автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системный анализ многомерных альтернатив вторичного использования отработанных горных выработок

004615906

Левкина Светлана Юрьевна

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ МНОГОМЕРНЫХ АЛЬТЕРНАТИВ ВТОРИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТРАБОТАННЫХ ГОРНЫХ

ВЫРАБОТОК

Специальность 05.13.01 — «Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 №{ 2Ш

Москва 2010

004615906

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный горный

университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор ФЕДУНЕЦ НИНА ИВАНОВНА

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ПЕВЗНЕР ЛЕОНИД ДАВИДОВИЧ

кандидат технических наук ЦВЕТКОВ НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ

Ведущее предприятие:

ФГУП «Гипроуглеавтоматизация»

Защита диссертации состоится "<Й" ^ек^Л. 2010г. в /'3 час. на заседании диссертационного совета Д 212.128.07 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета

техн. наук, доц. Гончаренко С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

На данный момент техногенное пространство закрываемых горнодобывающих предприятий используется неэффективно. В то же время эти 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 эксплуатации. Однако при реализация выбранного направления использования можно столкнуться с рядом

1 ' % ]Г~

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 Р.,Marin G., Woodard D., Пучков Л.А., Ярунин С.А., Малкин A.C., Пучков JI.A., Иофис М.А., Попов В.Н., Закоршменный И.М., Шихциц 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.

2.0пределен 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 отдельной горной выработки с целью использования подземной горной выработки для вторичной эксплуатации.

4.Разработаны модели, метода 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 факторов многомерных альтернатив.

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 и варианта использования отработанной подземной горной выработки для вторичной эксплуатации, позволяющего впервые учесть параметры, описывающие упругие свойства породного массива и особенности его внутреннего строения.

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 позволит 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» Mil У, 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 93 наименований, содержит 150 страниц, 20 таблиц и 37 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время в горной промышленности России существует проблема вторичного использования полостей, образовавшихся в техногенной среде после выемки полезного ископаемого. В результате горные выработки используются лишь в технологических циклах при добыче минеральных ресурсов. Однако нерентабельное с точки зрения добычи отработанное подземное пространство, может принести большой доход предприятию. Вторичная эксплуатация подземных горных выработок может

существенно изменить экономическую ситуацию предприятий горнодобывающей промышленности в положительную сторону.

Наибольший опыт вторичной эксплуатации подземных горных выработок имеется в США. В горных выработках размещаются предприятия по производству спортивных судов, проволочных изделий, конвейеров, точного приборостроения, оптики и другого оборудования, научно-исследовательские лаборатории, подземные выработки также используются для захоронения нетоксичных отходов.

Задача определения возможности вторичного использования отработанных подземных горных выработок состоит в определении устойчивости выработок на основании данных маркшейдерского обследования и горно-геологических характеристик шахтного поля.

В результате маркшейдерского обследования подземных горных выработок были выявлены горно-геологические и технологические факторы, влияющие на определение варианта вторичной эксплуатации подземных горных выработок. На основании дальнейших исследований было определено влияние каждого из факторов на выбор варианта вторичной эксплуатации горной выработки.

Было - выявлено, что все горно-геологические и технологические факторы, влияющие на определение направления вторичной эксплуатации делятся на 3 группы: группа постоянных факторов, группа медленно изменяющихся факторов, группа быстро изменяющихся факторов подземной горной выработки.

Каждая факторная группа описывает влияние факторов на выбор направления использования отработанной подземной горной выработки. Также установлено, что внутри каждой группы существует регрессионная взаимосвязь между ее элементами. Определить её структуру позволяет информация об исследуемом процессе и значения факторных нагрузок элементов факторной группы.

Общее число проанализированных факторов составляет 61. По результатам статистического анализа основных характеристик факторов была выявлена неоднородность представления данных в виде качественных и количественных показателей. Для формализации исходных данных и представления статистической информации в едином унифицированном формате была проведена оцифровка качественных факторов.

В результате проведенной оцифровки качественных значений некоторых факторов все виды факторов приведены в единый формат,

благодаря чему был проведен многофакторный анализ, позволивший выявить значимые факторы и взаимосвязи между ними.

