Организационно-технологические принципы реализации потенциала современного высокопроизводительного очистного оборудования

Оригинальная статья

УДК 652.512:622.273.24 © О.И. Казанин, А.А. Сидоренко, А.А. Мешков, 2019

Организационно-технологические принципы

реализации потенциала современного высокопроизводительного очистного оборудования

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-12-4-13

КАЗАНИН О.И.

Доктор техн. наук,

профессор РАН,

декан горного факультета

Санкт-Петербургского

горного университета,

199106, г. Санкт-Петербург,

Россия,

e-mail: kazanin@spmi.ru

СИДОРЕНКО А.А.

Канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» Санкт-Петербургского горного университета, 199106, г. Санкт-Петербург, Россия,

e-mail: sidorenkoaa@mail.ru

МЕШКОВ А.А.

Канд. техн. наук, заместитель генерального директора -технический директор АО «СУЭК-Кузбасс», 652507, г. Ленинск-Кузнецкий, Россия,

e-mail: MeshkovAA@suek.ru

Показана актуальность решения проблемы повышения полноты использования потенциала высокопроизводительного очистного оборудования в длинных очистных забоях угольных шахт России. Выполнен анализ современных методов и предложен методологический подход для оценки эффективности использования оборудования длинных очистных забоев, основанный на оценке степени реализации его теоретической производительности. Рассмотрены основные причины плановых простоев и снижения производительности очистных механизированных комплексов, связанных с технологическими особенностями их применения в лавах. Выполнена оценка теоретической и технической производительности современных очистных комбайнов. Проанализированы основные причины неплановых простоев высокопроизводительных комплексно-механизированных забоев. Разработаны рекомендации по повышению эффективности использования оборудования за счет снижения продолжительности плановых и неплановых простоев и повышения продолжительности времени работы очистного оборудования в режиме максимальной производительности. Показано, что основной причиной существенного отставания показателей работы выемочных участков в России от показателей работы шахт ведущих угледобывающих стран мира являются недостаточная эффективность применяемых пространственно-планировочных решений, технологий проходки выработок, перемонтажа оборудования, способов управления газовыделением и состоянием массива на выемочных участках, а также организационные факторы. Даны рекомендации по повышению длины лавы для снижения плановых простоев, повышения времени работы очистных комбайнов в режиме максимальной производительности и создания резерва времени для исключения внеплановых простоев оборудования, связанных с несвоевременной подготовкой выемочных участков. Обоснованы организационно-технологические принципы повышения эффективности использования потенциала оборудования комплексно-механизированных очистных забоев. Ключевые слова: подземная разработка, угольный пласт, очистной забой, технико-экономические показатели, оборудование, организация работ, простои, коэффициент машинного времени, производительность, перемонтаж, проходка выработок.

Для цитирования: Казанин О.И., Сидоренко А.А., Мешков А.А. Организационно-технологические принципы реализации потенциала современного высокопроизводительного очистного оборудования // Уголь. 2019. № 12. С. 4-13. DOI: 10.18796/00415790-2019-12-4-13.

ВВЕДЕНИЕ

Повышение уровня концентрации горных работ на угольных шахтах, то есть снижение количества действующих очистных забоев при увеличении их производительности является общемировой тенденцией развития технологии подземной угледобычи. Количество действующих комплексно-механизированных очистных забоев (КМЗ) на шахтах России за период с 2000 по 2019 г. снизилось со 170 до 54, а среднесуточная нагрузка на КМЗ за этот период возросла с 1324 до 5006 т/сут. [1]. В августе 2018 г. на шахте им. В.Д. Ялевского установлен мировой рекорд производительности длинного очистного забоя - 1,627 млн т/ мес. (более 60000 т/сут.). Широкое применение в шахтах России современного надежного высокопроизводительного очистного оборудования позволило существенно повысить эффективность подземной угледобычи. И, тем не менее, несмотря на отдельные рекорды, средние показатели работы КМЗ у нас в стране по-прежнему значительно уступают аналогичным показателям шахт ведущих угледобывающих стран мира (США, Австралия).

В качестве одной из основных причин такого отставания традиционно приводились ссылки на более сложные горно-геологические условия ведения горных работ в шахтах России. Но в настоящее время большинство шахт, которые работали в сложных условиях, закрыты. Сегодня в различных бассейнах введены в эксплуатацию современные угледобывающие предприятия, отрабатывающие участки месторождений в благоприятных горно-геологических условиях. Вместе с тем высокая надежность и энерговооруженность современного очистного оборудования предопределяют его высокую стоимость, а низкая эффективность применения зачастую ставит вопрос об экономической целесообразности его приобретения. По данным [2], потенциала современного оборудования КМЗ достаточно, чтобы при отработке пласта мощностью 4 м комбайном с шириной захвата 1 м и скоростью подачи 25 м/ мин в лаве длиной 300 м обеспечивать производительность 8400 т/ч. При работе комбайна 20 ч/ сут. и 300 дней в году уровень добычи составит 168 тыс. т/сут., или 50 млн т в год при подвигании очистного забоя 75 м/ сут., или 22 км в год. В этой связи задача обеспечения полной реализации потенциала современного высокопроизводительного оборудования в условиях шахт России является чрезвычайно актуальной.

Целью данной работы являются анализ современных подходов к оценке эффективности использования оборудования и обоснование организационно-технологических принципов интенсивной подземной разработки угольных пластов, основанных на наиболее полной реализации потенциала современного высокопроизводительного очистного оборудования, обеспечивающих существенное повышение эффективности подземной угледобычи.

