Введение к работе
- Актуальность работы. Развитие современной подземной угледобычи базируется на использовании все более мощной, сложной н дорогостоящей техники. Однако результаты внедрения этой техники не всегда оправдывают возлагаемых на нее надежд, так как не приводят к адекватному повышению нагрузки на забой. Более того, несмотря на все нововведения, начиная с 1975 г., в отечественной угольной ^промышленности наблюдается ухудшение показателей технико-экономической эффективности функционирования горных объектов.
Сложившаяся ситуация объясняется не только негативным следствием все возрастающей сложности горно-геологических условий, в которых реализуются технологические процессы добычи угля, но и отсутствием обобщающей технологической концепции управления горными объектами.
Дело в том, что процессы угледобычи на торных объектах формируются как результат взаимодействия технологического оборудования и горного .массива, образующими систему, функционирование которой может быть охарактеризовано не только показателями интенсивности добычи угля, показателя-.-ми техники безопасности и экономическими показателями, но и параметрами протекающих горнотехнологических процессов, ибо горный объект .представляет собой не только систему взаимодействующих горнотехнических элементов, но и. систему порождаемых этим взаимодействием физически разнородных и разномасштабных гор'нотехнологических процессов.
Пространственно-временное са.моотождествление такой системы постоянно .происходит за. счет реализации цикловари-аитиого ввода в систему к вывода из нее потоков энергии, вещества и информации. Поэтому горный объект — это всегда открытая термодинамически неравновесная диссипативная система горнотехнологических .процессов.
Субъективные попытки навязать такой системе несвойственный ей режим функционирования очень опасны, так как ведут не только к снижению качества функционирования си-. стемы, сопровождающегося ухудшением показателей интенсивности угледобычи, ее безопасности и экономичности, но и могут завершиться катастрофой.
Разумно и объективно необходимо синергетическое управление такими системаїми, основывающееся на лонимании и поддержании механизма и системных (признаков их функционирования. Такая кон'ценлция управления горнотехнологическими іпроцессами будет акцентировать системные признаки функционирования торного объекта, а не затушевывать их. Поэтому надо выявить эти признаки и раскрыть механизм формирования торного объекта как открытой диссипативной системы горнотехнологических процессов. Эта основа позволит осмысленно строить концепцию управления горнотехно-логичесжими іпроцессами, которая естественным образом будет согласовываться с законами Природы, реализующимися при построении ею открытых диссипативных систем, а. не противоречить им.
Таким образом, речь идет о необходимости разработки новой формы организации научных знаний о горнотехнологиче-ских процессах горных объектов, новом их видении, дающем целостное (представление как о закономерностях реализации ароцессов и их взаимосвязях, так и о методах поддержания их системности. Поэтому разрабатываемая теория и методы системного анализа и синергетического управления горнотехно-логическими процессами имеют важнейшее научное и .практическое значение.
Системы всегда конкретны, лоэтому указанная теория и методы разрабатываются на примере основного технологического звена угольной газовой шахты — выемочного участка.
Цель работы — разработка теории и методов системного анализа и синергетического управления горнотехнологическими процессами выемочного участка угольной газовой шахты.
Основная идея работы заключается в представлении выемочного участка самоорганизующейся системой горнотех-нологичеоких .процессов.
Методы исследований. Работа выполнена с привлечением основных положений системного анализа и междисциплинарных научных дисциплин (синергетики и кибернетики), использованием законов сохранения и принципа минимума диссипации энергии и энтропии., (базируется на шахтных и лабораторных исследованиях и применении аппарата теории информации и математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Горнотехнологические процессы, инициируемые деятельностью человека, реализуются в гравитационном поле Земли, поэтому вследствие действия принципа .минимума диссипации яз них самопроизвольно образуется открытая диссн-лативпая система, обладающая квазистащионарной устойчивостью за счет непрерывной реализации, в горном объекте процессов ввода и вывода вещества, энергии и информации.
