книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

функционирования 1 I'l l С располагаются в порядке их пред­ почтения. Экстремальное значение критерия оптимальности характеризует предельно допустимую эффективность систе­ мы.

Выбор критерия оптимальности в задачах на оптимум одна из наиболее сложных проблем. Строго говоря, опти­ мальных решений вообще не существует. Понятие опти­ мального решения может быть определено только по отно­ шению одного конкретного критерия.

Сравнение по единственному критерию позволяет только сформулировать то, что анализ объективно выявляет для од­ ного показателя или, в крайнем случае, для нескольких, но совершенно однородных или сильно коррелированных.

Постановка задач принятия решений при многих крите­ риях принципиально связана с двумя обстоятельствами. С одной стороны, эти задачи близки к задачам принятия ре­ шений в условиях неопределенности, т.к. различные вариан­ ты решений должны оцениваться также и в отношении их успеха и связанного с этим уровнем риска. С другой сторо­ ны, и в многокритериальных задачах принятия решений в условиях определенности учет большого числа критериев основан на отказе от традиционного допущения того, что выбор одной из альтернатив всегда осуществляется на осно­ ве лишь одного критерия. В таких ситуациях скалярная за­ дача оптимизации заменяется задачей векторной оптимиза­ ции. В конечном итоге учет этих двух обстоятельств приво­ дит к общему случаю формулировки многокритериальной задачи принятия решений в условиях неопределенности.

Формально задача общей оптимизации состояния ПТГС по нескольким критериям неразрешима, и для оценки каче­ ства решения производят свертывание критериев экономи­ ческим путем, путем введения ограничений на отдельные показатели, использование принципов оптимизации по Па­ рето и т.д.

В § 3.2 отмечается, что исследовать технологические про­ цессы, имеющие многовариантные сетевые структуры, а также находить оптимальные сочетания вариантов, вместе составляющих единые цепи, пути, единые схемы возможно с применением теории графов. Разделение описаний по сте-

пени детализации отображаемых свойств и характеристик ПТГС лежит в основе блочно-иерархического подхода к про­ ектированию, при которых, представление об объекте рас­ членяются на иерархические уровни (рис. 3.7).

Блочно-иерархическое представление о ПТГС требует ис­ пользования на каждом иерархическом уровне своих крите­ риев оптимальности. В этом случае уменьшается сложность математических моделей. Однако при этом возрастает и сложность задач по согласованию между собой результатов, полученных на разных уровнях.

Для подавляющего большинства производственных задач основным является критерий экономической эффективно­ сти.

На рис. 3.16 выделен набор горно-технологических крите­ риев, которые дают всестороннюю и объективную оценку сложности горно-геологических условий, позволяют опреде­ лить тип и степень сложности массива, метод подготовки и способ воздействия на массив горных пород, а также способ строительства подземного объекта.

К горно-технологической группе критериев относятся:

•критерии типа сложных горно-геологических условий;

•критерии степени сложности горно-геологических ус­ ловий;

•критерии метода подготовки массива;

•критерии способа воздействия на массив;

•критерии способа строительства.

Вкаждой из пяти вышеперечисленных групп горно­ технологических критериев существуют свои локальные (уровневые) критерии. Так, например, степень сложности геомеханических условий можно оценить, проанализировав

существующие классификации породных массивов по их устойчивости, используемые в отечественной и зарубежной практике шахтною и подземного строительства. Подробно об основных подходах к решению задачи по оценке устой­ чивости породных обнажений изложено в главе 2, § 2.5.

Отобранные критерии необходимо проанализировать и разделить по степени важности, с учетом задачи исследова­ ний. С целью получения более качественного результата

исследований моделируемого процесса, число критериев не­ обходимо увеличивать, что позволит рассмотреть процесс всесторонне, но вследствие этого значительно усложняет­ ся реализация модели, т.к. по каждому критерию должны быть проведены предварительные расчеты, подготовлены исходные данные и построены целевые функции. Поэтому практически при отборе критериев их число стараются при­ нять наименьшим, но не в ущерб качеству и полноты иссле­ дований. То есть здесь проявляется обычное противоречие, которое может быть правильно разрешено только проверкой на практике.

