Системный к инженерно-геологическим исследованиям при разведке месторождений полезных ископаемых.

Как известно, сущность системного подхода сводится к тому, что объект исследования, который можно принять за некоторую систему, изучается как нечто целост­ное, а его составляющие элементы исследуются не сами по себе, а исходя из задачи рассмотрения системы (целостного объ­екта)

А теперь рассмотрим, как решалась задача о прогнозе устойчи­вости бортов карьера. В качестве объекта (системы) как единое целое изучался участок месторождения — будущий рабочий или нерабочий борт карьера, а в качестве элементов, входящих в сис­тему,— горные породы, подземные воды, плотность и прочность пород, условия их залегания, тектоническая нарушенность. глу­бина карьера, дополнительные загрузки от оборудования и буро­взрывных работ, ширима рабочих и транспортных берм и т. д.

Прежде всего надо утвердиться в том, что борт карьера, а точ­нее, построенная нами модель этого борта, обладает свойствами системы. Понятий «система» довольно много, но обычно под систе­мой подразумевают упорядоченное множество взаимосвязанных между собой элементов (горные породы, подземные воды, условия залегания и т. д.), образующих целостное единство (борт карьера). В систему (борт) входят элементы разных порядков (горные по­роды, трещиноватость, прочность), поэтому между ними устанав­ливаются отношения иерархии. В свою очередь борт как система входит в систему более высокого порядка (карьерное поле), а гор­ные породы являются системой более низкого порядка, чем борт. Каждая подсистема может быть рассмотрена более глубоко и все­сторонне, чем это требуется для оценки той системы, куда она вхо­дит как составной элемент.

Прогнозируя степень устойчивости борта или его угол наклона при заданной степени устойчивости, мы изучали (и изучаем) только те качества слагающих элементов и только те отношения между ними, которые определяют устойчивость изучаемой системы (бор­та) как единого целого. Так, например, оцениваются не все свой­ства элементов, а только влияющие ни напряженное состояние борта и па изменение прочности горных пород; исследуя трещиноватость горных пород, интересуются ее влиянием на прочность по­род и на характер расчетной схемы и т. д.

Одним из главных преимуществ системного подхода считают его возможность выделить из множества факторов именно те, ко­торые оказывают наибольшее влияние на изменение (работу) ис­следуемой системы. При прогнозе устойчивости бортов карьеров это достигалось оценкой влияния отдельных элементов расчетным путем (оценка изменения устойчивости системы), а также интуи­цией исполнителя или способом экспертных оценок. Можно отметить и еще одну особенность исследования устойчивости откосов, характерную для системного подхода вообще. Это разбиение общейпроблемы (прогноз устойчивости борта) на под проблемы использование которых должно быть подчинено цели достижения оптимального решения общей проблемы. К примеру, изучение гор­ных пород их свойств должно вестись, не по условиям узнать «все, что можно» а определить только необходимое для решения задачи устойчивости. То обстоятельство, что некоторые исследователи проводят массовые компрессионные испытания глинистых пород при изучении условий устойчивости откосов, надо рассматривать не как пример отсутствия системного подхода, а просто как непони­мание проблемы.

Объекты, изучаемые в инженерно-геологическом аспекте (так же как и многие другие объекты естественных наук), являются системными по своей сущ­ности и внутреннему строению. Они существуют и функционируют независимо от нашего сознания (хотя некоторые исследователи считают, что система формируется в нашем сознании); техноген­ное же воздействие может изменить интенсивность и направлен­ность природных процессов. Эти объекты представляют собой единое целое, состоящее из множества взаимообусловленных и взаимосвязанных элементов. Вот как А. А. Каган характеризует геологические объекты (изучаемые как основание или среда для различных инженерных сооружений), что позволяет относить их к большим системам:

— сложены большим количеством компонентов;

— проявляют сложное поведение;

— параметры их имеют статистическое распределение в пространстве и во времени;

— реагируют на внешнее воздействие в разных своих частях по-разному;

Отличие инженерно-геологических исследований в горных выработках от большинства традиционных инженерных исследова­ний заключается в том, что они проводятся в природно-технической системе, а не только в инженерно-геологической подсистеме; это значительно осложняет их, но вместе с тем делает более ин­формативными и более конкретными.

