автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Развитие теоретических основ оптимизации мощности шахты и раскройки угольного месторождения с применением динамических трендовых моделей

Российская Академия наук Сибирское Отделение Институт горного дела

На правах рукописи

ОРДИН Александр Александрович

РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ОПТИМИЗАЦИИ МОЩНОСТИ ШАХТЫ И РАСКРОЙКИ УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ

ТРЕНДОВЫХ МОДЕЛЕЙ

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение............................................................................................6

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЕКТНЫХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МОЩНОСТЕЙ ШАХТ ... .20

1.1. Анализ существующих производственных мощностей и эффективности добычи угля в основных угледобывающих странах и бассейнах.....................................................................................20

1.2. Условия рыночной экономики в России для угледобывающей отрасли.................................................................................36

1.3. Основные факторы, влияющие на проектную мощность шахты... .39

1.3.1. Горно-геологические условия............................................39

1.3.2. Глубина разработки...........................................................40.

1.3.3. Размеры шахтных полей и запасы угля...............................42

1.3.4. Сроки строительства и реконструкции шахт.......................43

1.3.5. Способы и схемы вскрытия................................^.............46

1.3.6. Производительность и длина очистного забоя, длина выемочного поля .............................................................................47

1.3.7. Цены на уголь..................................................................48

1.3.8. Капитальные и эксплуатационные затраты....................... 51

1 .4. Анализ методик и моделей оптимизации проектных и производственных мощностей шахт.............................................................54

Выводы...........................................................................................72

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОЕКТНОЙ МОЩНОСТИ ШАХТЫ В ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОСТАНОВКЕ.............................75

2.1. Критерии оптимальности..........................................................75

2.2. Максимизация дисконтированной выручки при условии совершенной формы конкуренции и инфляции доходов шахты..................... 77

2.3. Максимизация чистого дисконтированного дохода при условии опережающих темпов инфляции издержек шахты..........................83

2.4.Максимизация чистого дисконтированного дохода при условии инфляции капиталовложений....................... .....................................89

2.5. Асимптотическая зависимость оптимальной проектной мощности шахты от запасов угля в шахтном поле........................................92

2.6. Ограничения задачи.............................. ..................................97

2.7. Влияние строительного и пускового лагов на оптимальную проектную мощность шахты............................................................... 98

2.8. Основная тенденция изменения оптимальной проектной мощности

шахты Кузбасса под влиянием инфляции.....................................104

Выводы........................................................................................ 111

3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ МОЩНОСТИ ШАХТЫ И КАЛЕНДАРНОГО ПЛАНА ОТРАБОТКИ ПЛАСТОВ В ЗАДАННЫХ ГРАНИЦАХ ШАХТНОГО ПОЛЯ..............................................114

3.1. Постановка задачи.................................................................. 114

3.2. Методика и алгоритм решения задачи методом динамического программирования............................................................................117

3.2.1. Выборочная отработка пластов......................................... 117

3.2.2. Полная отработка пластов................................................ 120

3.2.3. Реконструкция шахт и дискретный строительный лаг...........122

3.3. Структура прикладной программы "Опора".............................. 124

3.4. Оптимизация календарного плана отработки пластов и проектной мощности шахты "Первомайская" АО "Северокузбассуголь"..............125

3.5. Оптимизация проектной мощности шахты "Анжерская-Южная" АО "Северокузбассуголь"............................................................. 137

3.6. Эластичность целевых функций и повышение точности решения задачи................................................................................139

3.7. Обоснование календарного плана и проектной мощности горнодобывающего предприятия при отработке Бурлукского железорудного месторождения........................................................................ 143

Выводы..........................................................................................147

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ДЛИН ВСКРЫВАЮЩИХ ВЫРАБОТОК И ТРАНСПОРТНЫХ КОММУНИКАЦИЙ ШАХТ..............................149

4.1.Состояние вопроса.......................................................... 149

