Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования 9
1.1. Условия работы, состояние и перспективы развития подземного транспорта шахт Донбасса 9
1.2. Структура и характерные особенности систем подземного конвейерного транспорта глубоких шахт Донбасса 13
1.3. Анализ существующих методов определения вместимос-тей аккумулирующих бункеров при проектировании конвейерного транспорта шахт и научно-исследовательских работ этого направления 23
1.4. Цель и задачи исследований , . 39
2. Разработка и исследование экономико-математической модем задачи оптимизации вместимостей аккумулирующих горных бункеров первого и второго уровней 41
2.1. Постановка задачи 41
2.2. Конструктивные особенности горных бункеров и стоимостные параметры на их сооружение 42
2.3. Разработка экономико-математической модели задачи с учетом комплекса технологических и горно-геологических факторов 47
2.4. Обоснование этапов решения задачи 72
3. Определение характеристик грузопотоков, поступающих в бункеры первого уровня, и их пропускных способностей без учета влияния бункера второго уровня 80
3.1. Установление аналитических выражений для определения характеристик грузопотоков из неразветвленных забойно-конвейерных подсистем 80
3.2. Анализ аналитических выражений для определения характеристик грузопотоков из неразветвленных забойно-конвейерных подсистем 97
3.3. Установление и анализ аналитических выражений для определения характеристик грузопотоков из разветвленных забойно-конвейерных подсистем 106
3.4. Методика расчета характеристик грузопотоков, поступающих в бункеры первого уровня, и их пропускных способностей без учета влияния бункера второго уровня 118
4 Исследование и разработка методов оптйшзащи вместимостей бункеров первого и второго уровней 136
4.1. Исследование и разработка метода оптимизации вмес-тимостей бункеров первого уровня 136
4.2. Установление и анализ аналитических выражений для определения характеристик пропускных способностей бункеров первого уровня с учетом влияния бункера второго уровня 146
4.3. Установление и анализ аналитических выражений для определения характеристик грузопотока, поступающего в бункер второго уровня, и его пропускной способности 150
4.4. Обоснование метода оптимизации вместимости бункера второго уровня 162
4.5. Выводы 166
5. Экономическая эффективность оптимизации вместимхтей аккумулирующих горных бункеров 171
5.1. Определение экономической эффективности оптимизации вмеетимостей бункеров первого уровня 171
5.2. Определение экономической эффективности оптимизации вмеетимостей бункеров первого и второго уровней 175
Заключение 183
Литература 185
Приложения 194
- Структура и характерные особенности систем подземного конвейерного транспорта глубоких шахт Донбасса
- Конструктивные особенности горных бункеров и стоимостные параметры на их сооружение
- Анализ аналитических выражений для определения характеристик грузопотоков из неразветвленных забойно-конвейерных подсистем
- Установление и анализ аналитических выражений для определения характеристик пропускных способностей бункеров первого уровня с учетом влияния бункера второго уровня
Структура и характерные особенности систем подземного конвейерного транспорта глубоких шахт Донбасса
Под системой подземного конвейерного транспорта понимается упорядоченная совокупность взаимосвязанных элементов-конвейеров и промежуточных емкостей, предназначенная для транспортирования угля по горным выработкам.
Промежуточные емкости по технологическому назначению подразделяются на усредняющие и аккумулирующие. Усредняющая емкость предназначена для уменьшения неравномерности (усреднения) грузопотока, поступающего на транспортную установку. Применение усредняющей емкости способствует улучшению использования технических возможностей транспортных установок. Основное функциональное назначение аккумулирующей емкости - обеспечение независимой работы предшествующей транспортной установки в периоды простоев последующей. Применение аккумулирующих емкостей способствует снижению простоев очистных забоев по вине транспорта, подъема и поверхностного технологического комплекса шахты, что преобретает особую актуальность в условиях увеличения нагрузок на очистные забои. Аккумулирующие емкости по способам их загрузки подразделяются на сквозные и обход ные. Сквозная аккумулирующая емкость характеризуется тем, что через нее проходит весь грузопоток угля, поступающий на последующую транспортную установку, и тем, что она, кроме основного функционального назначения, выполняет функции усреднения поступающего грузопотока. Обходная аккумулирующая емкость загружается только в периоды простоев последующей транспортной установки и функции усреднения грузопотока практически не выполняет.
