Установление параметров геосистем в теории проектирования освоения недр

Теория проектирования освоения недр объединяет и развивает как традиционные, так и новые методы установления параметров и расчета конструкций отдельных горных объектов и техногенных геосистем в целом.
К традиционным относятся методы: вариантов, аналитический (математического моделирования), графический и графоаналитический, логических инженерных решений, обобщения и анализа передового опыта, аналогий, интерполяции, экстраполяции и прогнозирования, а также лабораторных и промышленных экспериментов, натурного или физического моделирования. Традиционные методы по мере накопления опыта и углубления исследований уточняются, математизируются и могут быть частично использованы при автоматизированном проектировании.
К новым методам, получившим развитие в последнее время в связи с совершенствованием и расширением использования ЭВМ, относятся прежде всего методы математического программирования, являющиеся частью сравнительно молодой отрасли наук - исследования операций. Задачи математического программирования состоят в отыскании значений параметров, обеспечивающих экстремум целевой функции (критерия эффективности) при наличии ограничений, наложенных на ее аргументы. Задачи эти применяются для оптимизации решений, представляющих собой совокупность множества элементов решения (параметров), в условиях комплекса действующих ограничений.
Характерной особенностью задач математического программирования в условиях неопределенности является то, что они дают не одно определенное, а целую область приемлемых решений для окончательного эвристического выбора.
Метод вариантов как непосредственное технико-экономическое сравнение альтернатив до настоящего времени является одним из наиболее распространенных. Его широко используют для решения таких проектных задач, как выбор схемы, глубины первой очереди и шага вскрытия, выбор схемы подготовки, обоснование выбора системы разработки, оптимизация параметров очистных блоков (панелей) и основных производственных процессов очистной выемки, а также выбор местоположения промплощадки рудника, трассы подъездных путей и т.п.
Метод вариантов включает:
- тщательный отбор технически возможных в данных условиях вариантов проектного решения; отбор вариантов в две стадии: предварительно укрупненно оценивать максимальное число вариантов, из них отбирать минимальное, но достаточное число вариантов для детального технико-экономического сравнения;
- тщательный анализ и отбор исходных данных, от которых зависит точность решения проектной задачи;
- выбор наиболее достоверного критерия сравнения;
- учет при сравнении лишь существенных затрат и доходов;
- сопоставимость вариантов по фактору времени.
Метод вариантов является одним из наиболее достоверных и наглядных. Он позволяет сравнивать весьма сложные варианты геотехнологии, которые либо не поддаются аналитическому описанию, либо требуют создания чрезвычайно сложных и трудноанализируемых алгоритмов решения. Причем практически любое аналитическое описание сложного объекта подразумевает более или менее значительное его упрощение, тогда как метод вариантов позволяет избежать такого упрощения, учесть все значительные влияющие факторы. С его помощью можно количественно оценить некоторые факторы качественного характера, не поддающиеся непосредственной экономической оценке.
Выбор оптимального варианта определяется, как правило, не однозначно, а по области оптимальных решений принятого критерия сравнения. Ширина этой области характеризуется как основными технико-экономическими параметрами сравниваемых вариантов, так и точностью повариантных расчетов.
В практике проектирования принято считать экономически равноценными все варианты, разница в затратах между которыми не превышает 5-10 %. Однако некоторые специалисты считают, что при оценке общерудничных параметров равноценными следует считать такие варианты, по которым затраты, себестоимость или рентабельность отличаются не более чем на 1-2 %.
Недостатком метода вариантов является большая трудоемкость и громоздкость расчетов. Однако этот недостаток частично может быть нивелирован при использовании ЭВМ.
Область применения этого метода ограничивается возможностью или невозможностью получения достоверных исходных данных для расчетов, особенно при определении влияния тех или иных факторов на экономические показатели объекта проектирования. При использовании же прогнозных, вероятностных исходных данных точность результатов метода вариантов может быть сохранена только при соответствующем математическом обеспечении.
Аналитический метод (математическое моделирование) заключается в получении расчетных зависимостей теоретическим, эмпирическим путем или статистической обработкой практических данных и в нахождении искомой неизвестной величины подстановкой в формулу исходных значений известных параметров. Расчетная формула представляет собой в данном случае математическую модель проектируемого объекта, откуда и пошло второе название аналитического метода.
Установленные вышеописанными способами расчетные зависимости считают непрерывными функциями, иногда условно. Эти зависимости могут быть различного характера, в том числе и экстремальными, обладающими минимумом и максимумом значения функции.
