CC BY
42
© A.M. Валуев, A.B. Зайцев, 2014
УДК 622.270:658.51
A.M. Валуев, A.B. Зайцев
О СРЕДНЕСРОЧНОМ ПЛАНИРОВАНИИ
ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ НА СЛОЖНОСГРУКГУРНЫХ
УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
Рассмотрены способы оптимизации горных работ при внутригодовом планировании открытой добычи угля. Предлагаемая методика применима для сложнострук-турных месторождений Сибири, которые характеризуются наличием значительного количества сравнительно тонких пластов, перемежаемых породными слоями. При таких горно-геологических условиях актуальна задача стабильного выпуска определенного объема угля как на одном разрезе, так и нескольких предприятиях, работающих на общий результат. Для выравнивания квартальных объемов добычных и вскрышных работ предлагается определять квартальные объемы экскавации по отдельным участкам из решения единой задачи дискретного оптимального управления. Для расчета квартальных объемов экскавации угля и вскрыши требуется участки, планируемые к отработке в течение года, условно разбить на равные по объему горной массы блоки, которые характеризуются объемом угля и пустой породы. Объемы блоков выбираются исходя из технических характеристик выемочного оборудования и степени разведанности месторождения.
В качестве иллюстрации методики организации добычных работ в статье рассматриваются варианты отработки двух не связанных технологически участков разреза двумя экскаваторами, которые занимаются так же и вскрышными работами. Критерием выравнивания является минимизация отклонения объемов угля и вскрыши от среднего, что достигается регулированием квартальной нагрузки на экскаваторы и порядком отработки блоков.
Применение предлагаемой методики позволяет значительно стабилизировать объемы добычных и вскрышных работ.
Ключевые слова: открытые горные работы, сложноструктурные угольные месторождения, организации добычных работ, внутригодовое планирование, стабилизация производительности, оптимизация, дискретное оптимальное управление.
Значительная часть угольных месторождений Сибири и Дальнего Востока является сложно-структурными. Это означает, что уголь представлен свитами сравнительно тонких пластов, перемежаемых породными прослоями [1, 2]. При этом чаше всего не удается технологически разделить вскрышную и добычную зону. Чисто добычные забои либо отсутствуют, либо сочетаются со смешанными забоями. Такие горно-геологические условия характерны, например, для угольных разрезов Минусинского угольного бассейна [3, с. 350-366; 4].
На таких предприятиях добычное оборудование вынуждено параллельно заниматься и вскрышными работами. С другой стороны, для большинства таких предприятий характерна пространственная разбросанность горных работ, которая в условиях использования небольшого количества горных машин ведет к ослаблению взаимосвязи между ними.
Обеспечение стабильного выпуска угля в этих случаях затруднено. Особенно сушественно эти трудности сказываются на уровне квартально-годового планирования [5, 6]. Если
на сравнительно коротких временных промежутках стабилизация поставок угля потребителю (в количественном и качественном отношении) может быть достигнута за счет складирования части добытого угля и отгрузки со складов [7, 8], то для более длительных периодов это невозможно или нецелесообразно как по причинам экономических потерь, так и в силу утраты потребительских качеств угля при длительном хранении под открытым небом.
Планирование горных работ, обеспечивающее требуемую стабильность, должно выполняться в динамике, с разбиением годовых объемов работ с учетом их пространственной привязки по кварталам. Для большинства угольных разрезов планирование должно выполняться с детализацией до отдельных экскаваторов или иных выемочно-погрузочных машин. Планирование должно учитывать такие возможности, как разработка смешанного породно-угольного уступа поду-ступами и допускаемые по технологическим условиям различные направления отработки отдельных уступов.
При квартально-годовом планировании следует предполагать заданными (в соответствии с годовым планом) определенные объемы добычных работ (в отношении их реализации подкрепленные, как следует полагать, договорными отношениями с потребителями). Эти объемы должны быть как можно более равномерно распределены по кварталам. Отклонение от постоянного темпа ведения добычных работ может быть допущено лишь в том случае, если предусмотрено неравномерное потребление продукции компании по сезонам и, соответственно, требуемые объемы его поставки различаются по кварталам.
