<<

стр. 2
(всего 2)

СОДЕРЖАНИЕ

строения поверхности. Часто встает вопрос, как определить величину влияния
новых данных, полученных в точках геологических наблюдений, на модель.
Отклонение этих точек от модели характеризуется точностью определения и
расчета или погрешностью модели. На сегодняшний день эти оценки лежат в
плоскости категорий качества: лучше, хуже, близка, адекватна и т.д.
В диссертации разработаны метрики, определяющие близости 1-го и 2-
го порядка поверхностей между собой. Первая определяется суммой квадратов
разности значений отметок поверхностей, отнесенной к площади:
(z D ? z H )2 dxdy ?? (z D ? z H )2 dxdy
??
Q Q
M1 = = .
?? dxdy S
Q

Вторая оценка характеризует близость поверхностей по элементам их
(?z D ? ?z H )2 dxdy ?? (?z D ? ?z H )2 dxdy
??
Q Q
M2 = =
залегания: . Представив
?? dxdy S
Q

градиент поверхности в виде проекций на оси x и y для оценки M 2 , имеем две

?? (?z ? ?z Hy ) dxdy
(?z Dx ? ?z Hx )2 dxdy
??
2
Dy
Q Q
компоненты: M 2 x = и M 2y = .
S S



32
Предложенная мера первого рода характеризует точность предсказания
(совпадения) геометрии поверхностей, а мера второго рода совпадение в
элементах залегания слоя. Так, при сравнении поверхности с плоскостью мера
второго рода характеризует ее регулярность (или изменчивость).
По геологическим наблюдениям забоя лавы № 6 шахты Бельцевская
вычислены метрики, оценивающие близость смоделированных геологических
поверхностей (линейная и нелинейная триангуляция) к почве пласта, и ошибки
в аппроксимации высотных отметок. Анализ показал, что средняя ошибка
аппроксимации высотной отметки методом нелинейной триангуляции с учетом
элементов залегания пласта по сравнению с методом линейной триангуляции в
3 раза меньше. Кроме того, зависимость ошибки вычисления аппликаты при
нелинейной аппроксимации геологической поверхности (и дисперсии этой
ошибки) относительно расстояния до штрека не обнаружена, в отличие от
случая, когда использовался метод линейной триангуляции.
В пятой главе на базе разработанной теории номинальных объектов
создана информационно-аналитическая система оптимальной отработки шахт-
ных полей и месторождений с точки зрения конкурентной способности углей.
На основе выполненного в предыдущих главах анализа дефиниций горно-
геологических объектов проведено моделирование номинальных объектов,
информационных образований и номинальной системы в целом, выполнена
оптимизация организации информации в рассмотренных образах на основе
минимизации энтропии информационного представления. Таким образом,
произведен синтез номинальных объектов в информационные образования,
соответствующие горно-геологическим понятиям: выработка, геологическое
наблюдение, слой, пласт и т.д. и в номинальную систему в целом. На основе
теории номинальных объектов создан универсальный протокол взаимодействия
математических моделей с горно-геологической информацией.
Произведен синтез двух подходов, направленных на повышение
экономической эффективности работы угледобывающего предприятия,
связанных с определением детальной оценки запасов и разработкой проектов
очистных работ, учитывающих локальные горно-геологические условия и
особенности залегания угольного пласта. В результате синтеза взаимоувязаны
математические модели и решаемые задачи по определению
конкурентоспособных углей и их выемки. Выделены основные этапы работы
информационно-аналитической системы (рис. 5).

33
Горно-геологические данные
Увязка
База моделей геологических
отложений
Существующие Новые
модели модели
Рынок угля Расчет
геометрии
Расчет маркшейдерских Идентификация геоло- выработок
съемок гических отложений
Расчет производи-
Определение тельности лавы Расчет
Расчет геометрии
состава угля,
координат
скважины
полезных и
точек
Построение разрезов
вредных ком-
наблюдений
понентов
Построение нелинейных
Построение изолиний
геологических поверхно-
стей с учетом элементов
Построение триангуля-
Расчет
Определение ционных сеток залегания геометрии
направления
геологических
использования
........ слоев
угля Построение фрактальных
полей качественных
Определение объемов
Учет показателей
категории Расчет
Построение границ блока
разведонности Нахождение линий геометрии
пересечения трех-
запасов тектонических
мерных поверхностей
нарушений
Расчет крепости угля
Моделирование и пород
качественных Блок контроля
показателей Технология добычи
- оценка надежной работы системы
угля - анализ номинальных объктов
и создание новых
Проект
- оценка геологических поверхностей
Расчет
очистных
оптовой БД работ
БД
цены угля

