Технологическая схема шахты с позиции системного анализа

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ШАХТ

Технологической схемой шахты называется технологически увязанные в пространстве и во времени расположение горных выработок и средств механизации производственных процессов, обеспечивающих эффективную разработку угля.

Она является обобщающим качественным параметром шахты, в значительной степени определяющим эффективность её работы.

Основными элементами технологической схемы шахты являются вскрывающие и подготовительные выработки, комплекс поверхностных сооружений, околоствольные дворы и выемочные выработки, камеры различного назначения, транспортные и вентиляционные выработки, машины, установки и механизмы. Она слагается из отдельных решений по вскрытию, подготовке, системам разработки, вентиляции, транспорту и др. технологическим звеньям.

Требования, предъявляемые к технологическим схемам угольных шахт

1.1.1 Высокая производительность технологической схемы, предполагающая достаточную пропускную способность всех её элементов как в шахте, так и на поверхности.

1.1.2 Безопасность технологической схемы, предопределяемая спецификой подземной разработки угля.

1.1.3 Поточность технологии, т.е. способность технологической схемы обеспечить непрерывное выполнение всех производственных процессов по выемке, транспорту и подъёму угля.

1.1.4 Высокая концентрация разработки, достигаемая за счёт интенсификации основных производственных процессов и увеличения нагрузки на блок, горизонт, угольный пласт, выемочный участок, очистной забой и т.д.

1.1.5 Высокая надёжность схемы, обеспечиваемая применением таких элементов, при которых возможность наступления аварийных ситуаций становится маловероятной.

1.1.6 Динамичность технологической схемы, т.е. повышенная реакция на возможные изменения параметров её отдельных элементов.

1.1.7 Низкая трудоёмкость обслуживания технологической схемы, обеспечиваемая рациональными системами вскрытия, подготовки, разработки, правильным порядком обработки запасов, применением высокопроизводительных средств механизации всех производственных процессов, в т.ч. на поверхности шахты и ремонте выработок.

1.1.8 Экономически оправданный уровень потерь угля, обеспечиваемый рациональным размещением выработок, рациональной системой разработки и способом выемки в очистном забое.

1.2 Конструирование вариантов технологической схемы шахты

Горная наука и практика разработки угольных месторождений дают достаточный простор в части применения тех или иных способов вскрытия и подготовки, систем разработки и средств механизации производственных процессов. Поэтому в любых горно-геологических условиях всегда имеется возможность рассмотреть большое множество вариантов и подвариантов технологических схем с тем, чтобы использовать наиболее прогрессивную и экономичную схему.

Формирование этого множества вариантов сводится к составлению качественно отличных комбинаций, которое удобно представлять в форме блок-схем, обеспечивающих необходимую наглядность (см. рис. 1), и которые упорядочивают множество конструирующих вариантов, повышают объективность их комплексного и совместного сравнения.

На блок-схемах, не допуская излишней детализации, целесообразно показывать, какие предусматриваются варианты отработки шахтного поля по площади (с разделением или без разделения на блоки) и по глубине (одногоризонтная или многогоризонтная); варианты используемых для вскрытия главных (вертикальные или наклонные стволы, штольни и их сочетания) и вспомогательных вскрывающих выработок (капитальный, погоризонтные и этажные квершлаги, гезенки, скаты и др.); варианты способа подготовки шахтного поля (этажный, панельный, погоризонтный, комбинированный) и пластов (пластовая, полевая, индивидуальная и групповая); варианты системы разработки, средств механизации очистных работ, схем транспорта, вентиляции и др.

Общее требование к конструированию вариантов технологических схем и выбору наиболее экономичных и технологически целесообразных сводится к учёту взаимосвязей между элементами (уровнями) технологической схемы. Преимущества и недостатки одного варианта решения на любом элементе технологической схемы по сравнению с др. вариантом рассматриваются как таковые лишь с точки зрения технологической схемы в целом. Так, например, преимущества одной схемы подготовки перед другой понимаются как преимущества при

Уровень 0

Схема отработки шахтного поля по площади

Уровень I

Схема отработки шахтного поля по глубине

Уровень II

Вид главных вскрывающих выработок

Уровень III

Вид дополнительных вскрывающих выработок

Уровень IV

Способ подготовки шахтного поля

Уровень V

Способ подготовки пластов

Уровень VI

Система разработки

Уровень VII

Средства механизации очистных работ

Уровень VIII

Вид транспорта

Уровень IX

Рис. 1 – Блок-схема формирования исходных вариантов технологических схем шахт

конкретной схеме вскрытия (при другой они вообще не будут преимуществами! ), системе разработки, при конкретных средствах транспорта, способах проведения, охраны горных выработок и т.д. Этим самым обеспечивается технологическая законченность и сопоставимость вариантов технологической схемы в целом, а не вариантов различных решений в отдельности для того или иного элемента технологической схемы.

