространство, физические поля, значительные участки земной коры (например, континенты), космос и т.д.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ.
Данный вид деятельности охватывает науки, именуемые прикладными и сопрягающиеся с соответствующими областями производственной деятельности. Если областью производственной деятельности является освоение недр земли, то это горные науки. Научной основой решения проблемы освоения подземного пространства служит «Строительная геотехнология».
Базовые образовательные специальности работников, занятых научно-технической деятельностью, как правило, инженерные, и соответствуют номенклатуре, установленной в высшей школе. Для освоения недр таковыми являются специальности горных инженеров: строителей, маркшейдеров, механиков, взрывников, а также инженеров по строительству тоннелей и гидротехнических сооружений.
Докторские и кандидатские диссертации защищаются по специальностям, установленным номенклатурой ВАК, таким, как, например, Геометрия и квалиметрия недр, Теория проектирования освоения недр, Геомеханика, Разрушение горных пород, Геотехнология, Рудничная аэрогазодинамика, Обогащение полезных ископаемых и целый ряд других специальностей, относящихся к техническим отраслям наук.
В данных отраслях трудится огромная армия научных работников, изобретателей, конструкторов, проектировщиков, основными задачами которых являются:
§ адаптация фундаментальных знаний о законах развития природы и общества и получение новых дополнительных знаний о закономерностях процессов и явлений в конкретно исследуемых системах (например, системе «породный массив – горная выработка – человек»);
§ принятие новых прогрессивных технических решений и разработка путей их практической реализации в конкретной области производства через новые методы, способы, технологии.
Координация деятельности указанных работников, как правило, осуществляется в рамках глобальной для данной отрасли производства научно-технической проблемы, например, «Комплексное освоение георесурсов недр».
ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ.
Структура этой сферы деятельности – отраслевая. Ее результатом, в частности, является создание новых материальных ценностей при комплексном освоении недр. Производственная деятельность при освоении подземного пространства именуется «Шахтным и подземным строительством».
В этой области деятельности сосредоточены трудовые, материальные и финансовые ресурсы для решения соответствующих научно-технических проблем. Основными ее работниками являются инженеры, техники и рабочие, имеющие соответствующую профессию и квалификацию.
Вот вкратце характеристика перечисленных областей деятельности. Теперь обратимся к некоторым их специфическим особенностям.
Следует отметить, что исследования ученых естествоиспытателей в сравнении с исследованиями ученых, работающих в отраслях технических наук, носят более общий характер, так как они связаны с масштабными системами и не привязаны к конкретным производственным условиям. Так, если для ученого в области механики твердого деформируемого тела типичной для исследований является тема «Изучение напряженно-деформированного состояния слоистого тела круговой формы в трансверсально-изотропной среде», то та же тема, развиваемая в горных науках и, в частности, в «Строительной геотехнологии», звучит иначе: «Изучение напряженно-деформированного состояния многослойной крепи ствола, пройденного в слоистом массиве горных пород». При ее решении, безусловно, будут использованы общие подходы и фундаментальные закономерности, но при этом будет дополнительно исследован целый ряд важных вопросов. Например, закономерности и характеристики сцепления между бетонным и чугунным слоем крепи, влияние горнотехнических факторов на процессы формирования нагрузки на крепь, критерии для оценки ее устойчивости и т.п.
Как видно из приведенного сравнения, постановка и цель задачи отличаются степенью конкретизации. В первом случае – это абстрактное падающее «яблоко Ньютона», а во втором – конкретный объем разрушенных пород, обрушающихся в горную выработку.
Обычно принято говорить, что науки делятся на фундаментальные и прикладные. Но здесь все-таки хотелось бы сделать уточнение: скорее, знания должны делиться на фундаментальные и прикладные, а не науки.
К сожалению, в обществе по данному вопросу сложилось искаженное мнение. Появилось некоторое ощущение недостаточной престижности прикладных наук и авторитетности ученых, занятых прикладными исследованиями.
Это совершенно не так. Во-первых, мы живем в настолько прагматичном мире, что наука ради науки практически сведена на нет. Во-вторых, значимость ученого, в том числе и общественная, определяется не только характером и масштабами решаемых им задач. И, наконец, хорошо известно, что и в рядах первых встречаются откровенные бездарности, и среди вторых есть блестящие таланты.
В чем же причина такого положения прикладных наук и в частности раздела, обеспечивающего исследованиями область строительства шахт и подземных сооружений?
Освоение недр включает в себя все виды техногенного воздействия на земную кору. Однако ни в одной из ранее существовавших классификаций наук, в том числе и горных, строительство шахт и подземных сооружений, не выделялось как самостоятельный элемент. Подтверждением этому является классификация, действовавшая в недавнее время в системе Российской академии наук. Горные науки до разработки новой классификации были объединены в три группы:
§ добыча твердых полезных ископаемых;
§ разработка и совершенствование теории и методов обогащения полезных ископаемых;
§ добыча нефти и газа.
