автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Оптимизация угольных комплексов на поверхности шахт

£5р' Г р'ч Т-

Л1ИНИСТЕРСТВО ИЛУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ 11 ТЕХНИЧЕСКОЙ

политики российской федерации комитет по высшей школе КУЗБАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МУШОВЕЦ Евгений Артемьевич

УДК 622.014.5

ОПТИМИЗАЦИЯ УГОЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ШАХТ

Специальность 05.1502 — «Подземная разработка

месторождений полезных ископаемых»

Автореферат

диссертации на соискание ученой ст'епени кандидата технических наук

Кемерово 1992

Работа выполнена в государственном институте по проектированию шахт и^разрезов «Кузбассгипрошахт».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Егоров П. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,, '

Ялевский В. Д. кандидат технических наук, ст. и. с. Белоногов И. П.

Ведущее предприятие: концерн „Северокузбассуголь"

Защита диссертации состоится 15 июня 1992 г. в 14 часов на заседании специализированного совета Д 063.70.01 при Кузбасском политехническом институте (650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 15 мая 1992 г.

Ученый секретарь ' %

специализированного совета, доктор технических наук,

профессор Б. А. АЛЕКСАНДРОВ

| ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

и ; ;

•"'—""'--'Актуальность работы. В новых экономических условиях основной оазой для добычи твердого топлива в Российской Федерации становится Кузнецкий угольный иассейн, имеющий значительный дефицит трудовых ресурсов, слаборазвитую инфраструктуру и строительную оазу.

Энергетической программой России предусматривается значительно повысить эффектппость инвестиционного процесса в Кузнецком' бассейне, сократить его продолжительность почти вдвое, создать экономическую заинтересованность всех участников инвестиционного процесса в ооьспечении ввода в действие производ- • ственных мощностей в нормативные сроки, снижении их стоимости, материалоемкости и трудоемкости.

Главное внимание при решении этих задач уделяется совершенствованию технологических процессов, непосредственно связанных с добычей угля- Однако большое значение имеет и повышение эффективности технических решений, принимаемых по комплексу на поверхности, чак как доля затрат по нему в общих затратах на добычу угля достигает 20* ЗС%.

Большинство угольных комплексов на поверхности шахт в Кузнецком бассейне характеризуется большими капитальными затратами, высокими эксплуатационными расходами и длительными сроками строительства. Технологические схемы угольных комплексов не соответствуют работе вахт в новых экономических условиях, так как основные их параметры определены на основе случайных колебаний среднесуточной добычи и отгрузки угля потреОитьлям, без учета экономических факторов.

Несмотря на возросшие требования по охране окружающей среды, в иассуйне сохраняется тенденция к преимущественному строительству углеоклпдских сооружений открытого типа, в результате приземные концентрации угольной пыли в зонах промплощадок шахт значительно превышают допустимые величины, что еще больше ухудшает напряженную экологическую обстановку в регионе.

Поэтому исследование, направленные на оптимизацию угольных комплексов на поверхности шахт, являются актуальными и практически важными.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с отрас- ■ левой научно-технической программой и планом работ института "Кузбассгипрошахт" по унификации и разработке новых прогрессивных технологических схем, обьёмно-планировочных и конструктив?-"« решений зданий и сооружений предприятий угольной промышленности на 1963-1991 годы.

■ Целью работы является разработка методов выбора оптимальных параметров и технологических схем угольных комплексов, обеспечивающих эффективную работу угольных предприятий в новых экономических условиях и г.озволяющих .значительно уменьшить обьём капитальных затрат, эксплуатационных расходов и сроки строительства.

Идея работы заключается в определении основных параметров угольных комплексов методами теории массового обслуживания, и теории управления запасами, на основе вероятностного характера спроса на уголь.

Методы исследований: ■••.'.

- анализ и научное обобщение отечественного и зарубежно-, го опыта проектирования угольных комплексов на поверхности шахт;

- шаг^ные.наблюдения и прикладные.методы математической статистики для установления закономерностей поступления порожних полувагонов на угольные комплексы; .

