книги / Строительная геотехнология

♦методы прогнозирования;

♦балансовый (отраслевого баланса);

♦методологических рассуждений;

♦вероятностные;

♦методы экономико-математического моделирования, система автоматизированного проектирования (САПР) идр.

Сложность, комплексность и взаимосвязь различных за­

дач требует в большинстве случаев применения одновремен­ но нескольких методов.

На первой стадии предварительного выбора вариантов для дальнейшего сравнения применяются методы аналогии, логи­ ческих рассуждений, на основе директивных указаний. Сле­ дующая стадия предварительного сравнения осуществляется с помощью методов аналитического, графического и графо­ аналитического, а также метода моделирования. И третья — окончательный выбор с применением метода вариантов, от­ раслевого баланса, вероятностного метода, экономико-ма­ тематического моделирования. Многие из этих методов могут применяться совместно, дополняя один другой.

В соответствии с принципами горно-экономической анали­ тики выбор оптимальных решений осуществляется на основе традиционного исследования функциональных зависимостей между детерминированными величинами, принимаемыми на уровне средних или наиболее вероятных значений параметров. Между тем большинство параметров, характеризующих про­ цесс разработки месторождения (геологические, технические, экономические и др.), в реальных условиях представляют собой вероятностные величины. Решение многих оптимизационных задач становится возможным только на основе исследования вероятностной природы параметров, предопределяющих ин­ тенсивность этих процессов.

В последнее время в методологии проектирования гор­ но-рудных предприятий, наряду с продолжением работ по совершенствованию традиционной нормативно-методичес­ кой базы, предпринимаются попытки обосновать принцип системного подхода к решению проектных задач. Одним из

75

направлений этих исследований является поиск математиче­ ского аппарата, в наибольшей мере учитывающего особен­ ности решения оптимизационных задач применительно к ус­ ловиям подземной разработки рудных месторождений. В ре­ зультате исследований установлено, что в этих условиях классические методы математического программирования (линейного, динамического, стохастического и др.) стано­ вятся малопригодными, в связи с чем при формировании системного подхода следует ориентироваться на методы имитационного моделирования.

Методические принципы системного подхода к проект­ ному обоснованию технологической схемы рудника при комплексном освоении месторождения базируются на сле­ дующих основных положениях:

♦между проектными задачами существует взаимосвязь, которая выражается в том, что решения, принимаемые в рамках отдельной задачи, оказывают влияние и на смежные задачи, а это предопределяет соответствующую последовательность или даже совместность их решения;

♦взаимосвязь проектных решений непосредственно проявляется в их совместном участии в формировании уровня количественных, качественных и экономических параметров предприятия; совместное участие двух или нескольких проектных задач в формировании уровня хотя бы одного показателя свидетельствует о наличии взаимосвязи этих задач;

♦для определения целесообразной последовательности выработки проектных решений необходимо учитывать не только наличие и характер взаимосвязи задач, но и степень их взаимонезависимости;

♦многопараметрический характер технологической схе­ мы рудника, а также сложность учета и формализации разнообразных взаимосвязей предопределяет необходи­ мость декомпозиции системы проектных задач на под­ системы;

♦традиционная методология горно-рудного проекти­ рования вообще не предусматривает какой-либо проце­ дуры совместной оптимизации при решении задач; при

76

системном подходе, базирующемся на противозатратной концепции, взаимосвязь этих проектных задач, хотя и учитывается, однако рассматривается в основном с точ­ ки зрения их совместного участия в формировании ко­ личественных и стоимостных показателей применитель­ но к некоторому заданному среднему качеству руды;

♦при системном подходе, базирующемся на концепции комплексного освоения недр, дополнительным связую­ щим звеном проектных задач по выбору схемы выемки, порядка отработки запасов и схемы вскрытия является совместное участие этих задач в формировании рацио­ нальных качественных характеристик добываемой руды;

♦наличие тесной технико-экономической взаимосвязи этих задач, выражающейся в совместном участии в фор­ мировании количественных, качественных и экономиче­ ских параметров разработки, позволяет объединить их в общую группу.

