Теория анализа и синтеза информационно-аналитических систем оптимальной отработки шахтных полей и месторождений

скачать

 

Пароль для архива: hFZtRz7HN3FxLyq

 

КУБРИН Сергей Сергеевич

Теория анализа и синтеза информационно-аналитических систем оптимальной отработки шахтных полей и месторождений

Специальность - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2002

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................... 6

Основные задачи исследования..................................................................... 11

Структура диссертации...................................................................................... 11

1ИССЛЕДОВАНИЕГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ОЦЕНКИ И ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ УГЛЯ................................................................................................................ 13

1.1 Анализ экономических факторов оценки запасов....................... 16

1.2 Геологические особенности............................................................... 20

1.3 Анализ горно-геологической информации..................................... 21

1.4 Анализ качественных показателей угля.......................................... 22

1.5 Пространственно-морфологические факторы и показатели
освоения месторождения.......................................................................................... 26

1.6 Геолого-технологическое обеспечение расчетов
эксплуатационных расходов в очистном забое................................................. 30

1.7 Задачи, решаемые в период эксплуатации угледобывающего
предприятия геологической службой и характеристика
используемой на данном этапе геологической информации......................... 36

1.8 новый концептуальный подход к оценке запасов....................... 42

1.9 Выводы....................................................................................................... 45

2ТЕОРИЯ НОМИНАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ И НОМИНАЛЬНЫХСИСТЕМ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИИИНФОРМАЦИОННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ СИСТЕМЫОПТИМАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ ИМЕСТОРОЖДЕНИЙ......................................... 6

2.1 Особенности описания и определения горно-геологическихсистем 46

2.2 Особенности формализации горно-геологических систем47

2.3 Моделирование номинальных объектов54

2.4 Определение перечня типовых свойств образов горно-геологических объектов59

2.5 Определение типов связей образов горно-геологическихобъектов68

2.6 Основные соотношения между номинальными объектами,системами и формализациями74

2.7 Оптимальное распределение образов горно-геологическихобъектов

2.8 Определение оптимального числа типов номинальных объектови численности наиболее представительной группы объектов........................................................................ 108

2.8 Влияние степени организации номинальных образов горно­геологических объектов на эффективность информационного

представления номинальной системы116

2.10 Динамическая оценка информационных образований номинальных систем135

2.11 Определение границ возникновения хаоса в иерархических структурах информационных образований номинальных систем.. 140

2.12 Выводы по второй главе150

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПИСКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ И МЕСТОРОЖДЕНИЙ153

3.1 Анализ существующих моделей.......................................................... 153

3.2 Исследование списка моделей системы.......................................... 165

3.3 Анализ списка моделей, входящих в систему, по степени соответствия исходным данным.............................................................................................................................. 170

3.4 Морфологический анализ свойств моделей системы................... 177

3.5 Разработка морфологического метода вычисления степени определенности моделей системы........................................................................................................... 179

3.6 Создание перечня математических моделей необходимых для решения задач информационно-аналитических систем разработки проектов очистных работ и оценки запасов 185

3.7 Оценка математических моделей с учетом организации информации 193

3.8 Выводы по третьей главе Ошибка! Закладка не определена.

4 НОВЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ И МЕСТОРОЖДЕНИЙ198 Разработка математической модели расчета координат подсечек слоев в разведочной скважине

Разработка математической модели геологической
поверхности на базе нелинейной аппроксимация поверхности
методом триангуляции

4.1 Реализация математической модели нелинейного построения геологической поверхности с учетом элементов залегания слоя. . 221

4.2 Пример построения поверхности почвы пласта с помощью
математической модели расчета геологической поверхности с
учетом элементов залеганияМатематическая модель численного сравнения геологических
поверхностейОценка математической модели построения геологической
поверхности на примере поверхности почвы пласта лавы № 6 шахты
БельцевскаяМоделирование полей геологических показателей
фрактальными поверхностямиМатематическая модель построения геологической
толщи
шахтного поля4.9Математическая модель зонирования площади угольного
пласта

4.10Выводы по четвертой главе265

ОСНОВЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННО-
АНАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ
ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ
Программные и информационные средства системы
оптимальной отработки шахтный полей и месторождений с учетом
конкурентной способности углейРазработка функциональной структуры информационно
-аналитической системы оптимальной отработки шахтных полей и

месторождений270

5.3 Результаты работы информационно-аналитической системы оптимизации отработки шахтных полей и месторождений... ошибка! Закладка не определена.

6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ276

7 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение.

Угольная отрасль переживает сейчас не самые лучшие времена. Несмотря на большое количество разведанных запасов угля, с 1988 по 1997 г. добыча угля снизилась с 435 до 234,3 млн. т. [32], из-за санации шахт. Все это связанно с малой рентабельностью и даже убыточностью многих угледобывающих предприятий. Снизилась государственная поддержка в виде дотаций и налоговых льгот на добычу угля. В последнее десятилетие страна пережила ряд радикальных преобразований в экономике, которые еще продолжаются.

