CC BY
18
- © А.А. Ордин, А.М. Никольский,
А.А. Метельков, 2015
УДК 622.33.013.3
А.А. Ордин, А.М. Никольский, А.А. Метельков
МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ (ПРОЗА-4.0) ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОЧИСТНЫХ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ В ПАНЕЛИ УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ
Приводятся сведения о методическом и программном обеспечении для автоматизированного проектирования очистных и подготовительных работ в панели угольной шахты, разрабатывающей пологие или наклонные угольные пласты. Ключевые слова: шахта, угольный пласт, производительность, комплексно-механизированный очистной забой.
Интенсивное развитие угольной промышленности в Кузбассе, связанное с использованием на шахтах зарубежных, высокопроизводительных очистных механизированных комплексов, сталкивается с проблемой обоснования их рациональной производительности при проектировании шахт. Существующие методики ИГД им. А.А. Скочинского для проектной оценки производительности очистных механизированных забоев разрабатывались 20-30 лет назад и, главным образом, подтверждали существующие в те годы низкие нагрузки на очистные забои, оборудованные отечественными механизированными комплексами. Поэтому в настоящее время актуальным является разработка на современной основе методического и программного обеспечения для проектной оценки рациональной производительности комплексно-механизированных очистных забоев по технологическим и технико-экономическим факторам.
В Институте горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН совместно с ЗАО «Гип-роуголь» разработано методическое и программное обеспечение (программа «ПРОЗА-4.0» на языке «Си++») дла автоматизированного проектирования технологических параметров очистных и подготовительных работ в панели угольной шахты, разрабатывающей пологие или наклонные угольные пласты.
Основные особенности этого обеспечения заключаются в следующем: 1) разработана база данных по горному отечественному и зарубежному оборудованию, включающая в себя технические характеристики 135 очистных шнековых комбайнов, 150 механизированных крепей, 75 лавных скребковых конвейеров, 15 стругов, а также перегружателей и дробилок, 2) производительность очистного забоя определяется по участкам выемочного столба, обладающим различными горно-геологическими свойствами, 3) рациональная производительность очистного забоя определяется на основе оптимизации его длины по условию максиму чистого дисконтированного дохода шахты от отработки запасов выемочной панели с учетом очистных и подготовительных работ в панели, а также качества и потерь угля в охранных межлавных целиках.
В основе расчета производительности очистного забоя заложена оценка скорости подачи очистного комбайна в зависимости от его мощности, схемы передвижения по забою, сопротивляемости угольного пласта резанию, угла
падения пласта, длины лавы, а также скорости передвижки механизированной крепи и пропускной способности лавного скребкового конвейера. В частности, известная формула расчета скорости подачи очистного комбайна нами скорректирована с учетом угла падения пласта [1]:
v =_30NSnn Кп_
п fP cos а ± P sin а + ScpDnKKaКьКзрКф/ Ц)
где N - мощность электродвигателя рабочего органа, кВт; ц - КПД редуктора исполнительного органа; F - суммарная составляющая реакции забоя, кН; п1л - количество резцов в одной линии резания, принимается в зависимости от конструкции шнека; Кп - коэффициент, учитывающий затраты мощности на перемещение комбайна; f - коэффициент трения скольжения между комбайном и конвейером, P - вес комбайна; а - угол падения пласта; D - диаметр шнеков комбайна, м; пз - количество резцов, разрушающих забой одновременно; 5ср - средневзвешенная сопротивляемость пласта угля резанию, кН/м; Кот - коэффициент отжима, учитывающий уменьшение сил резания вследствие горного давления; Ка, Кь, Кзр, Кфр - коэффициенты, соответственно учитывающие угол резания, ширину резца, затупление и форму резцов.
С учетом формулы (1) и времени, необходимого для зачистки почвы пласта и косых заездов, суточная теоретическая производительность очистного комбайна определяется по зависимостям:
при односторонней схеме работы комбайна 60уттсмТсм
A =
fP cos а ± P sin а + S^Dn3KojKaKbK^p + 1 ^ kyLk
30NnnlnKn vM vkL (2)
при челноковой работе комбайна
60ymrn T
д __I см cm
ÍPcosa+ScpDn3KOTKaKbK^p + k^
Г 3 L
30N цп1 nK
n
+ 5t.
V y
(3)
Анализ этих зависимостей показывает, что теоретическая производительность очистного комбайна имеет нелинейную, асимптотическую зависимость от длины лавы, при этом каждая из рассмотренных схем передвижения комбайна по лаве имеет свою область рационального применения.
