ГЕОМЕХАНИКА В СПЕКТРЕ НАУК О ЗЕМЛЕ
(Сибирская школа геомехаников)
К числу ведущих научных школ России, получивших в 1996 году
государственную поддержку (грант РФФИ N 96-1598537 "Исследование
природных и техногенных явлений в верхней части земной коры"),
принадлежит Сибирская школа геомехаников академика М.Курлени,
ядро которой сформировалось в Институте горного дела СО РАН более
20 лет назад. Как известно, термин "научная школа" не есть строго
определенное понятие и характеризует, с одной стороны,
перспективные направления и активно развивающиеся области знания
о Природе и Человеке, а с другой -- масштабы и организационные
формы взаимодействия внутри сообществ, добывающих научные знания.
В этих аспектах "видовое" разнообразие научных школ может быть
достаточно обширным.
Применительно к школе академика М.Курлени в большей мере подходит
ее определение как неформального коллектива исследователей,
решающих фундаментальную научную проблему создания
геомеханических основ освоения больших глубин и добившихся
крупных успехов, влияющих на научно-техническую политику в
стране. Решение проблемы, безусловно, связано и с достижением
больших экономических результатов. В научную школу входят ученые
и специалисты, разделяющие созидательную идею, лежащую в основе
предлагаемого подхода к решению сформулированной проблемы.
Решение связанных с нею круга задач становится приоритетным делом
жизни объединенного этой идеей коллектива исследователей, что
создает особую, благоприятную для творчества среду, которая
способствует интеграции и обеспечивает стратегию высокого уровня
выполнения работы, как правило не ниже мирового.
Наша научная школа возникла в недрах горных наук и с первых дней
своего существования провозгласила смену мышления: отказ от
методов описательного характера и переход к анализу природных
явлений в реальных массивах горных пород с точки зрения физики и
математики. Этим и диктовалась первая поставленная цель:
установление закономерностей горного давления с увеличением
глубины ведения горных работ. Успешное ее продвижение было
связано с преодолением целого ряда сложных проблем. Это не могло
не найти своего отражения в сохраняющейся на протяжении многих
лет преемственности возникающих научных задач, передачи
личностного знания, характерных приемов работы и широко развитого
междисциплинарного общения. Конечно, ясно, что наука не имеет
четких географических границ, корпоративна в своей основе,
поэтому требуются немалые усилия для того, чтобы найти свою нишу
в мировой науке.
Отмеченные обстоятельства естественным образом диктовали и
основные задачи, стоящие перед научной школой. Во-первых,
формировать научного работника, способного адаптироваться к новым
задачам и владеющего самыми современными методами и техникой
исследования. Чтобы быть устойчивой (школе) и физически не
стареть, необходимо работать над главными или приоритетными
направлениями исследований. Соответствующий отбор должен
основываться на их актуальности и непрерывном формировании
коллектива, способного решать крупные проблемы геомеханики.
Необходимо учитывать такой важный критерий, как реальная
возможность использования полученных научных результатов в
промышленности и образовании, и что немаловажно -- решать
проблему подбора кадров не по приятельским, а по деловым
соображениям.
Исторически школа геомеханики связана с лабораторией горного
давления, созданной в Институте горного дела СО АН СССР в 1958
году по инициативе члена-корреспондента АН СССР Т.Горбачева. Она
стала притягательным центром для молодых ученых.
В те годы костяк лаборатории составили кандидаты наук Г.Грицко,
М.Курленя, В.Леонтьев, Г.Посохов, Д.Сенук, В.Шалауров. Владея
обширными знаниями о состоянии дел по добыче угля в соседнем
Кузбассе, Т.Горбачев поставил задачу о закономерностях
формирования напряженно-деформированного состояния массива горных
пород при изменении глубины. Эта, на первый взгляд, не сложная в
своей постановке проблема повлекла за собой необходимость
развития широкого спектра аналитических и экспериментальных
методов исследования массивов горных пород. Потребовалось создать
комплекс приборов и оборудования, разработать оригинальные методы
наблюдения за проявлением горного давления в натурных условиях.
