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

Для підвищення вірогідності прогнозу ТЕП і результативних показників інженерно-геологічних умов ведення гірничих робіт розроблена методика врахування встановлених систематичних і випадкових помилок вихідних даних. Вона передбачає розрахунок уточнених значень одиничних факторів, де - прогнозне значення фактора, установлене за даними геологорозвідки; - систематична і - випадкова складова відхилень фактичних даних від прогнозних. Величина враховується зі своїм знаком тільки за підтвердження її статистичної значущості, а знак вибирається з умови мінімізації ймовірності небезпечних помилок II-го роду, коли фактична ситуація виявляється менш сприятливою, ніж очікувана. За такого способу врахуванню помилок і їх знаків реалізується мінімаксний і максімінний підходи до прогнозування й прийняття проектних рішень, що забезпечують гарантований мінімум або максимум прогнозного показника за найбільш несприятливих комбінацій природних ситуацій.

Надалі вивчається чутливість прогнозованих явищ і процесів до помилок вихідних даних, після чого приймається остаточне рішення про доцільність їх урахування. Для розпізнавальних систем, що ґрунтуються на неоднорідному послідовному статистичному аналізі, рішення про доцільність врахування помилок ухвалюється залежно від прогнозного ступеня складності подій, наявності відмінностей в інформативних ознаках, що відповідають скорегованим і нескорегованим значенням врахованих факторів, використання теоретичних або емпіричних порогів, розбіжностей у величинах прогностичних коефіцієнтів і ймовірності помилкового прогнозу Р_оij, яка розраховується за формулою

, (3)

де - імовірність того, що скореговане значення j-го фактора не перевищить нижню межу сусідньої i-ї ознаки розпізнавальної системи, P_S - значимість виявленої систематичної помилки (0,95, якщо вона доведена); Р_М - надійність розпізнавальної системи, з урахуванням тільки помилок II-го роду.

Якщо РО_ij виявиться менше 0,2, то немає необхідності враховувати помилки вихідних даних j-го фактора, оскільки ймовірність зміни результатів прогнозу невелика.

Врахування помилок під час прогнозу за регресійними моделями здійснюється за допомогою коефіцієнтів еластичності врахованих у них факторів, які дозволяють оцінювати вплив відхилень скорегованих їх значень від базових на прогнозований показник. Його результативна зміна під впливом помилок для багатовимірних моделей розраховується за мультиплікативними або адитивними формулами залежно від вигляду вихідної моделі. Якщо ця зміна перевищує прийнятий поріг рівноцінності прогнозів, то надалі використовуються скореговані значення прогнозованих показників, а якщо ні, то - вихідні.

Комплекс розроблених методів прогнозу, врахування помилок вихідних даних, оцінки однорідності й складності умов залягання вугільних пластів, визначення оптимальної послідовності їх відпрацювання становлять основу інформаційного забезпечення проектування оптимальних мереж гірничих виробок. При розв'язанні цієї задачі необхідно враховувати також раціональні розміри шахтного поля і його частин, а також прогнозні значення сумарної довжини мережі гірничих виробок.

У четвертому розділі виконано дослідження з обґрунтування раціональних розмірів шахтного поля і його частин, установлення закономірностей зміни сумарної довжини проведених і підтримуваних гірничих виробок у часі й розроблені методи її прогнозу.

У результаті аналізу розвитку мережі гірничих виробок була звернена увага на те, що вона має всі ознаки, штучної розгалуженої структури, що розвивається. Тому була перевірена гіпотеза про відповідність цього процесу законам теорії фракталів. Із цією метою фрактальна модель, що описує площу, яка покривається абстрактною розгалуженою структурою, перетворена в математичний вираз, який встановлює взаємозв'язок між довжиною шахтного поля по падінню Н_шп (км) і простяганню S_шп (км): , де K_п - коефіцієнт, що відображає площу, яка покривається абстрактною мережею; , де f_в - ступінь заповнення площі розгалуженою структурою (її розмірність). Величини K_п і f_в для вихідної фрактальної моделі дорівнює 0,58 і 1,77 відповідно, тоді =0,77.

Порівняння результатів розрахунку Н_шп, отриманих за наведеною вище формулою з даними типових технологічних схем і проектів шахт довело їх гарну збіжність для одногоризонтних типових і проектних схем розкриття (рис. 4.). Середня величина розбіжності становила ±10%. Для багатогоризонтних схем величина розбіжності збільшується із зростанням S_шп. Це підтверджує відоме в теорії фракталів положення про точки зростання розгалужених структур. Наявність таких точок сприяє подальшому розвитку цих структур.

Отримані результати дозволили зробити висновок про те, що мережа гірничих виробок у межах шахтного поля розвивається відповідно до законів теорії фракталів. З урахуванням цього на підставі фрактального опису розвитку процесу за поверхової, панельної й погоризонтної підготовок шахтних полів отримані фрактальні моделі, що описують раціональні співвідношення між розмірами шахтних полів, панелей, виїмкових стовпів (полів): , , , де Н_п, S_п - розмір панелі по падінню й простяганню, км; L_в - довжина стовпа, км.

Порівняння теоретичних параметрів K_п і f_в з їх емпіричними значеннями, встановленими за результатами обробки даних типових технологічних схем і проектів шахт, довело гарну збіжність. Середнє відносне відхилення становило 8%. Для виїмкових стовпів найбільш близькими до теоретичних виявилися емпіричні коефіцієнти, отримані за результатами обробки фактичних співвідношень їх розмірів під час застосування високопродуктивного очисного устаткування.

Дослідження зміни довжини гірничих виробок у часі, починаючи з першого року будівництва шахт, показало, що воно адекватно описується логістичною залежністю, де, а (рис. 5).

У наведених формулах параметр а характеризує межу, до якої прагне сумарна довжина гірничих виробок за стабільної роботи шахти, а т - довжина гірничих виробок, проведених у 1-му році будівництва шахти. Параметр п відповідає часу, коли проведена приблизно половина довжини гірничих виробок, необхідних для виведення шахти на стабільний режим роботи. Час t₀ відповідає початку спорудження відповідного класу виробок (розкривальні, підготовлюючі й підготовчі), а t - поточний час розвитку мережі гірничих виробок.

