автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Разработка метода оптимизации качества добываемых углей при работе разреза в комплексе с обогатительной фабрикой

р г 6 о а п^авах рукописи

Третьяков Сергей Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПТИМИЗАЦИИ КАЧЕСТВА ДОБЫВАЕМЫХ УГЛЕЙ ПРИ РАБОТЕ РАЗРЕЗА В КОМПЛЕКСЕ С ОБОГАТИТЕЛЬНОЙ ФАБРИКОЙ

Специальность 05.15.03 - Открытая разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 1997

Работа выполнена в Институте горного дела Сибирского отделения Российской Академии Наук

Научный руководитель: доктор технических наук

Фрейдина Елизавета Васильевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Кортелев Олег Борисович

кандидат технических наук Протасов Сергей Иванович

Ведущая организация: Институт "Сибгипрошахт"

Защита диссертации состоится 20 июня 1997г. в 13 часов на заседании диссертационного совета ДООЗ.17.03 в Институте горного дела СО РАН (630091, г.Новосибирск, Красный проспект, 54).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела СО РАН.

Автореферат разослан 18 мая 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

А.И.Федулов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В стратегии развития угольной промышленности намечается изменить существующий подход к освоению угольных ресурсов созданием при разработке новых месторождений угледобывающих комплексов, содержащих производство по переработке углей, в основном, обогащение. Важной особенностью работы разреза совместно с обогатительной фабрикой является то, что подготовка углей к обогащению полностью возлагается на добычные работы. В связи с этим усложняется и переходит на новый информационный уровень геолого-технологическое картирование, в задачу которого должна входить оценка запасов углей не только по свойствам спекаемости, что является традиционным при эксплуатации угольных месторождений, но и по свойствам обогатимости. '

Характерной особенностью месторождений коксующихся углей является слабая зависимость между показателями свойств обогатимости и спекаемости, в связи'с чем максимизация выхода концентрата углей не всегда означает повышение его технологической ценности. Поэтому оптимизация качества добываемых углей на разрезах должна основываться на методах разработки календарных планов, реализующих многоцелевой подход к управлению качеством и позволяющих дать оценку эффективности ведения добычных работ по технологической ценности и выходу конечной товарной продукции.

До ввода в эксплуатацию Южно-Якутского угледобывающего комплекса, в силу существующей разобщенности добывающих и перерабатывающих производств, задачи оптимизации использования угольных ресурсов решались автономно без увязки качества угля в балансовых запасах с выходом и ценностью товарной продукцией. В связи с изложенным разработка метода оптимизации качества добываемых коксующихся углей при работе разреза в комплексе с обогатительной фабрикой является актуальной научной задачей.

Цель работы: разработка метода оптимизации управления качеством, добываемых коксующихся углей при работе разреза в комплексе с обогатительной фабрикой, направленного на повышение эффективности использования запасов месторождения.

Идея работы: принятие решений по управлению качеством добываемых углей производить на основе анализа результатов обогащения и полученной ценности товарных углей, определяемых математическим моделированием технологий добычных работ и обогащения как единой интегрированной динамической системы.

Методы исследований. В работе использованы методы математической статистики и гейстатистики, линейного и целочисленного программирования, метод случайного поиска, математическое моделирование, технико-экономический анализ.

Научные положения, вьшосимьге на защиту:

1. Оптимизация качества добываемых углей при работе угольного разреза в комплексе с обогатительной фабрикой достигается разработкой на.стадиях проектирования и планирования вариантов календарных планов добычных работ, различающихся целями управления отработкой запасов, с оценкой их по выходу и технологической ценности товарного угля.

2. Управление качеством добываемых углей достигается разделением балансовых запасов на однородные по свойствам спекаемости и свойствам обогатимости зоны с использованием для оценки последнего свойства величины выхода концентрата, получаемого для заданных уровней зольности товарной продукции.

3. Разработка вариантов календарных планов ведения добычных работ с оптимизацией качества добываемых углей достигается математическим моделированием функционирования технологической цепи "добычные работы - обогащение" как интегрированной динамической системы, с учетом текущего состояния оборудования и подготовленных к отработке запасов углей.

4. Поддержание устойчивой работы технологической цепи "добычные работы - обогащение" достигается применением компьютерного оперативного планирования добычных работ, основанного на принципе идентификации работы разреза и обогатительной фабрики как системы с обратной связью, возникающей в результате расхождений между фактическими и плановыми значениями объемов подачи углей на обогащение, выхода и качества концентрата.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается установленными особенностями формирования качества добываемых углей на основе изучения и обработки большого объема геологической информации: использованием математических моделей с ^достаточно полным учетом закономерностей и условий функционирования технологических систем добычных работ, анализом результатов многократного моделирования вариантов с использованием моделей, реализующих для сравнения традиционные способы управления горными работами при последовательном усложнении критериев оптимальности (целей управления) и применением метода пошаговой оптимизации,

широкой апробацией результатов расчетов календарных планов на стадии проектирования, текущего и оперативного планирования.

