автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Моделирование бестранспортной системы разработки пластовых месторождений

ВВЕДЕНИЕ

1. ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕСТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ

1.1. Особенности технологических решений в бестранспортных системах разработки

1.2. Использование математических методов для планирования открытых горных работ.

2. МЕТОДИКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

2.1. Структура описания технологического решения в виде схемы ведения горных работ и системы горных выработок.

2.2. Имитационное моделирование развития системы разработки

2.3. Последовательная формализация структуры схемы ведения горных работ

2.4. Расчет интенсивности технологических операций

3. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ БЕСТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ

3.1. Моделирование перевалки вскрышных пород во внутренний отвал на поперечном сечении.

3.2. Моделирование развития горных работ при бестранспортной системе разработки. Оценка результатов моделирования

АКТУАЛЬНОСТЬ. Эффективность горных работ на карьере при постоянно изменяющихся природно-технологических условиях в значительной мере зависит от качества текущего планирования горного производства и технико-экономической оценки возможных технологических решений.

Современный карьер является сложной динамической системой. Планирование развития подобной системы, характеризуемой большими объемами информации и сложными связями, на основе традиционных подходов (использования графо - аналитических расчетов, нормативов времени и выработки, а также опыта и интуиции) недостаточно эффективно. Это предопределяет необходимость применения компьютеров и современных методов математического моделирования.

Адекватное представление технологических особенностей в математических моделях позволит лучше использовать внутренние ресурсы технологий без привлечения дополнительных средств и прогнозировать возникновение «узких мест», снижающих производственные показатели карьера. Поэтому работа, направленная на создание математических моделей, способных учитывать сложный характер технологических взаимосвязей, влияющих на интенсивность развития работ в пространстве и времени является актуальной.

Исследования проводились в соответствии с программой N 12 Сибирского отделения РАН «Комплексные исследования региональных и глобальных геологических процессов и создание научных основ наращивания минерально-сырьевого потенциала и разработки полезных ископаемых».

ЦЕЛЬ работы - создание методики моделирования горных технологий и математической модели бестранспортной системы открытой разработки угольных месторождений для обоснования параметров экскавации пород вскрыши и анализа эффективности технологических схем с внутренним от-валообразованием.

Основная ИДЕЯ. Сущность и последовательность вычислений в математической модели определяется порядком ведения горных работ в технологической системе, следовательно:

- математическая модель должна быть управляемой;

- управление должно осуществляться с помощью специальной структуры, описывающей порядок горных работ с точностью и полнотой, достаточной для принятия технологических решений

ЗАДАЧИ исследования:

- формирование структуры представления технологических ситуаций на основания анализа порядка ведения горных работ и особенностей принятия решений при текущем планировании на карьерах;

- выбор, обоснование методов и создание математической модели технологии горных работ;

- построение математической модели бестранспортной системы разработки, основной подсистемой которой является аналитическая модель работы драглайна при выемке и укладке пород вскрыши во внутренний отвал.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ: системный подход, сетевое, линейное и объектно-ориентированное программирование, теория графов, фреймовые и скриптовые методы представления экспертных знаний.

Научные ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту:

- при расчете положений забоя и отвала драглайна принимается во внимание сложная форма их поверхности, зависящая от предшествующего положения, места и порядка выполнения работ;

- при имитации развития горных работ в пространстве учитывается их различная интенсивность, зависящая от простоев оборудования, обусловленных технологическими причинами (взаимодействие машин, вскрытие и подготовка запасов, ремонт, перегон и др.).

- математическая модель открытой геотехнологии представляет собой управляемую динамическую систему с гибкой структурой и возможностью технологического регулирования посредством изменения порядка ведения горных работ и взаимодействия оборудования.

Научная НОВИЗНА работы заключается в следующем:

1. Предложено представление схемы ведения горных работ в виде ориентированного графа с вершинами - технологическими операциями и дугами, показывающими последовательность операций и грузопотоков, отличающееся от известных сетевых моделей тем, что граф используется только для управления процессом моделирования. Сформулирована и решена задача последовательной формализации для представления порядка горных работ в виде графа технологической схемы (с использованием базы знаний рассматриваемой структуры).

2. Установлена возможность использования методов теории динамических систем для имитационного моделирования пространственно-временного положения составляющих технологической системы как последовательности дискретных изменений в состоянии объектов, описанных атрибутами технологических операций, или в структуре управляющего графа.

3. Обосновано приложение метода линейного программирования для расчета интенсивности ведения технологических операций при решении задачи максимизации суммарной величины потока с учетом возможности осуществления нескольких последовательных или параллельных операций одним техническим средством и потерь времени на взаимодействие смежных по грузопотоку машин.

