CC BY
67
УДК 65.012.122 Т.А. Кувашкина
КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
Семинар № 14
Яеотъемлемой частью добычных работ является механизация основных процессов и операций, начиная от отбойки и заканчивая доставкой на поверхность полезного ископаемого и руды, которая позволяет повысить нагрузку на лаву и производительность труда.
При проведении добычных работ, в зависимости от геологических и горнотехнологических условий (глубина залегания, физические свойства ПИ и вмещающих пород, возможности вскрытия и отработки месторождения), выбирают тот или иной тип оборудования. Без автоматизации приходится вручную из справочных материалов проводить выбор оборудования под конкретные геологические условия и инженерные взыскания, причем по нескольким параметрам.
Задачи, связанные с автоматизированным планированием и проектированием горных работ [1], неизбежно наследуют все особенности производственной жизни горного предприятия: динамический характер производства, рабочие места перемещаются в процессе жизни предприятия. Затраты, связанные с разработкой месторождений горнодобывающими предприятиями, и технологические решения, принимаемые при их эксплуатации, имеют огромное влияние на экономическое и социальное положение целых регионов страны. Поэтому велика цена решений, которые зачастую
необходимо принимать в сжатые сроки, в постоянно меняющихся экономических и социальных условиях. Для получения экономически и технологически целесообразных решений необходимо иметь средства их реализации, основанные, как правило, на моделировании горной технологии и использовании алгоритмов подбора оборудования при проектировании и планировании горных работ.
Рассмотрим технологию проектирования очистных работ (оснащение выработок технологическим оборудованием) в условиях угольных шахт для схемы горных выработок, состоящей из людского ходка, транспортного и вентиляционного уклонов, транспортного и вентиляционного штреков.
Процесс проектирования начинается с выбора типов крепи, которые предназначены для механизации операций по поддержанию кровли, поддержанию головки конвейера и ее передвижения по мере подвигания лав, оборудованных очистными комбайнами (комплексами). При этом крепи входят в состав очистных комплексов, в которые, помимо крепей различного типа (лавные, крепи сопряжений) входят комбайн, конвейер, насосные станции, оборудование оросительной системы и электрооборудование.
Выбор крепи зависит от горнотехнологических условий, а именно:
Показатели Типы крепей
Для пологих и наклонных (до 35°) пластов > 35°
КСД90 КСШ5А М81СК 1ОКП70 КГУ-Д
Рабочее сопротивление крепи, кН 6080 2760 3840 1900 980
Рабочее сопротивление стойки, кН 760 460 480 600 490
Давление на почву, МПа < 2,0 < 1,5 < 2,6 - -
Усилие передвижки секции, кН - 172 240-320 240 < 78
Шаг установки секций, м - - - 1,1 1,0
Шаг передвижки секций, м 0,63; 0,8 0,8 0,63 0,63 0,9
Угол поворота головки забойного кон-вейера, о в вертикальной плоскости в плоскости пласта 0-35 < 35 ± 15 - - -
Габаритные размеры секции, мм: длина с козырьком ширина минимальная высота минимальная высота максимальная, м 7500 12900 2900 7500 1000 2200 3100 6530 812 1800 2600 3350 1060 1750 2670 3100 1000 (900 1600) (III типоразмер)
Масса комплекта крепи, кг 3100 8000 11400 5620 2200
Применимость:
Форма сечения выработки *) трапециевид- ные, прямоуголь- ные, арочные трапецие- видные, прямоуголь- ные - -
Модель очистного оборудования (комбайн, комплекс) МКД90 КМК97М, КМТ и др. КМ130 1ГШ68, КШЗМ, 1КШЭ и др. «Поиск-2», «Темп-1А»
*) сечение прилегающих к лаве штреков в свету в зоне влияния очистных работ: откаточного - 11 м2; вентиляционного - 8,9 м2
мощности угольного пласта, формы сечения выработок (трапециевидные, прямоугольные и арочные) и размеров выработок (длина, ширина, высота).
При этом также необходимо учитывать шаг установки секций, шаг их передвижки и давление на почву.
