"Основная сложность геомеханики - это параметрическая и экспериментальная недоопределенность", - Александр Барях

Тема: Пермская школа геомеханики, история и перспективы развития направления, востребованность специалистов

Гость: Александр Барях, директор федерального государственного бюджетного учреждения Горный институт УрОРАН; Валерий Матвиенко, руководитель института механики сплошных сред УрОРАН, председатель Пермского научного центра УрОРАН

Дата выхода: 01 февраля 2015 года

Программа:  «Ни дня без науки»

Ведущий:  Роман Попов

Визитка: Александр Барях - директор Горного института Уральского отделения Российской академии наук, доктор технических наук, профессор.

В 1976 году окончил Пермский политехнический университет по специальности «Динамика и прочность машин». С 1991 года является

Научные интересы: горная геомеханики, как наука о механических свойствах породных массивов и механических процессах, происходящих в них при ведении горных работ.

Главная цель горной геомеханики — рациональное управление горным давлением, без чего наиболее часто возникают аварии, связанные с массовыми обрушениями пород, горными ударами, внезапными выбросами, затоплением горных выработок и другие. Почти каждая такая авария уникальна, сопровождается только ей одной свойственными геомеханическими процессами, сочетанием техногенных и природных факторов. И, как ни печально это звучит, именно выявление причин аварий требует новых подходов, расширяет представления специалистов о происходящем, делает их разработки востребованными.

Значительная часть исследований, легших в основу рекомендаций по ликвидации последствий аварий, основывалась на математическом моделировании геомеханических процессов. В частности, использовались синтезированные геомеханические модели, в которых природные и горнотехнические элементы породного массива в зависимости от их поведения под нагрузкой описывались различными определяющими соотношениями и критериями разрушения.

Директор Горного института Александр Барях является известным специалистом в области экспериментальной и теоретической геомеханики и смежных проблем освоения георесурсов. Им получены принципиально новые результаты в области механики соляных пород и массивов, которые нашли широкое применение в системе геомеханического обеспечения безопасности разработки месторождений водорастворимых руд и снижения негативных последствий крупных горнотехнических аварий. Им предложены методы ретроспективного математического моделирования геологических процессов в осадочных толщах и оценки карстоопасности урбанизированных территорий. В последние разработаны новые подходы к параметрическому обеспечению геомеханических моделей, основанные на использовании комплекса результатов натурных инструментальных измерений, данных геофизических и геодезических наблюдений. Школа специалистов-геомехаников активно участвует в практической реализации научных разработок, направленных на обеспечение безопасности крупномасштабных горных работ.  В последние годы свыше сорока научных разработок внедрено в промышленность, создан ряд нормативных и методических документов.

- Геомеханика. Александр Абрамович, о чем идет речь?

Александр Барях: Это механика Земли. Мне не очень нравится это название, оно всепоглощающее. Мы занимаемся механикой твердого деформируемого тела. С другой стороны, понятие геомеханики говорит о том, что наш объект - земля, такой же сложный, как человеческий организм.

- Мы представляем землю, как набор каких-то штук, которые взаимодействуют друг с другом.

Александр Барях: Мы занимаемся тем, что пытаемся оценить, прогнозировать те изменения, которые происходят при воздействии человека на землю. Хотя, конечно, природные явления - это тоже подразделы и разделы геомеханики. Я имею в виду землетрясения, извержения вулкана, цунами и т.д. Но, мы больше занимаемся воздействием человека на недра. Любое воздействие - это насилие над природой и ее реакция не всегда адекватна.

- Сколько лет науке геомеханика?

Александр Барях: Наверное, начинать надо с Агриколы. Горное дело - один из старейших видов производственной деятельности человека. Долгое время считалось, что горное дело - это горное искусство. на самом деле, когда смотришь старые выработки, все они сделаны не совсем интуитивно. Все равно, в основе лежали какие-то эксперименты, наработки. например, устойчива форма выработки-  это арочная выработка. Но как только геологические условия меняются, например - тонкослоистая среда, арочная форма уже не является наиболее устойчивой, поскольку мы перерезаем часть пластов, создаются консольки. Тут оптимальна прямоугольная форма. Когда в горное дело пришли методы механики твердого деформированного тела - это надо считать с конца XIX века. Сейчас, с развитием численных методов, с появлением средств рассчетов, никто не представляет себе добычу полезных ископаемых без геомеханики.

Валерий Матвиенко: Стоит упомянуть, что первые ростки науки и первые высокообразованные люди в нашем крае были горными инженерами. Край зарождался как горнопромышленный.

