Методы и пути повышения надежности технологических схем угольной промышленности

Повышение надежности технологических схем возможно различными способами, которые можно разделить на две группы: организационно-технические и технологические. Наиболее разработана группа организационно-технических мероприятий, определяемая комплексом проведения технических мероприятий по повышению технической и эксплуатационной надежности отдельных видов горно-шахтного оборудования, средств автоматизации и механизации и прочих элементов горного производства.

Наибольший интерес для целей проектирования и планирования технологических решений угольных шахт представляет группа технологических методов повышения надежности. Этими методами с учетом сформулированных в работе являются:

— упрощение и совершенствование транспортно-технологических схем угольной шахты с предельно минимальным числом пунктов перегрузки угля и максимальной компактностью сети горных выработок;

— резервирование основных технологических элементов и звеньев горного производства;

— устройство и создание аккумулирующих емкостей в транспортно-технологической цепочке;

— создание резервных мощностей по основным технологическим звеньям угольной шахты;

— совершенствование методов оперативного управления и текущего планирования производством.

Однако реализация перечисленных способов повышения Надежности должна быть в каждом случае увязана с конкретными горно-геологическими и горнотехническими условиями разработки участков месторождений. И поэтому реализация их должна найти количественное отражение в оценке по критериям надежности.

При оценке надежности по совершенствованию и упрощению транспортно-технологических схем, а также при сравнении различных вариантов этих схем, отличающихся структурными особенностями, необходимо использовать разработанные методы применительно к сложным технологическим системам, подсистемам и цепочкам. В частности, предложенные выше методы (3.107) и (3.110) можно использовать для оценки транспортно-технологических схем подготовки шахтного и выемочных полей.

Особый интерес представляет метод повышения надежности работы шахты резервированием таких элементов и подсистем горного производства, как очистные забои, средства выемки, средства транспортирования и т. д. Однако исследования по данным вопросам далеко не исчерпывают проблем технологического резервирования элементов горного производства и не учитывают сложный характер горного производства.

Резервирование как метод повышения надежности сложных технических и технологических систем в теории надежности сформулировалось в самостоятельное прикладное и теоретическое направление применительно к оценке эффективности систем. Считается, что резервирование как метод повышения надежности позволяет, по крайней мере в принципе, повышать надежность до беспредельных значений. Можно привести основные понятия и отдельные элементы, связанные с приложением методов теории резервирования.

В теории резервирования, как и в теории надежности вообще, отличают резервирование без восстановления и резервирование с восстановлением. Для технологических систем и подсистем, рассматриваемых как восстанавливаемые системы, наибольшее значение имеют методы резервирования с восстановлением. Что касается методов оценки надежности резервирования без восстановления, использование которых возможно для технологических задач в горном деле в качестве приближенных, то в практике приложения они не представляют большой сложности. При известных показателях надежности элементов аналитически нетрудно определить с использованием методов теории резервирования надежность различных резервных систем.

В зависимости от состояния резервных и основных элементов и способов подключения резервных элементов к рабочим различают следующие типы резервирования:

— нагруженный резерв;

— ненагруженный резерв;

— облегченный резерв.

При нагруженном резерве резервные элементы находятся в таком же режиме эксплуатации, что и основной. Надежность нагруженных резервных элементов не зависит от момента или времени к подключению их к рабочим.

При ненагруженном резерве резервные элементы находятся в выключенном состоянии и в этом состоянии возможность отказа их исключается.

При облегченном резерве резервные элементы находятся в облегченном режиме до момента их включения на место основного.

Резервировать можно различные элементы системы на различных иерархических ее уровнях. Уровень, на котором производится резервирование, называется «масштабом» резервирования. Чем большая часть системы или подсистемы (чем крупнее элемент или звено) резервируется как единое целое, тем крупнее масштаб резервирования.

При разработке методов резервирования с восстановлением очень часто используют уже разработанные прикладные методы теории массового обслуживания. Многие задачи резервирования с восстановлением могут быть удачно описаны как системы массового обслуживания — достаточно, например, слово «требование» заменить словом «отказ», а «обслуживание» — словом «ремонт».

В общем случае резервирование различных систем можно представить как многофазную систему массового обслуживания, изображенную на схеме 2). В частном случае отдельные элементы этой резервированной системы могут отсутствовать. Возможные переходы отдельных элементов из одной группы в другую изображены соответствующими стрелками.