4.2. Оптимизация размеров панели шахты с учетом лаговых и инфляционных процессов...............................................................152

4.3. Пакет прикладных программ "ПРОЗА".................................163

4.4. Постановка и решение задачи оптимального размещения транспортной сети на плоскости с помощью градиентного метода ......... 169

4.5. Постановка и решение задачи оптимального размещения транспортной сети с учетом рельефа местности с помощью динамического программирования.................................................................177

4.6. Оптимальное размещение основной промплощадки и сети главных вскрывающих выработок шахты "Жерновская".............................185

4.7. Оптимизация трасс подъездных путей шахты "Чульманская", рудника "Скалистый" и Караканского угольного разреза...............................193

Выводы...........................................................................................201

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ МОЩНОСТЕЙ ГРУППЫ ШАХТ В ЗАДАННЫХ ГРАНИЦАХ УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.....204

5.1. Постановка задачи оптимизации раскройки угольного месторождения на шахтные поля............................................................204

5.2. Методика и алгоритм оптимальной раскройки угольного месторождения с помощью прикладной программы "Мера"........................208

5.3. Обоснование рационального варианта раскройки Менчерепского угольного месторождения на шахтные поля...............................215

5.4. Оптимизация развития генеральной схемы развития шахт АО «Ле-

нинскуголь" на период 1991-1995 гг..........................................222

5.4.1. Графическое моделирование на ЭВМ динамики развития сети горных выработок шахт с помощью программы «МАГ».... 222

5.4.2. Расчет финансового плана развития шахт акционерного общества..................................................................227

5.4.3. Постановка и алгоритм решения задачи с помощью прикладной программы "ДИОГЕН"......................................................232

5.4.4. Основные исходные данные...............................................235

5.4.5. Решение задачи и анализ результатов................................239

Выводы..........................................................................................247

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................. 249

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................253

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................. 272

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа является обобщением результатов исследований, выполненных автором в Институте горного дела СО РАН в области оптимизации мощностей шахт и раскройки угольного месторождения с применением динамических трендовых моделей в условиях переходного периода горнодобывающей промышленности к рыночным отношениям.

Актуальность проблемы

В развитых угледобывающих странах подтвержденные запасы угля составляют 940 млрд. т, уголь занимает ведущее положение (68%) среди других ископаемых энергоисточников. Согласно прогнозам Международного агентства энергетики мировое потребление угля возрастет с 3.7 млрд. т в 1997 г. до 4.7 млрд. т в 2010 г.

Россия занимает одно из ведущих мест в мире по запасам каменного угля (201.6 млрд. т), основная часть которых сосредоточена в Кузбассе (балансовые запасы угля до глубины 600 м составляют 102.9 млрд. т, из них разведанные по категориям (А+В+С1) - 58.9 млрд. т). Промышленные запасы угля на действующих шахтах и разрезах Кузбасса составляют 8.6 млрд. т, из числа которых 4.5 млрд. т не соответствует мировым кондициям и 4.1 млрд. т относится к высокотехнологичным углям.

За весь период (с 1913 по 1997 гг.) промышленного развития в Кузбассе добыто около 4.5 млрд. т угля, из них более 3 млрд. т подземным способом. Таким образом, из разведанных балансовых запасов угля в настоящее время извлечено около 7.5%. Поэтому в Кузбассе существуют значительные перспективы по проектированию шахт и освое-

нию новых участков месторождений, таких как Ерунаковский, Соколовский, Уропско-Караканский, Менчерепский.

Проектная мощность является основным параметром шахты, определяющим в течение длительного периода эффективность эксплуатации горного предприятия. Задача выбора оптимальной проектной мощности шахты впервые была поставлена проф. Б.И.Бокием в 1914 г. и, необходимо отметить, что результаты его исследований находятся намного ближе к современным постановкам по сравнению со статическими критериями минимума себестоимости добычи угля, предложенными в 1920-1960 гг. В.И.Голомолзиным, П.И.Городецким, П.З.Звягиным, А.С.Поповым, А.И. Сегалем, Г.М.Хмельницким, Л.Д.Шевяковым.

