Методы обоснования оптимальных параметров в теории проектирования освоения недр

Теория проектирования освоения недр предполагает решение указанных задач в рамках обоснования оптимальных параметров техногенной геосистемы (технологической системы), предназначенной для добычи полезных ископаемых и освоения прочих ресурсов недр или отдельных месторождений в процессе их эксплуатации.
Такая технологическая система характеризуется типами, количеством и размерами горных предприятий, их производственной мощностью по основным и сопутствующим видам продукции, длительностью эксплуатации, способом разработки месторождения и схемно-планировочными решениями по горному хозяйству и инфраструктуре, технологиями и техническими средствами разработки залежей полезных ископаемых и освоения сопутствующих ресурсов недр, т.е. некоторым множеством качественных характеристик системы и количественными значениями параметров (проектных решений), от выбора которых зависит результативность и экономическая эффективность деятельности предприятий.
Следовательно, технологическая система - горное предприятие и тем более комплекс предприятий и производств - это большая, многомерная, развивающаяся во времени и пространстве динамическая система, характеризующаяся наличием внутренних связей между составляющими ее подсистемами и элементами. В свою очередь, эта система входит как составная часть в систему более высокого иерархического уровня - отрасль, предъявляющую к предприятию требования по количеству, качеству и стоимости (ценности) готовой продукции, определяемые спросом потребителей и конъюнктурой рынка.
В связи с этим теория проектирования рассматривается как теория оптимального проектирования, а основные положения и принципы теории и используемый аппарат исследований и принятия решений базируются на закономерностях как физического, так и экономического характера. При этом исследования осуществляются в следующих направлениях.
1. Методологическое - обоснование структуры системы и выбор методов ее моделирования и оптимизации; исследование взаимосвязей между подсистемами и элементами технологической системы (шахта, рудник, карьер, подземное пространство); обоснование рациональной размерности системы и методов оценки точности принимаемых решений.
2. Геотехнологическое - выбор способа разработки месторождения или его части; обоснование оптимальных технологий открытого, подземного и комбинированного способов разработки и области их применения на данном месторождении; разделение месторождения или части месторождения на шахтные, карьерные поля; обоснование производственной мощности горных предприятий, группы шахт, карьеров и последовательности строительства и ввода в эксплуатацию; обоснование технологических схем предприятий в целом, способа вскрытия и движения запасов в шахтном, карьерном поле; обоснование технологических схем и параметров вскрытия, подготовки и отработки отдельных пластов, залежей рудных тел.
3. Технико-экономическое - обоснование критерия оптимальности и установление зависимостей между элементами технологической системы и их стоимостными оценками в связи с научно-техническим прогрессом и развитием социально-экономических отношений в обществе; обоснование целесообразности, масштабов и технологий комплексного освоения ресурсов недр, видов осваиваемых георесурсов, количественных и качественных характеристик получаемой продукции.
Решить любую задачу, в том числе проектную, означает выбрать наилучший способ достижения поставленной цели.
Задача принятия решения возникает только тогда, когда существует цель, которой необходимо достичь, и когда существуют различные альтернативы достижения поставленной цели, а также факторы, ограничивающие выбор способа ее достижения.
Co способами достижения цели (альтернативами) при проектировании освоения недр связаны различные затраты и вероятности, которые не всегда точно могут быть определены, и потому решение приходится нередко принимать в обстановке недостаточной ясности и определенности.
Ограничивающие факторы могут быть экономического, технического и социального характера. К экономическим факторам относятся величины возможных капиталовложений, трудовых или иных ресурсов. К техническим факторам относятся, например, производительность горных машин, расход взрывчатых веществ на отбойку руды и породы, объем и габариты транспортирующего и погрузочного оборудования и т.п. К социальным факторам относятся квалификационный состав и образовательный ценз рабочих кадров, наличие или отсутствие жилищного фонда и системы культурно-бытового обслуживания и т.д.
