Лекции Проектир шахт ТПП-17. Прогрессивные системы разработки пластов и механизация горных работ

• Название: Прогрессивные системы разработки пластов и механизация горных работ
• Дата: 19.06.2022
• Размер: 396.44 Kb.
• Имя файла: Лекции Проектир шахт ТПП-17.docx
• Тип: Документы; #603500
• страница: 6 из 8

4.3. Комплексный подход к обоснованию параметров шахт

Характерной особенностью технологической схемы шахты является органическая взаимосвязь производственных процессов и горных работ (рис. 4.1), всех ее составляющих элементов.

Качественные и количественные параметры шахты отражают эти технологические связи. Нетрудно установить взаимообусловленность схем вскрытия шахтного ноля и вентиляции, схем подготовки и транспорта, системы разработки и способов охраны и поддержания горных выработок, способов вскрытия шахтного поля и видов подъема и т.д. Столь же очевидны взаимосвязи количественных параметров: мощности шахты с числом очистных забоев и нагрузкой на один забой, скорости проведения горных выработок со скоростью подвигания очистных забоев, поперечных сечений горных выработок с нагрузкой на очистной забой, количества воздуха, по даваемого в шахту (параметры вентиляторных установок), с производительностью шахты, размеров выемочных участков с производительностью и надежностью технических средств и т.д. Разумеется, качественные параметры шахты призваны обеспечить те или иные количественные параметры, которые, в свою очередь, требуют соответствующих конструктивных и пространственных свойств параметров качественных. Из этого следует, что изменение или замена любого качественного иди количественного параметра в той или иной мере скажется на непосредственно взаимосвязанных с ним других технологических параметрах шахты. Это влияние может распространиться на большую часть параметров шахты и охватить основные элементы технологии.


Экономические показатели шахты, зависящие прямо или опосредованно в большей или меньшей мере от всех качественных и количественных параметров, являются одновременно средством оценки выгодности изменения параметров шахты.

Возьмем, например, случай внедрения механизированного очистного комплекса при использовании сплошной системы разработки. Обладая высокой производительностью, очистной комплекс обеспечит большую скорость подвигания очистного забоя. Возникает необходимость в значительном опережении проведения подготовительных выработок, а в лучшем случае – переходе к столбовой системе разработки. Это приводит к увеличению скорости проведения подготовительных горных выработок, причем изменяются условия и затраты на их поддержание. С точки зрения эффективности использования дорогостоящего комплекса необходимо учитывать отрабатываемые им запасы, т.е. увеличить до 1000-1500 м и более размеры выемочных столбов и, возможно, длину лавы. Одновременно рост нагрузки на очистной забой потребует увеличения пропускной способности транспортных и вентиляционных горных выработок, что возможно при замене транспортных средств и увеличении поперечных сечений горных выработок. Потребуется увеличить количество воздуха, подаваемого в очистные и подготовительные забои, т.е. увеличить сечения общешахтных вентиляционных выработок и, возможно, модернизировать или заменить вентиляторную установку.

Подобную взаимосвязь качественных и количественных параметров шахты, ее технологических звеньев и схемных решений можно представить не только в техническом и технологическом плане, но и в экономическом. Экономические преимущества одного решения одновременно могут привести не только к преимуществам, но и недостаткам по другим решениям. При этом технологические или экономические преимущества и недостатки проявляются в разное время. Поэтому их оценка для какого-либо меняющегося параметра вне связи с другими параметрами оказывается необъективной и неточной.

Исходя из взаимообусловленности проектных решений, проектирование шахты рассматривают как единый процесс выполнения всех разделов и задач проекта, базирующийся на комплексном методе одновременного учета взаимных условий применения и требований отдельных параметров друг к другу.

Современное проектирование использует для обоснования параметров шахт метод комплексной оптимизации принимаемых решений на базе математических моделей шахты в целом и применения ЭВМ. Использование метода комплексной оптимизации проектных решений делает возможным совместную оптимизацию параметров угольной шахты (мощность, срок службы, размеры шахтного ноля), схем вскрытия, способов подготовки, систем разработки, схем проветривания и транспорта с одновременным определением рациональных сечений сети горных выработок, средств механизации и пр. Одновременное исследование влияния любого из проектных решений, уровня и значения любого параметра шахты и отдельных элементов технологической схемы на обобщающий показатель эффективности дает основание для нахождения и выбора наиболее экономичных и технически целесообразных. Вместе с тем комплексная оптимизация параметров шахты превращается в сложную и в логическом, и в математическом смысле задачу, особенно если исходить из представления о шахте как об объекте развивающемся.

В связи с тем, что поэтапное проектирование предполагает координацию проектных решений на всех этапах развития шахты, прежде всего должен быть определен оптимальный путь (траектория) развития шахты на первом и последующих этапах.

