CC BY
49
of mathematical modeling for problems of mining ventilation network gas dynamic. The finding results are shown and special account is taken of their practical implication.
Key words: methane, gas emission, mine, technological process, turbulent diffusion, convective diffusion, mathematical model.
Получено 17.02.2012
УДК 331.4:622.271
Л.Э. Шейнкман, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, еПагё@уапёех. ги
(Россия, Тула, ТулГУ),
В.Л. Рыбак, докт. техн. наук, ген. директор
(Россия, Москва, «ХК «СДС-Уголь»),
Р.А. Ковалев, д-р техн. наук, проф., декан (4872) 35-22-74,
(Россия, Тула, ТулГУ)
РИСК АВАРИЙ НА ШАХТАХ, ОБУСЛОВЛЕННЫЙ ГАЗОВЫМ ФАКТОРОМ
Проблема достоверного прогноза вероятности возникновения аварий в шахтах не теряет своей актуальности на протяжении всего периода существования горной промышленности. В России особую остроту она приобрела во время экономической нестабильности переходного периода. Подмосковный бассейн является, наверное, самым показательным объектом, где реструктуризация и диверсификация угледобывающих предприятий протекают на фоне общего снижения уровня безопасности подземных горных работ. Предложена методика оценки риска аварий по газовому фактору на основе теории надежности технических систем.
Ключевые слова: авария, техническая система, надежность, вероятность, шахта, газовый фактор, безопасность, риск.
Проблема достоверного прогноза вероятности возникновения аварий в шахтах не теряет своей актуальности на протяжении всего периода существования горной промышленности. В России особую остроту она приобрела во время экономической нестабильности переходного периода. И Подмосковный бассейн является, наверное, самым показательным объектом, где реструктуризация и диверсификация угледобывающих предприятий протекают на фоне общего снижения уровня безопасности подземных горных работ. Комплексное изучение проблемы аварийной опасности угольных шахт было организовано по инициативе академика А.А. Скочинского, В.Б. Комарова, А.И. Ксенофонтовой и в значительной мере разработано в научном плане в Московском государственном горном университете К.З. Ушаковым, Б.Ф. Кириным, Н.В. Ножкиным и др. Закономерности безопасной эксплуатации шахтных вентиляционных систем и работы вентиляторов главного проветривания (ВГП) на шахтные вентиляционные сети (ШВС) для разработки эффективных средств по снижению
энергоемкости и повышению надежности проветривания шахт изучались и продолжают изучаться научными школами К.З. Ушакова, А.С. Бурчакова, И.И. Медведева, О.Н. Русака, А.Ф. Милетича, В.А. Пилюка, В.П. Логвинова, О.Г. Свешникова, Ф.А. Абрамова и др. Их исследования показывают, что устранение внешних утечек воздуха на шахтах и повышение эффективности функционирования системы «ВГП-ШВС» является актуальной задачей в обеспечении безопасного ведения работ на горных предприятиях. Однако эти вопросы не могут быть решены без знания законов и условий, определяющих изменения основных параметров вентиляционной сети во времени [1].
Президент Академии горных наук Ю.Н. Малышев, анализируя перспективы развития угольной промышленности, отмечал, что оценивая роль угля в энергообеспечении России, предусматривается увеличение доли угля в общем энергопотреблении за 2000 - 2010 гг. на 0,1 %, или с 29 до 9,1 %, при абсолютном росте его добычи за этот период с 3753 млн, до 4 803 млн т. у.т., т.е. на 14,2 %, а снижение доли нефти с 38,6 до 37,2 % и увеличение доли газа с 22,1 до 23,5 %. В 2010 г. доля атомной энергии оценена в 6,9 %, а гидроэнергии - в 2,9 % и прочих видов энергии - в 1,2 %. Поэтому возрождение Подмосковного бассейна является очевидным, а соответственно необходимо и решать проблемы повышения уровня безопасности горных работ. Прослеживая динамику аварийности на шахтах России за последние десятилетия можно сделать вывод о том, что абсолютное число аварий имеет устойчивую тенденцию к снижению, а число аварий, отнесенных на 1 млн т угля, добытого подземным способом, напротив растет.
