CC BY
18
УДК 622.271.3.06:658.527«75»
Бахтурин Юрий Алексеевич
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории транспортных систем карьеров и геотехники, Институт горного дела УрО РАН, 620075, Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка,58 e-mail: bakh2008@yandex.ru.
Bakhtourin Yury A.
candidate of technical sciences, chief researcher of the laboratory of open pits transport systems and geo-technique, The Institute of Mining UB RAS 620075, Yekaterinburg, 58, Mamin-Sibiryak st. e-mail: bakh2008@yandex.ru.
УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ ДВИЖЕНИЯ ГОРНОЙ МАССЫ НА СКЛАДАХ ПРИ ЦИКЛИЧНО-ПОТОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
THE MODES OFCONTROL ROCK MASS MOVEMENT AT THE WAREHOUSES EMPLOYING CYCLIC-FLOW TECHNOLOGY
Аннотация:
В статье приводится автоматная имитационная модель управления интенсивностью отгрузки горной массы со склада перегрузки с конвейерного на железнодорожный транспорт в схемах циклично-поточной технологии. Обоснованы рациональные верхний и нижний уровни отгрузки для условий применения циклично-поточной технологии на конкретном карьере.
Ключевые слова: циклично-поточная технология, комплекс перегрузки, автоматная имитационная модель, интенсивность отгрузки горной массы, уровни запаса горной массы
Abstract:
The article presents a simulation model of automatic intensity control of shipment rock mass from a warehouse with conveyor overload to railway transport in the schemes of cyclic-flow technology. Rational upper and lower levels of shipment for the conditions of cyclic-flow technology employment in a specific quarry are grounded.
Key words: cyclic-flow technology, overloading complex, a simulation model, the intensity of rock mass shipment, rock mass stock levels
Несмотря на ряд преимуществ, автомобильно-конвейерно-железнодорожный (а-к-ж.д.) транспорт имеет и недостатки, основной из них - собственно многозвенность, которая вызывает снижение производительности системы из-за колебания производительности смежных участков. Несовместные простои элементов системы могут составлять до 30 % календарного времени. При существующем уровне развития техники, технологии, организации открытых горных работ значительное сокращение непроизводительных простоев затруднено. Вместе с тем потери производительности, связанные с отсутствием горной массы на складе комплекса перегрузки с конвейерного на железнодорожный транспорт (до 7,8 %) и отсутствием места на складе (до 6,5 %), могут быть сведены к минимуму за счет управляющих воздействий на режим отгрузки горной массы со склада. В связи с этим возникает необходимость определения такой организации взаимодействия дробильно-конвейерного комплекса (ДКК) с железнодорожным транспортом, которая обеспечит рациональное использование технических возможностей погрузочного и транспортного оборудования системы а-к-ж.д. транспорта за счет снижения простоев по вышеуказанным причинам. Исследования в области организации эффективных взаимодействий различных звеньев транспортных систем карьеров, определения рациональных режимов управления этими взаимодействиями достаточно широко представлены в научно-технической литературе. При этом повышение адаптивности транспортирования горной массы с применением ЦПТ достигается, как правило, за счет организации взаимодействия автотранспорта с ДКК. Так, в работе Ю.И. Леля [1] предложен метод выбора рациональной организации работы сборочного автотранспорта в периоды непланируемых отказов ДКК. Вопросы прогнозирования времени простоев конвейер-
ного транспорта в зависимости от причин рассмотрены в работе [2]. На этой основе разработаны рекомендации по рациональному управлению движением груженых автосамосвалов между перегрузочными пунктами системы ЦПТ. С целью исключения или уменьшения влияния простоев дробилок и конвейеров на функционирование экскаваторно-ав-томобильного комплекса в работе Г.П. Воробьева рассматривается вариант строительства аккумулирующего склада, совмещенного с дробильно-перегрузочным пунктом [3]. Взаимодействие ДКК с железнодорожным транспортом рассматривается, главным образом, при определении рационального количества погрузочно-транспортного оборудования, вместимости бункеров и складов и т.п. [4]. При этом вопросы управления грузопотоками железнодорожного транспорта, обоснования рациональных режимов отгрузки горной массы со склада в средства железнодорожного транспорта исследованы недостаточно. Как показывает практика эксплуатации комбинированного транспорта на карьерах, количество горной массы, отгруженной со склада, не является независимым от наличного уровня запаса. Процесс поступления поездов под погрузку, как правило, испытывает управляющее воздействие. В большинстве случаев это осуществляется так: если возникает возможность переполнения склада, увеличивают интенсивность отгрузки либо снижают интенсивность поступления горной массы на склад. Наоборот, если на складе создается дефицит или угроза дефицитной ситуации, то уменьшается интенсивность поступления локомотивосоставов под погрузку. Особенно это актуально для складов с относительно небольшой активной вместимостью, в частности, при внутрикарьер-ном размещении комплексов перегрузки (КП) в схемах с а-к-ж.д. транспортом. Принятие решений об увеличении или снижении интенсивности отгрузки горной массы со склада должно быть обоснованным [5].