Научная новизна исследований:

- предложен метод разделения балансовых запасов углей на однородные зоны и потоки, использующий в качестве разделительного признака показатель оценки запасов месторождения по выходу концентрата, получаемого для заданных уровней зольности товарной продукции;

- разработан метод моделирования технологической цепи "добычные работы - обогащение", как интегрированной динамической системы с действием прямых и обратных связей между состояниями системы;

- разработано программное обеспечение для расчета календарных планов добычных работ с использованием нескольких целей управления -максимизация выхода концентрата заданной зольности, стабилизация плотности разделения, стабилизация зольности концентрата;

- разработана компьютерная технология оперативного планирования добычи углей при работе разреза в комплексе с обогатительной фабрикой с функциями оценки качества углей в запасах, текущего состояния горных работ и динамического корректирования посуточных планов в зависимости от фактических объемов добычи и результатов обогащения.

Практическое значение исследований состоит в следующем.

1. Разработана автономная компьютерная система расчетов теоретического и практического выхода концентрата и его зольности, позволяющая определить показатели обогащения для любой совокупности результатов ситово-фракционного анализа углей, полученных при обработке проб разведочных скважин;

2. Разработано программное обеспечение календарного планирования добычных работ в режиме управления качеством, которое дает возможность на стадиях проектирования и планирования добычных работ получить результаты по выходу концентрата и его товарной ценности при многоцелевом подходе к управлению качеством добываемых углей и определить эффективность использования балансовых запасов по выходу и качеству конечной товарной продукции.

3. Разработана компьютерная система оперативного планирования добычных работ в режиме управления качеством, обеспечивающая корректирование плана на скользящую декаду в посуточном цикле с пересчетом его в связи с отклонениями фактических объемов добычи от плановых и неподтверждением прогнозируемых результатов обогащения углей.

Л|ГЕ2ый е;:лзд автора состоит в разработке метода разделения запасов по свойствам обогатимости, интегрированной математической модели, описывающей функционирование добычных работ и обогащения как единую технологическую цепь, и компьютерной системы оперативного планирования работы разреза в увязке с обогатительной фабрикой, промышленном испытании и внедрении разработок ь АСУ угольных разрезов.

Реализация работы. Разработанное методическое и программное обеспечение положено в основу создания компьютерной системы текущего планирования и управления горными работами угольных разрезов "Нерюнгринский" (г. Москва, ВНИИУуголь, г. Нерюнгрн, ПО "Якуг-уголь", 1985, 1987 гг.) и "Бородинский" ПО "Красноярскуголь". Техническая документация и программное обеспечение передано в промышленную эксплуатацию на карьере "Нерюнгринский" (г. Нерюнгри, ПО "Якут-уголь", 1986,1987,1988 гг.) и "Бородинский" КАТЭК и использованы ' институтом "Сибгипрошахт" в предпроектных предложениях по освоению Эльгинского месторождения коксующихся углей.

Апробация работы. Основные положения и результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях "Молодые ученые научно-техническому прогрессу в угольной промышленности" (Донецк,1984 г.), "Актуальные проблемы организации и управления в горном производстве" (Москва, 1986 г.), "Разработка и применение систем автоматизированного проектирования и АСУ горного производства" (Алма-Ата, 1987 г.), на VII Всесоюзном семинаре по оптимизации горных работ (Новосибирск, 1985 г.), на научно-техническом семинаре "Математическое моделирование месторождений и открытых горных работ" (Усть-Каменогорск, 1985 г.), на Международном симпозиуме по открытым горным работам "Мирный 91" (Удачный,1991г.), на Международном симпозиуме АПКОМ XXIV (Канада, Монреаль, 1993 г.).

Диссертационная работа докладывалась и получила одобрение на научных семинарах Института торного дела СО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 144 страницах машинописного текста, включает 33 рисунка, 31 таблицу, список литературы из 86 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При объединении угольного разреза с обогатительной фабрикой и единый технологический комплекс результаты решения задачи по управлению качеством должны оцениваться но выходу и качеству конечного продукта, полученного при обогащении. Анализ геолого-технологической характеристики коксующихся у .ей на примере крупных месторождений, таких как "Нерюнгринское" и "Эльгинское" показал, что управление качеством добываемых углей должно основываться на привлечении ряда показателей, характеризующих различные свойства и определяющих как технологическую ценность, так и выход товарного угля.

Осуществление регулярного эксплуатационного опробования запасов углей с выполнением ситового и фракционного анализов обусловливает две позиции в постановке задачи планирования добычных работ: повышение выхода концентрата заданной зольности при фиксировании границ колебаний показателей качества (толщины пластического слоя, выхода летучих и др.) или повышение ценности концентрата за счет получения более высоких классов качества углей. Принятие решений по управлению качеством коксующихся углей усложнено тем, что максимизация выхода концентрата не всегда означает повышение его технологической ценности. Поэтому, оптимизация качества добываемого угля должна заключаться в расчетах на стадиях проектирования и планирования вариантов планов добычных работ с различными целями формирования качества товарного угля.