Таблица 1

Факторы, влияющие на пригодность горной выработки для ее вторичной эксплуатации

№ п\п Группа факторов Название фактора Факторная нагрузка

1. Группа постоянных факторов Тектонические нарушения 0489

2 Литологический состав породного массива 0,645

3 Фгаико-механическае свойства вметающих пород 0,894

4 Физико-механические свойства полезного ископаемого 0,475

5 Структурно-механические особенности вметающих пород 0,741

20 Мощность слоев пород кровли 0,809

21 Мощность слоев пород почвы 0,545

22 Параметры систем разработки шахтного поля 0,331

23 Размеры целиков, степень их устойчивости 0,671

24 Прочностная характеристика крепи 0,741

25 Технические характеристики горной выработки (размеры, форма, протяженность, площадь и объем) 0,854

26 Группа медленно изменяющихся фасторовОи Устойчивость горных пород по контуру горной выработки 0,965

27 Изменение несущей способности крепи во времени. 0,854

32 Концентрация метана в воздухе 0,854

41 Водообильность выработки 0,854

42. Группа быстро изменяющихся факгоровОРь,) Характеристика систем энергоснабжения 0,678

43. 44 Характеристика систем транспорта 0,603

Характеристика систем вентиляции 0,794

60. Характеристика систем водоотлива 0,688

61. Температурио-влаяшостные условия в выработках 0,475

По результатам факторного анализа выявлены 17 значимых показателей (табл. 1), факторная нагрузка которых оказалась выше пороговой, значение которой равно 0,5: ау>аоаг=0,5.

Факторный анализ показал, что наибольшую значимость имеют следующие факторы: устойчивость горной выработки (Н1), водообильность выработки (П), площадь отработанной подземной горной выработке (81), концентрация метана в воздухе (М1).

Так, руководствуясь априорной информацией из группы постоянных факторов, получаем следующую регрессионную зависимость Хпф - /¡(г/, г/, Zi, г/Л где Хпф - параметры устойчивости горной выработки; г^- значения техногенных факторов, входящих в первую факторную группу.

Из группы медленно изменяющихся факторов была получена следующая регрессионная зависимость Хмф =//г/, г/, г?, г£), где Хмф -параметры водоотлива; г,-2- значения техногенных факторов, входящих во вторую факторную группу.

Регрессионные зависимости, полученные из группы быстро изменяющихся факторов имеют следующий вид Хбмфу =/3(19, гм, z^Л Ъп)

Хбмф2 = /4(2-9, г\о, гп, г»3), где Хбмф! ~ параметры отработанной горной выработки; Хбмф2 - концентрация метана в воздухе, мм; г^3-значения техногенных факторов, входящих в третью факторную группу.

Для вышеуказанных регрессионных зависимостей были определены параметры моделей линейного вида с использованием метода пошагового регрессионного анализа. Соответствующие разработанные модели оценивались с помощью критерия Фишера (Б), коэффициента корреляции и средней квадратичной ошибки (СКО). Кроме того, каждый параметр моделей оценивался с помощью критерия Стьюдента (0.

Вторичное использование подземных горных выработок для различных целей, например, таких как захоронение нетоксичных отходов, размещение складов и др., сопровождается достаточно серьезными рисками в области технологической и экологической безопасности. Одной из важнейших причин этих рисков следует считать потерю устойчивости соответствующих выработок, которые изначально проектировались исходя из принципиально других условий и времени эксплуатации. При потере устойчивости вторично используемых горных выработок они перестают выполнять свои функции. Такие процессы могут привести к разрушению крепи выработок, изменению гидрогеологических условий под землей, проявлению процессов сдвижения горных пород на земной поверхности, что в свою очередь чревато возникновением аварийных ситуаций.

В связи с вышеизложенным в данной работе была решена задача определения устойчивости подземной горной выработки. Разработан метод расчета напряженного состояния, который в отличие от существующих позволяет рассчитать как напряженное состояние всего породного массива в целом, так и напряженное состояние на контуре отдельной горной выработки. Были учтены особенности внутреннего строения породного

массива и отдельной горной выработки, а именно структурно-текстурные особенности.

Породный массив состоит из различного вида горных пород. Минералы, которые их образуют, состоят го зерен. К ним относятся соли (калийная, каменная), известняк и др. Свойства минералов определяются свойствами их зерен и их взаимным расположением (структурой). В свою очередь свойства горных пород определяются свойствами минералов и их взаимным расположением (текстурой).

Экспериментальное изучение свойств зерен не представляет никаких трудностей. Так, например, в лабораторных условиях можно вырастить зерно любого заданного размера. Что касается минералов и горных пород, сделать, это невозможно, так как размеры минералов, горных пород, породного массива могут достигать огромных размеров. Экспериментально определить свойства породного массива не представляется возможным. Не существует устройств, на которых можно было бы испытать образцы таких больших размеров. По этой причине свойства зерен, минералов, горных пород определяются каждый в отдельности.