Эта задача может быть решена при исследовании следующей вероятностной модели (рис. 1). Пусть ио и и1 - соответственно, верхний и нижний критические уровни запаса горной массы на складе; X о и Х1 (X 1 < Хо) - значения, соответственно, пониженной
Рис. 1 - Функционирование склада КП с регулированием
интенсивности поступления поездов под погрузку:
ио - верхний критический уровень запаса горной массы на складе;
и1 - нижний критический уровень запаса;
Хо - повышенная интенсивность отгрузки;
Х1 - пониженная интенсивность отгрузки;
А- точки переключения интенсивности отгрузки
и повышенной интенсивности отгрузки горной массы со склада; qt - объем горной массы, поступившей на склад в ^ю единицу времени; п - объем горной массы, отгруженной со склада в эту же единицу времени. Предполагается, что qt, п - независимые случайные величины. Значение интенсивности поступления горной массы, кроме того, считается не зависящим от управления. Пусть в начальный момент времени уровень запаса составляет величину ао<ио. Математическое ожидание интенсивности отгрузки Mцt■= X, поступления горной массы на склад Mqt=/. Если X о < /, то будет происходить постепенное накопление запасов и при некотором t впервые будет at=ио. В этот момент происходит переключение с пониженной на повышенную интенсивность отгрузки (с Хо на X 1). Уровень запаса будет постепенно снижаться. Когда этот уровень достигнет нижнего критического значения Щ, происходит обратное переключение на пониженное значение Ло. В дальнейшем процесс повторяется аналогичным образом.
Учитывая, что а-к-ж.д. транспорт, как правило, применяется параллельно с автомобильно-железнодорожным и железнодорожным, высвободившиеся в период пониженной интенсивности отгрузки локомотивосоставы могут быть использованы для перевозки горной массы с верхних и средних горизонтов в составе вышеуказанных схем. В описанной схеме регулируемыми параметрами являются ио, ии, X о, Х1. Изменяя их значения, можно добиться того, что доля времени отсутствия горной массы, а также доля времени полного заполнения склада КП будет минимальной для конкретных горнотехнических условий эксплуатации и применяемого оборудования.
Предлагаемая автоматная модель регулирования интенсивности отгрузки в зависимости от запасов горной массы на складе КП включает в себя следующую систему стохастических уравнений, описывающих динамику значений внутренних состояний автоматов:
а(г +1) = шах{0, [а(г) + Ъ(г) - (3 + (32 - 1))<?и ]} Ъ(г +1) = qk (г +1) р1(г) с(г +1) = С(г) + г(г )qи
рх(1 +1) =
Го приЫ10(г) > г +1 >МЫ0(г)]
1приг +1< Ш0(г)
Ш0(г +1) =
\МЫ0(г) приг +1 < Ш0(г)
3 п(г +1) Ч
п1(г +1) = <
мю(г)+ТЕК приг+1 > мы0(г) ] 1приг +1 = МРР(г) л п1 = 0;
V г+1 * МРР (г) = М0Р1(г) л п3 * 0;
V г +1=МРР(г)=М0Р1(г); 2 приг +1 = МРР(г) лп(2) = о лп1 = 1
V г +1 =* МРР (г) = М0Р2(г) V п1 = 1 л п3 * 0;
V г +1=МРР(г)=М0Р2(г) 0 приг +1 * МРР (г) V г +1 * М0Р3п (г)
V г +1=М0РЗп (г) л п3 = 0;
0 при 3П (г +1) * 1 л п1(г) = 0 V
г +1 = М0Р1(г) л 3 (г +1) * 1 л п1(г) = 1;
1 призп (г +1) = 1 V зп (г +1) * 1 л п1(г) = 1 л г +1 <М0Р1(г)
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
>
n2(t +1) = <
13 =
n3(t +1) =
