Определение оптимальной структуры парка и потребности в комплектах проходческого оборудования

Решение рассматриваемой в данном разделе задачи предусматривает определение области эффективного применения того или иного типа проходческой техники в условиях конкретной шахты, формирование оптимальной структуры парка проходческой техники (проходческие комбайны, погрузочные и бурильные машины) на ближайший год и пятилетку, качественное и количественное распределение техники по отдельным забоям.

Математическая постановка задачи базируется на следующих положениях:

- наличие конкретного объема работ, на реализации которого будут использованы машины;

- обеспечение требуемой скорости по каждому условию ведения работ;

- минимизация затрат на эксплуатацию техники.

При этом предполагают, что заданный объем работ реализуется на основе некоего исходного ряда, состоящего из техники, имеющейся в объединении (в этом случае решается только задача оптимального распределения техники по забоям), или машин существующих типов всех технически возможных типоразмеров.

Математическая постановка задачи сводится к формальному определению условия допустимости исходного набора техники для выполнения заданного объема с учетом особенностей их распределения по группам работ, характеризующимся горно-геологическими факторами. После того, как будет определен допустимый набор машин (технологических схем), необходимо выделить из него оптимальный, руководствуясь требованием минимума затрат на эксплуатацию этого парка. Следовательно, для построения оптимальной структуры парка проходческих машин необходимо из всего множества различных допустимых наборов машин (технологических схем) определить такой, при котором суммарные издержки на эксплуатацию техники были бы минимальны при выполнении заданного объема работ.

Формально это запишется следующим образом:

где n - число строк матрицы условий, соответствующих группам работ, выполняемых с помощью проходческой техники; w - число столбцов этой матрицы, соответствующих наборам (комплектам) проходческой техники, работающим в различных условиях; xij - годовой план проведения выработок в j-x условиях (по у-му забою); rij - производительность техники i-го вида при работе в j-x условиях; Cij - издержки на эксплуатацию i-го вида техники в J-х условиях.

В случае необходимости использовать при планировании парка машин имеющуюся в распоряжении объединения технику возникают дополнительные ограничения вида

где Ai - количество имеющейся техники i-го вида.

Постановка задачи позволяет учитывать ограничения, связанные с установлением предела суммарных характеристик проведения выработок. Например, суммарная трудоемкость может быть ограничена сверху. Такое ограничение соответствует заданию по росту производительности труда. В этом случае в постановку задачи вводят ограничение - неравенство

где Tij - трудоемкость при эксплуатации i-й технологической схемы в j-x условиях; T - предельные трудозатраты.

Дополнительным ограничением является предельная сумма капитальных вложений на закупку техники К:

где Ki - капитальные вложения в закупку единицы техники i-го вида.

В условиях фондированного распределения средств производства может возникнуть ситуация невозможности получения какого-либо вида техники в нужном количестве. Это следует учесть в ограничении

где Bi - максимально возможное для закупки количество техники i-го вида.

В приведенной постановке мы получаем задачу линейного программирования. Для ее решения на ЭВМ был применен симплекс-метод, реализованный для ЕС-1035 и (при размерности симплекс-таблицы до 5000, что соответствует условиям производственных объединений б. Ворошиловградгосуглепрома) для ПЭКВМ «Искра-226».

Входными данными являлись:

- исходный ряд предлагаемой для эксплуатации техники (комплекты проходческого оборудования);

- группы условий проведения выработок - их количество и характеристики (коэффициент крепости пород забоя, площадь сечения выработки в проходке, угол ее наклона);

- количественные ограничения по имеющимся типам машин;

- указатели возможности эксплуатации конкретных машин различных условиях проведения (типа «0»-«1», «да»-«нет») вводятся с экрана.

Время функционирования программы «Парк» 18-20 мин. В результате работы выводится на терминал следующая информация:

- суммарные затраты на эксплуатацию оптимального парка проходческой техники;

- распределение комплектов оборудования по группам условий проведения выработок (по забоям);

- качественная и количественная структура парка проходческой техники с указанием типов числа машин, которые необходимо приобрести к началу планируемого года.

Таким образом, разработка программы «Парк» позволила перейти к определению структуры парка оборудования на ЭВМ. Вместе с тем было бы неправильным рассматривать данный вопрос в отрыве от других мероприятий по совершенствованию горнопроходческих работ, смежных технологических подсистем, вне связи с самим процессом формирования технико-экономических показателей.