исследование операций на углепогрузочном комплексе с помощью'методов теории массового обслуживания;

- исследование операций в углескладском сооружении с помощью методов теории управления запасами;

- технико-экономический анализ технологических схем угольных Комплексов. ' , . . _ .

Научные положения, разработанные лично соискателем, . к, нрризн»;

- .реальные углепогрузочные комплексы адекватно представляет модель массового обслуживания , в которой; распределение моментов поступления групп полувагонов под погрузку соответствует закону Пуассоне, распределение продолисительностей ' ■ обслуживания полувагонов подчиняется логарифмически - нормаль- , ному закону, выполняется условие стационарности, если рассматривать систему в сравнительно ограниченные промежутки времени;

- разработан метод определения оптимальной величины производительности комплекса погрузки угля, учитывающий вероятностный характер поступления порожних полувагонов на угольный комплекс;

- разработан метод определения оптимального количества обслуживающих приборов в комплексе погрузки угля, базирующийся на минимизации стоимостного показателя его работы;

- разработан метод определения- оптимальной величины вместимости углескладских сооружений, учитывающий вероятностный хар;. -тер спроса на уголь и заключающийся в создании постоянного резервного запаса угля на всем горизонте планирования работы угольного-предприятия;

- установлен типоразмеркый ряд технологических схем угольных комплексов и определены критерии их оценки, учитывающие влияние горно-геологических и природно-климатических факторов;

- установлено,- что по всем основным критериям: капитальным затратам на строительство, строительному объему зданий и' -сооружений, коэффициенту застройки промплощедки, массе технологического оборудования,- количеству обслуживающего персонала, площади территории отчуждаемой под строительство, наиболее эффективны угольные комплгл-ы с высотной компоновкой технологического оборудования, обладающие максимальной степенью блокирования сооружений;. ,, , .....

■ - разработана технологическая схема напольного склада угля с Байтовым покрытием, позволяющая в короткие сроки возводить легкие.и эффективные укрытия открытых складов угля. - ' Обоснованность и достоверность научных положений, выводеп , и рекомендаций подуверкдается:

••-•'-.согласованием (в 80^ случаев) результатов теоретических исследований с экспериментальными данными по характеру потока порожни:''-полувагонов, поступающих' на угольные комплексы; ; • ""■'.- подтверждением полученной закономерности поступления порожних полувагонов на угольный, комплексы экспериментальными •'исследованиями':в Донецком и Карагандинском бассейнах, проведенными 'институтами "УкрНШлроеки" и "Нарагйндагипрошахт".

Научное значение работы состоит установлении закономерностей, измененк оптимальных параметров и разработке эффективных нетрадиционных технологических схем угольных комплексов.

■Практическое значение работы заключается в разработке :и внедрбнии методик определении основных аарамьтров угольных ' комплексов и наиболее оптимальных технологических их ем.

Реализация работы. Методика определения оптимальных

■ параметров угольных кохотлексов использована при выполнении 'технико-экономических расчетов строительства участков по вскрытию пл. :тов Кыргайсхих 37, 38, 43, 44, 47 и 40 Ерунаковского угольного района для научно-производственной корпорации "Уголь".

Технологически схема угольного комплекса с выполнением' технологических операций по приему и предварительной обработке угля в надшахтном здании наклонного конвейерного ствола использована в проекте строительства участка "Казанковский" для под-дер?кания мощности шахты им.Орджоникидзе концерна "Кузнецк-' уголь".

лестная схема угольного комплекса, характеризующаяся максимальной степенью блокирования сооружений впервые исполь- ' эована в Кузнецком бассейне в проекте строительства угольной, шахты "Анжерская-Южная" концерна "Северокузбассуголь". ;

Новая технологическая схема напольного склада угля с ван-товым покрытием, исполь.эована в проекте улучшения проветривания с подготовкой запасов по пласту Владимировскому шахты : км.Волкова концерна "Северонуэ^ссуголь".

Апроб иия работы, основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических советах проектно- .

