Обоснование рациональных параметров подсистем и технологической схемы шахты

© В.В. Мельник, А.Н. Абрамкина, Л.И. Шулятьева, 2011

УДК 622.272

В.В. Мельник, А.Н. Абрамкина, Л.И. Шулятьева

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОДСИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ШАХТЫ

Изложены результаты исследований, позволившие установить взаимосвязь параметров подсистем во взаимосвязи с параметрами технологических схем вскрытия и подготовки новых горизонтов шахт. Предложена модель обоснования параметров технологических схем вскрытия и подготовки как строящихся, так и действующих шахт. Ключевые слова: система-шахта, капитальное строительство, схемы вскрытия, параметры технологической схемы, параметры процессов, совместная оптимизация.

Основным видом капитального строительства на шахтах угольных бассейнов было вскрытие и подготовка новых, более глубоких горизонтов для поддержания производственных мощностей. При этом принятые и реализованные проектные решения были направлены на увеличение высоты горизонта до 200 м, что позволило увеличить срок его эксплуатации до 15-20 лет, однако способствовало резкому углублению горных работ. Недостатки схем вскрытия новых горизонтов, принятые в проектах, привели к усложнению схем подземного транспорта, увеличению поддержания большого числа стволов и шурфов, пройденных до вышележащих горизонтов, а также примыкающих к ним выработок значительной протяженности. Эффективность использования главных вскрывающих выработок, вследствие этого, снизилась. Обеспеченность шахт вскрытыми и подготовленными запасами, вследствие произведенных вложений и с учетом производственных мощностей составляла в среднем 10-12 лет.

Положительная динамика, наметившаяся в угледобывающих отраслях России и Казахстана в последние годы определяется ростом потребностей в

угольной продукции. Основной прирост приходится на угли, направляемые и на энергетические нужды (среднегодовые темпы роста 37,4 %). Потребность в угле на внешнем рынке практически не изменится; это уголь, направляемый на изготовление кокса. Потребность в углях, добытых подземным способом на внутреннем рынке России к 2010 году по сравнению с 2009 годом увеличится на

2,7 %. Анализ состояния шахтного фонда бассейнов России и Казахстана показал, что резерв увеличения нагрузок составляет более чем двукратную величину. Обеспечение рыночных потребностей в углях может быть достигнуто интенсификацией использования действующего шахтного фонда.

Изучение мирового опыта выхода угольной отрасли из кризиса дало возможность странам СНГ разработать и реализовать программы реструктуризации шахтного фонда. Так, Российская угольная промышленность решила эту проблему закрытием ряда неперспективных и особо убыточных шахт, в результате чего изменилась доля добычи угля перспективными шахтами, которая составляет в настоящее время около 70 %. Наряду с этим, изменение форм собственности предприятий угольной от-

расли позволяет создать собственные финансовые ресурсы, в основном за счёт обеспечения прибыльности угледобычи, что дало возможность за последние 3 года увеличить добычу на 37 млн. тонн, нагрузку на очистной забой - более чем в 2,5 раза при росте производительности труда на 75 % по сравнению с периодом начала преобразований в отрасли. Кроме того, для восполнения объёмов производства закрытых шахт «Основными направлениями реструктуризации

угольной промышленности России» и программами, разработанными угледобывающими регионами предусмотрено строительство 14 шахт и 11 разрезов общей проектной мощностью 73,4 млн т. Наиболее быстрыми темпами развития отличается Кузбасс, где за последние 5 лет введено в эксплуатацию 7 шахт и 11 разрезов общей проектной мощностью 25 млн т, а для переработки угля - 2 обогатительные фабрики общей мощностью 10 млн т. За период 19992003 гг. прирост добычи в регионе составил 35,3 млн т, размер инвестиций при этом - 36 млрд руб., только в 2003 г.