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ

К ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ЛАВ

Для оценки эффективности производства в настоящее время широко применяется метод OEE (Overall Equipment Efficiency), позволяющий выявлять потери времени и

причины недостаточно эффективной работы оборудования [3]. По существу, показатель ОЕЕ представляет собой отношение полностью продуктивного времени работы (идеального времени производства) к плановому времени работы. Сравнение показателя ОЕЕ в различные периоды работы позволяет оценить изменение эффективности производства. Также целесообразна оценка текущего уровня эффективности производства относительно целевых значений, например достигнутых в условиях заведомо эффективного производства. Расчет ОЕЕ осуществляется по формуле [3]: ОЕЕ = Доступность х х Производительность х Качество, (1) где Доступность = Рабочее время /Плановое время; Производительность = Произведенная продукция/(Идеальная скорость х Рабочее время); Качество = Качественная продукция /Произведенная продукция.

При рассматриваемом подходе основными причинами потери эффективности производства являются: простои оборудования; снижение скорости производства; потери качества продукции.

Наилучшие мировые показатели ОЕЕ достигают величины 85,4% при следующих значениях критериев эффективности: Доступность - 90%; Производительность - 95%; Качество - 99,9%, однако среднее значение показателей ОЕЕ не превышает 60% [3].

Подстановка значений критериев в формулу

Таким образом, ОЕЕ определяется как отношение объема качественной продукции к общему количеству продукции, произведенной при отсутствии простоев и работе оборудования с идеальной производительностью.

Применение метода ОЕЕ рекомендуется и для оценки текущего уровня эффективности работы оборудования длинного очистного забоя и разработки стратегии по повышению такой эффективности [4, 5, 6, 7, 8, 9]. В то же время использование метода ОЕЕ для оценки эффективности использования очистного оборудования на угольной шахте требует анализа большого объема исходных данных и может быть затруднено по целому ряду причин:

- плановое время производства не является величиной постоянной, определяется целым рядом факторов (параметрами реализуемых технологий и организацией производства), а потому объективная количественная оценка является затруднительной;

- снижение скорости производства при работе очистного забоя связано, главным образом, с цикличной организацией производства и необходимостью выполнения самозарубки комбайна, в связи с чем расчет снижения производительности не имеет существенного практического значения, а предлагаемые другими авторами подходы к его осуществлению [4, 5, 6] являются трудоемкими;

- оценка качества продукции при подземной угледобыче с применением очистных комбайнов путем расчета показателя качества через долю качественной продукции в общем объеме продукции является некорректной, поскольку снижение качества в рассматриваемых усло-

виях является, как правило, следствием переизмельчения угля или повышениея его зольности в результате засорения пустой породой, что не приводит к потерям продукции, а предопределяет лишь снижение ее цены.

Для упрощения количественной оценки эффективности использования оборудования очистных забоев нами предлагается оценивать степень реализации производственного потенциала очистного комбайна с учетом его теоретической производительности.

Теоретическая производительность современного очистного комбайна - это максимальная ожидаемая производительность за единицу времени непрерывной работы в заданных условиях эксплуатации, которая рассчитывается в соответствии с действующим ГОСТ [10]: N

CL =-, т/мин

60Э„П

где N - установленная мощность приводов комбайна на выемку пласта и подачу комбайна (далее - установленная мощность приводов комбайна), кВт; Эрп - энергоемкость резания и погрузки горной массы на конвейер, кВт-ч/т.

Наибольшей энерговооруженностью (в 2-4 раза превышающей показатели отечественного оборудования) характеризуются современные очистные комбайны, производимые фирмами Eickhoff, Joy, Caterpillar в Германии и США (табл. 7).

Энергоемкость выемки и погрузки горной массы определяется сопротивляемостью пластов резанию и составляет от 0,45 до 0,8 кВт-ч/т [10]. Таким образом, теорети-

ческая производительность современных энерговооруженных очистных комбайнов может достигать больших величин: при отработке мощных пластов с использованием, например, комбайна SL 900 (фирмы Eickhoff) с установленной мощностью 2554 кВт - 53-94 т/мин, а при отработке пластов средней мощности с использованием комбайна 7LS2 (фирмы JOY) с установленной мощностью 922 кВт - 19-34 т/ мин. Максимальную установленную мощность 2925 кВт имеет комбайн 7LS8 фирмы (Joy), предназначенный для выемки пластов 4,5-7,2 м, теоретическая производительность которого составляет 60-108 т/мин (рис. 7).

Техническая производительность очистных комбайнов определяется с учетом коэффициента использования установленной мощности приводов комбайна, который согласно ГОСТ [10] зависит от конструктивной схемы комбайна (одношнековая или двухшнековая), схемы выемки пласта (односторонняя, уступная, челноковая), вынимаемой мощности пласта (наличие отжима угля) и диаметра исполнительного органа и принимает значения от 0,525 до 1,105. Так, например, техническая производительность двухшнекового комбайна, работающего по челноковой схеме, составит 93% от теоретической производительности при отработке пластов средней мощности и 110,5% при отработке мощных пластов. Таким образом, в идеальных условиях техническая производительность рассматриваемых в примере комбайнов могла бы достигать 84-149 тыс. т/сут. и 25-45 тыс. т/сут. при отработке пластов средней мощности и мощных соответственно комбайнами SL 900 и 7LS2.

