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

Abstract

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.

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.

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.