Метод заключается в однократной или многократной реализации модели и получении искомого единичного значения функции или серии таких значений, позволяющих исследовать характер влияния различных параметров на результат моделирования.
Аналитический метод получил достаточно широкое распространение благодаря своим достоинствам: малой трудоемкости и быстроте решения задач в сравнении с методом вариантов; относительной простоте подготовки исходных данных, число которых ограничено; возможности исследования влияния различных факторов на результат проектирования путем многократной реализации математической модели; возможности использования для математического моделирования вычислительной техники, повышающей скорость и точность вычислений.
Однако получение аналитических зависимостей подразумевает неизбежное упрощение описываемых ими явлений или процессов, что обусловливает снижение точности получаемых результатов. Использование быстродействующих ЭВМ в принципе позволило усложнить математические модели и тем самым повысить точность описания моделируемых объектов. Ho при этом необходимо помнить, что детальность модели должна соответствовать точности исходных данных.
Если исходные данные неточны, то бессмысленно разрабатывать весьма сложные математические модели и применять весьма тонкие и глубокие методы оптимизации их параметров, так как конечные результаты все равно будут приблизительными и потребуют дальнейшего уточнения. Таковы, например, расчеты размеров камер и целиков, состава закладки и т.д.
Графический метод решения проектных задач путем графических построений обладает простотой и наглядностью. Он применяется, например, для определения границ зоны сдвижения на поверхности, построения контуров охранных целиков, поперечных сечений выработок и т.п. Чаще, однако, он используется совместно с аналитическим и тогда приобретает необходимую универсальность.
Графоаналитический метод широко применяется для исследования и оптимизации параметров процессов, не поддающихся сравнительно простому аналитическому описанию, а также в случаях, когда объект проектирования не может быть описан непрерывной функцией или рассматривается в динамической постановке.
Метод состоит в вычислении ряда значений искомого параметра при различных значениях влияющих факторов, обычно не менее четырех - пяти; нанесении полученных расчетных точек на график в соответствующей системе координат и их соединении плавной кривой, полагая условно искомую функцию непрерывной. При необходимости кривую можно описать аналитически с использованием строгих математических методов (например, метода наименьших квадратов), таким образом, будет получена эмпирическая зависимость.
Если полученная кривая имеет экстремальный характер, то ее исследуют на максимум-минимум с использованием графических построений. Как правило, при этом оптимальное значение влияющего фактора находится в диапазоне оптимальных значений. Ширина диапазона определяется характером и допустимой погрешностью в расчетах.
Графоаналитический метод соединяет в себе достоинства графического и аналитического методов - простоту, наглядность и возможность математического анализа влияния различных факторов на конечный результат. При этом исключается необходимость в сложном аналитическом описании исследуемых объектов до начала этих исследований. Однако для получения локальных зависимостей приходится вести повариантные расчеты со всеми присущими этому методу трудностями.
Графоаналитический метод применяется во многих оптимизационных расчетах, например, при обосновании производственной мощности рудника, выборе схем вскрытия, оптимизации высоты этажа, параметров доставки и буровзрывных работ и др.
Исследования в рамках теории проектирования отдельных горных объектов и техногенных геосистем, их взаимодействия с природными геосистемами привели к выявлению целого ряда закономерностей и установлению принципов решения задач освоения недр, ставших со временем «каноническими». Таковы методы обоснования основных геометрических и технико-экономических параметров горных предприятий. К их числу относятся такие важнейшие, как размеры и конфигурация шахтных полей и выемочных участков месторождений, горнотехнические возможности и интенсивность эксплуатации месторождений, системы разработки, производственная мощность горных предприятий.
Уже в 20-е годы прошлого века определилась ведущая роль экономики в проектировании горных предприятий. К этому времени сложилось представление, что для гарантии правильности и выгодности принимаемых решений технические и экономические вопросы должны рассматриваться совместно, во взаимосвязи. При этом важную роль приобрели так называемые стоимостные параметры, т.е. затраты на выполнение единицы различного вида работ: проведения, поддержания 1 м или 1 м3 выработки, транспортирования 1 т полезного ископаемого на 1 км расстояния и т.д.
Стоимостные параметры представляются в виде формул, отражающих затраты на единицу работы или на работу (объект) в целом в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий ее выполнения. Качественные различия в характеристиках работ (для выработок - тип крепи и способ проведения, для транспорта - тип оборудования и т.д.) отражаются соответствующими отдельными зависимостями. Для построения зависимостей стоимостных параметров используются методы математической статистики, в частности регрессионного анализа, а в качестве исходной информации - натурные или проектные данные по видам работ.