■ научных объединений "Воотокуглепроект" (Кемерово,.1989-1991 г), "Западуглепроект" (Днепропетровск, 1909-1990), на семинарах отдела технологических комплексов поверхности шахт института "УкрНЩпроект" (Киев, 1986-1990). ' • ' '

Пувликания работы. По результатам выполненных б диссертации исследований опубликовано 4 печатных работы.

Структ\ .а и объем работы; Диссертация состоит.из "введения, 5 глав, заключения и содержит ИЗ страниц машинописного текста, 31 рисунок, I? таблиц, список литературы из 4Ь наиме-ноегний, И приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ •

Эффективность капитальных вложений в строительство угольных предприятий' во многом определяется совершенством технологических схем, объемно-планировочных и конструктивных решений угольных комплексов на поверхности.

Над решением этой проблемы в отрасли успешно работает ряд научно-исследовательских и проектных институтов: УкрНИИ-проект, Центрогипрошахт, Гипроуглеавтоматизация, ДонУГИ, Дон-гипрсшахт, Днепроггазрошахт, Гипрошахт и Сиогипроаахт..

Значительный вклад в совершенствование угольных комплексов внесли советские ученые: Фролов А.Г., Волков D.H., Прядка H.A., Кодык Г.Т., ПржегодскиЯ П.П., Мяенко A.B.

Однако, несмотря на большой оСъем исс. здований, выполненных по совершенствованию отдельных сооружений угольного комплекса, до настоящего времени в работах по экономико-математическому 1. делированио угольных комплексов рассмотрена лишь структуре и основные компоненчи моделей, не позволяющие использовать- их для практического применения, ввиду отсутствия конкретных математических зависимостей, адекватно представляющих реальны«' угольные комплексы.

В результате, существующий методики определения оптимальных параметров угольных комплексов построили без учета закономерностей их изменения, от спроса на уголь.

Не исследованы фак-оры, определяющие технологическую схиму всего угольного комплекса, не разработан типоразмерный ряд технологических схем угольных комплексов и научно-обоснованные рекомендации по их выбору, что отрицательно сказывается при проектировании на эффективности принимаемых технических решений.

садачи исследований:

- установить закономерности поступления порожних полувагонов на угольные комплексы шахт;

- на основе исследования полученной закономерности и эко-номико-мптематического моделирования раооты углепогрузочного комплекса разработать мьтоды определения оптимальных параметров комплекса погрузки;

- разработать метод определения оптимальной величины вмес-

тимооти углескладоких сооружений, учитывающий вероятностный характер спроса на уголь;

- установить типорагмерный ряд технологических схем "угольных комплексов, определить критерии их сценки и дать

рекомендации-по их выбору;

- разработать способ борьбы с пылеобразованием и потерями угля на открытых складах, позволяющий снизить расчетные приземные концентрации угольной шли в зонах промплощадок шахт

до допустимых пределов.

При исследовании угольный комплекс рассматривался в вцае определенной функционирующей структуры, в которую поступают на обслуживание два ^ходящих поток требований: I) поток Подач порожних полувагонов; 2) поток угля от'ствола шахты.

' Учитывая, что на большинстве угольных комплексов оба потока требований не пересекаются, так как уголь в железнодорок-. ные полувагоны поступает после предварительного аккумулирования в углескладских сооружениях, экономико-математическая модель угольного комплекса била представлена в виде двух независимых моделей: углепогрузочного комплекса и углескладского сооружения.

Иссл дования потоков полувагонов, поступающих на уголь- , кые комплексы, проводились на примере'шахт концерна "Кузнецк-уголь" и концерна "Северокузбассуголь".

Анализ результатов исследования показал, что наиболее адекватно представляющей реальные углепогрузочные комплексы моделью массового обслуживания, является модель , в ко-

торой: . •

- входной поток характеризует ся пуассоновск'им Распределением интервалов времени между последовательными поступлениями требований;

-распределение продолкительностей обслуживания требоваг ний подчиняется логарифмически-нормальному закону;

-' выполняется условие стационарности, если рассматривать систему в сравнительно ограниченные промежутки времени;

- параллельно может обслукиваться С групп требований.

