книги / Современные проблемы науки и производства в области горного дела
..pdfболее глубоко познать их механизм и разработать достаточную систему предупреждающих мер.
2. Создание научных основ мониторинга изменений в окружающей природной среде под действием освоения недр
Актуальными представляются следующие области исследований:
–систематизация и параметризация изменений состояния природных объектов при различных техногенных воздействиях на них;
–методы наблюдения и измерения параметров состояния природных объектов, особенно для медленно нестационарно протекающих процессов при малых амплитудах возмущающих воздействий;
–проблемы технического и программного обеспечения мониторинга различных видов.
Систематизированное представление о воздействии горнодобывающих предприятий на природную среду и о соответствующих факторах, важное для научного обоснования мониторинга, раскрывается в связи с анализом отдельных аспектов такого воздействия.
Вид и характер воздействия в первую очередь определяется его источниками. Для горнодобывающих предприятий перечень таких источников известен,
вцелом он постоянен и достаточно изучен. Источники техногенных воздействий на среду полностью соотносятся с технологическими процессами, в которых реализуется геологоразведка полезных ископаемых, инженерное обустройство территории, добыча и переработка полезных ископаемых, строительство поверхностного комплекса и объектов производственной и социальной инфраструктуры. Это – разрушение массива горных пород, их извлечение на поверхность, складирование отходов, перегрузка полезных ископаемых, дробление горных пород и их измельчение при переработке, сушка, окомкование, химическое разложение, транспортирование и многое другое.
Характер воздействия во многом зависит от конкретного сочетания природных ресурсов (с их местными особенностями) и отдельных природных объектов
всоставе лито-, гидро- и атмосферы, в чем состоят конкретные особенности местных биогеоценозов.
Воздействия на природную среду могут быть классифицированы по интенсивности, т.е. по скорости изменения исходного состояния природных объектов – элементов биогеоценозов.
По этому признаку среди воздействий следует различать: катастрофические (приводящие, например, к техногенным землетрясениям или внезапным крупным проседаниям поверхности), сильные (следствием чего являются, в частности, сейсмические нарушения целостности природных откосов), средней силы, слабые и незначительные.
Системность воздействий, как и системность проявления последствий этого, представляет важную их характеристику, и по этому признаку целесообразно различать воздействия системные, комплексные и локальные. К первым следует
151
ELIB.PSTU.RU
отнести образование крупных полостей в геологических блоках (карьерного пространства, например), которое влечет за собой изъятие земель, сокращение площадей сельхозугодий, дренирование поверхностных вод и осушение массива пород в целом, повышение уровня запыленности и загазованности территории, в некоторых случаях изменение геодинамического режима района и многое другое, т.е. имеет следствием глубокое преобразование биогеоценоза по его структуре, исходному состоянию, энергетическому потенциалу, качеству природных ресурсов, биологическому разнообразию, устойчивости.
В сравнении с этим примером системного воздействия засоление почв в результате вымывания атмосферными осадками солей из отвалов пород, образующихся в результате работы калийных рудников, можно отнести к комплексным воздействиям, влияние которых распространяется не на все природные среды, а в некоторых из них не является масштабным и интенсивным.
3. Идентификация экологических процессов, разработка критериев и методов инженерно-экологических и эколого-экономических оценок изменений в окружающей природной среде
Наиболее важным здесь следует считать:
–разработку методов оценки техногенной нагрузки на объекты окружающей природной среды и экологической опасности;
–создание научных основ экологического нормирования техногенного воздействия на природные объекты и природную среду, экологической сертификации и экспертизы;
–совершенствование методов экономической оценки экологических последствий изучения, освоения и сохранения недр;
–установление граничных условий в процессах взаимодействия природных и техногенных геосистем.
Распознавание тех процессов, которые обусловлены взаимодействием природных и техногенных геосистем и могут приобрести экологическую значимость, как и установление необходимых по экологическим условиям ограничений для режима протекания этих процессов возможно лишь в том случае, если может быть установлено и оценено качество природной среды. Вне этого условия исследование каких бы то ни было аспектов обеспечения экологической безопасности освоения недр лишены смысла.
