автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Теоретические основы интенсификации проведения горных выработок буровзрывным способом на рудниках и шахтах

РГ5 од

1 3 ^ ■.....

Российская Федерация

Ордена Октябрьской революции и ордена Трудового Красного знамени институт Горного дела имени А.А.Скочинского

На правах рукописи

ЛЫХИН Павел Александрович

УДК 622

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК БУРОВЗРЫВНЫМ СПОСОБОМ НА РУДНИКАХ И ШАХТАХ

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1995

- г -

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете

Официальные оппоненты: проф.,докт.техн.наук.1Александров В.Е.

проф.,дога.техн. наук 'Мадиованов Д. И. проф..дога.техн.наук 'Ломоносов Г.Г.

Автореферат разослан " " /_1995г.

Защита диссертации состоится ' г ч^с^/гс г-' с 1995г.

Ведущее предприятие - институт. ГИПРОЦВЕТМЕТ.

в часов на заседании; специализированного совета Д. 135.05.02

в Институте горного дела им. А.А.Скочинского по адресу: 140004

Люберцы Московской обл.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, Люберцы Московской обл;, ИГД им. А.А'.Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета проф.,докт.техн.наук

И,Г' и и,у ►€

- 3 -

Общая характеристика работы

Актуальность. Строительство рудников и шахт и их эксплуатация связаны с проведением большого объема горных выработок. В горнодобывающей промышленности России ежегодно проходятся 2-3 млн. метров горных выработок. Из них более 80% составляют горизонтальные подземные сооружения. Сечение горизонтальных выработок обычно 3-25 м2.

В угледобывающих шахтах около 50% горных выработок проходятся с использованием взрывчатых материалов. В горнорудной промышленности буровзрывной способ проходки является доминирующим среди других (87-99% выработок). Он характеризуется сложностью проходческого, цикла и значительными затратами труда и времени яа буровзрывные работы. Трудоемкость бурения и взрывания составляет от 30% (некрепкие породы) до 60% (очень крепкие породы) от общей трудоемкости работ проходческого цикла.

Актуальность проблемы интенсификации проходческих работ в крепких породах определяется не только трудоемкостью процесса и высокими затратами на проведение выработок. Специфика проблемы в том, что она в ближайшие десятилетия может решаться только в рамках технологии буровзрывных работ, не претерпевшей существенных изменений в течение длительного периода. По этой причине возникло противоречие между общей динамикой развития научно-технического прогресса, ростом производительности труда, обеспечиваемым применением в ряде отраслей промышленности принципиально новых технологий, и крайне замедленным изменением традиционных способов работ, производительности труда и стоимости единицы продукции.

Трудность решения проблемы в том, что неизвестны рациональные пути совершенствования и параметры технических средств и организации работ, которые обеспечат значительный рост производительности труда проходчиков.

Рациональные направления совершенствования конструкции забойных машин и их параметры могут быть определены на основании данных прогноза. Для уверенного прогноза необходимо наличие теории . интенсификации проходки выработок буровзрывным способом. Теория технологии проведения выработок буровзрывным способом для использования ее при прогнозировании разработана недостаточно полно.

Д е л ь ю исследований является разработка теоретических основ интенсификации проведения горизонтальных горных выработок сечением

от 5 до 24 м2 буровзрывным способом и среднесрочного прогноза технологических параметров забойных машин и организации работ, обеспечивающих значительное повышение производительности труда проходчиков в условиях рудников и шахт.

Основная идея работы заключается в прогнозировании, специальном научном исследовании перспектив интенсификации проведения выработок буровзрывным способом и прогнозе технологических параметров забойных машин, которые обеспечат в перспективе значительное снижение трудоемкости проходческих работ.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий методы: исследований с использованием пассивного и целенаправленного опытов в производственных условиях и' лабораториях, математической статистики, анализа и обобщения данных литературных источников, математического моделирования с использованием ЭВМ, оперативного, срочного и среднесрочного прогноза.

На защиту выносятся:

1. Методы увеличения подвигания забоя выработки за цикл, в основе которых лежит научное положение:

В устойчивых породах при выбранном сечении выработки (в пределах от 4,4 до 24 м2) с увеличением глубины 1х шпуров (до 6 м) оптимальный к.и.ш. достигается за счет роста удельного расхода шпуро-метров пх и времени бурения.

Зависимость пх от 1Х в указанных пределах аппроксимируется прямой.

2. Метод оценки эффективности цикличных процессов и определения оптимальных соотношений их параметров. В основе метода лежит универсальная функция показателя эффективности (а) цикличного процесса, аргументами которой являются производительность (с) машины и относительные затраты времени (с!) на операции, прерывающие в цикле работу забойных машин числом (Ь):

а - ЬСс'Чс!)"1.

3. Теоретические основы среднесрочного прогноза технологических параметров проведения горных выработок буровзрывным способом, включающие: теорию проходческого процесса как сложной системы взаимосвязи его элементов, операций, параметров, и ее научные положения; систему математического моделирования изменения показателей эффективности проведения выработок; результаты моделирования совершенствования технологии до ее технических и организационных пределов; данные прогноза тенденций развития технологии, полученные ме-

тодом экстраполяции изменения параметров и технологии за период с 1925 г.; характер ритмичности проходческих циклов, исследованный на моделях многозабойной организации работ.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций базируются на результатах целенаправленных экспериментов в забоях шахт и рудников, в лабораториях, результатах пассивного опыта, математического моделирования и проверки модели проходческого процесса на практике.

Число целенаправленных экспериментов в забоях рудников и шахт составляет более 1300, в лабораториях - более 700. Коэффициент корреляции зависимости удельного расхода пшурометров от глубины шпуров - 0,88. Законы распределения времени операций проходческого цикла выведены по данным пассивного опыта более чем 350 смен проходки выработок с суммарным числом выборок более 8 ООО. Верификация прогноза экстраполяции определяется временной шкалой 8-20%. в зависимости от типа кривой экстраполяции.

Научная новизна работы. Результатом теоретических исследований явились:

Теория технологии проведения горных выработок буровзрывным способом, представленная как система знаний, включающая содержательное и количественное описание основных научных положений (частных законов) функционирования проходческого процесса.

Совокупность теоретических положений, правил, приемов прогноза прогрессивного ряда технологических параметров забойных машин, внедрение которых в перспективе обеспечит значительное снижение трудоемкости горнопроходческих работ.

Основные теоретические положения перспектив интенсификации проведения выработок буровзрывным способом, перспективных направлений (на период 10-20 лет) конструирования забойных машин с технологическими параметрами, обеспечивающими значительный рост производительности труда проходчика.

Практическая ценность. Автором устанавливается, что в перспективе трудоемкость проведения выработок буровзрывным способом может быть снижена в 3-5 раз по сравнению со средними достигнутыми показателями. Рекомендуется ряд технологических параметров забойных машин, рассчитанный на непрерывный и значительный рост производительности труда проходчика. Обосновывается целесообразность организации нового направления перспективного конструирования автоматизированных многомашинных бурильных устано-

бок, близких по характеру функционирования к машинам поточного типа. Рекомендуются методы увеличения глубины комплекта шпуров при постоянном сечении выработки и заданном к.и.ж., обеспечивающие минимальные затраты труда и средств.

Для практической реализации цели рекомендуются методики: среднесрочного прогноза технологических параметров технических средств и организации работ в забое, обеспечивающих в перспективе ожидаемый и значительный рост производительности-труда проходчика; формирования прогрессивного ряда технологических параметров забойных машин; выбора оптимального соотношения технологических параметров забойных машин и оптимальных параметров проходческого цикла; исследования многозабойной организации работ с помощью аналитических и аналити-ко-статистических моделей, разработанных на базе теории массового обслуживания; расчета параметров буровзрывных работ на увеличенную глубину шпуров.