Теперь новая классификация горных наук выглядит совершенно иначе (см. Главу 8), и Строительная геотехнология занимает в ней свое законное место.
ЛЕКЦИЯ 2 ______________________________________ &
ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ «СТРОИТЕЛЬНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ»
Растущий в мире интерес к освоению подземного пространства в значительной мере обусловлен положительными качествами подземных сооружений. Использование подземного пространства для размещения объектов различного назначения, помимо повышения эффективности использования недр, экономии территории и сохранения экологической чистоты, позволяет уменьшить затраты энергии на отопление и охлаждение помещений, сократить эксплуатационные расходы по сравнению с альтернативными сооружениями на поверхности, снизить влияние климатических условий.
Объекты, размещаемые в подземных горных выработках, характеризуются повышенной виброустойчивостью и акустической изоляцией по сравнению с наземными сооружениями. Эти свойства особенно благоприятны для размещения в подземном пространстве объектов, требующих полной акустической изоляции от внешней среды (станции геофизических наблюдений, студии звукозаписи, радио и телевидение, лаборатории и др.). Виброустойчивость подземных сооружений позволяет организовывать в подземных горных выработках производственные процессы, требующие полного отсутствия вибрации несущих и ограждающих конструкций. Способность породного массива защищать от внешних воздействий позволяет широко использовать подземные сооружения для укрытия людей от средств массового поражения и защиты от катастроф и стихийных бедствий. В подземных горных выработках соляных шахт лечат хронический бронхит, астму и другие заболевания людей. В подземных горных выработках и пещерах размещаются театры, церкви и концертные залы.
Расширение практики использования подземного пространства для различных хозяйственных целей в значительной мере связано с процессом урбанизации, защитой окружающей среды от отрицательных воздействий транспортных систем и потенциально опасных производств.
Особого внимания заслуживают подземные объекты для целей водоснабжения, хранения нефти, нефтепродуктов и различных видов горючего газа.
В современных условиях перспективным является строительство подземных атомных электрических станций как одного из направлений развития энергетики и обеспечения безопасности ядерной энергии. В связи с тем, что в мире с каждым годом накапливается все больше вредных отходов различных производств, остро встал вопрос их захоронения в подземном пространстве.
Во многих странах интенсивно развиваются прогрессивные направления подземного строительства. Так, например, подземные железные дороги подземные скоростные трамваи и метрополитены, подземные гаражи и автостоянки позволяют уменьшить последствия перенаселенности больших городов, высвободить площади для жилой застройки на поверхности земли и создания дополнительных городских зон отдыха. Глубокие подземные тоннели инженерных систем больших городов позволяют использовать их для многоцелевого использования (канализации, водопровода, ливневых вод, транспорта) и на этой основе обеспечить современную систему жизнеобеспечения при освоении подземного пространства городов.
В развитии экономики России важнейшую роль играет освоение природных ресурсов и в частности недр земли. В широком смысле понятие «недра» включает земную кору, мантию земли и ее ядро от поверхности до центра земного шара. В более узком понимании – это часть земной коры, практически осваиваемая человеком. Потребностями человеческого общества и уровнем его научно-технических возможностей определяются глубина проникновения в недра и масштабы их освоения.
Следовательно, освоение НЕДР ЗЕМЛИ – это область человеческой деятельности, связанная с изучением и практическим использованием земной коры в интересах создания требуемого уровня жизнеобеспечения общества.
Под практическим использованием земной коры в данном случае следует понимать освоение всех видов заключенных в ней ресурсов. Ресурсы недр (от французского ressource – ценности, запасы, возможности), или георесурсы, представляют собой компоненты природы, которые на данном уровне развития производительных сил используются или могут быть использованы в качестве средств производства и предметов потребления. К георесурсам относят месторождения твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых; отвалы уже добытых забалансовых полезных ископаемых и горных пород от проходки вскрывающих выработок, в которых содержатся полезные ископаемые; отходы переработки обогатительного и металлургического производства; подземные гидроресурсы, включающие пресные минеральные и термальные воды; внутреннее тепло недр земли.
Особое место в классификации георесурсов занимают природные и техногенные полости в недрах земли. К ним относятся пещеры, горные выработки, пригодные для повторного использования после исчерпания своих основных функций, а также специально создаваемые подземные сооружения для различных целей народного хозяйства. 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.
В целях последовательного и логически оправданного сближения различных научных школ в основополагающих методологических вопросах автор предлагает толкование терминов, наиболее часто употребляемых в строительной геотехнологии. Некоторые из них заимствованы из учебников, энциклопедической и специальной научно-технической литературы с авторскими изменениями или добавлениями, а некоторые являются сугубо авторскими.