Системный подход к моделированию технологии проведения горных выработок, прочно вошедший в практику научных исследований, позволяет выделить несколько уровней проектирования - от низшего, когда рассматривают один отдельно взятый забой, до высшего, когда анализируют всю систему горноподготовительных работ на шахте, что предопределяет необходимость рассмотрения вопросов оптимизации схем подготовки, их увязки с принятой системой разработки, обновления парка проходческой техники, ее распределения по забоям, разработки прогрессивной организации труда проходчиков, нацеленной на максимальное снижение себестоимости добываемого угля. На каждом уровне проектирования существуют конкретные цели и свои критерии, определяющие направление усилий проектировщиков и характеризующие эффективность принимаемых решений. Такой подход обеспечивает как принятие оптимальных решений на каждом уровне проектирования с учетом факторов, действующих локально, так и оптимизацию крупных решений, принимаемых с учетом требований к горнопроходческим работам всех уровней большой системы «Шахта», которые прямо или косвенно связаны с проходческими работами.

Самым низшим уровнем такой системы является подготовительный забой. На этом уровне критериями оптимальности принимаемых решений (разработанных технологических схем) обычно являются стоимость и скорость ведения работ. Повышение эффективности технологической схемы на этом уровне проектирования (исследования) возможно по следующим основным направлениям:

- увеличение производительности, проходческой техники, используемой в забое;

- улучшение организации труда в забое благодаря согласованию между собой основных рабочих процессов и отдельных рабочих операций;

- устранение зависимости отдельных подсистем уровня «Подготовительный забой» («Комбайн», «Транспорт», «Крепь», «Вентиляция» и «Водоотлив») от факторов, сдерживающих рост их технических и технологических характеристик, и как результат ослабление жесткой зависимости подсистем друг от друга, т. е. разработка универсальных технических и технологических модулей, обеспечивающих гибкую технологию проведения выработок.

Увеличение производительности отдельных машин, используемых в технологических схемах, не может пропорционально повысить скорость проведения выработки, поскольку производительность системы определяется минимальной производительностью ее подсистем. Отсюда необходимость ориентации на проходческие комплексы, где все машины и механизмы конструктивно и технологически увязаны между собой.

Хорошо себя зарекомендовали экономико-математические модели, разработанные на основе попроцессного и пооперационного моделирования. С их помощью удается существенно улучшить организацию работ в забое, выявить наиболее трудоемкие и маломеханизированные операции, что позволяет определить направление поиска путей дальнейшей механизации проходческих работ и совершенствования работах процессов. С использованием этих моделей ведется также целенаправленный поиск путей сокращения числа людей в забое.

Проходческие работы на шахтах ведутся в соответствии с паспортом проведения и крепления горных выработок, в котором, как правило, указана одна технологическая схема проведения всей выработки. Вместе с тем, на протяжении всей выработки (особенно большой длины) горно-геологические условия меняются. При этом на каждом характерном участке должны меняться также паспорт крепления, трудоемкость ведения работ, число и последовательность рабочих операций и число людей в забоях. Применение гибкой технологии проведения подготовительных выработок обеспечит значительную экономию времени и средств, позволит повысить основные технико-экономические показатели. Однако в конкретных условиях добиться необходимой гибкости весьма сложно. Для этого надо решить ряд вопросов, связанных с прогнозированием изменения горно-геологических условий и проектированием большого числа технологических схем для каждой выработки, а также с увязкой в единую систему работ по проведению каждой отдельной выработки в целях эффективного планирования работ в масштабе шахты.

При проведении горной выработки по гибкой технологии на участках, характеризующихся различными горно-геологическими условиями, будет занято неодинаковое число рабочих, т. е. при постоянном составе бригады, работающей в забое, будет периодически ощущаться либо их дефицит, либо избыток, что неизбежно отразится на показателях проведения. То же самое происходит в каждой из одновременно проводимых выработок. Чтобы не допускать этого, необходимо оперативно перемещать людей из забоя в забой, что в рамках существующей организации работ трудноосуществимо. Выходом может служить создание на шахтах крупных комплексных хозрасчетных бригад, обслуживающих несколько забоев.

