Ретроспективная оценка уровня безопасности подземной добычи угля на шахтах Подмосковного бассейна Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Список литературы

1. Науки о Земле /Э.М. Соколов [и др.]. М.; Тула// ИПП «Гриф и К0». 2001. 514 с.

2. Общая экология /Э.М. Соколов [и др.]. М.; Тула// ИПП «Гриф и К0». 2001. 171 с.

3. Природопользование /Э.М. Соколов [и др.]. М.; Тула// ИПП «Гриф и К0». 2001. 507 с.

4. Завьялов Л.Н., Коновалов О.В., Копылов А.Б. Математическое моделирование производственных процессов в горном деле: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2001. 315 с.

Захаров Евгений Иванович, д-р техн. наук, проф.,, ecology@tsu. tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет

CONCEPTUAL PRINCIPALS OF TRAINING MINING ENGINEERS IN COMPLIANCE WITH DEMANDS OF RATIONAL USING NATURAL RESOURCES

E.I. Zaharov

Engineering activity connecting with subsoil reclamation demands in modern conditions deep insight of modern scientific achievements, were using dependences and peculiarities interconnecting mining industry and subsoil as pert of natural environment. Quality of high mining education depends from training process with reflecting modern technological methods and scientific level of the education.

Key words: concept, high professional education, mining industry, environment, rational using natural resources.

Evgeniy I. Zaharov, Doctor of Sciences, Full Professor, [email protected], Russia, Tula City, Tula State University

УДК 622.8

РЕТРОСПЕКТИВНАЯ ОЦЕНКА УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧИ УГЛЯ НА ШАХТАХ ПОДМОСКОВНОГО БАССЕЙНА

Н.М. Качурин, Г.В. Стась, Д.Н. Шкуратский, Е.В. Смирнова

Показано, что проблема достоверного прогноза вероятности возникновения аварий в шахтах не теряет своей актуальности на протяжении всего периода существования горной промышленности. В России особую остроту она приобрела во время экономической нестабильности переходного периода. И Подмосковный бассейн является, наверное, самым показательным объектом, где реструктуризация и диверсификация угледобывающих предприятий протекали на фоне общего снижения уровня безопасности подземных горных работ.

Ключевые слова: авария, вероятность, надежность, безопасность, принятие решений, математическая модель.

Проблема достоверного прогноза вероятности возникновения аварий в шахтах не теряет своей актуальности на протяжении всего периода суще-

ствования горной промышленности. В России особую остроту она приобрела во время экономической нестабильности переходного периода. И Подмосковный бассейн является, наверное, самым показательным объектом, где реструктуризация и диверсификация угледобывающих предприятий протекали на фоне общего снижения уровня безопасности подземных горных работ [1].

В текущем году начался новый период в традиционной мировой конкуренции между Россией, США и Западной Европой. Президент России В.В. Путин отмечает, что за предстоящие полтора-два года необходимо совершить настоящий рывок в повышении конкурентоспособности российской экономики. Минерально-сырьевые ресурсы России являются частью ее национального богатства и той природной базой, опираясь на которую, развивается экономика России. А научные исследования и эффективный учебный процесс, связанные с геотехнологиями и строительством подземных сооружений, позволят реформировать экономику страны во всех промышленных отраслях на собственной природно-ресурсной базе. Особенностью российской минерально-сырьевой базы угольной промышленности является концентрация основной доли запасов в восточных регионах, а основные потребители угольной продукции расположены в европейской части России. Географическое положение Подмосковного бассейна уникально. Он расположен на территории Новгородской, Калининской, Смоленской, Калужской, Тульской и Рязанской областей. Общие геологические ресурсы угля составляют 11 млрд т. Балансовые запасы более 3,5 млрд т.

В Тульской области главными полезными ископаемыми до недавнего времени являлись месторождения бурых углей Подмосковного бассейна, разработка которых началась более 150 лет назад, в 1853 году. За это время в Тульской области добыто более 1 млрд 200 млн т угля. Суммарная площадь, в той или иной мере подверженная техногенному воздействию, связанному с разработкой месторождений угля, составляет около 12 % от общей территории области. В пределах этой площади значительно активизировались экзогенные геологические процессы. Добыча углей привела к резкому нарушению природных ландшафтов и формированию новых техногенных ландшафтов. На данный момент балансовые запасы угля в Тульской области составляют 1 млрд 400 млн т.

