Блеск и нищета прогнозирования

Интересная статья на сайте “Ассоциации механиков” (в оригинале - напечатана в журнале "Уголь Украины", №10 (574), октябрь 2004) - "Блеск и нищета прогнозирования", в которой охарактеризована современная проблематика прогнозирования внезапных выбросов угля, породы и газа.

Б. М. Деглин, канд. техн. наук,
ООО "ЗВУКОУЛАВЛИВАЮЩАЯ АППАРАТУРА", Донецк, Украина

Динамические и газодинамические явления в шахтах - классический образец междисциплинарной проблемы, охватывающей экономические, социальные, научные (в широком спектре теоретических и прикладных наук) и технические вопросы. Решение такой проблемы под силу только обществу в целом. Важная часть ее - диагностика массива и прогнозирование его состояния. Уточним, речь пойдет о так называемом "текущем" прогнозе выбросоопасности, применяемом при ведении очистных и подготовительных работ.
Известно, что внезапные выбросы угля и газа - относительно редкое событие: они происходят на небольшой части выбросоопасного пласта (в среднем, менее 1% отрабатываемой площади, на отдельных участках - до 5%). Примерно такова и та доля пласта, которая нуждается в профилактической обработке, при условии, что эта обработка эффективна, а средства диагностики точно указывают на опасную часть пласта. При отработке остальной части пласта (95-99% общего объема) профилактические мероприятия заведомо не нужны.
Дальнейшее использование этого знания может идти разными путями, а именно: для безопасного ведения горных работ необходимы средства прогнозирования опасных ситуаций и эффективные меры борьбы с опасностью; для повышения экономической эффективности ведения горных работ без снижения безопасности требуются средства надежного прогнозирования безопасных ситуаций. Другими словами, для обеспечения безопасной отработки пласта необходимо знать о наличии опасности, а для эффективной работы - об отсутствии опасности и возможности не выполнять профилактические мероприятия. Можно показать, что при внешне общих исходных посылках решение таких задач принципиально отличается.

На современном уровне понимания проблемы, точное ее разрешение достижимо только при прогнозировании безопасных ситуаций / 1 /. Утверждения о возможности прогнозирования опасных ситуаций по одному контролируемому параметру являются осознанным или неосознанным заблуждением, за исключением некоторых специальных случаев. Еще в 1978г. проф. В. И. Николин отмечал, что прогнозирование опасных ситуаций малоэффективно и решает только экономическую сторону проблемы / 2 /, но в нормативных документах это важное замечание отражения не нашло.

Прогнозирование любым из известных методов, в сущности, сводится к стремлению повысить эффективность ведения горных работ без снижения безопасности, т.е. практический интерес представляют ситуации, в которых можно отменить дорогостоящие профилактические мероприятия. Если такой уверенности нет, то их выполняют или уточняют прогноз доступными средствами. Иными словами, прогнозируется безопасная ситуация независимо от ее названия в соответствующем нормативном документе. Именно эта задача решается со значительным экономическим эффектом и обеспечивает авторитет прогнозам всех видов.

Примечание 1: Теперь ясно, что вопрос о том, сколько газодинамических явлений удалось спрогнозировать каким-либо конкретным способом прогноза выбросопасности, неправомерен по двум причинам:
  • во-первых, целью прогноза (но пока еще неявно выраженной) является безопасная ситуация;
  • во-вторых, при прогнозе "опасно" в традиционном понимании этого слова применяют мероприятия по предотвращению ГДЯ, которые принято считать достаточно эффективными. Ожидать хорошего подтверждения прогноза после их применения не приходится.
Например, при использовании акустической эмиссии, подтверждаемость прогноза "безопасно" равна 100%, если учесть общее количество прогнозов и количество ошибок за весь период наблюдений. Для прогноза "опасно" статистика невыразительна, называемая оценка надежности прогноза "опасно" около 30%. Приблизительно таким количеством ГДЯ, происходящих в так называемых потенциально опасных зонах, подтверждаются прогнозы "опасно". Подобным образом обстоит дело и при других способах прогноза.