Розрахунок параметрів логістичних залежностей для 13-и шахт показав, що вони досить добре описують закономірності розвитку мереж гірничих виробок у часі. У 80% випадків відхилення фактичних даних від розрахункових не перевищувало 25%, становлячи в середньому 15%, а кореляційне відношення змінювалося в межах 0,762-0,959.

Аналіз величин параметра а для сумарної довжини всіх класів гірничих виробок показав, що вони залежать від проектної виробничої потужності шахти А_шг. Цей взаємозв'язок надійно описується рівнянням регресії а=37000+0,017?А_шг (коефіцієнт кореляції r_yx=0,760). Встановлений також тісний взаємозв'язок параметра з кількістю неоднорідних ділянок вугільних пластів (r_yx=0,745), що одночасно розроблюються.

Параметр п досить тісно пов'язаний із часом початку стабільної роботи шахти t_н.с. Цей взаємозв'язок описується лінійним рівнянням регресії п =0,54+0,69?t_н.с (r_yx =0,937). Встановлений також взаємозв'язок параметрів логіст із класами гірничих виробок.

Математичний опис виявлених закономірностей дозволяє прогнозувати довжину гірничих виробок на кожному етапі розвитку їх мережі й визначати раціональні розміри шахтного поля і його частин без складних техніко-економічних розрахунків. Отримані результати враховуються під час формування й оцінювання варіантів топології гірничих виробок.

У п'ятому розділі виконане обґрунтування методики оптимізації мереж гірничих виробок, яку в узагальненому вигляді наведено.

Перші два етапи цієї методики виконуються з використанням математичних моделей, розроблених у попередніх розділах.

Для генерування ідей проекту МГВ побудована їх узагальнена функціональна модель (ФМ МГВ), що являє собою логіко-графічне зображення складу і взаємозв'язків технологічних функцій, які виконуються мережею гірничих виробок. Вона зображена на рис. 7 і містить у собі наступні функції: F₁ - забезпечити видобуток вугілля; F₂ - забезпечити доступ з поверхні до місця видобутку корисної копалини; F₃ - забезпечити діставання корисної копалини на поверхню; F₂₁, F₂₂, F₂₃ - забезпечити розкриття, підготовку й формування очисних вибоїв; F₃₁, F₃₂, F₃₃, F₃₄, F₃₅, F₃₆, F₃₇, F₃₈, F₃₉, F₃₁₀ - забезпечити переміщення людей, розміщення устаткування, транспортування вугілля, матеріалів, енергопостачання, транспортування породи, провітрювання шахт, водопостачання, водовідлив, безпека відпрацювання викидонебезпечних пластів; f₂₁₁, f₂₁₂, f₂₁₃, f₂₁₄ - забезпечити доступ з поверхні до транспортного, вентиляційного й дренажного горизонтів, доступ до вугільних пластів; f₂₂₁, f₂₂₂, f₃₁₁,

f₂₂₃ - розділити шахтне поле на частини, згрупувати пласти, підготувати пласти; f₂₃₁, f₂₃₂, f₂₃₃ - сформувати виїмкові поля, ділянки (стовпи), задати напрямок ведення очисних робіт; f₃₁₁, f₃₁₂ - забезпечити транспортування людей і запасний вихід; f₃₆₁, f₃₆₂ - перемістити породу до ПСД, видати її на поверхню; f₃₇₁, f₃₇₂, f₃₇₃ - подати свіжий струмінь повітря, підсвіжити вихідний струмінь повітря, видалити вихідний струмінь повітря; f₃₇₄ - забезпечити дегазацію вуглепородного масиву; f₃₉₁, f₃₉₂ - перемістити воду до головного водозбірника, відкачати її на поверхню.

Функція F₁ - головна, F₂₁ і F₂₂ - основні, а всі інші допоміжні III і IV рівнів.

Аналіз ФМ МГВ передбачає вилучення з неї тих функцій, виконувати які в конкретних умовах не потрібно, а також суміщених з виконанням суміжних. Після цього виявляється можливість вилучення функцій, що залишилися, способом пошуку відповіді на запитання: яким чином буде виконуватися вища функція після вилучення забезпечувальної її нижчої функції? Технічне протиріччя, що виникає при цьому, долається за допомогою евристичних прийомів теорії розв'язання винахідницьких задач. Аналіз великої кількості винаходів у галузі топології гірничих виробок показав, що найбільш часто використовуються прийоми інверсії (навпаки), дроблення, винесення, місцевої якості, об'єднання й універсальності.

Розроблена методика аналізу функціональної моделі дозволила запропонувати нову технологію добування вугілля із пластів, що неглибоко залягають. Вона відрізняється малою кількістю технологічних функцій, що виконуються, високим ступенем їх суміщення, що забезпечує безпеку ведення гірничих робіт, примусову рекультивацію поверхні землі й можливість закладання породи зі старих териконів у вироблений простір.

За результатами генерування ідей проекту може бути отримано декілька варіантів проектних рішень, кожному з яких відповідає своя функціональна модель. Вибір кращої з них на цій стадії за допомогою техніко-економічних розрахунків неможливий через їх складність і відсутність необхідної інформації. Тому, були розроблені часткові критерії оцінювання досконалості функціональної моделі, які характеризують ступінь концентрації функцій k_kf, наявність негативних наслідків для зовнішнього середовища від їх виконання k_оп і ступінь нейтралізації цих наслідків k_он: , , , де й - кількість функцій на i-му і i+1 рівнях; - кількість рівнів функціональної моделі; - кількість функцій, що породжують негативні наслідки; - загальна кількість допоміжних функцій усіх рівнів ФМ МГВ; - кількість нейтралізованих негативних наслідків; - загальна кількість негативних наслідків; - кількість функцій, необхідних для нейтралізації негативних наслідків.

Ці критерії задовольняють вимогам, які ставляться до розв'язання багатокритеріальних задач: безрозмірність, незалежність, рівнозначність і односпрямованість. Тому, для інтегрального оцінювання ФМ використовується їх середня величина k_и. Для вихідної ФМ МГВ k_и дорівнює 0,400; для моделі, побудованої стосовно до сприятливих умов відпрацювання одиночного пологоспадного пласта - 0,430, а для запропонованої технології - 0,860. Наведені результати підтвердили гарну чутливість k_и до ступеня досконалості ФМ МГВ, реалізація яких апріорі вимагає найменших витрат.