Полученные нелинейные зависимости производительности очистного забоя легли в основу разработанной нами модели оптимизации длины лавы по критерию максимума годовой прибыли шахты [2]:
Р (Ь) = зпА (Ь) - С (Ь) = - ЗПрд
b+L
-(Со + ИоКо + (Иккк + Нскс )Ь) ^ тах, (1 = 1,2) (4)
при соблюдения ограничения:
А (I) < Лв,
где э - оптовая цена 1 т угля, зависящая от марки угля и его качества, руб./т; пр - количество рабочих дней в году; Ав - допускаемая производительность
очистного забоя по фактору проветривания; а, Ь., - параметры, определяемые из зависимостей (2), (3) соответственно при односторонней (2 = 1) или челноковой (2 = 2) схемах работы комбайна; Со - постоянные общешахтные эксплуатационные расходы, не зависящие от длины очистного забоя, руб./год; Но, Нк, Нс - нормы амортизации соответственно для очистного комбайна, механизированной крепи и лавного скребкового конвейера; Ко - капитальные затраты на приобретение очистного комбайна, руб.; кк, кс - удельные капитальные вложения на приобретение соответственно механизированной крепи и скребкового лавного конвейера, руб./м.
Поиск максимума целевой функции (4) сводится к ее дифференцированию и решению уравнения (¿Р/ёЬ = 0), которое для челноковой схемы движения очистного комбайна имеет вид:
Г =
30^ Цп1лКп
№ есз а + БсрОпзКотКа КьКзрКфр
60^2 УттсмТсмПр
' Нк+Нк
Из анализа полученной формулы (5) следует, что оптимальная длина очистного забоя нелинейно возрастает с увеличением оптовой цены (э) угля, мощности пласта (т), ширины захвата (г) комбайна и убывает с ростом стоимости механизированной крепи (кк) и скребкового конвейера (кс), а также линейно возрастает с увеличением мощности электродвигателей (М) очистного комбайна и нелинейно убывает с возрастанием сопротивляемости угля резанию 5 ), угла (а) падения пласта, диаметра (О) шнека (рис. 1, а).
Отсюда следует, что при разработке пласта с более ценной маркой угля, например коксующегося, оптимальная длина очистного забоя нелинейно увеличивается по сравнению с длиной забоя при отработке энергетических углей. Так, при росте оптовой цены угля в 3 раза оптимальная длина КМЗ увеличивается с 120 до 200 м (рис. 1, б).
Кроме того, поскольку сопротивляемость угля резанию зависит от наличия породных прослойков в пласте, при увеличении в пласте количества породных прослойков, их мощности и крепости оптимальная длина очистного забоя уменьшается.
Рис. 1. Зависимость годовой прибыли от длины очистного забоя: а) общая схема формирования максимума целевой функции, б) для энергетических ^) и коксующихся углей
Следует заметить, что подставляя зависимость (5) оптимальной длины лавы в формулу (3), т.е. решая обратную задачу, получаем выражение для наиболее рациональной производительности очистного забоя, при которой годовая прибыль достигает максимума:
А(К) = - V =-^-< Лв (* = 1,2),
ь +
ь: +
(
Л
- 6
(6)
При выполнении ограничения по фактору проветривания очистного забоя необходимо учитывать зависимость производительности очистного забоя от его длины. Поэтому на оптимальную длину лавы, определяемую по формуле (5), необходимо ввести соответствующее ограничение: 6
К < Ьв1 =
(* = 1,2),
Л
-ь
(7)
где Ьт - допускаемая длина очистного забоя по фактору проветривания.
Анализ выражения (6) позволяет сделать выводы о том, что оптимальная производительность очистного забоя, при которой достигается максимум годовой прибыли на шахте, нелинейно увеличивается с ростом цены угля и уменьшается с увеличением стоимости механизированного комплекса и ростом сопротивляемости угля резанию.
Рассмотрим более общую постановку задачи оптимизации длины и производительности очистного забоя, а также объемов подготовительных работ по критерию максимума чистого дисконтированного дохода за период отработки панели шахты с оптимизируемыми переменными: длина комплексно-механизированного очистного забоя (Ь^ и его производительность (А(^)), количество выемочных столбов в панели (пс), количество конвейерных и вентиляционных штреков (п) в панели, потери угля в охранных целиках (в) между конвейерным и вентиляционными штреками смежных лав.