- 9 млрд руб., в том числе на поддержание мощности - 6 млрд (67 %) - реконструкцию и техническое перевооружение, 2,2 млрд руб. - новое строительство (25 %), 800 млн руб. - на новое строительство углеперерабатывающих объектов. В настоящее время в стадии строительства находится 15 шахт и 5 разрезов общей проектной мощностью 24 млн т. К 2010 г. объём добычи в Кузбассе составит 170-175 млн т, общий объём инвестиций - предположительно 53 млрд руб. Обеспечение прибыльности угольной продукции Кузбасса позволило освоить внешние рынки, так экспорт угля в 2003 г. увеличен по сравнению с 2002 г. на 16,8 млн т, в том числе из общего экспорта в страны дальнего зарубежья

(Турция, Кипр, Великобритания) и на Украину реализовано 79 % .

Следует выделить два основных направления развития научных исследований, посвященных проблеме обоснования оптимальных проектных вариантов развития шахтного фонда:

- разработка рациональных схем вскрытия, подготовки и отработки шахтных полей строящихся и действующих шахт, основная цель которых в обосновании совместимых оптимальных технологических решений, учитывающих особенности залегания пластов, а также схем вскрытия, состояния и возможностей реконструкции технологического комплекса поверхности с оценкой перспектив вовлечения в отработку новых шахтных полей; задача состояла в том, чтобы сократить до минимума срок строительства или реконструкции шахт, обеспечить минимальный период окупаемости капитальных вложений; этому направлению посвящён ряд фундаментальных работ А.С. Бурчакова, М.И. Устинова, А.С. Малкина, Л.А. Пучкова,

A.М. Курносова, А.С. Сагинова, В.М. Еремеева, П.В. Егорова, Г.И. Козового,

B.Г. Лаврика, В.А. Федорина, К.К. Ади-лова, С.С. Квона и др.;

- разработка методов оптимизации количественных параметров технологических схем, а также параметров технологических процессов на основе построения экономико-математичес-ких моделей шахт; этой проблеме, особенно остро стоявшей в момент, когда применение нового технологического оборудования (например узкозахватной очистной техники и частичная или полная конвейеризация транспорта) требовали поиска методов формирования и обоснования оптимальных решений, позволяющих повысить эффективность угледобычи; большой вклад в развитие этого проблемного направления внесли Н.И.

Иванов, А.В. Стариков, Рогов Е.И., В.Н. Вылегжанин, М.А. Ревазов, К.Н. Трубецкой, А.А. Пешков и др.

При разработке метода оптимизации параметров технологических схем шахт за основу приняты исследования, изложенные в работах ученых А.С. Бурчако-ва, М.И. Устинова, А.С. Малкина, Л.А. Пучкова и др. При этом шахта рассматривается как сложная технологическая система, формируемая путем оптимального сочетания взаимоувязанных подсистем, состоящих из элементов, каждый из которых характеризуется технологической схемой, её качественными и количест-венными параметрами. Подсистемы шахты, в свою очередь, рассматриваются как сложная технологическая взаимосвязь составляющих ее подсистем второго порядка. Основополагающими условиями их выделения являются:

- их функциональная и технологическая однородность;

- четко выраженная иерархия внутреннего построения;

- внутренняя логическая взаимосвязь и многовариантность развития.

Основным видом капитального строительства на шахтах угольных бассейнов было вскрытие и подготовка новых, более глубоких горизонтов для поддержания производственных мощностей. При этом принятые и реализованные проектные решения были направлены на увеличение высоты горизонта до 200 м, что позволило увеличить срок его эксплуатации до 15-20 лет, однако способствовало резкому углублению горных работ. Недостатки схем вскрытия новых горизонтов, принятые в проектах, привели к усложнению схем подземного транспорта, увеличению поддержания большого числа стволов и шурфов, пройденных до вышележащих горизонтов, а также примыкающих к ним выра-

боток значительной протяженности. Эффективность использования главных вскрывающих выработок, вследствие этого, снизилась. Обеспеченность шахт вскрытыми и подготовленными запасами, вследствие произведенных вложений и с учетом производственных мощностей составляла в среднем 10-12 лет.

