CC BY
45
--------------------------------------- © Ю.А. Бахтурин, Г.Д. Кармаев,
В.А Берсенев, Е.Ю. Бахтурина,
2004
УДК 622. 68
Ю.А. Бахтурин, Г.Д. Кармаев, В.А. Берсенев,
Е.Ю. Бахтурина
ВОПРОСЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ АДАПТАЦИОННОГО ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ КАРЬЕРОВ
Семинар № 12
~П своем выступлении на заседании круг-Х^лого стола журнала «Вопросы философии» говоря о роли междисциплинарных взаимодействий и месте горной науки, академик В.В. Ржевский отмечал, что «...конечно, более полное понимание ее объекта мы получим, когда для постижения ее фундаментальных свойств и процессов будут привлечены еще и такие науки, как биология... Но в этом отношении мы пока еще только в самом начале пути. И далее ...« Теоретические основы геотехнологии должны синтезировать знания многих естественных (геологических, физических, химических и даже биологических дисциплин)» [1].
В целом ряде работ транспортные системы
3
Варианты
□ Фактические расходы
□ фактические эксплуатационные расходы
□ нынешняя стоимость расходов
1-проектный вариант; 2 - с тоннельным вскрытием; 3 - с 60% уклонэм путей; 4 - с а-к-ж.д. тражгортом.
карьеров идентифицируются как адаптационные [2-5]. При этом вся эволюция транспортных систем как в историческом плане, так и за период жизненного цикла отдельного предприятия определяется адаптацией, а любой признак организации является адаптивным. Это позволяет констатировать, что адаптация составляет не только формальную, но и содержательную основу формирования транспортных систем карьеров.
Впервые адаптация как явление описано и оформилось в комплексе конкретных областей биологии. В настоящее время интенсивно нарабатываются представления об адаптивных системах в самых разных предметных областях, в том числе с середины прошлого века и в технических науках. К настоящему времени термин «адаптация» вышел далеко за пределы биологической науки. Складываются предпосылки для создания общей теории адаптации, разработки понятийной структуры явления в самом широком значении. Наиболее разработанным, отвечающим требованиям целостности, познания конкретной основы в ее существеннейших моментах, определяющим источник «самодвижения», соответствующий саморазвитию отражаемого им объекта, представляется определение А.Б. Георгиевского [6]: адаптация есть особая форма отражения системами воздействия внешней и внутренней среды, заключающаяся в тенденции к установлению с ними динами-
2
4
ческого равновесия. Под динамическим равновесием понимается процесс развития, при котором переход из одного равновесного состояния к другому осуществляется без нарушения равновесия (за счет адаптационных резервов). Это общенаучное определение должно быть конкретизировано частными определениями. Адаптацию транспортных систем предлагается определить как их реакцию на изменение природных, технологических, технических, экологических, экономических, финансовых и социальных факторов, которая выражается в тенденции установления приемлемого уровня функционирования систем. Под приемлемым понимается такой уровень, который обеспечивает динамическое равновесие процесса функционирования транспортных систем с динамикой внешней среды (в определение дана классификация факторов среды).
Представляется целесообразной постановка задачи интерпретации адаптационного формирования транспортных систем глубоких карьеров. Объяснение и прогнозирование адаптивно-эволюционных процессов транспортных систем карьеров может быть достигнуто при помощи метода аналогий на основе исследования общих для различных систем закономерностей, инвариантности основных принципов адаптации. Исследования явления адаптации могут разрешить сложившееся противоречие между необходимостью принятия эффективных стратегических решений при реализации инвестиционных проектов формирования транспортных систем карьеров и возможностями сложившейся научно-методической базы [7]. Известно, что одна из основных особенностей формирования транспортных систем глубоких карьеров состоит в том, что принимаемые при проектировании технические решения по выбору вида карьерного транспорта носят долговременный характер при высокой степени неопределенности исходной информации. Современные методы экономического обоснования инвестиционных программ предусматривают период оценки, как правило, не превышающий 7^10 лет. Применяемые в настоящее время коэффициенты дисконтирования таковы, что практически нивелируют разницу в расчетных значениях экономических критериев для сравниваемых вариантов при периоде оценки, превышающем указанный срок. В качестве примера приведена динамика нынешней стоимости расходов в вариантах развития транс-
портной системы карьера Ингулецкого ГОКа за 10 лет - с 2000 по 2010 гг. (рис.1). Если фактические расходы 1 и 4 вариантов отличаются на 41 %, то рассчитанная с учетом дисконтирования нынешняя стоимость расходов всего на 11,7 %. Для соседних 3 и 4 вариантов фактические расходы отличаются на 16,1%. Нынешняя же стоимость расходов отличается лишь на 3,5 %. При допустимой точности таких расчетов 10 % эти критерии, учитывающие дисконтирование затрат, малопригодны для принятия адекватных решений по долгосрочному формированию транспортных систем карьеров.
