CC BY
40АПВПМ-2019
моделирование работы очистного забоя
____о _
угольной шахты
С, В, Рудометов1, В, В, Окольнишников2, А. А. Ордин2
1 Институт, вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Новосибирск 2Институт вычислительных технологий СО РАН, 630090, Новосибирск
УДК 519.876.5
Б01: 10.24411/9999-016А-2019-10067
В системе имитационного моделирования МТвв реализована специализированная библиотека моделей горных машин, используемых при добыче угля в длинном очистном забое угольной шахты. С использованием специализированной библиотеки имитационных моделей горных машин разработана комплексная модель технологических процессов подземной добычи угля в очистном забое угольной шахты. Исследованы подходы повышения производительности очистного забоя в зависимости от технических характеристик горных машин, размеров лавы, технологических схем добычи угля в условиях изменяющихся горногеологических и геомеханических характеристик угольного пласта.
Ключевые слова: имитационное моделирование, шахта, очистной комбайн, производительность.
Введение
В настоящее время для многих угольных шахт возникли проблемы обоснованного принятия решений по повышению производительности, улучшению планирования добычи угля, использованию новых горных машин и новых перспективных технологий добычи угля. Для обоснования принятия решений наиболее подходящим способом является имитационное моделирование. На важность использования имитационного моделирования для поддержки принятия решений по проектированию, разработке и оптимизации угольных шахт указывает большое число публикаций [1-5].
Для решения этих проблем в Институте вычислительных технологий СО РАН была использована система имитационного моделирования .\ITSS [6, 7]. Система .\ITSS является визуально-интерактивной процессно-ориентированной системой дискретного имитационного моделирования, предназначенной для разработки и исполнения моделей технологических процессов. Отличительной чертой системы моделирования является ориентация на пользователей, являющихся специалистами конкретной предметной области (инженеров-технологов, горных инженеров), не имеющих опыта использования универсальных систем имитационного моделирования. Быстрое построение моделей обеспечивается наличием визуально-интерактивного интерфейса и специализированных библиотек моделей технологического оборудования конкретных предметных областей. Система моделирования .\ITSS предоставляет пользователю следующие возможности: визуально-интерактивное построение модели, задание параметров модели, различные режимы выполнения модели, 2Б и .'51) визуализацию выполнения модели.
Для моделирования технологических процессов в угольных шахтах в системе моделирования .\ITSS разработана специализированная библиотека технологического оборудования для таких подсистем угольной шахты, как конвейерная подсистема, подсистема водоотлива и подсистема электроснабжения. С использованием специализированной библиотеки разработан ряд моделей этих подсистем для угольных шахт Кузбасса [8]. В статье рассматривается использование системы .\ITSS для моделирования технологических процессов добычи угля в очистном забое.
1 Математическая модель
В [9,10] предложены формулы (1) и (2) для расчета скорости V и производительности А очистного комбайна.
!ЯВ.\ 978-5-901548-42-4
v =_30Nr¡niKi_
fP cos a ± P sin a + Smn2K0(m))K
Здесь N — мощность электродвигателя рабочего органа, ц — КПД редуктора исполнительного органа, п\ — количество резцов в одной линии резания, К\ — коэффициент, учитывающий затраты мощности на перемещение комбайна, f — коэффициент трения между комбайном и скребковым конвейером, Р — вес комбайна, а — угол наклона угольного пласта. Знаки + (—) соответствуют движению комбайна вверх (вниз) по лаве, соответственно, S — сопротивляемость угольного пласта резанию, т — вынимаемая мощность угольного пласта, п2 — количество резцов, одновременно разрушающих забой, К0 — коэффициент отжима, учитывающий уменьшение сил резания вследствие горного давления, К — коэффициент, учитывающий угол резания, ширину резца, затупление и форму резцов.
А = vrnV = -р-3^NVnlKl-
^(f cos а ± sin а) + Sn2K0(m)K
Здесь 7 — плотность угля, г — ширина захвата комбайна.