Резервирование элементов технологических схем угольных шахт отличается возможным созданием запасных очистных забоев по шахте или шахтопласту, осуществлением двухкомбайнового способа выемки в лаве, установкой параллельных конвейерных линий и т. д. Двухкомбайновый способ выемки в лаве и установку параллельных конвейерных линий в теории резервирования относят к специальному способу резервирования, известного под названием «дублирование».

Резервирование комбайнов в лаве считается одним из эффективных методов повышения технологической надежности. Возможны три вида резервирования — ненагруженный, нагруженный и облегченный. Применение тех или иных форм и методов резервирования комбайнов определяется комплексом горнотехнических и горно-геологических факторов.

При ненагруженном резерве обычно один комбайн занят процессами выемки, а другой — ремонтом или профилактикой. Однако при отказе действующего комбайна в работу включается резервный. Ненагруженное резервирование целесообразнее применять при переменной работе спаренных лав, когда созданы благоприятные условия для проведения ремонтно-профилактических мероприятий, а также при устойчивых боковых породах пласта. Эффективнее в этих случаях применение комбайнов с многошнековыми исполнительными органами с выемкой пласта на полную мощность (ГШ-68, АТ, 2К-52 и др.).

Для технологии очистной выемки с послойной обработкой забоя иногда целесообразно нагруженное или облегченное резервирование. При нагруженном резерве два одинаковых по надежности комбайна находятся одновременно в работе (в одной или спаренных лавах), причем условия эксплуатации работающих комбайнов одинаковы. При облегченном резерве оба комбайна также находятся в работе, но условия эксплуатации одного из них отличны от условий эксплуатации другого.

В работе для различных случаев резервирования предлагаются методы оценки надежности дублирования при показательных законах длительности безотказной работы и восстановления.

Среднее время безотказной работы резервной системы:

- для ненагруженного резерва

- для нагруженного резерва

- для облегченного резерва

С помощью формул (3.107), (3.107а), (3.110), (3.111), (3.112) и (3.113) можно количественно оценить эффективность работы лав с двумя комбайнами.

Значительно сложнее обстоит вопрос оценки надежности резервирования на уровне «шахта» или «шахтопласт». В этом случае возможно создание запасных очистных забоев, находящихся в одном из состояний,— нагруженном, ненагруженном и облегченном. Наиболее общим случаем резервирования можно считать наличие облегченного резерва.

Необходимость резервирования очистных забоев в значительной степени определяется сложностью горно-геологических условий разработки угольных пластов. Так, в условиях шахт Новых районов (Чурубай-Нуринского и Тентекского) Карагандинского бассейна неосвоение проектных мощностей происходит из-за недостаточной линии очистных забоев вследствие частых выбываний лав при встрече геологических нарушений. Отсутствие запасных очистных забоев приводит к значительной недогрузке и недоиспользованию мощностей основных технологических звеньев и, следовательно, основного шахтного фонда.

Применительно к разработке пластов со сложными горногеологическими условиями при возможных случайных выбываниях лав (например, из-за встречи непереходимых геологических нарушений) целесообразен способ резервирования с облегченным резервом.

Как один из частных случаев на схеме 3 можно рассмотреть методы облегченного резервирования:

а) число ремонтных устройств rустр не превышает числа облегченных резервных лав m; б) число ремонтных устройств не превышает общего числа лав как резервных m, так и основных n. В предположении, что время безотказной работы и время восстановления как действующей, так и резервной лавы имеет показательное распределение, а процессы появления отказов и восстановлений — стационарные, предлагается следующий метод оценки характеристик надежности резервной системы (с использованием известной в теории вероятностей схемы «гибели» и «размножения»).

В случае, когда число ремонтных устройств r не превышает числа резервных лав m (см. схему 3), процессы отказов и восстановлений в резервной системе могут быть описаны следующим образом.

Предположим, что в ремонтное устройство поступают отказы с интенсивностью Л от основных лав и Л1 — от резервных. Восстановленные лавы из ремонтных устройств при интенсивности каждого из них u попадают в группу резервных или основных действующих. В том случае, когда общее число лав равно или меньше числа n, система работает без резерва. В случае, когда общее число лав более n, число основных действующих лав составляет ровно n.

Вероятность состояния отсутствия в работе лав (в ремонте m лав) за произвольно рассматриваемый промежуток времени от t до (t+At) (где At — элементарный промежуток времени) можно описать уравнением

где Р10(t) — вероятность того, что в системе в момент t в работе одна лава, в резерве 0 лав;

u — интенсивность восстановления каждой лавы одним ремонтным устройством;

р00(t) — вероятность того, что система в отказовом состоянии.

