книги / Строительная геотехнология
..pdfщих пород, технические параметры проводимой выработки (ширина, высота, площадь поперечного сечения, протяжен ность, глубина заложения, паспорт крепления), материаль но-технические, энергетические и трудовые ресурсы. К управляющим параметрам относятся режим проходческих работ, тип и число забойных машин, параметры буровзрыв ных работ (БВР), материалы и конструкции, организация труда и управление. Возмущающими воздействиями можно считать внезапное усложнение горно-геологических условий (загазованность, куполообразование, обводненность), отка зы паспорта БВР (нарушение элементов крепи при взрыва нии зарядов), аварии с машинами и механизмами как непо средственно в забое, так и за его пределами, отключение энергии.
В результате совокупного влияния рассмотренных фак торов формируются выходные параметры функционирова ния технологической системы проходческого забоя, основ ными из которых являются: скорость проходки, производи тельность труда и стоимость 1 м выработки.
Автор относит проходческий забой к классу сложных вероятностно-динамических систем и определяет следующие факторы, влияющие на случайных характер протекания тех нологических процессов в проходческом забое:
♦природные факторы — физико-механические свойства вмещающих пород, их устойчивость, нарушенность и обводненность, склонность к внезапным выбросам итд;
♦горно-технические факторы — эксплуатационная на дежность проходческого оборудования, тип машин и их число, форма и размеры сечения выработки, тип и мате риал крепи и межрамного ограждения, паспорт крепле
ния и т.д.;
♦ организационные факторы — нечетко проработан ный график организации труда, перебои в снабжении материалами, запасными частями, отсутствие порож няка и т.п.
Исследования В.С. Верхотурова и Г.Г. Сенникова по священы разработке математической модели проходческого цикла при проведении горизонтальных горных выработок.
85
Проектирование организации работ в забое базируется на анализе горно-технических условий (прочность пород, сече ния выработки, конструкции крепи, плотность установки крепи, механизация основных процессов) и организацион ной схеме проведения выработок.
Условия целесообразности выбора определенного набо ра оборудования — наибольшее значение разности сметной и ожидаемой стоимости проведения выработки при макси мальной скорости проведения:
Э( = (Ссм - С0 ) -> max при vp -> max, |
(3.7) |
где Э, — экономический эффект от применения /-го набора оборудования, руб/м; Ссм и С0 — соответственно сметная и ожидаемая стоимость проведения выработки, руб/м.
Ожидаемая себестоимость проведения выработки
(3.8)
где 3 — ожидаемые прямые нормируемые расходы с учетом премиальных доплат, руб/м; Ко, Кн — коэффициенты, учиты вающие соответственно общешахтные и накладные расходы.
Сметная стоимость проведения выработки практически не учитывает скорости проведения, и ее уровень соответст вует фактически достигнутым средним показателям (норма тивной скорости).
В состав сметной стоимости горно-проходческих работ входят затраты, связанные с эксплуатацией машин, механизмов и оборудования, в том числе и амортизационные суммы на вос становление их стоимости, капитальный ремонт и модерниза цию. При определении фактической себестоимости эта часть будет зависеть от величины капитальных вложений и скорости проведения выработки, поэтому себестоимость проведения вы работки можно представить в следующем виде:
(3.9)
где А — затраты, не зависящие от скорости проведения вы работки, руб.; К — единовременные капитальные вложения, руб.; V — скорость проведения выработки, м/мес.
86
Скорость проведения выработки является показателем эксплуатационной производительности технологического набора проходческого оборудования, а в целом выражение
К
— — соотношением суммарных капитальных вложении и
производительности машин.
А.Г. Гузеевым разработана система автоматизированно го проектирования проведения горных выработок, которая состоит из программы, обеспечивающей:
♦расчет, анализ и прогнозирование технико-экономи ческих показателей проведения горизонтальных и на клонных горных выработок;
♦выбор оптимального для конкретных горно-геологи ческих условий комплекта оборудования;
♦выдачу рекомендаций по составу проходческой бри гады, способной наиболее эффективно эксплуатировать данную проходческую технику;
♦расчет графиков организации работ. Математический аппарат САПР ПГВ построен на осно
ве метода группового учета аргументов, априорного моде лирования, теории принятия решений, экспоненциального сглаживания, квалиметрии, кластерного анализа, метода классификации и предпочтения в условиях противоречия мнений ELECTRE и др. Программа на ЭВМ выбирает оп тимальный для данных условий «комплект оборудования — проходческая бригада», рассчитывает основные технико экономические показатели и график организации работ.