Формализуем поставленную задачу в зависимости от основной оптимизируемой переменной - длины лавы (Ьо).
В общем виде рассматривается односторонняя панель шахты прямоугольной формы с размерами: L - длина панели по падению пласта, Ьс - ширина панели по простиранию (соответствующая длине выемочного столба) и балансовыми запасами угля: Q = утЬрЬс.
Панель делится на выемочные столбы, количество которых определяется как целая часть числа: К
Ко + Ь ] , (8)
где Ь - ширина охранного, межлавного целика, м.
Общие потери запасов угля в охранных, межлавных целиках панели определяются по формуле:
(К) = 1тЬКспс = утЬКс
К + Ь
(9)
0
а относительные потери угля в охранных, межлавных целиках панели определяются по формуле:
Р =
100QP (Lo 100ymbLc lp 100b
Q YmLcLp l Lo + b l Lo + b i
, (10) Тогда извлекаемые промышленные запасы угля панели определяются по зависимости:
QM (Lo) = Q - Qd =ymLL -jmbLc
L + b
= jmLL (1 -
L + b
(11)
и общий доход шахты от отработки панели соответственно также определяется нелинейной, возрастающей, асимптотической зависимостью от длины лавы:
Ьа) = зтЬЬ (1 - Ь
А + Ь ] , (12)
Как видно из приведенных зависимостей, при увеличении длины лавы потери угля в охранных целиках сокращаются, а извлекаемые промышленные запасы и доходы шахты соответственно возрастают.
Учитывая гиперболическую зависимость годовой производительности КМЗ от длины лавы (2, 3), период отработки панели определяется по формуле:
T (Lo) =
Q
^ и
jmLL (1 -
b
L + b
A(Lo
sa
b+
d.
Ьо , лет, (13)
Количество конвейерных и вентиляционных штреков в панели при стандартной, двухштрековой схеме подготовки выемочного столба определяется целой частью числа:
21
п(Г ) = 2п =
L + b
а затраты на их проведение:
(14)
Сп (Ь0) = сппЬс = 2спЬс
V 1о + Ь ] , (15)
где сп - удельные затраты на проходку 1 м штрека, руб./м.
Общие затраты на проведение конвейерных и вентиляционных штреков, монтажных и демонтажных камер и разрезных печей в панели определяются по формуле:
С (L ) = с пЬ + с п L + с п L =
о> п с м с о п с рп
L + b
(2cnLc + cMLo + cnLo eos a)
(16)
где см - удельные затраты на проходку монтажной (демонтажной) камеры, руб./м, L = L /cosa - длина диагональной разрезной печи в выемочном стол-
бе панели, служащей в качестве запасного выхода для шахтеров и для дополнительного проветривания очистного участка, а - угол между очистным забоем и разрезной печью.
Среднегодовые затраты на проведение подготовительных выработок в панели определяются по зависимости:
с(1) = ЧЫ
0 ТЬ)
(2сА + + СА СОБа)еаЬр
ГтЬЬ (1 -
Ь
Ь + Ь
)(Ьп + Ь)(Ь + Ь-)
(17)
Таким образом, в данной задаче присутствует противоречие, необходимое для существования оптимального решения, которое заключается в следующем. С ростом длины лавы уменьшается количество выемочных столбов и, соответственно, штреков в панели, что приводит к увеличению прибыли шахты за счет снижения затрат на проходку подготовительных выработок и уменьшения потерь угля в охранных, межстолбовых целиках. В то же время с увеличением длины лавы пропорционально возрастают инвестиции на приобретение механизированного комплекса, соответственно, возрастают амортизационные отчисления и себестоимость добычи угля, что приводит к снижению прибыли шахты.
Учитывая зависимости (5-11) для расчета разновременных затрат, общий дисконтированный доход, получаемый шахтой от отработки промышленных запасов панели с учетом потерь угля в целиках и инвестиций на приобретение комплекса, имеет вид:
Р(, ) = Ч^^-слы.__ТЬ0
\ о> о и , ги 2—1
8(Ко Т (Ко
8(
(1 + Е)' s - с)утЬрЬс(1 -
с (К )
р -К - (к. + к )К = (1 + Е) ' 0 к
Ь
К + Ь
Т (К
К + Ь
(2с К + с К + с К еоэ а) - К - (кк + к )К
\ п с мо по / о х к с' о
^ тах
(18)
при соблюдении ограничения:
Л Ко) < Л,
где AB - допускаемая производительность КМЗ по фактору вентиляции, Е -норма дисконта, с - себестоимость очистных работ, руб./т, 8(^) - коэффициент аннуитета, определяемый по формуле:
5(К > = Е (1 - ), (19)
Как видно, целевая функция (18) представляет собой разность между возрастающей, нелинейной, асимптотической зависимостью дохода и линейной функции капиталовложений и имеет точку максимума прибыли относительно длины очистного забоя.
