CC BY
22
© Э.Ю. Воронова, 2014
УДК 622.619 Э.Ю. Воронова
СИСТЕМНЫЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОХОДЧЕСКИХ СИСТЕМ
Обоснована актуальность разработки методологии расчета производительности проходческих систем. Сформулированы требования к математической модели формирования производительности проходческих систем. Приведены результаты анализа работ по расчету параметров проходческого цикла.
Ключевые слова: горнопроходческие работы, проходческая система, производительность, математическая модель, параметры проходческого цикла
Проблема и ее актуальность. В настоящее время одной из основных проблем при подземной добыче угля является недостаточная эффективность горно-подготовительных работ, сдерживающих во многих случаев своевременное воспроизводство фронта очистных работ. Эта проблема обусловлена, прежде всего, низкими темпами проходки горных выработок, определяемыми производительностью системы горнопроходческого оборудования. Производительность проходческой системы (ПС), зависящая от производительности входящих в нее операционных машин в совокупности с технологией и необходимыми трудовыми ресурсами, является важнейшим показателем, характеризующим уровень горнопроходческих работ.
От правильного решения задачи определения производительности ПС, в первую очередь, зависит рациональный выбор проходческого оборудования, обеспечивающего необходимые темпы горнопроходческих работ и их экономическую целесообразность.
Для решения проблемы на основе принципов системного подхода [1] необходимо, прежде всего, обосно-
вать целевую функцию и совокупность ограничений. Общеизвестно, что задачи такого уровня являются многокритериальными, а основными составляющими понятия эффективности являются производительность, удельная трудоемкость и стоимость единицы готовой продукции. В частности, лучшим может быть признан вариант, обладающий наибольшей производительностью, наименьшей трудоемкостью или стоимостью. Экстремумы указанных целевых функций не совпадают. В этом случае, по согласованию с заказчиком, необходимо либо отдать предпочтение одному из критериев, а другие принять в качестве ограничений, либо построить композицию из упомянутых критериев с использованием экспертных методов.
Таким образом, постановка и решение задачи выбора горнопроходческого оборудования является масштабной системной проблемой, которая содержит ряд неопределенностей и носит вариативный характер с позиций оценочного критерия и совокупности ограничений. Эта задача может иметь ряд иерархических уровней постановки и решения: добывающая компания, отдельная шах-
та, участок шахтного поля, отдельная выработка, но в соответствии с системной концепцией должна решаться для совокупности выработок, обеспечивающих ведение очистных работ.
В любом случае, важнейшим положением, которого всегда следует придерживаться при выборе оценочного критерия эффективности [2], является согласование его с целью функционирования технической системы, которой в данном случае является обеспечение заданных темпов проходческих работ, необходимых для своевременного воспроизводства фронта очистных работ. Поэтому предпочтительным оценочным критерием является производительность ПС. В случае принятия в качестве целевой функции трудоемкости проходки или стоимости готовой выработки, для их определения также необходима информация о производительности ПС.
Как показано ниже, методы оценки производительности в системной постановке, с учетом влияния факторов статистической неопределенности, структурных особенностей и объемов работ, к настоящему времени не разработаны. В связи с этим определение ожидаемой производительности и выбор оборудования из множества разновидностей ПС с различным уровнем внутренней согласованности на практике производится при помощи методов интуитивных, детерминированных, упрощенных, либо носящих локальный характер. Такой подход нередко приводит к ошибкам, поскольку любой неучтенный фактор может привести к негативным последствиям в виде непроизводительных потерь средств, времени и перерасхода трудовых ресурсов. При поиске путей решения проблемы повышения эффективности проходки, при модернизации конструкций про-
ходческих машин и систем, при их исследовании также необходима оценка производительности. В связи с изложенным, разработка методологии расчета производительности ПС, основанной на принципах системного подхода, является актуальной.
Цель работы. Разработка единой методологии определения производительности проходческих систем, учитывающей вероятностный характер функционирования, структуру объемов выполняемых работ, структурные особенности разновидностей проходческих систем для их исследования, оценки, сравнения и выбора рационального варианта.
Объект исследования. Объектом исследования в данной работе являются проходческие системы для проведения горизонтальных и слабонаклонных выработок буровзрывным и комбайновым (с применением комбайнов избирательного действия) способами.
Разновидности проходческих систем классифицируются по двум основным признакам: типу связей внутри системы (технологические, кинематические, конструктивные) и способу проведения выработки (буровзрывной, комбайновый), и условно делятся на буровзрывные и комбайновые комплекты, комплексы и агрегаты.