Группа горно-технологических критериев по отношению к ПТГС является внутренними и частными.

Для эффективного, безопасного и устойчивого функцио­ нирования ПТГС горно-технологических критериев оценки явно не достаточно.

При оптимальном проектировании ПТГС, имеющей слож­ ную структуру, необходимо учитывать, что оптимизируются не только технология, но и организация, а также комплекс условий, в которых она функционирует.

Строительство и функционирование подземного соору­ жения тесно связано с воздействием на окружающую при­ родную среду. Поэтому в проектах строительства должно быть уделено серьезное внимание мероприятиям по исклю­ чению или снижению вредного воздействия на окружаю­ щую среду. Эю достигается использованием различных эко­ логических критериев.

Критерии экологической безопасности ПТГС становятся все более значимыми ввиду критического состояния при­ родной среды. Трудности, связанные с использованием эко­ логических критериев ПТГС, основаны на неизученности сложного механизма возникновения экологических послед­

Очень важным является и то, что проектирование и строительство подземного объекта происходит в условиях дефицита информации. Возможность катастрофических по­ следствий неверно принятых решений (риск) можно прогно­ зировать только на вероятностном уровне. Причем, чем

сложнее горно-геологические условия, тем сделать это слож­ нее.

По Е.С. Дзекцеру, "риск - это мера (вероятностная) воз­ можности реализации опасности в виде некоторого ущерба Ry в искусственно создаваемой действиями субъекта ситуа­ ции больше допустимого RA". Эта ситуация может возник­ нуть, например, при строительстве и эксплуатации подзем­ ных объектов в сейсмоопасном районе, а также в любых сложных горно-геологических условиях. Таким образом, риск характеризует вероятность реализации ущерба. При этом действия субъекта могут вызвать опасность для себя (внутренний риск) и для объекта и среды (внешний риск). Причина риска это отсутствие у субъекта необходимой информации и знаний о закономерностях возникновения и развития процессов формирования неблагоприятных про­ цессов (детерминированных и стохастических).

Упреждение опасности и ресурсосбережение должно быть определяющими критериями проектирования ll l l С.

Гораздо большего внимания должны заслуживать соци­ альные критерии нередко действительно наиважнейшие. Следует отметить, что вопросы содержания социальных кри­ териев, способах численной оценки, а также сопоставления их между собой и с экономическими критериями еще плохо проработаны [3].

На рис. 3.17. представлена, разработанная автором, клас­ сификация критериев оценки эффективности функциониро­ вания природно-технической геосистемы. В систему крите­ риев, позволяющих оценить эффективность 1Ш С, входят функциональные критерии, группа горно-технологических, экономических и антропогенных критериев.

Каждый такой критерий, измеряемый в денежной или на­ туральной форме, дает оценку одной или нескольких сторон многогранного понятия "эффективность". Наиболее ком­ плексной оценки достигают при использовании экономиче­ ских и антропогенных критериев. Остальные из перечислен­ ных выше показателей определяют не цель, а средство дос­ тижения экономического эффекта и, получив денежную оценку, могут быть включены в состав экономического кри­ терия.

Функциональные критерии характеризуют важнейшие показатели реализации функций ГТТТС, отображающие ос­ новные принципы функционирования подземного объекта, т.е. физических и информационных процессов, происходя­ щих в объекте. При функционировании системы весьма важно знание о качестве ее функционирования.

В зависимости от функционального назначения подземно­ го объекта эта группа критериев имеет разное количествен­ ное выражение. Так, например, для горнодобывающих пред­ приятий - это годовая мощность (млн.т/в год); для тоннеля - пропускная способность; для подземных ГЭС выработка электроэнергии, кВт. Относящийся к этой группе критерий надежности характеризует безотказность, долговечность и ремонтопригодность подземного объекта.

Группа горно-технологических критериев, помимо приве­ денных на рис. 3.16, включает также следующие критерии:

•критерии типизации, стандартизации и унификации, которые оценивают уровень использования в ПТГС стандартных и унифицированных элементов, типовых технических решений и нормативов;

критерии использования материалов - показатель эко­ номии материалов, израсходованных на строительство подземного объекта, характеризует прогрессивность используемых технологий; критерии трудоемкости показатель технологичности технической системы.

