Проблемы надежности в угольной промышленности

Технический прогресс в угольной промышленности, связанный с комплексной механизацией и автоматизацией технологических процессов угледобычи, выдвинул ряд актуальных проблем, среди которых немаловажное значение приобретает проблема надежности.

Проблема надежности в угольной промышленности вообще имеет самые разнообразные аспекты, охватывающие ряд специфических для угледобывающих предприятий вопросов. В то же время можно выделить следующие основные направления по проблеме надежности угольной шахты:

— вопросы технической и эксплуатационной надежности различных видов горно-шахтного оборудования и средств автоматизации;

— надежность отдельных технологических элементов и звеньев горного производства (горные выработки, предназначенные для выполнения транспортно-технологических и вентиляционных функций, скиповой и клетевой стволы, погрузочные пункты лав, пункты разгрузки и т. д.);

— надежность технологических процессов на уровне отдельных подсистем угольной шахты (комплекс вскрывающих выработок, технологический комплекс шахты, очистной забой, технологическая схема подготовки шахтного поля, сеть вентиляционных выработок и т. д.);

— проблема надежности технологической системы «шахта».

Безусловно, все вопросы надежности в конечном итоге должны сводиться к проблеме надежности технологической системы «шахта». Основные технико-экономические показатели в процессе эксплуатации угольной шахты определяются прежде всего надежностью выполнения заданных функций технологической системы. Ненадежность выполнения заданных функций горного предприятия выражается в различных формах — крупные или мелкие аварии, простои лав из-за различных отказов горно-шахтного оборудования, средств автоматизации и прочих технологических элементов горного производства, а также отказы в отдельных подсистемах угольной шахты. Эти формы проявлений ненадежности, в конечном счете, отрицательно сказываются на таких показателях эффективности производства, как производительность труда и себестоимость.

Количественная и качественная оценка влияния фактора надежности должна быть предусмотрена уже в стадии проектирования горных предприятий. Возможность предварительной оценки по фактору надежности основных технических и технологических решении при их проектной проработке позволит избежать грубых просчетов, последствиями которых является ухудшение показателей эффективности предприятия на длительный период эксплуатации из-за ненадежности его подсистем и элементов, а также из-за несовершенной структуры запроектированной технологической системы.

Имеются многочисленные исследования и опубликованные работы по различным вопросам надежности в угольной промышленности. Эти исследования и публикации в соответствии с основными направлениями обидой проблемы надежности могут быть разделены на следующие 4 группы:

I — исследования по технической и эксплуатационной надежности промышленных изделий, рассматриваемых как составные части и элементы горного производства;

II — исследования надежности отдельных элементов и звеньев горного производства, предназначенных для выполнения различных заданных технологических функций;

III — исследования надежности основных технологических процессов по добыче и транспортированию угля в подсистемах угольной шахты, предназначенных для самостоятельного выполнения заданных технологических функций:

IV — исследования надежности технологической системы «шахта».

Первая группа исследований представлена очень большим количеством опубликованных работ.

Исследования этой группы работ проведены по вопросам надежности горно-шахтного оборудования и средств автоматизации в ИГД им. А.А. Скочинского А.В. Докукиным, В.Н. Хориным, Г.С. Рахутиным и др., в институте Гипроуглемаш А.Д. Гридиным, в Московском горном институте А.В. Топчиевым и др.. Исследования по надежности различных видов горно-шахтного оборудования, средств автоматизации и прочих промышленных изделий используются на горных предприятиях.

В работах излагается подход к оценке надежности горно-шахтного оборудования, основанный на использовании математического аппарата теории восстановления. В этом случав следует отметить сложность и практическую трудность аналитических исследований методами теории восстановления при оценке характеристик надежности элементов горного производства, хотя результаты в достаточной мере строги. И поэтому в задачах надежности опыт использования аппарата теории восстановления указанными авторами, безусловно, является ценным в том смысле, чтобы правильно определить степень сложности методов исследования надежности в соответствии с практическими требованиями к точности конечных результатов.