Терминология. В литературе встречаются различные термины, часто употребляемые как синонимы -горнопроходческая или проходческая система, система горнопроходческих машин, комплект, набор, комплекс проходческих машин (оборудования) и т.д.
Связи, объединяющие машины в систему, как показано во многих работах [3-6], бывают трех видов - технологические, кинематические и конструктивные, и образуют, соответст-
венно, проходческие комплекты, комплексы и агрегаты. При этом, по мере своего развития, средства механизации прошли путь от отельных операционных машин, со временем объединявшихся технологическими связями в проходческие комплекты, до современных проходческих комплексов и агрегатов, объединенных кинематическими и конструктивными связями. В рамках данной работы проходческим комплектом, комплексом (агрегатированным комплексом, т.е. созданным методом агрегатирования) и агрегатом будем называть совокупность операционных машин, объединенных, соответственно, технологическими, кинематическими и конструктивными связями. Понятие проходческой системы (ПС) будет употребляться в более широком смысле как совокупность операционных машин, объединенных связями любого вида, в сочетании с условиями (предполагаемыми или фактическими характеристиками проводимой выработки) и технологией (паспорт БВР, паспорт ПиК) их работы. Под агре-гатированной проходческой системой (АПС) будем понимать ПС, полностью или частично созданную методом агрегатирования функциональных элементов на едином базовом элементе и имеющую в своей структуре некоторое количество кинематических связей между элементами. Агрегатированным проходческим комплексом (АПК) будем называть проходческий комплекс, созданный методом агрегатирования функциональных элементов на едином базовом элементе и имеющий в своей структуре кинематические и/или конструктивные связи между подсистемами и элементами. Таким образом, агрегатированный проходческий комплекс является частным случаем агрегатированной проходче-
ской системы, которая, в свою очередь, является частным случаем проходческой системы (рис. 1).
Под формированием производительности проходческой системы будем понимать процесс ее функционирования, характеризующийся некоторой совокупностью рабочих процессов ее элементов, протекающий под воздействием внешних и внутренних влияющих факторов различного характера, осуществляемый в определенных условиях в период времени, необходимый для проведения заданного объема горных выработок, в течение которого формируется количественное значение производительности как конечного показателя работы ПС.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Разработка требований к математической модели.
2. Обзор работ по расчету параметров проходческого цикла, формированию и оценке производительности ПС, с целью анализа существующих подходов и оценки их соответствия требованиям к модели формирования производительности ПС.
3. Выбор метода моделирования процесса формирования производительности.
4. Выбор оценочного критерия для сравнения и выбора ПС.
5. Разработка математической модели формирования производительности ПС.
Разработка требований к математической модели. Значительный вклад в создание расчетных моделей производительности ПС внесли ученые научных школ ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского, КузГТУ, Института угля СО АН РФ, КузНИИ-Шахтостроя, ЮРГПУ(НПИ) и многих других.
Рис. 1. Структурная схема проходческой системы
Несмотря на признание авторами случайного характера формирования производительности и трудоемкости процессов, доверительные оценки получаемых показателей в доступной литературе отсутствуют [7]. Вместе с тем, к настоящему времени накоплены знания о закономерностях формирования рабочих процессов горнопроходческих машин, которые позволяют учитывать реальные стохастические свойства среды взаимодействия: изменение физико-механических свойств пород, распределение по крупности горной массы, формирование потока отказов и восстановлений и т.д. Это позволит более информативно воспроизводить производительность машин как случайный процесс, повы-
сить достоверность получения основных показателей ПС.
Кроме того, показатели технической производительности машин, приводимые в технических описаниях, носят, как правило, рекламный характер и не сопровождаются конкретным указанием условий, для которых они получены.
Сложилась противоречивая ситуация: с одной стороны закономерности формирования рабочих процессов отдельных технологических машин установлены на достаточно информативном уровне, с другой - эти закономерности не используются для определения реальных потребительских свойств оборудования.
Таким образом, первым требованием к модели является необходи-
мость учета вероятностного характера внешних и внутренних воздействий.
При исследовании проходческого оборудования авторы, как правило, рассматривают формирование производительности в рамках одного проходческого цикла. Это вполне оправдано при исследовании отдельных операционных машин. Однако, при формировании производительности ПС в целом, даже с учетом технологических и эксплуатационных факторов, производительность системы за цикл не может адекватно отразить эффективность ее использования в условиях конкретного предприятия.