Після вибору найбільш досконалої функціональної моделі проводиться пошук варіантів ефективного виконання всіх включених до неї функцій. Це завдання вирішується через побудову й оцінювання функціонально-структурних моделей мережі гірничих виробок (ФСМ МГВ), які являють собою різні варіанти суміщення функцій зі структурними елементами системи. Їх формування проводиться окремо для розкриття, підготовки й систем розробки за допомогою морфологічного аналізу.

Оскільки вихідними елементами ФСМ МГВ є окремі гірничі виробки, що виконують певні комбінації технологічних функцій, то це призводить до необхідності розробки класифікації виробок, адаптованої до процедури морфологічного аналізу. За ознакою відповідності, зазначеним вище, підсистемам були виділені, розкривальні, підготовлюючі і підготовчі виробки. У межах кожної із цих груп виділені підгрупи основних і додаткових, головних і допоміжних виробок.

Основні й додаткові різняться за ознакою забезпечення доступу до корисної копалини. Головні виробки призначені для транспортування корисної копалини, а допоміжні - для виконання всіх інших технологічних функцій. Для кожної комбінації груп і підгруп виділені топологічні ознаки виробок і варіанти сполучення технологічних функцій, що ними виконуюються.

На підставі цієї класифікації формується вихідний список виробок і їх ознак, що відповідають конкретним геологічним і технологічним умовам ведення гірничих робіт. Із цією метою визначена область раціонального застосування виробок і їх ознак. При виборі ознак, що характеризують просторове розташування виробок, враховується оптимальна послідовність відпрацювання вугільних пластів і їх ділянок, що залягають у неоднорідних за ступенем складності геологічних умовах.

Після складання морфологічного списку виробок і їх ознак формулюються умови їх несумісності. Урахування цих умов у процесі генерування множини морфологічних варіантів призводить до її істотного скорочення. Тому необхідне попереднє оцінювання кількості (N_к) цих варіантів з метою вибору алгоритму формування з них підмножини кращих.

Для попарно несумісних непересічних ознак

,

де N_o - вихідна кількість варіантів, - кількість несумісних ознак для i-го елемента (виробки); k - кількість р-х елементів, що містять попарно несумісні ознаки; t - порядковий номер елемента, що не містить несумісних ознак; - кількість ознак елементів т.

Для попарно несумісних пересічних ознак суміжних елементів

,

де d - кількість суміжних елементів, що містять пересічні попарно несумісні ознаки; s - порядковий номер елемента, що містить пересічні попарно несумісні ознаки.

Для всіх інших умов несумісності верхня межа N_к визначається за розробленим алгоритмом, що ґрунтується на теорії графів у комбінації з матричним методом і морфологічним аналізом. Розроблений алгоритм дозволяє визначати кількість варіантів будь-яких систем, які можливо здійснити, що й робить його універсальним.

Виділення з вихідної множини варіантів підмножини кращих здійснюється з використанням процедури Парето. Для її реалізації розроблені три часткові функціонально-структурні критерії: ступінь суміщення функцій k_cf, їх широти k_шF і концентрації структурних елементів k_N

, , , (4)

де - кількість елементів, що виконують і-й набір комбінацій функцій ;

- кількість варіантів комбінацій функцій; - загальна кількість елементів; - загальна кількість виконуваних функцій; - кількість елементів, що виконують і-й набір комбінацій потенційних функцій ; - кількість елементів (виробок), що обслуговують і-й набір частин шахтного поля ; - загальна кількість частин шахтного поля, що обслуговуються всіма виробками.

Ці критерії отримані з використанням матричного підходу, згідно з яким вони характеризують питому вагу заповнених комірок матриць і .

Критерій k_cf характеризує ступінь багатофункціональності елементів системи, k_шF - її адаптаційність і k_N- ступінь концентрації гірничих робіт.

Використання всього 3-х окремих оцінних критеріїв дозволяє виділяти в число кращих у середньому 10-12% від вихідної кількості морфологічних варіантів, що дозволяє суттєво згладити гостроту проблеми його розмірності.

Перевірка ефективності цих критеріїв за типовими технологічними схемами розкриття, підготовки й систем розробки пологих пластів Донбасу на великих глибинах показала, що в число чотирьох кращих схем увійшло дві оптимальні й дві конкуруючі, встановлені за допомогою техніко-економічного порівняння варіантів.

Зі сформованих підмножин кращих комплексів, розкривних, підготовлюючих і підготовчих виробок синтезується вихідна множина варіантів ФСМ МГВ, що містить усі зазначені групи виробок. Методика синтезу й оцінювання цих варіантів аналогічна розглянутій вище. У результаті формується підмножина кращих синтезованих варіантів топології МГВ, з якого за допомогою критерію (1) вибирається оптимальний.

Оцінювання ступеня ризику реалізації оптимального варіанта здійснюється через генерування квазівипадкових значень сумарного ефекту Э_с від освоєння родовища, який розраховується на підставі критерію оптимальності (1) способом вилучення з імовірного сумарного доходу величини приведених первісних капітальних витрат.

Сполучення, факторів і показників, що впливають на Э_с, генерують із використанням принципів планування експериментів і морфологічного аналізу.

За сукупністю сформованих значень Э_с встановлюють теоретичний закон їх розподілу. Після цього для мінімально прийнятної з погляду інвестора величини сумарного доходу Э_{с min} розраховується ймовірність його непідтвердження б, яка враховується під час розрахунку можливого збитку від відмови У₁ або згоди інвестування в проект У₂:,, за результатами якого ухвалюється остаточне рішення про доцільність інвестицій у реалізацію оптимального проекту.

Реалізація розглянутих методів проектування оптимальних мереж гірничих виробок на діючих шахтах вимагає проведення попереднього їх аналізу з метою максимального спрощення й підвищення ефективності поточних і перспективних програм розвитку гірничих робіт.

