Введение к работе
Актуальность проблемы. Рыночные условия, складывающиеся в России, требуют перехода угольной промышленности на высокоинтенсивные технологии выемки угля, которые могут быть достигнуты за счет автоматизации производственных процессов угледобычи и увеличения производительности добычных участков. При этом одной из основных задач была и остается безаварийность и безопасность технологических процессов.
Использование высокоинтенсивных технологий выемки угля и существенное увеличение нагрузок на очистной забой требуют гибкого управления силовыми характеристиками механизированных крепей в соответствии с изменяющимися в пределах выемочных полей и блоков горно-геологическими и горнотехническими условиями, а также характером изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) углепородного массива в окрестности очистного забоя при его циклическом движении. Это позволяет, в свою очередь, оптимизировать энергетические затраты, снижать, во многих случаях, себестоимость добытого угля, продлевать срок службы механизированных крепей, предотвращать возможность возникновения чрезвычайных ситуаций. Уместно отметить, что анализ литературных и фактических данных свидетельствует о том, что в 36% забоев работающие механизированные комплексы не соответствуют горно-геологическим условиям, что не может не оказывать влияния на производительность и безопасность ведения очистных работ.
Одной из проблем, снижающих эффективность внедрения перечисленных мероприятий, является отсутствие предварительного прогноза динамики обрушения горных пород на основе использования современных информационных систем и технологий.
Анализ существующих информационных систем горной отрасли показал, что их проблемная ориентация определяется номенклатурой решаемых задач, таких как: анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений и т.п. Предлагаемые системы программного обеспечения для добывающих отраслей промышленности ориентированы в основном на оценку запасов и решение задач отдельных этапов проектирования и планирования горных работ, задачи же такого рода, как геомеханика недр, проектирование систем вентиляции, крепления, электроснабжения и водоотлива для подземного рудника (шахты), практически не обеспечены эффективным программным обеспечением. Что же касается прогнозирования динамики обрушения горных пород при ведении очистных работ и выбора оптимальных вариантов выемки угля, то эти задачи остаются еще нерешенными.
Таким образом, задача обеспечения стабильной и безопасной высокопроизводительной работы комплексно-механизированных забоев (КМЗ) может быть решена на основе разработки методологии компьютерного моделирования и прогнозирования геомеханического взаимодействия массива горных пород с угледобывающим комплексом для последующего качественного управления технологическими процессами и предотвращения чрезвычайных ситуаций.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой РЕОИС – Развитие единой образовательной информационной сре-
ды (2001-2005), ГК-1351 "Создание ресурсного центра регионального уровня в Кемеровской области"; планом НИР НФИ КемГУ 2008г., проект №12-05/62 "Аналитический обзор современных методов и программных средств математического моделирования в управлении организационно-техническими системами" по заказу ООО «Опт-Трейд»; программой Кузбасского НОК-1, в рамках программы "Недра Кузбасса", проект № 27-6 "Разработка системы прогноза параметров высокоинтенсивных технологий угледобычи угольных шахт Кузбасса", ГР №01970004330.
Целью работы является развитие теоретических основ и разработка методологии проектирования геоинформационных систем прогнозирования динамики состояния углепородного массива для предупреждения чрезвычайных ситуаций при ведении очистных работ.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
на основе анализа существующих прототипов разработать методологические основы построения геоинформационных систем поддержки процессов ведения безаварийных очистных работ в высокопроизводительных комплексно-механизированных забоях горных предприятий;
разработать методы адаптивного проектирования и реализации специализированных программных средств электронного картографирования горно-геологического строения массивов горных пород угольных регионов.
предложить методологию компьютерного моделирования процесса выемки угля в движущемся комплексно-механизированном забое;
разработать метод расчета параметров нестационарного состояния угле-породного массива в окрестности очистного забоя для различных режимов нагружения и разгрузки секций механизированной крепи при ведении очистных работ;
разработать метод формирования компьютерных геоизображений новых видов, отображающих результаты имитационного моделирования динамики изменения параметров НДС углепородного массива при циклическом воздействии на него секций механизированной крепи;
разработать алгоритмическое и программное обеспечение системы мониторинга нестационарного состояния углепородных массивов при отработке угольных пластов на базе ГИС–технологий;
обосновать применимость разработанной методологии проектирования геоинформационных систем для мониторинга состояния углепородных массивов при отработке угольных пластов Кузбасса.
