Введение к работе
Актуальность работы. Горнодобывающая промышленность, особенно, ее пс. „мная разработка, которая ведется в замкнутом пространстве, в ухудшающихся горногеологичесхих условиях в настоящее время остается одной из самых опасных отраслей народного хозяйства, имеющей наибольший показатель смертности. Природные силы и процессы в недрах земли, относительные равновесия которых нарушаются в результате ведения горных работ, представляют постоянную угрозу в виде опасных явлений в жизнедеятельности подземных горных предприятий (ПГП). СовремеР" я технология добычи полезного ископаемого, разр-'"угка его на больш...; глубинах, применение высокопроизводительных ;\>бычных машин и комплексов существенно осложнили проблему обеспечения аварийной безопасности ведения горных работ. Эти факторы показывают, что концепция "абсолютной безопасности" не приемлема внутренним законом техносферы шахт и рудников, поэтому безопасное ведение горных работ должно не только предотвратить несчастные случаи и возможные аварии, но и требует прогнозирования развития событий в случае той или иной аварии, допуская тем самым некоторый приемлемый риск.
В этих условиях основную роль в обеспечении безопасности подземных горных предприятий играют правильно организованная система проветривания горных выработок, позволяющая поддерживать аэрогазовые параметры в пределах обусловленных Едиными Правилами Безопасности (ЕПБ), и система оперативного ввода в действие Плана Ликвидации Аварии (ПЛА).При этом ПЛА, содержащий первоочередные меры ведения горноспасательных работ, от правильности и работоспособности которых зависит жизнь людей и размеры материального ущерба, одновременно является средством как профилактики аварийности, так и ликвидации аварий.
Составлениг ПЛА и его оперативный ввод в действие возлагается на человека, от которого требуется знание большого объема инструктивной и справочной информации. На разработку и проверку позиций ПЛА затрачивается длительное время и большой труд специалистов, нередко фактор субъективности ставит под сомнение его работоспособность.
В сложной аварийной ситуации человеческие действия, как правило, носят нестатический и непредсказуемый характер, не всегда удается вы-
работаї правильное решение по спасению людей и ликвидации аварии, определить аварийные вентиляционные режимы, своевременно оповестить об аварии и т.д. Все это остро ставит проблему обеспечения аварийной безопасности шахт и рудников, вызывает необходимость к ней нового подхода,обуславливает создание высокоэффективных автоматизированных систем аварийной безопасности на базе современных методов и средств.
Переход к автоматизированным системам аварийной безопасности позволяет при принятии решений по ликвидации аварий использовать большой объем знаний и накопленный опыт по данной проблеме, проигрывать последствия принимаемых решений, определять причины и риск аварийных ситуаций, дает возможность обучения персонала подземных горных предприятий по безопасности и проведения тренинга службы горноспасателей.
Изложенное показывает,что проблема создания научных основ и разработка методов и средств управления автоматизированных систем аварийной безопасности подземных горных предприятий, позволяющих повысить безопасность ведения горных работ, является актуальной научной проблемой имеющей важный народнохозяйственный эффект и социальное значение.
Цель работы - создание теоретических основ, разработка методов и средств автоматизированного управления безопасностью при авариях на подземных горных предприятиях, позволяющих повысить аварийную безопасность ведения горных работ.
Идея работы - заключается в использовании закономерностей техносферы . подземных горных предприятий и принципов оперативного мышления при создании теоретических основ, разработки м'етодов и средств автоматизированного управления безопасностью при авариях.
Научные положения, разработанные лично диссертантом, и их новизна:
1. Концепция приемлемого уровня риска аварийности и теоретические основы оценки уровня риска аварийности подземных горных предприятий, новизна которых заключается в учете реальных ретроспективных ст? -тических данных об авариях при проведении вег тностного анализа оезопасности (ВАБ) на основе деревьев отказов и событий, что
позволяет определить текущий уровень и установить npiiL емый уровень риска аварийности подземных горных предприятий.
2. Теория и структура классификации и распознавания аварийных ситуаций ПГП, новизна которых заключается в представлении понятий об аварийных ситуациях в виде семантической сети, состоящей из двух деревьев понятий: классификационных и композиционных, что позволяет автоматически распознавать с использованием логического метода " распознавание с учителем " аварийные ситуации на основе как качественной, так и количественной информации об авариях.
3. Метод определения кратчайших маршрутов вывода людей из опасных зон и движение службы горноспасателей, основанный на методах " поиска в глубину " " с возвратом " и его графическое представление, новизна которого заключается в учете всех требований ЕПБ, и в использовании базы правил и принципов когнитивной графики, что позволяет определить опасные и угрожаемые участки, сэкономить оперативную память ЭВМ и визуализировать процесс решения.
