автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка подсистемы автоматизированного контроля и прогноза процесса деформирования горного массива

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К СОЗДАНИЮ ПОДСИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗА.

1.1. Место подсистемы контроля и прогноза в процессе управления горным давлением. • • . . •

1.2. Анализ разработок в области автоматизации контроля и прогноза процесса изменения состояния массива.

1.3. Постановка и пути решения задачи прогнозирования методами статистической теории систем автоматического управления.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПОДСИСТЕМЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ

И ПРОГНОЗА.

2.1. Прогнозирование в условиях влияния возмущающих воздействий.

2.2. Прогнозирование в условиях неполной начальной информации.

2.3. Процедура автоматического выбора прогнозных состояний массива.

3. РАЗРАБОТКА И РАЗВИТИЕ ПОДСИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗА

3.1. Принципы создания и структура подсистемы.

3.2. Измерительный комплекс.

3.3. База данных.

3.4. Программный комплекс

4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПОДСИСТШЫ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗА

4.1. Постановка экспериментов в промышленных условиях

4.2. Реализация метода прогнозирования в условиях влияния возмущающих воздействий.

4.3. Реализация метода прогнозирования в условиях неполной начальной информации.III

4.4. Оценка эффективности применения подсистемы автоматизированного контроля и прогноза.