Очевидно, при разных параметрах шахты и элементах ее технологических схем формы согласования решений на соседних этапах не будут одинаковыми. Оптимизация этапов и определение оптимального пути развития шахты при всех возможных количественных и качественных параметрах не реальны из-за огромного масштаба модели, недостаточной точности исходной информации на отдаленных этапах и т.д. Можно определить наилучший порядок развития шахты, эволюцию ее качественных параметров при определенных оптимальных количественных параметрах. Однако само определение оптимальных количе­ственных параметров шахты и элементов технологических схем возможно лишь только после определения качественных параметров и, в частности, оптимального пути развития шахты.

Логическая последовательность, позволяющая упростить и сделать реально приемлемой процедуру оптимизации при поэтапном проектировании, выливается в метод последовательной оптимизации [1].

Необходимость применения этого метода вызвана, кроме логических, трудностями вычисления алгоритма оптимизации.

Как известно, развитие отработки запасов угля можно представить как переход шахты из состояния S₀ в состояние S_m с помощью некоторых управлений . Каждое состояние S_i характеризуется множеством параметров и характеристик шахты: {X_пост} множество параметров и характеристик шахты, которые не изменяются при переходах из одного состояния в другое; это постоянные параметры, в число которых могут войти и принятые ранее управления (например, вертикальная схема вскрытия); {X_пер} – множество параметров и характеристик (в том числе горно-геологических), переменных при переходах системы из одного состояния в другое; {X_{пост.пер.}} – множество параметров и характеристик переменных в одной части и постоянных в другой; S₀ – начальное состояние системы; S₀ – множество состояний, характерных для i-го этапа развития разработки месторождения; {S_m} – конечное состояние шахты, принятое к рассмотрению; {U_i} - совокупность (множество) возможных управлений, используемых при переводе системы из состояний {S_i-1}в состояния {S_i}. Задача состоит в том, чтобы с помощью оптимальных (*) управлений , выделенных из множества имеющихся, найти последовательность оптимальных состояний шахты (системы), которые выделяются также из множества возможных. Иными словами, имеем следующее соотношение:



Знак обозначает: «являются частью», «входят в множество».

Вероятно, абсолютно оптимальная последовательность состояний с соответствующими управлениями будет возможна лишь при некоторых значениях постоянных и переменных параметров, характеризующих состояние шахты и составляющих условия ее существования в этих состояниях. Некоторые значения параметров, которые мы назовем оптимальными, следует выделить из множества возможных, т.е.


Однако сами параметры и характеристики состояний в значительной степени зависят от порядка смены состояний горных работ в шахте, от их чередования. Поэтому получается, что необходимо выделить оптимальную последовательность состояний (оптимальный путь развития шахты), являющуюся функцией оптимальных параметров, которые зависят от оптимального пути развития шахты:

однако



Кроме того, для перевода системы из одного оптимального состояния в другое необходимо применить оптимальное управление, значение и вид которого выделяют также из множества .

В результате проблема оказывается трудноразрешимой, так как перемножение сочетаний из множеств на множество дает огромное число вариантов состояний системы.

Решение этой проблемы можно значительно упростить, если расчленить ее на части.

1) При некоторых, наиболее вероятных рассчитанных значениях (у.о. – в верхнем индексе означает условно оптимальные значения) , в общем случае различных на каждом этапе, определяют наиболее экономичные технически целесообразные технологические схемы, их пространственные и конструктивные параметры. Выделяют характерные состояния горных работ (порядок разработки) и основных фондов на каждом из этапов и особенно на конец одного и начало следующего этапа. На этой стадии значения количественных параметров шахты, соответствующие прогрессивному уровню, остаются постоянными, по крайней мере, в пределах длительности каждого этапа.

Поэтому объем вычислений пропорционален лишь многообразию качественно отличных комбинаций технологических схем и их подвариантов. Однако и на этой стадии число качественных комбинаций столь велико, что их моделирование, выбор наиболее целесообразных из них обычными методами перебора становится чрезвычайно трудоемким процессом. Так, при наличии двух этапов в развитии шахты (n_эт=2), шести основных элементов технологической схемы (n_эл=6) (вскрытие, подготовка, технологический комплекс на поверхности, система разработки, схемы транспорта и вентиляции), среднего числа разновидностей элементов технологических схем (n_рэ=4) число качественно различных комбинаций технологических схем достигает:



Проанализировать такое число качественно отличных вариантов, оценить их с экономической точки зрения и сравнить практически невозможно. Дело в том, что подготовка необходимой информации для просчета любого качественно отличного варианта шахты сопряжена с кропотливой, во многом не поддающейся механизации работой.

