Синтез надежных и эффективных шахтных вентиляционных систем Ушаков, Владимир Кимович

Введение к работе

Актуальность работы. Стратегия экономической стабилизации и развития всех отраслей народного хозяйства в качестве одной из основных предпосылок успешного решения поставленных задач предусматривает коренную реструктуризацию топливно-энергетического комплекса страны, в том числе угледобывающей отрасли. Интенсификация подземной разработки угольных месторождений предполагает дальнейшее совершенствование технологии добычи угля с учетом специфики перехода на более глубокие горизонты и усложнения условий ведения горных работ. При этом повышаются газоносность угольных пластов и температура окружающего массива, учащаются внезапные выбросы угля, породы и газа, увеличивается горное давление и усложняется поддержание горных выработок, что может привести к резкому снижению уровня безопасности труда шахтеров.

Актуальность проблемы охраны труда в новых социально-экономических условиях развития угольной промышленности предъявляет высокие требования к надежности и эффективности функционирования шахтных систем жизнеобеспечения и особенно важнейшей из них — шахтной вентиляционной системы (ШВС). Нарушения нормального функционирования ШВС могут приводить к самым тяжелым последствиям как экономического, так и социального характера. В экономическом аспекте отказы ШВС вызывают серьезные нарушения технологического процесса, приводят к возникновению аварийных ситуаций по фактору вентиляции, что обуславливает значительные убытки предприятия в виде потерь от сокращения добычи угля, ущерба от аварий (включая выплаты по травматизму) и затрат на устранение отказов ШВС. В социальном аспекте ненадежность и неэффективность функционирования ШВС снижают уровень безопасности и комфортности труда шахтеров, что негативно отражается как на здоровье работающих,-так и на моральном климате трудовых коллективов.

Однако, несмотря на актуальность проблемы обеспечения надежности и эффективности вентиляции, функционирование действующих ШВС нельзя признать удовлетворительным. Об этом говорит хотя бы тот факт, что по данным Центрального

штаба ВГСЧ число загазирований из-за дефицита воздуха только очистных забоев в целом по отрасли в последнее время составляло порядка Ю⁴ случаев в год. При этом на одну шахту в среднем за месяц приходилось около 4 нарушений вентиляции. Более того, нередко практически сразу после создания или модификации ШВС возникала необходимость ее коренной и дорогостоящей реконструкции вследствие низкой надежности и эффективности функционирования (НЭФ) системы.

Причины низкой НЭФ действующих ШВС заключаются в следующем. В нормативных документах требуется разработка мероприятий по обеспечению надежной вентиляции шахты с учетом программы развития горных работ, а также согласование проекта шахты в части надежности выбранной схемы вентиляции. Однако практическая реализация на стадиях проектирования шахты или перспективного планирования развития горных работ требований достоверного прогнозирования и повышения НЭФ ШВС наталкивается на ряд принципиальных проблем. Во-первых, отсутствуют научно обоснованные критерии и показатели надежности и эффективности вентиляции. Во-вторых, в рамках статической детерминированной модели системы, принятой в существующих методах расчета вентиляции, невозможен адекватный учет стохастической динамики функционирования ШВС, которая собственно и обуславливает отказы системы. И, наконец, отсутствуют как методы прогнозной оценки показателей НЭФ ШВС, так и методы обоснования направлений их повышения, т. е. выбора рационального в смысле надежности и эффективности варианта системы вентиляции шахты.

Из вышеизложенного следует, что для дальнейшего развития научного направления охраны труда в угольной промышленности особую актуальность приобретает разработка теоретических основ, методов и средств синтеза надежных и эффективных систем вентиляции, т. е. систем, способных сохранять свое качество на требуемом уровне в течение всего процесса функционирования.

Целью работы является разработка и обоснование принципов, методов и программных средств синтеза надежных и эф'-, фективных ШВС, практическая реализация которых обеспе-. чивает повышение уровня безопасности труда по фактору вентиляции и эффективность принимаемых на стадиях проектирования шахты или перспективного планирования развития горных работ технологических решений.

Идея работы заключается в учете как детерминированной (планируемой), так и стохастической (случайной) динамики ШВС на этапе прогнозирования ее НЭФ и использовании системы экспертных правил на этапе повышения надежности и эффективности вентиляции шахты.

