Комплекты шпуров и организация работ при проведении выработок в однор

Рис. 22. Основные типы л -распределения, применяемые для описа­ ния параметров и операции проходческих процессов: а-м одальное с правосторонней асимметрией (продолжительность замены штанг и коронок при бурении с СБйН-3); о - модальное с левосторонней

быть объяснено большой неоднородностью структуры относительно некрепких пород.

Для вспомогательных, подготовительно-заключительных опера­ ций, времени простоев характерна правая, а для коэффициента ис­ пользования шпуров - левая асимметрия кривой распределения. Фи­ зический смысл такой асимметрии вполне объясним, если учесть, что увеличение к.и .ш . практически труднее осуществить, чем сни­ зить по случайным причинам его значение. Наоборот, время подго­ товительно-заключительных, вспомогательных и других аналогичных по характеру выполнения операций труднее поддается уменьшению, так как случайных причин, приводящих к увеличению этого времени,

значительно больше, чем причин, способствующих снижению операции. Наибольшее влияние на разброс времени цикла, его стабиль­

ность, оказывает время подготовительно-заключительных операций, заряжания, взрывания, простоев, имеющее в 10-20 раз большее сред­ неквадратичное отклонение, чем время .других операций.

Разброс времени операции значительно меньше при механизи­ рованных работах, например, бурении с кареток, чем при ручном бурении.

То же следует сказать о скоростных проходках, характеризую­ щихся высокой организацией работ и поэтому ртабилъностью во времени не только отдельных операций, но и всего цикла и, как следствие, постоянством месячной скорости проходки выработки и высокой производительностью труда.

Выявленные законы распределения операций цикла позволяют строить как аналитические, так и статистические его модели, це­ ленаправленно влиять на совершенствование организации работ в забое.

В частности, дия стабильности проходческих работ во време­ ни и, следовательно, для достижения большей производительности труда необходимы внедрение буровых кареток, автоматизация ра­ бот, сокращение времени подгодовительно-заключятельных операций, заряканжя, взрывания.

Оптимизация про^одческого цикла и ее значение

Использование совершенных технических средств производства, обеспечивающих значительное сокращение затрат времени операций, предполагает не только совершенную организацию робот, но и вы -' полнонне процесса с оптимальными параметрами.

При проведении горных выработок оптимизация параметров про­ ходческого цикла необходима, например, при цикличной организации работ, характерной для буровзрывного способа проходки.

Скорость проведения выработок буровзрывным способом опре­ деляется уходом забоя за взрыв и количеством проходческих цик­ лов за единицу времени. При одних и тех хе технических средст­ вах и организации работ в забое выработку можно проводить с различным количеством циклов, изменяя при этом уход за взрыв. С увеличением количества циклов сокращается на I м выработки затраты на подготовительно-заключительные операции, на заряжа­ ние-взрывание, проветривание. Однако при уменьшении количества

циклов и увеличении ухода за взрыв растут трудозатраты на буро­ взрывные работы. Очевидно в этом случае долины быть найдены оп­ тимальные решения.

Например, на Миргалимсайском руднике при увеличении скорос­ ти проходки выработок до 1237,6 м в месяц выполнялось в среднем

личить число циклов до 30, то потери времени на эти операции возрастут до 660 мин. Это очень много, если учесть, что на про­ ходку каждого метра выработки тратилось в среднем всего 36 мин. Уменьшение числа циклов также может быть нерациональным, так как при увеличении глубины шпуров повышается удельный расход ВВ, а следовательно, расход труда я средств. Очевидно необходи­ мо выбрать параметры, при которых затраты труда и средств были бы минимальными, а скорость проходки наибольшая.

Приведенный пример далеко не единственный при поиске опти­ мальных решений. Такие решения необходимы при выборе техничес­ ких средств, обеспечивающих наибольшее снижение стоимости и затрат труда при проведении выработок, выборе наиболее рацио­ нальных параметров организации работ в забое, количества про­ ходчиков и рациональной скорости проходки выработки. Известно, что при одних и тех же горно-геологическихусловиях проведения и сечении выработки могут применяться различные бурильные и погрузочные машины. Так, в породах с коэффициентом крепости 8-10 по шкале проф. М.М.Протодьяконова могут использоваться для

бурения электросверла, колонковые и ручные перфораторы, враща­ тельно-ударные машины, устанавдивае1ше на колонках, маницулито-

pax, каретках; в выработках сечением 10 м2 могут применяться погрузочные машины с теоретической производительностью 20240 м3/ч и комплектом самых различных средств доставки породы от забоя. Соответственно меняются параметры организации работ в забое.

Проходческий процесс оптимизируется с целью обеспечения ра­ бот с наименьшими затратами труда или средств или наибольшей скоростью проходки выработки. Оптимизировать проведение выработ­

что оптимальные параметры проходческого цикла по перечисленным критериям обычнР не совпадают по величине, а сами критерии,

задачи оптимизации процесса также отличаются сложностью и до нас­ тоящего времени разработаны недостаточно.

