CC BY
41
ОХРАНА ТРУДА. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ГЕОЭКОЛОГИЯ
УДК 620.9.008
С. Н. Березовский, канд. техн. наук
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРИКАРЬЕРНЫХ СКЛАДОВ
В статье рассматриваются рациональные подходы по переработке нерудных строительных материалов, обеспечивающих энерго- и ресурсосбережение. В частности, рассматривается необходимость устройства на предприятиях нерудной промышленности нашей страны усреднительных складов, на которых добиваются содержания гравия в валунно-гравийно-песчаной смеси в диапазоне 40...50 %. Подавая на переработку сырье после усреднительного склада с таким содержанием гравия, можно достичь минимальной себестоимости переработки 1 м3 валунно-гравийно-песчаной смеси и снижения удельных приведенных затрат, а также повысить коэффициент загрузки дробильно-сортировочного оборудования и уменьшить износ дробилок за счет равномерности их загрузки. Полученное уравнение регрессии при помощи математического планирования эксперимента позволяет установить оптимальные параметры усреднительного склада нерудных стройматериалов и направление разгрузки автосамосвалов на складе.
Наилучшие технико-экономические показатели предприятий нерудной промышленности достигаются при использовании в процессе переработки однородного по качественному составу нерудного сырья. Одним из основных способов снижения колебаний содержания гравия в валунно-гравийно-песчаной смеси, подаваемой на переработку, является усреднение гравия на внут-рикарьерных складах. Сущность усреднения на усреднительных складах заключается в следующем. На складах отсыпаются штабели полезного ископаемого тонкими наклонными или горизонтальными слоями с определенными качественными признаками (содержание гравия в смеси может изменяться от 20 до 80 %). Из штабелей полезное ископаемое отгружается погрузчиками вкрест слоев, в результате чего происходит его перемешивание до оптимального процентного содержания гравия. На ус-реднительные склады полезное ископаемое доставляется автосамосвалами или
конвейерами. Проблемы внутрикарьер-ного усреднения нерудного сырья исследованы в фундаментальных и прикладных трудах известных ученых и специалистов (Ю. Д. Буянов, В. В. Ржевский и др.). Вместе с тем, практически отсутствуют работы, в которых рассматриваются математические модели, доведенные до стадии программной реализации. Можно говорить о некотором значительном перерыве в исследованиях данного вопроса, вызванном переходом от плановых методов управления экономикой к рыночным. В настоящее время уровень развития вычислительной техники и информационных технологий, в частности аппарата имитационного моделирования, позволяет разработать модели, более глубоко учитывающие физические закономерности процесса усреднения на складах. Таким образом, актуальность применения современных методов в задачах обоснования параметров усреднительных складов при управлении потоком предприятий не-
рудной промышленности нашей страны является несомненной.
Целью работы автора является изменение технологии работ в карьерах по добыче валунно-гравийно-песчаной смеси, т. е. осуществление перехода от жесткой связи «карьер - дробильно-сортировочный завод» к гибкой «карьер - ус-реднительный склад - дробильносортировочный завод» и повышение эффективности оперативного управления качеством валунно-гравийно-
песчаной смеси, подаваемой на переработку, посредством проектирования рациональных параметров внутрикарьер-ных усреднительных складов. Идея работы заключается в установлении закономерности изменения параметров потока нерудного сырья на входе и выходе внутрикарьерного усреднительного склада как информационного преобразователя потока в системе «карьер -дробильно-сортировочный завод». Анализ учебной и нормативной литературы показал, что единая методика обоснования оптимальных параметров усреднения на внутрикарьерных складах отсутствует. Предлагаются либо аналитические модели, установленные эмпирическим путем, либо методы на основе статистических испытаний. Недостатком аналитических моделей является статичность, а следовательно, негибкость, для методов статистических испытаний характерно использование метода Монте-Карло с известными теоретическими законами распределения качества исходного сырья в недрах. При этом задача определения оптимальных параметров усреднения на складах решается вне связи с другими технологическими процессами карьера и дробильно-сортировочного завода. Специфика предприятий нерудной промышленности заключается в постоянно меняющихся требованиях к номенклатуре продукции наряду с высокой изменчивостью качества нерудного сырья в карьерах. Поэтому эффективность отдельного технологи-
ческого процесса должна определяться с учетом влияния его результатов на выход конечной продукции. Объектом управления горно-технической системы является поток нерудного сырья - непрерывнодискретный поток полезного ископаемого. Этот поток рассматривается как единая сущность, проходящая преобразователи - отдельные технологические процессы - с момента извлечения из недр до получения готовой продукции.