Вместе с тем известно, что при анализе моделей /7/£т/с,

когда распределение вероятностей продолжительности обслуживаемо :р.£ -шяетея ^экспоненциальным, возникают серьезные труд-

кости. Многочисленные попытки дать аналитические решения для таких моделей к каким-либо значительным результатам не привели.

Поэтому, с целью использования стандартной модели М/Ц/1 для математического описания работы углепогрузочных комплексов, при исследовании были приняты следующие упродения: распределение Пуассона принято для аппроксимации длительностей обслуживания полувагонов, а использование нескольких обслут вающих приборов считалось эквивалентным функционированию одного обслу- • живающего прибора с соответствующим сыстродействием. Проверка гибкости модели M/M/I при использовании ее для аппроксимации модели П/Qh показала, что ошибка не превышает 14%.

Для нахождения оптимального режима функционирования принятой модели, разработаны методики определения основных параметров комплекса погрузки угля таких, как производительность и количество обслуживающих приборов.

оптимальное значение производительности комплекса погрузки угля определялось на основе минимизации стоимостного пока-, • зателя. его работы, величина которого равна

TC(/t)=Ci/f + Сг Ls , (1>

где : Cj- выраженный в стоимостной форме выигрыш sa счет увеличения скорости обслуживания на одну подачу полувагонов в сутки; ' Cg - экономические потери, вызванные ожиданием в очереди на углепогрузочном комплексе одной подачи полувагонов в течение одного часа; уИ - скорость обслуживания полувагонов на углепогрузоч-. ном комплексе;

¿S- среднее число находящихся в системе требований. В результате получено следующее выражение ¿ля определения часовой производительности углепогрузочного комплекса

где; Р- грузоподъемность одной подачи полувагонов; • _Д.~ средняя интенсивность потока подач полувагонов.

При проек1-ирс~1Шии углепогрузочных комплексов значение

часовой производительности 0 принимается из дискретного ряда величин, в котором максимальная величина ограничена техническими возможностями существующих и создаваемых средств погрузки.

В связи с этим комплекс погрузки мощных угледобывающих

преду,риятий представляет, как правило, мульч;«канальную модель

кассового обслуживания (рис.1).

о&лижи^еющбя систем\ •гптогрнзчный катя.ш)

¡угптогрмзчный

Лсток пастхпмщих на сЛ/нжимнм

(порожних поли8агонс$]

о о о о о 1

о о о о г

•

• - • •

о о о о о с -

......

¿лок с/кп^жи1ания

О ©!*-",

©

ЬнГыВамщие из системы е/шменнщ > треМония ( -гуменные попеты)

о о

Ь

Рис I.•Мультиканальная модель углепогрузочного- комплекса Стоимостная модель такого комплекса должна удовлетворять треоованию оптимального количества .оослуадваших приооров, (узлов погрузки), а инте- сальный стоимостной показатель модели, отнесенный к единице времени, задается формулой-,

ТШ + С2Ц(с),

где:

(35 ; .

количество обслуживающих приборов в комплексе погрузки; ' ' ,

63~ затраты в единицу времени'на обеспечение функциони-- рования одито дополнительного прибора: (узла погрузки) . • Так как величина С дискретна, то дифференцировать уравнение (3) по С нельзя и функция дискретной переменной ■ достигает минимума при следующих условиях:

ТС(с-1}*ТС(с), ТС(сн)>ТС(с)гщ

откуда вытекает: что

Ыс) -1_*(С-н)4Сз/Сг* Ыс~/) -Ц(с). <ь)

В неравенстве (Ь) величина Сз/Сг указывает зону, откуда следует начать поиск оптимального значения количества обслуживающих приооров в комплексе псгруэки угля С .

Разработанное стоимостные модели (Г,3) позволяют определить оптимальный уровень функционирования комплекса погрузки, -. при котором достигается определенный "компромисс" между.двумя экономическими показателями его работы:

- прибылью, получйемой за счьт отгрузки угля потреоителям;

- потерями прибыли, обусловленными задержкой полувагонов на погрузочном комплексе (штрафные санкции за простой полувагонов, потеря возможных потребителей угля).

