Наукові основи функціонально-структурної оптимізації моделей мереж гірничих виробок вугільних шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

НАУКОВІ ОСНОВИ ФУНКЦІОНАЛЬНО-СТРУКТУРНОЇ ОПТИМІЗАЦІЇ МОДЕЛЕЙ МЕРЕЖ ГІРНИЧИХ ВИРОБОК ВУГІЛЬНИХ ШАХТ

Спеціальність 05.15.02 - Підземна розробка родовищ корисних копалин

ОКАЛЄЛОВ ВАСИЛЬ МИКОЛАЙОВИЧ

Дніпропетровськ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі розробки родовищ корисних копалин Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ).

Науковий консультант: БОНДАРЕНКО Володимир Ілліч, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: ГРЯДУЩИЙ Юрій Борисович, доктор технічних наук, професор, технічний директор Донецького Індустріального Союзу

КАСЬЯН Микола Миколайович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри розробки родовищ корисних копалин Державного вищого навчального закладу (Донецький національний технічний університет) Міністерства освіти і науки України

ПОНОМАРЕНКО Павло Іванович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри економіки підприємства Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться «28» травня 2010 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, тел. (0562) 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий «27» квітня 2010 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03, В.І. Тимощук

АНОТАЦІЯ

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - Підземна розробка родовищ корисних копалин. - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2010.

Дисертація присвячена проблемі підвищення надійності та ефективності проектування мереж гірничих виробок через врахування якості виконання ними технологічних функцій, закономірностей розвитку в часі та просторі, а також імовірності ведення гірничих робіт в різних за ступенем однорідності та складності умов залягання вугільних пластів. Ідея роботи полягає у функціонально-структурному описі мереж гірничих виробок на різних стадіях їх розвитку з урахуванням сприятливості умов залягання вугільних пластів. У роботі виконано обґрунтування нового критерію оптимальності проектних рішень, який враховує ймовірнісну природу початкової інформації. Для розрахунку показників, які входять в економіко-математичну модель критерію, розроблений комплекс розпізнавальних систем та моделей, що базуються на комбінованому використанні неоднорідного послідовного статистичного аналізу та лінійних дискримінантних функцій і забезпечують високу достовірність прогнозів. Для врахування впливу на їх результати похибок початкових даних встановлені закономірності їх формування і розроблені відповідні методики. Розроблена узагальнена функціональна модель мереж гірничих виробок, методи генерування ідеї проекту та критерії їх оцінювання. Вибір матеріальних носіїв функцій, які входять до складу функціональної моделі, здійснюється способом побудови та аналізу функціонально-структурних моделей мереж гірничих виробок. Їх оцінювання виконується за допомогою розроблених часткових критеріїв, у результаті чого формується підмножина переважних варіантів. З нього за допомогою розробленого скалярного критерію остаточно вибирається оптимальний варіант, для якого розраховується вірогідний збиток від відмови або згоди інвестування у реалізацію проекту з оптимальною мережею гірничих виробок.

Для діючих шахт удосконалення мереж гірничих виробок здійснюється на підставі їх структурно-функціонального опису. Основні положення розробленої методології оптимізації мереж гірничих виробок впроваджені на шахтах і проектних організаціях Мінвуглепрому України з фактичним економічним ефектом 2,932 млн. грн та у вигляді нормативного документу.

Ключові слова: мережа гірничих виробок, методи оптимізації, геологічні умови, прогнозування.

АННОТАЦИЯ

Окалелов В.Н. Научные основы функционально-структурной оптимизации моделей сетей горных выработок угольных шахт. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых. - Национальный горный университет, Днепропетровск, 2010.

В диссертации выполнено теоретическое обобщение и дано новое решение актуальной проблемы разработки научных основ функционально-структурной оптимизации моделей сетей горных выработок угольных шахт, обеспечивающих повышение эффективности угольного производства.

Идея работы заключается в функционально-структурном описании сетей горных выработок на разных стадиях их развития с учетом степени сложности условий залегания угольных пластов.

В диссертации разработан новый критерий оптимальности выбора проектных решений, учитывающий степень сложности условий отработки угольных пластов и вероятностную природу исходной информации. В его основу положена математическая модель внутренней нормы доходности и способ оценки вероятностей ведения горных работ в различных по степени сложности условиях. При этом доказан аддитивный характер влияния на технико-экономические показатели работы очистных забоев количества совместно проявляющихся неблагоприятных признаков условий залегания угольных пластов.

Установлено, что комбинированное использование методов распознавания, основанных на неоднородном последовательном статистическом анализе и линейных дискриминантных функций, обеспечивают наибольшую достоверность прогноза технико-экономических показателей работы лав и шахт. При этом впервые установлено, что информация, содержащаяся в прогностических коэффициентах распознающих систем, оказывает влияние не только на распознавание интервалов изменения прогнозируемых показателей, но и на их точечные внутриинтервальные значения. Это позволяет существенно упростить математические модели для детализации результатов прогнозов и обеспечить учет в них с единых теоретических позиций количественных и качественных факторов.

Разработана методика оценки однородности сочетаний количественных и качественных условий залегания угольных пластов, основанная на использовании комплекса параметрических и непараметрических, одномерных и многомерных статистических критериев.

Установлены закономерности формирования ошибок геологоразведочных данных и разработана методика их учета при обосновании проектных решений.

Доказано, что развитие сети горных выработок в пространстве подчиняется законам теории фракталов. Полученные на этой основе математические модели позволяют устанавливать рациональные размеры шахтного поля и его частей без сложных технико-экономических расчетов.

