10.01.2021

Экономико-математическое моделирование при выборе и оптимизации параметров подготовки шахтных полей с учетом фактора надежности


Выбор оптимальных вариантов технологических схем угольных шахт, определяющих методы разработки пластов, непосредственно связан с задачей выбора и оптимизации способов подготовки шахтных и выемочных полей.

Вопросам выбора способов подготовки в горнотехнической литературе посвящено очень много трудов и источников.

При проектировании и планировании горного производства задача выбора оптимальных вариантов подготовки шахтных и выемочных полей должна базироваться на расчетно-аналитических методах оптимизации. Общепризнанным является использование методов экономико-математического моделирования в традиционных задачах технико-экономического анализа.

Традиционные методы технико-экономического анализа были развиты и дополнены в задачах оптимизации способов подготовки шахтных полей в трудах А.М. Курносова, А.П. Судоплатова и др. Выбор оптимальных вариантов систем разработки и подготовки шахтных и выемочных полей, согласно, производится при условии, что:

1) сравниваемые варианты должны рассматриваться в идентичных горно-геологических условиях, сопоставлены по нагрузке на шахтопласт и размерам шахтного поля по простиранию и падению;

2) каждый вариант должен быть представлен своей лучшей модификацией. Критерием оценки сравниваемых вариантов являются суммарные эксплуатационные или приведенные затраты на 1 г добываемого угля.

Нагрузка на шахтопласт определяется числом действующих лав и уровнем добычи каждой действующей лавы шахтопласта. Нагрузка же на лаву Qл равна
Экономико-математическое моделирование при выборе и оптимизации параметров подготовки шахтных полей с учетом фактора надежности

где Км — коэффициент машинного времени, учитывающий перерывы в работе лавы по различным причетам в том числе из-за отказов элементов и звеньев технологической схемы подготовки шахтного поля;

Qт — средняя техническая производительность средств выемки в лаве при его непрерывной работе.

При всех прочих равных условиях и одинаковом количестве действующих лав шахтопласта идентичность сравниваемых вариантов должна достигаться сопоставимостью по нагрузке действующих лав. В свою очередь, нагрузка на лаву определяется коэффициентом машинного времени Км, который учитывает надежность технологических схем подготовки шахтных и выемочных полей. Обычно при технико-экономическом сравнении различных вариантов систем разработки и подготовки коэффициент машинного времени Км принимают для всех сравниваемых вариантов одинаковым и, согласно нормам технологического проектирования для комплексно-механизированных лав, он равен 0,45—0,50.

Следует отметить, что это значение коэффициента машинного времени количественно не обосновывается при технико-экономическом сравнении вариантов. Вполне очевидно, что сравниваемые варианты существенно отличаются по фактору надежности, что может привести к ошибке в оценке их по критерию себестоимости или приведенных затрат, а следовательно, к неправильным выводам при рекомендации тех или иных технологических схем.

Методы экономико-математического моделирования при технико-экономическом анализе и сравнении проектных решений способов подготовки лишь качественно учитывают фактор надежности, что в условиях повышенной интенсификации горного производства является недостаточным.

Так, в работах надежность технологического процесса добычи угля как фактор технический качественно и косвенно учитывалась при оценке вариантов. При одинаковой расчетной экономической эффективности предпочтение отдавалось тому варианту, при котором обеспечиваются более благоприятные, устойчивые эксплуатационные условия. Однако, не умаляя методической и практической ценности рассмотренных выше исследований, следует отметить существенный и общий для них недостаток: экономические оценки сравниваемых вариантов получены в предположении, что коэффициент машинного времени очистных забоев для всех сравниваемых вариантов одинаковый. Являясь количественной мерой надежности технологической схемы, он входит в нагрузку шахты или шахтопласта QЕ. Сравниваемые варианты как сложные системы отличаются структурой, показателями надежности составляющих Элементов и синхронностью смежных технологических процессов, а также уровнями надежности этих систем в целом. Отсюда следует, что анализируемые варианты подготовки шахтного поля в рассмотренных выше работах поставлены в искусственно созданные равные условия по нагрузкам на очистные забои, тогда как фактически этого равенства может не быть. Необходимые дополнения в применении экономико-математического моделирования при выборе и технико-экономической оценке проектных вариантов подготовки шахтных полей следует прежде всего связывать с разработкой способов количественного учета фактора надежности. Результаты исследований по подготовке шахтных полей без количественного учета фактора надежности и рекомендации по ним применительно к условиям Карагандинского бассейна характеризуются следующими данными.

