CC BY
60
- комплексный анализ формирования напряженно-деформированного состояния обделки, глубинных деформаций, качества заполнения за-обделочного пространства и гидростатического давления в массиве позволяет сделать заключение, что необходимо корректировать сочетание следующих параметров - время схватывания двухкомпонентного раствора и технологию его подачи в заобделочное пространство. Состав двухкомпонентного раствора должен подбираться с учетом пересекаемых тоннелем литологических разностей, в том числе и в пределах одного кольца.
Список литературы
1. Лебедев М.О., Маслак В.А. Натурные исследования при внедрении новых геотехнологий строительства тоннелей в условиях Санкт-Петербургского метрополитена // Известия ТулГУ. Серия Естественные науки. Вып. 3. 2008. С. 96-99.
2. Гигиняк Е.И. Сооружение наклонного хода станции метрополитена с помощью ТПМК фирмы «Херренкнехт» в Санкт-Петербурге // Метро и Тоннели. 2009. №5. С. 4-5.
V.A. Maslak, K.P. Bezrodny, M.O. Lebedev
CONSTRUCTION OF ESCALATOR TUNNELS IN WEAK SOILS BY THE SHIELD METHOD
The results of geotechnical monitoring in the construction of escalator tunnels in St. Petersburg using a tunnel boring machine are presented. For the first time under the conditions reviewed, laws of rock deformation from the tunnel outline to the day surface within the entire rock mass were obtained.
Key words: Inclined tunnel, soils, monitoring, deformations, tunnel lining, stresses.
Получено 20.04.11
УДК 622.8:004
C.K. Мещанинов, д-р техн. наук, проф., +38 056 744-61-87, serg_prm@list.ru (Украина, Днепропетровск, НГУ),
С.В. Борщевский, д-р техн. наук, проф., borshevskiy@mail.ru (Украина, Донецк, ДонНТУ)
ПРИМЕНЕНИЕ КИБЕРНЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ЗАДАЧАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ
Рассмотрены вопросы современной концепции обеспечения промышленной безопасности ведения подземных горных работ с использованием современных кибернетических методов. Особое значение в этом вопросе отведено человеческому фактору, при этом отмечено определяющее значение моделирования технологического про-
цесса. Сделан вывод о целесообразности использования для достижения поставленной цели комплексной системы контроля и управления.
Ключевые слова: безопасность, кибернетические методы, надежность функционирования.
На сегодняшний день во всем мире нарастает озабоченность правительств, органов государственного управления, надзора и контроля, общественных организаций, населения в связи с всевозрастающим риском, который представляют для населения и окружающей среды объекты техногенной сферы.
На состояние безопасности труда оказывает влияние большое число объективных факторов. Это и изношенность оборудования, и старение основных фондов, и плохое обеспечение крепежными материалами, средствами индивидуальной и коллективной защиты горнорабочих. Анализ аварий и несчастных случаев с летальным исходом показывает, что основными их причинами являются низкая производственная дисциплина и плохое организационно-техническое состояние ведения работ.
В настоящее время у покупателей систем контроля и автоматизации для угольных шахт отсутствует уверенность в том, что, вложив достаточно большие суммы в покупку этого оборудования, можно долговременно получать гарантированную прибыль от его использования. При этом возникает финансовая зависимость от поставщика из-за невозможности достоверного прогноза эффективности угледобычи в условиях, уровень благоприятности которых существенно изменяется в течение выемки. Здесь следует отметить также и большую значимость «человеческого фактора». Кроме того, несмотря на многовариантность поставляемого оборудования, весьма сложно подобрать такой его комплект, который можно было бы эффективно адаптировать к местным условиям, в том числе с учетом особенностей горного массива, шахтной инфраструктуры, квалификации кадров и т.п. В результате возникает противоречие: с одной стороны существует реальная возможность поставки современного добычного, проходческого и контролирующего оборудования, а с другой, дороговизна приобретения и сложность эксплуатации в малопредсказуемых по уровню благоприятности условиях украинских горнодобывающих предприятий.
