Информационная система для прогнозирования объемов подземной добычи угля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.236 DOI 10.12737/5633

Получено 08.07.2014 Одобрено 29.07.2014 Опубликовано 17.09.2014

Линник Ю.Н.

д-р техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО «Государственный университет управления», г. Москва

e-mail: [email protected]

Линник В.Ю.

д-р экон. наук, доцент ФГБОУ ВПО «Государственный университет управления», г. Москва

e-mail: [email protected]

информационная система для прогнозирования объемов подземной добычи угля

Аннотация

В статье приведены результаты исследований показателей, характеризующих прочностные свойства и особенности геологического строения угольных пластов, таких как сопротивляемость резанию угля, пласта, твердых включений и породных прослойков, а также их удельное содержание в пласте. На основании физических представлений о том, как свойства угольного пласта влияют на надежность исполнительных органов угледобывающих машин, предложен интегральный показатель оценки характеристик разрушаемости угольных пластов, названный показателем эквивалентной сопротивляемости угольных пластов резанию Аэ. Физический смысл этого показателя состоит в том, что он оценивает способность угольного пласта вызывать средние нагрузки, влияющие на постепенные отказы разрушающих органов, характеризуемые показателем сопротивляемости угля резанию, и пиковые нагрузки, влияющие на внезапные отказы, характеризуемые величиной обобщенного показателя содержания и свойств неоднородностей в пласте.

Практическое значение показателя Аэ состоит в том, что его использование позволяет оценивать условия работы угледобывающей машины не набором характеристик, а с помощью одной характеристики, при выполнении расчетов, связанных с определением параметров угледобывающих машин, их производительности и других технологических показателей работы как очистного забоя, так и угольной шахты в целом.

Ключевые слова:

угольный пласт, база данных, разрушаемость, сопротивляемость резанию, программное обеспечение.

Linnik Yu.N.

Doctor of Engineering, Professor, FSBEI HPE State University of Management, Moscow

e-mail: [email protected]

linnik V.Yu.

Doctor of Economics, Associate Professor, FSBEI HPE "State University of Management", Moscow

e-mail: [email protected]

Information System for Underground Coal Mining Output Prediction

Abstract

The results related to studies of indicators characterizing mechanical properties and features of coal layers' geological structure, such as resistance to cutting for coal, layer, solid inclusions and intermediate rocks as well as their specific content in the layer have been presented in this paper. Based on physical ideas of how the coal layer properties influence the coal-face winning assembly's final control elements reliability an integrated indicator of coal layers' breaking characteristics assessment, called the indicator of equivalent coal layers resistance to cutting Ae has been offered. This indicator's physical meaning is that it assesses the coal layer's ability to cause average loads affecting breaking final control elements' degradation failures characterized by indicator of coal resistance to cutting, and peak loads affecting sudden failures characterized by a value of a generalized indicator of layer heterogeneities' content and properties. Practical meaning of Ae index is that it allows assess coal mining machine's working conditions not by a set of characteristics , but by one characteristic , when performing calculations related to coal-mining machines' parameters definition, these machines' performance, and other technological parameters of wide place and coal mine as a whole.

Keywords:

coal layer, database, breaking, resistance to cutting, software.

Проблема, связанная с прогнозированием добычи угля, достаточно сложная и требует учета большого количества взаимосвязанных горно-геологических, горно-технических, социально-экономических, экологических и других факторов . Определение факторов, влияющих на эффективность добычи угля и их обоснование, осуществлялось путем комплексного подхода к оценке производственно-экономической деятельности отрасли на основе теории системного анализа, в основу которого положено рассмотрение объекта прогнозирования как совокупности взаимодействующих факторов

Выбор и анализ факторов, влияющих на процесс прогнозирования, сводится к следующему:

• отбираются и систематизируются факторы, влияющие на эффективность добычи угля;

• устанавливается значимость факторов;

• оценивается воздействие изучаемых факторов на объект прогнозирования;

• разрабатывается факторная модель взаимодействующих параметров для ее практического использования

В соответствии с указанными принципами, применительно к прогнозированию угольной отрасли,

