Развитие производственной системы угольной шахты при поэтапном проектировании и управлении технологическими процессами предприятия

УДК 622.831

В.Ю. Кулак

РАЗВИТИЕ

ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ ПРИ ПОЭТАПНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ И УПРАВЛЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРЕДПРИЯТИЯ

Обоснована необходимость формирования технологической системы угольной шахты, как сложной системы взаимосвязанных элементов, характеризующих производство, его организацию, техническое обслуживание, а также управление в оперативном режиме процессами, персоналом, материальным обеспечением производства, промышленной безопасностью, качеством выпускаемой продукции, ценообразованием, расходами. Менеджмент производственной системы, в том числе проектирование, осуществляется не только в рамках одного предприятия, но и с учетом влияния турбулентности энергетического рынка, инвестиций, природных аномалий, изменчивости горно-геологических и горнотехнических условий в пределах лицензионного участка. Основными функциями производственного менеджмента шахты как производственной системы являются: организация, планирование, координация, мотивация, контроль. Обоснована актуальность перехода от статических методов проектирования к динамическим на основе энтропийного подхода посредством поэтапного управления пассивными факторами, учетом внешних воздействий и реализацией активных управляющих воздействий на производственную систему для компенсации вредного влияния пассивных факторов. Ключевые слова: шахта, производственная система, технологическая схема, поэтапное проектирование, активное управление, внешние воздействия, энтропия системы.

Традиционно технологическая структура горнодобывающего предприятия рассматривается в виде технологической схемы, которая идентифицируется как «...увязанное и согласованное в пространстве и во времени расположение горных выработок и средств механизации производственных процес-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 5. С. 238-247. © 2016. В.Ю. Кулак.

сов, обеспечивающих эффективное ведение разработки угля...» [1]. В настоящей экономической ситуации традиционное понятие технологической схемы шахты не отражает динамику ее развития, взаимосвязь и влияние совокупности факторов, внутренних и внешних воздействий, качества проектных решений, персонала, реализующего эти решения.

Для частичного устранения указанных недостатков определения технологической схемы в последних работах [2—4] введено понятие технологической системы шахты, для которой в соответствии с [5, 6] предлагается принять следующее определение: технологическая система угольной шахты — это совокупность функционально взаимосвязанных элементов геотехнологии, технических средств, предметов производства и исполнителей для выполнения в условиях угледобывающего предприятия регламентированных нормативной документацией заданных проектных технологических процессов и операций.

Как следует из определения в технологическую систему шахты, по сравнению с технологической схемой, добавлены новые элементы: персонал, технологическое оснащение, регламентированные нормативными документами условия угледобычи. Это понятие более соответствует реальным условиям функционирования шахт, однако оно не отражает динамику энергетического рынка, инвестиций, возможности реализации современных систем управления сложными системами.

Для устранения указанных недостатков определения технологической системы предлагается на стадии проектирования разрабатывать проектные решения для создания производственной системы шахты, как целостной системы угледобывающего предприятия, структура и параметры которого соответствуют реальной социально-эконмической ситуации в угледобывающих регионах. Процесс создания производственных систем в различных отраслях промышленности начался в России в начале текущего столетия, в связи с переходом на новые рыночные отношения. Цель создания производственной системы — реализация перехода от применения отдельных инструментов оптимизации производства к комплексному построению эффективных производственных систем. Технологическая схема и технологическая система шахты являются элементами производственной системы предприятия (рис. 1).

Производственная система шахты идентифицируется как сложная система взаимосвязанных элементов, характеризующих производство, его организацию, техническое обслуживание,

Рис. 1. Схема управления производственной системой угольной шахты

а также управление в оперативном режиме производством, персоналом, материальным обеспечением производства, промышленной безопасностью, качеством выпускаемой продукции, ценообразованием, расходами. Менеджмент производственной системы, в том числе проектирование, осуществляется не только в рамках одного предприятия, но и с учетом влияния турбулентности энергетического рынка, инвестиций, природных аномалий, изменчивости горно-геологических и горнотехнических условий в пределах лицензионного участка.

В рамках развития систем управления производственными системами целесообразно рассматривать шахту как интегрированное производственное предприятие, на котором все службы, в том числе привлеченные проектные и специализированные организации, участвуют в процессе принятия решений и выработке стратегии развития. Службы и организации должны работать сообща на достижение конечного результата.