Каждая шахта имеет свой план горных работ, в соответствии с которым горно-подготовительные работы должны обеспечивать своевременное воспроизводство фронта очистных работ. Как известно [4], горноподготовительные работы представляют собой совокупность процессов: проведение горных выработок (горнопроходческие работы), их оборудование, создание систем вентиляции, водоотлива, транспортировки угля и горной массы, доставки материалов, оборудования, энергоснабжения, обеспечения безопасности. Основной частью горно-подготовительных работ являются горнопроходческие работы, которые, для нормальной организации процесса добычи, должны вестись определенными темпами. Продолжительность горнопроходческих работ складывается из времени монтажа оборудования, проведения горной выработки проектной длины (включая время ремонтно-подготови-тельных смен), демонтажа, перебазирования оборудования к забою следующей по плану выработки и т.д., т.е. из времени забойных и внезабой-ных операций (рис. 2).
Поскольку проходческое оборудование используется на предприятии для проведения совокупности выработок, то и эффективность его использования должна оцениваться для этой совокупности, т.е. с учетом продолжительности и трудоемкости вне-забойных операций. Выбор ПС, произведенный только по величине производительности цикла (забойных операций) может оказаться ошибочным. Например, более производительная система может иметь настолько продолжительное время монтажа-демонтажа, что применение менее производительной системы, требующей меньше времени на перемонтаж, окажется более целесообразным. Также существенное значение имеет длина выработок, т.к. при проведении коротких выработок удельный вес внезабойных операций будет выше, чем при проведении длинных.
Итак, вторым требованием к модели является необходимость формирования производительности ПС в увязке с требованиями своевременного выполнении всего объема горнопроходческих работ по шахте или по участку шахтного поля (панели, горизонту и т.д.).
Проходческая система, как объект моделирования, имеет ряд существенных особенностей:
1) каждый из процессов проходческого цикла характеризуется принципиально отличающимися физическими закономерностями рабочих процессов взаимодействия с внешней средой;
2) в каждый данный момент система находится в различных структурных состояниях, т.к. разные операции выполняются не системой в целом, а определенной совокупностью ее элементов или подсистем в различных точках рабочего пространства;
Рис. 2. Формирование времени выполнения структуры объемов горнопроходческих работ: - время монтажа и наладки; - время перебазирования; - время демонтажа; V-, - время 1-го проходческого цикла при проведении /-Й выработки; t2, (> - время проведения, соответственно, 1-й, 2-й, г-ой выработок структуры объемов горнопроходческих работ; г - число выработок в структуре объемов горнопроходческих работ; Г -;. -время перемонтажа ПС из ¡-ой выработки в ¡+1-ю; р - число перемонтажей проходческой системы; п - число циклов при проведении одной выработки; t - время выполнения структуры объемов горнопроходческих работ
3) при использовании различных ПС возможны и реализуются различные виды совмещения операций;
4) множество разновидностей ПС, действующих внутри них материальных связей, вариантов технологического оборудования, входящего в их состав: разрушающего, бурильного, погрузочного, призабойного транспортного, крепеустановочного, вспомогательного.
Эти особенности предопределяют сложность ПС и ее модели, которая должна адекватно их учитывать.
Таким образом, в соответствии с целью работы, модель формирования производительности ПС должна соответствовать следующим требованиям:
а) учет вероятностного характера внешних (горно-геологических и горнотехнических) и внутренних (надежности, старения оборудования по ме-
ре отработки ресурса) воздействий при функционировании ПС;
б) учет выполнения забойных и внезабойных операций при выполнении горнопроходческих работ в объеме, необходимом для своевременного воспроизводства фронта очистных работ;
в) учет чередований событий и структурных состояний системы, в том числе при совмещении операций, как в процессе цикла, так и в процессе всего моделируемого объема проходческих работ;
г) универсальность для любых структур и компоновок ПС.
Результаты анализа работ по расчету параметров проходческого цикла. Разработке и совершенствованию методов расчета параметров проходческого цикла посвящены работы многих авторов [3-6, 814].
Анализ рассмотренных работ позволяет утверждать следующее:
- практически во всех методиках при расчете параметров проходческого цикла используется детерминированная входная информация, в некоторых работах используется вероятностный подход, но только при учете надежности машин;
- большинство методик рассматривают производительность проходческой системы как комплекта операционных машин, объединенных только технологическими связями;
- в методиках, предназначенных для расчета параметров проходческого цикла и производительности оборудования, кроме [6] и [11], не учитываются такие особенности агрегати-рованных проходческих комплексов как наличие внутренних материальных (кинематических и конструктивных) связей и смена структурных состояний системы в процессе цикла;
- в большинстве методик, кроме [35], не учитываются совмещения операций в процессе цикла;
- математические и имитационные модели функционирования проходческих систем позволяют определять их производительность только в период проходческого цикла, без учета вне-
1. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. - М.: Мысль, 1978. -272 с.