Показано, что изменение суммарной протяженности сети горных выработок во времени адекватно описывается логистической функцией, параметры которой зависят от проектной мощности шахты, количества одновременно разрабатываемых неоднородных участков угольных пластов, времени начала стабильной работы шахты и протяженности выработок, проведенных в первый год строительства шахты. Эти закономерности позволяют прогнозировать протяженность выработок на каждой стадии их развития, обосновывать необходимость модернизации действующей сети и осуществлять экспресс-оценку ее вариантов.

Выполнено функционально-структурное описание сети горных выработок, позволяющее находить ее предпочтительные варианты на основе частных функциональных и функционально-структурных критериев. Выбор оптимального варианта осуществляется при этом на основе разработанного критерия оптимальности, определения возможных прибыли или ущерба и оценки ожидаемого риска инвестиций в проект с оптимальной сетью выработок.

Сеть горных выработок действующих шахт наиболее адекватно описывается с помощью структурно-функционального подхода. Разработанные в рамках этого подхода критерии оценки качества функционирования горных выработок и их состояния позволяют выявлять дублирующие выработки с неэффективным выполнением технологических функций и высокой концентрацией затрат. По результатам этих исследований в работе разработан алгоритм перераспределения функций между выработками, повышения качества их выполнения и исключения выработок, потерявших свое значение, что позволяет достичь существенного упрощения сети и снижения затрат на ее функционирование.

Реализация результатов исследований при проектировании и модернизации сетей горных выработок подтвердили их высокую эффективность. По результатам внедрения получен фактический экономический эффект в размере 2,932 млн. грн.

Ключевые слова: сеть горных выработок, методы оптимизации, геологические условия, прогнозирование.

Annotation

Okalelov V.M. Scientific principles of functional-structural optimization of models for mine tunnel networks in coal mines. - Manuscript.

Dissertation for Doctor's degree on engineering sciences on specialty 05.15.02 - underground development of mineral deposits. - National Mining University, Dnipropetrovsk, 2010.

Dissertation is devoted to the problem of increasing design reliability and efficiency for mine tunnel networks by taking into account their technological-functional operating quality, regularities of development in time and space, as well as probability of keeping mine works in various-type uniformity and difficult conditions of coal layers bedding. The idea of this work is in functional-structural description of mine tunnel networks at different stages of their development taking into account favorable conditions of coal layers bedding. This work has given the substantiation of new criteria of optimum design decisions, which considers probabilistic nature of output information. For calculation the indexes, which are included into economic-mathematical model of criteria, there was developed the set of identification systems and models, which are grounded on the combined using of heterogeneous sequential statistical analysis and linear discriminant functions, that provides high prognostical reliability. To consider the influence of output data errors onto their results the regularities of their formation are found and the necessary methods are developed. The generalized functional model of mine tunnel networks is developed as well as generative methods of the project and criteria for their estimation. Choice of material carriers of functions, which are introduced into functional model, is made by creating and analyzing functional-structural models of mine tunnel networks. Their estimation is performed using developed private criteria that is resulted in formation of subset of prevail options. From it using the developed scalar criteria the optimum variant is chosen finally, for which there calculated the probable loss from refusal or approval to invest this project's realization with optimum mine tunnel networks.

For operating coal mines improvement of mine tunnel networks is made on the base of their structural-cost description. The main regulations of developed method for optimization of mine tunnel networks are introduced in the form of standard document, separate projects and recommendations.

Key works: mine tunnel network, optimization methods, geological conditions, prognostication.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Мережа гірничих виробок вугільної шахти є важливим її елементом, який визначає надійність функціонування й техніко-економічні показники роботи. Питома вага витрат, пов'язаних зі спорудженням гірничих виробок під час будівництва й реконструкції шахт, сягає 70% від загальної суми капітальних вкладень, а на діючих шахтах експлуатаційні витрати на проведення гірничих виробок становлять 10-15% від загальної собівартості вугілля, що добувається.

В останні роки витрати на спорудження гірничих виробок суттєво зросли. Так, за даними інституту «Луганськдіпрошахт», кошторисна вартість проведення 1 м штреку перерізом 10 м² у світлі в цінах 2002 р. становила 5050 грн, а за розрахунками «Дніпродіпрошахт» вартість проведення 1 км виробки сягає вже 15-20 млн. грн. Тому, навіть, порівняно невелике зменшення довжини виробок, що проводяться і підтримуються, веде до значної економії коштів. Звідси випливає необхідність істотного підвищення вимог до наукового обґрунтування методів проектування оптимальних мереж гірничих виробок, що забезпечують якісне виконання необхідних технологічних функцій з мінімальними витратами. У той же час існуючі методи оптимізації, що використовуються в теорії проектування шахт, цим вимогам не відповідають, оскільки не гарантують знаходження глобального оптимуму, не відбивають взаємозв'язку між ступенем сприятливості залягання вугільних пластів і топологією мережі гірничих виробок, базуються переважно на детермінованих моделях, не передбачають пошуку варіантів максимального суміщення виробками технологічних функцій, не знімають гостроти протиріччя між прагненням до максимально можливої деталізації варіантів топології мережі гірничих виробок і надмірним збільшенням їх вихідної множини, що, у свою чергу, призводить до збільшення трудомісткості оптимізаційних розрахунків, зниження надійності інвестиційних проектів, перевитратам фінансових і матеріальних ресурсів.

