CC BY
16
© В.В. Зиновьев, 2013
УЛК 519.876.5 В.В. Зиновьев
МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОЗАБОЙНОЙ ПРОХОДКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННОГО ПОДХОДА
Технология проходки буровзрывным способом с многозабойной организацией работ представлена в виде сети систем массового обслуживания с компьютерной реализацией на специализированных языках имитационного моделирования GPSS/H и анимации Proof Animation. Ключевые слова: имитационное моделирование, системы массового обслуживания, горнопроходческие работы.
Разнообразие условий залегания и добычи полезных ископаемых, многовариантность способов организации горных работ, высокая стоимость технологических и технических решений в горном деле делают целесообразным анализ и перебор вариантов ведения горных работ на персональном компьютере. Имитационные эксперименты с моделью горных работ позволяют до реальных инвестиций в производство ответить на вопросы:
- какие изменения техники, технологии и организации работ приведут к увеличению производительности?
- как согласовать работу участков технологической цепи?
- какое оборудование потребуется при переходе на другие участки добычи?
- какое расписание работы участков эффективнее?
- как повлияют на работу отказы оборудования?
С 60-х годов имитационным моделированием горных работ занимались Гипроруда, НИИКМА, ИПКОН, НИГРИ, ИГЛ СО АН СССР, ИГЛ Кольского НЦ АН СССР, УГГА, ИГЛ СО РАН, НИИОГР и другие институты [1]. Имитационное моделирование проводили с использованием универсальных языков программирования. При таком подходе динамика процессов описывалась последовательностью аналитических выражений, модель состояла из десятков тысяч команд, что затрудняло процесс проверки и доработки модели, требовало многих месяцев работы технолога с про-
граммистом. Часто процесс моделирования отставал от развития горных работ. С появлением специализированных языков стали появляться новые приложения имитационного моделирования. Одно из них описано ниже.
Объектом моделирования является технология проведения выработок буровзрывным способом с многозабойной организацией работ и использованием нескольких самоходных машин, число наборов которых меньше числа забоев.
На заданном расстоянии между забоями бурят скважины. Самоходная бурильная установка (СБУ) бурит шпуры в двух соседних забоях. Затем проводится заряжание шпуров и взрывание. После проветривания погрузочно-доставочная машина (ПДМ) вывозит отбитую горную массу из забоев, а СБУ бурит шпуры в двух других забоях.
В отличие от однозабойной многозабойная организация горнопроходческих работ характеризуется тем, что между технологическими операциями появляются простои, вызванные различием времени выполнения операций при разном объеме работ в забоях, а также вероятностной природой их протекания. По мере подвигания забоев с ростом расстояния транспортировки горной массы продолжительность процессов также изменяется. Организация работ усложняется за счет дополнительных ограничений, в частности при ведении взрывных работ только в междусменный перерыв. Чем больше выработок проводится одной бригадой, тем сложнее исследуемая система. Вследствие этого многозабойные технологии трудно поддаются аналитическому описанию, особенно тогда, когда требуется изучение взаимодействия элементов технологической системы во времени и пространстве. Поэтому для отображения технологии проходки с многозабойной организацией работ целесообразным является применение моделирования с использованием имитационного подхода.
Технологию проходки с многозабойной организацией работ можно описать сетью систем массового обслуживания (СеСМО), в которой заявками являются проходческие циклы. Заявки формируются двумя источниками для каждой пары забоев (рис. 1).
Рис. 1. Технология проходки в виде сети СМО
Число таких заявок ограничено и определяется как
т = Ь /1, (1)
где Ь - длина проводимой выработки, 1 - величина подвигания забоя за цикл.
Этот поток представляет собой множество рабочих циклов вплоть до окончания проходки и должен формироваться в соответствии с планом горных работ. Очевидно, что по мере подвигания забоя число этих циклов уменьшается.
В СеСМО заявки параллельно обслуживаются двумя приборами, каждый из которых отображает два забоя. Внутри приборов происходит обслуживание заявок на бурение и погрузку, осуществляемых обслуживающими устройствами, которые моделируют СБУ и ПДМ. Если в одном из приборов происходит обслуживание заявки устройством, отображающим самоходную бурильную установку, то в другом приборе, который отображает вторую пару забоев, заявка будет обслуживаться погрузочно-доставочной машиной.
Продолжительность проходческого цикла определяется суммой
t4 = tp + tn, (2)
где tp - продолжительность процесса разрушения горного массива, tn - продолжительность процесса погрузки горной массы.
