ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………… 4
1 АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ И ПЕРСПЕКТИВ ИХ АВТОМАТИЗАЦИИ И
РОБОТИЗАЦИИ ……………………………………………………………………………………………… 12
1.1 Анализ подходов к рациональному выбору и оптимизации параметров
подземных технологий разработки угольных месторождений ………………………. 12
1.2 Анализ методов и средств принятия решений по автоматизации и
роботизации технологий проведения горных выработок……………………………….. 29
1.3 Обзор средств автоматизации и роботизации основных процессов
проходческих работ буровзрывным и комбайновым способами ……………………. 37
1.4 Применение современных информационных технологий для
оптимизации параметров сложных производственных систем ………………………. 43
1.5 Актуальность, цель и задачи обоснования и разработки методики
комплексной оптимизации параметров технологий проведения горных
выработок при автоматизации и роботизации технологических процессов ……. 46
ГЛАВА 2 ОБОСНОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЧИСЛА ВОЗМОЖНОГО
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИЗАЦИИ И
РОБОТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОМБАЙНОВЫЕ И
БУРОВЗРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ….. 49
2.1 Анализ технологических процессов технологий проведения горных
выработок с позиции автоматизации и роботизации ……………………………………… 49
2.2 Обоснование уровней автоматизации и роботизации основных
процессов технологий проведения горных выработок …………………………………… 57
2.3 Обоснование зависимости числа возможного функционального
назначения элементов автоматизации и роботизации технологических процессов
в технологии проведения горных выработок ………………………………………………… 60
2.4 Выводы по главе ……………………………………………………………………………. 62
3 ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО КРИТЕРИЯ ОПТИМИЗАЦИИ
ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ
АВТОМАТИЗАЦИИ И РОБОТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 63
3.1 Комплексный критерий оптимизации технологий проведения горных
выработок при автоматизации и роботизации технологических процессов ……. 63
3.2 Постановка задачи оптимизации ……………………………………………………. 65
3.3 Исследование влияния автоматизации и роботизации на параметры
технологий проведения горных выработок …………………………………………………… 70
3.4 Выводы по главе ……………………………………………………………………………. 76
4 ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МЕТОДИКИ
ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ
ВЫРАБОТОК ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ И РОБОТИЗАЦИИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ …………………………………………………………….. 78
4.1 Методические основы оптимизации параметров технологий проведения
горных выработок при автоматизации и роботизации технологических процессов
…………………………………………………………………………………………………………………….. 78
4.2 Адаптация имитационной модели проходческих работ при
автоматизации и роботизации основных технологических процессов……………. 82
4.3 Создание системы имитационного моделирования технологий
проходки ……………………………………………………………………………………………………… 88
4.4 Оценка параметров технологий проведения горных выработок при
автоматизации и роботизации технологических процессов …………………………… 94
4.5 Выводы по главе ………………………………………………………………………….. 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………. 101
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………………….. 106
ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………………………………. 121
Приложение А …………………………………………………………………………………… 121
Приложение Б …………………………………………………………………………………… 122
Приложение В …………………………………………………………………………………… 123
Приложение Г …………………………………………………………………………………… 124
Приложение Д …………………………………………………………………………………… 125

В первой главе приведено состояние вопроса по изученной проблеме.
Автоматизация и роботизация процессов проходческого цикла позво- ляют передать машинам функционал, выполняемый горнорабочими в забое, и уменьшить вероятность травм. Для уменьшения инвестиционных рисков при автоматизации и роботизации необходима оценка результата, что требует раз- работки методик рационального выбора параметров горнотехнических си- стем.
Работы в направлении рационального обоснования параметров горно- технических систем вели В. И. Клишин, В. А. Хямяляйнен, О. В. Тайлаков, А. А. Ордин, В. В. Першин, А. И. Копытов, Ю. А. Степанов, П. В. Егоров, В. А. Федорин, А. Е. Майоров, В. В. Гетман, В. В. Зиновьев, А. Н. Стародубов, В. В. Окольнишников, В. Ф. Демин, А. А. Мешков, С. В. Рудометов, Р. Димитракопулос, Ю. А. Хохолов, А. А. Ботвинник, А. А. Антонов и др.
Рациональное внедрение машин и механизмов в горное производство исследовали Э. О. Миндели, Н. М. Покровский, Ю. А. Дмитрак, М. В. Корнеев, Е. И. Рогов, В. Л. Конюх, О. В. Тайлаков, А. А. Ордин, Г. К. Клюкин, В. А. Соловьёв, Г. А. Стрельцова, А. М. Ткаченко, А. С. Оганесян и др. В си- стематизацию информации о средствах автоматизации и роботизации горного производства внесли значительный вклад П. А. Лыхин, Н. А. Глебов, А. Г. Журавлёв, П. И. Тарасов, В. Н. Опарин, В. Л. Конюх, В. Н. Фрянов, Л. Д. Павлова, Е. П. Русин, А. П. Тапсиев, А. М. Фрейдин, А. С. Ваганов, Л. В. Урусов, М. Ройтер и др.
Применение современных информационных технологий для оптимиза- ции параметров сложных производственно-экономических систем исследо- вали А. А. Емельянов, М. А. Хивинцев, А. С. Окопов, И. М. Космачева, А. Т. Гурьев, Д. А. Петросов, П. В. Афонин, Г. Л. Бекларян, А. Л. Бекларян и др.
Исследованиями параметров технологий проведения горных вырабо- ток, вопросами автоматизации и безопасности подземных горных работ зани- мались такие организации, как ИУ СО РАН, КузНИИШахтострой, КузНИУИ, КузГТУ, СибГИУ, ИГД им. А.А. Скочинского, ИГД СО РАН, ИПКОН РАН, МИСиС, Санкт-Петербургский горный университет, ИГД УрО РАН, МГГУ, ТулГУ.
Литературный анализ показал, что современные методы принятия ре- шений по выбору рациональных параметров проходческих работ при их авто- матизации и роботизации не позволяют комплексно учитывать варианты соче- таний горнотехнических и экономических параметров, комплектацию горных машин, возможность их автоматизации и роботизации, динамику горных ра- бот и их вероятностную природу, что делает задачу оптимизации параметров технологий проведения горных выработок трудноформализуемой. Преце- денты автоматизации и роботизации технологий проведения горных вырабо- ток единичны и зачастую ограничиваются дистанционным управлением гор- ными машинами.
По результатам первой главы обоснована актуальность работы, сфор- мулированы цель, идея, задачи исследования.
Во второй главе приведено решение первой задачи.
Для поиска множества нетрадиционных вариантов модернизации типо- вых технологий проведения горных выработок посредством автоматизации и роботизации применен системно-функциональный подход (методология IDEF0 – ГОСТ Р 50.1.028-2001). Каждый технологический процесс проходче- ского цикла представлен в виде взаимосвязанных моделей «чёрного ящика» (рис. 1). Процессы технологии проведения горных выработок объединены в множество P. Для каждого технологического процесса выделены операции, участвующие в его информационном обеспечении: «сканирование поверхно- сти горной выработки», «распознавание объектов в выработке», «позициони- рование горной машины», «управление перемещением горной машины», «наведение исполнительных органов горной машины». Исследована совме- стимость различных вариантов автоматизации и роботизации технологиче- ских операций, позволяющая корректно их комбинировать. Выделены пять возможных и достаточных уровней автоматизации и роботизации процессов проходческого цикла.
Рисунок 1. Системно-функциональный анализ на примере технологического процесса «погрузка горной массы»
Уровень 1. Отсутствие автоматизации. Все интеллектуальные техно- логические операции выполняются горнорабочими. Показатели эффективно- сти уровня стандартные.
Уровень 2. Дистанционное управление. Все интеллектуальные техноло- гические операции осуществляются горнорабочими, но визуальный обзор вы- работки производится посредством видеокамер. Уровень характеризуется меньшим присутствием горнорабочих в забое, низкими затратами на реализа- цию и замедлением исполнения технологических операций.
Уровень 3. Реализация «технического зрения». Сканирование горной выработки производится средствами «технического зрения» – лазерными ска-

