CC BY
55
-------------------------- © И.И. Вылегжанина, В.Н. Вылегжанин,
2007
УДК 622. (812.+624).37.78
И.И. Вылегжанина, В.Н. Вылегжанин
НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МОНИТОРИНГА БЖД/ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ УПРЕЖДЕНИЯ ГЕОКАТАСТРОФ.
ОЦЕНКА РИСКОВ ПОСЛЕДСТВИЙ
В работе отражены существенные моменты мониторинга БЖД, касающиеся общей концепции катастроф угольных шахт на базе фундаментальных законов природы в форме представления « хаос - антихаос». Рассматривается полевая структура мониторинговой системы обнаружения катастроф (МСОК). Обобщается математическая модель распознавания очагов опасностей и развивается вероятностноаналитический аппарат описания и прогноза состояния БЖД для реализации средствами ГИС- технологий и специально встроенных компонентов 8Т - средств («safety technology» англ.) МСОК. Приводится схема оценки рисков последствий аварий и катастроф. Использованы данные иллюстрирующие факты обнаружения аварий на конкретных угольных шахтах Кузбасса.
Оценка проблемной ситуации. В рамках научных и практических аспектов мониторинга определимся по актуальным технологическим, экологическим и экономическим вопросам обеспечения мониторинга БЖД угольных шахт, а именно:
• ГИС / 8Т - технологии в упреждении ЧС и геокатастроф;
• Каким должен быть мониторинг ЧС/ ГК на угольных шахтах;
• Как управлять рисками БЖД с учетом правовых, техни-ко - экономических и экологических аспектов ЧС/ГК.
1. Проблемы и возможности ГИС-технологий в упреждении ЧС/ГК.
Особенностью любых угольных шахт является крупная сосредоточенность внутренних энергосистем, наличие мас-
сово-объемных источников скопления опасных выбросов в рудничную
Таблица 1_____________________________________________________
Поток ЧС/ ГК в угольных шахтах Частоты возникновения, 1/ год
Загазования и взрывы(х) 6,0-9,5/0,07-0,08
Массовые обрушения и завалы(х) 0,035/0,003
Экзо-и эндогенные пожары 12,5/23,5
Прорывы воды и глин 8,4
Выбросы угля и газа 4,0
Горные удары 3,5
Символ (х) - значение частоты приведено на 1 млн. т добычи.
атмосферу газов: ^4, СО, СО2, Н2S, Н2, Оз и др.; водопротоков, очагов термического возгорания и деструкции угля; опасных обвалов пород и внезапных динамических разрушений массива. Все это создает потенциальный поток ЧС/ГК со средним уровнем аварийности 10-5—10-6 на 1 млн. т добычи и смертельном травматизме 0,2.- 1,5 случая на ту же единицу добычи. В табл. 1 систематизированы основные частоты ЧС/ГК в угольных шахтах Кузбасса.
Несмотря на возможности НТП и технического перевооружения шахт фактор потенциального воздействия геокатастроф (ГК), и связанных с ними ущербами пропорционален интенсивности угледобычи. Обрушения пород, прорывы флюидов, скачкообразные переходы к апериодическим колебаниям при внезапных выбросах и горных ударах, взрывах и распространению волн детонации в метано-пыле-воздушной смеси, также и другие стохастические явления свидетельствуют, что шахтная среда (ШС) относится к классу открытых неравновесных диссипативных систем, которые с позиции взаимодействия макросистемы « технология среда» позволяют исследовать процессы «хаотизации » и « самоорганизации», т.е. синергетических бифуркации между равновесной и неравновесной фазами ШС.
2. Полевая концепция источников ШС, их многоместная классификация и дифференцированная обработка потока сигналов для обнаружения ЧС/ГК требуют создания адаптированных мониторинговых систем на базе компьютерной обработки геоинформации датчиков и принятия
упреждающих решении защиты от «нештатных» ситуаций критических возмущений потока ЧС/ ГК без риска БЖД угольной шахты. В противном, это грозит огромным ущербом, гибелью массы людей и последующим закрытием горного предприятия.
