Models and methods to make decisions while mining production scheduling

Purpose is to develop a new approach to the design of mining operations basing upon models and methods of decision making. Methods. The paper has applied a complex approach involving approaches of decision-making theory. Analysis of the pro-duction development scenarios is proposed for strategic activity planning; criteria to make decisions under the uncertainty conditions as well as decision-making trees for day-to-day management are proposed to determine balanced production level. Findings. It has been identified that mining production design is of the determined character demonstrating changes in “state of the nature” depending upon the made decisions. The idea of mining production is to reduce uncertainty gradually by means of analysis of production scenarios, and elimination of unfavourable alternatives. Operative management is implemented while constructing decision trees, and optimizing operation parameters. Representation of sets of rational equipment types as well as development scenarios, and their comparison in terms of decision-making parameters makes it possible to determine adequate capacity of a working area, and to reduce expenditures connected with the equipment purchase and maintenance. In this context, limiting factors, effecting anticipatory mining out-put, are taken into consideration. Successive comparison of the alternatives helps identify decision-making area for different scenarios of the production development. Originality. To manage mining production, approaches of decision-making theory have been proposed which involve the use of decision trees, decision-making criteria, and analysis of scenarios basing upon representation of operating procedures in the form of a network model within which the shortest route corresponds to optimum decision. Practical implications. Decision-making system has been developed making it possible to optimize operation parameters, to reduce prime cost of mining, and to select a structure of engineering connections with the specified production level. The described approaches may be applied at the stage of a stope design as well as in the process of a field development. Specific attention has been paid to a software development to implement the approaches.Мета. Розробити новий підхід до проектування гірничого виробництва, який базується на моделях та методах теорії прийняття рішень. Методика. В роботі застосовано комплексний метод, який включає підходи теорії прийняття рішень. Для стратегічного планування діяльності запропоновано досліджувати сценарії розвитку виробництва, для визначення раціонального рівня виробництва – критерії прийняття рішень в умовах невизначеності, а також дерева прийняття рішень для поточного управління. Результати. Виявлено, що процес проектування гірничого виробництва має детермінований характер, який демонструє зміну “станів природи” залежно від прийнятих рішень. Суть проектування гірничого виробництва зводиться до послідовного зменшення невизначеності шляхом дослідження сценаріїв виробництва та виключення несприятливих альтернатив. Оперативне управління здійснюється шляхом побудови дерев рішень та оптимізації параметрів експлуатації. Представлення множин раціональних типів обладнання, сценаріїв розвитку подій та порівняння їх за критеріями прийняття рішень дозволяє визначити раціональний рівень видобутку виймальної дільниці і знизити витрати на придбання та обслуговування обладнання, при цьому враховуються обмежувальні фактори, які впливають на величину очікуваного видобутку. Послідовне порівняння альтернатив дозволяє встановити поле прийнятних рішень для різних сценаріїв розвитку виробництва. Наукова новизна. Для управління гірничим виробництвом запропоновано підходи теорії прийняття рішень, які включають застосування дерев рішень, критеріїв прийняття рішень та аналіз сценаріїв, котрі базуються на представленні технологічного процесу у вигляді мережевої моделі, в якій найкоротший маршрут відповідає оптимальному рішенню. Практична значимість. Розроблена система прийняття рішень, дозволяє оптимізувати параметри експлуатації, знизити собівартість видобутку, вибрати структуру технологічних зв’язків з заданим рівнем продуктивності. Описані в роботі підходи можуть бути використані як на стадії проектування очисного забою так і в процесі експлуатації родовища корисних копалин. Особливу увагу приділено розробці програмного забезпечення для впровадження описаних підходів у виробництво.Цель. Разработать новый подход к проектированию горного производства, который базируется на моделях и методах теории принятия решений. Методика. В работе использован комплексный метод, который включает подходы теории принятия решений. Для стратегического планирования деятельности предложено исследовать сценарии развития производства, для определения рационального уровня производства – критерии принятия решений в условиях неопределенности, а также деревья принятия решений для текущего управления. Результаты. Установлено, что процесс проектирования горного производства носит детерминированный характер, который отражает изменение “состояний природы” в зависимости от принятых решений. Суть проектирования сводится к последовательному уменьшению неопределенности путем исследования сценариев производства и исключения неблагоприятных альтернатив. Оперативное управление осуществляется посредством построения деревьев решений и оптимизации параметров эксплуатации. Представление множества рациональных типов оборудования, сценариев развития событий та сравнение их по критериям принятия решений позволяет определить рациональный уровень добычи очистного участка и снизить затраты на приобретение и обслуживание оборудования, при этом учитываются ограничивающие факторы, которые влияют на величину ожидаемой прибыли. Последовательное сравнение альтернатив позволяет установить поле приемлемых решений для разных сценариев развития производства. Научная новизна. Для управления горным производством предложены подходы теории принятия решений, которые включают применения деревьев, критериев принятия решений и анализ сценариев, основанных на представлении технологического процесса в виде сетевой модели, где кратчайший маршрут соответствует оптимальному решению. Практическая значимость. Разработана система поддержки принятия решений, которая позволит оптимизировать параметры эксплуатации, снизить себестоимость добычи, выбрать структуру технологических взаимосвязей с заданным уровнем производительности. Описанные в работе подходы могут быть использованы как на стадии проектирования очистного забоя, так и в процессе эксплуатации месторождения полезных ископаемых. Особое внимание уделено разработке программного обеспечения для внедрения описанных подходов в горное дело.The study has been carried out within the framework of research project of the National Academy Sciences of Ukraine for young scientists “Resource-saving techniques to support mine workings under the complex hydrogeological conditions”; Agreement #29-04/06-2019; official registration #0119U102370