Исследования проявления горного давления, разработка методов
управления им при выемке мощных пластов угля Кузнецкого бассейна
с учетом изменения механического состояния пластов на нижележащих
горизонтах широким фронтом проводились в 1960-66 годах
коллективом молодых специалистов -- горняков, математиков,
электронщиков (Ф.Гаман, А.Шадрин, В.Цыцаркин, Б.Власенко,
В.Кулаков, О.Чинакал, В.Аксенов и др.). Параллельно в лаборатории
математики и механики И.Кунина разрабатывались методы решения
некоторых задач расчета горного давления, в которых использовался
аппарат интегральных уравнений. На эти исследования значительное
влияние оказало предложение профессора Г.Баренблата и академика
С.Христиановича -- рассматривать напряженное состояние около
выработки, пройденной по углю, в рамках упругой модели массива со
щелью, имитирующей выработку.
Негативные явления в горнодобывающей промышленности нашей страны,
в том числе в Кузбассе, начали накапливаться с 50-х годов, когда
горные предприятия столкнулись с резким ухудшением
горно-геологических условий отработки месторождений. Специфика
горного производства давно определилась: по мере отработки
месторождений приходится осваивать глубокие горизонты и залежи
полезных ископаемых в более сложных горно-геологических условиях.
Глубина залегания добываемых минеральных ресурсов на Кольском
полуострове, Урале, Норильске, Горной Шории, Дальнем Востоке и за
пределами России (Средняя Азия, Казахстан, Кавказ и т.д.)
достигает более 700-1600 м (а в ЮАР -- более 3,5 км) и продолжает
постоянно увеличиваться. При этом усиливается интенсивность
проявлений горного давления, в том числе и катастрофических,
представляющих собой реакцию породных массивов на вторжение
человека в недра Земли как своеобразную плату за нарушение
природного равновесия. Именно горное давление создает наибольшие
технические, экономические, экологические и социальные проблемы
горнодобывающей промышленности. Поэтому при решении коренных
вопросов развития горного производства, при выборе стратегии
освоения месторождений первостепенное значение имеют
фундаментальные представления об исходном напряженном состоянии
массива, его трансформациях в процессе горных работ. Неучет
реальности этого объективного фактора приводит к гибели и
травмированию людей, к тяжелым экологическим и экономическим
последствиям.
Попытки обеспечить эффективность разработки месторождений
существующими методами часто оказывались несостоятельными, так
как горная наука того времени не располагала адекватными научными
представлениями о природе полей напряжений в верхней части земной
коры, не владела надежными способами управления
напряженно-деформированным состоянием массива. Существовавшие
гипотезы о напряженном состоянии земной коры не были обоснованы
экспериментальными данными, опирались на устаревшие теоретические
представления или на опыт и интуицию. Образовался значительный
разрыв между потребностями практики современного
крупномасштабного горного производства и научным осмыслением
процессов, происходящих в массиве при добыче полезных ископаемых.
Качественно новый этап в развитии геомеханических исследований в
ИГД СО АН, в дальнейшем оказавший определяющее влияние на их
уровень в целом как в России, так и за рубежом, наступил, как
представляется, с 1974 года. В институте была создана лаборатория
механики горных пород, которую возглавил молодой доктор наук
М.Курленя. Имея бесценный опыт общения и совместной работы с
такими корифеями горного дела, как члены-корреспонденты
Т.Горбачев и Н.Чинакал, прекрасно ориентируясь в фундаментальных
проблемах горных наук, М.Курленя поставил перед сотрудниками
лаборатории более широкую проблему по изучению современных
геодинамических полей и геомеханических процессов, обусловленных
техногенной деятельностью человека. Решение этой проблемы,
безусловно, невозможно было без привлечения молодых
квалифицированных исследователей широкого спектра специальностей,
создания современной экспериментальной базы, расширения контактов
с производственниками и учеными из смежных областей науки, обмена
информацией с отечественными и зарубежными специалистами.
Реализации этих аспектов деятельности лаборатории в последующем
уделялось самое пристальное внимание.