Не претендуя на окончательность тех или иных формулировок, автор надеется, что данная работа будет способствовать развитию Строительной геотехнологии как одной из важнейших составляющих комплекса горных наук. Не вызывает также сомнений, что одновременное участие в работе представителей различных сфер освоения подземного пространства – шахтного, тоннельного и промышлено-гражданского строительства – послужит сближению исследовательского потенциала страны на единой научной основе.
Начнем с определения самой науки:
Строительная геотехнология (англ. Construction geotechnology, нем. Geotechnology im Bauweisen, фр. Geotechnologie de construction) – это совокупность знаний о закономерностях поведения подземных сооружений в массиве горных пород, технических, экономических и организационных взаимосвязях технологических процессов при их строительстве, реконструкции и восстановлении.
Если иметь в виду, что предметом изучения строительной геотехнологии, как и многих технических наук, в первую очередь являются процессы и явления, то предложенная формулировка исчерпывающе характеризует ее содержание. Однако это не исключает возможности существования и других, более общих формулировок, например:
Строительная геотехнология – горная наука о прочности, устойчивости и долговечности подземных сооружений, технических, экономических и организационных взаимосвязях технологических процессов при их строительстве, реконструкции и восстановлении.
Или совсем коротко:
Строительная геотехнология – горная наука об освоении подземного пространства.
Такие формулировки на первый взгляд воспринимаются легче, однако их дефиниции содержат другой, более сложный для понимания термин – освоение подземного пространства, а следовательно, эти определения требуют дополнительного разъяснения. Кроме того, методы, способы и средства являются вторичными по отношению к знаниям о процессах и явлениях, на базе которых они разрабатываются.
Начнем с того, что попытаемся объяснить, что такое подземное пространство.
Согласно энциклопедическому определению пространство – это всеобщая форма существования материальных объектов, она характеризует структурность, протяженность и объем материальных систем. Применительно к узко рассматриваемым нами вопросам можно считать, что это: поверхность, земельная площадь, ее объем.
Однако, если говорить о проблеме освоения подземного пространства, то под понятием подземное пространство (объемом массива горных пород) следует понимать такой объем массива, который по своим качествам может быть использован с пользой. Если это природная полость, то она годится для использования после соответствующего приспособления. А если это просто объем массива горных пород, то он должен быть пригоден для строительства соответствующего подземного сооружения определенного функционального назначения. Исходя из вышесказанного, можно предложить формулировку определения подземного пространства.
Подземное пространство – это природные (естественные) и техногенные полости или объемы массива горных пород, пригодные для строительства.
Природные пустоты – полости в массиве горных пород, образовавшиеся в результате различных геологических процессов. Это могут быть пещеры и карсты, заполненные газом или водой.
Горные выработки – техногенные полости заданной формы и размеров.
Подземные сооружения – горные выработки или их комплексы, обустроенные в соответствии с функциональным назначением подземного объекта.
Обустройство природных и техногенных полостей состоит в выполнении строительных и монтажных работ по обеспечению функциональных, технических, экономических и других требований, заданных по условиям эксплуатации подземного объекта.
Подземные сооружения располагаются в массиве горных пород на различной глубине, при этом они всегда связаны с дневной поверхностью вертикальными, горизонтальными или наклонными выработками. Доступ к объекту строительства может осуществляться через подходные выработки (без крупномасштабного вскрытия дневной поверхности) или же путем отрывки котлована с последующим возведением в нем строительных конструкций (станции метрополитена неглубокого заложения, автостоянки, гаражи, заглубленные части зданий и сооружений и др.).
Бытует мнение, что строительство заглубленных частей зданий и сооружений не является областью деятельности горняков. Возможно, что такая точка зрения сложилась из практики, когда глубина подземной части зданий измерялась метрами. Однако сегодня, когда формируется концепция, что подземная часть высотных зданий должна быть сопоставима с наземной – с таким мнением вряд ли можно согласиться. Так, корейская компания SE&С, планируя построить высотное здание, предусматривает проходку подземной его части на глубину до 50 метров, причем по скальным породам высочайшей крепости, а это уже неотъемлемая часть горного дела.
Горное дело – область человеческой деятельности по освоению недр земли, включающая все виды техногенного воздействия на земную кору с целью изучения и использования заключенных в ней георесурсов.
Георесурсы (ресурсы недр) – компоненты земной коры (твердые, жидкие газообразные полезные ископаемые, пресные и минеральные воды, геогенное тепло, природные и техногенные полости), которые на данном уровне развития производительных сил используются или могут быть использованы для создания требуемого уровня жизнеобеспечения человеческого общества.