Промежуточными емкостями служат горные и механизированные бункеры. Горные бункеры являются сквозными емкостями, механизированные бункеры, в зависимости от конструкции и схемы управления, могут функционировать как сквозные и обходные емкости.
В системах подземного конвейерного транспорта глубоких шахт Донбасса сооружаются, как правило, аккумулирующие горные бункеры. Места расположений аккумулирующих горных бункеров в системах конвейерного транспорта глубоких шахт зависят от системы подготовки шахтного поля. На глубоких конвейеризированных шахтах с погоризонтной и панельной системами подготовки шахтных полей аккумулирующие горные бункеры сооружаются соответственно на сопряжениях конвейерных ходков лав с полевыми магистральными конвейерными штреками и на сопряжениях ярусных конвейерных штреков с полевыми панельными конвейерными бремсбергами (уклонами). Кроме того, независимо от вида системы подготовки шахтного поля, аккумулирующий горный бункер сооружается под углевыдающим стволом, который на глубокой шахте является вертикальным и оборудуется скиповыми подъемными установками.
На рис. I.I и 1.2 приведены наиболее характерные схемы подземного конвейерного транспорта глубоких шахт соответственно при погоризонтной и панельной системах подготовки шахтного поля, а на рис. 1.3 и 1.4 - их структурные аналоги.
Так как источниками грузопотоков являются очистные забои, то их условно можно считать начальными элементами системы конвейерного транспорта. Системы конвейерного транспорта шахт, структурные аналоги которых представлена на рис. 1.3 и 1.4, имеют сложную разветвленную структуру с наличием нескольких бункеров, расположенных на двух уровнях. Бункеры, в которые по конвейерам поступают грузопотоки угля непосредственно из очистных забоев, являются бункерами первого уровня. Бункер под углевыдающим стволом является бункером второго уровня.
Степень снижения простоев очистных забоев по вине конвейерного транспорта, подъема и поверхностного технологического комплекса шахты зависит от вместимостей имеющихся аккумулирующих бункеров, характеристик поступающих в них грузопотоков и характеристик пропускных способностей бункеров. Поступающие в бункеры грузопотоки являются неравномерными. Пропускные способности бункеров, из-за простоев подбункерных элементов, также характеризуются неравномерностью. Поэтому, в числе характеристик поступающих в бункеры грузопотоков и характеристик пропускных способностей бункеров должны иметь место показатели их неравномерности.
Бункеры обоих уровней являются преобразователями поступающих в них грузопотоков, так как характеристики поступающего в бункер грузопотока отличаются от характеристик выходящего из него грузопотока. С целью определения характеристик грузопотоков, поступающих в бункеры каждого уровня, систему конвейерного транспорта целесообразно разделить на подсистемы. В соответствии с принятой классификацией уровней бункеров можно также выделить подсистемы первого и второго уровней. К подсистемам первого уровня относятся совокупности очистных забоев и конвейеров, транспортирующих уголь до бункера первого уровня. Подсистемы первого уровня являются забойно-конвейерными подсистемами. Согласно рис. 1.3 подсистемами первого уровня являются совокупности эле
Конструктивные особенности горных бункеров и стоимостные параметры на их сооружение
В результате анализа материалов рабочих проектов строительства и реконструкции глубоких шахт, выполненных институтом"Дон-гипрошахт? установлено следующее. Горный бункер как сооружение состоит из основной и разгрузочной частей, каждая из которых имеет два смежных отделения: грузовое, служащее для накопления груза, и ходовое, служащее для прохода людей. Основная часть бункера характеризуется тем, что площади поперечных сечений грузового и ходового отделений постоянны по всей ее длине. В разгрузочной части бункера площадь поперечного сечения грузового отделения уменьшается в направлении выпускного отверстия. Горные бункеры по углам наклона осей грузовых отделений основных частей к горизонтали подразделяются на наклонные и вертикальные. У наклонного бункера угол наклона оси грузового отделения основной части к горизонтали составляет не менее 55, у вертикального - равен 90. Оси разгрузочных частей наклонного и вертикального бункеров расположены вертикально. Обе части наклонного и вертикального бункеров крепятся бетоном.
Изменение вместимости и, следовательно, стоимости сооружения горного бункера можно осуществить за счет изменения площади поперечного сечения грузового отделения основной части или его длины соответственно при малоизменяющихся или вовсе неизменяющихся габаритах разгрузочной части. Поэтому детально анализируются конструктивные особенности основных частей горных бункеров.