Вработе под редакцией Э.Э. Нильвы отмечается, что комплекс работ по проведению горных выработок может преследовать как вполне самостоятельную, так и соподчиненую по отношению к другой, более широкую цель.
Впервом случае технология проведения горных вырабо ток рассматривается как самостоятельная система, вклю чающая в качестве подсистем отдельные ее элементы, обу словливающие выполнение отдельных видов работ. Во вто ром случае проведение выработок является подсистемой более общей и широкой системы «шахта». К технологии
87
этой подсистемы предъявляют ряд требований (ограниче ний) со стороны смежных технологических звеньев (под систем). Так, например, подсистема «вскрытие и подготов ка» оказывает решающее влияние на объемы и условия про ведения горных выработок в соответствии с горно-геологи ческими условиями, объемами, направлением, протяженно стью, площадью поперечного сечения и углами наклона под готовительных выработок.
В данной работе исследование технологического про цесса проведения подготовительных горных выработок (моделирование операций проходческого цикла) произво дится методом имитационного моделирования.
Пооперационные модели трудоемкости представляют собой детальные экономико-математические модели про ходческого цикла. При таком подходе трудоемкость каждой операции Т, расчленяется на составляющие ее виды работ с механизированным Тм,- и с ручным трудом Тр;, т.е.
Xj Тм,+Тр; ■ |
(3.10) |
Общую трудоемкость операции Т,- определяют суммиро ванием трудоемкостей отдельных видов работ как с ручным, так и с механизированным трудом с учетом продолжитель ности регламентированных перерывов р,-, т.е.
Т« = ^"р /, ь ^ N i*opA r M'i> (3.11)
R^iKJc,* M r vr r vM |
/ |
|
где а — коэффициент перевода из единиц измерения трудо емкости в объемах работ по данной операции к общей еди нице измерения (1 м3 выработки в свету); кгг — коэффициент, учитывающий горно-геологические условия работы обору дования; кы — коэффициент, учитывающий конструктивно технологические особенности работы оборудования; ЛГ, — среднепрогрессивные значения трудоемкости ручного труда проходчиков, необходимые для выполнения отдельных ви дов работ в определенных организационных и горно-геоло гических условиях; Ящ — техническая производительность
88
оборудования; kopr— коэффициент, учитывающий организа ционные факторы; иМ(- — число проходчиков, занятых на от дельных видах работ.
Иерархическая структура системы моделей задается структурой соответствия их входов и выходов. При движе нии по иерархическим уровням системы увеличивается сте пень агрегирования исходной информации, что позволяет дополнительно расширять на каждом уровне перечень учи тываемых фактов. Разработанная система является откры той в смысле наращивания дополнительных блоков.
На основе анализа тенденций развития технологических схем проведения горных выработок и с учетом имеющегося опыта построения комплексных критериев в ИГД им. А.А. Скочинского был разработан коэффициент технического уровня ктугорно-подготовительных работ:
(3.12)
где Т;, Тб — трудоемкость работ соответственно по /-й и ба зовой технологическим схемам; Тр,-, ТРб — затраты ручного труда соответственно по г-й и базовой технологическим схе мам; г,-, Тб — затраты времени на единицу продукции соот ветственно по /-Й и базовой технологическим схемам.
Увеличение коэффициента кту достигается путем сниже ния трудоемкости работ, уменьшения доли ручного труда и увеличения скорости проведения горных выработок.
