Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель, задачи и методы исследований 8
1.1. Состояние минерально-сыръевой базы угольной промышленности Российской Федерации и предприятий с подземным способом добычи , 8
1.2. Основные принципы и результаты реструктуризации угольной промышленности 15
1.3. Оценка степени изученности вопроса реконструкции угледобывающих предприятий с подземным способом добычи 24
1.4. Цели, задачи, методы исследований 33
ВЫВОДЫ 35
2. Основные методические ттринципы обоснования тех нологических решений по реконструкции угольных шахт 38
2.1. Методические принципы обоснования необходимости и целесообразности проведения реконструкции шахты 38
2.2. Формирование перечня мероприятий по реконструкции шахт 43
2.3. Требования к технологической модели реконструируемой шахты 57
ВЫВОДЫ 66
3. Обоснование комплекса мероприятий по реконструк ции шахты с учетом пропускных способностей её технологических подсистем 69
3.1. Обоснование необходимости и объёмов работ по реконструкции технологических подсистем шахты 69
3.2. Соответствие мероприятий по реконструкции шахты конечной цели её реализации 87
3.3. Структура алгоритма реализации задачи оценки пропускной способности угольных шахт., 99
3.4. Методические рекомендации по оценке технологического уровня шахты при обосновании целесообразности её реконструкции 108
ВЫВОДЫ 114
4. Экономико-математическое моделирование параметров реконструируемой шахты 117
4.1. Общая характеристика методических подходов к моделированию шахт 117
4.2. Методологические принципы обоснования прогрессивных направлений реконструкции угледобывающего предприятия 120
4.3. Синтез модели реконструируемой шахты 125
ВЫВОДЫ 141
5. Практическая приложимость и апробация результатов исследований 144
5.1, Общие сведения об объекте реализации результатов исследований... 144
51. Апробация результатов исследований 149
5.3, Результаты реализации методических рекомендаций по повышению пропускной способности технологической подсистемы «Внутришахтный транспорт и подъём» шахты «Западная» концерна «Интауголь» 162
5.4. Методика расчёта пропускной способности конвейерного транспор та горной массы и рекомендации по изменению транспортной цепи на шахте «Западная» концерна «Интауголь» 168
Выводы 181
Заключение 183
Литература
- Основные принципы и результаты реструктуризации угольной промышленности
- Формирование перечня мероприятий по реконструкции шахт
- Соответствие мероприятий по реконструкции шахты конечной цели её реализации
- Методологические принципы обоснования прогрессивных направлений реконструкции угледобывающего предприятия
Введение к работе
Угольная промышленность России находится в завершающей фазе реструктуризации.
Одной из основных задач реструктуризации угольной отрасли России
являются строительство новых, реконструкция и техническое перевооружение
угольных шахт, технико-экономические показатели которых соответствуют
мировому уровню, совершенствование существующих и создание новых
технологий добычи угля. Итогом всех преобразований в отрасли должно
явиться создание конкурентоспособных высокоэффективных
горнодобывающих предприятий, обеспечивающих удовлетворение спроса на угольную продукцию, обеспечение энергетической безопасности государства, повышение уровня благосостояния и социальной защищённости трудящихся.
В ходе реструктуризации отрасли отчётливо проявились сложности реализации задачи повышения уровня полноты использования производственного потенциала перспективных1 угледобывающих предприятий и расширения производства при сложившейся топологии сети вскрывающих, очистных, транспортных и вентиляционных выработок, а также комплекса поверхностных сооружений, которые не позволяют шахтам адаптироваться к новым условиям функционирования и изменениям внутренней и внешней сред.
При проектировании строительства новых шахт и реконструкции действующих предприятий, а также при их техническом перевооружении резко возрастает «цеиа» ошибок из-за принятия необоснованных проектных решений, а также решений по совершенствованию технологической подготовки производства в рыночных условиях из-за отсутствия надежной геологической базы.
Особую значимость приобретают вопросы обоснования необходимости и целесообразности реконструкции перспективных и стабильных шахт на базе системного подхода к оценке их ресурсного потенциала, конъюнктуры
5 рынка их конечной продукции на угольной основе и инвестиционной привлекательности предприятий, а также объёмов работ по совершенствованию их горного хозяйства с выходом на показатели функционирования технологических систем на уровень мировых стандартов угледобычи.
