CC BY
53
Оригинальная статья
УДК 622.271+622.272:622.33.002.5«374.42».001.57 © И.С. Кузнецов, В.В. Зиновьев, А.Н. Стародубов, 2020
Исследование влияния внеплановых простоев горных машин
на добычу угля открыто-подземным способом
*
методом имитационного моделирования
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-9-10-13
КУЗНЕЦОВ И.С.
Аспирант ФИЦ УУХ СО РАН, 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
ЗИНОВЬЕВ В.В.
Канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник ФИЦ УУХ СО РАН, 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
СТАРОДУБОВ А.Н.
Канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник ФИЦ УУХ СО РАН, 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: [email protected]
На основании анализа диспетчерских отчетов автоколонн разрезов Кузбасса выявлены и классифицированы виды простоев горных машин при добыче угля открыто-подземным способом. Предложен подход к исследованию влияния внеплановых вероятностных простоев горных машин на добычу угля открыто-подземным способом, основанный на имитационном моделировании взаимодействия экскаваторно-автомобильного комплекса и комплекса глубокой разработки пластов.
Ключевые слова: добыча угля, геотехнология, открыто-подземный способ, экскаваторно-автомобильный комплекс, комплекс глубокой разработки пластов, простои горных машин, имитационное моделирование, вычислительный эксперимент.
Для цитирования: Кузнецов И.С., Зиновьев В.В., Стародубов А.Н. Исследование влияния внеплановых простоев горных машин на добычу угля открыто-подземным способом методом имитационного моделирования // Уголь. 2020. № 9. С. 10-13. 001: 10.18796/0041 -5790-2020-9-10-13.
ВВЕДЕНИЕ
Для реализации Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, которая предусматривает переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи углеводородного сырья, необходимо использовать технологии, позволяющие извлекать низкотехнологичные запасы угля (например, при глубине разреза 180 м и более часть угля остается невынутой [1, 2]). Одной из таких технологий является открыто-подземная, основанная на совместном использовании экскаваторно-автомобильного комплекса (ЭАК) и комплекса глубокой разработки пластов (КГРП). КГРП обеспечивает высокую безопасность ведения работ за счет отсутствия рабочих в забое, отбойки угля без взрывания, использования системы высоконадежных подземных электросистем, а также высокую производительность за счет применения технологии глубокого выбуривания комбайном непрерывного действия, снабженного специальным устройством для разрушения угля и последующего извлечения его на поверхность. Экономический эффект достигается за счет отсутствия необходимости проведения подземных горно-подготовительных выработок и значительных объемов вскрышных работ (на действующих разрезах добыча может вестись с любого широкого уступа). Такой способ нашел успешное применение в России, Индии, США, Австралии, Китае, Южной Африке, Индонезии [3, 4, 5].
В совокупности ЭАК и КГРП представляют собой сложную систему, состоящую из множества элементов: экскаваторы, автосамосвалы, погрузчики, пункты разгрузки и т.д. Эффективность работы такой системы зависит от ее структуры и параметров горных машин, взаимодействующих во времени и пространстве. Также на эффективность совместной работы ЭАК и КГРП в значительной мере влияют простои,
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-37-90031 «Разработка специализированной компьютерной системы имитационного моделирования для исследования параметров безлюдной открыто-подземной геотехнологии».
возникающие из-за поломок оборудования, несвоевременной доставки требуемых узлов и деталей, ожидания погрузки, отсутствия свободного автосамосвала, перегона экскаватора, заправки горючим, нарушения пласта, изменения его мощности и гипсометрии, обрушения кровли камер, отсутствия транспортных средств для вывоза угля и др. Эти простои могут занимать до 30% рабочего времени [6]. Все это приводит к временному прекращению работ и, как следствие, снижению производительности, а также требует учета при исследовании и выборе параметров открыто-подземной геотехнологии.