Для оптимизации технологической схемы рудника с уче­

том требований комплексного освоения Д.Р. Каплунов предлагает использовать критерий, представляющий собой максимум суммарного дисконтированного эффекта, полу­ чаемого в результате освоения месторождения:

(3.1)

где Z,• — извлекаемая ценность в оптовых ценах (или замы­ кающих затратах) в г-м году, руб.; АГ,— капитальные затраты в /-м году, руб.; С, — эксплуатационные затраты без аморти­ зационных отчислений на реновацию в /-м году, руб.; У” — экономический ущерб от потерь полезного ископаемого при добыче в г-м году, руб.; С?— затраты (или удорожание про­ ектных решений), связанные с учетом экологических требо­ ваний в г'-м году, руб.

В.В. Попов разработал системную методологию про­ ектной деятельности. Данная методология разработана автором на основе структурно-логической схемы проект-

77

ной деятельности, модели творческой деятельности и включает три стратегии:

♦прямой оптимизации;

♦итерационных приближений, направленных на со­ вершенствование аналогов и прототипа;

♦синтеза новых (пионерных) проектных решений. Структурно-логическая схема проектной деятельности

основана на методологии иерархического выбора проект­ ных решений подземной разработки рудных месторождений.

В качестве критериев прогрессивного развития техни­ ки и технологии автор предлагает следующую структуру критериев:

♦функциональные, которые характеризуют важнейшие показатели реализации функций технической системы;

♦технологические, которые характеризуют только тех­ нологические особенности изготовления и эксплуатации технической системы;

♦экономические, которые связаны только с экономиче­ ской целесообразностью реализации функций с помо­ щью данной технической системы;

♦эргономические и экологические, которые связаны с во­ просами положительного и отрицательного воздействия на людей, природу, вызванного созданием технической системы.

3.4.П РО ЕКТИ РО ВАН И Е

ПО Д ЗЕ М Н Ы Х СООРУЖ ЕНИЙ

Подземные сооружения относятся к классу сложных (больших) систем по следующим признакам:

♦система не поддается эксперименту и масштабному физическому моделированию;

♦в системе функционируют люди, механизмы, среда;

♦система подвержена многим случайным воздействиям;

♦система управляема.

78

Эта система является весьма типичной, трудоемкой и систематически действующей сложной системой в шахтном и подземном строительстве. Даже незначительные улучшения в технологии и организации проходческих работ приводят к большой экономии ресурсов.

Разработка и внедрение научно-обоснованной методо­ логии проектирования строительства подземных объектов позволит прогнозировать технические, технологические, экономические, экологические, социальные и антропогенные последствия принимаемых решений.

Теоретические основы для решения сложных задач про­ ектирования строительства подземных сооружений создали П.М. Цимбаревич, Б.В. Бокий, Н.М. Покровский и др.

Вопросу моделирования и комплексной оптимизации горно-разведочных объектов, разработки типовых моделей оценки эффективности способов проведения разведочных выработок посвящены работы В.И. Комащенко, Г.Г. Мух­ тарова, В.М. Рогинского, Л.Г. Грабчака, В.Х. Ахмета, Л.И. Попова, В.Г. Лукьянова, Ш.Н. Мамедова и др.

Вопросы моделирования процесса проведения горных вы­ работок горно-добывающих предприятий, формирования и оценки технологических вариантов рассматривались в работах Ю.Л. Барона, В.С. Верхотурова, В.Ф. Горбунова, Э.Э. Нильвы, Т.И. Павличенко, В.В. Першина, М.И. Устинова, Е.И. Рогова, М.Р. Шурубы, П.Л. Лыхина, А.Г. Гузеева и многих других.

Работы В.М. Моспсова, Д.М. Голицынского, В.Г. Храпова, Л.В. Маковского, В.Е. Меркина, В.А. Гарбера и других вне­ сли значительный вклад в теорию проектирования, разработку и совершенствование способов строительства тоннелей раз­ личного назначения и камер большого поперечного сечения.

Г.Г. Мухтаров и В.М. Рогинский, относя к сложной сис­ теме технологический процесс проведения горно-разведоч­ ных выработок, включают в нее ряд подсистем (рис. 3.1), ха­ рактеризуемых жесткими фиксированными связями.

