CC BY
47
К
НР
© Ю.А. Бахтурин, 2003
УДК 656.2:622.271.2 Ю.А. Бахтурин
ОБОСНОВАНИЕ ПРОВОЗНОЙ СПОСОБНОСТИ СХЕМ ПУТЕВОГО РАЗВИТИЯ КАРЬЕРНОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Адекватное определение возможностей сложных горнотранспортных систем по реализации пропускной способности при различных сочетаниях основного технологического оборудования в конкретных горно-технических условиях является одним из определяющих факторов эффективного оперативного и перспективного планирования и управления, позволяет формировать стабильно функционирующие, адаптивные транспортные системы.
Основные принципы расчета пропускной (провозной) способности схем путевого развития карьерного железнодорожного транспорта, как правило, основываются на принципах, разработанных для магистрального железнодорожного транспорта. Количественная оценка пропускной способности в соответствии с действующими определениями может быть дана при очень жестких предположениях, которые заключаются в том, что транспортная система или ее отдельный элемент функционируют без перерыва. Это побуждает авторов различных инструкций и методик вводить различные эмпирические коэффициенты с целью учета надежности транспортных устройств и участков схемы путевого развития, стохастического характера движения локо-мотивосоставов, что выражается в неравномерности транспортного потока. Основным положением указанных методик является сопоставление необходимой или требуемой по условию реализации планируемых объемов перевозки горной массы с возможной или расчетной по условию суммарного времени занятия элементов путевого развития с учетом коэффициента резерва:
Мн >-^ ,
Н Кр
где Мв - возможная пропускная способность, пар поездов в сутки; Мн - необходимая пропускная способность, пар поездов в сутки; КР - коэффициент резерва пропускной способности.
Однако карьерный железнодорожный транспорт в сопоставлении с магистральным имеет ряд принципиальных отличий в специализированном подвижномом составе, условиях эксплуатации, организации движения и т. д. Характерным является и то положение, что разработанные методики статичны и отражают сложившуюся на кратковременный период ситуацию, тогда как динамика развития карьера и режима горных работ постоянно меняет структуру и характер грузопотоков. Кроме того, указанные методики непосредственно не отражают вероятностный характер транспортного процесса, взаимодействия локомотивосоставов между собой и горным оборудованием. В силу этих причин механический перенос методов пропускной способности магистрального транспорта для расчета схем путевого развития карьерного железнодорожного транспорта является не
всегда корректным, что и подтверждается практикой эксплуатации карьерного железнодорожного транспорта [1]. Это находит отражение в существенном отличии величин коэффициентов резерва пропускной способности, применяемых в различных методиках. Если в методиках расчета пропускной способности магистрального железнодорожного транспорта КР не превышает 1,1-1,15, по нормам технологического проектирования горнодобывающих предприятий черной металлургии с открытым способом разработки Кр =1,2, то согласно временной инструкции, разработанной институтом Лен-гипроруда КР принят равным 1,4. При этом достаточного обоснования по этому поводу не приводится. В методике, разработанной в институте НИИКМА, предлагается в качестве Кр принимать коэффициент неравномерности суточных объемов перевозки горной массы:
2S
= 1 + -
V,
сс
где V,сс - среднесуточный в течение года объем железнодорожных перевозок горной массы, т;
S - среднеквадратичное отклонение показателя V,сс, т.
Значение коэффициента КНР, рассчитанное для условий карьеров Курской магнитной аномалии, составляет примерно 1,5 при транспортировке руды и 1,6 при транспортировке вскрыши. Этот эмпирический коэффициент, характеризуя неравномерность суточных объемов перевозки горной массы железнодорожным транспортом не может считаться правомерно примененным для оценки соотношения между максимальной и устойчиво реализуемой пропускной способностью. Во-первых, коэффициент, являясь статической величиной, определяет годовые колебания среднесуточных объемов для сложившихся горно-технических условий эксплуатации при существующей схеме путевого развития, что не позволяет количественно оценить его изменение в динамике грузопотоков при изменениях схемы путевого развития, загрузки ее отдельных элементов и т.д. Во-вторых, Кр принимается единым для всей схемы путевого развития, что приводит к перегрузке одних ее элементов и недоиспользованию других. Рациональный коэффициент резерва не является постоянной величиной, а зависит от загрузки элементов схемы путевого |развития и должен рассчитываться в каждом конкретном случае с учетом вероятностных характеристик потока локомотивосоставов.
