Принципы создания и обеспечения САПР. Оптимизация решений. Эффективность САПР. Геолого-маркшейдерское обеспечение САПР. Предмет запасов при проектировании

Проектирование – это процесс описания оптимизации заданных параметров и свойств.

Стратегия проектирования – это поиск и определение последовательности процедур, которые могут выполняться последовательно, последовательно - параллельно и циклическим методом последовательного приближения (итераций).

Процессы проектирования выполняются с использованием средств автоматизации производства (САПР). Горное предприятие представляет собой систему с большим количеством элементов (проходческих и очистных забоев, пунктов выпуска и погрузки, транспортных средств, средств подъема, вентиляции, водоотлива, рудного склада, сортировочной установки, обогатительной фабрики и т.п.). Элементы системы взаимосвязаны и взаимозависимы, в том числе и технико-экономические показатели работы системы-рудника и количественные и качественные результаты использования месторождения. Система подчинена генеральной цели – обеспечению добычи и переработки определенного количества полезного ископаемого при высокой эффективности затрат и рациональном использовании запасов недр. Она усложнена значительно изменчивостью параметров рудных месторождений и качества сырья. Поиск оптимального управления предприятием, его оптимальных параметров и технологий горных работ, соответствующих объективно существующим условиям месторождения, является сутью проектирования.

Параметры – это величины, характеризующие свойства или размеры объекта. В данном случае объектом является система-рудник. Важными этапами оптимизации являются: выбор критерия оптимальности, составление целевой функции и принятие ограничения.

Критерий оптимальности – это показатель, измеритель, максимальное или минимальное значение которого соответствует наилучшим результатам в достижении главной цели системы.

Целевая функция – выражение критерия оптимальности через совокупность постоянных величин и переменных параметров в определенных пределах.

Ограничения – это пределы допустимых изменений переменных параметров, входящих в целевую функцию.

Рудник трудно охарактеризовать одним критерием оптимальности. Поэтому процесс проектирования рудника как оптимальной системы состоит из совокупности оптимизационных задач, решающих отдельные общие и частные вопросы. Синтез решений является ответственной операцией и не всегда возможен лишь на основе поэтапного и постепенного приближения к искомому оптимуму. Задача облегчается с использованием средств информационных технологий в рамках САПР. Для решения проектной задачи составляется математическая модель – система, характеризующая исследуемый объект и дающая о нем информацию, необходимую и достаточную для решения поставленных задач. Процесс построения и анализа модели называется моделированием. Моделирование осуществляется путем описания закономерностей изучаемого объекта с помощью математических выражений (уравнений, неравенств и их систем).

Поскольку в качестве критерия оптимальности обычно применяется экономический показатель, то модели называются экономико-математическими, а метод решения задач – экономико-математическим моделированием. В зависимости от поставленных задач и метода их решения различают корреляционные модели, сетевые, игровые, модели массового обслуживания, программные и т. д.

Положения САПР основаны на том, что проектирование представляет собой процесс преобразования информации при выполнении совокупности проектных процедур.

Принципы САПР:

- единство системы за счет коррелятивных связей между отдельными звеньями технологической сети;

- совместимость параметров подсистем в рамках единого банка данных;

- иерархическая соподчиненность решений в рамках подсистем.

Подземные рудники относятся к сложным объектам из-за следующих факторов:

- неопределенность исходных данных;

- сложность структуры управления;

- динамический характер процессов;

- разобщенность процессов во времени и пространстве;

- альтернативность технических и технологических решений.

Для подземных рудников целесообразно многовариантное автоматизированное проектирование с поэтапной оптимизацией промежуточных решений (рис.6.1).

Рис. 6.1. Схема принятия проектного решения

Для этого на предприятии автоматически формируются возможные в конкретных условиях схемы, строятся экономико-математические модели, которые позволяют выбрать из их числа наиболее полно удовлетворяющую практику.

Основой для автоматизированного выбора оптимальной схемы служит взаимодействие слагающих ее элементов.