0при Jn (t +1) * 2л n2(t) = 0 v t +1 = MOP2(t) л J(t +1) * 2 л n2(t) = 1 1при Jn (t +1) = 2 v J(t +1) * 2 л n2(t) = 1 л t +1 < MOP2(t)J
0 приt +1 * MPP(t) v t +1 = MPP(t) л n1 (t) v n1 (t) * 1;1 1приt +1 = MPP(t) л n (t) v n(t) * 1; J
n3(t) пр Mt +1 * MPP(t) v t +1 * MOP1(t) v t +1 * MOP2(t) v t +1 = MPP(t) = MOP1(t) v MOP2(t); max (0, n3(t) -1 при n1 v n2 = 0 л t +1 * MPP(t) v t +1 = MPP(t) л n1 л n2 = 0 v t +1 * MPP(t) = MOP1(t) v MOP2(t); n3(t) +1 пр и 13(t) = 1
(t +1) + TPP при Jn (t) = 0 л J n (t +1) * 0l MOP(J n )t при J n (t) = 0 л J n (t +1) = 0 J
1 приt +1 = MOP1(t) v MOP2(t) '
2 при t +1 = MOP1(t) v MOP2(t) 0 приt +1 * MOP1(t) v MOP2(t)
MPP(t) пр ^ +1 < MPP(t) л p2 = 1 л a(t) > 2q„; MPP(t) + TIPJ (t) + TIP1 (1 - f(t)) приt +1 = MPP(t)л= 1 л a(t) > 2qn; MLP(t)приP2 = 0 лa(t) > 2^; t +1 + T^O пр иa(t) < 4qn;
0 пр wMLP(t) > t +1 > MNOP(t)!
1 приt +1< MNOP(t) J MNOP(t) пр^ +1 < MLP(t) 1 MLP(t) + TRO приt +1 > MLP(t )J
MLP(t) пр^ +1 < MLP(t) 1
MNOP(t) + TOP приt +1 > MLP(t )J f (t +1) = f (t) [(1 - f (t)y(t)) + f (t)(1 - x(t)) ] +
+ (1 - f (t)) [(1 - f (t) y(t) + f (t ))(1 - x(t))]
MOP( J n )t+1 =■
z (t +1) = <
MPP(t +1) =
P2 (t +1) = MNOP(t +1) = MLP(t +1) =
x(t) =
y(t) =
0приa(t) < t/0 1при a(t) > U0
[0приa(t) > U11 Иприa(t) < U1 J
где a(t) - уровень запаса горной массы на складе в момент времени t;
b(t) - объем горной массы, поступившей на КП в момент времени t, т; pi(t) - признак наличия (отсутствия) грузопотока от ДКК; c(t) - объем горной массы, отгруженной за период (0,t); qk(t) - реализация случайной величины производительности ДКК в момент времени моделирования t, т/мин;
(8)
(9)
(10)
(11) (12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
z(t) - число обслуженных заявок в момент времени t, ед.
MNO(t) - момент отказа ДКК для момента времени t, мин;
MLO(t) - момент ликвидации отказа ДКК для момента времени t, мин;
TRK - очередная реализация случайной величины времени безотказной работы ДКК, мин;
TLK - очередная реализация случайной величины времени восстановления ДКК, мин;
Jn (t) - номер участка на складе, где поезд устанавливается под погрузку (1 или 2);
Is(t) - признак постановки очередного локомотивосостава в очередь;
n(J) - признак занятости погрузочного участка;
n3 - число поездов, ожидающих погрузку, ед.;
MPP(t)- момент прибытия под погрузку очередного локомотивосостава, мин;
MOP(J) - момент окончания погрузки локомотивосостава на J -ом участке, мин;
TPP- очередная реализация случайной величины времени погрузки локомотивосо-става, мин;
Р2 - признак наличия (отсутствия) организованного поездопотока;
MNOP(t) - момент прерывания организованного поездопотока, мин;
MLP(t) - момент возобновления поездопотока, мин;
qn- вместимость состава, т;
TIP2 TIP1 - очередная реализации случайных значений интервалов прибытия поездов на склад КП, соответственно, при пониженном и повышенном режимах отгрузки, мин;
TRO - очередная реализация случайной величины периода наличия организованного потока локомотивосоставов, мин;
TOP - очередная реализация случайной величины периода отсутствия организованного потока локомотивосоставов, мин;
f (t) - признак, характеризующий режим отгрузки (повышенный f(t) =0, пониженный f(t) =1);
x(t), y(t) - вспомогательные величины для определения значения f (t).
