CC BY
96
СЕМИНАР 4
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© Б.В. Власенко, В.П. Потапов, В.А. Федорин, 2001
УДК 622.831
Б.В. Власенко, В.П. Потапов, В.А. Федорин
ГОРНЫЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ
В
ажнейшим в физико-техническом процессе отработки угольных месторождений является информация как о физических процессах в массиве горных пород (прежде всего изменений газо-геомеханического, гидрогеологического и экологического состояний), так и горнотехнических процессах горного производства (технологических, экономических, социальных и др.). В силу разнопланового характера данных, различных методик сбора, хранения и анализа этих данных, необходимо создание достаточно общей геоинформационной модели физико-технических процессов. Предлагаемый подход в построении геоинформационного системы является достаточно общим и позволяет конструировать различные подсистемы горнотехнического мониторинга на единой методической и программной основе, а также достаточно просто объединять их между собой.
Наиболее полная информация о процессах горного производства может быть получена только с помощью мониторинга физических или технических состояний. Под горным физико-технических мониторингом понимается комплексная система регламентированных периодических наблюдений, оценки и прогноза изменений состояний природной среды или технических факторов при разработке полезного ископаемого с целью выявления негативных изменений и выработки рекомендаций по их устранению или ослаблению
Перестройка экономики, переход к рыночным отношениям и реструктуризация угольной промышленности требуют сегодня новых методов анализа всех процессов управления горнодобывающими предприятиями. Для оценки динамики изменения состояния угольной отрасли все большую роль начинают играть вопросы реинжениринга систем управления горными предприятиями. Он заключается в реконструировании информационного программного и технического обеспечения систем и процессов горного производства в целях перехода на современные методы управления
горно-технологическими комплексами. Принятию решений в данной области должен предшествовать анализ разносторонних и регулярно обновляемых данных о состоянии процессов и систем горного производства, как на уровне отдельных предприятий, так и по региону в целом, когда можно оценить все многообразие отдельных территорий. В этих целях получают развитие системы активного мониторинга различных источников информации, включающие в себя современные модели анализа горнотехнических данных, в том числе их преобразование в карты, графики, анимационные последовательности, объектно-ориентированные базы данных и т.д.
Геомеханическая мониторинговая система
Массив горных пород угольных месторождений представляет собой сложную природную среду, основанную на твердой составляющей, насыщенной газом и содержащей включения жидкости. Исследования геомеханических процессов в массиве горных пород в результате техногенного воздействия (отработки полезного ископаемого) наиболее полно возможно только путем мониторинга.
Информационная геомеханическая мониторинговая система (Гм МС) при компьютерном проектировании шахт и управлении горными работами является техническим средством геомеханического мониторинга (ГмМ) - комплексной системы регламентных наблюдений, оценки и прогноза изменений геомеханиче-ского (Гм) состояния массива горных пород и выработок при разработке угольных месторождений подземным способом. Геомеханический мониторинг на угольных шахтах и автоматизированная система осуществляет сбор данных, анализ и расчеты геомехани-ческой (Гм) обстановки на выемочном участке в период планирования, подготовки и проведения горных работ для обеспечения геотехнической стабильности подземной разработки.
Эти понятия были сформулированы и опубликованы в конце 80-х годов [2], получили конкретные приложения для задач оценки геомеханического состояния массива в окрестности очистных выработок с механизированным креплением [3] и были обобщены к 1993 г. в работе [4]. Сформированные определения, состав (рис. 1) и структура мониторинга и мониторинговых систем были развиты [5, 6], расширены для изменений газо-геомеханических состояний массива и опубликованы [7, 8, 9]. Проведенные исследования и публикации по геомеханическому мониторингу на
угольных шахтах получили поддержку научной общественность. Помимо периодически встречающейся в печати публикаций с использованием идеи мониторинга, в работе [10], где обсуждаются приоритетные научные направления геомеханики, формулируется, что «К новым приоритетным направлениям исследований следует отнести обоснования систем мониторинга, в горнопромышленных регионах. В настоящее время наблюдения за изменением геомеханического состояния породного массива ведутся различными ведомствами, по разным методикам, с неодинаковой точностью и с другими различиями, при которых сопоставление результатов наблюдений, их обобщение и использование становится практически невозможным. Для решения этой проблемы необходимо обосновать и разработать единую методику проведения и организации мониторинга».