Таблица 7

Технические характеристики современных высокопроизводительных очистных комбайнов

Фирма производитель (страна) Модель Вынимаемая мощность, м Ширина захвата, м Установленная мощность электродвигателей, кВт (резание/ подача) Максимальная скорость, м/мин Коэффициент готовности

Eickhoff GmbH SL300 1,4-4,5 0,63-1,1 1158 (2x480/2x80/2x15) 40 0,98

(Германия) SL500 2,2-6,0 0,67-1,2 2015 (2x1000/2x90/35) 37 0,98

SL750 1,8-4,8 н/д 1894 51 0,98

SL900 2,4-6,0 0,8 2554 48 0,98

SL1000 3,0-8,6 н/д 2800 41 0,98

Joy 7LS0 1,3-2,1 0,813-1,156 814 18 0,98

(США) 7LS1 1,4-2,8 0,813-1,156 861 (2x375/2x50) 20 0,98

7LS2 1,4-3,3 0,813-1,156 922 (2x375/2x80) 18 0,98

7LS3 1,7-4,0 0,813-1,156 922 (2x375/2x80) 18 0,98

7LS4 1,8-4,78 0,93-1,156 1460 (2x610/2x110) 12 0,98

7LS5 2,0-4,5 0,813-1,156 2050 20 0,98

7LS6 2,5-5,0 0,813-1,156 2330 30 0,98

7LS7 2,8-6,5 0,813-1,156 2345 30 0,98

7LS8 4,5-7,2 0,813-1,156 2925 40 0,98

4LS5 1,5-3,3 0,63-1,0 772 (2x335/2x40) 20 0,98

6LS1 1,8-3,8 0,762-1,02 1099 (2x447/2x45) 21,3 0,98

4LS20 1,4-3,3 0,813 681 (2x285/2x50) 12 0,98

Caterpillar EL1000 1,6-3,2 0,85 1200 (2 x 500/2х100) 29,5 0,98

(США) EL2000 1,8-4,5 0,85 1900 (2x750/2x200) 32 0,98

EL3000 2,5-5,5 0,85 2295 (2x860/2x240) 32 0,98

EL4000 4,0-7,0 0,85 2295 (2x860/2x240) 32 0,98

х s

S

110 100

90 SO 70 60 50 40 30 20 10 0

1.5-3 м

Область применения (вынимаемая мощность пластов, м) 1.S-4.5 м

.0-6,6 и 108,3

Шш Г ш I

III"

14,2 ™ IV

(Л к-i

¥ &

Г !

(Л

Модель комбайна

Рис. 1. Теоретическая производительность и область применения очистных комбайнов Fig. 1. Theoretical performance and scope of shearers

500 450 400

¡a :

IB

300 250 200 150

-..: kJJV4 30% # 35% i_

31

3J% « 19% • 39% 25% 15% 23%

. к - п*т * Ш . о* 30% + 12% * 13%

11% • 20% 13%

ф 37% • 14%

4 9%

Рис. 2. Показатели эффективности использования оборудования КМЗ в лавах США при разных значениях длины лавы и вынимаемой мощности пласта

Fig. 2 Performance indicators for the use of complex mechanized face equipment in US lavas at different values of the length of the lava and the extracted reservoir thickness

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Вынимаемая мощность пласта, м

4,0

4,5

Следует отметить, что достижение реализации 100%-ного теоретического потенциала оборудования невозможно, поскольку фактически сложившийся технологический стандарт работы КМЗ предусматривает плановые (технологические) простои для выполнения работ, предусмотренных применяемыми технологиями и техникой, в том числе монтажно-демонтажные работы, плановые работы по обслуживанию и ремонту, концевые операции и т.д. Расчет технологического потенциала может быть осуществлен на основе определения теоретического потенциала и учета планового времени работы комбайна (рис. 2) и коэффициента машинного времени. Такой расчет потребует учета специфических осо-

бенностей и параметров применяемых технологий, что осложнит выполнение.

Очевидно, что расчет теоретического потенциала предусматривает сравнение его с недостижимым пределом, степень реализации которого, определяемая, в том числе, эффективностью применяемой технологии, и характеризует эффективность использования оборудования. Очевидная зависимость эффективности использования оборудования от применяемой технологии (организации и проведения подготовительных, очистных, монтажно-демонтажных и других работ) предопределяет необходимость поиска и реализации технологий, обеспечивающих наиболее полную реализацию потенциала техно-

логического оборудования, что и является решением поставленной задачи.

На рис. 2 представлены результаты оценки величины реализованного теоретического потенциала оборудования лав в США (2018 г.), полученные на основе обработки данных [11]. Расчет теоретического потенциала осуществлялся из предположения о возможности работы оборудования с максимальной производительностью в течение календарного года (идеализация производства), а фактическая эффективность рассчитывалась как доля фактической добычи в полученном теоретическом потенциале. Наибольшей эффективностью характеризуется работа лав длиной более 400 м (см. рис. 2), а также лав, отрабатывающих более мощные и продуктивные пласты угля (за счет снижения энергоемкости разрушения благодаря отжиму). Установленной тенденции противоречит достигнутая максимальная эффективность оборудования при длине лавы 213 м, соответствующая работе лавы с минимальной установленной мощностью очистного комбайна. Указанное противоречие, по нашему мнению, объясняется тем, что установленная мощность современных комбайнов реализуется неэффективно, в том числе путем расхода энергии на переизмельчение угля. Эффективность реализации теоретического потенциала для рассмотренных шахт в среднем составила 23%, а при максимальной - 37% (см. рис. 2).