Выделение целесообразных комбинаций, так называемых расчетных вариантов, осуществляют методами логического сопоставления и сравнений конкурирующих разновидностей по элементам технологической схемы, а также методами теории принятия решений. Эти методы позволяют сократить число расчетных вариантов технологических схем практически до десятков, что вполне приемлемо для машинного расчета и логического анализа.

2) На основании оценки технологических схем при постоянных количественных параметрах выделяют число наиболее экономичных схем n_сх=3 с расчетными вариантами n_рв=10. Эти схемы оптимизируют при переменных количественных параметрах . Такое число качественно и количественно раз­личных комбинаций (три-пять тысяч) без затруднений реализуют на машине, а наиболее удачные с экономической точки зрения из этого числа рассматривают проектировщики.

Таким образом, трудноразрешимая задача оптимизации модели поэтапного проектирования в целом становится решаемой при расчленении ее на две связанные последовательные части. Первую часть задачи выполняют с преимущественным применением логических методов обоснования, инженерным анализом значительного числа конкурирующих комбинаций параметров, при ее решении требуется большое участие человека в подготовке исходных данных, в самих расчетах.

Вторая часть задачи характеризуется преимущественным использованием численных методов и при ее решении необходимо использование достаточно мощной вычислительной машины, причем участие человека в расчетах незначительно.

Последовательный поиск и выбор качественных и количественных параметров не отменяют комплексного подхода к их обоснованию. Взаимосвязи между ними учитывают на обеих стадиях решения задачи в делом.
ЛЕКЦИЯ № 13
4.4. Многовариантность решений при проектировании угольных шахт

Шахта как действующее горное предприятие представляет собой совокупность многих взаимосвязанных производственных процессов и операций, осуществляемых с помощью машин и механизмов по определенной технологической схеме. Общую схему сопряжения производственных процессов в едином непрерывном взаимодействии посредством горных выработок и средств механизации можно определить как технологическую схему шахты.



Рисунок 4.2. Блок-схема основных элементов технологической схемы шахты; сплошные стрелки – связи, пунктирные – связи, учитывающие некоторое влияние на выбор решений

Основными ее элементами являются вскрывающие и подготавливающие горные выработки, околоствольные дворы, насосные, трансформаторные и другие камеры, транспортные и вентиляционные выработки, машины, установки и механизмы (рис. 4.2).

Очень много факторов технологического и пространственно-геологического порядка влияют на общую топологию (пространственное расположение) всех горных выработок, общую схему расстановки средств механизации и оборудования в шахте. Но так или иначе, обобщенную картину расположения вскрывающих горных выработок и размещения главных транспортно-подъемных и вентиляционных средств обеспечивают способ и схема вскрытия. Способом и схемой подготовки предопределяется общая топология подготавливающих горных выработок (пластовые транспортные штреки, бремсберги и уклоны, ходки, вентиляционные шурфы и др.), а также расстановка средств транспорт в шахтном поле, размещение средств энергоснабжения и пр.

Системой разработки и порядком отработки выемочных полей, т.е. отдельных участков, запасов, определяются общая топология выемочных горных выработок (конвейерные и вентиляционные штреки, просеки и др.), а также распределение средств механизации очистных работ и участкового транспорта. Таким образом, основными формирующими решениями в конкретных горно-геологических условиях, которые обеспечивают своеобразие варианта технологической схемы, можно считать способ и схему вскрытия, способ и схему подготовки, систему разработки и схему вентиляции, а также вид средств механизации общешахтных производственных процессов.

Классифицирующие элементы технологической схемы средства для транспортирования, проведения выработок (конвейеры, электровозы, проходческие комбайны).

Средства механизации очистных работ, участкового тран­спортирования (механизированные комплексы, комбайны, струги, конвейеры).

Горная наука и практика разработки месторождений, развитие горной техники в настоящее время дают достаточный простор в части применения тех или иных способов, схем вскрытия и подготовки, систем разработки и средств механизации производственных процессов. Поэтому в любых горно-геологических условиях всегда имеется возможность рассмотрения достаточно большого множества вариантов и подвариантов технологических схем разработки, для того чтобы использовать наиболее прогрессивную и экономичную схему.

Технологическая схема разработки запасов является обобщающим качественным параметром шахты, в огромной степени определяющим эффективность ее работы. В общем виде множество возможных вариантов технологической схемы формируется посредством изменения отдельных eе элементов: способов и схем вскрытия, подготовки шахтного поля, транспорта, вентиляции, систем разработки, порядка отработки шахтного поля, выемочных участков и т.д. Проектное решение по любому из перечисленных элементов технологической схемы, ведущее к конструктивным и пространственным особенностям, тому или иному расположению горных выработок, применению тех или иных средств механизации, порядка ведения горных работ и т.д., представляет собой качественный параметр (характеристику) шахты.