Учитывая методическую ориентацию диссертации на исследования в указанном направлении, её тематику с полным основанием следует квалифицировать как актуальную.
Основная идея работы заключается в реализации системного подхода к формированию методической базы обоснования необходимых объёмов работ по реконструкции угольной шахты с учётом потенциальных возможностей её технологических звеньев по обеспечению требуемой пропускной способности в условиях высокой концентрации горных работ и вывода предприятия на современные стандарты технической оснащенности производства.
Основные научные положения, разработанные лично соискателем:
определяющим условием необходимости и целесообразности реконструкции угледобывающих предприятий является удовлетворение требованиям конъюнктуры рынка конечной продукции на угольной основе по объёмам её производства и показателям качества;
объективность обоснования комплекса эффективных мероприятий по реконструкции угольных шахт обеспечивается за счёт корректного выявления «узких мест» в их технологических системах;
устойчивое функционирование реконструированной шахты обеспечивается сбалансированностью всех её технологических звеньев по критерию пропускной способности, находящейся в функции уровня технического прогресса в отрасли и эффективности инновационной деятельности предприятий;
должная конкурентоспособность реконструируемых шахт в рыночной среде реализуется при высоких уровнях концентрации и интенсивности
работ, значительных ресурсном и производственном потенциалах предприятий с гибкими технологическими системами, адаптивными к изменениям внешней среды функционирования. Научная новизна работы заключается в следующем:
предложено скоординированность и сбалансированность работы основных подсистем шахты оценивать по критерию согласованности пропускных способностей подсистем, уровню качества пространственно - планировочных решений и полноте использования ресурсного потенциала;
разработаны методические рекомендации по обоснованию комплекса мероприятий по реконструкции шахты с учётом пропускных способностей её подсистем, позволяющие определить место шахты в системе реконструируемых предприятий с целью выявления объемов работ по реконструкции;
предложена методика обоснования величин грузопотоков в транспортных выработках шахты по условию соответствия параметров технологических подсистем «Очистные работы» и «Внутришахтный транспорт и подъём» для последующего корректного изменения топологии сети горных выработок.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
достаточным объёмом геолого - маркшейдерской и статистической информации о работе угольных шахт отрасли;
корректным использованием современных методов исследований;
результатами моделирования технологических подсистем шахт при оценке их пропускной способности.
Научное значение диссертации состоит в разработке методических принципов обоснования комплекса мероприятий по реконструкции угольных шахт с учётом полноты использования пропускной способности их технологических подсистем, уровня прогрессивности их пространственно -
7 планировочных решений и эффективности функционирования предприятий в рыночной среде.
Практическое значение работы состоит в разработке рекомендаций по повышению пропускных способностей технологических звеньев реконструируемых шахт и полноты использования их ресурсного потенциала.
Реализация работы. Рекомендации по повышению пропускной способности технологических звеньев шахты приняты к использованию при разработке программ развития горного производства и технико-экономических обоснований вскрытия и подготовки запасов новых горизонтов на шахтах ОАО «Распадская угольная компания»,
Апробация работы: Основные положения диссертации были обсуждены и получили одобрение на научном симпозиуме в рамках «Недели горняка», проводимой в МГГУ (Москва, 2004 - 2006), на научном семинаре кафедры ПРПМ МГГУ (Москва, 2003 - 2005).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 научные статьи.
Основные принципы и результаты реструктуризации угольной промышленности
В результате длительного отставания в обновлении производственного потенциала угледобывающих предприятий России в составе действующего шахтного фонда подавляющая часть предприятий требовала капитальной реконструкции. Основные технико-экономические показатели этой группы предприятий были в 1,5 раза ниже (к примеру мощности составляли около 700 тыс.т угля в год), чем показатели реконструированных и новых шахт.