Так, например, крепь сопряжения штрековая М81СК может применяться в выработках шириной поверху 2350-2700
мм и высотой 1800-2400 мм трапециевидного и прямоугольного сечения, на пластах средней мощности, пологого и наклонного (до 35°) падения.
При этом выбор оборудования осуществляется как из одиночных представителей типа (КСД90, КСШ5А, М81СК и др.), так и из семейств (ОКП70).
В таблице приведены технические характеристики некоторых моделей крепей сопряжения.
Помимо крепей сопряжения для очистных забоев выделяют металлические индивидуальные крепи (стойки призабойные гидравлические, стойки трения, посадочные).
Стойки призабойные гидравлические (типа ГВУ, ГВКУ, ГВД, ГКУ) предназначены для крепления и укрепления кровлей в очистных забоях с узкозахватной и широкозахватной технологией выемки угля на пластах пологого и наклонного падения с возможностью извлечения крепи для многократного использования. Данный тип стоек не применим в лавах с жесткими посадочными крепями, при буровзрывном способе отбойки, уп-равлении кровлей с помощью буровзрывных работ, а также при слабой непосредственной кровле, если основная кровля представлена труднообрушаемыми породами.
Стойки трения (типа СТ) предназначены для крепления призабойного пространства в очистных забоях пологих и наклонных пластов с вынимаемой мощностью 0,88-2,5 м.
Посадочные стойки (тип ОКУ) предназначены для многократного использования в качестве посадочной крепи при управлении кровлей полным или частичным обрушением в очистных забоях пологих и наклонных (до 25°) пластов с вынимаемой мощностью от 0,45 до 1,3 м, крепь 2СПТМ («Спутник») -для пологих пластов с углами падения
до 15°. Крепь КП-350 рационально применять для механизации процессов и управления кровлей способом полного обрушения при буровзрывной выемке в лавах, в которых применение механизированных комплексов экономически нецелесообразно затруднено из-за наличия неблагоприятных условий (с трудноуправляемой и тяжелообрушаемой кровлей).
Выбрав определенный тип крепи, необходимо выбрать машины для доставки и транспортирования угля и горной массы, которыми в основном являются передвижные и переносные скребковые конвейеры.
Преимуществом конвейера является возможность простой привязки к машинам для выемки, к секциям механизированной крепи, навесным кон-струкциям, без необходимости внесения значительных изменений в узлах базовой модели.
Выбор модели скребкового конвейера зависит от следующих параметров: мощность и угол наклона пласта, длина лавы, тип крепи, модель выемочной машины.
Передвижные конвейеры предназначены для транспортирования угля и горной массы в лавах с узкозахватными выемочными машинами.
Так, например, передвижной скребковый конвейер СП48М предназначен для доставки угля из лав длиной до 200 м на пологих пластах мощностью 0,7-0,9 м с углом падения до 20°, оборудованных комбайнами типа К101У (или очистными комплексами типа КМК97) и индивидуальной металлической крепью.
Переносные (разборные) конвейеры предназначены для работы в лавах, оборудованных широкозахватными комбайнами и индивидуальными крепями. Переносные конвейеры изготавливаются для сравнительно небольшой производительности, длины доставки и спо-
койной гипсометрии места их установки.
Основными параметрами при выборе очистного комбайна являются характеристики угольного пласта: угол падения и мощность, сопротивляемость угля резанию, а также тип крепи и скребкового конвейера [2, 3, 4, 5].
Базируясь на характеристиках угольного пласта, выделяют очистные комбайны для выемки угля пологих и наклонных (до 35°) и крутых пластов.
Комбайны для выемки угля пологих и наклонных пластов в длинных очистных забоях разделяются по ширине захвата, типу исполнительного органа и др.
По ширине захвата различают комбайны широкозахватные (ширина захвата 1,2-2 м) и узкозахватные (ширина захвата 0,5-1 м) (модели КА80, К103М, 1ГШ68 и др.), которые больше приспособлены к применению с механизированными крепями.
По типу исполнительного органа комбайны выделяют со шнековым, вертикально-барабанным и буровым исполнительными органами.