Логико-теоретический анализ развития транспортных систем глубоких карьеров позволяет сделать вывод о том, что количественные и качественные изменения условий среды наряду с изменениями транспортных систем карьеров под контролем выбора конкурентоспособных из них для реализации приемлемого уровня функционирования предприятия составляют систему движущих сил адаптациоге-неза (возникновение, развитие и преобразование адаптаций.) [8]. Изменчивость транспортных систем карьеров по аналогии с биологическими (которые развиваются путем совершенствования отдельных видов и их комбинаций) обеспечивается тремя основными путями: развитие и совершенствование отдельных видов транспорта; применение комбинаций различных видов транспорта; параллельное их использование.
Существующая парадигма (основная концептуальная схема) формирования транспортных систем глубоких карьеров сформулирована В.Л. Яковлевым и заключается в одновременном применении нескольких видов транспорта, их комбинаций и переход от одних схем транспортирования к другим [9]. Однако применение многотранспортных систем на карьерах всегда сопряжено с негативными последствиями. Так, многозвенность снижает общую производительность транспортной системы карьера из-за колебаний производительности смежных участков. Значительные трудности возникают ввиду необходимости одновременно поддерживать несколько различных инфраструктур. К этому можно добавить необходимость консервации больших объемов горной массы в целиках для размещения перегрузоч-
Рис. 1. Экономическое сравнение вариантов транспортирования вскрыши. ИнГОК (2000-2010)
ных пунктов и т.п. Применение многотранспортных систем на карьерах становится целесообразным тогда, когда условия среды изменяются настолько, что система уже неспособна обеспечить адекватную реакцию, так как последняя находится за пределами адаптивной пластичности отдельных видов транспорта.
Вместе с тем, можно сделать предположение, что отдельные виды карьерного транспорта и их комбинации в отношении адаптивной пластичности к условиям среды развиваются неравномерно (об этом свидетельствует и накопленный эмпирический материал). Изменениям подвержена и динамика условий среды. Если учесть, что и адаптивность различных видов транспорта к этим изменениям также может резко отличаться, то в какой-то период развития транспортной системы может оказаться, что адаптивная пластичность какого-то отдельного вида транспорта будет выше, чем у их комбинаций или по крайней мере достаточной для обеспечения приемлемого уровня функционирования предприятия.
Единственной реальной альтернативой применению многотранспортных систем на глубоких карьерах в обозримом будущем может быть использование технологического автотранспорта как обладающего лучшей адаптивностью. Это наиболее интенсивно развивающийся в настоящее время вид транспорта. Диапазон рационального использования автомобильного транспорта как самостоятельного постоянно растет и составляет в настоящее время: по расстоянию транспортирования - до 4 км; по глубине карьера - 250-300 м, по производительности - до 60 млн. т в год [10]. Вместе с тем, сохраняется ведущее ограничение, связанное со сравнительно высокой себестоимостью перевозки горной массы. Кроме того, автомобильный транспорт по-прежнему остается основным источником негативного антропо-
генного воздействия на окружающую среду при открытой разработке месторождений. Снятие этих ограничений возможно при разработке и применении карьерных автотранспортных средств с комбинированными энергосиловыми установками (газотурбинный двигатель с аккумулятором энергии, гиро-троллейный и т.п.). Эти принципиально новые средства позволяют повысить уклоны автодорог до 12%, увеличить скорость движения в грузовом направлении до 25-30 км/час, значительно сократить загазованность рабочей зоны (в 50-100 раз) при одновременном снижении расхода дизельного топлива. Имеются предпосылки разработки и гих ресурсосберегающих технологий с зованием карьерного автомобильного транспорта в том числе и инновационных безтоп-ливных.