Экономические аспекты влияния эксплуатационной надежности горно-шахтного оборудования нашли отражение в работах.

С одной стороны, повышение надежности горно-шахтного оборудования как технологического элемента, участвующего в процессах угледобычи, требует проведения дополнительных мероприятий, а следовательно, и дополнительных затрат. С другой стороны, очевидный выигрыш в повышении надежности определяется в общем росте экстенсивности технологических процессов и, следовательно, в улучшении основных технико-экономических показателей действующего горного предприятия. Очевидно, повышение качества и надежности технологических элементов не может быть беспредельным, и должен с объективной необходимостью существовать оптимальный или близкий к нему уровень надежности или качества.

Исходя из изложенных позиций экономического подхода пытаются решать отдельные локальные задачи авторы работ. Оптимальные показатели эксплуатационной надежности горно-шахтного оборудования в указанных исследованиях отыскиваются с использованием аналитических методов по экономическому критерию себестоимости тонны добываемого угля. Общая схема решения задачи в этих работах такова.

Составляется функция стоимости от надежности с учетом затрат, требуемых для повышения эксплуатационной надежности, а также экономического ущерба, вызванного отказом Данного технологического элемента, участвующего в процессах угледобычи. Составленная таким образом непрерывная стоимостная функция исследуется аналитически на условный экстремум, а полученное решение принимается как оптимальное значение надежности.

Локальный характер такого подхода к задачам определения оптимальной эксплуатационной надежности отдельного элемента горного производства вполне очевиден. Он заведомо предполагает неизменность или -нецелесообразность повышения надежности других элементов. Кроме того, из-за ненадежности рассматриваемого элемента практически трудно установить величину ущерба, оптимизируемого по надежности. Таким образом, известный при операционных исследованиях принцип «системного» подхода не находит отражения в указанных работах.

В первой группе исследований по надежности имеются многочисленные исследования по таким промышленным изделиям, как средства автоматизации, электрооборудование и кабельно-силовое хозяйство, пусковая и защитная аппаратура и т. д. Практически в этой группе работ мало внимания уделяется вопросам эксплуатационной надежности различных видов и средств крепления горных выработок. Число исследований по этим вопросам незначительно.

Вторую группу исследований по вопросам надежности можно связать с технологическими объектами угольной шахты, предназначенными для самостоятельного выполнения элементарных технологических актов, а также для отдельных подпроцессов и процессов угледобычи. К таким объектам в шахте можно отнести отдельные горные выработки (горизонтальные участковые, наклонные участковые, горизонтальные откаточные или магистральные, наклонные капитальные и т. д.), погрузочные пункты лав, пункты перегрузки, бункер-гезенки с аккумулирующими емкостями и т. д.

Определенный интерес для целей проектирования и планирования представляет надежность процессов по отдельным технологическим объектам, в сумме определяющая надежность системы «шахта» и ее основных подсистем. Процессы по технологическим элементам и объектам угольной шахты с позиции оценки их надежности можно условно сгруппировать по технологическим признакам на основные и вспомогательные. Основные процессы обычно связывают с выемкой угля в очистном забое, транспортированием угля от очистного забоя до технологического комплекса на поверхности с сопутствующими им элементарными актами, подпроцессами (различные обменно-маневровые, погрузочные, перегрузочные и разгрузочные операции), вспомогательные — с вентиляцией, поддержанием горных выработок, водоотливом и т. д.

Вторая группа исследований посвящена в основном изучению надежности основных процессов угледобычи. Большое число работ по этим процессам интересно подходом к решению отдельных вопросов надежности. Следует отличать два подхода в данных исследованиях по надежности: аналитический и эмпирический.

К числу аналитических исследований надежности отдельных элементов горного производства можно отнести работы.

