книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений

4.Программирование модели.

5.Оценка пригодности модели.

6.Планирование эксперимента.

7.Интерпретация результатов моделирования.

На первом этапе определяется объект имитации на осно­ вании исходной информации, устанавливаются границы и ограничения модели.

Цели моделирования формулируются в зависимости от критериев эффективности, на основании которых предпола­ гается проводить на модели исследование различных про­ ектных решений или организации работы сложной системы.

На основании сформулированных целей на следующем этапе определяется общий облик модели. Производится предварительный анализ необходимого набора математиче­ ских уравнений,,описывающих реальные процессы, а также методов проверки правильности функционирования модели.

Построение заключается в выделении элементов модели­ руемой системы, их описание и описание взаимодействия между собой. В зависимости от сложности объекта модели­ рования возможно три уровня формального описания.

1.Аппроксимация явлений функциональными зависимо­ стями.

2.Алгоритмическое описание процессов в системе.

3.Смешанное представление последовательности формул

иалгоритмов.

Программирование модели на ЭВМ заключается в описа­ нии модели на языке программирования.

Возможности и ограничения для представления в виде модели сложных систем определяются средствами, которые используются в системе моделирования.

Одним из основных средств, определяющих возможности системы моделирования, является система планирования, в соответствии, с которой проводятся вычисления, описанные в тексте имитационной программы. Существует три основ­ ных типа систем планирования, из них каждый последую­ щий является частным случаем предыдущего (интеррогативная система, императивная система и система автоматного планирования).

В каждой из систем планирования существуют специали­ зированные языки имитационного моделирования, класси­ фикация которых представлена на рис. 1.6.

сЯзыки моделирования

Рис. 1.6. Классификация языков моделирования

§14.4. Интеллектуализация систем моделирования

Впрактике построения инструментальных средств интел­ лектуальных систем требуется обеспечение возможности ин­ теграции различных способов представления знаний в рам­ ках единого программного продукта. Основой для такой ин­ теграции может служить концепция объектного представле­ ния, где программный продукт представляется набором ак­ тивных объектов (агрегаций), состоящих из структуры дан­ ных и совокупности процедур. Объекты наделяются способ­ ностью передавать (другим объектам) и принимать (от дру­ гих объектов) сообщения и выполнять необходимые манипу­ ляции над структурами данных в соответствии с принятыми

сообщениями. л В объектном представлении существует два способа фор­

мализации объектов: агрегации и обобщения. В математиче­ ском смысле, понятие агрегации соответствует понятию "де­ картова произведения". Объекты в этом случае формируют­ ся как связь между другими объектами. Обобщение форми­ руется как совокупность объектов, которые могут быть от-

несены к одному классу. Тогда объект О, являющийся обоб­ щением объектов (Oi,.....tOn)( называется классом, а любой Oi - категорией О. Если несколько раз последовательно при­ менять к некоторым объектам обобщение или агрегацию, образуется иерархия понятий. Концептуальная модель слож­ ной технической системы включает иерархии агрегаций и обобщений для всех понятий, необходимых для поддержки прикладных представлений.

Для решения задачи построения функциональных элемен­ тов системы, проанализируем обобщенное представление объектов в современных системах моделирования [54].

Каждый объект представляется как элемент некоторого класса, который в свою очередь может рассматриваться как подкласс класса более высокого уровня. Класс объектов ха­ рактеризуется набором атрибутов и действий, выполняемых объектом данного класса в системе.

Объекты разных классов различаются либо набором ат­ рибутов, либо действий. Объекты одного класса имеют оди­ наковый набор атрибутов и действий и различаются значе­ ниями атрибутов. Таким образом, каждый класс и объект имеет набор атрибутов и выполняет последовательность дей­ ствий, и определяется идентификатором. Каждый атрибут заданного объекта имеет имя, тип и значение Отметим, что при описании объектов в системах моделирования часто ис­ пользуются неявные атрибуты, к которым пользователь не имеет доступа, и значения которых вычисляются в зависи­ мости от состояния моделируемого объекта.

При представлении последовательности действий в моде­ лируемой системе, считается, что любое действие вызывает некоторое событие в системе, которое означает мгновенную смену состояния системы, заключающееся в изменении не­ которых параметров системы. Отдельные элементы модули­ рующей системы, такие как множества, могут содержать в качестве своих составных частей другие объекты системы. Эти составные части обычно не выполняют действий. Кроме множеств, на основе включения объектов различных классов в системах имитации функционирует системное время, ко­ торое представляется с помощью специальных объектов, ко­ торые носят название управляющего списка (УС) или кален­

даря системы. Таким образом, модель, реализуемая в систе­ ме моделирования, может быть представлена в виде сле­ дующей иерархии (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Иерархия для представления модели

В СИИ традиционно выделяются две группы методов представления знаний: декларативные и процедурные. Принципиальное их отличие состоит в различном понима­ нии характера взаимосвязи сущностей. Декларативный спо­ соб исходит из посылки, что знания не имеют глубоких свя­ зей с процедурами обработки сущностей, и характеризуют аспект "знать что". Процедурный способ представления зна­ ний характеризует аспект "знать как", т.е. исходит из того, что знания вложены в систему обработки знаний и тем са­ мым предопределяет способ использования тех или иных сущностей.