Идея работы состоит в использовании пространственных данных электронного картографирования и компьютерного моделирования прогрессирующего снижения устойчивости пород кровли вынимаемого угольного пласта при циклическом воздействии секций механизированной крепи на углепородный массив для выбора безопасных вариантов ведения горных работ.
Методы исследований. В процессе выполнения работы использовались как общенаучные, так и специальные методы исследований различных областей знаний, такие как:
методы геоинформационного картографирования;
методы и технологии хранения и использования геопространственных данных на основе распределенных баз данных и знаний;
численные методы и поисковое моделирование;
теория объектов и объектно-ориентированный подход;
методы проектирования программного обеспечения ГИС;
идентификация и кодирование.
На защиту выносятся:
новый подход к решению задач обеспечения безопасности очистных работ и предотвращения чрезвычайных ситуаций, основанный на упреждающем прогнозировании динамики изменения параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива для различных вариантов ведения горных работ;
методологические основы построения геоинформационных систем поддержки процессов безаварийных очистных работ в высокопроизводительных комплексно-механизированных забоях горных предприятий;
методология проектирования и реализации специализированных программных средств компьютерного моделирования породных слоев на основе электронного картографирования горно-геологического строения массивов горных пород с использованием теории нечетких множеств;
методология компьютерного моделирования процесса взаимодействия секции механизированной крепи с вмещающими породами с учетом динамики процесса разрушения углепородного массива на основе ретроспективных данных о свойствах горных пород;
метод расчета параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива, включающий процедуру настройки алгоритма на основе ретроспективных данных, для минимизации отклонений вычисленных значений конвергенции основания и перекрытия секций крепи от измеренных;
метод формирования компьютерных геоизображений для определения положения опасных зон с высоким горным давлением и выработки рекомендаций по предотвращению аварийных ситуаций при ведении очистных работ по выбранной технологии;
методология проектирования программного обеспечения информационной поддержки и мониторинга нестационарного состояния углепородных массивов при отработке угольных пластов с использованием ГИС-технологий. Научная новизна работы состоит в:
разработке и апробации нового научного подхода к решению задач обеспечения безопасности очистных работ и предотвращения чрезвычайных ситуаций, основанного на упреждающем пространственном прогнозировании результатов техногенного воздействия на углепородный массив;
обосновании методологии построения современных геоинформационных систем угольных предприятий;
использовании теории нечетких множеств для расширении функциональности специализированных программных средств компьютерного моделирования породных слоев на основе электронного картографирования;
разработке методология компьютерного моделирования процесса взаимодействия секции механизированной крепи с вмещающими породами;
разработке методики расчета параметров напряженно-деформированного состояния углепородного массива при циклическом движения очистного забоя;
разработке методологии формирования геоизображений, отображающих результаты пространственного прогнозирования опасных зон с высоким горным давлением для выбора безопасных режимов работы и предотвращения чрезвычайных ситуаций;
обосновании методологии информационной поддержки и мониторинга нестационарного состояния углепородных массивов при отработке угольных пластов с использованием ГИС- технологий.
