Метод оптимизации способов вскрытия шахтных полей

Известные методы исследования способов вскрытия шахтных полей базируются на технико-экономическом анализе нескольких вариантов, в основном «классических» способов, наиболее вероятных для данных горно-геологических условий эксплуатации участка и месторождения. При этом заранее предполагается, что наиболее рациональный способ вскрытия данного шахтного поля может быть только из числа рассматриваемых.

Конструкция способов вскрытия принимается в общеизвестных сочетаниях отдельных вскрывающих выработок.

Так, например, в варианте вскрытия шахтного поля наклонными стволами проходится три наклонных ствола: один — главный, оборудованный конвейерами для выдачи Угля, второй — вспомогательный, оборудованный одноконцевой канатной откаткой для подъема породы, спуска-подъема оборудования и материалов, и, наконец, третий — людской ходок для механического подъема, спуска людей. Этот вариант вскрытия может быть сравнен, например, со способом вскрытия вертикальными стволами. При этом конструкцию схемы вскрытия вертикальными стволами можно представить так: проходятся два ствола — один скиповой для выдачи угля и другой для выдачи породы, спуска-подъема людей и материалов.

Далее на основании детального технико-экономического анализа этих двух вариантов способов вскрытия (если они являются наиболее вероятными) выбирается рациональный. Как видно, варианты вскрытия шахтных полей имеют конструктивную схему, установленную ранее в определенных сочетаниях вскрывающих выработок. При этом предполагается, что принятые к сравнению способы вскрытия имеют наиболее рациональную конструктивную схему. Поэтому в целях изыскания наиболее рациональной рассматривается не сама конструкция схем вскрытия, а различные, заранее составленные конструкции для выбора из них наилучшей. Здесь трудно согласиться с предположением, что наиболее рациональный способ вскрытия данного шахтного поля должен быть именно из числа рассмотренных, а последние представляют наиболее совершенную конструкцию и сочетание вскрывающих шахтное поле выработок.

Как известно, каждая вскрывающая шахтное поле выработка предназначена для выполнения определенных технологических функций, связанных с процессами угледобычи. Эти выработки по вскрытию должны быть пройдены так, чтобы они соответствовали требованиям технологии разработки участка месторождения при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах. Если исходить из этой концепции, то каждая вскрывающая шахтное поле выработка должна быть исследована дифференцированно, чтобы изыскать оптимальное техническое решение, удовлетворяющее требованиям технологии при минимальных затратах.

Весь комплекс выработок и сооружений по вскрытию шахтного поля, по технологическому назначению можно разделить на следующие группы: I — «угольный комплекс»; II — «породный комплекс» ; III — «вспомогательный комплекс» (для спуска-подъема людей, материалов и оборудования); IV — «вентиляционный комплекс».

Выработки и сооружения по вскрытию шахтного поля могут быть предназначены для прокладки труб водоотлива, сжатого воздуха, труб орошения и пожаротушения, кабелей, устройства лестничного отделения и т. д.

На рисунке 5 представлены наиболее известные конструктивные схемы вскрывающих выработок каждой группы по их технологическому назначению. Как известно, по технико-экономическим соображениям каждая группа выработок обычно совмещает несколько технологических функций. Например, через клетевой ствол можно выдавать породу и осуществлять спуск-подъем людей, материалов, оборудования, а также подавать в шахту воздух и т. д.

Если в вариантах У2П2В2 количество этажных квершлагов будет соответствовать количеству погоризонтных квершлагов, то будем иметь способ вскрытия не вертикальными стволами и этажными квершлагами, а вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами.

Способ вскрытия шахтного поля представляет единую конструкцию и сочетание различных групп вскрывающих выработок, предназначенных для выполнения технологических функций по выдаче угля породы, спуска-подъема людей, материалов, оборудования и для проветривания шахты. Классические способы вскрытия шахтных полей можно представить в сочетаниях различных групп вскрывающих выработок (рис. 6):

У1П1В1 — вскрытие вертикальными стволами и капитальным квершлагом для выдачи угля, породы и выполнения вспомогательных операций (рис. 6, а);

У2П2В2 — вскрытие вертикальными стволами и этажными квершлагами для выдачи угля, породы, выполненения вспомогательных операций (рис. 6, б);

У3П3В3 — вскрытие наклонными стволами для выдачи угля, породы и выполнения вспомогательных операций (рис. 6, в).

При изыскании рационального способа вскрытия, например, свиты пологих пластов, часто рассматриваются именно эти классические способы. Однако теоретически возможное количество способов вскрытия, составленных из трех групп вскрывающих выработок, будет 3х3х3 = 27. Следовательно, методика, основанная на выборе рационального способа вскрытия из числа классических, не гарантирует от различных ошибок. Наибольшая вероятность в оптимальности выбранного способа вскрытия достигается при исследовании всех 27 теоретически возможных вариантов. Безусловно, многие способы вскрытия могут оказаться технически маловероятными и отпадут при их конструировании, но трудно согласиться, что только три классических способа являются конкурирующими.

