книги / Современные проблемы науки и производства в области горного дела

зультатов реализации модели с практическими или прогнозными данными в пределах точности наблюдений и измерений.

Модели должны обеспечивать универсальность, адекватность и точность расчетов.

Универсальность математической модели характеризуется полнотой отображения в модели свойств реального объекта, существенных для проектирования. Точность модели оценивается степенью совпадения параметров объекта, рассчитанных с ее помощью, со значениями параметров реального объекта. Для моделей широкой универсальности при множестве ситуаций, в которых может быть реализована данная модель, оценку точности модели проводят по результатам ее использования в стандартных ситуациях. Адекватность определяется способностью модели отображать заданные свойства объекта с погрешностью, не превышающей заданную.

Требование экономичности модели (расход вычислительных ресурсов) вступает в противоречие с ее точностью и универсальностью. Чтобы найти приемлемый компромисс, необходимо принимать рациональные пределы точности и универсальности моделей. Например, результаты моделирования размеров целиков или параметров буровзрывных работ следует считать, как правило, предварительными, подлежащими уточнению в процессе эксплуатации по мере уточнения исходных горно-геологических данных. Следовательно, в таких расчетах приемлема относительно невысокая точность (допустимое отклонение

5–10 %).

При проектировании горных объектов по способу представления их свойств наиболее экономичными считаются аналитические модели, представляющие собой явные выражения зависимостей выходных параметров от привходящих и внутренних факторов. Однако разработка таких моделей (линейных или нелинейных, непрерывных или дискретных) возможна при принятии существенных ограничений и допущений, которые снижают точность и сужают область адекватности моделей.

Широко используются алгоритмические и имитационные модели, которые по характеру учета инерционности моделируемых процессов могут быть динамическими или статическими, а по степени определенности исходных данных – детерминированными или стохастическими.

3.1.3.Методы установления параметров техногенных геосистем

втеории проектирования освоения недр

Теория проектирования освоения недр объединяет и развивает как традиционные, так и новые методы установления параметров и расчета конструкций отдельных горных объектов и техногенных геосистем в целом.

К традиционным относятся методы: вариантов, аналитический (математического моделирования), графический и графоаналитический, логических инженерных решений, обобщения и анализа передового опыта, аналогий, интерполя-

111

ELIB.PSTU.RU

ции, экстраполяции и прогнозирования, а также лабораторных и промышленных экспериментов, натурного или физического моделирования. Традиционные методы по мере накопления опыта и углубления исследований уточняются, математизируются и могут быть частично использованы при автоматизированном проектировании.

К новым методам, получившим развитие в последнее время в связи с совершенствованием и расширением использования ЭВМ, относятся прежде всего методы математического программирования, являющиеся частью сравнительно молодой отрасли наук – исследования операций. Задачи математического программирования состоят в отыскании значений параметров, обеспечивающих экстремум целевой функции (критерия эффективности) при наличии ограничений, наложенных на ее аргументы. Задачи эти применяются для оптимизации решений, представляющих собой совокупность множества элементов решения (параметров), в условиях комплекса действующих ограничений.

Характерной особенностью задач математического программирования в условиях неопределенности является то, что они дают не одно определенное,

ацелую область приемлемых решений для окончательного эвристического выбора.

Метод вариантов как непосредственное технико-экономическое сравнение альтернатив до настоящего времени является одним из наиболее распространенных. Его широко используют для решения таких проектных задач, как выбор схемы, глубины первой очереди и шага вскрытия, выбор схемы подготовки, обоснование выбора системы разработки, оптимизация параметров очистных блоков (панелей) и основных производственных процессов очистной выемки,

атакже выбор местоположения промплощадки рудника, трассы подъездных путей и т.п.

Метод вариантов включает:

–тщательный отбор технически возможных в данных условиях вариантов проектного решения; отбор вариантов в две стадии: предварительно укрупненно

оценивать максимальное число вариантов, из них отбирать минимальное, но достаточное число вариантов для детального технико-экономического сравнения;

–тщательный анализ и отбор исходных данных, от которых зависит точность решения проектной задачи;

–выбор наиболее достоверного критерия сравнения;

–учет при сравнении лишь существенных затрат и доходов;

–сопоставимость вариантов по фактору времени.

