09.01.2021

Надежность основных технологических процессов добычи угля в очистном забое


Очистной забой как подсистема шахты представляет собой довольно сложное сочетание отдельных элементов и частей горного производства, увязка и взаиморасположение которых между собой определяют структуру рассматриваемой подсистемы. Сочетание и взаимосвязь элементов и частей очистного забоя для цикличной, циклично-поточной и поточной технологии отличаются в значительной степени. Как уже отмечалось, для цикличной технологии характерна «жесткость» технологической связи, предъявляющая к организации производства этим способам строгие требования и ограничения по условиям ритмичности и синхронности основных процессов угледобычи.

При поточной технологии с выемкой угля комбайнами челнокового действия требования по условиям ритмичности и синхронности основных процессов угледобычи при общей организации горного производства в пределах участка или шахты значительно «мягче». В этом случае нет необходимости привязываться к жестким срокам выемки цикла (например, два цикла в смену или шесть циклов в сутки), как это было при цикличной технологии с приурочиванием межремонтных интервалов, к какому-то установленному моменту времени. Общее описание принципиальной схемы взаимосвязей и взаимодействия элементов и частей, а также технологических процессов в очистном забое с поточной технологией (при узкозахватных комбайнах с механизированными крепями) может быть представлено следующим образом.

Процесс выемки начинается с отбойкой угля от массива пласта с последующей погрузкой на конвейер. Этот процесс осуществляется парой элементов «комбайн — угольный массив» (Кб-УМ), жестко связанных между собой.

Вслед за движением комбайна производится передвижка лавного изгибающегося конвейера, а по лавному конвейеру — транспортирование отбитого угля. Элемент, участвующий в процессах передвижки конвейера и транспортирования по нему угля, обозначен на схеме 1 через ЛКв (лавный конвейер).

Вслед за передвижкой конвейера производится процесс передвижки секций крепи (каждая в отдельности или группами), в котором принимает участие элемент «механизированная крепь» (МКр).

Технологическая взаимосвязь (УМ+Кб) и ЛКв, ЛКв и МКр, (МКр+ЛКв) и (УМ+Кб) определяется горно-геологическими и горнотехническими факторами. Это — устойчивость пород кровли и почвы, мощность и газоносность пласта, скорость подачи комбайна, производительность конвейерных установок, интенсивность передвижки конвейера и секций крепи и т. д.

Выемка цикла заканчивается в верхней или нижней нише. В отдельных случаях выемка цикла может производиться без ниш, с самозарубкой (например, комбайн ГШ-68). В любом случае концевые операции неизбежны. Также неизбежны и прочие регламентированные перерывы в работе комбайна. (Перерывы между сменами, прием — осмотр, замена зубков и смазка отдельных элементов, узлов и частей, ремонтно-профилактические мероприятия).

В идеальном случае представляется работа комбайна как непрерывный грузопоток угля с максимальной интенсивностью, осуществляемый с начала выемки цикла и до конца. И только в период между окончанием выемки одного цикла и началом выемки следующего очередного допускаются строго регламентированные перерывы. Однако в практических ситуациях из-за различных горно-геологических и горнотехнологических причин возможны отказы по отдельным технологическим элементам и объектам внутри и вне очистного забоя, приводящего в конечном счете к простоям в работе комбайна. Схема взаимосвязи элементов и процессов в очистном забое описана выше.

Источниками отказов, непосредственно влияющими на Работу средств выемки, являются элементы «угольный массив — комбайн» (УМ+Кб). Отказы, приводящие к остановкам в работе комбайна в этом случае, можно сгруппировать по горно-геологическим факторам и эксплуатационно-техническим причинам.

По горно-геологическим факторам причинами отказов элементов (УМ+Кб), приводящих к полной остановке комбайна, являются:

— газоносность пласта, вызывающая рост интенсивности газовыделений при данной технологии очистной выемки;

— наличие твердых включений в угольном массиве;

— наличие геологических нарушений угольного пласта;

— отказы комбайна из-за низкой эксплуатационной и технической надежности;

— прочие отказы, вызывающиеся собственно элементами (УМ+Кб).

Влияние отказов, приводящих к остановкам комбайна из-за элементов (УМ+Кб), на надежность работы подсистемы «очистной забой» можно оценить с помощью соответствующих критериев надежности.

Наличие твердых включений в массиве приводит к внезапным отказам. Интенсивность отказов в работе комбайна, отнесенная на тонну запасов, может быть хорошо описана показательным законом

где твкл — случайное время между отказами из-за встречи твердых включений;

Лвкл — средняя интенсивность отказов из-за встречи твердых включений.