Ранее были приведены результаты количественной оценки надежности новых технологических схем при технико-экономическом сравнении их методами экономикоматематического моделирования применительно к условиям Карагандинского бассейна. Однако фактор надежности имел второстепенное значение. Окончательный анализ и отбор более или менее равноценных по экономичности вариантов осуществлялся сравнением их по дополнительным критериям и факторам, в частности по надежности технологических схем. Хотя такой метод учета и не вызывает особых возражений, все же он не является лучшим способом количественного учета и оценки надежности технологических схем при выборе вариантов подготовки шахтных и выемочных полей при проектировании и планировании горного производства.

В работе приведены рекомендации без учета фактора надежности применительно к условиям разработки пласта К12 — Верхняя Марианна. Установлено, что наиболее экономичный способ подготовки шахтного поля по пласту К12 — Верхняя Марианна — лава-этаж с пластовыми штреками, а наименее выгодный — панельный.

В работе область рационального применения различных способов подготовки шахтных полей при разработке пологих пластов в Карагандинском бассейне устанавливается с помощью метода экономико-математического моделирования (с применением ЭЦВМ) затрат на подготовку и частично на вскрытие шахтного поля и оборудование очистных забоев с последующим анализом расчетных вариантов по ряду технологических факторов. Рекомендации по выбору подготовки шахтных полей по бассейну следующие.

Этажный способ подготовки шахтного поля с делением на подэтажи в Карагандинском бассейне имеет существенные экономические преимущества перед другими способами подготовки при нагрузке на шахтопласт менее 6 лав и любых других условиях.

Панельный способ подготовки шахтного поля экономически выгоден при большой нагрузке на шахтопласт (не менее 8 лав), разрабатываемый без разделения на слои.

На пластах мощностью 1,2—2,0 м при нагрузке на шахтопласт, равной 4—6 лавам, шахтные поля следует подготавливать, как правило, этажным способом с делением этажа на 2—3 подэтажа. Разработка пластов этой мощности лавами-этажами может быть допущена только при устойчивых и средней устойчивости боковых породах и размерах шахтного поля, не превышающих 4 км. При нагрузке на шахтопласт более 6 лав целесообразно применять панельный способ подготовки шахтного поля.

На мощных пластах рекомендуется применять подготовку шахтного поля этажным способом при нагрузке на слои 4—6 лав — с делением этажа на подэтажи; при нагрузке на. слой 8 лав — лавами-этажами.

Если тонкие пласты разрабатываются совместно с мощным с проведением пластовых подготовительных выработок, то целесообразно осуществлять подготовку шахтного поля на всех пластах, независимо от их мощности, этажным способом с делением этажа на подэтажи при 4—6 лавах на пласте с лавами-этажами — при нагрузке на шахтопласт 8 лав.

Опираясь на результаты этих исследований, а также на практический опыт применения различных технологических модификаций «классических» схем подготовки шахтных полей — этажного и панельного,— оказалось целесообразным и вполне достаточным для решения в первом приближении поставленного вопроса следующего диапазона варьируемых природных и технических условий Карагандинского бассейна (табл. 12).

Приняты к исследованию следующие конкурентоспособные варианты подготовки шахтных и выемочных полей:

I — этажный с делением этажа на два подэтажа и проведением откаточного штрека и участковых выработок по пласту;

II — этажный с делением этажа на два подэтажа и проведением откаточного штрека и участковых выработок полевыми;

III — панельный с двумя лавами в панели и проведением коренного штрека и панельного бремсберга по пласту;

IV — панельный с двумя лавами в панели и проведением коренного штрека и панельного бремсберга полевыми;

IIа — лава-этаж с проведением откаточного штрека полевыми.

