Роль русских и отечественных ученых в развитии теории проектирования

Возникновение горного дела теряется в седой древности человечества. Тысячелетиями накапливался у разных народов опыт производства горных выработок (разработок), первоначально крайне примитивных. Каждое новое горное предприятие сооружалось по примеру существовавших ранее. В течение столетий новшества вносились редко, технический прогресс был медленным. Убыстрение этого прогресса началось в ХІХ веке, в процессе внедрения в горную промышленность пара, а затем и электричества.

Строить новые шахты на примерах существующих, при применении механической энергии оказалось уже недостаточным. Надо было находить новые технические решения вопросов.

Эта потребность породила стремление к разработке и внедрению в проектную практику шахтостроения и при эксплуатации шахт инженерных расчетов.

Однако применение расчетных методов требует предварительной разработки их теории.

В фундаментальной разработке методов решения столь важных многовариантных задач проектирования горных предприятий приоритет всегда принадлежал представителям русской и советской горной науки. Еще в ХVIII веке появились первые работы применения аналитических методов к решению отдельных вопросов горного производства.

Гениальный М.В.Ломоносов, который во многих областях науки на сотни лет опередил свое время, и здесь сказал свое слово. В знаменитом сочинении «О вольном движении воздуха в рудниках примеченном» он впервые дает правильную теорию естественного проветривания подземных выработок, основанную на физических свойствах столбов воздуха разных температур, и излагает эту теорию, как он сам выражается, «математическим порядком». Ему же принадлежит термин «горная геометрия» в главе «О измерении рудников» в книге «Первые основания металлургии или рудных дел».

Главнейший рассадник горный знаний в России – «Горный журнал» - был основан в 1825 году.

В 1843 году в Петербурге вышел в свет «Курс горного искусства», составленный «корпуса горных инженеров капитаном» А.И.Узатисом. Это был курс лекций, читанных в Горном институте.

В предисловии автор пишет: «…я не чуждался математического анализа, когда его изложение считал особенно важным, для точности и положительных сведений». А.И.Узатис математические расчеты (очень элементарные) применяет в соответствии с техникой того времени – определение высоты подъема воды в скважине, времени ее проведения, прочности крепи деревянной и каменной и т.д.

С началом текущего столетия совпало начало замечательной деятельности Б.И.Бокия. Еще в 1902 году им опубликована большая статья «Разработка каменноугольных пластов большими выемочными полями», где Б.И.Бокий стал твердо и решительно на путь применения математического анализа при проектировании вскрытия и системы разработки месторождений. Б.И.Бокий является основоположником этого нового течения в горной науке.

Его обширный труд «Выбор системы работ при разработке свиты пластов» отдельными статьями печатается в «Горном журнале» в 1903, 1904, 1911 и 1915 годах и др.

Б.И.Бокий скончался в 1927 году в возрасте 54 лет и его капитальный труд «Аналитический курс горного искусства» с подзаголовком «Проектирование рудников» вышел в свет в 1929 году.

В 1908 году М.М.Протодьяконов впервые публикует свою «теорию свода» и работал над ней в течение всей своей жизни.

В 1904 году вышла в свет капитальная диссертация Аю.А.Скочинского «Рудничный воздух и основной закон его движения по выработкам», идейное содержание которой определило направление его научной деятельности.

В 1905 году выдающимся трудом была диссертация А.М.Терпигорьева «Разбор систем разработки каменного угля, применяемых на рудниках Юга России, в связи с подготовкой месторождений к очистной добыче», где наряду с описательным материалом также была развита математическая часть.

Наряду со статьями в журналах или сборниках трудов научно-исследовательских институтов к настоящему времени уже опубликовано большое количество книг сводного или монографического характера, в которых в большей или меньшей степени изложены расчетные методы для проектирования шахт или карьеров в их горной части. Сюда относятся книги Б.И.Бокия (1929), А.И.Стешенко (1930), А.С.Попова (1932), И.А.Кузнецова (1932), П.З.Звягина (1935), Л.Д.Шевякова (1935, 1950), М.И.Агошкова (1948), П.И.Городецкого (1949, 1955), Е.Ф.Шешко (1957), А.С.Фиделева (1956) и др.

В конце XIX и в начале ХХ в. трудами А.И.Узатиса, И.Фалькнера, Б.И.Бокия, А.А.Скочинского, М.М.Протодьяконова, А.М.Тернигорьева, Л.Д.Шевякова и др. были изложены основы проектирования горных предприятий.

Б.И.Бокий впервые в отечественной горнотехнической литературе привел аналитическую формулу для расчета оптимального размера шахтного поля по простиранию, которая получена им методом исследования стоимостной функции на минимум.

Работы Л.Д.Шевякова и П.З.Звягина увеличили число аргументов до трех (в задаче оптимизации производственной мощности шахты, размера шахтного поля по простиранию и числа этажей).

В последующих работах А.С.Попова, П.З.Звягина, В.И.Голомзина и др. число независимых параметров функции цели возрастает до пяти, а перечень элементов затрат – до десяти и более.