Основные функции подсистем А, В, С и Д взаимосвяза­ ны, конечной целью их реализации является определение та­ ких режимов функционирования, которые обеспечили бы достижение заданного результата.

79

Система

Рис. 3.1. Характер связей технологической системы:

А, В, С и Д — соответственно подсистемы «процесс разрушения горных пород», «процесс проветривания», «процесс погрузки и транспортирования породы», «процесс крепления»

Точное определение оптимального состояния зависит от введенной целевой функции. В подсистеме А (разрушение гор­ ных пород) одна из целевых функций выражает необходимость максимального подвигания выработки за цикл, минимальной продолжительности бурения шпуров, заряжания и взрывания, минимальных затрат на производство буровзрывных работ. Аналогично выражаются и другие целевые функции.

Вероятностный характер основных параметров в про­ цессе функционирования производства требует построения стохастических моделей, которые более полно и достоверно отображают реальные процессы управления. Случайные факторы, определяющие стохастический характер моделей управления, авторы выделяют в две группы: I — связанные с вероятностным характером основных процессов в системе и II — обусловленные случайным характером процессов управления. Применительно к данной сложной системе вы­ деляются три взаимосвязанных аспекта оптимизации: техно­ логический (способы ведения проходческих работ); органи­ зационный (способы оптимизации проходческих работ) и временной (выбор наилучших закономерностей развития во времени).

В качестве критерия оптимальности предлагается ком­ плексный, или обобщающий (составной), критерий. Такой критерий может быть образован как сумма частных крите­ риев с некоторыми коэффициентами, характеризующими степень их важности:

80

и = Ф1Л1 +<P2* 2 + +<Pnk n -> rnax(min),

(3.2)

где и — обобщенный критерий; ku h , ..., к„ — частные крите­

рии; фь Ф2. ...> Фи — весовые коэффициенты соответствующих частных критериев.

Коэффициенты ф„ могут быть положительными (ф „ > 0) или отрицательными (ф „ < 0). Частным критериям, увеличе­ ние которых желательно, присваивают значение ф„ > 0. Если увеличение нежелательно, то назначают ф„ < 0.

Максимальная производительность п при минимальных затратах с имеет линейную связь, а именно:

(3.3)

где ф! < 0 и фг > 0 — весовые коэффициенты, учитывающие важность показателей затрат и производительности.

При достижении с—» min делают уступки, следя за их ве­ личиной.

Если п—>шах, этого будет достаточно, чтобы принять решение о нахождении оптимума. В противном случае сле­ дует остановиться на границе допустимой уступки.

Локализация оптимального значения X на заданном множестве связана с выбором некоторой схемы справедли­ вого или жесткого компромисса. Справедливым считают компромисс, при котором относительное снижение одного или нескольких критериев не превосходит относительного повышения остальных критериев.

В.Х. Ахмет и Л.Г. Грабчак для горно-разведочных объектов как сложных систем (сюда относятся разведоч­ ные шахты и штольни) отмечают, что чрезвычайно боль­ шое значение имеют процессы обоснования проектных решений. На стадии проектирования имеются наибольшие возможности оптимизации, так как возможны различные варианты декомпозиции общей цели на подцели звеньев, общих ограничений на частные ограничения, наклады­ ваемые на управление звеньями, а также наибольшие воз-

81

можности регулирования параметров структур шахт и штолен, взаимозаменяемости ресурсов и способов их ис­ пользования для достижения частных целей по звеньям и общей цели по объекту.

Е.И. Рогов и М.Р. Шуруба весь технологический ком­ плекс работ в подготовительном забое по проходке горных выработок рассматривают как большую сложную динами­ ческую систему.

В работе рассматриваются только те горные выработки, которые проходятся буровзрывным способом с механизиро­ ванной погрузкой отбитой горной массы. В сложной системе «подготовительный забой» авторы рассматривают следую­ щие подсистемы:

♦буровзрывные работы (тип машин и механизмов, применяемых для бурения и их число);

♦проветривание (способ и схема проветривания);

♦погрузка и транспортирование горной массы (тип по­ грузочных машин и их число, способ погрузки отбитой горной массы, способ обмена вагонеток);

♦крепление выработок (вид крепи, паспорт крепления выработки, способ возведения крепи).