- Геомеханика - это, в первую очередь, недра.

Александр Барях: Это недра. Я бы сузил понятие до механики горных пород.

- А военные инженеры, задачи первопроходцев, динамит, прорубить дорогу в скалах - это имеет отношение к геомеханике?

Александр Барях: Связь есть, поскольку, все равно, это процессы разрушения. Но, есть технологические основы - это то, о чем вы говорите. Валерий Павлович правильно сказал, что горный инженер - это были люди широкого образования. Они знали горное дело, металлургию, математику, основы физики и т.д. Они могли работать и путейцами.

- Получается, что геомеханика возникает тогда, когда нам что-то нужно взять из земли.

Александр Барях: Вы правы. К великому сожалению, полезные ископаемые исчерпаемы. Со временем, приходится углубляться все дальше. У нас есть рудники глубиной один километр, я уже не говорю о южноафриканских шахтах, где глубина достигает четырех километров. Все это требует развития методов геомеханики и приложений.

- А в Пермском крае геомеханика когда началась, когда возникла научная школа?

Валерий Матвиенко: Политехнический институт начинался как Молотовский горный институт и первый ректор этого института Михаил Николаевич Дедюкин был горным инженером. Самые известные кафедры были кафедрами разных профилей горного дела. Может быть, я плохо знаю историю XIX века, но что касается второй половины XX века - это Пермский политехнический институт, ветка академической науки и масса отраслевых институтов, которых было больше десятка, где работали тысячи сотрудников.

Александр Барях: В этом плане Пермский край достаточно интересен. Еще в XIX веке начали строиться Кизеловские угольные шахты. Это одни из самых тяжелых шазт на постсоветском пространстве. В геомеханике есть очень большой подраздел "Горные удары". Это динамическое разрушение горных пород. Во время войны Кизеловский бассейн был одним из немногих, которые снабжали фронт углем. Именно здесь зарождалось изучение горных ударов и здесь была получена сталинская премия за предотвращение горных ударов, потому что последствия были катастрофические.

Если вернуться к современному этапу, применение современных методов механики в горном деле - это начало 70 - 80-х годов. То есть, относительно недавно. Появились реальные возможности математического моделирования, появилась испытательная техника. Это начало современной геомеханики в Пермском крае.

Валерий Матвиенко: В чем, собственно, суть проблемы? Есть земная оболочка, есть выработка с достаточно простой геометрией. И сравнить, например, с самолетом. Я с Александром Абрамовичем долго общался и не знаю что сложнее - получение прикладных результатов или взяться за обоснование всех вопросов, связанных с самолетом, либо с конкретным рудником. Много непонятного, скрытого для того, чтобы делать какие-то выводы, получать результаты.

Александр Барях: Основная сложность геомеханики, если мы говорим применительно к разработке полезных ископаемых - это параметрическая и экспериментальная недоопределенность. Имеется в виду определение свойств. Прямой метод - это бурение скважины. Но, это одна точка. Мы не можем взять рудник и поставить как самолет на испытательный стенд.

- Можно пробурить 10 скважин...

Александр Барях: Это будет 10 точек. мы говорим об объектах, размеры которых измеряются километрами. Методы математического моделирования позволяют смоделировать несколько вариантов. Без классической механики сплошных сред тут не обойтись. Первые масштабные задачи мы начали решать с Игорем Николаевичем Шардаковым. Тогда был предложен метод геометрического погружения. Мы смогли начинать решать задачи на той технике, которая была. Сейчас, конечно, расчеты идут на суперкомпьютерах. Сейчас объем объекта, размер не критичен.

- Как менялся круг проблем, которые решали специалисты геомеханики, начиная с Кизеловских шахт? Или задачи не менялись, менялись подходы?

Александр Барях: Движителем развития геомеханики, к сожалению, являются аварии. Любая авария - это некий выброс отлаженной системы обеспечения безопасности. Если мы понимаем, почему это произошло, мы можем предложить комплекс мер по минимизации рисков.

- Получается, пока авария не произошла, изучать и нечего, но, как только она случится, надо сразу же понять почему.

- Александр Барях: Изучать, конечно, есть что. Нам когда-то довелось давать оценку аварии. которая произошла на Шпицбергене. Это горные удары, динамические разрушения... Меры безопасности там принимались - это специальные мероприятия для разгрузки угольного пласта. Дефект, приводящий к аварии, не в самом пласте, а ниже его расположен. Он, при деформации, взламывает породу и приводит к последствиям, вплоть до человеческих жертв. Матмоделирование позволяет дать оценку опасности дефекта. В этом, как раз, широкие возможности применения математических методов.

