Системный анализ многомерных альтернатив вторичного использования отработанных горных выработок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Левкина, Светлана Юрьевна

• Левкина, Светлана Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Левкина, Светлана Юрьевна

Введение

Глава 1. Исследования проблемы использования отработанных подземных горных выработок вторично.

1.1. Исследование проблем вторичного использования отработанных 9 подземных горных выработок.

1.2. Актуальность разработки, цели и задачи нового подхода к 15 определению оптимального направления использования отработанных подземных горных выработок вторично.

Выводы к главе

Глава 2. Разработка нового подхода для определения направления варианта вторичного использования отработанной подземной горной выработки

2.1. Анализ факторов, влияющих на выбор варианта использования 27 отработанной подземной горной выработки.

2.2. Формирование набора факторов для оценки выбора варианта использования отработанной подземной горной выработки.

2.3. Определение значимых факторов, влияющих на выбор варианта 33 использования отработанной подземной горной выработки.

2.4 Оценка влияния выбранных факторов и фактора устойчивости на 36 технологическое состояние подземной горной выработки.

2.5 Оцифровка значений качественных факторов 42 Выводы к главе

ГЛАВА 3. Разработка модели, метода и алгоритма для определения напряженного состояния породного массива, окружающего подземную горную выработку, 50 и определение напряженного состояния отдельной горной выработки

3.1 Анализ основных подходов и методов для определения напряженного состояния подземной горной выработки.

3.2. Разработка модели и нового метода для решения задачи 64 определения напряженного состояния всего породного массива и отдельно взятой выработки.

3.2.1 Модельный мониторинг устойчивость горных выработок по 76 средним напряжениям и деформациям.

3.2.2 Модельный мониторинг устойчивости горных выработок по 81 напряжениям в структурно-оставляющих мономинеральных горных пород \

3.3 Разработка алгоритмов для определения напряженного состояния 83 всего породного массива и напряжения на контуре горной выработки.

3.4 Расчет напряженного состояния вокруг выработки в породном 88 массиве и на контуре горной выработки.

Выводы к главе

ГЛАВА 4. Разработка моделей и алгоритмов для определения многомерных альтернатив вариантов вторичного использования отработанных подземных горных выработок.

4.1.1 Анализ основных подходов и методов для решения задач 96 многокритериальной оптимизации.

4.1.2. Разработка модели и метода для решения задачи 101 многокритериальной оптимизации определения варианта использования отработанной подземной горной выработки.

4.1.3. Выбор метрики для отбора оптимальным вариантом вторичной 111 эксплуатации отработанной подземной горной выработки

4.1.4 Разработка алгоритма для определения оптимального варианта 120 использования отработанных подземных горных выработок вторично для формализованных факторов.

4.2. Разработка модели, метода и алгоритма для обработки данных по 125 неформализованным факторам, позволяющие определить многомерные альтернативы по выбору направления вторичного использования подземной горной выработки.

4.3. Разработка инструментальных средств определения варианта 130 вторичной эксплуатации отработанных подземных горных выработок, пакета прикладных программ «Пантера»

Выводы к главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системный анализ многомерных альтернатив вторичного использования отработанных горных выработок»

Актуальность работы

В настоящее время в горной промышленности всего мира, и России в том числе, существует проблема оптимального использования отработанного подземного пространства, не участвующего в технологическом процессе предприятия. При исчерпании ресурса полезного ископаемого в большинстве случаев шахты или рудники признаются нерентабельными, и эти горные выработки подлежат обрушению или затоплению. Однако мировой опыт многих стран показывает, что целесообразнее отработанные горные выработки использовать вторично. Использование подземных горных выработок, не участвующих в добыче полезного ископаемого, может дать существенный доход горнодобывающему предприятию, в котором ресурс полезных ископаемых уменьшается.

В большинстве случаев горнодобывающие предприятия, предприятия являются градообразующими, что создаёт социальную напряженность в регионах. Всё это предопределяет необходимость поиска новых технологических решений по освоению ресурсного потенциала закрываемых шахт. Одним из таких решений является вторичное использование отработанных подземных горных выработок.

Эффективность вторичной эксплуатации подземного пространства, заключается в следующем: относительно стабильные климатические характеристики (температурно-влажностный режим); изолирование пространства от разного рода поверхностных воздействий (шум, вибрация, радиоактивность и т.д.); относительная герметичность, а также способность удерживать тепловую и другие виды энергии; влияние объекта, расположенного под землей, на окружающую среду значительно ниже и в лучшей степени может контролироваться; подземные здания практически не требуют затрат на внешнюю отделку, служат на порядок дольше по времени и требуют гораздо более низких эксплуатационных затрат, чем поверхностные; подземное пространство в ряде случаев легче осваивать, чем поверхностное.