Объективным подтверждением того, что шахтам нужно переходить от оторванной от технологии системы безопасности к безопасным технологиям, является обратная гиперболическая зависимость объема аварийности и травматизма от капитальных вложений (инвестиций) в обновление и совершенствование всей технологической цепи шахты, функционирующей с одной целью - эффективная угледобыча [1]. Опыт показал, что наилучших результатов по повышению надежности ведения подземных горных работ можно достичь путем создания автоматизированных систем контроля, прогноза и управления.
При ведении подземных горных работ всю совокупность геомеха-нических явлений необходимо рассматривать как сложную систему, учитывать взаимное влияние различных процессов, их динамику во времени и в пространстве. Научную методологию такого системного подхода составляет теория сложных систем [2, 3]. Научной основой оптимального воздействия на процессы является теория автоматического управления. Прикладным средством для применения теорий сложных систем и автоматического управления выступает вычислительная техника [4]. В общем случае, под надежностью функционирования сложной технической системы (которой является технологическая схема ведения подземных горных работ), следует понимать ее способность выполнять заданные функции в течение определенного интервала времени (например, в течение смены, всего срока отработки лавы и т.п.). Функционирование системы может считаться безопасным, если в случае отказа или аварии обеспечивается защита персонала и сохранность оборудования и окружающей среды, а также, если ее безопасность сохраняется в любых аварийных ситуациях [4]. Работы по созданию систем контроля надежности и эффективности, а, следовательно, и безопасности ведения подземных горных работ идут во многих странах. Многолетний опыт эксплуатации систем контроля и управления на украинских шахтах и рудниках выявил их недостатки, и, в первую очередь, - это централизация процесса сбора обработки и представления информации на одной управляющей вычислительной машине, как правило, без резервирования, что приводит к частым перерывам в функционировании подсистем, вызванных выходом из строя общего управляюще-вычислительного комплекса, отдельных его элементов или влиянием других подсистем. Поэтому, их дальнейшее развитие предполагает создание систем с распределенной обработкой информации, когда отдельные подсистемы будут реализовываться на основе отдельной микроЭВМ. Так, в Великобритании создана компьютерная система контроля поддержки технологического управления (MAYNOS), которая непрерывно выдает информацию о горных машинах и условиях труда, включая срочные контролирующие меры. Наиболее известны мониторинговые системы фирмы TRANSMITTON; ряд корпораций США выпускает системы (MC -2000, CENTURION, DAN, MUNDIOS, NATIONAL - FEMCO, EZ-100), которые предназначены для автоматизированного управления технологиями и оборудованием шахт [1]. Таким образом, не вызывает сомнений актуальность проблемы обеспечения надежности (безопасности) подземной добычи полезных ископаемых. С другой стороны, многообразие и сложность горно-геологических условий добычи и подготовки месторождений различных типов существенно затрудняет решение этой проблемы.
Таким образом, целью настоящей работы является анализ современных тенденций и обоснование наиболее эффективных вариантов применения кибернетических методов для обеспечения безопасности ведения
подземных горных работ. Работы в этом направлении должны иметь свое логическое завершение, «конечную цель». Такой целью и является создание высокоавтоматизированной шахты, рудника, очистного или проходческого забоя, основными характеристиками которой являются наличие единой общешахтной информационной сети, безлюдной технологии добычи полезного ископаемого с максимально возможным уровнем безопасности.
Особое значение в обеспечении промышленной безопасности подземных горных работ имеет человеческий фактор. Понятие «человеческие отказы» является как бы перефразированием того факта, что человек со своими врожденными и приобретенными способностями и слабостями недостаточно принимается в расчет при проектировании технических систем. Поэтому актуальна задача так спроектировать систему «человек-машина-среда», чтобы она максимально «считалась» с человеком. В данной ситуации можно утверждать, что человек вынужден идти на компромисс с горными машинами, породным массивом в целом, в результате чего появляется возможность для оптимизации. Справедливо и обратное: технологическая система также должна «приспосабливаться» к особенностям людей, ее обслуживающих. Последнее утверждение говорит о возможности оптимизации подсистем по отношению к человеку. Таким образом, имеются две возможности для оптимизации: первая - со стороны человека по отношению к технологическому процессу, и вторая - со стороны технологического процесса по отношению к человеку, в связи, с чем могут быть построены две целевые функции. Вообще говоря, более правильно понятие «человеческий отказ» заменить понятием «ошибка обслуживания».