С учетом того, что

уравнение можно записать в виде

Поделив обе части на Аt и устремив Аt к нулю, получим для отказового состояния системы дифференциально-разностное уравнение вида

Аналогичным путем можно получить дифференциальноразностные уравнения относительно вероятностей всех возможных других состояний резервной системы

В результате система дифференциально-разностных уравнений вероятностей всех возможных состояний может быть представлена в следующем виде:

где Р10(t), Р20(t), ..., Рn0(t), ..., Рnm(t) — вероятности состояний рассматриваемой системы 10, 20.. no, .., nm в момент t.

К данной системе уравнений дополнительно может быть записано нормировочное условие, определяющее сумму вероятностей всех возможных состояний как достоверность, в следующем виде:

Так как процесс отказов и восстановлений стационарный, то уравнения (3.114) можно приравнять нулю (при этом время при соответствующих вероятностях можно опустить, так как по условию стационарности эти вероятности не претерпевают временных изменений):

Нормировочное условие

Можно привести алгебраические преобразования по определению Р10, Р20, P30, ..., Рn0.

Сначала определим из первого уравнения системы (3.116) значения вероятности

Значение Р20 из второго уравнения системы (3.116) с учетом (3.117а) есть

Для определения вероятности Рn-1 воспользуемся уравнением

Подставив в него соответствующие значения вероятностей Рn0 и Р(n-1)0 и произведя соответствующие преобразования, его можно представить в виде

Из этого уравнения значение Рn1 есть:

Произведя аналогичные преобразования, можно представить соответствующие значения вероятностей Рn2, Рn3, Pn(m—1), Рnm в следующем виде:

На основании полученных уравнений могут быть установлены формулы вероятностей Рj0 и Рni, определяющие соответственно состояние «j действующих лав — нуль резервных лав» и «n действующих лав — i резервных лав». Эти вероятности на основании рекуррентных записей полученных систем уравнений есть

С учетом нормировочного условия (3.117) из уравнений (3.119) значение вероятности Р00

Окончательно значения вероятностей Pj0 и Pni будут

Зная вероятности Рj0 и Рni любых состояний системы, нетрудно определить характеристики надежности резервированной системы.

Вероятность того, что система будет работать с числом лав не менее n, есть

Среднедействующее число очистных забоев по шахте (с учетом облегченного резерва)

Надежность резервной системы в случае, когда число ремонтных устройств не превышает общего числа (m+n) лав как резервных, так и основных, может быть установлена аналогичным способом. В этом случае, рассуждая аналогичным образом, можно составить такую же систему дифференциально-разностных уравнений. Уравнение вероятностей состояний Pn1(t), Рn2(t), ..., Рnm(1) в обоих случаях не отличается. И поэтому имеет смысл рассматривать систему дифференциально-разностных уравнений для вероятностей Р00(t), P10(t), P20(t), ..., Рn0(t).

Эта система с учетом условия стационарности уравнений имеет вид

Соответствующие преобразования системы уравнений (3.125) с учетом уравнений вероятностей Рn1, Рn2, ..., Рnm из системы (3.118) дадут следующие значения искомых вероятностей для резервной системы с числом ремонтных устройств, не превышающим (m+n):

Вероятность Р00 из системы уравнений (3.126) с учетом нормировочного условия (3.117)

Вероятность состояния системы, при которой число лав не менее n, есть

Применение предлагаемого способа оценки надежности резервирования может быть проиллюстрировано на следующих примерах.

На шахте имеется всего 6 лав. Из них n=4 основных и m=2 резервных. Предполагается, что резервные лавы в облегченном режиме и добыча с этих лав незначительны, хотя они могут оказаться в состоянии неисправности.

Лавы разрабатывают пласты с геологическими нарушениями. Отказом лавы или состоянием ее аварийной ситуации является встреча непереходимых геологических нарушений. Интенсивность отказа каждой лавы из числа основных Л=0,5 отказов в год, а из числа резервных Л1=0,1 отказов в год. Интенсивность восстановления каждой лавы одной специальной бригадой ремонтников u=1,5 лавы в год.

Определить характеристики надежности резервной системы при числе ремонтных бригад не более тине более (m+n).

В первом случае

Вероятность того, что шахта будет работать с числом общих действующих забоев не менее четырех, есть

Среднедействующее число всех очистных забоев по шахте

Вероятность того, что шахта будет работать с числом общих действующих забоев не менее чем 4, есть

Среднедействующее число всех очистных забоев по шахте:

Как и ожидалось, при втором способе резервирования надежность выше, так как число ремонтных устройств на n больше, чем при первом способе.