Способы подготовки шахтных полей применительно к условиям разработки пологого шахтопласта обособленно рассматриваются в пределах бремсберговой части шахтного поля на одном горизонте.

На основании исследований и рекомендаций комбината «Карагандауголь» во всех случаях предусмотрено вскрытие шахтного поля вертикальными стволами — центральными подъемными и фланговыми вентиляционными с одним откаточным горизонтом, обслуживающим разработку бремсберговой и уклонной частей поля. При этажной подготовке дополнительно к центральным подъемным стволам примыкают капитальный бремсберг для транспортировки Угля и этажные квершлаги для производства всех вспомогательных транспортных операций и подачи в шахту свежего воздуха.

Схема проветривания диагональная во всех вариантах подготовки шахтного поля. Бремсберговые панели и верхние этажи проветриваются через шурфы. Предусмотрена проходка одного шурфа на каждую панель, два соседних выемочных поля и на крыло лавы-этажа.

Принята столбовая система разработки в пределах выемочного поля или панели, за исключением варианта лава-этаж. В варианте лава-этаж система разработки комбинированная с двойным фронтом очистных работ в крыле шахто-пласта.

Порядок отработки крыла шахтного поля прямой по простиранию, а в варианте лава-этаж — комбинированный.

Согласно общепринятым принципам и подходам к описанию производственных процессов в операционных исследованиях, технологические схемы на рисунке 1 дают достаточно четкие представления о характерных структурных особенностях подсистемы «подготовка шахтного поля». Разбиение различных вариантов подсистемы «подготовка шахтного поля» на технологические звенья и элементы основано на сложившихся и уже определившихся по традиции понятиях и представлениях поэлементного и позвенного разбиения технологических схем угольных шахт. Основным руководством составления вариантов технологических схем явились «Технологические схемы очистных и подготовительных работ на угольных шахтах», разработанные МУП России. Они послужили основным руководством при выборе технологического оборудования очистных забоев и участковых выработок.

Сравнение конкурирующих вариантов подготовки применительно к одним и тем же горно-геологическим условиям производится при одинаковых параметрах технологии очистной выемки.

Технологические процессы угледобычи в очистном забое рассматриваются применительно к механизированным комплексам КМ-87 и ОМКТ.

Основные производственные процессы по транспортнотехнологическим элементам и звеньям принятых к сравнению вариантов характеризуются следующими данными.

Технологическая схема лава-этаж (полевой вариант) отличается от технологической схемы этажного полевого способа подготовки с делением на подэтажи только комбинациями, входящими в технологические схемы элементов. Описание технологического процесса добычи угля варианта лава-этаж можно опустить.

Для этажного пластового и этажного полевого способов подготовки шахтного поля с делением этажа на подэтажи рассматриваются следующие основные технологические процессу угледобычи: доставка угля по конвейерному просеку и печи; доставка угля по конвейерному промежуточному штреку и участковому конвейерному бремсбергу; обменно-маневровые и погрузочные операции на погрузочном пункте; аккумулирование угля в бункер-гезенках на погрузочных пунктах; доставка угля по этажному откаточному штреку с помощью локомотивной откатки до пункта разгрузки у капитального бремсберга; доставка угля по капитальному бремсбергу до пункта разгрузки околоствольного двора; поддержание и ремонт основных транспортных выработок, участков погрузочных пунктов и разминовок.

Для панельного пластового и панельного полевого способов подготовки учитываются следующие основные технологические процессы угледобычи: доставка угля по ярусным конвейерным штрекам и панельному бремсбергу; обменно-маневровые и загрузочные операции на погрузочном пункте панельного бремсберга; аккумулирование угля в бункер-гезенках на погрузочном пункте панельного бремсберга; доставка угля по коренному панельному штреку с помощью локомотивной откатки; поддержание и ремонт основных транспортных выработок, участков погрузочных пунктов и разминовок.