В табл. 1.2. приведены данные, характеризующие показатели работы шахт различного технического уровня. Из таблицы видно, что доля добычи неперспективных и особо убыточных шахт в общем объёме добычи, получаемой подземным способом, составляла около 27 %, а численность рабочих очистных забоев на этих предприятиях - 43,1% от общего количества. Производительность труда рабочего по добыче на этих шахтах в 2,5 раза ниже, чем на перспективных. К тому же на шахты этой группы времени направлялось более 40 % от суммы государственной поддержки.
В 1997г. на 37 перспективных шахтах было добыто 46% всего угля, получаемого подземным способом. А на стабильных и неперспективных -35% и 19% соответственно.
Более высокие показатели концентрации горных работ на перспективных шахтах являются решающим фактором, обеспечивающим их преимущества по производительности труда и себестоимости 1 тонны продукции (рис. 1.2. и 1.З.).
Признано, что создание высокопроизводительных угольных шахт качест венно нового технического уровня признано одним из важнейших направлений при реструктуризации угольной промышленности России. Прежде всего, предусматривается резкое повышение полноты использования производственного потенциала перспективных угольных шахт и предоставление им приоритета при выделении инвестиций для поддержания и расширения производства, а также предусматривается строительство угледобывающих предприятий нового технического уровня типа «шахта-пласт» и «шахта-лава».
В рамках реконструкции составляющих шахтный фонд РФ угледобывающих предприятий с подземным способом добычи для устранения возникшего неудовлетворительного состояния горного хозяйства шахт вообще и перспективных шахт в особенности, предусмотрены перевод шахт на обеспечивающие максимально возможную концентрацию горных работ схемы вскрытия и подготовки (при полной ликвидации временных схем вскрытия горизонтов) и на воспроизводство готовых к выемке запасов по технологическим схемам, гарантирующим эффективную высокопроизводительную работу очистных забоев.
В качестве конкретных основных направлений повышения технического уровня и технико-экономических показателей работ, как части мер по реконструкции, определены:
создание высокопроизводительного и надёжного очистного оборудования по индивидуальным заказам для очистных забоев до 300 метров, рассчитанного на суточные нагрузки в 3 - 10 тыс.т;
перестройка горного, транспортного и вентиляционного хозяйства шахт с увеличением размеров выемочных полей до 1,5-2 км и существенным повышением сечений выработок с целью размещения современного транспортного оборудования и обеспечения его безаварийной работы со значительной концентрацией угольных грузопотоков, а также с целью пропуска необходимых для безопасного ведения работ объёмов воздуха для вентиляции;
повышение уровня концентрации очистных работ с доведением нагрузок на лавы до нескольких тысяч тонн в сутки с переходом на технологические схемы «шахта - лава» для шахт с it послереконструкционной мощностью до 1,5-2 млн.т в год и «лава горизонт» или «лава-пласт» для более крупных предприятий с тем, чтобы количество действующих очистных забоев на шахте не превышало двух - трёх. отказ от разработки запасов в сложных горногеологических условиях на всех перспективных и на большинстве стабильных шахт. В итоге реализации программы реструктуризации угольной промышленности Россия снова вернулась в группу государств - лидеров по производству угля. По объёмам угледобычи за последние три года Россия переместилась с шестого на пятое место: больше, чем в России, добывается угля только в Китае, США, Индии и Австралии. На рис. 1.4. показана динамика добычи угля за последнее десятилетие.
В отечественной угольной промышленности на начало 2005 года действовали 23 8 угледобывающих предприятий, в том числе 101 шахта и 137 разрезов. Согласно работе [3], на 40 обогатительных фабриках перерабатывается более 120 млн.т угля в год. Общая среднесписочная численность занятого в отрасли персонала составляет 250,6 тыс.чел.
В последние годы наблюдается положительный баланс ввода выбытия производственных мощностей в отрасли, улучшилось их использование. Меняется региональная структура добычи угля, растёт удельный вес конкурентоспособных кузнецких углей в общей добыче, сокращается доля высокозатратной добычи на Урале, в Восточном Донбассе, в Подмосковье.