Практическая значимость работы заключается в:
разработке теоретических основ и методов построения специализированных геоинформационных систем, позволяющих проводить мониторинг нестационарного состояния углепородных массивов в пределах выемочного столба при ведении очистных работ для различных угольных регионов;
разработке инструментария (модели, методы, алгоритмы, компьютерные программы) для построения специализированных программных средств электронного картографирования горно-геологического строения массивов горных пород при маркшейдерской подготовке горных работ;
применимости методологии компьютерного геоинформационного моделирования процесса взаимодействия механизированной крепи с углепородным массивом для прогноза напряженно-деформированного состояния горного массива при ведении очистных работ;
разработке комплекса компьютерных программ, защищенных свидетельствами об официальной регистрации, для расчета параметров НДС углепородного массива в окрестности длинного очистного забоя;
разработке метода визуализации результатов имитационного моделирования геомеханического взаимодействия механизированной крепи с углепородным массивом, позволяющего подобрать очистной механизированный комплекс с необходимыми силовыми характеристиками крепи, соответствующими наиболее сложной горно-геологической ситуации по длине выемочного столба на этапе разработки паспорта выемочного участка;
применимости разработанной специализированной геоинформационной системы мониторинга состояния углепородных массивов для обеспечения интенсивной, стабильной и безопасной выемки пологих угольных пластов в изменяющихся горно-геологических условиях;
адаптации разработанной методологии мониторинга состояния углепород-ных массивов к выбору технологических схем отработки пологих угольных пластов Кузбасса и раскройке шахтных полей.
Личный вклад автора состоит: в разработке методов адаптивного проектирования и реализации специализированных программных средств электронного картографирования горно-геологического строения массивов горных пород угольных регионов, в методологии компьютерного моделирования процесса выемки угля в движущемся очистном забое, в разработке комплекса компьютерных программ для расчета параметров НДС углепородного массива, в разработке метода визуализации результатов моделирования геомеханического взаимодействия механизированной крепи с углепородным массивом.
Реализация работы. Основные научные положения и результаты исследований были использованы при разработке паспортов выемочных участков шахт ЗАО “Южкузбассуголь”, ОАО “Шахта Абашевская – Н”, ООО УК “Кор-чаколь”. Результаты работы использованы при разработке специализированного программного обеспечения в рамках НИР Новокузнецкого института (филиала) ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет». На разработанное программное обеспечение получены 8 свидетельств о разработке программ для ЭВМ. Разработанное программное обеспечение используется на предприятиях ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» и в учебном процессе НФИ КемГУ.
Издано учебное пособие ”Геоинформационные системы и основы электронного картографирования”. Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе при изучении дисциплин ”Пространственно-атрибутивные модели и ГИС-технологии”, ”Введение в ГИС-технологии”, ”Математические модели в геоинформатике” в ряде вузов Кемеровской области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно практических конференциях: III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Перспективы развития технологий переработки вторичных ресурсов в Кузбассе. Экологические, экономические и социальные аспекты» (г.Новокузнецк, 2009 г.; экспертном совещании «Гуманитарные и социальные проблемы обеспечения безопасности горнодобывающих регионов» в рамках XVII Международной специализированной выставки технологий горных разработок «Уголь России. Майнинг – 2010» (г. Новокузнецк, 2010 г.); XI, XII, XII, XIII международных научно-практических конференциях «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург,2011-2012 гг.); X, XI Всероссийских научных конференциях с международным участием «Краевые задачи и математическое моделирование» (г. Новокузнецк, 2010-2012 гг.); Международной научно-методической конференции (Воронеж, 2011-2012 г.), Международном симпозиуме «Неделя горняка» (2013 г.); на заседаниях научных семинаров факультета информационных технологий НФИ КемГУ (Новокузнецк, 2011-2013 г.).
Предложенная методология проектирования специализированных горных информационных систем использовалась при разработке реальных проектов,
представленных на XVIII и XIX Сибирских промышленных форумах. Разработанные проекты получили положительную оценку и были удостоены диплома и бронзовой медали. Комплекс программных продуктов, вошедших в состав ГИС, представленный на международной выставке-ярмарке «Кузбасский образовательный форум» и отмеченный золотой медалью, используется для проведения исследовательских и лабораторно-практических работ студентов и аспирантов в учебном процессе НФИ КемГУ.
Публикации. Основное содержание диссертационного исследования опубликовано в 37 печатных работах, в том числе 11 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России; 1 монография, 8 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованных источников из 216 наименований, включает 84 рисунка и 7 таблиц.