Поперечное сечение грузового и ходового отделений основной части наклонного бункера имеют прямоугольную форму и одинаковую высоту. Площадь поперечного сечения грузового отделения основной части наклонного бункера в свету составляет 4 - 10 м . Ширина ходового отделения основной части наклонного бункера в свету равна I м. Толщина бетона, укладываемого в стенки, днище и верхнее перекрытие основной части наклонного бункера неодинакова и находится соответственно в пределах 0,30 - 0,35 м, 0,24 - 0,30 м и 0,26 - 0,30 м. Верхнее перекрытие и днище основной части наклонного бункера усиливается балками из двутавра № 20 - № 24, которые укладываются соответственно через 0,7 - 0,8 м и 3,0 - 4,0 м. Кроме того, днище грузового отделения основной части наклонного бункера с целью уменьшения коэффициента трения между ним и движущейся массой угля армируется рельсами типа Р24 или РЗЗ.
Грузовое отделение основной части вертикального бункера имеет круглую форму поперечного сечения диаметром в свету 4-7м. Толщина бетонной крепи грузового отделения основной части вертикального бункера составляет 0,3 - 0,5 м. Ходовое отделение основной части вертикального бункера имеет прямоугольную или полуовальную форму поперечного сечения, площадь которого в свету составляет около 2 м . Толщина бетонной крепи ходового отделения основной части вертикального бункера за исключением стенки, отделяющей его от грузового отделения, равна 0,3 м. Ходовые отделения наклонного и вертикального бункеров оборудуются согласно / 34 /.
Установленные особенности конструкций бункеров позволили на базе / 35 / определить стоимость сооружения І м вместимости основной части наклонного и вертикального бункера по прямым нормируемым затратам, которая определялась как частное от деления суммы этих затрат на комплекс работ по сооружению основной части бункера длиной І м на вместимость грузового отделения основной части бункера длиной I м. Комплекс работ по сооружению основной части вертикального бункера включает в себя отбойку породы и погрузку ее в транспортные средства, крепление бетоном грузового и ходового отделений и оборудование ходового отделения согласно / 34 /. Комплекс работ по сооружению основной части наклонного бункера5кроме перечисленных видов работ, включает в себя укладку в верхнее перекрытие и днище балок из двутавра и армировку рельсами днища грузового отделения.
По данным расчетов, выполненных на базе / 35 / при различных значениях влияющих факторов, установлены регрессионные зави 3симости для определения стоимости сооружения I м вместимости основной части наклонного и вертикального горных бункеров по прямым нормируемым затратам. Уравнение регрессии / 36 /, общее для бункеров обоих типов, имеет видчасти бункера в свету, м ;ffc- толщина бетонной крепи грузового отделения основной части бункера, м. Данные к регрессионной зависимости (2.2) приведены в табл. 2.1. Высокие значения коэффициентов множественной корреляции, приведенные в табл. 2.1, указывают на то, что основная доля изменения стоимости сооружения I м вместимости основной частикак наклонного, так и вертикального горных бункеров по прямымнормируемым затратам обусловлена учитываемыми факторами. Полная стоимость сооружения І м вместимости основной частинаклонного и вертикального горных бункеров Яг- , руб определится по формулер - коэффициент, учитывающий общешахтные расходы по периодамсооружения бункера, накладные расходы и плановые накопления / 37, 38, 39, 40 /. Анализ материалов рабочих проектов строительства и реконструкции глубоких шахт, выполненных институтом "Донгипрошахт"j показал, что бункеры первого уровня сооружаются наклонными, а бункеры
Анализ аналитических выражений для определения характеристик грузопотоков из неразветвленных забойно-конвейерных подсистем
Анализ аналитических выражений для определения характеристик грузопотоков из нераз-ветвленных забойно-конвейерных подсистем
В результате проведенных аналитических исследований установлены аналитические выражения для определения характеристик грузопотоков из неразветвленных забойно-конвейерных подсистем при условиях взаимонезависимости и полной взаимозависимости состояний элементов. Полученные выражения справедливы также для определения характеристик грузопотоков на выходе элементов неразветвленных подсистем. С целью анализа полученных аналитических выражений выполнены расчеты величин математических ожиданий и коэффициентов дисперсии грузопотоков на выходе элементов неразветвленной забойно-конвейерной подсистемы, представленной на рис. 3.1, при условиях взаимонезависимости и полной взаимозависимости состояний элементов.
