Александр Абрамович Барях,
российский учёный, специалист в области экспериментальной и теоретической геомеханики, академик РАН, директор Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН
«Все профессии важны, все профессии нужны…», – этому нас учила школа… Но какая из них станет твоей судьбой, наверное, во многих случаях решают случайные обстоятельства и сама судьба.
В мое время обстоятельства четко детерминировали победу «физиков» над «лириками». Как писал поэт Борис Слуцкий: «Что-то физики в почете, что-то лирики в загоне. Дело не в сухом расчете, дело в мировом законе». И это понятно. Человек вторгся в космические просторы… На экранах страны идет великолепный фильм Михаила Ромма «Девять дней одного года» с Баталовым и Смоктуновским в главных ролях, где героические физики воюют за термояд. Еще считают на арифмометрах и логарифмических линейках, но все уже знают слово «кибернетика»…
В общем, больших раздумий у меня не было… Конечно, надо шагать в «физики», в широком понимании этого слова. Я родился в семье военнослужащего на Украине, в небольшом историческом городке Коростене. Закончил в нем с золотой медалью школу. Урал был выбран судьбой – здесь в Перми служил военным врачом мой старший брат. Куда поступать? Начал метаться между физфаком Университета и Политехом... Кто-то, сейчас уже не помню, сказал, что в Политехе не так давно открылась новая специальность «Динамика и прочность машин». Организовал кафедру молодой профессор из Свердловска Александр Александрович Поздеев, впоследствии член-корреспондент АН СССР.
Кафедра и в самом деле оказалась замечательной: молодая, креативная и, главное, очень демократичная. Учиться было весело и интересно… Нас четко ориентировали на научные исследования. Хочу заметить, что только первые 20 выпусков дали двух академиков РАН, около 50 докторов и порядка 200 кандидатов наук. Для провинциального вуза это рекордные цифры!
Где-то на первом-втором курсе Сан Саныч Поздеев порекомендовал нам прочитать только вышедшую книгу английского университетского профессора Джеймса Гордона «Почему мы не проваливаемся сквозь пол». В ней в доступной научно-популярной форме, с юмором, рассказывается о свойствах материалов и прочности конструкций…
Почему мы не проваливаемся сквозь пол? Ответ на этот вопрос столь очевидный, что мы никогда не задумываемся над ним, хотя он включает общую проблему: почему любое твердое тело, конструкция способны сопротивляться приложенной к ним нагрузке. И эта проблема издавна занимала умы ученых, таких выдающихся, как Галилео Галилей (1564– 1642), Роберт Гук (1635–1703), Исаак Ньютон (1643–1727). Несмотря на их великие трактаты, на протяжении еще двухсот лет не было достаточно полного представления о том, что же на самом деле происходит в конструкциях, находящихся под нагрузкой. Инженеры-практики все еще продолжали делать свои расчеты по наитию, на пальцах.
Защита диплома
Я вспомнил о книге Гордона, когда в 1976 году после окончания института меня пригласили на Горный факультет родного Политеха, на кафедру, которая сейчас называется «Разработка месторождений полезных ископаемых» (еще один поворот судьбы, от микронеоднородных сред и наполненных полимеров, по которым я писал диплом, в жерло горной науки). Первые мои исследования были связаны с устойчивостью и креплением капитальных горных выработок на железорудных шахтах Урала. Спуск в шахту и перед глазами арочная форма выработок. Сразу пришли на память книжные примеры: античные сооружения – древнеримские акведуки, которые с помощью арок проходили через овраги… Кирпичной аркой можно было перекрыть пролет длиной около 50 м.
Родной Политех
От двухмерных арок древние архитекторы переходили к трехмерному куполу. Так, центральная часть собора Святой Софии, возведенного в Константинополе около 530 года, представляет собой огромный купол, диаметр которого достигает 33 м. Для легкости он сложен из пемзы и покоится на громадных арках, которые, в свою очередь, опираются на вспомогательные полукупола. Свободное от колонн пространство в соборе имеет площадь порядки 1800 м2 и высоту около 80 м. Эти грандиозные арочные и купольные сооружения сохранились до наших дней.
Древнеримский акведук в Кесарии
Как же считали эти конструкции древние архитекторы? По большому счету, никто ничего не рассчитывал. Все на первый взгляд достаточно просто. Кладка из кирпичей или тесаного камня имеет нулевую прочность на растяжение и может сопротивляться только сжатию. Древние понимали это и пытались воздвигать несущие конструкции такой формы, чтобы они работали только в поле сжатия. Реализовать на практике эти проекты, несомненно, являлось непревзойденным искусством.