Продолжается повышение уровня концентрации горных работ. Так, общепринятый показатель концентрации - «нагрузка на очистной забой» - в ходе реструктуризации увеличился почти в 3 раза и достиг в среднем небывалой ранее величины - 1370 тонн угля из одного очистного забоя в сутки. Изменение показателей концентрации угольного производства по годам (динамика нагрузки на очистной забой и динамика производительности труда рабочего по добыче) показано на рис. 1.5. и 1.6.
Формирование перечня мероприятий по реконструкции шахт
Вскрытие запасов новых участков шахтного поля на больших глубинах і взамен отработанных - жизненно важный процесс для любой угольной шахты, который в практике горного дела именуется подготовкой нового горизонта. Вскрытие и подготовка новых горизонтов осуществляются, как правило, без прироста мощности шахты и связаны, прежде всего, со своевременным воспроизводством фронта очистных работ. Другими словами, подготовка нового горизонта есть комплекс мероприятий по поддержанию объёмов добычи, то есть ни что иное как поддержание производственной мощности действующей шахты. Следует, однако, отметить, что вскрытие и подготовка нового горизонта считаются лишь техническим перевооружением шахты в том случае, если на новом горизонте в разрезных печах монтируют очистные комплексы нового поколения, но изменения в технологическую систему шахты не вносят. А в том случае, если при вскрытии и подготовке нового горизонта меняют схемы транспорта и вентиляции, сечения главных выработок, оборудование шахтного подъёма, проходят новые вентиляционные !г скважины, то вскрытие и подготовка нового горизонта расцениваются как реконструкция шахты.
Частной мерой поддержания мощности действующей шахты можно считать продление срока её службы посредством прирезки дополнительных запасов. Такая практика широко распространена на угольных шахтах. Часто прирезку запасов за счёт свободных, резервных участков производят без дополнительных экономических обоснований.
Таким образом, подготовка новых горизонтов и прирезка дополнительных запасов не являются мероприятиями по реконструкции, так как ничего не меняют в технологической системе шахты. Не является мероприятием по реконструкции и технологическое перевооружение предприятия, к которому, в зависимости от положения конкретной шахты, могут быть отнесены проведение стволов и скважин с целью совершенствования вентиляционной системы шахты, монтаж , холодильных и дегазационных установок, сокращение многоступенчатости транспорта и т.п. J Модификация техники и технологии предусматривает совершенствование технологической системы шахты только в горизонтальном направлении, не меняя её кардинально, и, в отличие от технического перевооружения, призвана в короткие сроки обеспечить повышение пропускной способности какого-либо звена технологической цепи или увеличение объёма добычи за счёт применения нового высокопроизводительного оборудования, либо системы машин.
Как уже отмечалось выше, реконструкция угледобывающего предприятия есть выполнение комплекса взаимоувязанных горнокапитальных, строительных и монтажных работ для коренного переустройства несовершенных технологических звеньев шахты с целью реализации существенного прироста мощности предприятия и продления срока его службы, значительного повышения производительности труда и снижения себестоимости угля, а также улучшения условий труда и повышения уровня безопасности горных работ.
Реконструкция шахты предусматривает обновление активной части основных фондов главного производственного назначения и перераспределение действующих объектов вспомогательного назначения с возможным укрупнением их технологических звеньев за счёт изменения схем вскрытия и подготовки шахтных полей. Эти мероприятия направлены на повышение производственной мощности шахты и улучшение основных технико-экономических показателей её работы. В ряде случаев в результате реконструкции может быть увеличен срок службы шахты, что может выступить альтернативой новому шахтному строительству (в том числе и на том же участке месторождения),
Как известно, реконструкция, будучи осуществляема, требует в разное время различных по объёмам капитальных вложений. Особенно значительны объёмы капиталовложений в начальный период реконструкции, когда проходят новые или углубляют действующие шахтные стволы, монтируют стационарные рудничные установки, подготавливают новые горизонты и пр.
Соответствие мероприятий по реконструкции шахты конечной цели её реализации
В условиях, сложившихся в угольной отрасли России, проведение реконструкции шахт преследует одну (основную) цель - увеличение производственной мощности. Существуют, однако, ещё несколько целей реконструкции. Это: повышение качества добываемой продукции, улучшение технико-экономических показателей шахты, повышение комплексности использования попутных полезных ископаемых, улучшение условий труда, повышение уровня безопасности работ, охрана окружающей среды.