БД
Система Расчет
поиска затрат
ов
Оц




БД угленосных отложений РФ
ас
ен




ап
ка




з
за




ка
па




Оценка экономической эффективности
ем
со




отработки запасов
Вы
в




Выявление конкурентно
способных запасов


Рис. 5.
Структура информационно-аналитической системы оптимальной отработки
шахтных полей и месторождений с учетом конкурентной способности углей

34
На основании предварительной оценки запасов при необходимости
выполняется уточнение марки угля и более полное выявление полезных и
вредных компонент в угле. Далее по данным опробования угольного пласта в
ходе проведения петрографического анализа производится синтез данных
лабораторных анализов и определяется марочный состав угля. На этапе
моделирования качественных показателей угля с помощью разработанной
математической модели фрактального поля строятся физико-химические поля
дифференциальных и интегральных свойств угля в пласте с учетом категории
разведанности шахтного поля. Исходными геометрическими данными для
построения фрактальной поверхности являются координаты точек отбора проб.
Для проб, отобранных в горных выработках, по привязке точки отбора к пикету
или маркшейдерской точке координаты рассчитываются с помощью
существующих математических моделей теодолитных ходов, нивелировки,
тахеометрической съемки. Для проб, отобранных в разведочных скважинах,
расчет координат производится на основе разработанной в диссертации
математической модели расчета геометрии оси скважины.
По марочному составу угля, его зольности, концентрации серы, выхода
летучих веществ, влаги, температуры сгорания, пластометрической усадки и
т.д. определяется направление использования угля, и выявляются возможные
потребители. В ходе анализа конъюнктуры рынка (для некоторых марок по
коэффициентам зарубежных рынков) вычисляется потребительская стоимость
угля (оптовая цена). Синтезированный результат данного этапа представляется
в виде фрактального поля оптовой цены угля. Блок запасов с заданной оптовой
ценой угля оконтуривается с помощью математической модели зонирования
шахтных полей.
В ходе разработки проекта выемки угля определяются локальные горно-
геологические условия залегания запасов. Для этого по данным геологических
наблюдений осуществляется построение детальной модели геологической
толщи с помощью созданной в диссертации математической модели иденти-
фикации геологических отложений, которая использует справочник
угленосных отложений по бассейнам и месторождениям Российской феде-
рации. На основе полученной модели геологической толщи строится
морфология пласта и породных слоев (математическая модель нелинейной
триангуляции). Выявляются и трассируются тектонические нарушения, опреде-
ляются элементы нарушений, строятся поверхности нарушений. В итоге полу-

35
чается синтезированная модель близлежащих к пласту геологических отложе-
ний и тектонических нарушений. Далее, с учетом существующей на
угледобывающем предприятии технологии добычи, кондиций угольного пласта
(мощность, выдержанность, угол падения и т. д.), нарушенности определяется
технологический блок запасов, подлежащих выемке (математическая модель
зонирования шахтных полей). Строятся поля распределения свойств угольного
пласта и породных слоев (трещиноватость, крепость, устойчивость кровли
почвы и т. д.) с помощью математической модели фрактального поля.
Разрабатывается проект выемки полезного ископаемого, в ходе которого про-
изводится расчет устойчивости кровли, почвы пласта, крепости угля и геологи-
ческих слоев, определяется линия забоя и направление горных работ. Кроме
этого, определяется степень нарушенности в рассматриваемом технологиче-
ском блоке, строится подробная гипсометрия почвы пласта, определяются ус-
ловия осложняющие проведение горных работ и т.д.
На основе полученных результатов рассчитывается эксплуатационная се-
бестоимость добычи угля. На этом этапе производится синтез результатов ре-
шения задач оценки запасов и построения проекта выемочных работ. С учетом
капитальных и эксплуатационных затрат и на основании оптовой цены угля
вычисляется экономическая эффективность отработки рассматриваемых
запасов и определяется конкурентная способность углей. При необходимости
описанный процесс или часть этого процесса повторяется с целью уточнения
конкурентоспособных запасов угля и их экономической эффективности
отработки. Таким образом, информационно-аналитическая система
оптимальной отработки шахтных полей и месторождений выявляет те запасы,
находящиеся на балансе угледобывающего предприятия, которые эко-
номически выгодно разрабатывать на текущий момент и подготавливает проект
по их выемке.
В информационно-аналитической системе предусмотрен блок оценок со-
стояния системы. Оцениваются условия надежной работы системы и опреде-
ляются границы возможной области возникновения хаотических явлений. На
основании дробной размерности информационных образований и информаци-
онно-аналитической системы в целом оценивается организация информации в
системе. С помощью коэффициента эффективности организации информации
вычисляется энтропия информационного представления. Постоянно произво-
дится контроль за объемом обрабатываемой информационно-аналитической