Нахождение варианта плана связано с обработкой больших массивов информации по опробованию запасов углей и с необходимостью получения прогнозных результатов по переработке сформированных на разрезе потоков углей, что возможно только на основе математического моделирования функционирования добычных работ и обогащения в едином временном цикле.

Решение поставленной задачи основывается на изучении результатов широкого круга научных исследований. Теория и методы оценки эффективности извлечения запасов месторождений по выходу и качеству конечной продукции созданы М.И.Агошковым, Ф.Г.Грачевым, Г. Г. Ломоносовым, М.Г.Новожиловым, Г.В.Секисовым, B.C. Хохряковым, Ю.А.Чернеговым, Ю.Н. Ермолиным применительно к рудным месторождениям. Основные концепции и методы управления качеством углей изложены в работах К.Е.Винницкого, С.С.Резниченко, Р.И.Риделя, Е.В.Фрейдиной, Г.И.Багровой В.И.Глейха, И.Н.Ильенко, С.II.Протасова.

Для управления качеством необходимы знания о свойствах углей и характере их изменения при добыче, усреднении и обогащении. Основные сведения о качестве углей и параметрах, определяющих эффективность их использования, даются в работах И.В.Еремина, В.Р.Клера, К.В.Миронова,

A.З.Юзвицкого.

Большое значение в управлении качеством придается методике картирования углей. Традиционно балансовые запасы разделяются на блоки по марочной принадлежности. Впервые на Нерюнгринском месторождении по инициативе института ВУХИН главным геологом ГРП

B.Н.Маширом проводилось разделение запасов углей марки К9 по классам качества, различающихся свойствами спекаемости, что позволило подойти к решению задач оптимизации с учетом технологической ценности добываемых углей. Методы разделения угля по свойствам обогатимости разработанные А.М.Коткиным, М.Н.Ямпольским, К.Д.Геращенко, В.Г. Соколовым, дают общую оценку свойств обогатимости углей по пластам или в целом по месторождению, как, например, по Нерюнгринскому, что не позволяет учитывать изменения свойств обогатимости углей в контурах пласта и отдельных его блоков.

Вопросам использования методов математического моделирования для решении задач по управлению качеством на стадии календарного планирования горных работ посвящены работы В.М.Аленичева,

C.Я.Арсеньева, Ю.П.Астафьева, К.В.Зебзиева, К.В.Котова, Ю.А.Когана, А.В.Прудовского, И.Б.Табакмана, A.C. Третьякова. В предложенных авторами моделях, формализация технологии добычи полезных ископаемых была произведена без учета результатов обогащения добытого сырья.

Разработка метода оптимизации качества добываемых углей при работе разреза в комплексе с обогатительной фабрикой связана с решением ряда научных задач к которым относятся:

- адаптация стандартного алгоритма при расчете кривых обогатимости для углей с различными свойствами и разработка на его основе автономной компьютерной системы обработки данных ситового и фракционного анализов и определение теоретического выхода концентрата заданной зольности;

- изучение методов разделения углей по категориям обогатимости, анализ их чувствительности и обоснование метода, позволяющего разделять балансовые запасы на однородные зоны и потоки;

- разработка критериев и принципа оптимизации решений по управлению качеством углей и интегрированной математической модели

функционирования добычных работ и обогащения как единой технологической цепи;

- разработка метода моделирования технологий добычных работ и обогащения в едином временном цикле и установление закономерностей влияния параметров и переменных интегрированной модели на выход и технологическую ценность товарной продукции;

- разработка и опытно-промышленная эксплуатация компьютерной системы текущего и оперативного планирования добычных работ с управлением качеством, созданной на базе интегрированной математической модели;

- оценка эффективности использования компьютерной системы оперативного планирования добычных работ для обоснования на стадии проектирования и планирования мероприятий по управлению качеством добываемых углей.

Разработка метода оптимизации качества добываемых углей при работе разреза в комплексе с обогатительной фабрикой начинается с аналитического моделирования качества и свойств обогатимости углей в геометрических элементах технологии. Из анализа балансовых запасов Нерюнгринского и Эльгинского месторождений следует, что многочисленные показатели, характеризующие качество углей, подразделяются на показатели общей оценки качества Рс и специальные показатели, характеризующие свойства обогатимости углей. Показатели первой группы выражаются массовой концентрацией вредных или полезных компонентов; показатели второй, найденные, в большинстве случаев, в результате специальных технологических испытаний, оцениваются по выходу (у) и зольности 01^) полученных на определенной плотности разделения р продуктов обогащения, значения которых образуют многомерную матрицу.

Для первой группы показателей ( Ре) расчет их значений в добытой

угольной массе в элементарный период 3 производится по формуле:

где е - показатель качества (содержание золы, влаги, выход летучих веществ, толщина пластического слоя и др.), г - номер элементарного блока по фронту работ экскаватора к\ хЫ] " объем добычи из

к

(1)

элементарного блока (к, ¡) и (к,1+1 )\ РеЫ ,Ре к - значение показателя качества с в элементарном блоке (к,I) и (к, ¿+1).