Информационно-экономические проблемы мониторинга ЧС/ГК на угольных шахтах. Мониторинговая система обнаружения геокатастроф (МСОК) - есть вариант ГИС-технологии, адаптированной к условиям горного производства (точнее к любому его объекту или функциональному элементу.
Ставятся научно-практические задачи:
- определения числа необходимых (по минимуму затрат) и достаточных (по условиям распознавания) сигналов датчиков обнаружения возмущений ЧС/ГК, входящих в МСОК;
- решается вопрос технического оснащения МСОК в рамках реального бизнес- плана и гарантируемых свойств использования всей системы;
- оптимизируется канально-опросная или непрерывная система информации «датчик - объект», с минимальной последовательностью сигналов регистрации для обнаружения опасного объекта ЧС/ГК;
- в компьютерных и ГИС- технологиях диспетчерского и технологического контуров управления шахтой реализуются автоматические включения на локальное распознавание потока ЧС/ГК средствами шахтной МСОК. Дополнением к этому перечню задач ставится необходимость создания и оптимального размещения специализированных узловых контроллеров, обеспечивающих сенсорно - управляющие функции в режиме упреждения и локализации потенциальных аварий и геокатастроф. То есть, речь идет о разработке и применении принципиально новых автономных и сетевых SТ
- средств, как аналогов подземных «горных черных ящиков», устанавливаемых на крупных горных машинах (очистные и проходческие комбайны, самоходные машины, энергоблоки, особо ответственные технологические узлы и др.). Практика в авиации и на объектах ВПК подтверждает целесообразность применения такого рода механотронных устройств, сочетающих в себе компактные информационно-
измерительные узлы мониторинговой сети и «хранители памяти» последствий аварий и ее предшествующей ситуации. Ясно, что такие 8Т- устройства существенно расширят возможности автоматических интеллектуальных систем обеспечения БЖД и, являются продукцией высоких инновационных технологий, которые ждут на опасных участках угольных шахт в 21-м веке. Так, например, ОАО шахта им. С.М. Кирова (г. Ленинск-Кузнецкиий, Кузбасс) имеет встроенную систему мониторинга типа « Трансмиттен». Такая система (как подсистема МСОК) обеспечила своевременное обнаружение экзогенного пожара, с предотвращением взрывов метано-пылевой среды и, тем самым уже реально спасла от потенциального ущерба порядка 20-25 млн. рублей! При этом собственные затраты на приобретение таких средств составляют не более 10-12 % от стоимости основного горношахтного оборудования (ГШО).
Комплексное управление рисками БЖД шахт. Понятия БЖД и комплексные риски любых технологических систем (ТС) вполне известны. Однако, для угольных шахт имеются специфические особенности потока ЧС/ГК по частоте и мощности (Т-1, Ш)- Между количественной оценкой комплексного фактора риска R(ТС) и энергетической структурой E(W0«1/То), в зависимости от ее производительности Qтс ( либо интенсивности 1тс = ^/То) существует асимптотически
- энтропийная связь: Rтс =1- Н^)/ Н(Е), здесь Н(..) - энтропия состояния БЖД шахты).
Нами доказано и практически подтверждено, что мониторинг БЖД позволяет существенно снизить риск потока ЧС/ГК. Оптимальное управление комплексными рисками при упреждении аварий и геокатастроф основано на экспертных системах типа " ЭС- ШАХТА" в составе комплекса средств МСОК и адекватной ГИС/СТ - технологии обработки разнотипной геоинформации.
1. Синергетические бифуркации « хаос - антихаос».