4. Теоретическое обоснование списков мероприятий по спасению людей и ликвидации аварий, новизна которого заключается в использовании экспертных оценок при их ранжировании, что позволяет определить необходимый перечень мероприятии по спасению людей и ликвидации аварии, последовательность их реализаций по времени и выработать единый подход при разработке ПЛЛ рудников.
5. Модели управления процессом ликвидации аварии, новизна кото
рых заключается в использовании в задачах управления процессом лик
видации аварии комплекса моделей: мысленной модели ликвидации ава
рий, ситуационных моделей управления типа "ситуация - действие" и
"ситуация - стратегия управления - действие"; модели времени и сетевых
моделей управления процессом ликвидации аварий, которые [юзволяют
определять порядок действия лица, принимающего решение (ЛПР), при
различных аварийных ситуациях и управлять процессом ликвидации ава
рии в соответствии с предложенными в работе критериями оптимального
управления - минимизирующих общее время спасения людей и ликви
дации аварии.
6. Цифровые имитационные модели воздухораспределения ШВС, но
визна " "торых заключается в использовании характеристи" ких урав
нений _ вствителыюсти естественного воздухораспределения ..о отноше-
нин> к вариациям управляющих воздействий воздухорегулирующих средств и аэрогазодинамических параметров горных выработок в комплексе с моделями контуров управления и аэрогазодинамических процессов ІІІВС, что позволяет прогнозировать воздухораспрсдслсние в ШВС и установить аварийные вентиляционные режимы.
7. Теоретические основы создания экспертных систем формирования ИЛА подземных горных предприятий, новизна которых заключается в структурировании и создании базы знаний (БЗ) экспертной системы, состоящей из двух иерархических уровней. На первом, высшем уровне в виде фреймов представлены знания о ПГП, об аварийных ситуациях, о технических средствах и оборудовании, обеспечивающих аварийную безопасность. Второй уровень БЗ составляет база правил в виде правил - продукции но составлению и оперативному вводу в действие ПЛА. Представленная таким образом БЗ о проблемной области дает возможность путем логического вывода, который носит циклический характер, не только формировать список мероприятий по спасению людей и ликвидации аварии при любых видах аварийных ситуаций, но и накапливать знания и объяснять формируемый текст ПЛА.
8. Принципы построения и функционально-алгоритмическая структура автоматизированной системы аварийной безопасности подземных горных предприятий, новизна которой заключается в использовании в составе системы, согласно с предложенной концепцией, различных функциональных подсистем и технических средств.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
сопоставимостью результатов теоретических исследований, результатов имитационного моделирования с результатами экспериментальной проверки в шахтных условиях в пределах 7-10% относительных величин оцениваемых параметров;
результатами опытно-промышленной эксплуатации АСУ вентиляции шахты;
результатами опытно-промышленной эксплуатации системы автоматизированного составления и оперативного ввода в действия ПЛА рудников.
Научное значение работы состоит в создании научных основ и разработке теории, методов и средств автоматизированного управления аварийной безопасностью подземных горных предприятий при авариях, что является дальнейшим развитием теории автоматизированного управления аварийной безопасностью сложных технических систем.
Практическое значение работы состоит в разработке:
системы экспертного формирования ПЛА на базе которой возможно управление процессом ликвидации аварии, обучение персонала ПГП и тренинг службы горноспасателей;
пакета программ имитационного моделирования воздухораспределе-ния шахтной сети, который может использоваться при определении аварийных вентиляционных режимов шахт и рудников;
методики оценки уровня риска аварийности, которая может использоваться при оценке уровня риска аварийности подземных горных предприятий;
микропроцессорной системы аварийной сигнализации, которая позволяет сочетать минимум два независимых способа оповещения и функционирующая как автономно так и в сопряжении с ЭВМ;
шахтной перемычки (А. С. N 1490296, СССР) для изоляции горных выработок при ликвидации аварии и регуляторов расхода воздуха для оперативного управления воздухораспределением в шахтной сети.
Реализация выводов и рекомендации работы осуществлена путем внедрения их на угольной шахте, рудниках и принятия к использованию научно-исследовательскими, проектными и учебными институтами.
Система экспертного формирования ПЛА, микропроцессорная система аварийной сигнализации и проект "Методических указаний по составлению и оперативному вводу в действие ПЛА" приняты и рекомендованы Госгортехнадзором Республики Казахстан для внедрения на подземных рудниках Республики.
Казахским научно-исследовательским институтом безопасности горной промышленности (Каз НИИБГП) используются методика оценки риска аварийности подземных горных предприятий, методы классификации и распознавания аварийных ситуаций, алгоритм и программа определения и расчета кратчайших маршрутов, алгоритм и программа мате-
матических моделей воздухораспределения ШВС, база знаний экспертной системы формирования ПЛА.
Институтом "Гипроуглеавтоматизация" приняты к использованию алгоритмы и программы математических моделей управления воздухо-распределением ШВС.