Метод вариантов является одним из наиболее достоверных и наглядных. Он позволяет сравнивать весьма сложные варианты геотехнологии, которые либо не поддаются аналитическому описанию, либо требуют создания чрезвычайно сложных и трудноанализируемых алгоритмов решения. Причем практически любое аналитическое описание сложного объекта подразумевает более или ме-

112

ELIB.PSTU.RU

нее значительное его упрощение, тогда как метод вариантов позволяет избежать такого упрощения, учесть все значительные влияющие факторы. С его помощью можно количественно оценить некоторые факторы качественного характера, не поддающиеся непосредственной экономической оценке.

Выбор оптимального варианта определяется, как правило, не однозначно, а по области оптимальных решений принятого критерия сравнения. Ширина этой области характеризуется как основными технико-экономическими параметрами сравниваемых вариантов, так и точностью повариантных расчетов.

В практике проектирования принято считать экономически равноценными все варианты, разница в затратах между которыми не превышает 5–10 %. Однако некоторые специалисты считают, что при оценке общерудничных параметров равноценными следует считать такие варианты, по которым затраты, себестоимость или рентабельность отличаются не более чем на 1–2 %.

Недостатком метода вариантов является большая трудоемкость и громоздкость расчетов. Однако этот недостаток частично может быть нивелирован при использовании ЭВМ.

Область применения этого метода ограничивается возможностью или невозможностью получения достоверных исходных данных для расчетов, особенно при определении влияния тех или иных факторов на экономические показатели объекта проектирования. При использовании же прогнозных, вероятностных исходных данных точность результатов метода вариантов может быть сохранена только при соответствующем математическом обеспечении.

Аналитический метод (математическое моделирование) заключается в получении расчетных зависимостей теоретическим, эмпирическим путем или статистической обработкой практических данных и в нахождении искомой неизвестной величины подстановкой в формулу исходных значений известных параметров. Расчетная формула представляет собой в данном случае математическую модель проектируемого объекта, откуда и пошло второе название аналитического метода.

Установленные вышеописанными способами расчетные зависимости считают непрерывными функциями, иногда условно. Эти зависимости могут быть различного характера, в том числе и экстремальными, обладающими минимумом и максимумом значения функции.

Метод заключается в однократной или многократной реализации модели и получении искомого единичного значения функции или серии таких значений, позволяющих исследовать характер влияния различных параметров на результат моделирования.

Аналитический метод получил достаточно широкое распространение благодаря своим достоинствам: малой трудоемкости и быстроте решения задач в сравнении с методом вариантов; относительной простоте подготовки исходных данных, число которых ограничено; возможности исследования влияния различных факторов на результат проектирования путем многократной реализа-

113

ELIB.PSTU.RU

ции математической модели; возможности использования для математического моделирования вычислительной техники, повышающей скорость и точность вычислений.

Однако получение аналитических зависимостей подразумевает неизбежное упрощение описываемых ими явлений или процессов, что обусловливает снижение точности получаемых результатов. Использование быстродействующих ЭВМ в принципе позволило усложнить математические модели и тем самым повысить точность описания моделируемых объектов. Но при этом необходимо помнить, что детальность модели должна соответствовать точности исходных данных.

Если исходные данные неточны, то бессмысленно разрабатывать весьма сложные математические модели и применять весьма тонкие и глубокие методы оптимизации их параметров, так как конечные результаты все равно будут приблизительными и потребуют дальнейшего уточнения. Таковы, например, расчеты размеров камер и целиков, состава закладки и т.д.

Графический метод решения проектных задач путем графических построений обладает простотой и наглядностью. Он применяется, например, для определения границ зоны сдвижения на поверхности, построения контуров охранных целиков, поперечных сечений выработок и т.п. Чаще, однако, он используется совместно с аналитическим и тогда приобретает необходимую универсальность.

Графоаналитический метод широко применяется для исследования и оптимизации параметров процессов, не поддающихся сравнительно простому аналитическому описанию, а также в случаях, когда объект проектирования не может быть описан непрерывной функцией или рассматривается в динамической постановке.