Разработка вариантов технологических схем, следовательно, сводится к составлению качественно отличных комбинаций: способ и схема вскрытия – способ и схема подготовки – схема вентиляции – схемы транспорта и подъема - ..., в сумме представляющих собой некоторое множество. Такое множество вариантов технологических цепочек, качественно различающихся на каком-либо элементе, назовем множеством расчетных вариантов. Это множество расчетных вариантов технологических схем шахты удобно представить в форме блок-схем (рис. 4.3), обеспечивающих наглядность. Кроме того, подобные блок-схемы упорядочивают множество конкурирующих вариантов, повышают объективность совместного и комплексного их сравнения.



Рисунок 4.3. Блок-схема формирования расчетных вариантов

На блок-схемах, не допуская излишней детализации, целесообразно показывать, какие предусматривают варианты отработки шахтного поля по площади (с разделением или без разделения на блоки) и глуби­не (одногоризонтная или многогоризонтная), варианты способа (наклонными, вертикальными стволами, комбинированный) и схем вскрытия угольных пластов (капитальным квершлагом, погоризонтными квершлагами, гезенками и др.), варианты схемы расположения стволов на площади шахтного поля, варианты схемы подготовки, системы и порядка отработки выемочных участков, варианты схем и средств транспорта и др.Общее требование при конструировании вариантов технологических схем (цепочек), а также при выборе наиболее экономичных и тех­нологически целесообразных сводится к учету взаимосвязей между элементами технологической схемы. Преимущества и недостатки одного варианта решения на любом элементе технологической схемы по сравнению с другим вариантом рассматривают как таковые лишь с точки зрения технологической схемы в целом. Например, преимущества одной схемы подготовки перед другой понимают как преимущества при конкретной схеме вскрытия (при другой – они вообще не будут преимуществами!), системе разработки, порядке отработки шахтного поля, конкретных средствах транспорта, способах проведения и охраны горных выработок и т.д. Тем самым обеспечиваются технологическая законченность и сопоставимость вариантов технологической схемы в делом, а не вариантов различных решений в отдельности для определенного элемента технологической схемы.

Тот или иной набор элементов технологической схемы (уровней блок-схемы), отличающихся неодновариантностью, зависит от конкретных горно-геологических условий. При проектировании, например, нового строительства шахты в зависимости от размеров шахтного поля, газоносности угольных пластов, запасов месторождения или его части, а также глубины залегания принимают соответствующий способ деления и отработки по площади шахтного поля. Наиболее часто (а до 50-х годов во всех случаях) шахтное поле разрабатывали без деления на отдельные самостоятельные части. Его вскрывали единой схемой вскрытия, разработка предполагала единые системы вентиляции и транспорта, единый технологический комплекс на поверхности и т.д. В последнее время технические и экономические преимущества создания крупных шахт, базирующихся на больших запасах, которые располагаются на значи

тельной площади (6-12)*(4-6) км², привели к распространению способа деления шахтного поля на блоки.

Блоки представляют собой значительные части шахтного поля, где допускают относительную самостоятельность при отработке запасов в связи с обособленной системой вентиляции, иногда энергоснабжения, водоотлива, подъема и спуска материалов и оборудования. Однако такая относительная самостоятельность, в частности секционирование вентиляции, требует проведения дополнительных горных выработок (вентиляционных стволов, шурфов), увеличения числа вентиляторных установок и др. Поэтому применять блочный способ деления и отработки шахтного поля следует в тех случаях, когда это экономически обосновано, на­пример, при высокой интенсификации отработки, наличии больших глубин, газоносности и вместе с тем угленасыщенности месторожде­ния. Следовательно, необходимо предложить и сравнить указанные варианты деления и отработки шахтного поля по площади.

То же самое можно сказать относительно деления и отработки шахтного поля по глубине. Известны преимущества одногоризонтной отработки шахтного поля: единый околоствольный двор, единые водоотливные установки и устройства, электроподстанции, магистральные транспортные выработки, подъемные установки и т.д. Известны и недостатки: малая динамичность технологической схемы шахты, непрерывное снижение пропускной способности уклонов по мере перемещения горных работ по глубине, ухудшение условий проветривания и др. Очевидно, что роль этих и других недостатков возрастает с уве­личением размеров шахтного поля и газоносности угольных пластов, ростом мощности шахты.

Возникает необходимость рассматривать в качестве конкурирующих варианты многогоризонтной отработки шахтного поля. При выборе способа и схем вскрытия и подготовки, системы разработки маловероятны случаи, когда можно ограничиться одним вариантом решений. Кроме того, неодновариантность решений на одном элементе технологической схемы (уровне блок-схемы), как правило, влечет за собой неодновариантность решений и на другом. Так, отработка шахтного поля блоками предполагает свой вариант вскрытия по сравнению с отработкой без деления на блоки. В свою очередь, способ вскрытия шахтного поля вертикальными стволами предполагает свои способы отработки шахтного поля по глубине и вскрытия угольных пластов по сравнению со способом вскрытия наклонными стволами. Конструирование какого-либо варианта схемы расположения стволов (центральная, фланговая и отнесенная) намечает тот или иной вариант схем вентиляции, транспорта, технологического комплекса на поверхности и т.д.