Тот или иной набор элементов технологической схемы (уровни блок-схемы), отличающийся многовариантностью, зависит от конкретных горно-геологических условий. Так, например, деление шахтных полей на блоки применяют в условиях больших глубин, высокой газоностности и угленасыщенности месторождения с тем, чтобы достичь высокую интенсивность его отработки (большую А_год). В др. условиях он может быть экономически нецелесообразным, т.е. необходимо сравнить различные варианты деления шахтного поля по площади.

Тоже самое можно сделать и относительно деления его по глубине. Так, известны преимущества одногоризонтной отработки шахтного поля: один ОКД, одни водоотливные установки, электроподстанции, одни магистральные транспортные выработки, подъёмные установки и т.д.

Известны и её недостатки: малая динамичность технологической схемы, непрерывное снижение пропускной способности уклонов по мере перемещения горных работ, ухудшение условий проветривания и т.д. Очевидно, что роль этих недостатков возрастает с увеличением размеров шахтного поля и газоносности угольных пластов, с ростом мощности шахты. Поэтому при выборе оптимального варианта возникает необходимость рассматривать как конкурирующие и одногоризонтные и многогоризонтные схемы. Однако многовариантность по одному элементу технологической схемы (уровню блок-схемы), как правило, ведёт за собой неодновариантность решений и на др. элементе. Так, отработка шахтного поля блоками, предполагает свой вариант вскрытия по сравнению с отработкой без деления на блоки и т.д.

В общем случае множество расчётных вариантов является функцией числа вариантов на каждом элементе технологической схемы:

где – множество расчётных вариантов;

– множество независимых переменных, характеризующих горно-геологические условия пластов или части месторождения;

– множество качественных решений по делению и отработке шахтного поля;

– множество качественных решений по вскрытию шахтного поля;

– множество качественных решений по п-му элементу технологической схемы или производственному процессу.

Все подварианты расчётных вариантов технологической схемы, которые отличаются друг от друга количественной размерностью отдельных параметров по всем или некоторым элементам технологической схемы, составляют множество машинных вариантов (рассчитываемых на ЭВМ). Например, при одной и той же панельной подготовке число панелей может быть разное, длина лавы может быть неодинаковой при одной и той же столбовой системе разработке и т.д.

Таким образом, имеется реальная возможность конструировать огромное число вариантов технологических схем шахты изменением схем вскрытия, подготовки, систем разработки, схем транспорта и др., а также варьированием многих количественных параметров шахты. Общее число возможных вариантов при этом очень велико. Расчёты показывают, что применяя 5-10 вариантов вскрытия шахтного поля, 3-5 схем и способов подготовки, 3-5 схем отработки выемочных участков, 3-4 схемы проветривания, 2-3 схемы транспорта, 2-3 схемы подъёма и технологического комплекса на поверхности возможно получить число вариантов технологических схем шахты от 5-ти до 15 тысяч. С учётом же изменений количественных параметров (длины лавы, размеров панелей, горизонтов, нагрузки на шахту и забой и др.) их число превышает 500 тыс., которое чрезвычайно трудно реализовать и проанализировать даже на самых быстродействующих ЭВМ.

Для облегчения анализа составляемых блок-схем служит ориентированный граф исходных вариантов, обеспечивающий комбинаторную наглядность.

На практике при проектировании шахт все возможные варианты не рассматриваются, а только наиболее предпочтительные из них. Выбор наиболее предпочтительных вариантов производится с применением теории принятия решений, метода экспертных оценок, моделирования и др. без полных экономических расчётов, используя ЭВМ. Экономическое же сравнение производится только наиболее предпочтительных вариантов, их которых в итоге отбирается один – оптимальный вариант (также на ЭВМ).

С учётом накопленного в настоящее время проектного опыта число предпочтительных и конкурентоспособных вариантов технологических схем шахт в заданных горно-геологических условиях может быть значительно сокращено и сведено всего к нескольким из них. Так, например, технико-экономическими расчётами в настоящее время уже установлено, что при угле падения пластов до 12^о наиболее экономичным способом подготовки является погоризонтный, при размерах шахтного поля по падению до 2500 м, незначительном расстоянии между пластами при указанном угле их падения – вскрытие капитальными квершлагами и т.д. Последовательный инженерный анализ всех уровней блок-схемы с учётом конкретных горно-геологических условий позволяет свести всё многообразие возможных технологических схем шахт к технико-экономическому сравнению всего нескольких вариантов – 2-3-х, различающихся между собой принятыми решениями на всех уровнях технологической схемы, которые можно производить уже и без ЭВМ.

Условные обозначения

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ШАХТ

Требования, предъявляемые к технологическим схемам угольных шахт

1.1.2 Безопасность технологической схемы, предопределяемая спецификой подземной разработки угля.