Указанным средним значениям лав США соответствует работа лавы № 50-03 на шахте им. В.Д. Ялевского, что обусловлено значительными неплановыми простоями, поскольку в период продуктивной работы в рассматриваемый период месячная производительность лавы характеризовалась рекордными показателями мирового уровня 1400000-1500000 т/мес. и соответствовала наиболее полной реализации технологического потенциала.

Отметим, что большое значение при оценке эффективности применения оборудования имеет временной период, в течение которого такая оценка осуществляется. Проблема в том, что оценка эффективности работы оборудова ния в течение смены хара ктеризует эффекти в-

КА.1ЕНДЛР1ЮЕ ВРЕМЯ

f24 часа х дней)

КАЛЕНДАРНОЕ ВРЕМЯ ПРО IПВД)ДС1В А

ПЛАНОВОЕ ВРЕМЯ PAU) Ш КОМБАЙНА

ФАКТИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ РАБОТЫ КОМВАЙПА

¡речи райпгы кпмпипиа t M t Jit HMUMCOfl <||>«1па(Ш1Тг.1М1нг11-ь>

Рис. 3. Структура рабочего времени и простоев высокопроизводительного очистного оборудования

Fig. 3. The structure of working hours and downtime of high-performance sewage treatment equipment

ность производства в течение слишком краткого промежутка времени и не позволяет оценить эффективность с учетом устойчивости работы оборудования, что подтверждается рекордами суточной производительности, и невозможностью длительного поддержания подобного высокого уровня эффективности работы.

Некорректным следует признать учет временного промежутка, равного одному месяцу, поскольку ряд длительных простоев, характерных для современной технологии добычи, возникает с частотою, определяемой также и перемещением оборудования на новый выемочный участок, то есть фактической нагрузкой на очистной забой, размерами выемочного столба и мощностью пласта.

При интенсивной отработке запасов пологого угольного пласта и эффективной организации производства отработка выемочного участка с последующим перемонтажем оборудования осуществляется примерно один раз в год. Существенные отклонения от такой частоты возникают при продолжительных неплановых простоях [12]. Полная оценка эффективности применения оборудования должна осуществляться за весь срок службы оборудования.

ПРИЧИНЫ ПРОСТОЕВ ОБОРУДОВАНИЯ

Эффективность использования оборудования КМЗ может быть оценена с использованием схемы распределения времени (рис. 3), из которой следует, что календарное время производства несколько меньше общего календарного времени, что обусловлено наличием праздничных и выходных дней.

Плановое время производства определяется как разность между календарным временем производства и плановыми простоями, которые связаны с особенностями принятой технологии и организации труда на шахте. К числу основных плановых простоев можно отнести простои, связанные с выполнением монтажно-демонтажных работ, выполнением подготовительно-заключительных и концевых операций, плановым ремонтом и обслуживанием оборудования.

Длительность плановых простоев определяется принятой организацией работ, техникой и технологиями ведения добычных и подготовительных работ (включая монтаж-демонтаж). Так, например, принятая нормативная продолжительность плановых простоев для выполнения монтажно-демонтажных работ при использовании технологии формирования де-монтажной камеры очистным комплексом зависит, главным образом, от вынимаемой мощности пласта и длины лавы (веса и размеров очистного оборудования) и составляет для шахт России при длине лав 300 м 45 дней и 60 дней для пластов средней мощности и мощных соответственно. В то же время, период перемонтажа оборудования КМЗ для шахт США, как правило, не превышает 14 дней. Следует отметить, что применениесовременного надежного оборудования позволя-

Ни? к ля эффективность у и и явления га чо о выделен и см на выемочных участках:

Низки ft »ффскТАВиООь вровегрнвяник

Рис. 4. Основные причины неплановых простоев оборудования лав Fig. 4. The main causes of unplanned downtime of equipment lava

Низкая эффект и л ость дегазации

Низкая эффскзивноп'!- изрлвровяинОго от в Ojia MBí:

Самолозгордиие угля

4

НЕПЛАНОВЫЕ Ш'ОСГОИ

Нарунм-ния работы агномогатглыиик систем:

Трансг«рт

Вентиляция я дегазация

Водоотлив

' > н ер i и г иайже м м е

Пнжан зффективность уирявлевнн fí] fin ни и см массива горячие пород:

Нарушь вне зктплуятяцвоииого сосгонннн

V ЧН t l k Ll К 1.1 \ н hi р и tu mi к

ОрГЯННЗНЦИОННЫ? [ЦШЧННЫ:

HftBotBpf чгнвля подготовка

новым выемочных учясгков

Нарушения в организации

МИНTHЖНИ .'ICIUMI I 9XUMI |)н6и г

ВЫКАЛЫ h'pflR.'IH н лат1

Динамические и н а зод н вя мическне явления

о \о

IV т

т

о

IV X

IV !£ т

а

& S

ft Л

I

ПРОСТОИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

СВЯЗАННЫЕ с

HECBOtBPt.MI ÜHOÜ ПОД! ГОТОВКОЙ нового

ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА

я

Л

i

.и

f

з

Месяц

!

Д

i 5

I

i

!

Рис. 5. Простои оборудования из-за несвоевременной подготовки выемочного участка Fig. 5. Equipment downtime due to untimely preparation of the excavation site

ет сократить время на проведение планового ремонта и обслуживание оборудования.

Фактическая продолжительность работы очистного комбайна обычно существенно ниже плановой, что обусловлено наличием целого ряда причин (рис. 4), вызывающих незапланированные простои оборудования (рис. 5).