Колебания квартальных объемов вскрышных работ также следует ограничивать, что связано с ограничени-
ями на перевозки вскрышных пород на отвалы по фактору производительности транспортного оборудования. Значимость неритмичности вскрышных работ, однако, менее велика, чем для добычных работ. При этом существует возможность маневра: при больших объемах вскрышных работ может быть предусмотрена перевозка части вскрыши на более близкие отвалы и наоборот. К тому же имеется возможность маневрирования производительностью отдельных участков за счет перемещения мобильных вы-емочно-погрузочных машин. Но если колебания объемов вскрышных работ выходят за пределы того, что может быть компенсировано описанным образом, следует учитывать затраты на реализацию таких избыточных объемов вскрышных работ иными способами. Например, путем аренды дополнительного количества автосамосвалов, пригодных для транспортировки вскрыши на отвалы, привлечения сторонних организаций для выполнения части транспортной работы или путем устройства временных отвалов с последующей перевозкой вскрыши оттуда на постоянные.
Исходя из годовых плановых заданий по объемам добычных и вскрышных работ и того, что месторождение характеризуется пологим залеганием и небольшой мощностью угольных пластов, каждый участок, запланированный к отработке в течение года, целесообразно условно разбить на равные по объему горной массы расчетные блоки. Блоки характеризуются объемом угля и пустой породы, которые содержаться в каждом их них, а также, при необходимости, значениями качественных характеристик угля. Объем блока для каждого участка выбирается исходя из производительности, технических характеристик выемочного оборудования и степени разведанности запасов.
В виду неточности информации о запасах, основанных на данных проб из пространственно разнесенных скважин или борозд, каждый блок в задачах планирования следует считать однородным как в отношении доли и угля и вскрыши, так и качественных характеристик угля.
В качестве иллюстрации разработанной методики организации добычных работ далее рассматривается квартально-годовое планирование работы двух разных по производительности экскаваторов, выполняющих добычные работы. Специфика производства горных работ заключается в том, что горно-геологические условия заставляют оба экскаватора выполнять, помимо добычи, работы по вскрытию угольных пластов. С другой стороны, работы запланированы на независимых участках, так что не имеют технологической связи друг с другом. Технологическая связь, связанная с отработкой взаимосвязанных участков рассмотрена ниже на примере подуступов. Совершенно так же включается в задачу планирования технологическая связь между добычными и чисто вскрышными уступами и между вскрышными уступами, если она есть.
Связь по транспортным работам здесь не рассматривается в связи с тем, что, кроме данных экскаваторов, на разрезе имеется ряд вскрышных экскаваторов, в совокупности обслуживаемых общим парком автосамосвалов. Таким образом, при необходимости автосамосвалы могут быть перераспределены с вскрышных грузопотоков других экскаваторов.
Связь между добычными экскаваторами для рассматриваемых условий, однако, существует, т.к. их работа в совокупности обеспечивает требуемые объемы добычи угля и недостаток производительности по углю одного (исходя из условий залегания
угля) может быть компенсирован увеличением производительности другого. Тем же способом может быть учтена связь между объемами работ экскаваторов нескольких разрезов, работающих на единый результат.
Альтернативность в расстановке оборудования рассматривается далее на примере разных направлений отработки одного участка.
Для апробации методики каждый из участков, предназначенных к отработке, был разбит на 20 блоков. Объем каждого блока для первого участка 175 тыс. м3, а для второго -113 тыс. м3. При этом выемка блоков предусматривается двумя подуступа-ми что позволяет выровнять соотношение между квартальными объемами добычи угля и экскавации вскрыши, а также стабилизировать качество угля. Отметим, что при экскавации на всю высоту уступа требуемое выравнивание производительности по добыче угля не достигается. По фронту отработки каждый участок был разбит на 2 подуступа по 5 блоков и 2 блока в глубину.
