CC BY
55
УДК 622.013.3 © К.Н. Копылов, С.С. Кубрин, И.М. Закоршменный, С.Н. Решетняк, 2019
Резервы повышения эффективности работы выемочных участков угольных шахт
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-3-46-49
КОПЫЛОВ
Константин Николаевич
Технический директор АО «СУЭК», 115054, г. Москва, Россия
КУБРИН
Сергей Сергеевич
Доктор техн. наук, профессор, заведующий Лабораторией 2.3 «Геотехнологических рисков при освоении газоносных угольных и рудных месторождений» ИПКОН РАН, 111020, г. Москва, Россия
ЗАКОРШМЕННЫЙ Иосиф Михайлович
Доктор техн. наук,
ведущий научный сотрудник
Лаборатории 2.3
«Геотехнологических рисков
при освоении газоносных угольных и
рудных месторождений»
ИПКОН РАН,
111020, г. Москва, Россия
РЕШЕТНЯК Сергей Николаевич
Канд. техн. наук, старший научный сотрудник Лаборатории 2.3 «Геотехнологических рисков при освоении газоносных угольных и рудных месторождений» ИПКОН РАН,
доцент кафедры «Энергетика и энергоэффективность горной промышленности» НИТУ «МИСиС», 119991, г. Москва, Россия, e-mail: reshetniak@inbox.ru
Повышение уровня промышленной безопасности на угольных шахтах и эффективности отработки запасов возможно при помощи автоматизации производственных и управленческих процессов, широкого внедрения систем мониторинга и управления производственными процессами и операциями. Анализ экспериментальных исследований, проведенных на выемочном участке угольной шахты, позволил сделать следующее заключение: при осуществлении выемки угля в очистном забое при скорости подачи комбайна на уровне номинальной наблюдается неиспользованный ресурс мощностей установленного технологического оборудования выемочного участка. В публикации предлагается способ управления скоростью подачи выемочного комбайна, обеспечивающий рост производительности. Результаты имитационного моделирования работы выемочного участка угольной шахты с дискретным изменением скорости подачи выемочного комбайна позволят разработать технологические решения по добыче угля подземным способом с повышенными уровнями безопасности и эффективности. Ключевые слова: угольная шахта, выемочный участок, эффективность, интенсивная отработка, уголь, метан, моделирование, скорость комбайна, цифровая шахта.
ВВЕДЕНИЕ
Эффективность работы угольной шахты определяется работой выемочного участка, формирующего основной объем добычи. Выемочный участок является сложной динамической системой с постоянно изменяющимися параметрами во времени и пространстве, характеризующими состояние горнотехнической системы (состояние массива вмещающих горных пород, режим работы технологического оборудования, параметры рудничной атмосферы и т.д.). Общий цикл работы выемочного участка состоит из времени, необходимого на монтаж и демонтаж забойного оборудования (механизированного комплекса), и непосредственной работы по выемке угля. Стремление к увеличению периода добычи угля в общем цикле работы выемочного участка предопределило тенденцию к увеличению длины лавы и протяженности выемочного блока. Эффективная работа высокопроизводительных выемочных участков, как правило, приурочена к пластам с благоприятными горно-геологическими условиями (выдержанная мощность пласта, пологое залегание, отсутствие нарушений и др.).
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
В настоящее время, на шахтах АО «СУЭК» уровень комплексно-механизированной добычи составляет 100%. Анализ работы шахт показывает наличие организационно-технических резервов для повышения эффективности работы оборудования, в первую очередь на выемочных участках, из-за снижения времени простоев. Например, на выемочном участке лавы № 17-49 по пласту «Бреевский» шахты «Полысаевская» [1] в очистном забое при скорости подачи комбайна на уровне проектных значений наблюдается наличие резерва мощностей установленного технологического забойного оборудования.
При отработке запасов высокопроизводительными лавами организационными решениями по управлению работой механизированного комплекса можно обеспечить безаварийную и эффективную работу установленного оборудования за счет оптимизации режимов работы механизированного комплекса, обеспечивающих максимально возможную скорость подачи комбайна для конкретной лавы в текущий момент времени. Для определения оптимальной нагрузки на очистной забой существующие методики не могут использоваться, так как они определяют среднесуточную нагрузку и оперируют усредненными показателями. В условиях высокопроизводительных лав должны использоваться методы оперативного управления выемочным комплексом, позволяющие организовать максимальную производительность во время технологических процессов выемки и транспортировки угля [2, 3].