Таким чином, розвиток наукових засад оптимізації мереж гірничих виробок, що забезпечують мінімізацію їх сумарної довжини, є актуальною науково-технічною проблемою, яка має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до пріоритетних напрямків розвитку науки й техніки України «Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці», Державної програми «Українське вугілля», затвердженої постановою Кабінету Міністрів України 19.09.2001 р. №1205 і тематичних планів НДР ДонДТУ: №17/92 №ДБ UA01002082Р; №57/96 №ДБ 0196U013337; №56/96 №ДБ 0196U013336; №70/98 №ДБ 0197U0018210; №79/98 №ДБ 0198U001052; №88/00 №ДБ 0101U001798; №89/00 №ДБ 0100U001268, №109/03 №ДБ 0101U003568, за якими автор був керівником або відповідальним виконавцем.

Метою роботи є створення комплексу науково обґрунтованих методів функціонально-структурної оптимізації моделей мереж гірничих виробок на різних стадіях їх розвитку, що забезпечують підвищення надійності й ефективності прийнятих проектних рішень.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені наступні основні задачі:

- розробити критерій оптимальності проектних рішень і методику оцінювання ступеня складності умов залягання вугільних пластів з урахуванням їх неоднорідності й імовірнісної природи, як основи інформаційного забезпечення процедури формування варіантів мереж гірничих виробок;

- вивчити закономірності формування помилок вихідних даних, їх вплив на прогнозовані результативні показники й удосконалити методи прогнозу останніх;

- установити закономірності розвитку мережі гірничих виробок у площині пласта й зміни їх загальної довжини в часі, виявити взаємозв'язок між параметрами цих закономірностей і впливовими факторами;

- розробити принципи функціонального опису мережі гірничих виробок, обґрунтування на його підставі наукових положень генерування й оцінювання ідей проекту, раціональних комбінацій технологічних функцій, що виконуються виробками;

- обґрунтувати теоретичні й методичні принципи функціонально-структурного й структурно-функціонального опису моделей мереж гірничих виробок, розробити часткові критерії оцінювання ступеня їх досконалості та якості виконання технологічних функцій;

- випробувати розроблені методи оптимізації мереж гірничих виробок при рішенні конкретних проектних задач.

Ідея роботи полягає у функціонально-структурному описі мереж гірничих виробок на різних стадіях їх розвитку з урахуванням ступеня складності умов залягання вугільних пластів у процесі обґрунтування оптимальних проектних рішень.

Об'єктом дослідження є мережа гірничих виробок як складна, багатофункціональна динамічна система.

Предмет дослідження - методи оптимізації мереж гірничих виробок і показники їх ефективності.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої в роботі мети використаний комплекс методів, що доповнюють один одного, і містить збирання й узагальнення фактичних даних про функціонування шахт, методи теорій ймовірностей, прогнозування, інформації, планування експерименту, функціонально-структурного опису технічних систем, теорії фракталів, помилок і розв'язання багатокритеріальних задач.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Зміна сумарної довжини підтримуваних гірничих виробок на діючих шахтах описується логістичною залежністю, а розвиток мережі гірничих виробок у площині пласта підпорядковується теорії фракталів з єдиною структурою фрактальних моделей для різних схем підготовки вугільних пластів і варіантів розподілу шахтного поля на частини. Врахування цих закономірностей дозволяє прогнозувати довжину мережі гірничих виробок на кожній стадії її розвитку й обґрунтовувати раціональні розміри шахтного поля і його частин.

2. Неоднорідність і ймовірнісна природа умов залягання вугільних пластів відображається критерієм оптимальності, який характеризує розподіл ймовірностей довільної кількості спільних і неспільних подій з урахуванням нелінійної або лінійної функціональної залежності між прогностичними коефіцієнтами і техніко-економічними показниками відповідно за логнормальним або нормальним законами їх розподілу, що дозволяє підвищити надійність оцінювання вугільних пластів і оптимізувати черговість їх відпрацювання.

3. Мережа гірничих виробок як складна багатофункціональна динамічна система, що розвивається в часі й просторі характеризується комбінаціями моделей, що враховують структурові і функціональні ознаки мережі гірничих виробок на різних стадіях їх розвитку, а досконалість моделей визначається ступінню концентрації та суміщення функцій і питомою вагою тих, які ведуть до негативних наслідків, причому за такою оцінкою ступеня організованості моделей можливо генерувати ідеї проекту з використанням теорії вирішення винахідницьких задач. Це дозволяє об'єктивно обґрунтувати можливості суміщення функцій виробок, виявляти й усувати непотрібні й дублюючі з них, оцінювати ступінь досконалості діючих і проектних мереж гірничих виробок.

4. Єдиний алгоритм прогнозування показників освоєння пластових вугільних родовищ і функціонування мереж гірничих виробок досягається перетворенням регресійних моделей укрупнених вартісних показників у розпізнавальні системи на основі поєднання принципів адитивного планування експериментів, морфологічного й неоднорідного статистичного аналізів щодо геологічних і технологічних факторів. Це дозволяє зменшити кількість враховуваних у моделях факторів без зменшення точності і надійності моделей, а також уніфікувати програмні процедури проектування мережі гірничих виробок.