нерами или эхолотами. Горнорабочий дистанционно управляет горной маши- ной по 3D-модели выработки. Преимущество данного способа состоит в том, что «техническое зрение» даёт более точное изображение по сравнению с ви- деокамерой, это позволяет рабочему точнее выполнять технологические опе-
рации. Внедрение данного уровня значительно дороже предыдущих.
Уровень 4. Реализация «технического зрения» и автоматического пе- ремещения горных машин. Посредством «технического зрения» производится автоматическое сканирование горной выработки. Распознавание полученной 3D-модели выработки и объектов, находящихся в ней, а также управление пе- ремещением горных машин по выработке осуществляется при помощи нейронных сетей. Горнорабочий контролирует перемещение горных машин, а основные технологические операции выполняет дистанционно. Уровень обла- дает еще более высокой стоимостью исполнения по сравнению с предыдущим.
Уровень 5. Полная роботизация. Горные машины автоматически вы- полняют все интеллектуальные технологические операции: с помощью «тех- нического зрения» сканируют горные выработки, с помощью нейросетей рас- познают объекты, автономно выполняют перемещение по выработкам и мани- пуляции рабочими органами. Горнорабочий выполняет роль контролёра не- скольких горных машин. Данный вариант является самым затратным из-за ис- пользования дорогих комплектующих и подразумевает почти полное исклю- чение нахождения горнорабочих в забое, а также высокую скорость исполне- ния технологических операций за счёт оптимизации режимов работы роботи- зированного оборудования.
Для поиска исходного множества параметров технологии проведения горных выработок элементы множества P многозначно отображаются в мно- жество исполнителей технологических процессов M (формула 1), состоящее из стольких подмножеств, сколько технологических процессов в данной тех- нологии проведения горных выработок (формула 2).
: → ; (1) ={ 1, 2,…, },где = | |. (2)
Для нахождения множества вариантов автоматизации и роботизации проходческих работ R элементы подмножеств M1, M2, …, Mn размещаются на технологические процессы P1, P2, …, Pn с учётом пяти возможных уровней ро- ботизации. Каждый вариант описывается как размещение длиной n из подмно- жеств M1, M2, …, Mn предложений по исполнению технологических процессов , где xi  Mi для 1 ≤ i ≤ n. Примером такого размещения может служить <проходческий комбайн Joy 12HM46 с максимальным уровнем робо- тизации, самоходные вагоны 5ВС15М с максимальным уровнем роботизации, анкероустановочная машина Sandvik DS411 с дистанционным управлением>.
Множество параметров технологии проведения горных выработок при автоматизации и роботизации основных процессов определяется как полное произведение пятикратной мощности каждого из подмножеств исполнителей технологических процессов (формула 3).

| | = ∏ 5 ∙ | |. (3) =1
В третьей главе приведено решение второй задачи.
При использовании классических методов при оценке эффективности технологий проведения горных выработок не учитывают время нахождения горнорабочих в опасной зоне забоя, варианты частичной автоматизации тех- нологических процессов. Также ввиду сложности задачи не учитывается мно- говариантность ведения проходческих работ, динамика взаимодействия гор- ных машин, вероятностный характер выполнения технологических операций. Это затрудняет нахождение оптимальных параметров проходческих работ.
Для учёта безопасности горнорабочих при ведении проходческих работ предложен комплексный критерий оптимизации с показателями в формате международной системы единиц: удельное время ведения проходческих работ T [с/м3], удельная стоимость ведения проходческих работ C [руб./м3], среднее хронологическое число горнорабочих в забое N [чел.]. Доказано, что для све- дения данных скалярных показателей в один критерий достаточно использо- вать квадратичную нелинейную свёртку по Парето, а оптимизацию свести к минимизации значения критерия. Для возможности использования в одном критерии показателей, имеющих различные размерности и масштабы, предло- жено нормирование – деление значений показателей на нормирующий дели- тель – среднее значение между минимальным и максимальным значением каж- дого показателя при заданных горнотехнических условиях. После нормирова- ния комплексный квадратичный критерий оптимизации принимает вид:
2 2 2
= 2√( + )2 + ( + )2 + ( + )2 , → , (4) min
где T – удельное время ведения проходческих работ, N – среднее хронологи- ческое число горнорабочих в забое, C – удельная стоимость проходки, Cmax, Cmin, Tmax, Tmin, Nmax, Nmin – максимальные и минимальные значения показателей проходческих работ – удельной стоимости, удельного времени ведения про- ходческих работ и среднего хронологического числа горнорабочих в забое со- ответственно – при заданных горнотехнических условиях. На составляющие критерия оптимизации накладываются следующие ограничения: Cmax > 0, Cmin ≥ 0, Nmax > 0, Nmin ≥ 0, Tmax > 0, Tmin ≥ 0. Отсюда следует, что значения комплекс- ного критерия оптимизации варьируются в области K ∈ (0;2√3].
Выделены параметры, влияющие на показатели эффективности техно- логий проведения горных выработок. Для удобства представления параметры сгруппированы в следующие группы: 1. Физико-механические свойства гор- ных пород FG; 2. Горнотехнические параметры FT; 3. Параметры горных ма- шин (факторы оптимизации): производственные параметры FQ; скоростные параметры FV; параметры нахождения горнорабочих в забое FN; 4. Экономи- ческие параметры FC (факторы оптимизации); 5. Прочие параметры FO.
Оптимум находится по критерию, сводящему воедино три зависимости, в которых удельное время ведения горнопроходческих работ, среднее хроно- логическое число горнорабочих в забое и удельная стоимость ведения горно- проходческих работ определяются по функциям (5), (6) и (7) соответственно:
T = f1(FG, FT, FQ, FV, FO) → min; (5) N = f2(FG, FT, FQ, FV, FO, FN) → min; (6) C = f3(FG, FT, FQ, FV, FO, FC) → min. (7)
В результате решаемая математическая задача принимает вид условной
многокритериальной (три целевых функции в комплексном критерии) много- факторной оптимизации (36 факторов для буровзрывной и 19 факторов для комбайновой технологий). Совокупность всех комбинаций факторов пред- ставляет собой множество параметров технологии проведения горных выра- боток R.
Для исследования влияния автоматизации и роботизации технологий проведения горных выработок на их показатели эффективности проведено ис- следование поставленной задачи в упрощённой постановке для условий буро- взрывной (проведение наклонных стволов сечением 32-34 м2 под углом 12-18° по породе крепостью 8-12 по шкале проф. М. М. Протодьяконова) и комбай- новой (проведение вентиляционного штрека сечением вчерне 14,7 м2 под уг- лом 4-6° с присечкой породы крепостью 3-4 по шкале проф. М. М. Протодья- конова) технологий. В обоих экспериментах были получены области решений задачи оптимизации с Парето-сферой, указывающей на оптимальный вариант (рис. 2).
Рисунок 2. Задача многокритериальной оптимизации параметров проходче- ских работ в упрощённой постановке на примере буровзрывной технологии
Доказано, что оптимальные параметры технологии проведения горных выработок получаются при частичной автоматизации и роботизации, позволя- ющей рационально уменьшить среднее хронологическое число горнорабочих в забое без значительного удорожания проходческих работ. Также доказано, что при использовании комплексного критерия оптимизации K учёт динамики и вероятностной природы технологических процессов проходческого цикла при их автоматизации и роботизации позволил повысить точность оптимиза- ции основных параметров технологии на 6,2% для буровзрывной технологии и на 4,7% для комбайновой технологии (табл. 1 и 2).