Предпочтения отданы шнековым исполнительным органам, так как этот вид наиболее производителен по погрузке, прост по конструкции, не требует дополнительного устройства для оформления забоя, обеспечивает большой диапазон и оперативное регулирование по вынимаемой мощности пласта и слежение за гипсометрией его залегания, легко изменяется ширина захвата и удобен для создания семейства унифицированных комбайнов блочной сборки (очистные комплексы) [5].
При этом главным параметром очистного комбайна, определяющим интенсивность выемки угля, является его энерговооруженность, которая учитыва-
ется при выборе передвижной трансформаторной подстанции.
Вторым параметром комбайнов является вынимаемая мощность пласта, которая первоначально составляла 0,9-2,8 м, а в настоящее время равна 0,75-4,5м.
В настоящее время продолжается выпуск в небольших количествах широкозахватных комбайнов «Кировец-2К» и 2КЦТГ для добычи угля весьма тонких (0,5-0,8 м) пологих пластов. Для выемки этих пластов узкозахватные комбайны не созданы.
Для борьбы с пылью, образующейся при работе очистного комбайна, применяют насосные станции (типа СНТ); для обеспечения работы гидродомкратов - установки (типа 2УЧНС13, УН-ДО4-125, УНР-02, УНГ и др.), которые нагнетают рабочую жидкость (водомасляная эмульсия, вода, водные растворы поверхностно-активных веществ) в гидросистему очистных агрегатов и механизированных крепей.
Выбор данного оборудования зависит, прежде всего, от собственных характеристик: скорость подачи жидкости, максимальное рабочее давление, диапазон настройки давления, вместимость гидробака, габариты, и др., а также производительности добычного участка.
Таким образом, выбрав под определенные горнотехнологические условия набор оборудования, получаем комплекс для очистных работ.
Важным элементом в системе внут-ришахтного оборудования является оборудование, обеспечивающее внутри-шахтную вентиляцию (вентиляторы местного проветривания, газоотсасывающие).
Выбор данного оборудования осуществляется в зависимости от горногеологических условий (склонность к возгоранию, температура в выработках, влажность, запыленность, метанообиль-
ность), сечения и длины выработок, необходимого объема подаваемого свежего воздуха.
Далее осуществляем выбор машин и оборудования подземного транспорта (ленточные конвейеры, электровозы, грузовые и вагонетки для перевозки людей, монорельсовые и моноканатные дороги), которым оснащаем транспортный штрек.
Модель выбранного ленточного конвейера зависит от параметров, предъявляемых инженерными взысканиями в зависимости от шахтных условий (вид выработок (уклон, бремсберг)): максимальная производительность, приемная способность, ширина и тип ленты, длина транспортирования, угол наклона выработок, срок службы.
При выборе электровозов учитывают ширину рельсовой колеи, габаритные размеры, тяговое усилие, продолжительность рейса и др.
Тип выбранной грузовой вагонетки зависит от необходимой вместимости сосуда, грузоподъемности, проходимой колеи, габаритов (для людских учитывают количество людей, работающих в забое в смену).
Как видно из вышеизложенного, выбор оборудования зависит как от множества параметров, задаваемых геологическими условиями, так и совместимости видов оборудования друг с другом. При этом, уточняя данные параметры, увеличиваем количество вариантов (моделей) оснащения горных выработок в геометрической прогрессии.
При ручном методе проектирования системы шахтного оборудования возникают сложности и ошибочные решения, поэтому во избежании данных проблем целесообразно применять автоматизированные системы проектирования и программирования, базирующихся на объектно-ори-ентированной методоло-
гии и СОМ-технологии. Масштабируемый банк данных (МБнД), предназначенный для работы с пространственно-атрибу-тивными данными об объектах, позволит устранить указанные затруднения. При этом существует возможность просмотра характеристик и внешнего вида выбранного оборудования на плане горных работ посредством указания на визуализируемый объект курсором манипулятора (мыши).
Задав определенные горнотехнологические условия (длина лавы, столба, производительность конвейера по углю, газоотдача пласта, сечение выработок), с помощью МБнД можно сформировать несколько вариантов (моделей) по подбору оборудования под заданные условия в виде сводных таблиц с перечислением совместимых механизмов (крепи, конвейеры, комбайны, электрооборудование, насосные станции и т. д.). То есть программный комплекс проектирования с МБнД работает в режиме советующей системы. При этом упрощается процесс решения задач связанных с учетом оборудования, анализ простоев оборудования; контроль сроков службы технологического оборудования; контроль движения породы и угля и др.