Analysis of the efficiency of geomechanical model of mine working based on computational and field studies

Purpose is to substantiate the efficiency of geomechanical model of the mine working on the basis of qualitative and quantitative parameters of stress and strain state of the mine working and to compare the results of computational experiment both with the results obtained while designing mine working support and with the results of field studies under mine conditions. Methods. The studies consisted of three stages. Stage one involved development of the computational model and, using a finite-element method (ANSYS Software Package), and performance of computational experiment for mining and geological conditions of MM “Pokrovske”. Stage two involved field measurements in the mine working with the support pattern developed according to the results of first stage of the research. Characteristic points were selected to determined separate stress and deformation components of a geomechanical system. Stage three dealt with comparative analysis of both computational and field experiments to define the efficiency of the selected computational model and the engineering solutions. Findings. The substantiated physical and mathematical model as well as geometry of computational region of the geomechanical system have made is possible to determine to a high precision stress and strain state of all the components of mine working support and neighbouring rock mass. Analysis of changes in mine working border, while calculating and full-scale measuring, has demonstrated high accuracy degree in description of deformation processes within the rock mass. Qualitative changes in stresses within the selected anchors, in the process of the stope plane movement, correspond in their appearance to the curves of graphs obtained as a result of calculations. Originality. For the first time, complex multicriteria approach has been proposed and applied to determine efficiency of the selected support scheme based on the measurements of mine working border displacement and internal effects of the support components; the approach makes it possible to evaluate adequacy of the selected computational scheme while predicting changes in the geomechanical system state. Practical implications. The developed innovative methodology to prove the efficiency of selecting optimal system for mine working support helps reduce design costs and cut production expenses while mounting and operating the support from a holistic perspective. Validation of the fact that calculated results of stress and strain state of a geomechanical system correspond to the data of field measurements in terms of various stress and deformation criteria provides the possibility of the computational model interpolation with respect to the mine workings driven and designed under similar mining and geological conditions.Мета. Обґрунтування ефективності геомеханічної моделі виїмкової виробки на основі порівняння якісних і кількісних параметрів напружено-деформованого стану виїмкової виробки за результатами розрахунку обчислювального експерименту з отриманими на етапі проектування кріплення виробки й натурними дослідженнями в шахтних умовах. Методика. Дослідження проводилися в три етапи. На першому етапі розроблялася розрахункова модель і за допомогою методу скінченних елементів (програмний пакет ANSYS) проводився обчислювальний експеримент для гірничо-геологічних умов шахтоуправління «Покровське». На другому етапі виконані натурні заміри у виробці зі схемою кріплення, визначеною за результатами першого етапу досліджень. Були обрані характерні точки, в яких визначалися окремі компоненти напружень або деформацій геомеханічної системи. Третій етап полягав у проведенні порівняльного аналізу даних обчислювального й натурного експерименту з метою визначення ефективності обраної розрахункової моделі й прийнятих технологічних рішень. Результати. Обґрунтовані фізико-математична модель та геометрія розрахункової області геомеханічної системи дозволили з високою точністю визначити напружено-деформований стан усіх елементів кріплення виробки й приконтурного породного масиву. Аналіз зміни контуру виробки при розрахунках і натурних вимірах показав високий ступінь точності описання