Таблица 1. Результаты оптимизации для комбайновой технологии проведения
вентиляционного штрека в условиях ш. «Чертинская-Коксовая»
Среднее число
горнорабочих в 1,53 1,63 6,5 забое, чел
Параметры критерия K
Оптимизация без учёта динамики и вероятностной природы технологических процессов
Оптимизация с учётом динамики и вероятностной природы технологических процессов
Откло- нение, %
Удельное время проходческих работ, мин/м3
14,00
14,77
5,5
Удельная стои- мость проходческих работ, руб./м3
2 080
2 183
4,9
Значение кри- терия K
1,04 1,09 4,7
Таблица 2. Результаты оптимизации для буровзрывной технологии проведения наклонных стволов в условиях ш. «Увальная»
Параметры критерия K
Оптимизация без учёта динамики и вероятностной природы технологических процессов
Оптимизация с учётом динамики и вероятностной природы технологических процессов
Откло- нение, %
Среднее число горнорабочих в забое, чел
Значение кри- терия K
0,98 1,11 13,3
Удельное время проходческих работ, мин/м3
17,84
19,08
6,9
Удельная стои- мость проходческих работ, руб./м3
1 610
1 652
2,6
1,32 1,4 6,2
В четвертой главе приведено решение третьей задачи.
Современные аналитические методы позволяют рассчитывать пара- метры технологий проведения горных выработок с известными погрешно- стями, так как не учитывают динамику взаимодействия горных машин во вре- мени и пространстве и вероятностную природу технологических процессов. Созданные в Институте угля ФИЦ УУХ СО РАН имитационные модели про- ходческих работ модернизированы сегментами, учитывающими различные ва- рианты автоматизации и роботизации процессов проходческого цикла.
Обоснованная многовариантность ведения проходческих работ требует применения методов оптимизации, исключающих полный перебор возмож- ных вариантов. Аналитические методы оптимизации требуют явно заданной математической зависимости, которую при решении многомерных оптимиза- ционных задач с множеством локальных оптимумов получить трудозатратно, а зачастую невозможно. При использовании генетического алгоритма оптими-
зации достаточно определить функцию полезности системы с помощью ими- тационного моделирования. Исходя из этого, для решения задачи оптимизации параметров технологий проведения горных выработок при автоматизации и роботизации их основных технологических процессов разработана методика,
состоящая из шести этапов.
На первом этапе методики случайно формируется множество комплек-
тов горных машин с различными уровнями их автоматизации и роботизации. На втором этапе обозначенные комплекты горных машин связыва- ются попарно, и для каждой пары создаётся дополнительная пара комплектов,
параметры которых являются случайной комбинацией ранее существующих. На третьем этапе каждый комплект горных машин с элементами ав- томатизации и роботизации оценивается по критерию оптимизации (4) с по- мощью имитационной модели. Имитационное моделирование позволяет найти значения оптимизируемых параметров (5), (6), (7) для заданных физико- механических свойств горных пород и горнотехнических условий, с учётом
динамики и вероятностной природы технологических процессов.
На четвёртом этапе комплекты горных машин с элементами автома- тизации и роботизации сортируются по уменьшению значения критерия опти- мизации (4). Половина с наибольшими значениями критерия удаляются из рас-
чётов, а остаются комплекты, в которых значения критерия (4) минимальны. На пятом этапе комплекты горных машин случайным образом меняют
параметры во избежание «застревания» алгоритма в локальных оптимумах. На шестом этапе идёт проверка, уменьшилось ли среднее значение критерия оптимизации (4) множества по сравнению с предыдущим. Если оно не уменьшалось несколько циклов подряд, алгоритм завершает работу и пред- ставляет результат в виде оптимальных либо субоптимальных параметров для заданных физико-механических свойств горных пород и горнотехнических
условий. Иначе алгоритм возвращается ко второму шагу.
Методика программно реализована как «Система имитационного моде-
лирования технологий проходки» (СИМТП) (рис. 3).
Рисунок 3. Структура «Система имитационного моделирования технологий проходки» (СИМТП)

Пользователь через интерфейс вводит физико-механические свойства
горных пород и горнотехнические условия, на основании которых алгоритмы базы данных комбинируют комплекты из подходящих горных машин и средств их автоматизации и роботизации. Затем Модуль имитационного моде- лирования генерирует модель ведения проходческих работ на основе скомби- нированного комплекта.
После запуска модели посредством интерпретатора GPSS World форми- руется отчет с результатами моделирования, которые передаются в Модуль оптимизации для последующей обработки. Подобным образом создается сле- дующая модель с другим комплектом горных машин. Так происходит до тех пор, пока не будут найдены оптимальные или субоптимальные параметры тех- нологии проведения горных выработок по критерию K (4). Результат оптими- зации выводится на Интерфейс пользователя.
Проверка работы СИМТП проводилась для условий проведения трёх наклонных стволов длиной 1,53 км буровзрывным способом на шахте «Уваль- ная» (Кузбасс). Оптимизация параметров производилась для условий крепости пород f = 8 … 12 по шкале проф. М. М. Протодьяконова, с сечением стволов S = 32 … 34 м2 и углом наклона α = 12° … 18°, креплением выработок металли- ческой аркой и анкерами длиной 2 и 5 м.
На производстве использовали бурильную машину УБШ210А, погру- зочную машину 2ПНБ2У, анкероустановщики типа Rambor или Wombat. Про- веденные проходческие работы, выполненные без роботизации, прошли со следующими параметрами: среднее хронологическое число горнорабочих в за- бое – 2,88, удельное время ведения проходческих работ – 17,85 мин/м3, удель- ная стоимость проходческих работ – 1 423 руб/м3.
При помощи СИМТП для одних и тех же условий определены пара- метры, обеспечивающие среднее хронологическое число горнорабочих в забое – 1,07, удельное время ведения проходческих работ – 12,76 мин/м3, удельную стоимость проходки – 1 788 руб/м3. На рис. 4 представлена схема модернизи- рованной технологии проведения горных выработок с оптимальными парамет- рами (табл. 3).
1 – роботизированная буропогрузочная машина 2ПНБ2Б, 2 – зарядная ма- шина Charmec RM 125 с дистанционным управлением, 3 – оборочная машина Scamec 2000 с дистанционным управлением, 4 – анкероустановочная машина Atlas Copco Cabletec LC с дистанционным управлением
Рисунок 4. Комплект горных машин для обеспечения оптимальных парамет- ров технологии проведения наклонных стволов для условий ш. Увальная