С некоторыми допущениями показательный закон при оценке длительности перерывов в работе комбайна из-за наличия твердых включений можно принять

где tвкл — случайное время длительности перерыва комбайна из-за наличия включения;

uвкл — интенсивность восстановления безотказности работы комбайна после встречи твердых включений.

Для шахт Карагандинского бассейна при разработке пластов Верхняя Марианна, Феликс, Новый относительно показателей Лвкл и uакл получены следующие данные:

Геологические нарушения, приводящие к отказу в работе комбайна по выемке угля, являются, как правило, предвидимыми. Интенсивность отказов в работе комбайна из-за геологических нарушений, отнесенных на 1т, — характеристика неслучайного объема добываемого комбайном угля между отказами из-за встречи нарушений.

Методика оценки эксплуатационной и технической надежности собственно комбайна в достаточной мере основательно разработана.

Технологически сопряженными с элементами «угольный массив — комбайн» являются элементы «лавный конвейер» (ЛКв) и «механизированная крепь» (МКр). Выполнение операций по реализации процессов по данным элементам производится соответственно с определенной технологической взаимоувязкой и последовательностью во времени и пространстве.

Модель отказов сопряженных элементов (УМ+Кб) — ЛКв—МКр очистного забоя такова. Причины остановок комбайна из-за элементов ЛКв—МКр:

— отставание процессов передвижки конвейеров на расстоянии, превышающем нормы ПБ;

— отставание секций крепи на расстоянии, превышающем нормы ПБ, а также по времени устойчивого обнажения;

— отказы элементов ЛКв и МКр по эксплуатационным и техническим причинам.

В свою очередь, при интенсивности процессов передвижки конвейера и крепи, превышающих интенсивность работы комбайна, возможны неоправданные простои рабочих, занятых этими процессами. Идеальный случай — абсолютная синхронность взаимосопряженных технологических процессов в лаве. Однако и процессы выемки угля комбайном, и процессы передвижки по своей природе случайны.

Модель отказов технологически сопряженных звеньев (М+Кб)— ЛКв—МКр может быть описана методами теории массового обслуживания. Строго говоря, эта последовательность операций в задачах теории массового обслуживания Должна рассматриваться как двухфазная многоканальная или одноканальная система обслуживания. Например, (М+Кб) — источник требований, рабочие, занятые процессами передвижки конвейера, — обслуживающие каналы первой фазы. Отставание по времени или пространству конвейера от комбайна — очередь перед первой фазой, передвинутые секции конвейера — выходящий поток первой фазы, образующий одновременно входящий поток во вторую фазу обслуживания. Соответственно для второй фазы отставание крепи от конвейера по времени и пространству — очередь перед второй фазой обслуживания, процесс передвижки крепи — обслуживание во второй фазе, передвинутые секции крепи — выходящий поток двухфазной системы массового обслуживания. Однако чаще всего в применяемых технологических схемах не допускается отставание крепи от конвейера, т. е. «лавный конвейер — механизированная крепь» с жесткой связью между ними считается как один элемент.

Причины непроизводительных внутрилавных простоев в различных предлагаемых технологических схемах обычно связаны со структурой организации основных процессов угледобычи в лаве — крепления обнаженного призабойного пространства, оформления груди забоя, передвижки конвейера вслед за подвиганием комбайна и т. д.

Анализ работы комбайновых лав отдельных шахт Карагандинского бассейна показывает, что задержки в выполнении операций по креплению призабойного пространства, оформлению груди забоя, передвижке конвейеров вызывают значительные простои средств выемки (табл. 3).

Перерывы в работе комбайнов из-за отставания процессов крепления, передвижки конвейера и оформления груди забоя связаны со случайным характером как движения самого комбайна, так и выполнения операций по рассматриваемым процессам. Ликвидация простоев по этим причинам возможна при полной синхронности последовательно связанных технологических операций, что возможно только при полной ликвидации неравномерности движения комбайна и выполнения технологических процессов в заданной последовательности. Поскольку элементы случайности, связанные с изменчивостью горно-геологических условий в процессе очистной выемки, являются неизбежными, то практически трудно достигнуть абсолютной синхронности процессов.

Наиболее целесообразно определение такой рациональной численности рабочих, занятых процессами крепления, передвижки конвейера и оформления забоя, при которой перерывы в работе лавы по рассматриваемым причинам были бы минимальны и в то же время наличный резерв численности рабочих также был экономически оправдан. Результаты решения такой задачи в последующем нетрудно использовать для расчета резерва численности рабочих в лаве для различных вариантов технологии очистной выемки с применением комбайнов К-52м, КШ-1кг, К-58, ГШ-68. Аналитическое решение этой задачи с использованием методов теории массового обслуживания производится следующим образом.