Декларативный способ представления знанйй обладает рядом положительных свойств, например: возможность представления фактов множеством независимых элементов с необязательным указанием способа использования фактов; возможность общения с системой в декларативной форме и т.п. Наиболее эффективен данный метод в тех случаях, когда фактов мало, а способов их использования много. В случае

Выводы по главе

1. Проектирование строительства горнодобывающих пред­ приятий и подземных сооружений в настоящее время регла­ ментируются обширной номенклатурой нормативных, мето­ дических и инструктивных документов. Однако несмотря на наличие этих документов, проектирование строительства подземных объектов носит в целом отраслевой характер. В каждой из горнодобывающих отраслей (угалшая, гориорудаая, горнохимическая и др) и отраслей жизнеобеспечения (подзем­ ные сооружения коммунального назначения, транспортные, гидротехнические и др.) действует целый ряд ведомственных документов, образующих нормативно-методическую базу проектирования строительства подземных объектов.

2.Проектирование строительства подземного объекта осуществляется для каждого конкретного случая индивиду­ ально, в соответствии с основным функциональным назна­ чением, эксплуатационными параметрами и характеристи­ ками вмещающего породного массива. При этом не рассмат­ ривается возможность использования проектируемых объек­ тов в новом функциональном качестве в будущем.

3.Современная концепция проектирования в шахтном и подземном строительстве должна основываться на представ­ лении подземных сооружений как класса сложных динами­ ческих открытых управляемых систем.

4.Подземное сооружение необходимо рассматривать как видоизменяемый георесурс, позволяющий реализовывать его многофункциональное качество.

5.Технология строительства, эксплуатации, реконструк­ ции и повторного использования подземных сооружений должна базироваться на управляемых технологических про­ цессах, позволяющих гибко реагировать на изменение тех­ ногенных и антропогенных факторов путем оперативного регулирования параметров технологического процесса.

6.Специфическая особенность проектирования строи­ тельства подземных сооружений выделяет их в самостоя­ тельный класс экспертных систем, для создания которых требуются научно-обоснованные подходы, совершенные ин­ струментальные средства и подготовленные специалисты.

Глава 2

РАЗРАБОТКА КЛАССИФИКАЦИЙ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ И СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА

§ 2.1. Анализ опьла повторного использования техногенного подземного пространства

Анализ зарубежного и отечественного опыта горного дела и подземного строительства показывает, что под освоением подземного пространства в настоящее время понимается изучение и использование его природных ресурсов с целью размещения в недрах различных объектов [18, 30, 78, 101 и др.]. Подземное пространство страны является важнейшим государственным ресурсом, освоение которого позволяет хотя бы частично решить такие глобальные проблемы, как сохранение главного ресурса земли, энергосбережения, экологии [71].

Освоение подземного пространства развивается по трем основным направлениям:

•строительство новых различных подземных сооружений целевого назначения;

•использование естественных полостей недр;

•повторное использование подземного пространства гор­ ных предприятий.

Подземное пространство, образующееся при подземной разработке месторождений полезных ископаемых, в на­ стоящее время является практически невостребованным, а его объемы огромны. Достаточно сказать, что объем только

вскрывающих и подготовительных выработок с большим сроком службы и хорошим доступом к ним с поверхности составляет на шахте среднего масштаба (производительно­ стью 1 млн. тонн в год) 600-1200 тыс.м3, объем рабочего (от­ рабатываемого) пространства очистных забоев, равный объ­ ему вынимаемого угля, составляет около 500 тыс. м3 в год. Если учесть ориентировочно все шахты и рудники страны, то объем их подземного пространства составляет один млрд. м3 капитальных и подготовительных горных выработок и 500 млн. м3 в год очистных [91].

Так как многие подготовительные выработки угольных шахт используются повторно еще при добыче полезного ис­ копаемого (откаточный штрек при столбовой системе разра­ ботки служит вентиляционным при отработке следующей лавы), то в данной работе под повторным использованием подземных сооружений понимается их использование в но­ вом функциональном качестве, не связанном с добычей по­ лезного ископаемого.

В отличие от собственно освоения подземного простран­ ства, которое с различной интенсивностью осуществлялось человечеством с древних времен, повторное использование подземных сооружений ведет свой отсчет с начала XX века. Так, в Германии в 1914 году, горные выработки законсерви­ рованных шахт были приспособлены под склады. С тех пор повторное использование подземного пространства осуще­ ствляется в промышленных, хозяйственных, аграрных, соци­ альных, экологических и оборонных целях.