Реализация результатов работы в промышленности и в учебном процессе. Практическое внедрение в производство рекомендаций автора нашло свое отражение в документах, составленных под руководством и при непосредственном участии автора: "Технологические схемы механизации и организации проведения горизонтальных и наклонных выработок на строящихся рудных шахтах Урала и Казахстана", МЧМ СССР, Пермь, 1976, 86 печ.л., "Технологические схемы механизации подготовительных работ на угольных шахтах Кизеловского бассейна", ч.I и ч.II, МУП СССР, комбинат "Кизелуголь", Пермь, 1972 и 1973 гг.. 34 печ.л.."Инструкция по безопасному и эффективному ведению взрывных работ в крепких породах для шахт Кизеловского угольного бассейна", МУП СССР. Пермь, 1979, 1,25 печ.л., Проект проведения горизонтальных горных выработок месторождения N99, "Руководство по ведению взрывных работ на калийных рудниках Верхнекамского месторождения", Союзкалий, ВШИТ УФ, Пермь, 1984, 12,2 печ.л.

Общий экономический эффект от внедрения разработок по шахтам и рудникам составил (по имеющимся актам) более 1,77 млн.руб. (по ценам 1990г.).

Основы теории проведения выработок и разработанные автором расчетные методы проходческого цикла внедрены в учебный процесс и изложены в учебных пособиях общим объемом 81 печ.л.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на: Научной конференции, посвященной 50-летию Свердловского горного института, 1967г., Межвузовской научной конференции. г.Москва.

1967г., Всесоюзной научной конференции вузов, г.Москва, 1969г., Научной конференции "Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Севера", г.Ленинград, 1970г., Первой всесоюзной научной технической конференции по проблемам создания и внедрения ' самоходных бурильных установок, г.Фрунзе, 1974г, Седьмом Всесоюзном совещании по БВР. г.Кривой Рог, 1974 г., Объединенном семинаре кафедр, г.Ленинград, 1984г., Ежегодных научно-технических конференций Пермского государственного технического университета, 1962-1993 гг.

"Технологические схемы механизации и организации проведения горизонтальных выработок на строящихся шахтах Урала и Казахстана" внедрены в производство специальным приказом по тресту "Востокшах-топроходка", "Технологические схемы механизации подготовительных работ на угольных шахтах Кизеловского бассейна", ч. I и ч.П внедрены в производство специальным приказом по комбинату "Кизелуголь" и использованы при составлении других схем проходки для этого комбината, "Инструкция по безопасному и эффективному ведению взрывных работ в крепких породах для шахт Кизеловского угольного бассейна" согласована с Госгортехнадзором СССР и утверждена МУП СССР, "Руководство по ведению взрывных работ на калийных рудниках Верхнекамского месторождения" утверждено Объединением "Союзкалий" для использования на рудниках. На конкурсе публикаций научно-исследовательских работ авторский коллектив "Руководства" завоевал Вторую премию.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 140 работах автора (из них 7 монографий) общим объемом 233 печ.л., 65 работ опубликовано без соавторов, издана производственно-внедренческая литература общим объемом 73 печ.л. Часть вопросов диссертации содержится в рукописных работах (Отчеты НИР) общим объемом 140 печ.л.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии, приложений, в ней 212 с. текста, 84 листа рисунков и таблиц.

Основное содерлиняэ работы

3 диссертации проблема перспектив интенсификации проведения выработок буровзрывным способом рассматривалась для горизонтальных горных выработок сечением до 24-30 м2.

Для исследований использовался массив данных результатов пассивного и целенаправленного опытов в лабораториях и в произволе-

гвенных условиях, материалы статистики, теоретические разработки.

При исследованиях использовалась обширная литература по проведению выработок и смежным с ней вопросам. Широко известны труды академиков М.Й.Агошкова, В.В.Ржевского, Е.И.Шемякина, проф. Н.М.Покровского, И.Д.Насонова, Д.И.Малиованова, Б.А.Картозия, Э.Э.Нильва, Г.Р.Ломоносова, И.В.Ляшэнко, Б.И.Федунца, В.Е.Александрова, Н.Г.Петрова, Н.Г.Дубынина, В.Г.Лукьянова, Н.С.Булычева и многих других. Исследования этих ученых оказывают большое влияние на развитие теории и практики проходческих работ, горного дела.

Широкий спектр исследований можно условно разделить на два направления: 1. Исследования, имеющие целью повышение эффективности работ в отдельных операциях проходческого цикла. 2. Разработка методов повышения эффективности технологии проведения выработок з целом, как системы.

В последние годы проблемы второго направления разрабатызались И.В.Ляшенко, Е.И.Роговым, Э.Э.Нильва, И.ЭДейтиным, Г.С.Черепановым и (в меньшей степени) другими авторами.

Очевидно, задача совершенствования технологии проведения выработок может быть успешно выполнена при решении проблем обоих направлений. Однако прогноз, необходимый для этих целей, может быть реализован только по результатам исследований технологии проведения выработок как сложной системы. В опубликованных работах в явно недостаточной степени освещены теория интенсификации проходческих работ буровзрывным способом и теоретические положения среднесрочного прогноза технологических параметров проведения выработок этим методом.

В диссертации теоретические основы технологии проведения выработок представлены как система знаний. Теория включает защищаемые автором научные положения и частные законы функционирования проходческого процесса и выводимые из них следствия, понятийный аппарат. Она обладает объяснительной и эвристической функциями.

В основу методов увеличения подвигания забоя выработки за цикл легло следующее научное положение:

1. Сечение выработки (от 4,4 до 24 м2) и крепость горных пород (от 2 до 18 по шкале М.М.Протодьяконоза) не являются решающими факторами, ограничивающими рост подвигания забоя за цикл ( в пределах до 6 м) с оптимальным к.и.ш. (0,8-0,9).

2. В выработке заданного сечения, проходимой в породах с практически постоянными физико-механическими свойствами, удельный рас-

ход шпурометров и, соответственно, ВВ непостоянный.и при заданном оптимальном к.и.ш. растет с увеличением глубины шпуров.

3. В устойчивых породах подвигание выработки за цикл ограничивается нерациональными в данных условиях затратами времени на буренке, на изготовление дополнительных плоскостей обнажения. Оптимальная глубина шпуров по критерию трудоемкости определяется по совокупности технологических параметров забойных машин и организации работ в забое.

Для обоснования этого научного положения в период с 1950 г. по 1980 г. автором были проведены целенаправленные исследования и пройдены многие сотни метров выработок различного сечения, обобщен богатый опыт проведения выработок, анализированы исследования других авторов.

Диапазон условий проведения опытных работ в забоях шахт и рудников по сечению выработок и крепости пород был достаточно широк. Опытные работы проводились на шахтах и рудниках Урала, Приморского края и Казахстана в горизонтальных выработках сечением от 4,4 до 24 м2 в породах с коэффициентом крепости от 2-3 до 16-18.

В исследованиях решалась задача поиска зависимости изменения удельного расхода числа шпуров и шпурометров и, соответственно, удельного расхода ВВ с увеличением глубины шпуров при постоянном сечении выработки и заданном к.и.ш. По методике в данной выработке предусматривалось последовательное увеличение глубины шпуров от исходной. За исходную принималась глубина шпуров, при которой число шпуров и удельный расход ВВ были минимальные. Такая глубина находится в пределах клинового вруба и названа нами глубиной потального клинового вруба.

При увеличении глубины шпуров число их и удельный расход ВВ оставляли прежним, чтобы с одной стороны, проверить правильность выбора числа шпуров и расхода ВВ при меньшей глубине и, с другой стороны, доказать недостаточность числа шпуров и необходимость увеличения удельного расхода ВВ при увеличенной их глубине.

Каждый прием, ведущий к увеличению глубины шпуров при постоянном к.и.ш., исследовался в различных условиях по сечению выработок и крепости пород и рекомендовались приемы перехода от одной глубины шпуров к увеличенной.