Относительно независимая работа выемочных машин, ведущих работы на изолированных участках, определяется отсутствием зависимости между их положениями по технологии ведения горных работ. Однако здесь необходимо учесть взаимосвязь между положениями экскаватора на подуступах. Мы предполагаем, что минимальное опережение верхнего подуступа по отношению к нижнему постоянно и выражаем его в объемных единицах (по нашему предположению, оно равно 50 тыс. м3, но возможно устанавливать и другие значения). Кроме того, в рассматриваемом случае возможно вести работы в разных направлениях. На конец года минимальное опережение не устанавливается (в действительности, подобное условие относится к моменту отработки определен-
Квартал Объем экскавации, тыс. куб. м Уголь Вскрыша, тыс. куб. м
Участок 1 Участок 2 Вместе
Верхний под-уступ Нижний под-уступ Всего Верхний под-уступ Нижний под-уступ Всего тыс. куб. м тыс. т
1 462,5 412,5 875 331,25 231,25 562,5 1437,5 572,33 744,03 865,17
2 437,5 437,5 875 281,25 281,25 562,5 1437,5 587,30 763,48 850,20
3 437,5 437,5 875 281,25 281,25 562,5 1437,5 584,64 760,03 852,86
4 412,5 462,5 875 231,25 331,25 562,5 1437,5 520,12 676,15 917,38
ного отдельного пространственного участка), в методических целях такое предположение оправданно. В отношении объемов квартальной экскавации по отдельным машинам допускаем колебания плановых значений в заданных пределах.
Для иллюстрации эффекта оптимального квартально-годового планирования для начала допустим, что экскаваторы ведут работу с постоянным темпом, выдерживая заданное минимальное опережение верхнего поду-ступа по отношению к нижнему.
Произведенные расчеты показывают, что при отработке участков имеют место довольно значительные, с диапазоном около 12%, колебания объемов добычи угля (табл. 1).
Еше больше колебания будут, если при том же распределении квартальных объемов по экскаваторам и по-дуступам сменить направление отработки для второго экскаватора на противоположное.
Выравнивание обеспечивается путем решение задач оптимального квартально-годового планирования. При этом происходит регулирование квартальной нагрузки на экскаваторы и опережения работ на верхнем под-уступе по сравнению с нижним.
Возможны различные постановки задачи:
1. Минимизация суммы квадратов отклонений (или относительных
отклонений) объемов угля и (или) вскрыши от среднего. Наиболее универсальная постановка состоит в минимизации взвешенной суммы квадратов отклонений от средних значений как для угля, в которой с разными весами взяты слагаемые для угля и для вскрыши. Нулевой вес для вскрыши исключает колебания его объемов из рассмотрения;
2. Минимизация максимального отклонения объемов угля и (или) вскрыши от среднего; наиболее универсальная постановка состоит в минимизации максимального отклонения как угля, так и вскрыши, но взятых с разными весами.
3. Минимизация размаха колебаний угля и (или) вскрыши, взятых со своими весовыми коэффициентами.
Все перечисленные задачи относятся к классу задач оптимального управления дискретными процессами со смешанными ограничениями [9, 10].
В следуюшем примере минимизировалось взвешенная сумма квадратов отклонений как по углю, так и по вскрыше, причем весовой коэффициент для угля был в три раза выше. В результате производительность по углю совершенно выровнялась, но колебания по вскрыше оказались достаточно значительными (табл. 2).
Для соотношения весовых коэффициентов 1,5 и 2,5 имеем соответственно (табл. 3).