Актуальность проблемы. Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I - 85 годы и на период до 1990 года предусмотрено дальнейшее повышение уровня автоматизации и механизации технологических процессов. Широкое внедрение в горнодобывающей промышленности комплексной автоматизации и механизации производственных процессов обеспечивает повышение производительности труда, эффективности и качества производства. Вместе с тем, улучшение технико-экономических показателей работы горных предприятий с подземным способом добычи ограничено существованием фактора горного давления. Интенсификация производственных процессов при разработке месторождений полезных ископаемых, переход к отработке запасов на глубоких горизонтах, вовлечение в разработку месторождений со сложными геологическими условиями значительно снижают устойчивость очистных и подготовительных выработок, приводят к динамическим проявлениям горного давления, снижают безопасность труда горнорабочих.В этих условиях возрастает актуальность задачи обеспечения технических служб предприятий надежным, достоверным и оперативным прогнозом изменения напряженно-деформированного состояния горного массива и выработок. Эти данные позволяют осуществлять оперативное и долговременное планирование и управление горными работами, которые отвечают требованиям экономики и безопасности горного производства, рационального использования недр.Обеспечение надежного, достоверного и оперативного прогнозирования достигается за счет применения современных математических методов и алгоритмов, ориентированных на использование ЭВМ и основанных на представительных статистических данных, полученных с помощью новых средств автоматики, телемеханики и вычислительной техники. Настоящая работа посвящена разработке этого направления - 5 научных исследований.Цель работы. Повышение безопасности и эффективности эксплуатации подземных горнодобывающих предприятий путем развития подсистемы автоматизированного контроля и прогноза процесса деформирования горного массива.В соответствии с поставленной целью в работе рапаются следующие основные задачи: 1. Провести анализ существующих подходов к созданию методов и средств автоматизации контроля и прогноза.2. Разработать методы прогнозирования процесса деформирования для использования в подсистеме автоматизированного контроля и прогноза.3. Разработать структуру, а также техническое, информационное и программное обеспечения подсистемы автоматизированного контроля и прогноза.4. Провести промышленные эксперименты с подсистемой автоматизированного контроля и прогноза и внедрить разработанные методы и средства.Идея работы заключается в автоматизации процессов контроля и прогноза состояния массива путем использования методов, ориентированных на применение специализированного комплекса аппаратурных и программных средств.Методика исследования. В работе принят комплексный метод исследований, включающий: - анализ известных методов и средств автоматизированного контроля и прогноза изменения состояния горного массива; - синтез математических моделей прогноза методами статистической теории систем автоматического управления, включая аппарат корреляционного, регрессионного и спектрального анализов, теорий - 6 статистический рулений, распознавания образов и случайных процессов; - синтез подсистемы автоматизированного контроля и прогноза с применением методов телеметрии и теории программирования; - проведение промышленных экспериментов с привлечением статистических методов оценки параметров математических моделей.Научная новизна. Разработан метод прогнозирования процесса деформирования горного массива под влиянием основного возмущающего воздействия - развивающегося фронта очистных работ, В основу метода положена регрессионная модель зависимости деформаций массива от площадей обнажения выемочных блоков. На основе анализа коэффициентов корреляции между деформациями и площадями обнажений предложено решение задачи прогнозирования и оконтуривания зон влияния очистных работ на состояние массива.Разработан метод прогнозирования процесса деформирования в условиях неполной начальной информации об управляемом объекте и возмущающих воздействиях. G применением методов теории распознавания образов установлена классификация предполагаемых состояний массива. Путем использования методов теории статистических гипотез разработан алгоритм выбора прогнозируемого состояния массива в рамках предложенной классификации.Практическая ценность.Для автоматизации сбора, передачи и регистрации оперативной информации о деформациях горного массива разработан усовершенствованный измерительный комплекс. Новизна технических решений подтверждена двумя авторскими свидетельствами.Для обработки и анализа измерительной информации ва ЭВМ разработаны база данных и программный комплекс.В рамках разработанного программного комплекса доведены до - 7 реализации предложенные методы прогнозирования.В процессе проведенных промышленных экспериментов произведены оценка параметров предложенных математических моделей прогноза и оценка их достоверности, подтвердившая достаточную" для практики точность разработанных методов прогнозирования.Реализация результатов работы. Разработанные методы и средства внедрены и эксплуатируются в промышленных условиях на руднике "Каула-Котсельваара" ГМК Печенганикель.Применение предложенных методов и средств контроля и прогноза дало основание для выбора наиболее экономичных технологических схем отработки ряда участков шахтного поля, что в период 1981-83 г.г. обеспечило фактический экономический эффект 100 тыс.руб. Наряду с достигнутым экономическим эффектом была повышена безопасность ведения подземных работ по фактору горного давления.Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях и семинарах: "Современные проблемы управления" (г.Минск, 1977 г.), "Распространение передового опыта разработки, внедрения и эксплуатации систем и средств автоматизации на горнодобывающих предприятиях цветной металлургии" Сг.Заполярный, 1978 г.), "Измерение напряжений в массиве горных пород" (г.Новосибирск, 1982 г.), "Исследование, прогноз и контроль проявлений горного давления" (г.Ленинград, 1982 г.), "Горная геофизика" (г.Сухуми, 1983 г.), а также на технических совещаниях ГМК Печенганикель (1975-84 г.г.) Публикации. По теме работы опубликовано 15 научных трудов, в том числе получено 2 авторских свидетельства. - 8

Основные результаты и выводы сводятся к следующему:

1. В условиях влияния основного возмущающего воздействия - фронта очистных работ - процесс деформирования массива описывается установленными уравнениями регрессии. При использовании полученных уравнений для прогнозирования вероятность правильного предсказания составляет 0,81, вероятность предсказания с перестраховкой - 0,14, вероятность предсказания с опасной ошибкой - 0,05.

2. Для условий неполной начальной информации предложен метод прогнозирования на основе автоматической классификации предполагаемых изменений процесса деформирования. При оценке достоверности метода установлено, что вероятность правильного предсказания составляет 0,7.

3. Разработан усовершенствованный измерительный комплекс для автоматического контроля деформаций массива с передачей информации на поверхность.

4. Разработаны база данных и программный комплекс, в результате чего автоматизированы процедуры оценки и прогнозирования состояния массива в соответствии с предложенными методами.

5. Внедрение разработанных методов и средств на руднике "Каула-Котсельваара" ГМК Печенганикель дало основание для выбора экономичных технологических схем отработки ряда участков шахтного поля и в период 1981-83 г.г. обеспечило фактический экономический эффект 100 тыс. руб. Наряду с этим была повышена безопасность труда по фактору горного давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе дано новое решение актуальной научно-технической проблемы повышения безопасности и эффективности подземных горнодобывающих предприятий путем развития подсистемы автоматизированного контроля и прогноза процесса деформирования горного массива.