Таблица 3. Оптимальные (субоптимальные) параметры буровзрывной технологии проведения
наклонных стволов для условий ш. Увальная
Параметр Зна- че- ние
Параметр
Зна- Параметр Зна-
че- ние
че- ние
1. А – энергия од- ного удара буриль- ной установки, Дж
400
13. RЗ – число стрел зарядной машины, шт.
2
25. NП – число горно- рабочих в забое, тре- бующихся для по- грузки горной массы, чел.
0
2. n – частота уда- ров бурильной уста- новки, Гц
250
14. QО, производи- тельность оборочной машины забоя, м3/мин.
0,15
26. NО – число горно- рабочих в забое, тре- бующихся для креп- ления забоя, чел.
0
3. RБ – число одно- временно работаю- щих бурильных установок, шт.
2
15. QПОГР, производи- тельность погрузоч- ной машины, м3/мин.
1,25
27. CБ – стоимость бурильной машины, млн. руб.
14
4. KО – коэффици- ент одновременно- сти работы буриль- ных установок
0,9
16. TА, время уста- новки анкера анкеро- установочной маши- ной, мин.
4,5
28. СРБ – стоимость роботизации бу- рильной машины, млн. руб.
12
5. VХБУ – скорость хода бурильной установки, м/мин.
20
17. VБ – средняя ско- рость перемещения бурильной машины по выработке, км/ч
0,5
29. СЗ – стоимость зарядной машины, млн. руб.
20
6. TЗАМ – время за- мены бурильной ко- ронки, мин.
2
18. VЗ – средняя ско- рость перемещения зарядной машины по выработке, км/ч
8
30. СРЗ – стоимость роботизации заряд- ной машины, млн. руб.
1
7. B – стойкость ко- ронки на одну за- точку, м
30
19. VП – средняя ско- рость перемещения погрузочной машины по выработке , км/ч
0,5
31. СО – стоимость оборочной машины, млн. руб.
15
8. TН – время наве- дения бурильной установки на место шпура, мин.
0,17
20. VО – средняя ско- рость перемещения оборочной машины по выработке , км/ч
9
32. СРО – стоимость роботизации обо- рочной машины, млн. руб.
1
9. TЗАБ – время забу- ривания бурильной установки, мин.
0,5
21. VA – средняя ско- рость перемещения анкероустановочной машины по выра- ботке, км/ч
15
33. СП – стоимость погрузочной ма- шины, млн. руб.
0
10. QМ – производи- тельность зарядной машины, кг/мин.
4
22. NБ – число горно- рабочих в забое, тре- бующихся для буре- ния шпуров, чел.
0
34. СРП – стоимость роботизации погру- зочной машины, млн. руб.
0
11. QХЗМ – скорость хода шланга подачи зарядной машины, м/мин
15
23. NЗ – число горно- рабочих в забое, тре- бующихся для заря- жания шпуров, чел.
0
35. СА – стоимость анкероустановочной машины, млн. руб.
35
12. TНАВ – длитель- ность наведения за- рядной машины на очередной шпур, мин.
0,33
24. NО – число горно- рабочих в забое, тре- бующихся для оборки забоя, чел.
0
36. СРА – стоимость роботизации анкеро- установочной ма- шины, млн. руб.
1

В табл. 4 показано сравнение полученной технологии проведения
наклонных стволов для условий ш. «Увальная» с традиционным вариантом, использованным на производстве, а также вариантом максимально возможной автоматизации и роботизации (табл. 4).
Таблица 4. Показатели эффективности буровзрывных технологий проведения трёх наклонных стволов шахты «Увальная»
Вариант веде- ния проходче- ских работ
Среднее хроно- логическое число людей в забое, N
Удельное время ведения проходче- ских работ, T, мин/м3
Удельная стои- мость ведения про- ходческих работ, С, руб./м3
Критерий оптими- зации, К
Оптимальные параметры Отсутствие автоматизации
1,07 12,76 2,88 17,85
1788 1,37 1423 2,25
Максимальная автоматизация и роботизация
1,08
11,76
2257
1,55
На графиках организации работ, построенных по результатам компью- терных экспериментов, показано, что выбранная технология с частичной ро- ботизацией позволит сократить процесс бурения шпуров на 48,18%, практиче- ски исключить проветривание забоя, уменьшить продолжительность процесса погрузки горной массы на 20%, а крепления выработанного пространства ан- керами на 63,83%. В конечном итоге, всё это позволит сократить продолжи- тельность проходческого цикла на 63,83% по сравнению с традиционной тех- нологией (рис. 5).
Рисунок 5. Графики организации работ проведения наклонных стволов с применением традиционной и роботизированной технологий
График динамики ведения проходческих работ показывает, что роботи- зированная технология позволит за месяц пройти на 21 м выработки больше, чем традиционная (рис. 6).