Для централизованного управления потоком нерудного сырья при постоянно меняющихся качестве исходного сырья и требованиях к номенклатуре товарной продукции (песок, гравий, щебень) целесообразна разработка комплекса автоматизированных систем, взаимодействующих на всех уровнях управления. Таким образом, взаимосвязанные программные модули, осуществляющие быстрый пересчет характеристик потока на выходах преобразователей с учетом изменения данных о качестве исходного сырья и требованиях к конечной продукции, способны обеспечить эффективное оперативное управление качеством валунно-гравийнопесчаной смеси в течение всего технологического цикла добычи и переработки полезного ископаемого. Внутрикарь-ерные усреднительные склады целесообразно исследовать как информационный преобразователь потока нерудного сырья. В этом случае управление качеством усреднения гравия на складах, как любого отдельного технологического процесса, обеспечивается возможностью прогноза результатов всего цикла преобразования потока - выхода товарного щебня и гравия. Следовательно, для обеспечения централизованного управления потоком на всех этапах технологического цикла необходима интеграция модели процесса в общую систему управления с обеспечением параметрического согласования входов и выходов соседних преобразователей. Для реализации модели процесса усред-
нения гравия в смеси на внутрикарьер-ных складах целесообразным представляется метод имитационного моделирования. В статье приведены постановка задачи математического моделирования и описание процесса разработки модели внутрикарьерного усреднительного склада. Модель склада представлена в виде информационного преобразователя -программного комплекса, реализованного на ЭВМ. Входными параметрами информационного преобразователя являются задаваемые векторы входных параметров X и 2, на основе которых
программно вычисляются векторы выходных параметров У* и 2* (рис. 1). Если полученный результат удовлетворяет плановым показателям, то решение считается найденным и передается в карьерную систему, в противном случае - моделирование повторяется с измененными входными параметрами. По отношению к объекту управления - потоку нерудного сырья, проходящему через ус-реднительный склад, - на основе данной модели могут быть решены как прямая, так и обратная задачи.
у*
Рис. 1. Параметрическая модель внутрикарьерного усреднительного склада
При решении прямой задачи искомым является вектор выходных параметров, определяемый из соотношения
у* = Бі (X, 2). (1)
При решении обратной задачи вектор входных параметров определяется из соотношения
X* = Б2 (у, 2). (2)
Самостоятельный интерес представляет задача оптимизации параметров преобразователя - усреднительного склада - при заданных векторах X и У, описываемая соотношением
2* = Бз (X, У). (3)
Очевидно, что постановка задачи в виде (1), (2) дает возможность использовать модель в процессе управления потоком нерудного сырья, а постановка в форме (3) позволяет решить задачу
оптимизации параметров склада.
С учетом вышеизложенного вектор параметров на входе проектируемой системы - усреднительного склада -имеет вид:
X = (К, 01, а1, (31, у1, Сш СР1 Су1), (4)
где N - количество выемочных блоков валунно-гравийно-песчаной смеси разного качества, отработанных экскаваторами и доставленных на усреднитель-ный склад за моделируемый период; 01,
1 = (1, .К) - масса выемочного блока определенного качества, подаваемого от экскаватора на склад за моделируемый период, тыс. т; а1, 1 = (1, .К) - общее содержание гравия в 1-м блоке карьера 01, %; Р1, у1, 1 = (1, .К) - среднее содержание гравия второго и третьего сита в 1-м выемочном блоке 01, %; Сщ, Ср1, Су1 - средние квадратические отклоне-
ния общего содержания гравия, второго и третьего сита на входе усреднительного склада за моделируемый период.