Врубы со скважинами исследозались на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей. Испытывались врубы со скватанами диаметром 0,08, 0,160, 0,215, 0,420 и 0,500м на глубину комплекта шпу-

ров 2,0, 3,0, 4,0, 5,0 м. Врубы со скважинами в таком широком диапазоне по диаметру и глубине в одних к тех же горно-геологических условиях исследовались впервые в бьттем Союзе и за рубежом.

В результате исследований были выявлены типичные зависимости изменения основных параметров взрыва от диаметра скважин, установлены критические расстояния, равные 0,2 м между шпуровыми зарядами в пластичной породе, разработана классификация врубов со скважинами.

При исследованиях конструкции врубов в крепкой породе установлены эффективные и безопасные расстояния между близко расположенными зарядами ВВ в цилиндрическом врубе, разработаны комплекты шпуров для шахт и рудников.

Одним из результатов проведенных исследований является разработка методов увеличения глубины шпуров, позволяющих с наименьшими затратами труда и средств переходить на увеличенную глубину комплекта шпуров в выработке постоянного сечения.

Последовательное увеличение глубины шпуров при постоянном к.и.ш. может быть достигнуто:

1. Простым увеличением числа шпуров в клиновом или аналогично работающем врубе. 2. Применением комбинированных, а также двойных и многоклиновых врубов., 3. Использованием цилиндрических врубов - одним из наиболее эффективных способов увеличения глубины шпуров. 4. Применением специальных приемов, приводящих к уменьшению расхода шпурометров при глубоких шпурах за счет усложнения или вруба или зарядов ВВ. 5. Увеличением диаметра шпуров комплекта (или вруба). 6. Бурением врубовых скважин и изготовлением щелей.

Каждый из перечисленных методов имеет свои пределы увеличения глубины шпуров в зависимости от физико-механических свойств породы и сечения выработки, но в среднем позволяющих увеличивать глубину шпуров в 3 раза и более по сравнению с исходной глубиной нормального клиновго вруба.

Обработка данных исследований, проведенных автором, позволила описать зависимость изменения удельного расхода шпурометров в исследуемом диапазоне трехкратного увеличения глубины шпуров от исходной.

Удельный расход шпурометров, тесно увязанный с временем проходческого цикла, аппроксимируется прямой

Пх - П1^х '17 1 + 31 (1х 11_1-1),

где пх и П1 - удельный расход шпурометров, мш/м3, при глубине шпуров, соответственно, 1Х и - к.и.ш. при глубине шпуров

1Х и Ii; a\ - коэффициент ппппооционапъчпсти, рекомендуемый ai - 1,1 т/и3.

Результатами исследований подтверждается наличие приведенной зависимости в самых различных условиях проведения выработок. Статистическая совокупность данных опыта характеризуется коэффициентом корреляции равным 0,88.

Для скважин также выявляется четкая зависимость роста удельного расхода шпурометров и, соответственно, ВВ с глубиной шпуров.

С увеличением глубины шпуров и подвигания забоя выработки за цикл относительно, на один метр проходки, снижается время уборки породы, бурения шпуров, заряжания-взрывания, проветривания, подготовительно-заключительных операций. Однако с увеличением глубины шпуров рост удельных затрат времени бурения дополнительных шпуров (скважин)" для сохранения к.и.ш. постоянным ограничивает глубину шпуров.

В конкретных условиях может быть найдена оптимальная глубина шпуров, при которой затраты времени на 1 м пройденной выработки минимальные.

Метод оценки эффективности цикличных процессов и определения оптимальных соотношений их параметров. В основе метода лежит научное положение, универсальная функция показателя эффективности цикличных процессов; с помощью универсальной функции устанавливается взаимосвязь медцу основными и неосновными операциями проходческого цикла, параметрами, характеризующими эффективность проходческих работ. В общем виде универсальная функция описывается зависимостью:

а - b(c-1+d)_i,

где а - показатель эффективности работ; d - затраты времени на операции, прерывающие цикл, или на неосновные операции; b - число машин (агрегатов) в забое; с - производительность забойных машин.

В приведенной зависимости отношение bd-1 определяет асимптоту гиперболы и, следовательно, пределы возможного роста показателя а, совершенствования данного технического решения.

Из анализа структуры подобных гиперболических зависимостей следует, что при введении дополнительных связей между определяющими структуру параметрами находятся оптимальные соотношения, при которых обеспечиваются минимальные затраты труда и средств на ведение работ.

Использование функции (а)позволяет оптимизировать проходческий

цикл, выбрать наиболее рациональные в данных условиях забойные маканы и прогнозировать их параметры с целью кратного повышения производительности труда проходчика.

Покажем на примере "жесткую" взаимосвязь параметров в цикличных процессах (рис.1).

Рис. 1. Изменение средней скорости бурения УСр в зависимости от чистой скорости Уч при времени вспомогательных операций; Ьвсп" 1 мин/м (кр.1), бурение одной машиной на установке и Цсп-0,33 мин/м (кр.2, 3, 4), бурение одной, двумя и четырьмя машинами на установке.

Время бурения без учета времени на подготовительно-заключительные операции определяется,средней скоростью бурения

или УСр - ш(Уч"1+1всп)~1. где гп - число бурильных

азтш в забое; Мх1х ~ число шпуров и их глубина, м; 1:ЧДВСП - время чистого бурения и вспомогательных операций при бурении, мин; Уч -чистая скорость бурения, м/мин; - относительное время вспомогательных операций при бурении шпуров, мин/м.

Как было отмечено выше,соотношение лЛвсп-1 определяет асимптоту гиперболы и пределы возможного совершенствования данного технического решения. Например, при времени вспомогательных операций 1ьоп = 3 мин/м и одной машине на установке средняя скорость бурения не может быть больше 0,333 м/мш, даже при увеличении мощности бу-Р'>ышной машины и чистой скорости бурения до бесконечно большой величины (см. рис.1). Очевидно также, что между этими параметрами должны быть оптимальные соотношения, при которых затраты труда, энергии, средств будут минимальными.

Если приведенные затраты на увеличение мощности машин и, соот-

ветственно. чистой скорости бурения принять равными Са, руб.мин/м, а на приращение скорости бурения за счет сокращения времени вспомогательных операций - Сл, то минимум суммарных затрат определится: 1.С - УЧС1 + УчУСр(УчШ -Уср)_1С2.

Откуда стандартным методом определяется экстремум функции - Усргл-1 [1 + (С2СГ1)1/2]_

В частном случае, при Сг - Сь Уч - 2Усрш 1.

Аналогично проявление "жесткой" взаимосвязи между параметрами уборки породы, в других операциях, а также при проведении выработок другими методами, например, комбайнами, щитами.

С помощью разработанного нами метода определяются рациональные соотношения проходческих операций в цикле.

Метод оценки эффективности цикличных процессов используется автором в математических моделях прогноза технологических- параметров проведения выработок.

Теоретическими основами среднесрочного прогноза технологических параметров проходческих работ являются:

а) Теория проходческого процесса, представленного автором как сложная система взаимосвязанных элементов, операций, параметров.

б) Принципы математического моделирования проходческого процесса с помощью аналитических моделей, составленных на базе средних значений параметров цикла.

в) Результаты моделирования совершенствования технологии до ее технических пределов, определяемых по граничным значениям параметров проходческих операций.

г) Данные прогноза тенденций развития технологии, полученные методом зкст'аполяции 60-летнего периода изменения основных параметров технических средств и организации проходческих работ.

д) Характер ритмичности проходческих циклов, исследуемый на моделях многозабойной организации работ.

1. Теория проходческого процесса как сложной системы взаимосвязанных элементов, параметров, операций включает качественное и количественное описание проходческого цикла с помощью математических моделей. Предложенная автором универсальная функция показателя эффективности работ в зависимости от параметров операций, прерывающих проходческий процесс, позволяет определять рациональные пределы совершенствования данного технического решения и оптимальные соотношения между параметрами проходческого процесса. Вскрытый характер взаимосвязи между подвигапием забоя за цикл и основными параметрами

буровзрывных работ открывает практические возможности управления цикличностью проходческих работ.