Подготовка данных для оценки обогатимости углей требует компьютеризированного построения кривых обогатимости X и р, позволяющего получить значения выхода и зольности всплывших фракций на диапазоне плотностей разделения от 1300 кг/мЗ до 2000 кг/м^ и с шагом дискретизации от 1 до 100 кг/мЗ и рассчитать суммарную кривую всплывших фракций, независимо от количества вовлекаемых в расчет восстановленных кривых X по каждой разведочной скважине. Разработка программ построения кривых обогатимости на основе алгоритма действующего ГОСТа, настроенного на угли средней обогатимости, потребовала ввести ряд эвристических процедур, позволяющих применять его для оценки углей с различными свойствами обогатимости.

Анализ кривых обогатимости показал, что в пределах месторождения выход концентрата с зольностью 9.5% изменяется в широком диапазоне от 11 до 90%. В связи с этим, для управления качеством необходимо произвести разделение балансовых запасов на однородные зоны по свойствам обогатимости на основе показателя, обладающего определенной чувствительностью к изменению результатов ситово-фракционного анализа угля. В угольной отрасли используются, в основном, два метода оценки обогатимости углей: разделение угля по трудности обогащения (методика ГОСТа 4790-80) и оценка категории обогатимости угля по направлениям использования товарного продукта. В пределах изучаемых запасов по первому методу 94% балансовых запасов месторождения отнесено к очень трудной категории обогатимости, по второму методу выделены угли первой (25.7%) и, в основном, второй (71.4%) категорий обогатимости, характеризующиеся высоким выходом концентрата, предназначенного для производства кокса. К недостатку последнего метода с позиции оценки запасов следует отнести полученный существенный разброс значений выхода концентрата (от 11.57 до 70.15%) и зольности (от 5.11 до 10.6%) внутри второй категории. Таким образом, если угли, отнесенные ко второй категории объединить в один контур, то ожидание "высокого выхода концентрата для производства кокса" по существенной части запасов не подтвердится. Разброс зольности и выхода концентрата обусловливает необходимость дальнейшей детализации в разделении запасов по свойствам обогатимости.

В соответствии с товарно-технологической оценкой балансовых запасов был принят подход к разделению их на зоны в зависимости от величины выхода концентрата для заданных уровней зольности товарных

углей. Для разделения запасов определяются, первоначально, граничные значения показателя разделения, а затем показатель принадлежности углей к той или иной категории обогатимости. Пример полученных граничных значений показателя разделения по категориям обогатимости углей марки Кб, К9 (Нерюнгринское месторождение) и Ж21, Ж6 (Эльгинское месторождение) дается в табл. 1.

Таблица 1

Разделение запасов углей на однородные зоны по свойствам обогатимости

Марка угля Категория Условное Значение показателя

обогатимости обозначение разделения ( Т*')

Kg, к6 Легкообогатимые ЛО Г/<1.38

Среднеобогатимые СО 1.38<г/<1.45

Труднообогатимые ТО Т/ > 1.45

Ж21 Легкообогатимые ЛО т/ <1.73

ж6 Среднеобогатимые СО 1.73<V'<2.53

Труднообогатимые ТО Г/>2.53

Поскольку концентрат заданной зольности может быть получен на широком диапазоне плотностей разделения (от 1350 до 1600 кг/м^), то для оценки свойств обогатимости предложено показатель обогатимости рассчитывать по формуле:

/w

f _ Р=Ртт ^ _ Ртах Pmin (2)

° И Д

где Рта*,Pmjn - граничные значения диапазона плотностей разделения, кг/ м^; ц - количество точек расчета в данном диапазоне плотностей разделения; Д - шаг изменения плотностей разделения, принятый при расчетах, кг/мЗ. Здесь ?о(р) определяется по методике оценки свойств обогатимости, разработанной A.M. Коткиным и др.

Рассчитанное по формуле (2) значение Т0 определяет принадлежность угля в геолого-технологическом блоке к той или иной категории обогатимости (табл. 1). Применением предложенного метода достигается четкое разделение запасов углей месторождения на зоны с высоким, средним и низким выходом концентрата заданной зольности. Тем самым создаются условия для управления формированием состава потоков добытых углей из выделенных зон для подачи на обогащение и оценки

эффективности использования запасов по выходу и качеству товарного угля.