Л.Г. Шахмейстером и И.В. Бишеле изучены вопросы надежности грузопотоков отдельных конвейерных линий с отсутствием и, для отдельных случаев, с наличием аккумулирующих емкостей. Грузопотоки как случайные процессы описаны специальными методами теории вероятностей — марковских процессов, теории случайных функций.

Вопросы надежности процессов разгрузки рассмотрены в работе З.М. Лейтеса, В.А. Сысоевой, Б.И. Ярошевского. Определение оптимальной емкости бункеров в околоствольном дворе обосновано оценкой надежности процессов разгрузки локомотивосоставов с углем, рассматриваемых как марковский случайный.

Можно привести также много других работ, использующих аналитические методы изучения вопросов надежности основных процессов угледобычи по технологическим элементам и объектам. Однако в основной массе результаты носят частный характер, практически не позволяющий каким-то образом использовать их для целей проектирования и планирования горного производства. Методическая ценность этих работ определяется применением прикладных методов теории вероятностей: теории массового обслуживания, теории очередей, теории надежности, теории восстановления, теории случайных функций и т. д.

В работах при исследовании надежности функционирования таких технологических объектов, как локомотивный транспорт по транспортному штреку, используются методы статистического моделирования, а также эмпирический. Не умаляя определенную практическую и методическую ценность результатов подобных исследований, следует отметить, что они все же носят частный характер и действительны для определенных конкретных условий действующих предприятий с уже сложившимися горнотехническими условиями производства. Например, подобными методами очень трудно установить и оценить влияние надежности функционирования при изменении основных горнотехнических параметров шахты и горно-геологических условий (размеры шахтных и выемочных полей, протяженность горных выработок и т. д.). Скорее результаты этих исследований эффективнее применять при оперативном управлении и организации работы транспорта в условиях действующей шахты, чем при оценке основных проектных и планируемых на большой срок технических и технологических решений.

В третьей группе исследований, как и во второй, рассматриваются вопросы надежности процессов по технологическим объектам. Однако технологические объекты в этом случае представлены как самостоятельные подсистемы типа «очистной забой», транспортная схема в пределах участка, общешахтный транспорт по откаточным и магистральным штрекам, технологический комплекс шахты и т. д. В этой группе исследований методически также можно выделить два разных подхода — аналитический и эмпирический.

В работе Н.А. Малевича впервые предлагается метод оптимизации нагрузки стационарного погрузочного пункта, обслуживающего подсистему «очистные забои в панели» исходя из условий случайного характера формирования лавных грузопотоков. Хотя эта работа не лишена недостатков (упрощение процессов формирования лавных грузопотоков), однако именно при таком подходе к оценке надежности функционирования подсистем сравнительно легко можно получить приемлемые для проектирования и планирования результаты.

Надежность подсистемы «группа очистных забоев угольной шахты» является, безусловно, очень важным вопросом при установлении общей эффективности работы горного предприятия, а также в решении важной для угольной промышленности проблемы концентрации горного производства. А.С. Бурчаков, Б.М. Воробьев, Б.И. Ярошевский, А.С. Астахов впервые предложили методы оценки надежности подсистемы «группа очистных забоев угольной шахты» с использованием теории массового обслуживания. Причем задача оценки надежности рассматриваемой подсистемы формировалась как задача оптимального резервирования очистных забоев. С учетом сделанных авторами допущений и идеализации процессов результаты их можно использовать в задачах проектирования и планирования горного производства. Однако в последующем необходимо и важно учесть реальность принимаемых технологических решений по установлению резервного числа лав и влияние природных, горнотехнических и организационных факторов, отражающихся на физической стороне процессов добычи угля в очистном забое.

Л.Г. Шахмейстером и И.В. Бишеле рассмотрены не только вопросы надежности локальных транспортных звеньев, но и надежность подсистемы «конвейерный транспорт шахты». Работы этих авторов отличаются аналитической строгостью описания шахтных грузопотоков. Однако аналитически строгое описание общешахтных грузопотоков и, следовательно, осложнение математической модели не позволили авторам получить результаты, практически доступные для целей проектирования и планирования горного производства.