При исследовании вероятностной характеристики параметров проходческого цикла впервые доказано, что плотности распределения случайных величин вспомогательных операций, простоев и к.и.ш. подчиняются бега -распределению. Установлено, что среднеквадратичные отклонения времени немеханизированных операций на порядок больше, чем аналогичные отклонения времени механизированных работ. Выявлено влияние вероятностных характеристик параметров цикла на его продолжительность в пределах от 6,6 до 8.9 % от средних значений времени цикла, и установлено, что для прогноза правомерно- использование моделей составленных на базе средних значений параметров. Только через средние значения возможно выявление законов функционирования проходческого процесса.

Показатели эффективности проходческого процесса описываются гиперболическими зависимостями и прогрессивно растут при одновременном изменении параметров основных операций (рис.2).

Z. Для целей прогноза разработаны аналитические, наиболее абстрактные модели. Целевыми функциями приняты трудоемкость (производительность) , стоимость и скорость проходки:

L - Тм(ТцПг)-1. U'- U ТДТМ-1, Vr - ТмТц-1,

где L - производительность груда проходчика, м/чел.см.; Тм - число рабочих минут в год, мин/г; и'- стоимость 1 м выработки, руб/м; U - стоимость проведения выработки за год, руб/г; пг - число человеко-смен в году, чел.см./г.; Vr - скорость проведения выработки в год, м/г.

Удельные затраты времени проходческого цикла при последовательной организации работ в забое описываются суммой:

Тц ~ ts+ ty6+ tf)+ tnp+ tBp+ tji30+ t3B-

Время бурения в расчете на 1 м пройденной выработки te - si'm + ai(lxirl - DVcp"1}.

где щ = ®(f,S.b). li- OCf.S.b).

vcp-miv4"1+v0x~1 + tnep (Nx-m)lx"1Nx"1+tcM (Nx-m)(Nxls)J .

Время уборки породы на 1 м пройденной выработки определяется выражениями:

tyel - Spvkpifo1. if в -Slx Pvkp(Slxkpkon + Six kptow^+tnp)"1, kon -®Cf ,S.b, lx). to- ®(Lo.Vi,V2,W,t2,n3B).

где L0 - расстояние до обменного пункта, места разгрузки; w -

б)-от числа проходческих забоев пзб

Рис.2. Относительное изменение времени проходческого цикла, Тц (мин/м3):

а) - от средней скорости бурения уср(м/мин) при трех забоях и глубине шпуров 2,5 м и общей производительности уборки породы Ро(м3/мин): 1-0,19; 2-0,48; 3-0,94; 4-2,37;

б)-от производительности уборки породы Ро(м3/мин) при средней скорости бурения уСр(м/мин): 1-3; 2-0,5;

при различных параметрах: 1-

уср=3 м/мин, Ро - 2,37 м/мин; 2- УСр -1 м/мин, Ро ■ - при изменении мср от 1 до 3 м/мин и Ро от 0,19 до 4 - время простоев в соответствии с кривей 1; 5 -(начальные данные).

'0,94 кг/мин; 3 -0,94 м3/мин; время простоев

объем транспортного сосуда; vi,v2 - скорость движения транспортного сосуда, порожнего и груженого; кр- коэффициент разрыхления породы; tc - время обмена транспортного сосуда на обменном устройстве; коп - коэффициент снижения производительности машины в-забое.

Время проветривания, заряжания и взрывания на 1 м пройденной выработки описывается зависимостями вида:

tB3x - t3Bi(xi+yilx)~1T1. t3Bi =$(f,S,b,lx.n3B), tnx - tni(хг+Уг^)-1*?-1, tm- 0>(f,S,b,lx,Pni),

гдэ Pm -техническая характеристика средств вентиляции забоя;

Х1,Х2,У1,У2- табличные коэффициенты.

Время подготовительно-заключительных операций в расчете на 1 'м пройденной выработки

t'n3o- tngoi^-^lx, tn3oi-$(n3B.tn3x). где tn3x - время подготовки забоя к операциям цикла, зависящее от. характера забоя и мобильности технических средств.

Продолжительность других операций (крепления, настилки пути, навески трубопроводов и др.) изменяется на 1 м выработки пропорционально глубине шпуров и выражается функциональной зависимостью от численности звена проходчиков пзв:

toc = Ф(ЬцрДвр,П3в) , tip ~ tjtplx t.Bp - tgplxl \

t-крЛвр - некоторые организационные параметры крепления и вспомогательных работ, характерные для данного рудника, шахты.

Аналитические модели проверялись и использовались при краткосрочном прогнозе. Они применялись при составлении технологических схем проведения выработок для шахт и рудников Урала и Казахстана.

3. Оценка технических и организационных пределов развития технологии производилась также с помощью математического моделирования с использованием ЭВМ.

При оценке изменения технологических параметров от их исходных до граничных значений предполагалось, что проведение выработки с заданными параметрами обеспечивается необходимыми техническими средствами проведения. Исследователь в данном случае абстрагируется от конструктивного исполнения забойной машины.

Оценка таких возможностей производилась при моделировании проведения выработок в крепких и некрепких породах.

Выявлено, что показатели эффективности и технологических параметров проведения выработок характеризуются степенной и экспоненциальной зависимостями при росте этих показателей в 3 раза и более.

Технологические возможности буровзрывного способа проведения

горизонтальных выработок определяются порядком 1500-3000 м/мес, а трудоемкость работ может быть снижена в 3-5 раз по сравнению с достигнутой.

Сделаны выводы, что последние десятилетия производительность уборки породы в забое росла быстрее, чем производительность бурения шпуров. Возможные ограничения ее роста зависят от теоретической (паспортной) производительности погрузочных машин, тенденция изменения которой удовлетворяет требованию' достижения прогнозируемых значений параметров на конец столетия.

Увеличение чистой скорости бурения в очень крепких породах ограничивается медленным совершенствованием бурильных машин и инструментов. При бурении с бурильных установок, технология бурения с которых циклична, существующая тенденция роста средней скорости бурения не сохранится. Для ее сохранения и соответствующего роста производительности бурения необходимо конструирование бурильных установок, обеспечивающих технологию бурения, близкую к поточной.

С повышением энергетических параметров забойных машин наибольшее снижение трудоемкости проведения выработок достигается при уве-' личении мощности средств бурения. В крепких породах рационально увеличение мощности бурильных машин на установке в 4-5 раз по сравнению с мощностью применяемых технических средств.

Зависимость трудоемкости -проведения 1 м выработки от установленной мощности бурильных и погрузочных машин имеет различный характер, определяемый соотношением времени вспомогательных операций к основным.

4. В качестве вспомогательного прогноза использовался метод экстраполяции тенденций развития технологии проведения выработок.

Для оценки тенденций развития проходческих работ использовались данные практики, которые обрабатывались методами, применяемыми в статистике. Массив статистических данных отбирался по более чем 650 литературным источникам, в основном с 1925 г. В него вошли данные по рудникам и шахтам Сов. Союза, США, Канады, Германии, Франции, ЮАР, Швеции и др. стран. В статистику включена информация собранная непосредственно на шахтах и рудниках, в иахтоуправлениях. По тресту, например, Востокшахтопроходка были собраны и обработаны данные по более чем 150 скоростным проходкам горизонтальных выработок; многолетняя информация собрана по проходческим работам Уральских и Казахстанских рудников.

Фиксировались данные по следующим парамертрам проходческих ра-

бот: скорости проведения выработки, м3/мес, производительности труда проходчика, м3/чел.см., сечения выработки, м2, общей производительности погрузочной машины в забое, м3/час, средней скорости бурения шпуров, м/мин, чистой скорости бурения бурильными машинами различной конструкции в разных условиях бурения, мм/мин.

В литературных источниках обычно описываются примеры высокоорганизованных и чаще скоростных проходок. Поэтому статистические параметры, за исключением сечения выработки и чистой скорости бурения, характеризуют в данном случае технические и организационные возможности проходческих работ по годам исследуемого периода, а не усредненные показатели проведения всех выработок по отраслям.