Технологическая схема рудника рассматривается как транспортирующая система, состоящая из совокупности очистных блоков и транспортного комплекса, включающего в свой состав средства доставки руды от забоя до мест погрузки, подземный транспорт, подъем и поверхностный транспорт.

Каждый из элементов системы управления связан с центром средствами измерения и контроля, работающими в автоматическом режиме. Такие же связи существуют и между центром управления и участком проектирования.

Происходящие в системе процессы накапливаются, систематизируются, проходят математическую обработку и интерпретируются графически.

Участок проектирования оборудован средствами, позволяющими моделировать различные варианты расположения исходных данных, что позволяет строить оптимизационную модель, находить критерий оптимальности и осуществлять другие функции проектирования в кратчайшее время.

Вывод данных моделирования в сектор графического изображения позволяет фиксировать и тиражировать результаты автоматизированного проектирования в виде проектов.

Генеральной ветвью автоматизированного проектирования является разработка системы управления состоянием массива при разработке месторождения (рис. 6.2).

Данные о массиве получают, используя средства измерений, основанные на физических, механических и иных представлениях. Исследования являются начальным этапом принятия проектных решений, определяя их компетентность.

Для исследования состояния массивов применяют методы:

- измерение деформаций и расчет по ним напряжений с помощью формул теории упругости;

- измерение давления приборами и определение по ним напряжений на основании тарировки;

- определение физических характеристик пород графическими методами и расчет напряжений с помощью корреляционных зависимостей.

Рис. 6.2. Схема автоматизированного управления состоянием массива

при подземной разработке месторождения

Методы исследований массива основаны на законах кинематического и динамического подобия процессов, происходящих в массиве горных пород.

Ультразвуковые сейсмоскопы используют ситуацию, когда упругая волна, прошедшая сквозь толщу пород, трансформируется в электрический импульс и направляется в электронный осциллограф.

Физико–механические свойства горных пород исследуют прозвучиванием образцов пород при воздействии на них мощных СВЧ-полей.

Метод разгрузки основан на использовании упругого восстановления формы элемента породы при отделении его от массива. Метод применяют для пород, сохраняющих форму после нарушения связи с массивом, но обладающих упругими свойствами. Напряженное состояние массива оценивают по величине упругих деформаций при его разгрузке от напряжений. Метод осуществляется способами: упругого восстановления торца скважины при выбуривании керна (ВНИМИ) и изменения диаметра центрального отверстия в выбуриваемом керне (Лимака).

Акустический метод использует способности пород генерировать упругие звуковые импульсы при изменении напряженного состояния. Число возникающих в массиве упругих звуковых импульсов в единицу времени является критерием его напряженности.

Ультразвуковой метод основан на зависимости между скоростью упругих волн в массиве горных пород и напряжениями. С увеличением напряжений скорость упругих волн, прошедших через исследуемый массив, возрастает, а при снижении в стадии разрушения массива уменьшается.

Электрометрический метод основан на зависимости между электропроводностью горных пород и действующими в них напряжениями. Метод эффективен в полускальных и скальных породах с высокой пористостью, так как он определяет полноту проводимости поровых вод в горных породах.

Сейсмоакустический метод определения напряжений использует схему, в которой возбуждение упругих колебаний в породе производится ударным способом. Пьезодатчик одновременно с ударом подает импульс на формирователь запуска. Упругие колебания, прошедшие через горный массив, воспринимают электродинамические сейсмоприемники. Исследуемый сигнал поступает на электронные коммутаторы, схема которых предусматривает переключение выходов усилительных каскадов на вход осциллографа. За счет разностей уровней потенциалов на экране осциллографа создается эффект раздвоения лучей, т.е. из двух лучей получается четыре. Результаты сейсмических исследований представляют волнограммы, сфотографированные с экрана осциллографа. Достоинство схемы - большой коэффициент усиления упругих колебаний за счет применения микросхем и использования усилительного блока осциллографа, что исключает искажение полезного сигнала.

Кинематическая характеристика горных пород:

м/с,

где V_р - скорость продольной волны; Dt - интегральное время, определяемое по волнограмме.