Метод состоит в вычислении ряда значений искомого параметра при различных значениях влияющих факторов, обычно не менее четырех – пяти; нанесении полученных расчетных точек на график в соответствующей системе координат и их соединении плавной кривой, полагая условно искомую функцию непрерывной. При необходимости кривую можно описать аналитически с использованием строгих математических методов (например, метода наименьших квадратов), таким образом, будет получена эмпирическая зависимость.

Если полученная кривая имеет экстремальный характер, то ее исследуют на максимум-минимум с использованием графических построений. Как правило, при этом оптимальное значение влияющего фактора находится в диапазоне оптимальных значений. Ширина диапазона определяется характером и допустимой погрешностью в расчетах.

Графоаналитический метод соединяет в себе достоинства графического и аналитического методов – простоту, наглядность и возможность математического анализа влияния различных факторов на конечный результат. При этом исключается необходимость в сложном аналитическом описании исследуемых объектов до начала этих исследований. Однако для получения локальных зави-

114

ELIB.PSTU.RU

симостей приходится вести повариантные расчеты со всеми присущими этому методу трудностями.

Графоаналитический метод применяется во многих оптимизационных расчетах, например, при обосновании производственной мощности рудника, выборе схем вскрытия, оптимизации высоты этажа, параметров доставки и буровзрывных работ и др.

Исследования в рамках теории проектирования отдельных горных объектов и техногенных геосистем, их взаимодействия с природными геосистемами привели к выявлению целого ряда закономерностей и установлению принципов решения задач освоения недр, ставших со временем «каноническими». Таковы методы обоснования основных геометрических и технико-экономи- ческих параметров горных предприятий. К их числу относятся такие важнейшие, как размеры и конфигурация шахтных полей и выемочных участков месторождений, горнотехнические возможности и интенсивность эксплуатации месторождений, системы разработки, производственная мощность горных предприятий.

Уже в 20-е годы прошлого века определилась ведущая роль экономики в проектировании горных предприятий. К этому времени сложилось представление, что для гарантии правильности и выгодности принимаемых решений технические и экономические вопросы должны рассматриваться совместно, во взаимосвязи. При этом важную роль приобрели так называемые стоимостные параметры, т.е. затраты на выполнение единицы различного вида работ: проведения, поддержания 1 м или 1 м3 выработки, транспортирования 1 т полезного ископаемого на 1 км расстояния и т.д.

Стоимостные параметры представляются в виде формул, отражающих затраты на единицу работы или на работу (объект) в целом в зависимости от гор- но-геологических и горнотехнических условий ее выполнения. Качественные различия в характеристиках работ (для выработок – тип крепи и способ проведения, для транспорта – тип оборудования и т.д.) отражаются соответствующими отдельными зависимостями. Для построения зависимостей стоимостных параметров используются методы математической статистики, в частности регрессионного анализа, а в качестве исходной информации – натурные или проектные данные по видам работ.

Издавна сложилось представление о шахте как о большой технологической системе, состоящей из комплекса взаимосвязанных подсистем и элементов, принятие решений по каждому из которых требовало учета связей между ними и совместного влияния на общую экономическую оценку проекта.

Однако попытки объединения математических моделей отдельных элементов – видов работ и более крупных подсистем в единую комплексную экономи- ко-математическую модель для совместного рассмотрения всех взаимосвязанных проектных решений привели к значительным сложностям, в первую очередь вычислительного характера.

115

ELIB.PSTU.RU

Развитие электронно-вычислительной техники и внедрение ЭВМ новых поколений в практику научных исследований и проектных работ наряду с развитием математического программирования позволило подойти к решению задач оптимального проектирования с новых позиций, реализация которых определилась возможностью многократного повышения быстроты расчетов и, следовательно, числа анализируемых проектных вариантов и их модификаций. Создались условия для повышения точности результатов расчетов и обоснованности методов проектирования.

Врезультате появились экономико-математические модели горных предприятий, позволяющие совместно оптимизировать комплекс проектных решений по обоснованию производственной мощности предприятия, размеров шахтного (карьерного) поля, схем вскрытия и подготовки месторождений, систем разработки, схем проветривания и т.д.

Разнообразие горно-геологических условий и типов проектируемых шахт привело к разработке множества экономико-математических моделей, отвечающих определенным целям – оптимизации проектных решений для специфических условий Донецкого, Криворожского, Кузнецкого и других угольных и рудных бассейнов.