1. Автоматизированная система оперативного контроля состояниягорных выработок /В.К.Силантьев, И.И.Протопопов, Э.А.Бухман и др. Безопасность труда в промышленности, 1976, №6, с.38-39.

2. Аппаратура беспроводного автоматического контроля деформаций целиков и кровли "Массив" /В.С.Ямщиков, Л.Л.Павлов, А.С.Вознесенский и др. Горный журнал, 1980, № 12, с.41-42.

3. Аппаратура беспроводного многоточечного контроля деформацийцеликов и кровли и опыт ее применения на рудниках комбината Ачполиметалл /В.С.Ямщиков, Л.Л.Павлов, А.С. Вознесенский и др . Цветная металлургия, 1981, №8, с.6-8.

4. Аппаратура для сейсмических исследований напряженного состояния массива горных пород /В.А.Смирнов, В.М.Проскуряков, М.В.Крыжановский, С.С.Шаталов. В кн.Измерение напряжений в массиве горных пород. Новосибирск, СО АН СССР, 1976, Ч.Ш.,с. 47-51.

5. Астапов Ю.М., Медведев B.C. Статистическая теория системавтоматического регулирования и управления. М., "Наука", 1982, 304 с.

6. Ахматов В.И., Иогансен Л.В., Мазья М.Д. Шахтный частотомерна интегральных микросхемах. В кн.: Измерение напряжений в массиве горных пород. Новосибирск, СО АН СССР, 1976, Ч.Ш, с.73-74.

7. Борисова М.А. Разработка методов оперативного контроля ипрогноза деформаций кровли очистных забоев с помощью ЭВМ. Автореф. канд.дис. Л., 1973. 25 с.

8. Буров И.Ю., Новик Г.Я. Аппаратурный комплекс для обнаружения мест локального разрушения кровли. В кн.: Горная геофизика. П Всесоюзный научный семинар по горной геофизике. Тезисы докладов. Тбилиси, Изд-во ИГМ АН ГССР,1983, с.102.

9. Бухман Э.А. Исследование и разработка технических средствподсистемы контроля горного давления в АСУ горных предприятий. Автореф. канд.дисс. Л., ЛГИ, 1973. 21 с.

10. Бухман Э.А., Генин E.G. Автоматизированная система контроля проявлений горного давления. Инф.листок № 773-76, Л., Изд-во ЦНТИ,1976. 4 с.

11. Бухман Э.А., Генин Б.С. Опыт организации оперативногоконтроля проявлений горного давления на руднике "Каула-Котсельваара". Цветная металлургия, 1977, № 14, с.40-44.

12. Бухман Э.А., Генин B.G. Организация обработки данных в

13. Бухман Э.А., Ренин Б.С. Устройство для контроля двоичного кода на четность. Авт. свид (СССР), № 744584. Бюлл.изобр., 1980, № 24, с. 288.

14. Вознесенский A.G. Исследование и разработка системы технологического контроля состояния горных выработок. Автореф. канд.дис., М., 1981. 20 с.

15. Генин Б.С. Метод прогноза деформаций горного массива.

16. В кн.: Исследование, прогноз и контроль проявлений горного давления. Всесоюзная научно-техническая конференция. Тезисы выступлений. Л., Изд-во ЛГИ, 1982, с.98-99.

17. Генин Б.С. Метод прогноза деформаций подземных выработокпри воздействии очистных работ. Инф.листок № 526-83. Л., Изд-во ЦНГИ, 1983. 4с.

18. Генин Б.С. Методика прогнозирования деформаций горногомассива с использованием ЭВМ. Инф.листок № 388 -82. Л., Изд-во ЦНТИ, 1982. 4 с.

