Объект, цель и направления исследований теории проектирования освоения недр

Теория проектирования освоения недр как наука представляет собой область горной системологии в виде системы знаний о закономерностях взаимосвязи и методах установления параметров техногенного преобразования недр.
Рациональное освоение недр исходя из необходимости их постоянного эффективного функционирования требует глубокого и тщательного обоснования всех проектных решений по строительству, эксплуатации и реконструкции горнодобывающих предприятий. Проектирование определяет уровень развития технологии и техники как на ближайшую, так и, особенно в горном деле, дальнюю перспективу. От совершенства методов проектирования, их научной обоснованности зависят темпы научно-технического прогресса во всех областях, включая горную промышленность - базовую для развития общества в различных направлениях.
Теория проектирования освоения недр как наука - это совокупность методов расчета и критериев принятия решений по конструированию и выбору параметров объектов, характеризующихся неопределенностью исходной информации, невозобновляемостью и неповторяемостью предметов труда, длительным временем функционирования и масштабностью объектов, значительным разрывом во времени принятия решений и их реализации, а также принципиальными трудностями изменения этих решений в процессе функционирования объектов.
Исторически теория проектирования развивалась как совокупность расчетов по выбору параметров горных предприятий. Широкое применение расчетных методов началось только во второй половине XIX века и успешно продолжалось уже в XX веке. Если первоначально расчетные методы применялись главным образом для проектирования основных горных машин и механических установок, то широкая их разработка для горных предприятий в целом явилась признаком создания теории горного дела и перехода горного искусства в горную науку. При этом под расчетными методами со временем стали пониматься все те методы, которые дают количественные решения возникающих при проектировании задач с учетом влияющих факторов в их взаимной связи.
Расчетные методы применительно к проектированию освоения недр и строительству горных предприятий могут быть названы аналитическими в широком понимании этого термина. Статистический анализ, служащий для получения определенных зависимостей, может также рассматриваться как частный вид расчетного метода. Следует отметить, что суть аналитического метода в горных науках - не получение точечных решений в результате исследования на экстремум общих функций, а установление на базе факторного анализа области рациональных значений параметров различных физических и технико-экономических подсистем, характеризующих отдельные стороны освоения недр. В таком широком понимании к расчетным аналитическим методам относится и часто ошибочно противопоставляемый им метод вариантов, издавна широко применяемый при проектировании горных предприятий.
Объектом исследований теории проектирования являются собственно техногенные геосистемы - как совокупность технологических подсистем во взаимосвязи с природными геосистемами, предназначенные для добычи полезных ископаемых и освоения других георесурсов.
В наиболее характерных для горного дела областях - вскрытие месторождений и системы разработки - применение аналитических методов развивалось в следующих основных направлениях.
1. Проведение горных выработок - теория бурения и взрывания, выбор параметров буровзрывных работ, определение сечения и скорости проходки горных выработок, выбор способов крепления горных выработок.
2. Вскрытие месторождений - определение глубины горных работ, производственной мощности и сроков существования горных предприятий, расчет размеров рудничных полей и порядок их подготовки и разработки, выбор типа шахт и расчет высоты этажей, экономические показатели работы горных предприятий и их зависимость от производственной мощности рудников.
3. Системы разработки - определение размеров выемочных полей и блоков, прочные размеры целиков, параметры очистных забоев, минимальная величина очистного пространства, соотношение объемов подготовительных и очистных работ, закладка выработанного пространства, выпуск руды, транспорт горной массы, коэффициент годового понижения, потери и разубоживание руды, выбор систем разработки.
Становление математических методов решения задач в указанных направлениях было начато Б.И. Бокием в 1902 году его работой «Выбор системы работ при разработке свиты пластов». Однако книга «Аналитический курс горного искусства» с подзаголовком «Проектирование рудников» вышла в свет только в 1929 году после смерти автора. В ней были изложены способы решения различных задач проектирования элементов горнодобывающего предприятия (шахты, рудника или группы шахт) с помощью методов математического моделирования и дифференциального исчисления, математической статистики и рассмотрения альтернативных вариантов качественных и количественных характеристик создаваемого объекта. Основополагающие монографии, создавшие базу теории проектирования, принадлежат А.И. Стешенко, А.С. Попову, И.А. Кузнецову, П.З. Звягину, Л.Д. Шевякову, М.И. Агошкову, П.И. Городецкому.