Методы исследований. В диссертации использован комплекс методов теории системного анализа и синтеза сложных объектов, теории графов, теории имитационного моделирования сложных систем, теории случайных процессов, математической статистики и натурных исследований, технико-экономического анализа, теории оптимизации, теории экспертных систем, структурного и модульного программирования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Методологическая схема синтеза надежных и эффективных ШВС реализуется в виде итерационного процесса, включающего в себя два циклически повторяющихся этапа. На этапе прогнозирования для очередного варианта ШВС с учетом принципов комплексности и иерархичности оцениваются показатели надежности и функциональной эффективности, отражающие частоту, продолжительность и глубину нарушений требуемого воздухораспределения (т. е. отказов ШВС), и экономической эффективности, характеризующие затраты на добычу угля по фактору вентиляции. На этапе принятия решений по повышению показателей на основе системы экспертных правил сначала для очередного варианта ШВС реализуется рациональная тактика обоснованного выбора инженерных мероприятий по устранению текущих отказов, а затем, при необходимости, формируется стратегия модификации этого варианта ШВС.

2. Наиболее адекватное отражение реального процесса функционирования ШВС обеспечивает стохастическая динамическая модель системы, учитывающая как детерминированную, так и стохастическую динамику ее структуры и параметров. Детерминированная динамика ШВС соответствует программе развития горных работ на шахте, а стохастическая — отражает отклонения от проектных значений как сроков существования, так и параметров элементов системы вследствие случайных изменений скоростей подвигания подготовительных и очистных забоев, аэродинамического старения, разрушений и ремонтов элементов.

3. Прогнозирование показателей надежности и эффективности и выявление «узких мест» в системе осуществляется с помощью разработанного метода имитационного моделирования случайного процесса функционирования ШВС, основанного на имитации отдельных возможных реализаций этого процесса, т. е. возможных реализаций программы развития горных работ.

4. Аэродинамическое старение горных выработок представляет собой коррелированный случайный процесс с логнор-мальным законом распределения. В результате шахтных наблюдений, выполненных на восьми шахтах Донбасса, для тринадцати классификационных групп выработок получены зави-

симости от времени математического ожидания, дисперсии и корреляционной функции случайного процесса старения.

5. Экономический анализ НЭФ ШВС выполняется методом, основанным на учете как средних затрат (потерь), обусловленных ненадежностью функционирования системы, которые включают в себя затраты на устранение отказов вентиляции и экономический ущерб от аварий по фактору вентиляции, так и дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат на повышение НЭФ ШВС.

6. Повышение НЭФ ШВС без корректировки ее базового (планируемого) варианта достигается применением разработанного метода рациональной тактики восстановления работоспособности ШВС, основанного на оптимальном регулировании воздухораспределения путем реализуемой в динамике тактики рационального выбора мест и приоритета проведения мероприятий по устранению текущих отказов. Эта тактика формируется с учетом динамической иерархической сегментации ШВС и тактических экспертных правил, сформулированных на основе эвристических знаний по ликвидации периодически возникающих нарушений требуемого воздухораспределения.

7. Дальнейшее повышение НЭФ ШВС достигается применением разработанного метода стратегической модификации системы, основанного на формировании обоснованной стратегии выбора мероприятий по корректировке параметров и структуры ее базового варианта с целью устранения в нем «узких мест», что позволяет синтезировать рациональный в смысле надежности и эффективности вариант ШВС.

8. Рациональная корректировка применяемых в базовом варианте схем проветривания выемочных и вентиляционных участков, являющаяся наиболее радикальным способом повышения НЭФ ШВС, выполняется с помощью специальных алгоритмов, разработанных на основе нового объектно-ориентированного подхода к классификации схем проветривания и представленных в виде деревьев решений. Содержащиеся в деревьях решении структурные экспертные правила организованы в базу знаний для выбора надежных и эффективных схем пооветривания выемочных и вентиляционных участков.

9. Программная система синтеза надежных и эффективных ШВС реализует методологическую схему синтеза. В режиме «Прогноз» она выполняет имитационное моделирование процесса функционирования очередного варианта ШВС и оценку его показателей надежности и эффективности. В режиме «Повышение» программная система с учетом тактических экспертных правил реализует рациональную тактику восстановления работоспособности моделируемого варианта ШВС, а затем, при необходимости, на основе стратегических экспертных правил и диалога с пользователем выбирает мероприя-

тия по рациональной корректировке его структуры и параметров.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

адекватностью используемой модели ШВС и метода имитационного моделирования реальным условиям функционирования системы;

представительным объемом (около 100 километров горных выработок на восьми шахтах) шахтных исследований процесса старения горных выработок;

соответствием разработанной системы экспертных правил эвристическим представлениям о путях и способах повышения надежности и эффективности шахтной вентиляции;

удовлетворительной сходимостью результатов ретроспективного моделирования НЭФ реальных ШВС с фактическими данными об их надежности и эффективности (погрешность в среднем составляет 15,6%);

положительными результатами использования программной системы синтеза надежных и эффективных ШВС при прогнозировании и практической реализации технических решений по повышению НЭФ ШВС на пяти шахтах Донбасса.