Экологические критерии качества окружающей природной среды включают, в частности, высокую биологическую продуктивность (для данных климатических условий), оптимальное соотношение видов, биомассы популяций, находящихся на различных трофических уровнях. При этом отмечается, что «... высокое (или приемлемое) качество природной среды... означает:
а) возможность устойчивого существования и развития исторически сложившейся, созданной или преобразованной человеком экосистемы в данном месте;
б) отсутствие в настоящем и будущем неблагоприятных последствий у любой (или наиболее важной) популяции (в первую очередь у человека, причем
152
ELIB.PSTU.RU
подразумевается отсутствие неблагоприятных условий для каждого человека), которая находится в этом месте исторически или временно».
Как видно, практически сейчас применяемый и необходимый подходы для оценки качества окружающей среды отличаются друг от друга принципиально.
Научная проблема создания соответствующей теории и методов экологического нормирования качества природной среды при освоении недр очевидна.
Принимая во внимание, что многие важнейшие по масштабу, интенсивности и опасности воздействия на природную среду со стороны горного производства имеют необратимые последствия, следует признать, что сохранить природную среду на территории освоения недр в ее естественном исходном состоянии не представляется возможным.
Поэтому для данного случая единственно реальным подходом является установление качества природной среды совместно с экологическими оценками освоения недр в процессе оптимизации параметров состояния геосистем.
4. Оптимизация экологических параметров природно-технических систем
Для развития этого научного направления необходимо:
–совершенствование моделирования взаимодействия природных и техногенных геосистем как изменяющихся во времени целостных сложных объектов;
–исследование экологического риска в процессах освоения недр;
–выявление, систематизация и установление закономерностей изменения свойств природно-технических систем (целостности, устойчивости и др.).
Вгорной экологии оптимизация связана в первую очередь как с необходимостью, так и с особенностями установления граничных условий развития техногенных геосистем в процессах их взаимодействия с природными объектами при освоении недр с целью обеспечения экологической безопасности.
Такая ориентированность науки находит свое выражение в постановке задач оптимизации.
Для биологических, экологических систем задачи их изучения ставятся
ипоследовательно усложняются исследователями, руководствующимися во многом возможностью использования разработанных методов их решения, которые, в свою очередь, основаны на достижениях математических или физикоматематических разделов науки.
Решение многих задач экологии, где устанавливаются параметры изменения численности популяций, основано на использовании и развитии ставшего классическим математического аппарата, созданного В. Вальтерра для исследования процессов борьбы за существование.
Сейчас практически повсеместно экологические задачи решаются с применением математических моделей, в которых процессы описываются дифференциальными уравнениями.
Взадачах экологической оптимизации, понимаемой в широком смысле, самостоятельное и большое значение могут приобрести оценки экологического
153
ELIB.PSTU.RU
риска. В настоящее время исследования экологического риска имеют постановочный характер, однако экологическое состояние большинства горнопромышленных регионов таково, что оценки экологического риска осуществления хозяйственных и технических мероприятий, связанных с освоением недр и изменяющих экологическую ситуацию, приобретают жизненную важность.
Таким образом, анализ положения дел показывает, что освоение недр порождает крупные экологические проблемы. В их решении важнейшее значение с научной точки зрения имеет устранение все более очевидного расхождения между системным, интенсивно расширяющимся и углубляющимся взаимодействием окружающей природной среды с техногенными объектами и процессами и в основном описательным, фрагментарным характером существующих знаний со слабо развитой расчетно-аналитической базой, что обусловлено необходимостью устранения лишь непосредственно наблюдаемых отрицательных экологических последствий осуществления локальных технических решений. К этому следует добавить, что темпы, которыми идет накопление новых горноэкологических знаний, существенно уступают темпам, с которыми происходит усугубление экологической ситуации в горнодобывающих регионах.