У шостому розділі наведений структурно-функціональний опис мережі гірничих виробок на діючій шахті з метою її спрощення. Необхідність модернізації останньої встановлюється за допомогою логістичних залежностей зміни Уl у часі і впливу на їх параметри А_шг. Якщо фактичне значення сумарної довжини гірничих виробок перевищує розрахункове при заданій проектній потужності шахти більш ніж на 20%, то ухвалюється рішення про необхідність удосконалення діючої мережі гірничих виробок з метою її спрощення.

Структурно-функціональний опис МГВ передбачає її зображення у вигляді матриці стикувальних вузлів і графа, що відбивають послідовність з'єднання виробок і їх довжину. На додаток до них складається таблиця, що характеризує перелік і якість виконання виробками технологічних функцій.

Якість виконання функцій оцінюється за допомогою критеріїв функціональної завантаженості й стану виробок, де - фактична завантаженість -ї виробки виконанням -ї функції; - проектна або реально можлива пропускна здатність -ї виробки за -ю функцією, - сумарна довжина ділянок (п) виробки з незадовільним станом, м; - загальна довжина виробки, м.

Перший критерій характеризує надійність виконання -ї функції за пропускною здатністю -ї виробки, а другий - її стан за фактором гірничого тиску.

Для кожної виробки визначаються середньорічні витрати на виконання нею відповідних функцій і підтримку в нормальному експлуатаційному стані. Ці витрати встановлюються через розподіл загальношахтних витрат на основні технологічні процеси (провітрювання, транспорт, водовідлив і т.п.) для виробок пропорційно їх довжині або фактичній завантаженості відповідними функціями. За наявності первинної документації про витрати на виконання конкретних функцій окремими виробками вони враховуються замість усереднених.

Після визначення k_з, k_с і витрат розраховується показник їх концентрації для кожної виробки . Далі встановлюється теоретичний закон розподілу значень, за яким виділяються виробки з найбільшим рівнем концентрації. Ці виробки зазнають детального аналізу з метою спрощення МГВ і зниження загальних витрат на її функціонування. При цьому виявляються можливості списання або погашення виробок за рахунок перерозподілу між ними функцій і підвищення ступеня завантаженості, що залишається до гранично допустимого рівня.

Для об'єктивного виконання детального аналізу проведена систематизація можливих проектних рішень залежно від комбінації значень k_з і k_с.

Удосконалена структурно-функціональна модель МГВ піддається укрупненому оцінюванню за критеріями k_cf, k_шF і k_N. Якщо вона за всіма цими критеріями краща порівняно з базовою, то цим підтверджується більший ступінь її досконалості. Якщо базовий і новий варіант за зазначеними критеріями рівноцінні, то розраховуються показники витрат на функціонування нової МГВ і вартість вивільнених для повторного використання устаткування й матеріалів, за якими здійснюється розрахунок економічного ефекту від реалізації ухвалених рішень щодо спрощення МГВ.

У сьомому розділі наведено результати практичної реалізації розробленої методології оцінювання умов залягання вугільних пластів і оптимізації мереж гірничих виробок.

За результатами оцінки 12-ти резервних ділянок вугільних родовищ Луганської області встановлено, що найбільш перспективними для освоєння серед ділянок з антрацитовими пластами є «Нагольчанська західна» і «Краснолуцька північна 2», а для коксівного вугілля - «Миронівська глибока» і «Новосвітлівська». Для ділянки «Новосвітлівська» інститутом «Луганськдіпрошахт» розроблено ТЕО будівництва ш. «Новосвітлівська» з першочерговим відпрацюванням пластів і , згідно зі зробленими у роботі висновками.

Під час обґрунтування проектних рішень відпрацювання зближених пластів l₃ і l₄ північного крила блока №1 ш. «Комсомолець Донбасу» використано комбінацію структурно-функціонального й функціонально-структурного підходів до вирішення поставленої задачі.

Аналіз графа з'єднань гірничих виробок блока № 1 ш. «Комсомолець Донбасу» і матриці їх функціональної завантаженості (табл. 1) дозволив встановити, що підготовку зазначеної ділянки можна здійснити за допомогою трьох виробок замість п'яти за базовим проектом.

Цей результат був врахований під час побудови функціональної моделі МГВ. Величина критерію k_и становила для неї 0,620 замість 0,550 для базової, що свідчить про побудову більш досконалої ФМ МГВ. Для реалізації останньої сформовані три кращі варіанти, з яких на підставі техніко-економічної оцінки обраний варіант, що дозволяє скоротити обсяг проведення магістральних польових штреків на 2250 м, підвищити надійність провітрювання лав з дотриманням Правил безпеки, спростити й підвищити надійність схеми транспортування вугілля, конструкцію проміжних, верхніх і нижніх приймально-відправних майданчиків.

Таблиця 1 Матриця функціональної завантаженості гірничих виробок блока №1 ш. «Комсомолець Донбасу»

Цифровий код виробки	Функції
	F33	F34	F35	f311	f312	f361	f362	f371	f373	f392
1, 4		+	+		+			0,36
4, 13, 16		+	+	+				0,21
7, 10, 13	0	+	+		+	+		0,23
31, 32						+			0,29
10, 31, 17						+			0,28
17, 20						+			0,28
20, 21									0,32
21, 8, 5									0,32
7, 14, 15,12	0,4	+		+				0,02
12, 19,22 24		+	+	+				0,16
19, 6		+	+	+				0,35
14, 15, 12	0,4	+		+				0,02
12, 9, 11,8, 5	0,4							0,35
15, 18, 23					+				0,17
5, 27	0,55								0,11
27, 26	0,15								0,11
22, 18, 28					+				0,02
24, 23, 25, 29		+	+	+				0,30
26, 30	0,15				+	+			0,22
2, 5	0,6						+		0,84
3, 6		+	+	+				0,9		+

З урахуванням отриманих результатів технічною службою шахти складене ТЗ на проект відпрацювання зазначеної ділянки пластів l₃ і l₄, на підставі якого «Дондіпрошахтом» розроблено робочий проект їх підготовки і відпрацювання. У ньому відповідно до розроблених пропозицій передбачена панельна підготовка за бремсберговою схемою, висхідне провітрювання виробок із транспортуванням вугілля на гор. 628 м і закладання панельних допоміжних бремсбергів у міжпласті. Виконаний за фрактальними моделями розрахунок довжини лави показав, що вона повинна бути збільшена з 170 до 220 м.