деформаційних процесів, що протікають у породному масиві. Якісні зміни напружень в обраних анкерах при русі площини очисного вибою відповідають за видом кривим графіків, отриманих у результаті розрахунків. Наукова новизна. Вперше запропоновано та використано комплексний багатокритеріальний підхід для визначення ефективності обраної схеми кріплення, заснований на вимірах переміщень контуру виробки і внутрішніх зусиль елементів кріплення, що дозволяє оцінити адекватність обраної обчислювальної схеми при прогнозуванні зміни стану геомеханічної системи. Практична значимість. Розроблена нова методика підтвердження ефективності вибору оптимальної системи підтримання виїмкової виробки дозволяє комплексно скоротити затрати на проведення проектних заходів та зменшити витрати виробництва при установці й експлуатації кріплення. Підтвердження відповідності результатів розрахунків напружено-деформованого стану геомеханічної системи і даних натурних замірів за різними критеріями напружень та деформацій забезпечує можливість інтерполяції обчислювальної моделі для пройдених виробок і виробок, що проектуються, у схожих гірничо-геологічних умовах.Цель. Обоснование эффективности геомеханической модели выемочной выработки на основании сравнения качественных и количественных параметров напряженно-деформированного состояния выемочной выработки по результатам расчета вычислительного эксперимента с полученными на этапе проектирования крепи выработки и натурными исследованиями в шахтных условиях. Методика. Исследования проводились в три этапа. На первом этапе разрабатывалась расчетная модель и при помощи метода конечных элементов (программный пакет ANSYS) проводился вычислительный эксперимент для горно-геологических условий шахтоуправления «Покровское». На втором этапе выполнены натурные замеры в выработке со схемой крепления, определенной по результатам первого этапа исследований. Были избраны характерные точки, в которых определялись отдельные компоненты напряжений или деформаций геомеханической системы. Третий этап заключался в проведении сравнительного анализа данных вычислительного и натурного эксперимента с целью определения эффективности выбранной расчетной модели и принятых технологических решений. Результаты. Обоснованные физико-математическая модель и геометрия расчетной области геомеханической системы позволили с высокой точностью определить напряженно-деформированное состояние всех элементов крепи выработки и приконтурного породного массива. Анализ изменения контура выработки при расчетах и натурных замерах показал высокую степень точности описания деформационных процессов, протекающих в породном массиве. Качественные изменения напряжений в выбранных анкерах при движении плоскости очистного забоя соответствуют по виду кривым графиков, полученных в результате расчетов. Научная новизна. Впервые предложен и использован комплексный многокритериальный подход для определения эффективности выбранной схемы крепления, основанный на замерах перемещений контура выработки и внутренних усилий элементов крепления, позволяющий оценить адекватность выбранной вычислительной схемы при прогнозировании изменения состояния геомеханической системы. Практическая значимость. Разработанная новая методика подтверждения эффективности выбора оптимальной системы поддержания выемочной выработки позволяет комплексно сократить затраты на проведение проектных мероприятий и уменьшить издержки производства при установке и эксплуатации крепи. Подтверждение соответствия результатов расчетов напряженно-деформированного состояния геомеханической системы и данных натурных замеров по различным критериям напряжений и деформаций обеспечивает возможность интерполяции вычислительной модели для пройденных и проектируемых выработок в схожих горно-геологических условиях.The author wishes to thank the mine owner, Krasnoarmiiska-Zakhidna No. 1 (MM “Pokrovske”), engineers and technicians for assistance in experimental works and providing the necessary data

New approach to the design of mining operations

Analysis of the production development scenarios is proposed for strategic activity planning; criteria to make decisions under the uncertainty conditions as well as decision-making trees for day-to-day management are proposed to determine balanced production level