Качество концентрата, определяемое свойствами спекаемости угля, и его выход, зависящий от свойств обогатимости, являются переменными и управляемыми величинами в пределах одного месторождения. В общем виде стоимость концентрата угля (С) может быть представлена как:

С=^ОлГЛЦЛУ) (3)

А=1

где Л - признак класса качества угля по свойствам спекаемости; Л -количество классов качества угля; объем добычи угля класса 1, тыс. т;

- выход концентрата угля класса качества Я, доли ед.; Ц^ (_у) - цена концентрата, дифференцированная по совокупности показателей спекаемости и зольности, руб/т. Повышение стоимости концентрата достигается решением, или задачи максимизации выхода концентрата заданной зольности из добываемых углей с критерием

/(ЛГу)= тах | тах у е АгЛ, ] = (4)

Р, [ ч,, )

или задачи повышения выхода высококачественных углей с критерием

/(Ху)= тах | тах дДр^.х^),* еК] [, . (5)

Задачи сводятся к нахождению объемов добычи угля Хщ в забоях кеК из

блоков (/г,г) по периодам / на интервале /=/,/, при которых достигаются максимальный выход концентрата на заданном дискретном множестве плотностей разделения (р), либо максимальная технологическая ценность концентрата. На основе найденных по критерию (4) значений х^ и

соответствующих им показателей качества Рек1 производится расчет по формуле (1) качества концентрата и оценка его технологической ценности. При решении задачи с критерием (5) для найденных хщ производится

расчет с частичной оптимизацией выхода концентрата и его зольности. Решение задач с критериями (4) и (5) достигается на основе разработанной интегрированной математической модели функционирования добычных работ и обогащения, как единой технологической цепи.

Модель функционирования системы добычных работ с цикличной технологией включает следующие виды ограничений действующих по периодам

Ресурсные ограничения: заданный объем подачи угля на обогатительную фабрику (¿^; количество работоспособных экскаваторов

К]; нагрузка на экскаватор с учетом доли его нормативной производительности Q¡g в производительности рабочего парка определяется по выражению:

I слУ

, (6)

где иц - коэффициент, определяющий объем внутренней вскрыши в г-ом

блоке к-го забоя; Д - коэффициент, характеризующий величину снижения нижней границы производительности экскаватора относительно нормативной, доли ед., Л=0-И.

Работа экскаваторов на добыче угля представляет собой последовательный переход с одного геолого-технологического блока (к,г) на смежный блок (к,{+1) заходки, при этом угли геолого-технологического блока характеризуются однородным качественным составом. Объем подготовленных, запасов и последовательность их отработки добычными экскаваторами К у в период / удается воспроизвести посредством следующих ограничений:

+ хкни 2 Щ ~ Ц . к = \, К)

--(7)

/=1

]

= и (8)

ТУ* /=1

{0,1}, = й

где - объем 1-го геолого-технологического блока к-го забоя; <5к ,+]=1 -если из блока 1+1 в текущий период возможна добыча; <5^ !+1 =0 - в противном случае; Яу - объем работ, выполненный экскаватором к к ¡-ому периоду; - объем подготовленных к отработке /;-ым экскаватором запасов.

Ограничения на колебания содержания в общем потоке добытого угля полезного или вредного компонента, ограничения на соотношение объемов основного и вспомогательных потоков, объемов добычи углей различных марок или технологических групп.

Исходная информация для расчета результатов обогащения углей в тяжелых средах представляется характеристическими кривыми зольности элементарных слоев разделения (X) и всплывших фракций (/?), которые представляют собой двумерную матрицу. Интеграция моделей добычных работ и обогащения производится посредством переменных х^, для

каждой из которых известно значение кривой всплывших фракций Теоретический выход концентрата, получаемый из добытого угля в блоке (к, О является функцией следующих переменных: 1

(9)

где Р, Ар - диапазон и шаг изменения плотностей разделения. Расчет уя

для найденных объемов добычи угля Хщ для каждой плотности разделения

на заданном интервале Р производится по формуле

К 1

ЩЦУирХц _

г;р = ~1п-' = (ю)

(Ь=1(=1

Поиск решения начинается с минимальной плотности разделения р0, когда заведомо известно, что зольность данной фракции на превышает заданную зольность концентрата, а именно

. (и)

К 1 л

^ИрУ иРх И] -. <12)

где - заданная зольность концентрата и зольность концентрата,

на плотности разделения р,%. Для нахождения максимального выхода концентрата, определяемого по суммарной кривой всплывших фракций(Ю), построенной для одного варианта нагрузок на добычные ■забои X; = формируется последовательность подмоделей

М! (р{1 +1),..., Л/у (р0 + «), до тех пор, пока для очередной подмодели полученная зольность (12) превышает допустимую (11). В качестве конечного принимается решение подмодели Л/Д/з0 + (п - 1)) . Перебором

вариантов нагрузки на добычные забои в области ограничений (6-8) находится решение с максимальным теоретическим выходом концентрата заданной зольности. Расчет практического выхода концентрата производится с учетом закономерностей процесса разделения углей в

тяжелых средах. Результаты решения задачи представляются вектором объемов добычи Х^ = {хщ,х2,увектором показателей качества

Р^ = {.Р^ ,Р2у,..., Ре] |, определяющих технологическую ценность концентрата и показателей обогащения Лу ,ру-,у = таху^,, а также стоимостью полученного концентрата по всем . элементарным периодам планирования. На основе перечисленных данныл формируется текущий (годовой, месячный, декадный) и оперативный планы добычных работ с определением стоимости товарной продукции. Структура интегрированной модели функционирования добычных работ и обогащения, как единой технологической цепи, представлена на рис. 1.