4. Разработана аналитическая модель функционирования драглайна, основанная на сочетании принципа частичного перебора вариантов с процедурами аналитической геометрии на плоскости. Отличительной особенностью модели является возможность определения результирующих показателей технологии и положения поверхностей забоев и отвалов сложного строения при различных способах ведения горных работ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в разработке математического и информационного обеспечения для автоматизированного моделирования технологий горных работ. Это позволяет создавать диалоговые компьютерные системы, сочетающие развитые информационные и модельные возможности со стандартами открытости, переносимости, интерактивной графики и дружественного интерфейса. Внедрение подобных систем облегчает процесс планирования горных работ и повышает качество принимаемых технологических решений.

ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается:

- широкой информационной базой;

- корректным использованием математических методов для моделирования технологии горных работ;

- хорошей сходимостью результатов моделирования технологических схем с фактическими производственными показателями.

РЕАЛИЗАЦИЯ. На основе разработанных методических положений и математических моделей создана автоматизированная система планирования бестранспортной технологии горных работ. Система принята в эксплуатацию на АООТ «Разрез Черногорский» и используется в учебном процессе Горного факультета Читинского технологического университета.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание работы и её отдельные положения обсуждались на конференциях молодых ученых Читинского технологического университета (1987, 1996 г.г.), IX Всесоюзном симпозиуме по логическому управлению в промышленности (Ташкент, 1986), Всесоюзном научно-техническом совещании «Разработка и применение систем автоматизированного проектирования и АСУ горного производства» (Алма-Ата, 1987), Международных симпозиумах по применению компьютеров и иссле7 дования операций в горной промышленности АРСОМ (Монреаль, Канада, 1993 и Москва, Россия, 1997), II Международной конференции по открытым горным работам (Москва, 1996), Международной конференции "Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения)" (Екатеринбург, 1998), III Республиканской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в горном деле" (Екатеринбург, 1998), Международном семинаре "Компьютерное моделирование горных работ" (Кемерово, 1998).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации автором опубликовано 12 научных работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, в т.ч. 8 таблиц, 19 рисунков; список литературы представлен 58 наименованиями.

Основные выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Установлено, что бестранспортная технология является гибкой системой разработки, обладающей внутренними возможностями адаптации к изменяющимся целям функционирования и природно-технологическим условиям.

2. Разработаны методические положения построения математических моделей технологий горных работ для решения задач текущего планирования. Модели должны:

- создаваться как декомпозированные в соответствии с изложенной в работе классификацией подпрограмм;

- представлять собой управляемые динамические системы с гибкой структурой и возможностью технологического регулирования;

- ориентироваться на управление посредством изменения способов ведения горных работ и порядка взаимодействия оборудования.

3. Установлено, что применение моделей, способных учитывать сложные технологические взаимосвязи, влияющие на интенсивность развития работ в пространстве и времени, позволит более полно использовать внутренние ресурсы технологий без привлечения дополнительных средств и прогнозировать возникновение «узких мест», снижающих производственные показатели карьера.

4. Создана автоматизированная система планирования бестранспортной технологии горных работ, основанная на рекомендуемых методических положениях. Система принята в эксплуатацию на АООТ «Разрез Черногорский» и используется в учебном процессе Горного факультета Читинского технологического университета.

Основные содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Танайно A.C., Сержантов C.B., Назаров И.В. Об одном подходе к решению задачи проектирования структур комплексной механизации открытых горных разработок //Логическое управление в промышленности (тезисы докладов IX Всесоюзного симпозиума), Ташкент, 1986.

2. Назаров И.В., Танайно A.C. Технологическая схема как информационно-управляющий модуль задачи проектирования структур комплексной механизации карьеров //Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания «Разработка и применение систем автоматизированного проектирования и АСУ горного производства», ч.2, Алма-Ата, КазПТИ, 1987.

3. Назаров И.В. Обоснование структуры и состава базы данных «Технологические схемы» для САПР карьеров //Освоение топливно-энергетических комплексов восточных районов страны, Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1989.

4. Назаров И.В., Кортелев О.Б. Моделирование карьера в многокритериальной постановке //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1993, № 5

5. Nazarov I.V. Use of computerized scheme presentation of carry out mining works as information-control medium when modelling opencasts // Proceedings of 24th International Symposium APCOM, Montreal, Canada, 1993.

6. Назаров И.В. Методические предпосылки создания автоматизированной системы выбора и расчета технологических схем открытой разработ

144 ки угольных месторождений //Проблемы открытой разработки угольных месторождений, Кемерово, КузГТУ, 1994.