Поэтому возрождение Подмосковного бассейна является очевидным, а соответственно необходимо и решать проблемы повышения уровня безопасности горных работ. Прослеживая динамику аварийности на шахтах России за последние десятилетия можно сделать вывод о том, что абсолютное число аварий имеет устойчивую тенденцию к снижению, а число аварий, отнесенных на 1 млн т угля, добытого подземным способом, растет. Многолетняя статистика аварийности на угольных шахтах свидетельствует, что основной удельный вес в общем балансе составляют подземные аварии. Основными видами крупных аварий в шахтах являются эндогенные и экзогенные пожары, взрывы метана и угольной пыли, внезапные выбросы угля и газа, породы и газа, обрушение пород кровли, прорывы подземных вод

и пульпы. Так же как на предприятиях угольной промышленности России в целом, наиболее часто встречающимися видами подземных аварий в шахтах Подмосковного бассейна являются эндогенные и экзогенные пожары. Несмотря на то, что метан встречается редко и в малых количествах, аварии, связанные с нарушением состава рудничного воздуха, периодически возникают. В последние годы отмечен рост числа аварий, связанных с прорывами воды в горные выработки [2].

О работе шахт Подмосковного угольного бассейна можно судить по основным технико-экономическим показателям, анализ динамики которых за период с 1988 по 1996 гг. позволил заключить, что имеет место тенденция их устойчивого снижения (за исключением себестоимости угля). Однако следует отметить различные темпы этого процесса. Так, за 9 лет проведение вскрывающих и подготовительных выработок сократилось в 12,6 раза, годовая и среднесуточная добыча угля уменьшились более чем в 6 раз. При этом среднесуточная нагрузка на один очистной забой сократилась лишь в 1,7 раза и в период 1993-1996 гг. оставалась практически постоянной. Среднесписочная численность рабочих по добыче угля и производительность их труда сократились в среднем в 2,5-3 раза. Себестоимость 1 т угля, добываемого подземным способом, за рассматриваемый период возросла в 14800 раз, что связано, в основном, с инфляционными процессами.

Подобное технико-экономическое состояние шахт Подмосковного бассейна можно объяснить общим кризисом, переживаемым угольной отраслью, сложностью работы в рыночных условиях, отсутствием необходимого финансирования, трудностями со сбытом угля, множеством социальных проблем. При изучении фактической аварийности шахт Подмосковного бассейна производился ретроспективный анализ данных посредством выделения тренда, позволяющего выявить детерминированную составляющую временного ряда. Адекватность тренда исходным данным оценивалась по величине коэффициента корреляции. Установлено, что наиболее значимыми внешними факторами, влияющими на количество аварий, являются технико-экономические показатели, характеризующие работу угледобывающего производственного объединения. Оценка влияния внешних факторов на количество аварий осуществлена методом корреляционного анализа.

В процессе исследований было доказано, что в соответствии с предлагаемой методикой количественную оценку аварийной опасности шахт и производственных объединений в целом целесообразно производить по величине вероятности возникновения аварий, позволяющей оценить период безаварийной работы рассматриваемого объекта. Отличительной особенностью настоящей методики является ее динамичность, что предполагает ежегодное пополнение базы данных по аварийности количественными показателя за истекший год и перерасчет коэффициентов соответствующих математических моделей.

При определении эффективности защитных мероприятий от конкретного вида аварий в технологическом процессе добычи угля (ТПДУ) подземным способом, оценке опасности производственных ситуаций, разработке

планов ликвидации аварии следует принимать во внимание основные показатели аварийности и безопасности шахт. С точки зрения безопасности ТПДУ характеризуется величиной риска, под которым понимается вероятность человеческих и материальных потерь в случае аварии [3]. Основным показателем аварийности рассматриваемого технологического процесса является функция распределения количества аварий. Теоретическая функция распределения определяет вероятность того, что функционирование ТПДУ без аварий меньше некоторого заданного времени t (времени безаварийной работы), т.е. Р{Т<1}.