Следующим уровнем проектирования является выемочный штрек. Согласно технологической схеме, на этом уровне должны анализироваться (проектироваться) работы: по проведению и поддержанию выемочных штреков; транспортировке механизмов, оборудования и полезного ископаемого по выемочным штрекам. Критерием оптимальности решений здесь должно быть обеспечение безотказной работы лавы.

Особое значение на уровне проектирования технологических схем проведения выемочного штрека приобретает задача оптимального проектирования крепления штрека с целью безремонтного его поддержания. В сложных горно-геологических условиях необходимо рассчитывать характеристики крепи по отдельным участкам. Это особенно важно ввиду того, что на перекрепление эксплуатирующихся выработок, как правило, отвлекаются именно проходчики, что приводит к снижению показателей проведения.

Свои требования к технологическим схемам проведения выработок предъявляет и стационарный транспорт, который будет эксплуатироваться в штреке. Он влияет на выбор средств откатки породы и доставки материалов в проходческий забой. В значительной степени он влияет также на площадь сечения выработки и тип крепи.

Более высоким уровнем проектирования, который включает в себя, помимо выемочных штреков, еще и лаву, является очистной участок. Здесь появляется возможность учитывать взаимное влияние очистных и подготовительных работ, прослеживать взаимосвязь подсистем «Лава» и «Выемочный штрек» на участках сопряжения лавы со штреками. На этом уровне критерием оптимальности принимаемых решений должно быть обеспечение условия: суммарные затраты на проведение и поддержание штреков должны покрываться доходом от работы лавы.

И, наконец, самым высоким уровнем, на котором координируют горноподготовительные работы, является отрабатываемая часть шахтного поля. На этом уровне решают задачи, требующие координирования на уровне шахты: обеспечение фронта очистных работ при выбранной системе разработки, обеспечение подготовительных забоев техникой и людьми. В качестве критерия оптимальности принимаемых решений здесь фигурируют такие обобщающие экономические показатели, как себестоимость угля, стоимость подготовки части шахтного поля и т.п.

При решении как каждой, так и всего комплекса, вышеперечисленных задач невозможно обойтись без применения вычислительной техники. На кафедре технологии и комплексной механизации горных работ Тульского политехнического института совместно с лабораторией комплексной механизации проведения горных выработок ИГД им. А.А. Скочинского разрабатываются автоматизированная система многоуровневого проектирования (АСМП) горноподготовительных работ. Ядром системы является пакет прикладных программ (ППП) для машин «Искра-226», состоящий из программ «SAPR 01», «Цикл», «Проход» и «Парк», которые могут эксплуатироваться также и независимо друг от друга. Эксплуатация ППП обеспечивает возможность проведения гибкой технической политики и принятие оптимальных решений на различных уровнях: от подготовительного забоя до шахты в целом. На первом, уже реализованном этапе АСМП позволяет вести широкий спектр исследований в рамках решения следующих задач:

- проектирование паспорта крепления выемочного штрека на основе прогнозирования проявлений горного давления на всем протяжении выработки;

- определение эффективных технологических схем проведения выработок и расчет основных параметров горнопроходческого цикла как по отдельным, характерным участкам, так и по выработке в целом;

- обеспечение оптимального распределения рабочих и проходческой техники по одновременно работающим забоям как при оперативном управлении, так и при планировании на перспективу;

- определение на перспективу потребности шахты в проходческой технике с учетом ее оптимального распределения по забоям.

Программа «Цикл» автоматизирует решение задач нижнего уровня. Она обеспечивает построение оптимальной цепочки технологических операций проходческого цикла с учетом требования максимального совмещения отдельных операций при минимально возможном числе рабочих в звене, а также распределение проходчиков по рабочим местам.

В основе построения программного обеспечения для решения этой задачи лежит методика попроцессного и пооперационного моделирования. Расчет структуры затрат и трудоемкостей позволяет при построении графика организации работ воспользоваться методом имитационного моделирования. В качестве входных данных задаются величины минимального числа рабочих на основных и вспомогательных операциях, а для последних и максимальные ограничения по персоналу. Затем осуществляют начальное распределение рабочих по операциям из расчета: минимум на основную, по максимуму на вспомогательные операции. Вычисляют момент окончания первой из выполняемых операций. На этот момент пересчитывают «остатки» затрат труда на выполнение основной и совмещаемых операций, а высвободившихся рабочих перераспределяют в соответствии с тем же принципом между основной и вспомогательными операциями, пока не закончится выполнение всех операций проходческого цикла (их имитация).

Результатами работы являются составление таблицы структур трудоемкостей и затрат, а также построение примерного графика организации работ в пределах рабочей смены. При этом возникает возможность для пользователя варьировать те или иные параметры, в частности число рабочих в проходческой бригаде, устанавливать связи между важнейшими показателями работы и планировать оптимальные и численности проходческие бригады.

В качестве решения задачи на печать выдают график организации работ по форме, принятой на шахте.

Основные технико-экономические показатели проведения подготовительной выработки в условиях шахт Мосбасса рассчитывают по программе «Проход», которая обеспечивает определение скорости ведения работ, стоимости 1 м или 1 м3 готовой выработки, трудоемкости отдельных процессов и всей работы в целом, производительности заданной технологической схемы в конкретных горно-геологических условиях, характеризующихся следующими показателями:

- вид забоя (угольный, смешанный, породный);

- коэффициент присечки;

- коэффициенты крепости угля и породы;

- обводненность забоя;

- площадь поперечного сечения выработки;

- угол наклона выработки.

В основе программы лежит методика попроцессного и пооперационного моделирования. Трудоемкости ряда операций скорректированы на основе обработки хронометражных наблюдений, проведенных в подготовительных забоях шахт производственных объединений «Тулауголь» и «Новомосковскуголь». Программа «Проход» опирается на результаты расчета, полученные по программе «SAPR 01», предназначенной для выбора оптимального вида крепи и расчета параметров паспорта крепления в заданных условиях, которые изменяются на протяжении выемочного штрека.

Изменение горно-геологических условий влечет за собой изменение параметров технологической схемы ведения работ, которые автоматически определяются ЭВМ для каждого характерного участка, что обеспечивает гибкость технологии проведения штрека в целом.

Результаты расчетов выдают в виде таблицы, удобной для чтения. Если программу «Проход» используют совместно с программой «Цикл», то на печать выдают, помимо того, график организации работ для каждого участка выработки, отличающегося от предыдущего горно-геологическими условиями.

Результаты работы указанных программ используются описанной выше программой «Парк», обеспечивающей непосредственно оптимизацию парка проходческого оборудования.

Применение разработанного программного обеспечения для расчета оптимального парка проходческой техники производственных объединений системы б. Ворошиловградгосуглепрома показало, что стоимость выполнения работ снижается при использовании новейших технологических схем. При этом минимизируется стоимость проведения работ без ограничений по суммарной трудоемкости Т. При введении ограничений, снижающих величину T по сравнению с первым вариантом, в оптимальном парке увеличивается доля технологических схем, характеризующихся малой удельной трудоемкостью, но большей стоимостью проведения работ (рис. 4.37). Они «вытесняют» прежде всего схемы с применением машин 2ПНБ-2.

Для выведения зависимостей коэффициентов оптимизируемого функционала и ограничений от горно-геологических условий использовали статистические данные, предоставленные объединениями.

Разработанное программное обеспечение имеет высокую степень универсальности и может быть использовано при решении широкого круга задач, прямо или косвенно связанных с формированием оптимального парка проходческой техники. Важнейшими из них являются:

- обоснование основных технических параметров перспективных образцов проходческой техники, что позволяет влиять на техническую политику на этапе конструирования новой техники;

- оперативное реагирование на изменение конъюнктуры производства или организационно-технических факторов, связанных с общей технической политикой в рамках производственного объединения;

-эффективное использование не только техники, но и проходческих бригад путем перераспределения рабочих по забоям.

Сейчас ведется работа по созданию программы, обеспечивающей оптимальное перераспределение людей по одновременно работающим забоям в рамках комплексной бригады, обслуживающей все горноподготовительные работы на отрабатываемой панели.

Решение комплекса намеченных задач позволит создать автоматизированную систему многоуровневого проектирования горноподготовительных работ, которую благодаря легкости эксплуатации машин «Искра-226», диалоговому режиму взаимодействия, а главное, широкому кругу решаемых задач смогут" эффективно эксплуатировать специалисты управленческого персонала шахт и объединений.