Конкретный вариант схемы подготовки фиксирует не только общую топологию подготовительных горных выработок, порядок отработки запасов каждого пласта, но и в значительной мере предопределяет вид и схемы транспорта, проветривания горных работ, канализации, энергии и др.

В общем случае множество расчетных вариантов N_p.в. является функцией числа вариантов на каждом элементе технологической схемы:



где Х₀ - множество независимых переменных, характеризующих горно-геологические условия угольных пластов или части месторождения; Х₁ - множество качественных решений по делению и отработке шахтного поля; Х₂ - множество качественных решений по вскрытию шахтного поля; Х_n - множество качественных решений по n-му элементу технологической схемы или производственному процессу.

Все подварианты расчетных вариантов технологической схемы, которые отличаются друг от друга количественной размерностью отдельных параметров по всем или некоторым элементам (производственным процессам) технологической схемы, составляют множество машинных (рассчитываемых на ЭВМ) вариантов. Действительно, при одной и той же панельной схеме подготовки число панелей, например, может быть разное, при одной и той же столбовой системе разработки длина лавы может быть неодинаковой, а при одном и том же варианте технологической схемы в целом мощность шахты может быть различной и т.д.

Общее число машинных вариантов N_м.в., согласно определению, пропорционально числу расчетных вариантов N_р.в. , числу варьируемых (переменных) количественных параметров m_к.п. диапазону и шагу их изменения.

Следует отметить, что проектирование строительства новой шахты осуществляется в условиях полной свободы выбора проектных решений на всех элементах технологической схемы. Конечно, эта свобода выбора существенно ограничивается конкретными горно-геологическими условиями месторождения, технико-экономическими требованиями к проектным решениям и т.д. И тем не менее реальная возможность конструирования огромного числа вариантов технологических схем шахты посредством изменения схем вскрытия, подготовки, систем разработки, схем транспорта, вентиляции и т.д., возможность варь­ирования многих количественных параметров шахты делают, таким образом, проект строительства шахты и ее развития на первом этапе весьма управляемой системой.

В некоторой степени на полную управляемость проекта и работы шахты на первом этапе накладывают ограничения, отражающие требования максимального соответствия решений по первому этапу условиям и формам развития шахты на последующих этапах. Однако ограничивающее влияние требований последующих этапов развития шахты на управляемость проекта и работы шахты на первом этапе, конечно, не идет ни в какое сравнение с обратным влиянием, т.е. влиянием решений проекта строительства на перечень и характер управлений будущего развития шахты. Дело в том, что в проекте строительства (четко регламентирующего первый этап развития шахты) будут определены многие долговременные общешахтные решения: технологический комплекс на поверхности, элементы вскрытия и подготовки, количественные параметры шахты (размеры панелей, горизонтов, запасы, количество воздуха, подаваемого в шахту, и т.д.). Поэтому часть проектных решений, заложенных в процессе строительства, будет однозначно определена для будущего развития шахты. Изменение этих решений обычно сопряжено со значительными затратами. Так, затраты на проведение горных выработок, определяющих вскрытие и подготовку шахтного поля, составляют по проекту до 15-25% общих затрат. Если учесть затраты на проведение и поддержание горных выработок, связанные непосредственно с разработкой месторождения, то их удельный вес возрастет до 30-45%. Затраты на сооружение и эксплуатацию тех­нологического комплекса на поверхности, системы транспорта составляют соответственно 3-5% и 5-8% сметной стоимости строительства шахты и т.д.

Часть проектных решений, заложенных в проекте строительства, получит проверку во время работы шахты на первом этапе развития, в связи с чем в отношении их эффективности появится определенность. Дополнительная информация о горно-геологических условиях шахтно­го поля также снизит количество вариаций применяемых решений.

Вместе с тем общее число возможных вариантов развития шахты, которые можно осуществить за срок ее службы и, в частности, в период реконструкций, очень велико. Расчеты показывают [1, 7], что, применяя 5-10 вариантов вскрытия шахтного поля, 3-5 вариантов схем и способов подготовки, 3-5 вариантов систем отработки выемочных участков, 3-4 схемы проветривания, 2-3 схемы транспорта, 2-3 варианта схемы подъема и технологического комплекса на поверхности и т.д., можно получить 5-15 тыс. вариантов технологических схем шахты. Даже ограниченное число принимаемых к изменению количественных параметров (длина лавы, размеры панелей, горизонтов, нагрузка на очистной забой, мощность шахты, число очистных забоев в панели, на угольном пласте и др.) приводит к такому числу машинных вариантов (300-500 тыс. и более), которое чрезвычайно трудно реализовать и проанализировать. Однако выбор наиболее удачного из них, с экономической точки зрения, потребует рассмотрения всех вариантов. Не сопоставляя их между собой в технико-экономическом плане, мы не сможем с уверенностью утверждать, что рекомендуемый в проекте вариант лучший. Так, многовариантность решений проекта строительства и ре­конструкции (развития) шахты порождает проблему оптимального выбора, т.е. проблему оптимальности.
ЛЕКЦИЯ № 14
4.5. Прогнозирование при проектировании шахт