19. Генин Б.С. Оценка эффективности алгоритма прогноза состояния выработок в АСК горного давления. В кн.: Автоматизированные системы управления в горном деле/ ЛГИ. Л., 1980, с.30-41. - Рукопись депонирована в ЦШИуголь 19 сентября 1980 г., № 1868/5.

20. Генин Б.С. Размещение данных в памяти ЭВМ при использовании АСК горного давления. В кн.: Автоматизированные системы управления в горном деле / ЛГИ. Л.,1980, с.84-90. Рукопись депонирована в ЦШЭИуголь 19 сентября 1980 г., № 1868/12.

21. Генин B.G., Емельянов А.П. Устройство для выделения импульсов. Авт.евид. (СССР), № 1095383. Бюл.изобр., 1984, №20, с.175.

22. Горелик A.JL, Скрипкин В.А. Методы распознавания. М.,1. Высш.школа", 1977. 222 с.

23. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и2 преобразования. М., "Наука", 1971. 288 с.

24. Джадц Д.Р. Работа с файлами. М., "Мир", 1975. 144 с.

25. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М., "Мир", 197I. 316 с.

26. Калашнев А.К. Радиотелеметрическая система контроля горного давления. В кн.: Горная геофизика. П Всесоюзный научный семинар по горной геофизике.Тезисы докладов. Тбилиси, Изд-во ИГМ АН ГССР, 1983, с.169-170.

27. Кендалл М., Стьюарт А. Многомерный статистический анализи временные ряды. М., "Наука", 1976. 740 с.

28. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научныхработников и инженеров). М., "Наука", 1978. 832 с.

29. Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. М.-Л., Госэнергоиздат, 1962. 600 с.

30. Кусов Н.Ф., Корнеев А.А. Измерительный комплекс непрерывного слежения за параметрами состояния горного массива. В кн.: Горная геофизика. П Всесоюзный научный семинар по горной геофизике. Тезисы докладов. Тбилиси, Изд-во ИГМ АН TCGP, 1983, е.238 -239.

31. Лебедев В.Ф., Розманов И.П. Новая геофизическая аппаратура для изучения горных пород и руд. В кн.: Горная геофизика. П Всесоюзный научный семинар по горной геофизике. Тезисы докладов. Тбилиси, Изд-во ИГМ АН ГССР, 1983, с.155.

32. Лившиц Н.А., Пугачев В.Н. Вероятностный анализ системавтоматического управления. T.I. М., "Советское радио", 1963. 896 с.

33. Логика. Автоматы. Алгоритмы./ М.А.Айзерман, Л.А.Гусев,

34. Л.И.Розоноэр и др. М., Физматгиз, 1963. 556 с.

35. Манукян М.М. Исследование и разработка беспроводной системы контроля устойчивости массива при производстве горных работ. Автореф. канд.дис. М., 1977. 16 с.

36. Марков Г.А. Статистическая модель напряженного состоянияненарушенного массива пород. В кн.:Измерениенапряжений в массиве горных пород. Новосибирск, 1974, 4.1, с.36-40.

37. Методические указания по организации системы оперативногоконтроля состояния выработок на рудниках комбината Печенганикель. Л., Изд-во ВНИМИ, 1976. 35 с.

38. Методы прогноза и контроля горного давления при подземнойразработке пластовых месторождений / А.А.Борисов, В.И.Кимков, Е.А.Маркина, Э.Х.Вишняков. Л., Изд-во ЛГИ, 1979, 101 с.

39. Надирашвили Н.Р. Геофизические исследования горного давления на пологих рудных пластах. М., Недра, 1977. 216 с.

40. Орлов А.А. Методические указания по статистической обработке и анализу результатов исследований проявлений горного давления. Л., Изд-во ВНИМИ, 1976. 74 с.

41. Орлов А.А. Прибор для определения расслоения пород кровли. М., Углетехиздат, 1957. 14 с.

42. Основы автоматического управления. Под ред. B.C. Пугачева. М., "Наука", 1974. 720 с.