Время обслуживания заявки прибором ПДМ увеличивается в зависимости от номера проходческого цикла tm = f (Id), i = (3)
где 4 - длина доставки горной массы, m - количество требуемых циклов для проведения выработки.
Количество требуемых рейсов ПДМ для вывоза горной массы определятся как
n = (Q / VK )к3, (4)
где Q - объем отделенной горной массы, Vê - объем ковша ПДМ, k3 - коэффициент, учитывающий неполноту заполнения ковша.
Время работы ПДМ для вывоза всей отделенной горной массы определяется как
t . = n((td. / v )к + t + t ), (5)
m дг n' p зач раз ' ' x '
где vn - скорость перемещения ПДМ, кр - коэффициент разрыхления породы, t3a4 - время зачерпывания, tpà33 - время разгрузки. Причем величина vn является случайной, а 1Д,- увеличивается с каждым циклом.
Важным показателем, влияющим на скорость проходки, является надежность горных машин. Для учета фактора надежности в модель введены два дополнительных источника заявок, представляющих собой отказы самоходной бурильной установки и погрузочно-доставочной машины.
В качестве средства программной реализации модели технологии проходки выбран язык GPSS/H (фирма Wolverine Software Corporation, США), основанный на теории очередей и позволяющий моделировать процессы, случайно изменяющиеся во времени и пространстве. Язык GPSS является одним из самых эффективных и распространенных программных средств моделирования сложных дискретных систем на ЭВМ, он успешно используется для моделирования горных работ, формализуемых в виде систем массового обслуживания [1].
Основными объектами в GPSS/H-модели являются тран-закты и блоки. Транзакты представляют собой аналоги заявок в СеСМО. Они, перемещаясь от блока к блоку, имитируют
Tine: 375.43
Speed: 60. QQ l+Faster -Slower Pause QSUieu ¿File ¿Mode Ф
OPERATION: Drilling in 1,2 Haulage from 3, 4
UTI LIZATI 0 N
Drilling machine
LHD-machine
52,5%
45,0%
OUTPUT:
Average cycle duration 526.S rnin Average speed q.5 m/shift
1
15,68m
и
15,68m
4
16,80m
16,80m
Рис. 2. Анимация многозабойной организации горнопроходческих работ
операции горнопроходческих работ: подгон - отгон самоходных бурильных установок, бурение шпуров, загрузку - разгрузку погрузочно-доставочной машины, крепление выработанного пространства и т.п. Блоки задают логику функционирования модели системы и определяют пути движения транзактов по ней. Блоками представлены приборы СеСМО, отображающие самоходную бурильную установку и погрузочно-доставочную машину.
При помощи языка компьютерной анимации Proof Animation (фирма Wolverine Software Corporation, США), отображена динамика проходческих работ в соответствии с имитационной моделью (рис. 2).
При проведении экспериментов вводят исходные данные в файл входных параметров, запускают модель и анализируют результаты по анимации процесса. На экране отображается степень загрузки машин, продолжительность проходческого цикла, длина пройденной выработки. Некоторые результаты представлены на рис. 3 и 4.
Таким образом, используя имитационный подход для моделирования проходки с многозабойной организацией работ на горнорудных и угледобывающих предприятиях, а также в проектных институтах появляется возможность проводить оценку соотношения машин и забоев для работы без простоев, анализировать влияние горнотехнических факторов на продолжительность проходческого цикла и загрузку оборудования.
кО из
В 10
47 53 57 72 65 70 73
Длина доставки горной массы, м
Рис. 3. Влияние длины доставки горной массы на загрузку бурильной установки (1) и погрузочно-доставочной машины (2)
700
я
| 600 -■
о
47
53
57
72
65
70
73
Длина доставки горной массы, м Рис. 4. Влияние длины доставки горной массы на продолжительность проходческого цикла
Все это позволит выбрать эффективный вариант горнопроходческих работ еще до вложения крупных инвестиций в технологии и оборудование, что в конечном итоге будет способствовать обеспечению высоких технико-экономических показателей горнодобывающих предприятий России.
1. Конюх В. Л. Дискретно-событийное моделирование подземных горных работ / В.Ё. Конюх, В.В. Зиновьев. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2011. -243 с. \ГШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Зиновьев Василий Валентинович - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, г V [email protected]
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук (ИУ СО РАН).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