Обґрунтування мережі гірничих виробок для відпрацювання резервної ділянки пл. h₁₀ ш/у «ім. Космонавтів» ДП «Ровенькиантрацит», виконане на підставі структурно-функціонального й функціонально-структурного аналізу, дозволило розробити рекомендації зі скорочення до 2005 р. діючої мережі на 11590 м. За станом на 01.01.2002 було скорочено 8090 м цих виробок, що дало фактичний економічний ефект у розмірі 714313 грн. Крім того, запропоновано змінити послідовність і систему розробки цієї ділянки. Для цього пропонувалося замінити спарені лави, що працюють за комбінованою системою на одинарні. Дві перші лави запропоновано закладати в центрі ділянки (по одній у східному і західному крилах) замість спарених у центрі західного крила. Після відпрацювання двох лав у східному крилі рекомендовано зосередити очисні роботи в західному, заклавши ще одну лаву в його центрі. За результатами прогнозу стану вуглевміщуючих порід і корегування значень потужності пласта з урахуванням можливих систематичних і випадкових помилок було запропоновано також відмовитися від застосування комплексу КМ103М для відпрацювання західного крила пл. h₁₀ ліворуч від його центру й замінити комплекс на гідрофіковане кріплення «Супутник». Розглянуті на технічній раді рекомендації з відпрацювання пл. h₁₀ були прийняті до реалізації лише частково. Однак після того, як секції кріплення М103М були посаджені «на жорстко» на ділянці, де це й передбачалося за результатами прогнозу, комплекс був замінений на індивідуальне кріплення з посадковими стояками «Супутник» і подальше відпрацювання пласта здійснювалося вже з використанням рекомендованих засобів ведення очисних робіт і системи розробки. Порівняння очікуваних (прогнозних) і фактичних навантажень на лави, обладнані комплексом КМ103М й індивідуальними засобами кріплення, показало їх гарну збіжність.

Оптимізація мережі гірничих виробок з підготовки резервної ділянки пл. ш. №71 «Індустрія» ДП «Ровенькиантрацит» показала, що найбільш ефективним є варіант із фланговим закладанням допоміжного уклону й проведенням центрального діагонального конвеєрного уклону на межі некондиційної потужності пласта з відповідною зміною конструкції верхнього приймально-відправного майданчика. При цьому центральний допоміжний уклон проводиться тільки до межі другого ярусу. Запропоновані проектні рішення включені інститутом «Луганськдіпрошахт» у «Проект розкриття й підготовки уклонного поля гор. 400 м пл. на східному крилі». Часткова реалізація цих рішень дозволила одержати фактичний економічний ефект у розмірі 1010000 грн.

Виконані для ш. №71 «Індустрія» обґрунтування оптимальної МГВ для відпрацювання пл. h₂ дозволили встановити, що ділянка цього пласта, розташована між II Ровеньківським і Валентинівським західним скидами нижче ізогіпси - 450 м, залягає в найбільш сприятливих геологічним умовах, що забезпечують кращі техніко-економічні показники, роботи лав. Тому мережа гірничих виробок спроектована з урахуванням першочергового освоєння саме цієї ділянки. У результаті запропонований варіант, який дозволяє зменшити початковий обсяг проведення гірничих виробок на 2000 м, що становить 64% від базового варіанта. Крім того, була доведена недоцільність проведення вентиляційної свердловини, оскільки спроектована мережа гірничих виробок забезпечує стійке провітрювання лав.

Структурно-функціональний аналіз діючої мережі виробок шахт «Україна» і «Перевальська» ДП «Луганськвугілля» дозволив виявити резерви скорочення їх сумарної довжини на 13900 м до 1999 р. по ш. «Україна» і 26762 м до 2005 р. по

ш. «Перевальська». Фактично до 1995 р. по ш. «Україна» було погашено 6940 м виробок. По ш. «Перевальська» погашено й списано за станом на 05.08.2006 р. 12640 м виробок. Фактичний економічний ефект на цій шахті тільки за рахунок повторного використання металокріплення становить 1208160 грн. Крім цього, обґрунтовано доцільність передачі резервної ділянки пл.,, однієї із зазначених шахт і доведено, що на пл. у центральній частині резервної ділянки з імовірністю 0,863 очікується зниження її потужності до 0,45-0,50 м. За результатами виконаних розрахунків і обґрунтувань встановлено, що найкращим є варіант розподілу резервної ділянки за лінією ізогіпси - 350 м і простягання Селезнівського насуву з передачею його вищележачої частини ш. «Перевальська», а нижчележачої - ш. «Україна». Спроектовані за допомогою функціонально-структурного аналізу мережі гірничих виробок для відпрацювання зазначених частин резервної ділянки забезпечили найменший початковий і наступний обсяги їх проведення й підтримки й тому рішенням керівництва ДП ці запаси були передані ш. «Перевальська». Досвід відпрацювання пл. цією шахтою підтвердив прогнозне зменшення його потужності до 0,46 м у виділеній раніше зоні, що призвело до зміни системи розробки.

Таким чином, практичний досвід застосування розробленої методології аналізу й проектування мереж гірничих виробок, розпізнавальних систем і моделей показав їх високу ефективність і вірогідність, що дозволило одержати сумарний фактичний економічний ефект у розмірі 2,932 млн. грн.

Розроблені методи прогнозу стійкості вуглевміщуючих порід увійшли в галузевий нормативний документ «Рекомендации по прогнозированию условий отработки лав пологих пластов Донбасса и выбора рациональных параметров их крепления».

ВИСНОВКИ

У дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, виконане теоретичне узагальнення й дано нове вирішення актуальної проблеми розробки наукових основ функціонально-структурної оптимізації моделей мереж гірничих виробок вугільних шахт, що має важливе народногосподарське значення, і полягає у встановленні закономірностей їх розвитку, взаємозв'язку із природним середовищем, технологією й економічними показниками, оцінці ступеня сприятливості залягання вугільних родовищ і окремих його частин, функціонально-структурному й фрактальному описах на різних стадіях формування мереж виробок, що забезпечують підвищення ефективності вугільного виробництва.