К каждому из перечисленных параметров предъявлялись определенные требования. Чтобы ограничить влияние на скорость проходки сечения выработки, она оценивалась в кубометрах, число проходок ограничивалось десятью лучшими на каждые 2-3 года из общих 60-70 лет, нехарактерные для рудников проходки (тоннельные), не брались для статистики. Данные по производительности бурильных и погрузочных машин отбирались как по отдельным примерам работы машин в забоях, так и по результатам испытаний машин и исследований; число этих данных в год не ограничивалось. Общее число единичных наблюдений по каждому из исследуемых параметров характеризуется цифрой порядка 500-1000.

Для статистической обработке брался период 60-70 лет, исходя из следующих соображений: период, охватываемый статистикой, должен быть как можно продолжительнее; уверенный прогноз возможен, если прогнозируемый период меньше в 3 раза периода, описываемого кривой, получаемой на основе статистических данных. С двадцатых годов нашего столетия наблюдается интенсивное внедрение в проходческие забои бурильных и погрузочных машин. Забойные машины, особенно при тоннельных проходках, применялись и ранее, однако данные о применении этих машин носят разрозненный характер. В нашем случае, при наличии статистики с 1924г., исследуемый период характеризуется 5^-60 годами, т.е. уверенный прогноз определяется семнадцатью-двадцатью годами.

Кривые по массиву статистических данных подбирались стандартными методами, оценивались дисперсией, коэффициентом корреляции и сравнивались по критерию Фишера.

Обработка имеющихся данных показала, что за прошедший период с 1924-1925гг. до 1995г. тенденция изменения исследуемых параметров может быть описана линейной, квадратичной или экспоненциальной за-

зависимостями (табл.). Наибольшее внимание привлекает экспоненциальное или квадратичное изменение этих параметров, характеризующее наиболее оптимистичный их рост. По большинству исследуемых показателей мы не можем отвергать возможности такого роста в перспективе. Тогда, по прогнозу, к 2000 году (за 10 лет) сечение выработок возрастет в среднем в 1,1 раза, месячная скорость проходки в 1,15, производительность труда проходчика в 1,37. По прогнозу за 10 лет в 1,17 раза возрастет чистая скорость бурения в породах с коэффициентом крепости выше 15.

5. Положение о ритмичности- исследовалось с использованием принципов теории массового обслуживания при многозабойной организации работ. В данном случае обслуживающим "аппаратом" являются проходческие звенья, имеющие в своем распоряжении набор технических средств, забойных машин. Система "проходческие забои" может находиться в разнообразных состояниях. Продолжительность пребывания системы в любом состоянии - случайная величина, зависящая от предыдущих состояний системы, параметров операций и многих случайных величин.

Продолжительность 1-го цикла в З-м забое представляет собой сумму вероятностного времени отдельных операций Тщ ~ + tзBJ + ЬубЗ, мин.

ДЛЯ'того, чтобы знать, что происходит в 3-м забое для 1-го цикла, нужно знать ^61-1, , ч т.е. моменты окончания

бурения, уборки породы в предыдущем забое в момент окончания обслуживания з-го забоя в предыдущем цикле.

Рекурентные соотношения для получения этих величин следующие:

^прбэ - ШакО, ^бз-!-

Ь1звЗ - 7.2"1) + 1]7,2- ^ЭВ1-1+7,2 +

рввгф1««-! 7,2-1]+1)7,24*881-1

+шах0,|--

^^-(¡Узв!-! 7,2-13+1)7,2-11зв1-а .

^пруб! - тахО, ^51-1" - ^звз.

» <А 1 л л 1

ь убЗ - + звз + ^ПРУ65 + Ь

Тенденции изменения исследуемых

Параметры

Значения параметров в зависимости от времени Т (год века; для ехр -Т1- Т - То)

Сечение' выработки, м2

Скорость проходки, м3/мес.

Производительность труда проходчика, м^/чел.смену Производительность погрузочной машины в забое, м^/час Средняя скорость бурения шпуров, м/мин

Чистая скорость бурения, мм/мин, £ до 9 Г 10-14

Г 15-20

2,56 + 0,126 Т 5,887 ехр0,0147 Та; Т0 -25 -3319 + 131,98 Т -5956,46 + 241,77 Т - 1,062 Т 781.41 ехр 0,049Т1; Т0-27 -2,92 + 0,127 Т 4,06 - 0Д68Т + 0,0029Т2 1,23 ехр0,034 Тц То - 25 -26,64 + 1.01Т 14,28 - 0.719Т + 0,017 Т2 6,85 ехр0,0419Т1; То - 26 -0,907 + 0.0306Т 0,091 - 0.014Т + 0,00045 Т2 0,065 ехрО.,066 Ти То - 25 -1099,1 + 34,09Т 471,59 - 29.133Т + 0,597 Т2 148,74 ехр0,054 Тц То - 30 -417,21 + 16,21 Т -90,306 + 2,866Т +0,126 Т2 126,7 ехр0.0418Т1; Т - 29 -328,46 + 10,6 Г -259,94 + 7,71 Т + 0.0277 Т2 25,14 ехр0,072 Ти Т0 -29

Таблица

параметров

Параметры уравнения регрессии

Коэффициент корреляции Критерий Фишера Среднеквадратичное отклонение

парной множественной

0,81 - 2,78 -

- 0,86 2,62 1.32

0,932 - 7,024 752,0

- 0,937 6,987 754,08

- 0,94 2,44 1276,0

0,9 - 5,04 0,884

- 0,956 10,56 0,61

- 0,93 9,12 0,66

0,879 - 4,08 8,09

- 0,906 4,78 7,5

- 0,87 4,58 7,64

0,939 - 7,67 0,195

- 0,938 11,52 0,159

- 0,97 4,1 0,27

0,93 - 6,6 197,4

- 0,994 9,06 168,39

- 0,976 8,5 178,0

0,95 - 9,34 81,82

- 0,95 9,38 81,63

- 0,94 7,04 94,0

0,969 - 15,12 43,07

- 0,966 13,9 44,92

- 0,943 1.57 135,0

Рассчитывая цикл с начала по о от 1 до п, число циклов, а затем по 1 от 1 до т - ЬьСгьЫГ1 + 1, получаем время на проходку первой выработки. Далее, генерируя снова случайную величину и повторив процесс сначалаЛ-1 - 1, получаем набор значений которые используются для построения гистограммы распределения времени проходки о-го забоя. По ходу счета фиксируются простои и, соответственно, время простоя бурильной и погрузочной машины в 3-м забое 1-го цикла.

Исследования проходческого процесса на моделях, составленных на базе теории массового обслуживания, производили для условий проведения выработок в породах с коэффициентом крепости 14-16, применялись бурильные самоходные установки и погрузсчно-доставочные машины. Исследованы одно- и многозабойная организации работ с дополнительным ограничением, увеличивающим сложность системы - ведением взрывных работ в междусменный перерыв.

Установлено, что при наличии дополнительного ограничения имеют место локальные экстремумы по производительности труда проходчиков и коэффициенту использования машин во времени в зависимости от глубины комплекта шпуров. С увеличением сечения выработки область экстремальных значений перемещается вдоль оси в сторону меньших значений.

Время проходки выработки некоторой длины описывается бета-распределением с правосторонней асимметрией.

Установлено, что при трех и Солее забоях простои забойных машин снижаются в три раза (по сравнению с проходкой одним забоем), а глубина шпуров уже не оказывает столь существенного влияния на показатели проходки, как при проведении выработок одним забоем.

Установлено, что с ростом энерговооруженности забоя, с увеличением производительности бурения, уборки породы и снижением времени крепления забоя число циклов в смену может быть увеличено до четырех, а трудоемкость работ снижается при четырех забоях в 4-9 раз в зависимости от принятой глубины шпурсв.