Наукова новизна отриманих результатів:

- запропонований більш досконалий критерій оптимальності проектних рішень, який враховує розподіл ймовірностей зустрічання гірничими виробками різних ускладнень умов залягання вугільних пластів, розроблені нові розпізнавальні системи й рівняння регресії, покладені в основу математичної моделі прогнозу капітальних і експлуатаційних витрат проектних рішень;

- уперше встановлені кількісні закономірності зміни техніко-економічних показників роботи лав залежно від кількості несприятливих умов, залягання вугільних пластів, що сумісно проявляються; частоти зустрічі малоамплітудних порушень залежно від відстані до великого тектонічного розриву, які адекватно описуються експонентною і степеневою функціями та дозволяють враховувати неоднорідність ділянок вугільних родовищ при оцінюванні доцільності інвестицій в їх освоєння;

- уперше виявлена наявність взаємозв'язку між сумами прогностичних коефіцієнтів розпізнавальних систем і техніко-економічними показниками функціонування гірничих виробок, яка описується експонентною й степеневою функціями при логнормальному законі розподілу показників і лінійною - при нормальному, що дозволяє суттєво спростити математичні моделі їх прогнозування;

- розвинені наукові засади адитивного планування експериментів, що полягають у перетворенні багатовимірних регресійних моделей у двомірні через врахування в них тільки сум прогностичних коефіцієнтів розпізнавальних систем, що дозволяє спростити математичні моделі й підвищити їх прогностичну цінність;

- уперше обґрунтовані фрактальні моделі, що описують раціональне співвідношення розмірів щодо падіння й простягання шахтного поля, його частин і встановлений вплив на параметри цих моделей ступеня дроблення шахтного поля на частини, що дозволяє розраховувати їх раціональні розміри;

- уперше встановлено, що закономірність зміни довжини гірничих виробок діючих шахт у часі описується логістичною функцією, параметри якої залежать від класу виробок, ступеня однорідності умов залягання вугільних пластів і виробничої потужності шахти, що дозволяє прогнозувати сумарну довжину виробок на різних етапах її розвитку;

- розроблена узагальнена функціональна модель мережі гірничих виробок, яка відрізняється ієрархічною впорядкованістю виконуваних функцій і обґрунтований алгоритм її аналізу й оцінювання за допомогою нових критеріїв: концентрації функцій, наявності негативних наслідків від їх реалізації й можливості нейтралізації цих наслідків, що дозволяє обґрунтовувати вихідний перелік технологічних функцій, генерувати й оцінювати ідеї за їх суміщенням;

- розроблені критерії оцінювання ступеня досконалості функціонально-структурних і структурно-функціональних моделей, що забезпечують знаходження кращих варіантів мереж гірничих виробок і підвищення якості їх функціонування.

Наукове значення роботи полягає в розробці наукових засад функціонально-структурного опису й оцінювання складних багатофункціональних динамічних систем гірничих виробок на різних стадіях їх розвитку й методології визначення порівняльної цінності родовищ з урахуванням імовірнісної природи їх геологічних умов.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

- розроблено комплекс методів прогнозу техніко-економічних показників роботи лав, шахт, функціонування гірничих виробок, оцінювання геологічних умов вугільних родовищ з погляду їх інвестиційної привабливості, розроблені також відповідні прикладні програми для реалізації на ПЕОМ;

- розроблено: класифікацію гірничих виробок, що враховує сполучення їх технологічних функцій; методи побудови й оцінювання функціональних і функціонально-структурних моделей мереж гірничих виробок, що забезпечують пошук оптимальних варіантів їх топології;

- розроблена методика аналізу мереж гірничих виробок діючих шахт і їх модернізації через виявлення зайвих або неефективно використовуваних виробок, що підлягають погашенню або потребують поліпшення якості функціонування;

- розроблена методика врахування помилок вихідних даних під час вибору оптимальних варіантів мереж гірничих виробок і оцінювання родовищ, що забезпечує мінімізацію ризику інвестицій у їх освоєння;

- виконане оцінювання резервних ділянок вугільних родовищ Луганської області та виділені найбільш перспективні з них;

- на підставі аналізу функціональної моделі мережі гірничих виробок запропонований новий спосіб розкриття й розробки пластових родовищ корисних копалин, що неглибоко залягають, захищений патентом України №70599А;

- розроблені та впроваджені рекомендації з удосконалення мереж гірничих виробок на діючих шахтах і проектні рішення щодо розкриття й відпрацювання ділянок родовищ у складних гірничо-геологічних умовах.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується представницьким обсягом вихідної фактичної інформації про показники й умови роботи лав і шахт, кількісною оцінкою надійності й точності розроблених розпізнавальних систем і регресійних моделей, задовільною збіжністю прогнозних і фактичних даних, коректністю постановки задач, успішною реалізацією розроблених з використанням запропонованих методів рекомендацій у виробничій і проектній практиці.

Реалізація результатів досліджень.

У результаті оцінювання ступеня сприятливості умов залягання 12-ти резервних ділянок Луганської області в число найбільш перспективних включена ділянка Новосвітлівська, для якої інститутом «Луганськдіпрошахт» розроблено ТЕО її освоєння.

Розроблені на підставі методики функціонально-структурного проектування рекомендації з відпрацювання зближених пластів l₃ і l₄ на північному крилі блока №1 використано шахтою «Комсомолець Донбасу» під час складання ТЗ й інститутом «Дондіпрошахт» під час розробки проекту «Підготовка бремсбергового поля пластів l₃, l₄ північного крила блока №1».

Результати прогнозування показників поведінки вуглевміщуючих порід і функціонально-структурної оптимізації мереж гірничих виробок впроваджені на шахтах №71 «Індустрія» (ш/у «Ровеньківське») і ш/у «ім. Космонавтів» ДП «Ровенькиантрацит» із сумарним економічним ефектом 1724 тис. грн.

Методика врахування помилок вихідних даних і результати структурно-функціонального аналізу впроваджені на шахті «Перевальська» з економічним ефектом 1208 тис. грн. На шахті «Романівська» (к. шахта «Україна») впровадження результатів структурно-функціонального аналізу дозволило скоротити сумарну довжину виробок на 6940 м.