Сравнительный анализ результатов оптимизации длины лавы шахты «Ко-стромовская» по различным критериям оптимальности
Шахта «Костромовская» ОАО «Белон» введена в эксплуатацию в 2008 г. Поле шахты «Костромовская» расположено в юго-западной части Ленинского
Рис. 2. План горных выработок по пласту 19 шахты «Костромовская»
геолого-экономического района Кемеровской области, в пределах Никитинского каменноугольного месторождения.
Промышленные запасы добываемого угля марки Ж в принятых границах отработки пласта 19 составляют 24 430 тыс. т.
Вскрытие месторождения осуществлено тремя центральными наклонными стволам, пройденными по пологому пласту 19 с присечкой пород почвы и разбивающим шахтное поле на два крыла: западное и восточное (рис. 2). На
Фактические технико-экомические показатели шахты «Костромовская» в 2012 г.
Наименование показателя Ед. изм. Значение показателя
Объем добычи угля тыс. т 1761
Производственная себестоимость добычи угля тыс. руб./год 2 256 541
Себестоимость 1 т угля руб./т 1281
Затраты на проведение горных выработок, относимые на себестоимость добычи угля тыс. руб. 643 198
Удельные затраты на проведение горных выработок руб./п.м. 117 094
Удельные затраты на проведение горных выработок в себестоимости добычи угля руб./т 365,2
Себестоимость 1 т угля без затрат на проведение выработок и амортизационных отчислений на комплекс руб./т 853,3
Оптовая цена угля марки Ж по пласту 19 руб./т 1700,0
Прибыль (без затрат на проведение выработок и амортизационных отчислений на комплекс) руб./т 846,7
Рис. 3. Зависимость производительности очистного забоя шахты «Костромовская» по пласту 19 от длины лавы и схемы работы комбайна
флангах шахтного поля пройдены западный и восточный наклонные стволы. Подготовка шахтного поля панельная: в каждом крыле - по односторонней уклонной панели. Добыча угля на шахте в 2012 г. составила 1,761 млн т при отработке пласта 19 механизированным комплексом JOY системой разработки - длинные столбы по простиранию с полным обрушением кровли. Фрагмент плана подготовительных и очистных работ на шахте «Костромовская» при разработке пласта 19 приведен на рис. 2.
В 2013 г. ЗАО «Гипроуголь» выполняет проектирование по прирезке запасов угля и увеличению добычи угля на шахте «Костромовская» до 2700 тыс. т/год. Фактические технико-экономические показатели работы шахты «Костромовская» в 2012 г. приведены в таблице.
Результаты решения задачи обоснования схемы работы очистного комбайна - односторонней или челноковой - для условий шахты «Костромовская» показаны на рис. 3. Как видно, односторонняя схема движения комбайна вверх по лаве с зачисткой почвы обратным ходом имеет преимущество перед челно-ковой схемой при длине лавы до 250 м. При длине лавы более 250 м преимущество по производительности имеет челноковая схема работы очистного комбайна. При длине лавы 250 м эти схемы, практически, равноценны.
На рис. 4 приведены результаты оптимизации длины лавы для условий пласта 19 шахты «Костромовская» по двум различным критериям оптимальности:
• максимуму годовой прибыли от отработки выемочного столба,
• максимуму дисконтированного дохода (18) за период отработки панели с учетом затрат на подготовительные работы и потерь угля в охранных целиках.