Квартал Объем экскавации, тыс. куб. м Уголь Вскрыша, тыс. куб. м
Участок 1 Участок 2 Вместе
Верхний под-уступ Нижний под-уступ Всего Верхний под-уступ Нижний под-уступ Всего тыс. куб. м тыс. т
1 461,72 411,72 873,43 396,27 143,45 539,72 1413,15 567,47 737,71 845,68
2 420,04 420,04 840,08 208,84 341,41 550,25 1390,33 567,60 737,88 822,73
3 436,01 436,01 872,02 254,57 324,83 579,41 1451,43 567,60 737,88 883,83
4 432,23 482,23 914,47 270,31 320,31 590,63 1505,09 567,33 737,53 937,76
Таблица 3
1,5 2,5
Квартал Общий объем экскавации, тыс. куб. м Уголь Вскрыша тыс. куб. м Общий объем экскавации, тыс. куб. м Уголь Вскрыша, тыс. куб. м
тыс. куб. м тыс. т тыс. куб. м тыс. т
1 1453,13 579,02 752,72 874,11 1453,13 578,88 752,55 874,24
2 1449,57 574,06 746,28 875,51 1420,50 565,58 735,26 854,92
3 1421,88 569,50 740,35 852,38 1421,88 569,80 740,74 852,07
4 1435,43 547,43 711,65 888,01 1464,50 555,73 722,45 908,77
Таблица 4
10 1
Квартал Общий объем экскавации, тыс. куб. м Уголь Вскрыша тыс. куб. м Общий объем экскавации, тыс. куб. м Уголь Вскрыша, тыс. куб. м
тыс. куб. м тыс. т тыс. куб. м тыс. т
1 1412,00 570,91 742,19 874,11 1453,13 574,46 746,80 878,67
2 1419,86 570,87 742,13 875,51 1420,72 570,51 741,66 850,20
3 1436,36 564,70 734,10 852,38 1439,72 574,46 746,80 865,26
4 1491,77 563,52 732,58 888,01 1446,44 550,57 715,74 895,87
Второй способ выравнивания дает несколько другие результаты. Для соотношения весовых коэффициентов 10 и 1 имеем соответственно (табл. 4).
Выполняя расчеты по разным критериям и с разными весовыми коэффициентами, можно определить план горных работ, который представится предпочтительным на основе неформальных соображений.
В заключение нужно заметить, что учет требований к качеству угля при
календарном планировании для рассмотренных условий не представляет затруднений как в отношении формулировки оптимизационной задачи, так и ее численного решения, о чем свидетельствует опыт работы с подобными задачами [8, 10]. Предлагаемый подход к планированию применим как к отдельному разрезу, так и к группе предприятий в составе одной компании, работающей на общий результат.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федотов И.П., Винницкий Л. С. Открытая разработка сложноструктурных угольных пластов. - М.: Недра, 1982. -143 с.
2. Миронов К.В. Справочник геолога-угольщика. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1991. - 363 с.
3. Воробьев Б.М. Уголь мира / Под общей редакцией Л.А. Пучкова. - М.: Горная книга, 2013. - T. III: Уголь Евразии. -752 с.
4. Рашевский В.В., Артемьев В.Б., Си-лютин С.А. Качество углей ОАО «СУЭК». -М.: Кучково поле, 2011. - 576 с.
5. Фрейдина Е.В., Третьяков А.С., Мо-лотилов С. Г. Методы текущего планирования горных работ на карьерах. - Новосибирск: ИГЛ СО АН СССР, 1988. - 151 с.
6. Reznichenko S.S., Valuev A.M. Simulation of mining dynamics for middle- and short-term open pit production planning // Mine Planning and Equipment Selection: Procee-
dings of the third international symposium. Istanbul, 18-20 October 1994. - P. 93-97.
7. Валуев A.M. О внутримесячиом планировании раздельной добычи технологических сортов полезного ископаемого// Техника и технология открытых горных работ при комплексном освоении минеральных ресурсов. М.: МГИ, 1988. - С. 8-14.
8. Валуев A.M. Исследование возможностей стабилизации выпуска продукции угольного разреза с помощью динамического планирования добычных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 1998. - Вып. 2. - С. 112-118.
9. Пропой A.È. Элементы теории оптимальных дискретных процессов. - М.: Наука, 1973. - 256 с.
10. Валуев A.M. Численный метод для многошаговых задач оптимизации с пошаговым вычислением направлений спуска // Журнал вычисл. матем. и матем. физ. -1987. - Т. 27. - № 10. - С. 1474-1488.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
1. Валуев Андрей Михайлович - доктор физико-математических наук, доцент, профессор, e-mail: valuev.online@gmail.com,
2. Зайцев Андрей Васильевич - кандидат технических наук, доцент, e-mail: alsiona@mail.ru, Московский государственный горный университет, кафедра Организации и управления в горной промышленности.