Процессы формирования грузопотоков подсистемы «очистной забой» описаны как стационарные случайные и непрерывные. При математическом описании грузопотоков как непрерывных процессов авторы используют методы теории случайных функций, получая при этом количественные оценки не только по средним значениям, но и по дисперсии, функции автокорреляции, спектральной плотности непрерывных случайных процессов.

В работах также изучаются вопросы надежности функционирования схемы подземного транспорта шахты методами статистического моделирования как самостоятельной подсистемы. Как и при изучении функционирования локальных транспортных звеньев, использование результатов работ в проектных решениях ограничено частным характером проведенных для конкретных условий исследований.

В конечном счете все отдельные разрозненные работы по вопросам надежности отдельных технических и технологических элементов, объектов и подсистем, а также основных и вспомогательных процессов, подпроцессов и элементарных актов должны быть отражены и сконцентрированы в вопросах надежности технологической системы «шахта». Безусловно, с учетом недостаточно детальной проработки локальных вопросов надежности в исследованиях I, II и III групп методически это трудная проблема.

Методологический интерес представляет работа, в которой авторы в постановочной форме излагают возможные подходы к решению сложной проблемы надежности технологической системы «шахта», а также перечисляют возможные пути повышения надежности шахты. Кроме того, ими намечены основные направления и методы формализации процессов угледобычи.

Некоторое отношение к надежности технологической системы «шахта» имеют вопросы методологии экономической оценки потерь времени в процессе добычи угля, принятые А.С. Астаховым. Автор сводит эту проблему к определению «границ экономически допустимой величины простоев и сблокированной с ними экономически наивыгоднейшей величины резервной мощности отдельных технологических звеньев предприятий», т. е. к оптимизации величин простоев и резервных мощностей объектов.

По его данным (на основе детального обследования 90 шахт Донбасса), простои приводят к увеличению фондоемкости в среднем на 2,83 руб/т, или на 21%. При этом 38% основных фондов тех же шахт приходится на объекты с большими возможностями повышения их нагрузки. По мнению автора, основная причина экономических потерь — громадные диспропорции мощностей сопряженных технологических звеньев производственной цепочки и недоиспользование мощностей одних звеньев шахты вследствие простоев других.

В работе Е.В. Петренко, Е.В. Шибаева и др. имеются попытки системного подхода с позиций оценки надежности основных проектных решений угольной шахты. Однако рассмотрены лишь проектные решения, касающиеся только подсистемы «подготовка и вскрытие шахтного поля». Результаты оценки надежности системы «шахта» в данной работе основаны на опытно-статистических данных по отдельным элементам и объектам шахты применительно к условиям Донецкого бассейна.

Оценка общего состояния проблемы надежности по всем четырем группам исследований позволяет установить следующее:

— созданы научные предпосылки для разработки методов оценки надежности основных проектных технических я технологических решений системы «шахта» и ее основных подсистем;

— имеющиеся методологические разработки качественно и количественно позволяют учесть отдельные специфические особенности заданных технологических функций системы «шахта» и ее подсистем, элементов, объектов (случайный характер протекания процессов угледобычи, структурные особенности, динамика производства, синхронность процессов и т. д.) при проектировании и планировании горного производства;

— следует развивать методические разработки для количественной оценки при создании новых технологических схем, а также при их совершенствовании;

— для целей проектирования и планирования необходима разработка методов прогнозирования надежности процессов угледобычи на базе принципиально новых технических и технологических решений;

— при разработке проблемы надежности технологичекой системы «шахта» немаловажное обстоятельство в учете специфических особенностей, связанных с динамикой и случайным характером протекания процессов, структурой производства при выборе тех или иных проектных или планируемых вариантов технических или технологических решений, базирующихся на применении комплексной механизации и автоматизации основных процессов угледобычи.