Среди современных исследований в области оптимального планирования горных работ и обоснования проектной мощности шахты необходимо отметить работы М.И.Агошкова, В.Н.Вылегжанина, Э.И.Гойзмана, Д.Т.Горбачева, Г.П.Данилиной, Н.В.Дронова, В.И.Ильина, Д.Р.Каплунова, А.С.Кузнецова, М.В.Курлени, А.М.Курносова, А.С.Малкина, А.И.Митейко, А.А.Пешкова, Е.И.Рогова,

A.В.Старикова, Г.А.Стрекачинского, К.Н.Трубецкого, М.И.Устинова,

B.С.Цоя, В.М.Шрамко, В.А.Шестакова, А.М.Фрейдина, Е.В.Фрейдиной, В.Д.Ялевского. С позиции экономической оценки месторождений полезных ископаемых эту проблему изучали Астахов A.C., Богачев A.C., Козлов Л.А., Казакевич Д.М., Лившиц В.Н., Марголин A.M., Русанов Д.К. и др. Однако, несмотря на большое количество исследований в этой области, проблема оптимизации проектной мощности шахты с учетом строительного лага, инфляционных процессов и динамики поведения

этой «большой системы» в условиях рыночных отношений является нерешенной.

Начиная с 1992 г. угольная промышленность России приступила к структурной перестройке отрасли. Ликвидирована система фиксированных цен и выдачи 100%-ых федеральных дотаций, покрывающих убытки шахт. В отрасли начал формироваться новый хозяйственный механизм, основанный на свободных ценах на уголь, изменения форм собственности и создания новых экономических структур.

Осуществление реструктуризации угольной отрасли на первых же этапах столкнулось с рядом сложных проблем. Получив финансовую и юридическую самостоятельность, шахты и разрезы впервые столкнулись с проблемой реализации своей продукции, с задачами поиска платежеспособных потребителей угля, эффективного ценообразования, снижения себестоимости добычи угля и повышения рентабельности производства, которые прямым образом связаны с обоснованием мощности шахты. В результате взаимных неплатежей, а также вследствие высоких темпов роста инфляции угольные предприятия практически лишились оборотных средств. Возникшие чрезвычайно сложные проблемы становления рыночной экономики в России привели в 90-е годы к значительному снижению объемов производства и производительности труда во всех отраслях, в том числе и угольной.

Таким образом, при переходе на рыночные отношения угольная отрасль России столкнулась с рядом сложных и порой непредвиденных проблем производственного, экономического и социального характера, решение которых требует многосторонних исследований. Поэтому в настоящее время исследование и разработка моделей оптимизации мощностей шахт и раскройки угольных месторождений с применением дина-

мических трендовых моделей в условиях перехода горнодобывающей отрасли к рыночным отношениям является актуальным. Актуальность поставленных в исследовании задач тесным образом связана с необходимостью реструктуризации угольной отрасли в России, изменения технологических структур шахт, строительства новых и реконструкции действующих шахт, а также закрытия неперспективных предприятий в угольных бассейнах страны.

Целью работы является установление и исследование основных закономерностей формирования оптимальной мощности шахты и раскройки угольного месторождения на шахтные поля в динамической постановке в условиях переходного процесса горнодобывающей отрасли к рыночным отношениям и разработка на этой основе методического и программного обеспечения для решения поставленной задачи.

Идея работы заключается в динамической постановке и решении задачи оптимизации проектной мощности шахты по условию максимума интегральных критериев оптимальности с учетом строительного лага, инфляционного процесса и динамики изменения технико-экономических показателей шахты.