Многолетняя статистика аварийности на угольных шахтах свидетельствует, что основной удельный вес в общем балансе составляют подземные аварии. Основными видами крупных аварий в шахтах являются эндогенные и экзогенные пожары, взрывы метана и угольной пыли, внезапные выбросы угля и газа, породы и газа, обрушение пород кровли, прорывы подземных вод и пульпы. Так же как на предприятиях угольной промышленности России в целом, наиболее часто встречающимися видами подземных аварий в шахтах Подмосковного бассейна являются эндогенные и экзогенные пожары. Несмотря на то, что метан встречается редко и в малых количествах, аварии, связанные с нарушением состава рудничного воздуха, периодически возникают. В последние годы отмечен рост числа аварий, связанных с прорывами воды в горные выработки.
О работе шахт Подмосковного угольного бассейна можно судить по основным технико-экономическим показателям, анализ динамики которых за период с 1988 по 1996 г. позволил заключить, что имеет место тенденция их устойчивого снижения (за исключением себестоимости угля). Однако следует отметить различные темпы этого процесса.
Так, за 9 лет проведение вскрывающих и подготовительных выработок сократилось в 12,6 раза, годовая и среднесуточная добыча угля уменьшились более чем в 6 раз. При этом среднесуточная нагрузка на один очистной забой сократилась лишь в 1,7 раза и в период 1993-1996 гг. оставалась практически постоянной. Среднесписочная численность рабочих по добыче угля и производительность их труда сократились в среднем в 2,5...3 раза. Себестоимость 1 т угля, добываемого подземным способом, за рассматриваемый период возросла в 14800 раз, что связано, в основном, с инфляционными процессами.
Подобное технико-экономическое состояние шахт Подмосковного бассейна можно объяснить общим кризисом [2], переживаемым угольной отраслью, сложностью работы в рыночных условиях, отсутствием необходимого финансирования, трудностями со сбытом угля, множеством социальных проблем. При изучении фактической аварийности шахт Подмосковного бассейна производился ретроспективный анализ данных посредством выделения тренда, позволяющего выявить детерминированную составляющую временного ряда. Адекватность тренда исходным данным оценивалась по величине коэффициента корреляции. Установлено, что наиболее значимыми внешними факторами, влияющими на количество аварий, являются технико-экономические показатели, характеризующие работу угледобывающего производственного объединения. Оценка влияния внешних факторов на количество аварий осуществлена методом корреляционного анализа.
В процессе исследований было доказано, что в соответствии с предлагаемой методикой количественную оценку аварийной опасности шахт и производственных объединений в целом целесообразно производить по величине вероятности возникновения аварий, позволяющей оценить период безаварийной работы рассматриваемого объекта. Отличительной особенностью настоящей методики является ее динамичность, что предполагает ежегодное пополнение базы данных по аварийности количественными показателя за истекший год и перерасчет коэффициентов соответствующих математических моделей.
При определении эффективности защитных мероприятий от конкретного вида аварий в технологическом процессе добычи угля (ТПДУ) подземным способом, оценке опасности производственных ситуаций, разработке планов ликвидации аварии следует принимать во внимание основные показатели аварийности и безопасности шахт. С точки зрения безопасности ТПДУ характеризуется величиной риска, под которым понимается вероятность человеческих и материальных потерь в случае аварии. Основным показателем аварийности рассматриваемого технологического процесса является функция распределения количества аварий. Теоретическая функция распределения определяет вероятность того, что
функционирование ТПДУ без аварий меньше некоторого заданного времени ^ (времени безаварийной работы), т.е. P{T<t}.