Однако проблема создания универсальных комплексных экономикоматематических моделей до сего времени не получила, а может быть, в силу природы описываемых явлений и не может получить должного решения.

Поэтому при разработке алгоритмов оптимизации моделей как для комплексных задач, так и для частных стали применяться и затем получили распространение методы математического программирования – линейного, нелинейного, динамического и др.

Использование этих методов в решении преимущественно научных задач создали основу становления и развития одного из прогрессивных направлений – системы автоматизированного проектирования шахт, рудников и карьеров (САПР).

ВСАПР как системе, учитывающей комплексность задачи оптимизации

ивзаимосвязанность параметров технологических схем, реализуется идея анализа задачи оптимального проектирования в многовариантной постановке. Целью создания организационно-технической системы САПР было повышение качества и обоснованности проектных решений, но не путем их автоматического получения, а реализации человеко-машинной системы. В этой системе человекпроектировщик по ходу выполнения расчетов по отдельным подсистемам имеет возможность вмешиваться в процесс и на различных этапах анализировать результаты с учетом взаимосвязей качественных и количественных параметров.

Наибольшее развитие получила автоматизация проектирования открытых разработок из-за их сравнительной технологической простоты. Уровень автоматизации проектирования в отдельных случаях достигает здесь 30–35 %. В проектировании подземной разработки уровень автоматизации существенно ниже, при-

116

ELIB.PSTU.RU

чем в большей степени разработаны теоретические основы и ряд практических задач проектирования угольных шахт.

С точки зрения проектирования подземные рудники относятся к наиболее сложным объектам. Помимо недостаточной определенности исходных знаний о предмете разработки – месторождении, сложности и разнородности структуры предприятий, динамизма во времени и пространстве, малодоступного для контроля закрытого характера производства, подземные рудники как объекты проектирования характеризуются еще и многообразием возможных технических решений по каждому разделу проекта и всему их комплексу в целом. При этом очень часто преимущества одних проектных вариантов перед другими неочевидны, а порой и труднодоказуемы.

Втаких условиях наиболее целесообразным в настоящее время оказывается многовариантное автоматизированное проектирование с поэтапной оптимизацией промежуточных решений на базе автоматически формируемых возможных

взаданных условиях структур технологических схем и соответствующих им экономико-математических моделей с последующим выбором наилучшей из них по принятым критериям.

Проектам горных предприятий свойствен принципиальный и трудно преодолимый недостаток – создаваемые сегодня, в век ускоренного научнотехнического прогресса, проекты реализуются в отдаленном будущем (для рудников нередко через 10 лет и более от момента начала проектирования). Значит, базируя проектные решения даже на самом передовом, современном опыте, нельзя рассчитывать, что предприятие, построенное по такому проекту, будет передовым и в будущем.

Сложность заключается еще в том, что рудники как производственная система обладают рядом статичных, инерционных элементов, плохо поддающихся корректировке, изменению в будущем (например, местоположение промплощадки, число и параметры вскрывающих выработок и т.д.). Причем такая корректировка в будущем связана, как правило, с большими затратами (проходка новых выработок и изменение сечения существующих при переходе рудника на новые виды оборудования и т.п.).

3.1.4.Задачи прогнозирования

втеории проектирования освоения недр

Впроектировании к первоочередным задачам прогнозирования можно отнести:

– прогнозирование горно-геологических и горнотехнических характеристик месторождения, включая перспективы приращения запасов руды;

– выявление закономерностей и тенденций развития техники и технологии подземной добычи руд (средства механизации основных и вспомогательных процессов, системы разработки, схемы вскрытия и подготовки);

117

ELIB.PSTU.RU

–прогнозирование количественных показателей производственных процессов и рудника в целом;

–социально-экономические прогнозы, касающиеся развития инфраструктуры района месторождения, обеспеченности материальными и энергетическими ресурсами, плотности, образовательного и материального уровня населения, производительности труда рабочих на различных стадиях производства и т.д.

Для прогнозирования технико-экономических показателей горного производства в теории проектирования используются статистические, экспертные методы прогнозирования и нормативное прогнозирование.