Рис.1 Структура интегрированной модели функционирования добычных работ и

обогащения.

Для принятия решений по управлению качеством коксующихся углей рри работе разреза в комплексе с обогатительной фабрикой разработана

компьютерная система текущего и оперативного планирования, включающая комплекс интегрированных моделей, различающихся целями оптимизации.

Модель 1. Равномеризация нагрузки на добычные экскаваторы с частичной оптимизацией выхода концентрата заданной зольности и определением технологической ценности концентрата.

Модель 2. Стабилизация показателей спекаемости в выходящем из разреза потоке добытых углей с частичной , оптимизацией выхода концентрата заданной зольности и определением его технологической ценности.

Модель 3■ Максимизация технологической ценности концентрата, устанавливаемой по совокупности показателей спекаемости, с частичной оптимизацией выхода концентрата заданной зольности.

Модель 4. Максимизация выхода концентрата заданной зольности с определением его технологической ценности и плотности разделения.

Модель 5. Стабилизация зольности концентрата угля при одновременном выравнивании нагрузки на добычные забои с частичной оптимизацией выхода концентрата и определением его технологической ценности и плотности разделения.

Модель 6. Максимизация выхода концентрата на постоянной плотности разделения р с определением его технологической ценности.

Таблица 2

Сравнение результатов месячных планов добыных работ с разными целями

оптимизации

Показатели качества Класс Цена Ценность товарной

Модель (М) Толщина пластического слоя, мм Зольность^ Выход, % Плотность разделения, кг/м^ качества товарной продукции 1 т товарной продукции, $ продукции, полученной из месячного объема добычи угля (1.25 млн т), млн.$

Мб 10.6 9.46 68.31 1450 первый 37 31.59

М5 10.6 9.5 69.05 1450 первый 37 31.94

М4 10.35 9.27 78.2 1470 первый 37 36.17

МЗ 1 . - 11.6 10.33 65.07 1450 высший-8^% первый-20% 45 37 29.57 +6.08 35.65

Подход к разработке комплекса моделей заключается в первоначальной оценке решений по использованию запасов, начиная с моделирования традиционной организации добычных работ (модель 1) и обогащения (модель 6), последовательно усложняя цели оптимизации (модели 2,3,4,5) для достижения более эффективных результатов. Пример сравнения вариантов месячных планов добычных работ, разработанных для условий Нерюнгринского месторождения на основе моделей 3, 4, 5 и 6, дается в табл.2. Из анализа приведенных в табл. 2 данных следует, что средние показатели качества концентрата, получаемого в результате разработки планов с использованием всех моделей, имеют близкие значения.Средний выход концентрата (78.2%), полученный при планировании с использованием модели 4, на 9.15% выше, чем полученный по модели 5 (69.05%), и на 9.9% выше, чем при использовании модели 6, что соответственно приводит к увеличению ценности товарной продукции. Ценность товарной продукции, полученная при планировании направленном на повышение выхода высококачественных углей (модель 3) при существующих ценах, также ниже ценности товарной продукции, полученной при планировании ■ с максимизацией выхода концентрата. Это подтверждает положение о том, что цель управления качеством добываемого коксующегося угля, реализованная в модели 4 (максимизация выхода концентрата при заданной его зольности), имеет явные преимущества перед другими рассмотренными постановками задач (модели 5 и 6), а сравнение вариантов планов добычных работ по выходу и ценности товарной продукции позволяет выбрать оптимальный вариант плана. Характер изменения выхода концентрата по вариантам, рассчитанных с использованием рассмотренных моделей, представлен в виде фрагмента месячных планов на рис. 2.

^ 9» ■

сЧ

Й 80 "

а

| 70 ' I 60 -

I 50™ 400

Рис.2 Характер изменения выхода ковдентрата по вариантам планов добычных работ

5 10 15

Сутки

Компьютерная система текущего и оперативного планирования добычи углей при работе разреза в комплексе обогатительной фабрики состоит из набора отдельных программных модулей, связанных общей информационной базой данных, что обеспечивает ее открытость и возможность развития. В базе данных содержится информация по качественному составу и свойствам обогатимости углей, полученная по данным опережающего опробования. Модуль построения кривых обогатимости и расчета теоретического выхода концентрата позволяет определить показатели обогащения для любой совокупности данных ситово-фракционного анализа. С помощью специализированных программных модулей, рассчитываются объемы геолого-технологических блоков, подготовленных к отработке запасов для каждого экскаватора с привязкой к скважинам детального и опережающего опробования, рассчитывается график планово-предупредительных ремонтов добычных экскаваторов, а также нормативная производительность погрузочного и транспортного оборудования.

