книги / Методология проектирования строительства подземных сооружений
..pdfния 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
тельными |
значениями: fi(x), где x ed i, |
т.е. |
х принадлежит |
|
множеству |
d p fjM , где xe<Jj....f.(x), |
где |
x ed n. требуется |
|
определить максимум (или минимум) функционала: |
|
|||
|
F (i,,i2v..,i„)=f,(i,)+f2(x2)+...+f„(iD); |
(l.i) |
||
При этом получение экстремума функционала F связано с |
||||
системой ограничений на переменные |
xi,x2,...,xn • Функцио |
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
этап, в другое состояние S|. Эго новое состояние Si |
зависит |
от предыдущего состояния S и и выбранного управления щ. |
|
Развитие системы можно представить зависимостями: |
|
S, - Si (S|.1( U|); |
( 1. 2) |
где: |
|
Si является функцией двух аргументов SM и щ. |
|
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:
w * = w ;,2 _ m(So); |
(1.3) |
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);
наличие дополнительных перегрузочных пунктов (кри терий 20).
Эти критерии определяют уровень организации основно го и вспомогательного транспорта.
Разработка способа представления альтернативных вари антов исходного множества технологических схем, форми рование набора критериев и выбор способа оценки по ним каждого варианта технологической схемы шахты позволяют перейти от интуитивного выделения наилучших вариантов, основанного только на индивидуальном опыте специалистов
экспертов, к формализованному анализу оценок каждого варианта и выделению подмножества предпочтительных ва риантов с помощью специально разработанной процедуры принятия решения. Такая процедура включает в себя выяв ление структуры предпочтений экспертов и формирование на основе этой информации с помощью ЭВМ подмножества наиболее предпочтительных вариантов.
Оценка каждого варианта технологической схемы уголь ной шахты формировалась с учетом оценок по каждому из элементов составляющих данную схему, определяемых с по мощью экспертного опроса. На основе оценок определялось подмножество предпочтительных вариантов.
Структура предпочтений экспертов включает в себя дан ные об относительной важности критериев оценки вариан тов и оценок по этим критериям. На основании структуры предпочтений экспертов формулируется отношение пред почтения на исходном множестве альтернативных вариан тов, определяющее понятие "более предпочтительный вари ант".
Автор обосновывает два способа выделения подмножества наиболее предпочтительных вариантов (множества Парето): метод попарных сравнений и метод сравнения с эталонами. Следует отметить, что структура предпочтений экспертов об относительной важности критериев является несколько субъективной.
Л.С. Петренко разработал классификации элементов тех нологической схемы выемочного участка для горно геологических условий залегания пологих пластов Донбасса, являющиеся дальнейшим развитием методов оптимального
16
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:
п ' ( ‘)= { п " (0 5 п " (0 s |
п ' ( 0 ; ••• п й ( 0 }; (1.5) |
Как видно, это m - мерный вектор, состоящий из значе ний показателей. Требуется количественно оценить приня тые в проекте технологические решения и выработать стра тегию их совершенствования.
На этапе экспертизы и согласования оценка j=m вариан тов проекта шахты производится путем рассмотрения также j=m технико-экономических показателей. Эти сведения объ единяются в прямоугольную технологическую матрицу:
( 1. 6)
где:
n ifj - значение показателя номера i - го в j - м варианте
проекта. По строкам матрицы расположены векторы одного показателя для сравниваемых проектов. Выделяется лучший проект по функционалу комплексного показателя:
Kk =F (П); |
(1.7) |
Качество принятых технологий определяется по рядам та ких показателей для сравниваемых вариантов
Кц+1 * К, * К ц-1 ; |
( 1.8) |
При рассмотрении отдельных технологических процессов символическое представление системы выглядит следующим образом:
С |
0(П;М )3; |
(1.9) |
|
|
где:
С - система отдельных процессов на шахте; О - знак отображения;
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
подобъектов П и их отношений М для Н |
по 3 в Я. |
|
|
Так как шахта представляет собой |
открытую |
систему, |
|
связанную с внешней средой и ее подобъектами, то: |
|
||
С |
0(П ;М ;А )р; |
(1.10) |
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.