Из представления шахты как развивающейся системы и из общей постановки задачи поэтапного проектирования развития шахты вытекают важные следствия, которые приходят в противоречие с существующими методическими принципами проектирования и особенно со статическим характером проектной информации. Трудно, в частности, согласовать требования использования в проектах установившихся в данный момент (а на самом деле уже в прошлом) норм и промышленно освоенных схем и средств механизации с требованием их прогрессивности в момент сдачи шахты в эксплуатацию и на период дальнейшей работы, так как с начала проектирования до сдачи шахты в эксплуата­цию проходит по меньшей мере 10 лет. Также трудно примирить прин­цип одноразового установления и закрепления параметров основных элементов технологической схемы шахты (с позиций промышленно ос­военных значений) с реально проявляющимся прогрессом науки, тех­ники, технологии, экономики, организации работ и т.д.

Реализация идеи создания проекта развивающейся шахты требует непрерывного прогнозирования развития техники и технологии добычи угля, его потребления и экономической ситуации на период всего срока работы шахты на данном месторождении.

Любой проект шахты ориентирован в своей реализации на будущее. Поэтому решения проекта шахты должны всегда отличаться достаточной устойчивостью к старению, соответствием обстоятельствам и требованиям будущего. В противном случае будет правилом проявление на только что построенных шахтах непрогрессивных технологических звеньев, узких мест, сдерживающих работу всех элементов технологической цепочки, которые, в конце концов, вызывают сравнительно скорую реконструкцию.

В соответствии с современными представлениями прогноз развития шахты рассматривают как специфически аргументированную информацию о будущем технологии очистных процессов, транспорта, подъема, проведения выработок, проветривания, параметрах шахт. Содержание и степень достоверности такой прогнозируемой информации определяются следующими моментами: накопленным опытом о развитии технологии разработки полезных ископаемых; потребностями, зна­ниями и условиями, присущими современному этапу развития угледобычи; возможностями реализации прогнозируемых явлений или тенденций. Другими словами, прогноз в своих теоретических построениях опирается на конкретные тенденции и закономерности развития аналогичных объектов, реальные потребности хозяйства страны и учитывает объективно складывающиеся возможности научно-технического прогресса в угольной и других отраслях промышленности.

Логическую запись выработки прогнозных умозаключений можно представить следующим образом [7]:



где ТЗ – совокупность знаний и представлений о тенденциях и закономерностях развития шахт и элементов технологии добычи угля; ИГ – совокупность конкретных идей и научных гипотез относительно будущих возможностей развития шахт, элементов технологии и их многообразных связей; ФП – совокупность представлений о факторах, определяющих потребность развития шахты, элементах технологии и стимулирующих или препятствующих этому развитию условиях; ПР – прогнозируемые результаты, предположения, выводы, импликативно (→) обусловливаемые указанными реально существующими логическими предпосылками; → - логический знак, обозначающий операцию импликации, следования. Результаты следуют, если справедливы слагающие элементы.

Каждый научно обоснованный прогноз содержит как бы сплав времен: прошлого (тенденции развития), настоящего (наличные ресурсы и представления) и будущего (потребности и возможности). В зависимости от того, на какой срок в будущее делают прогнозы, они имеют различный характер, существенно отличаются достоверностью и использованием в практике принятия решений.

Проектирование шахт связано с предвидением развития шахты на различные сроки в будущем, а следовательно, требует прогнозирования на различную глубину.

Прогноз на первый этап развития шахты (первый эшелон про­гнозирования). Для этого вида прогнозирования характерна наивысшая степень достоверности горно-геологических исходных данных, социально-экономических факторов и научно-технических сведений о технологии добычи угля в конкретных условиях. Большинство специалистов считает, что интервал такого прогнозирования должен составлять 15-20 лет.

За это время исчерпывают запас представлений о прогрессивности тех или иных средств механизации, формах организации работ, запас надежности сведений о горно-геологических условиях и стоимостных параметрах и т.д. Прогнозирование проектной информации и технологических решений на первом этапе развития шахты отличается полнотой и детальностью. Каждая машина, каждый элемент технологии, каждое состояние горных работ, каждый вид затрат, любые преимущества или недостатки технологических схем - все должно находить отражение в прогнозе на первом этапе.