Так как последствия ошибок при проектных решениях очень дороги, необходимо предсказательное моделирование на основе математических моделей и их программной реализации для проведения вычислительных экспериментов с целью исследования параметров открыто-подземной геотехнологии на основе ЭАК и КГРП.
ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ
С целью учета известных видов простоев при моделировании открыто-подземных геотехнологий проведен анализ диспетчерских отчетов автоколонн с шести разрезов Кузбасса. Выявлены виды простоев горных машин, которые классифицированы по признаку их возникновения (фрагмент показан на рис. 1). Полная классификация включает 129 видов простоев, при этом каждый основной вид имеет свои подвиды по признаку принадлежности к типу горной машины и элементу ее отдельно взятой части.
Плановые простои регламентированы нормативными документами, установленными для конкретных условий эксплуатации горных машин, входящих в состав ЭАК. К таким простоям относят добавление высоковольтного кабеля, планово-предупредительный ремонт, подчистку подъезда бульдозером, заправку горючим, проведение
буровзрывных работ, подготовку забоев, техническое обслуживание и др.
Внеплановые простои носят случайный характер. Их разделяют на технические и организационные. Технические простои возникают в результате ремонта и/или полной замены вышедших из строя исполнительных органов горных машин. Например, ремонт гидравлической, механической, тормозной систем, грузоподъемного механизма, электрооборудования, систем управления и контроля. Организационные простои возникают по причине нерациональной организации производства, природных и климатических условий, других форс-мажорных обстоятельств. К таким простоям относятся отсутствие подготовленного к добыче забоя, подготовка площадки под бурение, ожидание погрузки, отсутствие свободного автосамосвала, просадка экскаватора, уборка негабаритов, обрушение кровли камер и др.
В Российской Федерации и за рубежом для исследования геотехнологий широко используют методы и компьютерные модели, позволяющие проводить расчеты и оптимизировать календарные планы отработки угольных пластов открытым и открыто-подземным способами. При этом в моделях не отображают взаимодействие горных машин в динамике, учитывают только плановые простои, связанные с техническими осмотрами оборудования, ремонтами, проведением буровзрывных работ. Вероятностные простои фиксируют по факту их появления за годовой или полугодовой период работы разреза, по окончании которого анализируют отклонение фактической и плановой добычи, после чего вносят предложения по его минимизации, которые применяют при дальнейшей работе. При этом уже возникшие потери объемов добычи угля остаются невосполнимыми. Поэтому актуальной задачей является разработка имитационной модели, позволяю-
щие 1. Фрагмент классификации видов простоев горных машин при добыче угля открыто-подземным способом Fig. 1. Mining machines downtime types classification (fragment) during surface and underground coal mining
2SOOO
----ПЛАНОВАЯ ДОБЫЧА
-ДОБЫЧА С УЧЕТОМ ВНЕПЛАНОВЫХ ПРОСТОЕВ
20000
Рис. 2. Динамика добычи из забоя с учетом простоев горных машин
Fig. 2. Dynamics Coal face Productivity taking into account downtime mining machinery
щей отображать взаимодействие автоматизированных ЭАК и КГРП с учетом вероятностных внеплановых простоев горных машин для повышения эффективности открыто-подземной геотехнологии.
В горном деле для отображения работы машин в динамике с учетом вероятностных факторов хорошо себя зарекомендовал подход с использованием теории массового обслуживания и имитационного моделирования с применением языка GPSS в различных версиях [7, 8]. На основе теории массового обслуживания разработана концептуальная дискретно-стохастическая динамическая модель, отображающая взаимодействие ЭАК и КГРП с учетом вероятностных простоев горных машин, которая реализована в среде имитационного моделирования GPSS Studio (ООО «Элина-Компьютер», Россия) [9].
Построенная модель позволяет оценивать объемы добычи всего разреза, а также его отдельных участков, забоев и горных машин. Дополнительно можно анализировать и другие параметры: степень использования экскаваторов, текущий, средний и максимальный размер очереди автосамосвалов на погрузку/разгрузку, среднее и максимальное время нахождения автосамосвалов в очереди. Для примера на рис. 2 представлены результаты имитационного эксперимента по оценке суточной добычи из одного забоя с учетом различных видов простоев.