В настоящее время в науке и технике неоспоримым становится системный подход к исследованию функционирования и к проектированию промышленных предприятий, которые рассматриваются как сложные системы, обладающие комплексом существенных связей и взаимосвязей собственных элементов и подсистем с элементами и подсистемами других сложных систем. Так, например, результаты деятельности горнодобывающего предприятия определяются как природными условиями месторождения и района его расположения, так и экономико-социальной характеристикой территориально-промышленного комплекса или отрасли.
Процесс проектирования, создания и эксплуатации сложных систем связан с необходимостью принятия множества решений как по системе в целом, так и по отдельным ее элементам и подсистемам. При этом все частные решения должны приниматься с позиций системного подхода. Если они не вполне обоснованы или же недостаточно учитывают интересы функционирования системы в целом, то это может привести к большим материальным или иным потерям.
По мере усложнения проектируемых систем усложняется и процесс принятия решений. В таких условиях принятие наилучшего, оптимального решения при проектировании освоения недр может гарантировать лишь использование научных методов, объединяемых теорией принятия решений.
Как научная дисциплина, оснащенная современным математическим аппаратом, теория принятия решений появилась не более 40-50 лет назад и базируется на использовании методов математического программирования, теории игр, теории статистических решений, исследования операций, системного анализа и т.п.
Именно теория проектирования освоения недр призвана соотносить решение горных задач с общими принципами теории принятия решений, с такими, например, как признаки деления задач на однокритериальные (скалярные) и многокритериальные (векторные), статические и динамические, детерминированные и стохастические.
Очевидно, что оптимальные проектные решения в полном смысле этого слова могут быть получены при совместной оптимизации искомых качественных и количественных параметров в единой модели. Однако из-за весьма значительной размерности такого рода задач в области освоения недр (числа искомых параметров и независимых переменных, ограничивающих условий и др.) комплексная оптимизация всех необходимых параметров практически невозможна, да и вряд ли целесообразна, в первую очередь из-за неточности и малой достоверности исходной информации и наших знаний о закономерностях протекания физических процессов в горном массиве или участка литосферы, включающего различные георесурсы.
Поэтому в теории проектирования освоения недр широко развиты итеративные подходы к принятию решений. Один из таких подходов заключается в разбиении большой системы на некоторые подсистемы с учетом минимума связей, локальной оптимизации их параметров и в последующем анализе системы в целом при варьировании параметров подсистем в областях, близких к локальным оптимумам.
Другой подход сводится к представлению задач комплексной оптимизации в виде двух задач - оптимизация качественных параметров (статическая задача), дающая некоторое ограниченное множество вариантов технологической схемы, и последующая оптимизация количественных параметров для отобранных лучших качественно отличных вариантов и их сопоставление с выбором оптимального (динамическая задача).
Однако наличие тесных, в том числе функциональных связей между достаточно большим числом параметров технологических схем предприятия в целом и схем разработки отдельных пластов, залежей, рудных тел делает целесообразным поиск эффективных методов комплексной оптимизации качественных и количественных параметров системы в единой модели при разумном ограничении ее структуры и числа исследуемых переменных.
Основой решений большинства горных проектных задач являются в современных условиях математические, в том числе экономико-математические модели.
Математической моделью в теории проектирования называют приближенное описание какого-либо класса явлений в освоении недр, выраженное в математической форме.
Исследование объектов и явлений с помощью математических моделей называют математическим моделированием. Математическое моделирование является мощным методом познания, управления и прогнозирования.
Математическая модель техногенной геосистемы отображает зависимость ее выходных в конечном счете оптимизируемых параметров от внутренних и внешних факторов. Такую математическую модель пока, как правило, удается получить только для сравнительно простых объектов. Математическое описание процессов в проектируемой геосистеме может быть задано моделью в форме системы уравнений, включающих функции независимых переменных.
Создание модели предполагает прежде всего установление закономерностей связывающих ее элементов. Этот этап требует широких знаний факторов в изучаемой области и глубокого проникновения в их взаимосвязи.