Провал над аварийно-затопленным рудником
А что горные выработки? По сути, то же самое: прочность горных пород на сжатие на порядок выше, чем на растяжение, следовательно, арочная форма выработки, пройденной в однородном породном массиве, априори наиболее устойчивая.
Вот так для меня началась геомеханика… Интересна трактовка этой научной дисциплины. Большая советская энциклопедия определяет геомеханику как науку, «изучающую механическое состояние земной коры и идущие в ней под воздействием естественных физических причин процессы». Примерно так же трактует геомеханику и Википедия. А вот Большой энциклопедический словарь приближает геомеханику к сфере горных наук: «геомеханика (механика горных пород) изучает физико-механические свойства пород, их напряженное состояние, процессы деформирования и разрушения, происходящие под влиянием природных и технологических факторов». Не будем вдаваться в терминологические споры. Мой научный интерес в основном оказался связан с геомеханическими процессами, сопутствующими разработке месторождений полезных ископаемых.
Человечество не может существовать без полезных ископаемых. Вместе с тем их добыча – определенное насилие над недрами. И недра отвечают на это со всей строгостью спроса Хозяйки медной горы: обрушения, горные удары, техногенные землетрясения, прорывы вод в горные выработки, негативное воздействие на подработанную территорию и т.д. Чтобы избежать этих аварий и катастроф, технологические параметры горных работ должны соответствовать геологическим условиям разработки конкретных месторождений. Научное обоснование этих параметров является одной из главных задач горной геомеханики.
Шахтный эксперимент требует физических усилий
Геомеханика – архиинтереснейшая наука! По сути, она венчает пирамиду научного обеспечения безопасности ведения горных работ. Геомеханика не только базируется на фундаментальных законах и феноменологических уравнениях механики, но и должна корректно отражать особенности геологического строения объекта, тектонику, газодинамические и гидрогеологические процессы, параметры систем разработки полезных ископаемых и др.
Следует отметить, что, в отличие от многих других научных дисциплин, фундаментальные проблемы геомеханики ставит непосредственно горная практика. Так, как ни печально об этом говорить, практически каждая авария на шахтах и рудниках формулирует перед исследователями комплекс новых сложных задач. Приведу лишь один пример. Месторождение калийных солей. Подземный рудник, расположенный в границах городской черты. Ночью жителей разбудила нешуточная тряска. Что это – природное землетрясение? Нет, обрушение в руднике горных выработок на площади около 30 гектаров. Земная поверхность мгновенно просела на 4,5 метра. При визуальном обследовании периферийной зоны обрушения в горных выработках фиксировалось полное разрушения целиков и потолочин. Обрушение сопровождалось выделением горючих газов, которое привело к возгоранию метано-воздушной смеси. Было высказано много версий динамического разрушения горных выработок, которое произошло впервые за 60-летнюю историю эксплуатации месторождения. Планомерные и достаточно продолжительные теоретические и экспериментальные исследования позволили установить причину массового обрушения пород: динамическое разрушение междукамерных целиков вследствие потери потолочиной несущей способности в условиях трехпластовой отработки калийных пластов. По сути, все опять очень просто – эффект этажерки: полки разрушились, конструкция мгновенно упала. Но чтобы показать и доказать это, потребовались несколько лет научных изысканий. Выход для практики: «предупрежден – значит вооружен». Полученные новые знания, установленные закономерности позволяют предотвратить или минимизировать риски возникновения аварийных ситуаций.
Лаборатория геомеханики
Сегодняшняя геомеханика базируется на самых современных экспериментальных методах исследования, которые используют новейшие комплексы определения физико-механических свойств горных пород в сложных режимах нагружения. Томографические изображения позволяют проследить изменения структуры пород и развитие трещин в процессе деформирования. Натурные методы включают: контроль деформаций земной поверхности методами спутниковой радарной интерферометрии, геофизические исВ калийном руднике следования изменения состояния массива в процессе ведения горных работ, сейсмологический и инструментальный мониторинг в режиме реального времени с применением элементов фотоники и оптоволоконных технологий. Геомеханические расчеты выполняются методами математического моделирования и отражают особенности поведения горных пород под нагрузкой, весь комплекс горно-геологических и горнотехнических факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние подработанного массива. Численная реализация геомеханических моделей осуществляется на суперкомпьютерной технике с использованием параллельных методов вычислений.
Что ожидает горную геомеханику в будущем? Однозначно, новый класс задач и несомненная востребованность. Это связано с увеличением глубины разработки месторождений полезных ископаемых и, как следствие, – высокое горное давление, высокие температуры и сложные горно-геологические условия.
Что ожидает сама горная геомеханика? Безусловно, молодых талантливых исследователей в науке, креативных амбициозных инженеров-геотехников на производстве, которые совместно способны обеспечить безопасность и эффективность горных работ.