Наблюдаемая в начале XXI-ro века экономико-политическая ситуация в России дает определенные надежды угольщикам. В связи с переходом страны к рыночной экономике сменились приоритеты работы угледобывающих предприятий и отрасли. Теперь нет необходимости в увеличении объемов добычи полезного ископаемого любыми средствами. Угольщикам требуется добывать такой уголь, который был бы востребован на рынке, и его извлечение было бы экономически оправдано.

Основным направлением использования углей является энергетика [167]. Альтернативными источниками энергии здесь традиционно являются природный газ и мазут, энергия атома и воды. При рассмотрении источников энергии для производства электроэнергии в комплексе необходимо упомянуть также о нетрадиционных источниках энергии, таких, как солнце, приливы, ветер, тепло недр и так далее. Но их использование составляет ничтожную долю процента и чаще всего сопровождается наличием некоторых дополнительных условий, таких как, наличие большого числа безоблачных или ветреных дней, близость океана с большой приливной волной, гейзеров и т.д. Что, как известно, присутствует не везде, поэтому нетрадиционные источники энергии не всегда могут быть использованы. Чаще всего они могут применяться как дополнительные источники энергии, анекак основные.

Уголь проигрывает природному газу и солярке по стоимости оборудования, транспортировке, хранению и расходам на природоохранные мероприятия на предприятиях по выработке электричества и тепла. В результате проводимой предприятиями нефтегазового комплекса политики по уменьшению доли газа и мазута, реализуемых на электростанциях Российской Федерации, с 1998 года наметилась положительная тенденция роста спроса на уголь. И эта тенденция в последние годы явно усиливается. Добыча угля в целом по стране по итогам января-апреля 2001 года составила 94,45 млн. т. и превысила уровень 2000 года на 1,98 млн. т. или на 2,1% [46]. Российский монополист Газпром предложил ссуду РАО ЕС на модернизацию электростанций с целью их перевода с природного газа на уголь и мазут. Кроме этого, региональные власти заинтересованы и готовы поддерживать работу небольших угледобывающих предприятий, которые могли бы обеспечить подведомственную территорию углем для выработки электричества и отопления небольших населенных пунктов.

В таких условиях для Угольной промышленности появляется возможность улучшить экономическую эффективность работы. Но теперь требуется поставлять на рынок не просто уголь, а уголь с определенными показателями качества, отвечающий потребительским запросам, и, конечно, являющийся конкурентоспособным. Другими словами, угольщикам требуется добывать такой уголь, который был бы востребован на рынке, и его извлечение было бы экономически оправдано. Добыча углей, востребованных на рынке, требует учета многих факторов, определяющих условия работы угольного предприятия. Правильный подход лежит в плоскости комплексной увязки решений проблем, связанных с характеристиками запасов, влиянием горных и геологических условий, месторасположением основных потребителей, экономическими и конъюнктурными условиями, социальными и внеэкономическими обстоятельствами. Важной проблемой, бесспорно, является проблема выбора таких запасов угля, на которые есть спрос, и условия добычи которых обеспечивали бы окупаемость работы шахты, разреза или объединения в целом.

С другой стороны, экономическая эффективность шахт и разрезов определяется многими факторами, важнейшими из которых являются:

- расположение месторождения, инфраструктура, транспорт, стоимость перевозки угля к потребителям;

- технология добычи, себестоимость извлечения полезного ископаемого;

- горно-геологические условия залегания пласта;

- потребительская стоимость угля (качество полезного ископаемого), состав и количество полезных и вредных компонентов.

В последние годы вопрос о строительстве новых шахт не стоит, наоборот, происходит реструктуризация отрасли. Расположение работающего угледобывающего предприятия изменить нельзя. Сложно развить инфраструктуру, снизить транспортные издержки, создать вблизи месторождений новых потребителей угля, таких как химический комбинат, электростанция и т.д. Совершенствование технологии добычи угля определяется техническим прогрессом в области горного оборудования, который происходит эволюционным путем не так быстро, как хотелось бы угольщикам. Следовательно, на работающей шахте или разрезе остаются резервы только по улучшению качества добываемого угля. Поэтому необходимо: во-первых, разрабатывать такие запасы, извлечение которых обеспечивает экономическую эффективность работы предприятия в условиях рынка; во-вторых, применять методы определения морфологии и горно-геологических условий залегания пласта, породных слоев и тектонических нарушений, позволяющие учесть локальную гипсометрию и локальные изменения показателей качества угля и свойств пород для получения более точного проекта очистных работ. Проведение выемочных работ по таким проектам позволит уменьшить наличие в горной массе вмещающих пород и, как следствие, повысить качество добываемого угля. Кроме того, это позволит улучшить условия работы оборудования очистного забоя, что ведет к снижению себестоимости полезного ископаемого.