Валерий Матвиенко: Здесь возникает интересная философская проблема - это мера ответственности ученого за результаты матмоделирования. Сегодя вероятность поломки самолета очень мала. Если мы посмотрим прогноз погоды - там меньшая точность, но, все равно, она высока. если посмотреть вероятность землетрясения, там достоверность уже другая. Где лежит грань ответственности - сказать сложно.

- Я так понимаю, что геомеханика - это одна из тех сфер, где матмоделирование 100%-й точностью не будет отличаться никогда.

Александр Барях: Вы правы. Надо понимать, что есть пространственный прогноз, есть временной прогноз. Землетрясений, например, изучают не одну тысячу лет, но никто не может предсказать его по времени. Второй пример - одна из самых лучших сетей мониторинга находится в Японии. Совсем недавно там засыпало пеплом туристов. Мы можем определить опасное место, но сказать когда это произойдет - только с определенной долей вероятности. Временные прогнозы мы постоянно корректируем. Основное достижение нашей геомеханики - это то, что мы пытаемся привлечь параметрическое обеспечение в своих расчетах. Измеряется геофизика, сейсмология, маркшейдерия. Чем больше параметров, тем больше достоверность прогнозов.

- То есть, мы не можем даже сравнивать с синоптиками, у которых чем меньше времени до события, тем точнее прогноз?

Александр Барях: Да, наоборот, наверное. Чем больше времени, тем больше данных о динамике процессов. Геомеханика должна включаться в систему безопасности горных пород еще до того, как начали отработку месторождения.

- При этом, вы - наука, вашими результатами пользуется огромное количество служб. Есть минусы текущей системы расчетов. Но плюсы-то тоже есть?

Александр Барях: Я бы не назвал это минусами. Это особенности. Это среда, которую мы не знаем достоверно, потому что изучаем среду не в каждой точке, а дискретно. Например, на Верхнекамском месторождении расстояние между скважинами один километр, а то и больше. Вот у нас есть данные по двум скважинам, а между ними километр. Мы закладываем в расчеты все, что есть. Большая боля - это проверка правильности прогнозом.

- Какие должны произойти перемены в научном мире, для того, чтобы точность прогнозов возросла в разы? В какой сфере еще не сделаны нужные открытия?

Александр Барях: Я думаю, что 100%-я достоверность прогнозов недостижима. Но, мы должны использовать в моделировании как можно больше исходных данных, которые должны составлять основу математической модели, по которой выполняются расчеты. И второе - это выстроенная система мониторинга. Датчиков должно быть достаточно, измерения проводиться заблаговременно и все результаты матмоделирования должны корректироваться.

Валерий Матвиенко: Важно не только предсказать, важно указать как минимизировать последствия, которые мы не можем с точностью предсказать. Например, землетрясение в Южно-Сахалинске. Ученые говорили: не стройте хрущевки в сейсмически опасных районах. Если мы знаем, что район с повышенным техногенным воздействием, надо заблаговременно привлекать горную механику, чтобы оценить возможные последствия катастрофы и минимизировать это.

Александр Барях: Система так и выстроена. Просто мы еще не дошли до логического завершения. Все на прогнозах. Правтически ко всем авариям подходит определение: несоответствие горно-технических условий отработки месторождений горно-геологическим. Поэтому, если мы такие участки заблаговременно выявляем, то даем рекомендации о дополнительных мерах безопасности. Мы может отрабатывать участок с более широкими целиками, создавать более прочные несущие конструкции. Поэтому, чем раньше включается геомеханика, тем меньше риск последствий.

- В вспоминаю слова Юлии Латыниной, которая говорила, что за последние полвека мест для природных катастроф с гибелью людей почти не осталось. Большинство катастроф с гибелью людей - катастрофы социальные. Она приводила в пример страшные землетрясения на Гаити с тысячами жертв и аналогичный пример уже не помню в каком месте, где погибло гораздо меньше людей, потому что они были готовы. мы не можем просчитать все, что есть в земле, но быть готовыми к этому можем?

Александр Барях: Оптимально готовыми. Латынина говорит о социальных, а мы, все-таки, о технических.

Валерий Матвиенко: Чтобы не работала известная пословица "гром не грянет - мужик не перекрестится".

- Можно ли постелить соломку на каждом месте?