В.Л. Попов, описывая различные сложные системы (транс портный тоннель, гидротехнические подземные сооружения и др.), модель объекта моделирования представляет в виде множества величин, описывающих функционирование ре альной системы и образующих в общем случае следующие подмножества:
♦ совокупность входных воздействий на объект
Xj е Х , i - 1, пх\ |
(3.13) |
89
♦ совокупность воздействий внешней среды
VieV, 1 = |
(3.14) |
♦ совокупность внутренних (собственных) параметров объекта
hk s H , k = l,nH ; |
(3.15) |
♦ совокупность выходных характеристик объекта |
|
у, еУ, i = l, пу . |
(3.16) |
Перечисленные подмножества содержат управляемые пе ременные, т.е. переменные, которые можно изменять (размер, форма, масса, прочность, энергия, расход и др.), и неуправляе мые (свойства горных пород, обводненность, технические ха рактеристики машин, механизмов, оборудования и т.п.).
При моделировании системы (объекта или процесса), изменяющейся во времени t, входные воздействия, воздейст вия внешней среды и внутренние параметры являются неза висимыми переменными и в векторной форме имеют соот ветственно вид:
* ( 0 = (* 1 ( 0 * х 2 ( 0 > •"> х п Х ( 0 ) >
v(0=(vi(О- v 2 (О* v / .v (0); (ЗЛ7)
*(0=(M0’M0...Knit)).
Выходные характеристики системы являются зависимы ми переменными и в векторной форме имеют вид
У(0=(У1(0’&(*)•-• Упг(0 )- |
(З-18) |
Процесс функционирования системы во времени описы вается оператором F ,, который в общем случае преобразует независимые переменные в зависимые в соответствии с соот ношениями вида
90
= ^ { * (0 ’у(0 ’й(0 ’ <)• |
(3.19) |
Зависимость yt =Fs , определяемая оператором ^ .н а зы вается законом функционирования системы, который может быть выражен в виде функции, функционала, логических ус ловий в алгоритмической и табличной форме или в виде словесного правила соответствия (в качественных моделях).
Кроме подразделения сложных систем на иерархические уровни, автор выделяет ряд аспектов. К ним относятся функциональный, конструкторский и технологический ас пекты.
Функциональный аспект связан с отображением основных принципов функционирования объекта, т.е. физических (энер гетических, транспортных и др.) и информационных процессов, протекающих в объекте. Этот аспект находит выражение в принципиальных, структурных, кинематических и подобных функциональных схемах. Функционирование системы означает переход из одного состояния в другое, т.е. движение в про странстве состояний. При эксплуатировании системы весьма важно знание о качестве ее функционирования.
Конструкторский аспект состоит в реализации резуль татов функционального проектирования и связан с опреде лением геометрических форм объектов, взаимным располо жением элементов в пространстве, способом их соединения, взаимодействием элементов, а также материала, из которого выполнены элементы.
Технологический аспект относится к реализации резуль татов конструкторского проектирования и связан с описани ем способов и средств строительства объектов.
В качестве критериев оптимальности предлагаются:
•капитальные вложения К, представляющие собой все денежные расходы на строительство новых, расширение, ре конструкцию и модернизацию основных фондов;
•удельные капитальные вложения ДК, которые опре деляются из выражения
91
AV |
K |
AIT |
K |
(3.20) |
ДК |
= — или ДК, = — , |
|||
N |
N |
3 |
Э |
|
где N — мощность предприятия, пропускная способность тоннеля; Э — годовая выработка продукции, провозная спо собность;
• текущие эксплуатационные затраты С, определяемые по формуле
С = о0К, |
(3.21) |
где eh — коэффициент, принимаемый на основе статистиче ской обработки данных опыта эксплуатации.
На современном этапе при проектировании сложных и ответственных тоннельных объектов все чаще используют принципы системного подхода. При этом тоннельное со оружение представляется как сложная система, отдельные элементы которой — подсистемы — находятся в тесном взаимодействии между собой и с окружающей средой. Ос новными элементами тоннельного сооружения (подсисте мами) являются протяженные подземные выработки, закре пленные обделкой, притоннельные конструкции (порталы, рампы, лестничные сходы, шахтные стволы), вспомогатель ные подземные или наземные сооружения (вентиляционные
идренажные камеры), а также эксплуатационные устройства
иоборудование.