Прогноз технологических параметров технических средств и организации работ в забое, обеспечивающих значительный рост производительности труда проходчика, производился методом моделирования проходческого процесса на математических моделях с использованием ЭВМ.

При оценке достоверности прогноза за исходные принимались основные положения теории технологического прогноза.

Достоверность прогноза связана с понятиями шкал: временной,

- 22 -

вероятностной, семантической и параметрической.

В рассматриваемом случае вероятность события может быть принята за единицу. Такая оценка исходит из принятых нами общих положений непрерывности НТ прогресса, прогрессивного роста технической вооруженности рабочего, производительности его труда.

В пределах рассматриваемой технологии буровзрывных работ теряет смысл изменение семантической шкалы.

Таким образом, рассмотрению подлежат шкалы времени и параметров.

Приоритет одной из шкал определяется в данном случае поставленными при прогнозе целями. Тенденции развития технологии тесно связаны с временной шкалой. Прогноз параметров забойных машин в большей степени оценивается параметрической шкалой.

Прогнозные решения в последнем случае носят активный характер; ставится задача прогноза параметров забойных машин и организации работ з забое, обеспечивающих планируемое повышение производительности труда проходчика; время, необходимое для достижения таких параметров в значительной степени будет зависеть от целенаправленной деятельности научных и производственных единиц, которым будет поручено решение проблемы.

Обоснованность прогноза по временной и параметрической шкалам определяется: 1) природой объекта прогноза, 2) степенью глубины познания объекта, 3) применяемым для прогноза методом.

Природа объекта характеризуется устойчивостью его развития. Прогноз производится в пределах технологии, особенностью которой являются цикличность, наличие некоторого постоянного набора технологических операций и связанных с ними основных функциональных характеристик машин..

Степень глубины познания объекта определяется результатами многоплановых исследований, в процессе которых изучена качественная характеристика взаимосвязей между параметрами проходческого цикла, количественно описаны основные зависимости между ними, выявлена статистическая характеристика основных параметров проходческого процесса, произведена проверка моделей на адекватность в условиях рудников и шахт.

Прогноз производился с помощью математического моделирования, наиболее совершенного из всех известных методов.

В результате предложена методика прогноза прогрессивного ряда забойных машин на базе изменения числа проходческих циклов, кратно-

го времени суток.

Предлагаемый ряд технологических параметров забойных машин рассчлтач на прогрессивное увеллчение производительности труда про-ходчи.са, которое задается степенью изменения этих параметров.

Для бурильных установок эксплуатационная производительность определяется рядом: 0,35; 0,7; 0,96; 1,7; 3,2 м/мин. Для погрузочных машин - 0,165; .0,33; 0,66; 1,1; 1,6 м3/мин. Начальные данные практики, соответственно, 0,206 м/мин и 0,12 ^/ыин. Последние два значения параметров в каждом ряду даны для машин, более отдаленной перспективы.

Рациональные параметры машин определяются по значению их эксплуатационной производительности. В частности, для бурильных установок многократное изменение производительности бурения рационально при внедрении многомашинных установок (рис. 2).

В соответствии с методикой прогноз технологических параметров забойных машин ведется в следующем порядке.

При принятых технических средствах и организации работ определяются число проходческих циклов и продолжительность цикла.

При кратном сокращении времени операций и цикла вычисляется эксплуатационная производительность забойной машины. По ней находится оптимальное соотношение производительности машины в забое и времени подготовительно-заключительных операций, а затем - рассчет-ная (теоретическая) производительность машины и время вспомогательных операций при рациональном соотношении этих параметров.

Изменение объема работ при различном сечении выработки учитывается переходом на другую, близкую к принятой глубину шпуров или на другое время и число циклов, или изменением мощности машины в соответствии с полученным прогрессивным рядом технологических параметров забойных машин.

При изменении крепости породы корректировка ритмичности циклов производится смещением производительности машин по найденному прогрессивному ряду, использованием при необходимости другого типа машины, частичного изменения глубины шпуров.

Исходные значения при прогнозе прогрессивного ряда параметров рекомендуется принимать по средним наиболее распространенным на практике условиям проведения выработок (горно-геологические условия, сечение выработки).

Выше обращалось внимание на то, что увеличение мощности и производительности бурильных установок приводит к неизмеримо большему

повышению производительности труда проходчика, чем соответствующее повышение мощности и производительности технических средств уборки породи. По этой причине задачам совершенствования технических средств бурения должно уделяться, в ближайшей перспективе, наибольшее внимание.

Принимая постоянную численность звена бурильщиков, рационально рассмотреть два пути повышения производительности бурения:

1. Применение многомашинных автоматических установок.

2. Увеличение мощности и, соответственно, скорости бурения бурильной машины.

При реализации первого направления в соответствии с уравнением средней скорости бурения:

уСР - ш(Уч-1 + ^спГ1 средняя скорость бурения, производительность бурения, растет прямо пропорционально числу бурильных машин на установке. Характер этой зависимости не зависит от мощности машин, чистой скорости бурения, затрат на вспомогательные операции (см.рис.1). Он остается неизменным при любых соотношениях затрат на совершенствование бурильной машины и автоматизацию бурения ипуров (рис.3).

н

Рис.3. Изменение средней скорости бурения. уСр, м/мин, в зависимости от числа бурильных машин, ш, при чистой скорости,УЧ , бурения, м/мин: 1, 2 -0,9; 3, 4, 5, 6 - 3,6; времени вспомогательных операций, мин/м: 1,3- 1,4; 2, 4 - 0,7; 5 - 0,39; 6 - 0,19; при отношении расходов на автоматизацию и увеличение мощности машин, Сг:С1, 1, 2, 3, 4 - С2-С1; 5 -С2:Сзг2; 6 - С2:Сг-0,5.

2 4 6 ТП

В зависимости уч - УсрлГ^ИЧСгСа)-1)°>5] затраты Сг могут быть выражены пропорционально числу машин: Сг- С(1)т, где Ссц- иена установки в расчете на единицу скорости бурения машины.

Если затраты на автоматизацию принять прямо пропорциональными числу машин на установке, то приведенное выражение примет вид:

уч - Усрт_1(1+ш0>5).

При относительно постоянных затратах на автоматизацию установки их можно выразить кратными стоимости бурильных машин, Сг- Сшт, например, при т - 5, Сг-5С(1). Тогда оптимальные соотношения между технологическими параметрами будут изменяться прямо пропорционально числу машин, но при переменном коэффициенте пропорциональности.

Суммарная мощность бурильных машин и установки в целом растет также прямо пропорционально числу машин. Теоретически максимальная производительность бурения достигается при числе бурильных машин на установке равном числу шпуров в забое.

Реализация первого направления возможна при автоматизации бурения, позволяющего за счет сокращения времени ручных вспомогательных операций сохранить постоянным численность звена бурильщиков. При этом не исключается повышение производительности бурения за счет роста мощности бурильных машин.

Однако с ростом мощности бурильной машины на установке снижается, как известно, стойкость бурильного инструмента и по этой причине производительность бурения падает, что является трудноразрешимой проблемой. При реализации первого направления мощность единичного удара может быть выбрана оптимальной, а снижение производительности бурения за счет уменьшения мощности единичного удара компенсировано увеличением числа машин на установке.

При реализации второго направления совершенствования бурильных установок также достигается значительное повышение производительности бурения шпуров. Степень этого повышения"зависит от снижения времени вспомогательных операций.

Если время вспомогательных операций не меняется и остается постоянным в расчете на 1 м буримого шпура, то при увеличении чистой скорости бурения рост производительности бурения прогрессивно снижается. При увеличении, например, чистой скорости бурения одной машины с 3,5 до 7,2 м/мин производительность бурения растет всего на 8,8£. Аналогичный эффект повышения производительности бурзния может быть достигнут уже при двух сравнительно маломощных машинах при чистой скорости бурения всего 0,9 м/мин.

