книги / Строительная геотехнология

3.1. ОБЩИЕПОЛОЖЕНИЯ

Современная практика проектирования строительства подземных сооружений в основном использует традицион­ ный эмпирический подход, основанный на опыте строитель­ ства аналогичных объектов, на данных инженерных изыска­ ний и наблюдений за процессом строительства.

Проектирование строительства подземного объекта осуществляется для каждого конкретного случая индивиду­ ально, в соответствии с основным функциональным назна­ чением, эксплуатационными параметрами и характеристи­ ками вмещающего породного массива. При этом не рас­ сматривается возможность использования проектируемых объектов в новом функциональном качестве в будущем. Вместе с тем в действующих отраслевых нормах проектиро­ вания строительства подземных объектов есть только общие указания на необходимость учета закрепленных в законода­ тельном порядке требований по рациональному и комплекс­ ному освоению недр, однако каких-либо конкретных реко­ мендаций на этот счет не содержится.

От качества проектов непосредственно зависит техниче­ ский и экономический уровень создаваемых объектов, сроки и затраты на их строительство, качество и стоимость выпус­ каемой продукции, материалоемкость и трудоемкость стро­ ительства и эксплуатации, рациональное использование ре­ сурсов. Именно поэтому прогрессивность и экономичность способов работы, а также развитие будущих шахт опреде­ ляются тем, насколько полно в проектах будут учтены пере­ довые достижения горной науки, техники и технологии. Ка­ чество проектных решений в конечном счете оказывает не­ посредственное влияние на конкурентоспособность предп­ риятия в рыночной среде.

В настоящей главе проведен анализ современных мето­ дов проектирования в шахтном и подземном строительстве, а также анализ методов и средств машинного моделирова­ ния, используемых в проектировании.

67

3.2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Проект шахты является основой не только ее работы в период эксплуатации, но и предопределяет всю дальнейшую деятельность шахты, как бы долго она не продолжалась.

Современная угольная шахта является весьма сложной системой взаимоувязанных технологических процессов и комплексов. При этом в связи с развитием техники и совер­ шенствованием процессов и комплексов их взаимоувязка и выбор наиболее оптимального сочетания становятся задачей все более трудоемкой. Кроме того, проектирование уголь­ ных предприятий требует учета большого количества отрас­ левых нормативных документов.

Технологическая система шахты включает набор матери­ альных объектов и информацию об их состоянии. Эта система является управляемой, весьма сложной из-за большого числа элементов и имеет непрерывное развитие. По мнению академи­ ка В.В. Ржевского, существует задача исследования системы на оптимум, т.е. определение такого варианта набора соответст­ вующих элементов и способа их соединения в конкретных ус­ ловиях, при котором ни один другой способ не обеспечивает большей эффективности производства.

Теоретической базой для решения сложных задач проек­ тирования угольных шахт служат работы основоположни­ ков горной науки: академиков Л.Д. Шевякова, А.А. Скочинского, А.М. Терпигорева; профессоров Б.И. Бокия, М.М. Протодьяконова и других ученых.

Заметное развитие теории проектирования угольных шахт достигнуто в результате внедрения в практику про­ ектирования строительства и реконструкции большого числа математических методов: метода градиентов при оптимизации сечений выработок, методов линейного про­ граммирования при оптимизации грузопотоков и распре­ деления добычи, сетевых методов оптимизации порядка выполнения горных работ и др. Выбору оптимальных па­ раметров разработки угольных месторождений подзем­ ным способом на базе применения экономико-математи­ ческих методов посвящены работы академика Н.В. Мель-

68

никова, профессоров А.С. Астахова, Д.Б. Борисова, А.С. Бурчакова, В.И. Голомолзина, П.М. Звягина, Н.И. Ива­ нова, Н.Г. Капустина, А.П. Килячкова, А.М. Курносова, С.М. Липковича, А.С. Малкина, А.М. Найдыша, А.П. Судоплатова, К.И. Татомира и других ученых.

В последние годы возросло внимание к развитию теоре­ тических основ проектирования шахт. Разработаны новые концепции поэтапного проектирования шахт (профессора П.В. Авдулов, А.С. Бурчаков, Б.М. Воробьев, А.С. Малкин, В.Г. Шорин, А.Э. Штединг и другие ученые); оптимизации проектных решений на графах и сетях (профессора Б.М. Во­ робьев, Л.А. Кафорин, С.В. Цой и др.); принятия сложных решений, многокритериальной оптимизации и оценки каче­ ства проектов (профессора О.А. Байконуров, А.С. Малкин, Е.В. Петренко, М.И. Устинов, В.А. Харченко и др.).

Современная шахта представляет собой сложную дина­ мическую вероятностную систему. При заданных горно­ геологических и горно-технических условиях поведение та­ кой системы во времени и пространстве характеризуется протеканием общих производственно-технологических про­ цессов, направленных на добычу угля, локальных процессов и подпроцессов в технологических звеньях, обеспечивающих добычу угля, под влиянием возмущающих факторов, напри­ мер природных условий.