Значительный практический интерес представляет также интенсивность возникновения аварий, которая в соответствии со статистическим определением трактуется как количество аварий, приходящихся в год на одну шахту. Анализ информации по динамике возникновения аварий различного вида позволяет заключить, что интенсивность возникновения аварий изменяется во времени. Следовательно, потоки отказов в системах обеспечения жизнедеятельности шахты являются нестационарными.
При этом физически обоснованной представляется гипотеза об ординарности и отсутствия последействия для рассматриваемых потоков. Таким образом, базовой закономерностью будет являться закон распределения вероятности безаварийной работы по 1-му виду аварий
Р1(1) = ехр
I
(1)
где Р; - вероятность безаварийной работы по ьму виду аварий; Л, - интенсивность аварий 1-го вида (всем видам аварий присваивается свой номер). Тогда длительность безаварийной работы по 1-му виду аварий
Т1 =
I
ехр Х1(1)ё1
Л
(2)
Обобщение длительных наблюдений кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды Тульского госуниверситета позволили представить теоретические положения комплексной оценки уровня безопасности подземной угледобычи следующим образом. Вероятность безаварийной работы по 1-му виду аварий в общем виде подчиняется закону Пуассона (1).
Длительность безаварийной работы по 1-му виду аварий является оценкой времени безотказной работы защитного экрана по этому виду аварий (2). При этом концептуальная структура интегрального риска может быть представлена следующей формулой:
Я = Стоимость потерь х
х Р{Стоимость потерь/Авария} х
х 1-Р(Ч) = Ущерб • 1-Рф , (3)
а по 1-му виду аварий определяется аналогичной закономерностью, т.е. риск аварии ьго вида можно оценить следующим образом:
Я^СП^Р^СГуА^х
хР1(1) = Уг 1-Р(1) , (4)
где ^ - интегральный риск возникновения аварии 1-го вида; СП! - стоимость потерь при возникновении аварии Л! ; У! - ущерб от аварии 1-го вида.
Следовательно, периодичность профилактических мероприятий по 1-му виду аварий описывается закономерностью (5):
1
х
0
f
exp
dt. (5)
f \(t)dt
о ,
Значительный практический интерес представляет также интенсивность возникновения аварий, которая в соответствии со статистическим определением трактуется как количество аварий, приходящихся в год на одну шахту (табл. 1). Анализ информации по динамике возникновения аварий различного вида позволяет заключить, что интенсивность возникновения аварий изменяется во времени.
Следовательно, потоки отказов в системах обеспечения жизнедеятельности шахты являются нестационарными. При этом физически обоснованной представляется гипотеза об ординарности и отсутствия последействия для рассматриваемых потоков.
Таким образом, задача управления безопасным функционированием шахты сводится к осуществлению мероприятий, позволяющих обеспечить следующие условия:
R —> min => A,*(t) —» min или
Pj (t) —> max, (6)
где X*- оценка среднестатистической интенсивности аварии i-ro вида.
Так как имеет место многофакторная связь аварийности с горногеологическими (frr), физико-химическими (f<j,x), технико-экономическими (fra) и социальными (fc) факторами, то в самом общем виде ?ц (t) = F (frr, f,^, £гэ, fo). Однако для решения практических задач прогноза аварийности в реальных условиях работы, например, для ЗАО «Мосбассуголь» наиболее значимой и доступной для количественной оценки является группа ТЭП. Поэтому математическая модель функционирования шахты Подмосковного бассейна позволяет получить связь интенсивности возникновения аварий с основными технико-экономическими показателями работы шахты.
Анализ развития аварий показывает, что устранить причины возникновения аварий значительно легче, чем прекратить их развитие. Использование систем искусственного интеллекта, экспертных систем представления знаний позволяет минимизировать риск функционирования технологического объекта. Задачами таких систем является содержание и накопление базы данных о показателях аварийности, проведение качественного и количественного анализа информации о
функционировании технологического объекта, идентификация и прогнозирование состояний, расчет соответствующих режимов работы.