Наиболее длительные (от 1 до 6 мес.) простои высокопроизводительного оборудования КМЗ связаны со следующими причинами: несвоевременная подготовка новых выемочных участков (см. рис. 4), нарушение эксплуатационного состояния участковых подготовительных выра-

боток, превышение плановой длительности монтажно-демонтажных работ, возникновение эндогенных пожаров. Из них наиболее частыми являются несвоевременная подготовка выемочных участков и превышение плановой продолжительности монтажно-демонтажных работ.

В качестве примера в табл. 2 представлены результаты анализа длительности простоев оборудования (превышения плановой продолжительности работ) в периоды ведения монтажно-демонтажных работ. Как следует из табл. 2, средняя длительность непланового простоя составляет 35 дней.

Таблица 2

Результаты анализа эффективности проведения монтажно-демонтажных работ на шахтах АО «СУЭК-Кузбасс»

Лава Плановая продолжительность работ, сут. Фактическая продолжительность, сут.

(демонтируемая /вводимая в эксплуатацию) Формирование демонтажной камеры Перемонтаж Общая продолжительность Формирование демонтажной камеры Актированные работы Чистое время пере-монтажей Общая продолжительность

13-58/13-80 15 45 60 19 0 26 55

13-80/13-78 15 49 64 21 3 31 55

13-78/13-58-2 17 47 64 24 6 34 64

13-58-2/13-85 21 40 61 16 2 33 51

13-85/13-86 21 40 61 18 0 31 49

804/802 12 52 64 21 0 45 66

802/801 15 45 60 21 30 48 99

12-10/12-10 18 50 68 29 17 40 86

52-07/52-09 14 45 59 21 50 40 111

52-09/52-11 15 45 60 25 91 40 156

24-56/24-57 15 30 45 35 27 22 84

25-94/25-95 15 30 45 33 25 42 100

24-57/24-58 15 30 45 14 1 48 63

17-32/17-33 14 45 59 28 0 43 71

17-33/17-34 15 42 57 23 7 48 78

17-34/17-31 25 41 66 26 12 44 82

52-09/52-10 15 45 60 39 85 37 161

52-10/50-02 15 45 60 21 14 40 75

17-47/17-49 14 54 68 23 39 48 110

70-08/70-09 21 69 90 43 82 83 165

67-10/66-06 14 45 59 23 53 42 118

66-06/66-05 14 19 33 32 103 24 159

Средние значения 16 43 59 25 29 40 94

В условиях интенсивной отработки выемочных участков и высокой скорости подвигания очистных забоев для своевременного воспроизводства фронта очистных работ необходимо применение рациональных пространственно-планировочных решений, совершенствование технологий проходки выработок, а также технологий перемонтажа очистных механизированных комплексов. Под рациональными пространственно-планировочными решениями предполагается такая раскройка шахтных полей (выемочных участков), которая обеспечивает минимальное количество перемонтажей оборудования вследствие подготовки к выемке в пределах выемочного участка максимально возможного с точки зрения ресурса оборудования, объема запасов и минимального удельного объема проходки выработок на 1 м подвигания очистного забоя. Для увеличения объема подготавливаемых в пределах выемочного участка запасов необходимо увеличивать их размеры (длина лав, длина столбов). Удельный объем проходки определяется выбором способа подготовки (две, три или четыре выработки с каждой стороны выемочного столба), который обеспечит эффективное управление газовыделением и управление состоянием массива на выемочном участке. Приемлемым значением является удельный объем проходки 3-4 м на 1 м подвигания очистного забоя.

Существенное снижение простоев при применяемых базовых технологиях подземной угледобычи (добыча, проходка, монтаж-демонтаж) возможно за счет организационных решений по синхронизации очистных, подготовительных и монтажно-демонтажных работ.

Меньшую длительность, но более высокую частоту имеют простои, связанные с ограничениями нагрузки на очистной забой по газовому фактору при отработке газоносных угольных пластов, простои вследствие геомеханических факторов (неудовлетворительное состояние выработок и (или) сопряжений, вывалы кровли, отжим и прочее), а также в связи с выходом из строя оборудования. Анализ простоев оборудования лав АО «СУЭК-Кузбасс» в первом полугодии 2016 г. показал, что длительность простоев, связанных с энергомеханическими причинами, достигла 2247 ч, что составляет 31% от длительности всех простоев; простои по горно-геологическим причинам вместе с прочими причинами составили суммарно 3231 ч (45% от общей длительности простоев). Поэтому для обеспечения надежности и безопасности работы и повышения эффективности использования оборудования требуется ведение комплексного мониторинга и контроля всей совокупности технологических и природно-техногенных процессов на шахтах. В соответствии с действующими в Рос-

Рис. 6. Потери, обусловленные снижением скорости подачи машины [5] Fig. 6. Losses due to a decrease in the feed rate of the machine [5]

сии правилами безопасности в угольных шахтах [13] в горных выработках шахты, надшахтных зданиях и сооружениях должен быть оборудован комплекс систем и средств, обеспечивающий организацию и осуществление безопасности ведения горных работ, контроль и управление технологическими и производственными процессами в нормальных и аварийных условиях. Общемировым трендом организации такого мониторинга и контроля, обеспечивающего снижение (ликвидацию) простоев, является реализация концепции «умная шахта» [14].

ПРИЧИНЫ СНИЖЕНИЯ

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМБАЙНА

График, поясняющий снижение производительности в результате изменения скорости подачи выемочной машины, представлен на рис. 6.