Методика прогнозування стійкості вуглевміщуючих порід, як складова частина інформаційного забезпечення процесу проектування, включена в нормативний документ «Рекомендации по прогнозированию условий отработки лав пологих пластов Донбасса и выбору рациональных параметров их крепления» // КГМИ Минвуза УССР, ВНИГРИуголь Мингео СССР. - Комунарск: 1980. - 63 с. (затверджений Мінвуглепромом СРСР). Рекомендації включені інститутом «Центродіпрошахт» у перелік керівних матеріалів, що використовуються у проектуванні шахт.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці проблеми й аналізі її сучасного стану, формулюванні науково-технічних задач, розробленні критерію оцінювання ступеня сприятливості геологічних умов вугільних родовищ, методів прогнозу техніко-економічних показників їх освоєння й урахування помилок вихідних даних, функціональних моделей мереж гірничих виробок і їх класифікації, методів побудови й оцінювання функціонально-структурних і структурно-функціональних моделей за допомогою запропонованих критеріїв, збиранні й узагальненні вихідних шахтних даних, розробленні практичних рекомендацій з удосконалення мереж гірничих виробок, формулюванні висновків.

Апробація результатів досліджень. Основні результати дисертаційної роботи було повідомлено на Міжнародній науково-практичній конференції «Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия» (м. Алчевськ, 1999), Міжнародній конференції «Экология и безопасность жизнедеятельности-2000» (м. Феодосія, 2000), науково-практичній конференції «Перспективы развития угольной промышленности на пороге XXI века» (м. Ровеньки, 2000), Міжнародному гірничому форумі (м. Краків, 2002), Форумі гірників (м. Дніпропетровськ, 2003, 2006, 2008), Школі підземної розробки (м. Дніпропетровськ-Ялта, 2007, 2008, 2009), Міжнародній науково-технічній конференції «Горная геология, геомеханика и маркшейдерия» (м. Донецьк, 2004), Міжнародній науково-технічній конференції «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості» (м. Кривий Ріг, 2007), Міжнародній науково-технічній конференції «Новые технологии подземного строительства и добычи полезных ископаемых» (м. Алчевськ, 2008), засіданні секції гірничої справи Польської академії наук (м. Катовіце, 2007).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 53 роботи, у тому числі 1 галузевий нормативний документ, 24 публікації в спеціалізованих виданнях, 1 патент на винахід, 4 авторських свідоцтва, 14 статей у матеріалах науково-технічних конференцій, 1 депонований рукопис.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів і висновку, викладених на 377 сторінках машинописного тексту, у тому числі 55 рисунків, 54 таблиці, переліку використаних джерел із 249 найменувань на 22 сторінках; 11 додатків на 152 сторінках; загальний обсяг роботи - 529 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі наведений аналіз сучасного стану методології проектування оптимальних мереж гірничих виробок (МГВ). Порівняння їх фактичної й проектної довжини, яке виконане по 14-ти шахтах, введених в експлуатацію або реконструйованих у період з 1971 по 1984 рр. показало, що в усіх випадках фактичні дані суттєво перевищують проектні. На шахтах-новобудовах це перевищення для розкриваних виробок становить у середньому 19%, для підготовлюючих - 71% і підготовчих - 18%. На реконструйованих шахтах перевищення в зазначених вище групах становило: 126, 90 і 98% відповідно.

В сучасних економічних умовах у зв'язку із суттєвим зростанням витрат на проведення й підтримку гірничих виробок така розбіжність фактичних і проектних даних є неприпустимою. Вона досить негативно позначається на техніко-економічних показниках роботи шахт. У цьому зв'язку суттєво зростають вимоги до якості проектних рішень і, як наслідок, підвищується актуальність досліджень, спрямованих на розвиток наукових засад методології оптимізації мереж гірничих виробок. Значний внесок у її створення й удосконалювання зробили: М.І. Агошков, О.І. Амоша, О.С. Астахов, А.Ю. Блакберн, В.І. Бондаренко, А.Ф. Булат, А.С. Бурчаков, Ю.Б. Грядущий, Ф.І. Євдокимов, М.П. Зборщик, З.П. Звягін, А.А. Кафорін, С.С. Квон, О.В. Колоколов, В.М. Кухарєв, А.М. Курносов, М.М. Касьян, С.М. Ліпкович, А.С. Малкін, А.І. Мітейко, С.О. Попов, П.І. Пономаренко, А.Г. Сагінов, В.І. Саллі, К.І. Татомір, М.І. Устінов, Р.А. Фрумкін, В.А. Харченко, С. Цой, Л.Д. Шевяков, В.О. Шестаков та ін.

Аналіз пропонованих до теперішнього часу методів оптимізації мереж гірничих виробок показав, що для них характерні наступні основні недоліки: неможливість визначення глобального оптимуму через проблему розмірності вихідної множини варіантів проектних рішень, що суттєво загострюється через збільшення ступеня їх детальності; невідповідність скалярних критеріїв оптимальності імовірнісній природі геологічних умов залягання вугільних пластів; вибір оптимальних проектних рішень без урахування неоднорідності й різного ступеня складності цих умов; невисока вірогідність їх прогнозування; домінування структурного підходу до формування варіантів мереж гірничих виробок без попереднього обґрунтування раціонального переліку й комбінацій виконуваних ними технологічних функцій, що не дозволяє ефективно реалізовувати групу процедур «формування ідей проекту» в системі САПР вугілля.

Крім цього встановлено, що дотепер не запропоновано ефективних методів аналізу діючої мережі гірничих виробок з метою її спрощення під час розробки поточних і перспективних програм розвитку гірничих робіт. При виборі оптимальних варіантів не враховується зміна сумарної довжини гірничих виробок у часі, оскільки не вивчені закономірності розвитку цього процесу.

