Окалєлов Василь Миколайович. Наукові основи функціонально-структурної оптимізації моделей мереж гірничих виробок вугільних шахт

Краткое описание

Окалєлов Василь Миколайович. Наукові основи функціонально-структурної оптимізації моделей мереж гірничих виробок вугільних шахт : Дис... д-ра наук: 05.15.02 - 2010

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ОКАЛЕЛОВ ВАСИЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ
УДК 622.26.001:622.03

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ СЕТЕЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Том 1
Специальность 05.15.02 – Подземная разработка месторождений полезных ископаемых
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Научный консультант: Бондаренко Владимир Ильич доктор технических наук, профессор

Алчевск – 2010

СОДЕРЖАНИЕ
С.
ВВЕДЕНИЕ 6
РАЗДЕЛ 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ГОРНЫХ
ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ………………………………
............ 16
1.1. Анализ проектных и фактических сетей горных выработок и
основных показателей работы шахт… 16
1.2. Анализ методов оптимизации сетей горных выработок… 24
1.3. Анализ методов обоснования перечня технологических функций, учитываемых при оптимизации сетей горных выработок… 32
1.4. Методы оптимизации вариантов развития сети горных выработок… 37
1.5. Критерии оптимальности проектных решений… 39
1.6. Учет вероятностной природы исходных данных… 52
1.7. Цель, задачи исследований и методы их решения… 60
Выводы по разделу 1… 63
РАЗДЕЛ 2. МЕТОДИКА СБОРА ДАННЫХ О ПОКАЗАТЕЛЯХ И
УСЛОВИЯХ РАБОТЫ ШАХТ… 65
2.1. Априорный анализ факторов, учитываемых при оптимизации
сетей горных выработок… 65
2.2. Методика сбора исходных данных… 71
Выводы по разделу 2… 73
РАЗДЕЛ 3. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ СЕТЕЙ ГОРНЫХ
ВЫРАБОТОК… 74
3.1. Разработка методики оценки степени сложности условий залегания
угольных пластов… 74
3.1.1. Обоснование критерия оценки угольного месторождения… 74
3.1.2. Разработка методики оценки однородности условий
залегания угольных пластов… 87
3.1.3. Разработка методов прогноза технико-экономических показателей работы лав и шахт применительно к оценке угольных месторождений… 91
3.2. Совершенствование методов прогноза укрупненных стоимостных показателей функционирования горных выработок… 118
3.3. Методика корректировки укрупненных стоимостных показателей 127
3.4. Методы прогноза геологических условий ведения горных работ. 133
3.4.1. Прогнозирование показателей состояния углевмещающих пород… 133
3.4.2.

Прогнозирование обводненности и метанообильности очистных забоев………………………………………….……

136

3.4.3. Прогнозирование показателей качества угля… 142
3.4.4. Прогноз тектонической нарушенности угольных пластов… 148
3.5. Достоверность исходных данных и методы ее учета при принятии проектных решений… 157
3.6. Алгоритм оценки степени сложности условий залегания угольных пластов… 166
Выводы по разделу 3… 171
РАЗДЕЛ 4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ СЕТЕЙ ГОРНЫХ
ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ… 174
4.1. Исследование процесса покрытия шахтного поля и его частей
сетью горных выработок 174
4.2. Закономерности изменения протяженности горных выработок во времени… 192
Выводы по разделу 4… 208
РАЗДЕЛ 5. ОПТИМИЗАЦИЯ СЕТЕЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ
ШАХТ… 210
5.1. Основные этапы проектирования оптимальных сетей горных выработок… 210
5.2. Формирование идей проекта сети горных выработок… 212
5.3. Формирование исходного множества вариантов функционально- структурных моделей сети горных выработок… 224
5.4. Методика выделения подмножества предпочтительных вариантов функционально-структурных моделей сети горных выработок… 251
5.4.1. Обоснование критериев оценки… 251
5.4.2. Методика многокритериальной оценки вариантов функционально-структурных моделей сети горных выработок… 258
5.5. Выбор оптимального варианта сети горных выработок. 262
5.6. Оценка чувствительности оптимального варианта сети горных выработок к изменению технико-экономических показателей… 273
Выводы по разделу 5… 277
РАЗДЕЛ 6. АНАЛИЗ СЕТЕЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ДЕЙСТВУЮЩИХ ШАХТ ПРИ РАЗРАБОТКЕ НАПРАВЛЕНИЙ ИХ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ… 279
6.1. Выбор объекта анализа 279
6.2. Структурно-функциональное описание сети горных выработок… 280
6.3. Обоснование критериев оценки качества выполнения выработками технологических функций… 284
6.4. Методика оценки затрат на выполнение выработками
технологических функций… 286
6.5. Методика анализа действующей сети горных выработок… 289