Задачами исследования являются: - анализ современного состояния проблемы оптимизации проектной мощности шахты, включающий в себя исследование производственных мощностей шахт и эффективности добычи угля в основных угледобывающих странах, критический анализ существующих методик и моделей оптимизации проектной мощности шахты,

- исследование основных факторов, влияющих на проектную мощность шахты; статистический анализ и построение трендовых моделей технико-экономических показателей шахт Кузбасса,

- формирование интегральных критериев эффективности в динамической постановке и исследование основных закономерностей изменения оптимальной проектной мощности шахты в зависимости от влияющих факторов,

- постановка и решение задачи совместной оптимизации производственной мощности шахты и календарного плана отработки пластов с учетом строительного лага и экономической оценки выборочной отработки пластов,

- разработка моделей и алгоритмов для оптимизации сети вскрывающих выработок и транспортных коммуникаций шахты, оптимизация размеров панели шахты с учетом строительного лага,

- постановка задачи оптимальной раскройки угольного месторождения на шахтные поля, создание методики и алгоритмов для решения поставленной задачи,

- постановка и решение задачи оптимизации генеральной схемы развития шахт акционерного общества с обоснованием их производственных мощностей и распределения капиталовложений с учетом частичного самофинансирования.

Методы исследования

Для решения поставленной задачи в работе использованы методы статистического анализа, моделирования и оптимизации сложных систем, динамического программирования, дихотомии, «золотого сечения», а также методы программирования на ЭВМ.

Основные научные положения, защищаемые автором:

В результате исследований установлена закономерность убывающей предельной эффективности разработки месторождений полезных ископаемых, заключающаяся в том, что при возрастании запасов полезных ископаемых в шахтном поле прирост оптимальной проектной

мощности горнодобывающего предприятия нелинейно убывает и в пределе становится равным нулю.

4, Использование этой закономерности позволило выявить следующие основные зависимости формирования оптимальной проектной мощности шахты:

- оптимальная проектная мощность шахты находится в прямо-пропорциональной зависимости от мощности шахтостроительной организации и обратно пропорциональна удельным капиталовложениям на строительство шахты, темпам инфляции и оптовой цене угля,

- решение задачи оптимизации проектной мощности шахты с постоянным горизонтом расчета (15-20) лет приводит к завышенным значениям мощности по сравнению с решением, полученным с учетом переменного периода оптимизации, равного сроку службы горизонта шахты,

- замораживание капиталовложений в период строительства шахты оказывает значительное влияние на оптимальную проектную мощность, а именно, возрастание эластичности строительного лага вызывает уменьшение оптимальной проектной мощности шахты,

- вследствие существования асимптотической зависимости оптимальной проектной мощности шахты при достаточно больших запасах угля в шахтном поле можно снижать требования по точности их подсчета, так как в этом случае запасы угля, практически, не влияют на значение оптимальной мощности.

2, Исследование инфляционных процессов в динамической постановке показывает, что в случае опережающего роста себестоимости добычи угля по сравнению с оптовой ценой угля чистый дисконтированный доход имеет максимум относительно проектной мощности и промышленных запасов угля в шахтном поле.

3, Основная тенденция изменения оптимальной проектной мощности шахты в Кузбассе в условиях инфляции заключается в снижении ее значения с 2.0 млн. т/год в 1970 г. до 0.5 млн. т/год в 1995 г.

А, В результате проведенных исследований установлено, что строительный лаг и инфляция оказывают влияние на размеры панели шахты. Оптимальная длина выемочного поля уменьшается с возрастанием темпов инфляции по логарифмической зависимости и нелинейно увеличивается с ростом скоростей очистных и подготовительных работ.

о, Эвристический метод группирования вершин, градиентная стратегия и итерационный алгоритм обеспечивают сходимость решения задачи оптимизации транспортной сети со свойствами сети Штейнера-Вебера на плоскости.

6. Метод динамического программирования, дополненный алгоритмом «возвратных коррекций», позволяет построить оптимальную транспортную сеть (Штейнера-Вебера) и более корректно решать задачу оптимальной трассировки подъездных путей с учетом рельефа местности.

7, При решении зад