При разработке методов проектирования и расчета параметров горных предприятий приходится оперировать огромным количеством разнородных данных, от точности, надежности и сопоставимости которых прямо зависит точность и надежность проектных решений, а следовательно, и результаты освоения и сохранения недр.
Исходные данные, которыми оперирует теория проектирования, можно разделить на три группы: геологоразведочные, геомеханические и геотехнологические, технико-экономические и социальные.
К первой группе относятся геологическая характеристика района и месторождения, данные о запасах месторождений, количестве, размерах и пространственном размещении рудных тел, руд различного качества и сортности; горнотехническая характеристика условий разработки, физико-механическая и технологическая характеристика руд и вмещающих пород; данные о наличии и характере тектонических нарушений; гидрогеологическая характеристика месторождения и горно-промышленного района и т.д.
Ко второй группе относятся результаты исследований в части, касающейся выбора параметров вскрытия месторождения, систем разработки, основных производственных процессов, комплексной их механизации и т.п., обогатимости руд, исследований грунтов в районе строительства; результаты разведки месторождений местных строительных материалов, источников питьевого и хозяйственного водоснабжения, условий сброса и очистки шахтных и сточных вод; результаты изысканий по размещению отвалов пустых пород, временного складирования бедных и непромышленных руд, хвостохранилищ обогатительных фабрик; результаты изысканий предполагаемых трасс подъездных путей, линий энергоснабжения, инженерных сетей и коммуникаций; данные о географических и метеорологических условиях в районе строительства.
К третьей группе относятся технические нормативные данные, намечаемые показатели производства и директивные данные, технико-экономические показатели по предприятиям-аналогам, технико-экономические показатели различных производственных процессов, нормы выработки и времени, разнообразные расходные нормативы, цены и тарифы на здания, сооружения, оборудование, конструкции, материалы, энергию, топливо и т.д.
К этой же группе относится значительный по объему массив данных социально-экономического характера: развитость инфраструктуры района, наличие и состав производительных сил и т.п.
Математическая модель, связывающая указанные выше многообразные исходные данные в различных вариантах, приводит к ряду задач, исследование которых требует применения соответствующего математического аппарата и вычислительных средств. На заключительном этапе производится согласование результатов реализации модели с практическими или прогнозными данными в пределах точности наблюдений и измерений.
Модели должны обеспечивать универсальность, адекватность и точность расчетов.
Универсальность математической модели характеризуется полнотой отображения в модели свойств реального объекта, существенных для проектирования. Точность модели оценивается степенью совпадения параметров объекта, рассчитанных с ее помощью, со значениями параметров реального объекта. Для моделей широкой универсальности при множестве ситуаций, в которых может быть реализована данная модель, оценку точности модели проводят по результатам ее использования в стандартных ситуациях. Адекватность определяется способностью модели отображать заданные свойства объекта с погрешностью, не превышающей заданную.
Требование экономичности модели (расход вычислительных ресурсов) вступает в противоречие с ее точностью и универсальностью. Чтобы найти приемлемый компромисс, необходимо принимать рациональные пределы точности и универсальности моделей. Например, результаты моделирования размеров целиков или параметров буровзрывных работ следует считать, как правило, предварительными, подлежащими уточнению в процессе эксплуатации по мере уточнения исходных горно-геологических данных. Следовательно, в таких расчетах приемлема относительно невысокая точность (допустимое отклонение 5-10%).
При проектировании горных объектов по способу представления их свойств наиболее экономичными считаются аналитические модели, представляющие собой явные выражения зависимостей выходных параметров от привходящих и внутренних факторов. Однако разработка таких моделей (линейных или нелинейных, непрерывных или дискретных) возможна при принятии существенных ограничений и допущений, которые снижают точность и сужают область адекватности моделей.
Широко используются алгоритмические и имитационные модели, которые по характеру учета инерционности моделируемых процессов могут быть динамическими или статическими, а по степени определенности исходных данных -детерминированными или стохастическими.

---