36
системы информации, выявляются номинальные объекты, не соответствующие
оптимальному распределению объектов в системе. Выявленные номинальные
объекты анализируются и, при возможности, детализируются, в результате
чего организация номинальной системы совершенствуется. С помощью
разработанной математической модели сравнения геологических поверхностей
производится оценка рассчитанной поверхности с фактически наблюдаемой.
Решены вопросы организации распределенной иерархической базы дан-
ных горно-геологической информации угольной отрасли, в которой определены
уровни участка, предприятия, производственного объединения и Департамента
угольной промышленности в целом. Взаимодействие между базами данных
осуществляется через глобальную сеть интернет. Решены вопросы масштаби-
рования баз данных в различных операционных средах, прав доступа, ответст-
венности за внесение изменений, архивации и т. д. Определено размещение баз
данных с первичной горно-геологической информацией.
Для математических моделей, решающих задачи, направленные на по-
вышение эффективности работы угледобывающего предприятия, разработана
база моделей, которая размещается на серверах приложений в рамках сущест-
вующих вычислительных ресурсов Департамента угольной промышленности,
производственных объединений и крупных угледобывающих предприятий.
Связь между отдельными вычислительными мощностями отрасли осуществля-
ется с помощью глобальной сети интернет. Взаимодействие с базами данных
выполняется через стандартный интерфейс с помощью языка запросов.
Список основных программных средств, разработанных для информаци-
онно-аналитической системы определения перспектив отработки шахтных по-
лей и месторождений на основе конкурентной способности углей, представлен
в табл. 2. Эти программные средства вошли в системы: ведения и пополнения
маркшейдерских обменных планов MCAD 4.0, ведения и представления геоло-
гической документации, ввода геолого-маркшейдерской графической инфор-
мации с планов и разрезов и др.
Разработана система кодирования горно-геологической информации,
которая согласована с Департаментом угольной промышленности. Созданы
справочники: угленосных отложений Российской федерации по всем основным
угольным бассейнам, месторождениям и угленосным районам; лабораторных
анализов проб углей образцов пород, подземных вод и газов; полезных
ископаемых, горных пород и их условных обозначений и т. д.

37
Таблица 2.
Разработанные ПС ИАС оптимальной отработки шахтных полей и
месторождений
Название программных средств Вклад
соискателя
Программный комплекс ведения и оценки запасов по Лично
подсчетным блокам на шахтах и разрезах автором
Программный комплекс учета и движения запасов на В соавторстве
угледобывающих предприятиях Российской федерации
Библиотека построения триангуляционных симплексов -«-
Комплекс программ построения нелинейной поверхности по -«-
высотным отметкам и элементам залегания слоя
Комплекс программ построения фрактальных поверхностей Лично
автором
Программа вычисления мер близости геологических -«-
поверхностей
Программа построения технологических линейчатых -«-
поверхностей (откосов уступов, отвалов)
Динамические библиотеки, моделирующие номинальные -«-
объекты любой сложности, которые представляют горно-
геологические объекты
Графический горный редактор, отображающий номинальные -«-
объекты условными обозначениями, в соответствии с
ГОСТом, на планах, вертикальных проекциях горных работ и
геологических разрезах, позволяющий выпускать геолого-
маркшейдерские документы и проекты выемочных работ
Программа расчета по данным инклинометрии геометрии оси В соавторстве
разведочной скважины
Программный инструментарий по вводу, ведению и Лично
графическому представлению данных по геологическим автором
наблюдениям в штреках, забоях лавы и уступа, вдоль оси
ствола, штольни, разведочной скважины
Программный комплекс ведения данных по пробам и В соавторстве
результатам лабораторных анализов угля и пород


38
Окончание табл. 2
Название программных средств Вклад
соискателя
Программный инструментарий по вводу, ведению и Лично
графическому представлению данных по измерениям автором
теодолитных ходов
Программный инструментарий по вводу, ведению и -«-
графическому представлению данных по нивелировке на
открытых и подземных работах
Аппаратно-программный комплекс ввода и оцифровки В соавторстве
графических данных с геолого-маркшейдерских документов
(планы и разрезы) с помощью графопостроителя и
сканирующей головки

На основе фрактального алгоритма реализована система поиска
информации по шахтным полям Российской федерации с привязкой к
угольным бассейнам, месторождениям, угленосным районам, экономическим
районам, субъектам федерации, предприятиям и организациям. Программа,
реализующая фрактальный алгоритм параллельной обработки информации,
реентерабельна («повторно входима»).

