CC BY
29
© В.В. Мельник, А.С. Оганесян, 2012
УДК 622.272:622.06
В.В. Мельник, А. С. Оганесян
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ШАХТ НОВОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ
Решение проблемы оптимального комплексного использования и развития шахтного фонда может быть осуществлено на основе разработки нового научно-методического подхода к моделированию и совместной оптимизации параметров технологических схем шахт с целью создания высокоэффективного производства и обеспечения необходимых темпов его развития путём рационального использования георесурсов, материальных и финансовых средств.
Ключевые слова: шахтный фонд, модель дегазации, подсистема монтажно-демонтажных работ, внутришахтный транспорт.
А нализ состояния и использования шахтного фонда угледо-./Т. бывающих бассейнов России и стран СНГ [1, 2, 3], а также научных направлений оптими-зации вариантов его эффективного функционирования на современном этапе экономического развития, позволяет сделать вывод о том, что проблема поиска оптимальных решений при выборе среднесрочной о долгосрочной стратегии в настоящее время получила новое содержание.
Отсутствие единого методологического подхода при обосновании целесообразности принимаемых решений приводило к неэффективности применения метода непрерытной оптимизации вариантов развития шахт на различный стадиях её эксплуатации. Научные исследования посвящены либо решению проблем оптимизации технологических схем вскрытия, подготовки и отработки, либо оптимизации параметров отдельный процессов производства.
Решение проблемы оптимального комплексного использования и развития шахтного фонда может быть осуществлено на основе разработки нового методологического подхода к моделированию и совместной оптимизации параметров технологических схем шахт с целью создания высокоэффективного производства и обеспечения необходимых темпов его развития путём рационального использования георесурсов, материальных и финансовых средств.
В основу реализации методологии положены следующие принципы:
1. Повышение эффективности подземной угледобычи в сложных горно-геологических условиях обеспечивается путём разработки метода совместной оптимизации параметров технологических схем и поэтапного проектирования долгосрочного развития шахт нового технического уровня.
2. Классификация факторов, учитывающих условия разработки угольных пластов, которые определяют единое информационное пространство, позволяет рассматривать шахту как сложную геотехнологическую систему с иерархической структурой, определяемой подсистемами «запасы», «технологические схемы вскрытия, подготовки и системы разработки пластов», «технологические схемы процессов подземных горных работ».
3. Формирование проектных решений строящихся и действующих шахт, обеспечивающих высокую эффективность их работы, осуществляется на основе синтеза адаптируемых к горногеологическим условиям залегания пластов и взаимоопределяемых технологических схем вскрытия и подготовки и технологических схем процессов подземных горных работ.
4. Высокий уровень интенсификации горного производства обеспечивается за счёт рационального использования высокопроизводительного оборудования на основных подземных процессах, что достигается путём совместной оптимизации параметров технологических процессов дегазации, подготовки и отработки запасов, а также транспортирования угля в шахте.
5. Высокая адаптивность параметров технологических схем выделенных подсистем при обосновании рациональной технологической схемы шахты нового технического уровня к сложным горно-геологическим условиям.
6. Высокий уровень эффективности принимаемых проектных решений обеспечивается путём совместной оптимизации параметров конструктивных элементов технологических схем вскрытия и подготовки запасов и технологических схем процессов подземных горных работ с учётом пространственно-временной динамики их изменения в соответствии с комплексом решаемых задач на определённом этапе развития горных работ.
7. Повышение эффективности использования шахтного фонда, а также всех источников финансирования угледобывающей компа-
нии, определяющей единую инвестиционную стратегию, обеспечивается посредством концентрации во времени и пространстве собственных и привлечённых источников финансирования, максимальной реализации геотехнологического потенциала входящих в её состав шахт.
8. Высокий уровень достоверности результатов обоснования рациональных параметров технологических схем строящихся и действующих шахт обеспечивается за счёт использования методов пооперационного моделиро-вания параметров технологических процессов (посредством формирования оптимального баланса рабочего времени), применения математических мето-дов их совместной оптимизации с учётом пространственно-временной дина-мики развития горных работ на любом этапе разработки и принятия проектных решений.