система, на выходе которой формируется объем подземной добычи угля, может быть представлена как иерархическая структура, в которой годовые объемы добычи по каждой шахте на нижнем уровне суммируются на следующем уровне в объемы добычи по угледобывающим компаниям и затем в целом по отрасли . Общий объем добытого угля рассматривается в разрезе его качественных характеристик, а также горно-геологических условий разработки пластов и условий, характеризующих безопасность ведения горных работ, оказывающих существенное влияние на применяемые технику и технологии Основными факторами, характеризующими добычу угля и ее себестоимость, являются показатели сырьевой базы, характеризующие пласты как объекты их разработки, и применяемые на шахте техника и технологии добычи угля

Согласно представленной схеме (см . рис . 1) применительно к особенностям подземной добычи угля при осуществлении прогноза необходимо учитывать следующие группы параметров

1. Группа входных параметров, являющихся характеристиками сырьевой базы, включающая три подгруппы:

а) горно-геологические характеристики пластов и характеристики их разрушаемости;

б) условия, характеризующие безопасность ведения горных работ;

в) качественные характеристики угля, в зависимости от которых происходит разделение углей по их марочному составу

2 . Группа регулирующих параметров, описывающих технико-экономический уровень оборудования для добычи угля:

а) теоретическая и техническая производительность добычного и проходческого оборудования;

б) гарантированный ресурс очистного и проходческого оборудования;

в) удельные затраты на добычу угля;

г) удельные затраты на проведение горных выработок

3. Регулирующие воздействия, описывающие технологический уровень ведения очистных и подготовительных (проходческих) работ

4 . Группа выходных параметров, сформированная с учетом совокупного влияния всех перечисленных параметров Они формируют прогнозные данные по объемам добычи углей различных марок в типовых условиях эксплуатации и технико-экономические показатели горнодобывающих машин, обеспечивающие заданные объемы

Представленная на рис . 1 схема не в полной мере дает понятие о существе внутренних процессов, происходящих при формировании выходных прогнозных данных. Именно поэтому процесс разработки прогноза изображен на схеме в виде «черного ящика» с известными входными и выходными параметрами и неизвестным внутренним устройством . Кроме того, представленная схема отображает лишь факт влияния входных параметров, регулирующих параметров и регулирующих воздействий на результаты прогнозных оценок

Характер влияния и вес каждого из показателей в процессе формирования выходных результатов не представлены с целью упрощения восприятия схемы Отметим лишь, что данные группы показателей не только влияют на формирование прогнозных значений, но оказывают взаимное влияние друг на друга . В частности, для выбора эффективных технологических схем ведения горных работ и высокопроизводительного оборудования в качестве исходных данных должны приниматься горно-геологические характеристики угольного пласта и вмещающих горных пород

Таким образом, в процессе прогнозирования развития подземной добычи угля необходимо в совокупности рассматривать показатели сырьевой базы (входные параметры) и показатели технического и технологического уровня горного производства (регулирующие параметры и регулирующие воздействия), а также учитывать их взаимное влияние друг на друга Прогнозная оценка добычи угля может быть дана как в виде одного значения, характеризующего добычу по отрасли в целом, так и в виде отдельных значений в разрезе каждого из объектов прогнозирования Описанная выше система факторов, оказывающих влияние на добычу угля, позволяет сформировать полный перечень необходимых показателей для разработки методики прогнозирования добычи угля, включая горно-геологические характеристики пластов и показатели их разрушаемости, условия, характеризующие безопасность ведения горных работ, качественные характеристики углей, их марочный состав, производственно-технические факторы, экономические факторы, характеризующие добычу угля Прогноз добычи угля по марочному составу осуществляется в объемах добычи (млн т) или в процентном отношении к общему объему добычи на заданную перспективу по отдельным маркам добываемых углей . Прогнозирование по типовым условиям применения угледобывающих машин позволяет оценить объем добычи по каждой из девяти групп типовых условий [1]. Составленный на этой основе

Рис. 1. Схема взаимодействия факторов, влияющих на формирование прогноза развития подземной добычи угля

прогноз позволяет получить результат не только об объемах угля, добытого на заданную перспективу в рамках каждой из групп типовых условий, но и сделать выводы о необходимости обеспечения отрасли соответствующей добычной техникой

Прогнозирование добычи в зависимости от склонности угольных пластов к выбросам и горным ударам позволяет оценить долю добычи угля подземным способом из пластов с различной степенью опасности . Данный прогноз позволит сделать вывод о