Действительно, почему не могут оказаться варианты вскрытия шахтного поля У3П2В2 или У3П1В1 (рис. 4 и 6) в определенных условиях рациональнее, чем классические. Ведь известно, что в соответствующих горно-геологических и горнотехнических условиях рациональнее выдавать уголь по наклонному стволу, оборудованному конвейером, чем по вертикальному, а вспомогательные операции и выдачу породы целесообразнее осуществлять по вертикальному стволу, чем по наклонным стволам, оборудованным малопроизводительной и трудоемкой канатной откаткой. Вариант вскрытия шахтного поля — У1П2В2 — также может оказаться в некоторых случаях рациональнее классического.

Как видно, известные методы исследования способов вскрытия шахтных полей, базирующиеся на технико-экономическом анализе нескольких классических или известных вариантов, не гарантируют от возможных ошибок и не могут обеспечить выбор рационального способа вскрытия, под которым подразумевается наиболее оптимальное сочетание (синтез) комплексов вскрывающих выработок и сооружений, обеспечивающих минимальные трудовые и материальные затраты по выдаче угля и породы, спуску-подъему людей, материалов, оборудования и проветриванию шахты.

В соответствии с этим предлагается новая методика исследования способов вскрытия шахтных полей, основанная на технико-экономическом анализе отдельных выработок и сооружений, сгруппированных по технологическому назначению, в целях изыскания наиболее оптимальных для данных горно-геологических условий эксплуатации месторождения.

Допустим, что трудовые и материальные затраты, зависящие от способов вскрытия шахтного поля, в условных и соизмеримых единицах состоят из суммы

Очевидно, рациональный вариант вскрытия шахтного поля, обеспечивающий минимальные значения ЕВijk, можно определить различными методами. В известных методах для определения его, как было отмечено выше, сравниваются варианты 1, 2, 3 и т. д. способов вскрытия шахтного поля, т. е. исследуются затраты по вариантам.

В предлагаемой методике исследуются не ЕВijk, а ЕСyj, ЕСnj, ЕСbj, ЕСнj для изыскания оптимальных вариантов угольного, породного, вспомогательного и вентиляционного комплексов, обеспечивающих минимальные суммарные затраты.

Технико-экономический анализ комплексов вскрывающих выработок и сооружений производится по капитальным и эксплуатационным затратам и срокам строительства шахты. При этом учитываются капитальные затраты на проведение выработок по вскрытию и частично по подготовке шахтного поля, на строительство зданий и сооружений на поверхности, приобретение и монтаж оборудования и эксплуатационные расходы на поддержание выработок, на подъем и транспорт угля, породы, материалов, оборудования и людей, на водоотлив, вентиляцию и на амортизацию капитальных вложений.

В качестве критерия экономической оценки вариантов комплексов вскрывающих выработок и сооружений принимаются приведенные суммарные капитальные и эксплуатационные затраты в соответствии с «Временной отраслевой методикой определения экономической эффективности капитальных вложений в угольную промышленность».

При качественной оценке предпочтение отдается тому варианту, который обеспечивает большую безопасность труда при максимальной механизации и автоматизации производственных процессов и ликвидации наклонных выработок, оборудованных канатной откаткой для транспорта породы, материалов, оборудования и людей.

Необходимость выбора наиболее рационального способа вскрытия шахтного поля возникает при составлении проектов новых и реконструкции действующих шахт. В первом случае, т. е. при составлении проектов новых шахт, необходимо синтезировать все комплексы вскрывающих выработок — угольный, породный, вспомогательный и вентиляционный. При реконструкции действующих шахт часто приходится совершенствовать отдельные комплексы вскрывающих выработок, например угольный, породный, вспомогательный или вентиляционный. В последнем случае, т. е. при реконструкции действующих шахт, вопросы совершенствования отдельных комплексов вскрывающих выработок решаются достаточно определенно в соответствии с областью применения оптимальных вариантов угольного, породного, вспомогательного и вентиляционного комплексов. Но когда приходится синтезировать несколько комплексов вскрывающих выработок, задача значительно усложняется, так как синтез из оптимальных вариантов угольного, породного, вспомогательного и вентиляционного комплексов не всегда может гарантировать наиболее рациональную конструкцию способа вскрытия шахтного поля. В то же время перебор всех возможных синтезированных вариантов способов вскрытия шахтных полей, даже с применением ЭВМ, практически неосуществим, так как потребуется несколько миллионов лет вычислительной работы. Расчеты показывают, что минимальное количество синтезированных вариантов способов вскрытия шахтных полей в различных горно-геологических условиях составляет 1,5х10в15. Если предполагать, что на решение одного варианта требуется около одной секунды вычислительной работы на ЭВМ (а каждый вариант состоит из сотни тысяч вычислительных операций), то на решение всех вариантов потребуется около 3 млн. лет. Следовательно, перебор всех возможных вариантов способов вскрытия механически является неприемлемым.