Заключение.
Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на
основании выполненных автором исследований решена научная проблема,
имеющая важное народнохозяйственное значение.
В данной диссертационной работе дано решение актуальной научной
проблемы, связанной с повышением экономической эффективности работы
угледобывающих предприятий на основе оптимальной отработки шахтных
полей и месторождений с точки зрения конкурентной способности углей.
Создана теория анализа и синтеза информационно-аналитических систем
оптимальной отработки шахтных полей и месторождений.
Основные научные результаты, полученные лично автором:
1. Разработана теория анализа и синтеза номинальных систем, на базе
которой осуществлена формализация горно-геологических систем и
создана информационно-аналитическая система оптимальной отработки

39
шахтных полей и месторождений с учетом конкурентной способности
добываемых углей.
2. Разработана теория развития организации номинальных объектов и
номинальных систем в целом. Выявлена фундаментальная закономерность
увеличения разновидностей объектов в системе с ростом объемов
обрабатываемой информации и числа решаемых задач, что требует
совершенствования организации системы. Сформулированы и доказаны
теоремы о необходимости совершенствования организации номинальной
системы с ростом объемов обрабатываемой информации и числа
решаемых задач для уменьшения энтропии информационного
представления. Получено оптимальное распределение номинальных
объектов по степени сложности в номинальной системе, обеспечивающее
более эффективное функционирование информационно-аналитических
систем и уменьшающее ошибку в определении функции плотности
распределения на 70% из-за использования полной формулы Стирлинга по
сравнению с известным решением Шрейдера Ю. А. и Шарова А. А.
3. Разработаны методы оценки организации номинальных объектов в
номинальных системах. Определены условия надежной работы
информационно-аналитических систем оптимальной отработки шахтных
полей и месторождений. Выявлены границы образования хаотических
явлений.
4. Сформулирован принцип дополнительности, на основе которого
разработан морфологический метод, позволяющий впервые выявить
полный список моделей, необходимых для обеспечения
функционирования информационно-аналитических систем оптимальной
отработки шахтных полей с учетом конкурентной способности углей,
вычисляющий степень определенности моделей и устанавливающий
перечень моделей, требующих новой разработки.
5. Разработан комплекс новых математических моделей, необходимых для
эффективного функционирования информационно-аналитической системы
оптимальной отработки шахтных полей и месторождений с учетом
конкурентной способности углей.
6. Произведен синтез номинальных объектов в информационные образования
и в номинальную систему в целом. Выполнен синтез моделей, решающих
задачи для детальной оценки перспектив отработки запасов и для

40
разработки проектов очистных работ, обеспечивающий выявление
конкурентоспособных запасов угля и разработку проектов по их выемке.
7. Созданы инструментальные и программные средства для функционирова-
ния информационно-аналитической системы оптимальной отработки
шахтных полей и месторождений.

Основные публикации по теме диссертации:
1. Василенко В.И., Кубрин С.С., Божинская Т.И. Формирование банка данных
геологической информации по угледобывающим предприятиям. - В сб:
Автоматизированный контроль и управление на угольных предприятиях. -
М.: Гипроуглеавтоматизация (ГУА), 1997, с. 77-82.
2. Василенко В.И., Кубрин С.С. Компоненты программного обеспечения марк-
шейдерских и геологических работ. - В сб: Автоматизированный контроль и
управление на угольных предприятиях. - М.:ГУА, 1997, с. 83-86.
3. Vasilenko V.I., Kubrin S.S. Software components for mine surveying and geol-
ogy.//Proceeding of 2nd Regional APCOM’97 Symposium of Computer Applica-
tions and Operations Research in the Mineral Industries./Moscow/Russia/24-28
August 1997, P. 489-490.
4. Бесчастный А.И., Внуков Л.А., Кубрин С.С. Методологические вопросы
ввода данных в ЭВМ с использованием чертежа. - В сб: Производственная
связь и автоматизация на угольных предприятиях. - М.: ГУА, 1998, с. 72-73.
5. Кубрин С.С., Шепелев. П.С. Вопросы хранения сведений о шахтных полях в
базе данных горной информации. - В сб: Производственная связь и
автоматизация на угольных предприятиях. - М.: ГУА, 1998, с. 74-75.
6. Кубрин С.С. Нелинейная аппроксимация поверхности методом триангуля-
ции при решении геолого-маркшейдерских задач. - М.: МГГУ, Горный ин-
формационно-аналитический бюллетень (ГИАБ), № 4, 1999, с. 65-66.
7. Кубрин С.С., Гурарий М.М. Новый подход к оптимизации геометрии сква-
жин и расчетам координат подсечек слоев. – М.: МГГУ, ГИАБ, № 4, 1999, с.
66-67.
8. Кубрин С.С., Внуков Л.А. Алгоритм нелинейного построения геологиче-
ской поверхности с учетом элементов залегания слоя. - Маркшейдерский
вестник, № 3 (29), июль-сентябрь, 1999, с. 36-38.
9. Кубрин С.С. Определение размерности Хаусдорфа в геологических нерегу-
лярных фрактальных образованьях.//Тр. IV Республиканской научно-техни-

