Основные принципы повышения качества проектов выемочных участков угольных шахт с использованием ситуационного моделирования рабочих процессов
Д.А. Стадник, к.т.н., доцент, В.К. Гинкель, аспирант, Московский государственный горный университет
Технологическую систему подземной добычи полезных ископаемых представляют производственные комплексы и рабочие процессы. Они реализуются в горных выработках: очистных, транспортных, вентиляционных и др. Ее отличают сложные структурные связи функциональных элементов, звеньев и объектов, а также динамичность, которая заключается в постоянном изменении технологической системы во времени и пространстве (перемещение очистных и подготовительных забоев, изменение топологии сети вентиляционных и транспортных выработок).
Модель технологической системы шахты иллюстрирует абстрактную взаимосвязь между ее элементами, подсистемами, определениями и терминами [1]. Она также дает возможность представления реальной технологической системы или процесса физическими или математическими средствами. Структура модели состоит из множества элементов и множества отношений. В свою очередь они представляют определенные системы со своими структурами, которые по иерархии являются подсистемами. Ее состояние определяется качественными и количественными характеристиками.
К качественным относятся:
- схема и способ вскрытия;
- схема и способ подготовки запасов шахтного поля;
- схемы вентиляции и транспорта;
- система разработки угольных пластов;
- средства механизации рабочих процессов;
- порядок отработки запасов пластов и выемочных участков.
К количественным характеристикам относятся:
- производственная мощность горного предприятия;
- нагрузка на очистной забой;
- геометрические параметры очистных выработок, этажей, панелей, горизонтов;
- количество одновременно работающих очистных забоев в границах пласта, горизонта, панели или блока.
Внешняя среда функционирования технологической системы (горно-геологические условия) изменяется дискретно и ее состояние определяется с течением времени. Состояние внешней среды зависит от пространственного расположения запасов. Изменчивость состояния запасов носит случайный характер из-за недостаточной степени геологической изученности месторождения. Горно-геологические условия оказывают непосредственное влияние на эффективность функционирование технологической системы через качественные и количественные характеристики, а именно:
- конфигурация шахтного поля и его размеры;
- пространственное расположение и количество залежей полезного ископаемого (пластов);
- распределение запасов в шахтном поле;
- гипсометрия угольных пластов, их мощность и угол залегания;
- глубина ведения горных работ;
- газоносность; - подверженность газодинамическим явлениям;
- физико-механические и технологические свойства горного массива и полезных ископаемых.
Учесть всю гамму влияющих факторов при подземной разработке месторождений возможно только при корректном моделировании технологической системы, так как есть возможность применять логические утверждения и математические зависимости, описывающие физические явления.
Системный подход к учету влияния определяющих факторов способствует направленной ориентации выбора и оценки изменений технологической системы при проектировании выемочных участков угольных шахт.
Технологические процессы горного производства состоят из отдельных структурных подсистем, элементов, операций технологических перерывов. Операции могут быть основными, вспомогательными и подготовительно-заключительными. При осуществлении технологического процесса происходит последовательное изменение формы, размеров, свойств материала (монолитный массив превращается в дробленую массу) с целью получения конечного продукта, соответствующего заданным техническим требованиям или условиям.
На рисунке приведена структура технологического процесса, реализуемого при отработке запасов выемочных участков угольных шахт. Структурные подсистемы и элементы технологического процесса отличаются друг от друга по методу выполнения. Функционирование технологических звеньев шахты представляет собой несколько технологических участков, на которых в различных решениях осуществляются процессы дегазации, вентиляции, транспорта и т.д. с целью обеспечения максимальной ритмичности производства. Подсистемы технологических процессов состоят из множества элементов подсистем. Ее элементами являются рабочие операции. Они выполняются на рабочих местах в очистных, подготовительных и нарезных выработках. В зависимости от места и времени их выполнения рабочие операции вкупе составляют технологический процесс или мероприятия. Технологическому процессу предшествуют подготовительно-заключительные операции.
Нередко динамика событий требует быстрых и одновременно адекватных действий. В то же время масштабы и неожиданность наступления таких событий не всегда позволяют действовать своевременно и результативно.