«Заявкой» или «потоком требований» при очистной выемке можно считать комплект или секцию крепи, которую необходимо установить вслед за подвиганием комбайна. «Обслуживающими каналами» являются рабочие, которые заняты процессом установки или передвижки крепи совместно с конвейером. «Поток требований» может состоять из совокупности операций по установке крепи, передвижке конвейера и оформлению забоя.

Опытно-статистический анализ и обработка хронометражных данных по рассматриваемым процессам для угольных шахт показывают, что с практически приемлемой достоверностью можно считать рассматриваемый нами «поток требований», распределенный по закону Пуассона:

где k — случайное число требований за промежуток времени t;

Л — интенсивность потока требований.

На основании опытно-статистического анализа можно полагать, что время «обслуживания», т. е. установки крепи и передвижки конвейера, распределено по показательному закону с плотностью

где u — интенсивность обслуживания одного требования.

В таблице 4 приведены параметры «системы массового обслуживания» для типичных вариантов технологии очистной выемки, применяемой на отдельных шахтах бассейна.

Практически более приемлемой и рациональной является такая форма организации труда, которая позволяет совмещать отдельные процессы в очистном забое, обеспечивая одновременно беспрерывную работу комбайна. Это возможно при условии, что в случае значительного отставания процессов передвижки конвейера и крепления снимаются на помощь рабочие, занятые другими вспомогательными процессами (оформление груди забоя, зачистка и т. д.). В последующем, когда отставание будет ликвидировано, эти рабочие возвращаются к вспомогательным процессам. В этом случае заявка на передвижку конвейера, крепление и обслуживание может быть представлена как система массового обслуживания, число действующих каналов которой — величина случайная.
Надежность основных технологических процессов добычи угля в очистном забое

Для системы массового обслуживания при переменном числе обслуживающих каналов, минимальное число которых равно единице и растет с увеличением числа ожидающих требований до некоторого максимального числа М, представляет интерес определение вероятности всех состояний через известные параметры систем массового обслуживания. Число каналов (или рабочих) увеличивается только после достижения максимально допустимой длины очереди (допустимое отставание комбайна от крепления), т. е. как только число требований, находящихся в очереди, превысит какую-то величину М, новый канал (рабочий) приступает к обслуживанию требования, стоящего в очереди первым. Если ожидающих требований нет, то по окончании обслуживания число каналов уменьшается и только один канал в состоянии готовности для обслуживания.

Когда максимальное число каналов (рабочих) М и «точкой переключения» является наличие в очереди N требований, то, согласно, для такой системы при условии стационарности:

а) вероятность того, что в очереди n требований, а одно требование обслуживается (одним каналом):

б) вероятность того, что в очереди n требований, не превышающих N, а m требований обслуживаются (m каналами):

в) вероятность того, что в очереди n требований, не превышающих N, а М требований, обслуживаются (все М каналов заняты):

г) вероятность того, что в очереди n требований, превышающих при занятости все М каналов:

В формулах (3.7), (3.8), (3.9) и (3.10) значениями р и Р0(0) являются

Как и в предыдущем случае, практически можно установить допустимое значение вероятности остановки комбайна из-за возможного отставания процессов передвижки конвейера и крепления, не превышающее 0,01—0,02. Тогда, используя (3.10), можно определить эту вероятность следующим образом:

Введем обозначение

Установив допустимый удельный вес простоев из-за отставания процессов передвижки крепи и конвейера не более 1,0—1,5% от общей продолжительности рабочей смены, т. е. P больше N(M) не более 0,01—0,015, из формулы (3.13) (путем построения номограммы, рис. 2) определяется требуемое число рабочих.

Требования к безопасности ведения очистной выемки в лаве накладывают особые ограничения на процессы угледобычи. Это связано прежде всего с ликвидацией возможных в лаве аварийных ситуаций, особенно с вывалами пород кровли. В этом случае максимальные усилия должны быть направлены на ликвидацию аварийной ситуации в лаве. Хотя эти ситуации возникают нечасто, однако необходимо предусматривать определенный резерв рабочей силы на ликвидацию последствий.

Практический опыт показывает, что на ликвидацию завалов в лаве наиболее целесообразно снимать в первую очередь рабочих, занятых процессами крепления. Они имеют больше сноровки и опыта ликвидации завалов. Вместе с тем совмещение процессов крепления вслед за комбайном с ликвидацией последствий возможных аварийных ситуаций приводит, безусловно, к неизбежным остановкам работы комбайна. И поэтому необходимо определить такое число рабочих по процессу крепления (а в комплексно-механизированных лавах передвижка секций крепи совмещается с передвижкой конвейера), чтобы удовлетворить требованиям ПБ и в отставании передвигаемых секций от комбайна, и в быстрейшей ликвидации возможных завалов в лаве. Определение требуемой численности рабочих по процессу крепления, удовлетворяющих указанным условиям безопасности ведения очистных работ возможно методами теории массового обслуживания.