Научная новизна состоит в следующем:

на основе разработанных принципов прогнозирования и повышения показателей НЭФ ШВС создана методология синтеза надежных и эффективных ШВС;

разработана стохастическая динамическая модель ШВС, позволяющая учитывать как детерминированную, так и стохастическую динамику системы, и обеспечивающая наиболее адекватное отражение реального процесса функционирования ШВС;

разработан метод прогнозирования НЭФ ШВС, основанный на использовании корректно сформированных показателей надежности и эффективности системы и адекватной имитации процесса ее функционирования, что обеспечивает высокий уровень достоверности прогнозирования и выявления «узких мест» в ШВС;

установлены статистические закономерности случайного процесса аэродинамического старения для тринадцати классификационных групп горных выработок, отличающиеся учетом взаимной зависимости значений сопротивления выработки в различные моменты времени путем определения корреляционных функций;

обоснован новый подход к экономическому анализу НЭФ ШВС, отличающийся учетом как затрат (потерь), обусловленных ненадежностью функционирования системы, так и дополнительных затрат на повышение ее надежности и эффективности;

разработан метод повышения НЭФ ШВС путем выбора рациональной тактики восстановления работоспособности системы, что позволяет повысить восстанавливаемость ШВС без корректировки ее базового (планируемого) варианта;

предложен метод повышения НЭФ ШВС путем формирования обоснованной стратегии модификации базового варианта системы, что позволяет синтезировать рациональный в смысле надежности и эффективности вариант ШВС;

разработана программная система синтеза надежных и эффективных ШВС, которая моделирует процесс функционирования ШВС и определяет прогнозные оценки ее показателей надежности и эффективности, а также на основе организованной в виде базы знаний системы экспертных правил в диалоге с пользователем предлагает технические решения по повышению НЭФ ШВС.

Научное значение диссертации состоит в создании методического, алгоритмического и программного обеспечения синтеза надежных и эффективных ШВС иа основе разработанных принципов, методов и программных средств моделирования, прогнозирования и повышения НЭФ ШВС.

Практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют:

осуществлять комплексную количественную оценку надежности, функциональной и экономической эффективности ШВС;

обеспечивать на стадиях проектирования или перспективного планирования развития горных работ высокий уровень достоверности прогнозирования НЭФ ШВС и определения «узких мест» в системе;

выполнять сравнительный экономический анализ НЭФ различных вариантов ШВС;

осуществлять в динамике рациональный выбор мест и приоритета проведения мероприятий по устранению отказов ШВС;

формировать обоснованную стратегию модификации параметров и структуры планируемого варианта ШВС;

реализовать в проектных организациях и на шахтах программную систему, обеспечивающую высокий уровень компетентности при синтезе рационального по критериям надежности и эффективности варианта ШВС.

Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, использованы:

при составлении «Методики автоматизированного расчета надежности проектируемых шахтных вентиляционных систем», которая внедрена в институте «Центрогипрошахт» в качестве алгоритмического обеспечения фрагмента «Вентиляция» подсистемы «Вентиляция, дегазация, кондиционирование» САПР-уголь;

при составлении «Методики оценки экономической эффективности надежности функционирования шахтных вентиляционных систем», используемой в институте «Центрогнпрошахт»;

при перспективном планировании развития горных работ на шахтах им. Л. И. Лутугнна, «Ударник», «Заря» ПО «То-резантрацит» и «Юбилейная» АО «Ростовуголь»;

при составлении программы реструктуризации АО «Обу-ховская».

Научные и практические результаты используются в Московском государственном горном университете при ведении учебного процесса по направлению 550600 — «Горное дело».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений» (Москва, 1989), па заседании секции САПР научно-технического совета института «Центрогнпрошахт» (Москва, 1987), на 24-й Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работ в горной промышленности (Донецк, 1991), на VIII Всесоюзном совещании «Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах» (Новосибирск, 1991), на Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (Санкт-Петербург, 1993), на научных семинарах кафедры вентиляции Китайского горного университета (Сюйчжоу, 1993), на отраслевом семинаре по вопросам совершенствования вентиляции и дегазации шахт (Кемерово, 1994), на научном симпозиуме в рамках Недели горняка-97 (Москва, 1997), на 2-м региональном Международном симпозиуме по применению компьютеров и исследования операций в горном деле (АРСОМ-97) (Москва, 1997), на научном семинаре кафедры аэрологии и охраны труда Московского государственного горного университета (Москва, 1997).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 40 научных работах, в том числе в 30 публикациях, включая учебник, справочник, монографию, и 10 научно-технических отчетах, депонированных во ВНТИцентре.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти разделов и заключения, содержит 344 страницы текста, 49 рисунков, 27 таблиц, два приложения, список литературы из 110 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность чл.-кор. РАН, проф., докт. техн. наук Л. А. Пучкову за научные консультации и методическую помощь при выполнении научных исследований диссертационной работы.