Шахта может рассматриваться как сложная геотехнологическая система, формируемая путем оптимального сочетания взаимоувязанных подсистем, которые в свою очередь могут рассматриваться как сложная технологическая взаимосвязь составляющих ее подсистем второго порядка.
Основополагающими условиями их выделения являются: их функциональная и технологическая однородность; четко выраженная иерархия внутреннего построения; внутренняя логическая взаимосвязь и многовариантность развития.
Выделены подсистемы шахты первого порядка:
I - подсистема «Запасы», её элементы - запасы вскрытые, подготовленные, готовые к отработке;
II - технологические схемы вскрытия, подготовки и системы разработки пластов - подсистема ТСВП;
III - технологические схемы процессов, реализующих данные технологические схемы во времени и пространстве - ТСПР.
Формирование структуры геотехнолгической системы «шахта» представлено на рис. 1.
Подсистема «Запасы» представляет собой совокупность её элементов, характеризуемых горно-геологическими условиями залегания, количественные параметры которой и ее качественные составляющие определяют формирование подсистем ТСВП и ТСПР.
Подсистемы
Геотехнол 0гическая система «шахта»
Системы разработки угольных пластов
Рис. 1. Формирование структуры геотехнологической системы «шахп
шахты
га»
Формирование и развитие подсистемы ТСВП осуществляется под воздействием параметров подсистемы «Запасы». Элементами подсистемы являются: способ вскрытия, схема вскрытия шахтного поля, схема подготовки, способ отработки пластов в шахтном поле, система разработки и порядок ввода лав в эксплуатацию.
Подсистема ТСПР представляет собой совокупность взаимосвязанных технологических схем процессов в шахте. Она может рассматриваться также как сложная система взаимодействия элементов - технологических схем процессов угледобычи - подсистем второго порядка, характеризуемых совокупностью количественных и качественных параметров:
11-1 - технология очистных работ - технологическая схема очистных работ, элементами являются очистной забой и сопряжения (верхнее и нижнее), пара-метры элементов: способ выемки угля и средства механизации очистного забоя, способ крепления очистного забоя и сопряжений, способ управления кров-лей, способ транспортирования угля до магистральных выработок (в пределах выемочного столба), схема проветривания очистного забоя, длина столба, длина лавы, вынимаемая мощность пласта;
11-2 - технология проведения горных выработок - схема работы подготовительного забоя, элементом является проводимая горная выработка, её параметры: тип выработки (протяженная, непротяженная), способ проведения, способ крепления выработок, тип крепи, способ транспортиро-вания горной массы до магистральных выработок, способ проветривания и пылеподавления, общая длина, площадь сечения вчерне и в свету, плотность установки крепи, угол наклона выработки;
11-3 - технология поддержания горных выработок - технологическая схема поддержания горной выработки, элементом является поддерживаемая горная выработка, её параметры: тип выработки (протяженная, непротяженная), способ охраны, тип крепи, назначение выработки (вентиляционная, транспортная), схема проветривания, механизация процесса ремонта, тип ремонтного оборудования, схема его размещения и работы в выработке, количество единиц используемого оборудования, общая длина или объем, площадь сечения в свету, коэффициент присечки породы, плотность установки крепи, угол наклона выработки;
11-4 - технология монтажа-демонтажа оборудования в шахте -технологические схемы монтажно-демонтажных работ, элементами
являются типы технологического оборудования принятого к монтажу-демонтажу, способ доставки оборудования к месту ведения работ и способ их механизации, а также объекты монтажа-демонтажа: очистной забой, горноподготовительный забой, транспортная выработка или сеть выработок, параметры оборудования;
И-5 - технология дегазации, предотвращения внезапных выбросов - технологическая схема дегазации, элементами являются объекты дегазации: угольный пласт или свита пластов, выемочное поле, выемочный столб;
П-6 - технология управления кровлей в очистном забое - технологическая схема управления кровлей, элементами которой является кровля в выработанном пространстве выемочного столба;
П-7 - технология транспортирования в шахте - схемы транспорта угля, породы, материалов, оборудования и людей в шахте;
И-8 - вентиляция шахты - технологические схемы вентиляции, элементами являются: способ проветривания, оборудование для проветривания шахты и объекты проветривания;
И-9 - технология спуска-подъёма угля, породы, оборудования и людей в шахту - технологические схемы спуска-подъема; элементами являются подъемные установки и выработки, в которых они расположены;
И-10 - технология поверхности шахты - технологические схемы размещения угольных складов и породных отвалов, складов оборудования, прочих участков и цехов на территории техком-плекса поверхности шахты, элементами являются технологическая схема транспортирования грузов на поверхности в зависимости от их назначения, сооружения техкомплекса поверхности и планировочные решения их размещения.