При таком понимании возможностей и цели прогнозов, программа развития технических средств и методов текущего прогноза состоит, по нашему мнению, из нескольких принципиальных разделов.
  1. Прогнозирование, по определению, представляет собой экстраполяцию некоторого наблюдаемого параметра за пределы, ставшие известными при измерениях. Поэтому все виды прогнозов могут и должны быть оценены по потенциальной информативности измеряемого параметра и по численной величине информационного потока, который поступает в течение интервала наблюдения. Потенциальная информативность отражает совершенство применяемых технических средств и методики их применения. Очевидно, что достоверность прогнозирования возрастает с увеличением информативности.
  2. Технология применения прогноза должна быть согласована:


    • с потенциальной информативностью наблюдаемого параметра;
    • с возможностью получать информацию с заданной частотой (контролировать так называемый "предвестник" по мере необходимости или в соответствии с изменчивостью состояния массива);
    • с методической возможностью судить по измеряемой величине об изменении состояния массива, т.е. с тем, насколько тесно связан доступный измеряемый параметр с теми, которые точно описывают ситуацию, но труднодоступны в эксперименте и т.п.

  3. Общие принципы прогнозирования должны учитывать принципиальную неосуществимость абсолютной безопасности / 3 /. Все технические и организационные решения необходимо завершать расчетами цены безопасности и цены опасного события. Методика расчетов должна быть включена в нормативные документы для того, чтобы суммарные риски были минимизированы на приемлемом уровне, так, как это делается в авиации и вообще на транспорте при проектировании защиты пассажиров. Если защиту горняков невозможно обеспечить при разумных расходах на безопасность - такой участок отрабатывать нельзя.
  4. Необходимо изменить подход к испытаниям методов и технических средств прогноза.
  5. Нормативные документы по безопасности ведения горных работ должны быть отредактированы в части терминологии так, чтобы не вводить читателей в заблуждение относительно целей прогнозирования и возможностей выбранного способа.
Ни одна из перечисленных групп вопросов не имеет сегодня окончательного решения. Но методологические подходы таковы.

Информативность измеряемого параметра. На вопросы первого раздела можно получить наиболее быстрый ответ. Методика оценки потенциальной информативности по Шеннону / 4 / позволяет оценить информативность данных, поступающих в результате использования конкретных измерительных процедур. Потенциальная информативность возрастает при расширении диапазона изменения измеряемого значения и разрешающей способности примененных технических средств. На языке теории информации - при увеличении числа возможных состояний объекта и вероятности пребывания в каждом из них. Имеется положительный опыт применения этого метода к задаче оценки информативности потоков данных, поступающих от звукоулавливающей аппаратуры разного технического уровня / 5 / и нет принципиальных препятствий при осуществлении подобных оценок для других средств прогнозирования.

Распределение вероятностей частных значений измеряемых параметров позволяет судить о возможностях конкретных типов аппаратуры и методов прогноза. Энтропия ансамбля - S (pi*log pi), вычисляемая по распределениям вероятностей, представляет собой меру потенциальной информативности сообщений. Распределения подобного вида комплексно характеризуют физические возможности любых способов получения информации и особенности их применения в конкретном забое. Если в "сообщениях" - результатах опросов горного массива - присутствуют преимущественно помехи измерений (большие методические ошибки) или эти результаты изменяются хаотически (большие инструментальные погрешности маскируют ожидаемый эффект), то потенциальная информативность метода снижается. Такую оценку можно использовать для совершенствования методики измерений, а также сравнения качества технических средств.

Заметим, что в литературе по проблеме прогноза выбросов, как правило, отсутствует какой-либо анализ достигнутой точности и совершенства методики применения технических средств по сравнению с необходимыми при проведении конкретных исследований, тем более, при практическом использовании результатов. Преобладают сравнительные оценки средств без выводов о достаточности или недостаточности достигнутого технического уровня. Очевидно, что технические и методические ошибки требуют самого пристального внимания, поэтому такая информация должна быть доступна всем заинтересованным лицам и организациям независимо от ведомственной принадлежности.

Второй вопрос сложнее, на него можно получить ответ при общем понимании того, что в каждой конкретной ситуации существуют ведущие и вторичные факторы, обусловливающие опасность ГДЯ. По нашему мнению, горное давление во всем комплексе вопросов, относящихся к компетенции геомеханики призабойной части массива, определяет формирование опасных ситуаций. Как известно, горное давление изменяет физико-химические и физико-механические характеристики и управляет режимом фильтрации метана из призабойной части пласта. Только на последней, катастрофической, стадии развития ситуации роль газа существенно возрастает и может стать преобладающей.

