Традиционным средством обеспечения устойчивости выработок на угольных шахтах (свыше 90 % от общего объема) является податливая крепь из специального взаимозаменяемого профиля (СВП) [1]. В основу назначения ее параметров положен принцип определения площади поперечного сечения в свету с запасом на осадку в течение всего срока службы выработки. Предполагается, что при совпадении направления наибольших смещений пород и конструктивной податливости рамы (арки) крепь из СВП способна при постоянном сопротивлении узлов податливости компенсировать от 300 мм до 1300 вертикальных смещений пород [2]. Однако, уходя от горного давления, крепь с чрезмерной податливостью и малым подпором, почти не препятствует формированию вокруг выработки зоны неупругих деформаций (ЗНД) и разрыхлению пород в ее пределах до состояния, неспособного противодействовать распространению разрушения в глубь массива [3]. Кроме того, параметры крепи из СВП выбирают без учета вероятностной природы функционирования выработки в структурнонеоднородном массиве с многопараметрическими геомеханическими процессами и явлениями, которым свойственны случайность и значительная изменчивость во времени и пространстве.
Такой ресурсозатратный подход к обеспечению устойчивости выработок, при котором в очень малой степени используется собственная несущая способность пород, привел за последние 30 лет, совместно с газовым фактором, к возрастанию площади сечения выработок в 2 раза (с 6–10 м2 до 10–21 м2) и обусловил повсеместное распространение тяжелых профилей (27 и 33 кг/м). Это сопровождалось нерациональным расходом материалов, увеличением трудоемкости горно-проходческих работ и снижением скорости проведения выработок. Рост размеров выработок, в свою очередь, вызвал увеличение смещений пород и нагрузок на крепь, при этом надежность крепи из СВП снизилась, так как протяженность ремонтируемых выработок в настоящее время на порядок превышает протяженность вновь проходимых.
Для наглядной демонстрации проблемы предлагается посмотреть на нее с позиций системного подхода, идеи которого нашли широкое распространение во второй половине ХХ века. В горной науке понятие «система» в различной интерпретации используется при изучении массива пород; комплексов выработок; конструкций шахтной крепи; производственных процессов; агрегатов горных машин и пр. Надо сказать, что к настоящему времени уже накоплен некоторый опыт и сформулированы основные теоретические положения по отношению к отмеченным объектам. Однако отсутствие четких формулировок применительно к горной выработке и ее устойчивости обусловливает необходимость данного анализа.
В соответствии с общепринятым определением подземная горная выработка это инженерное сооружение, созданное в результате ведения горно-проходческих работ для удовлетворения потребностей человека. По своей сущности выработка представляет собой искусственную полость, образованную буровзрывным или механизированным способом в породном массиве и снабженную при необходимости крепью для обеспечения ее устойчивости в течение заданного срока службы. В результате образования полости в массиве происходят геомеханические процессы, проявляющиеся в переходе пород в разрушенное состояние, смещениях породного обнажения и нагрузках на крепь, которая, контактируя с породами, противодействует дальнейшему развитию их разрушения.
Вышеприведенная характеристика выработки полностью соответствует определению технической системы [4, 5], под которой обычно понимают некоторую целостность (например, сооружение), представляющую собой совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, и предназначенных для удовлетворения потребностей человека. При этом на природу элементов накладывается только одно ограничение, а именно, для данной системы (подсистемы) ее элементы должны быть относительно неделимыми. Другой постулат теории систем [5] гласит, что свойства объекта исследования определяются его структурой, под которой понимают обобщенную характеристику системных свойств, фиксирующих в абстрактной форме элементы и связи, их упорядоченность и организацию.
Для уяснения сути понятия структуры для выработки как геотехнической системы воспользуется категориями термодинамики. С этой точки зрения технологические процессы проведения и поддержания выработки представляют собой обмен веществом, энергией и информацией, вследствие чего за получение полезного эффекта (выработки с заданной устойчивостью) полная система (шахта) расплачивается некоторым количеством ресурсов, т.е. терпит определенные издержки, выражаемые стоимость этих ресурсов или затраченным рабочим временем. В этой связи производственная деятельность шахты характеризуется не только количеством добытого угля, но и связанными с этим затратами ресурсов, времени и другими потерями. Очевидно, чем ближе результат обмена, тем выше потенциал структуры геотехнической системы. Несоответствия между взаимодействующими элементами (противоречия структуры) наоборот проявляются в нерациональном расходовании ресурсов и повышении себестоимости продукции. В каждом конкретном состоянии геотехническая система обладает определенными свойствами, которым соответствует совокупность значений параметров (например, нагрузка со стороны массива пород и несущая способность крепи, смещения пород и конструктивная податливость крепи и т.п.), и посредством которых формализуется как условие равновесия системы, так и процесс ее деформирования. С ростом согласования параметров эффективность функционирования геотехнической системы повышается. Нарастание же противоречий между желаемым и действительным состоянием выработки при неизвестных путях преодоления этого расхождения, проявляющееся в бессмысленном расходовании ресурсов, наоборот, ведет к снижению эффективности геотехнической системы.