Технологические схемы сравниваемых способов подготовки шахтного поля разбиваются на функционально независимые технологические цепи, число которых равно числу действующих лав.

В свою очередь, технологические цепи разбиваются на звенья и элементы. По каждому элементу устанавливаются критерии надежности, позволяющие оценивать степень влияния технической и эксплуатационной надежности элементов, участвующих в технологическом процессе добычи угля, на нагрузку шахтопласта QE. Нагрузка шахтопласта должна отражать также влияние аккумулирующей емкости на перерывы в работе лав из-за элементов и звеньев, расположенных за бункер-гезенком по направлению грузопотока угля, синхронности процессов загрузки составов под погрузочным пунктом и подачи порожних составов на погрузочный пункт.

Согласно общепринятым принципам и подходам технико-экономического сравнения вариантов технологических решений, основные методические положения при исследовании поставленного вопроса сводятся к следующим:

— принятые к сравнению варианты технологических схем должны рассматриваться в сопоставимых и типичных для Карагандинского бассейна горно-геологических и технических условиях;

— основные параметры подготовки шахтных и выемочных полей — длина лавы и ее подвигание, размеры этажей и выемочных полей, сечения горных выработок — принимаются рациональными;

— нагрузка на очистной забой определяется производительностью средств выемки с учетом количественно обоснованных требований заданному уровню надежности технологических схем подготовки шахтного поля и проверяется по газовому фактору;

— сравниваемые варианты технологических схем должны иметь одинаковые нагрузки в пределах шахтопласта.

Определение технических условий производится на основании рекомендаций норм технологического проектирования шахт (при установлении характеристик объектов общешахтного назначения), а также технологических схем очистных и подготовительных работ на угольных шахтах (при обосновании элементов технологических процессов в пределах выемочного участка).

Экономико-математическое моделирование исследуемых вариантов технологических схем предполагает такие этапы:

— установление оптимальных или рациональных параметров подготовки шахтного поля без учета фактора надежности и составление при этом экономико-математической модели учитываемых затрат;

— качественный анализ и количественная оценка надежности технологических процессов по отдельным элементам транспортно-технологических цепочек;

— анализ и оценка надежности различных вариантов технологических схем подготовки шахтных полей с учетом их структурных особенностей и обоснование требований к уровню надежности этих схем согласно нормам технологического проектирования;

— разработка экономико-математических моделей тех затрат, которые определяют надежность технологических схем;

— экономико-математическое моделирование и алгоритмизация для программирования на ЭЦВМ суммарных учитываемых затрат по подготовке шахтного поля, в том числе и влияющих на надежность технологических схем;

— анализ полученных численных результатов и выбор оптимальных вариантов подготовки шахтного поля.

Оптимальные параметры подготовки шахтных полей без учета фактора надежности для диапазона горно-геологических и горнотехнических условий, приведенных в таблице 12, определены в работе. Эти параметры, а также экономико-математические модели учитываемых затрат по сравниваемым вариантам подготовки шахтных полей с соответствующей поправкой при пересчете по новым стоимостным параметрам института Карагандагипрошахт (1972 г.) с учетам фактора надежности являются базовыми для сравнения с результатами экономико-математического моделирования.

Качественный анализ и количественная оценка надежности основных производственных процессов по отдельным элементам транспортно-технологических цепочек структурных вариантов схем, приведенных на рисунке 1, производятся с учетом случайного характера протекания этих процессов. Методика количественной оценки надежности поэлементно и позвенно основана на использовании методов теории надежности и теории массового обслуживания.