Так, основу лаборатории механики горных пород составили и в
дальнейшем пополняли молодые выпускники механико-математического
и геолого-геофизического факультетов Новосибирского
государственного университета, ряда университетов и институтов
Сибири и Москвы. Теперь практически все из них -- доктора или
кандидаты наук и сами возглавляют научные коллективы. Достаточно
сказать, что ныне почти треть научных лабораторий ИГД СО РАН
возглавляют ученики М.Курлени.
Обеспечение связей с горным производством, проведение большого
объема натурных экспериментов на шахтах и рудниках Заполярья,
Сибири и Дальнего Востока, широкое внедрение научных результатов
в технологию отработки месторождений полезных ископаемых, а также
подготовка научных кадров для горнодобывающих предприятий
осуществлялись посредством привлечения в аспирантуру и
докторантуру молодых, талантливых и энергичных специалистов с
этих предприятий. Многие из них в настоящее время занимают
ключевые позиции на горнодобывающих предприятиях Норильска,
Дальнегорска, Таштагола и других промышленных центров страны.
Налаживанию и расширению контактов между отечественными и
зарубежными специалистами самого широкого профиля способствовал
регулярно действующий с 1967 года по существу международный
"Семинар по измерению напряжений в массиве горных пород", в
работе которого принимали активное участие ученые и
производственники практически из всех республик СССР и
стран-членов Совета Экономической Взаимопомощи (СЭВ). Надо
отметить, что с участия в работе этого семинара началась
творческая жизнь многих исследователей, и в этом аспекте трудно
переоценить вклад его создателей и организаторов: Т.Горбачева, Е.
Шемякина, М.Курлени и других ученых-горняков.
Конечно, проведение серьезных экспериментальных исследований
немыслимо без использования современных методов, создания
комплекса необходимых приборов и оборудования. Эта сторона
проблемы всегда была в центре внимания М.Курлени. Здесь его
учениками получены важные результаты, послужившие основой для
участия института в международном сотрудничестве по линии СЭВ в
рамках темы "Создание комплекса научной геофизической аппаратуры"
(1976-1987 гг.). Разработанные в рамках этого проекта
унифицированные комплексы аппаратуры для диагностики и контроля
напряженно-деформированного состояния массивов горных пород
(УК-"Тензор", "Эпсилон", УК-"Гидрозонд"), а также комплекты
аппаратуры и оборудования для горно-геофизических исследований
(электрометрия, радиометрия, акустическая и электромагнитная
эмиссия и др.) в настоящее время широко используются в ряде
научных и производственных организаций страны как неотъемлемые
элементы шахтного геомониторинга. Применению этих приборов и
соответствующих методов измерения способствовало изготовление
технических устройств на Опытном заводе СО РАН.
Использование инструментальных методов в практике горного дела
(В.Аксенов, В.Барышников, В.Востриков, А.Еременко, Г.Кулаков,
М.Курленя, А.Леонтьев, Г.Матасова, П.Морозов, В.Опарин, К.Пирля,
С.Попов, В.Федоренко, Р.Юн, Г.Яковицкая и др.) позволило в
последние полтора десятилетия получить важные геомеханические
результаты и сделать принципиальные для наук о Земле открытия,
свидетельствующие о большой роли нелинейности в поведении
геоматериалов и массивов горных пород. Здесь ограничимся лишь
кратким упоминанием тех из них, которые имеют принципиальное
значение для решения проблемы создания безопасных условий
отработки месторождений полезных ископаемых в условиях больших
глубин (в том числе и безлюдных), а также свидетельствующих о
наличии глубокой взаимосвязи между горной геомеханикой и другими
науками о Земле.
Одним из первых результатов применения инструментальных
деформационных методов измерения напряжений в массивах горных
пород на месторождениях Норильска, Таштагола, Забайкалья и
Дальнегорска стало обнаружение существования повышенных (в
сравнении с расчетными литостатическими) горизонтальных
напряжений. Этот фундаментальный по своей значимости факт привел
к заключению о том, что длительное время существовавшие
представления об обусловленности горного давления верхнего слоя
земной коры только весом налегающих пород не являются
корректными. Отмеченное обстоятельство дало мощный импульс
развитию аналитических и численных методов расчета
напряженно-деформированного состояния породных массивов и
подземных сооружений, учитывающих геолого-структурный фактор и
геодинамические условия отработки месторождений (В.Миренков,
Л.Назарова, В.Серяков, А.Чанышев).