Разработка месячного план-графика добычных работ производится в диалоговом режиме, позволяющем пользователю при возникновении сложностей в поиске оптимального решения вмешиваться в процесс разработки плана, путем изменения количества добычных экскаваторов, графика их планово-предупредительных ремонтов и других технологических простоев, последовательности отработки запасов, требований к объему и качеству товарной продукции. Для обеспечения наглядности процесса моделирования программой предусмотрено анимационное представление динамики отработки запасов экскаваторных заходок с разбивкой их на геолого-технологические блоки, отличающиеся категориями обогатимости углей. Результаты планирования выдаются в виде планограммы работы добычных экскаваторов в посуточном цикле, включающей следующие показатели: объемы отработки запасов по маркам углей с привязкой их к конкретным геолого-технологическим блокам, теоретический и практический выход концентрата и показатели его качества, такие как зольность, толщина пластического слоя, индекс свободного вспучивания, выход летучих веществ, содержание вредных примесей (угли групп Кб и ЗСС), плотность разделения, а также выход промпродукта и породы.

В компьютерной системе предусмотрено корректирование оперативных планов производимое в интерактивном режиме по разработанному технологическому меню. Возможны следующие мероприятия по ликвидации сбойных ситуаций в системе добычных работ:

перераспределение нагрузки на работоспособные экскаваторы; изменение направления отработки запасов по экскаваторной заходке; изменение графика плановых простоев; изменение объема поставки углей на обогатительную фабрику; ввод дополнительного оборудования; изменение плотности разделения; уточнение объемов и качественных показателей углей подготовленных к отработке запасах. В процессе корректирования плана возможно оценить эффективность мероприятий, направленных на ликвидацию сбоев в системе, что повышает уровень принимаемых решений при оперативном планировании.

Основной особенностью разработанной компьютерной системы является оперативный анализ деятельности технологической цепи "добычные работы - обогащение", который включает расчет показателей выхода и технологической ценности конечного продукта (концентрата) по фактическому поступлению угля на обогатительную фабрику из разреза. Исходными данными в этом случае являются фактические объемы добычи по суткам (сменам) и последовательность отработки геолого-технологических блоков по каждому экскаватору. При расхождении между фактическими и плановыми объемами добычи уточняется положение забоя и пересчитывается план на следующие сутки. Сопоставлением фактического и рассчитанного по фактическому поступлению угля выхода и зольности концентрата оценивается точность планирования.

Компьютерная система оперативного и текущего планирования добычных работ разработана для условий Нерюнгринского месторождения и вошла в состав действующей на разрезе АСУ основным производством, а также использована институтом "Сибгипрошахт" при анализе запасов проектируемого Эльгннского месторождения с позиции прогнозирования вариантов состава и объема выхода товарной продукции. Это позволило предложить для проектирования технологию формирования и разделения потоков угля по свойствам обогатимости для переработки его на модульных обогатительных фабриках и для повышения эффективности использования запасов месторождения с учетом требований рынка потребления углей, то есть предусмотреть выпуск товарной продукции нескольких уровней качества.

Программное обеспечение реализовано на IBM PC и представляет собой продукт, готовый для применения на действующих угольных разрезах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи, имеющей существенное значение для повышения эффективности

использования запасов угольных месторождений при открытом способе разработки путем применения метода оптимизации качества добываемых коксующихся углей по выходу и технологической ценности товарной продукции.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы и рекомендации.

1. Установлено на примере двух круп1шх месторождений коксующихся углей Нерюнгринского и Эльгинского, что характерной для них особенностью является высокая изменчивость показателей свойств сиекаемости и обогатимости и слабая корреляционная связь между ними.

2. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что для управления качеством добываемых углей необходимо балансовые запасы разделять на однородные по свойствам спекаемости и свойствам обогатимости зоны с использованием для оценки последнего свойства величины выхода концентрата, рассчитываемого для заданных уровней зольности товарной продукции.

3. На основании экспериментальных исследований установлено, что показатель разделения углей на зоны с легкой, средней и трудной обогатимостыо следует находить с использованием уравнения регрессии для оценки категорий обогатимости по выходу и зольности легких фракций на постоянной плотности разделения, где в качестве переменных приняты зольность товарного угля и средневзвешенный выход концентрата по участку или месторождению в целом, а среднее значение функций, рассчитанных на заданном интервале плотностей разделения (например, 1300-1500 кг/мЗ), определяет принадлежность углей к конкретной зоне.

4. Разработана компьютерная система автономного расчета практического выхода и зольности концентрата, с использованием которой исключаются вычислительные сложности по обработке данных геологического опробования и достигается более точное построение кривых всплывших фракций за счет адаптации алгоритмов ГОСТа к углям легкой и трудной категорий обогатимости, возможности уменьшения шага (например, со 100 кг/м^ до 5 кг/м^) и увеличения диапазона плотностей разделения.

5. Разработана интегрированная динамическая модель функционирования добычных работ и обогащения, как единой технологической цепи, и программное обеспечение для расчета календарных планов добычных работ с использованием несколько целей оптимизации качества добываемых углей: максимизация выхода концентрата заданной зольности, максимизация выхода концентрата при

постоянной плотности разделения, стабилизация зольности концентрата, максимизация выхода высококачественных углей, стабилизация контролируемых показателей спекаемости угля, равномеризация нагрузки на добычные экскаваторы с оценкой их по выходу и технологической ценности товарного угля.