Пунктирная линия отображает плановую добычу из забоя, сплошная - добычу с учетом вероятностных внеплановых простоев технического и организационного характера. Видно, что плановая добыча отличается от добычи с учетом внеплановых простоев, где возникают «периоды провалов добычи». Так, в период А в течение 44-46 сут. происходили простои, связанные с заменой гидроцилиндра подъема стрелы и гидромотора экскаватора, протяжкой колес автосамосвалов, ремонтом их пневмо-
гидроподвески, охлаждением и ремонтом гидросистемы у автосамосвалов. В период Б в течение 98-100 сут. проводились ремонт двигателя внутреннего сгорания, замена рукава высокого давления и т.д. В результате отклонение планируемой годовой добычи из забоя от добычи с учетом внеплановых простоев составило в среднем 17,2%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, созданная классификация позволяет учитывать в моделях различные виды простоев горных машин, а предложенный подход, основанный на имитационном моделировании взаимодействия автоматизированного экскаваторно-автомобильного комплекса и комплекса глубокой разработки пластов, позволяет исследовать влияние внеплановых вероятностных простоев горных машин на добычу угля открыто-подземным способом, оценивать предложения по их минимизации и исключать потери угля еще до начала ведения горных работ.
Список литературы
1. Шаклеин С.В., Писаренко М.В. Концепция развития сырьевой базы Кузнецкого угольного бассейна // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2014. № 3. С.118 - 125.
2. Копытов А.И., Шаклеин С.В. Направления совершенствования стратегии развития угольной отрасли Кузбасса // Уголь. 2018. № 5. С. 80-86. 001: 10.18796/0041 -5790-20185-80-86
3. Условия, регламентирующие безлюдную технологию разработки угольных пластов с использованием комплекса глубокой разработки пластов / В.А. Федорин, В.Я. Шахматов, А.Ю. Михайлов и др. // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2016. № 4. С. 83-88.
4. Dixit S., Manoj P. Highwall Mining in India. Mine planning and equipment selection. Springer International Publishing Switzerland, 2014. P. 175-187.
5. Application of highwall mining system in weak geological contidion / T. Sasaoka, T. Karian, A. Hamanaka et al. // International journal of coal science and technology. 2016. N 3 (1). P. 311-321.
6. Воронов А.Ю. Оптимизация эксплуатационной производительности экскаваторно-автомобильных комплексов разрезов: дис. ... канд. тех. наук: 05.05.06 : защищена 05.13.18 / Воронов Артем Юрьевич. КузГТУ. Кемерово, 2015. 195 с.
7. Simulation system for optimizing technical and organizational variants in coalmining production / V.V. Sinoviev, A.N. Starodubov, P.I. Nikolaev et al. // Proceedings
of the International Conference «Actual Issues of Mechanical Engineering» (AIME 2018): Advances in Engineering Research (AER), 2018. Vol. 157. P. 579-583.
8. Approach to effectiveness evaluation of robotics technology in mining using discrete event simulation / V.V. Sinoviev, V.V. Okolnishnikov, A.N. Starodubov et al. // International Journal of Mathematics and Computers in Simulation. 2016. Vol. 10. P. 123-128.
9. Кузнецов И.С., Зиновьев В.В. Имитационное моделирование безлюдной открыто-подземной геотехнологии с учетом простоев горных машин // Сборник трудов девятой всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД), 2019. С .445-450.