Вработе предлагаются два метода реализации модели с уменьшением размерности.

1. Метод реализации математической модели на под­ графах.

2. Оценка фазовых переменных по степени сильности влияния их на исследуемую систему.

Для оценки оптимальности при построении математиче­ ской модели технологии проведения горных выработок на­ значается конечное множество критериев, а именно:

7 = ( /„ /2,/3),

(3.4)

где 1\ — затраты на проходку горной выработки; 1%— трудо­ емкость проведения горной выработки; /2 — время на про­ ходку горной выработки.

82

Необходимые условия критериев состоят в следующем:

min/j, min/2, min/3.

(3.5)

Необходимо отметить, что если первые два критерия Д и Д имеют тесную связь между собой, т.е. чем более операция трудоемкая, тем она дороже, то оптимальное решение по критерию Д во многих подмножествах проходит по проти­ воположным вершинам с решением по Д. Это имеет место, например, когда речь идет о числе работающих машин и ме­ ханизмов. Чем больше одновременно работает проходче­ ской техники, тем быстрее будет выполнена операция, но за­ траты на амортизацию и энергию будут выше. Фазовые пе­ ременные объекта Xt не равносильны с точки зрения влияния их на критерий оптимальности Л Авторы вводят понятие «степень сильности влияния фазовой переменной на крите­ рий оптимальности».

П.А. Лыхин в сложную систему выделяет проходческий цикл, исследуя три подуровня.

1.Горно-геологические условия.

2.Технические средства.

3.Организация работ.

Для анализа сложной многозабойной организации ра­ бот, ее совершенствования и прогнозирования прогрессив­ ных параметров применяются статистические модели про­ ходческого процесса, разработанные на базе теории массо­ вого обслуживания.

Критериями оценки эффективных параметров проходче­ ского цикла являются: производительность труда проходчи­ ка (трудоемкость) L, себестоимость £/' или скорость прове­ дения выработки (комплекса выработок) Vr.

В общем виде перечисленные критерии могут быть опи­ саны следующим образом:

Т	и Т'п	(3.6)
и ' =	Т и
Г цйг

83

где Г„ — затраты на проходческий цикл, отнесенные к 1 м пройденной выработки, мин/м; L — производительность труда рабочего, м/чел.-смен; Тм — число рабочих минут за год, мин/год; I f — себестоимость 1 м выработки, руб/м; U — себестоимость проведения выработок, руб/год; пг — число человеко-смен в году.

За основной критерий при решении задач прогноза при­ нимается производительность груда L, два других критерия могут быть вспомогательными, так как себестоимость и скорость проведения выработок в конечном счете определя­ ются производительностью труда рабочего.

В.В. Першин отмечает, что процесс строительства капи­ тальных горных выработок буровзрывным способом тесно связан с другими различными по своему функциональному на­ значению производственными процессами: проветриванием, энергоснабжением, подземным транспортом и др. Все эти про­ цессы, в совокупности с процессом строительства горной вы­ работки, образуют сложную производственную систему, в ре­ зультате функционирования которой формируется определен­ ная скорость строительства горной выработки.

Реальные технологические системы строительства гор­ ных выработок функционируют в условиях влияния боль­ шого числа факторов, источниками которых являются в ос­ новном воздействия внешней среды. Поэтому проходческий забой как объект исследования связан со средой множеством связей, которые определяют его состояние.

Совокупность параметров среды, которые воздействуют на объект, разделены на группы в зависимости от характера и доли их участия в технологическом процессе. В самом об­ щем случае объект характеризуют следующие параметры:

•входные параметры — х\, хг, хг, ....

•управляющие воздействия — щ, иг, иг, .... и*;

•возмущающие воздействия — z\, гг, гг..... zm\

•выходные величины — у и уг, уг, .... У*- Применительно к такому объекту, как технологическая

система строительства горной выработки, входными вели­ чинами являются физико-механические свойства вмещаю-

84