Прежде всего необходимо рассмотреть, какие последствия повлечёт за собой изменение объёма добычи - основного выходного параметра системы «Шахта», и какие действия необходимо произвести, чтобы вмешательство в систему «Шахта» с изменением объема добычи было результативным.
При сохранении объёмов добычи на прежнем уровне, казалось бы, можно ограничиться только техническим перевооружением предприятия, но, поскольку вопрос состоит именно в реконструкции, нельзя упускать из виду такой важный экономический результат реконструкции, как снижение себестоимости угля. Именно по этой причине так важна реконструкция тех шахт, в отношении которых принято решение сохранить их мощность на прежнем уровне, так как повышать объёмы добычи нецелесообразно в силу насыщенности рынка их продукцией, а поднять их рентабельность посредством строительства, допустим, новых транспортных и вентиляционных сетей, что значительно снизило бы потребление электроэнергии вентиляторными установками и конвейерным транспортом, а также потери в кабелях и снизило бы, тем самым, себестоимость продукции, чрезвычайно экономически выгодно. Однако отказываться от замены оборудования на таковых шахтах тоже не следует.
Увеличение производственной мощности реконструируемой шахты может быть осуществлено посредством повышения её технического уровня и путём совершенствования пространственно-планировочных решений. К тому же надо добавить, что низкий уровень качества этих решений существенно снижает эффективность эксплуатации высокопроизводительной горной техники.
Для повышения технического уровня производства с конечной целью -увеличением мощности шахты (за счет роста нагрузки на очистной забой) -рекомендуется применение методического подхода к конструированию вариантов и оптимизации параметров технологических схем горных работ с учётом пространственной изменчивости горно-геологических условий на тех или иных участках шахтного поля.
Сущность методического подхода применительно к реконструкции системы горных выработок шахт состоит в рациональной раскройке шахтных полей, эффективной и объективной расстановке средств механизации работ и обоснованном планировании нагрузок на очистные забои (в соответствии с изменяющимися в ходе работ горно-геологическими условиями).
Любая реконструкция шахты, будь то реконструкция с увеличением объёмов добычи или без оного, непременно меняет технологическую схему предприятия. Проекты же реконструкции с приростом мощности, коих для каждого угледобывающего предприятия, подлежащего реконструкции, существует несколько, должны быть изучены и проанализированы с особой тщательностью не только потому, что реконструкция шахты - акция капиталоёмкая, но и потому, что в России и в мире потребление угля по у, причине приближающегося исчерпания запасов нефти и газа в скором времени возрастет. Значит, основной упор необходимо делать на реконструкцию шахт с повышением их производственной мощности.
По окончании выбора проекта реконструкции конкретной шахты из множества предложенных выбранный должен быть лучшим не только с технической и технологической точки зрения, но и отличаться от отвергнутых высоким уровнем рентабельности, чтобы его реализация обеспечила прибыльную работу шахты в условиях рынка.
Логика отбора проектов такова: если, изменив при реконструкции технологические подсистемы шахты, мы получим такие выходные параметры системы «Шахта» (мощность, экономические показатели, экологичность предприятия и другие), которые будут соответствовать требуемым, а также отвечать условиям рынка, то работы по изменению ТСШ (мероприятия по реконструкции) могут быть признаны соответствующими конечной цели ; реконструкции и проект, выигрывающий по основным выходным параметрам и «дешевизне» реализации (требующий меньших объёмов финансовых средств на реализацию по сравнению с объёмами финансовых средств на реализацию других проектов), может быть принят к осуществлению.
Базой для разработки (формирования и конструирования) возможных вариантов технологической схемы шахты являются сведения о горногеологических условиях шахтного поля, о современном состоянии техники и технологии разработки угольных пластов, а также о перспективах их развития, о социально-экономических условиях работы реконструируемого предприятия. Это позволяет установить исходное множество вариантов технологических решений по производственным процессам и объектам и оценить условия применения таких решений.