2. Явление самопроизвольного возникновения открытой
диссипативной системы торнотехнологических процессов ха
рактерно для нормальных условий функционирования горно
го объекта и проявляется в наличии следующих закономерно
стей :
все горнотехнологические процессы стратифицируются по пространственно-временным слоям, в результате чего каждый цикл более крупномасштабного процесса локализует в себе статистически устойчивое число циклов мелкомасштабного процесса;
одномасштабные слои горнотехнологических .процессов в результате такой стратификации, оказываются относительно изолированными друг от друга, поэтому в них справедливы законы сохранения;
параметры пространственно-временной локализации и параметры интенсивности каждого слоя горнотехнслогичесхих процессов подчиняются нормальному закону распределения, что характеризует относительную изотропность свойств и условий взаимодействия одномааштабных горнотехнических элементов горного объекта и предопределяет правомерность описания этого взаимодействия послойными линейными моделями, отражающими специфику реализации законов сохранения;
послойные реализации горнотехнологических 'Процессов ритмичны и описываются аппаратом периодически коррелированных случайных процессов;
внутриуровневая согласованность физически разнородных горнотехнологических процессов во всех слоях стратифицированной системы, за исключением слоя их инициирования, обеспечивается ^параметрами горного давления, а в слое инициирования— суточным режимом выемки угля;
межуровневая согласованность разномасштабных горнотехнологических процессов обеспечивается их энергетическим к информационным взаимодействием.
-
В процессе функционирования горного объекта рационально аюддерживагь /целостность возникающей диссипативной системы горнотех'нологических процессов. Для этого необходимо, во-первых, этому объекту задавать оптимальную, с точки зрения добротности системы его горнотехнологических .процессов, плановую нагрузку и, во-вторых, контролируя параметры состояния данной системы, .постоянно удерживать ее 'подсистемами АСУ техники безопасности (АСУ ТБ) в области гомеостазиса, определяемой требованиями Правил безопасности. "
-
Предложенный адаптационный механизм поддержания гомеостазиса диссипативной системы горнотехнологических (процессов исходит из необходимости максимального согласования подсистем АСУ ТБ с горным объектом и друг с другом и так же, ка« и управляемая система горнотехнологических
процессов, реализует принцип минимума диссипации, поэтому, способствуя ее самоорганизации, он наиболее эффективно расширяет ее потенциальные возможности противостоять катастрофам.
-
Согласование подсистем АСУ ТБ с торным объектом обеспечивает наилучшее отражение в них закономерностей функционирования выявленной диссипативной системы горнотехнологических процессов и 'позволяет систематизировать на этой основе все способы контроля, анализа и управления в подсистемах, а использование принципа минимума диссипации в адаптационном механизме поддержания гомеостазиса системы (Приводит к необходимости ранжирования и кооперирования этих способов и дает возможность из открытого их множества отобрать самые эффективные.
-
Реализация адаптационного механизма гомеостазиса диссипативной системы горнотехнологических процессов связана с необходимостью использования оперативного стратифицированного контроля параметров состояния системы, обеспечивающего своевременное обнаружение появления в ней аномальных пространственно-временных локализаций, и разномасштабных методов их оперативного анализа, позволяющих идентифицировать яри-чины, (Параметры и тенденции развития обнаруженных аномальных локализаций системы. Эта реализация предусматривает использование двух принципиально различных методов управления горнотехнолегическими процессами: компенсации, удерживающей параметры состояния системы внутри области ее гомеостазиса, и координации, возвращающей параметры состояния системы в область ее гомеостазиса.
-
Разработанные методические основы (построения подсистем оперативного контроля, анализа и управления горнотехнологическими процессами выемочного участка позволяют усовершенствовать функционирование шодсистем контроля, анализа и управления газовыми ситуациями в выработках выемочного участка и функционирование подсистем контроля, анализа и управления состоянием лриза'бойной части его горного массива. Эти основы дают возможность не только научно обосновать технологию информационного обеспечения указанных подсистем и систематизировать открытое и альтернативное множество используемых в них способов контроля, анализа и управления, но и позволяют разработать новые технические решения по их реализации, отличающиеся синергети--:еской направленностью и более глубокой физической обоснованностью.