Значительный практический интерес представляет также интенсивность возникновения аварий, которая в соответствии со статистическим определением трактуется как количество аварий, приходящихся в год на одну шахту. Анализ информации по динамике возникновения аварий различного вида позволяет заключить, что интенсивность возникновения аварий изменяется во времени. Следовательно, потоки отказов в системах обеспечения жизнедеятельности шахты являются нестационарными. При этом физически обоснованной представляется гипотеза об ординарности и отсутствия последействия для рассматриваемых потоков. Таким образом, базовой закономерностью будет являться закон распределения вероятности безаварийной работы по 1-му виду аварий:

р (г) = ехр

г

-/А, (г

(1)

где А; - интенсивность аварий 1-го вида (всем видам аварий присваивается свой номер).

Тогда длительность безаварийной работы по 1-му виду аварий

- /

ехр

г

-/А (г )йг

Ж.

(2)

Обобщение длительных наблюдений кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды Тульского госуниверситета позволили представить теоретические положения комплексной оценки уровня безопасности подземной угледобычи следующим образом. Вероятность безаварийной работы по 1-му виду аварий в общем виде подчиняется закону Пуассона (1). Длительность безаварийной работы по 1-му виду аварий является оценкой времени безотказной работы защитного экрана по этому виду аварий (2). При этом концептуальная структура интегрального риска может быть представлена следующей формулой:

Я - Стоимость потерь • Р{Стоимость потерь/Авария} • [1-Р(1;)]=

= Ущерб [1-Р(1)], (3)

а по 1-му виду аварий определяется аналогичной закономерностью, т.е. риск аварии 1-го вида можно оценить следующим образом:

Ц - СП • Р1{СП1 / А] • р(г) - У, • [1-Р(1)]. (4)

Следовательно, периодичность профилактических мероприятий i-му виду аварий описывается закономерностью

tR = СПi • Р1{СП1 / 4 ] -J

exp

t

-¡Хг (t )dt

dt.

по

(5)

Значительный практический интерес представляет также интенсивность возникновения аварий, которая в соответствии со статистическим определением трактуется как количество аварий, приходящихся в год на одну шахту. Анализ информации по динамике возникновения аварий различного вида позволяет заключить, что интенсивность возникновения аварий изменяется во времени (таблица).

Следовательно, потоки отказов в системах обеспечения жизнедеятельности шахты являются нестационарными. При этом физически обоснованной представляется гипотеза об ординарности и отсутствия последействия для рассматриваемых потоков.

Таким образом, задача управления безопасным функционированием шахты сводится к осуществлению мероприятий, позволяющих обеспечить следующие условия:

R ^ min ^ А*(?) ^ min или Pi (t) ^ max, (6)

где А/- оценка среднестатистической интенсивности аварии i-го вида.

Так как имеет место многофакторная связь аварийности с горногеологическими (frr), физико-химическими (£фх), технико-экономическими (£гэ) и социальными (ft;) факторами, то в самом общем виде А (t) = F (fm 1фх,

fo).

Временные тренды интенсивности различных видов аварий в шахтах Подмосковного бассейна

Вид Аналитическая Значение Прогноз-

аварии зависимость коэффици- ное зна-

ента кор- чение ин-

реляции тенсивно

сти ава-

рий

Эндоген- А1 = 10,84038 -0,005425 • t 0,763 0,007

ные пожа- Ах = 1603,991 -1,61185 • t + 0,000405 • t2 0,852 0,270

ры А1 = -9,08361 + exp(3,392601 - 0,000594 • t) 0,764 -0,001

Ах = 81,84304 -10,7687 • ln(t - 0,002406) 0,763 0,007

Ах = 0,406493 • (t -1968,85)-0'69746 0,889 0,039

Экзоген- А2 = -3,51853 + 0,001809 • t 0,200 0,094

ные А 2 = 2090,532 - 2,10969 • t + 0,000532 • t2 0,440 -0,898

пожары А2 = -9,08862 + exp(1,823 + 0,000198 • t) 0,199 0,104

А2 = -27,0858 + 3,576617 • ln(t + 0,000782) 0,199 0,094

Окончание таблицы

Обруше- А3 = 5,773 - 0,00289 • г 0,693 0,002

ние А3 = -261,674 + 0,2бб78 • г - 0,000068 • г2 0,702 -0,099

горных выработок А3 А3 = -10,1949 + ехр(2,888 - 0,000283 • г) = 43,587 - 5,736 • 1п(г - 0,000611) 0,693 0,693 0,010 -0,003