В наших публикациях [1-5] уже дана теория механизма мощных динамических явлений в нарушенном горном массиве при его разработке. Возникающие при этом возмущения внезапно перерастают в геокатастрофы шахтной среды. Волновые процессы сдвижения и разрушения массива горных по-
род, скачкообразные переходы к апериодическому движению при внезапных выбросах и горных ударах, взрывах и распространению детонации в метано-пыле-воздушной смеси и другие стохастические явления свидетельствуют, что шахтная среда относится к классу открытых неравновесных диссипативных систем (ДС). Нелинейные модели ДС позволяют с позиций взаимодействия макросистемы « технология среда» исследовать процессы «хаотизации » и « самоорганизации», т.е. синергетических бифуркации между равновесной и неравновесной фазами кластерно-зональной неоднородности ШС. Предложена 10- местная классификация компонентов ШС, ответственных за пространство формирования потока потенциально вероятных чрезвычайных ситуации (ЧС) и геокатастроф (ГК). Множество состояний объектов каждого класса включает два непересекающихся подмножества: невозмущенных (НО) и возмущенных объектов (ВО). Для мониторинга возмущений ШС проектируется комплект датчиков, как некая переопределенная система измерителей с выходным векторным потоком сигналов. Для целей идентификации возмущений ШС каждый датчик снабжен характеристикой, входящей в компьютерное описание паспорта МСОК. Поток регистрации дискретных сигналов представлен в виде случайного нестационарного процесса, для которого можно получить оценки среднего значения процесса, дисперсии и корреляционной функции.
2. Обучающая модель распознавания очага ВО. В математической реализации МСОК использована бинарная модель несовместных состояний: S(0) - не обнаружена опасность; S(1) - обнаружена опасность. Относительно этих состояний введена случайная величина Z {О V 1} и случайная последовательность ^0)}=£0)..^(^} обучения мониторинговой системы. Установлены необходимые и достаточные критерии эффективности обучения МСОК и разработан алгоритм оптимального опроса комплекта датчиков с учетом их заданных характеристик.
3. Энергетическая иерархия спектра потока ЧС/ ГК. Для различныхсостояний ШС предложены расчетные модели выделения техногеннойэнергии Е(У), ее мощности W= =Е/Т и плотности распределения в объеме 0 = Е/У, также частоты
накопления f = 1/Т. Названные характеристики ШС позволяют в координатах W-f описать чувствительностьустойчивых состояний БЖД угольных шахт к случайному потоку ЧС/ГК. Выделено четыре типа реакций с гиперболическим рапределе-ниемдопустимых уровней чувствительности: 1 - сильная; 2 -потенциально сильная; 3 - слабая чувствительность; 4 - индифферентная.
Таблица 2
Математические выражения критериальной функции ЭММ Обозначения і пояснения
Эгэм = {[ Ri - U тэо ] - Зтэо + Пге} ■) шах Экономическая эффективность геоэкологических меропрятий
Егэм=£Е Эгэм(Ч )/[См(У)+ЕмКм(ч) + ЕнКга£(У)] і j Эффект ГЭМ пр] нормировании капитальных затра (монитор.+ реконстр. :Ем£нЛ /лег
В (Т) ® 1 - Q(T) = exp {- X £ [Xj (т) q4(t) Т / П| ]} > В* (Гм) 1 t Уровень экологически безопасности, с учетов нормативов
Ri(T)=IR„,(T) + IR*(T) і j Экономический рисі природных компонента ПС и ИТВ
ф,„ = «V, (X, Z, Y) = £>(0[ад - Qff)\ m(4) => max Tc t=0 Чистый дисконтиро ванный доход (ЧДЦ) о последствий ЧС
min Ф(а,и) = r G^u) + (1 - r)G2(u). ueU Минимум риска ПС пр] управлении средствам! ПЦУ
Эа= X (3ij — 3a) Qo - E03 —max (ij)eU Экономический критериз по КТР, без учет; капитальных затра МСОК
В рамках классификации ВО и собственных объемночастотных характеристик объектов горного производства (технологического цикла, заходки, лавы, столба, выемочного поля, крыла, шахтопласта и т. д.) приведена суперпозиция векторно-матричных уравнений вероятностного состояния БЖД шахты при условии ограничения подобласти физического гомеостаза ШС в фазовом пространстве флуктуации опасных ситуаций ВО, отображаемых в виде странного (лоренце-вого) аттрактора потока синергетических бифуркаций.