Многообразие факторов, формирующих параметры ТС шахты и её подсистем, их тесная взаимосвязь определяют необходимость их классифи-кации не только по количественному и атрибутивному признакам, но и по степени взаимодействия и взаимовлияния, то есть по признаку управляемости. Все факторы, формирующие параметры системы и её подсистем могут быть представлены двумя группами: управляемые, и управляющие, которые в свою очередь могут быть абсолютно управляющими и условно управляющими.
К управляемым относятся те из них, нейтрализация негативного воздействия которых на те или иные параметры возможна пу-
тём использова-ния определённых технических средств, технологических, организационных и экономических решений. Эти факторы формируют множество вариантов, а также области определения функций переменных величин. К ним относятся: газоносность пласта, обводнённость, склонность к внезапным выбросам угля и газа, а также параметры процессов при их совместной оптимизации.
К управляющим факторам причислены все факторы, которые либо невозможно изменить, а только учитывать при принятии того или иного решения, либо они приняты в качестве ограничений при выборе этих решений. К абсолютно управляющим факторам относится большинство количественных горно-геологических характеристик пластов. К условно управляющим факторам относятся те, которые могут быть изменены в зависимости от изменения стратегии, например, объёмы производства продукции сроки строительства объекта инвестирования.
Идея моделирования и оптимизации параметров подсистем основывается на формировании объемов производства угольной продукции на момент оптимизации варианта развития шахты t и на весь период оптимизации Т с учётом развития процесса угледобычи в пространстве и во времени. Цель -формирование технологической схемы шахты, обеспечивающей оптимальные параметры её технологических процессов и подсистем - достигается путём обоснования области их совместного варьирования, в пределах которой осуществляется их совместная оптимизация в рассматриваемый период развития шахты
Т = гя -10,(* е Т).
Разработана модель пространственно-временной динамики развития очистных и подготовительных работ, в которой, в привязке к ТС подготовки и отработки выемочного поля, обоснована последовательность отработки выемочных столбов в пространстве и времени. Модель является основой для привязки технологических моделей дегазации, развития подсистем монтажно-демонтажных работ и внутришахтного транспорта.
Модель выбора оптимальных параметров технологии подсистем «очистные работы» и ГПР, являющаяся основой для привязки технологических моделей поддержания выработок, дегазации, монтажно-демонтажных работ, внутришахтного транспорта, подъёма и техкомплекса поверхности, имеет вид:
для всех I е z,z е j необходимо выполнение условия
Тподг - Тэкс ^ min
У У - 1
при условии
^ - Л < 0; Dсм - Dгф < 0; ти - тро% < 0;
и Щ см ш
2 Ас. хD
-- - Ас < 0 ; Vпрпл -Vпргф < 0 ; Vпрпл -Vпр < 0
7-4 Ы И1 Ш Ш
D "
г-
к ь Ьв
— + г
рм<, рд1
2 2 —^ + гпз + Г
k — 11 — 1 тс -а---ттс < 0
пз —
тах{Тпр }
ik
где z - индекс сети выработок по подготовке выемочного поля (столба), z=1,2,...,Z; Тподг - продолжительность подготовки j-го
V
выемочного поля (столба),
Тподг — Тподг — Т
] ] подг-
Тэкс - продолжительность эксплуатации j-1-го выемочного
Ш, ] - 1
поля (столба);
] - 1 ] - 1
экс] -1
т0 ,Т - момент времени соответственно начала и оконча-
ния подготовки j-го выемочного столба; т0 ,Т - момент
экс] - 1 экс- - !