Для отработанных подземных горных выработок можно предложить огромное количество вариантов эксплуатации. Поэтому одним из главных вопросов вторичного использования отработанных горных выработок является выбор варианта их использования. Однако при реализация выбранного направления использования можно столкнуться с рядом серьезных рисков в области безопасности, одним из которых является потеря устойчивости выработки. Вследствие этого одним из важнейших факторов для оценки возможности вторичного использования отработанной подземной горной выработки является прогноз ее устойчивости.

Значительный вклад в изучение вопросов вторичной эксплуатации отработанных подземных горных выработок внесли видные российские и зарубежные ученые, такие, как Deffaut P.,Marin G., Woodard D., Ярунин C.A., Малкин A.C., Пучков JLA., Иофис М.А., Попов В.Н., Закоршменный И.М., Абрамкин Н.И., Шищиц И.Ю.

Цель данного научного исследования заключается в разработке нового подхода для определения направления вторичного использования подземных горных выработок, учитывающего основное свойство породного массива и отдельной горной выработки — устойчивость, а также влияние основных значимых и слабоформализованных факторов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: анализ проблемы вторичной эксплуатации подземных горных выработок; определение формализованных и неформализованных факторов, влияющих на пригодность выработки для вторичной эксплуатации; определение наиболее значимых факторов, характеризующих состояние горной выработки, и выявление основных взаимосвязей между ними; разработка модели, метода и алгоритма для определения напряженного состояния породного массива, окружающего подземную горную выработку, и определение напряженного состояния отдельной горной выработки; разработка моделей и алгоритмов для определения многомерных альтернатив вариантов вторичного использования отработанных подземных горных выработок с учетом устойчивости, а также формализованных и качественных неформализованных факторов; разработка модели, метода и алгоритма решения задачи многокритериальной оптимизации определения направления вторичного использования отработанных подземных горных выработок; разработка инструментальных средств для определения варианта вторичного использования подземной горной выработки и ее устойчивости.

Идея работы заключается в системном анализе совокупности факторов, характеризующих состояние отработанной горной выработки, определении их взаимосвязей и взаимовлияния, выделении главного и наиболее значимых факторов, что позволяет, в отличие от существующих подходов, определить многомерные альтернативы по применению выработок, не участвующих в технологическом процессе предприятия, для вторичного использования.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1.Определены наиболее значимые формализованные и неформализованные факторы, позволяющие оценить подземную горную выработку, не участвующую в технологическом процессе горного предприятия, для вторичного использования.

2,Определен основной параметр — устойчивость, описывающий упругие свойства породного массива, с учетом особенностей его внутреннего строения, а также влияющий на выбор варианта использования подземной горной выработки для вторичной эксплуатации.

3.Разработан метод, позволяющий определять устойчивость породного массива и горных выработок с целью возможности использования подземной горной выработки для вторичной эксплуатации.

4.Разработаны модели, методы и алгоритмы для обработки данных по формализованным и неформализованным факторам, позволяющие определить многомерные альтернативы по выбору направления вторичного использования подземной горной выработки, не участвующей в технологическом процессе горного предприятия.

5.Разработан новый подход определения направления варианта вторичного использования отработанной подземной горной выработки, учитывающий структурно-текстурные особенности породного массива и включающий в себя модели и методы многокритериальной оптимизации.

6. Разработаны инструментальные средства определения варианта вторичного использования отработанных подземных горных выработок, учитывающие устойчивость породного массива и горной выработки, а также влияние формализованных и неформализованных факторов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается корректным использованием методов компьютерного моделирования, факторного анализа, определения напряженного состояния в породном массиве и на контуре горной выработки, положительными результатами экспериментального моделирования, а также разработанного и внедренного на предприятии пакета прикладных программ .

Научная значимость работы состоит в разработке нового подхода определения пригодности отработанной подземной горной выработки для вторичной эксплуатации; отличающегося от существующих тем, что он базируется на определении главного параметра породного массива, описывающего упругие свойства массива, с учетом особенностей внутреннего строения, а так же впервые учитывающим влияние формализованных и слабоформализованных факторов на выбор возможного направления вторичной эксплуатации выработки.