При этом предполагается устранение границ между функциональными службами (производства, мониторинга, прогнозирования, проектирования, промышленной и экологической безопасности, маркетинга, НИОКР, финансов и трудовых служб). На интегрированной шахте организуется производство, ориентированное на процесс достижения максимума прибыли при минимальном риске аварий в благоприятных для персонала санитарно-гигиенических условиях.

Основными функциями производственного менеджмента угольной шахты являются: организация, планирование, координация, мотивация, контроль.

Структура менеджмента угольной шахтой представлена на рис. 1, согласно которому для описания процесса функционирования предприятия на стадиях проектирования и угледобычи необходимо разработать и реализовать следующие элементы производственной системы:

• проектная документация (блок 3), учитывающая воздействие внешней среды (блок 1) и целей управления (блок 3);

• система управления (блок 4) производственной системой, которая создается в составе проектной документации и реализуется поэтапно при строительстве и вводе шахты в эксплуатацию;

• субъекты управления, включающие руководителей структурных подразделений: отделов, участков, в том числе руководителей или представителей проектных и специализированных организаций, обеспечивающих корректировку проектной документации (блок 5);

• механизмы реализации управляющих воздействий, разработанных субъектами управления (блок 6);

• объект управления (блок 7), включающий реально действующее предприятие, структурно и функционально соответствующее проекту строительства и требованиям нормативных документов;

• система мониторинга организационных, технологических, геомеханических и газодинамических процессов (блок 8), в том числе с использованием технического и программного обеспечения многофункциональной системы безопасности;

• блок сравнения результатов работы предприятия и проектных параметров (блок 9). По результатам анализа при совпадении проектных и фактических параметров производственной системы управление передается руководителям для обеспечения работы предприятия в нормальном режиме в блоке 5;

• система поддержки принятия решений (блок 10) включает разработку специалистами структурных подразделений предприятия и с участием представителей проектных и специализированных организаций альтернативных вариантов развития шахты с учетом реальной ситуации и целеполагания. Из множества альтернативных вариантов лицо, принимающее решение выбирает рациональный вариант, в соответствии с которым разрабатывается техническое задание на корректировку проектной документации в блоке 11.

• скорректированная в блоке 11 проектная документация после утверждения в установленном порядке передается в блок системы управления, то есть начинается выполнение следующего этапа развития предприятия.

Как следует из схемы управления производственной системой угольной шахты и результатов анализа достоинств и недостатков традиционного статистического метода проектирования и реализации проектных решений в современных экономических условиях, структура и параметры производственной системы в процессе освоения запасов полезных, а также ископаемых не остаются постоянными. Это связано с необходимостью быстрой окупаемости инвестиций, поэтапной корректировки проектных решений при изменении горно-геологических условий и совершенствовании технологии и динамики турбулентного энергетического рынка и др. [7].

Одним из вариантов устранения указанных недостатков является переход к динамическому проектированию и освоению недр. Научные основы поэтапного проектирования и дискретного (по шагового) изменения параметров угольных шахт систематизированы в работах ученых бывшего МГГУ, ИГД им. А.А. Скочинского, ИПКОНа, ИГД СО РАН, ЦНИИЭИугля и др. Наиболее известные теоретические решения динамического проектирования и освоения недр обоснованы и реализованы на практике в фундаментальных работах А.С. Астахова, А.С. Бурча-кова, А.Е. Гонтова, Л.А. Кафорина, Ю.Н. Кузнецова, А.М. Кур-носова, А.С. Малкина, В.С. Мучника, А.А. Ордина, Г.А. Стрека-чинского, М.И. Устинова, В.А. Харченко, В.Д. Ялевского и др. [1, 7-9 и др.].

Актуальность перехода от статических методов проектирования к динамическим исследователи обосновывают следующими доказательствами: низкой надежностью и стохастичностью информации о горно-геологических и горнотехнических параметрах; ограничениями возможностей применения высоко-

производительных технологий и технических средств в рамках ограничений долгосрочных параметров вскрытия, подготовки, подъема, основного транспорта, реализованных в период строительства шахты.