При прогрессивном снижении времени вспомогательных операций в расчете на 1 м шпура производительность бурения растет пропорционально увеличению чистой скорости бурения. Однако при значительном росте последней такое снижение времени вспомогательных операций практически трудно реализовать. Так, при автоматизации бурения шпуров глубиной 3,5 м, снижении времени забуривания и перехода от шпура к шпуру до 12 с, при скорости обратного хода равной 8 м/мин и затратах на смену коронки - 0,5 минут на шпур общее время вспомогательных операций на 1 м шпура составит 0,324 мин/м. Даже при ликвидации операции смены коронки, т.е. при снижении затрат на вспомогательные операции до 0,18 мин/м пропорциональное увеличение средней скорости бурения не реализуется при чистой скорости бурения больше 3,6 м/мин.

Уменьшение времени операции смены инструмента в расчете на 1 м шпура также трудно реализовать по причине снижения стойкости бура с увеличением мощности единичного удара машины.

Таким образом доказывается, что многомашинные установки при их автоматизации обеспечивают почти прямо пропорциональный рост производительности труда бурильщика при любых исходных параметрах бурения.

Повышение производительности бурения путем создания автоматизированных многомашинных установок в несколько раз менее энергоемко, чем увеличение мощности бурильных машин.

Путь увеличения производительности бурения только за счет мощности бурильных машин крайне энергоемкий. При нем с. увеличением мощности и энергоемкости машины возрастают трудноразрешимые проблемы снижения времени вспомогательных операций и создания достаточно прочных инструментов, обеспечивающих высокую производительность бурения.

Создание более производительных бурильных машин, обеспечивающих многократное повышение производительности труда бурильщика требует поиска новых направлений конструирования машин, и принципов разрушения породы под коронкой инструмента.

Заключение

В диссертации на основании выполненных автором исследований и разработок осуществлено решение научной проблемы перспектив интен-

сификации проведения горных выработок буровзрывным способом на рудниках и шахтач, имеющей важное народнохозяйственное значение в ускорений научно-технического прогресса при добыче полезных ископаемых.

Практические предложения и выводы базируются на теоретических исследованиях автора, результатом которых явились:

1. Теория технологии буровзрывного способа проведения горных выработок, представленная как система знаний, включающая содержательное и количественное описание положений функционирования проходческого процесса.

2. Система прогнозирования как совокупность методов, научных положений, правил, приемов прогноза прогрессивного ряда'технологических параметров забойных малпш и организации работ, обеспечивающих значительное снижение трудоемкости проведения горных выработок.

3. Теоретические положения перспектив интенсификации проведения выработок буровзрывным способом и характера конструктивного изменения забойных машин.

Теория технологии проведения выработок буровзрывным способом и система прогнозирования включают новые разработанные автором методы и теоретические положения.

1. В'основу методов увеличения подвигания выработки за цикл легло научное положение:

В устойчивых породах при выбранном сечении выработки от 4,4 до 24 м2 с увеличением глубины шпуров до 6 м оптимальный к.и.ш. достигается за счет роста удельного расхода шпуромегров и времени бурения.

Зависимость п* от 1х в указанных пределах аппроксимируется прямой:

пх - П1 + а1(1х11-1-1), где пх и гц - удельный расход шпуро-метров, шм/м3, при глубине шпуров, соответственно, 1* и 1ь м; а±-коэффициент пропорциональности, равный а1=1,1 шм/м3.

2. Метод оценки эффективности цикличных процессов. В основе метода лежит универсальная функция показателя эффективности (а) цикличного процесса, аргументами которой являются производительность машины (с), относительные затраты времени (с1) на операции, прерывающие в цикле работу забойных машин числом (Ь):

а - ЬСс^+с!)-1.

С помощью метода находятся оптимальные соотношения между временем операций цикла и юс параметрами, рациональная степень увели-

чения технической производительности машины и технологические огра-' ничения данного технического решения.

3. Теоретические основы среднесрочного прогноза технологических параметров проходческих работ, включающие:

а) теорию проходческого процесса как сложной системы взаимосвязей его элементов, операций и параметров, составной частью которой являются защищаемые автором научные положения о взаимосвязи между подвиганием забоя за цикл и основными параметрами буровзрывных работ и метод оценки эффективности цикличных процессов;

б) систему математического моделирования с использованием ЭВМ;

в) результаты моделирования с использованием ЭВМ совершенствования технологии проведения горных выработок буровзрывным способом до ее технических и организационных пределов в соответствии с которыми трудоемкость проходческих работ может быть снижена в 3-5 раз по сравнению с достигнутыми результатами;

г) данные прогноза тенденций развития технологии, полученные методом экстраполяции изменения параметров технологии за прошедший период, в течение которого, за 50-60 лет, производительность проходчика возросла в 5 раз, а по прогнозу к 2000 году увеличится еще на 37%;

д) характер ритмичности проходческих циклов, исследованный на моделях многозабойной организации работ и принятый за основу при разработке прогрессивного ряда технологических параметров забойных машин.

Все теоретические положения взаимосвязаны, качественное иди количественное изменение одного из них влечет за собой нарушение всей системы взаимозависимости. Они имеют объяснительную и эвристическую функции и системы следствий.

Установлено, чго

1. Законы статистического распределения времени вспомогательных операций, простоев, параметров^, и. ш. имеют асимметричный характер. Наибольшее влияние на разброс времени цикла, на его стабильность оказывают законы вероятностного распределения времени немеханизированных операций, среднеквадратичные отклонения которых в 10-20 раз больше, чем аналогичные отклонения механизированных операций.

2. Полная автоматизация бурильных установок позволяет не только увеличить скорость бурения, но и до 20% сократить объемы бурения.

3. Применение гидравлических перфораторов на автоматической

бурильной установке нерационально при времени подготовительно-заключительных операций и нетехнологических простоев при бурении больше 35 мин. за цикл.

4. В крепкой и устойчивой породе практически отсутствуют препятствия, увеличения в перспективе глубины комплекта шпуров до 5-6 .м и взрьшания его с оптимальным к.и.и. (0,8-0,9). Бурение комплекта шпуров глубиной до 5-6 м рационально с автоматических бурильных установок.

5. Наблюдается отставание в совершенствовании процесса бурения шпуров по отношению к процессу уборки породы из забоя. В настоящее время рационально увеличение мощности бурильных установок в 4-5 раз по сравнению с применяемыми агрегатами.

Перспективы интенсификации проведения выработок буровзрывным методом и изменения конструкции забойных машин основываются на следующих выводах и разработках автора.

1. Установлено, что б перспективе в породах любой крепости трудоемкость проведения горных выработок буровзрывным способом возможно снизить в 3-5 раз по сравнению с достигнутыми показателями.

2. Рекомендуется метод поэтапного перехода на более высокие параметры эксплуатационной производительности бурильных и погрузочных агрегатов, ,в соответствии с рядами: для бурильных установок, м/мин - 0,35; 0,7; 0,96; для погрузочных агрегатов, м3/мин - 0,165; 0,33; 0,66.

Переход с технологических параметров предлагаемого ряда на технические параметры забойкой машины и организации работ в забое производится с помощью универсальной функции показателя эффективности цикличных процессов.

3. Ограничения, связанные с трудностями уменьшения времени операций, прерывающих работу забойных маиин в цикле, в значительной степени снимаются с увеличением числа бурильных маиин на установке. При проведении горизонтальных выработок сечением 9-20 м2 переход на бурение 4-мя . - 6-ю головками на установке вместо двух позволяет поднять производительность труда проходчика в 1,5-2 раза.

4. Многомашинные бурильные установки при их автоматизации обеспечивают почти прямо, пропорциональный рост средней скорости бурения шуров в забое в зависимости от числа машин при любых исход- -ных параметрах бурения.

5. .Многомашинная автоматизированная установка позволяет без ущерба для ее производительности выбрать оптимальную по условиям

стойкости инструмента энергию удара и тем самым снять проблему, связанную с преждевременным выходом из строя бурового инструмента.