Существующая парадигма формирования транспортных систем глубоких карьеров, по-видимому, сохранится для действующих карьеров до конца их отработки в силу большой инерционности таких систем. Что касается долгосрочной перспективы, то нельзя исключать возможности смены парадигмы, имея в виду преимущественное использование мо-нотранспортных систем, в первую очередь автотранспорта. В этом случае можно предположительно говорить о маятниковом характере смены парадигм. Но только детальное исследование тенденций динамики и взаимодействия факторов адаптациогенеза, их теоретическая и эмпирическая интерпретация могут дать точный ответ о частоте и периодах таких адаптаций. Но уже сейчас можно констатировать, что это приведет в дальнейшем к коренным структурным изменениям в стратегии долгосрочного формирования транспортных систем карьеров и идеологии создания новых транспортных средств. Интерпретация
Рис. 2. Схема формализованного представления взаимодействия элементов сложной транспортной системы: А,
В, С, D, G, К, Т, S, L - соответственно пункты разгрузки с авто на ж.д. транспорт, ДПП, ДКК, ж.д. отвалы, автотрассы, блок-участки схемы путевого развития, автосамосвалы, локомотивососта-вы, накопители информации
Взаимосвязь процессов, методов и объектов адаптации
] ЛО ~~
С °>8 т * т |
а в 0,6
2
/ // / ч\
А У/ /
\ ' 'V \\
\\ 1
1. Зависимость прирости производительности формированием транспортных систем овней _ записи горной массы ни_ складе./при вме-
--------'Рис.
і управления :-------от урЬ
нятие или наложение в^д}рде^
стимости скла .ограничения --------1—при и і ~ 10 тыс.т' 2 -
радигма и стратегия формиро-
■яри
ї транспортшх-одотер^й масс гические инновации
іЬЄМЬІ ВСКрЫШНЫХ_0^^уд^1рОИЗ-
з;ительность элементов, провоз-ц. способность схемы путевого
ІВИТИЯ, И т.п.__________________
Расширени
"Г
1 ^узких звеньев т ^ ~ 15 •'тыс. т; Т - прии|~20 и тех
ехнические и Техноло-
Наличие резервов, реализация принципа совмещения связей и т.п.
Верхний уровень запаса, тыс. т
адаптационного формирования транспортных систем глубоких карьеров позволяет решать и другие задачи технологического прогнозирования.
Однако адаптивные изменения сложных транспортных систем карьеров не могут быть описаны с помощью одного правила и на одном уровне объяснения. В адаптационных процессах транспортных систем карьеров можно выделить 3 основных иерархических уровня, соответствующих различным этапам управления:
- параметрическая адаптация связана с регулированием параметров элементов системы без изменения их структуры;
- структурная адаптация осуществляется путем изменения структуры системы;
- структурно-параметрическая адаптация включает в себя элементы соответственно структурной и параметрической адаптации;
Примеры взаимосвязи методов и уровней адаптации, обеспечивающих управление при формировании транспортных систем карьеров, отражены в таблице.
При этом параметрическая адаптация относится, как правило, к краткосрочному временному интервалу с относительно высокой частотой адаптаций. Структурная - к долгосрочной перспективе с малой частотой адаптаций.
Существует мнение, что параметрическая адаптация исчерпала себя. Это в какой то степени может быть справедливо для монотранс-портных систем. Что касается многотранспортных систем, то в связи с тем, что с их вне-
дрением увеличивается число связей, соответственно растут и возможности параметрической адаптации. Ключевым в этом случае является принцип адаптации, заключающийся в совмещении отдельных связей в пространстве и времени.
Для исследования возможностей параметрической адаптации разработана универсальная имитационно-статистическая модель функционирования сложных транспортных систем карьеров. Она позволяет воспроизводить работу основных видов карьерного транспорта и их комбинаций: автомобильного, железнодорожного, конвейерного, автомобильножелезнодорожного, автомобильно-конвейерного, автомобильно-конвейерно-железнодорожного. Схема формализованной структуры взаимодействия элементов транспортной системы в соответствии с моделью представлена на рис.2.
С применением модели обоснованы ведущие ограничения адаптивности сложных транспортных систем, в частности, ограничение по провозной способности схем путевого развития [11], определены параметры рационального взаимодействия дробильноконвейерного комплекса с экскаваторноавтомобильным и железнодорожным транспортом.
На основе моделирования функционирования автомобильно-конвейерно-железно-
дорожного (а-к-ж.д.) транспорта установлено, что несовместные простои элементов системы могут составлять до 37-42 % календарного времени.
При существующем уровне развития техники, технологии, организации открытых горных работ значительное сокращение непроизводительных простоев затруднено. Вместе с тем, потери производительности, связанные с отсутствием горной массы на складе комплекса перегрузки с конвейерного на железнодорожный транспорт (до 7,8 %), отсутствием места на складе (до 5,5 %) могут быть сведены к минимуму за счет управляющих воздействий на
Рис.4. Зависимость объема выемки вскрыши (V, млн м3) при разносе борта карьера под траншею ленточного конвейерного подъемника от глубины ее заложения (Нз, м) при ширине основания траншеи (а) 15, 20, 30 и 40 м и угле откоса борта карьера: 1-7 — 20, 25 30, 35, 40, 45, 50 град, соответственно
режим отгрузки горной массы со склада. В связи с этим возникает необходимость определения такой организации взаимодействия дробильно-конвейерного комплекса с железнодорожным транспортом, которая обеспечит рациональное использование технических возможностей погрузочного и транспортного оборудования системы за счет снижения простоев по вышеуказанным причинам.