В формулах (1) и (2) используются средние горногеологические и геомеханические характеристики. Для более корректного моделирования технологических процессов при добыче угля в очистном забое в этой работе были использованы не средние горногеологические и геомеханические характеристики, а их функциональные зависимости от текущих координат (х, у) очистного комбайна. Скорость V и производительность А очистного комбайна вычисляются по модифицированным формулам (3) и (4).
у ,Xi у) =_ЗОЩщК-!_
' fP cos а(х, у) ± Р sin а(х, у) + S(х, у)т(х, у)п2К0(т(х, у))К
у) =_307(x,y)rNi1n1K1__^
' т(х,у) (f cos а(х,у) ± sin а(х,у)) + S(x,y)n2K0(m(x,y))K
где х < L, у < Le, L — длина лавы, Le — длина выемочного столба.
Для вычисления распределенных горногеологических и геомеханических характеристик угольного пласта (j,a,S,m,K0(m)) был использован метод обратных расстояний IDW(Inverse Distance Weighting) [11], формула (5).
F (х,у)
-, если di = 0
(5)
Fi, если di = 0
где Р(х, у) — расчетное значение геомеханического показателя пласта в точке с координатами (х, у) очистного комбайна, п — количество геологоразведочных скважин, пересекающих выемочный столб, Рг — значение геомеханического показателя в г-ой скважине, ^ — расстояние между г-ой геологоразведочной скважиной и местоположением очистного комбайна в точке с координатами (х, у).
£ dT2F..
Е
2 Имитационная модель
Формула (4) определяет максимальную производительность очистного комбайна при условии непрерывного прямолинейного движения очистного комбайна. В общем случае на производительность очистного комбайна в очистном забое влияют следующие факторы: горногеологическое и геомеханическое состояние угольного пласта, технические параметры очистного комбайна, технологическая схема работы очистного комбайна, передвижение секций механизированной крепи, работа скребкового конвейера, содержание газа метана.
Существует две наиболее используемые технологические схемы работы очистного комбайна: челночная и односторонняя. При челночной схеме цикл работы очистного комбайна состоит из движения комбайна в прямом и обратном ходе в рабочем режиме. При односторонней схеме цикл работы очистного комбайна состоит из движения комбайна в прямом ходе в рабочем режиме, а в обратном ходе очистной комбайн движется с маневровой скоростью и производит зачистку отбитого угля с почвы пласта.
420 С. В. Рудометов, В. В. Околышшников, А. А. Ордин
Поскольку очистной комбайн но может "развернуться", то на границах лавы осуществляется так называемый "косой заезд". Косой заезд это сложный технологический процесс, связанный с маневрированием комбайна, занимающий значительное время, приводящий к потере угля. При челночной схеме за один цикл работы комбайна осуществляется два косых заезда, при односторонней схеме один. Кроме того, при косом заезде происходит "искривление" скребкового конвейера, что приводит к увеличению времени выполнения косого заезда.
Особенностью реализованной имитационной модели является детальная имитация движения очистного комбайна, включая косой заезд, взаимодействие движения очистного комбайна с другими горными машинами (механизированными крепями и скребковым конвейером), распределенное вычисление горногеологических и гоомоханичоских состояний угольного пласта, включая газоносность, на основании данных геологоразведочных скважин. Имитационные эксперименты с реализованной моделью позволяют получать теоретически и модолыго обоснованные результаты для сравнения и решения оптимизационных задач.
Перед запуском модели на исполнение пользователь с помощью системы меню выбирает состав горных машин, участвующих в имитационном эксперименте (очистной комбайн, механизированные кропи, конвейеры). При выборе некоторой горной машины все технические характеристики этой машины загружаются в модель. Далее пользователь задает число и координаты геологоразведочных скважин, а также значения горногеологических и гоомоханичоских характеристик угольного пласта в этих скважинах. После этого пользователь задает линейные размеры забоя, например, длину лавы, выбирает технологическую схему работы очистного комбайна, задает режимы исполнения модели, формы представления выходных данных модели и запускает модель на исполнение.
На рис. 1 представлено главное окно имитационной модели технологических процессов подземной добычи угля в очистном забое, реализованной с помощью системы имитационного моделирования \ITSS.