Повторному использованию техногенного подземного пространства посвящены исследования отечественных и за­ рубежных ученых: акад. Е.И. Шемякина, акад. Н.Н. Мельни­ кова, В.В. Гущина, Т. Дзюбека, Ю.Д. Дядькина, У. Кельми, АС. Малкина, Е.В. Петренко, И.В. Садардинова, АГ. Сала­ матина, В.Н. Скубы, С. Фриша, С.А Ярунина й др. [30, 39, 53, 71, 78, 99, 101, 102, 103].

Интенсификация освоения подземного пространства и, в том числе повторного использования подземных горных вы­ работок, наблюдается начиная с 40-х годов XX века. В под­ земных горных выработках располагаются и действуют за­ воды точного приборостроения, холодильники, фрукто- и

овощехранилища, нефте- и газохранилища, атомные элек­ тростанции, гидротехнические сооружения, склады продо­ вольственных и промышленных товаров, аграрные предпри­ ятия, лечебные центры, библиотеки, спортивные и культур­ ные учреждения, гаражи, научно-исследовательские лабора­ тории и др. Это вызвано целым рядом глобальных факторов, негативно воздействующих на среду обитания человека при подземном строительстве.

Если к 1985 году суммарная площадь, покрываемая всеми видами инженерных сооружений, составляла около 8 %, то к 1990 году она превысила 10 %, а к 2001 году может возрасти до 15 %, то есть приблизиться к величине г/ б площади суши Земли.

При этом, надо иметь в виду, что поверхность литосферы осваивается очень неравномерно, особенно интенсивно ее освоение идет в крупных городах и мегаполисах, низкие со­ циальные, экономические и экологические характеристики которых во многом объясняются недостаточным вовлечени­ ем подземного пространства в народнохозяйственный обо­ рот [71, 73, 102]. Цена 1 м2 земли в крупных городах исчис­ ляется тысячами долларов. Так в г. Миннеаполисе (США) 1 м2 земли стоит несколько тысяч долларов, а стоимость из­ влечения 1 м3 горной массы с глубины до 100 м с учетом транспорта составляет 100 $. Экономичность подземного строительства в этих условиях не вызывает сомнения.

За последние 40 лет потребление энергии человечеством возросло в 2,2 раза. В развитых странах расходуется при­ мерно Ю т у.Т. на душу населения в год. Такое количество энергии для всего населения земного шара производиться не может: наступает парниковый эффект [102]. Поэтому рацио­ нальный путь развития это путь экономии энергии, а са­ мый кардинальный - использование подземного пространст­ ва, в том числе, и уже существующего. Экономия теплоэнергии на существующих подземных объектах в Финляндии со­ ставляет 74% в холодильниках, 20% в спортивных бассейнах, 31 % в спортивных залах. Потребление теплоэнергии в под­ земных складах И хранилищах более чем на 32 % ниже, чем в соответствующих наземных сооружениях.

Наряду с этим, на поверхности создаются "горы" продук­ тов переработки минерального сырья, промышленных и хо­ зяйственных отходов. Известно, что выданная из шахты по­ рода вместе с "хвостами" обогащения и золой сжигания угля формирует объем отходов, достигающий 120 млн. тонн в год. Проблема освобождения поверхности от этого бесполезного материала, постоянно загрязняющего окружающую среду, беспокоит все страны.

Вместе с тем, огромные объемы техногенного подземного пространства в виде горных выработок различного срока существования, форм, размеров и мест расположения на шахтах и рудниках остаются невостребованными, погашаясь, как правило, естественным образом.

Важнейшей социальной экономической и экологической проблемой, возникшей в последние годы, является реструк­ туризация угольной промышленности и связанная с нею проблема закрытия неперспективных шахт.

Реструктуризацию угольной промышленности России на­ мечалось осуществить в кратчайший срок с выделением 3 этапов: 1994-1997 гг., 1998-2000 гг. и 2001-2005 гг.

На первом этапе предусматривалось освободить все угле­ добывающие предприятия от объектов социальной сферы, закрыть высоко убыточные шахты и повысить удельный вес добычи открытым способом до 60 %.

В ходе второго этапа реструктуризации намечалось осу­ ществить глубокие структурные преобразования в производ­ ственной сфере, завершить, в основном, работы по реконст­ рукции и техническому перевооружению перспективных шахт, создать и ввести в действие законодательные и эконо­ мические механизмы, обеспечивающие эффективное функ­ ционирование угольных предприятий в условиях рыночной экономики, существенно улучшить социально-экологичес­ кую обстановку в угледобывающих регионах.

На заключительном (третьем) этапе реструктуризации главное внимание должно быть направлено на повышение научно-технического уровня угольного производства, рас­ ширение сфер использования угля с углублением его пере­ работки.