Ошибка определения V_р обусловлена точностью измерения:

.

При ошибке метода £ 30 % количественную информацию о параметрах поля напряжений считают достоверной.

Плотность пород в массиве определяют методом, основанны на различной степени поглощения и рассеяния радиоактивного гамма-излучения в средах с различной плотностью. Для этого применяют, например, плотномер «Кура-II» и зонды типа РГП-2 и РКС-1.

Натурные методы определения свойств пород в массиве основаны на эффектах:

- точечном нагружении пород в массиве пробниками – инденторами;

- статическом и динамическом нагружении массива и фиксации деформаций;

- провоцировании деформаций или разрушении крупных частей массива;

- оценке прочности пород по выходу керна и нарушенности их.

Методы спутниковой геодезиидаютинформацию о деформациях земной поверхности от первых метров до нескольких десятков километров. Для проведения измерений используется парк одно- и двухчастотной аппаратуры, состоящий из GPS-приемников, например, фирм "Trimble" и "Sokkia".

Структура сети наблюдательных пунктов определяется размерами техногенных объектов, параметрами охраняемых сооружений и тектоникой месторождений. При исследовании геодинамических процессов с применением GPS-технологий используют исходные координаты пунктов станций и опорных геодезических сетей и величины деформаций земной коры. Исследуют не только ближнюю зону техногенного воздействия - мульду сдвижения пород, но и дальнюю зону влияния горных разработок, благодаря чему стал возможным мониторинг деформаций и напряжений в земной коре.

Оценка напряженного состояния звукометриейпроизводитсяпо количеству звуковых импульсов разрушения, возникающих в массиве в единицу времени, в сравнении с базовым значением. Деформоскоп измеряет частоту звуковых импульсов, регистрируемых с помощью геофонов и звукометрической аппаратуры. Метод позволяет оперативно получать информацию о состоянии массива с заданной периодичностью и автоматической фиксацией сигналов.

Блок питания преобразует переменный ток в постоянное напряжение для питания блока дистанционного переключения звукопреобразователей и напряжения. Устройство управления поочередно вводит в работу преобразователя звуковых импульсов электрических сигналов, которые усиливают их по линии связи и через блоки дистанционного переключения звукопреобразователей передают на усилитель. Усиленные сигналы поступают на регистрирующее устройство.

При исследовании в автоматическом режиме в часовом механизме назначается время включения блока питания. Часовой механизм автоматически включает блок питания. Устройство управления опрашивает звукопреобразователи последовательно в течение 5 мин с записью информации. После «опроса» преобразователей система отключается.

Значения звукоактивности пород в 1 минуту наблюдений:

где f – частота звуковых импульсов в 1 мин; t – время, прошедшее с момента взрыва, мин.

Оценка состояния массива частотными датчикамипроизводится с помощьюскважин различной ориентации относительно сланцеватости пород и направления отработки, что создает профильную линию наблюдений. Частотные датчики оценивают изменение частоты генерируемых импульсов. Деформации пород передаются на чувствительный элемент и регистрируются аппаратурой.

Для установления зависимости между коэффициентом ослабления пород в массиве и их электрическим сопротивлением применяет электрометрический метод. Ослабленность горных пород зависит от дефектов, нарушающих их сплошность. При постоянной минерализации поровых и трещинных вод удельное сопротивление горных пород в массиве обратно пропорционально их пористости и трещиноватости. Кажущееся электрическое сопротивление пород зависит от геологических характеристик. По измеренным значениям разности потенциалов и силе тока в питающих электродах рассчитывают коэффициент ослабленности массива.

Метод применяют при определении зон опорного давления вокруг выработок, динамики их развития в процессе очисткой выемки и изучении влияния разломов на устойчивость выработок.

Твердые включения неоднородностей находят по разнице в скоростях распространения упругих волн в твердых включениях и вмещающих породах. На планах индикатрис определяют зоны высоких значений скоростей относительно средней скорости, равной 1000–1100 м/c. Сопоставлением данных по двум индикатрисам, полученным в одной плоскости, но при возбуждении колебаний в разных местах, выделяют зоны повышенных скоростей прохождения прямой волны. Зоны повышенных скоростей прохождения упругих волн принимают за твердые включения.

