книги / Строительная геотехнология

щих пород, технические параметры проводимой выработки (ширина, высота, площадь поперечного сечения, протяжен­ ность, глубина заложения, паспорт крепления), материаль­ но-технические, энергетические и трудовые ресурсы. К управляющим параметрам относятся режим проходческих работ, тип и число забойных машин, параметры буровзрыв­ ных работ (БВР), материалы и конструкции, организация труда и управление. Возмущающими воздействиями можно считать внезапное усложнение горно-геологических условий (загазованность, куполообразование, обводненность), отка­ зы паспорта БВР (нарушение элементов крепи при взрыва­ нии зарядов), аварии с машинами и механизмами как непо­ средственно в забое, так и за его пределами, отключение энергии.

В результате совокупного влияния рассмотренных фак­ торов формируются выходные параметры функционирова­ ния технологической системы проходческого забоя, основ­ ными из которых являются: скорость проходки, производи­ тельность труда и стоимость 1 м выработки.

Автор относит проходческий забой к классу сложных вероятностно-динамических систем и определяет следующие факторы, влияющие на случайных характер протекания тех­ нологических процессов в проходческом забое:

♦природные факторы — физико-механические свойства вмещающих пород, их устойчивость, нарушенность и обводненность, склонность к внезапным выбросам итд;

♦горно-технические факторы — эксплуатационная на­ дежность проходческого оборудования, тип машин и их число, форма и размеры сечения выработки, тип и мате­ риал крепи и межрамного ограждения, паспорт крепле­

ния и т.д.;

♦ организационные факторы — нечетко проработан­ ный график организации труда, перебои в снабжении материалами, запасными частями, отсутствие порож­ няка и т.п.

Исследования В.С. Верхотурова и Г.Г. Сенникова по­ священы разработке математической модели проходческого цикла при проведении горизонтальных горных выработок.

85

Проектирование организации работ в забое базируется на анализе горно-технических условий (прочность пород, сече­ ния выработки, конструкции крепи, плотность установки крепи, механизация основных процессов) и организацион­ ной схеме проведения выработок.

Условия целесообразности выбора определенного набо­ ра оборудования — наибольшее значение разности сметной и ожидаемой стоимости проведения выработки при макси­ мальной скорости проведения:

где Э, — экономический эффект от применения /-го набора оборудования, руб/м; Ссм и С0 — соответственно сметная и ожидаемая стоимость проведения выработки, руб/м.

Ожидаемая себестоимость проведения выработки

(3.8)

где 3 — ожидаемые прямые нормируемые расходы с учетом премиальных доплат, руб/м; Ко, Кн — коэффициенты, учиты­ вающие соответственно общешахтные и накладные расходы.

Сметная стоимость проведения выработки практически не учитывает скорости проведения, и ее уровень соответст­ вует фактически достигнутым средним показателям (норма­ тивной скорости).

В состав сметной стоимости горно-проходческих работ входят затраты, связанные с эксплуатацией машин, механизмов и оборудования, в том числе и амортизационные суммы на вос­ становление их стоимости, капитальный ремонт и модерниза­ цию. При определении фактической себестоимости эта часть будет зависеть от величины капитальных вложений и скорости проведения выработки, поэтому себестоимость проведения вы­ работки можно представить в следующем виде:

(3.9)

где А — затраты, не зависящие от скорости проведения вы­ работки, руб.; К — единовременные капитальные вложения, руб.; V — скорость проведения выработки, м/мес.

86

Скорость проведения выработки является показателем эксплуатационной производительности технологического набора проходческого оборудования, а в целом выражение

К

— — соотношением суммарных капитальных вложении и

производительности машин.