При условии взаимонезависимости состояний элементов расчеты выполнялись по формулам (3.28), (3.27) и (3.35) - (3.38),при условии полной взаимозависимости состояний элементов - по формулам (3.44), (3.27) и (3.53) - (3.55). В обоих случаях для выполнения расчетов потребовались численные значения параметров , О? ,
Величина d определялась согласно / 3 /. Методика определения величины d приведена в приложении 7. При расчетах величины (У использовалось значение Ц , полученное из (3.57).
Расчеты характеристик грузопотоков на выходе элементов нераз-ветвленной забойно-конвейерной подсистемы вьтолнялись при условии, что начальными элементами подсистемы являются 4-я северная лава пласта К„ шахты "Украина" и 4-я южная лава пласта L шахты "Центральная". Исходные данные для определения величин математического ожидания П и среднеквадратического отклонения (У непрерывных грузопотоков из этих лав приведены в приложении 8.
Рассчитанные значения Ц и СҐ приведены в таблице 3.1.Таблица 3.1 Время корреляции непрерывного грузопотока Ш из очистного забоя составляет 3 -7 мин /20, 55 /. При выполнении данных расчетов принято =5 мин.
Известные значения параметров Тк , Тк и других показателей надежности ленточных конвейеров /20, 56, 63 / установлены по данным форм ДГ-2 диспетчерских служб шахт или журналов осмотра и ремонта конвейеров. Они являются неточными, так как в этих документах не фиксируются все отказы, возникающие при эксплуатации конвейеров. В большинстве случаев здесь фиксируются только длительные отказы.
Для установления более точных показателей надежности конвей еров силами нормативно-исследовательских станций производственных объединений "Донецкуголь", "Красноармейскуголь" и "Доброполье-уголь" при личном участии автора проведены хронометражные наблюдения за их работой на шахтах им. А.А. Скочинского, "Октябрьский рудник", им. А.А. Стаханова и "Краснолиманская". Показатели надежности ленточных конвейеров, полученные по данным хронометраж-ных наблюдений за их работой, приведены в приложении 9. Анализ данных приложения 9 показывает, что показатели надежности ленточных конвейеров зависят от вида их установки. Усредненные показатели надежности ленточных конвейеров, рекомендуемые для практического использования, приведены в таблице 3.2.При определении характеристик грузопотоков на выходе элементов неразветвленных забойно-конвейерных подсистем приняты показатели надежности полустационарных ленточных конвейеров, т.е. fK =1225 мин, Тк =25 мин.
Характеристики грузопотоков на выходе элементов неразветвленных забойно-конвейерных подсистем при условиях взаимонезависимости и полной взаимозависимости состояний элементов, рассчитанные соответственно по формулам (3.28), (3.27), (3.35) - (3.38) и (3.44), (3.27), (3.53) - (3.55) приведены в таблицах 3.3 и 3.4.
Установление и анализ аналитических выражений для определения характеристик пропускных способностей бункеров первого уровня с учетом влияния бункера второго уровня
Воздействие бункера второго уровня на пропускные способности бункеров первого уровня можно описать случайным процессом У5 (t) , принимающим значения I, если он не полон, и 0, если он полон. Вероятность того, что бункер второго уровня не полон, можно считать вероятностью его работоспособного состояния, а вероятность того, что он полон - вероятностью его неработоспособного состояния. Другими словами процесс Ug(t) можно считать потоком готовности бункера второго уровня, как элемента, влияющего на пропускные способности бункеров первого уровня.