Уравнение (1) описывает внутренние состояния автомата A, определяющего уровень запаса горной массы на складе с учетом необходимости обслуживания всех находящихся на погрузке локомотивосоставов. Символ max применяется для исключения отрицательных значений текущего уровня запаса. Уравнения (2), (3) системы очевидны. Уравнение (4) описывает возможные состояния дробильно-конвейерного комплекса (ДКК). При pi = 0 грузопоток от ДКК отсутствует. Это имеет место в том случае, когда значение текущего времени моделирования заключено между значением момента отказа MNO(t) и момента ликвидации отказа MLO(t). Уравнение (7) фиксирует номер участка, на который поступает для погрузки очередной локомотивосостав в текущий момент времени. В соответствии с уравнениями (8), (9) присваивается признак занятости погрузочного участка. Уравнение (10) описывает внутренние состояния автомата 1з, характеризующего постановку локомотивосостава в очередь на обслуживание при отсутствии свободных погрузочных участков. По уравнению (11) определяется число поездов, ожидающих погрузку. Если текущее время модели не достигает момента прибытия локомотивосоставов на КП MPP(t) или момента завершения погрузки на одном из участков MOP(t), очередь остается прежней. В противном случае при наличии свободного погрузочного участка состав занимает его и число поездов, ожидающих погрузку (n3), уменьшается на единицу. При поступлении на КП очередного состава и отсутствии свободных участков n3 увеличивается на единицу. По уравнению (12) осуществляется расчет нового момента завершения погрузки локомотивосостава на J-ом участке, если имело место его прибытие на этот участок в текущий момент времени, т. е. J(t) = 0, а J(t+1) = 1. В противном случае MOP(J) остается без изменения. Уравнение (13) определяет количество обслуженных заявок в текущий момент времени. Согласно уравнению (14), значение
MPP(t+1) рассчитывается при достижении текущего значения MPP(t) добавлением очередной реализации случайной величины соответствующего интервала прибытия поездов под погрузку: TIP1 при повышенном и TIP2 при пониженном режиме. В случае, когда организованный поездопоток отсутствует (p2 = 0), значение MPP(t+1) определяется добавлением соответствующего интервала прибытия поездов к значению момента возобновления поездопотока MLP(t). При уровне запаса горной массы на складе a(t) < 4qn организованный поездопоток на склад прерывается и возобновляется только при a(t) > 4qn. Ограничения по уровню запаса при a(t) = 4qn приняты из условия возможности завершения обслуживания двух локомотивосоставов, которые могут одновременно находиться на погрузочных участках, а также возможности обслуживания еще двух поездов, находящихся в очереди. Уравнения (15) - (17) описывают состояния автомата P2, определяющего наличие организованного поездопотока. Режим отгрузки горной массы со склада, характеризуемый значением состояния автомата F (18), при переходе от t к (t+1), может оставаться без изменения, т. е. равняться f (t), либо изменять значение на противоположное (1- f (t)). Первое событие имеет место в двух случаях: в момент времени t существовал повышенный режим (f (t) = 0) и нижний критический уровень не был достигнут (y(t) = 0); в момент времени t существовал пониженный режим (f (t) = 1) и верхний критический уровень не был достигнут (x(t) =0). В обоих случаях в текущий момент времени изменение режима не происходит. Второе событие происходит также в двух случаях: при повышенном режиме (f (t) = 0) достигается нижний критический уровень (y(t) = 1); при пониженном режиме (f (t) = 1) достигается верхний критический уровень (x(t) =1). В обоих случаях происходит изменение режима на противоположный. Все выходные данные являются характеристиками стационарного режима работы системы. Это означает, что в качестве вектора начальных состояний модели могут быть выбраны любые значения, принадлежащие соответствующим областям определения внутренних состояний автоматов. Рациональный режим отгрузки со склада КП определяется с учетом условий, в