книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

ния строительства и реконструкции большого числа матема­ тических методов: метода градиентов при оптимизации се­ чений выработок, методов линейного программирования при оптимизации грузопотоков и распределения добычи, сетевых методов оптимизации порядка выполнения горных работ и др. Выбору оптимальных параметров разработки угольных месторождений подземным способом на базе применения экономико-математических методов посвящены работы акад. Н.В. Мельникова, проф.: АС. Астахова, Д.Б. Борисова, АС. Бурчакова, В.И. Голомолзина, П.М. Звягина, Н.И. Иванова, Н.Г. Капустина, АП. Килячкова, А.М. Курносова, С.М. Липковича, А.С. Малкина, AM. Найдыша, АП. Судоплатова, К.И. Татомира и других ученых.

В последние годы возросло внимание к развитию теоре­ тических основ проектирования шахт. Разработаны новые концепции поэтапного проектирования шахт (проф.: П.В. Авдулов, АС. Бурчаков, Б.М. Воробьев, АС. Малкин, В.Г. Шорин, АЭ. Штединг и другие ученые); оптимизации про­ ектных решений на графах и сетях (проф.: Б.М. Воробьев, Л.А Кафорин, С.В. Цой, и др.); принятая сложных решений, многокритериальной оптимизации и оценки качества проек­ тов (проф.: О.А Байконуров, АС. Малкин, Е.В. Петренко, М.И. Устинов, В.А Харченко и др.).

Как следует из этих публикаций, современная шахта представляет собой сложную динамическую вероятностную систему. При заданных горно-геологических и горнотехни­ ческих условиях поведение такой системы во времени и пространстве характеризуется протеканием общих произ­ водственно-технологических процессов, направленных на добычу угля, локальных процессов и подпроцессов в техно­ логических звеньях, обеспечивающих добычу угля, под влиянием возмущающих факторов, например, природных условий.

В основу новых подходов к оптимизации параметров шахт при проектировании были положены современные представ­ ления о производственно-технологических процессах с уче­ том структурных особенностей и сложных взаимосвязей.

АС. Бурчаковым, Б.М. Воробьевым, АС. Малкиным раз­ работан метод поэтапного динамического программирования

и синтеза новых технологических схем, которые учитывают взаимосвязь и структурные особенности проектных реше­ ний и технологических схем при системном подходе [1 1 ].

В общем виде задача динамического программирования имеет следующую запись. Имеется п функций с неотрица­

нал F (X1 ,X2VMXB) может выражать состояние системы S, объекта, а каждая из п функций fi (х) - некоторый этап, шаг развития системы из m ее этапов.

На каждом 1 - ом этапе система S ц допускает управление щ, посредством которого система переводится на другой

Под воздействием управлений uif и2, , иш система пере­ ходит из начального состояния S0 в конечное SKOH.

Впроцессе динамического программирования управление

ина каждом шаге (кроме последнего) принимается с учетом будущего. Последний шаг можно планировать так, чтобы он, как таковой, приносил наибольшую выгоду, т.е. обращал критерий в экстремум. Спланировав оптимальным образом этот последний шаг, можно к нему пристраивать предпо­ следний и т.д. Поэтому процесс динамического программи­ рования всегда разворачивается в обратном по времени на-

правлении: не от начала к концу, а от конца к началу. Раньше всего планируется последний шаг.

Принцип динамического программирования требует на­ хождения на каждом шаге условно оптимального управления для любого из возможных исходов предшествующего шага.

В результате последовательного прохождения всех этапов от конца к началу будут найдены максимальное значение выигрыша на всех шагах и соответствующее ему оптималь­ ное начальное состояние процесса:

Построенное управление еще не является оптимальным, так как на каждом шаге найдены только условные оптималь­ ные управления. Чтобы найти окончательное управление всего процесса, необходимо снова пройти всю последова­ тельность этапов, на этот раз от начала к концу.

В результате определяется окончательное решение задачи:

максимально возможный выигрыш W* (или минимальные

затраты) и оптимальное управление и* состоящее из опти­ мальных управлений на отдельных этапах:

(1.4)

В работе Ю.О. Золотдиновой разработана методика авто­ матизированного формирования эффективных вариантов технологической схемы шахты для условий Донбасса и по­ следующей оптимизации количественных характеристик схем вскрытия, подготовки и отработки шахтного поля или его части на пологих и наклонных пластах тонких и средней мощности. Она позволяет определить и обосновать техниче­ ские и технологические решения при проектировании новых шахт, реконструкции действующих, проектировании новых горизонтов, частей шахтного поля и выемочных участков в указанных условиях. Отбор уровней и элементов для постав­ ленной в работе задачи формирования вариантов технологи­ ческих схем шахты произведен на основе классификации

технологических схем шахт, предложенной А.С. Бурчаковым и Ю.А. Жежелевским [96].