Из класса задач применительно к системам массового обслуживания с приоритетами наиболее подходящей для описания вышеуказанных процессов является приоритет без прерывания обслуживания в одноканальной системе, когда поток требований имеет показательный закон, а обслуживание — произвольный. Следующее представление процессов крепления вслед за комбайном и ликвидации аварийных ситуаций возможно как одноканальная система массового обслуживания с приоритетом.

Имеется два вида потока требований — первый на крепление вслед за комбайном, второй на ликвидацию аварийной ситуации. Второй поток обладает приоритетом по сравнению с первым — при появлении второго требования оно становится в очередь первым. Как только будет закончено обслуживание первого вида требования, принятого к обслуживанию еще до момента появления второго вида, обслуживающий канал (группа рабочих, занятых процессом крепления) в первую очередь приступает к обслуживанию требования с «приоритетом».

Законы распределения потоков требований:

- для требования с приоритетом

где т1 — случайное время между аварийными ситуациями;

Л1 — интенсивность потока требований с приоритетом; для требования без приоритета (процесс крепления)

где т2 — случайное время между моментами установки соседних секций крепи;

Л2 — интенсивность потока требований на крепление. Для стационарного процесса нетрудно установить выражения:

- среднего времени ожидания требования с приоритетом

где u1 и u2 — соответственно интенсивность обслуживания требований первого и второго видов;

- дисперсии среднего времени ожидания требования с приоритетом

- среднего времени ожидания требований без приоритета

- дисперсии среднего времени ожидания требования без приоритета


Безопасность ведения горных работ в очистном забое требует полной гарантии того, чтобы скорейшим образом ликвидировать аварийную ситуацию. Причем время ликвидации аварийной ситуации должно быть регламентировано практически полной уверенностью того, что не появится за это время еще аварийная ситуация. Если оценить эту практическую уверенность как можно более низкой вероятностью Рmin, то регламентированное время ликвидации t можно установить из выражения (3.14) следующим образом:

Далее произведем элементарные преобразования

Из полученного выражения (3.21) время t будет

Имеет значение и время ликвидации аварийной ситуации, т. е. интенсивность времени обслуживания требования с приоритетом. При нормальном законе распределения времени обслуживания с приоритетом с учетом условия (3.21), известного в теории вероятностей правила «трех сигм», требование, гарантирующее максимально скорое обслуживание, можно выразить

где аР1 — коэффициент, учитывающий совместное ведение работ Np рабочими при ликвидации отказа;

tобсл — математическое ожидание времени ликвидации отказа 1 рабочим;

с(tобсл) — среднеквадратическое отклонение времени tобсл.

В данном случае полагаем, что рабочих образует один обслуживающий канал с интенсивностью обслуживания

где u11 — интенсивность обслуживания требования с приоритетом одним рабочим.

Из условия (3.23) необходимое число рабочих в группе, образующих обслуживающий канал:

При показательном законе распределения времени обслуживания с приоритетом с учетом условий (3.24) требование гарантирующее максимально быструю ликвидацию аварийной ситуации, выразится

После несложных преобразований имеем

А минимально требуемое число рабочих в группе, образующих обслуживающий канал,

Поскольку в момент аварийной ситуации система массового обслуживания находится в состоянии обслуживания, т. е. рабочие заняты процессами передвижки крепи и конвейера, то прежде чем приступить к ликвидации аварийной ситуации, необходимо до конца обслужить требования без приоритета. Следовательно, требование на приоритет некоторое время ожидает. Однако это время должно быть предельно ограниченным и зависеть от того, как долго «дообслуживается» требование без приоритета. Среднее время «дообслуживания» зависит от числа рабочих, занятых процессами и движки крепи и конвейера, и его нетрудно определить выражения (3.22). Однако в аварийных ситуациях следует ориентироваться на возможно короткий срок исходя в данном случае из практически полной гарантии вероятности появления еще одной подобной аварийной ситуации. Это условие выразится как

С учетом формул (3.15), (3.16) и (3.22), а также правила «три сигма» (в данном случае применение правила «три сигма» является ориентировочным, так как закон распределения времени t неизвестен), условие (3.29) можно записать

Несложные алгебраические преобразования приведут к выражению

Подставив в левую часть выражения вместо u1 и u2 их значения, выраженные через интенсивность обслуживания одним рабочим, имеем

где аP2 — коэффициент, учитывающий совместную работу N рабочих в процессе крепления;

u21 — интенсивность обслуживания одним рабочим в процессе передвижки крепи и конвейера.