Изложенное здесь отношение к системному подходу имеет одну-единственную цель — показать, что такой подход не является со­вершенно новой методологией в инженерной геологии (особенно это касается инженерно-геологического изучения различных про­цессов в горных породах, вызванных природными или искусствен­ными факторами), а поэтому рассматривать его как некую новую панацею от всех наших недостатков значит вводить в заблужде­ние и себя, и начинающих исследователей. Все беды с которыми сталкивается наша строительная (в том числе и горная) практика связаны с недостаточно высоким качеством исходной информации о геологических условиях исследуемого объекта и с незнанием закономерностей взаимодействия между этими условиями и сооружениями.

Переходя к задачам инженерной геологии в горном деле, следует иметь в виду несколько основных характерных особенностей их исследования и решения, которые, как будет видно, не противо­речат методологии системного подхода.

1. Внешнее воздействие на природную среду определяет основ­ные черты, размеры и форму системы (объекта), подлежащей ин­женерно-геологическому изучению. В одной и той же геологиче­ской обстановке в зависимости от типа, характера, размеров и формы сооружения (внешнего воздействия) будут меняться раз­
меры и формы системы, число ее элементов, требующих рассмот­рения и оценки, детальность изучения и т. д. От этого зависит ха­рактер инженерно-геологической модели изучаемого объекта. Стадия инженерно-геологических исследований оказывает существенное влияние на определение основных черт системы (объ­екта) изучения, на число ее элементов и на детальность их иссле­дования. Так, в зависимости от стадии разведки месторождения полезных ископаемых в качестве системы и ее недели можно рас­сматривать: месторождение в его геологических границах (на ран­них стадиях системой может служить целая провинция, рудоносный район, угольный бассейн и т. д.), шахтное (карьерное) поле или его части, участок шахтного ствола или других капитальных выработок, почву или кровлю (непосредственную или основную) полезного ископаемого, борт или уступ карьера и т. д. Естественно, что в каждом случае решаемые задачи и основные черты системы
будут разными, так же как и число слагающих элементов (подсистем). Иначе говоря, рассматриваемые системы имеют свою характерную сложность и принадлежат к разным системным уровням. Под влиянием внешнего воздействия рассматриваемая нами природная среда изменяется, переходя в новое состояние. При этом она может достичь равновесия, обеспечивающего нормальную эксплуатацию сооружения (внешнего воздействия), или может разрушиться и перейти в такое состояние, при котором нарушается режим работы сооружения, т. е. создается аварийная ситуация. Иногда природная среда адаптируется к новым условиям (сложив­шимся под внешним воздействием) и возвращается в прежнее со­
стояние, т. е. происходит авторегуляция. Можно привести много примеров из горной практики (и не только из нее), которые под­ утверждают отмеченные свойства геологической обстановки при воздействии на нее проходки горных выработок или строитель­ства других сооружений хотелось бы ко­ротко показать это положение на примере открытой разработки месторождений полезных ископаемых.

В качестве объекта будем рассматривать толщу вмещающих пород. Предварительное дренирование карьерного поля (внешнее воздействие) вызывает
изменение напряженного состояния горных пород, что может привести к возникновению процесса уплотнения и к формированию нового равновесного со­
стояния всей толщи горных пород. В этом случае говорят, что работает принцип Ле-Шателье: «если система, находящаяся в равновесии, подвергается воз­
действию, нарушающему это равновесие, то в ней возникают процессы, стремящиеся вернуть ее в прежнее состояние». Далее, при проходке первой траншеи происходит разгрузка и образование новых искусственных обнажений горных порол, которые влекут за собой возникновение и развитие она геологических процессов: разуплотнения, набухания, осыпания, суффозии и др. На новых обнажениях формируются раз­личны., по форме и размерам зоны, в пределах которых свойства горных по­род в зависимости от их состава, условии залегания и естественного состоя­ния изменяются в разной степени. И здесь возможны дна естествен­ных выхода: создание нового равновесия без разрушения целости пород (6opта карьера) или переход в новое состояние равновесия в результате оползня борта либо отдельных его уступов.

Может иметь место и третий — искусственный — выход: принятие мер, обеспечивающих новое устойчивое равновесие борта карьера. В частности, строительство внутренних отвалов в выработанном пространство можно рас­сматривать как воздействие, направленное на изменение нового состояния толщи пород и на восстановление нарушенного естественного равновесия. В таком же плаке работают улучшение свойств пород, перегрузка и другие мероприя­тия. Аналогичную картину можно нарисовать и при изучении воздействия внешних отвалов на их основание, где также происходит нарушение природ­ного равновесия и осуществляется переход к новому состоянию.