7. Танайно А.С, Назаров И.В. Компьютерная система моделирования бестранспортной перевалки вскрыши драглайнами на угольных карьерах //Сборник докладов II Международной конференции по открытым горным работам, М.,1996.

8. Nazarov I.V. Computer model for current planning non transport mining system // 2nd Regional APCOM'97 Symposium Proceedings, Moscow, Russia,

1997.

9. Назаров И.В., Кортелев О.Б. Экспресс-анализ интенсивности грузопотоков на карьерах// Известия ВУЗов. Горный журнал, 1997, № 7-8.

10. Назаров И.В, Тетенов Е.В. Система планирования и контроля открытых горных работ на базе ГИС-технологии // Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения), т.2, Екатеринбург, 1998.

11. Назаров И.В. Особенности моделирования открытых горных работ как управляемых динамических систем // Сборник докладов III Республиканской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в горном деле», Екатеринбург, 1998.

12. Назаров И.В. Моделирование работы драглайна на стадии текущего планирования методом частичного перебора вариантов // Вестник КГТУ,

1998, №4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе представлено новое решение актуальной научной задачи по созданию методики математического моделирования бестранспортной системы открытой разработки угольных месторождений, имеющей существенное значение для обоснования параметров технологических схем и способов экскавации вскрышных пород и повышения качества планирования.

1. К.Н.Трубецкой, М.Г.Потапов, К.Е.Виницкий, Н.Н.Мельников и др. Справочник. Открытые горные работы. М.,Горное бюро, 1994.

2. Н.В.Мельников, Э.И.Реентович, Б.А.Симкин и др. Теория и практика открытых разработок. М.,Недра,1979.

3. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. М.,Недра, 1985.

4. А.В.Калинин, В.Г.Проноза. Научные основы управления горными работами на карьерах (бестранспортная технология). Кемерово, Куз-бас.политехн.ин-т, 1983.

5. В.В.Ржевский. Открытые горные работы. В 2 чс. Часть 1. Производственные процессы. Часть 2. Технология и комплексная механизация. М.,Недра, 1985.

6. М.И.Щадов, К.Е.Виницкий, М.Г.Потапов и др. Развитие техники и технологии открытой угледобычи. М.,Недра, 1987.

7. В.Г.Проноза. Обоснование структуры эффективных технологических комплексов перевалки вскрышных пород. Автореф. д.т.н.Кемерово, КузПИ, 1992.

8. Единые нормы выработки на открытые горные работы для предприятий горнодобывающей промышленности. Экскавация и транспортирование. М.,Недра,1971.

9. Н.П.Бусленко. Математическое моделирование производственных процессов. М.,НаукаД964.

10. А.М.Курносов, И.Б.Кудин. Совершенствование методов математического программирования в горном деле. М.,Наука, 1984.

11. Ю.П.Астафьев, A.C. Зеленский и др. Компьютеры и системы управления в горном деле зарубежом. М.,Недра, 1989.

12. Gibbs B.L. Mining software trends and applications //Mining engeneering, N 8, 1990,- p.974-981.

13. Nenonen L.K.,Scoble M.,Hadjigeorgiou J. Development of a knowledge-based decisison support system for surface mining //Proceedings of the first Canadian conference on computer applications in mineral industry. Quebac,1986. p.587-594.

14. К.А.Багриновский, В.В.Логвинец. Интеллектная система в отраслевом планировании. М.,Наука, 1989.

15. Системы поддержки экономических решений. М.,ЦЭМИ РАН,1991.

16. Методология проектирования горных предприятий. М., Недра, 1986.

17. Инструкция по расчету норматива эксплуатационной производительности экскаваторов и комплексов машин непрерывного действия. Киев,УкрНИИпроект, 1980.

18. К.Е.Виницкий. Управление параметрами технологических процессов на открытых разработках. М.,Недра,1984.

19. Э.И.Реентович. Обоснование оптимальных решений для открытых разработок. М.,НаукаД982.

20. К.Е.Виницкий, Б.Ю.Юровский. Иерархический подход к прогнозированию развития открытой угледобычи //Комплексное использование минерального сырья, 1987, №. 6.

21. Автоматизация проектирования подземных рудников. Алма-Ата, Наука, 1990.

22. И.Б.Табакман. Принципы построения АСУ на карьерах. Ташкент. Изд-во «Фан» УзССР, 1977.

23. Е.В.Фрейдина, А.С.Третьяков, С.Г.Молотилов Методы текущего планирования горных работ на карьерах. Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1988.