Зазначені недоліки часто призводять до кількаразових переглядів раніше прийнятих проектних рішень, помилок під час вибору діючих шахт для реконструкції, вибору резервних ділянок вугільних родовищ для закладання нових шахт і інших негативних наслідків.

За результатами виконаного аналізу сформульовані мета роботи, задачі досліджень і обґрунтовані методи їх вирішення.

У другому розділі наведені результати апріорного аналізу факторів, що враховуються в оптимізації мереж гірничих виробок і обґрунтуванні показників освоєння вугільних родовищ.

Загальна кількість цих факторів становила 100, з яких 40 - геологічних, 50 - технологічних і 10 - виробничих. Надалі відібрані фактори, які найбільш часто враховуються під час рішення різних проектних завдань, для чого розроблені критерії частоти й вагомості досліджуваних факторів. Аналіз розподілу значень першого критерію показав, що він є бімодальним і свідчить про наявність двох сукупностей факторів, які суттєво різняться за величиною цього критерію. До першої належать фактори, що найбільш часто враховуються, а до другої - ті, які враховуються набагато рідше. Подальший аналіз показав, що серед факторів першої сукупності 32 є геологічними, 22 - технологічними й 8 - виробничими. Середнє значення критерію вагомості для геологічних факторів першої сукупності становило 2,63, а для технологічних - 1,51. Це свідчить про те, що при оптимізації мереж гірничих виробок і показників освоєння вугільних родовищ геологічні фактори в цілому більш значимі, ніж технологічні. Звідси випливає особлива важливість задачі підвищення вірогідності їх прогнозу.

З урахуванням сформованого переліку факторів були розроблені анкети й обґрунтована методика обстеження шахт з метою одержання об'єктивної інформації про показники й умови їх роботи, стан і функціонування гірничих виробок, яка передбачала вивчення й аналіз первинної шахтної документації, контрольних шахтних спостережень і вимірів, польових випробувань міцнісних властивостей гірських порід. Усього за період з 1979 по 2003 рр. було обстежено 66 шахт 12-ти виробничих об'єднань. Загальна кількість обстежених лав при цьому становила 367, інших гірничих виробок - 2024. Крім того, вивчені геологічні звіти про детальну розвідку й ТЕО освоєння 12-ти резервних ділянок Луганської області, за якими встановлені умови залягання вугільних пластів і техніко-економічні показники їх розробки.

За матеріалами документування кернів визначені значення геологічних факторів і фізико-механічні показники за 8807 пластоперерізами.

Великий обсяг ретроспективної інформації, отриманої за допомогою розробленої методики, забезпечує високе представництво і підвищену вірогідність вихідних даних.

У третьому розділі наведене теоретичне обґрунтування розробленому критерію оптимальності проектних рішень.

, (1)

де Р(В_i) і Р(А_j) - імовірність відпрацювання запасів на i-й ділянці зі сприятливими й j-й ділянці з несприятливими умовами залягання; n і m - кількість сприятливих і несприятливих ділянок у межах шахтного поля відповідно; Ц_ti і С_ti, Ц_tj і С_tj - ціна й загальношахтна собівартість видобутку 1 т вугілля на i-й сприятливій і j-й несприятливій ділянках відповідно, грн.; Z_пр.t - промислові запаси, що відпрацьовуються в t-му році після введення шахти в експлуатацію або її реконструкції, т; К_t1 - капітальні витрати в t1-му році будівництва або реконструкції, грн.; Е - прийнята норма прибутковості капітальних вкладень, ч.о.; Т₀ - термін окупності початкових капітальних вкладень, років; Т₁ - термін будівництва шахти, років.

За допомогою цього критерію здійснюється порівняльне оцінювання складності умов залягання вугільних родовищ з метою вибору найбільш перспективного з них для освоєння та вибір оптимальних варіантів мереж гірничих виробок з урахуванням оптимальної послідовності відпрацювання різних за ступенем однорідності й складності умов залягання ділянок вугільних пластів. Імовірність Р(А_j) розраховується через додавання ймовірностей довільної кількості спільних і неспільних подій, що характеризують неоднорідні за ступенем складності комбінації геологічних факторів. Імовірність Р(В_i) визначається як протилежна Р(А_j).

Запропонований спосіб розрахунку Р(В_i) і Р(А_j) ґрунтується на припущенні про адитивний вплив ознак складності цих факторів на техніко-економічні показники (ТЕП) роботи лав, що підтверджено встановленим взаємозв'язком між середньогруповими значеннями добового навантаження на лаву, ділянкової собівартості 1 т вугілля й кількістю несприятливих ознак, що спільно проявляються, N_нпj. На рис. 1 наведений тренд зміни залежно від N_нпj, який адекватно описується функцією . Зворотний тренд зміни від N_нпj описується функцією .

Адитивний вплив несприятливих ознак на показники роботи лав призвів до необхідності розроблення методики оцінювання однорідності комбінацій кількісних і якісних факторів, що визначають умови ведення гірничих робіт. У її основу покладено комбіноване використання параметричних і непараметричних, одновимірних і багатовимірних статистичних критеріїв, що забезпечують універсальність методики й можливість виділення пластів і їх ділянок з однорідними за ступенем складності умовами залягання.

Під час реалізації розробленої методики необхідно прогнозувати техніко-економічні показники функціонування лав, які найбільш чутливі до зміни умов ведення очисних робіт. До методів розв'язання цієї задачі ставиться низка вимог, основними з яких є прийнятна для практики надійність і точність прогнозів, універсальність і простота. Остання вимога особливо важлива з погляду вирішення проблеми розмірності вихідної множини розрахункових варіантів. У роботі показано, що найбільш повно цим вимогам відповідають методи теорії інформації й розпізнавання.