Научное развитие в области горной экологии должно быть ориентировано в связи с этим в направлении придания исследованиям системного аналитического характера, отвечающего особенностям функционирования природнотехнических (природно-экономических и др.) геосистем, в которых реально организуется освоение недр.
Список литературы к разделу 3.3
1.Одрин А.А. Проблемы эколого-экономической оценки состояния и перспективы добычи угля в Кузбассе // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1994. – № 2. – С. 142–147.
2.Реймерс Н.Ф. Охрана природы и окружающей среды: словарь-спра- вочник. – М.: Просвещение, 1992.
3.Осипов В.И. Геоэкология – междисциплинарная наука об экологических проблемах геосфер // Геоэкология. – 1993. – № 1. – С. 4–18.
4.Реймерс Н.Ф. Экология (Теории, законы, правила, принципы и гипотезы). – М.: Россия молодая, 1994.
5.Певзнер М.Е., Костовецкий В.Н. Экология горного производства. – М.:
Недра, 1990.
6.Экология горного производства / Г.Г. Мирзаев [и др.]. – М.: Недра, 1991.
7.Иванов Б.А. Инженерная экология. – Л.: Изд-во Ленингр. горн. ин-та, 1989.
8.Красавин А.П. Защита окружающей среды в угольной промышленно-
сти. – М.: Недра, 1991.
9.Колосов А.В. Эколого-экономические принципы развития горного производства. – М.: Недра, 1987.
154
ELIB.PSTU.RU
10.Мазур И.И., Молдованов О.И. Введение в инженерную экологию. – М.:
Наука, 1989.
11.Астахов А.С., Диколенко Е.Я., Харченко В.А. Экологическая безопас-
ность и эффективность природопользования. – М.: Изд-во Моск. гос. горн.
ун-та, 2003. – 323 с.
12.Певзнер М.Е. Горная экология: учеб. пособие. – М.: Изд-во Моск. гос.
горн. ун-та, 2003. – 396 с.
13.Куликова Е.Ю. Теоретические основы защиты окружающей среды в горном деле: учеб. пособие. – М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2005. – 611 с.
14.Мироненко В.А., Румынин В.Г. Проблемы гидроэкологии: в 4 кн. – Т. 1 – 611 с., Т. 2 – 394 с., Т. 3 (1) – 312 с., Т. 3 (2) – 504 с. – М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2002.
15.Смирнов А.М. Основы геоэкологического мониторинга угольных шахт. – М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2003. – 268 с.
16.Куликова Е.Ю. Методология выбора экологически безопасных технологий подземного строительства: учеб. пособие. – М.: Изд-во Моск. гос. горн.
ун-та, 2005. – 342 с.
17.Коваленко В.С., Голик Т.В. Рекультивация нарушенных земель на карьерах: учеб. пособие: в 2 ч. Ч. 1. Основные требования к рекультивации нарушенных земель. – М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2003. – 165 с.
18.Куликова Е.Ю. Подземная геоэкология мегаполисов: учеб. пособие. – М.: Изд-во Моск. гос. горн. ун-та, 2005. – 611 с.
3.4. Горная информатика
Горному делу свойственна в значительной степени неопределенность данных, служащих базой для принятия различных решений, и как следствие этого обстоятельства – часто наблюдаемое неподтверждение ожидаемых результатов реализации этих решений.
Такое явление подтверждается широкой практикой производственной апробации научных выводов и рекомендаций, многочисленными фактами отклонения фактических показателей работы горных предприятий от предусмотренных в проектах или планах работ.
Подобное положение следует считать закономерным для горного дела, но проблема состоит в том, чтобы при освоении недр иметь возможность понимать и определять меру неопределенности информации (соответственно, меру достоверности решений), необходимую и достаточную в каждом конкретном случае.