В основу новых подходов к оптимизации параметров шахт при проектировании были положены современные представления о производственно-технологических про­ цессах с учетом структурных особенностей и сложных взаимосвязей.

А.С. Бурчаковым, Б.М. Воробьевым, А.С. Малкиным разработан метод поэтапного динамического программиро­ вания и синтеза новых технологических схем, которые учи­ тывают взаимосвязь и структурные особенности проектных решений и технологических схем при системном подходе.

В работе Ю.О. Золотдиновой разработана методика ав­ томатизированного формирования эффективных вариантов технологической схемы шахты для условий Донбасса и по­ следующей оптимизации количественных характеристик

69

схем вскрытия, подготовки и отработки шахтного поля или его части на пологих и наклонных пластах тонких и средней мощности. Она позволяет определить и обосновать техниче­ ские и технологические решения при проектировании новых шахт, реконструкции действующих, проектировании новых горизонтов, частей шахтного поля и выемочных участков в указанных условиях. Отбор уровней и элементов для постав­ ленной в работе задачи формирования вариантов тех­ нологических схем шахты произведен на основе классифика­ ции технологических схем шахт, предложенной А.С. Бурчаковым и Ю.А. Жежелевским.

Ю.В. Бограчевым предлагается выбор технических ре­ шений при конструировании рациональных технологиче­ ских схем выемочных участков осуществлять по интеграль­ ному критерию — качеству технологических схем и их эле­ ментов. Базой для проектирования всех возможных вари­ антов технологических схем является система функциональ­ ных элементов этих схем, увязывающих основные процессы на выемочном участке. Система состоит из 300 элементов, объединенных в 42 уровня. Для условий шахт Центрального района Донбасса автором разработан алгоритм и реали­ зующий его комплекс программ оптимального конструиро­ вания технологических схем выемочных участков с учетом применяемых средств механизации и способов ведения ра­ бот, исходя из реальных возможностей шахты. Решение за­ дачи с помощью указанного алгоритма предусматривает на­ хождение оптимального пути на графе и использование комплексного показателя уровня качества технологических схем в качестве критерия, который связан с экономическими показателями через коэффициенты весомости единичных показателей качества и учитывает безопасность работ по добыче угля.

А.С. Бурчаковым, В.А. Харченко, Л.А. Кафориным предлагается метод конструирования и отбора качественных параметров шахты. Основная идея состоит в морфологиче­ ском анализе возможных технологических схем шахты на основе экспертных оценок и теории принятия решений. В ре­ зультате реализации процедуры морфологического анализа

70

выбираются наиболее перспективные конструкции, которые затем подвергаются дальнейшему анализу на основе стати­ ческого экономико-математического моделирования. Фор­ мирование статических моделей осуществляется по методу, разработанному Л.А. Кафориным. Основная идея предла­ гаемого метода состоит в разделении процесса синтеза на два этапа. На первом, предварительном, этапе происходит формирование всевозможных стандартных элементов и за­ пись информации в так называемый базовый массив. Каж­ дый элемент несет информацию о своем качественном со­ держании и характеризуется определенным значением целе­ вой функции.

На втором этапе осуществляется собственно синтез раз­ личных вариантов систем вскрытия из конструктивных эле­ ментов базового массива. Информация о структуре системы вскрытия заносится в вариантный массив, формирующийся путем выбора из базового массива только тех конструктив­ ных элементов, которые входят в анализируемый вариант.

Л.С. Петренко разработал классификации элементов технологической схемы выемочного участка для горно­ геологических условий залегания пологих пластов Донбасса, являющиеся дальнейшим развитием методов оптимального конструирования технологических схем выемочных участ­ ков. Пять основных подсистем: подготовка и система разра­ ботки, проведение и проветривание выработок, очистные работы, основной и вспомогательный транспорт — включа­ ет в себя предложенная автором схема систематизации.

Ю.А. Плакиткиным разработан метод установления ра­ зумного сочетания технических, технологических элементов и количественных параметров технологических схем с ком­ плексом мероприятий для исключения отрицательного влия­ ния горно-геологических факторов, позволяющий осуществ­ лять основные и вспомогательные процессы подземной до­ бычи угля с большей эффективностью.

А.Е. Евтушенко рассматривает шахту как открытую систему, связанную с внешней средой. Такая трактовка сис­ темы необозрима для наблюдателя и в пространстве, и во времени, и в любых других координатах. Такой объект рас-

71

сматривают по частям, строя его подсистемы по иерархиче­ ским уровням.