Рисунок 6. Динамика ведения проходческих работ с использованием традиционной и роботизированной технологий
Полученный вариант с частичной роботизацией технологических про- цессов позволит уменьшить среднее хронологическое число горнорабочих в забое на 63%, уменьшить удельное время ведения проходческих работ на 28,5% при удорожании удельной стоимости проведения наклонных стволов на 25,6% по сравнению с использованием традиционной неавтоматизированной технологии. Также он имеет удельную стоимость на 20,78% меньше, чем мак- симально автоматизированный вариант, при аналогичных показателях удель- ного времени ведения проходческих работ и среднего хронологического числа людей в забое.
Аналогично по методике проведена оптимизация параметров для усло- вий проведения комбайновым способом вентиляционного штрека No557 на шахте «Чертинская-Коксовая». Для выработки сечением вчерне 14,7 м2, про- водимой по пласту с коэффициентом присечки 0,33 пород средней крепости, обоснованы оптимальные параметры технологии, которые достигаются ис- пользованием проходческого комбайна КП-21Д с дистанционным управле- нием и забойного скребкового конвейера СР-70-05 с установкой анкеров пере- носным анкероустановщиком МQТ-120 «Рамбор».
Показатели эффективности полученной технологии: среднее хроноло- гическое число горнорабочих в забое – 1,28, скорость проходки – 540 м/мес., стоимость проходческих работ – 1 908 руб./м3. Внедрение данного варианта на производство позволит по сравнению с традиционной комбайновой техноло- гией увеличить безопасность горнорабочих путём уменьшения среднего хро- нологического их числа на 44% и уменьшить трудоёмкость работ на 23% при сохранении удельного времени ведения и стоимости проходческих работ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе содержится решение научно-технической за- дачи выбора оптимальных параметров типовых комбайновых и буровзрывных технологий проведения горизонтальных и наклонных горных выработок с ча- стичной и полной автоматизацией и роботизацией технологических процес- сов, разрешающее противоречия между требованиями одновременного обес- печения безопасности и эффективности горных работ, что имеет существенное значение для развития угольной отрасли страны.
Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы:
1. Концепция передового развития угольных шахт направлена на умень- шение времени присутствия людей в забоях за счёт применения средств авто- матизации и роботизации. Существенное повышение безопасности и скорости проходческих работ за счёт внедрения автоматизации и роботизации на раз- личных уровнях влечёт увеличение их себестоимости, а определение опти- мальных параметров технологий проведения горных выработок с учётом ди- намики и вероятностной природы технологических процессов не однозначно. Выявление оптимальных параметров технологий проведения горных вырабо- ток при их автоматизации и роботизации сдерживается ввиду невозможности решить данную задачу традиционными аналитическими методами.
2. Разработаны новые системно-функциональные модели типовых ком- байновых и буровзрывных технологий проведения горных выработок. Анализ моделей по признакам выполнения интеллектуальных технологических опера- ций горнорабочими или горными машинами (сканирование поверхности вы- работки, распознавание объектов выработки, позиционирование горных ма- шин, позиционирование рабочих органов горных машин) позволил выявить 5 уровней автоматизации и роботизации основных технологических процессов, учитывающих все возможные варианты модернизации типовых технологий проведения горных выработок.
3. Создана реляционная база данных SQL основных моделей горнопро- ходческих машин (153 модели) и основных горнотехнических параметров тех- нологий проведения горных выработок с учетом уровней автоматизации и ро- ботизации технологических процессов (96 параметров), позволяющая форми- ровать исходное множество параметров для последующей оптимизации.
4. Определена зависимость числа возможных вариантов функциональ- ного назначения автоматизации и роботизации в комбайновые и буровзрыв- ные технологии проведения горных выработок от многообразия моделей гор- ных машин, учитывающая все возможные варианты частичной автоматизации и роботизации основных технологических процессов. Это увеличивает их число в 125 раз для комбайновой и в 3125 раз для буровзрывной технологий.
Показано, что на примере условий буровзрывной технологии проведе- ния наклонных стволов сечением 32-34 м2 под углом 12-18° по породе крепо- стью 8-12 по шкале проф. М. М. Протодьяконова, количество потенциально возможных к использованию моделей горных машин составляет: 7 моделей бурильных машин, 3 модели зарядных машин, 3 модели оборочных машин за- боя, 12 моделей погрузочных машин и 5 моделей анкероустановочных машин. В данных условиях возможны 11 812 500 вариантов модернизации техноло- гии, из них 11 808 720 с частичной автоматизацией и роботизацией.
Показано, что на примере условий комбайновой технологии проведения
вентиляционного штрека сечением вчерне 14,7 м2 под углом 4-6° с присечкой породы, количество потенциально возможных к использованию моделей гор- ных машин составляет: 9 моделей проходческих комбайнов, 5 моделей само- ходных вагонов, 4 модели анкероустановочных машин. В данных условиях возможны 22 500 вариантов модернизации типовой технологии, из них 22 320
с частичной автоматизацией и роботизацией.
5. Обоснован комплексный критерий К оптимизации параметров типо-
вых комбайновых и буровзрывных технологий проведения горных выработок с элементами автоматизации и роботизации, представляющий собой аддитив- ную нормированную квадратичную свёртку по Парето показателей эффектив- ности проходческих работ: среднего хронологического числа горнорабочих в забое, удельных времени и стоимости проходки. Его использование для усло- вий шахт Кузбасса при комбайновой и буровзрывной проходке позволило уве- личить точность оптимизации на 4,7% и 6,2% соответственно.
6. Задача дискретной оптимизации параметров типовых комбайновых и буровзрывных технологий проведения горных выработок с элементами авто- матизации и роботизации, с учётом динамики и вероятностной природы тех- нологических процессов не поддаётся аналитическому решению из-за много- фазной и многоканальной структуры системы, а также невозможности анали- тической свёртки законов распределения времени выполнения технологиче- ских операций.
7. Известные имитационные модели комбайновых и буровзрывных тех- нологий проведения горизонтальных и наклонных горных выработок уточ- нены путём добавления дополнительных сегментов, учитывающих влияние автоматизации и роботизации на время выполнения процессов проходческого цикла и число горнорабочих в забое. Противоречия между составляющими комплексного критерия оптимизации К необходимо и достаточно разреша- ются на уточненных имитационных моделях с учётом динамики и вероятност- ной природы технологических процессов. Показано, что при использовании указанного критерия:
– для оптимизации параметров буровзрывных технологий точность по- иска оптимальных параметров увеличивается на 6,2%, на примере условий проведения наклонных стволов сечением 32-34 м2 под углом 12-18° по породе крепостью 8-12 по шкале проф. М. М. Протодьяконова;
– для оптимизации параметров комбайновых технологий точность по- иска оптимальных параметров увеличивается на 4,7%, на примере условий проведения вентиляционного штрека сечением вчерне 14,7 м2 под углом 4-6° с присечкой породы крепостью 3-4 по шкале проф. М. М. Протодьяконова.
8. Обоснована методика комплексной оптимизации параметров типо- вых комбайновых и буровзрывных технологий проведения горных выработок, основанная на интеграции метода имитационного моделирования в качестве функции полезности в эволюционный алгоритм оптимизации.
9. Определены оптимальные параметры комбайновой технологии про- ведения вентиляционного штрека No557 шахты «Чертинская-Коксовая» сече- нием вчерне 14,7 м2 от сбойки No15.21 в сторону западных бремсбергов вверх по простиранию пласта 5 под углом 4-6° с присечкой породы крепостью 3-4 по шкале проф. М. М. Протодьяконова. Крепление кровли и боков выработки
осуществляется анкерами А20В длиной 1,8 и 2,8 м. Даны рекомендации по вы- бору дистанционно управляемого проходческого комбайна КП21Д, скребко- вого конвейера СР-70-05, анкероустановщика MQT-120, типа «Рамбор», кото- рые использованы ООО «ММК-УГОЛЬ» Шахта «Чертинская-Коксовая» при подготовке Паспорта на проведение вентиляционного штрека No557. Их ис- пользование снижает трудоёмкость работ на 23%, повышает безопасность про- ходческих работ за счёт сокращения среднего хронологического числа горно-
рабочих в зоне забоя на 44%.
10. Определены оптимальные параметры буровзрывной технологии для
условий проведения наклонных стволов шахты «Увальная» сечением 32-34 м2 под углом 12-18° по породе крепостью 8-12 по шкале проф. М. М. Протодья- конова. Даны рекомендации по выбору роботизированной буропогрузочной машины 2ПНБ2Б и дистанционно управляемых горных машин: зарядной ма- шины Charmec RM 125, оборочной машины Scamec 2000, анкероустановочной машины Atlas Copco Cabletec LC. Их использование повышает безопасность работ за счёт сокращения среднего хронологического числа горнорабочих в забое на 63%, уменьшает удельное время ведения проходческих работ на 28,5% при увеличении удельной стоимости работ на 25,6%.
11. Разработана «Система имитационного моделирования технологий проходки» (СИМТП), позволяющая проводить оптимизацию параметров тех- нологий проведения горных выработок при их автоматизации и роботизации для повышения безопасности и скорости проходческих работ при минимиза- ции капиталовложений в них. Механизм работы программы основан на сов- местной работе имитационного моделирования на языке GPSS World и эволю- ционного алгоритма оптимизации.
12. Дальнейшее повышение предсказуемости и точности модернизации типовых технологий проведения горных выработок при автоматизации и ро- ботизации технологических процессов возможно при учёте следующих пара- метров в разработанной методике оптимизации: газоносность и нарушенность пласта, плановых и внеплановых простоев, геометрии горных выработок.