Наиболее универсальным, позволяющим реализовать основные требования к определению пропускной способности, можно считать метод имитационного моделирования работы горно-транспортной системы, сущность которого состоит в воспроизведении реальных процессов с учетом их вероятностного характера с помощью специально построенной математической модели. Целесообразность применения имитационных моделей для исследования работы горно-транспортных систем обусловлена следующим:
1. Структурной и функциональной сложностью систем, аналитическое описание которых затруднено. Имитационные модели могут быть построены без привлечения слож-
ного математического аппарата при обязательном сохранении их логической структуры.
2.Необходимостью учета стохастического характера горно-транспортных процессов. Применение для этих целей аппарата теории массового обслуживания с учетом приспособления модели для решения широкого круга задач объективно ведет к увеличению ее размерности, усложнению, снижению точности расчетов. Кроме того, в подобных моделях допускается определенная условность учета взаимодействия транспортных элементов системы вследствие того, что они, как правило, разрабатываются для объекта, вырванного из общей системы.
3. Имитационные модели наиболее результативны при исследования системы в динамике.
4. В отличие от других моделей имитационные позволяют решать не только «узкие задачи», такие, например, как определение пропускной способности отдельного элемента схемы путевого развития. Они могут применяться для решения широкого круга вопросов на основе подхода к горно-транс-портной системе как единому целому.
На основе адаптированного программного [2] и разработанного информационного обеспечения имитационной модели функционирования железнодорожного транспорта проведены исследования провозной способности схемы путевого развития рудовозного района и пропускной способности горно-транспортной системы карьеров Качканарского ГОКа.
Чтобы отразить реальный процесс при моделировании вся схема путевого развития рудовозного района разбивается на отдельные участки. Закодированная схема в виде графа представлена на рис. 1. При этом в адаптированной для условий Качканарского ГОКа модели для грузового и порожнего направления отведено по 100 участков.
В качестве исходных данных использованы результаты статистической обработки данных большого числа (более 1400) наблюдений хронометража по элементам цикла технологических поездов за длительный период времени. При этом учитывались сезонные колебания времени выполнения отдельных технологических операций, качество подготовки горной массы вид погрузочного участка (забойный, складской), тип погрузочного оборудования и т.п. Предельные скорости движения поездов по различным участкам определялись в соответствии с «Инструк-цией по технической эксплуатации железнодорожного транспорта...», а в период межсезонья приказами по комбинату.
В отличие от других реализуемая модель позволяет учитывать многие из факторов реально функционирующей горно-транспортной системы. Вместе с тем, учет некоторых из них затруднен и может привести к неоправданному усложнению модели, а также к снижению точности моделирования. К таким факторам относятся, например, следующие:
• особенности организации движения;
• необходимость учета возмущающих воздействий хозяйственных перевозок и путевых ремонтных работ;
• ограничения обогатительной фабрики по показателям содержания пятиокиси ванадия и обогатимости отгружаемой руды, которые имеют различные значения каждом карьере и горизонте, что в свою очередь накладывает ограничения на принятие решений горным диспетчером рудоуправления;
• снижение общего времени работы локомотивосота-вов за счет проведения ежесуточных технических осмотров и т.п.
Чтобы учесть эти и другие важные факторы, влияющие на сменные объемы перевозок горной массы железнодорожным транспортом, используется следующий прием. Моделирование проведено для реальных смен. При этом полностью воспроизведены расстановка экскаваторов на рабочих горизонтах, отвалах, локомотивосоставов на отдельных участках на начало смены, а также реальная продолжительность занятости поездами участков до окончания соответствующих операций. Разница в результатах, полученных при моделировании и фактических данных по объемам перевоз-
ки горной массы за реальную смену, учитывается в дальнейшем при расчете пропускной способности горнотранспортной системы путем введения поправочного коэффициента Кпсм. В связи с тем, что парк подвижного состава железнодорожного транспорта Качканарского ГОКа неоднороден и полезная масса поездов различна при моделировании опрделялась не пропускная, а провозная способность схемы путевого развития рудовозного района.