необходимости проведения мероприятий по дегазации пластов, а также о сроках их проведения Прогноз добычи угля на заданную перспективу по описанным объектам прогнозирования осуществляется по действующим предприятиям с учетом вывода их из эксплуатации по мере отработки запасов и ввода новых в течение заданного периода прогнозирования . Результаты прогноза могут быть представлены в графическом или табличном виде

Для каждого из объектов прогнозирования требуется определить набор параметров, необходимых для построения модели . Отдельные значения являются общими для каждого из объектов, однако в некоторых случаях присутствуют параметры, уникальные для отдельного объекта прогноза При определении группы входных параметров в модели прогнозирования добычи угля за основу взят перечень объектов, описанный выше

Согласно данному перечню набор входных параметров при прогнозировании добычи угля различного марочного состава выглядит следующим образом:

• количество марок угля, добываемого из всех шахтопластов;

• количество шахтопластов с углями конкретной марки;

• объем добычи по отдельной марке угля

При разработке модели прогноза добычи угля по типовым условиям применения предложены параметры, характеризующие количество пластов и объемы добычи по шахтопластам в каждой из девяти типовых групп по особенностям строения и категориям разрушаемости

При этом по каждой из типовых групп учитывались следующие параметры:

• количество тонких пластов и объемы добычи;

• количество пластов средней мощности и объемы добычи;

• количество мощных пластов и объемы добычи Входными параметрами при прогнозировании в

зависимости от угла падения пласта являются:

• количество пластов и объемы добычи, приходящиеся на пологие и пологонаклонные пласты;

• количество пластов и объемы добычи, приходящиеся на крутонаклонные пласты;

• количество пластов и объемы добычи, приходящиеся на крутопадающие пласты

Для осуществления прогноза добычи угля в зависимости от склонности пласта к выбросам и горным ударам учитываются следующие показатели:

• количество пластов и объемы добычи угля по каждой из шести категорий газовой опасности;

• количество пластов и объемы добычи угля по каждой из трех категорий по склонности к внезапным выбросам угля и газа;

• количество пластов и объемы добычи угля по каждой из трех категорий по опасности проявления горных ударов

Приведенный перечень показателей отражает значения, характерные для отдельного объекта прогноза

Существуют также показатели, являющиеся общими для каждого объекта прогноза:

• полный перечень шахтопластов, участвующих в добыче на заданный момент времени (с учетом вводимых в эксплуатацию шахт);

• количество рабочих дней в году.

В общем виде модель прогнозирования добычи угля на основе описанных выше входных параметров выглядит следующим образом

Прогнозируемый объем добычи угля Qм i определяется по формуле

x■»<

Qm .i = TTp X Qop.oyx .у, тыс .т j=1

где Т — количество рабочих дней в году; Qmm„ ,■ —

р ср xyij

среднесуточная добыча по j-му шахтопласту, тыс . т; Xia i — количество шахтопластов, относящихся к учитываемому i-му выходному параметру (марка угля, группы типовых условий, углы падения, категория газовой опасности) добывающих уголь марки Общая добыча Qм равна

qm = Х qmi ' тыс . т,

i=1

где Хпл — общее количество шахтопластов с учетом действующих и вводимых в эксплуатацию на заданную перспективу

Результаты выполненных авторами данной публикации исследований [2; 3; 4] и описанная выше модель прогнозирования подземной добычи угля легли в основу базы данных и информационной системы для оперативной и прогнозной оценки сырьевой базы подземной разработки угольных месторождений и объемов добычи угля на заданный срок Следует также отметить, что согласно вступившему в силу с 1 января 2012 г. Федеральному закону от 3 декабря 2011 г. № 382-Ф3 «О государственной информационной системе топливно-энергетического комплекса» все коммерческие и государственные структуры, занятые в производстве, транспортировке, переработке и продаже энергоресурсов, должны представлять данные, включающие в числе прочих показатели, характеризующие сырьевую

базу угольной промышленности . Для реализации закона разрабатывается государственная информационная система топливно-энергетического комплекса (ГИС ТЭК) .