Системный подход означает не только целостную раз работку объемно-планировочных, конструктивных, техно логических, санитарно-технических и энергетических частей проекта, но и поиск организационно-технических решений, средств и методов проектирования и управления строитель ством. При этом обеспечивается выбор оптимальных конст руктивно-технологических решений, в наибольшей степени отвечающих требованиям надежности и долговечности со оружения, индустриализации и комплексной механизации строительства, сроков и стоимости производства работ, обеспечения сохранности окружающей среды.
Системные принципы гибкого проектирования положены в основу автоматизированного проектирования тоннелей, эле менты которого разрабатывают в нашей стране и за рубежом.
92
Система автоматизированного проектирования (САПР) базируется на методах математического моделирования и оп тимизации проектных решений с применением ЭВМ и пред ставляет собой комплекс средств автоматизации проектирова ния, взаимосвязанных с подразделениями проектной организа ции на всех стадиях проектно-изыскательных работ.
При'этом предусматриваются: автоматизация сбора, ре гистрация и представление исходной для проектирования изыскательной информации, автоматизация процесса проек тирования трассы, конструирования и расчетов, организа ции и технологии строительства, а также подготовки про ектно-сметной документации.
Важную роль играют системы банка данных о постро енных ранее тоннелях с основными сведениями, характери зующими инженерно-геологические условия, параметры трассы, конструктивные и технологические решения, пара метры эксплуатационного оборудования и т. п.
В.А. Гарбером разработаны научные основы проекти рования тоннельных конструкций (горных транспортных тоннелей, перегонных тоннелей метрополитенов и станций метрополитенов) с учетом технологии их сооружения. Ма тематические модели стоимости и трудоемкости сооружения конкретных объектов линий метрополитена и горного тон неля разработаны на основе комплексного структурного анализа технологии их сооружения и нормативов по трудо емкости и стоимости, входящих в ЕРЕР и ЕНиР на строи тельство тоннелей и метрополитенов.
Результаты этого комплексного анализа синтезирова лись в виде функционала, первая часть которого представля ет собой сумму произведений отдельных коэффициентов, яв ляющихся функцией л-го числа факторов, влияющих на рас чет стоимости и трудоемкости сооружения тоннелей:
(3.22)
(3.23)
93
где Тр — трудоемкость сооружения линии метрополитена или горного тоннеля; Ст — стоимость сооружения линии метрополитена или горного тоннеля; к — количество объек тов, входящих в проектируемую линию метрополитена или горного тоннеля; / — количество технологических операций, составляющих технологию сооружения /-го объекта линии метрополитена или горного тоннеля; <р;- — функция зависи мости трудоемкости j -й технологической операции /-го объ екта от влияющих факторов; j$ — функция зависимости стоимости j -й технологической операции /-го объекта от влияющих факторов; NF\b NFi;, ..... NFni — совокупность факторов, от которых зависит трудоемкость j -й технологиче ской операции; NFiu NF'гь N F^ — совокупность факторов, от которых зависит стоимостьу-й технологической операции.
Работы В.В. Якобса послужили основой для разработки экспресс-метода определения стоимости и трудоемкости лю бого вида тоннельного строительства с применением ЭВМ, который может служить удобным аппаратом для проектных организаций при выборе варианта строительства на стадии технико-экономического обоснования.
Обоснованию и разработке новых способов и техноло гий строительства специальных подземных сооруженийхранилищ, обеспечивающих равномерный характер и на дежность снабжения потребителей газонефтепродуктами, а также безопасной для окружающей среды изоляции про мышленных отходов, посвящены исследования В.И. Смир нова. Им же разработана математическая модель подземно го резервуара в каменной соли, позволяющая определять его допустимые размеры с учетом противодавления хранимого продукта для условий длительной эксплуатации и рассчиты вать основные параметры технологии строительства, вклю чая производительность активной подачи растворителя, концентрацию выдаваемого строительного рассола и время создания выработки-емкости (время растворения и техноло гические простои), температуру процесса растворения, а также учитывать влияние содержания нерастворимых вклю чений в массиве каменной соли.
94