Выводы по разделу 6… 295
РАЗДЕЛ 7. РЕАЛИЗАЦИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. 297
7.1. Оценка условий залегания резервных участков угольных месторождений Луганской области 297
7.2. Оптимизация сетей горных выработок на действующих шахтах… 308
7.2.1. Обоснование подготовки и отработки сближенных пластов
l3 и l4 северного крыла блока № 1 ш. Комсомолец Донбасса… 308
7.2.2. Обоснование вскрытия, подготовки и отработки пл. и

ш. № 71 "Индустрия" и пл. ш/у им. Космонавтов ПО Ровенькиантрацит…………………………………………
7.2.3. Совершенствование сети горных выработок при разработке программ развития горных работ на ш. Украина и

319

Перевальская…………………………………………………... 334
Выводы по разделу 7…………………………………………………………………. 349
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………. 351
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ……………………………….. 356

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации выполнено теоретическое обобщение и дано новое решение актуальной проблемы развития научных основ оптимизации сетей горных выработок угольных шахт, имеющей важное народнохозяйственное значение и заключающейся в установлении закономерностей их развития, взаимосвязи с природной средой, технологией и экономикой, оценке степени благоприятности залегания угольных месторождений и отдельных его частей, функционально-структурном и фрактальном описании на различных стадиях их формирования, обеспечивающих повышение эффективности угольного производства.
Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:
1. Дано теоретическое обоснование новому критерию оценки степени благоприятности условий залегания угольных пластов, который учитывает вероятность совместных и несовместных событий, характеризующие различную сложность геологических условий. При этом доказан аддитивный характер влияния совместных событий на технико-экономические показатели работы лав. На основе предложенного критерия разработана методика оценки сложности условий залегания угольных пластов, отличительной чертой которой является итеративный подход к выделению однородных сочетаний их качественных и количественных признаков с помощью комбинации параметрических и непараметрических, многомерных и одномерных статистических критериев.
2. Доказано, что наиболее надежные результаты прогноза технико-экономических показателей работы лав и шахт достигаются при комбинированном применении методов неоднородного последовательного статистического анализа и линейных дискриминантных функций. Второй метод модифицирован применительно к качественным факторам путем квантования их признаков. При разработке распознающих систем установлено что информация, содержащаяся в прогностических коэффициентах этих систем оказывает существенное влияние не только на распознавание интервалов изменения прогнозируемых показателей, но и на их точечные внутриинтервальные значения. В тех случаях, когда они распределяются по нормальному закону взаимосвязь между суммами прогностических коэффициентов и прогнозируемыми показателями адекватно описываются линейной функцией, а при логнормальном – экспоненциальной. Установленные закономерности позволяют существенно упростить методы прогноза при сохранении их высокой надежности.
3. Установлены закономерности формирования ошибок исходных данных, заключающиеся в том, что с увеличением мощности пласта, угла его падения, природной метаноносности увеличиваются систематическая и случайная составляющая ошибок. Прогнозные значения эксплуатационной зольности, общей серы и рабочей влажности, а также мощности ложной кровли систематически занижаются по сравнению с фактическими. Ошибки исходных данных, низкая надежность прогноза показателей состояния углевмещающих пород, обводненности лав и тектонической малоамплитудной нарушенности пластов предопределили разработку и модерниза цию с единых теоретических и методических позиций новых и известных распознающих систем, которые позволяют реализовывать разработанную методику учета ошибок исходных данных, основанную на минимаксном и максиминном принципах слежения за чувствительностью прогнозируемых показателей к величине и знаку ошибок, что позволяет обосновывать целесообразность их учета еще до осуществления процедуры прогнозирования и повысить надежность принимаемых на ее основе проектных решений.
Установленная зависимость плотности малоамплитудных нарушений от расстояния до крупного разрыва адекватно описываемой степенной функцией. При этом выявлено, что увеличение амплитуды такого разрыва оказывает существенное влияние на изменение плотности малоамплитудных нарушений в интервале расстояния до 200 м, что позволяет принимать обоснованные решения о целесообразности отработки нарушенных участков угольных пластов.
4. Доказано, что развитие сети горных выработок в плоскости пласта подчиняется законам теории фракталов. При этом установлено, единство структуры фрактальных моделей для различных схем подготовки пластов и вариантов деления шахтного поля на части. Согласно