Методологические принципы обоснования прогрессивных направлений реконструкции угледобывающего предприятия
Исследование объекта с целью произвести выбор наиболее перспективных вариантов его развития и осуществить прогноз его развития в зависимости от исходных условий его работы требует выполнения двух принципов; относительной простоты объекта и простоты внесения в его структуру исходных данных при расчёте очередного варианта развития.
Однако объект в подавляющем большинстве случаев чрезвычайно многомерен и «неподатлив» (то есть при запуске объекта после внесения в его структуру исходных данных для наблюдения за его «поведением» получаемые наблюдателем последствия весьма труднопреодолимы, поэтому внести новые данные для исследования альтернативного варианта «поведения» объекта на практике (в реальных условиях) не представляется возможным).
Для проведения успешного исследования объекта так или иначе необходимо обеспечить выполнение двух вышеизложенных условий. Первое из них, главенствующее, диктует, что количество факторов системы, влияющих на конечный результат, должно быть разумно сокращено. Второе требует снизить «инертность» системы по отношению к последствиям очередной «загрузки» её новой порцией стартовых параметров функционирования.
Но, поскольку, как уже отмечалось, система «неподатлива» (по причине её обширности), следует отказаться от работы с ней самой и создать «суррогатную» систему, в которой будут присутствовать только значимые для конечной цели исследования факторы реальной системы и в которой будут действовать только математические, а не физические законы, ведь именно последние делают реальную систему столь «неповоротливой» с точки зрения преодоления последствий первичной «загрузки» данных.
Иными словами, требуется создать модель системы - условный образ объекта, сконструированный дли упрощения исследования этого объекта и содержащий наиболее важные для целей исследования характеристики.
Сразу следует оговориться, что речь велась и впредь будет вестись о моделях невещественных, ибо, хотя вещественные модели существуют, они не представляют интереса для достижения конечной цели - прогнозирования развития шахты и выбора наиболее перспективного варианта этого развития, так как вещественные (материальные) модели носят, скорее, наглядный характер и было бы абсурдным представлять такую сложную систему, как шахта, сконструировав для этого наглядную её модель, и использовать эту модель для обоснования проектных решений.
Сам по себе процесс моделирования весьма сложен с точки зрения того, что модель одновременно должна походить на оригинал и отличаться от него: модель должна обладать основными, самыми важными для исследования чертами оригинала, обеспечивая тем самым условия более простые и удобные, чем при исследовании самого оригинала, а также должна утратить «лишние» свойства, усложняющие исследования. Поэтому выбор критерия, по которому осуществляется оценка значимости того или иного фактора, той или иной особенности системы - операция очень ответственная, тем более с учётом того, что объекты (оригиналы) имеют огромные размеры либо существуют только в проекте, что делает их недоступными для прямого детального изучения.
Для обоснования проектных решений принципиально важны абстрактные математические модели. Математические модели по характеру описания ими системы делятся на статические и динамические. Первые описывают состояние системы в фиксированный момент времени, а вторые -систему в развитии (то есть последовательность состояний и связи между ними).
Модели горных предприятий по способу построения подразделяются на аналитические и статистические. Аналитические базируются на глубоком анализе работы оригинала с учетом большого количества влияющих факторов, чтобы потом можно было установить аналитические зависимости величины критерия оптимизации от управляемых и неуправляемых величин. Статистические же модели строятся на соотношениях входных величин, соответствующих выходным параметрам для объектов и процессов, ещё не достаточно изученных.
При проектировании нового строительства и реконструкции действующих шахт наиболее часто используются экономико-математические модели.
Под экономико-математической моделью горнодобывающего предприятия (или группы предприятий) в общем виде подразумевается система математических зависимостей (линейных и нелинейных многофакторных уравнений, неравенств, логических условий и ограничений), описывающих на стадии проектирования поведение моделируемой экономической системы.
Задача, решаемая посредством построения экономико-математической модели, состоит в нахождении комбинации технико-экономических решений для всех основных производственных процессов и объектов, реализация которой обеспечила бы наибольшую экономическую эффективность проекта. Эта комбинация должна быть найдена при условии учёта заданной горногеологической характеристики месторождения и других параметров внешней среды (или законов изменения этих параметров) и системы ограничений.
