Введение к работе
Актуальность темы: Проблема контроля горного давления для условий России и стран ближнего зарубежья является особенно актуальной. Это определяется тем, что большинство месторождений разрабатываются уже в течение нескольких десятилетий. Извлечение запасов осуществляется в сложной геомеханической обстановке, связанной с переходом на отработку глубоких горизонтов, частичной подработкой предохранительных целиков, выемкой запасов в околоствольном пространстве, вблизи водоемов. В основном при отработке месторождений используется система принудительного обрушения посредством взрывов.
Помимо техногенного фактора, связанного с используемой технологией отработки месторождений, существенное влияние на геомеханическую обстановку оказывает естественная сейсмическая активность регионов.
Аналогично горнодобывающей промышленности проблема контроля горного давления возникает и в таких отраслях народного хозяйства, как гидро- и атомная энергетика, индустрия подземного строительства.
Так, например, на крупных гидроэлектростанциях по мере увеличения срока их эксплуатации необратимо меняется картина напряженно-деформированного состояния плотин под воздействием целого ряда факторов: движения земной коры, гравитационной нагрузки глубокого водохранилища и бетонной массы на опорный массив, колебаний уровня грунтовых вод и т.п.
При строительстве подземных сооружений долговременные предварительные наблюдения позволяют определить оптимальную ориентацию выработок в скальном грунте с учетом его особенностей: монолитности, кинематики блоков, конфигурации поля естественных напряжений, волногасящих эффектов природных нарушений в массиве и т.д.
В практическом смысле реализация подхода к решению сложнейшей проблемы прогноза катастрофических геомеханических событий приводит к необходимости создания систем геомеханического мониторинга (СГМ). При этом под СГМ понимается автоматизированная информационно-измерительная система непрерывного контроля, диагностики и прогноза напряженно-деформированного состояния геомеханического пространства, осуществляемых с целью повышения
уровня безопасности при эксплуатации размещенных в зоне его влияния объектов.
По пути создания СГМ идут развитые страны, поскольку внедрение таких систем дает реальную возможность для получения достоверных сведений о поведении геофизической среды, эффективного управления ее состоянием, и, как следствие, — повышения уровня безопасности при эксплуатации технологических объектов.
В основу диссертации положены результаты научных исследований, выполненных при участии автора в Институте горного дела СО РАН в соответствии с заданиями и разделами НИР государственных программ: Координационный план фундаментальных и прикладных исследований по проблеме «Информационно-вычислительные сети» АН СССР на 1986-1990 гг. (шифр 1.13.8, раздел 1.13.8.2 «Архитектура сетевых систем. Методы анализа, оптимизации и моделирования сетевых систем»), утвержденный Постановлением СФТМН Президиума АН СССР № 11000-494-1216 от 05.12.85; «Математические модели прогноза техногенных катастроф в массиве горных пород» (грант №97-05-65270, РФФИ); «Аналитические и имитационные модели катастрофических процессов в сетевых информационных структурах» (грант №98-01-00721, РФФИ); «Изучение процессов деформирования и разрушения горных пород и сыпучих материалов при статическом и динамическом нагружениях. Разработка альтернативного проекта системы геомеханического контроля Таштагольского рудника» (х/д №354-29 от 1992 г.).
Цель диссертационной работы: Создание комплекса математических моделей, предназначенных для решения задач проектирования информационной структуры системы геомеханического мониторинга, и развитие вычислительных методов анализа данных моделей. Основные задачи:
1. Формулировка принципов построения современных информационно-измерительных систем контроля напряженно-деформированного состояния массива горных пород.
-
Характеристика класса задач, возникающих на этапах проектирования и разработки информационной структуры СГМ.
-
Разработка вычислительных методов анализа задержки и оценивания производительности в информационной структуре СГМ.
-
Разработка комплекса математических моделей для решения задач проектирования информационной структуры СГМ, а именно, моделей: первичной измерительной сети, коммуникационной сети, синтаксической обработки сейсмограмм, динамики иерархической блочной структуры породного массива.
Научная новизна:
-
Предложены математические модели информационной структуры СГМ в виде сетей массового обслуживания (СеМО), моделей статистической теории игр и планирования эксперимента.
-
Разработаны методы анализа и расчета моделей информационной структуры геомеханического мониторинга, представленных замкнутыми сетями массового обслуживания большой размерности, содержащими многоприборные узлы с локальной и региональной зависимостями интенсивности обслуживания от состояния.
-
Предложены сетевые модели с бимодальной плотностью длительности обслуживания для анализа задержки сейсмограмм при их синтаксической обработке на основе дополняемых переходных сетевых грамматик и для исследования динамики иерархической структуры блоков (ИСБ).
-
Предложена система моделей для исследования вероятностно-временных процессов в блочной геофизической среде, включающая в себя имитационную модель динамики блоков, аналитическую модель процессов консолидации и де-консолидации, аналитическую модель динамики иерархических уровней.
Практическая значимость результатов работы: Полученные в диссертации научные результаты в области математического моделирования информационной структуры геомеханического мониторинга, методов анализа и расчета сетевых моделей использованы при разработке пакета прикладных программ МОДЕС для математического моделирования сетевых систем, при разработке проекта системы геомеханического контроля Таштагольского рудника, при решении задач про-
ектирования системы автоматического управления шахтным транспортным роботом.
Теоретические результаты, вычислительные методы и инструментальные программные средства по математическому моделированию использованы при выполнении заданий по грантам РФФИ «Математические модели прогноза техногенных катастроф в массиве горных пород» и «Аналитические и имитационные модели катастрофических процессов в сетевых информационных структурах».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методологическое наполнение системы геомеханического мониторинга с необходимостью должно представлять собой иерархическую структуру динамических моделей, обеспечивающих отображение случайного поведения породного массива.
-
Конфигурация первичной измерительной сети должна быть согласована со статистическими характеристиками наблюдаемых в массиве физических процессов и фонового шума.
-
Разработанные в диссертации стохастические сети являются эффективными математическими моделями, обеспечивающими решение широкого класса задач анализа информационной структуры СГМ, таких как оценивание задержки и производительности в измерительных каналах и каналах передачи данных СГМ, и моделирование динамики поведения блочной геофизической среды.
-
Важное значение в исследовании информационной структуры системы геомеханического мониторинга приобретает развитие синергетического подхода, заключающегося в комбинированном использовании моделей различной математической природы и соответствующих им методов расчета: конволюции, соединенных вычислений, анализа средних, асимптотического разложения интегральных представлений базовых функций и декомпозиции на основе укрупнения марковских процессов, методов имитационного моделирования, статистической теории игр, планирования эксперимента.
Апробация работы: Основные положения и отдельные результаты работы представлялись: на XV, XVI и XVII Всесоюзных школах-семинарах по вычислительным сетям (Ленинград, 1990; Винница, 1991; Алма-Ата, 1992); на III
Всесоюзном совещании по распределенным автоматизированным системам массового обслуживания (Москва, 1990); на II Всесоюзной конференции «Моделирование систем информатики» (Новосибирск, 1990); на Международной научно-технической конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» (Новосибирск, 1991); на научно-технической конференции «Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация» (Воронеж, 1997); на конференции «Науки о Земле на пороге XXI века: новые идеи, подходы, решения» (Москва, 1997); на международной конференции «Горная геофизика» (Санкт-Петербург, 1998); на международной конференции «Advances in Systems, Signals, Control and Computers» (ЮАР, 1998).
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 17 печатных, работ.
Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации — 121 страница. Диссертация иллюстрирована 31 рисунком. Список литературы включает 119 наименований.