Как видно, максимумы этих функций и, соответственно, решения поставленной задачи не совпадают. Оптимальные значения длины лавы по локальному критерию - максимумугодовой прибыли - составляют 150^200 м. С учетом всех затрат на подготовительные и очистные работы в панели, а также с учетом потерь угля в охранных целиках оптимальные значения длины лавы,
Рис. 4. Зависимости годовой прибыли и чистого дисконтированного дохода от длины лавы шахты «Костромовская»
полученные по более общему критерию - максимуму чистого дисконтированного дохода - увеличиваются до 300^350 м. Соответственно с ростом длины лавы оптимальная производительность очистного забоя увеличивается с 2000 до 2700 т/сутки при переходе на челноковую схему движения комбайна в лаве (см. рис. 3). При длине лавы 350 м оптимальное количество выемочных столбов в панели составляет 9, а конвейерных и вентиляционных штреков соответственно 18. Оптимальные потери угля в охранных, межлавных целиках панели составляют 904 тыс. т или в процентном соотношении к балансовым запасам угля в панели - 3,7%.
Таким образом, переход от частного критерия оптимальности - годовой прибыли - к более общему - чистому дисконтированному доходу шахты за период отработки панели с учетом затрат на подготовительные работы и потерь угля в охранных целиках - существенно изменяет решение задачи в сторону увеличения длины очистного забоя.
Выводы
Переход от подсистемы «выемочное поле» на более высокую по иерархии подсистему «панель» и использование в модели в качестве критерия оптимальности максимума чистого дисконтированного дохода шахты за период отработки запасов угля панели существенно изменяет решение задачи оптимизации длины комплексно-механизированного очистного забоя. Так, на примере шахты «Костромовская» оптимальная длина лавы при этом увеличивается с 200 до 350 м, а производительность очистного забоя возрастает с 2000 до 2700 т/сутки при использовании челноковой схемы движения комбайна в лаве. При длине лавы 350 м оптимальное количество выемочных столбов в панели составляет 9, а конвейерных и вентиляционных штреков соответственно 18. Оптимальные потери угля в охранных, межлавных целиках панели составляют 904 тыс.т или в процентном соотношении к промышленным запасам угля в панели - 4,3%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ордин А.А., НикольскийА.М., Метель-ков А.А. Оптимизация технологии подземной разработки пологих угольных пластов. Основные зависимости и закономерности механизированной добычи угля в длинных очистных забоях. Palmarium Academic Publishing. Saarbrucken, Deutschland, 2013. -109 с.
2. Ордин А.А., Метельков А.А. К вопросу об оптимизации длины и производительности комплексно-механизированного
очистного забоя угольной шахты // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2013. - № 2. - C. 100-113.
3. Ордин А.А., Никольский А.М., Метельков А.А. Моделирование и оптимизация технологических параметров очистных и подготовительных работ шахты «Костро-мовская» // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2013. -№ 6. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Ордин Александр Александрович1 - доктор технических наук, заведующий отделом, e-mail: ordin@misd.nsc.ru, Никольский Александр Михайлович1 - кандидат технических наук, научный сотрудник, e-mail: nicosya@misd.nsc.ru,
Метельков Алексей Александрович - руководитель группы ЗАО «Гипроуголь», e-mail: metelkov@giprougol.ru, 1 Институт горного дела СО РАН.
UDC 622.33.013.3)
PROCEDURE AND PROGRAM (PROZA-4.0)
FOR AUTOMATED PLANNING OF DEVELOPMENT WORK
AND STOPING IN EXTRACTION PANEL IN COAL MINE
Ordin A.A.1, Doctor of Technical Sciences, Head of Department, e-mail: ordin@misd.nsc.ru,
Nikol'skiy A.M.1, Candidate of Technical Sciences, Researcher,
e-mail: nicosya@misd.nsc.ru,
Metel'kov A.A., Head of group, Giprougol LTD,
630015, Novosibirsk, Russia, e-mail: metelkov@giprougol.ru,
1 Institute of Mining of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,
630091, Novosibirsk, Russia.
The information on the methodology and software for computer-aided design of underground mining, working flat and inclined coal seams are present.
Key words: mine, coal seam, productivity, complexly-mechanized stope.
REFERENCES
1. Ordin A.A., Nikol'skiy A.M., Metel'kov A.A. Optimizatsiya tekhnologii podzemnoy razrabotki pologikh ugol'nykh plastov. Osnovnye zavisimosti i zakonomernosti mekhanizirovannoy dobychi uglya v dlinnykh ochistnykh zaboyakh (Optimized underground mining technology for flat coal seams. Basic relations and regularities of mechanized longwall coal production). Palmarium Academic Publishing. Saarbrucken, Deutschland, 2013, 109 p.
2. Ordin A.A., Metel'kov A.A. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh. 2013, no 2, pp. 100-113.
3. Ordin A.A., Nikol'skiy A.M., Metel'kov A.A. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh. 2013, no 6.