Пропускная способность бункера первого уровня К (t) , т/мин с учетом влияния бункера второго уровня определится по формуле"гтг(и- результирующий поток готовности совокупности подбун-керных конвейеров с учетом влияния бункера второго уровня; определяется из выражения
Математическое ожидание пропускной способности бункера первого уровня с учетом влияния бункера второго уровня, по аналогии с (3.88), определится по формуле&ш - коэффициент использования во времени совокупностиподбункерных конвейеров с учетом влияния бункера второго уровня; определяется из выражения / 60 / гдеУ - отношение среднего времени длительности состояния "бункер второго уровня полон" Т , мин к среднему времени дли-тельности состояния "бункер второго уровня не полон" /j , Величину If нельзя определить непосредственно из (4.21), таккак неизвестны значения показателей Г и Тр .Вероятности состояний "бункер второго уровня полон" Рп иVа- математическое ожидание пропускной способности бункеравторого уровня, т/мин; И - математическое ожидание грузопотока, поступающего в бункервторого уровня, т/мин;Кп- параметр, определяемый характеристиками грузопотока, поступающего в бункер второго уровня, и его пропускной способности, 1/т; коэффициент дисперсии грузопотока, поступающего в бункервторого уровня, т /мин; І - коэффициент дисперсии пропускной способности бункера вто рого уровня, т /мин.
Из (4.22) и (4.23) с учетом (4.21) можно получить следующуюформулу для определения величины Ц
Корреляционная функция потока готовности бункера второго уровня Kyfif) определяется из выражения / 24 /гдев 1 - параметр корреляционной функции потока готовности бункера второго уровня, 1/мин; определяемый по формулей - среднее количество угля в бункере второго уровня, т. Среднее количество угля в бункере произвольного уровня, на основании (1.2) - (1.4), определится из выраженияФормула (4.29) с учетом (4.30) применительно к бункеру второго уровня примет вид
Коэффициент дисперсии пропускной способности бункера перво-го уровня с учетом влияния бункера второго уровня b v" , т /мин, по аналогии с (3.90),определится из выраженияТн - среднее время простоя совокупности подбункерных конвейе ПКров с учетом влияния бункера второго уровня, мин; определяется по формуле / 60 /где Хи =5,076 10 - интенсивность отказов стационарного конвейера, 1/мин; 1$ - параметр, являющийся обратной величиной средней длительности состояния "бункер второго уровня не полон", 1/мин, т.е.
Так как величина показателя Т 1 неизвестна, то значение параметра І непосредственно из (4.34) определить нельзя.
Параметр Вїї корреляционной функции потока готовности бункера второго уровня, по аналогии с (3.37), может также определяться по формулеИз (4.36) получено следующее выражение для определения вели В результате выполненных исследований установлены аналитические выражения для определения характеристик пропускных способностей бункеров первого уровня с учетом влияния бункера второго уровня. Значение Ц- " можно определить по формулам (4.19), (4.20), (4.27) и (4.24) - (4.26), а величину Ь - из выражений (4.32), (4.19), (4.20), (4.27), (4.24) - (4.26), (4.33), (4.37) и (4.31). Анализ этих выражений показывает, что значения характеристик V ,J 1-І/uvu пропускной способности ш бункера первого уровня с учетом влияния бункера второго уровня зависят от вместимости бункера второго уровня djj , а также от характеристик //" , Ьи . поступающего в него грузопотока и характеристик UIT , Ь его пропускной способности.
В бункерах первого уровня, являющихся начальными элементами подсистемы второго уровня, происходит преобразование грузопотоков, поступающих из подсистем первого уровня. Грузопоток на выходе бункера первого уровня U/j[t) , т/мин как элемента подсистемы второго уровня определится из выражениягдеУк-ft) - случайный процесс, принимающий значения I, если в бункере первого уровня есть уголь, и 0, если в нем нет угля или поток готовности бункера первого уровня как элемента подсистемы второго уровня. На параметры случайного процесса У fit) оказывает влияние бункер второго уровня.
Математическое ожидание грузопотока 11$ , т/мин на выходепервого уровня определится по формулегдепН1г0 - вероятность того, что бункер первого уровня пуст с учетом влияния бункера второго уровня. Величина Р0 , согласно (1.5), определится из выражения
Корреляционная функция грузопотока на выходе бункера первого уровня имеет вид / 24 /где R - параметр корреляционной функции потока готовности бункера первого уровня, 1/мин, определяемый из выраженияй - среднее количество угля в бункере первого уровня, т. Выражение (4.42) с учетом (4.30) применительно к бункеру первого уровня примет вид
Дальнейшие транспортно-технологические преобразования грузопотока, поступающего в бункер второго уровня, обусловлены простоями конвейеров подсистем второго уровня и их структурой. Методика определения аналитических выражений характеристик грузопотока, поступающего в бункер второго уровня, аналогична методике определения аналитических выражений характеристик грузопотоков, посту