Активное применение новых методов горной геофизики для
исследования геомеханических процессов, протекающих вокруг
образующихся подземных полостей различного масштабного уровня и
на разных глубинах их расположения, позволило открыть ряд
геомеханических явлений, по своей значимости далеко выходящих за
пределы горных наук.
Из разряда медленно протекающих процессов -- это явление
зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок и
эффект самоорганизации искусственных (закладочных) массивов с
образованием опорных ячеистых структур в виде пассивного ядра и
активной несущей оболочки. Явление зональной дезинтеграции горных
пород было зарегистрировано как открытие СССР 400 в 1991 году
(авторы: М.Курленя, В.Опарин, В.Рева и др.). Этому открытию
посвящалась статья в газете "Наука в Сибири", (N 42, 1991г.). В
данном случае речь идет об особом характере разрушения горных
пород вокруг подземных полостей на больших глубинах, напоминающем
квантово--механическую структуру атомов: с полостью -- на месте
ядра и чередующимися кольцевыми системами трещин -- на месте
электронных орбит (как бы атомный "негатив"!).
Второй эффект -- самоорганизации искусственных массивов -- связан
с образованием в закладочных массивах (важнейших технологических
элементов в управлении горным давлением на больших глубинах)
замкнутых структур, сильно напоминающих по физико-механическим
свойствам строение куриного яйца или снежного кома.
Более чем двадцатилетний опыт экспериментальных исследований на
рудниках Норильского месторождения доказал, что именно эти два
эффекта являются определяющими в процессах взаимодействия
породных, рудных и закладочных массивов при извлечении мощных
пластов полиметаллов. Ими же контролируются состояние подземных
выработок и общая производительность горнодобычных работ. Сейчас
появились основания полагать, что отмеченные геомеханические
эффекты играют важную роль и при отработке нефтегазовых
месторождений. Хотелось бы отметить и такой любопытный результат.
Использование экспериментально установленного масштабного фактора
явления зональной дезинтеграции горных пород позволило нам
впервые теоретически рассчитать основные геометрические
характеристики оболочных структур Земли и Луны, выделяемых в
планетарной геофизике по сейсмологическим записям. По существу
дано геомеханическое объяснение классической модели
Гутенберга-Буллена по структуре разреза Земли, что позволило
выдвинуть гипотезу о существовании универсального
зонально-дезинтеграционного процесса недр планет Солнечной
системы.
Из разряда динамически протекающих процессов в геосредах следует
особо отметить такие, как явление знакопеременной реакции горных
пород на взрывные (вообще -- динамические) воздействия, а также
связанные с этим явлением субзвуковые ( 300 -- 600 м/с) волны
маятникового типа и широкую гамму более низкоскоростных
упруго--пластических волн деформации массивов ( 25 м/ч и менее).
Здесь проявилось фундаментальное (для реальных массивов горных
пород с блочно-иерархическим строением) следствие нарушения
классического в механике сплошных сред условия совместности
деформаций по Сен-Венану. Наличие этих эффектов свидетельствует о
том, что большая доля накопленной упругой энергии в очаговых
зонах землетрясений, горных ударов и от взрывов расходуется не
только на дробление породного массива, но и в значительной мере
передается геоблокам. Это проявляется в деформировании среды за
счет относительного проскальзывания блоков, их поступательного и
вращательного осциллирующих движений. Такие, казалось бы,
парадоксальные движения геоблоков в стесненных условиях, как
выяснилось, связаны с формированием в них квазирезонансов со
спектральным наполнением по типу акустической "радуги" и
возникновением на этой основе эффекта аномально низкого трения
между структурными элементами геосреды. В настоящее время
квазирезонансному подходу к анализу механизма возникновения
деструктивных форм проявления горного давления и действия взрывов
уделяется много внимания исследователями нашего института и на
этом пути уже получен ряд фундаментальных результатов.