3.4.1. Информатизация в горном деле
Горные предприятия с точки зрения изучения, проектирования и управления относятся как геосистемы к высшей категории сложности. Они представляют собой многопараметрические и многофакторные природно-технологические
155
ELIB.PSTU.RU
объекты, развивающиеся в пространстве в течение длительного времени (20–30 лет и более) и характеризующиеся большими объемами различного вида информации:
– геологической, включающей в себя результаты экспериментальных исследований свойств и качественного состава полезных ископаемых, других георесурсов и вмещающих пород, характеристику напряженно-деформированного состояния и структурных неоднородностей породного массива, гидрогеологические особенности и структуру месторождений и процессов, происходящих
внедрах при их освоении;
–геометрической, включающей элементы месторождений полезных ископаемых и других георесурсов, а также технологии горных работ, рассматриваемые в трехмерном пространстве горного отвода;
–технологической и технической, включающей параметры и качественные характеристики элементов горных выработок, горно-транспортного оборудования и технологических процессов;
–экологической, отражающей взаимодействие технологических процессов горного производства и природных объектов – недр, поверхности земли, окружающей атмосферы, водных ресурсов;
–экономической, содержащей показатели и оценки расхода ресурсов, показатели ценности продукции, интенсивности и эффективности производства работ и т.д.
Большое значение имеет также систематическое пополнение информации
орезультатах научно-исследовательских работ.
Основные параметры и определяющие факторы (геометрии, количества, качества, динамики) находятся в сложной взаимосвязи и в комплексе составляют для каждого объекта настолько значительный информационный массив данных, что получение достоверных выводов в большинстве задач изучения освоения недр, принятия решений в проектировании и управлении горным предприятием возможно лишь на основе компьютерных информационных систем.
В обобщенном виде процесс информационного обеспечения в любой области деятельности включает три стадии: измерение и регистрация данных об объекте; обработка, отбор и хранение данных; анализ, обобщение и выработка альтернатив решений. Каждая из перечисленных стадий обеспечивается соответствующей подсистемой: информационно-измерительной, информационновычислительной, моделирующей и т.д. Системный подход в информационном обеспечении изучения освоения недр, а также работы горных предприятий реализуется с помощью информационных (компьютерных) технологий, представляющих определенную последовательность процедур, характерных для всех трех стадий. При этом используется различная по форме информация об объекте: описательная (текстовая часть отчетов и проектов, заключения); графическая (карты, разрезы, графики, номограммы); цифровая (показатели свойств, состава,
156
ELIB.PSTU.RU
параметров состояния среды, результаты работы оборудования и предприятия); аналитическая (зависимость качества, состояния, структуры и геометрии объекта от координат пространства и времени).
Информационные технологии при их использовании в горном деле обеспечивают новый качественный уровень сбора, накопления, обработки информации о различного рода горных и природных, в том числе геологических, объектах при проектировании и конструировании сложных природно-техноло-гических систем на базе АИС (автоматизированная информационная система), САПР (система автоматизированного проектирования) и др. Это позволило значительно увеличить объемы оперативно обрабатываемой информации, агрегировать разнородные информационные массивы (геологические, геометрические, технологические и др.) в задачах управления, математического моделирования и оптимизации горных предприятий, повысить достоверность принимаемых решений.
Информационное обеспечение технологическими процессами на уровне АСУТП (автоматизированная система управления технологическими процессами) состоит в представлении необходимой информации в систему диспетчерского управления с целью оперативного обнаружения критических ситуаций, информативной поддержки решений по предупреждению и ликвидации нарушений в ходе производства. На более высоком уровне организации используется АСУП (автоматизированная система управления предприятием), состоящая из модулей, накапливающих технологическую информацию в иерархическом порядке и представляющая технико-экономическую и горно-техническую информацию о предприятии в целом.
На первом этапе автоматизация технологических процессов была основана на использовании локальных систем и средств получения первичной информации с принятием решения без учета других факторов. В дальнейшем перевод машин и оборудования на путь автоматизированного управления выявил несогласованность при совместном взаимосвязанном управлении ими. Поэтому при значительном увеличении потока поступающей информации стали применять современные средства вычислительной техники, обеспечивающей выполнение большого числа вычислительных операций в реальном масштабе времени с разработкой алгоритмов, по которым может быть обработана информация для выявления опасных тенденций в поведении рудничной среды, предаварийных ситуаций.