Основні наукові й практичні результати виконаних досліджень полягають у наступному:

1. Надане теоретичне обґрунтування новому критерію оцінювання ступеня сприятливості умов залягання вугільних пластів, що враховує ймовірність їх залягання в різних за ступенем складності умовах. При цьому доведений адитивний характер впливу несприятливих факторів, що спільно проявляються, на техніко-економічні показники роботи лав і шахт. На підставі запропонованого критерію розроблена методика оцінювання складності умов залягання вугільних пластів, характерною рисою якої є ітеративний підхід до виділення однорідних комбінацій їх якісних і кількісних ознак за допомогою комбінації параметричних і непараметричних, багатовимірних і одновимірних статистичних критеріїв.

2. Доведено, що найбільш надійні результати прогнозу техніко-економічних показників роботи лав і шахт досягаються за комбінованого застосування методів неоднорідного послідовного статистичного аналізу й лінійних дискримінантних функцій. При цьому встановлено, що інформація яка міститься в прогностичних коефіцієнтах розпізнавальних систем, впливає не тільки на розпізнавання інтервалів зміни прогнозованих показників, але й на їх точкові внутрішньоінтервальні значення. У тих випадках, коли вони розподіляються за нормальним законом, взаємозв'язок між сумами прогностичних коефіцієнтів і прогнозованими показниками адекватно описується лінійною функцією, а за логнормальним - експонентною. Встановлені закономірності дозволяють суттєво спростити методи прогнозу техніко-економічних показників і інженерно-геологічних умов ведення гірничих робіт за збереження їх високої надійності.

3. Встановлені закономірності формування помилок геологорозвідувальних даних, які полягають у тому, що зі збільшенням потужності пласта, кута його падіння, природної метаноносності збільшуються систематична й випадкова складові помилок. Прогнозні значення експлуатаційної зольності, загальної сірки й робочої вологості, а також потужності несправжньої покрівлі систематично занижуються порівняно з фактичними. Помилки вихідних даних, низька надійність прогнозу показників стану вуглевміщуючих порід, обводненості лав і тектонічної малоамплітудної порушеності пластів визначили розробки й модернізацію з єдиних теоретичних і методичних позицій нових і відомих розпізнавальних систем, у яких реалізована розроблена методика врахування помилок вихідних даних, які ґрунтуються на мінімаксному і максимінному підходах до чутливості прогнозованих показників за величиною й знаком помилок, що дозволяє обґрунтовувати доцільність їх урахування ще до здійснення процедури прогнозування й підвищити надійність прийнятих на її підставі проектних рішень.

Отримана залежність щільності малоамплітудних порушень від відстані до великого розриву, яка адекватно описується степеневою функцією . При цьому встановлено, що збільшення амплітуди такого розриву впливає на зміну щільності малоамплітудних порушень в інтервалі відстані до 200 м, що дозволяє приймати обґрунтовані рішення про доцільність відпрацювання порушених ділянок вугільних пластів.

4. Доведено, що розвиток мережі гірничих виробок у площині пласта підпорядковується законам теорії фракталів. При цьому встановлено єдність структури фрактальних моделей для різних схем підготовки пластів і варіантів розподілу шахтного поля на частини. Згідно з фрактальною моделлю за довжини виїмкової ділянки понад 2000 м довжина лави повинна бути не менш 300 м для високонадійного очисного устаткування, що підтверджується сучасною вітчизняною і закордонною практикою та дозволяє визначати раціональні розміри шахтного поля і його частин без складних техніко-економічних розрахунків.

5. Встановлено, що зміна довжини гірничих виробок у часі описується логістичною залежністю, параметри якої залежать від класу виробок, виробничої потужності шахти, виду основних розкривних виробок, способу підготовки вугільних пластів (груповий, індивідуальний), кількості одночасно розроблюваних неоднорідних ділянок, обсягу проведення основних розкривних виробок, у перший рік будівництва шахти й часу виходу її на стабільний режим роботи.

Ці закономірності дозволяють прогнозувати сумарну довжину мережі гірничих виробок на різних стадіях її розвитку, враховувати результати прогнозу при оцінюванні вугільних родовищ, виборі оптимальних варіантів топології й обґрунтуванні необхідності вдосконалення мереж гірничих виробок на діючих шахтах.

6. Розроблена узагальнена функціональна модель мережі гірничих виробок і алгоритм обґрунтування мінімально необхідного переліку функцій, що підлягають виконанню в конкретних геологічних і технологічних умовах. Обґрунтовані критерії оцінювання ступеня організованості функціональних моделей, доведена доцільність і ефективність генерування ідей проекту мережі гірничих виробок з використанням основних положень теорії розв'язування винахідницьких задач.

Показано, що рівень досконалості функціональних моделей залежить від ступеня концентрації функцій, питомої ваги серед них тих, які породжують негативні наслідки для зовнішнього середовища й складності нейтралізації цих наслідків.

З використанням розробленої методики аналізу й згортання узагальненої моделі запропонований новий малофункціональний спосіб відпрацювання вугільних пластів, що неглибоко залягають.

7. Доведено, що топологія мережі гірничих виробок адекватно описується функціонально-структурною моделлю, усі можливі варіанти якої для конкретних умов формуються за допомогою морфологічного аналізу, стосовно до якого розроблена класифікація гірничих виробок, що забезпечують розкриття, підготовку й розробку вугільних пластів.

Теоретично обґрунтовано вигляд математичних виразів для точного оцінювання потужності морфологічної множини варіантів функціонально-структурних моделей і алгоритм наближеного її оцінювання з урахуванням різних умов несумісності елементів морфокласів. Ці відомості необхідні для вибору методу формування підмножини кращих варіантів.

Обґрунтовані перелік і вигляд часткових критеріїв оцінювання ступеня організованості функціонально-структурних моделей, що дозволяють формувати їх кращі варіанти. При цьому показано, що ступінь досконалості мереж гірничих виробок залежить від питомої ваги в них багатофункціональних виробок, можливості виконання ними потенційних функцій і максимальної кількості частин шахтного поля, що обслуговуються.