Вектор технологических параметров проектируемой системы - усреднительного склада - имеет вид:
Z = {L, b, h, ц, Va, ba, Gl, G2}, (5)
где L - длина склада, м; b - ширина склада, м; h - высота склада, м; ц - количество слоев в штабеле; Va - масса перевозимой автосамосвалом валунно-гравийно-песчаной смеси, т; ba - ширина кузова автосамосвала, м; G1, G2 -технологические схемы формирования штабелей.
Вектор параметров на выходе проектируемой системы - усреднительного склада - имеет вид:
Y = {aj, ßj, Yj, Ga, Gß, Oy, a,
G2n, G2, S, K, G2}, (6)
где aj, ßj, Yj; j = (1, ...m) - общее содержание гравия в валунно-гравийнопесчаной смеси, второго, третьего сита соответственно в объеме смеси, отгружаемой со склада за моделируемый интервал времени, где m - количество отгруженных порций, %; Ga, Oß, gy - среднеквадратические отклонения общего содержания гравия в смеси, второго, третьего сита от среднего в объеме смеси, отгружаемой со склада за моделируемый период; a - среднее содержание полезного компонента (гравия) в штабеле, %; о2п - дисперсия качества в поступающих на склад порциях смеси (автосамосвалах); G2 - внутриштабельная дисперсия качества в отгружаемых порциях смеси (автосамосвалах); S - межшта-бельная дисперсия качества; K - показатель степени штабельного усреднения;
G2 - общая дисперсия качества между отгружаемыми порциями смеси.
Для решения задач управления потоком нерудного сырья и оптимизации параметров внутрикарьерных складов разработаны две модели: М1 и М2. Модель склада М1 предназначена для ре-
шения задачи управления качеством валунно-гравийно-песчаной смеси, проходящей усреднительный склад, модель М2 - для определения оптимальных параметров самого склада. Задача управления потоком требует решения в реальном времени, тогда как задача оптимизации параметров склада относится к классу инженерно-расчетных и не имеет жесткой временной увязки. Согласно принципам проектирования сложных систем произведен переход от формального описания системы (параметрической модели) к ее содержательному описанию (математическим зависимостям, алгоритмам). В результате декомпозиции разработана иерархическая структура программных модулей, представленная совокупностью функциональных блоков (рис. 2).
Блок І представляет собой набор процедур, формирующих из исходных данных последовательность выемочных блоков, отрабатываемых одновременно несколькими экскаваторами, находящимися в состоянии добычи в моделируемом периоде.
Блок 2 представляет собой совокупность процедур, осуществляющих формирование непрерывной последовательности поступления автосамосвалов на усреднительный склад.
Блок 3 включает процедуры, моделирующие формирование усредни-тельного штабеля. Содержание блока различно для моделей М1 и М2. В модели МІ штабель представлен трехмерным массивом, состоящим из элементов, представляющих порцию валунно-гравийно-песчаной смеси объемом 0,1 м3. Каждому элементу массива присваивается идентификатор блока смеси одного из работающих добычных экскаваторов, выгруженной из автосамосвала на склад. Идентификаторы блоков извлекаются из сформированной процедурами блока 2 последовательности поступления автосамосвалов на склад. Размерность массива M-N-P, характе-
ризующего усреднительный штабель, определяется как
М = Ь / ё; N = Ь / ё; Р = И / ё, (7)
где Ь - длина штабеля, м; Ь - ширина штабеля (Ь < 30 м); И - высота штабеля,
И = 7 м; ё - размеры порции смеси, принимаемой за элементарный объем (элемент массива) с постоянным качеством, ё = 0,1 м.