Горная информатика явилась следствием и продолжением работ по САПР горных предприятий, АСУТП и АСУП и сформировалась в результате развития методов измерения и математического моделирования, отвечающих уровню современных компьютерных технологий и связывающих единой информационной базой объекты и задачи физики, геологии, горного дела, топографии, горной экологии и экономики.
Общая тенденция нарастания компьютеризации в мировой практике оказывает непосредственное влияние на горные науки и приводит к необходимости
157
ELIB.PSTU.RU
пересмотра взглядов на значение собственно информации и информационной деятельности. Если до недавнего времени в нашей стране информатизация сводилась лишь к процессам обмена научно-технической информации, к разработке информационно-поисковых систем, то сейчас основной интерес состоит в системном анализе, обобщении и интерпретации комплексной разноуровневой информации. При этом открылось очень важное следствие компьютерного развития – объективно обусловленная необходимость переоценки значения собственно информации и процессов ее производства, хранения, преобразования
ипотребления, а свойство компьютера быть универсальным преобразователем информации делает распространение современных информационных технологий всеобъемлющим.
Создание и развитие информационных систем для горно-геологического научного комплекса проходило в два этапа. На первом этапе возникли методы
исредства разовых измерений основных физических свойств и качественных характеристик полезных ископаемых и вмещающих пород. Далее были разработаны средства для автоматизации таких измерений при исследовании горных
пород, затем – автоматизированы функции регистрации, хранения, анализа и воспроизведения простейшей информации.
Доступ в ЭВМ на втором этапе обеспечил в 60–70-е годы прошлого века развитие программного обеспечения – отдельных программ, реализованных
ввиде картографической базы данных, увеличение мощности ЭВМ. Созданная
в70–80-х годах система программ обеспечила возможность обработки и анализа пространственных данных. Последнее десятилетие привело к созданию автоматизированных систем обработки и банков данных, возможности построения и анализа моделей и т.д.
Вгорной информатике большое значение имеют следующие обстоятельства.
Во-первых, представление о предмете горных наук в целом. Если, как было признано ранее, горные науки изучают производство на всех его стадиях – моделирования (проектирования), создания и далее, вплоть до ликвидации горных предприятий, и делается это с учетом эксплуатации месторождений полезных ископаемых, изменяющих свои свойства горных массивов, результирующих показателей деятельности, то внешний контур необходимого информационного массива данных, каким бы большим этот массив не был, будет соответствовать «предельной» проблеме: что есть горное производство и в какой степени совершенным оно может быть?
Втом случае, если эта «предельная» проблема интерпретируется так, чтобы установить, что есть техногенно-изменяемые недра Земли и насколько рациональным с позиций устойчивого развития существующих ныне и будущих поколений должно быть их преобразование исходя из общего критерия сохранения и увеличения сосредоточенного в них национального богатства в результате выявления в недрах и применения новых георесурсов, то внешний контур инфор-
158
ELIB.PSTU.RU
мационного массива и его внутренняя структура, а также интегральный критерий развития будут уже иными.
Во-вторых, информация в горном деле обладает двойственной природой – она объективна, как и любая другая, но она же наряду с этим имеет четкий адрес. Этот адрес подразумевает конкретное лицо, принимающее решение (ЛПР), а точнее – должностное положение такого лица, реализующего соответствующие этому положению функциональные обязанности в иерархии управления освоением и сохранением недр. К категории ЛПР необходимо отнести также ученых, изучающих недра в горном деле в тех или иных областях знаний в меру своей профессиональной ориентации, должностной и научной компетенции. С этой же точки зрения следует рассматривать и работников высшей горной школы.