Математическое моделирование как один из методов описания и изучения процессов

Модель формально сходна .с реальным объектом, который она отображает, хотя и отличается от него своей внутренней структу­ рой и физической сущностью. Модели могут быть материальными, физическими и математическими. Известны, например, электричес­ кие, гидравлические, электронные модели.

Наиболее абстрактны математические модели. Они в матема­ тической форме отображают самые типичные и важные свойства и связи рассматриваемых реальных еистем. Эти свойства часто кон-

центрируют в себе воздействие на реальную систему совокупности некоторых свойств и овязей более частного характера.

Например, когда говорят об определении скорости проходки

что эти два параметра комплексно выражают зависимость скорости проходки от многих других параметров, изменение которых влияет на численную величину основных параметров. Так, изменение про­ изводительности бурения шпуров, уборки породы повлечет за собой снижение или увеличение числа циклов или глубины шпуров. То же будет иметь место и при изменении многих других параметров, вы­ раженных через два основных.

В детерминированных (определенных) моделях отвлекаются от вероятностной картины действительных процессов. В этом случае для моделирования используются наиболее вероятные значения тех или иных параметров, что также является примером отображения реальной системы через ее наиболее важные свойства.

Процесс проведения выработки характеризуется вероятност­ ной картиной изменения его отдельных параметров. Модели, в ко­ торых учитывается вероятностная система процесса, называются статистическими.

Модели могут быть дескриптивными (описательными) и оптими­ зирующими. Для оптимизирующей модели характерно наличие целевой функции, характеризующей стремление описываемого ею объекта к некоторому экстремальному эффекту.

В рассматриваемом случае в оптимизирующей функции опреде­ ляются параметры проходческого цикла, при которых, например, стоимость одного метра пройденной выработки илд трудозатраты на ее проведение минимальные.

Математическое моделирование,- являясь одним из методов мо­ делирования действительных процессов, прошло в своем развитии путь от простой детерминированной модели к сложной и,, наконец, статистической модели.

Простые детерминированные модели выражают аналитическую зависимость одного параметра от другого или нескольких перемен­ ных, например, в виде алгебраических уравнений. Такие модели давно применяются для математического описания физических или других законов, производственных процессов. Простота моделей создает удобства для их использования, они могут применяться для оптимизации параметров технологического процесса.

- 66 -

Модели могут быть статическими и динамическими. Для первых характерны разовые решения, в них не учитывается изменение ис­ следуемой системы во времени. Динамическая модель может быть представлена многошаговой задачей, в которой решение в каждом шаге зависит от решений, принятых в предшествующих шагах.

Наконец, математические модели могут быть простыми и слож­ ными, В простых моделях игнорируется взаимозависимость перемен­ ных и принимаются во внимание лишь их ггрямые связи. Например, в описываемой выше модели скорости проходки не учитывается тот факт, что с уменьшением количества циклов изменение глубины шпуров не прямо пропорционально этому уменьшению.

Необходимо учитывать, что любая модель не является точным отображением моделируемого процесса, а требуемая точность опре­ деляется *не только потребностью практики, но изученностью самого процесса.

Для математического моделирования процессов разработаны различные методы математического моделирования. В методах могут использоваться алгебраические зависимости, системы линейных или нелинейных уравнений или неравенств, системы дифференциальных уравнений, используемых для исследования динамики, системы ли­ нейного или нелинейного программирования, теории игр и другие математические приемы.

Усложнение модели и соответственно метода решения задачи обычно происходит постепенно, по мере изучения системы.

Этапы построения математической модели и ее теоретическое обоснование

Процесс построения математической модели разбивается на рад обязательных этапов: постановка задачи; разработка ее фор­ мализованной схемы; формализация задачи в общем виде; числен­ ное Представление модели.

Для правильного подбора схемы модели необходимо четко пред­ ставлять структуру процесса, знать связи между основными пара­ метрами и закономерности изменения этого процесса. Первой по­ пыткой четко изложить эти закономерности является постазовка задачи.

В основе теоретического изучения процесса должны лежать по­ ложения марксистско-ленинской диалектики, объясняющей вэаимо-

связь явлений, роль главного звена в процессе. При теоретичес­ ком анализе (качественная характеристика процесса) выявляются основные факторы и параметры, от которых в наибольшей степени зависит изменение оптимизируемой функции. Обязательноеприсутст­ вие этих параметров в будущей модели определяет по существу и саму структуру модели, ее формализованную схему.

При построении модели проходческого процесса проведения вы­ работки буровзрывным способом с помощью диалектического метода и формально-логических приемов выявляются такие определяющие параметры, как производительности технических средств проходки и глубина комплекта шпуров. Последняя при оптимальном коэффици­

цесса выявляется четкая взаимосвязь между основными параметрами и последовательность их выбора. Рассмотрение приведенной схемы позволяет утверждать, что в любой математической модели должна быть отображена зависимость времени проходческих операций от параметров технических средств и глубины шпуров. Глубина шпуров определяет один из основных параметров цикла - его продолжитель­ ность и стоимость работ.