Решение задачи выбора рационального режима поступления локомотивосоставов под погрузку на склад комплекса перегрузки (КП) с конвейерного на железнодорожный транспорт с целью минимизации вероятности дефицитности или переполнения склада возможно при управлении потоком заявок в зависимости от уровня запаса горной массы.
Как показывает практика эксплуатации комбинированного транспорта на карьерах, количество горной массы, отгруженной со склада не является независимым от наличного уровня запаса. Процесс поступления поездов под погрузку, как правило, испытывает управляющее воздействие. В большинстве случаев это осуществляется так: если создается угроза переполнения склада, увеличивают интенсивность отгрузки, либо снижают интенсивность поступления горной массы на склад. Наоборот, если на складе создается дефицит или угроза дефицитной ситуации, то уменьшается интенсивность поступления локомотивосоставов под погрузку. Принятие решений об изменении интенсивности отгрузки горной массы со склада должно быть обоснованным. Регулирование интенсивности возможно за счет перераспределения грузопотоков. Учитывая, что а-к-ж.д. транспорт, как правило, применяется параллельно с автомобильно-железнодорожным и железнодорожным, высвободившиеся в период пониженной интенсивности отгрузки локомо-тивосоставы могут быть использованы для перевозки горной массы с верхних и средних горизонтов в составе вышеуказанных схем. Таким образом, имеет место реализация сформулированного принципа совмещения функций
V
г
о
12
'1 " а
тЖ\ ш
а т20н
■*1
а гон
**
ш
а 40* ж Ш
5
№
306
55^
отдельных связей. Изменяя верхний и нижний уровни запаса горной массы на складе, а также интенсивность отгрузки можно получить значения этих параметров, при которых прирост производительности будет максимальным. Для условий Житикаринского карьера в варианте применения а-к-ж.д. транспорта на основе моделирования установлена зависимость при-та производительности от уровней запаса горной массы на складе при вместимости склада (рис. 3). Рациональные значения нижнего критического уровня запаса горной массы на складе находятся в области Ц = 15-17 тыс. т, верхнего ио = 29-31 тыс. т.
Объем вскрышных пород, вынимаемых при формировании транспортных берм и площадок для перегрузочных пунктов, является значительным и оказывает существенное влияние на эффективность разработки глубоких карьеров. Он может быть сведен к минимуму при адаптации транспортной системы к минимальному объему карьерного пространства. Это может быть достигнуто также за счет реализации принципа максимального совмещения отдельных связей системы, например, предохранительных берм карьера с транспортными бермами и другими выработками. В этом случае можно говорить о структурнопараметрической адаптации. Так, размещение вскрывающей выработки ленточного конвейерного подъемника диагонально на конечном борту карьера требует его предварительного разноса под основание выработки.
Объем выемки вскрыши при разносе борта определяется видом вскрывающей выработки, шириной ее основания и углами наклона подъемника и борта карьера. При использовании известных способов строительства ленточных конвейерных подъемников с лентой шириной 1600 и 2000 мм на основании конвейерной выработки остаются строительные площадки и дорога для движения по ней сверху вниз тракторной тележки с грузом и перемещения с одной строительной площадки на другую строительного крана. Ширина такого основания составляет 30-40 м. Объем выемки вскрыши от разноса борта карьера под траншею ленточного конвейерного подъемника с основанием такой ширины является значительным, как это следует из графиков, представленных на рис.4. Он может быть уменьшен за счет придания конвейерной выработке полутраншейной формы. При такой форме конвейерной выработки часть ее осно-
траншее и на опорах; 3 - верхняя часть става на опорах; 4 - строительный кран; 5 - тракторная тележка; 6 - дорога на выемках-насыпях; 7 - съезды на строительные площадки
вания совмещается с наклонной предохранительной бермой, меняющей участки горизонтальных предохранительных берм карьера по трассе подъемника.