При учете человеческого фактора необходимо уделять особое внимание обработке и уплотнению (сжатию) поступающей от контролирующих подсистем и центрального информационно-управляющего комплекса информации. Это необходимо для того, чтобы человек - оператор и обслуживающий технологический процесс персонал - мог адекватно и своевременно усвоить поступающий поток информации и принять на этой основе правильные решения. Для достижения такого эффекта уплотнение информации должно соответствовать ряду требований, которые можно сформулировать следующим образом.
1. Определенность. Человек должен получать конкретную информацию, в соответствии с которой необходимо предпринимать вполне конкретные и однозначные действия. Поступающая информация не должна давать поводов для колебаний, либо быть хотя бы в какой-то мере двусмысленной.
2. Обратимость. В случае необходимости информационное сообщение должно иметь возможность быть развернутым для более подробного анализа причин его создавших.
3. Представительность. Поступающая информация должна быть в форме, которая не сможет быть оставленной без внимания. Для технологии подземных горных работ это, по-видимому, должна быть система световой и звуковой сигнализации, размещенная на контрольно - управляющем пункте и непосредственно на рабочих местах.
К человеку-оператору в данном контексте, а также и в определенном смысле, и ко всему обслуживающему технологический процесс персоналу кроме требований, обусловленных непосредственными производственными задачами, должен быть предъявлен следующий набор требований [4]: безошибочность, готовность, восстанавливаемость, своевременность и точность восприятия и реагирования на поступающую информацию. В соответствии с этим необходимы дополнительные мероприятия по профотбору лиц, обслуживающих технологический процесс.
Резюмируя вышеизложенное, можно сформулировать две основные цели, достижение которых позволит свести к минимуму негативное влияние человеческого фактора на безопасность ведения подземных горных работ.
Первая включает в себя проведение обучающе-тренировочных занятий с подземными рабочими и регулярный контроль их психофизиологических характеристик.
Вторая заключается в практически полном устранении человека от управления производственным процессом в реальном режиме времени (исключая нештатные ситуации). Это может быть достигнуто внедрением в процесс управления, контроля и учета комплексной системы контроля и управления надежностью функционирования (КСКУ) [5].
При проектировании информационных устройств рекомендуется придерживаться следующих общих положений: количество получаемой человеком информации не должно превышать его возможностей к восприятию. В центральном поле внимания необходимо располагать приборы, дающие наиболее важную информацию; информация должна быть понятна и доступна к восприятию в шахтных условиях.
Под надежным (безопасным) функционированием очистного забоя, как основной технологической единицы шахты или рудника подразумевается такой режим его работы, при котором:
- все технологические процессы протекают в штатном режиме;
- производственный персонал выполняет текущие задания в соответствии с технологическими регламентами, инструкциями и паспортами. Персонал надзора контролирует ход технологических процессов и состояние всех подсистем, влияющих на выполнение заданий и ведение горных работ, своевременно выявляет и адекватно реагирует на выявленные нарушения, отказы и отклонения. Обеспечивающие службы своевременно восстанавливают израсходованный производственный ресурс систем;
- машины, механизмы и транспорт обеспечены необходимыми расходными материалами, запасными частями, и работают с заданными нагрузками без сбоев и отказов;
- агрессивная среда (газонасыщенный углепородный массив с выработками) приведена в безопасное состояние и не оказывает сверхнормативного воздействия на персонал и технику.
Уровень безопасности является вероятностной величиной. Он
выражается функцией от произведения вероятностей безопасной работы горнодобывающего предприятия [5, 6]:
где Б - функция, определяющая зависимость между общим уровнем вероятности безопасной (надежной) работы шахты или рудника и вероятностями безопасной (надежной) работы его подсистем; Р1 - вероятность безопасной работы шахты или рудника по фактору состояния шахтной атмосферы; Р2 - вероятность безопасной работы шахты или рудника по фактору устойчивости приконтурной области; Р3 - вероятность безопасной работы шахты или рудника по фактору работы технологического оборудования; Р4 - вероятность безопасной работы шахты или рудника по
человеческому фактору.