6. Разработан метод моделирования функционирования технологической цепи двух взаимодействующих производств "добычные работы - обогащение", заключающийся в решении последовательности статических моделей, алгоритмически объединенных п заданном временном контуре ресурсными и пространственными переменными, характеризующими состояние оборудования, объемы и качество планируемых к отработке запасов угля, на основе которого осуществляется разработка календарных планов добычных работ.

7. Разработана компьютерная система оперативного планирования добычных работ с управлением качеством, включающая программные комплексы по обработке геологической и маркшейдерской информации, диспетчерской информации по. состоянию оборудования, объемам поставки углей из каждого забоя на обогащение, выходу, плотности разделения и технологической ценности концентрата, а также динамического корректирования, с пересчетом плана в посуточном цикле на скользящую декаду, вызванного отклонениями фактических объемов добычи от плановых и неподтверждением прогнозируемых результатов обогащения углей.

8. Доказана экономическая эффективность применения разработанной компьютерной системы текущего и оперативного планирования, включенной в состав АСУ разреза "Нерюнгринский", позволяющей принимать плановые решения на основе разработки вариантов планов добычных работ с различными целями управления качеством добываемых углей и получить при этом прирост ценности конечной продукции за счет или увеличения на 7-9% объема концентрата, или повышения технологический ценности на 9-11% относительно варианта плана с обогащением на постоянной плотности разделения.

9. Применение компьютерной системы планирования и управления на стадии предпроектных предложений по разработке Эльгинского месторождения, проведенных совместно с институтом "Сибгипрошахт", позволило (произвести, прогнозную товарно-технологическую оценку использования запасов и на этой основе предложить:

- схему формирования однородных потоков углей для раздельного их обогащения на модульных обогатительных фабриках, благодаря чему

происходит увеличение выхода товарной продукции из запасов месторождения на 8%;

- выпуск товарной продукции нескольких уровней качества для различного направления использования, благодаря чему достигается повышение извлекаемой ценности на 6-8% и увеличивается вероятность сбыта товарной продукции.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Фрейдина Е.В., Третьяков A.C., Третьяков С.А. Совершенствование текущего планирования вскрышных работ на разрезах. // Добыча угля открытым способом Реф. на карт / ЦНИИЭуголь N 1 - 1984.

2. Третьяков A.C., Третьяков С.А. Комплексная стабилизация пока-, зателей функционирования системы добычных работ при месячном планировании для условий карьеров Экибастузского месторождения. // Сб."Оптимизация решений при проектировании и планировании открытых горных работ" / Новосибирск: ИГД СО РАН, 1985. - 14с.

3. Третьяков A.C., Третьяков С.А. Формирование текущих планов добычных работ методом пошаговой оптимизации. // Сб. "Молодые ученые -научно-техническому прогрессу в угольной промышленности / Донецк, 1984. - 2с.

4. Третьяков A.C., Третьяков С.А. Автоматизация текущего планирования работы горно-транспортного и вспомогательного оборудования угольных карьеров Экибастузского месторождения. // Сб."Актуальные проблемы организации и управления в горном производстве" / М., МГИ, 1986,- 1с.

5. Фрейдина Е.В., Третьяков С.А. Проектирование организации горных работ на карьерах с использованием математического моделирования. // В кн. Разработка и применение САПР и АСУ горного производства / Алма-Ата, 1987. -Зс.

6. Фрейдина Е.В., Дворникова А.Н., Третьяков С.А. Структура и функции автоматизированного текущего планирования добычных работ в условиях оптимизации выхода концентрата коксующихся углей. II Освоение топливно-энергетических комплексов Восточных районов страны. / Новосибирск: ИГД СО РАН, 1989,- 14с '

7. Фрейдина Е.В., Дворникова А.Н., Третьяков С.А. Структура и модели автоматизированного текущего планирования добычных работ в режиме оптимизации состава шихты с расчетом выхода продуктов обогащения коксующихся углей // Вопросы совершеноствования горных

работ на шахтах и карьерах Сибири. / Новосибирск: ИГД СО РАН, 1990,-20с.

8. Фрейдина Е.В., Дворникова А.Н., Третьяков С.А. Система формирования качества минерального сырья: функциональная структура, модели и методы оптимизации и управления. // Проблемы открытой разработки глубоких карьеров. Матер. Международного симпозиума по открытым горным работам / Удачный: "Мирный-91", 1991. - 7с

9. Концевой A.A., Зиборов Г.Л., Фрейдина Е.В., Третьяков С.А. Комплексная иерархическая система управления угольным карьером. // Матер. Международного симпозиума АПКОМ-XXIV. / Монреаль, Канада, 1993,- 8с.

.-I- г г

Тип. СО РАН зак. 13. Тираж 100 экз. Новосибирск, пр. К.Маркса, 2