Снижение производительности комбайна наблюдается в период самозарубки комбайна для выемки новой полосы угля, при работе комбайна по односторонней или уступной схеме, а также на начальном и заключительном этапах каждого цикла (см. рис. 6). В таких случаях коэффициент машинного времени не отражает эффективности использования оборудования, и рекомендуется рассматривать время работы комбайна в режиме максимальной производительности. Следует отметить, что такое снижение производительности, вызванное снижением скорости работы очистного комбайна, предусматривается сложившимся стандартом технологии и организации работ в очистном забое.

Увеличение длины лавы, при прочих равных условиях, приводит к повышению продолжительности производительной работы комбайна в течение каждого цикла и уменьшению количества циклов, вследствие чего сокращаются суммарное время выполнения концевых операций и их доля в общей продолжительности смены. Это объясняет одну из причин меньших значений коэффициента машинного времени в КМЗ шахт России по сравнению с шахтами США. Так, в 2018 г. 14 из 40 лав на шахтах США имели длину свыше 400 м (максимальная длина лав составляла 482 м, а средняя - 372 м), в России в указанный период работала только одна лава длиной 400 м.

ПРИЧИНЫ СНИЖЕНИЯ КАЧЕСТВА

ДОБЫВАЕМОГО УГЛЯ

Применительно к работе длинного очистного забоя критерий качества учитывает снижение качества угля как товарной продукции по следующим причинам:

- снижение сортности угля при переизмельчении угля комбайном;

- засорение угля в результате присечки боковых пород;

- увеличение влажности угля вследствие повышенных водопритоков;

- засорение угля из-за вывалов пород кровли.

Устранение первой и второй причин достигается выбором выемочной машины, наиболее соответствующей горно-геологическим условиям; третьей и четвертой причин - выбором рациональных пространственно-планировочных решений (направление подвигания забоя, расположение относительно зон ПГД), а также применением способов управления состоянием массива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненный комплекс исследований позволяет сформулировать общие выводы в отношении организационно-технологических принципов реализации потенциала современного высокопроизводительного очистного оборудования.

1. Повышение полноты использования потенциала современного оборудования является одним из основных направлений увеличения эффективности работы КМЗ и необходимым условием обеспечения конкурентоспособности угледобычи в современных условиях. Для этого пространственно-планировочные решения, выбор оборудования и другие проектные решения должны приниматься на основе качественного прогноза горногеологических условий разработки.

2. Пространственно-планировочные решения, выбранные система разработки и технологическая схема подготовки и отработки выемочных участков должны обеспечивать минимальное количество перемон-тажей оборудования КМЗ в течение срока службы шахты и минимальный удельный объем проходки выработок на 1 м подвигания очистного забоя. Это достига-

ется при подготовке к выемке в пределах выемочного участка максимально возможного с точки зрения ресурса оборудования, объема запасов. Так, в наиболее технологически развитой российской угольной компании АО «СУЭК-Кузбасс» за период с 2005 по 2018 г. средняя длина лавы возросла с 215 до 400 м, средняя длина выемочных столбов за этот период возросла с 1,3 до 2,5 км [15]. Новые участки планируются длиной до 3,5 км и более с концентрацией в пределах выемочного участка запасов угля до 11 млн т. Это позволяет увеличить объем готовых к выемке запасов угля в выемочном столбе и сократить количество дорогостоящих пе-ремонтажей оборудования.

3. Принятые техника и технологии проходческих работ должны обеспечивать своевременное воспроизводство фронта очистных работ. В условиях интенсивной отработки выемочных участков при скорости подвигания очистных забоев до 500 м/мес. и более требуемые объемы проходки выработок для своевременного воспроизводства фронта очистных работ могут достигать 2000 м/мес. Это требует выбора соответствующих технологических схем проведения и крепления выработок.

4. Технология монтажно-демонтажных работ оборудования КМЗ должна обеспечивать минимальные сроки выполнения работ, для чего необходимы качественное планирование и подготовка работ, выбор рационального места расположения демонтажной камеры [16]. Поскольку ресурс механизированной крепи значительно превышает ресурс комбайна и лавного конвейера, в практике зарубежных стран иногда применяются схемы перемонтажа, при которых в монтажной камере на новом выемочном столбе заранее монтируются конвейер и комбайн, а из предыдущего выемочного участка перемещается только механизированная крепь, при этом комбайн и конвейер из предыдущего выемочного участка после демонтажа отправляются на капитальный ремонт [17].

5. Управление газовыделением и управление состоянием массива на выемочных участках должны обеспечить снятие ограничений нагрузок на очистные забои по газовому и геомеханическому факторам. Системы комплексного мониторинга и контроля всей совокупности технологических и природно-техногенных процессов на шахтах, реализация концепции «умная шахта» позволят снизить (исключить) простои, связанные с неисправностью оборудования.

Таким образом, имеется значительный потенциал для существенного повышения производительности применяемого оборудования и, следовательно, эффективности и конкурентоспособности подземной угледобычи на основе более совершенной организации производства.

Список литературы

1. Таразанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности России за январь-декабрь 2018 года // Уголь. 2019. № 3. С. 64-79. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-3-64-79.

2. Advances in Longwall Mining / P.N. Martens, L. Rattmann, S. Janssen, T. Kratz / 22nd World Mining Congress & Expo. Vol. I. Istambul, 2011. P. 85-96.