При статистическом прогнозировании анализируется ретроспективная информация о состоянии и поведении объекта исследований в прошлом, определяется тенденция (тренд) развития объекта и рассчитываются количественные характеристики его прогнозного состояния методом временных рядов с помощью регрессивных моделей или методом имитационного моделирования.

Достоверность статистического прогноза падает с увеличением глубины прогноза и тем больше, чем больше период упреждения.

Методы экспертных оценок основаны на использовании информации высококвалифицированных специалистов в той конкретной области, к которой относится исследуемый объект. Информация об объекте на основе субъективных оценок каждого из экспертов получается на основе методов математической статистики. Этот метод используется при отсутствии достаточно представительных статистических данных об объекте, он тем надежнее статистических методов прогнозирования, чем сложнее исследуемый объект, в чем сказываются преимущества эвристического характера решения задач освоения недр.

Нормативное прогнозирование – процесс нахождения оптимального пути (среди множества возможных) достижения определенной цели развития исследуемого объекта в будущем. Особенностью его является наличие главной генеральной цели. При этом прогнозируются не количественные показатели объекта,

апути их достижения в будущем при том или ином уровне развития технологии и техники освоения и сохранения недр.

В связи с длительными сроками службы горнодобывающих предприятий и большими сложностями объективного прогнозирования параметров техногенных геосистем на отдаленную перспективу возникла идея их поэтапного проектирования.

В период эксплуатации предприятия проявляются противоречия между однозначно установленными в проекте основными параметрами технологической схемы, с одной стороны, и изменениями горно-геологических условий и достижениями научно-технического прогресса – с другой. Вероятность таких противоречий тем выше, чем на более длительный срок эксплуатации предусмотрены те или иные параметры, отличающиеся высокой степенью статичности. К таким параметрам, как уже указывалось, в первую очередь, относятся схемы вскрытия и подготовки, система разработки, технологический комплекс на поверхности,

118

ELIB.PSTU.RU

Четкий алгоритм реализации поэтапного подхода к проектированию горного предприятия зависит от геотехнологической стратегии освоения региона, функционального назначения и конкретности объекта, горно-геологических, экологических и социально-экономических условий.

В теории проектирования идея поэтапного подхода реализуется путем назначения и сопоставления вариантов технологической схемы предприятия, предусматривающих возможность его развития по мере освоения запасов георесурсов с последовательной реконструкцией и техническим перевооружением.

3.1.5.Критерии оптимальности

втеории проектирования освоения недр

Центральным вопросом теории оптимального проектирования, особенно с использованием экономико-математического моделирования, является обоснование и выбор критерия оптимальности. К последнему в области технических решений, когда качество проекта с наибольшей полнотой оценивается техникоэкономическими показателями объекта и их соответствием заданию на проектирование, предъявляются прежде всего требования технико-экономической емкости, чувствительности и универсальности.

В ходе становления теории проектирования освоения недр и развития экономической науки критерий оптимальности изменялся – от стоимости отдельных видов работ, себестоимости единицы продукции, суммарных капитальных и эксплуатационных затрат до более емких показателей – приведенные затраты на прибыль.

Основным достоинством показателя «приведенные затраты» является учет

всоизмеримой форме текущих эксплуатационных затрат производства и капитальных вложений. Но он не учитывает такие важные в условиях рыночной экономики показатели, как ценность и качество георесурса. Кроме того, в силу своей затратной сущности он не может в полной мере служить целям производства – например, максимизации добычи, доходности на единицу затрат. Амортизационные отчисления в этом показателе выступают как эксплуатационные расходы, а не как источник накоплений данного предприятия. Приведение всех капитальных затрат к эксплуатационным посредством нормативного коэффициента эффективности не соответствует прогрессивным направлениям инвестиционной политики.

Некоторое улучшение в структуру критерия оптимальности вносит использование показателя «прибыль предприятия» при учете роли амортизационных отчислений и выделении из общей суммы капиталовложений затрат за счет собственного фонда накопления. В исследованиях применяется также динамический критерий абсолютной эффективности, в значительной мере устраняющий недостатки приведенных затрат.

Дальнейшее развитие экономической теории и практики принятия решений

вусловиях рыночной экономики привело к созданию нового критерия опти-

120

ELIB.PSTU.RU