Полученные модели в ходе проектирования позволяют рационально использовать технологическое оборудование, то есть избегать простоев и аварийных ситуаций, связанных с неправильным использованием оборудования, а также правильно настроить технологический процесс.
МБнД - универсальный механизм, позволяющий получать модели любой совокупности и сложности объектов (модели-объекты и модели-процессы), будь это модель подсчета запасов ПИ или модель оснащения выработок.
Процесс проектирования комплекса шахтного оборудования итеративен в силу того, что горный объект развивается (отрабатывается повторяющими процедурами для каждой лавы: выбор и установка крепей, очистного комбайна, конвейеров и т.д.) в течение всего периода своего суще-ствования, а также общих правил и принципов, применяемых к процессу оснащения выработок независимо от размеров и географического положения горного объекта. При этом существует возможность получения сводки о количественном и качественном составе технологического оборудования на различных уровнях иерархии, начиная от выемочного участка и заканчивая данными по всему месторождению.
Последовательность комплексирова-ния объектов показана на рис. 1.
При применении объектно-ориентированной методологии и МБнД отпадает необходимость обращения к источникам справочного характера, в которых не всегда отражены все интересующие параметры. Так, например, по данным справочников достаточно трудно выбрать необходимый тип оборудования, поскольку данные разобщены, не сведены в сводные таблицы. Подтверждением сказанного служит таблица, в которой отражены характеристики крепей, где знак прочерка (-) означает отсутствие информации. По аналогии можно осуществить комплексирование и для проходческих работ.
Использование разработанных моделей и алгоритмов стало возможным в результате встраивания в МБнД цифровой модели месторождения ПИ, созданной на базе ГИС-техно-логий. Анализ конкретных производственных техникоэкономических ситуаций и принятие наилучших решений фактически должны быть основаны на моделировании
состояния и поведения горных объектов с использованием этой модели.
Так, на рис. 2 представлена геоин-формационная модель участка пласта І4, отрабатываемого шахтой «Северная» ОАО «Воркутауголь».
Ее использование в рамках предлагаемой объектно-ориентированной технологии обработки пространственноатрибутивной информации мо-жет осуществляться следующим образом (рис. 3).
Модуль-процесс «Добыча» МДс планирует с учетом имеющихся директив и ограничений (например, по производительности скипового ствола Ск. с. Сев. и Гл. с. А-Я) уровень добычи с южного крыла пласта І4.
Через модуль-моникер МмДс задание на планирование добычных работ этого крыла получает модуль-процесс МДз (уровень блоков). Используя гео-информационные модули обработки пространственно-атрибутивной ин-
формации (основные типы которой приведены в условных обозначениях рис. 2), модуль-процесс МДв осуществляет оптимальный раскрой участка на выемочные столбы по простиранию (лава 544-ю) и падению (лавы 444-ю, 644-ю и др.). При этом производится предварительное комплексирование оборудования для выемочных столбов.
Вызываемый через модуль-моникер МмДв модуль-процесс уровня «Лава» МДл с учетом конкретных горногеологических условий выемочного столба (гипсометрия пласта, наличие пропластков и нарушений, состояние непосредственной и основной кровли, крепость угля и пород пропластков и др.) определяет окончательный состав выемочного комплекса, средств автоматизированного контроля среды и связи, подачи электроэнергии и воды, составляет паспорт лавы.
Рис. 1. Алгоритм комплексирования объектов для очистных работ
Условные обозначения
Надписи возле скважины: в центре: о - устье скважины; . - точка пересечения почвы пласта , Контур охранного це.