6. Автоматическая бурильная установка должна быть рамной конструкции с манипуляторами, имеющими ограниченную степень свободы перемещения по забою. Рама каретки - поворотная, рассчитанная на стандартное расположение .шпуров. Нелателен переход на проведение выработок круглого сечения.

Выводы и предложения автора обосновываются экспериментальными данными и проверкой результатов опытов на практике. Число экспериментов в забоях рудников и шахт составляет более 700.

Зависимость удельного расхода шпурометров от глубины шпуров получена по массиву данных опытов в различных горно-геологических условиях при проведении выработок сечением от 4,4 до 24 м2. Надежность аппроксимации данных оценивается коэффициентом корреляции равным 0,88.

Статистические законы распределения времени операции, параметров получены на базе хронометражных данных по 350 рабочим сменам с суммарным числом выборок более 8000.

Данные прогноза по различным кривым экстраполяции оцениваются разницей в 8-20%.,

Все теоретические положения работ автора, их следствие, результаты краткосрочного и среднесрочного прогноза интенсификации проведения выработок буровзрывным' способом имеют практическое значение.

Для практического использования, интенсификации проходческих работ рекомендуются:

1. Метод составления прогрессивного ряда технологических параметров забойных машин и для крепких пород ряды эксплуатационной производительности бурильных и погрузочных агрегатов, рассчитанные на прогрессивный рост производительности труда проходчика.

Z. Метод прогноза и расчета технических параметров забойных машин и организации работ в забое по эксплуатационной производительности агрегатов бурения и погрузки породы, расчета параметров с помощью универсальной функции показателя эффективности цикличных процессов.

3. Методы увеличения подвигают забоя за цикл при постоянном сечении выработки и оптимальном к.и.ш., использование которых позволяет бурить и взрывать комплекты шпуров глубиной до 6 м с оптимальным к.и.ш. (0,8-0,9) в выработках сечением от 4,4 до 24 м2.

4. Применение в перспективе многомашинных автоматических бурильных установок и целесообразность их создания.

Рекомендуются методики: среднесрочного прогноза технологических параметров технических средств и организации работ в забое; формирования прогрессивного ряда технологических параметров забойных машин; выбора забойных машин по оптимальным соотношениям их технологических параметров; выбора оптимальных параметров проходческого цикла; моделирование многозабойной организации работ с помощью математических моделей, составленных на базе принципов теории массового обслуживания; расчета параметров буровзрывных работ на увеличенную глубину шпуров.

Практические рекомендации нашли свое отражение в документах, составленных под руководством и при непосредственном участии автора: серии "Технологических схем механизации и организации проведения выработок для шахт и рудников Урала и Казахстана", общим объемом 60 печ.л., "Инструкция по безопасности и эффективному ведению взрывных работ в крепких породах для шахт Кизеловского угольного бассейна" согласованная с Госгортехнадзором СССР и утвержденная МУП СССР, "Руководство по ведению взрывных работ на калийных рудниках Верхнекамского месторождения" утвержденное Объединением "Союзкалий" для использования на рудниках Верхнекамского месторождения", Проект проведения выработок месторождения N39.

Экономический эффект внедрения НИР под руководством и непосредственном участии автора составил более 1,77 млн. руб. (в ценах 1990 г.).

Теоретические положения и расчетные методы проходческого цикла внедрены'в учебный процесс, что отражено в учебных пособиях, изданных общим объемом более 80 печ.л., в том числе в 1993-94 гг. - 21 печ.л.

По результатам среднесрочного прогноза необходимо дальнейшее изучение вопросов конструирования многомашинных бурильных установок, снижения времени проходческих операций, прерывающих работу забойных машин, увеличения коэффициента использования энергии взрыва ВВ и совершенствования буровзрывных работ в забое.

- 32 -

Основные положения диссертации изложены автором в опубликованных монографиях и статьяг;

1.Лыхин П.А. Интенсификация проведения горных выработок. -Свердловск: Металлургиздат, 1957'-. -135 с.

2. Лыхин П.А. Механизация и организация проведения горных выработок . - М.: Недра, 1968.-192 с.

3. Лыхин П.А., Правин A.B., Зшшбершмвдт В.Г. Комплекты шпуров при проведении горных выработок. - М.: Недра, 1973. - 142 с.

4. Лыхин П.А. Перспективы использования гидроперфораторов и бурильных установок в проходческом забое. /МЦМ СССР ЦНИИЦветмет экономики и информации. Горное дело, вып. 6. -М. - 1986. - 56 с.

5. Лыхин П;А. Закон роста показателей эффективности цикличных проходческих процессов и его следствия.//Изв.высш.учебн.завед. Горный журнал, 1985.- N5.- С.53-58.

6. Лыхин П. А. Перспективная оценка интенсификации проходческих работ буровзрывным способом. //Изв.высш.учебн.завед. Горный журнал, 1988,- N2.- С.37-42.

7. Лыхин П.А. Теоретические основы технологии проведения горных выработок. Учебное пособие, - Пермь: ППИ, 1986. -104 с.

8. Лыхин П.А. Зависимость числа шпуров от их глубины.//Горный журнал, 1954.- N7. -С.31-33.

9. Лыхин П. А. Прогнозирование технологических параметров технических средств и организации проходческих работ в крепких породах. Екатеринбург: УИФ "Наука", 1994. -151 с.

10. Лыхин П.А. Качественная характеристика работы взрыва зарядов шпуров с цилиндрическим врубом. //Разработка калийных месторождений. Межвуз. сб. научн.трудов MB и ССО РСФСР. Пермский политехи, ин-т. /-Пермь, 1984.- С.22-29.

11. Лыхин П.А. Об эффективности и безопасности ведения взрывных работ при проведении выработок в крепких породах. //Технология и безопасность ведения горных работ. Межвуз. сб.научн.трудов /-Пермь, 1976. N190. -С.39-45

12. Лыхин П.А. , Соловьев В.А., Колобянин В.Я. Организация работ при проведении нарезных выработок с.использованием самоходного оборудования. //Горный журнал, 1977.- N3.-C. 37-40.

13. Лыхин П.А., Соловьев В.А. О зависимости проходческих работ от технологических параметров каретки. //Шахтное строительство, 1978.-NS.-C.19-22.

14. Лыхин П.А., Пр'авин A.B., Черепанов Ю.А/ Использование ЭВМ для анализа проходческого цикла. //Изв. высш.учебн.завед. Горный журнал, 1968.-N8.-С.142-144.

15. Лыхин П.А., Соловьев В.А., Грайфер Л.Б. Статистические законы распределения параметров и операций проходческого цикла, и резервы повышения производительности труда проходчиков. //Технология и безопасность ведения горных работ. Научн.труды ПЛИ , сб. 1974.--N150.-С.92-99.

16. Технологические схемы механизации и организации проведения горизонтальных и наклонных выработок на строящихся рудных шахтах Урача и Казахстана. //Лыхин П.А., Соловьев В.А.. Колобянин В.Я. и др. -Пермь: МЧМ СССР. ПЛИ, 1976, 26 печ.л.

17. Лыхин П.А., Нерубаев В.И., Мальцев В.М,.'Инструкция по безопасному и эффективному ведению взрывных работ з крепких породах для шахт Кизеловского угольного бассейна. Пермь: МУП СССР, ППИ, 1979. -20 с.

18.Лыхин П.А., Андреев A.A., Соловьев В.А., Вохмянин Б.А., Применение метода цепкого моделирования при разработке математической модели процесса проведения выработок. //Технология и безопасность ведения горных работ. Научн.труды ППИ, сб. /-Пермь: ППИ, 1972.-N115.-С.23-28.

19. Лыхин П.А., Овинников М.Н., Соловьев В.А., Терехов Н.М. Использование метода статистических испытаний для совершенствования организации проведения горных выработок. //Изв. вузов. Горный журнал, 1974.-N9.-С.35-39.

Сдано в печать 5«1.95. формат 60x84/16. Тираж 100. Заказ 1316. Обьвм 2,25 п.л.

Ротапринт Пермского государственного технического университета