8. Фактичний стан мережі гірничих виробок на діючій шахті адекватно описується за допомогою структурно-функціональної моделі, до складу якої входять: матриця стикувальних вузлів виробок, сполучення функцій, що виконуюються, і граф послідовності з'єднання. Об'єктивна оцінка ступеня досконалості цієї моделі можлива з використанням розроблених у дисертації критеріїв функціональної завантаженості й стану виробок, які характеризують їх експлуатаційну надійність. Вибір напрямків модернізації мережі гірничих виробок передбачає виявлення незавантажених або слабозавантажених, а також дублювальних виробок, і перерозподіл між ними технологічних функцій. У результаті виявлення останніх приймається рішення про погашення або списання виробок, подальша підтримка яких функціонально не виправдана.

9. Оцінки ступеня сприятливості умов залягання 12-ти резервних ділянок вугільних родовищ Луганської області показали, що найбільш перспективними для видобутку коксівного вугілля є: «Миронівська глибока» і «Новосвітлівська», а енергетичного - «Нагольчанська західна» і «Краснолуцька північна 2». Результати цього оцінювання використані інститутом «Луганськдіпрошахт» за розробки ТЕО будівництва шахти «Новосвітлівська».

Результати оптимізації проектних мереж гірничих виробок під час відпрацювання резервних ділянок шахт «Комсомолець Донбасу» і №71 «Індустрія» використані інститутами «Дондіпрошахт» і «Луганськдіпрошахт» для розробки ТЗ і робочих проектів.

Методика прогнозу стійкості вуглевміщуючих порід включена в нормативний документ «Рекомендации по прогнозированию условий отработки лав пологих пластов Донбасса и выбора рациональных параметров их крепления», затверджений Мінвуглепромом СРСР.

Фактичний економічний ефект від впровадження результатів досліджень на шахтах №71 «Індустрія», ш/у «ім. Космонавтів» і «Перевальська», досягнутий тільки за рахунок скорочення обсягів проведення і підтримання виробок, становить 2,932 млн. грн.

гірничий виробка вугільний пласт

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Рекомендации по прогнозированию условий отработки лав пологих пластов Донбасса и выбору рациональных параметров их крепления / Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов, М.А. Сребный, Б.В. Смирнов, А.И. Дымна. - Коммунарск: КГМИ, 1980. - 63 с. (Нормативный документ Минуглепрома СССР).

2. Фрумкин Р.А. О классификации условий отработки лав на пологих пластах Донбасса / Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов // Уголь. - 1979. - №7. - С. 15-20.

3. Фрумкин Р.А. Методика выбора решений в условиях неопределенности / Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов // Известия вузов. Горный журнал. - 1980. - №2. - С. 24-30.

4. Методика разработки стандартов в угольной промышленности / С.Н. Волжин, Р.А. Фрумкин, Е.П. Крылов, В.Н. Окалелов, Е.И. Левин, В.М. Рурбах // Стандарты и качество. - 1979. - №5. - С. 23-29.

5. Фрумкин Р.А. Оценка достоверности прогнозов условий разработки пластов / Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов // Уголь Украины. - 1983. - №9. - С. 43-44.

6. Фрумкин Р.А. Достоверность горно-геологических прогнозов и методы ее количественной оценки / Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов // Известия вузов. Горный журнал. - 1983. - №4. - С. 33-37.

7. Фрумкин Р.А. Влияние технологических факторов на формирование водопритоков в очистные забои / Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов, В.П. Перцев // Сб. научных трудов «Подземная разработка угольных пластов тонкой и средней мощности». - Тула: ТПИ, 1986. - С. 101-103.

8. Прогнозирование водопритоков в очистные забои угольных шахт /Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов, А.С. Подтыкалов, Б.В. Смирнов, Я.И. Зарубинский // Известия вузов. Горный журнал. - 1986. - №10. - С. 14-17.

9. Окалелов В.Н. Методика определения сравнительной ценности и очередности освоения участков угольных месторождений / В.Н. Окалелов, Р.А. Фрумкин // Уголь Украины. - 1988. - №11. - С. 27-29.

10. Тищенко В.А. Повышение эффективности отработки пологих пластов на больших глубинах / В.А, Тищенко, В.Н. Окалелов // Уголь Украины. - 1986. - №4. - С. 15-16.

11. Окалелов В.Н. Методика учета изменчивости геологических и технологических факторов при расчетах нагрузки на очистной забой / В.Н. Окалелов // Сб. научных трудов. Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. - Тула: ТПИ, 1991. - С. 66-71.

12. Фрумкин Р.А. Применение теории фракталов для анализа технологических схем отработки угольных пластов // Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов, М.З. Авсаджанишвили. - Сб. научных трудов ДГМИ. - Алчевск: ДГМИ. - 1999. - С. 149-153.

13. Окалєлов В.М. Функціонально-структурна оптимізація мереж гірничих виробок на діючих шахтах / В.М. Окалєлов // Відомості Академії гірничих наук України. - 1997. - №3. - С. 74-75.

14. Окалелов В.Н. Функционально-стоимостное проектирование сети горных выработок / В.Н. Окалелов // Известия вузов. Горный журнал. - 1992. - №2. - С. 54-59.

15. Гайко Г.И. Учет функциональной ответственности выработок при проектировании шахтной крепи / Г.И. Гайко, В.Н. Окалелов // Уголь Украины. - 2001. - №6. - С. 39-41.

16. Окалелов В.Н. Методика прогнозирования укрупненных стоимостных показателей в условиях рынка / В.Н. Окалелов // Уголь Украины. - 2001. - №10. - С. 44-46.

17. Окалелов В.Н. Методика расчета рациональных размеров шахтного поля и его частей / В.Н. Окалелов // Известия вузов. Горный журнал. - 2002. - №1. - С. 42-47.

18. Фрумкин Р.А. Прогнозирование засорения угля в комплексно-механизированных лавах пологих пластов / Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов, Э.Р. Самкова // Уголь Украины. - 2003. - №7. - С. 43-45.