Таким образом, при составлении схемы модели в математичес­ ких символах, используя качественную схему, мы уже имеем четкое представление об основных параметрах и взаимосвязях, намечаем направление исследований изучения процесса проходки.

Как следует из анализа схемы, одним из основных параметров проходческого цикла является глубина комплекта шпуров. Поэтому неслучайно много внимания уделяется выбору ее оптимальной ве­ личины.

Профессор Н.М.Покровский один из первых обратил внимание на необходимость оптимизации глубины шпуров и, используя графи­ ческие методы исследований, рекомендовал ее средние величины для различных технических средств бурения.

Графический метод определения оптимальных значений целевой функций

Графический метод определения оптимальной глубины шпуров наиболее прост в осуществлении и дает материал для исследования процессов.

глубина шпуров в строго заданных условиях проведения выработки. Задаются технические средства и их параметры, организация работ и по дан­ ным практики или теоретическим форму­ лам строятся в зависимости от глубины шпуров кривые изменения времени от­ дельных операций, отнесенного к I м пройденной выработки (рис. 2 3).

ров . Кривые 6,9,40 характеризуют суммарное изменение времени цикла на I м выработки или, при известном ко-

Рис. 23. Оптимальная глу - личестве членов проходческой бригады, поНд а ^ ш ° и с с л е д о в а т |МаЯ и?менение трудоемкости проведения вы-

при данных условиях проведения выработки и выбранных техничес­ ких средствах проходки.

Анализируя подобные графики, можно подметить ряд общих за­ кономерностей изменения трудоемкости проходки с глубиной шпуров.

Относительное время (на I м пройденной выработки) таких операций, как эаряжвние-в врывание, проветривание, подготовитель­ но-заключительные операции,уменьшается с увеличением глубины шцуров, чем больше глубина комплекта шпуров, тем болыце может быть сэкономлено времени по этим операциям на I м проходки.

Средний угол наклона кривой к оси абсцисс характеризует степень изменения времени отдельных операций с глубиной шпуров. Чем больше средний угол наклона кривой к оси абсцисс, тем зна­ чительнее может бытв этя экономия с увеличением глубины шпуров. Бели абсолютное время операции остается постоянным с увеличени-

ем глубины шпуров, как это имеет место для подготовительно-за­

Другой характер имеет изменение времени на I м выработки бурения комплекта шпуров. С увеличением глубины шпуров оно уве­ личивается в основном за счет бурения дополнительных шпуров, необходимых для сохранения коэффициента использования шпуров постоянным.

Оптимальная глубина шпуров, характеризуемая экстремумом суммарной кривой, тем больше, чем выше скорость буренйя. Следо­ вательно, глубина шпуров должна увеличиваться при замене мало­ мощных технических средств более мощными, если не меняются па­ раметры других операций.

Как видно из графика рис. 23 (кривая 9 ), правая сторона суммарной кривой более пологая. Поэтому бурение шпуров глубиной больше оптимальной выгоднее, чем бурение коротких шпуров.

*Оптимальная глубина шпуров может быть найдена аналитически,

Формализованная схема процесса проведения выработки и применяемые методы построения его моделей

Рассмотренная теоретически взаимосвязь между факторами и параметрами проходческого цикла может быть представлена форма­

да, заряжания-взрывания, проветривания, подготовительно-заклю­ чительных операций, крепления, вспомогательных работ, мин.

То же на I м пройденной выработки:

При оптимизации проходческого процесса целевые функции могут быть описаны следующим образом:

ции оказывает продолжительность цикла или его относительное зна­ чение Ти . Слагаемые продолжительности цикла является функцией многих переменных параметров: глубины и количества шпуров, сред­ ней скорости бурения шпуров, мощности и количества бурильных машин, устанавливаемых в забое, параметрических данных погрузоч­ ной машины и организации работ при уборке породы, параметров ор­ ганизации других процессов, стоимости работ и многих других. ч

Ори анализе взаимосвязи между параметрами цикла обращает на себя внимание обилие в ней независимых параметров и ее много­ ступенчатость.

Для объективного описания этих связей и составления мате­ матической модели необходимо глубокое понимание изучаемого про­ цесса.

Качественные и количественные связи могут быть выявлены методом статистики. Для «этого собирают статистические данные проведения выработок, в результате их обработки получают эмпи­ рические зависимости, Используемые в дальнейшем для составления математической модели. Задачи оптимизации решаются методом ли­ нейного илн нелинейного программирования.

Подобный метод был использован при составлении типовых схем проведения выработок для предприятий угольной промышленно­ сти. Метод не лишен недостатков. Для получения объективных дангых о процессе необходимо иметь большое число статистических