3. Шопин А.Г., Занин И.В. OEE и управление простоями: от теории к реализации в SIMATIC IT // Автоматизация в промышленности. 2006. № 9. С. 24-29.

4. Мышковский М., Пашедаг У. Разработка длинными очистными забоями угольных пластов средней мощности. Сравнение эффективности струговой и комбайновой выемки в сопоставимых условиях эксплуатации. Caterpillar, Inc, 2015. 51 с. URL: http://s7d2.scene7. com/is/content/Caterpillar/C10525855. (дата обращения: 15.11.2019).

5. Stecuta K., Brodny J., Tutak M. Informatics platform as a tool supporting research regarding the effectiveness of the mining machines' work / CBU International Conference on Innovations in Science and Education, 2017. P. 1215-1219.

6. Availability analysis of selected mining machinery / J. Brodny, S. Alszer, J. Krystek, M. Tutak // Archives of Control Sciences. 2017. Vol. 27(LXIII). N 2. P. 197-209.

7. Guan Z., Gurgenci H. Reliability improvement through smart longwalls project / Proceedings of the 2004 CRC Mining Research and Effective Technology Transfer Conference, 2004.

8. Исследование влияния зон повышенного горного давления на показатели работы длинных очистных забоев при отработке свит угольных пластов / О.И. Каза-нин, А.Ю. Ермаков, О.В. Ванякин, А.А. Сидоренко // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. № 4. С. 21-25.

9. Казанин О.И., Дребенштедт К. Горное образование в XXI веке: глобальные вызовы и перспективы // Записки Горного института. 2017. Т. 225. С. 369-375.

10. Комбайны очистные. Общие технические требования. Методы испытаний. ГОСТ 31557-2012.

11. Longwall Production Remains Steady // Coal Age. Jan-Feb 2019. URL: https://cdn.coverstand.com/61049/608888/ 17ce009899bb3d7a 1 ff 187ff2fa364791619f5a6.pdf (дата обращения: 15.11.2019).

12. Analysis of operation of powered longwall systems in mines of SUEK-Kuzbass / A.V. Stebnev, D.A. Zadkov, V.V. Gabov, S.G. Mukhortikov // Eurasian mining. 2017. N 2. P. 28-32. DOI: 10.17580/em.2017.02.07.

13. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах». Серия 05. Выпуск 40. 2-е изд., испр. М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2016. 200 с.

14. Казанин О.И., Ютяев Е.П. Технологии подземной разработки угольных пластов: современные вызовы и перспективы // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2018. № 11. Специальный выпуск № 48 . Т. 1. С. 26-36.

15. Ютяев Е.П. Современные вызовы и перспективы развития технологии подземной отработки пологих газоносных угольных пластов // Уголь. 2017. № 5. С. 30-36. DOI: 10.18796/0041-5790-2017-5-30-36. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/052017.pdf (дата обращения: 15.11.2019).

16. Improvement of a longwall recovery room erection technology / O.I. Kazanin,V.V. Klimov,V.Y. Alekseev, A.A. Sidorenko // International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET). 2019. Vol. 10, Issue 02. P. 1148-1153.

17. Syd S. Peng. Longwall Mining. West Virginia University, 2006. 621 p.

PRODUCTION SETUP

Original Paper

UDC 652.512:622.273.24 © O.I. Kazanin, A.A. Sidorenko, A.A. Meshkov, 2019

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 12, pp. 4-13

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-12-4-13

Title

organizational and technological principles of realization

OF THE MODERN HIGH PRODUCTIVE LONGwALL EQUIPMENT CAPACITY Authors

Kazanin O.I.1, Sidorenko A.A.', Meshkov A.A.2

1 Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg, 199106, Russian Federation

2 "SUEK-Kuzbass" JSC, Leninsk-Kuznetskiy, 652507, Russian Federation

Authors' Information

Kazanin O.I., Doctor of Engineering Sciences, Professor RAS, Dean of the Mining faculty, e-mail: kazanin@spmi.ru Sidorenko А.А., PhD (Engineering), Associate Professor of Mining and mineral deposits department, e-mail: sidorenkoaa@mail.ru Meshkov A.A., PhD (Engineering), Deputy General Director -Technical Director, e-mail: MeshkovAA@suek.ru

Abstract

The actuality of solving the problem of effective use of high productive longwall equipment at the Russian coal mines is shown. The analysis of modern approaches to assessing the overall equipment efficiency (OEE) is carried out. The methodical approach for an assessment of the longwall equipment OEE based on an assessment of utilizing of the theoretical equipment productivity is offered. The main causes of planned downtime and losses of equipment productivity associated with the technological features of its application in the longwall are considered. The estimation of theoretical and technical productivity of modern longwall shearer is executed. The main causes of unplanned downtime of high productive longwall equipment are revealed. Recommendations to improve the OEE by reducing the duration of planned and unplanned downtime and increasing the duration of the longwall equipment in the mode of maximum productivity are given. It is shown that the main reason for the significant lag in the longwall productivity at Russian coal mines from the same indicators at the mines of the leading coal mining countries of the world is the lack of efficiency of the applied mining panels design, mining technologies, longwall equipment remove, methods of gas emission and rock mass control at the longwall panels, as well as organizational factors. Recommendations are given to increase the length of the longwall face to reduce planned downtime, increase the operating time of the shearers in the mode of maximum productivity and create a time reserve to eliminate unplanned downtime of equipment associated with untimely longwall panels development. Organizational and technological principles of the OEE increase are proved.