Распространенным способом повышения надежности технологических схем на угольных шахтах является устройство аккумулирующих емкостей. Имеются различные виды аккумулирующих емкостей в транспортно-технологической цепочке — специально оборудованные бункер-поезда, передвижные конвейерные или колесные бункерные емкости, бункер-гезенки, бункерные ямы у пунктов разгрузки и т. д.

Устройство бункер-гезенков возможно в различных стыках транспортно-технологической цепочки — на сопряжении полевого откаточного штрека с конвейерными бремсбергами, горизонтальными участковыми конвейерными выработками, на сопряжении полевых участковых конвейерных бремсбергов с конвейерными промежуточными штреками и т. д. Местоположение бункера определяет в какой-то мере эффект от повышения надежности — установление бункеров ближе к лаве эффективнее, чем при удалении их от лавы. И поэтому эффективность применения участковых бункер-гезенков В технических схемах угольных шахт очевидна — при этом значительно повышается техно логическая надежность работы лав.

Аккумулирующие емкости улучшают работоспособность транспортно-технологической цепочки, нейтрализуя отказы технологических элементов, расположенных за бункер-гезенком по направлению грузопотока.

Предлагается следующий способ оценки влияния аккумулирующей емкости на надежность технологической схемы в целом. Если рассматривать, например, технологическую цепь лавы нижнего подэтажа при этажной подготовке с разделением на подэтажи, то бункер, расположенный между звеньями «конвейерный просек» и «погрузочный пункт», способен сократить или полностью устранить перерывы в работе лавы из-за отказов элементов погрузочного пункта, звена «откаточного штрека» и «капитальный бремсберг». Если же бункер-гезенк отсутствует, то простои звеньев «погрузочный пункт» и «откаточный штрек» по величине равны перерывам в работе лавы из-за отказов по различным причинам этих же звеньев. Условно можно разделить технологическую цепь, состоящую из последовательно соединенных элементов, на две части — I-ю цепь, расположенную за бункером по направлению грузопотока, и J-ю цепь, на которую бункер не оказывает влияния.

В процессе загрузки бункера полагаем, что вероятность того, что бункер не опорожнится за время между двумя последующими отказами элемента I-й цепи, очень мала, время загрузки бункера распределено по показательному закону, время устранения отказа элемента I-й цепи также распределено до показательному закону.

Среднее время заполнения бункера рассчитывается по формуле

где Vб — емкость бункера;

КМj — коэффициент машинного времени средств выемки лавы при условии отсутствия простоев 7-й цепи;

Qт — средняя техническая производительность комбайна.

Величина КМj при последовательном соединении элементов j-й цепи, выраженная через показатели надежности входящих в эту цепь элементов, будет

где Кнj — коэффициент неисправности j-го элемента;

m — число элементов j-й цепи.

Время каждого перерыва очистного забоя из-за отказа элемента I-й цепи с учетом влияния бункера равно

Среднее время перерыва в работе лавы из-за отказа элемента I-й цели с учетом влияния бункера, согласно (3.131), при условии, что tб и ti известны, будет

где f(x) — плотность вероятностей величины tб.

Поскольку в выражении (3. 131) tб не случайна, то плотность вероятностей величины tб можно выразить через б-функцию:

С учетом функции (3.132) значение ti, ti', tб

Средняя длительность перерыва в работе очистного забоя из-за отказа элемента забункерной цепочки при наличии аккумулирующей емкости будет (промежуточные выкладки опускаем)

Так как среднее время заполнения бункера tб определяется формулой (3.129), то среднее время

Предложенный способ оценки технологической надежности работы очистного забоя можно проиллюстрировать на следующем примере.

Имеется лава верхнего подэтажа при этажной подготовке шахтного поля с делением на два подэтажа. На сопряжении участкового конвейерного бремсберга с полевым откаточным штреком оборудован бункер-гезенк емкостью 50 т. Надежность добункерной цепи как коэффициент готовности транспортно-технологической цепочки от лавы до бункера равна 0,35. Средняя техническая производительность средств выемки в лаве Qт = 4 т/мин. Средняя длительность восстановления отказа элемента забункерной цепочки равна 30 мин. Определить среднюю длительность перерыва в работе лавы из-за отказа элемента забункерной цепочки с учетом влияния аккумулирующей емкости.

По формуле (3.133) значение

Таким образом, применение аккумулирующей емкости в данном примере позволит сократить простои по общешахтным причинам на 60 %.