А.Г. Гузеевым разработана система автоматизированно­ го проектирования проведения горных выработок, которая состоит из программы, обеспечивающей:

♦расчет, анализ и прогнозирование технико-экономи­ ческих показателей проведения горизонтальных и на­ клонных горных выработок;

♦выбор оптимального для конкретных горно-геологи­ ческих условий комплекта оборудования;

♦выдачу рекомендаций по составу проходческой бри­ гады, способной наиболее эффективно эксплуатировать данную проходческую технику;

♦расчет графиков организации работ. Математический аппарат САПР ПГВ построен на осно­

ве метода группового учета аргументов, априорного моде­ лирования, теории принятия решений, экспоненциального сглаживания, квалиметрии, кластерного анализа, метода классификации и предпочтения в условиях противоречия мнений ELECTRE и др. Программа на ЭВМ выбирает оп­ тимальный для данных условий «комплект оборудования — проходческая бригада», рассчитывает основные технико­ экономические показатели и график организации работ.

Вработе под редакцией Э.Э. Нильвы отмечается, что комплекс работ по проведению горных выработок может преследовать как вполне самостоятельную, так и соподчиненую по отношению к другой, более широкую цель.

Впервом случае технология проведения горных вырабо­ ток рассматривается как самостоятельная система, вклю­ чающая в качестве подсистем отдельные ее элементы, обу­ словливающие выполнение отдельных видов работ. Во вто­ ром случае проведение выработок является подсистемой более общей и широкой системы «шахта». К технологии

87

этой подсистемы предъявляют ряд требований (ограниче­ ний) со стороны смежных технологических звеньев (под­ систем). Так, например, подсистема «вскрытие и подготов­ ка» оказывает решающее влияние на объемы и условия про­ ведения горных выработок в соответствии с горно-геологи­ ческими условиями, объемами, направлением, протяженно­ стью, площадью поперечного сечения и углами наклона под­ готовительных выработок.

В данной работе исследование технологического про­ цесса проведения подготовительных горных выработок (моделирование операций проходческого цикла) произво­ дится методом имитационного моделирования.

Пооперационные модели трудоемкости представляют собой детальные экономико-математические модели про­ ходческого цикла. При таком подходе трудоемкость каждой операции Т, расчленяется на составляющие ее виды работ с механизированным Тм,- и с ручным трудом Тр;, т.е.

Общую трудоемкость операции Т,- определяют суммиро­ ванием трудоемкостей отдельных видов работ как с ручным, так и с механизированным трудом с учетом продолжитель­ ности регламентированных перерывов р,-, т.е.

Т« = ^"р /, ь ^ N i*opA r M'i> (3.11)

где а — коэффициент перевода из единиц измерения трудо­ емкости в объемах работ по данной операции к общей еди­ нице измерения (1 м3 выработки в свету); кгг — коэффициент, учитывающий горно-геологические условия работы обору­ дования; кы — коэффициент, учитывающий конструктивно­ технологические особенности работы оборудования; ЛГ, — среднепрогрессивные значения трудоемкости ручного труда проходчиков, необходимые для выполнения отдельных ви­ дов работ в определенных организационных и горно-геоло­ гических условиях; Ящ — техническая производительность

88

оборудования; kopr— коэффициент, учитывающий организа­ ционные факторы; иМ(- — число проходчиков, занятых на от­ дельных видах работ.

Иерархическая структура системы моделей задается структурой соответствия их входов и выходов. При движе­ нии по иерархическим уровням системы увеличивается сте­ пень агрегирования исходной информации, что позволяет дополнительно расширять на каждом уровне перечень учи­ тываемых фактов. Разработанная система является откры­ той в смысле наращивания дополнительных блоков.

На основе анализа тенденций развития технологических схем проведения горных выработок и с учетом имеющегося опыта построения комплексных критериев в ИГД им. А.А. Скочинского был разработан коэффициент технического уровня ктугорно-подготовительных работ:

(3.12)

где Т;, Тб — трудоемкость работ соответственно по /-й и ба­ зовой технологическим схемам; Тр,-, ТРб — затраты ручного труда соответственно по г-й и базовой технологическим схе­ мам; г,-, Тб — затраты времени на единицу продукции соот­ ветственно по /-Й и базовой технологическим схемам.

Увеличение коэффициента кту достигается путем сниже­ ния трудоемкости работ, уменьшения доли ручного труда и увеличения скорости проведения горных выработок.