Система контроля и управления надежностью функционирования должна осуществлять непрерывный контроль всех параметров, определяющих значения Р1 , Р2 , Р3 и Р4 . Величина Р4 значительно сложнее поддается оценке, в связи с чем, в наиболее опасных местах шахты или рудника должны быть размещены подсистемы автоматической защиты и блокировок. Последние, являясь неотъемлемой частью системы контроля и управления, по-видимому, и должны придавать ей окончательно законченный, целостный вид.
Авторами уже разработаны структурная, математическая, оптимизационная и имитационная компьютерная модели функционирования очистного забоя угольной шахты [5 - 7]. Научно обоснован набор информативных параметров КСКУ надежностью функционирования очистного забоя. Полученные результаты могут быть распространены и на рудные месторождения, так как разработаны они исходя из постановки задачи об очистном забое как сложной технической системе, которой является любая технологическая система шахты, рудника, разреза и т.п.
На рисунке в качестве примера представлена структурная схема взаимодействия системы контроля и управления с технологическим обо-
(1)
рудованием подсистем шахты или рудника. Как видно из рисунка, структура и взаимодействие системы контроля и управления с технологическим оборудованием осуществляются на основе иерархического принципа.
Сбор и первичная обработка информации происходят непосредственно на месте ведения работ при помощи серийно выпускаемой контрольно-измерительной аппаратуры, а проблемная обработка и выработка контрольно-управляющих сигналов, а также сбор отчетной информации и осуществление прогноза - информационно-управляющим блоком КСКУ, находящимся на поверхности на центральном диспетчерском пункте.
В этом контексте особый интерес представляет разработанная имитационная компьютерная модель [7], позволяющая моделировать работу горнодобывающего предприятия с возможностью изменения набора информативных параметров и диапазонов их изменения. В основу идеи моделирования положен учёт влияния и взаимовлияния факторов надёжности функционирования подсистем шахты или рудника.
Структурная схема взаимодействия системы контроля иуправления с технологическим оборудованием подсистем шахты ирудника
Основная цель моделирования состоит в переводе угольной шахты, очистного забоя, или рудника на новый организационно-технический уровень, обеспечивающий преимущественное управление и контроль ходом технологического процесса без участия человека (функционирование в режиме автопилота), за исключением экстраординарных, нестандартных ситуаций, не заложенных предварительно в работу модели.
Приведенные результаты имеют в значительной мере иллюстративный характер для оценки направлений дальнейших исследований с целью распространения полученных результатов и постановки задач исследований применительно к рудным месторождениям и месторождениям других полезных ископаемых.
Список литературы
1. Дубов Е.Д., Мухин Е.П., Мухин П.Е. Концепция безопасности должна быть пересмотрена // Уголь Украины. 2003. № 6. С. 34-37.
2. Эффективность и надежность сложных систем (Информация, оптимальность, принятие решений) /И.Л. Плетнев и [др.] М.: Машиностроение, 1977. 216 с.
3. Червоный А.А., Лукьященко В.И. Надежность сложных систем. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1976. 288 с.
4. Сиртеш Л. Роль кибернетических методов в оценке безопасных условий горных работ на больших глубинах // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1986. № 2. С. 117-121.
5. Мещанинов С.К. Научные основы обеспечения надежности функционирования очистных забоев шахт Украины: монография. Донецк: Национальный горный университет, 2005. 230 с.
6. Мещанинов С.К. К разработке оптимизационной математической модели управления надежностью функционирования высоконагруженной лавы по критерию адаптации // Научный вестник НГУ. 2004. № 10. С. 1518.
7. Бондаренко В.И., Мещанинов С.К., Свириденко А.А. Имитационная модель локальной системы управления надежностью функционирования высоконагруженной лавы // Научный вестник НГУ. 2005. № 1. С. 33-36.
S.K. Meschaninov, S.V. Borshevskiy
APPLICATION OF CYBERNETIC METHODS IN THE TASKS OF UNDERGROUND WORKS SAFETY PROVIDING
The questions of modern conception of providing of industrial safety of conduct of underground works are considered with the use of modern cybernetic methods. The special value in this question is devoted to the human factor. The determinative value of technological process design is marked. A conclusion about expedience of the achievement of the put purpose using for complex checking and management system is drawn.
Keywords: safety, cybernetic methods, reliability of functioning.
Получено 20.04.11