Прогноз на второй этап развития тахты (второй эшелон прогнозирования). Необходимость такого прогноза связана с тем, что сроки службы шахт, как правило, превышают 15-20 лет, а многие технологические элементы шахты выполняют одну и ту же роль в течение всего срока службы (технологический комплекс на поверхности, основные вскрывающие выработки, подъемные установки и т.д.).

Прогноз на второй этап развития шахты осуществляют по основным состояниям, наиболее общим условиям и инерционным параметрам шахты (глубина разработки, границы участков шахтного поля, производственная мощность шахты, параметры общешахтной системы вентиляции, технологическая схема на поверхности, общие схемы механизации основных производственных процессов, общие технические и экономические требования к продукции и т.д.). Интервал времени прогноза на второй этап развития шахты в связи с этим допускается в пределах 40 лет. Прогнозирование развития шахты на второй этап, естественно, отличается меньшей достоверностью, нежели на первом этапе.

Прогноз на последующие этапы (второй и, возможно, третий эшелоны прогнозирования). Совокупность определенных сведений на конец отработки шахтного поля очень важна вследствие ряда обстоятельств. Прежде всего необходимо иметь общие представления о потребности в угле, моменте закрытия шахты, процессе затухания добычи, о привлечении высвобождающихся рабочих к какой-либо иной деятельности, использовании оборудования, жилого фонда и коммуникаций и т.д.

Прогнозируемая информация на глубину более 40 лет носит в основном качественный характер, отличается низкой достоверностью и, следовательно, не может иметь решающего значения при оптимизации параметров шахты на первом этапе.

Основные задачи прогнозирования, связанные с получением проектной информации, можно систематизировать следующим образом:

1) Прогнозирование и оценка горно-геологических характеристик месторождения или участка в пределах шахтного поля. Практика проектирования и работы шахт показывает, что недостаточность, низкая достоверность исходной горно-геологической информации чаще всего являются причиной частых корректировок проектов, отказа от ранее принятых проектных решений. Получение детерминированных или вероятностных данных о мощности, углах падения, газоносности, водообильности и нарушенности угольных пластов, свойствах вмещающих пород, гипсометрии пластов и форме участков шахтного поля необходимо проектировщикам для выполнения любого раздела технического проекта и, особенно для выполнения его технологической части. Прогнозирование основано на данных отчета геологоразведочных работ, опыта разработки соседних участков месторождения, отработанных другими шахтами, а также на данных уже отработанных участков того же шахтного поля.

2) Прогнозирование качественных параметров технологии разработки

Эта задача предусматривает выявление перспективных закономерностей и тенденций развития схем вскрытия шахтного поля, подготовки, вентиляции и транспорта, систем разработки, компоновки и технологических схем поверхности и т.д. Большинство указанных проектных решений относятся к медленно изменяющимся, инерционным, они часто выступают на действующих шахтах как ограничения в развитии предприятий, улучшении технико-экономических показателей. В настоящее время, например, очевидны в определенных условиях преимущества блоковой отработки шахтных полей или системы разработки столбами по падению - восстанию.

3) Прогнозирование средств механизации производственных процессов и параметров оборудования. Перспективы развития средств для подъема, проведения и крепления горных выработок, очистной выемки, крепления и управления кровлей в очистных забоях, транспортирования, проветривания и дегазации, механизации вспомогательных процессов и т.д. определяют условия для разработки прогрессивных с экономической точки зрения проектов. Проектировщикам необходимы данные о производительности вновь разрабатываемых выемочных машин и комплексов, их эксплуатационной надежности, производительности транспортных средств (электровозов, конвейеров), скорости подачи выемочных машин, производительности проходческих комбайнов, подъемов и вентиляторных установок, габаритах средств механизации и т.д. Примером прогнозной информации этого рода могут служить данные о расширяющейся области применения узкозахватных комбайнов со скоростью подачи до 10 м/мин, струговых механизированных комплексов, крутонаклонных (20-35°) конвейеров, проходческих комбайнов для более крепких (f= 4-7) пород и др.

4) Прогнозирование количественных параметров шахты, сто­имостных и технико-экономических показателей. На практике доказано, что этот род информации отличается наибольшей динамичностью. Мощность шахты, нагрузка на очистные забои, скорость проведения горных выработок, длина лавы, высота горизонта, размеры блоков и панелей по простиранию и восстанию, размеры выемочных столбов и другие параметры изменяются на шахтах непрерывно и значительно. Предвидеть действительные темпы роста указанных ранее параметров, обеспечить эти темпы чрезвычайно важно, так как именно они определяют уровень технико-экономических показателей. Несомненно, что прогнозирование количественных параметров и технико-экономических показателей (производительность труда, себестоимость добычи и др.) основано на данных действующих шахт.