1361 - Номер скважины, номер точки опробования в горной выработке -357 - Абсолютная отметка почвы пласта, м
1,25 .о 1,20 - Мощность пласта, м (слева - угольн. масса, справа - общепластовая)
21,6 - Зольность угольной массы, %
23,8 - Зольность общепластовая, %
Надписи характеристики скважины, точки опробования (снесенные от пункта): п-2953 - Номер скважины, горной выработки, точки опробования в горной вырабс -342,28 - Абсолютная отметка почвы пласта, м 0,75 - Мощность угольной и горной массы, м 24,5 - Зольность угольной и горной массы, %
__. - 300 - Изогипса пласта, м 1,2 - Изопахита пласта
-- — 25 - Изолиния пластовой зольности, %
« - Линия выхода пласта под наносы ----> - Горизонтальная горная выработка
у - Контур отработанных запасов до 1990 г |||^ - Контур отработанных запасов после 1990 I - Контур с:
- Проекгные горные выработки - . сброс “Л” - тектоническ
ісанньїх запасов
ю мЗ/т . Изогаза пласта
- Транспортное оборудование (ленточные конвейеры)
- Исходящая струя воздуха
- Линия разделения по углу падения 25 - Бункер перегружатель И 1оое11^г1 - Комплекс датчиков
- - Техничесі
я граница шахтного п
; £) Гл. с - Вертикальный ствол и его назначение.
- Свежая струя воздуха ; ; • Комплекс очистного оборудования
(комбайн, секции крепи, скребковый конвейер)
^ - Вентилятор главного проветривания Го~о1 - Дегазационное оборудование
■ - Передвижная трансформаторная подстанция
Рис. 2. Схема горных выработок с технологическим оборудованием
Рис. 3. Алгоритм функционирования модулей при проектировании технологических схем
В обратном порядке составляются уточненные планы добычных работ крыла (МДв) и шахты (МДс).
После этого запускается монитор «Транспорт угля» МТс для расчета конвейерной линии горизонта -80 м. По
описанному выше алгоритму подключаются модули-мониторы МТв и МТа, рассчитывающие соответственно параметры конвейерных линий крыла и конвейерных уклонов 444-ю и 644-ю. В дальнейшем (через определенный период времени) мониторы МТс1 будут рассчитывать параметры (производительность, длину ставов, пункты перегрузки, автоматику, силовое оборудование) транспортеров по конвейерным уклонам
544-ю и 844-ю.
Далее, «поднимаясь» по уровням иерархии, система транспорта корректируется и реализуется.
Так же рассчитываются системы вентиляции, энергоснабжения, водоснабжения, поддержания горных выработок, обеспечения безопасности производства (план ликвидации аварий, профилактические работы), связи и др.
Цифровая модель Воркутинского угольного месторождения, построенная с учетом объектно-ориентиро-ванной методологии (ООМ), использовалась
1. Лукичев С.В., Наговицын О.В. Система компьютерного моделирования объектов горной технологии GeoTech-3D // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. -2002. - № 5. - с. 204-207.
2. Машины и оборудование для шахт и рудников. Справочник С.Х. Клорикьян, В.В. Старичнева, М.А. Сребный М.: издательство Московского государственного горного университета. - 1994. - 471 с.
3. ОСТ 12.44.258-84 Комбайны очистные. Выбор параметров и расчет сил резания и по-
при отработке мульдовой части данного месторождения.
Выводы
Процесс проектирования системы шахтного оборудования носит итеративный характер, поэтому целесообразно этот процесс автоматизировать.
Полученные модели в ходе автоматизированного проектирования позволяют рационально использовать технологическое оборудование, то есть избегать простоев и аварийных ситуаций, связанных с неправильным использованием оборудования, а также правильно настроить технологический процесс.
Созданные алгоритмы и технология обработки геоинформации с использованием МБнД позволяют работать с пространственно-атрибутивной горной информацией в реальном времени.
МБнД - универсальный механизм, позволяющий получать модели любой совокупности и сложности объектов (модели-объекты и модели-процессы) например, модель оснащения выработок.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
дачи на исполнительных органах. Методика. 1984. - 107 с.
4. Отраслевая инструкция по выбору шнековых исполнительных органов очистных комбайнов. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1997.
- 33 с.
5. Шек В.М., Линник В.Ю. Автоматизированная система оценки характеристик угольных пластов и расчета параметров шнеков очистных комбайнов. // Горный информационноаналитический бюллетень. - М.: МГГУ. - 2002.
- № 5. - С. 211-214.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------
Кувашкина Татьяна Анатольевна - ассистент кафедра «Автоматизированные системы управления», Московский государственный горный университет.