Практическая значимость работы состоит в разработке алгоритмов и пакета прикладных программ, позволяющего определить оптимальные варианты использования отработанной подземной горной выработки для вторичной эксплуатации с учетом устойчивости выработки, что дозволит более эффективно использовать технологическое пространство закрываемых шахт.

Реализация и внедрение результатов. Разработанный 111111 «Пантера» внедрен на ЗАО Фирма «Крот и К». Разработанные модели и методы обработки данных используются в учебном процессе для подготовки специалистов и магистров по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника» специальности 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МГГУ, включены в разделы дисциплин: теория принятия решений, проектирование АСОДиУ, системный анализ и исследование операций.

Апробация работы. Основные результаты диссертации и ее отдельные положения докладывались на семинарах кафедры АСУ МГГУ и международных симпозиумах «Неделя горняка» (2007 — 2010 гг., Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 102 наименований, содержит 158 страниц, 20 таблиц и 36 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Левкина, Светлана Юрьевна

Выводы по главе 4

1. Разработаны модели, методы и алгоритмы для обработки данных по формализованным и неформализованным факторам, позволяющие определить многомерные альтернативы по выбору направления вторичного использования подземной горной выработки, не участвующей в технологическом процессе горного предприятия.

2. Разработан новый подход определения направления варианта вторичного использования отработанной подземной горной выработки, учитывающий структурно-текстурные особенности породного массива и включающий в себя модели и методы многокритериальной оптимизации факторов многомерных альтернатив.

3. Разработаны инструментальные средства определения варианта вторичного использования отработанных подземных горных выработок, учитывающие устойчивость породного массива и горной выработки, а также влияние формализованных и неформализованных факторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе представлено теоретическое и практическое решение актуальной научной задачи по определению пригодности отработанной подземной горной выработки для вторичной эксплуатации и выбору варианта ее использования на основе разработки метода расчета напряженного состояния подземной горной выработки с учетом структурно-текстурных особенностей, формализованных и неформализованных факторов.

Основные научные и практические выводы, полученные автором в ходе выполнения работы:

1. Выявлены наиболее значимые факторы выбора направления вторичного использования подземной горной выработки, не участвующей в технологическом процессе предприятия.

2. Установлен главный значимый фактор - устойчивость - как основной, определяющий напряженное состояние подземной горной выработки.

3. Разработан новый метод оценки напряженного состояния горного породного массива, который, в отличие от существующих, позволяет рассчитать как напряженное состояние породного массива в целом, так и напряженное состояние на контуре отдельной горной выработки с учетом структурно-текстурных особенностей горных пород и породного массива.

4. Разработан новый подход, включающий модели и алгоритмы определения устойчивости как всего породного массива в целом, так и отдельной горной выработки, а также модели и алгоритмы определения направления использования подземных горных выработок для вторичной эксплуатации с учетом устойчивости породного массива, формализованных и неформализованных факторов.

5. Решена задача многокритериальной оптимизации, позволяющая определять наборы многомерных альтернатив использования подземной горной выработки на базе метода разумных целей (МРЦ) и взвешенной метрики Чебышева.

6. Разработаны инструментальные средства для определения вторичного использования подземных горных выработок, реализующие новый подход при выборе варианта вторичной эксплуатации подземной горной выработки, не участвующей в технологическом процессе предприятия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Левкина, Светлана Юрьевна, 2010 год

1. Реструктуризация угольной промышленности (Теория. Опыт. Программы) //Малышев Ю.Н., Зайденварг В.Е., Зыков В.М. и др. ; Под. ред Малышева Ю.Н. -М.: Компания «Росуголь» 1996.-е.

2. Килимник В. Г., Хлапенов JI. Е. Особенности реструктуризации угольных отраслей России, Украины и Казахстана (аналитический обзор). М.: «Недра комыоникейшне, ЛТД».-2002. 47 с

3. Угольная промышленность Российской Федерации в 1998-2005 г. (том 1, ИДИ). -М.: Росинформуголь. 1999-2006 гг.

4. Калыгин В. Г. Промышленная экология. Курс лекций. М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. - 240 с. .

5. Швецов П.Ф., Зильберборд А.Ф., Папернов М.М. Подземное пространство и его освоение. — М.: Наука, 1992. — 196 с.

6. Папернов М.М., Зильберборд А.Ф. Производственные и складские объекты в горных выработках. М.: Стройиздат. 1984. - 187 е.: ил.

7. Hughes D.S., Ryan V.J. Possibilities for archives and other safe storage underground subsurface space. Environmental protection, low cost storage, energy saving program. Rockstore'80, International Symposium, 1980

8. Srauffer T.P. Kansas City's use of limestone mines for business, industry and storage.- In Proceedings of the First International Symposium on Proceedings Storage in Excavated Rock Caverns lsr. Stockholm, 1977. pp. 167-171.

