Методы анализа и оптимизации технологических решений угольных шахт при проектировании и планировании горного производства
Решающее значение в выборе оптимальных технологических решений и характеристик угольной шахты имеет арсенал научных методов анализа, которыми располагают теория проектирования горных предприятий, а также комплекс прикладных математических дисциплин.
Русский академик М.В. Ломоносов впервые научно подошел к решению горных задач. На заре развития горного дела в трудах «О вольном движении воздуха в рудниках примеченном» и «О слоях земных» он сумел дать отдельные теоретические разработки в вопросах естественного проветривания и зародить основы горной геометрии. Причем эти труды, по выражению самого автора, были изложены в «математическом порядке».
Однако применение расчетных методов анализа к специфическим горным вопросам — вскрытию, подготовке и системам разработки месторождений полезных ископаемых, способам ведения горных работ — связано с именем выдающегося ученого-горняка Б.И. Бокия. Развитие и приложение математических методов к задачам горного дела — основа нового течения в горной науке, формирование нового направления в горном деле — технико-экономического анализа в проектировании горных предприятий. В опубликованной в 1902 г. статье «Разработка каменноугольных пластов большими выемочными полями» Б.И. Бокия решительно проповедуется необходимость применения аналитических методов при проектировании вскрытия и системы разработки угольных месторождений. Уже в фундаментальных трудах Б.И. Бокия «Выбор системы работ при разработке свиты пластов» и «Аналитический курс горного искусства» приводятся систематические изложения основных методических вопросов проектирования разработка месторождений полезных ископаемых, в которых большое место занимают расчетные методы анализа и их приложения к горным задачам.
Академик А.М. Терпигорев значительно углубил и развил в практическом приложении математические методы анализа применительно к задачам выбора систем разработки угольных месторождений.
Непосредственный участник создания русской школы теоретических основ горного дела академик Л.Д. Шезяков в работе «Основы теории проектирования угольных шахт» изложил основные расчетные методы, применяющиеся в проектировании угольных шахт.
Следует заметить, что основные принципы, подходы и методология качественной и количественной оценки проектных решений, изложенные Л.Д. Шевяковым, не утратили своего значения в связи с применением новых методов экономико-математического моделирования с использованием средств вычислительной техники. Под расчетными Л.Д. Шевяков подразумевал «те методы, которые дают количественные решения возникающих при проектировании вопросов». Однако обоснованному применению расчетных методов для получения результатов количественной оценки предшествует детальный научно обоснованный качественный анализ поставленных вопросов, что дало основание Л.Д. Шевякову назвать расчетный метод аналитическим.
К расчетным методам при анализе проектных решений Л.Д. Шевяковым отнесены следующие: математико-аналитический, метод вариантов, статистический, метод наблюдений, эксперименты, графоаналитический, метод изолиний.
Применение основных расчетных методов в теории и практике проектирования шахт связано, прежде всего, с решением и проработкой основных экономических и технологических вопросов проектных вариантов. Причем традиционный подход к основным проблемам проектирования связан с технико-экономическим анализом проектных решений, при котором, как отметил Л.Д. Шевяков, «экономические вопросы теснейшим образом переплетаются с техническими». По определению автора, под термином «технико-экономический анализ» следует понимать «тот частный, но важнейший случай расчетных (аналитических) методов, когда экономические вопросы рассматриваются в органической увязке с техническими».
Технический прогресс в угольной промышленности, связанный с комплексной автоматизацией и механизацией основных процессов угледобычи, значительно повысил требования к проектной проработке технологических вариантов. Применяемые в теории и практике проектирования расчетные методы технико-экономического анализа не удовлетворяют требованиям к качеству проектных проработок новых технологических решений. Однако это не означает отбрасывания старых традиционных методов технико-экономического анализа в проектировании угольных шахт и создания каких-то новых методов. Скорее следует развивать, совершенствовать, дополнять и уточнять те расчетные методы, которые в свое время были разработаны основоположниками технико-экономического анализа русскими и советскими учеными Б.И. Бокием, А.М. Терпигоревым, Л.Д. Шевяковым, А.С. Поповым и др. Именно по пути совершенствования и дополнения традиционных методов технико-экономического анализа применительно к новым задачам проектирования угольных шахт шли ученые-исследователи П.З. Звягин, А.П. Судоплатов, А.М. Курносов, М.И. Устинов, Б.А. Розентретер, С.М. Липкович и др. Развитие и совершенствование расчетных методов анализа проектных решений при этом характеризуются широким применением ЭЦВМ для многовариантных задач.
Метод экономико-математического моделирования наряду с другими методами анализа и оптимизации проектных технологических решений угольных шахт широко применяется также в практике планирования горного производства. Поскольку задачи планирования, как правило, связаны с комплексной оптимизацией и увязкой большого количества технических и технологических решений, то они имеют большие размерности.
Для решения задач больших размерностей известны три метода оптимального планирования — блочное программирование, поэтапное моделирование и композиционное планирование. По мнению Н.И. Иванова, для задач планирования горного производства наиболее приемлем метод композиционного планирования. Сущность его в том, что единая «глобальная» модель развития отрасли в целом заменяется системой взаимоувязанных локальных моделей, а процесс принятия решения является многошаговым с оптимизацией локальных моделей по шагам с последовательной их увязкой. Связь между локальными составляющими при этом требует соблюдения условий, обеспечивающих соответствие частных задач решению комплексной отраслевой задачи: в локальные задачи должны включаться все варианты условий и факторов развития отрасли, которые были бы включены и в комплексную задачу; ограничения локальных задач должны соответствовать ограничениям комплексной задачи; критерий локальных задач не должен противоречить критериям комплексной задачи. Хотя эти условия трудновыполнимы, следует стремиться к тому, чтобы противоречия в локальных и глобальных решениях были бы не существенны.
Для решения основных задач теории и практики проектирования, а также задач планирования горного производства главным образом используются математико-аналитический метод, метод вариантов и экономико-математическое моделирование. В свое время Л.Д. Шевяков математико-аналитическим путем получил решение таких важных для теории и практики проектирования задач, как определение наивыгоднейших размеров шахтного поля и выбор места заложения стволов шахты.