Актуальность темы. В Российской Федерации при добыче угля подземным
способом проходят более 430 км горизонтальных и наклонных подготовительных
выработок в год [1], в основном комбайновым и буровзрывным способами, с тен-
денциями повышения скорости проходки и усложнения горно-геологических усло-
вий. При этом, от общешахтных показателей при проходческих работах трудоем-
кость составляет более 25%, доля занятых горнорабочих с нахождением в опасной
призабойной зоне – около 20%, удельный вес травмированных работников дости-
гает 40% [2-4].
Концепция передового развития угольных шахт направлена на освоение тех-
нологий без постоянного присутствия людей в забоях за счет внедрения автомати-
зации и роботизации, которое влечёт за собой существенное повышение не только
безопасности и скорости, но и себестоимости проходческих работ [5, 6]. Из-за от-
сутствия нормативных методик по рациональному назначению элементов автома-
тизации и роботизации в технологии проведения горных выработок прецеденты их
внедрения без должного научного обоснования единичны и зачастую ограничива-
ются дистанционным управлением горными машинами. В то же время автоматиза-
ция и роботизация технологических процессов оказывает комплексное влияние на
показатели эффективности проходческих работ, делая задачу дискретной оптими-
зации их основных параметров многофакторной и не поддающейся классическому
аналитическому решению.
Необходимый для достаточной точности учёт динамики и вероятностной при-
роды технологических процессов влечёт за собой кратное увеличение вычисли-
тельной сложности выбора оптимальных параметров технологий проведения гор-
ных выработок. Современные методы решения задач дискретной оптимизации па-
раметров сложных технических систем включают методы имитационного модели-
рования и эволюционной оптимизации, исключающие полный перебор вариантов
при приемлемом расчётном времени. Однако, разработка и реализация актуальной
методики в условиях применения типовых технологий проведения горных вырабо-
ток комбайновым и буровзрывным способами невозможны без комплексного под-
хода, задающего потенциальный уровень автоматизации и роботизации технологи-
ческих процессов, критерии оптимизации основных параметров, параметры инте-
грации имитационного моделирования в эволюционный алгоритм.
Таким образом, актуально решение научно-технической задачи комплексной
оптимизации параметров технологий проведения основных горизонтальных и
наклонных горных выработок комбайновым и буровзрывным способами при авто-
матизации и роботизации технологических процессов.
Диссертация выполнена в рамках тем государственных заданий на научные
исследования и разработки ФАНО России №007-01169-16 (2016 г.), №007-01581-
17-02 (2017 г.), №007-00411-18-00 (2018 г.), Минобрнауки России №0352-2019-
0007 (2019 г.), при поддержке РФФИ проект №13-07-98023
«Разработка и моделирование безлюдных технологий подземной добычи твердых
полезных ископаемых» (2013-2015 гг.), №16-47-420490 «Моделирование и обосно-
вание технологий разработки угольных месторождений подземным и открыто-под-
земным способами без постоянного присутствия людей в забоях» (2016-2017 гг.).
Цель работы: обоснование и разработка методики комплексной оптимизации
параметров технологий проведения горных выработок при автоматизации и робо-
тизации технологических процессов для повышения безопасности и эффективно-
сти ведения горных работ в угольных шахтах.
Основная идея работы заключается в интеграции методов имитационного
моделирования в эволюционный алгоритм оптимизации основных параметров ав-
томатизируемых и роботизируемых технологий проведения горных выработок при
комплексном учёте влияния динамики и вероятностной природы технологических
процессов, с разрешением противоречий между условиями безопасности и эффек-
тивности ведения горных работ.
Объект исследования: параметры технологий проведения основных горизон-
тальных и наклонных горных выработок комбайновым и буровзрывным способами
при подготовке и отработке угольных пластов.
Предмет исследования: процесс комплексной оптимизации параметров ти-
повых технологий проведения горизонтальных и наклонных горных выработок
комбайновым и буровзрывным способами при автоматизации и роботизации тех-
нологических процессов.
Задачи исследований:
1. Установить зависимость числа возможных вариантов функционального
назначения элементов автоматизации и роботизации технологических процессов в
комбайновые и буровзрывные технологии проведения горных выработок от мно-
гообразия типовых моделей горных машин;
2. Выявить комплексный критерий оптимизации параметров типовых комбай-
новых и буровзрывных технологий проведения горных выработок, учитывающий
влияние автоматизации и роботизации на безопасность и эффективность работ, а
также динамику и вероятностную природу технологических процессов;
3. Разработать методику комплексной эволюционной оптимизации парамет-
ров типовых комбайновых и буровзрывных технологий проведения горных выра-
боток с элементами автоматизации и роботизации на разных уровнях, при учёте
динамики и вероятностной природы технологических процессов.
Методы исследований:
– системно-функциональный подход в рамках методологии системно-функци-
онального моделирования IDEF0, теория множеств, комбинаторный анализ для ре-
шения первой задачи;
– теория оптимизации и системный анализ для решения второй задачи;
– имитационное моделирование, методы верификации и валидации имитаци-
онных моделей, эвристическая оптимизация эволюционным алгоритмом, теория
вероятностей и математическая статистика, теория планирования эксперимента.
Научные положения, защищаемые автором:
1. Число возможных рациональных вариантов функционального назначения
элементов автоматизации и роботизации в типовые комбайновые и буровзрывные
технологии проведения горных выработок есть последовательное произведение
числа типовых моделей горных машин, пригодных для работы в заданных горно-
технических условиях для каждого основного технологического процесса, на пять
уровней их автоматизации и роботизации.
2. Комплексный критерий оптимизации параметров типовых комбайновых и
буровзрывных технологий проведения горных выработок при их автоматизации и
роботизации, стремящийся к минимуму при 0 < K < 2√3, необходимо и достаточно разрешает противоречие между показателями среднего хронологического числа горнорабочих в забое, удельных времени и стоимости работ, значения которых определяют методом имитационного моделирования для учёта динамики и вероят- ностной природы технологических процессов. 3. Разработанная методика, основанная на интеграции метода имитационного моделирования в качестве функции полезности в адаптированный эволюционный алгоритм оптимизации, необходимо и достаточно количественно определяет ос- новные оптимальные (субоптимальные) параметры типовых комбайновых и буро- взрывных технологий проведения горных выработок при автоматизации и роботи- зации технологических процессов. Научная новизна работы заключается в: 1. Расширении области поиска более чем на 99% при оптимизации параметров комбайновой и буровзрывной технологий проведения горных выработок за счёт не рассматриваемых ранее вариантов частичной автоматизации и роботизации основ- ных технологических процессов в заданных горнотехнических условиях, порож- дённых пятью уровнями автоматизации и роботизации основных технологических процессов. 2. Разработке комплексного критерия оптимизации параметров К, разрешаю- щего противоречия между требованиями одновременного обеспечения безопасно- сти и эффективности горных работ, отличающегося повышением точности поиска оптимальных (субоптимальных) параметров типовых комбайновых и буровзрыв- ных технологий проведения горных выработок. 3. Разработке методики комплексной оптимизации параметров технологий проведения горных выработок, отличающейся комплексным учётом влияния дина- мики и вероятностной природы технологических процессов, уровней их автомати- зации и роботизации, на безопасность, скорость и стоимость проходческих работ. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомен- даций подтверждается: – применением апробированных классических методов имитационного моде- лирования, теории вероятностей, математической статистики и оптимизации, пла- нирования имитационных экспериментов; – удовлетворительной сходимостью (расхождение не более 10%) результатов имитационного моделирования с результатами, полученными на реальных объек- тах – шахтах Кузбасса, и результатами аналитических расчетов в упрощенной де- терминированной постановке задачи. Личный вклад автора заключается в: – анализе результатов известных исследований в области автоматизации и ро- ботизации типовых технологий проведения горных выработок, методов рациональ- ного назначения элементов автоматизации и роботизации в технологии горного дела, а также в постановке и выполнении задач научного исследования, в разра- ботке методик проведения имитационных экспериментов, обработке и анализе по- лученных результатов, в обосновании, разработке и формулировке научных поло- жений диссертационной работы и их научной новизны; – разработке системно-функциональных моделей типовых комбайновых и бу- ровзрывных технологий проведения горных выработок и обосновании пяти уров- ней автоматизации и роботизации основных технологических процессов; – создании реляционной базы данных основных параметров и моделей горных машин типовых комбайновых и буровзрывных технологий проведения горных вы- работок на языке Transact-SQL; – установлении зависимости числа возможных вариантов функционального назначения элементов автоматизации и роботизации технологических процессов в комбайновые и буровзрывные технологии проведения горных выработок от мно- гообразия типовых моделей горных машин; – выявлении комплексного критерия оптимизации параметров комбайновых и буровзрывных технологий проведения горных выработок, учитывающего влияние факторов автоматизации и роботизации на безопасность и эффективность работ, динамику и вероятностную природу технологических процессов; – адаптации имитационных моделей комбайновых и буровзрывных техноло- гий проведения горных выработок под возможность автоматизации и роботизации основных технологических процессов с учётом их влияния на показатели эффек- тивности технологий, верификации и валидации этих моделей; – создании программного комплекса «Система имитационного моделирования технологий проходки» с проведением оптимизационных экспериментов по модер- низации технологий проведения горных выработок шахт Кузбасса; – обосновании и разработке методики комплексной оптимизации параметров типовых комбайновых и буровзрывных технологий проведения горных выработок с элементами автоматизации и роботизации, учитывающей динамику и вероятност- ную природу технологических процессов; – составлении рекомендаций по оптимизации параметров комбайновой техно- логии проведения вентиляционного штрека №557 шахты «Чертинская-Коксовая» и буровзрывной технологии проведения трех наклонных стволов для условий шахты «Увальная». Отличие от ранее выполненных работ заключается в учёте автоматизации и роботизации технологических процессов, их динамики и вероятностной природы при оптимизации параметров комбайновых и буровзрывных технологий проведе- ния горных выработок, что позволяет учесть ранее не рассматриваемые варианты их частичной автоматизации и роботизации. Научное значение работы заключается в развитии неклассических методов эволюционной оптимизации параметров типовых технологий проведения горных выработок комбайновым и буровзрывным способами при комплексном учёте вли- яния динамики и вероятностной природы технологических процессов, а также уровней их автоматизации и роботизации. Практическое значение работы заключается в обосновании оптимального назначения автоматизации и роботизации в основные технологические процессы типовых технологий проведения горных выработок без постоянного присутствия людей в забоях, с целью повышения безопасности и эффективности горных работ. Реализация работы. –«Методика оптимизации параметров геотехнологий проведения горных вы- работок с элементами автоматизации и роботизации» утверждена АО «Научный центр ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности в горной от- расли», рекомендована Научно-исследовательским институтом горной геомеха- ники и маркшейдерского дела – межотраслевой научный центр «ВНИМИ» к реа- лизации на угледобывающих предприятиях и в проектных организациях; –создан комплекс компьютерных программ «Система имитационного модели- рования технологий проходки» (свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2020661781 от 01.10.2020); –полученные на основе «Методики…» с использованием Системы имитаци- онного моделирования рекомендации по оптимизации параметров технологий про- ведения горных выработок с элементами автоматизации и роботизации использо- ваны ООО «ММК-УГОЛЬ» Шахта «Чертинская-Коксовая» при подготовке Пас- порта на проведение вентиляционного штрека №557. Применение рекомендаций снижает трудоемкость работ на 23% и повышает безопасность их ведения за счет сокращения среднего хронологического числа горнорабочих в опасной зоне забоя на 44%; – научные и практические результаты диссертационной работы используются в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении выс- шего образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» при обучении студентов направления 21.05.04 «Горное дело», про- филя 05 «Шахтное и подземное строительство». Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доклады- вались на Ежегодной региональной конференции молодых учёных ФИЦ УУХ СО РАН «Развитие» (2016-2019 гг.), Всероссийской конференции с международным участием «Индустриальные информационные системы – 2015», Всероссийской научной конференции для студентов, аспирантов и молодых учёных «Горняцкая смена» (2017, 2019 гг.), Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов», Де- вятой всероссийской научно-практической конференции по имитационному моде- лированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное модели- рование. Теория и практика» (ИММОД-2019). Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 – в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 3 – в изданиях, индексируемых в международных реферативных базах данных публикаций Web of Science и Scopus, 1 свидетельство о государственной регистра- ции программ для ЭВМ. Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из 125 страниц, включая введение, 4 главы, заключение, список литературы из 129 наименований, приложение; содержит 43 рисунка, 6 таблиц.