Горно-технологический мониторинг угольных шахт Кузбасса
В ИУУ СО РАН ведется горно-технологи-ческий мониторинг основных показателей работы очистных механизированных забоев на угольных шахтах Кузбасса. Разработаны компьютерные средства формирования базы данных и обработки поступающей информации методами классификации с целью определения тенденций изменения горно-технологической структуры угольных шахт. Было обработано около 120 очистных забоев Кузбасса по горно-технологическим и технико-экономическим показателям [11, 12].
Каждый очистной забой характеризуется:
• набором Х факторов - детерминантов, описывающих горно-геологические условия функционирования очистного забоя (угол падения и мощность пласта, мощность основной и непосредственной кровли и почвы, крепость угля и вмещающих пород, обводненность и газоносность пласта, а также конструктивные параметры выемочного столба, удельные объемы проведения и поддержания основных и подготовительных выработок шахты и выемочного участка);
• набором У параметров функционирования ("переменных поведения") в которых отражаются показатели его работы (средне-ме-сячная добыча из очистного забоя и производительность труда шахтеров, себестоимость, технические характеристики очистных комплексов, средств доставки и др.)
Установлено [12], что эволюцию горнотехнологической структуры шахт, в направлении повышения эффективности работы очистного забоя, можно представить в
Рис. '2~Сводная ' к'о.ііїчестііе'шіая'"оценка энтропии Но в зависимости от числа элементов горно-технологической структуры угольных шахт
следующем виде:
ТШ БШ ШБ МШУ УДК
Здесь ТШ - традиционные шахты без деления на блоки. Традиционные шахты являются распространенным типом шахты в угольной промышленности России. БШ - блоковые шахты или шахты с делением поля на блоки. Характерной для этого типа является крупнейшая шахта "Распадская" в Кузбассе. ШБ -шахты блоки. К типу шахт - блоков относится, например, шахта "Зыряновская" в Кузбассе. МШУ - модульные шахтоучастки с одним высоко - производительным очистным забоем.
Каждый этап развития горно-техноло-гической структуры (ГТС) шахты характеризуется уменьшением числа элементов структуры и ее упрощением. Так в шахтах с одним очистным забоем, по сравнению с традиционной шахтой, число элементов подземной структуры значительно сокращается (с 8 до 3). Количественная оценка сложности ГТС осуществляется показателем энтропии Но, который характеризует сложность транспортной сети горных выработок шахты (см. рис. 2) Количественная оценка Но структурной сложности сети горных выработок снижается с 3 до
0.5, чем больше показатель Но, тем сложнее структура шахты.
Совершающаяся под воздействием технического прогресса эволюция горно-технологичес-кой структуры шахты обеспечивает условия для интенсивного функционирования самой техники, и таким образом, является весьма сильным фактором эффективности добычи угля подземным способом.
Исследования показывают [12], что экономические показатели угольных шахт на пологом залегании пластов непосредственно зависят от производительности механизированного очистного забоя, которая, в свою очередь, зависит, исключая активные факторы - (тех-ничес-кий уровень оборудования, профессиональная подготовка персонала и др.), от типа и параметров горно-технологической структуры (ГТС) предприятия.
В Кузбассе в различные годы на шахтах эксплуа-
тировались участки, имеющие автономную выдачу угля на поверхность. В настоящее время эксплуатируются шахтоучастки на шахтах "Распадская" (блок 5а), им. Вахрушева (Западно-Талдинский), Аларда, "Кыр-гайская" и др. Большинство шахтоучастков частные (по форме собственности) и высокопроизводительные угледобывающие предприятия [12].
Изучение опыта работы шахт, имеющих только один высокопроизводительный очистной забой, привело к созданию модульной горно-технологической структуры для проектируемых и реконструируемых шахт Кузбасса. Угледобывающие комплексы (УДК) появились сравнительно недавно и в настоящее время эксплуатируются в США, Австралии, ЮАР. С 1995 года появились технико-экономические обоснования инвестиций строительства УДК для освоения угольных месторождений Восточного Кузбасса (Россия).
Горно-технологическая структура УДК представляет собой совокупность нескольких МШУ, объединенных коммуникационным коридором в единый технологический комплекс на поверхности. Рейтинговая оценка основных показателей шахты "Котинская" (спроектирован-ная по модульной горнотехнологической структуре) ставит ее в положение шахты мирового технико-экономического уровня.