Положительная динамика, наметившаяся в угледобывающих отраслях России и Казахстана в последние годы определяется ростом потребностей в угольной продукции. Основной прирост приходится на угли, направляемые и на энергетические нужды (среднегодовые темпы роста 37,4 %). Потребность в угле на внешнем рынке практически не изменится; это уголь, направляемый на изготовление кокса. Потребность в углях, добытых подземным способом на внутреннем рынке России к 2010 году по сравнению с 2009 годом увеличится на

2,7 %. Анализ состояния шахтного фонда бассейнов России и Казахстана показал, что резерв увеличения нагрузок составляет более чем двукратную величину. Обеспечение рыночных потребностей в углях может быть достигнуто интенсификацией использования действующего шахтного фонда.

Изучение мирового опыта выхода угольной отрасли из кризиса дало возможность странам СНГ разработать и реализовать программы реструктуризации шахтного фонда. Так, Российская угольная промышленность решила эту проблему закрытием ряда неперспективных и особо убыточных шахт, в результате чего изменилась доля добычи угля перспективными шахтами, которая составляет в настоящее время около 70 %. Наряду с этим, изменение форм собственности предприятий угольной отрасли позволяет создать собственные финансовые ресурсы, в основном за счёт обеспечения прибыльности угледобычи,

что дало возможность за последние 3 года увеличить добычу на 37 млн. тонн, нагрузку на очистной забой - более чем в 2,5 раза при росте производительности труда на 75 % по сравнению с периодом начала преобразований в отрасли. Кроме того, для восполнения объёмов производства закрытых шахт «Основными направлениями реструктуризации угольной промышленности России» и программами, разработанными угледобывающими регионами предусмотрено строительство 14 шахт и 11 разрезов общей проектной мощностью 73,4 млн т. Наиболее быстрыми темпами развития отличается Кузбасс, где за последние 5 лет введено в эксплуатацию 7 шахт и 11 разрезов общей проектной мощностью 25 млн т, а для переработки угля - 2 обогатительные фабрики общей мощностью 10 млн т. За период 19992003 гг. прирост добычи в регионе составил 35,3 млн т, размер инвестиций при этом - 36 млрд руб., только в 2003 г.

- 9 млрд руб., в том числе на поддержание мощности - 6 млрд. (67 %) - реконструкцию и техническое перевооружение, 2,2 млрд. руб. - новое строительство (25 %), 800 млн руб. - на новое строительство углеперерабатывающих объектов. В настоящее время в стадии строительства находится 15 шахт и 5 разрезов общей проектной мощностью 24 млн т. К 2010 г. объём добычи в Кузбассе составит 170-175 млн т, общий объём инвестиций - предположительно 53 млрд руб. Обеспечение прибыльности угольной продукции Кузбасса позволило освоить внешние рынки, так экспорт угля в 2003 г. увеличен по сравнению с 2002 г. на 16,8 млн т, в том числе из общего экспорта в страны дальнего зарубежья (Турция, Кипр, Великобритания) и на Украину реализовано 79 % .

Следует выделить два основных направления развития научных исследований, посвященных проблеме обоснования оптимальных проектных вариантов развития шахтного фонда:

- разработка рациональных схем вскрытия, подготовки и отработки шахтных полей строящихся и действующих шахт, основная цель которых в обосновании совместимых оптимальных технологических решений, учитывающих особенности залегания пластов, а также схем вскрытия, состояния и возможностей реконструкции технологического комплекса поверхности с оценкой перспектив вовлечения в отработку новых шахтных полей; задача состояла в том, чтобы сократить до минимума срок строительства или реконструкции шахт, обеспечить минимальный период окупаемости капитальных вложений; этому направлению посвящён ряд фундаментальных работ А.С. Бурчакова, М.И. Устинова, А.С. Малкина, Л.А. Пучкова,

A.М. Курносова, А.С. Сагинова, В.М. Еремеева, П.В. Егорова, Г.И. Козового,

B.Г. Лаврика, В.А. Федорина, К.К. Ади-лова, С.С. Квона и др.;