Ю.В. Бограчевым предлагается выбор технических реше­ ний при конструировании рациональных технологических схем выемочных участков осуществлять по интегральному критерию - качеству технологических схем и их элементов. Базой для проектирования всех возможных вариантов тех­ нологических схем является система функциональных эле­ ментов этих схем, увязывающих основные процессы на вы­ емочном участке. Система состоит из 300 элементов, объе­ диненных в 42 уровня. Для условий шахт Центрального рай­ она Донбасса автором разработан алгоритм и реализующий его комплекс программ оптимального конструирования тех­ нологических схем выемочных участков с учетом применяе­ мых средств механизации и способов ведения работ, исходя из реальных возможностей шахты. Решение задачи с помо­ щью указанного алгоритма предусматривает нахождение оп­ тимального пути на графе и использование комплексного показателя уровня качества технологических схем в качестве критерия, который связан с экономическими показателями через коэффициенты весомости единичных показателей ка­ чества и учитывает безопасность работ по добыче угля.

А.С. Бурчаковым, В.А Харченко, Л.А. Кафориным предла­ гается метод конструирования и отбора качественных пара­ метров шахты. Основная идея состоит в морфологическом анализе возможных технологических схем шахты, на основе экспертных оценок и теории принятия решений. В результа­ те реализации процедуры морфологического анализа выби­ раются наиболее перспективные конструкции, которые за­ тем подвергаются дальнейшему анализу на основе статиче­ ского экономико-математического моделирования. Формиро­ вание статических моделей осуществляется по методу, раз­ работанному Л.А. Кафориным. Основная идея предлагаемого метода состоит в разделении процесса синтеза на два этапа. На первом предварительном этапе происходит формирова­ ние всевозможных стандартных элементов и запись инфор­ мации в так называемый базовый массив. Каждый элемент несет информацию о своем качественном содержании и ха­ рактеризуется определенным значением целевой функции.

На втором этапе осуществляется собственно синтез раз­ личных вариантов систем вскрытия из конструктивных эле­ ментов базового массива. Информация о структуре системы вскрытия заносится в вариантный массив, формирующийся путем выбора из базового массива только тех конструктив­ ных элементов, которые входят в анализируемый вариант.

В работе В.А Харченко все решения оценивались по 25 качественным критериям, каждый из которых мог прини­ мать три различных значения. Все критерии распределялись по четырем группам:

К первой группе отнесены основные критерии:

•эксплуатационные затраты (критерий 1);

•первоначальные капитальные затраты (критерий 3);

•надежность (критерий 7).

Ко второй группе отнесено девять критериев, в значи­ тельной степени определяющих экономическую эффектив­ ность работы предприятий:

• объем зданий и сооружений технологического ком­ плекса поверхности (критерий 5); объемы горных работ будущих лет (критерий 6);

потери угля в недрах, связанные с вариантами (крите­ рий 8);

затраты на строительство сооружений на поверхности (критерий 9);

протяженность выработок, проводимых для подготов­ ки выемочных столбов (критерий 17);

протяженность поддерживаемых горных выработок (критерий 10);

•эффективность охраны выработок (критерий 21);

•степень извлечения запасов (критерий 22);

•затраты на проведение выработок (критерий 24). Критерии 4, 11-16, 18, 19, 23, 25, включенные в третью

группу, определяют в основном степень обеспечения рацио­ нальной организации труда

Четвертую группу составляют следующие критерии:

• транспорт вспомогательных материалов (критерий 2);