Структура программного модуля «Усреднительный склад»
Блок 1
U
-►U1
Блок формирования массива данных для моделирования из исходных дан-
ных
Блок 2
U2
U3
Блок формирования последовательности поступления автосамосвалов на склад в1. Возможные режимы:
а) поступление смеси на склад от экскаваторов в определенной последовательности;
б) формирование потока случайными порциями от экскаваторов
Блок 3
Блок формирования штабеля. Управление параметрами:
Ь - длина склада; в2 - режим формирования штабеля:
а) параллельно фронту;
б) перпендикулярно фронту
Блок 4
Блок определения параметров потока сырья на выходе склада в модели М1:
а, в , у, Са, ^, СУ;
в модели М2:
_2 _2 С2 Я К С , Сп , с , Я, К
Блок 5
Блок вывода результатов моделирования и промежуточных вычислений
Рис. 2. Структура программного модуля «Модель усреднительного склада»
В модели М2, предназначенной для оптимизации параметров склада, штабель представлен матрицей, где каждый элемент характеризуется объемом и качеством порции смеси, доставленной автосамосвалом от добычного экскаватора, а каждый столбец - объемом и качеством смеси в отгружаемом со склада автосамосвале. Блок 4 объединяет набор процедур, осуществляющих расчет контролируемых выходных параметров вектора У. Блок 5 включает процедуры: отображение последова-
тельности поступления автосамосвалов
на входе склада, сформированного штабеля в сечениях и отображение функции качества по длине склада. Таким образом, разработанные модели усредни-тельного склада М1 и М2 представляют собой инструмент для постановки активного эксперимента с целью исследования закономерностей процесса штабельного усреднения и установления зависимости качественных характеристик подаваемой на переработку валунно-гравийно-песчаной смеси от проектных параметров внутрикарьерных ус-реднительных складов при оперативном
управлении потоком нерудного сырья.
Далее произведены оценка корректности моделей, планирование и постановка эксперимента по определению рациональных параметров внутри-карьерных усреднительных складов для условий разработки месторождений валунно-гравийно-песчаной смеси Кра-пужино Логойского района Минской области и Дубровка Шкловского района Могилевской области. Постановка задачи, решаемой моделью М1 (управление потоком), выглядит следующим образом: имеются геологические данные об объемах и качестве планируемых к добыче выемочных блоков (недельно-суточный график) и объем формируемого штабеля (длина штабеля). Требуется определить общее содержание гравия в штабеле, а также его ситовые характеристики и дисперсию качества в отгружаемых порциях за период моделирования. В качестве исходных данных для моделирования, характеризующих параметры потока на входе склада, использован массив геологических показателей за полгода (с 1 января по 1 июля 2009 г.). В результате экспериментов установлено, что модель М1, используемая в задачах управления потоком, адекватна технологическому процессу и имеет высокую точность. Ошибка при подсчете объемов составляет (0,3 5 . 0,5)-10-2 %, ошибка при подсчете гравия общего содержания, второго и третьего сит -соответственно (0,23...0,7)-10‘3 %,
(0,62.0,12) и (0,12...0,3)-10‘3 % при доверительной вероятности 95 %.
Постановка задачи, решаемой моделью М2 (обоснование рациональных параметров внутрикарьерных усредни-тельных складов), выглядит следующим образом: имеются геологические данные об объемах и качестве планируемых к добыче выемочных блоков (недельно-суточный график). Требуется определить объем формируемых штабе-
лей для обеспечения дисперсии качественных характеристик гравия в отгружаемых порциях относительно среднего не более 10 %. Для проверки адекватности модели М2 в качестве контролируемого параметра принято общее содержание гравия в смеси как основной качественной характеристики. На вход модели подавались геологические данные, полученные результаты сопоставлялись с лабораторными показателями. Погрешность результатов моделирования относительно лабораторных показателей составила 5,1-10" %, при этом ошибка геологических относительно лабораторных данных - 4,9-10'3 % с доверительной вероятностью 95 %. Следовательно, точность модели М2 достаточна для решения задачи оптимизации параметров усреднительных складов. В качестве управляемых параметров при планировании эксперимента с использованием модели М2 были приняты:
X1 - длина усреднительного штабеля L; X2 - режим поступления автосамосвалов; X3 - направление перемещения фронта разгрузки автосамосвалов. Эффективность усреднения на внутрикарь-ерных складах определяется общей дисперсией качества валунно-гравийнопесчаной смеси в отгружаемых со склада порциях смеси о2; таким образом, целевая функция (критерий оптимальности) Y при постановке эксперимента имеет вид:
о2 —► min. (8)
Полный трехфакторный эксперимент проводился в окрестностях точки факторного пространства с координатами X0i - 115 м. Условия проведения полного факторного эксперимента приведены в табл. 1.