Экспериментальное открытие геомеханических эффектов имеет важное
практическое значение. Так, явление зональной дезинтеграции
горных пород и эффект самоорганизации искусственных массивов дают
естественнонаучную основу для создания новых технических и
технологических решений по прогнозированию и предотвращению
горных ударов, креплению подземных выработок, совершенствованию
паспортов буровзрывных работ и т.д. На этой основе разработано
более 25 изобретений, значительное число из которых уже
реализовано в горном деле. Явление знакопеременной реакции горных
пород вносит коренные изменения в представления о накоплении и
высвобождении упругой энергии в земной коре и на отдельных
участках массива горных пород, дает объяснение афтершоковой
активности от крупных землетрясений и индуцированной сейсмичности
шахтных полей при мощных взрывных воздействиях на массив, а также
механизму обнаруженного дальнодействия техногенных и ядерных
взрывов. Использование феноменологических зависимостей по
динамико-кинематическим характеристикам маятниковых волн в рамках
квазирезонансного подхода к анализу катастрофических событий, как
полагаем, многообещающе в шахтном геомеханическом мониторинге.
Получению достигнутых результатов фундаментальных исследований во
многом способствовало наше тесное сотрудничество с крупными
учеными ряда ведущих научных организаций России (ВНИМИ, ИПКОН
РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта РАН, ИДГ РАН, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН).
Таким образом, вызванная к жизни потребностями сугубо прикладного
свойства, механика горных пород, как одна из научных дисциплин
горного дела, появилась и получила бурное развитие в текущем
столетии. При этом ею были пройдены этапы от первоначального
накопления и обобщения данных о физико-механических свойствах
горных пород, визуальных наблюдений за состоянием наземных и
подземных горных выработок и инженерных сооружений; получения
первых эмпирических формул, связывающих их устойчивость с
физико--механическими свойствами пород и геоматериалов, а также
активного применения моделей механики сплошных сред, теорий
упругости и пластичности для математического описания сложных
природных и технических объектов.
В последние два-три десятилетия большое развитие получили также
экспериментальные методы диагностики и контроля
напряженно-деформированного состояния массивов горных пород.
Активное их применение во всем мире позволило превратить шахты и
рудники по существу в экспериментальные лаборатории по изучению
современных геодинамических полей и процессов, вызванных
техногенной деятельностью человека, а на базе механики горных
пород стали зримо формироваться контуры геомеханики как новой
научной дисциплины в спектре наук о Земле. Этому способствовали,
прежде всего, открытия в этой области, полученные на базе
использования экспериментальных методов исследования в ряде
научных организаций нашей страны и за рубежом.
Оценивая общий уровень достигнутых результатов в области
геомеханики на рубеже веков, необходимо отметить следующее.
Во-первых, накопленный здесь научный потенциал, созданный арсенал
теоретических методов и экспериментальных средств выводят на
новый уровень взаимодействие этой научной дисциплины с такими
классическими разделами наук о Земле, как геофизика, сейсмология,
геотектоника и геология. В этом аспекте геомеханика как
пограничная область между горными науками и геологией (в широком
понимании) является важным связующим звеном и обеспечивает
взаимопроникновение накопленных знаний и современных методов.
Результаты такого взаимодействия весьма плодотворны. Важнейшим из
них, пожалуй, является понимание того, что именно с изучением
нелинейных физических и геомеханических процессов связаны большие
перспективы наук о Земле в грядущем тысячелетии. И, наконец, если
в предыдущие столетия хорошо известные тогда рудознатцы и
представители "горного искусства" (среди которых был и первый
русский академик М.В.Ломоносов) своими трудами заложили основы
для возникновения геолого-геофизических наук, которые в своем
развитии со временем значительно удалились от своего
"первоисточника", то теперь, как представляется, наступает этап
"возвращения" к своему источнику, но уже на качественно ином
уровне.
В.ОПАРИН,
член-корреспондент РАН,
заместитель директора
Института горного дела.
г.Новосибирск.
стр.
|