При движении комбайна вдоль лавы загрузка забойно-транспортной системы углем будет различна. Следовательно, для описания работы забойно-транспортной системы необходимо использовать дискретную функцию сдвига, которая не поддается аналитическому описанию. Задача по нахождению оптимального режима управления скоростью подачи выемочного комбайна может быть решена с помощью компьютерного моделирования. Для этого необходимо решить оптимизационную задачу по нахождению скорости подачи выемочного комбайна, обеспечивающую эффективную загрузку транспортной системы выемочного участка.
На основе фактических данных по добыче 2,6 млн т угля из выемочного участка лавы № 17-47 шахты «Полысаевская» [4] была разработана имитационная модель оптимального режима управления скоростью подачи очистного комбайна.
Основные параметры выемочного участка лавы 17-47 следующие: вынимаемая мощность пласта - 1,6 м; угол залегания - 12-17°; сопротивление резанию - 140 кг/см2; объемный вес угля - 1,29 т/м3; длина лавы - 300 м; количество секций крепи - 177 шт.; добыча за цикл - 740 т; добыча - 7-10 тыс. т/сут; фактическая газоностность пласта -3-6 м3/т с.б.м.; комбинированная схема проветривания выемочного участка - типа 1-К-Н-в-вт. Управление газовыделением на выемочном участке - это отвод метано-воздушной смеси из выработанного пространства по газодренажной сети с помощью поверхностной газоотса-сывающей установки типа 2ВЦГ-7А, а также при помощи вертикальных дегазационных скважин, пробуренных с поверхности, и наземных передвижных дегазационных установок типа 2ВВН-50.
Для условий выемочного участка лавы № 17-49 проведено моделирование технологических процессов выемки и транспортировки угля при скорости подачи очистного комбайна 6 м/мин. Результаты моделирования показаны на рис. 1.
Из рис. 1 следует, что объем отбитого угля, расположенного на забойном конвейере, достигает максимума только в одной точке, соответствующей положению комбайна вверху лавы, в момент окончания выемки и достигает 50 т (на всем выемочном участке - чуть больше 70 т) отбитого угля. В результате неравномерности загрузки забойного конвейера при выемке одной «стружки» снижается эффективность использования ресурса мощностей технологического оборудования комплексного механизированного забоя. Для повышения эффективности использования технического ресурса нужно организовать режим работы комплексного механизированного забоя, при котором транспортная система комплекса была бы загружена максимально на протяжении всей стружки.
Решение данной задачи представлено на рис.2,3 в виде графиков изменения объемов угля на элементах транс-
25
Время (мин)
Рис. 1. Объемы угля в лаве № 17-49 при постоянной скорости подачи очистного комбайна 6 м/мин: синяя, черная, зеленая, красная кривые - объем угля соответственно на перегружателе, на скребковом конвейере, на ленточном конвейере и общий Fig. 1. The amount of coal in lava No. 17-49 at shearer constant feed rate of 6 m/min: blue, black, green, red curves are amounts of coal on reloader, scraper conveyor, belt conveyor and total, respectively.
70 60 50
"P
-o 40 с
О
> 30 20 10
о
10
15
25
30
35
20
Время (с)
Рис. 2. Объемы угля при использовании оптимального режима подачи очистного комбайна с первоначальной скоростью 10 м/мин: цветные кривые означают то же, что и на рис. 1
Fig. 2. Amounts of coal using shearer optimal feed mode with 10 m/min initial speed: colored curves meaning is the same as in Fig. 1.
1 1 1 1 1 1
III 1 1 1 1
I 10
Ш 9 Ш
vo
S 8
О ' CL
О ^
u 6
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Секция (№)
Рис. 3. Оптимальный режим изменения скорости подачи очистного комбайна относительно номера секции крепи Fig. 3. Optimal mode of the shearer feed rate variation relative to the roof support number.
11
портной системы выемочного участка при более высокой начальной скорости подачи комбайна (10 м/мин) и режима изменения скорости подачи очистного комбайна. Обеспечивающий оптимальную загрузку транспортной системы режим изменения скорости подачи очистного комбайна для этого случая имеет дискретный характер (рис. 3). Изменение скорости привязано к номеру секции крепи комплексного механизированного забоя.