Ослабленность массива измеряют через напряжения и деформации на станции, оборудованной в выработках с крепью. На крепежной раме оборудуют замерные точки с датчиками, наклеенными на 3 плоскости профиля. По измеренным деформациям x₀, x_f1, x_f2 определяют главные деформации:

,

и угол j между направлениями x₀ и x₁

.

Главные напряжения в исследуемой точке на основании закона Гука:

; ,

где Е - модуль упругости, m - коэффициент Пуассона.

Нормальные напряжения (s_z - вертикальное и s_γ - горизонтальное):

с учетом расположения угла и знака главных напряжений.

Сопоставляя изменения напряжений в крепи и данные нивелирных замеров с ситуацией развития очистных работ, судят об ослабленности массива под влиянием горных работ.

Деформации пород - следствие взаимодействия системы массива - крепь, а их величины зависят от размеров зон неупругих деформаций вокруг выработок. Величину смещения крепи находят из зависимости отношений напряжений на контуре выработок к пределам прочности вмещающих пород при одноосном сжатии .

Контроль процесса образования зон заключаются в измерении смещений глубинных и контурных реперов на замерной станции. Глубинные реперы регистрируют смещения пород на расстоянии 1,5; 3; 4,5 и 6 м от внешнего контура крепи.

Устойчивость массивов определяют по интенсивности импульсов:

,

где К_з - коэффициент запаса устойчивости; F_разр, F_факт - соответственно, частоты возникновения сейсмоакустических импульсов при разрушении и зарегистрированных при наблюдении за устойчивостью массива, имп/мин.

Коэффициент запаса по устойчивости равен 2. За критическое (неустойчивое) состояние массива принимают интенсивность сейсмоакустических импульсов 25 имп/мин (против 100 имп/мин при Кз=1).

Геофон - пьезоэлектрический датчик, преобразующий сейсмоакустические импульсы в электрические колебания. Измерительный пульт усиливает электрические импульсы, поступающие с геофона, и выдает информацию об их количестве.

Непременным элементом проекта является его соответствие экологическим условиям, которые формируются по известной схеме (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Факторы оценки экологического состояния окружающей среды

при автоматизированном проектировании

Эффективность автоматизированного проектирования. Автоматизация проектирования особенно эффективна при необходимости массового анализа материалов, например, при подсчете запасов руд (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Автоматизация подсчета запасов

Экономия (руб/т) от применения САПР:

где Э_м – эффект за счет оптимальных параметров и рациональных технологий, выбранных на основе более достоверной исходной информации, руб; Э_в – эффект за счет более совершенных решений, полученных благодаря анализу большего количества вариантов, руб; Э_ув - эффект за счет ускорения проектирования и ввода в эксплуатацию месторождения, руб; Э_пд – эффект за счет автоматизации разработки, изготовления и оформления проектно-сметной документации, руб.

Экономия за счет использования достоверной исходной информации, совершенной методики, анализа большего количества вариантов складывается как разница эффектов при разных технологиях разработки одного и того же месторождения:

в расчете на год:

,

в расчете на срок отработки месторождения:

.

Величина прибыли за счет ускорения проектирования предприятия:

в расчете на год:

,

в расчете на срок отработки месторождения:

,

где и А - производственная мощность рудника при базовом и новом вариантах, т/год; - коэффициент приведения прибыли и затрат во времени; и - извлекаемая ценность и затраты на добычу и переработку рудной массы при технологии, выбранной с применением автоматизированного проектирования, руб/т; и - то же при обычных методах проектирования, руб/т; и t – сроки проектирования предприятий при обычных и автоматизированных методах, лет; - разница в сроках, лет.

Эффект определяется как разница затрат на подготовку исходных данных и изготовление данной проектно-сметной документации:

,

где и - затраты на выполнение проектно-сметной документации до и после применения системы автоматизированного проектирования, руб.

Дата добавления: 2014-11-25