Coal industry in the context of Ukraine economic security

Purpose. To rate the main factors and indicators of the national economic security, in particular the degree of the country’s provision with primary natural resources which determine the global energy consumption trends. Methods. Analysis of components comprising the fuel and energy complex of Ukraine in view of survivability and heuristic algorithm for finding economically feasible reserves. The problem of finding the optimal flow distribution is solved by graphs. Findings. Emergencies are ranked in the descending order of optimal flows in the normal mode, the sorting sequence is defined, which results in the optimal solution via a minimum number of the algorithm computational steps. Originality. A universal algorithm for the development of fuel and energy complex of Ukraine has been designed. Practical implications. It was found that the vitality of integrated energy systems can be defined as the property to resist a large scale external disturbance, maintaining the ability to operate with acceptable performance and backup indicators. When considering large energy systems, the levels of the industry reserve can be reduced due to interchangeability of energy resources.Мета. Оцінити головні чинники та індикатори національної економічної безпеки, зокрема ступеня забезпеченості країни основними природними ресурсами, які зумовлюють тенденції світового енергоспоживання. Методика. Проведено аналіз елементів паливно-енергетичного комплексу України з урахуванням живучості та евристичний алгоритм знаходження економічно обґрунтованого резерву. Завдання знаходження оптимального потокорозподілення вирішене методом графів. Результати. Проранжовані аварійні ситуації у порядку зменшення величини оптимальних потоків у нормальному режимі, визначено послідовність перебору, що призводить за мінімальне число кроків обчислювального алгоритму до оптимального рішення. Наукова новизна. Розроблено універсальний алгоритм розвитку паливно-енергетичного комплексу України. Практична значимість. Встановлено, що живучість інтегрованих систем енергетики можна визначити як властивість протистояти великомасштабним зовнішнім обуренням, зберігаючи здатність функціонувати із допустимими показниками ефективності та резервування. При розгляді суттєвих енергетичних систем рівні галузевого резерву можуть знижуватися за рахунок взаємозамінності енергетичних ресурсів.Цель. Оценить главные факторы и индикаторы национальной экономической безопасности, в частности степени обеспеченности страны основными природными ресурсами, обуславливающими тенденции мирового энергопотребления. Методика. Произведен анализ элементов топливно-энергетического комплекса Украины с учетом живучести и эвристический алгоритм нахождения экономически обоснованного резерва. Задача нахождения оптимального потокораспределения решена методом графов. Результаты. Проранжированы аварийные ситуации в порядке убывания величины оптимальных потоков в нормальном режиме, определена последовательность перебора, что приводит за минимальное число шагов вычислительного алгоритма к оптимальному решению. Научная новизна. Разработан универсальный алгоритм развития топливно-энергетического комплекса Украины. Практическая значимость. Установлено, что живучесть интегрированных систем энергетики можно определить как свойство противостоять крупномасштабным внешним возмущением, сохраняя способность функционировать с допустимыми показателями эффективности и резервирования. При рассмотрении крупных энергетических систем уровни отраслевого резерва могут снижаться за счет взаимозаменяемости энергетических ресурсов.The authors express their gratitude to Laureate of National Prize of Ukraine, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Underground Mining Department, Volodymyr Bondarenko for his guidance while performing work on this topic

State support of stability in Coal-Donbas regions

Purpose. To develop a new approach to feasibility assessment mechanism of supporting production facilities of loss-making mines in Donetsk and Dnipropetrovsk regions. Methods. To solve the objective set, a complex approach was used including as-sessment of enterprise investment attractiveness, determination of production potential, definition of the ability to switch to a break-even mode. The process for planning ways to save the industrial potential of coal-mining regions may be considered as the reflection of multidimensional space (initial and design values) into the one-dimensional (amount of investment money). Findings. It has been established that on the stage of building a model for managing mine unprofitability decrease processes, it is necessary to overview 8-10 factorial features, which may determine the formation of economic potential, taking into consideration peculiarities of remaining deposit bedding and their quality, as integral assessment of mine potential in terms of (state and non-state) investment perception. The objective set comes down to selection of the mini-mum number of factors, which would the most adequately reflect the mine internal potential expressed by economic value added – as a consequence of interaction of factors of coal mine economic activities in specific mining, geological and technological conditions. Originality. The academic novelty is that as a complex component of the state of the loss-making mine, it is reasonable to use an indicator of economic reliability, which synthesizes the capacity of links, economic level of technical and economic indicators and the amount of remaining deposits. The latter determine the residual life of the mine, physical content of the proposed indicators is not identical, and it is this fact, which allows for their joint use to obtain a more complete estimate than when using any single indicator. Practical implications. Practical significance includes actual assessment of the state of Donbass coal enterprises and determination of marginal break-even indicators, which allowed for the formation of recommendations for attracting financial resources

Development and implementation of technical and economic model of the potential of operation schedules of coal mines