Массив горных пород является весьма сложной средой. В различных частях породного горного массива при ведении горных работ одновременно происходят процессы деформирования различного характера. Для описания геомеханической обстановки в массиве горных пород могут быть применены следующие математические модели:

> идеализированные представления породного массива как о сплошной среде;

> модели дискретных сред, в которых среду представляют в виде совокупности отдельных частиц.

Горные породы неодинаково сопротивляются приложенным нагрузкам, в связи с чем они характеризуются как правило, двумя показателями: пределом прочности на одноосное растяжение [ор] и пределом прочности на одноосное сжатие [а^], если напряжение на контуре выработки превышает пределы прочности пород, происходит разрушение приконтурных участков массивов. В результате вокруг выработки образуется зона нарушенных пород, параметры которой могут быть определены экспериментально или аналитически. При прогнозе геомеханической обстановки в массиве горных пород интерес представляют теоретические методы расчета напряжений и деформаций в породном массиве.

Длительное время предметом изучения механических процессов, происходящих в породном массиве, было изучение напряженного состояния породного массива и процессов перераспределения напряжений при развитии горных работ. Однако ни при инструментальных, ни при теоретических исследованиях напряженно-деформированного состояния массива (НДС) не учитывались особенности внутреннего строения как горных пород, так и породных массивов.

Породный горный массив и входящие в него горные породы являются анизотропными и неоднородными, то есть параметры, описывающие данные среды, зависят как от координаты, так и от направления. Поэтому эти параметры являются тензорными величинами, зависящими от координат.

В качестве параметра, описывающего упругие свойства анизотропной неоднородной среды, был выбран С^М(Х) -тензор упругих модулей, где (X) координаты точки среды, которую мы рассматриваем. Данная величина получается при испытании отдельного зерна полнокристаллической горной породы, которую можно взять из справочника.

Поставленная в диссертации задача решается для породных массивов состоящих из полнокристаллических горных пород. Как известно, элементы горной выработки теряют устойчивость при достижении предела прочности на разрыв от. Анализ моделей, описывающих состояние горных пород, показал, что наилучшим образом упругие свойства горных пород описывает закон Гука, который в символическом виде записывается как:

где су- тензор напряжения, Еу- тензор деформации.

Полученное напряжение оу сравнивается с от пределом прочности на разрыв:

если оу> сг, то приконтурная часть выработки потеряла устойчивость; если аг, то выработка устойчива.

Однако закон Гука описывает напряжение только в точке, и а, е и С не соответствуют своим экспериментально определенным значениям для породного массива в целом. Поэтому значения деформации и нацряжения усредняются, соответственно получим величины <а> и <е>. В качестве усредненного значения тензора модуля упругости каждого зерна в породном

(1)

к1

(2)

массиве будем использовать величину С3ф. Свойства зерна являются первичными. Зная С для отдельного структурного зерна или структурной составляющей, можно определить Сэф, характеризующие породный массив в целом.

Вследствие этого для описания напряженного состояния породного массива используется следующая формула:

<а> = Сэф<£>, (3)

где <о> - среднее напряжение, <е> - средняя деформация. Для того чтобы решить задачу по определению Сэф, были проанализированы математическая модель полнокристаллической горной породы (минерала) равномерно зернистой структуры, трехмерная неограниченная анизотропная упругая среда, которую назовем основной, с неоднородностями и в эллипсоидальных областях У(х), где х (Х) , х2 , х3) -точки среды. Эти эллипсоидальные области плотно прилегают друг к другу и соответствуют зернам минералов и пород. Через Со обозначим постоянный тензор упругих модулей основной среды, равный осредненным значениям тензора упругих модулей отдельного зерна <0, через С0+С1 - то же осредненное значение тензора упругих модулей для эллипсоидальной неоднородности, где С1 - случайный тензор, постоянный в пределах каждой неоднородности. Он принимает различные значения в зависимости от ориентации эллипсоидальной неоднородности. В свою очередь ориентация последних случайна. Тогда тензор упругих модулей среды с неоднородностями можно представить в виде кусочно-постоянной функции: С(х)=Со+С,У(х); (4)

где V (х) - характеристическая функция области V, занятой неоднородностями. Но так как в рассматриваемой модели неоднородности плотно прилегают друг к другу, то У(х) всегда равно 1.