Необходимость поэтапного проектирования следует из результатов теоретического анализа экономической динамики горного производства, проведенного А.С. Астаховым, который считает [7], что «Максимально полный учет динамических закономерностей развития горно-производственных объектов — одна из главных особенностей геоэкономической науки». Выделенные в монографии А.С. Астахова [7] три группы факторов, влияющих на изменения экономических и технических показателей шахты, расширены и адаптированы к горно-геологическим и экономическим условиям Кузбасса с учетом актуальности решения научно-практических задач следующим образом (рис. 2):

1) Группа пассивных факторов (линия 1, вектор влияния Et(1) на рис. 2), негативно влияющих на технико-экономические показатели предприятия: усложнение горно-геологических условий, увеличение глубины разработки и интенсивности газодинамических процессов, накопление опасных техногенных зон в шахтном поле, «старение» технологии и технических устройств. В теории управления этот процесс обусловлен возрастанием

Рис. 2. Схема взаимодействия внешней среды, технологической схемы шахты и управляющих воздействий в структуре технологической системы шахты

энтропии производственной системы и снижением уровня ее адаптации к изменяющейся внутренней среде. Научные основы адаптивного управления подземной технологией угледобычи с учетом стохастичности горно-геологических условий и угольного рынка созданы Э.И. Витковским, В.Н. Вылегжаниным, В.П. Потаповым, Е.И. Роговым [10, 11].

2) Группа внешних факторов (линия 2, вектор влияния Е4(2) на рис. 2), связанных с воздействием на производственную систему турбулентности энергетического рынка, институциональной среды, социодинамики недропользования.

3) Группа активных «форсификаторов» (линия 3, вектор воздействия ^(3) на рис. 2) в виде управляющих воздействий на производственную систему, направленных на компенсацию вредного влияния пассивных факторов. К «форсификаторам» следует отнести комплекс мероприятий по приведению траектории горных работ в соответствие с проектными решениями, требованиями нормативных документов, в том числе при возникновении предаварийных ситуаций, после аварий и инцидентов.

На практике факторы всех трех групп накладываются во времени и пространстве и предлагается выделить область ABCD устойчивой работы предприятия с приемлемой энтропией (линия 4 на рис. 2). Полная энтропия задана на рис. 2 линией 5.

Величину управляющих воздействий во время t предлагается определять по следующей формуле:

Б = Е,(1) + Е,(2) - Я3) < Е ,

1 1 1 пр'

где Б — фактический уровень энтропии технологической системы шахты; Епр — приемлемый уровень энтропии (линия 4 на рис. 2), обеспечивающий устойчивую рентабельную работу шахты.

Управляющие воздействия могут привести к изменению режима работы шахты, однако траектория изменения энтропии (линия 6 на рис. 2) при стабильной работе предприятия должна быть во всех случаях в пределах области АВСБ рис. 2.

При возникновении аварии энтропия Б технологической системы резко возрастает, то есть Б > Епр. В этом случае для ликвидации последствий аварии необходимо привлечение дополнительных ресурсов, в том числе разработка нового проекта.

При увеличении цен на уголь энтропия технологической системы шахты снижается, то есть возможно вовлечение в отработку запасов угольных пластов с более сложными горно-геологическими условиями, в случае падения цен на рынке энт-

ропия системы, наоборот, увеличивается и возникает необходимость выборочной отработки запасов полезных ископаемых.

Таким образом, формирование производственной системы и пошаговое управление ее динамическим развитием посредством поэтапного проектирования и реализации проектных решений является основой для повышения эффективности технологии подземной угледобычи в современных условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бурчаков А. С., Малкин А. С., Еремеев В. М. и др. Проектирование предприятий с подземным способом добычи полезных ископаемых. Справочник. - М.: Недра, 1991. - 399 с.

2. Пучков Л. А., Михеев О. В., Сенкус В. В., Атрушкевич В. А. Системный анализ технологий подземной добычи угля. — М.: Изд-во Академии горных наук, 2000. — 148 с.

3. Мельник В.В., Шулятьева Л.И. Обоснование параметров геотехнологических систем шахт нового технического уровня // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2010. — № 8. — С. 229—233.

4. Агафонов В. В. Разработка научно-методического обеспечения формирования стратегии устойчивого развития горнотехнических систем угольных шахт: автореф. дис. докт. техн. наук. — М.: Изд-во МГГУ, 2008. — 47 с.

5. ГОСТ 27.004-85. Надежность в технике. Системы технологические. Термины и определения. Введ. 01.06.1986. — М.: Изд-во стандартов, 2002. — 25 с.