В результате эксперимента установлено, что требуемое технологией переработки значение общей дисперсии в отгружаемых порциях (не более 10 % от среднего общего содержания гравия при опти-
мальном среднем значении содержания гравия в смеси - 45 %) достигается при длине склада 175.190 м (с2 = 0,22) при направлении разгрузки автосамосвалов параллельно оси штабеля вне зависимости от режима поступления автосамосвалов.
Уравнение регрессионной зависимости дисперсии в отгружаемых порциях валунно-гравийно-песчаной смеси от исследуемых факторов имеет вид:
У = 0,55 - 0,081 Х1 -- 0,033 Х2 - 0,189 Х3 . (9)
Заключение
В статье изложены новые научно обоснованные результаты по оптимизации проектных параметров внутрикарь-ерных усреднительных складов, использование которых обеспечивает решение актуальной прикладной проблемы управления качеством подаваемой на переработку валунно-гравийно-песча-
ной смеси. Также исследован процесс усреднения на внутрикарьерных складах с позиций информационного преобразователя потока нерудного сырья -подсистемы в общей системе взаимодействия карьера и дробильно-сортировочного завода. Имитационное моделирование усреднения смеси на внутри-карьерных складах идентифицировано в общей системе классификации задач горного производства как блок выбора
Таким образом, наибольшее влияние на критерий оптимизации, судя по величине коэффициентов регрессии, оказывает фактор XI - направление формирования штабеля (Ь3 = -0,189). Фактор X2 - длина штабеля - также имеет существенное влияние на качество усреднения (Ь1 = -0,081). Значимость коэффициента фактора X3 находится на границе допустимого значения, следовательно, режим поступления автосамосвалов практически не влияет на качество усреднения смеси.
режима работы преобразователя, а параметрическое согласование входов и выходов модели усреднительного склада - как блок согласования работы соседних преобразователей.
Разработаны программные модули, позволяющие моделировать усреднение гравия в штабелях валунно-гравийнопесчаной смеси и используемые при решении задач управления потоком и оптимизации проектных решений по обоснованию оптимальных параметров внутрикарьерных складов. Установлено, что оптимальной является схема разгрузки автосамосвалов на складе параллельно фронту формирования штабеля, при этом последовательность их поступления на качество усреднения влияния не оказывает.
Табл. 1. Характеристика плана эксперимента по определению оптимальных параметров внутри-карьерного усреднительного склада
Характеристика Длина штабеля, м Режим поступления автосамосвалов Направление заполнения штабеля
X1 X2 X3
Основной уровень 115 - -
Интервал варьирования 85 - -
Верхний уровень 200 Равномерное Параллельно
Нижний уровень 30 Случайное Перпендикулярно
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нормы технологического проектирования предприятий промышленности нерудных строительных материалов. - Л. : Стройиздат, 1977. - 352 с.
2. Временная инструкция по формированию структур комплексной механизации горных работ (применительно к условиям цикличнопоточной технологии разработки связных и раз-
дельно-зернистых пород на карьерах по добыче нерудных строительных материалов). - М. : М-во промышленности строительных материалов, 1979. - 50 с.
3. Буянов, Ю. Д. Разработка гравийнопесчаных месторождений / Ю. Д. Буянов. - М. : Недра, 1988. - 208 с.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 08.04.2010
S. N. Berezovsky
Substantiation of rational parameters of intraquarry warehouses
The paper describes rational approaches to the processing of nonmetallic construction materials ensuring saving of energy and resources. In particular, it considers the necessity of setting up averaging warehouses at nonmetallic industry enterprises of our country at which the gravel content in the boulder-gravel-sand mixture can be achieved in the range of 40...50 %. After the averaging warehouse, the raw materials with such gravel content can be processed at the minimum cost of processing of 1 m3 of boulder-gravel-sand mixture and the specific costs will be reduced. The loading factor of the crushing and screening equipment increases and the wear of crushing machines is reduced owing to the uniformity of their loading. The derived equation of regression with the help of mathematical planning of the experiment determines optimum parameters of the averaging warehouse for nonmetallic construction materials and directs unloading of dump trucks in the warehouse.