Развитие структуры любой технической системы осуществляется через противоречивое взаимодействие двух диалектических процессов: к росту организованности и к увеличению хаоса. Чем более развита и совершенна структура, тем ниже ее энтропия, и наоборот, потеря структурности ведет к нарастанию энтропии, понимаемой в нашем случае как непроизводительное расходование материалов, энергии и труда. Способность преодолевать внутренние противоречия взаимодействующих элементов геотехнической системы и достигать более высокого уровня организации ее структуры составляет суть управления технологическим процессом обеспечения устойчивости выработки.
Для обоснования перспектив решения проблемы воспользуемся традиционной классификацией развивающихся структур по их эволюционным свойствам, согласно которой они подразделяются на жесткие, дискретные и гибкие. Первый тип охватывает системы, состоящие из разнородных элементов, объединенных жесткой связью. Применительно к геотехнической системе элементами выступают различные формы проявлений горного давления в породном массиве, характеризуемые конфигурацией ЗНД, смещениями пород, нагрузкой на крепь и т.д., и разнообразные типы крепи со своими параметрами (несущей способностью, податливостью и т.д.). При наличии жесткой связи крепь определенного типа хорошо приспособлена к функционированию при конкретных проявлениях горного давления. Их изменение по тем или иным причинам (например, в результате влияния очистных работ) нарушает сформировавшееся равновесие взаимодействия крепи с окружающими породами и выработка, как следствие, теряет свое свойство безопасной эксплуатации в течение заданного срока службы. Лишь объединенные вместе определенного типа крепи и соответствующие им проявления горного давления составляют устойчивую структурно-функциональную систему, свойства которой определяются наличием специфических связей и отношений между параметрами крепи и геомеханическими процессами.
Особенность жесткой структуры состоит в том, что для обеспечения равновесного состояния системы ее элементы взаимно дополняют друг друга по всему диапазону горно-геологических условий, посредством чего достигается высокая организованность, т.е., используя термодинамическую аналогию, минимум энтропии. Но такие системы очень уязвимы, если отсутствует возможность применения крепи определенноготипа, а также в нестационарных условиях внешней среды и при неопределенных параметрах геомеханических процессов, так как жесткие структуры не способны перестраиваться (переналаживаться) и приспосабливаться к изменению горногеологических ситуаций.
Противоположный тип составляют дискретные структуры, формируемые из множества однородных, подобных элементов, обладающих свойствам взаимозаменяемости. Их наглядным примером служит арочная податливая металлическая крепь из СВП. В силу своей одинаковости такие системы слабо дополняют друг друга и не обладают высокой организованностью. Однако в случае изменения условий внешней среды такие крепи проще приспособить за счет варьирования параметров (номера спецпрофиля, числа элементов, плотности установки крепи, сопротивления узлов податливости и др.) Таким образом, геотехнические системы с такими связями плохо организованы, но зато они способны быстро видоизменяться. Именно это качество позволяет крепям из СВП относительно успешно перекрывать весь диапазон проявлений горного давления в угольных шахтах. Однако параметры крепи из СВП назначаются на стадии проектирования без учета вероятностного распределения свойств массива горных пород и поэтому они также не способны приспосабливаться к изменениям геомеханических процессов и неконтролируемым внешним возмущениям.
Существует также третий тип структур, характеризующийся сочетанием достоинств двух первых. Это системы, у которых имеется управление, называемые гибкими. Такие системы, благодаря взаимодополняемости элементов, обладают высокой организованностью, а за счет способности различного сочетания элементов – высокой пластичностью. Таково, например, современное производство, управляемое при помощи автоматизированных систем. Принципам поведения гибких систем в некоторой мере соответствуют новый австрийский способ сооружения туннелей NATM [6] и крепи с регулируемой несущей способностью [7, 8]. Однако эти способы направлены на управление подсистемой «крепь», а не «массив», и поэтому являются ресурсозатратными. Кроме того, в связи с неопределенностью свойств массива адаптивное управление геотехнической системой должно осуществляться на базе неформализованных данных, принципы которого до сих пор не разработаны.