19. Окалелов В.Н. Методика формирования вариантов сетей горных выработок с учетом совместимости их признаков / В.Н. Окалелов, Л.Е. Подлипенская // Известия вузов. Горный журнал. - 1998. - №11, 12. - С. 25-29.

20. Окалелов В.Н. Методика морфологического синтеза вариантов сетей горных выработок / В.Н. Окалелов // Уголь Украины. - 2007. - №4. - С. 6-9.

21. Окалелов В.Н. Обобщенная методика прогноза эксплуатационных затрат на освоение угольных месторождений / В.Н. Окалелов. - Сб. научных трудов НГУ. - Днепропетровск. - 2003. - №17. - С. 73-76.

22. Окалелов В.Н. Методика прогноза технико-экономических показателей работы лав и шахт применительно к оценке угольных месторождений / В.Н. Окалелов // Сб. научн. трудов ДонГТУ. - Алчевск: ДонГТУ, 2008. - Вып. 26. - С. 33-49.

23. Фрумкин Р.А. Оценка достоверности информации, используемой при разработке инвестиционных проектов угольных шахт / Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов, Э.Р. Самкова // Сб. научных трудов ДонГТУ. - Алчевск: ДонГТУ, 2009. - Вып. №28. - С. 19-30.

24. Окалелов В.Н. Методика учета ошибок исходных данных при информационном обеспечении процесса проектирования угольных шахт / В.Н. Окалелов, Р.А.Фрумкин // Сб. научных трудов ДонГТУ.- Алчевск: ДонГТУ, 2008. - Вып. №27. - С. 41-46.

25. Окалелов В.Н. Методика прогнозирования распространения малоамплитудных дизъюнктивных нарушений в окрестности крупных тектонических разрывов / В.Н. Окалелов, Л.Е. Подлипенская, Е.Ф. Шкурский // Уголь Украины. - 2004. -№3. - С. 36-37.

26. Патент 70599А Україна, Е 21С41/26. Спосіб розкриття і розробки неглибоко залягаючих пластових родовищ корисних копалин / В.М. Дорофєєв, В.М. Окалєлов, С.В. Антюхов. - № 20031211653; заявл. 16.12.2003; опубл. 15.10.2003. Бюл. №10.

27. Окалелов В.Н. Экологические аспекты реструктуризации угольной промышленности / В.Н. Окалелов // Proceedings of the school of underground mining 2002. Series Wyklady №21. - Cracow: Nauka-Technika. - 2002. - Р. 245-249.

28. Фрумкин Р.А. Количественная оценка качественных характеристик функционирования горных выработок / Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов, М.З. Авсаджанишвили. - Сб. научн. трудов ДГМИ. - Алчевск: ДГМИ. - 1999. - С. 144-148.

29. Окалелов В.Н. Модернизация сетей горных выработок угольных шахт на основе анализа их структурно-функциональных моделей / В.Н. Окалелов // Вестник МАНЭБ. - Вып. 2 (26). - Санкт-Петербург, Алчевск: ИПЦ «Ладо», 2000. - С. 57-60.

30. Фрумкин Р.А. Методика корректировки и повышения достоверности геологических прогнозов / Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов // Вестник МАНЭБ. - 2001. - №1 (37). - С. 15-17.

31. Фрумкин Р.А. Прогноз показателей безопасности ведения горных работ на угольных шахтах / Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов // Материалы междунар. конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности - 2000» (Феодосия). - Алчевск: ДГМИ, 2000. - С. 105-109.

32. Окалелов В.Н. Функционально-структурное проектирование сетей горных выработок / В.Н. Окалелов // Материалы междунар. конференции «Форум горняков-2006». - Днепропетровск: НГУ, 2006. - С. 173-178.

33. Окалелов В.Н. Методика анализа сетей горных выработок действующих шахт / В.Н. Окалелов. - Матеріали міжнар. конференції «Форум гірників-2008». - Дніпропетровськ: НГУ, 2008. - С. 118-124.

34. Окалелов В.Н. Методы оценки угольных месторождений / В.Н. Окалелов // Збірник наукових праць: «Школа підземної розробки». - Дніпропетровськ: НГУ, 2007. - С. 256-262.

35. Окалелов В.Н. Опыт применения функционально-стоимостного анализа для совершенствования сетей горных выработок / В.Н. Окалелов // Материалы международной научно-практической конференции «Школа подземной разработки» (Ялта). - Днепропетровск: НГУ, 2008. - С. 181-190.

36. Окалелов В.Н. Исследование характера изменения протяженности горных выработок с течением времени работы шахты / В.Н. Окалелов // Сб. научных трудов: «Школа подземной разработки». - Днепропетровск: НГУ, 2009. - С. 129-138.

37. 185. Фрумкин Р.А. Геолого-экономическая оценка резервных участков угольных месторождений с учетом их инвестиционной привлекательности /Р.А. Фрумкин, В.Н. Окалелов, Э.Р. Самкова // Сб. научн. докладов Междунар. научно-технической конференции «Горная геология, геомеханика и маркшейдерия». - Донецк: УкрНИМИ, 2004. - С. 112-117.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві:

[1, 2, 3] - розробка розпізнавальних систем і обґрунтування можливості прийняття рішень щодо емпіричних порогів; [4] - встановлення взаємозв'язку між комбінаціями геологічних ознак і морфологічними ознаками технічної системи; [5, 6, 23, 24, 29] - закономірності формування помилок вихідних даних і методика їх врахування під час прийняття проектних рішень; [7, 8] - оцінювання інформативності факторів і розробка розпізнавальних систем; [9, 37] - розробка критерію оптимальності; [10] - аналіз закономірностей зрушення гірських порід; [12] - постановка завдання й обґрунтування правомірності використання теорії фракталів для опису розвитку мереж гірничих виробок; [15] - оцінювання якості функціонування гірничих виробок; [18] - оцінювання інформативності факторів, обґрунтування і участь у розробці регресійних моделей; [19] - постановка завдання і аналіз результатів його рішення; [25] - встановлення закономірностей зміни частоти малоамплітудних порушень; [26] - критерії оцінювання якості функціонування гірничих виробок; [30] - генерування ідеї; [31] - алгоритм прогнозу.

Размещено на Allbest.ru

...