Александр Барях: Нужно постелить соломку. Мы сейчас сталкиваемся с тем, что все наши опасные точки связаны с участками, которые отработаны много лет назад и куда доступ человека либо невозможен, либо небезопасен.

- То есть сейчас у вас есть некий список мест, где могут случиться проблемы и этот список донесен до соответствующих служб. И далеко не везде, как я предполагаю, приняты соответствующие меры.

Александр Барях: Что касается Верхнекамского месторождения, у нас территория всех рудников районирована по степени опасности. В основе лежат именно геомеханика, мониторинг, весь комплекс исследований, которые проводятся.

- Предприятия предпринимают какие-то меры?

Александр Барях: Конечно. У нас если доступ на некоторые участки закрыт, там действует особый режим мониторинга, который позволяет приблизить достоверность временного прогноза.

- Как это помогло предприятиям, которые там уже работают? Может быть, были спасены жизни? Ведь мы знаем что в Березниках происходит, но мы не знаем, что бы там могло произойти, если бы у них не было вашей информации.

Александр Барях: По крайней мере, там, где действует система мониторинга, это позволяет, даже в случае самого негативного развития событий, минимизировать последствия, приняв меры заранее. Эти раоты делаются по заказу и, надо отдать должное, каждый год заказывается корректировка.

- Только калийщики имеют такие проблемы?

Александр Барях: Почему? Нет. Эти проблемы присущи всем месторождениям. Конечно, клан геомехаников не очень большой и тот, кто владеет программными средствами, тот владеет и рынком. есть такая американская фирма "Айтаско", с которой мы тесно сотрудничаем, на продуктах которой выполняется матмоделирование на большинстве зарубежных шахт. Мы тестировали модели вместе с ними, они ориентированы на то, чтобы человек сел за ПК и мог все сосчитать. Мы ориентированы на суперкомпьютер. Может быть, человек не сможет работать на нем на руднике, но зато точность расчетов у нас выше. Второе - геомеханика невозможна без экспериментальной части. Тут нужно хорошее оборудование, которое у нас сейчас есть. Мы проводим испытания на разных нагрузках, на образцах большего диаметра, чем раньше.

- А вы у себя в институте скорее "кабинетные крысы" или настоящие полевые инженеры?

Александр Барях: У нас есть и "крысы", которые не отрываются от компьютера, есть те, кто занимается экспериментальной частью, таскают блоки, режут образцы, спускаются в шахты. У нас все оборудование свое. Есть и романтика, есть и кабинетная работа.

Валерий Матвиенко: Я не хочу льстить, но по оснащенности я равных лабораторий в России не знаю. Говорю это с полным основанием. Кроме того, эту кафедру можно назвать базовой для института.

Александр Барях: 90% преподавателей - это сотрудники нашего института, включая завкафедрой.

- Как приходят в геомеханику?

Александр Барях: В этом году кафедре "Динамика и прочность машин" исполняется 50 лет. Теоретики - это выпускники кафедры "ДПМ" и все, что от нее отщепилось.

Валерий Матвиенко: Сейчас много говорят о междисциплинарных науках, о когнитивности. А как-то так получилось, что 50 лет назад молодой профессор Поздеев, который приехал в Пермь, создал кафедру, которую называют "филиал МИФИ в стенах Пермского политеха". Ректор, два проректора - выпускники ДПМ, деканов не считал, но заведующих самыми разными кафедрами - более десятка. Это говорит о том, какое базовое образование было дано.

Александр Барях: Сан Саныч Поздеев читал нам теорию ползучести и много экспериментов проводилось на горных породах, на солях. Что касается более романтических аспектов - это кафедра "Разработки полезных ископаемых" на горном факультете. Там мы ведем подготовку по двум специальностям  - Горный инженер - технолог и Горный инженер - физик. Им читается большой курс геомеханики, курс геофизики. Их ориентируют на исследовательскую работу.

- Насколько много желающих пойти в вашу профессию?

Александр Барях: Много. Высокий конкурс и мы, к сожалению, не можем взять всех, поэтому отбираем лучших.

Валерий Матвиенко: Я уже говорил, что институт лучший по оснащению. Что касается других стимулов - зарплата, хорошее оборудование, возможность поездить по миру.

- Ну и надлежащее количество аварий, которые всегда дают пищу для размышлений.

Валерий Матвиенко: не скажу, что мы замыкаемся на авариях. Осложнения. И я бы хотел коснуться еще одного аспекта геомеханики - он ближе к строительной механике. Мы строим на земле здания, ставим конструкции там, где уже было какое-то техногенное воздействие и все может начать меняться - это тоже геомеханика.