Ширина разноса конечного борта карьера под полутраншею в сравнении с траншеей сокращается на ширину предохранительной бермы, то есть на 10 м, а объем выемки вскрыши уменьшается, примерно, на одну треть. Разработаны способы строительства ленточных конвейерных подъемников на конечном борту карьера, полностью исключающие эти объемы. В их основе лежит принцип полного совмещения транспортных берм и строительных площадок с горизонтальными и наклонными предохранительными бермами. В одном из способов (рис.5) нижние части всех ставов конвейерного подъемника размещаются в траншеях, средние части - в траншеях и на опорах и верхние части - на опорах. Такое размещение конвейерных ставов позволяет использовать под площадки перегрузочных узлов между ставами предохранительные бермы. Строительный кран во время монтажа конвейерных ставов и строительства галереи размещается на участках предохранительных берм, примыкающих к трассе подъемника. С другой стороны от строительных площадок на выемках -насыпях устраивается дорога для движения по ней сверху вниз тракторной тележки с грузом. На насыпных участках по боковым откосам дороги устраиваются заезды на строительные площадки.
Для монтажа, строительства и обслуживания конвейерного подъемника на площадки узлов перегрузки между конвейерными ставами должны быть устроены автомобильные заезды. Дополнительных заездов можно избежать, если трассы подъемника и автосъезда на конечном контуре увязать между собой таким образом, чтобы площадки узлов перегрузки между конвейерными ставами были сопряжены с разворотными площадками. В этом случае на пере-
грузочные площадки заезжают непосредственно с автосъезда.
1. Ржевский В.В. Изложение выступления на круглом столе «Вопросов философии»(1983,№9) //Научные проблемы горного производства: Сборник статей / Под общей редакцией профессора В.В. Истомина - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2000. - 355 с.
2. Яковлев В.Л. Теоретические основы выбора карьерного транспорта рудных карьеров. - Дис....д-ра техн. наук наук / ИГД им. Скочинского. - М., 1978. - 421 с.
3. Решетняк С.П. Создание систем цикличнопоточной технологии с внутрикарьерными передвижными дробильно-перегрузочными комплексами. Дисс. ... д-ра техн. наук / ГоИ КНЦ РАН. - Апатиты, 1997. - 422 с.
4. Яковлев В.Л., Бахтурин Ю.А., Столяров В.Ф. Некоторые перспективные направления исследований в области карьерного транспорта//Материалы международной научно-технической конференции по карьерному транспорту - Екатеринбург, 2002.- С.15-20.
5. Михальченко В.В. Концептуальное моделирование для анализа эколого-экономической эффективности открытых горных работ // Состояние и развитие открытой добычи полезных ископаемых в рыночной экономике: Материалы V междунар. конф. по открытой добыче полезных ископаемых. Т.2. - Варна, 1998. - С.169-174.
6. Георгиевский А.Б., Хахина Л.Н. Развитие эволюционной теории в России. - Спб: ф-л института истории естествознания и техники РАН. - 1996. - 237 с.
Разработаны и другие способы минимизации выемки вскрыши на основе реализации сформулированного принципа адаптивности. ----------------- СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
7. Бахтурин Ю.А., Глебов А.В. Особенности оценки инвестиционных проектов долгосрочного формирования геотехнических систем // Проблемы открытой разработки недр и обогащения полезных ископаемых: Материалы 1 -ой международной научно-практической конференции, 15-17 мая 2003 г. -Житикара, 2003. - 248 с.
8. Бахтурин Ю.А. Каузальные аспекты адапта-циогенеза транспортных систем карьеров // Итоги и проблемы производства, науки и образования в сфере добычи полезных ископаемых открытым способом: Материалы международной научно-технической конференции, 10-11 октября 2002 г. - Екатеринбург: УГГГА, 2002. - 375 с.
9. Яковлев В.Л. Теория и практика выбора транспорта глубоких карьеров. - Новосибирск: Наука,1989. - 240 с.
10. Потапов М.Г. Направления развития карьерного транспорта // Горная промышленность. - 2002. - №6. -С.50-53.
11. Бахтурин Ю.А. Обоснование провозной способности схем путевого развития карьерного железнодорожного транспорта //Горно-информационный аналитический бюллетень МГГУ. - М: Издательство Московского государственного горного университета 2003. - №1. -
С. 181-185.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Бахтурин Ю.А. - кандидат технических наук, Институт горного дела УрО РАН, Кармаев Г.Д. - кандидат технических наук, Институт горного дела УрО РАН, Берсенев В.А. - кандидат технических наук, Институт горного дела УрО РАН,
Бахтурина ЕЮ. - УГТУ-УПИ.
--------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ
ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ________________________
Автор Название работы Специальность Ученая степень
КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
БУЯЛИЧ Геннадий Данилович Экспериментально-теоретическая оценка и обоснование параметров механизированных крепей для сложных горногеологических условий пологих угольных пластов 05.05.06 д.т.н.