9. Динник A.H. Статьи по горному делу. M., Углетехиздат, 1957.

10. Орловский С. А. Проблемы принятия решений при нечёткой исходной информации. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981.

11. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. Перевод с английского Н. И. Ринго. / Под редакцией Н. Н. Моисеева и С. А. Орловского. М.: Издательство "Мир", 1976.

12. Нечёткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта. / А. Н. Аверкин, И. 3. Батыршин, А. Ф. Блишун, В. Б. Силов, В. Б. Тарасов; Под ред. Д. А. Поспелова. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.

13. Орловский С. А. Проблемы принятия решений при нечёткой исходной информации. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981.

14. Трахтенгерц Э. А. Компьютерная поддержка принятия решений. М.: СИНТЕГ, 1998.

15. Трахтенгерц Э. А. Методы принятия решений при компьютерном моделировании. Труды Института проблем управления РАН. Том 2. -М.: Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, 1999.

16. Савин Г.Н. Распределение напряжений около отверстий. М., Наука, 1968.

17. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. М., Недра, 1975.

18. Феннер Р. Исследование горного давления. В кн.: Вопросы теории горного давления. М., Госгортехиздат, 1961. с. 5-59.

19. Лабасс А. Давление горных пород в угольных шахтах. В кн.: Вопросы теории горного давления. М., ГНТИ, 1961.

20. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. М., Углетехиздат, 1954.

21. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок. М., Наука, 1969. 7

22. Штойер Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления .и приложения: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1992.

23. Ершов Л.В., Максимов В.А. Введение в механику горных пород. М., Недра, 1976.

24. Заславский Ю.З. Горное давление и крепь в капитальных выработках шахт Донбасса. Донецк, ДонУГИ, 1968.

25. Ержанов Ж.С. Ползучесть горных пород и ее влияние на напряженно-деформированное состояние сооружений. Дисс. на соиск. уч. степ, д.т.н. КПП, 1962.

26. Максимов А.П. Горное давление и крепь выработок. М., Недра, 1973.

27. Черняк И.Л. Теоретические и экспериментальные исследования устойчивости капитальных и подготовительных выработок. Дисс. на соиск. уч. степ, д.т.н. М., МГИ, 1966.

28. Векслер Ю.А. Исследование больших деформаций ползучести и разрушения горных пород вокруг горизонтальных выработок. Дисс. на соиск. уч. степ, д.т.н., КПИ, 1971.

29. Жуков В.В., Чернов Е.В., Довченко Г.Н. Напряженно-деформированное состояние слоистого массива. Л., Наука, 1973. 132 с.

30. Подиновский В. В., Ногин В. Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.

31. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий: Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1993.

32. Борисов A.A., Расчеты горного давления в лавах пологих пластов. М., Недра, 1964.-278 с.

33. Борисов A.A. Механика горных пород и массивов. М., Недра, 1980. -360 с.

34. Иофис М.А. Научные основы управления деформированными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых. М., ИНКОПРАН, 1984.

35. Емельянов С. В., Ларичев О. И. Многокритериальные методы принятия решений. М.: Издательство "Знание", 1985.

36. Каспарьян Э.В. Устойчивость горных выработок в скальных породах. Л.,Наука, 1985. 183 с.

37. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарья Э.В. основы механики горных пород. Л.: Недра, 1989. - 488 е.: ил.

38. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.,- Л., Гостехтеориздат, 1950. 300 с.

39. Лехницкий С.Г. Теоретическое исследование напряжений в упругом анизотропном массиве вблизи подземной выработки эллиптического сечения. Тр. ВНИМИ, 1962. - №45, с. 155-179.

40. Analiza zachnowania zie stopu nad wyzobiskiem scianowym/Habal W.//Zecz.nauk. AMG im Stsnislawa Stastica Gor. 1991.-15, N4-c. 247-257, 293, 295.

41. Прогнозирате деформациите, напряжениего и устойчивостта на скалите около бъдещите бассейн по метода крайните елементи. Манев Г., Русева П., «Год. Висш. мин.-геол. ин-т», 1983-1984, св.4., 30, 1 17-126.23

42. On the boundazy element analusis of excavation in rock. Beez G., Meek J.L. "Boundazy Elem. Proc." 5 Int. Conf. Hizoshima Nov,1983 Berlin e.a., 1983. 623-634