1.2 Конструирование вариантов технологической схемы шахты

Уровень 0

Схема отработки шахтного поля по площади

Уровень I

Схема отработки шахтного поля по глубине

Уровень II

Вид главных вскрывающих выработок

Уровень III

Вид дополнительных вскрывающих выработок

Уровень IV

Способ подготовки шахтного поля

Уровень V

Способ подготовки пластов

Уровень VI

Система разработки

Уровень VII

Средства механизации очистных работ

Уровень VIII

Вид транспорта

Уровень IX

Рис. 1 – Блок-схема формирования исходных вариантов технологических схем шахт

где – множество расчётных вариантов;

– множество качественных решений по делению и отработке шахтного поля;

– множество качественных решений по вскрытию шахтного поля;

– множество качественных решений по п-му элементу технологической схемы или производственному процессу.

Технологическая схема шахты с позиции системного анализа

Системный анализ – это совокупность определённых научных методов и практических приёмов решения разнообразных проблем, возникающих во всех сферах деятельности общества.

Основополагающей в системном анализе является понятие " системы".

" Система" – множество (комплекс) взаимосвязанных элементов, представляющих собой целостное образование, т.е всё, состоящее из связанных друг с другом частей, совместно действующих для достижения общей цели. Системами являются: горные породы, состоящие из отдельных минералов или обломков др. пород; добычное оборудование, собранное из различных деталей и узлов; очистные работы, представляющие собой комплекс производственных процессов и операций, выполняемых в очистных выработках; угольная шахта, объединяющая и связывающая в единое целое наземные сооружения, горные выработки, множество производственных процессов, коллективы людей, различные виды ресурсов и готовую продукцию.

Любая система состоит из подсистем и, в свою очередь, является подсистемой системы более высокого уровня. Так, например, очистной забой является подсистемой (элементом) системы " шахта", а шахта подсистемой (элементом) производственного объединения; механизированную крепь можно представить как подсистему системы добычных комплексов, а последний – как подсистему (элемент) системы добычных работ и т.д.

С позиций системного анализа технологическую схему шахты можно представить состоящей из следующих взаимосвязанных между собой подсистем:

1 ТОР – " Технология очистных работ" – подсистема, обеспечивающая непосредственно добычу угля в шахте и определяющая характер и вид технологии шахты;

2 ТПР – " Технология подготовительных работ" – подсистема, обеспечивающая своевременное воспроизводство фронта очистных забоев и, следовательно, стабильность показателей работы шахты;

3 ВП – " Вскрытие и подготовка шахтного поля" – подсистема, определяющая основные планировочные работы и взаимосвязывающая все подсистемы между собой.

4 ТМТП – " Технология магистрального транспорта и подъёма" – обеспечивающая транспорт угля из очистных и подготовительных забоев на поверхность, а также подъём, спуск и перемещение по магистралям шахты материалов, людей и оборудования.

5 ТПШ – " Технология поверхности шахты" – обеспечивающая передачу выданной из шахты горной массы на обогатительную фабрику, угля – потребителю, породы – на утилизацию и создающая условия для нормального ведения подземных работ и обслуживания трудящихся.

6 УШ – " Управление шахтой" – обеспечивающая управление производственными процессами шахты, развитием работ и её хозяйственной деятельностью. При необходимости, кроме указанных, могут быть выделены и др. подсистемы, такие как " Технология закладочных работ", " Управление газовым режимом", " Управление материально-техническим снабжением" и др.

Основной подсистемой в системе " шахта" является ТОР, так как она осуществляет добычу угля из шахты. Остальные подсистемы обеспечивают эту добычу, однако, от их эффективности зависит эффективность функционирования основной подсистемы и системы в целом.

Связи подсистем в системе " Шахта" посмотреть самостоятельно в учебнике Бурчакова А.С. и др., стр. 386-388, рис. 6.2, 1978 г..

Результатом функционирования системы " Шахта" является добыча определённого количества угля, т.е. производственная мощность шахты или, говоря языком системного анализа, " выходом системы " Шахта" является А_год. Этот выход формируется на основе выходов других подсистем.

Для получения эффективных, гармонично взаимоувязанных технических решений составляется экономико-математическая модель шахты, критерием оптимальности которой является производительность труда или трудоёмкость работ по добыче на 1000 т. Модель представляет собой аналитическое выражение зависимости критерия оптимальности от известных параметров, за исключением А_год. Для определения А_год строится график зависимости производительности труда (или трудоёмкости работ) от А_год (рис. 2). Зная промышленные запасы и предел срока службы шахты, по нему определяется мощность предприятия и соответствующая ей технологическая модель. (См. модель у Бурчакова А.С., стр. 389-392).

Рис. 2 – Зависимости производительности труда (трудоёмкости работ) от годовой производственной мощности шахты и срока её службы

Технологическая модель шахты и её технико-экономические показатели служат основой для разработки технико-экономического обоснования строительства шахты, а затем и технического проекта.

12 3 Следующая ⇒