Горно-технологические критерии оценивают экономию живого и овеществленного труда при строительстве подзем­ ных объектов.

Большая группа экономических критериев связана с эко­ номической целесообразностью реализации функций с по­ мощью данной ГТТТС и оценивает экономическую эффек­ тивность системы. Подробно о экономических критериях изложено в главе 1. В эту группу включен также критерий затрат на информационное обеспечение ПТГС - показатель, оценивающий затраты на подготовку и обработку информа­ ции, необходимой для эффективного и безопасного функ­ ционирования ГТТГС (см. главу 3, § 3.3).

Антропогенные критерии это показатели деятельности человека, ведущей к изменениям в природе, показатели со­ ответствия и приспособления ГПТС к человеку, снижения дискомфорта и повышения положительных эмоций, умень­ шения или исключения вредных и опасных воздействий на

человека.

Критерии экологичности - это показатели отрицательного влияния подземного сооружения на окружающую среду.

Шахтное и подземное строительство влечет за собой ряд негативных в экологическом отношении процессов. К ним относятся:

•изменение гидрогеологических условий (режим, хими­ ческий состав, температура), захватывающие глубокие водоносные горизонты; вовлечение в оборот агрессивных и минерализован­ ных сбросных подземных вод;

изменение напряженного состояния горных пород в глубине массивов (формирование внезапных выбро­ сов, горных ударов, вывалов, мульд проседания и т.д.);

•изменение температурного поля массива. Неблагоприятное воздействие горных работ на окружаю­

щую среду проявляется также в загрязнении атмосферы, во­ ды или почвы пылью, газами, твердыми отходами.

Нереально полностью прекратить воздействие на окру­ жающую среду. Разумный алгоритм действий человека в этой области состоит в создании строго контролируемой системы этих воздействий и осуществлении их таким обра­ зом, чтобы они не превышали возможности природного ме­ ханизма к саморегуляции.

Соблюдение экологических норм при строительстве под­ земных сооружений становится одним из важных направле­ ний практической деятельности.

Критерий безопасности это показатель, оценивающий уровень возможных вредных и опасных воздействий ПТГС на людей, приводящих к временной потере трудоспособно­ сти, увечья, смертельным исходам.

Деятельность любой ПТГС тесно связана с решением не только производственных и экономических задач, но и с за­

предприятий, подземных сооружений коммунального назна­ чения, транспортных, гидротехнических тоннелей и др. и не учитывает возможностей их повторного использования в новом функциональном качестве.

Проекты наиболее крупных и ответственных подземных объектов выполняют головные институты, которые имеются в каждой отрасли или подотрасли. Такая методология проек­ тирования по отраслевому принципу позволяла решать сложные вопросы для конкретных горнодобывающих пред­ приятий и подземных сооружений.

В последние годы в области автоматизированного проек­ тирования наметился переход на новые информационные технологии, основанные на базах знаний и экспертных сис­ темах [27]. Большинство разработанных к настоящему вре­ мени экспертных систем являются диагностическими, т.е. ориентированными на анализ (оценку) объекта, явления или ситуации в зависимости от конкретных значений исходных параметров (т.н. признакового пространства). Такие экс­ пертные системы нашли широкое применение в медицине, геологии, химии, машиностроении и других предметных об­ ластях.

Функциональная направленность проектирования строи­ тельства подземных сооружений в сложных горно­ геологических условиях значительно ширю и заключается, в основном, в синтезе проектного решения. По сути процесс проектирования сводится к генерации проектного решения с последующей проверкой на соответствие целому ряду тре­ бований различных нормативных документов (СНиП, ГОСТ, ЕНиР, ТУ т.п.) Это требования прочности, экономичности, экологичности, технологичности строительства, эксплуата­ ции или повторного использования подземных сооружений.

Наряду с главной задачей - синтеза проектного решения, решаются также локальные задачи, например: оценка на­ пряженно-деформированного состояния массива, расчет па­ раметров крепи, выбор техники и технологии проходческих работ, экономическая оценка технологических решений и т.п. В отличие от экспертных систем диагностического типа в проектировании строительства подземных сооружений не­ четко определена конечная цель функционирования систе­