В.Л. Попов, описывая различные сложные системы (транс­ портный тоннель, гидротехнические подземные сооружения и др.), модель объекта моделирования представляет в виде множества величин, описывающих функционирование ре­ альной системы и образующих в общем случае следующие подмножества:

♦ совокупность входных воздействий на объект

89

♦ совокупность воздействий внешней среды

♦ совокупность внутренних (собственных) параметров объекта

Перечисленные подмножества содержат управляемые пе­ ременные, т.е. переменные, которые можно изменять (размер, форма, масса, прочность, энергия, расход и др.), и неуправляе­ мые (свойства горных пород, обводненность, технические ха­ рактеристики машин, механизмов, оборудования и т.п.).

При моделировании системы (объекта или процесса), изменяющейся во времени t, входные воздействия, воздейст­ вия внешней среды и внутренние параметры являются неза­ висимыми переменными и в векторной форме имеют соот­ ветственно вид:

* ( 0 = (* 1 ( 0 * х 2 ( 0 > •"> х п Х ( 0 ) >

v(0=(vi(О- v 2 (О* v / .v (0); (ЗЛ7)

*(0=(M0’M0...Knit)).

Выходные характеристики системы являются зависимы­ ми переменными и в векторной форме имеют вид

Процесс функционирования системы во времени описы­ вается оператором F ,, который в общем случае преобразует независимые переменные в зависимые в соответствии с соот­ ношениями вида

90

Зависимость yt =Fs , определяемая оператором ^ .н а зы ­ вается законом функционирования системы, который может быть выражен в виде функции, функционала, логических ус­ ловий в алгоритмической и табличной форме или в виде словесного правила соответствия (в качественных моделях).

Кроме подразделения сложных систем на иерархические уровни, автор выделяет ряд аспектов. К ним относятся функциональный, конструкторский и технологический ас­ пекты.

Функциональный аспект связан с отображением основных принципов функционирования объекта, т.е. физических (энер­ гетических, транспортных и др.) и информационных процессов, протекающих в объекте. Этот аспект находит выражение в принципиальных, структурных, кинематических и подобных функциональных схемах. Функционирование системы означает переход из одного состояния в другое, т.е. движение в про­ странстве состояний. При эксплуатировании системы весьма важно знание о качестве ее функционирования.

Конструкторский аспект состоит в реализации резуль­ татов функционального проектирования и связан с опреде­ лением геометрических форм объектов, взаимным располо­ жением элементов в пространстве, способом их соединения, взаимодействием элементов, а также материала, из которого выполнены элементы.

Технологический аспект относится к реализации резуль­ татов конструкторского проектирования и связан с описани­ ем способов и средств строительства объектов.

В качестве критериев оптимальности предлагаются:

•капитальные вложения К, представляющие собой все денежные расходы на строительство новых, расширение, ре­ конструкцию и модернизацию основных фондов;

•удельные капитальные вложения ДК, которые опре­ деляются из выражения

91

где N — мощность предприятия, пропускная способность тоннеля; Э — годовая выработка продукции, провозная спо­ собность;

• текущие эксплуатационные затраты С, определяемые по формуле

где eh — коэффициент, принимаемый на основе статистиче­ ской обработки данных опыта эксплуатации.

На современном этапе при проектировании сложных и ответственных тоннельных объектов все чаще используют принципы системного подхода. При этом тоннельное со­ оружение представляется как сложная система, отдельные элементы которой — подсистемы — находятся в тесном взаимодействии между собой и с окружающей средой. Ос­ новными элементами тоннельного сооружения (подсисте­ мами) являются протяженные подземные выработки, закре­ пленные обделкой, притоннельные конструкции (порталы, рампы, лестничные сходы, шахтные стволы), вспомогатель­ ные подземные или наземные сооружения (вентиляционные

идренажные камеры), а также эксплуатационные устройства

иоборудование.