43. Плескунин В.И., Воронина Е.Д. Теоретические основы организации и анализа выборочных данных в эксперименте. Л., Изд-во ЛГУ, 1979. 232 с.

44. Протосеня А.Г., Генин Б.С. О создании информационно-вычислительной системы горного давления. Горный журнал, 1983, № 4, с.46-48.

45. Протосеня А.Г., Генин Б.С. Развитие комплекса технических средств контроля горного давления. В кн.: Горная геофизика. П Всесоюзный научный семинар по горной геофизике. Тезисы докладов. Тбилиси, Изд-во ИГМ AHTGGP, 1983, с. 158.

46. Развитие и совершенствование автоматизированной системыконтроля горного давления на подземных рудниках ГМК Печенганикель / А.Г. Протосеня, Б.С.Генин, А.П.Емельянов и др. Отчет по НИР (промежуточный). Л., ЛГИ, 1982, № гос.регистрации 0I82604968I. 72 с.

47. Развитие и совершенствование автоматизированной системыконтроля горного давления на подземных рудниках ГШ Печенганикель /А.Г.Протосеня, Б.С.Генин, П.С. Пашков и др. Отчет по НИР (промежуточный). Л., ЛГИ, 1983, № гос.регистрации 0I82604968I. 68 с.

48. Ржевский В.В., Ямщиков B.C. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве. М., "Наука", 1973. 224 с.

49. G6oeB B.M., Яковицкая Г.Е., Боровиков A.M. Радиотелеметрическая система контроля состояния массива через толщу горных пород. В кн.: Измерение напряжений в массиве горных пород. Новосибирск, СО АН СССР, 1976, Ч.Ш, с.47-51.

50. Семевская Н.В. Исследование частотных систем измерениясмещений пород в подземных выработках. Автореф. канд.дие. Л., 1969. 20 с.

51. Симонов К.С. Исследование замораживания закладки для повышения эффективности отработки рудных целиков. Автореф. канд.дие. Л., 1977. 22 с.

52. Система беспроводного контроля устойчивости массива дляподземных рудников / В.С.Ямщиков, Л.Л.Павлов, М.М. Манукян и др. Горный журнал, 1977, № 3, с. 6264.

53. Степанов В.Я., Торгоев И.А., Попов Н.Т. Автоматизированнаясистема контроля устойчивости массива горных пород. В кн.: Горная геофизика. П Всесоюзный научный семинар по горной геофизике. Тезисы докладов. Тболиси, Изд-во ИГМ АН ГССР, 1983, с.154.

54. Техника контроля напряжений и деформаций в горных породах.1. Л., "Наука", 1978. 230 с.

55. Усаченко Б.М., GaxapoB Г.Д., Булат А.®. К вопросу об автоматизации сейсмоакустического прогноза выбросо-опасности. В кн.: Горная геофизика. П Всесоюзный научный семинар по горной геофизике. Тезисы докладов. Тбилиси, Изд-во ИГМ АН TCGP, 1983, с.158.

56. Федотов А.В. Расчет и проектирование индуктивных измерительных устройств. М., "Машиностроение", 1979. 176 с.

57. Хемминг Р.В. Численные методы (для научных работников и инженеров). М., "Наука", 1972. 400 с.

58. Шахтные каротажные станции ЭКС-1И, ШКС-1 "МВДИКАР" и

59. ШКС-I "МИНИКАР" / Ю.Г.Мясников, А.И.Боханов, Г.М. Свидлер и др. В кн.:Горная геофизика. П Всесоюзный научный семинар по горной геофизике. Тезисы докладов. Тбилиси, Изд-во ИГМ АН ГССР, 1983, с.138.

60. Шибанов Г.П. Распознавание в системах автоконтроля. М.,

61. Машиностроение", 1973. 424 с.

62. Ямщиков B.G. Методы и средства исследования и контролягорных пород и процессов. М., "Недра", 1982. 296 с,

63. CoMspUs-t^C ITS А) , 1974, AfoV ., v .7, MI,p . 63-64.