Проведена оценка геологического обеспечения запасами Кузбасса высокоэффективных модульных систем добычи угля, наиболее широко применяемых в мировой практике угледобычи (в том числе и в России) для частных шахт и разрезов на пологих пластах с углами падения до 18 градусов. В электронные справочники [13] вошли участки с особо благоприятными горно-геологическими условиями залегания, мощности и строения угольных пластов для применения высокопроизводительных механизированных комплексов по добыче и новым технологическим схемам, защищенными патентами РФ. Выделено 150 геологических участков с запасами свыше 3 млрд. тонн.
В процессе создания электронного справочника были разработаны две схемы его программной реализации:
• локальная, на основе гипертекстовых технологий;
• распределенная, на основе Intranet сети Института угля и углехимии СО РАН.
Раздел справочника создан стандартным для сервера методом и позволяет генерировать сложные формы запроса через специально разработанные для этих целей таблицы, обеспечивающие связь с базой данных справочника.
В процессе работы были исследованы различные СУБД, такие как MS ACCESS с доступом через ODBC интерфейс, MS SQL в среде Windows NT сервер. Выбор системы Linux с СУБД Postgres обусловлен высокой скоростью доступа к базам данных, которая при
сравнительных испытаниях на производительность показала увеличение скорости доступа к элементам справочника в 4-6 раз выше, чем в среде Microsoft.
Электронный справочник предназначен для работников угольной промышленности, а также для предпринимателей, имеющих намерения инвестировать разработки угля в Кузбассе на основе создания малых (модульных) высокоэффективных предприятий по добыче угля (Интернет: www. Kemsc. ru в Интерфейсе Кемеровского научного центра СО РАН).
Информационные модели систем горного физикотехнического мониторинга
В последние годы произошел количественный и качественный рост потоков информации, связанной с функционированием различного рода горных мониторинговых систем, что приводит к необходимости разработки их новой парадигмы, с учетом тех изменений, которые сегодня происходят в горной информатике [14].
На первом этапе развития мониторинговых систем, например, такой как система геомеханического и газодинамического мониторинга шахт, основное внимание уделялось технологиям сбора информации (датчики для фиксации изменения различных параметров фи-зико-геомеханических ситуаций, контроллеры, линии передачи данных, модели первичной обработки данных). Во вторую очередь обычно разрабатывались простейшие базы данных, модели которых в большинстве своем практически никак не формализовались, что, в конце концов, привело к тому, что различные мониторинговые системы либо просто не состыковывались, либо имели достаточно сложный общий интерфейс. Относительно методов первичной обработки данных также следует отметить тот факт, что в связи с большим разнообразие методов обработки мониторинговых данных не удалось построить некоторую достаточно общую модель типа систем картриджей СУБД «Oracle», позволяющих гибко менять алгоритмы обработки для конкретных баз данных, агрегируя их в едином программно-аппаратном комплексе.
Происшедшие за последние годы изменения в области информационных технологий и геоинформатики в частности, указывают на тот, факт, что наличие огромных потоков геоинформации заставляют нас сегодня рассматривать ее как один из основных факторов, необходимых для решения задач горного производства и управления геосистемами. К сожалению, эта известная во всем мире истина, что тот, кто владеет информацией - тот владеет миром лишь только сегодня получает признание в горном деле. Огромное количество геоинформации сегодня оказывается просто потерянной и практически невосстанавливаемой лишь только потому, что в свое время при создании различного рода автоматизированных систем была неправильно выбрана концептуальная модель, в соответствии с которой информация структурировалась и преобразовывалась затем в соответствующие базы данных. В ряде случаев, даже при наличии концептуальных моделей данных, они были либо потеряны, либо остались без соответствующей поддержки, что, в конце концов, привело к их исчезновению из соответствующего информационного подпространства.
Предлагаемый в работе подход к созданию современных информационных моделей геотехнического мониторинга основывается также на изменении общей схемы обработки информации, как показано в таблице.
Из данной таблицы видно, что для современного мониторинга характерно появление принципиально новых методов обработки и моделей данных. К ним относятся такие методы как:
• интеллектуальной обработки данных (извлечения знаний-datamining);
• модели хранилищ данных, ориентированные на OLAP технологии;
Вместо традиционных имитационных и сетевых моделей предлагается переход на объектноориентированные модели, которые являются более универсальными с точки зрения создания моделей тех или иных геомеханических и геотехнологических процессов.
В наиболее общем виде схема информационной модели горного физико-технического мониторинга может быть представлена на рис. 3.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Таблица
МЕТОДЫ И МОДЕЛИ МОНИТОРИНГОВЫХ СИСТЕМ
КЛАССИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОВРЕМЕННЫЙ мониторинг
Статистический анализ данных Методы интеллектуальной обработки данных
Численные методы (МКЭ, ГИУ и др.) Численные методы (МКЭ, ГИУ и др.)