После несложных алгебраических преобразований число рабочих в группе будет

Окончательно условие, выражающее минимально необходимое число рабочих, гарантирующее вероятность непоявления еще одной аварийной ситуации при «дообслуживании», будет

С другой стороны, число рабочих в группе должно обеспечивать бесперебойную работу комбайна в процессе передвижки секций крепи и конвейера. Причем в процессе передвижки крепи также возможны ограничения по отставанию от комбайна.

Зная в практических случаях максимально возможное отставание процессов крепления от комбайна во времени Тож, например, по условиям устойчивого обнажения, можно сформулировать требования к определению числа рабочих с учетом выражений (3.18) и (3.19)

Произведя некоторые алгебраические преобразования с формулой (3.19), дисперсию времени ожидания требования без приоритета можно представить в виде

Поскольку u1 и u2 определяются числом рабочих в обслуживающей группе, то, подставив из формул (3.24) и (3.33)

Np в выражение (3.37), проверяем тем самым потребное число рабочих, обеспечивающих требования к надежности, дополнительно по условию (3.35).

В случае, когда процессы передвижки лавного конвейера и крепи разделены во времени и пространстве, т. е. не связаны жестко, описание этих процессов с учетом работы комбайна как источника требований возможно с некоторыми допущениями представить как двухфазную систему массового обслуживания.

Так, например, описывается двухфазная система массового обслуживания с двумя последовательными каналами при неограниченном пуассоновском потоке требований с параметром поступающего в первый канал, с экспоненциальным временем обслуживания в первом канале с интенсивностью u1 и во втором — с интенсивностью u2. Математическое ожидание числа требований, находящихся в системе, определяется по формуле

Полагая Lтр как среднее отставание процесса передвижки секций крепи (вторая фаза обслуживания) от комбайна, можно соответственно сформулировать условие или ограничение на Lтр исходя из требований ПБ, а также из практических соображений ведения очистных работ.

Возможны различные другие подходы к решению задач надежности процессов в очистном забое с использованием методов теории массового обслуживания. В частности, ряд отдельных задач был решен А.С. Бурчаковым, Б.М. Воробьевым. Б.И. Ярошевским и др.

Перерывы в работе комбайна в значительной степени определяются также отказами транспортно-технологической цепочки (участковый и магистральный транспорт, общешахтный подъем и т. д.) и организационно-техническими внутрилавными причинами.

Организационно-технические внутрилавные причины связаны с различными неизбежными регламентированными перерывами по проведению концевых операций, профилактических и ремонтных мероприятий и т. д.

В конечном счете, суммарное влияние внутрилавных и внелавных отказов, а также различных организационно-технических причин на перерывы в работе комбайна находит количественную оценку в показателе коэффициента машинного времени Кмоз. Значение коэффициента машинного времени в этом случае можно представить в виде

где Крп — коэффициент, учитывающий периодические регламентированные перерывы по времени (междусменные перерывы, выходные дни и т. д.);

Qтл — непрерывный минутный или часовой грузопоток;

Крпо — коэффициент, учитывающий регламентированные перерывы, отнесенные к определенному объему периодически добываемого угля (перерывы между выемочными циклами, неслучайными по объему добываемого угля, перерывы между загрузками партий порожних составов при их постоянной емкости и т. д.);

Кгф — коэффициент неисправности или аварийности, учитывающий остановки в работе комбайна из-за превышения концентрации газа сверх допустимых норм «Правил безопасности»;

Кпрф — коэффициент неисправности, учитывающий влияние природных факторов на работу комбайна (включения колчедана, вывалы и т. д.);

Кнi — коэффициент неисправности i-го элемента или процесса очистного забоя (отказы комбайна, лавного конвейера, отставание процессов крепления и т. д.);

n — число технологических элементов или процессов в очистном забое;

Кнj — коэффициент неисправности j-го внелавного элемента;

аj — коэффициент, учитывающий уменьшение влияния отказа j-го элемента на работу комбайна;

m — число внелавных элементов, входящих в транспортно-технологическую цепочку;

Кнк — коэффициент неисправности (неслучайный), учитывающий регламентированные перерывы со случайным временем длительности остановки (наработка на отказ по объему неслучайна, длительность остановок случайна);

р — число элементов или факторов, определяющих регламентированные перерывы с неслучайной наработкой на отказ по объему добываемого угля.





Яндекс.Метрика