41
ческой конференции. Компьютерные технологии в горном деле. - Екате-
ринбург: Уральская государственная горно-геологическая академия, 1999, с.
106-108.
10. Кубрин С.С. Численное сравнение геологических поверхностей. - Маркшей-
дерский вестник, № 4 (30), октябрь-декабрь, 1999, с. 37-38.
11. Кубрин С.С. Структура образов горно-геологических объектов. - В сб:
Кафедра “Автоматизированные системы управления. 20 лет”. – М.: МГГУ,
2000, с. 51-55.
12. Кубрин С.С. Определение границ возникновения хаоса при выполнении
фрактального процесса на пространстве иерархических структур. - В сб:
Кафедра “Автоматизированные системы управления. 20 лет”. – М.: МГГУ,
2000, с. 70-76.
13. Кубрин С.С. Экологическая оценка запасов угля. - В сб. Международного
экологического конгресса: Новое в экологии и безопасности жизнедея-
тельности. - СПб.: БГТУ, 2000, т. 2, с. 421.
14. Кубрин С.С. Принцип дополнительности моделей при построении геолого-
маркшейдерских автоматизированных информационных систем. - В сб:
Взрывозащищенная связь и автоматизация на угольных предприятиях. - М.:
ГУА, 2000, с. 84-87.
15. Кубрин С.С. Нелинейная аппроксимация поверхности методом триангуля-
ции при решении геолого-маркшейдерских задач. - В сб:
Взрывозащищенная связь и автоматизация на угольных предприятиях. - М.:
ГУА, 2000, с. 88-101.
16. Кубрин С.С. Анализ кортежа моделей геолого-маркшейдерских систем. –
М.: МГГУ, ГИАБ, № 2, 2001, с. 212-216.
17. Кубрин С.С. Исследование организаций образов горно-геологических сис-
тем. – М.: МГГУ, ГИАБ, № 2, 2001, с. 217-218.
18. Кубрин С.С. Построение информационно-аналитических систем определе-
ния перспектив отработки шахтных полей в северных регионах России с
учетом конкурентной способности углей.//Тезисы докладов Межрегиональ-
ной научно-практической конференции. “Темпы и пропорции социально-
экономических процессов на российском Севере”. - Апатиты: РАН Коль-
ский научный центр, 2001, с. 158-159.
19. Кубрин С.С. Определение размерности Хаусдорфа фракталов с циклически
повторяющимися структурами.//Материалы пятого Всероссийского посто-

42
янно действующего семинара “Самоорганизация устойчивых целостностей
в природе и обществе”. “Фракталы и циклы развития систем”. - Томск: Ин-
ститут оптического мониторинга СО РАН, 2001, с. 124-126.
20. Кубрин С.С., Лавров С.С. Методика автоматизированного построения пла-
стовой геологической модели месторождения. - В сб: Автоматизация
управления производственными процессами и безопасность в угольной
промышленности. - М.: ГУА, 2001, с. 173-178.
21. Кубрин С.С. Оценка эффективности построения горно-геологических
информационных систем. - В сб: Автоматизация управления
производственными процессами и безопасность в угольной
промышленности. - М.: ГУА, 2001, с 179-190.
22. Кубрин С.С. Представление полей геологических показателей поверхно-
стями дробной размерности.//Материалы II Международной научно-прак-
тической конференции. “Методы и алгоритмы прикладной математики в
технике, медицине и экономике”. - Новочеркасск: ЮРГТУ, ч. 2, 2002, с. 46-
51.
23. Кубрин С.С. Теоретико-информационный анализ систем управления запа-
сами и их отработкой с учетом конкурентной способности углей. – М.:
Энергоатомиздат, 2002, 182 с.
24. Кубрин С.С. Математические модели и методы информационно-аналитиче-
ских систем. – М.: Энергоатомиздат, 2002, 132 с.




43

<<

стр. 2
(всего 2)

СОДЕРЖАНИЕ