2. Надежность и эффективность в технике: Справочник: В 10 т./ Ред. совет: В. С. Авдуевский (пред.) и др. - М.: Машиностроение, 1988. - (В пер.). Т.3. Эффективность технических систем / Под общ. ред. В. Ф. Уткина, Ю. В. Крючкова. - 328 с.: ил.
3. Хазанович Г.Ш., Ленченко В.В. Буровзрывные проходческие системы: Учеб. пособие / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - 504 с.
4. Проектирование и расчет проходческих комплексов / Горбунов В. Ф., Аксенов
забойных операций, имеющих место при проведении заданного объема выработок в рамках воспроизводства фронта очистных работ;
- существующие модели предназначены для какого-либо одного из способов проведения выработок -буровзрывного или комбайнового; универсальных методик, позволяющих моделировать формирование производительности любой из рассматриваемых разновидностей ПС, не создано.
Проведенный обзор показал, что к настоящему времени ни одна из существующих математических или имитационных моделей не соответствует списку требований, которым должна отвечать модель для адекватного системного описания процесса формирования и оценки производительности ПС. Поэтому необходима разработка математической, а затем, на ее основе, имитационной модели функционирования ПС, отвечающей всем необходимым требованиям.
Таким образом, из задач, сформулированных в начале статьи, в рамках данной работы решены первая и вторая. Остальные являются направлениями дальнейших исследований и будут представлены в следующих работах.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
В.В., Эллер А.Ф. и др. -Новосибирск: Наука, 1987. - 190 с.
5. Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Скоморохов В.М. Основы проектирования буровзрывных проходческих систем. - Новосибирск: Наука. 1985. - 185 с.
6. Бунин В.И. Создание комплексов для проведения наклонных горных выработок. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 1998. - 156 с.
7. Моделирование рабочих процессов погрузочно-транспортных модулей с учетом случайного характера внешних воздействий: монография / Г.Ш. Хазанович, Г.В. Лукьянова, Е.А. Ревякина, А.В. Отро-
ков,- Шахты: ГОУ ВПО "ЮРГУЭС", 2010.179 с.
8. Дмитрак Ю.А. Методика расчета основных показателей при комплексной механизации проведения выработок буровзрывным способом // Механизация горнопроходческих работ. - М.: ЦНИИпродземмаш, 1982. - С.193.
9. Верхотуров B.C. Разработка методики расчета рациональных параметров проходческого цикла при проведении горизонтальных горных выработок буровзрывным способом в однородных крепких породах: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Л., 1985. - 19 с.
10. Першин В. В. Интенсификация горнопроходческих работ при реконструкции шахт. - М.: Недра, 1988. - 136 с.: ил.
11. Григоренко Ю.Д. Повышение технического уровня проходческих комплексов
типа "Сибирь". Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Кемерово, 2000. - 22 с.
12. Хазанович Г.Ш., Воронова Э.Ю. Разработка схем и выбор параметров агре-гатированных буровзрышнык проходческих систем: Монография / Шахтинский институт ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. -144с.
13. Машины и оборудование для горностроительных работ: Учеб. пособие / Под ред. проф. Л.И. Кантовича и проф. Г.Ш. Хазановича. - М.: Изд-во «Горная книга», 2011. - 445 с.
14. Солод В.И., Зайков В.И., Первов К.М. Горные машины и автоматизированные комплексы: Учебник для вузов. - М.: Недра. 1981. -503 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Воронова Элеонора Юрьевна - доцент, кандидат технических. наук, ШИ(ф) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова, е-шаП: gmo@itsinpi.ru, eleonora_sam_ti@mail.ru.
UDC 622.619
METHODOLOGICAL ASPECTS OF CUTTING SYSTEM PRODUCTIVITY FORMING
Voronova E.Y., Shl(b) SRSPU(NPI) named after M.I. Platov, docent, Candidate of Technical Sciences, e-mail: gmo@itsinpi.ru, eleonora_sam_ti@mail.ru.
Actuality of working out methodology of cutting systems productivity calculating was graduated. The demands to the mathematical models at forming cutting systems productivity were developed. The results of the analysis of works on calculating cutting cycle parameters are given.
Key words: mining cutting works, cutting system, productivity, mathematical model, cutting cycle parameters.