Keywords

Underground mining, Coal seam, Longwall, Technical and economic indicators, Equipment, Production setup, Downtime, Machine time ratio, Productivity, Longwall remove, Entries development.

References

1. Tarazanov I.G. Itogy raboty ugol'noy promishlennosty Rossii za yanvar -dekabr 2018 [Russia's coal industry performance for January - December, 2018]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, No. 3, pp. 64-79. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2019-3-64-79.

2. Martens P.N., Rattmann L., Janssen S. & Kratz T. Advances in Longwall Mining. 22nd World Mining Congress & Expo, Vol. I, Istambul, 2011, pp. 85-96.

3. Shopin A.G. & Zanin I.V. OEE I upravleniye prostoyami: ot teorii k realizazii v SIMATIC IT [OEE and outage management: from theory to implementation in SIMATIC IT]. Avtomatizaziya v promyshlennosti - Automation in industry, 2006, No. 9, pp. 24-29. (In Russ.).

4. Myshkovskiy M. & Pashedag U. Razrabotka dlinnymi zaboyami ugolnykch plastov sredney moschnosti. Sravneniye effektivnosti strugovoy I kombaynovoy vyjemki v sopostavimykch usloviyach ekspluatazii [Longwall mining of medium thickness coal seams. Comparison of efficiency of plow and shearer cutting in comparable operating conditions]. Caterpillar, Inc, 2015, 51 p. Available at: http://s7d2.scene7.com/is/content/Caterpillar/C10525855. (accessed 15.11.2019). (In Russ.).

5. Stecuta K., Brodny J. & Tutak M. Informatics platform as a tool supporting research regarding the effectiveness of the mining machines' work. CBU

International Conference on Innovations in Science and Education, 2017, pp. 1215-1219.

6. Brodny J., Alszer S., Krystek J. & Tutak M. Availability analysis of selected mining machinery. Archives of Control Sciences, 2017, Vol. 27(LXIII), No. 2, pp. 197-209.

7. Guan Z. & Gurgenci H. Reliability improvement through smart longwalls project. Proceedings of the 2004 CRC Mining Research and Effective Technology Transfer Conference, 2004.

8. Kazanin O.I., Ermakov A.Yu., Vanyakin O.V. & Sidorenko A.A. Issledovaniye vliyaniya zon povyshennogo gornogo davleniya na pokazateli raboty dlin-nykh otschistnykh zaboyev pri otrabotke svit plastov [Study of the stress shadow zones influence on the performance indicators of longwalls during multy seam coal mining]. Gorny Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten (nauchno-teknicheskii zhurnal) - Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal), 2015, No. 4, pp. 21-25. (In Russ.).

9. Kazanin O.I. & Drebenstedt K. Gornoye obrazovaniye v XXI veke: globalnyje vyzovy i perspektivy [Mining education in the XXI century: global challenges and prospects]. Zapiski Gornogo institute - Journal of Mining Institute, 2017, Vol. 225, pp. 369-375. (In Russ.).

10. Kombayny otshistnyje. Obschiye technicheskiye trebovaniya. Metody ispytaniy. [Longwall shearers. General technical requirements. Methods of testing] GOST31557-2012 - State Standard 31557-2012.

11. Longwall Production Remains Steady. Coal Age, Jan-Feb. 2019. Available at: https://cdn.coverstand.com/61049/608888/! 7ce009899bb3d7a1 ff187ff2 fa364791619f5a6.pdf (accessed 15.11.2019).

12. Stebnev A.V., Zadkov D.A., Gabov V.V. & Mukhortikov S.G. Analysis of operation of powered longwall systems in mines of SUEK-Kuzbass. Eurasian mining, 2017, No. 2, pp. 28-32. DOI: 10.17580/em.2017.02.07.

13. Federalnyje normy I pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti "Pravila bezopasnosti v ugolnykh shakhtakh" [Federal rules and regulations in the field of industrial safety "Safety Rules for Coal Mines"]. Series 05, Issue 40, 2-nd edition, corr., Moscow, ZAO NTZ PB, 2016, 200 p. (In Russ.).

14. Kazanin O.I. & Yutyayev E.P. Technologii podzemnoy razrabotki ugolnykh plastov: sovremennyje vyzovy I perspektivy [Underground coal mining technologies: modern challenges and prospects]. Gorny Informatsionno-Analit-icheskiy Byulleten (nauchno-teknicheskii zhurnal) - Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal), 2018, No. 11 (special issue No. 48), Vol. 1, pp. 26-36. (In Russ.).

15. Yutyayev E.P. Sovremennyje vyzovy i perspektivy razvitiya technologii podzemnoy otrabotki pologikh gazonosnykh ugolnykh plastov [Present-day challenges and prospects of flat gas containing coal beds underground mining technology]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 5, pp. 30-36. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2017-5-30-36. Available at: http://www. ugolinfo.ru/Free/052017.pdf (accessed 15.11.2019).

16. Kazanin O.I., Klimov V.V., Alekseev V.Y. & Sidorenko A.A. Improvement of a longwall recovery room erection technology. International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET), 2019, Vol. 10, Issue 02, pp. 1148-1153.

17. Syd S. Peng. Longwall Mining. West Virginia University, 2006, 621 p.

For citation

Kazanin O.I., Sidorenko A.A. & Meshkov A.A. Organizational and technological principles of realization of the modern high productive longwall equipment capacity. Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, No. 12, pp. 4-13. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2019-12-4-13.

Paper info

Received August 14,2019 Reviewed October 10,2019 Accepted November 6,2019