Учитывая изложенное, авторами предложена концепция информационной системы для поддержания в актуальном состоянии информации о сырьевой базе угольной промышленности России Согласно предлагаемой концепции, распределенная система обработки информации о состоянии сырьевой базы угольной промышленности Российской Федерации состоит из сервера базы данных, осуществляющего хранение и обработку информации, и удаленных источников данных, в качестве которых могут выступать угольные компании или шахты . Передача данных на сервер осуществляется через глобальную сеть интернет, при этом единый интерфейс для всех конечных пользователей предоставляет выделенный web-сервер, что позволит осуществлять ввод данных в базу без установки у конечных пользователей специализированного программного обеспечения

При передаче данных возможны два варианта доставки информации . В первом случае шахты передают всю необходимую информацию в головной офис угольной компании, которой принадлежит данная шахта Формат передаваемых данных в этом случае не регламентируется разработанной концепцией и устанавливается каждой отдельно взятой угольной компанией После сбора информации от шахт компания передает данные по всем принадле-

Литература

1. Линник Ю.Н. Научные основы создания исполнительных органов нового технического уровня для угледобывающих комбайнов // Уголь. 1994. № 12. С. 18—22.

2. Линник В.Ю. Формирование баз данных для прогнозирования развития сырьевой базы угольной промышленности: монография. М.: ГУУ, 2011. 103 с.

3. Линник Ю.Н., Мерзляков В.Г., Линник В.Ю. Типизации угольных пластов применительно к выбору очистного и проходческого оборудования и степени их пригодности к эффективной разработке // Маркшейдерский вестник. 2010. № 4. С. 38-44.

4. Афанасьев В.Я., Линник В.Ю. Прогноз горно-геологических условий залегания угольных пластов и безопасности их отработки на период до 2030 года // Уголь. 2011. № 1. С. 61-64.

жащим ей шахтам на web-сервер информационной системы В этом случае необходимо создание одного автоматизированного рабочего места на всю угольную компанию

Во втором случае имеется возможность отдельно взятой шахте, минуя процесс агрегирования данных на уровне угольной компании, передать данные на web-сервер . При этом форма подачи данных должна быть строго регламентирована Источником данных во втором случае могут выступать технические службы отдельных шахт В этом случае необходимо создание нескольких автоматизированных рабочих мест Обновление данных в системе рекомендуется осуществлять, не привязываясь к определенным периодам, а по мере ввода и вывода из эксплуатации очистных и подготовительных забоев, а также вскрытия новых угольных пластов

Таким образом, предлагаемая информационная система позволит отслеживать информацию о показателях сырьевой базы и своевременно принимать управленческие решения, связанные с комплектацией очистных и подготовительных забоев оборудованием, технические характеристики которого в максимальной степени соответствуют характеристикам угольного пласта, а также своевременно принимать соответствующие меры для обеспечения безопасных условий ведения горных работ на шахтах. Все это позволит повысить экономические показатели как отдельной шахты и угольной компании, так отрасли в целом

References

1. Linnik Yu.N. Nauchnye osnovy sozdaniya ispolnitel'nykh organov novogo tekhnicheskogo urovnya dlya ugledobyvayushchikh kombaynov [Scientific basis for the creation of the executive bodies of the new technological level for coal mining combines]. Ugol' [Coal]. 1994, I. 12, pp. 18—22. (in Russian)

2. Linnik V.Yu. Formirovaniebazdannykh dlyaprognozirovaniya razvitiya syrevoy bazy ugol'noypromyshlennosti: monografiya [The formation of databases to predict the development of raw material base of the coal industry]. Moscow, State University of Management Publ., 2011. 103 p.

3. Linnik Yu.N., Merzlyakov V.G., Linnik V.Yu. Tipizatsii ugol'nykh plastov primenitel'no k vyboru ochistnogo i prokhodcheskogo oborudovaniya i stepeni ikh prigodnosti k effektivnoy razrabotke [Typing of coal seams with respect to the choice of cleaning and sinking equipment and the degree of their suitability to the effective development]. Marksheyderskiy vestnik [Surveying Gazette]. Moscow, FGUP «Giprotsvetmet» Publ., 2010, I. 4, pp. 38-44. (in Russian)

4. Afanas'ev V.Ya. Linnik V.Yu. Prognoz gorno-geologicheskikh usloviy zaleganiya ugol'nykh plastov i bezopasnosti ikh otrabotki na period do 2030 goda [Forecast of mining and geological conditions of occurrence of coal seams and security of their mining for the period up to 2030]. Ugol' [Coal]. Moscow, Moscow State Humanitarian University Publ., 2011, I. 1, pp. 61-64. (in Russian)