Суммарные приведенные затраты по способам вскрытия шахтных полей, синтезированных из оптимальных вариантов угольного, породного, вспомогательного и вентиляционного комплексов, определяются из выражения

где ЕСijk0, ECijk — суммарные приведенные затраты соответственно по оптимальным и неоптимальным группам комплексов;

EACijl0, EACijk — экономия или дополнительные приведенные затраты, выявленные при синтезировании соответственно оптимальных и остальных комплексов, чтобы способы вскрытия, синтезированные из оптимальных групп вскрывающих выработок, являлись наиболее рациональными.

Если при синтезе отсутствуют совмещения технологических функций и каждый комплекс выполняет только свой процессы, то

Метод оптимизации способов вскрытия шахтных полей

Тогда задачи синтеза решаются просто. То же самое происходит при совершенствовании отдельных комплексов вскрывающих выработок при реконструкции действующих шахт. При этом из всех групп вскрывающих комплексов (Yj, nj, Вj, Hj) всегда предусматривается совмещение отдельных технологических процессов в некоторых выработках и сооружениях. Условия совмещений технологических функций разнообразны и определяются технико-экономической целесообразностью, ПБ, технологией, горно-геологическими условиями разработки месторождения, основными параметрами шахты и многими другими факторами. Поэтому синтез рациональных способов вскрытия из групп вскрывающих выработок с учетом совмещения отдельных технологических процессов в некоторых выработках и сооружениях — сложная комбинаторная дискретная задача. Метода составления аналитической математической модели и алгоритма ее решения нет. Попытки решения подобной задачи сделаны С.В. Цоем, Г.П. Данилиной.

Однако принятые в этих работах допущения (например, затраты на транспорт породы, материалов, оборудования и людей приняты известными и постоянными, и модель вскрытия приведена с двумя потоками — углем и воздухом) привели к реализации упрощенной математической модели, но не к решению поставленной задачи.

Поэтому в настоящей работе метод решения поставленной задачи следующий. Изыскиваемый способ вскрытия шахтного поля синтезируется из оптимальных групп вскрывающих комплексов У0, П0, В0, Н0. Такой синтезированный способ вскрытия считается оптимальным при условии

Если это условие не соблюдается, то рассматриваются другие возможные сочетания, включая и неоптимальные группы вскрывающих комплексов, до тех пор пока

Как видно, такой подход к решению поставленной задачи не всегда требует перебора всех возможных вариантов способов вскрытия шахтных полей. Нами разработаны условия синтеза (совмещения, сочетания) угольного, породного, вспомогательного и вентиляционного комплексов и некоторых вскрывающих выработок и сооружений. Эти условия значительно облегчают изыскание синтезированного варианта отдельных вскрывающих выработок и сооружений, обеспечивающего минимальные суммарные затраты ЕВijk.

На схеме 4 представлены все теоретически возможные сочетания угольного, породного и вспомогательного комплексов. При составлении этой схемы сочетаний предполагалось, Что выработки угольного, породного и вспомогательного комплексов также используются для проветривания шахты. Как видно, общее количество возможных сочетаний составляет 27 вариантов.

Очевидно, многие варианты по тем или иным причинам могут оказаться неприемлемыми. Кроме того, сочетание угольного, породного, вспомогательного и вентиляционного комплексов связано с совмещением в одних и тех же вскрывающих выработках нескольких технологических процессов с определенными ограничениями.

Таким образом, синтез угольного, породного, вспомогательного и вентиляционного комплексов представляет комбинаторную задачу со многими ограничениями, в которой оптимальность комбинации определяется минимумом суммарных приведенных затрат.

Обычно при известных параметрах шахты (мощность, размеры шахтного поля, высота этажа или панели) и условиях залегания пластов необходимое количество стволов для вскрытия шахтного поля определяется либо количеством воздуха, либо условиями размещения подъемных средств. А область применения отдельных комплексов вскрывающих выработок предопределяет вскрытие шахтного поля наклонными или вертикальными стволами.

Таким образом, синтез способов вскрытия шахтного поля часто осуществляется при известных типах и количествах стволов и других вскрывающих выработках (капитальные бремсберги, уклоны, этажные или капитальные квершлаги). Тогда при конструировании способов вскрытия приходится изыскивать оптимальные варианты совмещения технологических процессов в вертикальных или наклонных выработках, когда их количество предварительно известно.