5) Прогнозирование социальных условий работы шахт. Вместе с изменениями в технике, технологии на шахтах наблюдают значительные перемены в организации производства и работ, профессиональном составе коллективов трудящихся, их экономическом и культурно-образовательном положении и т.д.

Проектируемая шахта оказывается в системе хозяйственных и социальных связей с другими предприятиями. Как будут влиять эти связи на работу шахты, обеспечение ее людскими, энергетическими ресурсами в будущем, может установить прогнозирование.

Прогнозирование столь разнообразных сведений, необходимых при воплощении поэтапного проектирования, требует использования специфических методов. Теория прогнозирования насчитывает в настоящее время более 100 различных методов и приемов.

Что касается основных методов технологического прогнозирования, то их удается свести к следующим классам: методы расчетно-директивные, интуитивной и эмпирико-статистической экстраполяции, экспертных заключений (оценок), математического и технологического моделирования, практического эксперимента с обратной связью.

Следует подчеркнуть, что наиболее успешное проведение технологического прогнозирования возможно лишь при комплексном использовании целого ряда научных методов, как правило, дополняющих (а не отменяющих) друг друга.

Первый класс методов (расчетно-директивный) находит широкое применение в определении перспективных планов развития отрасли, динамики показателей по отрасли, бассейнам, районам и предприятиям.

Второй класс методов на базе математических методов статистического анализа позволяет решать разнообразные задачи прогнозирования поведения как весьма больших и сложных систем и их характеристик, так и отдельных элементов систем, элементов технологии, показателей. Методы экстраполяции базируются на гипотезе, которая заключается в том, что будущее является непосредственным продолжением настоящего. Чаще всего методами экстраполяции пользуются при установлении тенденций изменение тех или иных количественных параметров шахты и отдельных подсистем, технико-экономических показателей (мощность шахты, нагрузка на очистной забой, производительность горных машин, подвигание очистных забоев, себестоимость производства горных работ и 1 т добытого угля, производительность труда и т.д.).

Третий класс методов, включающий в себя методы экспертных оценок, используют в большей мере при определении тенденций развития техники, уровня технико-экономических показателей, направлений в развитии технологии производственных процессов и элементов технологических схем, технических средств и т.д.

Сюда следует отнесли также прогнозирование качественных характеристик и параметров технологии добычи, принципов работы горных машин, уровня их основных параметров и т.д. Прогнозирова­ние основано на сборе и систематизации различных оценок-ответов экспертов. Силу прогноза им придает аргументированность суждений экспертов, являющихся ответом на общественные, технические, экономические и технологические потребности в подобном развитии. Теми или иными приемами методов экспертных оценок издавна пользуются при перспективном планировании и проектировании в форме коллективных обсуждений и заключений. Хорошо известен в практике метод Делфи. В значительной степени оценки экспертов основаны на результатах проводимых научных исследований, конструирований, экспериментов, т.е. они отражают потенциальный научно-технический задел в развитии технологии добычи.

С помощью методов экспертных оценок необходимые при проектировании сведения целесообразно прогнозировать на конец первого этапа, а некоторые сведения (потребности в угле, параметры систем энергоснабжения и вентиляции, общее положение горных работ и т.д.) – на период второго этапа, т.е. более чем на 20 лет.

Пятый класс методов сводится к физическому эксперименту на реальном объекте и применяется, как правило, при создании образцов технических средств. Тем не менее не исключено проведение производственно-экономических экспериментов и на более сложных, масштабных объектах (скоростное проведение выработок, экономическая система материального стимулирования на шахтах и т.д.).

Технологическое прогнозирование методами эксперимента с обратной связью в том или ином масштабе по существу проводят непрерывно. Однако постановка эксперимента, затрагивающего большие экономические системы, представляется чрезвычайно ответственной.

Правильнее сначала научно доказать, технически обеспечить, организационно завершить разработку сложного объекта будущей технологии или организации, а затем ставить эксперимент с высоким уровнем вероятности в его успешном исходе.

Эти задачи в наибольшей степени законченное решение получают при использовании методов прогнозирования четвертого класса – методов технологического и математического моделирования объекта, в данном случае технологии шахты. На основе изучения внутренней логики развития объектов, хода процессов исследователь конструирует соответствующую логико-математическую модель.

Установление закономерностей изменения проектной информации во времени, прогнозирование исходных данных основаны на сборе и обработке огромного объема статистических сведений, характеризующих опыт действующих предприятий, состояние научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ в отрасли, соци­альные, экономические и производственные условия шахты, угольного района и бассейна. Это указывает на необходимость создания в проектных институтах автоматизированных информационных систем, работающих в единстве с автоматизированными системами управления производственными объединениями шахт.