-
Синергетическая направленность технических решений всегда акцентирует системность функционирования выемочного участка. Она свойственна как для предложенного в работе метода стратифицированного контроля параметров газо-
воздушной смеси в выработках выемочного участка и разработанного метода согласования его аэро- и газодинамического режимов вентиляции, так и для предложенных способов реализации пространственно-временного согласования горных работ на выемочном участке и способов координации аномальных состояний лризабойной части его горного імассива. Внедрение синергетически направленных технических решений целесообразно и с точки зрения увеличения темпов добычи угля, и с точки зрения безопасности, и с точки зрения экономики.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:
использованием концептуальных положений системного анализа н .междисциплинарных научных дисциплин — кибернетики и синергетики, положениями законов сохранения и принципа (минимума диссипации, аппарата теории информации и математической статистики;
результатами шахтных и лабораторных исследований гор-нотехнологических процессов, которые базируются на 'Представительном объеме наблюдений и экспериментов (шахтные наблюдения и эксперименты отражают закономерности реализации горногехнологи'ческих процессов в 37 очистных и 41 подготовительных забоях; лабораторные эксперименты отражают закономерности реализации аэрогазодинамических процессов при і-В-Н-іпт схеме шроветривания выемочного участка в широком диапазоне интенсивностей вентиляции его выработанного пространства, оцениваемых величиной чисел' Рей-нольдса от 0,07 до 5,00, и закономерности разупрочнения газо-насыщенного угля с I по V тип нарушенности с давлением насыщения метана до 3,0 МПа);
положительными результатами (Промышленных испытаний автоматизированного метода .прогноза выбросоопасности угольных пластов в подготовительных забоях Донецкого бассейна;
опытными испытаниями АСУ вентиляции шахты «Комму» нист» ПО «Окгябрьуголь».
Научная новизна работы:
установлено явление самоорганизации горнотехнологических процессов в (функционирующих горных объектах, выявлены причины его (происхождения и закономерности проявления?
разработан междисциплинарный инструментарий исследования процессов диссилативных ігорнотехнологических систем, основывающийся на последовательном иерархическом их описании моделью .периодически 'коррелированных случайных процессов » (предполагающий обязательное согласование параметров ее ритмики с параметрами диссипативной іпростран-ственно-временной решетки системы, возникающей вследствие
взаимодействия ее элементов и определяющей структуру дис-силативйой системы и индивидуальность пространственно-временной локализации протекающих в ней процессов;
разработана стратифицированная модель целостной совокупности открытого .множества физически разнородных и разномасштабных горнотехнологюческих процессов выемочного участка угольной газовой шахты. Эта модель отражает закономерности самоорганизации материи и характеризуется слоевой упорядоченностью зависимостей, описывающих реализацию торнотехнологк'ческих щроцессов, их внутри- и межуро-вневой согласованностью;
сформулирована и решена задача синергетическогс управления горнотехнологическюми (процессами, предусматривающая, с одной стороны, задание каждому функционирующему горному объекту оптимальной, с точки зрения добротности системы его горнотехнологических шрощессов, плановой нагрузки и, с другой стороны, достоянный контроль параметров состояния этой системы с удержанием ее яюдсистема.ми АСУ ТБ в области ігомеостазиса, определяемой требованиями Правил безопасности;
разработаны основы технологии 'информационного обеспечения и согласования подсистем АСУ ТБ выемочного участка угольной газовой шахты — типичной диссипативной системы .горнотехнологических процессов;
разработаны методические основы оперативного стратифицированного контроля горнотехнологических процессов, их системного анализа и синергегического управления.
Научное значение работы заключается в разработке теории синергетичеокого управления горнотехнологическими процессами яюдземных горных объектов, обеспечивающего высокое качество их функционирования.
Практическое значение работы заключается в том, что разработанные теоретические положения 'и «методы синергети-ческого управления «горнотехнологическими процессами; в шахтах іпозволяют:
обосновать структуру и параметры взаимосвязанного информационного обеспечения подсистем оперативного контроля состояний газовой атмосферы в выработках выемочного участка и состояний лр'изабойной части разрабатываемого участком горного (Массива;
предложить критерии безынерционного обнаружения фиксированных в пространстве и времени аномалий в состоянии газовой атмосферы выработок выемочного участка и в состоянии призабойной части разрабатываемого горного массива;
разработать способы оперативного содержательного анализа аномальных состояний в газовой атмосфере выработок выемочного участка и аномальных состояний в призабойной части разрабатываемого горного массива;
разработать способы синергетического управления газовыми ситуациями выемочного участка и-состоянием призабойной части разрабатываемого горного (Массива;
разработать рекомендации ло совместному функщионироваг кию на выемочном участке взаимосвязанных систем управления горнотехнолоігическими процессами, которые позволяют наиболее рационально использовать для эффективного функционирования участка имеющиеся технологические лриемы и технические средства;
іПредложить способы формирования целостности выемочного участка, которые обеспечивают пространственно-временную согласованность динамической составляющей горного давления с технологическими операциями гао проведению подготовительных выработок выемочного участка и по управлению состоянием пород его основной кровли и за счет этого повышают качество функционирования участка.