.Анализ динамики накопления угля в углескладских сооружениях шахт показал, что задачу управления 'запасом угля на поверхности угольного предприятия можно решить с помощью методов теории управления запасами.

Учитывая, что спрос на уголь имеет вероятностный характер, модель"углескладских сооружений можно отнести к однопродукто-шм динамическим моделям с непрерывным контролем уровня запаса.

Суммарные годовые затраты в этой модели равны

; + ЬН , (б)

где: \fcx-- вместимость углескладского сооружения;

- удельные капитальные затраты;

- удельные потери от дефицита;

5 - ожидаемый средний размер дефицита;

Н - удельные затраты на хранение;

. И -ожидаемый средний уровень запаса угля на складе.

Ожидаемый годовой размер дефицита'определи- 'ся из выражения: _ г _

Б = (?)

где: плотность вероятности спроса на уголь.

Ввиду значительных трудностей, возникающих при еычисл - ■ нии значений 5 и Н , для определится оптимальной величины вместимости углесю" дских сооружений оыл использован приближенный метод. Идея метода заключается в создании постоянного

резервного запаса угля на всем горизонте планирования работы угольного предприятия.

Размер резервного запаса О определялся из условия, чтобы вероятность истощения его в течение суток'не превышала наперед заданной величины с(. , то есть .

Р{Х>В +РЛ} • (8)

Решая неравенство (8) при (X = 0 и учитывая, 'что ежедневный спрос н;, уголь можно аппроксимировать нормальным, распределением, получено выражение для определения вместимости угле-складских сооружений

Ма.-АЗГ&.+З-О+РЛ, (5>

где: ~ среднее квадратическое отклонение суточной отгрузки;

^ - среднее кгедратическое отклонение суточной добычи.

В отличи*- от известных методик определения вместимости, полученный метод, кроме неравномерности технологических процессов добычи и отрузки угля, учитывает вероятностный характер спроса на уголь, что позволяет создавать .на поверхности шахты дополнительные запасы угля для его оперативного удовлвт-ворения.

Для ; 1мплексной оцьнки технологических схем угольных комплексов предложено использовать показатель степени блоки- . рования отдельных сооружений угольного комплекса, определяемый из выражения

со, .

где: общее количество технологических операций, вы-

полняемых на угольном комплексе;

¿Ь- -лчкеимальное количество технологических операций, выполняемых в одном соорукении; / - количество сооружений угольного комплекса, где выполняется более одной технологической операции.

Чо этому признаку все множество технологических схем угольных комплексов разделяется на И групп, в которых величина показателя Л<Г изменяется от 0 до I.

В качестве основных критериев оценки технологических схем угольных комплексов предложено использовать следующие дискретные величины; капитальные затраты на строительство; строительный объем зданий и сооружений; коэффициент застройки промпло-щадки; массу технологического оборудования; количество обслуживающего персонала; пло,,адь территории отчуждаемой под строительство; величину запасов угля, законсервированных в охранных целиках под зданиями и сооружениями.

Многокритериальный анализ полученных групп показал, что экономическая эффективность технологических схем угольных коип-лексов, как правило, возрастает с повышении; степени блокирования сооружений.

По всем основным критериям наиоолее э$фектиены угольные комплексы с высотной компоновкой технологического оборудования, обладающие максимальной степенью блокирования сооружений.

Использование высотной схемы угольного комплекса в проекте строительства шахт" "Ашер ская-Ьюная" концерна "Северо-кузбассуголь" (рис.2) позволило уменьшить объем капитальных . затрат на сушу 365 ты с-руб.