конструирования технологических схем выемочных участ­ ков. Пять основных подсистем: подготовка и система разра­ ботки, проведение и проветривание выработок, очистные работы, основной и вспомогательный транспорт, - включает в себя предложенная автором схема систематизации. В свою очередь каждая подсистема состоит из ряда уровней функ­ циональных элементов. Всего 36 уровней включает вся схема систематизации элементов технологических схем, представ­ ленная в виде ориентированного графа. Для определения на каждом уровне единственною элемента технологической схемы, который бы отвечал конкретным горно-геологи­ ческим условиям, а также совокупности принятых технико­ экономических критериев и показателей, автором разрабо­ таны алгоритм и программа для ЭВМ, которые предусматри­ вают ввод ropHq-геологических данных и усечение графа, т.е. отбрасывание элементов технологической схемы с диа­ пазоном применения, не соответствующим горно-геологи­ ческим условиям. В результате получается подграф, который предполагает наличие нескольких элементов на одном уров­ не. Автором для выбора на каждом уровне одного элемента, определяющего конкретный вариант технологической схемы по всем уровням, установлено соответствие между различ­ ными элементами уровней схемы и получены для отдельных элементов технологической схемы оценки их "значимости", включающие 19 качественных и количественных критериев, веса которых определялись экспертным опросом.

Ю.А. Плакиткиным разработан метод установления ра­ зумного сочетания технических, технологических элементов и количественных параметров технологических схем с ком­ плексом мероприятий для исключения отрицательного влия­ ния горно-геологических факторов, позволяющих осуществ­ лять основные и вспомогательные процессы подземной до­ бычи угля с большей эффективностью.

В работе А.Е. Евтушенко [31J задача оценки эффективно­ сти принимаемых решений в проектах угольных шахт ста­ вится следующим образом.

Рассматривается проект в момент времени t, который полностью оценивается следующей системой технико­ экономических показателей:

Н- наблюдатель;

Я- профессиональный знак, которым он пользуется;

П- множество подобъектов шахты;

М- множество отношений между подобъектами;

3 - задача.

Тогда система С представляет собой отображение свойств

Такая трактовка системы необозрима для наблюдателя и в пространстве, и во времени, и в любых других координатах. Такой объект рассматривается по частям, строя его подсис­ темы по иерархическим уровням.

Применительно к угольной шахте автор выделяет не­ сколько систем:

• технологическую, которая характеризуется следую­ щими понятиями и показателями: число действующих очистных забоев и разрабатываемых пластов, протя­ женность горных выработок, схемы вскрытия и подго­ товки шахтного поля, система разработки, способ управления горным давлением в лаве, длина столба, длина лавы, годовая мощность шахты, подвигание очи­ стных забоев, площадь поперечного сечения выемоч­ ных выработок и т.д.; горно-геологическую со следующими характеристика­

ми: мощность и угол падения пластов, марка угля, свойства пород, гипсометрия почвы пластов, водоприток, глубина залегания пластов, газовыделение, проч­ ностные свойства угля и т.д.; организационную, которая включает следующие па­

раметры: режим рабочего дня и работы шахты, число рабочих дней в году, ритмичность производства, опе­ ративность управления, простои и т.д.;

экономическую — число рабочих, производительность труда, эксплуатационные и капитальные затраты, себе­ стоимость угля, стоимость основных фондов, рента­ бельность, плата за природные ресурсы, прибыль, цена на уголь, оборотные средства и т.д.:

природную, которая характеризует составные части биосферы до возникновения производственного объ­ екта и после, безопасные дозы воздействия и необхо­ димые затраты.

Л.А Пучков и В.Д. Аюров к сложной системе относят вы­ емочный участок - главное технологическое звено угольной шахты [84]. Целостная совокупность физически разнород­ ных и разномасштабных горнотехнологических процессов выемочного участка представляет собой открытую диссипа­ тивную систему, которая цикловариантно обменивается с окружающей средой энергией, веществом и информацией, и существование которой возможно только за счет реализации принципа минимума диссипации.

Навязать таким системам субъективно желаемое поведе­ ние очень трудно: это приводит к их катастрофам. Гораздо разумнее действовать, опираясь на знание внутренних зако­ номерностей функционирования этих систем, постоянно удерживая их в области гомеостазиса, т.е. в области такого пространства параметров внешней среды, где существование систем возможно, а признаки их целостности выражены наиболее явно. Этот синергетический момент приобретает особую актуальность с ухудшением горно-геологических ус­ ловий функционирования выемочных участков, так как су­ жающаяся область их гомеостазиса как диссипативных сис­ тем увеличивает вероятность возникновения их катастроф [84].

В рамках разработки такой концепции авторами были по­ ставлены и решены две крупные задачи. _

1. Разработана модель целостной совокупности разно­ масштабных и физически разнородных горнотехнологиче­ ских процессов выемочного участка и выявлены закономер­ ности их самоорганизации.