- разработка методов оптимизации количественных параметров технологических схем, а также параметров технологических процессов на основе построения экономико-математичес-ких моделей шахт; этой проблеме, особенно остро стоявшей в момент, когда применение нового технологического оборудования (например узкозахватной очистной техники и частичная или полная конвейеризация транспорта) требовали поиска методов формирования и обоснования оптимальных решений, позволяющих повысить эффективность угледобычи; большой вклад в развитие этого проблемного направления внесли Н.И. Иванов, А.В. Стариков, Рогов Е.И., В.Н.

Вылегжанин, М.А. Ревазов, К.Н. Трубецкой, А.А. Пешков и др.

При разработке метода оптимизации параметров технологических схем шахт соискателем приняты за основу исследования, изложенные в работах ученых А.С. Бурчакова, М.И. Устинова, А.С. Малкина, Л.А. Пучкова, М.И. Устинова и др. При этом шахта рассматривается как сложная технологическая система, формируемая путем оптимального сочетания взаимоувязанных подсистем, состоящих из элементов, каждый из которых характеризуется технологической схемой, её качественными и количественными параметрами. Подсистемы шахты, в свою очередь, рассматриваются как сложная технологическая взаимосвязь составляющих ее подсистем второго порядка. Основополагающими условиями их выделения являются:

- их функциональная и технологическая однородность;

- четко выраженная иерархия внутреннего построения;

- внутренняя логическая взаимосвязь и многовариантность развития.

Идея моделирования и оптимизации параметров подсистем основывается на формировании объемов угледобычи на момент оптимизации проектного варианта шахты (t) и на весь период оптимизации (Т) с учётом развития процесса в пространстве и во времени. Цель - формирование технологической схемы шахты, обеспечивающей оптимальные параметры её технологических процессов и подсистем - достигается путём обоснования области их совместного варьирования, в пределах которой осуществляется их совместная оптимизация в рассматриваемый период эксплуатации шахты T = tm -t0, (t е T), осуществляемая в двух направлениях:

1. Обеспечение рыночного спроса на уголь i-й шахты - выполнение условия:

m (Т) d + L(T)nnPi -R) ^ tij til

t = t j = 1

г, J

где i - индекс шахты, i=1,2,...,n; j - индекс очистного забоя, j=1,2,...m; t0- начало периода оптимизации Т; tm - его конец; t - момент оптимизации варианта периода оптимизации Т; R - рыночный

спрос на уголь i-й шахтой в момент

времени t, тонн; Dm - добыча угля из

til

подготовительного забоя l-й выработки по i-й шахте в момент времени t, т.

Расчетное количество одновременно действующих очистных забоев в момент времени t, обеспечивающих обслуживаемый i-й шахтой спрос:

{m }- троз ^ min

t й

при условии, что

т = mt L

R — 2 D + S Dnptii < 0, ti tij '

J=1 l=1

Общее количество очистных забоев, действующих по i-й шахте в период оптимизации Т должно обеспечивать условие:

{M(Т) }—Мроз(Т) ^min i i

при условии, что

tm íM

R(t ),-m(

t0 j = 1

/m (T) L(T) \

( m D + m Dnp ) < 0

^ tij til'

l=1

2. Обоснование производственного потенциала шахты

tmSM

L(T) ч

Z ( Z D Dnp J^-max ’

4 tij til * t0 j= i=i

m = mt L

Z D + Z Dnpti, ^max’ tij 111

j = 1 l=1

при ограничении

троз. —{m } < 0 tí t

Обоснование временного ресурса отработки выемочного поля (столба), ко-

l =1

торый определяет границы допустимого варьирования управляемых параметров технологических процессов других подсистем, осуществлено путём установления обоснованных параметров технологического процесса в очистном забое. Разработана модель развития очистных и подготовительных работ в пространстве и во времени, в которой, в привязке к схемам вскрытия, подготовки и отработки выемочного поля, обоснована пространственно-временная последовательность отработки выемочных столбов. Модель является основой для привязки технологических моделей дегазации, монтажно-демонтажных работ и внутри-шахтного транспорта.