Поскольку проблемы информации в горном деле должны рассматриваться
всвязи с принятием конкретных решений (с точки зрения науки, проектирования, управления производством, социальной ориентации коллективов трудящихся, оздоровления экологической ситуации, повышения профессионального уровня работников управления и др.), сама информация всегда организована
впроблемно ориентированные информационные системы с более или менее устойчивой структурой и четкими границами. В наибольшей степени устойчивость и определенность границ в системах информации свойственны горному образованию, проектированию горных предприятий и управлению ими, в наименьшей – научным исследованиям.
При этом расширение границ применения современных информационных технологий в горном деле в силу своей природы вносит весьма сильную регламентацию в весь процесс пользования информацией, делая совершенно необходимым сквозную информационную совместимость, в частности, в разработке баз данных и банков знаний. Такой регламентацией сейчас охватывается и научная деятельность. Информация структурируется и системно организуется в целом по областям знаний горных наук, в них – по отдельным горным наукам, затем – по соответствующим основным научным направлениям, задачам, темам и т.д.
Аналогично обстоит дело и в горных вузах, где «банки знаний» и «базы данных» соответствуют учебным специальностям и специализациям. В равной степени это относится и к научным квалификационным специальностям.
В-третьих, исходя из положения и системной организации информации предъявляют соответствующие требования (или допущения) к ее составу, объему, достоверности и другим характеристикам. Так, для аппарата управления предприятием многие требования к информации становятся понятными из Стандарта предприятия и разрабатываемых на его основе положений о функциональных отделах и должностных обязанностях работников этих отделов. Для проектировщиков требования к информации следуют из Методики проектирования предприятий и Норм технологического проектирования, разрабатываемых
159
ELIB.PSTU.RU
иутверждаемых в недавнем прошлом в каждой отрасли горнодобывающей промышленности.
Вцелом, применительно к промышленности, можно привести весьма обширный перечень различных нормативно-технических документов, обязательных к использованию и дающих вполне определенное представление об источниках получения, составе, объеме требуемой информации.
Многие параметры необходимой информации задают исходя из специфики
иназначения тех или иных способов воплощения информационных технологий. Так, необходимость автоматизации технологических процессов и оперативнодиспетчерского управления может быть вызвана усложнением внутрипроизводственных связей, в частности, из-за ухудшения горно-геологических условий разработки месторождений, интенсификации горных работ, становления рыночных условий хозяйствования или по другим причинам. Этим определяются новые требования к информативной оперативности и достоверности, уровню организации управления технологическими процессами и предприятием в целом. Уровень же автоматизации технологическими процессами зависит от возможно-
сти осуществления самого автоматизированного оперативного контроля, что в большинстве случаев ограничивается отсутствием методов такого контроля.
Автоматизированные системы управления производством разрабатывают исходя главным образом из его организационной структуры, а также из требований документооборота и отчетности.
Следует заметить, что совокупности требований к информации, обеспечивающей принятие тех или иных решений по поводу освоения недр на всех уровнях и во всех формах деятельности, сами составляют подобно системам информации некие не вполне определенные системы. Так, например, методы анализа вещественного и минерального состава твердых полезных ископаемых, используемые в практике геолого-разведочных работ, могут в некоторых случаях определить выбор способа разведки месторождений и их оценку, что, в свою очередь, обусловит производственную мощность предприятия, степень полноты и комплексности освоения запасов, многие экономические и экологические характеристики производства.
В-четвертых, когда речь идет об информации в горном деле, обычно подразумевается информация знаковая (число, точка, линия, буква). Это дает возможность оценивать объем информации, ее качество с точки зрения создания условий для сбора, передачи, обработки и т.д. Вместе с тем инженерный или научный вывод (это хорошо известно горнякам) никогда не основан на операциях только с такой информацией. Вывод, решение в горном деле всегда подразумевает использование неформализуемой информации, объем которой зависит от опыта ЛПР и его интеллекта, интуиции, знания общей для данной задачи обстановки. Причем чем масштабнее задача, тем более значимы последствия ее решения, чем больший объем знаковой информации привлекается для этого, тем более значимой, преимущественной, становится роль информации неформали-
160
ELIB.PSTU.RU