Рис. 1. Схема путевого развития желенодорожного транспорта рудовозного района Качканарского ГОКа
Рис. 2. Зависимость сменных объемов перевозок железнодорожным транспортом рудовозного района ®см) от числа поездов (Nk) и экскаваторов (N) в работе (по результатам имитационного моделирования)
Рис. Э. Зависимость сменных объемов перевозок горной массы железнодорожным транспортом ®см) от числа экскаваторов в работе (N) (по результатам имитационного моделирования): 1- при Nk (число поездов в работе) = 32 ед.; 2 - при Nk = 21 ед.
Рис. 4. Зависимость сменных объемов перевозок железнодорожным транспортом (Qou) от числа поездов в работе (Nk) (по результатам имитационного моделирования): 1 - при N (число экскаваторов в работе) = 28 ед.; 2 - при N = 16 ед.
В частности, такое моделирование проведено для 2ой смены локомотивных бригад, занятых перевозками горной массы с 800 до 2000 часов 21 апреля 2001 г. Сменный объем разгруженной горной массы по результатам моделирования составил 94000 т. Соответствующие фактические объемы за 2 смену 21 апреля 2001 г. составили 76947 т. Таким образом, поправочный коэффициент Кпсм в этом конкретном случае составляет 1,22.
Аналогичным образом модель была реализована и для других реальных смен. При этом выбирались как «лучшие», так и «худшие» и «средние» по объемам перевозки горной массы смены. В частности, модель реализована для 2ой смены 14 февраля 2001 г.(фактические объемы перевозок 66897 т), а также 4ой смены 27 февраля 2001 г. (фактические объемы перевозок 85501 т). При этом коэффициент Кпсм находится в пределах 1,21-1,34.
Приведенные результаты моделирования отражают конкретную ситуацию при определенном сочетании основного погрузочного и транспортного оборудования. Для того, чтобы оценить собственно возможную провозную способность схемы путевого развития, а также пропускную способность горно-транспортной системы «проигрывались» различные варианты сочетаний основного погрузочного и транспортного оборудования. При этом число экскаваторов в работе последовательно изменялось от 14 до 30, поездов - от 18 до 32 ед. Зависимость сменных объемов перевозок железнодорожным транспортом рудовозного района (0см) от числа поездов (Млс) и экскаваторов (N,) в работе приведена на рис.2.Зависимость носит характер «насыщения», т.е. при фиксированном числе экскаваторов и увеличении числа ло-комотивосоставов и наоборот при фиксированном числе поездов и увеличении числа экскаваторов пропорциональное изменение сменных объемов перевозок горной массы имеет место лишь до некоторого предела. При определенных значениях N и Млс темпы прироста снижаются вплоть до нуля. На рис. 3 представлена зависимость сменных объемов перевозки горной массы от числа экскаваторов при фиксированном числе локомоти-
восоставов в работе. Когда в работе находится 21 локомоти-восостав, увеличение числа экскаваторов свыше 18 не дает существенного прироста сменной производительности, а при числе экскаваторов порядка 20-22 наступает «насыщение» по сменным объемам перевозок. При этом некоррек-тированные сменные объемы перевозок составляют порядка 100 тыс. т в смену (скорректированные - 76-82 тыс. т). Это значение можно считать пропускной способностью горнотранспортной системы при конкретном количественном сочетании горного и транспортного оборудования и определенной расстановке экскаваторов. При числе поездов в работе Млс =32 ед. аналогичное «насыщение» наступает уже
ЗНАЧЕНИЯ КОРРЕКТИРУЮЩИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ КПСМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СЛОЖНОСТИ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ
при числе экскаваторов порядка 29-30 ед. и соответствует некорректированной сменной производительности по горной массе порядка 135-139 тыс. т (корректи-рованные -100-110 тыс. т)
Весьма характерной является зависимость сменных объемов перевозок горной массы от числа поездов при фиксированном количестве экскаваторов (рис. 4). При Мэ = 16 объемы перевозки горной массы пропорционально растут только с увеличением количества поездов до 21-22. При увеличении числа поездов несмотря на то, что общие перевозки растут, темпы их прироста существенно снижаются, что ведет к снижению производительности одного локомо-тивосостава. Это соответствует тезису общей экономической теории об «убывающей отдаче» при увеличении трудовых ресурсов.