Прогноз середньодобового навантаження на лаву А_сі здійснюється з використанням теоретичних і методичних принципів неоднорідного послідовного статистичного аналізу (НПСА), а ділянкової собівартості 1 т вугілля С_уі - НПСА й лінійних дискримінантних функцій. Комбіноване застосування зазначених методів забезпечило найкращі результати прогнозу техніко-економічних показників роботи лав. При цьому прогноз А_сі здійснюється у дві стадії. На першій прогнозуються три інтервали зміни навантаження, а на другій проводиться деталізація її значень у межах кожного інтервалу. Саме такий підхід до прогнозу ТЕП забезпечує його максимальну точність і надійність. Середньозважена помилка апроксимації не перевищує 20% за надійності прогнозу не нижче 0,77, а з урахуванням тільки помилок II-го роду - 0,89.

Під час розробки розпізнавальних систем уперше було встановлено, що інформація, яка міститься в прогностичних коефіцієнтах розпізнавальних систем, впливає не тільки на розпізнавання інтервалів A_ci, але й на її внутрішньоінтервальні значення. Це дозволяє суттєво спростити методи прогнозу й забезпечити врахування якісних і кількісних факторів з єдиних теоретичних і методичних позицій.

Ділянкова собівартість розраховується за емпіричною залежністю , де А_м - місячний видобуток вугілля з лави, т (1200-48000); S₂ - сума середніх відхилень фактичної собівартості від розрахункової, яка викликана впливом тектонічної порушеності пластів, їх викидонебезпечності й відносної метановості. Ці відхилення визначені з використанням лінійних дискримінантних функцій.

Оцінка точності розрахунків за рівнянням регресії показала, що середньозважена помилка апроксимації з урахуванням надійності й точності прогнозу навантаження на очисний вибій становила 20%.

Сформований з використанням викладеної методики масив значень ділянкової собівартості видобутку вугілля розподіляється за виділеними групами однорідних комбінацій якісних і кількісних факторів, у межах яких індивідуальні величини С_уі замінюються їх середніми арифметичними й середньоквадратичними відхиленнями. Це дозволяє розрахувати для кожної з однорідних груп умов найбільш імовірні значення шахтної собівартості вугілля С_ш.

Під час розробки методики розрахунку С_ш враховано, що вона складається з ділянкових витрат і витрат на функціонування загальношахтних ланок ДС_ш. Тому окремо розроблено множинну регресійну модель для прогнозу ДС_ш.

, (2)

де n_л - кількість діючих лав (2-10); q - відносна метановість, м³/т (0-72); Уl - сумарна довжина проведених і підтримуваних виробок, м (53000-120000); Аш._м - місячний шахтний видобуток, т (4200-252000); F_i - параметр, що характеризує вид основного підземного транспорту (для електровозного й комбінованого Fi = 20, для конвеєрного F_i = 17).

У результаті величина загальношахтної собівартості за умови ведення гірничих робіт в i-й або j-й однорідній групі умов визначається як сума відповідного значення С_у й ДС_ш. Середньозважена помилка розрахунків ДС_ш щодо «групи навчання» становить 7%, а С_ш з урахуванням точності розрахунку А_с, А_м, С_у й ДС_ш - 14%. Додаткова перевірка розроблених розпізнавальних систем і рівнянь регресії щодо «групи контролю», в яку ввійшли фактичні дані роботи шахт і лав у 2001, 2002 рр., які не використовувалися під час обробки вихідних даних, показала, що середньозважена помилка прогнозу С_у й С_ш з урахуванням поправки на зміну цін із часом становила 22 і 17% відповідно. Встановлений також збіг тенденцій зміни прогнозних і фактичних ТЕП «групи навчання» й «групи контролю». Для середньодобового навантаження коефіцієнт кореляції цих показників становив 0,67, а для С_у й С_ш - 0,77 і 0,68 і виявився в усіх випадках статистично значимим.

Вхідна в критерій (1) величина початкових капітальних витрат K на освоєння родовищ розраховується за регресійною залежністю між цим показником і річною виробничою потужністю А_шг: K=б?А_шг. Параметр б залежить від відносної метановості шахти q: при q ? 10 м³/т б=42, при q ? 15 м³/т б=120. Для проміжних значень q K=А_шг[120-(15- q)?15,6]. Середньозважена помилка розрахунку за цими залежностями становить 15%.

Наведені показники вірогідності прогнозів, а також збіг тенденцій зміни розрахункових і фактичних даних дозволяє об'єктивно ранжувати родовища за ступенем їх перспективності для освоєння.

Більш детальний прогноз експлуатаційних і капітальних витрат на функціонування гірничих виробок і окремих технологічних ланок шахти здійснюється на основі відповідних розпізнавальних систем і парних рівнянь регресії. За їх розробки одержали подальший розвиток наукові засади адитивного планування експериментів і вперше доведено, що інформація, яка міститься в прогностичних коефіцієнтах розпізнавальних систем, дозволяє перетворювати багатовимірні моделі в більш прості двовимірні без втрати точності та надійності прогнозів. При цьому встановлено, що для логнормального закону розподілу квазівипадкових значень вартісних показників, сформованих за допомогою морфологічного аналізу, їх взаємозв'язок із сумами прогностичних коефіцієнтів описується експонентною функцією у=е^(а-вх), а для нормального - лінійною у= а-вх.

На рис. 2, як приклад, наведене поле кореляції між вартістю проведення 1 м ствола (К_ств) і сумою прогностичних коефіцієнтів відповідної системи

().