Развитие аналитического направления исследований в горном деле именно в России связано с масштабами и распространенностью месторождений полезных ископаемых и горного производства по сравнению с другими странами, в условиях, когда только научно обоснованный подход к выбору рациональных параметров предприятий позволяет решать проблему возможного множества различных вариантов их строительства и эксплуатации.
Цель теории проектирования освоения недр - создание новых и совершенствование существующих методов обоснования проектных решений по параметрам горных мероприятий.
Исходя из цели проектные задачи по характеру, предопределяющему принципы их решения, делят на несколько типов: эвристические, исследовательские, технические, технико-экономические.
Эвристические задачи относятся к числу наиболее сложных. Это творческие задачи, возникающие в нестандартных, проблемных ситуациях, когда зачастую не имеется аналогов искомому решению, а найденное решение может обладать новизной на уровне изобретения. К этому же типу относятся задачи прогнозирования, которые решаются либо на основе экспертных оценок, если они сложны для формализации или не поддаются ей, либо формальными математическими методами.
Среди примеров эвристических (нестандартных), творческих решений задач в области подземной разработки руд можно назвать некоторые идеи, реализованные или намеченные к реализации:
- размещение подъемных установок и приемных бункеров скипового подъема под землей для предотвращения смерзания руды и стабилизации работы подъема; руда отсюда доставляется транспортом на обогатительную фабрику;
- подземная предконцентрация руд, заключающаяся в подземном частичном обогащении руд и размещении отделенных при этом пустых пород в выработанном пространстве и позволяющая сократить объем выдаваемой на поверхность продукции и соответственно снизить капитальные и эксплуатационные затраты на вскрытие, подъем, транспорт и обогащение на поверхности, уменьшить объемы отвалов пустых пород на поверхности и степень воздействия горно-обогатительного производства на окружающую среду;
- использование глубоких скважин большого диаметра для подачи в подземные выработки закладки взрывчатых веществ, горючесмазочных материалов;
- вскрытие подземных горизонтов наклонными съездами со дна отработанных карьеров, сокращающее объем капиталовложений;
- отработка залежей сверхвысокими блоками с временным магазинированием отбитой руды и ее массовым выпуском под сухой закладкой, поступающей в камеру сверху и заполняющей ее по мере выпуска руды.
Исследовательские задачи состоят в установлении закономерностей, неизвестных ранее, или количественном описании ранее установленных. Эти исследования проводятся на предпроектных стадиях. Используются методы статистического анализа, опытно-промышленные эксперименты. Последние могут также использоваться и непосредственно в рабочем проектировании, когда в опытнопромышленных экспериментах уточняют устойчивые размеры камер и целиков, параметры буровзрывных работ, устанавливают зависимость производительности горных машин от горнотехнических параметров. В таких случаях могут применяться и достаточно сложные методы исследований, включая физическое и математическое моделирование.
К техническим относится широкий спектр задач по расчету параметров технологического оборудования и процессов. Эти задачи решаются, как правило, с помощью расчетов по нормированным или специально разработанным методикам. Сюда относятся расчеты строительных конструкций, характеристик вентиляционных и электрических сетей, скипового и клетевого подъемов, буровзрывных и погрузочно-транспортных работ.
Технико-экономические расчетные задачи типичны для горной части проектов рудников. Это объясняется многовариантностью и потому неочевидностью оптимальных решений и тем в большей мере, чем сложнее рассматриваемая технологическая схема. Как правило, это задачи оптимизационного характера (одно-или многокритериальные), и результаты их решения обычно неоднозначны. Это объясняется и недостаточной достоверностью исходных данных, столь характерной для горно-экономических задач вообще, и большим числом влияющих факторов (природных, технологических, экономических, социальных, экологических), воздействие которых зачастую противоречиво и далеко не всегда может получить точную количественную оценку. Поэтому для решения задач такого типа характерно, с одной стороны, использование элементов эвристических методов, а с другой стороны, прогнозный характер и динамизм такого рода задач, значительный элемент случайности и неопределенности в воздействии природных, организационных и других факторов на результаты функционирования проектируемой системы предопределяют использование для их решения сложных математических методов, некоторые из которых могут быть эффективно реализованы на базе современных быстродействующих ЭВМ с большой оперативной памятью.

---