Результаты исследований, полученные в диссертации, используются в ряде учебных пособий автора, курсовом и дипломном проектировании, при проведении практических, самостоятельных и лабораторных работ.
Микропроцессорная система аварийной сигнализации внедрена на подземном руднике ГОКа "Майкаинзолото".
Алгоритмы и программы математических моделей управления воз-духораспределением ШВС в составе математического и программного обеспе1.. :іия АСУ вентиляцией шахты внедрены на шахте '"'оммунист" ПО "С ,;ябрьуголь".
Система экспертного формирования ПЛА, пакет программ имитационных моделей воздухораспределения и регуляторы расхода воздуха приняты к внедрению на Соколовском подземном руднике.
Связь темы диссертации с государственными программами и с планом работы института.
Автор принимал участие в решении проблемы создания экспериментального образца системы автоматического управления проветриванием шахты "Коммунист" ПО "Октябрьуголь" в качестве исполнителя тем, выполнявшихся Московским Горным институтом в соответствии с целевой комплексной научно-технической программой О. Ц. 026, задание 01.22 (Постановление ГКНТ и Госплана СССР N 476-ГК/429-ГП от 12. 12. 1980 г.) и создания автоматизированной системы безопасности угольных шахт (Программа Минтопэнерго России N 06.03). В качестве руководителя научно-исследовательских работ автор принимал участие в решении проблем "Создание систем мероприятий безопасного ведения горных работ (Программа Министерства науки и новых технологий Республики Казахстан) и по разработке и внедрению системы автоматизированного составления и оперативного ввода в действие ПЛА рудников (решение Госгортехнадзора Республики Казахстан 15-1/452 от 20. 07. 92.) с рядом предприятий горнообогатительных комбинатов (ГОК) Республики Казахстан: Шахта "Молодежная" (Донской ГОК), Майкаин-
ский подземный рудник (ГОК "Майкаинзолото"), рудник "Южная" (ГОК "Каззолото"), Соколовский подземный рудник (ССГПО) и др.
Диссертационная работа является составной частью вышеуказанных исследований.
Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались и были одобрены на Республиканской конференции "Молодые ученые - научно-техническому прогрессу в угольной промышленности" (г. Донецк, 1984 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития технологии подземной разработки рудных месторождений" (г. Москва,1986 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании "САПР и АСУ горного производства" (г. Алматы, 1987г.); Региональной научно-технической конференции молодых ученых "Комплексное и рациональное освоение железорудных месторождений и охрана природы" (г. Губкин, 1988 г.); Всесоюзном научно-практическом семинаре "Аэрология калийных рудников" (г. Кунгур,1989 г.); IX Республиканская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов "Совершенствование добычи и переработки горючих сланцев" (г. Кохтла-Ярве. 1989); Международной конференции "Гуманизация горной работы" (Венгрия, г.Шиофок,1989 г.); XIV Международном симпозиуме по пневмокониозу (ЧСФР, п. Горный-Бечва, 1989 г.); X-XI Международной конференции по автоматизации горного производства ICAMC90, 92 (ЧСФР, г. Острава, 1990 г.; СНГ г.Екатеринбург, 1992 г.); Международном форуме информатизации МФИ -92. Всемирный конгресс ITS-92 "Информационные коммуникации, сети, системы и технологии" (Москва, 1992 г.); Международном семинаре "Теория и практика комплексного освоения месторождений полезных ископаемых и обогащения минерального сырья" (Москва-Алматы, 1992 г.) IV - Международной конференции по проблеме здоровья шахтеров и эргономике (Венгрия, г. Печь, 1990 г.); 23 Международном симпозиуме по применению ЭВМ и автоматизации в горнодобывающей промышленности АРСОМ' 92, (США, г. Тусон, 1992 г.); II Международном симпозиуме по механизации и автоматизации горнодобывающей промышленности (Швеция, г. Лулиа, 1993 г.); Техническом совете управления Рудненского округа Госгортехнадзора Республики Казахстан (г. Рудный, 1992 г.); Научно-техническом совете республиканского комитета Госгортехнадзора Ре-
спублики Казахстан (г. Алматы, 1992 г.); Технических советах Соколовского подземного рудника, ГОКов "Майкаинзолото", "Каззолото", Донского ГОКа (1988-1993 гг.); Научных семинарах Московского горного института (Москва, 1983-1986 гг., 1991 - 1993 гг.) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 научных работ, получено одно авторское свидетельство на изобретение, подготовлено четыре отчета по научно-исследовательской работе, зарегистрированных во ВНТИцентре.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения изложенных на 340 страницах машинописного текста, содержит 98 рисунков и 8 таблиц, список литературы из 161 наименования и приложения.
Автор выражает глубокую признательность .научному консультанту проф. Л.А. Пучкову, а также проф. Л.А. Бахвалову за внимание и поддержку при подготовке и завершении диссертации.