The purpose of this research is to determine parameters concerning development of the perspective time program to extract reserves providing complete predictability of the progress of mining operations within the sequent areas of a mine field. The conditions are those under which any mine can provide rather stable mining of the intended coal volumes; labour productivity increases within the prescribed limits as a result of its production and economic activities the mine raises the amount of money required to provide resource potential. Methods. Algorithm, relying upon economic and mathematical model to determine values of basic parameters within the coordinate system of technical and economic potential of a mine, is the basis to form such an algorithm for the determination of a potential of operation schedule of a mine as well as strategic parameters of its implementation. The priority obviousness of the basic parameters, identifying a level of operation schedule, depends upon their closeness to the factors being arguments of lower orders. That is why optimization process involved the development of a system of additional restrictions reflecting interconnections between factors of the first order and lower orders. Findings. Analysis of functional relationships and correlation relationships between variables in the context of corresponding equations has helped determine new analytical dependences which, together with the available functional dependences between production characteristics of a mine, make it possible to develop a model to determine values of basic parameters of operation schedule of a mine. In this context, the obtained model is completed with additional restrictions, certain meanings of each variables and the problem solving is limited by Pareto set for the selected variables. Scientific novelty. As for the mines, which standing is characterized by the optimization indices, priority of effect on strategic parameters of their production activities, should be as follows: first, effect on the parameters which actual values excess their critical value, determined in terms of zero value of economic added value under formation, corresponds to relative deviation of the parameter actual value from its critical value (maximum to minimum); second, effect on the parameters, which values do not excess their critical values but differ from their optimum ones, determined for the reference economic potential, should be performed in accordance with a coefficient of the parameter elasticity as for such integral index as "economic added value" (greater to lesser). Practical relevance. Implementation of the model, intended to determine technical and economic potential of mines with the development of Pareto sets, has made it possible to obtain both minimum and maximum values of longwall advance for a group of anthracite mines in Shakhtarsk and Dolzhansk-Rovenky regions to be analyzed. Selection of a reference level of technical and economic potential of a mine, which is less than zero, makes it possible to make a decision concerning closing of certain mines based upon economic expediency, i.e. added value creation. Owing to the abovementioned, two groups of Ukrainian anthracite mines have been identified which are determined as profitable or unprofitable relying upon objective indices. That also helped specify a status of "depressive territories" where underdevelopment in social and economic sphere takes place

Innovative solutions of the underground exploitation of coal deposits

The article offers the development of a tool to estimate the state of operation schedules of coal mines relying upon the analysis of actual state of an operation schedule taking into consideration hierarchic connections between the system components. Comprehensive research method has been applied. The method involves statistical analysis to determine the dependence between performance of potential index and a number of independent indices concerning production and commercial operations of a mine, and Solow-Swan model method to estimate level of potential and coal mine reception of innovations. Methods of discrete mathematics have been used in the context of network models to optimize operational parameters and to normalize a structure of manufacturing relations. Regularities, concerning formation of production and commercial operations of mines, have been determined. The regularities involve concentration level of mining, labour productivity, stope advance, and prime cost of end product. Mathematical models, describing “performance potential” index, have been developed. The index is based upon the analysis of dependences between it and mining and geological as well as technological parameters of a mine. It has been proved that simulation of optimum parameter values of operation schedule means complete implementation of economic potential of the mine, i.e. ultimately achievable (reference) level since the level correspondence makes operation schedule of a mine receptive to innovations. A model has been proposed to analyze the efficiency of operation schedules of coal mines as for the estimation of a level of potential and coal mine reception of innovations. Further representation of a structure of manufacturing relations in the form of a network model helps reduce prime cost of mining and to increase labour productivity. The approach can be applied in the process of operative and long-term planning activities by coal industry enterprises as well as enterprises belonging to the related industries, and to determined ultimately achievable rate of economic surplus value. Corresponding software has been developed to implement the methods

Basic concept of mining technology

The materials concerning global importance of mineral resources in the society life, their amount, origin, classification of deposits and economical aspects are presented. Opening and development technologies, mining methods during minerals mining are described. Nontraditional mining methods are educed. The material given in the tutorial is based on scientific and practical experience. The tutorial is dedicated for students, masters and postgraduates of higher educational establishments studying “Mining” with learning of professional English language.Викладені матеріали глобального значення мінеральних ресурсів у житті суспільства, їх запаси, походження, класифікації розробки родовищ та економічні аспекти. Описані технології розкриття, підготовки і систем розробки при видобуванні корисних копалин. Наведено нетрадиційні способи видобутку вугілля. Матеріал, що викладений у навчальному посібнику, базується на науковому і практичному досвіді. Навчальний посібник призначений для студентів, магістрів і аспірантів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Гірництво» з поглибленим вивченням професійної англійської мови