Сбор и обработка исходных данных по надежности отдельных элементов, подпроцессов и процессов основаны на методах математической статистики. Для условий шахт Карагандинского бассейна используются результаты статистической обработки хронометражных данных НИСа комбината «Карагандауголь», а также результаты исследований и расчетных обоснований согласно нормативам по основным и вспомогательным процессам угледобычи институтов КНИУИ, Карагандинского политехнического, Гипроуглегормаш, ВНИМИ, Карагандагипрошахт.

Результаты опытно-статистического и расчетного анализов по элементам и звеньям транспортно-технологических цепочек (гл. 2 и 3) используются при оценке надежности принятых к сравнению вариантов технологических схем подготовки шахтного поля, рассматриваемых как сложные подсистемы с различными структурными вариантами (рис. 1).

При последовательном соединении элементов в технологической цепочке оценка надежности ее производится по формуле (3.10), а при комбинированном соединении с одним ответвлением для подсистем в вариантах I, II, III и IV — по формуле (3.107). Влияние аккумулирующей емкости определяется по формуле (3.130).

Окончательно требование к надежности технологических схем подготовки шахтных полей устанавливается согласно нормам технологического проектирования с учетом формулы (3.39), определяющей все прочие, не зависящие от способов подготовки шахтного поля факторы и влияющие на надежность. Формально эти требования выражаются как заданные в виде равенства ограничения на сумму коэффициентов неисправности элементов и звеньев, входящих в подсистему «подготовка шахтного поля».

Разработка и составление экономико-математических моделей производятся с учетом заданных требований к надежности технологических схем подготовки шахтных полей, предварительно выделяются две группы учитываемых затрат: не оказывающие влияния на надежность технологических схем и требуемые для обеспечения заданного уровня надежности технологических схем.

В свою очередь, по каждой группе следует выделить затраты условно-постоянные и не зависящие от нагрузки на шахтопласт.

В первую группу затрат входят: 1) полностью затраты на проходку и поддержание выработок, а также прочие затраты по звеньям, не входящим в технологические схемы сравниваемых вариантов подготовки шахтного поля; 2) частично затраты на проходку выработок, входящих непосредственно в технологические схемы сравниваемых вариантов, но не влияющих на уровень надежности элемента «собственно выработка»; 3) затраты на вспомогательный транспорт по звеньям, не входящим в технологические схемы.

Функции себестоимости, согласно первой группе затрат, составлены вариантно:

где Аz(I), Аz(II), Аz(III), Az(IV) — составляющие первую группу затрат и не зависящие от нагрузки на шахтопласт QE соответственно для I, II, III, IV вариантов, руб. (учитываемые при потонной ставке с отнесением их на запасы z); Ат(I), Ат(II), Ат(III), Ат(IV) — условно-постоянные от I группы затрат соответственно для I, II, III, IV вариантов, руб. в единицу времени.

Функция себестоимости, согласно II группе затрат, определятся суммированием затрат по звеньям, входящим в технологические цепи.

Число технологических цепей при отработке запасов бремсберговой части шахтного поля этажного пластового Np(I) и этажного полевого способов Np(II) подготовки шахтного поля с делением этажа на подэтажи равно

где Рq(I) и Рq(II) — число технологических цепей нижнего подэтажа соответственно для I, II вариантов;

Рr(I) и Рr(II) — число технологических цепей верхнего подэтажа соответственно для I и II вариантов.

Величины

Число технологических цепей очистных забоев нижнего подэтажа первого и второго вариантов 2qI и 2qII соответственно в пределах этажа равно

а верхнего подэтажа первого и второго вариантов —

Число технологических цепей панельного пластового Np(III) и панельного полевого способов Np(IV) в пределах бремсбертовой части шахтного поля

и rIV в пределах панели:

В общем виде функции себестоимости с учетом первой и второй групп затрат, составленные повариантно,


Составление функций затрат, осуществляемых с целью обеспечения требуемой надежности технологических систем, производится с учетом форм связи надежности и стоимости по каждому элементу и звену.