Сравнение загрузки транспортной системы комплексного механизированного забоя в рассматриваемых случаях (см. рис. 1,2) свидетельствует, что во втором варианте (см. рис. 2) оптимальная загрузка транспортной системы (70 т) достигается к концу четырнадцатой минуты, в отличие от первого варианта (см. рис. 1), когда она достигается к концу «стружки» на 50-й минуте. Так как объем отбитого угля при прохождении очистного комбайна по всей длине лавы одинаков, то определяющим параметром, обеспечивающим рост производительности выемочного участка, является время выемки комбайном полосы угля («стружки»). Так, в первом варианте (см.рис. 1) время выемки «стружки» составило 50 мин 44 с, а во втором варианте (см. рис. 2) - 37 мин 27 с. Следовательно, за счет организации оптимального режима управления скоростью подачи выемочного комбайна
производительность лавы увеличилась на 26%, а с учетом времени, необходимого для перемещения очистного комбайна по зачистке, - на 19%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современная мировая конъюнктура рынка угля устанавливает жесткие правила конкурентоспособности продукции, базирующиеся на снижении себестоимости добычи за счет повышения производительности труда, в том числе за счет применения энергоэффективных и безопасных технологий, эффективного использования технологического оборудования, а также оперативного управления производственными процессами, в том числе ресурсами мощностей комплексных механизированных забоев.
С помощью оперативного управления режимом работы комплексного механизированного забоя можно повышать производительность за счет эффективного использования ресурса мощностей технологического оборудования. На основе модели оперативного управления могут быть определены режимы работы выемочного комплекса, обеспечивающие максимально возможную скорость подачи выемочного комбайна для каждого конкретного выемочного участка в текущий момент времени [5].
Модернизация предприятий должна проводиться на основе автоматизации производственных и управленческих процессов, в том числе за счет широкого внедрения систем мониторинга и управления технологическими процессами, что позволит значительно уменьшить влияние «человеческого фактора» на процесс выемки угля и повысить безопасность ведения горных работ.
Организация оперативного управления технологическим оборудованием комплексного механизированного забоя позволит в основной производственный процесс добычи угля подземным способом внедрить автоматизированные системы управления, в том числе частотное регулирование скорости забойного конвейера, и реализовать подходы к формированию шахты будущего - «Цифровой шахты».
Список литературы
1. Экспериментальные исследования параметров работы очистного комбайна угольной шахты при различных скоростях подачи / К.Н. Копылов, С.С. Ку-брин, И.М. Закоршменный, С.Н. Решетняк // Горный
информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 12 (специальный выпуск). С. 48-55.
2. Проблемы обеспечения высокой производительности очистных забоев в метанообильных шахтах / А.Д. Рубан, В.Б. Артемьев, В.С. Забурдяев, Г.С. Забурдяев, Ю.Ф. Руден-ко. М.: Издательство ООО «Московский издательский дом», 2009. 396 с.
3. Забурдяев В.С., Подображин С.Н., Скатов В.В. Шахтный метан и угольная пыль: формирование взрывоопасных ситуаций // Безопасность труда в промышленности. 2016. № 2. С. 42-46.
4. Копылов К.Н., Закоршменный И.М., Кубрин С.С. Вопросы управления очистным комплексом при отработке высокогазоносных пластов на примере шахты «Полысаевская АО «СУЭК-Кузбасс» // Уголь. 2016. № 12. С. 32-34. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/122016.pdf (дата обращения: 15.02.2019).
5. Захаров В.Н., Кубрин С.С., Забурдяев В.С. Комплекси-рование технологических стадий и операций в единый технологический процесс на основе информационных технологий // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 6. С.199 - 206.