Обозначим через £0(х) непрерывное внешнее поле деформаций, которое существовало бы при С1=0 в основной однородной среде при заданных внешних силах, и через е (х) - кусочно-непрерывное поле деформаций в среде с неоднородностями при тех же внешних условиях.

Были проанализированы существующие в настоящее время основные методы решения задач для определения основных характеристик неоднородной среды: вириальный метод вычисления модулей упругости; вариационный метод вычисления модулей упругости; корреляционное приближение теории случайных функций; сагаулярное приближение теории случайных функций, метод самосогласованного поля (МСП).

При решении поставленной задачи был использован метод самосогласованного поля (МСП), так как предположения этого метода в наилучшей степени удовлетворяют условиям рассматриваемой задачи:

> поле деформаций е', в котором находится каждая из неоднородностей, складывается из внешнего поля Е0 и поля, обусловленного окружающими неоднородностями;

> это поле одинаково для всех неоднородностей и постоянно;

^ каждая из неоднородностей представляется изолированным эллипсоидальным включением в основной среде.

Из условия постоянства е' и согласно результатам решения вспомогательной задачи для поля деформаций е внутри любой эллипсоидальной неоднородности имеем:

е = {1+А-С,' (5)

Усредняя (5) по ансамблю реализации случайного поля неоднородностей и путем несложных математических операций, получаем: <а>=<С{1+А-С,)~х >е' ^

Подставим значение <е> из (5) и<ст> из (6) в закон Гука:

где Б эф - тензор эффективных упругих податливостей. Величина, обратная СЭф.

В результате получим:

или

Сзф =<(1 + А-С,)"' ха + А-С,)'' >\ (9)

После определения С^ и Бэф, используя обобщенный закон Гука:

<о> = Сэф <е> и < е > = < а >, получаем напряженно-деформированное состояние полнокристаллических горных пород в массиве с учетом структурно-текстурных особенностей.

Для некристаллических горных пород невозможно на сегодняшний день найти математический метод, который позволил бы описать свойства неоднородной среды. Поэтому свойства горных пород, к примеру модули упругости С;, Сг—, были определены по имеющимся справочным или экспериментальным данным. А для определения всего породного массива был использован метод средневзвешенного. В результате получена формула для расчета упругих модулей всего породного массива в виде:

Спш=С?^+С2Фу2+-+С^1+С2у2+-= ^ СГЧ + £ С; V. ,(10)

¡=1 ¡=1

где VI'.-процентное содержание данной горной породы в породном массиве,

С1 - модуль упругости отдельной горной породы, входящей в состав породного массива.

Первая сумма в формуле отвечает за эффективные упругие модули кристаллических горных пород породного массива. Вторая сумма ответственна за упругие модули некристаллических горных пород. Причем

(уф

1 - рассчитывается, а С,- берется из справочных данных или данных эксперимента.

При выборе направления вторичного использования подземных горных выработок важным фактором является определение направления использования каждой отдельно взятой выработки с учетом физико-механических свойств пород, окружающих выработку. Поэтому необходимо было решить задачу по определению устойчивости отдельной горной выработки.

Для определения устойчивости отдельной горной выработки необходимо определить напряженно-деформированное состояние пород, на оспове которого должен производиться мониторинг напряженного состояния массива в структурно — составляющих горных породах, лежащих на контуре горной выработки.

В связи с этим была решена задача мониторинга устойчивости горных выработок по напряжениям в структурно-составляющих горных породах, а также определено упругое поле напряжений в полнокристаллических породах.

Для этого, как и в предыдущей задаче, была использована математическая модель полнокристаллической горной породы (минерала) равномернозернистой структуры: трехмерная неограниченная анизотропная упругая среда. Данная модель учитывала наличие границ между зернами в породах, их анизотропность и взаимное влияние отдельных зерен на напряженное состояние. Ориентация зерен определялась углами Эйлера Р' V. Для решения этой задачи был использован метод самосогласованного поля (МСП), так как предположения этого метода в наилучшей степени удовлетворяют условиям рассматриваемой задачи:

> поле деформаций е', в котором находится каждая из неоднородностей, складывается из внешнего поля ео и поля, обусловленного окружающими неоднородностями;

> это поле одинаково для всех неоднородностей и постоянно;

> каждая из неоднородностей представляется изолированным эллипсоидальным включением в основной среде.