Следовательно, зная скорость перераспределения напряжений в призабойной части массива, можно оценить необходимую частоту опробований угольного пласта. Сделаем это на основании результатов работы МакНИИ / 6 /, в которой приведены оценки для скорости перемещения волны нагрузки в призабойной части пласта. Если воспользоваться данными авторов для скорости движения эпюры горного давления, несложно вычислить, что восстановление опасной ситуации может произойти за 10-30 минут. Эта оценка скорости правдоподобна, поскольку известны и другие работы, приводящие практически к тем же исходным данным. Например, статистика наблюдений с помощью звукоулавливающей аппаратуры разных типов в течение почти пятидесяти лет дает такие же результаты. Наблюдения "вызванной" акустической эмиссии показывают, что воздействие на забой нарушает равновесие сил в массиве и приводит к увеличению числа регистрируемых в единицу времени импульсов акустической эмиссии. После прекращения воздействия на забой (если, конечно, не случится ГДЯ), активность акустической эмиссии - звукового сопровождения пластических деформаций - снижается до уровня, предшествовавшего началу работ, за время от нескольких минут до нескольких десятков минут. За это время зона опорного давления перемещается в пространстве, и динамическое равновесие действующих в массиве сил восстанавливается в новом положении.

Примечание 2: Если для восстановления равновесия необходимы столь большие времена, то это означает, что механика призабойной части массива - это механика существенно нелинейной среды и что методы теории упругости здесь имеют весьма ограниченную применимость, главным образом, при решении задач для относительно быстрых процессов, например, о взрывной отбойке массива, распространении звуковых волн и т.п.

Отсюда следует, что для удовлетворительного описания процессов в массиве, необходимо иметь информационную сеть, которая должна получать оценки состояния массива, по крайней мере, дважды за указанное время установления нового динамического равновесия. Этот вывод базируется на фундаментальной теореме Найквиста-Котельникова из теории информации / 4 /. Практически частоту опросов принимают большей в 1,5 - 5 раз, чем частота Найквиста.
Таким образом (первый вывод), для полноценного функционирования шахтная система контроля состояния выбросоопасного пласта не может получать данные реже, чем один раз в 10 мин. Соответственно, не реже, чем один раз в 10 мин необходимо выдавать прогнозные заключения. При невыполнении этого требования система контроля выбросоопасности (по любому параметру) не справится со своей задачей. Прогноза, имеющего такую оперативность, нет, как нет и обходного пути для решения этой задачи.

Примечание 3: Обзор применяемых для прогноза технических средств показывает, что исключением, с точки зрения оперативности, является прогноз по акустической эмиссии массива. Несмотря на то, что применяемая в настоящее время методика сейсмоакустического прогноза предусматривает выдачу прогнозных заключений лишь один раз в сутки (по правилу "двух точек") и/или один раз в час (по правилу "критического превышения"), не существует принципиальных затруднений для повышения оперативности прогнозов. В частности, в ООО "Звукоулавливающая аппаратура" разработан такой способ прогноза, и его применение, как свидетельствуют результаты горно-экспериментальных работ, позволило бы на один-два порядка повысить оперативность и в два-восемь раз - точность прогнозов. Для осуществления необходимо всего лишь внимание Госуглепрома Украины.

Второй вывод заключается в том, что способы оценки состояния пласта / 7, 8 /, основанные на разовых опробованиях пласта на определенной пространственной сетке можно применять только для толкования результатов текущего прогноза, использующего непрерывные наблюдения, т.е. для его уточнения.

Примечание 4: Между мониторингом (т.е. наблюдением) состояния массива и прогнозом много общего. Принципиальная разница заключается в том, что наблюдения можно вести "как получится", а прогноз - "как надо", т.е. под диктовку особенностей контролируемого процесса. Быстродействие технических средств, применяемых для оценки процесса, и необходимое временное разрешение прогнозов не могут быть произвольными. Если требуется узнать "что было", то имеющегося разрешения вполне достаточно (особенно, если известно, что за интервал наблюдения ничего не произошло); если предстоит отвечать на вопрос "что будет", то такой системы прогнозирования нет и ее надо создавать.