На основе анализа и научного обобщения отечественного и зарубежного опыта складирования угля, в работе предложен новый 'спосоо борьбы с пыл;?образованием и потерями угля на открытых складах. Идея способа заключается в укрытии складируемого штабеля угля специальным вантовым покрытием и ограждении его по периметру мобильными аэродинамическими экранами (рис.3). Сохраняя существующую технологическую схему загрузки и разгрузки открытых складов угля, за счет значительного уменыв:> ния капитальных затрат и трудоемкости строительства новая технологическая схема напольного склада угля позволяет в короткие сроки возводить легкие и эффективные укрытия угольных складов, которые обеспечат снижение расчетных приземных концентраций угольной пыли в зонах прошлой едок шахт до допустимых пределов.

Рис. 2. Угольный комплекс на поверхности шахты "Анжерская-К-кная"

Рис. 3. Технологическая схема напольного склада угля с Байтовым покрытием

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи раэраоотки методов гыоора оптимальных технологически параметров и схем угольных комплексов на поверхности, -позволяющее обеспечить эффективную работу угольных предприятий в новых экономических условиях.

Основные научные и практические результаты работы заклю- -чаются в еле;.,таем; ..'■".■•;■.•

1. Установлено, что реальные углепогрузочные комплексы' . адекватно представляет модель массового обслуживания Л?/Сг/с

в которой: распределение моментов поступления групп требований на обслуживание соответствует закону Пуассона, распределение продолжительностей.обслуживания требований подчиняется логарифмически - нормальному закону, выполняется'условие стационарности, ее.,и рассматривать систему в сравнительно ограни« нньш промежутки времени. ,. ■ .'.'-'■•' '■'.'•.

2. На основании исследований модели разработан ■ метод определения оптимальной величины' производительности комплекса погрузки угля, .базирующийся на теории массового обслуживания и учитывающий вероятностный характер поступления порожних полувагонов на угольный комплекс.:В установленной зависимости,, производительность комплекса погрузки .определяется-интенсивностью поток?. подач полуваонов и их грузоподъемностью. ' -•,'-

3. Разработан метод определения оптимального количества' обслуживающих приборов в комплексе погрузки угля,.базирующий- ' ся на минимизации стоимостного показателя его работы.- В установленной зависимости, количество- обслуживающих приборов в , . комплексе погрузки угля определяется на,основа оптимального ' соотношения капитальных и эксплуатационных затрат, что позволяет получить наиболее эффективный уровень функционирования комплекса погрузки..

4. Полусна однопродуктовая динамическая модель углесклад-ских сооружений с непрерывным контролем уровня запаса. Разработан метод определения оптимальной.величины вместимости угле-скла^.ских сооружений, учитывающий вероятностный характер спроса на уголь и заключающийся в создании постоянного резервного; запаса угля на всем горизонте планирования работы;угольного "предприятия. , '..'.-.'

Остановлен типоразмерный ряд технологических схем угольных комплексов и даны рекомендации по их выбору, позволяющие выбор рационального варианта технологической схемы решать, как многокритериальную задачу принятия решений.

6. Установлено, что по воем основным критериям наиболее эффективны угольные комплексы с высотной хоыпоновкой тьхноло-гического оборудования, ооладащие максимальной степенью оло-,кирования сооружений.

7. Разработана, нова,. технологическая схема напольного склада угля и вантовым покрытием, позволяющая в короткие сроки возводить легкие и эффективные укрытия открытых складов угля, обеспечивающих снижение расчетных приземных концентраций угольной пыли в зеках промплоцадок шахт до допустимых приделов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

I. Корнеев В.П. , Мушовец Е.А. Оптимизация'проектных пропорций производительности основных технологических звеньев шахты/УШахтное строительство, 1985,- Jf 3. - C.II-I2.

¡¿.Мушовец EiA. Оптимальная схема технологического комплекса на поверхности угольной шахты//Шахтное строительство, . 1967. - » 2. - С.5-7. :

3. Мушовец Е.А. Укрытие открытых складов угля легкими вангодами покрытиями/1'Шахтное строительство, 1990. - F 12, - С.20-21.

4-.'Мушовец Е.А. Зкономико-математическая модель комплекса погрузки угля в железнодорожные полувагоны/'Совершенствование подземной разработки месторождений: сб.научн.тр. Кузбас. политех.ин-т,- Кемерово, 1990. - С.231-136.

С