REFERENCES
1. Uemov A.I. Sistemnyi podkhod i obshchaya teoriya system (System concept and general systems theory). Moscow, Mysl', 1978. 272 p.
2. Nadezhnost' i effektivnost' v tekhnike: Spravochnik (Reliability and effectiveness in engineering), Reference guide. 10 Volumes. V.S. Avduevsky et al. (Eds.). Moscow, Mashinostroenie, 1988. Volume 3, Efficiency of engineering systems. V.F. Utkin, Yu.V. Kryuchkov (Supervisory Eds.). 328 p.
3. Khazanovich G.Sh., Lenchenko V.V. Burovzryvnye prokhodcheskie sistemy. Ucheb. posobie (Drilling-and blasting heading systems: Educational aid). Yuzh.-Ros. gos. tekhn. un-t. Novocherkassk, YuRGTU, 2000. 504 p.
4. Gorbunov V.F., Aksenov V.V., Eller A.F. Proektirovanie i raschet prokhodcheskikh kompleksov (Design and calculation of sets of heading equipment). Novosibirsk, Nauka, 1987. 190 p.
5. Gorbunov V.F., Eller A.F., Skomorokhov V.M. Osnovy proektirovaniya burovzryvnykh prokhodcheskikh system (Basics of drilling-and-blasting heading system design). Novosibirsk, Nauka. 1985. 185 p.
6. Bunin V.I. Sozdanie kompleksov dlya provedeniya naklonnykh gornykh vyrabotok (Engineering of sets of equipment for heading of inclined workings). Kemerovo, Kuzbassvuzizdat, 1998. 156 p.
7. Khazanovich G.Sh., Luk'yanova G.V., Revyakina E.A., Ot-rokov A.V. Modelirovanie rabochikh prot-sessov pogruzochno-transportnykh modulei s uchetom sluchainogo kharaktera vneshnikh vozdeistvii, mono-grafiya (Modeling work processes of loading-and-transportation assembly units considering accidental exposures, Monograph). Shakhty, GOU VPO "YuRGUES", 2010. 179 p.
8. Dmitrak Yu.A. Metodika rascheta osnovnykh pokazatelei pri kompleksnoi mekhanizatsii provede-niya vyrabotok burovzryvnym sposobom (Calculation procedure for key figures in integrated mechanization of drivage with drilling-and-blasting. Drivage Mechanization). Mekhanizatsiya gornoprokhodcheskikh rabot. Moscow, TsNIIprod-zemmash, 1982. p.193.
9. Verkhoturov V.S. Razrabotka metodiki rascheta ratsionalnykh parametrov prokhodcheskogo tsikla pri provedenii gorizontal'nykh gornykh vyrabotok burovzryvnym sposobom v odnorodnykh krepkikh porodakh: Avtoref (Development of calculation procedure for rational parameters of heading cycle in tunneling with drill-ing-and-blasting in uniform hard rocks). Ph.D. Dissertation. Leningrad, 1985. 19 p.
10. Pershin V.V. ¡ntensifikatsiya gornoprokhodcheskikh rabot pri rekonstruktsii shakht (Stimulation of drivage in mine reconstruction). Moscow, Nedra, 1988. 136 p.
11. Grigorenko Yu.D. Povyshenie tekhnicheskogo urovnya prokhodcheskikh kompleksov tipa "Sibir'" (Technical upgrading of heading assembly units of the type of "Sibir"). Ph.D. Dissertation. Kemerovo, 2000.
12. Khazanovich G.Sh., Voronova E.Yu. Razrabotka skhem i vybor parametrovagregatirovannykh burovzryvnykh prokhodcheskikh sistem, Monografiya (Circuit design and selection of modular drilling-and-blasting heading machinery parameters). Shakhtinskii institut YuRGTU. Novocherkassk, YuRGTU, 2005. 144 p.
13. Kantovich L.I., Khazanovich G.Sh. Mashiny i oborudovanie dlya gornostroitel'nykh rabot. Ucheb. po-sobie (Machines and equipment for mining-and-construction: Educational aid). Moscow, Gornaya kniga, 2011. 445 p.
14. Solod V.I., Zaikov V.I., Pervov K.M. Gornye mashiny i avtomatizirovannye kompleksy, Uchebnik dlya vuzov (Mining machines and automated equipment sets). Moscow, Nedra. 1981. 503 p.
22 p.
PHCVET flAPbfl AEPEHHHA
(ft
^wran h ayMau: c KHHroH He nponanewb.