Освоение подземного пространства – область науки и производства, связанная с приспособлением природных полостей или строительством специальных подземных сооружений для размещения в них различных объектов жизнеобеспечения.
ПРИМЕЧАНИЕ. В зарубежной терминологии применяется термин «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА». Все-таки, «ОСВОЕНИЕ» это первичная фаза-создание подземного объекта, а использование созданного подземного объекта – вторичная, т.е. его эксплуатация.
Конец нынешнего тысячелетия ознаменовался последовательным возрастанием потребности к освоению природных ресурсов. И это не удивительно, так как они определяют уровень жизнеобеспечения человеческого общества. Для России важнейшей составляющей этой глобальной проблемы в настоящее время и в обозримом будущем является освоение георесурсов недр.
Необходимые потребности человеческого общества с одной стороны и уровень его научно-технических возможностей с другой, определяют глубину проникновения в недра земли и масштабы освоения заключенных в них георесурсов.
Поскольку подземное пространство в данной постановке рассматривается и как среда обитания человека, эта проблема превращается в комплексную научно-практическую проблему, решение которой невозможно без использования самого широкого круга технических, биологических, экологических и многих других знаний.
Освоение подземного пространства как одного из георесурсов недр имеет существенную особенность.
Извлечение твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых путем их истощает недра земли, снижая их ценность. Напротив, освоение подземного пространства не только сохраняет ценность этого георесурса, но и увеличивает ее, в том числе, за счет возможности повторного использования в новом качестве. Например, горная выработка отработанной шахты преобразуется в подземное хранилище, а оно, в случае необходимости, в объект гражданской обороны и т.д. Таким образом, освоение подземного пространства наглядно иллюстрирует одно из положений современной концепции освоения недр, при котором они (недра) рассматриваются как сохраняемый комплексный ресурс жизнедеятельности, источник появления новых георесурсов, постоянно обновляемых возможностью использования в новом полезном качеств е. (К вопросу о более широком понимании термина «Освоение подземного пространства» мы вернемся несколько позже).
Для освоения подземного пространства могут использоваться различные методы: приспособление природных полостей, строительство специальных подземных сооружений и, наконец, реконструкция существующих объектов для использования их в новом качестве.
Под методом освоения в данном случае понимается принципиальный подход к решению технической задачи, обобщающий различные способы достижения поставленной цели. Например, проведение выработок по неустойчивым водоносным породам осуществляется методом их предварительного упрочнения, а способы этого упрочнения могут быть различными: замораживание, цементация, химическое закрепление и т.п. [5].
Приспособление природной полости для размещения в ней подземного объекта состоит в доведении ее формы и размеров до проектных величин и последующем обустройстве в соответствии с функциональным назначением объекта, техническими, экономическими и другими требованиями.
Строительство подземного сооружения включает проведение горных выработок и их последующее обустройство в соответствии с функциональным назначением подземного объекта.
Здесь уместно будет сделать замечание об используемых в горнотехнической литературе терминах: проведение, проходка, сооружение горных выработок и возведение подземных сооружений.
Первые два из упомянутых терминов являются синонимами, но в литературном отношении термин проведение предпочтительнее. Понятие проведение горных выработок включает комплекс горностроительных процессов, основными из которых являются выемка породы, ее транспортировка и крепление выработки. Иногда в горнотехнической литературе встречается выражение проведение и крепление выработок, однако не следует понимать это как стремление выделить процесс крепления в самостоятельный, независимый от других. Этим лишь подчеркивается его значимость и трудоемкость. Процесс крепления занимает до 50% времени проходческого цикла.
Словосочетание сооружение горных выработок для обозначения известного технологического процесса употреблять не следует, т.к. входящая в его состав глагольная форма воспринимается двояко: как процесс и как объект. Что же касается термина возведение подземных сооружений, то с учетом особенностей технологии горностроительных работ он вряд ли употребим для подземных объектов, т.к. глагол возвести характеризует движение снизу вверх и в этом отношении в большей степени является синонимом слова «воздвигнуть», широко употребляемого в промышленно-гражданском строительстве. Например, возвести (воздвигнуть) здание, монумент.
Реконструкция подземного сооружения при освоении подземного пространства состоит в его переустройстве (перестройке) с целью повышения эффективности действующего объекта или повторного использования в новом качестве.
Производственная деятельность, включающая обустройство природных полостей, строительство и реконструкцию подземных сооружений различного назначения с целью рационального использования георесурсов, получила название шахтное и подземное строительство.
Отметим, что одновременное использование в горнотехнической литературе двух терминов шахтное строительство и подземное строительство свидетельствует о стремлении подчеркнуть их отраслевую принадлежность.
ЛЕКЦИЯ 3 ______________________________________ &
Дата: 2019-03-05, просмотров: 309.