При Мэ = 28 ед. характер кривой иной и «насыщение» наступает пи Млс =32 ед. и также соответствует некоррек-тированной сменной производительности по горной массе порядка 135-139 тыс. т (100-110 корректированной). Это значение можно считать сменной провозной способностью схемы путевого развития в настоящий период.
Годовая провозная способность схемы путевого развития определяется исходя из корректированной сменной производительности с учетом технологических потерь рабочего времени на проведение взрывных работ, а также целосменных простоев оборудования из-за отключения электроэнергии, остановки участков при ликвидации сходов и т.п. В практике открытых горных работ эти потери времени, как правило, учитываются путем уменьшения годового фонда времени до 330-340 рабочих дней. Такие же результаты да-
ют и ориентировочные расчеты для условий Качканарского ГОКа. Таким образом, годовая провозная способность схемы путевого развития железнодорожного транспорта рудовозного района на настоящий момент при современном состоянии горно-транспортного оборудования, горных работ и транспортных коммуникаций находится в пределах 68-73 млн. т. Для реализации этих объемов перевозки горной массы необходимый рабочий парк подвижного состава составит порядка 31-33 ед.
Определение провозной способности схемы путевого развития железнодорожного транспорта карьеров Качканарского ГОКа и пропускной способности горно-транспортной системы на длительную перспективу возможно по мере формирования стратегии развития горно-транспортной системы и разработки новых проектных решений с учетом функционирования предприятия в рыночных условиях.
Аналогичные исследования проведены для условий Ин-гулецкого, Джетыгаринского, Лебединского карьеров, транспортные системы которых отличаются по степени сложности. Соответственно корректирующие коэффициенты Кпсм изменяются от 1,1-1,15 для относительно простых систем (Ингулецкий карьер) до 1,35-1,4 для Лебединского карьера.
Предлагается дифференцировать системы с карьерным железнодорожным транспортом по степени сложности по 7ми основным признакам, которые приводятся в таблице. Логическая непротиворичивость и сходимость фактических сменных показателей и корректированных результатов компьютерного моделирования позволяет использовать общую базовую имитационную модель функционирования железнодорожного транспорта при решении целого круга задач по обоснованию параметров транспортных систем, в частности, определения провозной способности схем путевого развития карьерного железнодорожного транспорта в зависимости от ее сложности.
При этом нет необходимости в создании «полных» имитационных моделей для каждого отдельного предприятия. Это позволяет избежать усложнения базовой имитационной модели, что неизбежно при учете особенностей функционирования конкретных систем железнодорожного карьерного транспорта.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
№ п/п Признак сложности транспортной системы Сумма признаков Значение коэффициента Кпсм
1. Г одовые объемы перевозок горной массы железнодорожным транспортом более 40 млн. т. 1-2 1,1-1,2
2. Использование повышенных уклонов путей
3. Сложная организация движения поездов 3-4 1,2-1,25
4. Наличие особых ограничений по качеству руды со стороны обогатительной фабрики
5. Отсутствие дополнительных кроме основного выездов из карьера 4-5 1,25-1,3
6. Месторождение разрабатывается несколькими карьерами, имеющими общую схему путевого развития технологического железнодорожного транспорта
7. Селективные выемка и складирование более 2Х видов горной массы Более 5 1,3-1,4
1. Яковлев В.Л., Коснарев Е.С., Бахту-рин Ю.А. Совершенствование схемы путевого развития железнодорожного транспорта Сарбайского карьера с учетом оптимиза-
ции коэффициента резерва пропускной способности // Сб. науч. тр. / ИГД Минчермета СССР. - Свердловск, 1989. - №88. - С. 8390.
2. Стариков А.Д. Имитационное моделирование работы железнодорожного транспорта: Атореф. Дис. канд. техн. наук / УГГГА. - Екатеринбург, 1994. - 20 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Бахтурин Ю.А. - кандидат технических наук, ИГД УрО РАН.
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР № 13