GEOTECHNOLOGY
Original Paper
UDC 622.271+622.272:622.33.002.5«374.42».001.57 © I.S. Kuznetsov, V.V. Sinoviev, A.N. Starodubov, 2020 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, № 9, pp. 10-13 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-9-10-13
Title
investigation of the impact of unplanned downtime of mining machines on coal mining by surface and underground
METHOD USING SIMULATION MODELING Authors
Kuznetsov I.S.1, Sinoviev V.V.1, Starodubov A.N.1
1 Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Kemerovo, 650000, Russian Federation
Authors' Information
Kuznetsov I.S., Postgraduate, e-mail: [email protected]
Sinoviev V.V., PhD (Engineering), Associate Professor, Senior Researcher,
e-mail: [email protected]
Starodubov A.N., PhD (Engineering), Associate Professor, Senior Researcher, e-mail: [email protected]
Abstract
Based on the analysis of dispatching reports of convoys from Kuzbass open-pit mines, the types of downtime of mining machines during surface and underground coal mining were identified and classified. An approach is proposed to study the effect of unplanned probabilistic downtime of mining machines on surface and underground coal mining, based on simulation modeling of the interaction of the shovel-automotive system and highwall mining technology.
Keywords
Coal production, Geotechnology, Surface and underground mining, Shovel-automotive system, Highwall mining technology, Mining machine downtime, Simulation modeling, Simulation experiments.
References
1. Shaklein S.V. & Pisarenko M.V. Concept of development of the raw material base of the Kuznetsk coal basin. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh - Journal of Mining Science, 2014, No. 3, pp. 118-125. (In Russ.).
2. Kopytov A.I. & Shaklein S.V. Trends of Kuzbass coal industry improvement strategy. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, No. 5, pp. 80-86. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2018-5-80-86.
3. Fedorin V.A., Shakhmatov V.Ya., Mikhailov A.Yu. & Varfolomeev Ye.L. Conditions regulating the deserted technology of coal seam development using the highwall mining technology. Bulletin of the scientific center for work safety in the coal industry, 2016, No. 4, pp. 83-88. (In Russ.).
4. Dixit S. & Manoj P. Highwall Mining in India. Mine planning and equipment selection. Springer International Publishing Switzerland, 2014, pp. 175-187.
5. Sasaoka T., Karian T., Hamanaka A. et al. Application of highwall mining system in weak geological contidion. International journal of coal science and technology, 2016, No. 3 (1), pp. 311-321.
6. Voronov A.Yu. Optimization of operational performance of excavator-automobile complexes of sections: dis. ... PhD (Engineering), 05.05.06., 05.13.18 / Voronov Artem Yurievich; Gorbachev Kuzbass State Technical University, Kemerovo, 2015, 195 p. (in Russ.).
7. Sinoviev V.V., Starodubov A.N., Nikolaev P.I. et al. Simulation system for optimizing technical and organizational variants in coalmining production. Proceedings of the International Conference "Actual Issues of Mechanical Engineering" (AIME 2018): Advances in Engineering Research (AER), 2018, Vol. 157, pp. 579-583.
8. Sinoviev V.V., Okolnishnikov V.V., Starodubov A.N. et al. Approach to effectiveness evaluation of robotics technology in mining using discrete event simulation. International Journal of Mathematics and Computers in Simulation, 2016, Vol. 10, pp. 123-128.
9. Kuznetsov I.S. & Sinoviev V.V. Simulation of unmanned open and underground geotechnology with taking into account mining machines downtime. Collected papers the ninth Russian national conference scientific and practical conference on simulation modeling and its application in science and industry "Simulation. Theory and practice" (IMMOD), 2019, pp. 445-450. (in Russ.).
Acknowledgements
The study was financially supported by the Russian Foundation for Basic Research as part of scientific project No. 19-37-90031 "Development of specialized computer simulation system for studying parameters of unmanned geotechnology of surface and underground mining".
For citation
Kuznetsov I.S., Sinoviev V.V. & Starodubov A.N. Investigation of the impact of unplanned downtime of mining machines on coal mining by surface and underground method using simulation modeling. Ugol'- Russian Coal Journal, 2020, No. 9, pp. 10-13. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2020-9-10-13.
Paper info
Received February 18,2020 Reviewed July 15,2020 Accepted August 12,2020