Программно-целевое управление (ПЦУ) техногенной опасностью и рисками геокатастроф. Решение задачи комплексного ПЦУ техногенной безопасностью сводится к
построению и реализации экономико-математической модели (ЭММ), связанной через критерий геоэкологической адаптации с затратным механизмом на обеспечение мониторинга и технических мер предотвращения аварий и геокатастроф, масштаб и интенсивность которых выражена в форме стоимостной оценки потенциальных ущербов. В табл.2, приведены укрупнено стоимостные характеристики ЭММ ПЦУ.
Согласно табл. 2. представляющей все компоненты экономике - математической модели ПЦУ мониторингом ликвидации шахт, рассмотрим основные принципы ее реализации.
1. Уровень эколого-экономической безопасности (ЭЭБ) нормируется при условии, что суммарная вероятность риска опасных техногенных катастроф не превысит допустимой величины (обычно нормируемая 10 -4 - 10*-3). Это гарантирует допустимый риск ЭЭБ геосистем при реализации сценариев ПЦУ.
2. Целевая функция, наиболее подходящая для оптимального управления ПЦУ ЭЭБ, может быть составлена в соответствии с критерием Гурвица:
тт Ф(а,и)=а G1(u)+(I-a)G2(u).
и& (1)
Здесь функции затрат соответствуют: G1(u) - ущербу от возникновения ЧС/ГК при выполнении комплекса горнотехнических работ (простои, ликвидация последствий катастроф, травматизма при аварийных ситуациях и пр.); G2(u) - затратам на МСОК (капитальным и эксплуатационным затратам на обеспечение служб мониторинга) с учетом особенностей информационного контроля сети наблюдений ТС шахты и упреждающих профилактических мероприятий обеспечения БЖД.
3. Выбор вектора управления ПЦУ ЭЭБ из множества {11} регламентированных профилактических мероприятий осуществляется методом селективно - упорядоченного перебора с субградиентной минимизацией функционала Ф(а,и). Конечная эффективность реализации бизнес- плана МСОК с допустимым риском ЭЭБ геосистемы предприятия представляет сумму:
Эа=1(Зц - За^0-ЕоЗ
(ij) d (2)
Здесь 3ij(u) - удельные затраты на 1 объект МСОК при udU}:id уровне информативности МСОК и jd варианте ресурсного обеспечения ПЦУ с учетом мероприятий профилактики БЖД, входящих в комплекс управляющих решений; Q0 -оптимальный план мониторинга; Е0 -коэффициент сравнительной экономической эффективности (Е0 = 0,15); 3* - едино-временные затраты, связанные с разработкой и внедрением мероприятий бизнес- плана, включая стоимость технического оснащения МСОК.
4. Математическая реализация ЭММ ПЦУ позволяет сократить общие затраты и повысить эффективность управления МС ТС шахты.
В заключение заметим, что развиваемые нами теоретические основы и их прикладные аспекты базируются на синергетическом подходе к прогнозу и опережающему управлению потенциальными геокатастрофами для угольных шахт. Такой метод достаточно универсален и в принципе его схемное решение можно применять к различным другим сложным техническим и эрратическим системам.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вылегжанин В.Н., Егоров П.В., Мурашев В.И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов. Н-ск, Наука СО 1990- 205 с.
2. Беспятов Г.А., Вылегжанин В.Н. Синергетика выбросоопасной горной среды. Н-ск, Наука СО 1996- 191 с.
3. Вылегжанин В.Н. Важнейшие аналитические соотношения параметров шахт./ Кемерово, Ассоц. Кузбассуглетехнология 1991, вып 2.
4. Vilegzhanin V.N. Rheology of rock as a factor of synergetic mechanism of geocatastrophe./ICER-99, Zielona Gora, Polanand 1999, pp. 33-37.
5. Вылегжанин В.Н., Дегтярев А.П. Синергетика катастроф угольных шахт./ Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах. Матер. 1У Междунар. Науч.-практ. конф. Кемерово, КузГТУ 2000, с. 100103.
|— Коротко об авторах----------------------------------------
Вылегжанина И.И. - кандидат технических наук, доцент КемГУ, г. Кемерово,
Вылегжанин В.Н. - доктор технических наук, профессор, КузГТУ, г. Кемерово.