Для произвольно взятого i-го элемента, входящего в технологическую схему, на основании опытно-статистического анализа для моделирования принята зависимость надежности и стоимости

где Аi — затраты, зависящие от коэффициента неисправности i-го элемента Кнi;

Кн0i — исходный уровень коэффициента неисправности i-го элемента;

Аzi — затраты по i-му элементу, соответствующие исходному уровню коэффициента неисправности и не зависящие от нагрузки ка шахтопласт QE (учитываемые при постоянной ставке);

Атi— условно-постоянные затраты на единицу времени по i-му элементу, соответствующие исходному уровню коэффициента неисправности Кy0i.

При определении учитываемых затрат по подготовке шахтного поля на проведение горных выработок, а также на транспортирование грузов по ним используются стоимостные параметры института Карагандагипрошахт, разработанные в 1972 г.

При определении затрат на поддержание горных выработок с учетом их надежности используются данные КНИУЙ, ВНИМИ и Карагандинского политехнического института, а также методика оценки надежности элемента "выработка".

Оптимальные коэффициенты неисправности определяются по формулам (4.102), (4.113), (4.115), (4.146), (4.147) и (4.165) с учетом сопоставимости нагрузок на лаву и шахто-пласт.

Численные решения и практические реализации экономико-математических моделей CI(I), СI(II), СI(III) и CI(IV) осуществляются в два этапа — алгоритмизация экономико-математических моделей по учитываемым затратам и программирование на ЭЦВМ «Минск-22». Для наглядности (схема 10) рассмотрим блок-схему расчета себестоимости согласно разработанным экономико-математическим моделям затрат по подготовке шахтного поля с учетом фактора надежности. В данном алгоритме значение FIw означает оптимизируемые по надежности затраты по е-й технологической цепи, без учета затрат по локомотивной откатке. Значение Аош определяет затраты по локомотивной откатке, зависящие от числа обслуживающих погрузочные пункты лав, локомотивосоставов ncs. Значение nE определяется методами теории массового обслуживания. Результатом расчета по данному алгоритму является установление себестоимости CE по сравниваемым вариантам, определяющей заданные требования к надежности технологических схем.

В итоге реализации алгоритма расчетов экономико-математических моделей для заданных сочетаний природных и технических условий по каждому сравниваемому варианту подготовки шахтного поля установлены затраты на 1 т добываемого угля с учетом фактора надежности (табл. 13). Определена следующая область экономически выгодных вариантов подготовки шахтных полей в Карагандинским бассейне.

При разработке пластов мощностью 1,2 и 1,6 м наиболее экономична этажная полевая подготовка с делением этажа на два подэтажа. Практически равноценны ему (разница в затратах по подготовке шахтного поля до 10%) следующие варианты подготовки шахтных полей:

— при разработке пластов мощностью 1,2 м, устойчивых и средней устойчивости боковых породах и размере шахтного поля до простиранию 4 км — этажный пластовый с делением этажа на два подэтажа;

— при разработке пласта мощностью 1,6 м — панельный полевой;

— при разработке пластов мощностью 1,6 м и размере шахтного поля по простиранию 4 км — лава-этаж (полевая подготовка).

При разработке пластов мощностью 2 м и размере шахтного поля по простиранию 4 км наиболее экономичный вариант — лава-этаж (полевая подготовка).

Практически равноценные ему варианты — этажная пластовая и этажная полевая подготовка с делением этажа на два подэтажа и панельная полевая подготовка.

При разработке пластов мощностью 2 м и размере шахтного поля по простиранию 8 км наиболее экономичным является вариант панельной полевой подготовки. Практически равноценен ему вариант этажной полевой подготовки с делением этажа на два подэтажа.

Фактор надежности на выбор оптимальных способов подготовки шахтных полей оказывает значительное влияние при разработке пластов мощностью 2 м. К тому же имеется существенная разница в расчетах учитываемых затрат по сравниваемым вариантам технологических схем с учетом фактора надежности и без его учета, в процентах, указывающая на степень влияния этого фактора при экономико-математическом моделировании проектируемых и планируемых технологических решений угольных шахт.





Яндекс.Метрика