UNDERGROUND MINING
UDC 622.013.3 © K.N. Kopylov, S.S. Kubrin, I.M. Zakorshmenniy, S.N. Reshetniak, 2019
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 3, pp. 46-49
Title
RESERVES OF INCREASE OF EFFICIENCY OF COAL ExTRACTION SECTIONS OF COAL MINES DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041 -5790-2019-3-46-49
Authors
Kopylov K.N.1, Kubrin S.S.2, Zakorshmenniy I.M.2, Reshetniak S.N.2, 3 '"SUEK" JSC, Moscow, 115054, Russian Federation
2 Research Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences (IPKON RAS), Moscow, 111020, Russian Federation
3 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119991, Russian Federation
Authors' Information Kopylov K.N., Technical Director
Kubrin S.S., Doctor of Engineering Science, Professor, Head of laboratory 2.3 "Geotechnological risks in the development of gas-bearing coal and ore deposits"
Zakorshmenniy I.M., Doctor of Engineering Science, Leading Researcher of laboratory 2.3 "Geotechnological risks in the development of gas-bearing coal and ore deposits"
Reshetniak S.N., PhD (Engineering), Senior Researcher of laboratory 2.3"Geo-technological risks in the development of gas-bearing coal and ore deposits", Associate Professor of Departmrnt "Mining Power & Electrical Engineering", e-mail: reshetniak@inbox.ru
Abstract
Improving the level of industrial safety in coal mines and the efficiency of mining is possible through automation of production and management processes, the widespread introduction of monitoring systems and sensors for monitoring and accounting of production processes and operations. The analysis of experimental studies carried out on the excavation site of the coal mine allowed us to make the following conclusion that in the implementation of coal breaking in the treatment face at the feed speed of the combine at the level of design indicators, there is a significant underutilization of the installed equipment. In the publication it is proposed to use a discrete method of controlling the feed speed of the combine harvester. The results of simulation of the work of the coal mine excavation site, with a discrete change in the feed speed of the harvester will allow to develop technological solutions for coal mining by underground method with increased levels of safety and efficiency. Figures:
Fig. 1. The amount of coal in lava No. 17-49 at shearer constant feed rate of 6 m/min: blue, black, green, red curves are amounts of coal on reloader, scraper conveyor, belt conveyor and total, respectively.
Fig. 2. Amounts of coal using shearer optimal feed mode with 10 m/min initial speed: colored curves meaning is the same as in Fig. 1.
Fig. 3. Optimal mode of the shearer feed rate variation relative to the roof support number.
Keywords
Coal mine, Extraction site, Efficiency, Intensive development, Coal, Methane, Modeling, Speed of combine, Digital mine.
References
1. Kopylov K.N., Kubrin S.S., Zakorshmennyy I.M. & Reshetnyak S.N. Eksperi-mentalnye issledovaniya parametrov raboty ochistnogo kombayna ugolnoy shakhty pri razlichnykh skorostyakh podachi [Experimental studies of a coal mine shearer working parameters at various feed rates] // Gornyi Informatsion-no-Analiticheskiy Byulleten' - Mining Information and Analytical Bulletin, 2017, No.12 (special issue), pp. 48-55.
2. Ruban A.D., Artemiev V.B., Zaburdyaev V.S., Zaburdyaev G.S. & Rudenko Yu.F. Problemy obespecheniya vysokoy proizvoditelnosti ochistnykh zaboev v metanoo-bilnykhshakhtakh [Problems of ensuring high productivity of mining faces in methane-rich mines]. Moscow, "Moskovskiy izdatelskiy dom" LLC, 2009, 396 p.
3. Zaburdyaev V.S., Podobrazhin S.N. & Skatov V.V. Shakhtnyy metan i ugolnaya pyl: formirovanie vzryvoopasnykh situatsiy [Mine methane and coal dust: formation of explosive situations] // Bezopasnost truda vpromyshlennosti - Industrial Safety, 2016, No. 2, pp. 42-46.
4. Kopylov K.N., Zakorshmenniy I.M. & Kubrin S.S. Voprosy upravleniya ochist-nym kompleksom pri otrabotke vysokogazonosnyh plastov na primere shahty "Polysaevskaya" AO"SUK-Kuzbass" [Aspects of stoping equipment management during highly gas-bearing seams mining with reference to"SUEK-Kuzbass", JSC "Polysaevskaya" mine]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2016, No. 12, pp. 32-34. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/122016.pdf (accessed 15.02.2019).
5. Zakharov V.N., Kubrin S.S. & Zaburdyaev V.S. Kompleksirovanie tekhnolog-icheskikh stadiy i operatsiy v edinyy tekhnologicheskiy protsess na osnove infor-matsionnykh tekhnologiy [Integration of technological stages and operations into a single technological process based on information technology] // Gornyi Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten' - Mining Information and Analytical Bulletin, 2015, No. 6, pp. 199-206.