Аз = 1572570,5611- (г -1916,208)-4'298 0,631 0,015

Загазиро- А4 = -0,007562 + 0,000013- г 0,005 0,018

вание горных выработок А 4 А4 = -83,8317 + 0,084536 • г - 0,000021-г2 = -9,03706 + ехр(2,202 + 0,000001 • г) 0,054 0,004 1,239 0,024

А4 = -0,185469 + 0,026915 • 1п(г + 0,000999) 0,005 0,019

Прорывы А5 = -1,96045 + 0,000996 • г 0,256 0,025

воды в А5 = 658,5436 - 0,665 • г + 0,000168 • г2 0,386 0,524

горные выработки А5 А5 = -9,03281 + ехр(1,984512 + 0,000110 • г) = -14,9501 +1,9709 • 1п(г + 0,00115) 0,255 0,255 0,030 0,028

Общая Аб = 11,14509 - 0,005508 • г 0,383 0,146

аварий- А6 = 4006,098 - 4,03375 • г + 0,001015 • г2 0,608 -0,472

ность Аб = -9,24185 + ехр(3,40777 - 0,000585 • г) 0,384 0,147

Аб = 83,34822 -10,9487 • 1п(г + 0,019) 0,384 0,145

Аб = 397547,9596 • (г -1891,2432)"3'1960 0,451 0,134

Однако для решения практических задач прогноза аварийности в реальных условиях работы ОАО «Тулауголь» наиболее значимой и доступной для количественной оценки является группа ТЭП. Поэтому математическая модель функционирования шахты Подмосковного бассейна позволяет получить связь интенсивности возникновения аварий с основными технико-экономическими показателями работы шахты.

Статистическая связь интенсивности возникновения аварий с основными технико-экономическими показателями работы шахты имеет следующий вид:

*

А/ = + кИ • Мгод + кИ • Dгод + ^ ' &сут + ' Взаб +

+^5г ' Ьзаб + кв1 ' Ьподг + ^И ' Ртр, (7)

где Мгод - производственная мощность, т; Dгод - годовой объем добычи угля, т; Осут - среднесуточная добыча угля, т; D1заб - среднесуточная нагрузка на один очистной забой, т; Lзаб - среднедействующая длина линии очистных забоев, м; Lп0дг - проведение вскрывающих и подготовительных выработок, м; Ртр - среднемесячная производительность труда рабочего по добыче угля, т/мес.

Среднее значение интенсивности ьго вида аварий для ^ года рассчитывается на основе модели множественной линейной регрессии, включающей совокупность ТЭП, влияющих на результативный признак. Установлены закономерности, позволяющие производить экстраполяционную оценку интенсивности различных видов аварий в шахтах «Подмосковная», «Бель-ковская» и среднестатистической шахте, которую предложено рассматривать

в качестве аналога шахты «Бельцевская» на тот временной интервал, пока не будет наработан необходимый для анализа объем статистической информации. Математические модели для прогнозной оценки интенсивности аварий имеют высокие значения коэффициентов корреляции, принадлежащие интервалу 0,834...0,974, и лишь для загазирования горных выработок R = 0,673, что подтверждает их адекватность фактическим данным.

Анализ развития аварий показывает, что устранить причины возникновения аварий значительно легче, чем прекратить их развитие. Использование систем искусственного интеллекта, экспертных систем представления знаний позволяет минимизировать риск функционирования технологического объекта. Задачами таких систем является содержание и накопление базы данных о показателях аварийности, проведение качественного и количественного анализа информации о функционировании технологического объекта, идентификация и прогнозирование состояний, расчет соответствующих режимов работы. Следовательно, предложен подход к прогнозу аварийной опасности угольных шахт, программная реализация которого может служить составным элементом описанных выше систем.