Рис. 1: Главное окно имитационной модели
При исполнении имитационной модели вычисляются текущие значения всех выходных параметров. Эти текущие значения могут выводиться в указанные пользователем индикаторы в главном окне модели или в виде графиков в главном окне модели или в новых окнах. Например, па рис. 2 приведен график суммарного количества добытого угля. "Неравномерности" графика соответствуют изменению скорости или остановке очистного комбайна.
Визуализация работы очистного комбайна увеличивает время исполнения модели. Для получения интегральных выходных данных визуализация может быть отключена.
Рис. 2: Суммарное количество добытого угля
Заключение
При выполнении работы были получены следующие основные результаты:
• В рамках системы моделирования МТББ разработана комплексная модель технологических процессов подземной добычи угля в очистном забое угольной шахты, учитывающая распределенные значения горногеологических и геомеханических состояний угольного пласта, технические параметры используемых горных машин, технологические схемы добычи угля.
•
изводителыгости очистного комбайна в зависимости от перечисленных выше факторов.
Список литературы
fl] Salama A.. Greberg J.. Schuririessori Н. The use of discrete event simulation for underground haulage mining equipment selection // International Journal of Mining and Mineral Engineering. 2014. V. 5. iss. 3. P. 256 271.
[2] Fioroni M.. Santos L.. Franzese L.. Santana I.. Telles G.. Seixas J.. Periria В.. Alkmini G. Logistic Evaluation of an Underground mine Using Simulation // Proceedings of Winter Simulation Conference. 2014. P. 1855 1865.
[3] Michalakoponlos T. N.. Rounipos C. P.. Galetakis M. J.. Panagiotou G. N. Discrete-Event Simulation of Continuous Mining Systems in Multi-layer Lignite Deposits // Lecture Notes in Production Engineering. Proceedings of the 12th International Symposium Continuous Surface Mining. 2015. P. 225 239.
[4] Gospodarczyk P. Modeling and Simulation of Coal Loading by Cutting Drum in Flat Seams //Archives of Mining Sciences. 2016. V. 61, iss. 2. P. 385 379.
[5] Gao Y.. Lin D.. Zhang X.. He M. Analysis and Optimization of Entry Stability in Underground Longwall Mining // Snstainability. 2017. V. 9, iss.' 11. P. 2079 2088.
[6] Руд ометов С. В. Визуально-интерактивная система имитационного моделирования технологических систем // Вестник СибГУТИ. 2011. № 3. С. 14 26.
[7] Okolnishnikov V. V.. Rndometov S. V. A System for Computer Simulation of Technological Pro-cesses. // St. Petersburg State Polytechnic University Journal. Computer Science. Telecommunications and Control Systems. 2014. V. 181, iss. 1. P. 62 68.
[8] Okolnishnikov V.. Rndometov S.. Zhnravlev S. Simulating the Various Subsystems of a Coal Mine. /'/' Engineering. Technology & Applied Science Research. 2016. V. 6. iss. 3. P. 993 999.
422
С. В. Рудометов, В. В. Окольнишников, А. А. Ордин
[9] Ordin A. A., Metel'kov A. A. Analysis of longwall face output in screw-type cutter-loader-and-scraper conveyor system in underground mining of flat-lying coal beds // Journal of Mining Science. 2015. V. 51, iss. 6. P. 1173-1179.
[10] Ордин А. А., Никольский A. M. Оптимизация ширины захвата и производительности шнекового комбайна при отработке пологого угольного пласта длинным очистным забоем / / Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. 2018. № 1. С. 79-86.
[11] Дэвис Дж. Статистический анализ данных в геологии. М.: Недра. 1990. 319 с.
Рудометов Сергей Валерьевич — к .т.н., науч.сотр. Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН;
e-mail: rsw@inbox.ru;
Окольнишников Виктор Васильевич — д.т.н., вед.науч.сотр.
Института вычислительных технологий СО РАН;
e-mail: okoln@mail.ru;
Ордин Александр Александрович — д.т.н., вед.науч.сотр.
Института вычислительных технологий СО РАН;
e-mail: ordin@misd.ru.
Дата поступления — 30 апреля 2019 г.