Гибкий подход к решению проблемы ненадежности горных выработок проявляет уменьшить действие противоречий не путем подбора крепи к формам проявления горного давления, а за счет целенаправленного конструирования такой переменной структуры геотехнической системы, которая была бы способна к адаптации при вариации внешних условий либо оставалась инвариантной к ним. Широкие перспективы конструирования гибких систем для обеспечения устойчивости выработки открыло появление современных ЭВМ, которые позволяют оперативно обрабатывать данные геомеханического контроля для идентификации ситуации, моделировать многопараметрические геомеханические процессы в сложноструктурном массиве, ослабленном выработкой, и заменить беспорядочный перебор сознательным выбором рационального решения в соответствии с критерием
где:
μ*(t, τ) — рациональная стратегия из множества способов М(t, τ), которая с упреждением прогноза τ обеспечивает выполнение условия Wt(μ*)>Wt.тр(μ(t));
Wt — изменяющийся во времени t показатель эффективности, представляющий собой вероятностную меру соответствия реального результата требуемому и определяемый как математическое ожидание от функции соответствия взаимодействующих параметров способа и среды;
Wt.тр — требуемое значение показателя эффективности, назначаемое директивно, исходя из требуемых качеств выработки, или определяемое путем минимизации стоимости выполнения поставленных задач; supWt(μ, t, τ) — наибольшее значение
показателя эффективности Wt для выбранных способов обеспечения устойчивости выработки М(t, τ), которые являются рациональными к моменту времени t.
Запись (1) означает, что цели системной операции, а, следовательно, показатели и критерии, могут меняться во времени в зависимости от складывающейся ситуации. Использование такого критерия дает возможность выбрать не худшую стратегию μ*(t, τ) с точностью до ошибок прогнозирования на период прогноза τ. Принятие решений согласно (1) оказывается самым сложным по способу получения управляющих воздействий, но в то же время такой подход является наиболее приемлемым при проведении и эксплуатации выработок в неопределенных условиях.
Концепция адаптации наделяет геотехническую систему целеустремленным и гибким поведением. В ее рамках решения по обеспечению устойчивости выработки не следует принимать во всех деталях на всю обозримую перспективу на основе априорной информации, как предусмотрено в [2]. В любой момент времени должна сохраняться свобода выбора решений, которая заключается в принятии не одного лучшего решения, а нескольких приемлемых, и обеспечении возможности пересмотра, уточнения принятого решения по мере поступления текущей информации. В зависимости от складывающейся ситуации всегда остается возможность вернуться к предыдущему этапу и изменить ранее принятое решение так, чтобы осталась свобода выбора на последующих шагах. Этим обеспечивается гибкость управления и существенно повышается надежность функционирования выработки.
При проведении и поддержании выработок, в отличие от автоматизированных производств, такой подход предполагает подачу входа, его обработку и доставку выхода на вход через обратную связь не с помощью коммутационных схем, разработанных на основе определенного алгоритма, а самим человеком в ходе постоянного наблюдения за состоянием выработки (геомеханического мониторинга) и оперативного принятия решений с использованием прогнозной и текущей информации. Диапазон входа подобных адаптивных систем является более широким, решения принимаются на основе неформализованных данных, а для конструирования гибких структур при решении проблемы обеспечения требуемой устойчивости выработки разработаны способы, основанные на локальной разгрузке массива от напряжений, выборе объемнопланировачного решения выработок с учетом напряженного состояния массива, анкеровании и уплотнении пород, инъекционном упрочнении пород, обеспечении регулируемого режима работы рамной и сборной сплошной крепи [9]. Некоторые из способов детально исследованы в производственных условиях, в результате чего обоснованы их оптимальные параметры, разработаны технология и организация работ, доказана результативность и оценена экономическая эффективность.
Реализация предлагаемой концепции обеспечения устойчивости выработок затрагивает ряд вопросов. Во-первых, переход на качественно новый уровень управления состоянием породного массива, а также более полное использование несущей способности пород для обеспечения устойчивости выработок предъявляют повышенные требования представительности, точности и надежности исходных данных о напряженнодеформированном состоянии и прочностных свойствах пород. Поэтому для получения достоверной геомеханической информации следует создать на шахтах специальные службы, обладающие необходимым оборудованием и методиками. В их работе на договорных началах могут быть задействованы научные сотрудники из высших учебных заведений и специалисты из отраслевых НИИ. Во-вторых, для комплектации службы нужны квалифицированные кадры (подготовка данной специализации уже ведется в ДонНТУ) или введение в программы учебных заведений специальных курсов по контролю и управлению физическими процессами горного производства и формированию систем, гарантирующих надежность горных выработок. В-третьих, для проектирования, строительства и эксплуатации выработок с заданным уровнем надежности требуется разработка нового нормативного документа, учитывающего особенности функционирования выработки как геотехнической системы в условиях изменчивости и неопределенности геомеханической информации.