Усього побудовані 32 розпізнавальні системи, які дозволяють прогнозувати основні статті витрат на проведення, підтримку, основний і допоміжний транспорт, підйом по стволах, водовідлив, дегазацію, провітрювання. При цьому було виявлено, що частина факторів, які враховувалися раніше, має досить низьку інформативність. Тому вони були виведені із розпізнавальних систем, що дозволило суттєво спростити підготовку вихідних даних для розрахунку прогнозних показників.

Через постійну зміну цін і тарифів у часі була перевірена, також, правомірність корегування прогнозних даних за допомогою поправочних коефіцієнтів, що відбивають поточний рівень цін. За результатами виконаних досліджень встановлено, що, навіть, в умовах гіперінфляції зберігаються тенденції впливу врахованих у регресійних моделях геологічних і технологічних факторів на вартісні показники гірничих робіт. Змінюється лише їх рівень. Звідси випливає, що за відносної оцінки сприятливості умов залягання вугільних родовищ і варіантів мереж гірничих виробок їх співвідношення за ступенем переваги не змінюється. Однак такий висновок недостатній з погляду визначення доцільності інвестування в проект, оскільки в цьому випадку потрібна більш точна оцінка сучасних експлуатаційних і капітальних витрат. Вона забезпечується способом внесення у вихідні регресійні моделі виправлень на зміни питомої ваги різних статей витрат і їх рівня відповідно до офіційних даних його зростання. Після цього за викладеною вище методикою формуються й обробляються нові масиви значень вартісних показників, у результаті чого розробляються нові розпізнавальні системи, максимально наближені до сучасної економічної ситуації.

У розроблених розпізнавальних системах і регресійних моделях врахована низка геологічних факторів, до яких належать: міцність порід на одновісне стиснення, потужність пласта, кут його падіння, потужність несправжньої покрівлі, показники якості вугілля, обводненість лав і нормальний приток води в шахту, відносна метановість очисного вибою, тектонічна порушеність пласта, стійкість вуглевміщуючих порід, зрушеність основної покрівлі, небезпека вугільних пластів щодо раптових викидів. Зазначені фактори розділені на дві групи. У першу ввійшли результативні значення яких формуються під впливом комплексу інших факторів, у другу - одиничні, які встановлюються за результатами безпосередніх вимірів і випробувань.

Вірогідність прогнозу факторів першої групи залежить як від точності та надійності визначення значень впливаючих на них одиничних факторів, так і від ступеня досконалості методів прогнозу. З урахуванням цього сформований комплекс розпізнавальних систем, у який включені нові, модернізовані й відомі системи, розроблені на підставі неоднорідного послідовного статистичного аналізу, які дозволяють прогнозувати стійкість вуглевміщуючих порід, зрушеність основної покрівлі, експлуатаційну зольність і обводненість з надійністю не нижче 0,8. Їхньою характерною рисою є можливість урахування під час прогнозування як геологічних, так і технологічних якісних і кількісних факторів, можливість прийняття прогнозних рішень за допомогою теоретичних і емпіричних порогів, що дозволило уніфікувати методику врахування помилок вихідних даних і програмне забезпечення для реалізації прогнозів на ПЕОМ.

Аналіз вірогідності прогнозів геологорозвідки щодо потужності пласта, кута його падіння, міцності порід на одновісне стиснення, потужності несправжньої покрівлі, відносної метановості лав, вмісту загальної сірки й робочої вологості вугілля показав, що зі збільшенням геологічної потужності пласта збільшуються систематична й випадкова складові помилок, при цьому в інтервалі до 0,7 м спостерігається систематичне завищення прогнозних даних, а в інтервалі 1,21-3,5 - їх заниження; зі збільшенням глибини розробки й кута падіння пласта зростають випадкові помилки в його визначенні, при цьому значимість систематичних помилок підтверджується лише в інтервалі 18 град. і більше. Потужність несправжньої покрівлі, вміст загальної сірки й робочої вологості в більшості випадків за даними геологорозвідки занижуються, а міцність порід на одновісне стиснення - завищується. Зі збільшенням прогнозного інтервалу природної відносної метановості вугільних пластів збільшується випадкова складова її відхилення від фактичної метановості лав.

Особливе значення для оцінювання складності умов ведення гірничих робіт має прогноз малоамплітудної тектонічної порушеності вугільних пластів. Із цією метою вивчені площі Sp (км²) зон впливу великих тектонічних розривів на щільність малоамплітудних диз'юнктивів, що їх оточують. У результаті встановлено, що вони збільшуються зі збільшенням довжини L лінії простягання великого розриву і ця закономірність добре описується залежністю Sp=0,335?L^1,66. У межах зазначеної площі зміна щільності Р_i (шт./км²) малоамплітудних порушень залежно від відстані по нормалі до площини зміщувача великого розриву l_нi (рис. 3) описується рівнянням регресії: Pi=32/.

Аналіз відхилень фактичної щільності порушень від розрахункової Д_рi, встановленої за наведеним вище рівнянням, показав, що вони суттєво залежать від амплітуди великого розриву в інтервалі l_нi до 0,2 км. Взаємозв'язок зазначених змінних в інтервалі l_нi до 0,1 км описується функцією , де h_к - амплітуда великого тектонічного розриву (м), а в інтервалі 0,1-0,2 км .

Отримані залежності дозволяють робити оцінювання ступеня тектонічної порушеності вугільних пластів навколо великих розривів. Для цього спочатку розраховується відстань до межі їх впливу на малоамплітудні порушення , де - відстань від точки початку великого розриву до точки на лінії його простягання, в околі якої прогнозується P_i. Якщо l_нi менше або дорівнює 0,1 км або більше 0,1, але менше 0,2 км, то в розрахунок вводять поправку Д_Рi зі своїм знаком.