Необходимость изучения массива с помощью комплекса технических средств, измеряющих разные физические параметры (точнее говоря, опосредующих эти параметры доступными в эксперименте величинами) с неизвестными ошибками, пространственным и временным разрешением, давно обсуждается в литературе, однако до сих пор нет "рабочих" идей о сопряжении технических средств. По нашему мнению, назрела необходимость развертывания комплексной работы по изучению научного наследия и формирования задания на разработку технических средств нового поколения. Только после создания широкого спектра современных средств непрерывного наблюдения различных параметров, каждое из которых имело бы самостоятельное практическое значение, можно будет поставить вопрос о комплексировании данных и прогнозировании на основе новых знаний опасных состояний массива.
Трудно сказать, когда будут созданы математические модели, связывающие в явной форме экспериментально достижимые параметры с практически важными заключениями об опасном состоянии массива. По-видимому, не ранее, чем удастся "опутать" забои сетями совершенных датчиков, непрерывно фиксирующих множество различных параметров. Поэтому на данном этапе достойной целью является система контроля безопасных состояний с достаточным временным и пространственным разрешением.

Расчет рисков при ведении прогнозов основывается на исследованиях условий хозяйствования в существующих правовых рамках, определяющих ответственность субъектов производства с разными формами собственности. Ответ на этот, третий вопрос дадут отраслевые экономисты. Более 20 лет назад специалисты с успехом использовали подобную разработку / 9 / при выборе мер борьбы и способов прогнозирования ГДЯ. Для практического применения надо издать отраслевое руководство по соответствующим расчетам.

При испытаниях (ответ на четвертый вопрос) необходимо помнить, что целью "текущего" прогноза является точное установление безопасных зон. Поэтому ошибкой первого рода следует считать ложные прогнозы "опасно", а ошибкой второго рода - "безопасно". На интуитивном уровне дело обстоит именно таким образом. Критерии опасности при прогнозировании известными методами сформулированы так, что потенциально опасные зоны составляют не менее 10-20% от общего подвигания забоя, т.е. 10-кратный и более запас по отношению к реально возможному соотношению (напомним, примерно 1%) обеспечивает необходимую надежность прогнозов "безопасно".

При согласии с изложенным выше, ответ на пятый вопрос получится автоматически: в новых нормативных документах терминология будет упорядочена в соответствии с возможностями способов прогноза.

А как же прогнозируется выбросоопасность сегодня? Наш ответ - это и есть горное искусство. Если применяемые технические средства не соответствуют основным требованиям, вытекающим из природы явления, то это означает, что прогнозирование осуществляется не благодаря, а вопреки этим средствам. Прогнозирование выбросоопасности станет разделом техники после успешного выполнения ряда разработок. Время их начинать пришло.

ЛИТЕРАТУРА
  1. Деглин Б.М., Канин В.А., Лунев С.Г. О текущем прогнозе выбросоопасности // Уголь Украины. - 2002г. - №7.
  2. Николин В.И. Представления (гипотеза) о природе и механизме выбросов угля, породы и газа // В сб. Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа. - М.: Недра, 1978.
  3. Клебанов Ф.С. Наука о безопасности - адейлогия (очерк основных положений). - М.: РАЕН, ИГД им. А.А. Скочинского, 1997.
  4. Темников Ф.Е. Афонин В.А. Дмитриев В.И. Теоретические основы информационной техники. - М.: Энергия, 1979.
  5. Деглин Б.М., Мелконян А.А., Широких Н.В., Пилюгин В.И., Мартовицкий А.В., Щербак С.А. Локальная вычислительная сеть "Сейсмопрогноз" и некоторые результаты ее применения // Геотехнологии на рубеже ХХI века. Монография в 3-х томах. - Донецк: ДонНТУ- ДУНПГО, т.3, 2001.
  6. Фридман И.С., Рубинский А.А. Особенности формирования выбросоопасной ситуации в призабойной части пласта // Уголь Украины.- 2002. - №7.
  7. Деглин Б.М. Разработка метода контроля выбросоопасности угольного пласта по спектральным параметрам искусственного акустического поля. Автореф. канд. дисс. М., ИГД им. А.А. Скочинского, 1986.
  8. Бобров А.И., Агафонов А.В., Колчин Г.И., Шипачев В.К., Акустические способы оценки и контроля состояния горного массива // Сб. науч. тр. МакНИИ "Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах".- Макеевка: Донбасс, 1995.
  9. Амоша А.И. и др. Методика экономической оценки способов борьбы с внезапными выбросами угля породы и газа на предприятиях угольной промышленности. - Донецк: ИЭП АН УССР, 1981.
Связанные посты с предпросмотром