Следовательно, предложен подход к прогнозу аварийной опасности угольных шахт, программная реализация которого может служить составным элементом описанных выше систем.
Главная цель такого подхода, заложенная в математическом обеспечении прогноза вероятности возникновения аварий в шахтах, - это сделать возможным вычислительный эксперимент, моделирующий функционирование технологического объекта угледобычи по фактору безопасности.
Таблица 1
Прогнозная оценка интенсивности аварий в шахтах Подмосковного бассейна
Оценка прогнозного значения интенсивности аварий, 1/год
Шахта Шахта Среднеста-
Вид «Подмосковная» «Бельковская» тистическая
аварии шахта
Эндогенные по- 0,0388 0,0393 0,0383
жары
Экзогенные пожа- 0,0935 0,0946 0,0949
ры
Обрушение гор- 0,0021 0,0017 0,0027
ных
выработок
Загазирование -0,00049 0,0011 -0,0022
горных выработок
Прорывы воды в 0,0249 0,0255 0,0239
горные выработки
Общая 0,1329 0,1362 0,1317
аварийность
Результаты вычислительного эксперимента, как на стадии проектирования, так и при эксплуатации шахты, позволят получить необходимый объем информации для принятия управленческих решений и своевременного ввода в действие системы защитных мероприятий.
Структурная схема программной реализации методики для прогнозной оценки вероятности возникновения аварий в шахтах Подмосковного бассейна представлена на рисунке.
Высокая цена отказов, особенно катастрофических, в системе обеспечения жизнедеятельности шахты выдвигает на первый план задачу их предупреждения, что возможно благодаря разработке эффективных профилактических мероприятий и своевременному вводу их в действие.
Всякий раз, когда принимается решение относительно будущих действий, во внимание принимаются, прежде всего, прогнозные оценки.
Знание прогнозной оценки периода безаварийной работы шахты, являющейся результатом реализации предлагаемой методики на конкретном технологическом объекте, позволяет установить периодичность профилактики по конкретному виду аварий, а также общей аварийности.
Динамичность методики обеспечивает корректировку показателя периода безаварийной работы объекта, что дает возможность лицу, принимающему решение, своевременно реагировать на изменение фактического состояния аварийности и принимать эффективные управленческие решения.
Общие рекомендации по осуществлению профилактических мероприятий в шахтах Подмосковного бассейна представлены в табл.
Данные рекомендации использованы в ОАО «Мосбассуголь», а также в региональном отделении Академии горных наук.
Принятия решений во многих приложениях при исследовании сложных систем в кризисных ситуациях, в период поиска компромиссных решений, при планировании и профилактике аварийных воздействий.
На основании прогнозных оценок интенсивности аварий вычислены вероятность возникновения аварий различного вида по формуле (1), а также время безаварийной работы шахты по конкретному виду аварий по формуле
365
ИЛИ сут.
Анализ результатов расчетов по этим формулам показывает, что для отдельных видов аварий получены весьма продолжительные периоды безаварийной работы шахт.
Данный результат свидетельствует о том, что на момент ликвидации шахт Подмосковья комплекс профилактических мероприятий позволял эксплуатировать технологические объекты угледобычи на высоком уровне надежности по газовому фактору.
Динамичный характер методики требует ежегодного пополнения существующей базы данных и перерасчета показателей, характеризующих уровень аварийной опасности шахт.
В случае, если аварии данного вида будут зафиксированы в рассматриваемом году, неизбежна корректировка прогнозного значения интенсивности аварий в сторону увеличения, а следовательно, уменьшение продолжительности периода безаварийного функционирования.
Разумеется, что количество аварий будет зависеть от технологических параметров, которые можно рассматривать как совокупность внешних факторов. В качестве внешних факторов, влияющих на коли-
чество аварий в шахтах Подмосковного бассейна, были приняты суточная и годовая производственные мощности акционерной компании, среднегодовая производительность труда, себестоимость и показатели производительности проходки по бассейну в целом.