Для решения описанной проблемы необходимо совместно решать задачи, связанные с построением комплексных, разноплановых, гибко связанных между собой моделей пласта, шахтного поля и месторождения. В отечественной и зарубежной горной науке многие такие вопросы рассмотрены и решены. Но, вполне очевидно, что простым собранием готовых задач проблема не решается. Зачастую решения отдельных задач не взаимосвязаны, разобщены, некоторые условия часто встречающихся ситуаций не рассмотрены. За последние годы заметно возросла мощь вычислительной техники, что позволяет производить анализ гигантских объемов информации. Это дает возможность создавать не просто математические модели отдельных параметров месторождения полезных ископаемых, а вычислительно - информационные модели, т.е. связанные между собой произвольным образом различные модели и данные, зависящие друг от друга, и в целом получать виртуальную горно­геологическую модель, учитывающую все наблюдаемые факторы и их взаимодействия между собой [57, 91, 106, 172, 196]. Соответственно, качество решений, принимаемых с помощью такой модели, возрастет. По всей видимости, в соответствии с законами диалектики возникли условия, когда должен выполниться закон перехода количественных изменений в качественные. То есть, с учетом всего массива факторов, определяющих горно-геологические условия, есть возможность получить качественно новые результаты и, соответственно, создать автоматизированные системы в тех областях, где горные специалисты оперируют нечеткими понятиями или для решения различных задач используют отличные и несвязанные между собой математические модели.

С увеличением объемов обрабатываемой информации на несколько порядков остро встает вопрос об ее представлении в системе, организации ее хранения. Имеются в виду не инженерно-технические вопросы, решаемые при проектировании баз данных, хотя они тоже не должны игнорироваться, а вопросы о структуре информации. Обладает ли структура информации объективными особенностями, не зависящими от субъективного представления или нет? То есть, является ли эта категория объективной реальностью? Следовательно, необходимо подвергнуть всестороннему комплексному исследованию понятие, скрываемое за термином «структура» информации.

При создании, развитии в ходе эксплуатации системы возникают вопросы, связанные с оценкой организации информации в сложных разветвленных иерархически устроенных базах данных. Как оценить сложность структуры информации? Очевидно, что размеры базы данных, выраженные в Гига-, в Тера-, или в Пета-, а вскоре даже и в Эксабайтах, никак не определяют эту оценку. Соответственно, возникает необходимость произвести подробное исследование организации и взаимосвязей информационных (структурных) единиц. Предложенные методы анализа структуры информации и полученные оценки позволят анализировать и подробно исследовать организацию и взаимосвязи информационных единиц.

Данная работа рассматривает вопросы теории построения информационно- аналитических систем, включающих в себя виртуальные модели описания шахтных полей угледобывающих предприятий и месторождений для решения проблемы по определению конкурентных запасов углей. Построение подобных систем невозможно вне рамок теории систем и системных исследований. В ходе научного исследования разработаны необходимые методы и приемы построения сложных систем, оперирующих недостоверной информацией в динамически меняющихся условиях, обладающих сложной информационной структурой.

Резюмируя вышеизложенное, экономическую эффективность работы угледобывающего предприятия можно повысить мерами, направленными на оптимизацию отработки шахтных полей и месторождений с точки зрения конкурентной способности углей. Эти меры связаны с детальной оценкой запасов и выполнением проектов по их выемке, учитывающих локальные горно-геологические особенности залегания пласта. Сформулированная проблема оптимальной отработки угольных пластов, шахтных полей и месторождений на основе конкурентной способности углей для угольной отрасли крайне актуальна на сегодняшний день.

Целью работы является разработка теории анализа и синтеза распределенных информационно-аналитических систем определения оптимальной отработки угольных пластов, шахтных полей и месторождений в целом.

Идея работы заключается в теоретико-информационном анализе и синтезе систем определения перспектив отработки угольных пластов, шахтных полей, месторождений и систем подготовки, обеспечения и выполнения проектов очистных работ по добыче конкурентоспособных углей.

Основные задачи исследования.

Научная проблема и цель работы определили задачи научных исследований:

- теоретико-множественный, системный анализ и гносеологическое исследование горно-геологической информации, описывающей объекты, понятия и процессы угледобывающих предприятий;

- разработка теории и методов создания информационных образов в виде номинальных объектов, как результата процесса формализации горно-геологических объектов, участвующих в разведке и добыче углей;

- разработка оценок и методов их определения, позволяющих

сравнить свойства информационных структур распределенных информационно-аналитических систем оптимальной отработки шахтных полей и месторождений;

- прогнозирование условий надежной работы разрабатываемых информационно-аналитических систем и выявление возможных областей и границ возникновения хаотических явлений в них;

- разработка новых поисковых алгоритмов, учитывающих особенности организации горно-геологической информации;

- создание метода определения перечня математических моделей, необходимых для эффективного функционирования разрабатываемых информационно-аналитических систем оптимальной отработки шахтных полей и месторождений, а также выделение класса моделей, требующих новой разработки;

- разработка новых математических моделей и создание базы моделей, обеспечивающей эффективное функционирование разрабатываемых информационно-аналитических систем;

- разработка инструментальных средств для реализации
распределенных информационно-аналитических систем
оптимальной отработки шахтных полей и месторождений.

Структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 297 страницах и включает 21 таблицу, 108 рисунков и список используемой литературы из 198 наименований.