Теория управления создала целый ряд эффективных механизмов быстрого и точного выбора управляющих воздействий на объект по данным о его состоянии. Одним из этих механизмов можно считать ситуационное моделирование и управление, так как его рационально использовать при проектировании технологических схем отработки запасов выемочного участка, в целях оперативного отслеживания изменений в ходе отработки запасов и своевременного внесения поправок в технологическую схему[1]. Данная методика перспективна в контексте создания интеллектуальных управляющих систем и систем поддержки принятия решений, в том числе для экспертной поддержки деятельности специалистовтехнологов на горнодобывающих предприятиях [4–5]. Разумеется, что эффективность любого, в том числе и ситуационного управления, в значительной степени определяется своевременным получением адекватных данных о состоянии объекта и вариантов управленческих решений.
Одним из объективных средств получения информации, в частности, является получение данных непосредственно (в режиме online) из систем, осуществляющих хранение передового опыта и рекомендаций по управляющим воздействиям в различных ситуациях.
В контексте поиска закономерностей, связанных с предсказанием нарушения функционирования технологических процессов, важно иметь государственное хранилище архивовзнаний горнодобывающей отрасли и независимый центр их исследования – ситуационный центр. Такой подход позволит повысить уровень прогрессивности проектов, предсказывать возможные нестандартные ситуации и оперативно предотвращать их, в том числе, посредством использования метода ситуационного управления.
Концепция формирования ситуационного управления при проектировании выемочного участка угольной шахты сводится к следующему.
Для организации ситуационного управления необходима модель объекта, позволяющая адекватно оценивать и предсказывать его состояние. Таким объектом как раз является выемочный участок угольной шахты.
Базовые модели ситуационных систем применительно к выемочному участку угольной шахты включает мониторинг внешних характеристик (горно-геологических условий) D= (d1, d2, ...) и формирование в дискретные моменты времени формализованного описания текущей ситуации Qj в целях ее дальнейшего анализа. В ходе мониторинга и грубого анализа выявляются ситуации, требующие вмешательства управляющего элемента (диспетчера, оператора или автоматической системы управления) – потенциально конфликтные и конфликтные ситуации [5].
Элементарный акт управления можно представить в следующем виде: Si :Qj → Qi , где: Si – полная ситуация; Qj – текущая ситуация; Uk – способы воздействия на объект управления (одношаговое решение).
Смысл этого соотношения заключается в следующем. Если на объекте управления сложилась ситуация Qj, и состояние системы управления и технологическая схема управления, определяемые Si, допускают использование воздействия Uk, то оно применяется, и текущая ситуация Qj превращается в новую ситуацию Qi. Подобные правила преобразования называются логико-трансформационными правилами (ЛТП) или корреляционными правилами, полный список которых задает возможности системы управления воздействовать на процессы, протекающие в объекте[1].
Корректность использования ситуационного моделирования и управления объективно подтверждается на примере шахты «Томусинская 5-6» угольной компании «Южкузбассуголь» [2]. Здесь, согласно прогнозу, ожидаемая зона геологического разрывного нарушения типа «взброс» располагалась на протяжении 20–25 м по падению лавы 0-4-1 и 170 м по простиранию пласта, перемещаясь по забою по мере подвигания забоя лавы от конвейерного штрека к вентиляционному с амплитудой вертикального смещения от 3 до 4 м. Очистной забой длиной 190 м был оборудован механизированным комплексом МКЮ-11/32. Выемка угля производилась комбайном К500, транспорт угля по лаве – конвейером «Анжера-30Л». Вынимаемая мощность пласта IV–V Томусинского месторождения при отработке запасов выемочного участка 0-4-1 составляла 3,2 м.
Уголь в зоне геологического нарушения согласно прогнозу был отнесен к неустойчивому, склонному к обрушению и образованию «куполов» высотой до 5 м. Зона сильно трещиноватого угля составляла до 5м по нормали к сместителю и в обе стороны от него. Непосредственная кровля пласта была представлена пачкой конгломератов мощностью 1–4 м. В зоне нарушения прогнозировалось отслоение непосредственной кровли с образованием «куполов» высотой до 2 м.