Издавна сложилось представление о шахте как о большой технологической системе, состоящей из комплекса взаимосвязанных подсистем и элементов, принятие решений по каждому из которых требовало учета связей между ними и совместного влияния на общую экономическую оценку проекта.
Однако попытки объединения математических моделей отдельных элементов - видов работ и более крупных подсистем в единую комплексную экономико-математическую модель для совместного рассмотрения всех взаимосвязанных проектных решений привели к значительным сложностям, в первую очередь вычислительного характера.
Развитие электронно-вычислительной техники и внедрение ЭВМ новых поколений в практику научных исследований и проектных работ наряду с развитием математического программирования позволило подойти к решению задач оптимального проектирования с новых позиций, реализация которых определилась возможностью многократного повышения быстроты расчетов и, следовательно, числа анализируемых проектных вариантов и их модификаций. Создались условия для повышения точности результатов расчетов и обоснованности методов проектирования.
В результате появились экономико-математические модели горных предприятий, позволяющие совместно оптимизировать комплекс проектных решений по обоснованию производственной мощности предприятия, размеров шахтного (карьерного) поля, схем вскрытия и подготовки месторождений, систем разработки, схем проветривания и т.д.
Разнообразие горно-геологических условий и типов проектируемых шахт привело к разработке множества экономико-математических моделей, отвечающих определенным целям - оптимизации проектных решений для специфических условий Донецкого, Криворожского, Кузнецкого и других угольных и рудных бассейнов.
Однако проблема создания универсальных комплексных экономикоматематических моделей до сего времени не получила, а может быть, в силу природы описываемых явлений и не может получить должного решения.
Поэтому при разработке алгоритмов оптимизации моделей как для комплексных задач, так и для частных стали применяться и затем получили распространение методы математического программирования - линейного, нелинейного, динамического и др.
Использование этих методов в решении преимущественно научных задач создали основу становления и развития одного из прогрессивных направлений -системы автоматизированного проектирования шахт, рудников и карьеров (САПР).
В САПР как системе, учитывающей комплексность задачи оптимизации и взаимосвязанность параметров технологических схем, реализуется идея анализа задачи оптимального проектирования в многовариантной постановке. Целью создания организационно-технической системы САПР было повышение качества и обоснованности проектных решений, но не путем их автоматического получения, а реализации человеко-машинной системы. В этой системе человек-проектировщик по ходу выполнения расчетов по отдельным подсистемам имеет возможность вмешиваться в процесс и на различных этапах анализировать результаты с учетом взаимосвязей качественных и количественных параметров.
Наибольшее развитие получила автоматизация проектирования открытых разработок из-за их сравнительной технологической простоты. Уровень автоматизации проектирования в отдельных случаях достигает здесь 30-35 %. В проектировании подземной разработки уровень автоматизации существенно ниже, причем в большей степени разработаны теоретические основы и ряд практических задач проектирования угольных шахт.
С точки зрения проектирования подземные рудники относятся к наиболее сложным объектам. Помимо недостаточной определенности исходных знаний о предмете разработки - месторождении, сложности и разнородности структуры предприятий, динамизма во времени и пространстве, малодоступного для контроля закрытого характера производства, подземные рудники как объекты проектирования характеризуются еще и многообразием возможных технических решений по каждому разделу проекта и всему их комплексу в целом. При этом очень часто преимущества одних проектных вариантов перед другими неочевидны, а порой и труднодоказуемы.
В таких условиях наиболее целесообразным в настоящее время оказывается многовариантное автоматизированное проектирование с поэтапной оптимизацией промежуточных решений на базе автоматически формируемых возможных в заданных условиях структур технологических схем и соответствующих им экономико-математических моделей с последующим выбором наилучшей из них по принятым критериям.
Проектам горных предприятий свойствен принципиальный и трудно преодолимый недостаток - создаваемые сегодня, в век ускоренного научно-технического прогресса, проекты реализуются в отдаленном будущем (для рудников нередко через 10 лет и более от момента начала проектирования). Значит, базируя проектные решения даже на самом передовом, современном опыте, нельзя рассчитывать, что предприятие, построенное по такому проекту, будет передовым и в будущем.
Сложность заключается еще в том, что рудники как производственная система обладают рядом статичных, инерционных элементов, плохо поддающихся корректировке, изменению в будущем (например, местоположение промплощадки, число и параметры вскрывающих выработок и т.д.). Причем такая корректировка в будущем связана, как правило, с большими затратами (проходка новых выработок и изменение сечения существующих при переходе рудника на новые виды оборудования и т.п.).

---