6. ГОСТ Р 51901-2002. Управление надежностью: Анализ риска технологических систем. Введ. 01.09.2002. — М.: Изд-во стандартов, 2002. — 22 с.

7. Астахов А. С. Геоэкономика (системная экономика промышленного недропользования). — М.: ООО «МИГЭК», 2004. — 488 с.

8. Ялевский В. Д., Федорин В.А. Модульные горнотехнологические структуры вскрытия и подготовки шахтных полей Кузбасса (Теория. Опыт. Проекты). — Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. — 224 с.

9. Ржевский В. В., Гонтов А. Е, Синюков Б. П. и др. Авторское свидетельство 1259008 СССР, МКИ Е21С 41/04. Способ отработки месторождений полезных ископаемых. №3894640; Заявл. 07.05.85; Опубл. Б.И., 1986, №35. http://patents.su/3-1259008-sposob-otrabotki-mestorozhdenijj-poleznykh-iskopaemykh.html].

10. Вылегжанин В. Н., Витковский Э. И., Потапов В. П. Адаптивное управление подземной технологией добычи угля. — Новосибирск: Наука, 1987. — 232 с.

11. Рогов Е. И., Грицко Г. И., Вылегжанин В. Н. Математические модели адаптации процессов и подсистем угольной шахты. — Алма-Ата: Наука КазССР, 1979. — 240 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Кулак Виталий Юрьевич — генеральный директор, ЗАО «Промуглепроект», e-mail: Vitaly.Kulak@evraz.com.

UDC 621.3.07

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 5, pp. 238-247. V.Yu. Kulak

DEVELOPMENT OF PRODUCTION SYSTEM

IN THE COAL MINE PHASED DESIGN

AND MANAGEMENT PROCESSES COMPANIES

The necessity of forming a technological system of coal mines, as a complex system of interrelated elements that characterize the production, its organization, maintenance and management of the operational processes of operation, personnel, material support of production, industrial safety, quality of products, pricing, costs. Management of production systems, including design, carried out not only within an enterprise, but also taking into account the impact of the turbulence of the energy market, investment, natural anomalies, the variability of geological and mining conditions within the license area. The main functions of the production of the mine management as a production system are: organization, planning, coordination, motivation and control. The urgency of the transition from static to dynamic design methods based on entropy approach through a phased management passive factors, taking into account the external effects and the implementation of active control actions on the production system to compensate for the harmful effects of passive factors.

Key words: mine, production system, technological scheme, phased design, active management, external influences, entropy of the system.

AUTHOR

Kulak V.Yu., General Director, e-mail: Vitaly.Kulak@evraz.com, CJSC «Promugleproekt», 654027, Novokuznetsk, Russia.

REFERENCES

1. Burchakov A. S., Malkin A. S., Eremeev V. M. Proektirovanie predpriyatiy s podzem-nym sposobom dobychipoleznykh iskopaemykh. Spravochnik (Underground mine planning. Handbook), Moscow, Nedra, 1991, 399 p.

2. Puchkov L. A., Mikheev O. V., Senkus V. V., Atrushkevich V. A. Sistemnyy analiz, tekhnologiy podzemnoy dobychi uglya (System analysis of underground coal mining technology), Moscow, Izd-vo Akademii gornykh nauk, 2000, 148 p.

3. Mel'nik V. V., Shulyat'eva L. I. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2010, no 8, pp. 229-233.

4. Agafonov V. V. Razrabotka nauchno-metodicheskogo obespecheniya formirovaniya strategii ustoychivogo razvitiya gornotekhnicheskikh sistem ugol'nykh shakht (Development of instructional guidelines on generation of strategy for sustainable development of engineering systems in coal mines), Doctor's thesis, Moscow, Izd-vo MGGU, 2008, 47 p.

5. Nadezhnost' v tekhnike. Sistemy tekhnologicheskie. Terminy i opredeleniya. GOST 27.004-85 (Equipment reliability. Technological systems. Terms and definitions. State Standart 27.004-85), Moscow, Izd-vo standartov, 2002, 25 p.

6. Upravlenie nadezhnost'yu: Analiz, riska tekhnologicheskikh sistem. GOST R 519012002 (Control of reliability: Risk analysis of technological systems. State Standart R 519012002), Moscow, Izd-vo standartov, 2002, 22 p.