Реализация выводов и рекомендаций работы осуществлена путем внедрения их на угольных шахтах Донбасса и принятия к использованию проектными и научно-исследовательскими институтами.
Автоматизированный метод лрогноза выбросоопасности угольных лластов в подготовительных забоях, разработанный совместно с лабораторией теории и прогноза внезапных выб-' росо в Института горного дела им. А. А. Скочинекаго, прошел промышленные испытания и рекомендован к использованию на шахтах Донбасса.
При текущем прогнозе выбросоостасных зон по сейсмоаку-стичеокой эмиссии на шахтах Центрального района Донбасса используется «'Способ определения места установки сейсмо-приемников в разрабатываемом горном массиве» (патент на изобретение № 160К374).
Способ сейомоакусги'ческого контроля параметров разрабатываемого выбросоопасного угольного пласта» разработан при непосредственном участии автора и принят к использованию Комплексным научно-исследовательским и проектно-ікон-структорским институтом по проблемам Центрального района Донбасса (ДонНИИ). .
Государственным Макеевским научно-исследовательским институтом по безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ) используются разработанные при участии автора. «Способ определения (безопасной призабойной части выбросоопасного угольного пласта» (патент ло заявке № 4893687) и «Способ (предотвращения внезапных выбросов угля и газа» (патент ло заявке № 4-796043).
«Способ сейсмического контроля параметров разрабатываемого горного массива» (патент по заявке № 4769401), а так-, же «Способ ведения горных работ на угольных пластах» (патент по заявке № 4932813) используются на шахтах шахтоуправления рим. газеты «Социалистический Донбасс».
Метод аэро.газ6д!щамического;'Согласования:режимов вентиляции выемочных участков газовой шахты, а также разработанные при участии автора компенсационный и .координационный способы аэродинамического управления газовыми ситуациями на выемочных участках использованы в АСУ вентиляции шахты «Коммунист» ПО «Октябрьуголь».
Апробация работы. Основные результаты работы, отдельные ее .положения и разделы диссертации в челом докладывались на Всесоюзной конференции по ігеомеханическиїм проблемам высокопроизводительной разработки тонких и средней мощности лластов на глубоких горизонтах (Донецк, 1980); на Всесоюзной научно-технической конференции .молодых ученых и специалистов угольной промышленности по совершенствованию технологии, .механизации и организации производств при добыче угля (Москва, 1983); Всесоюзной научной школе їй о деформированию и разрушению материалов с дефектами и динамическими явлениями в горных .породах и выработках (Симферополь, 1987); на Республиканской конференции .по проблемам совершенствования пылегазового режима в угольных шахтах (Макеевка, 1988); на III Всесоюзной конференции по "перспективным методам 'планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных .полей и лроцессов (Гродно, 1988); на Международном симпозиуме по ярогнози-рованию и предупреждению горных ударов и внезапных выбросов угля, породы и газа (Острава, Чехословакия, 1089); на XIV Всесоюзном симпозиуме по логическому управлению с использованием ЭВМ (Москва — Феодосия, 1991); на Международном семинаре то автоматизации научных 'исследований в геологии, горном, деле и экологии (Москва, 1991); на VIII Всесоюзном совещании ло управлению вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах (Новосибирск, 1991) и на научных чтениях по технико-экономическому анализу и теории проектирования в горном деле (Алма-Ата, 1991)
Публикация. Основное содержание диссертации опубликовано в 37 печатных трудах, включая 16 авторских свидетельств и 4 .положительных решения на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения; содержит 364 страниц -машинописного текста, 64 рисунка, 11 таблиц и описок литературы из, 175 наименований.
Похожие диссертации на Разработка теории и методов анализа и синергетического управления горнотехнологическими процессами