Системный подход означает не только целостную раз­ работку объемно-планировочных, конструктивных, техно­ логических, санитарно-технических и энергетических частей проекта, но и поиск организационно-технических решений, средств и методов проектирования и управления строитель­ ством. При этом обеспечивается выбор оптимальных конст­ руктивно-технологических решений, в наибольшей степени отвечающих требованиям надежности и долговечности со­ оружения, индустриализации и комплексной механизации строительства, сроков и стоимости производства работ, обеспечения сохранности окружающей среды.

Системные принципы гибкого проектирования положены в основу автоматизированного проектирования тоннелей, эле­ менты которого разрабатывают в нашей стране и за рубежом.

92

Система автоматизированного проектирования (САПР) базируется на методах математического моделирования и оп­ тимизации проектных решений с применением ЭВМ и пред­ ставляет собой комплекс средств автоматизации проектирова­ ния, взаимосвязанных с подразделениями проектной организа­ ции на всех стадиях проектно-изыскательных работ.

При'этом предусматриваются: автоматизация сбора, ре­ гистрация и представление исходной для проектирования изыскательной информации, автоматизация процесса проек­ тирования трассы, конструирования и расчетов, организа­ ции и технологии строительства, а также подготовки про­ ектно-сметной документации.

Важную роль играют системы банка данных о постро­ енных ранее тоннелях с основными сведениями, характери­ зующими инженерно-геологические условия, параметры трассы, конструктивные и технологические решения, пара­ метры эксплуатационного оборудования и т. п.

В.А. Гарбером разработаны научные основы проекти­ рования тоннельных конструкций (горных транспортных тоннелей, перегонных тоннелей метрополитенов и станций метрополитенов) с учетом технологии их сооружения. Ма­ тематические модели стоимости и трудоемкости сооружения конкретных объектов линий метрополитена и горного тон­ неля разработаны на основе комплексного структурного анализа технологии их сооружения и нормативов по трудо­ емкости и стоимости, входящих в ЕРЕР и ЕНиР на строи­ тельство тоннелей и метрополитенов.

Результаты этого комплексного анализа синтезирова­ лись в виде функционала, первая часть которого представля­ ет собой сумму произведений отдельных коэффициентов, яв­ ляющихся функцией л-го числа факторов, влияющих на рас­ чет стоимости и трудоемкости сооружения тоннелей:

(3.22)

(3.23)

93

где Тр — трудоемкость сооружения линии метрополитена или горного тоннеля; Ст — стоимость сооружения линии метрополитена или горного тоннеля; к — количество объек­ тов, входящих в проектируемую линию метрополитена или горного тоннеля; / — количество технологических операций, составляющих технологию сооружения /-го объекта линии метрополитена или горного тоннеля; <р;- — функция зависи­ мости трудоемкости j -й технологической операции /-го объ­ екта от влияющих факторов; j$ — функция зависимости стоимости j -й технологической операции /-го объекта от влияющих факторов; NF\b NFi;, ..... NFni — совокупность факторов, от которых зависит трудоемкость j -й технологиче­ ской операции; NFiu NF'гь N F^ — совокупность факторов, от которых зависит стоимостьу-й технологической операции.

Работы В.В. Якобса послужили основой для разработки экспресс-метода определения стоимости и трудоемкости лю­ бого вида тоннельного строительства с применением ЭВМ, который может служить удобным аппаратом для проектных организаций при выборе варианта строительства на стадии технико-экономического обоснования.

Обоснованию и разработке новых способов и техноло­ гий строительства специальных подземных сооруженийхранилищ, обеспечивающих равномерный характер и на­ дежность снабжения потребителей газонефтепродуктами, а также безопасной для окружающей среды изоляции про­ мышленных отходов, посвящены исследования В.И. Смир­ нова. Им же разработана математическая модель подземно­ го резервуара в каменной соли, позволяющая определять его допустимые размеры с учетом противодавления хранимого продукта для условий длительной эксплуатации и рассчиты­ вать основные параметры технологии строительства, вклю­ чая производительность активной подачи растворителя, концентрацию выдаваемого строительного рассола и время создания выработки-емкости (время растворения и техноло­ гические простои), температуру процесса растворения, а также учитывать влияние содержания нерастворимых вклю­ чений в массиве каменной соли.

94