24. С.Л.Рагозин, Б.Ю.Юровский О методике выбора параметров оборудования угольных разрезов Канско-Ачинского бассейна //Новая технология и техника для открытых работ. Науч. сооб. ИГД им.А.А.Скочинского, вып.239,1985.

25. Л.М.Алотин, Б.П.Степанов. Моделирование и расчет транспортных систем горных предприятий. Алма-Ата, Наука, 1979.

26. С.Цой, С.М.Цхай, Е.И.Мастяева Синтез оптимальных сетей в системе управления горными предприятиями. Алма-Ата, Наука, 1974.

27. С.И.Петрович. Математические модели в оперативном планировании развития горных работ на шахтах. Алма-Ата, Наука, 1986.

28. В.И.Штеле. Имитационное моделирование развития подземных горных работ. Новосибирск, Наука, 1984.

29. И.Б.Табакман, А.З.Турецкий, Инструментальная система создания программных средств оптимизации горных работ на карьерах //Оптимизация горных работ и фрагменты САПР. Новосибирск,ИГД СО АН СССР, 1990.-с.7-12.

30. Fytas К.,Collins J-I.,Flament F.,Galibois A.,Singhal R. Potential applications of the knowledge-based systems in mining //CIM Bulletin, № 916, 1988.- p.38-43.

31. С.М.Чурсин. Автоматизированный выбор системы разработки в рамках САПР //Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников». М.,МГИ,1990.

32. А.Н.Цой. Динамические модели объектов горного производства. Алма-Ата,Наука, 1990.

33. С.С.Квон, С.И.Хан, М.П.Рыбалко. Интеллектуализация процесса синтеза технологических схем разработки пластов на основе применения экспертных систем //Известия ВУЗов. Горный журнал, 1991, № 10.

34. Д.Уотерман. Руководство по экспертным системам. М.,Мир,1989.

35. М.Г.Новожилов, В.С.Эскин, Г.Я.Корсунский. Теория и практика бестранспортной системы открытой разработки месторождений. Киев,Вища школа, 1973.

36. L.H.Michaud, P.N.Calder. Computerized dragline mine planning //Proceedings of the first Canadian conference on computer applications in mineral industry. Quebac,1986. p.353-357.

37. A.A.Денисов, Д.Н.Колесников. Теория больших систем управления. Л.,Энергоиздат,1982.

38. С.Л.Оптнер. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. М.,Советское радио,1969.

39. Ю.И.Анистратов. Технология открытой добычи руд редких и радиоактивных металлов. М.,Недра,1988.

40. Ю.И.Анистратов. Проектирование технологических потоков на карьерах //Совершенствование техники и технологии открытых горных работ. М.,МГИ,1978.

41. В.Л.Яковлев. Теория и практика выбора транспорта глубоких карьеров. Новосибирск, Наука, 1989.

42. В.В.Ершов. Геолого-маркшейдерское обеспечение управлением качеством руд. М.,Недра,1986.

43. О.Б.Кортелев, A.C.Кузнецов и др. Оценка производительности выемочно-транспортных комплексов в процессе планирования и организации горного производства //ФТПРПИ,1992, №4.- с.70-73.

44. В.Н.Вылегжанин, Э.И.Витковский, В.П.Потапов. Адаптивное управление подземной технологией добычи угля. Новосибирск, Наука, 1987.

45. М.И.Нечепуренко, В.К.Попков, С.М.Майнагашев и др. Алгоритмы и программы решения задач на графах и сетях. Новосибирск, Наука,1990.

46. И.Братко. Программирование на языке Пролог для искусственного интеллекта. М.,Мир,1990.

47. Автоматизация поискового конструирования. М.,Радио и связь,1981.

48. В.Н.Волкова. К выбору структуры, обеспечивающей части автоматизированной информационной системы //Экономическая информатика. М„ Наука, 1977, с.62 75.

49. Ж-Л. Лорьер. Системы искусственного интеллекта. М.,Мир, 1991.

50. Б.Банда. Основы линейного программирования. М., Радио и связь, 1989.

51. А.С.Танайно. Автоматизация проектирования карьеров. Горногеометрические расчеты. Новосибирск, Наука, 1986.

52. Методические указания по расчету устойчивости и несущей способности отвалов. Л.,ВНИМИ,1987.

53. В.Л.Береснев, Э.Х.Гимади, В.Т.Дементьев. Экстремальные задачи стандартизации. Новосибирск, Наука, 1978.

54. В.Г.Проноза. Исследование организации работ и обоснование комплекта оборудования для бестранспортной выемки свиты пологих пластов со150скальными вмещающими породами (на примере угольных разрезов Южного Кузбасса). Автореф. к.т.н.Кемерово, КузПИ, 1972.