фрактальной модели выемочного участка при его длине свыше 2000 м длина лавы должна быть не меньше 300 м для высоконадежного очистного оборудования, что подтверждается современной отечественной и заработанной практикой и позволяет определять рациональные размеры шахтного поля и его частей без сложных технико-экономических расчетов.
5. Изменение протяженности горных выработок во времени описывается логистической
зависимостью , параметры которой зависят от класса выработок, производственной мощности шахты, вида основных вскрывающих выработок, способа подготовки угольных пластов (групповой, индивидуальной), количества одновременно разрабатываемых неоднородных участков, объема проведения основных вскрывающих выработок в первый год строительства шахты и времени выхода ее на стабильный режим работы.
Установленные закономерности позволяют прогнозировать суммарную протяженность сети горных выработок на разных стадиях ее развития, учитывать результаты прогноза, при оценке угольных месторождений, выборе оптимальных вариантов топологии и обосновании необходимости совершенствования сетей горных выработок на действующих шахтах.
6. Разработана обобщенная функциональная модель сети горных выработок и алгоритм обоснования с ее помощью минимально необходимого перечня функций, подлежащих выполнению в конкретных геологических и технологических условиях. Дано обоснование критериев оценки степени организованности функциональных моделей, доказана целесообразность и эффективность генерирования идей проекта сети горных выработок с использованием основных положений теории решения изобретательских задач.
Доказано, что уровень совершенства функциональных моделей зависит от степени концентрации функций, удельного веса среди них тех, которые порождают отрицательные последствия для внешней среды и сложности нейтрализации этих последствий.
С использованием разработанной методики анализа и свертывания обобщенной функциональной модели предложен новый малофункциональный способ отработки неглубоко залегающих угольных пластов, обладающий высокой степенью функциональной организованности.
7. Доказано, что топология сети горных выработок адекватно описывается функционально- структурной моделью, все возможные варианты которой для конкретных условий можно сформировать с помощью морфологического анализа, применительно к которому разработана классификация горных выработок, обеспечивающих вскрытие, подготовку и разработку угольных пластов.
Теоретически обоснован вид математических выражений для точной оценки мощности морфологического множества вариантов функционально-структурных моделей и алгоритм приближенной его оценки с учетом различных условий несовместимости элементов морфоклассов
, сведения о которой необходимы для выбора метода формирования подмножества предпочтительных вариантов.
Обоснован перечень и вид частных критериев оценки степени организованности функционально-структурных моделей, позволяющие формировать их Парето-оптимальные варианты. При этом доказано, что степень совершенства сетей горных выработок зависит от удельного веса в них многофункциональных выработок, возможности выполнения ими потенциальных функций и максимального количества обслуживаемых частей шахтного поля.
8. Фактическое состояние сети горных выработок адекватно описывается с помощью структурно-функциональной модели, в состав которой входят: матрица стыковочных узлов выработок, сочетания выполняемых ими функций и граф последовательности соединения. Объективная оценка степени совершенства данной модели возможна с использованием критериев функциональной загруженности и состояния горных выработок, характеризующих их эксплуатационную надежность.
Выбор направлений модернизации сети горных выработок предусматривает выявление незагруженных или слабозагруженных, а также дублирующих выработок и перераспределение между ними технологических функций. В результате чего принимается решение о погашении или

списании горных выработок, дальнейшее поддержание которых функционально не оправдано.
9. В результате оценки благоприятности условий залегания резервных участков угольных месторождений Луганской области установлено, что наиболее перспективными для добычи коксующихся углей являются Мироновский глубокий и Новосветловский. Результаты оценки были использованы институтом Луганскгипрошахт при разработке ТЭО строительства шахты " Новосветловская".
Результаты оптимизации проектных сетей горных выработок при отработке резервных участков шахт "Комсомолец Донбасса", № 71 "Индустрия" использованы институтом Донгипрошахт и Луганскгипрошахт при разработке ТЗ и рабочих проектов.
Исследования в области прогноза состояния углевмещающих пород включены в нормативный документ "Рекомендации по прогнозированию условий отработки лав пологих пластов Донбасса и выбору рациональных параметров их крепления", утвержденный Минуглепромом СССР.
Фактический экономический эффект от внедрения результатов исследований на шахтах № 71 "Индустрия", ш/у им. Космонавтов, Перевальская, достигнутый только за счет сокращения объемов проводимых и поддерживаемых выработок составил 2,932 млн. грн.