времени соответственно начала и окончания отработки j-1-го выемочного столба; Ас , Ас - соответственно фактическая и
г] г]
планируемая зольность угля, %, ттс - возможное количество
пзИ]
Т экс — Тэкс — Т
одновременно действующих подготовительных забоев, ограниченное условиями ТС подготовки.
Vnp ,Vnp ,Упргф - соответственно оптимальная в момент
til il til
времени t, максимально возможная и ограниченная газоносностью скорости проходки l-й выработки; tn3 ,tn3 - продолжи-
рм рд il il
тельность соответственно монтажа и демонтажа оборудования в подготовительном забое.
В соответствии с вышеизложенным разработан алгоритм последовательности поиска их оптимальных соотношений, на основании чего устанавливаются области совместного варьирования этих параметров. Далее определяются варианты развития очистных и подготовительных работ, которые в дальнейшем принимаются к оптимизации. На основании сформированных таким образом параметров подсистем очистных и подготовительных работ формируются параметры подсистем ремонт горных выработок, а также ВШТ: количество (Smct ) и протяжённость (Lmcts , s=1,2,...,S) транспортных сетей, грузопоток транспортной сети в момент времени t (Qmct¡s ) в соответствии с её типом, определяемым набором оборудования и видом транспортируемого груза.
Оптимизация параметров технологической схемы шахты осуществляется на основе разработанной технолого-эконо-мической модели, представляющей собой синтез технико-технологической и экономико-математической моделей. Формирование экономико-математической модели основано на использовании расчетно-аналитического метода моделирования затрат по элементам и процессам угледобычи в увязке с параметрами технологических процессов. Логическая схема формирования технолого-экономической модели шахты и угледобывающей компании приведена на рис. 2.
При обеспечении ритмичной работы шахты в условиях негативного воздействия горно-геологических факторов, отказов оборудования имеет место риск производственных потерь в виде снижения объёмов добычи угля, формирующих
Рис. 2. Логическая схема оптимизации вариантов при принятии проектных решений по угледобывающей компании
общий объём товарной продукции производственно-технологического комплекса, в состав которого она входит. Это обусловило необходимость обоснования резервов увеличения
нагрузки на одни шахты комплекса в случае отказов в работе других шахт. Предложен метод определения резервов увеличения нагрузки на шахту, на основе обоснования технико-технологического потенциала отдельных подсистем и системы «шахта» в целом, с тем, чтобы рационально распределить объёмы добычи и компенсировать потери объёмов производства. Метод основан на расчете интегрального показателя технико-технологического потенциала системы «шахта» по сравнению с фактически достигнутым на основе максимального использования ее геотехнологического потенциала, который позволяет определить возможный прирост объёмов угледобычи.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лангольф Э.Л., Вылегжанина И.И., Мазикин В.П. Проблемы эффективности реструктуризации промышленности Кузбасса. Кемерово. Кузбассвузиздат. 1997 - 248 с.
2. Презент Г.М., Баймухаметов С.К., Квон С.С., Роот Э.Г., Алиев С.Б. Проблемы реструктуризации и интенсификации угледобычи в Карагандинском бассейне. - Караганда, 2000. - 279 с.
3. Торопко Л.А. Угольная промышленность России: опыт реструктуризации, проблемы, перспективы развития отрасли и сотрудничества со странами СНГ. // Уголь. № 10, 2003. - С.3-7
4. Шулятьева Л.И. Выбор технологических схем подготовки и отработки угольных пластов на основе оценки поддержания горных выработок // Вестник Восточно-Казахстанского технического университета. - ВКГТУ, Усть-Каменогорск. - № 4, 2004. - С. 5-7.
5. Шулятьева Л.И. Технико-технологические проблемы оптимального комплексного развития угледобывающих предприятий. // Уголь, № 9, 2004. - С. 51-60 ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Мельник Владимир Васильевич - доктор технических наук, заведующий кафедрой, E-mail: msmu-prpm@yandex.ru
Оганесян Армине Сейрановна - кандидат технических наук, доцент,
E-mail: msmu-prpm@yandex.ru
Московский государственный горный университет.