Помимо основных параметров шахты, номенклатура которых не подвергалась существенным изменениям в течение многих лет были разработаны методики оптимизации и целого ряда других пераметров и качественных характеристик. В это внесли свою лепту такие ученые как С.М.Липкович, Б.С.Локшиным, М.И.Устинов, С.С.Квон и др.

В 50-е и 60-е годы характерным в развитии теории проектирования угольных шахт является широкое внедрение в практику проектирования большого числа математических методов: метод градиентов, линейного программирования, сетевые методы и др.

При этом появляется возможность решать некоторые частные задачи не одним, а с помощью 2 – 3 разных математических методов, а следовательно, сравнивать их относительную эффективность.

Выбору оптимальных параметров разработки угольных месторождений на базе применения математических методов посвящено много оригинальных работ И.Е.Атлас, проф. Д.Ф.Борисова и А.П.Судоплатова, д.т.н.Голомолзина В.И. и А.М. Найдыша, чл.-корр. АН УССР К.И.Татомира, д.т.н. Б.А.Розентретера, Н.Г.Капустина, С.М.Липковича, А.М.Курносова, М.И.Устинова, С.С.Квона, С.В.Цоя, А.П.Килячкова, д.экон.наук Н.И.Иванова и А.С.Астахова и др.

Несовершенство математического аппарата и необходимость проведения сложных и громоздких расчетов по определению качественных и количественных характеристик горного производства потребовало известной схематизации сложных явлений.

Развитие современных методов операционных исследований позволило подойти с новых позиций к решению сложных и многовариантных задач проектирования горных предприятий, значительно увеличив быстроту и точность расчета, учесть взаимное влияние ряда факторов, которые ранее не учитывались или применялись постоянными.

При этом все расчеты оказалось возможным производить на современных электронно-вычислительных машинах (ЭВМ) и выполнять по наиболее точным зависимостям.

Первые работы с использованием методов операционных исследований и ЭВМ для проектирования горных предприятий, опубликованные в 1962 году проф. К.К.Кузнецовым, проф., д.т.н. Бурчаковым А.С., Шориным А.Г., к.т.н. А.И.Митейко, д.т.н. А.Г.Курносовым, С.В.Цоем, М.И.Устиновым, В.П.Покрасом и др., а также ведущих экономистов угольной промышленности д.экон.н. А.С.Астахова и Н.И.Иванова и др. легли в основу нового метода проектирования – метода «комплексной оптимизации» проектных решений.

 

В целом весь период развития теории проектирования можно условно разделить на 4 характерных этапа:

· I этап – срок до 1900 года. Характеризуется принятием решений с использованием данных опыта и необходимых инженерных расчетов, которые в основном касались механической части. Как правило, параметры шахты принимались по данным опыта. Пример тому работы М.В.Ломоносова, А.И.Узатиса и др. Приоритет теории проектирования за русскими учеными.

· ІІ этап – с 1900 года по 1930 год. Характеризуется развитым методом оценки различных параметров шахт. Обобщив опыт работы и изменение параметров шахт, проф. Б.И.Бокий предложил оценивать параметры шахты путем минимизации стоимостной функции (т.е. если взять все затраты, зависящие от линейного размера и отнести их на 1 т запасов, то получим параболическую зависимость).

Этот период называют периодом локальной оптимизации. Большой вклад внесли ученые А.А.Скочинский, А.М.Тернигорьев, И.Д.Шевяков, который и возглавил школу проектирования, и др. ученые.

· ІІІ этап – начало 1930 года по 1960 год. В этом этапе идет бурное развитие методов оценки проектных решений и выбора многих параметров шахт при одновременной их оценке. Этот период называют этапом комплексной оптимизации (если оптимизация начиналась с 2-х, а затем 3-х и т.д. параметров, то количество одновременно оптимизированных параметров достигло 30 и по ним возникла возможность составлять экономико-математическую модель).

· IV этап – продолжение 1960 года и по настоящее время. Этот этап называют «комплексная оптимизация с применением ЭВМ» или операционный этап. В этот этап большой вклад внесли ученые М.И.Устинов, С.С.Квон, Н.И.Иванов и др.

В последнее время дебатируют о том, что стоит ли оптимизировать все имеющиеся параметры. Например, нецелесообразно оптимизировать параметр, который не постоянен из-за горно-геологических условий – так, как длина очистного забоя. И стоит ли такой параметр включать в модель для определения постоянной мощности шахты.

Необходимо разделить параметры на части – сильно изменяющиеся и не сильно. А параметров в модели – 30. А основное правило ЭВМ – перебор вариантов. Так, если каждый из 30 параметров имеет 10 значений, то количество вариантов 30¹⁰. При современных ЭВМ – т.е. 50 000 операций в секунду, то на этот перебор уйдет 1,5 – 2,0 года.

Поэтому пока и невозможно унифицировать район, месторождение шахты. Т.Е. для каждой шахты свои интендичные особые условия. Таким образом, мнение о необходимости определить, какие параметры более постоянны (основные) и подлежат оптимизации, заслуживает большого внимания.