С точки зрения системного подхода все изложенное в данном примере говорит о том, что наш объект изучения относится к дина­мическим саморегулирующимся и самоорганизующимся системам открытого типа, обладающим положительными и отрицательными обратными связями. При инженерно-геологических исследованиях этот объект так и рассматривался. В качестве доступного исследо­вателю входа такой системы берется любой внешний фактор, воз­никающий при освоении месторождения и оказывающий влияние на его природные условия, а в качестве выхода — изменения этих условий под влиянием внешнего воздействия, наблюдения за кото­рыми дают возможность оценить поведение системы.

4. Решение конкретной задачи оценки инженерно-геологиче­ских условий разработки месторождения (или его части) и про­гноза изменений этих условий под воздействием горных работ обычно включает несколько этапов а) оценке объекта, подлежащего изучению в зависимости от типа и характера внешнего воздействия и решаемой задали, и построение его модели; б) Выделение основных элементов объекта, т. е. построение его иерархии; в) определение взаимоотношений между выделенными элементами и оценка степени влияния и значимости каждого из них на поведе­ние объекта в целом; г) принятие решения.

Анализ решений большого количества задач, выполненных в горном деле на открытых и подземных работах разными исследо­вателями за последние 30 лет, показывает, что неоднозначность решений и рекомендаций и аварийные ситуации являются резуль­татом ненадежности и неточности исходной геологической инфор­мации, на основе которой строятся неадекватные реальным усло­виям инженерно-геологические модели (расчетные схемы) и опре­деляются расчетные показатели физико-механических свойств горных пород. Об этом неоднократно писали Г. Н. Кузнецов, Г. Л. Фисенко, В. Т. Глушко и др. Для иных типов сооружений, в частности для естественных склонов и искусственных откосов, решающую роль надежности и точности показателей прочности пород в оценках и прогнозах их устойчивости отмечали К. Терцаги, М. Н. Гольдштейн, Н. Н. Маслов К Кездп и др. Это имело место в тех исследованиях, которые не применяли методологии ситемного подхода, но еще острее это ощущается в современных работах, выполняемых на принципах системного подхода.

Нет сомнения в том, чем выше уровень систематизации, автоматизации, интенсификации результатов наших оценок, прогнозов и рекомендаций, тем лучше должно быть качество исходной инженерно-геологической информации, тем важнее ее значение в общем комплексе выполняемых работ. Получение же такой информации становится особенно надежным в период строительства и эксплуатации различных сооружений. В этом отношении горное дело имеет значительные преимущества перед другим видами строительства. В самом деле, где и когда лучше изучается состав пород с учетом всех особенностей их строения и состояния природа явлений, их закономерности, условия возникновения и развития? Многими советскими и зарубежными авторами подчер­кивалось неоднократно, что это возможно сделать при анализе наблюдении за деформациями горных пород, за устойчивостью зданий и сооружений, за различными аварийными ситуациями и т. п. К счастью, аварийные ситуации являются редкостью в строи­тельной практике, где сооружения имеют высокие коэффициенты устойчивости и безопасности.

Совсем другое дело горная практика, где непрерывно строятся временные сооружения, происходит крепление и раскрепление вы­работок, посадка кровли (управление кровлей), принудительное обрушение пород в карьерах, дренирование подземных вод, слу­чаются оползни в карьерах и н? отвалах, пучение почвы вырабо­ток. Все эти явления систематически прослеживаются маркшеС-дрреким¹: измерениями к фиксируются геологической документа-1;..чй Результаты этой работы служат неисчерпаемым источником для научных исследований, оценок и прогнозов. Но именно здесь. в горной промышленности, где по ее специфике складываются наи­более благоприятные условия для научных исследований с большим практическим выходом по всем направлениям общей проблемы современности — рационального использования недр, обеспечения высокой безопасности и эффективности труда и охраны окружаю­щей природной среды,— нет специалистов инженеров-геологов. Самый минимум необходимых исследований выполняется эпизоди­чески силами научно-исследовательских институтов и вузов на хоз­договорных началах.