База данных и знаний
Автоматизированный технологический комплекс
Факторы возникновения
аварийных
ситуаций
Количественные параметры и характеристики влияющих факторов
Экспертные системы поддержки принятия решений
н
и
Субъект (лица, принимающие решения)
Причинно следственные связи и условия возникновения аварийных ситуаций
Система управления технологическими
Уровни допустимых рисков (технического, экономического. экологического, социального и др.)
Параметры и характеристики технологического процесса
Технологические процессы и объекты
Структурное описание и модуль системы
Нормативно-
справочная
информация
н
Системы автоматического контроля, диагностики и защиты
Оценка степени риска и принятие решений для профилактики аварийных воздействий
Схема принятия решений по снижению риска аварийных ситуаций на предприятияхъгорнодобывающей промышленности по газовому фактору
Влияние перечисленных технико-экономических показателей оценивалось по величинам коэффициентов парной корреляции. Данные корреляционного анализа свидетельствуют о том, что, практически все из перечисленных факторов влияют как на количество аварий каждого вида, так и на общую аварийность в целом. При этом наблюдается жесткая положительная связь количества аварий с количеством шахт, поэтому оценку уровня эффективности системы защиты от конкретного вида аварий следует осуществлять в расчете на среднестатистическую шахту конкретного угольного бассейна.
Список литературы
1. Аэрогазодинамика углекислотообильных шахт / Н.М. Качурин, P.A. Ковалев, А.Л. Бобовников и др. // М. Изд-во МГГУ. 2005. 302 с.
2. Геоэкологические принципы технологической реструктуризации Подмосковного угольного бассейна / Качурин Н.М., Сычев А.И., Абрамкин Н.И., Поляков В.В., Ефимов В.И. // Москва - Тула. Изд-во "Гриф и К". 2004. 368 с.
L.E. Shainkman, V.L. Ribac, R.A. Kovalev
RISK OF ACCIDENTS AT THE MINING ENTERPRISES BY GAS FACTOR
The problem of credible forecasting probability for arising accidents in the mines doesn't lose topicality during all period of mining industry existence. That problem has been very topicality during economical instability of transient period. Moscow coal basin is, certainly, the best model of the object where restructing and diversification realizing at the background of decreasing safety level of underground activity. The method of evaluation risk for accidents at the mining enterprises by gas factor with using reliability theory of technical systems has been proposed.
Key words: accident, technical systems, reliability, probability, mine, gas factor, safety, risk.
Получено 17.02.2012
УДК 622.86:51-7
Л.Э. Шейнкман, д-р техн. наук, проф., проф. кафедры, (4872) 35-37-60, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
A.Г. Даниленко, асп. ТулГУ, (4872) 35-37-60, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
B.Л. Рыбак, докт. техн. наук, ген. директор (Россия, Москва, «ХК «СДС-Уголь»),
C.Г. Геворкян, ст. преп., [email protected] (Россия, Обнинск, Обнинский ГТУ атомной энергетики)
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ТРУДА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ГОРНО-ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
На основе системно-динамических методов моделирования откликов производственной системы на управляющие воздействия (организационно-методические, технические и другие решения) рассмотрено прогнозирование целевой функции безопасности, зависящей от различных видов рисков (травм, смертельных случаев, профессиональных заболеваний и др.).
Ключевые слова: безопасность, риск, математическое моделирование.
До настоящего времени проблема безопасности труда в промышленности рассматривалась с точки зрения соответствия фактических данных нормативным. При этом в лучшем случае использовалась статистическая обработка ретроспективных данных об отказах оборудования, авариях и травмах на производстве. В такой методологической постановке безопасность труда являлась категорией слабоуправляемой.
В данной работе на основе системно-динамических методов моделирования откликов производственной системы на управляющие воздействия осуществляется прогнозирование целевой функции безопасности,