На основе предложенной модели разработан алгоритм последовательности поиска их оптимальных соотношений, на основании чего устанавливаются области совместного варьирования этих параметров - минимаксные их значения. Определяются варианты развития очистных и подготовительных работ, которые в дальнейшем принимаются к оптимизации. На основании сформированных таким образом параметров подсистем очистных и подготовительных работ формируются параметры подсистем: дегазация пластов, вентиляция, ремонт горных выработок, а также ВШТ: количество (Sтсi) и протяжённость (Lтсtis,

s=1,2,S) транспортных цепочек, их грузопоток момент времени t (Qmctis) в

соответствии с её типом, определяемым набором оборудования и видом транспортируемого груза.

Предложенная модель позволяет использовать метод непрерывной совместной оптимизации, то есть последовательного поиска оптимальных параметров подсистем технологической схемы шахты.

Обоснование выбора проектных шахтовариантов осуществляется на ос-

нове разработанной технолого-эко-номичеческой модели шахты, представляющей собой синтез математической модели совместной оптимизации параметров подсистем и экономикоматематической модели. Формирование экономико-математичес-кой модели основано на использовании расчетноаналитического метода моделирования затрат по их элементам и процессам угледобычи. Для этого и были обоснованы параметры технологических процессов подсистем шахты. Расчёт затрат осуществляется по элементам с учётом рассчитанных параметров технологического процесса.

На основании проведенных исследований дано технолого-экономичес-кое обоснование проектных вариантов развития горных работ на шахте, в том числе:

- обоснование выбора варианта развития (новое строительство, реконструкция на поддержание или прирост мощности) шахты на основе оптимизации параметров технологической схемы при условии обеспечения обслуживаемого спроса на производимую угольную продукцию;

- обоснование производственного потенциала шахты в условиях реинвестирования прибыли, накопленной угледобывающей компанией, или привлечения внешних инвестиций;

- обоснование и оценка нетрадиционных технологических решений вскрытия, подготовки и отработки запасов, позволяющих поддерживать высокоэффективное производство с минимальными затратами в конкретных горногеологических условиях.

Для оценки эффективности инвестиционной политики угледобывающей компании, с учётом сроков окупаемости, введён параметр их временной оценки, что обеспечивает набор проектных ва-

риантов развития шахты в заданных временных пределах возврата инвестиций. Общий вид технологоэкономической модели оптимизации проектных вариантов развития шахты представлен следующим образом:

Для R = 0,

ti

Z (Qdt] + pdTm ,i) ^ min

10

Tm. — tо. ^ min

i i

tm

E

t = tj = 1 "J l = 1 nl/

0 J

Для R ф 0,

tm (M (T) L(T) \

E

t = t J = 1 J l = 1 ti

0 J

> 0

где Qдti - затраты шахты на реализацию

варианта без учета амортизации основных средств, ден.ед.,

Qдt i С — Саш ,

Сашп - амортизационный фонд шахты в

момент времени t, ден.ед.

В качестве дополнительного ограничения введено ограничение размера инвестиций на развитие угледобычи величиной рдпл

Тт ,г

Рд_  — Рдпл_  < 0 ,

ТШ ,1 ТШ ,1

при этом может быть принят частный случай, когда

Рдпл„

Tm S Сашй < 0

10

Предложенная модель последовательного обоснования параметров технологической схемы шахты представляет собой сбалансированный математический аппарат для целенаправленного поиска и обоснования проектных решений и управления развитием горных работ и добычи угля по шахте, действующей как производственная единица угледобывающей компании, с учётом долгосрочного прогноза рыночных потребностей в угле определенного качества.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------

Мельник В.В. - доктор технических наук, зав. кафедрой, Абрамкина А.Н. - аспирантка,

Шулятьева Л.И. - кандидат технических наук, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru