Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы управления качеством угля на горных предприятиях 14
1.1. Анализ показателей качества угля 15
1.2. Существующие способы и средства управления качеством угля 21
1.3. Интеграция геотехнологий как малозатратный способ управления качеством углепродуктов 25
1.4. Классификация способов управления качеством угля 32
Цель и задачи исследований 35
2. Выбор технологических показателей качества угля 38
2.1. Анализ факторов, формирующих технологические и экономические показатели качества угля 38
2.2. Оценка влияния интеграции геотехнологий на управляемость параметрами углепродуктов 42
2.3. Синтез технологических показателей качества угля в условиях нестабильности ценовой политики 46
2.3.1. Разработка методики оценки технологических и потребительских качеств углей и углепродуктов 46
2.3.2. Синтез инвариантных технологических показателей качества энергетических и коксующихся углей 49
Выводы 51
3. Обоснование технологическрїх способов управления качеством угля на шахтах прокопьевско-киселевского района кузбасса 53
3.1. Синтез вариантов интеграции геотехнологий для управления качеством угля 53
3.1.1. Теоретические основы синтеза вариантов интегрируемых геотехнологий 53
3.1.2. Типовые варианты интеграции геотехнологий 55
3.2. Обоснование рациональных параметров селективной выемки угля 59
3.2.1. Горно-технологические особенности селективной выемки 59
3.2.2. Условия эффективного применения селективной выемки для повышения качества угля 62
3.2.3. Паспортизация пластов как дополнительный способ обеспечения эффективности селективной выемки 68
3.3. Исследование закономерностей осаждение угольных шламов в прудах-отстойниках гидрошахт 71
3.3.1. Физические закономерности осаждения породы иугля в движущихся потоках 71
3.3.2. Математическое моделирование процессов осаждения угольных шламов и результаты 72
3.4. Определение условий рационального использования избирательного дробления-грохочения горной массы 78
3.5. Разработка методики расчета параметров качества угля по вариантам интеграции геотехнологий 81
3.5.1. Укрупненные варианты интеграции геотехнологий 81
3.5.2. Разработка методики расчета 83
3.6. Систематизация результатов 87
4. Разработка и реализация моделей формирования углесмесей при интеграции геотехнологий и производств 94
4.1. Обоснование требований к качеству углесмесей 94
4.2. Разработка обобщённой математической модели формирования углесмесей при объединении группы угледобывающих предприятий 96
4.3. Модели формирования углесмесей для обеспечения потребностей энергетики 101
4.4. Модель формирования углесмесей для нужд металлургии и коксохимии 104
Выводы 108
5. Анализ преимуществ интеграции геотехнологий для повышения качества угля 110
5.1. Классификация направлений и методов интеграции геотехнологий на шахтах юга Кузбасса 110
5.2. Преимущества интеграции технологий и производств для повышения качества угля 113
Выводы 114
Заключение 116
Литература 120
Приложения 132
- Существующие способы и средства управления качеством угля
- Обоснование рациональных параметров селективной выемки угля
- Разработка обобщённой математической модели формирования углесмесей при объединении группы угледобывающих предприятий
- Модель формирования углесмесей для нужд металлургии и коксохимии
Введение к работе
Актуальность работы. В современных условиях, когда инвестиции в горную промышленность ограничены, перед угледобывающими предприятиями Кузбасса встала проблема обеспечения конкурентоспособности за счет использования резервов производства. Особенно острой она является на шахтах Прокопьевского района Кузбасса, обладающих значительными балансовыми запасами угля, в т.ч. более 2/3 — коксующихся, которые обеспечивают до 80 % потребностей энергетики горнометаллургических предприятий юга Кузбасса. Однако, из-за сложности горно-геологических условий шахты имеют низкие производственно-экономические показатели и относятся к нерентабельным (75% шахт). Подобная обстановка сложилась и на шахтах г.г. Новокузнецка, Осинников и Междуреченска.
Одним из резервов повышения эффективности работы горных предприятий является использование малозатратных способов управления качеством угля, т.к. его цена зависит от зольности, влажности, гранулометрического состава и может быть увеличена в 1,2 — 1,6 раза и более при совместном применении различных технологий выемки, их объединении с приобъектной переработкой угля, комбинировании составов углепродукции группой предприятий, т.е. при интеграции элементов углетехнологий.
При управлении качеством угля шахты получают возможность быстро адаптироваться к нестабильности рынка сбыта углепродукции и его требованиям к номенклатуре показателей и параметров качества, расширить перечень потребителей, обеспечить возможность регламентированной замены одних технологических марок угля другими для нужд металлургии и коксохимии.
Использование технологических способов управления качеством угля пока не нашло широкого применения на шахтах юга Кузбасса. В Прокопьевском районе, например, используется только два из них: сочетание подземной технологии и обогащения угля, применение на одной шахте двух технологий - «сухой» и гидравлической (сейчас в соотношении, примерно, 3:1). Реально таких вариантов может быть значительно больше, например, за счет использования селективной выемки угля, формирования углесмесей, рациональном использовании угольных шламов гидрошахт, объединение группы шахт для совместной реализации угля и др. Однако, технологические и параметрические особенности взаимодействия геотехнологий изучены недостаточно.
До сих пор отсутствуют показатели качества угля, инвариантные к изменениям ценовой обстановки на рынке сбыта углепродукции. Недостаточно обоснованы условия применения комплекса технологических способов управления качеством угля при совместном использовании геотехнологий. Не рассмотрены вопросы формирования оптимальных углесмесей, обеспечивающих потребности энергетики, металлургии и коксохимии промышленных предприятий в режимах экономии.
Поэтому решение научной задачи, направленной на обоснование, оценку эффективности и расширение условий применения способов управления качеством угля при структурно-параметрической интеграции углетехнологий, является актуальным для шахт юга Кузбасса.
Диссертация выполнена в рамках Отраслевой научно-технической комплексной программы "Уголь России" (проект 0-23), Государственной научно-технической подпрограммы "Недра Кузбасса" (проект 27-6, гос.рег.№ 1970004330), плановых НИР НФИ КемГУ (ФЦП «Интеграция», гос. per. № 01990000662).
Целью работы является структурно-параметрическое обоснование комплекса способов и вариантов интеграции геотехнологий для управления качеством угля, добываемого шахтами юга Кузбасса.
Идея работы заключается в установлении и использовании связей поэлементного геомеханического изменения параметров качества угля при синтезе и выборе рациональных вариантов интеграции технологий и смежных горных производств.
Задачи исследований:
разработать технологические показатели качества угля, инвариантные к изменениям ценовой политики при его реализации;
синтезировать варианты способов управления качеством угля в условиях интеграции технологий горных производств;
обосновать условия эффективности применения селективной выемки для повышения качества угля;
оценить диапазон рационального использования избирательного дробления — грохочения горной массы;
определить параметры зон естественно обогащенного угля в прудах-отстойниках гидрошахт.
разработать и реализовать математические модели формирования углесмесей для группы шахт.
Методы исследований:
- корреляционный анализ для оценки показателей качества угля;
системный анализ и классификация для синтеза малозатратных способов управления качеством угля;
теория вероятностей и численные методы для определения условий использования селективной выемки;
теория подобия и размерностей для определения параметров эффективности дробления - грохочения горной массы;
математическое моделирование для определения параметров зон естественно обогащенного угля в прудах-отстойниках;
линейное программирование для разработки моделей формирования угольных смесей.
Научные положения, защищаемые автором:
формирование инвариантного, к экономической обстановке при реализации углепродуктов, показателя качества угля базируется на последовательном переходе от стоимостного критерия к нормированному физическому, увязывающему параметры сырьевой базы и способов управления элементами горных технологий с количественными характеристиками качества угля;
методика синтеза вариантов интеграции геотехнологий включает в себя построение обобщенного квазиупорядоченного графа, объединяющего элементы отдельных технологий, отбор допустимых траекторий и последующее их усечение по алгоритму типизации вариантов для выбора рациональных схем и способов управления качеством угля;
использование селективной выемки для повышения качества угля эффективно в ограниченных горно-технических условиях, которые определяются расположением и параметрами породных прослойков по мощности пласта, соотношением природной и регламентированной потребителями зольности, ее вариации, схемой выемки и допустимыми потерями горной массы при короткозабойных систем разработки;
эффективность избирательного дробления - грохочения горной массы зависит от соотношений плотности и коэффициентов крепости породы и угля, увеличивается в зависимости от их количественного «контраста», который определяет рациональную область использования способа;
физические закономерности осаждения мелких частиц породы и угля в движущимся потоке водошламовои смеси и их математическое
описание обеспечивают возможность количественного прогноза параметров зон естественно обогащенного угля для дифференцированного извлечения малозольных углей из прудов-отстойников гидрошахт;
- формулировка и реализация математических моделей формирова
ния углесмесей заданного качества позволяет предъявлять научно обосно
ванные требования к параметрам технологий и сырьевых баз для обеспе
чения допустимых диапазонов вариации качества при оптимизации рас
пределения поставок угля, реализуемого группой горнодобывающих
предприятий.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается и подтверждается:
корректным использованием комплекса математических методов: системного анализа, теории вероятностей и численных методов, математического моделирования, теории подобия и размерностей на всех этапах исследований;
высокими (до 0,9) коэффициентами корреляции зависимостей инвариантного показателя качества угля от состава горных пород и физических воздействий на параметры горной массы;
удовлетворительной сходимостью (80-90%) расчетных и фактических параметров качества угля в прудах-отстойниках шахт «Тырганская» и «Красногорская»;
решением технического руководства НПО «Прокопьевскуголь», НПО «Киселевскуголь», ОАО «Южный Кузбасс» о целесообразности использования разработок автора при совершенствовании элементов технологий на шахтах и при реализации угля;
высокой (более 90%) точностью математических моделей формирования углесмесей из добычи группы шахт для обеспечения нужд энергетики, металлургии и коксохимии на юге Кузбасса.
Научная новизна работы заключается:
в обосновании физического показателя, увязывающего параметры сырьевой базы и результаты управления элементами геотехнологий с характеристиками качества угля при одновременном обеспечении его инвариантности к экономической обстановке на рынке реализации углепродук-тов;
в разработке методики синтеза допустимых вариантов интеграции геотехнологий, обеспечивающей их типизацию для выбора рациональных схем и способов управления качеством угля;
в определении области эффективного использования селективной выемки угля, которая зависит от параметров технологии горных работ, объема и распределения породных пачек по мощности отрабатываемого пласта, требуемой зольности и допустимых потерь горной массы;
в обосновании рациональных условий избирательного дробления-грохочения горной массы, которые рассчитываются с помощью безразмерного критериального комплекса, зависящая от соотношений плотностей и коэффициентов крепости породы и угля;
в выявлении физических закономерностей и математическом описании осаждения мелких частиц в движущимся потоке водошламовои смеси, что позволяет давать прогноз расположения и размеров зоны естественно обогащенного угля в прудах-отстойниках гидрошахт;
в разработке оптимизационных математических моделей формирования углесмесей, которые позволяют предъявлять научно обоснованные требования к параметрам технологий и сырьевых баз при объединении группы шахт для совместного сбыта угля.
Личный вклад автора состоит:
- в разработке методических основ интеграции углетехнологий и
смежных производств на юге Кузбасса;
в синтезе технологических показателей качества угля, обеспечивающих их инвариантность относительно ценовой политики углесбыта;
в выявлении, анализе и выборе малозатратных способов управления качеством угля на шахтах юга Кузбасса;
в обосновании горно-технических условий, в которых целесообразна селективная выемка угля;
в совершенствовании методики оценки рациональных условий использования избирательного дробления-грохочения горной массы;
в установлении закономерностей распределения шламов по зольности при осаждении в прудах-отстойниках;
в разработке математических моделей формирования углесмесей для оптимизации распределения поставок угля, реализуемого группой горнодобывающих предприятий;
в разработке и реализации методики повариантной оценки качества угля при интеграции геотехнологий.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:
увеличить число и рабочий диапазон изменения управляемых параметров качества угля;
адаптировать угледобывающие предприятия к вариациям требований рынка к качеству угля;
рационально использовать селективную выемку и поверхностное обогащение угля для повышения его качества;
- увеличить извлечение низкозольных шламов из прудов-
отстойников гидрошахт;
- осуществлять замещение дефицитных марок угля при обеспече
нии потребностей металлургии и коксохимии;
- повысить эффективность работы шахт за счет использования
внутренних резервов производства без существенных инвестиций.
Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации использованы:
при определении горно-геологических условий, в которых рационально применять селективную выемку угля - рекомендации для НПО «Прокопьевскуголь»;
при расчете параметров и расположения зон естественно обогащенного шлама в прудах-отстойниках ш. «Красногорская» и «Тырган-ская»;
в рекомендациях по формированию составов углесмесей при совместной реализации энергетического и коксующегося угля шахтами юга Кузбасса (для ОАО «Южный Кузбасс», НПО «Прокопьевскуголь» и НПО «Киселевску голь»);
в учебном процессе горного факультета СибГИУ.
Апробация работы. Работа и ее отдельные этапы докладывались на VI Международной конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (Новокузнецк, 1999г.), научно-практической конференции «Взаимодействие научно-образовательных, промышленных и предпринимательских структур» (Новокузнецк, 1999г.), IV и VI Международных конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1999, 2001гг.), III межотраслевой научной конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, 2001г.), IV Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Новокузнецк, 2001г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 130 стр., в том числе содержит 16 рис., 14 табл. и список литературы из 97 наименований.
Существующие способы и средства управления качеством угля
Показатели качества угля делятся на технологически управляемые и неуправляемые. Управляемыми параметрами можно считать зольность, влажность и гранулометрический состав. Управлять параметрами качестваугля можно на разных иерархических уровнях организации угледобычи, переработки и использования угля:- при выборе сырьевой базы;- при добыче угля; - при переработке горной массы- при последующем формировании угольных смесей.
В принципе, возможно и последующее управление качеством, например, химическими или теплофизическими способами. Однако, в данной работе эти вопросы не рассматриваются.
Рассмотрим технологические способы и средства управления качеством угля. Здесь можно выделить два уровня иерархии: добыча и переработка горной массы. Добыча угля может осуществляться различными способами, основными из которых является подземный и открытый. Подземный способ, в свою очередь, может осуществляться с помощью "сухой" и гидравлической технологий. Для каждой из них характерны свои особенности формирования качества угля и способы управления его параметрами. Остановимся на подземных способах угледобычи, с помощью которых формируется основной объем коксующегося угля на шахтах Прокопьев-ско-Киселевского района Кузбасса. Именно для них наиболее важно повышение качества угля.
При подземном "сухом" способе добычи угля управление зольностью горной массы может осуществляться за счет применения различных технологий выемки (комбайновая, буровзрывная и др.), селективности выемки и систем разработки. Влажность горной массы регулируется в ограниченном диапазоне, если только для ее перемещения не используется гидротранспорт.
При подземном гидравлическом способе добычи угля гранулометрический состав угля гидрошахт отличается от грансостава сухих шахт. Это связано со способом отбойки (механогидравлическим комбайном,гидромонитором) и измельчением угля при его транспортировании по желобам [29,48]. Изменение зольности угля формируется в зависимости от системы разработки, а также за счет вымывания породы при гидротранспортировании [49]. Влажность угля при использовании гидравлической технологии может меняться в весьма широких пределах. Здесь определяющими являются 2 фактора: гранулометрический состав угля и время его пребывания в воде [48-51]. Исследованиями ВНИИГидроуголя и Сиб-ГИУ установлена связь влажности угля с гранулометрическим составом: чем мельче класс, тем выше его влажность. В работе [29] найдена зависимость влажности угля от времени его контакта с водой.
Другое направление, мало используемое ранее, применительно гидротехнологии развито в работах О.А.Атрушкевича [18,19], который предлагает использовать селективную выемку угля в гидрозабоях, для повышения качества угля, выдаваемого на поверхность. К недостаткам здесь следует отнести отсутствие количественных методов оценки влияния селективной выемки угля на конечные показатели эффективности и определения рациональных условий ее использования. Решение этой задачи будет рассмотрено в диссертации.
Перейдем теперь к следующему технологическому процессу - переработке горной массы. Возможны два основных варианта переработки: на обогатительных фабриках и вблизи угледобывающих предприятий (приобъектная переработка). Как показывает опыт и результаты ранее проведенных исследований, наиболее эффективным способом приобъектного обогащения угля сухих шахт и разрезов является механическое избирательное барабанное дробление - грохочение с использованием установок типа ДБ. По мнению специалистов [52-55] и др., механическое обогащение является наиболее простым, эффективным и экономичным, допускает организацию технологических линий на модульном принципе и легко адап тируется к природным условиям, т.е. является наиболее перспективным для приобъектной переработки угля на шахтах и разрезах.
Определенный эффект повышения качества угля на гидрошахтах может быть достигнут за счет подмешивания в общую массу добычи естественно обеззоленного шлама, находящегося в прудах-отстойниках. Наличие такой зоны (обогащенного угля) подтверждается нашими исследованиями [65]. Ранее проведенные работы [66,67] не позволяли достоверно прогнозировать расположение и параметры этой зоны.
В вопросе о подготовки углесмесей следует руководствоваться п.7 ГОСТа 25543-88 [36], где записано, что при смешении углей различных марок в виде одной шахтовыдачи "марку, группу, подгруппу и код смеси устанавливают расчетом средних значений классифицированных параметров на основе планового участия шахтопластов".
Формирование углесмесей в настоящее время приобретает новую актуальность в связи с тем, что добыча коксующихся углей в Кузбассе уменьшается, т.к. их запасы находятся, в основном, в районах с неблагоприятными горно-геологическими условиями. Это существенно осложняет работу углепотребляющих производств, в частности, металлургии. В статье Р.С.Айзатулова [20] отмечено, что ранее на Западно-Сибирском металлургическом комбинате (ЗСМК) традиционная шихта для коксования состояла из углей 10-12 добывающих предприятий, а сегодня количество поставщиков доходит до 25-28.
Следует отметить [30], что специалистами прогнозируется в ближайшее время дефицит кокса и на мировом рынке в объеме 10-40 млн. т в год, несмотря на значительное снижение его расхода за счет совершенствования технологии доменных процессов.
Подводя итог изложенному в настоящем параграфе, необходимо отметить следующее. Показатели качества угля делятся на управляемые и неуправляемые. Управляемыми параметрами можно считать зольность,влажность и гранулометрический состав. Управлять ими можно на различных уровнях: при выборе сырьевой базы, при добыче угля, при его переработке и при формировании угольных смесей. Диапазон управляемости зависит от способа добычи угля, системы разработки и технологии выемки, способа и параметров переработки горной массы. При объединении технологий диапазон возможностей управления параметрами качества расширяется за счет формирования углесмесей. При этом становится возможным обеспечивать дополнительную прибыль предприятия (шахты) за счет интеграции с другими угледобывающими производствами.
Обоснование рациональных параметров селективной выемки угля
Угольные пласты, как правило, имеют сложную структуру и включают в себя прослойки породы различной мощности. Одним из вариантов подземного обогащения угля при отработке высокозольных пластов корот-козабойными системами разработки с применением механогидравлическихкомбайнов является селективная выемка угля. При этом вынимаются только низкозольные пачки пласта, а высокозольные — остаются в выработанном пространстве. Использование такой схемы исключает необходимость последующего обогащения угля на поверхности.
Возможности и перспективы использования селективной выемки угля при гидротехнологии изучались во ВНРШГидроуголь, СибГИУ, НФИ КемГУ и др. [18, 19, 65, 87]. Однако условия эффективного использования такого способа обогащения угля не конкретизированы в зависимости от горно-технологических особенностей селективной выемки.
Институтом ВНИИГидроуголь [19,65] были выполнены широкие экспериментальные исследования структуры угольных пластов в различных горно-геологических условиях.
Для оценки распределения зольности в угольном пласте были выполнены исследования по методу пошагового опробования. В представительном обнажении угольного пласта по нормали к напластованию геологическим молотком выбиралась полоса шириной 0,2-0,3 м на глубину 0,1-0,2 м. Пробы угля из полосы набирались по участкам высотой 0,05-0,1 м. Каждая проба подвергалась лабораторным исследованиям по стандартным методикам определения основных показателей угля: зольности, влажности и пластометрических характеристик. Анализ результатов опробования производился с учетом геологической структуры пласта.
Результаты опробования пласта Волковского (шахта «Кедровская» ООО «НПО »Уголь»), пласта «Рытвинного» и «Сергеевского» (шахта «Карагандинская»), пласта 26а (шахта «Нагорная» АОЗТ «Фэсткол»), проведенные институтом ВНИИгидроуголь [18,19] были положены в основу разработки способов селективной выемки механогидравлическим способом [87].На рис. 3.3. в качестве характерного примера приведены результаты анализа проб угля по пласту «Кемеровский» в борте разреза «Кедровский».
Визуальная оценка распределения говорит о значительной вариации зольности. По статистическим данным для угольных пластов Кузбасса она может достигать 50%.Вариантом подземной интегрированной технологии добычи угля с использованием селективной выемки в настоящее время является гидравлическая выемка добыча короткими очистными забоями, при которой селективная выемка угля и породных прослойков осуществляется рабочим органом комбайна, а гидравлический транспорт обеспечивает оставление крупных кусков породы в погашаемых выработках.
Селективная выемка не всегда целесообразна и не всегда приносит необходимый эффект повышения качества угля. Например, если число и относительная мощность породных прослойков пласта мала, селективная выемка неэффективна. Подобная ситуация возникает и в том случае, когда потребитель угля не требует от продукта угледобычи чересчур малой зольности.
Переходя к формализации понятия эффективной селективной выемки, следует остановиться на необходимости выполнения трех условий:- во-первых, средняя зольность пласта с прослойками породы должна быть выше регламентируемой потребителем, в противном случае селективная выемка не требуется;- во-вторых, средняя зольность селективно вынимаемых пачек пласта не должна превышать регламентируемую потребителем, в противном случае такая выемка теряет смысл, т.к. выдаваемый уголь требует последующего обогащения;- в-третьих, коэффициент выемки угля не должна превышать регламентируемого значения, в противном случае отработка пласта нецелесообразна из-за больших потерь.
Необходимость выполнения последнего требования непосредственно связана со схемой выемки, т.к. в оставляемых породных пачках пласта может содержаться значительная часть полезного продукта. Для математической формулировки этих условий приведем ряд достаточно простых формул [65]. При известной геологии средняя зольность пласта А0 и зольность вынутых пачек Ав рассчитываются по следующим формулам:т — суммарная мощность пласта. В первой формуле суммирование ведется по всей мощности пласта (/я), во второй - по вынимаемым пачкам (в). Коэффициент выемки угля Кв определяется формулой:
Таким образом, формулировка трех условий целесообразности селективной выемки угля в совместном виде записывается следующим образом:где индекс р относится к регламентированным (р) значениям соответствующих величин.
Первое неравенство этой формулы говорит о необходимости выполнения требований потребителя, второе — о логичности использования селективной выемки, третье - о необходимых требованиях к технологическим схемам и оборудованию по селективной выемке для обеспечения допустимых потерь угля.
Для получения обобщенных зависимостей, определяющих целесообразность и эффективность селективной выемки угля, воспользуемся вероятностным подходом [84] к оценке распределения зольности по мощности пластов (рис. 3.3) . Как отмечено, по статистическим данным, для угольных пластов Кузбасса она может достигать 50%.
Будем считать, что зольность отдельных пачек пласта является нормально распределенной случайной величиной, характеризующейся средним значением А0 и среднеквадратичным отклонением ст. Тогда, задавшись регламентированным значением Ар для любого пласта, можно определить граничные значения зольности пачек пласта Агр , ниже которых угольные прослойки подлежат селективной выемке, а выше — отделяются и отправляются в породу. Основным фактором здесь является соблюдение условий (3.6), формулирующих целесообразность селективной выемки с позиции технологии.
Воспользуемся понятием условного математического ожиданияслучайной величины у = 0 для определения коэффициента выемкиугля, удовлетворяющего условию (3.6) . С вероятностных позиций это условие записывается в виде Эта формула, в вероятностном плане, характеризует долю углепородной массы, которая не должна быть потеряна при селективной выемке угля. С помощью формулы может быть определена соответствующая граничная зольность вынимаемых угольных пачек Агр .
Далее, зольность вынутой части пласта одновременно должна удовлетворять условию Ав Ар , т.е. требованиям шахты по коэффициенту выемки угля — вторая из формул (3.6). Таким образом, величины Ар и Агр яв
Разработка обобщённой математической модели формирования углесмесей при объединении группы угледобывающих предприятий
Многие угледобывающие предприятия Кузбасса, расположенные в одном районе, но отрабатывающие разные пласты, в частности, в Прокопьевском районе Кузбасса, сталкиваются с жесткими требованиями к качеству угля. Зачастую одна шахта или разрез не может удовлетворить требования потребителя к качеству угля. Поэтому, с позиции его реализации и расширения рынка сбыта, эффективным оказывается объединение предприятий, добывающих уголь различного качества и марок, для формирования углесмесей с заданными параметрами.
В связи с вышеуказанным в настоящей работе формулируется следующая экономико-математическая задача объединения предприятий по добыче и переработке угля [80,81]: - группа предприятий добывает угли, имеющие параметры л:,у, где / номер предприятия,,/ - номер характеристики (параметра) качества угля, на пример, Хц - ВЛаЖНОСТЬ, Хи - ВЫХОД ЛетуЧИХ ВещеСТВ, ХІЗ — зольность и т.д. для /-то предприятия; - требуется определить доли поставок предприятий mi , при которых значения щху принадлежит допустимым областям Dj соответствующих і параметрам, задаваемых потребителями. Эти ограничения могут быть сформулированы в виде где / = 1-т- число интегрируемых предприятий; j = 1-гК- число параметров качества угля. В общем случае к качеству угля предъявляются требования по следующим параметрам [36] (табл.4.2) Как отмечалось ранее, параметры Q, \f, A, W отражают энергетическое качество угля, показатели у, Ro, OK,RI - способность его к коксованию. Требования к остальным параметрам имеют специальный характер в зависимости от вида углепотребляющего производства и условий перевозки угля. Параметры y,R0, OK,RI имеют определенный физический смысл ипри смешивании различных углей могут определяться с помощью долевого суммирования. Это отмечено и в действующих нормативах, например, Госстандарта [36], а также в справочных материалах, например, [32,38 и др.]. Для однозначного решения поставленной задачи разработки математической модели формирования углесмеси необходимо выбрать критерий оптимума. Им должен быть принят показатель, не противоречащийинтересам каждого из интегрируемых предприятий. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
В рассматриваемом случае мы сталкиваемся с так называемой "конфликтной" ситуацией (термин теории игр [96] ), а именно: каждое из угледобывающих предприятий заинтересовано в сбыте как можно большего объема продукции (/и,— /); в то же время оно не может обойтись без партнеров ввиду невыполнимости второго из требований (4.1) при /=У, т.е. естественно «принуждается» к интеграции.
Решение такой задачи возможно на основе предварительного выбора каждым из интегрируемых предприятий «выгодного» партнера. Заметим, что интеграция более чем 3-х предприятий (как правило, более двух) наталкивается на организационные (территориальные, экономические, технические идр. трудности), поэтому в работе такие варианты рассматриваться не будут. Примем в дальнейшем и=2.
Предлагается следующий обобщенный алгоритм решения поставленной задачи.1. В качестве критерия оптимума принимается функцият.е. максимальная доля поставок угля базовым предприятием. При этом ограничения (4.1) принимают вид2. Решается (/-7) задача линейного программирования [96] в постановке (4.2), (4.3). Она решается стандартными методами, имеющимися в арсенале математического обеспечения ПЭВМ. В наиболее распространенном случае (п=2) она может быть решена аналитически или геометрически. В результате получается (/-7) значение критериев оптимума М/ (i=2 п).3. Значения Mt ранжируются по убыванию.4. Проводится согласование по интеграции базового предприятия последовательно с каждым из i-1 предприятия, планируемого к интеграции в последовательности убывания ранжированных значений М,-.
Замечание 1. При п=3 число решаемых задач линейного програмирования увеличивается до (/-7) ; при п=4 до (/-7) и т.д.
Замечание 2. Если вопрос сбыта угля предприятиями решается централизованно, например, на уровне объединения, то критерием оптимума (для объединения) может быть выбран минимум себестоимости угля по группе интегрируемых предприятийВ этом случае объединение получает максимальную прибыль от реализации при сбыте угля.На рис. 4.1 представлен обобщенный алгоритм принятия решения об интеграции предприятий для совместного сбыта угля (и=2).
На первом этапе базовое предприятие фиксирует диапазон или выбирает критерий оптимума. Первый случай соответствует условию, если на критерий (4.2) накладывается дополнительное ограничение вида М Мнорм. При централизованном сбыте угля (замечание 2) критерий оптимума может быть заменен на критерий (4.4). При этом можно рассматривать не только параметры С,- , но и их отношения, например, С/Сг (см. следующий параграф). Далее выбираются возможные партнеры для интеграции, т.е. задается число / смежных предприятий. Последние два блока алгоритма выполняют аналитические функции по утверждению партнеров.
Очевидно, что предложенный алгоритм принятия решения защищает интересы производителей. Потребителю в данной ситуации выгоднее интеграция предприятий добывающих угли повышенного качества (возможно, что и не по всем параметрам). При фиксированной цене он может получить дополнительную прибыль за счет интегрального улучшения качественных характеристик угля.
Как было отмечено в предыдущем параграфе, при сбыте энергетического угля, к нему предъявляются требования по следующим параметрам: зольность А, %, влажность, W, % и, редко, по выходу летучих веществ. Совместно они формируют его калорийность или теплоту сгорания, ккал/кг.
Критерием оптимума решения этой задачи при формировании угле-смеси является минимум себестоимости угля, а именногде С/ - себестоимость угля на і-ом добывающем предприятии, руб/т. Ограничения, накладываемые на переменные /и,-, имеют вид
Легенда этих формул приведена рядом с (4.3); Dj - допустимые значения параметров Xij; і = l-m;j = l-sk.Конкретизируем постановку задач (4.5) - (4.6) при поставке рядового энергетического угл, когда объединяются я =2 предприятия, добывающие уголь, характеризующейся параметрами качества (у{ ,А(,1У{). Тогда для функции цели имеем следующую группу ограничений:
Модель формирования углесмесей для нужд металлургии и коксохимии
К началу 90-х годов традиционная шихта для коксохимических и металлургических комбинатов, например, для ЗСМК, состояла из углей 10-12 шахт и разрезов Кемеровского и Томусинского районов; сегодня количество поставщиков доходит до 25-28 [20]. Снижение добычи хорошо коксующихся углей, новые экономические отношения между добывающими и перерабатывающими предприятиями крайне осложнили задачу производства металлургического топлива. Сейчас в научной литературе ведутся широкие дискуссии по вопросам совершенствования сырьевой базы для коксования. Как правило, авторами предлагаются приближенные качественно-количественные подходы к формированию углесмесей, обеспечивающих требуемые параметры шихты. Эту задачу можно решить достаточно точно, используя методы математического моделирования формирования углесмесей [80,81].
Известно, что качество кокса (механическая прочность, истираемость, крупность и т.д.), необходимое для металлургических производств, определяется, в первую очередь, параметрами исходного продукта - концентрата, а затем - шихты. К ним относятся пластометрические и технические характеристики угля. Требования к основным из них представлены в табл. 4.4.способность его к коксованию, R0, Vr - качество кокса, требования к параметрам W, S имеют специальный характер в зависимости от вида углепо-требляющего производства; (х) - граничное значение оптимального обеспечения параметров углесмесей. Группа предприятий добывает угли, имеющие параметры xv, где / - номер предприятия, j - номер характеристики (параметра) качества (табл.), например, хп - влажность, х12 - выход летучих веществ, х13 - зольность и т.д. для z -ro предприятия. Требуется определить долипоставок предприятий т,, при которых значения 2W / принадлежатдопустимым областям соответствующих параметров качества, задаваемых потребителями.
Для решения поставленной задачи необходим критерий оптимума. Им может выступать один из критериев (4.2) или (4.4). Можно использовать также цену одной тонны углесмеси Цу которую следует устремить к максимуму, т.е.где ЦІ - цена 1 т угля, добываемого на /-ом предприятии.
Возможность использования именно этого критерия взамен критериев (4.2), (4.4) диктуется тем, что цена коксующегося угля выше, чем энергетического и подобная интеграция выгодна шахтам, добывающим энергетический или слабококсующийся уголь.
Постановка (4.8), (4.9) является типичной задачей линейного программирования (ЛП), т.е. математической моделью обеспечения требуемого качества углесмеси при минимуме затрат.
Отметим, что решение задачи автоматически позволяет установить и оптимальное значение п - числа предпрятий, участвующих в формировании углесмеси. при этом значения т{ для предпрятий, исключаемых из группы поставщиков по факторам качества и цены угля, будут равны нулю.
Как установлено в р. 4.2, интеграция более чем 2-х предпрятий угледобычи нецелесообразна из-за организационных трудностей. При п=2 задачу в постановке (4.8) - (4.9) можно решить графически. Аналог такого решения представлен на рис. 4.2. В данном случае число ограничивающих прямых может достигать 8 - по числу ограничений в формуле (4.9). Если число требований табл. 4.4 будет меньше, то количество неравенств в (4.9) уменьшится.
Требования выполнения ограничений (4.9) с учетом данных табл. 4.2, после расчетов для типовых примеров (как в р. 4.3), позволило установить, что интеграция шахт, добывающих в комплексе коксующиеся и энергетические угли, за счет «ослабления» номенклатуры требований качества к коксу, позволяет на 5-15 % снизить дефицит добычи коксующихся углей. Обоснование этого положения базируется на рассмотрении достаточно простого варианта табл. 4.1, когда состав углей нетрадиционных для коксования марок составляет 50 %. Стандартные энергетические параметры угля рассчитываются по формулам (4.7), а специальные параметры - в соответствии с требованиями [36]. В результате расчетов установлено, что добавка более чем 20% энергетического угля в углесмесь является отрицательным фактором коксования. Меньшие добавки позволяют снизить затраты на формирование смесей для коксования.
Таким образом, проведенные в этом подразделе исследования, позволили выявить методы и определить ожидаемые результаты решения задач по формированию углесмесей оптимального качества.
Для доказательства этого утверждения рассмотрим 1-ю и 3-ю строки табл. 4.1. и проведем локальную оптимизацию распределения содержания в шихте марок Г, ГЖО и Ж так, чтобы значения Ro и у, мм соответствовали параметрам угля марки ГЖ (2-я строка). ПолучаемJ 0,75тг + 1,05(1-т0 = 0,8 0,9, У 12т! + 25(1-mi) =20. Здесь ті - доля марок Г и ГЖО в сумме 2-х компонентов. Находим т]=0,5.
Учитывая, что суммарно их доля в шихте - 40 %; то долю /и; можно увеличить с 10 до 20 %, т.е. на 10 %, не меняя значения (Ж и V%f.
Выводы. 1. Сформулированы в виде неравенств количественные требования к качеству углесмесей, используемых для нужд энергетики, металлургии и коксохимии. Они существенно различаются по параметрам: для энергетики заключаются в обеспечении необходимой зольности, влажности и теплотворной способности топлива, для коксохимии и металлургии - в обеспечении дополнительных специальных требований по содержанию серы, толщине пластического слоя, значению индекса Рога, а также показателю отражения витринита и сумме фюзенизированных компонентов. 2. Разработана обобщенная математическая модель формирования углесмеси при объединении группы добывающих предприятий. В общем случае она формулируется как задача линейного программирования с ограничениями-неравенствами по параметрам качества угля. Решение может быть получено в двух постановках: при поиске выгодного партнера по интеграции и при централизованном сбыте угля через объединение. 3. Постановка оптимизационной задачи как поиска выгодного пар тнера по интеграции сводится к обеспечению максимума доли сбыта угля базовым предприятием. Это одна из разновидностей задач теории игр, которая сводится к решению (п-1) задачи линейного программирования. При централизованном сбыте угля на уровне объединения критерием оптимума является минимум себестоимости по группе интегрируемых предприятий. Установлено, что интеграция более чем 3-х предприятий (как правило более двух) нецелесообразно. 4. Предложена и количественно реализована на реальном примере модель интеграции 2-х предприятий для сбыта энергетического угля. Она сводится к минимизации функций общей себестоимости при трех линейных ограничениях: на выход летучих веществ, зольность и влажность угля, регламентируемых потребителем. Найдены рациональные доли сбываемого угля каждым из предприятий. Точность полученного решения от достоверности данных о себестоимости угля, представляемых каждым из интегрируемых предприятий: она в 1,5 раза ниже точности экономической информации. 5. Расчет параметров интеграции предприятий для формирования углесмесей коксующихся углей обеспечивается путем реализации задачи линейного программирования с увеличенным числом ограничений (до 5-8).