В диссертационной работе содержится решение научно-технической задачи
выбора оптимальных параметров типовых комбайновых и буровзрывных техноло-
гий проведения горизонтальных и наклонных горных выработок с частичной и пол-
ной автоматизацией и роботизацией технологических процессов, разрешающее
противоречия между требованиями одновременного обеспечения безопасности и
эффективности горных работ, что имеет существенное значение для развития
угольной отрасли страны.
Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы:
1. Концепция передового развития угольных шахт направлена на уменьше-
ние времени присутствия людей в забоях за счёт применения средств автоматиза-
ции и роботизации. Существенное повышение безопасности и скорости проходче-
ских работ за счёт внедрения автоматизации и роботизации на различных уровнях
влечёт увеличение их себестоимости, а определение оптимальных параметров тех-
нологий проведения горных выработок с учётом динамики и вероятностной при-
роды технологических процессов не однозначно. Выявление оптимальных пара-
метров технологий проведения горных выработок при их автоматизации и роботи-
зации сдерживается ввиду невозможности решить данную задачу традиционными
аналитическими методами.
2. Разработаны новые системно-функциональные модели типовых комбайно-
вых и буровзрывных технологий проведения горных выработок. Анализ моделей
по признакам выполнения интеллектуальных технологических операций горнора-
бочими или горными машинами (сканирование поверхности выработки, распозна-
вание объектов выработки, позиционирование горных машин, позиционирование
рабочих органов горных машин) позволил выявить 5 уровней автоматизации и ро-
ботизации основных технологических процессов, учитывающих все возможные ва-
рианты модернизации типовых технологий проведения горных выработок.
3. Создана реляционная база данных SQL основных моделей горнопроходче-
ских машин (153 модели) и основных горнотехнических параметров технологий
проведения горных выработок с учетом уровней автоматизации и роботизации тех-
нологических процессов (96 параметров), позволяющая формировать исходное
множество параметров для последующей оптимизации.
4. Определена зависимость числа возможных вариантов функционального
назначения автоматизации и роботизации в комбайновые и буровзрывные техно-
логии проведения горных выработок от многообразия моделей горных машин, учи-
тывающая все возможные варианты частичной автоматизации и роботизации ос-
новных технологических процессов. Это увеличивает их число в 125 раз для ком-
байновой и в 3125 раз для буровзрывной технологий.
Показано, что на примере условий буровзрывной технологии проведения
наклонных стволов сечением 32-34 м2 под углом 12-18° по породе крепостью 8-12
по шкале проф. М. М. Протодьяконова, количество потенциально возможных к ис-
пользованию моделей горных машин составляет: 7 моделей бурильных машин, 3
модели зарядных машин, 3 модели оборочных машин забоя, 12 моделей погрузоч-
ных машин и 5 моделей анкероустановочных машин. В данных условиях возможны
11 812 500 вариантов модернизации технологии, из них 11 808 720 с частичной ав-
томатизацией и роботизацией.
Показано, что на примере условий комбайновой технологии проведения вен-
тиляционного штрека сечением вчерне 14,7 м2 под углом 4-6° с присечкой породы,
количество потенциально возможных к использованию моделей горных машин со-
ставляет: 9 моделей проходческих комбайнов, 5 моделей самоходных вагонов, 4
модели анкероустановочных машин. В данных условиях возможны 22 500 вариан-
тов модернизации типовой технологии, из них 22 320 с частичной автоматизацией
и роботизацией.
5. Обоснован комплексный критерий К оптимизации параметров типовых
комбайновых и буровзрывных технологий проведения горных выработок с элемен-
тами автоматизации и роботизации, представляющий собой аддитивную нормиро-
ванную квадратичную свёртку по Парето показателей эффективности проходче-
ских работ: среднего хронологического числа горнорабочих в забое, удельных вре-
мени и стоимости проходки. Его использование для условий шахт Кузбасса при
комбайновой и буровзрывной проходке позволило увеличить точность оптимиза-
ции на 4,7% и 6,2% соответственно.
6. Задача дискретной оптимизации параметров типовых комбайновых и бу-
ровзрывных технологий проведения горных выработок с элементами автоматиза-
ции и роботизации, с учётом динамики и вероятностной природы технологических
процессов не поддаётся аналитическому решению из-за многофазной и многока-
нальной структуры системы, а также невозможности аналитической свёртки зако-
нов распределения времени выполнения технологических операций.
7. Известные имитационные модели комбайновых и буровзрывных техноло-
гий проведения горизонтальных и наклонных горных выработок уточнены путём
добавления дополнительных сегментов, учитывающих влияние автоматизации и
роботизации на время выполнения процессов проходческого цикла и число горно-
рабочих в забое. Противоречия между составляющими комплексного критерия оп-
тимизации К необходимо и достаточно разрешаются на уточненных имитационных
моделях с учётом динамики и вероятностной природы технологических процессов.
Показано, что при использовании указанного критерия:
– для оптимизации параметров буровзрывных технологий точность поиска
оптимальных параметров увеличивается на 6,2%, на примере условий проведения
наклонных стволов сечением 32-34 м2 под углом 12-18° по породе крепостью 8-12
по шкале проф. М. М. Протодьяконова;
– для оптимизации параметров комбайновых технологий точность поиска оп-
тимальных параметров увеличивается на 4,7%, на примере условий проведения
вентиляционного штрека сечением вчерне 14,7 м2 под углом 4-6° с присечкой по-
роды крепостью 3-4 по шкале проф. М. М. Протодьяконова.
8. Обоснована методика комплексной оптимизации параметров типовых ком-
байновых и буровзрывных технологий проведения горных выработок, основанная
на интеграции метода имитационного моделирования в качестве функции полезно-
сти в эволюционный алгоритм оптимизации.
9. Определены оптимальные параметры комбайновой технологии проведе-
ния вентиляционного штрека №557 шахты «Чертинская-Коксовая» сечением
вчерне 14,7 м2 от сбойки №15.21 в сторону западных бремсбергов вверх по прости-
ранию пласта 5 под углом 4-6° с присечкой породы крепостью 3-4 по шкале проф.
М. М. Протодьяконова. Крепление кровли и боков выработки осуществляется ан-
керами А20В длиной 1,8 и 2,8 м. Даны рекомендации по выбору дистанционно
управляемого проходческого комбайна КП21Д, скребкового конвейера СР-70-05,
анкероустановщика MQT-120, типа «Рамбор», которые использованы ООО «ММК-
УГОЛЬ» Шахта «Чертинская-Коксовая» при подготовке Паспорта на проведение
вентиляционного штрека №557. Их использование снижает трудоёмкость работ на
23%, повышает безопасность проходческих работ за счёт сокращения среднего
хронологического числа горнорабочих в зоне забоя на 44%.
10. Определены оптимальные параметры буровзрывной технологии для усло-
вий проведения наклонных стволов шахты «Увальная» сечением 32-34 м2 под уг-
лом 12-18° по породе крепостью 8-12 по шкале проф. М. М. Протодьяконова. Даны
рекомендации по выбору роботизированной буропогрузочной машины 2ПНБ2Б и
дистанционно управляемых горных машин: зарядной машины Charmec RM 125,
оборочной машины Scamec 2000, анкероустановочной машины Atlas Copco
Cabletec LC. Их использование повышает безопасность работ за счёт сокращения
среднего хронологического числа горнорабочих в забое на 63%, уменьшает удель-
ное время ведения проходческих работ на 28,5% при увеличении удельной стоимо-
сти работ на 25,6%.
11. Разработана «Система имитационного моделирования технологий про-
ходки» (СИМТП), позволяющая проводить оптимизацию параметров технологий
проведения горных выработок при их автоматизации и роботизации для повыше-
ния безопасности и скорости проходческих работ при минимизации капиталовло-
жений в них. Механизм работы программы основан на совместной работе имита-
ционного моделирования на языке GPSS World и эволюционного алгоритма опти-
мизации.
12. Дальнейшее повышение предсказуемости и точности модернизации ти-
повых технологий проведения горных выработок при автоматизации и роботиза-
ции технологических процессов возможно при учёте следующих параметров в раз-
работанной методике оптимизации: газоносность и нарушенность пласта, плано-
вых и внеплановых простоев, геометрии горных выработок.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?

Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

Читать

Публикации автора в научных журналах

Методика обоснования подземных роботизированных геотехнологий без постоянного присутствия людей в забоях

П. И. Николаев, В. В. Зиновьев // Вестник Кузбасского государственного технического универ- ситета. – 2– No– с. 26

Обоснование критерия оптимизации параметров проходческих работ, исключающих постоянное присутствие людей в забоях

Материалы конвента «Кузбасс: образование, наука, инновации». – 2– с. 45-Зиновьев В. В. Модульная система имитационного моделирования традиционных и роботизированных технологий проходки / В. В. Зиновьев, А. Н. Стародубов, П. И. Николаев // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. – 2– No– Т.– с. 46

О подходе к многовариантному анализу роботизации технологий проходки

П.И. Николаев, В.В. Зиновьев, А.Н. Стародубов // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. – 2– No– с. 272-Зиновьев В.В. Реализация модуля системы имитационного модели- рования технологий проведения горных выработок для сравнения схем отра- ботки заходок при проходке штреков / В.В. Зиновьев, А.Н. Стародубов, П.И. Николаев, И.С. Кузнецов // Труды конференции «ИММОД-2019», Екатерин- бург: Урал. гос. пед. ун-т. – 2– с. 428-Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ:

Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее

Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее

Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее

Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

Хочешь уникальную работу?

Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания... Читать все

Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания и проверки (в качестве преподавателя) контрольных и курсовых работ.

#Кандидатские #Магистерские

16 Выполненных работ

Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.

#Кандидатские #Магистерские

108 Выполненных работ

Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.

#Кандидатские #Магистерские

21 Выполненная работа

Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет... Читать все

Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет, реклама, журналистика, педагогика, право)

#Кандидатские #Магистерские

39 Выполненных работ

Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все

Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.

#Кандидатские #Магистерские

158 Выполненных работ

Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написан... Читать все

Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написание письменных работ для меня в удовольствие.Всегда качественно.

#Кандидатские #Магистерские

60 Выполненных работ

Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские дисс... Читать все

Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские диссертации, рефераты, контрольные) уже много лет. Качество работ гарантирую.

#Кандидатские #Магистерские

1486 Выполненных работ

Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские ди... Читать все

Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские диссертации, курсовые работы средний балл - 4,5). Всегда на связи!

#Кандидатские #Магистерские

138 Выполненных работ

Здравствуйте) Имею сертификат специалиста (врач-лечебник). На данный момент являюсь ординатором(терапия, кардио), одновременно работаю диагностом. Занимаюсь диссертац... Читать все

#Кандидатские #Магистерские

13 Выполненных работ