которых может быть реализована способность процесса управления увеличивать эксплуатационную производительность транспортной системы карьера. За основу принят вариант, при котором прирост объемов перевозки горной массы допустим в тех пределах, которые в состоянии обеспечить транспортная система карьера без увеличения парка основного технологического оборудования. Решение задачи зависит от ограничений на выходе системы. Предполагается, что годовая производительность системы в целом как по руде, так и по вскрыше не меньше проектных ^р > Qпр и Qs > Qm, соответственно). Пределы регулирования интенсивности отгрузки горной массы со склада зависят от степени загрузки отдельных элементов горнотранспортной системы: складов, забоев, на которые перераспределяются грузопотоки в периоды снижения интенсивности поступления локомотивосоставов на склад КП, мест приема горной массы, а также пропускной (провозной) способности схемы путевого развития. Были проведены расчеты по определению коэффициентов резерва пропускной способности схемы путевого развития Дже-тыгаринского карьера для варианта с применением для транспортирования руды а-к-ж.д. транспорта при следующих условиях: годовые объемы перевозки горной массы 70 млн. т, в том числе руды - а-к-ж.д. транспортом 14 млн. т; вместимость склада КП с конвейерного на железнодорожный - 40 тыс. т. Подробная характеристика варианта приведена в [6]. Значения рациональных (К"опт) и фактических при реализации проектных объемов перевозок (К"ф) коэффициентов резерва для основных раздельных пунктов приведены в таблице. Провозная способность при проектных объемах позволяет перераспределять грузопотоки в сторону увеличения на 20 - 25 % при соответствующем уменьшении интервалов движения поездов.
Значения коэффициентов резерва пропускной способности основных раздельных пунктов Джетыгаринского карьера
Название раздельного пункта Показатель неравномерности Копт Кф
ст. Предотвальная 0,71 1,38 1,66
ст. гор.230м 0,66 1,35 1,69
Ст. гор.170м 0,57 1,33 1,57
Ст. гор.110м 0,49 1,26 1,58
ст. Северная 0,63 1,34 1,64
В результате моделирования получены зависимости прироста производительности системы а-к-ж.д. транспорта от критических уровней запаса горной массы на складе КП (рис. 2).
АО
0,8
к о
я
£ 0.6
£
у
о
X -1
с;
к
ц
о .к
о □
С н о о в £ в
с
0,4
0,2
1
/ // / \\
/ к %
\\
\ \\ 1
20 25 30
Верхний уровень запаса, тыс, т
Ш
Рис. 2 - Зависимость прироста производительности системы а-к-ж.д. транспорта от уровней запаса горной массы на складе КП Джетыгаринского карьера (V = 40 тыс. т): 1 - при и = 10 тыс. т; 2 - при и1 = 15 тыс. т; 3 - при ^=20 тыс.т; " " - по руде; - по горной массе
Рациональные значения критических уровней запаса, при которых обеспечивается наибольший прирост производительности системы, лежат в области: нижнего 61=15 - 17 тыс. т, верхнего ио = 29 - 31 тыс. т.
Литература
1. Лель Ю.И. Организация взаимодействия автомобильного и конвейерного транспорта на карьере Ингулецкого ГОКа / Ю.И. Лель // Сб. науч. трудов ИГД МЧМ СССР. - Свердловск, 1981. - № 66. - С. 35 - 41.
2. Волотковский В.С. Выбор оборудования карьерного конвейерного транспорта / В.С. Волотковский, Г.Д. Кармаев, М.И. Драя. - М.: Недра, 1990. - 192 с.
3. Воробьев Г.П. Исследование технологических параметров дробильно-конвей-ерных комплексов для условий карьеров железистых кварцитов КМА: Дис. ... канд. техн. наук / Г.П. Воробьев; ИГД МЧМ СССР. - Свердловск, 1974. - 165 с.
4. Оптимизация параметров транспортно-перегрузочных комплексов на карьерах / А.Г. Шапарь и др. - М.: Недра, 1988. - 207 с.
5. Бахтурин Ю.А. Организация взаимодействия конвейерного и железнодорожного транспорта на карьерах / Ю.А. Бахтурин // Известия Уральской гос. горно-геологической академии. Сер. Горное дело. - 2000. - Вып.11. - С. 95 - 102.
6. Бахтурин Ю.А. Обоснование рациональных технологических параметров авто-мобильно-конвейерно-железнодорожного транспорта на карьерах. дис. ... канд. техн. наук / Ю.А. Бахтурин; ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 1999. - 247 с.