Таким образом, на шахте сложилась ситуация Qj. Проведя процедуру экстраполяции ситуации и изучение опыта отработки угольных пластов Томусинского месторождения в зонах геологических нарушений на шахтах им. Л.Д. Шевякова и им. В.И. Ленина было выявлены возможные варианты развития ситуации. На шахте им. Л.Д. Шевякова при отработке запасов угольных пластов в зонах геологических нарушений максимальная добыча из очистного забоя не превышала 40 тыс. т в месяц при среднем уровне травматизма горнорабочих очистного забоя 15–20 травм в месяц. Опыт перехода геологических нарушений на шахте имени В.И. Ленина показал, что максимальные нагрузки на очистной забой не превышали 45 тыс. т в месяц. Так, при переходе геологического нарушения с амплитудой вертикального смещения Н=0,4–3 м лавой 0-5-1-7 среднесуточная нагрузка составила всего 600 т, а время перехода нарушения заняло более 7 мес., и в результате был произведен полный демонтаж механизированного комплекса.
В результате анализа отечественного и зарубежного опыта перехода зон геологических нарушений было выявлено, что эффективным способом предотвращения вывалов угля и пород кровли является упрочнение нарушенного массива при помощи полимерных смол. – таким образом, были использованы воздействия Uk.
В результате работ по упрочнению в лаве 0-4-1 геологическое нарушение с амплитудой 3–4 м было пройдено за 54 дня со среднесуточной нагрузкой на очистной забой 3400 т. При переходе нарушения месячная добыча угля из очистного забоя 0-4-1 составила 102 тыс. т. Предварительное упрочнение смолой обеспечило безопасные условия ведения очистных работ. В период прохождения зоны нарушения не было зафиксировано ни одного случая травматизма горнорабочих. В результате текущая ситуация Qj под воздействием управляющих решений Uk превращается в новую ситуацию Qi.
Однако, следует заметить, что в случае отсутствия данных об опыте других шахт в этом бассейне, не удалось бы своевременно принять необходимое управленческое решение, что привело бы к простою, а то и демонтажу механизированного комплекса. Исходя из этого в настоящее время актуализируется момент стоит необходимость создания единой системыбазы знаний, аккумулирующей передовой опыта проектирования и отработки запасов выемочных участков угольных шахт. Она позволит сократить издержки и трудозатраты при возникновении сложных ситуаций. Но данная система требует постоянного пополнения знаний и оценки эффективности применяемый решений.
Таким образом, можно заключить, что использование ситуационного моделирования в совокупности с системой поддержки принятия решений, включающей базу знаний передового опыта, позволит повысить прогрессивность проектов выемочных участков угольных шахт.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Кузнецов Ю. Н., Стадник Д. А., Гинкель В. К., К вопросу совершенствования методологии про* ектирования высокопроизводительной отработки запасов выемочных участков угольных шахт * Горная Промышленность №6 (94), 2010. – с.60–61
2. Чубриков А.В., Марков А.С., Хрипков В.В. Технология упрочнения зон нарушения полимерной смолой для сохранения высоких нагрузок на очистной забой * Уголь №5 (94), 2005. – с.35–37
3. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика * М.: Наука, 1987
4. Васильев П.В.. Развитие горно*геологических информационных систем. Инф. бюллетень. _ М.: ГИС ассоциация. – 1999. * №2(19). *С. 32–33.
5. Бабенко А. Г, Лапин С. Э. Новое поколение шахтных информационно*управляющих систем и средств обеспечения безопасности на угольных шахтах. * Известия вузов. Горный журнал, №1, 2010, с.73–84
6. Бондаренко В.И., Кузьменко А.М., Грядущий Ю.Б.и др. Технология подземной разработки пла* стовых месторождений полезных ископаемых – Днепропетровск, 2002.
7. Поспелов Г.С. Искусственный интеллект – основа новой информационной технологии. * М.: Наука, 1988.
8. Глухих И.Н. Представление знаний и вывод решений в ситуационных базах знаний» // Вест* ник Тюменского государственного университета. 2006. № 5. С. 265–270.
9. Глухих И.Н., Карякин Ю.Е. Модель системы поддержки принятия управленческих решений на основе анализа ситуаций * Т: Математическое и информационное моделирование: Сб. на* уч. тр. Вып. 4.: ТюмГУ, 2002. С. 85–89.
10. Интеллектуальные информационные системы /Под ред. Деева В.В. и др./. * М.: Воениздат, 1991.