Применительно к угольной шахте автор выделяет не­ сколько подсистем:

♦технологическую, которая характеризуется следую­ щими понятиями и показателями — число действующих очистных забоев и разрабатываемых пластов, протя­ женность горных выработок, схемы вскрытия и подго­ товки шахтного поля, система разработки, способ управления горным давлением в лаве, длина столба, длина лавы, годовая мощность шахты, подвигание очи­ стных забоев, площадь поперечного сечения выемочных выработок и т.д.;

♦горно-геологическую со следующими характеристика­ ми — мощность и угол падения пластов, марка угля, свойства пород, гипсометрия почвы пластов, водоприток, глубина залегания пластов, газовыделение, прочно­ стные свойства угля и т.д.;

♦организационную, которая включает следующие пара­

метры — режим рабочего дня и работы шахты, число рабочих дней в году, ритмичность производства, опера­ тивность управления, простои и т.д.;

♦экономическую — число рабочих, производительность труда, эксплуатационные и капитальные затраты, себе­ стоимость угля, стоимость основных фондов, рента­ бельность, плата за природные ресурсы, прибыль, цена на уголь, оборотные средства и т.д.;

♦природную, которая характеризует составные части биосферы до возникновения производственного объекта

ипосле, безопасные дозы воздействия и необходимые затраты.

Л.А. Пучков и В.Д. Аюров к сложной системе относят

выемочный участок — главное технологическое звено угольной шахты. Целостная совокупность физически разно­ родных и разномасштабных горно-технологических процес­ сов выемочного участка представляет собой открытую дис­ сипативную систему, которая цикловариантно обменивается

72

с окружающей средой энергией, веществом и информацией и существование которой возможно только за счет реализации принципа минимума диссипации.

Этот синергетический момент приобретает особую акту­ альность с ухудшением горно-геологических условий функ­ ционирования выемочных участков, так как сужающаяся область их гомеостазиса как диссипативных систем увеличи­ вает вероятность возникновения их катастроф.

В рамках разработки такой концепции авторами были поставлены и решены две крупные задачи.

1.Разработана модель целостной совокупности разно­ масштабных и физически разнородных горно-технологичес­ ких процессов выемочного участка и выявлены закономер­ ности их самоорганизации.

2.Разработан адаптационный механизм поддержания гомеостазиса выемочного участка как целостной совокупно­ сти горно-технологических процессов.

Опираясь на достижения в области теории принятия

сложных решений на метод многокритериальной оптимиза­ ции по норме векторов, А.С. Малкиным и Е.Н. Тучковым разработан метод интегральной оценки качества выполнен­ ных проектов угольных шахт, который авторы назвали «методом суммарных среднеквадратичных отклонений». С учетом неодинаковой народнохозяйственной значимости ча­ стных показателей оценки все показатели проектов шахт разделены на три группы: горно-геологические, производст­ венно-технические и экономические.

3.3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГОРНО-РУДНЫ Х ПРЕДПРИЯТИЙ

Научные принципы проектирования горно-рудных предприятий впервые были сформулированы проф. Н.И. Трушковым.

Огромный вклад в теорию таких важнейших задач про­ ектирования рудников, как определение их производствен­ ной мощности, параметров вскрытия и подготовки, высоты

73

этажа, выбора и оценки систем разработки, обоснование ус­ ловий рационального использования недр и многие другие сделал академик М.И. Агошков.

Многие проблемные вопросы проектирования подзем­ ных работ в увязке с горным давлением рассмотрены в тру­ дах чл.-корр. РАН Д.М. Бронникова и академика РАН Е.И. Шемякина, проф. С.Г. Борисенко, проф. Н.З. Галаева и др.

Большой вклад в решение ряда проблем проектирования рудников внесли чл.-корр. РАН Д.Р. Каплунов, профессора В.Е. Абрамов, Н.З. Галаев, И.В. Дементьев, Н.В. Дронов, Н.Х. Загиров, В.Р. Именитов, А.А. Кавтаськин, И.А. Кова­ лев, Е.И. Панфилов, И.М. Панин, А.А. Петросов, В.А. Си­ маков, М.Н. Цыгалов и многие другие.

Огромный вклад в теорию проектирования, в частности, в разработку принципов динамического программирования, научных основ проектирования, научных основ управления качеством, унификации горных чертежей и др. внесли акаде­ мики: Н.В. Мельников, В.В. Ржевский, К.Н. Трубецкой, чл.- корр. РАН В.Л. Яковлев, профессора А.И. Арсентьев, Ю.И. Анистратов, Ж.В. Бунин, В.А. Шестаков, Ф.Г. Грачев, М.А. Ревазов, С.С. Резниченко, Г.Г. Ломоносов, В.Н. Мосинец, Г.В. Секисов, В.С. Хохряков, В.А. Щелканов, Б.П. Юматов. Эти принципы одинаково применимы как на открытых, так и на подземных работах.

Наиболее широко в практике проектирования рудников применяются следующие основные методы решения техни­ ческих и технико-экономических задач:

♦принятие решения на основании директивных указа­ ний;

♦метод вариантов;

♦методы специальных производственных или лабора­ торных экспериментов;

♦метод аналогий;

♦методы моделирования технологических, конструк­ тивных и архитектурно-строительных решений;

♦аналитические;

♦графический и графоаналитический;

74