Аналитические методы Модели хранилищ данных
Имитационные и сетевые модели Объектно-ориентированные модели (UML,CASE)
Принятие решений Оценка риска, принятие решений
1. Власенко Б.В. Геомеханиче-ский мониторинг угольных шахт Кузбасса. Напряженное состояние массивов горных пород и управление горным давлением. IX конференция но механике горных нород. 3-5.10.1989. Бишкек, 1990. - С.170 - 178
2. Власенко Б.В., Грицко Г.И. Геомеханический мониторинг в системе автоматизированного управления угольной шахты. World Mining Congress. ICAMC-1990 (10 International Conference on Automation in Mine Control). 1990.0strava,Czecho-Slovakia,Vol.III, pp.531-536.
3. Билински А., Власенко Б.В., Грицко Г.И., Юневич Ст., Неробиш А. Геомеханический мониторинг очистных механизированных забоев при отработке угольных пластов. Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. Новосибирск: Наука, СО. 1991, №5. - С. 94 - 101
4. Власенко Б.В. Разработка методов прогнозирования проявлений горного давления для геомеханиче-ского мониторинга на угольных шахтах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Кемерово: ИУ СО РАН. 1993. - 39с.
5. Власенко Б.В., Козлов В.И., Ри-совер В.Н., Шик В.М. Тенденции гоздания геомеханического мониторинга на шахтах и разработка средств автоматизации контроля эффективности унравления горным давлением. 16-ый Всемирный горный конгресс - Со-фия'94. "Горная промышленность на пороге XXI века". 12-16. 08. 1994. Том
5. Проблемы механики горных нород:
Доклад I-30,. София, Болгария, 1994, с. 265-274
6. Vlasenko B.V, Kozlov V.I, Ri-sover V.N, Nekrasov V.V., Magdytch V.J. Geomechanic Monitoring System for Coal Mines - A Means of Providing Efficiency and Safety of Mining. Proceedings of the 3-rd Internationalon Mine planning and equipment selection, 10-20.10.1994: pp. 823-828.
7. Vlasenko B.V., Polevshikov
G.Y., Potapov V.P., Magdytch V.I.., Remezov A.V., Zolotych S.S. Gas-
geomechanic monitoring system for collieries - A means of environmental control and safety of mining operation. Proceedings of Second International Symposium on Mine Mechanization and Automation. Lulea, Sweden, 7-10.06. 1993. pp.737 - 744.
8. Gritsko G.I., Vlasenko B. V.,
Fedorin. V.A. Prediction of gas-
geomechanic situation of coal-gas deposit during underground mining in panel. Proceedings of the Fourth International Symposium on Mine Planning and Equipment Selection, 31.10.03.11.1995. Calgary, Canada, 1995, pp.71-76
9. Gritsko G.I., Vlasenko B.V.,
Polevshikov G.J., Presler V.T. Computer control and prediction of gas-
geomechanic situation during monitoring at coal mines. Proc. of the 3-rd International Symposium on Mine Mechanization and Automation, 1214.06.1995: Vol. I: 4.1-4.12 . Golden, USA. 1995.
10. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли. РАН, АГН, РАЕН, МИА: Под ред. К.Н. Трубецкого. -
М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. - 478 с.
11. Ялевский В.Д., Федорин В.А.
Классификация и количественная оценка развития горно-
технологической структуры угольных шахт. Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. Сборник научных трудов №13. Кемерово. 1998. - С.3 - 17
12. Федорин В.А. Разработка модульных горнотехнологических
структур вскрытия и подготовки шахтных полей Кузнецкого бассейна. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Кемерово: ИУУ СО РАН. 2000.
13. Федорин В.А., Потапов В.П. Электронный справочник геологических участков для высокоэффективной добычи запасов угля модульными системами раз-работки в Кузбассе. Труды научно-практической конференции "Геотехнологии на рубеже XXI века", Новосибирск: ИГД СО РАН, 1999. - С. 80-83.
14. Потапов В.П. Математическое и информационное моделирование геосистем угольных предприятий. Кемерово. Изд-во СО РАН, 1999. -178 с.
15. Потапов, В.П. Разработка математических и информационных моделей на основе распределенной вычислительной среды для автоматизации исследований геосистем горного производства. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Кемерово: ИУУ СО РАН. 1999. 42с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Власенко Б.В., Потапов В.П., Федорин В.А. — Московский государственный горный университет.
з