7. Astakhov A. S. Geoekonomika (sistemnaya ekonomika promyshlennogo nedropol'zovaniya) (Geoeconomy (system economy of industrial subsoil use)), Moscow, OOO «MIGEK», 2004, 488 p.

8. Yalevskiy V. D., Fedorin V. A. Modul'nye gornotekhnologicheskie struktury vskrytiya i podgotovki shakhtnykh poley Kuzbassa (Teoriya. Opyt. Proekty) (Modular mine-engineering structures for uncovering and development of mine fields in Kuzbass (Theory. Experience. Projects)). Kemerovo, Kuzbassvuzizdat, 2000, 224 p.

9. Rzhevskiy V. V., Gontov A. E., Sinyukov B. P. Copyright certificate no 1259008SSSR, MKIE21S 41/04, 1986, http://patents.su/3-1259008-sposob-otrabotki-mestorozhdenijj-poleznykh-iskopaemykh.html].

10. Vylegzhanin V. N., Vitkovskiy E. I., Potapov V. P. Adaptivnoe upravleniepodzemnoy tekhnologiey dobychi uglya (Adaptable control of underground coal mining technology), Novosibirsk, Nauka, 1987, 232 p.

11. Rogov E. I., Gritsko G. I., Vylegzhanin V. N. Matematicheskie modeli adaptatsii protsessov i podsistem ugol'noy shakhty (Mathematical models of adaptation of processes and subsystems in coal mine), Alma-Ata, Nauka KazSSR, 1979, 240 p.

ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ

ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ

МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ОДНОРОДНЫХ УЧАСТКОВ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПРИ МНОГОМЕРНОЙ ГЕОМЕТРИЗАЦИИ И ГЕОСТАТИСТИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ РАЗМЕЩЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Шпаков Петр Сергеевич — доктор технических наук, профессор, Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, e-mail: spsp01@rambler.ru, Руденко Валентина Владимировна — доктор технических наук, профессор, НИТУ «МИСиС», e-mail: rudenkov@bk.ru.

Проведен анализ многомерных статистических методов выделения однородных участков месторождений, применяющихся в практике их геометризации. Рассмотрены особенности районирования залежи полезного ископаемого на однородные районы на основе многомерные математические методы при наличии объектов-эталонов и при отсутствии таковых. Проведен анализ подходов к моделированию теоретических вариограмм пространственной изменчивости показателей при геометризации месторождения. Рассмотрены особенности использования модификаций метода наименьших квадратов (обычного, взвешенного и обобщенного), непараметрических методов, байесовского подхода и функций правдоподобия. Выполнен анализ методов выделения однородных участков месторождений на основе геостатистического подхода к многомерной геометризации горно-геологических показателей.

Ключевые слова: месторождение, однородность, геометризация, горно-геологические условия, показатель, геостатистика, вариограмма.

METHODS OF EXTRACTION OF HOMOGENEOUS FIELDS IN A MULTIDIMENSIONAL GEOMETRIZATION AND THE GEOSTATISTICAL ANALYSIS OF OCCUPANCY INDICATORS

Shpakov P.S., Rudenko V.V.

In work the analysis of multivariate statistical techniques for the separation of homogeneous fields, used in the practice geometrization. The features of zoning of mineral deposits on homogeneous areas on the basis of multivariate mathematical methods in the presence of test targets and in the absence of such. When you select the homogeneous sections in the early stages of field development approaches, D. A. Rodionov, V. V. Rudenko and A. Y. Vedyaev, probabilistic and statistical methods (Bayes rule) and various modifications of the methods of cluster analysis. The analysis of approaches to modeling the theoretical semivariograms of spatial variability in the geometrization of field. The features of using modifications of the method of least squares (ordinary, weighted and generalized), nonparametric methods, Bayesian approach and likelihood functions. The analysis of existing problems in the methodology variogram analysis in modelling the spatial variability of mining-geological indexes and selection of the optimal theoretical semivariogram model to the experimental data. Considered iterative algorithms to determine the optimal number of basic variogram models and their parameters. The criteria of the approximation accuracy of the experimental semivariogram, based on mean absolute error, root-mean-square error and the correlation coefficient between measured and predicted values of the observations. The analysis methods for the isolation of homogeneous deposits based on geostatistical approach to multidimensional geometrization of the geological targets.

Key words: field uniformity, geometry, geological conditions, indicator geostatistics, the variogram.