Для нахождения °° сначала решим вспомогательную задачу: эллипсоидальная неоднородность в основной среде:

* = {/+Л-С1)-,-*в, (11)

где I - единичный тензор;

А- интеграл от Фурье-образа 2-й производной тензора Грина по единичной сфере. Умножив это выражение на тензор упругих модулей зерна С, получили выражение для индуцировашюго поля напряжений внутри изолированной эллипсоидной неоднородности:

<т = С{1+А-Сху'1-еа. (12)

При этом внешнее поле напряжений, в котором находится горная

порода в целом, равно а°. С учетом изложенных предпосылок относительно модели горной породы и предположений МСП получено:

е'=< С(/+л-С,Г,>-'-<г0. (13)

Общее выражение для поля напряжений а в зернах горной породы при известном внешнем поле записывается как:

<т = С(1+АхС1)"1«С(1+А>«С1)-1>-1хСТо. (14)

Использование данных о напряженном состоянии породного массива позволит прогнозировать дальнейшие мероприятия по более эффективному вторичному использованию отдельных выработок, а также проводить мониторинг состояния породного массива в целом.

На основе разработанной модели и выбранных математических методов обработки наблюдений были разработаны алгоритмы определения устойчивости всего породного массива и алгоритм определения устойчивости отдельной горной выработки.

Алгоритм определения устойчивости всего породного массива состоит из следующих шагов:

Шаг 1. Выделение полнокристаллических и некристаллических горных

пород, а также определение объемного содержания каждой породы в

породном массиве (оцифровка стратиграфической карты).

Шаг 2. Выбор значений модулей упругости С структурно-составляющих

полнокристаллических и некристаллических горных пород.

Шаг 3. Определение вида горных пород, если порода кристаллическая, то

переходим к Шагу 4, если нет, то к Шагу 6.

Шаг 4. Расчет СЭф для каждой полнокристаллической горной породы по формуле: С* =< С„(!,„, + А1рС^„У1 > * < (1^ + А,^)'1 >"',

где У -тензор модуля упругости всей среды,

- модуль упругости отдельной структурной составляющей,

- единичный тензор,

^ - интеграл от Фурье-образа 2-й производной тензора Грина по единичной сфере, С1

т - разница между Ст - <Сф >. Шаг 5. Расчет модуля упругости СфК для всех полнокристаллических горных

и

пород с учетом их объемного содержания по формуле: Сс/Я = ^С^у,.

м

Шаг 6. Расчет модулей упругости всех некристаллических горных пород, входящих в породный массив.

Шаг 7. Расчет значения модуля упругости всего породного массива путем суммирования значений модулей упругосга для кристаллических и некристаллических горных пород:

1=1 !'»1

Шаг ^.Получение значения деформации <е> в породном массиве.

Шаг 9. Расчет напряженно-деформированного состояния породного массива

в целом по формуле <а> = Ст *<£>.

Шаг 10. Сравнение <с> и - пределом прочности на сжатие.

Шаг 11. Если <а> > а^ или <<т> > а, - предела прочности на растяжение, то

массив неустойчив,

Шаг 12. Если <а> < веж или <а> < ат, то массив устойчив.

Таким образом, была определена устойчивость всего породного массива, с учетом его структурно-текстурных особенностей. Однако для решения задачи определения направления вторичного использования подземной горной выработки также необходимо определить устойчивость отдельной горной выработки. Был разработан алгоритм для определения устойчивости отдельной горной выработки:

Шаг 1. Определение полнокристаллических и некристаллических горных пород, а также определение объемного содержания каждой породы в породном массиве.

Шаг 2. Определение значения модуля упругости С полнокристаллической структурно-составляющей горной породы. Шаг 3. Определение значения внешнего напряжения: о0 = уН^. Шаг 4. Определение поля напряжений а полнокристаллических структурно составляющих кристаллических горных пород по формуле: ст = С(/+Л-С,)4 <<С(/+Л-С,у1 >-' а0

Шаг 5. Сравнение о с аг - пределом прочности на растяжение, если а> ат ,то выработка неустойчива, если а< <т„ то устойчива.

Устойчивость является ключевым фактором при определении направления использования отработанной подземной горной выработки.

Однако, как показали исследования (гл.2), на выбор варианта вторичной эксплуатации подземной горной выработки существенно влияют и другие значимые факторы (табл.1). Поэтому при определении варианта вторичного использования выработки необходимо учесть влияние значимых факторов: водообильности выработки (Б1), площади отработанной подземной горной выработки (Б1), концентрации метана в воздухе (М1), при фиксированной устойчивости. Следовательно, решаемая в диссертации задача требует многокритериальной оптимизации.

В результате проведённого анализа преимуществ и недостатков рассмотренных методов дая решения задачи многокритериальной оптимизации выбора варианта эксплуатации отработанных подземных горных выработок был использован метод разумных целей (МРЦ), который позволяет решить данную задачу наиболее эффективно.

Метод разумных целей основывается на теориях обобщённых достижимых множеств (ОДМ) и Парето. Как показывают проведённые в диссертации исследования, применение метода МРЦ позволяет осуществить следующее: задать предпочтения пользователя без указания весов важности выбора вариантов вторичной эксплуатации; провести графическую визуализацию кривых замещения вариантов и обратную связь с ЛПР; осуществить переход от слоевого упорядочивания к линейному и обратно.

В соответствии с МРЦ процедура определения выбора вариантов вторичной эксплуатации разделяется на два этапа: 1) указание пользователем направлений улучшения параметров выработки; 2) задание желаемых значений параметров выработки. Причём, кроме выбора разумной цели и указания направления улучшения параметров, от пользователя не требуется больше никакой информации. Ещё одним преимуществом этого метода является возможность варьирования количеством оптимальных отбираемых вариантов вторичной эксплуатации.

Однако на основании проведенного в диссертации анализа, полученная на основе МРЦ структура предпочтений не является оптимальной. Вследствие этого для достижения целей данного научного исследования и снятия ограничений выбранного метода многокритериальной оптимизации в диссертации была использована процедура направленного поиска оптимального варианта вторичной эксплуатации горных выработок, основанная на применении МРЦ и взвешенной метрики Чебышева.

Анализ литературы по вопросам целевого программирования показал, что основным математическим инструментом для осуществления процедуры

Рис. 1. Фигуры, вырезаемые в оболочке факторов различными метриками.

-Линия уровня взвешенной метрики Чебышева

-------Линия уровня метрики Хемминга

---Линия уровня евклидовой метрики

ЩЦИйН Область, доминирующая точку 1 ЩЩ Область, доминируемая точкой 1 ЦД Область, входящая в евклидову метрику

отбора вариантов вторичной эксплуатации являются "метрики", как меры близости/удалённости вариантов к/от цели. Получается, что варианты, находимые модифицированным МРЦ, оптимальны по Парето. А взвешенная метрика Чебышева, измеряющая расстояние по принципу максимального отклонения, в свою очередь позволяет получить наиболее оптимальный результат отбора эффективных компромиссных вариантов направлений использования (рис.1).

На основе разработанной модели и выбранных математических методов решения многокритериальной задачи выбора варианта использования отработанной подземной горной выработки был создан алгоритм направленного поиска оптимального варианта вторичной эксплуатации горных выработок на основе модифицированного метода МРЦ и взвешенной метрики Чебышева, который выполняется в следующей последовательности:

Шаг 1. Определение паретовской оболочки, оболочку Эджворта-

Парето(ОЭП) и выпуклую оболочку Эджворта-Парето (ВОЭП) множества X по выражениям Р(Х) = {х е X: {х' е X: х' > х, х' * х} = 0};

Хр= {х* е RM: ЭхеХ,х'<х}; conv(XP) = {х: х = Е Xi a¡, h > О,2 = 1,

M+l

где Х- значимые факторы отработанной подземной горной выработки;

Р(Х) - паретовское множество многомерных альтернатив вариантов вторичной

эксплуатации отработанной подземной горной выработки;

Хр - оболочка Эджворта-Парето (ОЭП);

л - М-мерное пространство факторов (Мравно числу используемых факторов); convQíp) - выпуклая оболочка Эджворта-Парето(ВОЭП); JU— вектор весов, определяющий метрику Чебышева

Шаг 2. Расчёт двумерных сечений выпуклого многогранника гес(Хр) — com^X®1) r> RM+, аппроксим!фующего ВОЭП, путём решения системы линейных неравенств.

М з

где хц, хр - координатные критерии; xj*- некоординатные критерии;

a¡, b¡ - координаты вектора внешней нормали к полуплоскости, определяемой каждым неравенством;

j - множество номеров координатных критериев, |/| =2.

Шаг 3. Графическое задание разумной цели в виде выражения:

Gr = <аш, a2G, aMG>, G, s u0 - начальная точка излома линии уровня

метрики Чебышева.

Шаг 4. Задание пользователем искомого количества вариантов эксплуатации. Шаг 5. Определение М-компонентов идеального вектора параметров: a¡** = a¡* + e¡ = max{a¡(x)|x e X} + £¡,

где с, > 0;

a* - найденная на итерации k соответствующая точка пространства факторов; а**- идеальный вектор факторов.

Шаг 6. Определение в заданной точке и0, соответствующей разумной цели G, взвешенной метрики Чебышева в виде выражения:

¡a"-af = тах{Л.(л"-a,)}, i = =1,

1 м

где а - точка, принадлежащая оболочке факторов.

Шаг 7. Выделение множества параметров, входящих в метрику Чебышева, в

II ** **

виде: На -а = max (Л.(а. -а.). 11 í=l„..,AÍ ' ' »

Шаг 8. Проверка условия равенства найденного числа вариантов эксплуатации |V0| количеству вариантов эксплуатации, заданному на входе; в случае достижения равенства - выход из процедуры.

Шаг 9. Определение новой точки излома взвешенной метрики Чебышева:

и" - У* -И ; _ ,

где г** = а**; г = и°; к-номер шага; И ' начальное значение шага.

Шаг 10. Продолжение движения метрики Чебышева Л = со1Ш -> г/+1= О*-А шаги б, 7 и 8,

где Ь - искомое количества вариантов V- количество найденных вариантов

Шаг 11. Изменение шага и направления движения метрики Чебышева \У\ >Ь Л = (-1) * А/2 Л*1 = 1/-Л шаги 6,7 и 8.

Разработанный алгоритм осуществляет следующее: 1) позволяет недоминируемым вариантам эксплуатации варьировать значения своих параметров в широком диапазоне, 2) доминируемые варианты, отличающиеся от недоминируемых по значениям параметров на очень малую величину, не будут выбраны по Парето в первую очередь. Благодаря тому что взвешенная метрика Чебышева вырезает в ВОЭП наименьшую по объёму фжуру (рис.1), она отсекает разброс (как большой, так и малый) в значениях параметров, позволяя достичь объективного компромисса (нахождение в первую очередь оптимальных вариантов вторичной эксплуатации).

Описанные выше метод и алгоритм позволяют оценить формализованные факторы с большим числом статистических данных. Однако на основе факторного анализа (табл.1) были выявлены слабоформализованные факторы, которые тоже влияют на выбор варианта использования отработанной подземной горной выработки. С целью уменьшения субъективизма решения для группы факторов с малым количеством статистики были разработаны метод и алгоритм их учета при определении направления вторичной эксплуатации горной выработки. Данные метод и алгоритм производят отбор оптимального варианта вторичной эксплуатации на основе построения дерева решения с использованием всех значимых факторов и соответствующих им вариантов эксплуатации, а также производят оценку качественных факторов и слабоформализованных вариантов эксплуатации по следующим критериям: Ходжа-Лемана, Гурвица, Вальда и Гермейера. На основании этой оценки выбирается окончательный оптимальный вариант вторичной эксплуатации.

Практическая реализация разработанных методик, моделей, методов и алгоритмов определения устойчивости отработанной подземной горной

Данные но маркшейдерскому . обследованию выработки

д

Функциональны В модуль

Загрузка статистических данных по всем факторам

д

Модуль определения значимых факторов

и

Модуль определения взаимосвязей между факторами

и

Функциональные модули

1 Загрузка значений модулей упругости С структурно - составляющих шшнокристашшческих и некристаллических горных пород

2 Загрузка значений объемного содержания каждой породы в породном массиве и

Модуль определения устойчивости всего породного массива

Модуль определения устойчивости отдельно вахтой выработки

тг

Модуль определения вариантов вторичной эксплуатации дня значимых факторов

и

ЛПР

Модуль определения вариантов вторичной эксплуатации для слабоформализоыванвых, качественных факторов

Модуль определения многомерных альтернатов вторичного использования

отработанных горных _ выработок

Рис. 2. Структурно-функциональная схема ППП «Пантера» 19

выработки и выбора направления ее использования была осуществлена при помощи специально разработанного пакета прикладных программ «Пантера» (рис. 2), реализованного в интегрированной среде разработки Delphi 7.111111 «Пантера» является открытой системой, каждый модуль которой может работать как отдельно, выполняя определенные задачи, так и в совокупности с другими модулями.

Определение направления использования отработанной подземной горной выработки происходит в три этапа. Сначала производится факторный анализ, выявление значимых факторов, определение их взаимосвязей и взаимовлияния. Далее на основании маркшейдерского обследования подземной горной выработки определяется ее устойчивость. Если выработка неустойчива, то дальнейшие расчеты не имеют смысла, если же выработка устойчива, то направление ее использования выбирается с учетом оставшихся значимых и неформализованных факторов.

По экспериментальным данным ЗАО Фирмой «Крот и К» с помощью 1111П была определена устойчивость горной выработки. Результаты приведены в табл. 2.

В результате работы модуля ППП «Пантера)) было определено, что напряженное состояние породного массива составляет 2*107 н/м2, на контуре выработки составляет 4*107 н/м2. ППП «Пантера» классифицирует данную выработку как «устойчивую».

Таблица 2

Промышленный объект Напряженное состояние в породном массиве, н/м2 Напряженное состояние на контуре выработки, н/м2 Устойчивость выработки

ЗАО Фирма «Крот и К» 2*107н/м2 4*1О7н/м2 Устойчива

Затем, при фиксированной устойчивости, с помощью модуля определения вариантов вторичной эксплуатации для значимых факторов было произведено формирование оптимальных вариантов вторичной эксплуатации используя модифицированный метод МРЦ и взвешенную метрику Чебышева (табл.3).

Таблица 3

Промышленный объект Водообильносгь выработки Площадь отработанной подземной горной выработки, м2 Концентрация метана в воздухе

ЗАО Фирма «Крот и К» 3,25 л/с 700 м2 Допустимая (5 м3/т)

Результаты работы процедуры направленного поиска для данного модельного примера представлены на Рис. 3. Как видно из рисунка, в

результате моделирования был произведен отбор трёх оптимальных вариантов использования отработанных подземных горных выработок. Далее было произведено уточнение полученных данных с помощью модуля определения вариантов вторичной эксплуатации для слабоформализованных качественных факторов. По результатам моделирования и проведенного анализа на основе разработанных метода и алгоритма точность выбора варианта вторичной эксплуатации, с учетом слабоформализованных качественных факторов возрастает на 0,35%.

В конечном итоге по результатам моделирования были получены следующие варианты эксплуатации:

ВЭ1 - Размещение на территории выработки захоронения нетоксичных отходов;

ВЭ2 - Размещение на территории выработки складов;

ВЭЗ - Использование выработки для размещения научных объектов.

Параметр 1

Рис. 3. Графическая интерпретация отбора оптимальных вариантов вторичной эксплуатации подземной горной выработки с помощью ППП«Пантера»

Таким образом, инструментальное средство 111111 «Пантера», позволяет определить устойчивость горной выработки, и с учетом значимых и слабоформализованных факторов, в конечном итоге, формирует оптимальные варианты вторичной эксплуатации отработанной подземной горной выработки, не участвующей в технологическом процессе предприятия.

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 и 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 выработай с учетом структурно-текстурных особенностей горных пород и породного массива.

4. Разработан новый подход, включающий модели,методы 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.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Левкин Ю.М., Левкина С.Ю. Инструментальпая среда определения направления использования отработанного подземного пространства// Международный журнал «Программные продукты и системы» - 2008. ОВ№ 3. - С. 23-25.

2. Левкина С.Ю. Выбор и оценка горно-геологических факторов при создании мониторинга многоцелевого освоения техногенной среды// Горный информационно-аналитический бюллетень- 2008. -ОВ№ 10. - С. 352-357.

3. Левкин Ю.М., Левкина С.Ю., Левкин М.Ю. Осуществление мониторинга за состоянием охранных закладочных целиков подземных горных выработок, предназначенных для вторичного использования// Горный информационно-аналитический бюллетень- 2008. - № 12 - С. 106-110.

4. Левкина С.Ю. Мониторинг устойчивости горных выработок по напряжениям в структурно-составляющих горных породах// Горный информационно-аналитический бюллетень- 2010. - ОВ № 5. - С. 156-159.

5. Федунец Н.И., Левкина С.Ю.Создание модели мониторинга устойчивость горных выработок по средним напряжениям и деформациям// Горный информационно-аналитический бюллетень- 2010. - ОВ № 5. - С. 150-156.

Подписано в печать^? У/.2010. Формат 60x90/16

Объем 1.0 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ №

Отдел печати МГГУ, Москва, Ленинский пр., 6

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

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.

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.

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