Главная цель такого подхода, заложенная в математическом обеспечении прогноза вероятности возникновения аварий в шахтах - это сделать возможным вычислительный эксперимент, моделирующий функционирование технологического объекта угледобычи по фактору безопасности. Результаты вычислительного эксперимента, как на стадии проектирования, так и при эксплуатации шахты, позволят получить необходимый объем информации для принятия управленческих решений и своевременного ввода в действие системы защитных мероприятий. Структурная схема программной реализации методики для прогнозной оценки вероятности возникновения аварий в шахтах Подмосковного бассейна представлена на рисунке.

Высокая цена отказов, особенно катастрофических, в системе обеспечения жизнедеятельности шахты выдвигает на первый план задачу их предупреждения, что возможно благодаря разработке эффективных профилактических мероприятий и своевременному вводу их в действие.

Всякий раз, когда принимается решение относительно будущих действий, во внимание принимаются, прежде всего, прогнозные оценки. Знание прогнозной оценки периода безаварийной работы шахты, являющейся результатом реализации предлагаемой методики на конкретном технологическом объекте, позволяет установить периодичность профилактики по конкретному виду аварий, а также общей аварийности. Динамичность методики обеспечивает корректировку показателя периода безаварийной работы объекта, что дает возможность лицу, принимающему решение, своевременно реагировать на изменение фактического состояния аварийности и принимать эффективные управленческие решения. Оценка прогнозного фона и вероятности аварий в шахтах Подмосковного бассейна подтверждает адекватность полученных эмпирических закономерностей и, соответственно, работоспособность алгоритмов разработанных для их уточнения.

Автоматизированный технологический комплекс

База данных и знаний

Фа ктор ы возникновения

аварийных

ситуаций

Количественные параметры и характеристики влияющих факторов

Причинно следственные связи и условия возникновения аварийных ситуаций

Уровни допустимых рисков (технического, экономического, экологического, социального и др.)

Параметры и характеристики технологического процесса

Структурное описание и модуль системы

Нормативно-справочная информация

Экспертные системы поддержки принятия решений

1 J к г

Субъект (лицо, п ринимающее решение)

1 J г к

Система управления технологическими процессами и объектами

Технологические про цессы и объекты

Системы автоматического контроля, диагностики и защиты

Оц енка степени риска и принятие решений д ля профилактики аварийных воздействий

Схема принятия решений по снижению риска аварийных ситуаций на предприятиях горнодобывающей промышленности

При этом следует отметить, что особое внимание следует уделять системам жизнеобеспечения, каковыми являются системы вентиляции шахт.

Список литературы

1. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Шейнкман Л.Э. Основы теории надежности и риска технологических систем. Тула: Изд-во "Гриф и К0". 2000. 182 с.

2. Комплексное освоение буроугольных месторождений / Л.А. Пучков [и др.]. М.: Изд-во «Горная книга». 2006. 289 с.

3. Травматизм и профессиональная заболеваемость при добыче полезных ископаемых / Н.М. Качурин [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ. 2012. 356 с.

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected] , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Стась Галина Викторовна, канд. техн. наук, доц., galina_stas@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Шкуратский Дмитрий Николаевич, генеральный директор, [email protected], Россия, Пермь, ОАО «Галургия»,

Смирнова Елена Владимировна, аспирант, galina_stas@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

RETROSPECTIVE EVALUATING LEVEL OF UNDERGROUND MINING SAFETY IN MINES OF MOSCOW COAL BASIN

N.M. Kachurin, G.V. Stas, D.N. Shkuratciy, E.V. Smirnova

Problem of authentic forecasting probability of arising accidents in mines doesn't lose own topicality during all period of existing mining industry. This problem got particular topicality at the time of transient period economical instability. Moscow Coal Basin was the most significant object where restructing and diversification mining enterprises were realizing at background of general reducing level of underground mining safety.

Key words: accident, probability, reliability, safety, decision making, mathematical

model.

Nikolai M. Kachurin, Doctor of Sciences, Full Professor, Chief of a Department, [email protected], Russia, Tula City, Tula State University,

Stas Galina Viktorovna, Candidate of Technical Sciences, Docent, galina_stas@ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Dmitriy Nikolaevich, General Director, [email protected], Russia, Perm City, Company of the "Galurgiy ",

Smirnova Elena Vladimirovna, Post Graduate Student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University