А
UDC 622.270:658.51
ON MEDIUM-TERM PLANNING OF OPEN-CAST MINING ON COAL DEPOSITS OF COMPOUND STRUCTURE
Valuev A.M., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Doctor of Science (Math), Associate Professor, Professor, e-mail: valuev.online@gmail.com,
ZaitsevA.V., Candidate of Technical Sciences, PhD(Tech), Associate Professor, e-mail: alsiona@mail.ru, Moscow State Mining University, Department of Management in Mining Industry.
The paper treats the ways of optimization of mining operation for annual scheduling of open-pit coal production. The proposed method is applicable for deposits of compound structure in Siberia characterized by interchange of a significant number of relatively thin coal and rock layers.
In such geological conditions a problem of stable production of a certain volume of coal by a single quarry as well as by several enterprises working for a common goal has great significance. To equalize the quarterly volumes of mining coal and waste it is proposed to determine the quarterly volumes of excavation on separate quarry sections from a solution of a single discrete-time optimal control problem. For calculation of quarterly volumes of excavation of coal and waste it is necessary to divide areas planned for mining during the year into blocks of equal volume, which are characterized by volumes of coal and waste rock. The volumes of the blocks are selected based on technical characteristics of extraction equipment and the degree of exploration of the field.
As an illustration of the proposed method of mining operation organization the paper considers variants of mining of the two technologically-independent quarry sections by two excavators running both coal and stripping excavation. The criterion of equalization is to minimize the deviation of the volumes of coal and waste rock excavation from the average, that is resulted from regulation of quarterly load on the excavators and the direction of mining operation in quarry sections.
Application of the proposed method allows to significantly stabilize the volumes of mining and stripping operations.
Key words: open-cast mining, coal deposits of compound structure, organization of mining operation, annual scheduling, production stabilization, optimization, discrete-time optimal control.
REFERENCES
1. Fedotov I.P., Vinnitsky L.S. Open-cast mining of coal seams of compound structure. - M: Nedra, 1982. -143 p. (In Russian)
2. Mironov K.V. Reference book for a geologist-coal miner. 2nd edition, revised. - M: Nedra, 1991. -363 p. (In Russian)
3. Vorobiev B.M. World Coal / Edited by L.A. Puchkov. - M: Publishing house «Gornaya kniga», 2013. -Vol. III. Coal of Eurasia. - 752 p. (In Russian)
4. Rashevsky V.V., Artemiev V.B., Silyutin S.A. Quality of coal of Siberian Coal-Energetic Company. - M: Kuchkovo field, 2011. - 576 p. (In Russian)
5. Freidina E.V., Tretyakov A.S., Molotilov S.G. The methods of medium-term planning of mining operation on open pits. - Novosibirsk: Institute of Mining of SB of AS of the USSR, 1988. - 151 p. (In Russian)
6. Reznichenko S.S., Valuev A.M. Simulation of mining dynamics for middle- and short-term open pit production planning // Mine Planning and Equipment Selection: Proceedings of the third international symposium. Istanbul, 18-20 October 1994. - P. 93-97.
7. Valuev A.M. On intra-month planning of separate mining technological sorts of minerals // Machinery and Technology of Open-Cast Mining in Complex Exploration of Mineral Resources. M: Moscow Mining Institute, 1988. - P. 8-14. (In Russian)
8. Valuev A.M. Study on the possibilities of stabilization of production of the coal quarry through dynamic planning of mining operation // Mining informational and analytical bulletin. - 1998. - № 2. - P. 112-118. (In Russian)
9. Propoy A.I. Elements of the theory of optimal discrete-time processes. - M: Nauka, 1973. - 256 p. (In Russian)
10. Valuev, A.M. Numerical method for multistage optimization problems with a stage-wise computation of descent directions. // USSR Comput. Mathematics. - 1987. - Vol. 27. - № 10.
_ РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
ДОГИКО-ВЕРОЯТНОСТНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА АЭРОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
(№ 1001/02-14 от 19.12.13, 6 с.)
Ушаков Владимир Кимович, доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, e-mail: ud@msmu.ru
LOGICAL AND PROBABILISTIC METHODS ANALYSIS AEROLOGICAL RISK OF MINING INDUSTRY
Ushakov V.K.
