МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СМЕКАЛІН Євген Сергійович

УДК 622.26.001.7

ОПТИМІЗАЦІЯ СТРУКТУРИ ТА ПАРАМЕТРІВ
ГІРНИЧОПРОХІДНИЦЬКИХ РОБІТ З ВИКОРИСТАННЯМ
ІМОВІРНІСНО-СТАТИСТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ

Спеціальність: 05.15.04 – "Шахтне і підземне будівництво"

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельної геотехнології та гірничих споруд Донбаського гірничо-металургійного інституту Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ)

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,

БАБІЮК Геннадій Васильович,

професор кафедри будівельної геотехнології та гірничих споруд Донбаського гірничо-металургійного інституту Міністерства освіти і науки України

(м. Алчевськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

ПОНОМАРЕНКО Павло Іванович,

завідувач кафедри економіки підприємства Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук, доцент,

БОРЩЕВСЬКИЙ Сергій Васильович,

доцент кафедри будівництва шахт і підземних споруд Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа: Комплексний науково-дослідний і технологічно-конструкторський інститут з проблем центрального району Донбасу Міністерства палива та енергетики України, відділення технології розробки тонких крутих пластів (м. Горлівка).

Захист відбудеться 21.01.2005 року о 12 г. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного гірничого університету (49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий 14.12.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент О.В. Солодянкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з основних ланок вугільних шахт є комплекс робіт зі спорудження виробок, тобто гірничопрохідницькі роботи (ГПР). Саме вони, разом з охороною і підтримкою виробок, складають більшу частку в собівартості видобутого вугілля. Однак на шахтах цим роботам приділяється другорядна роль, що спричиняє зниження числа діючих очисних вибоїв. При проведенні виробок використовується застаріла техніка, що часто виходить з ладу і не може забезпечити необхідну продуктивність праці. Ефективність ГПР можна значно підвищити за рахунок їх представлення у вигляді гірничопрохідницької системи (ГПС), що дозволить обґрунтувати раціональну структуру робіт і параметри діяльності прохідницьких бригад у конкретних умовах, проектувати і реалізовувати роботи зі спорудження виробок з більш повним врахуванням внутрішніх і зовнішніх зв'язків і обмежень, у тому числі імовірнісних факторів.

Дотепер структура і параметри ГПР розглядаються ідеалізовано, без врахування втрат робочого часу з різних причин. У цьому зв'язку робота, що спрямована на розгляд ГПР як організаційно-технологічної системи з використанням імовірнісно-статистичних моделей є актуальною, бо в ній вирішується важливе науково-практичне завдання.

Дисертація виконана відповідно до плану НДР ДГМІ, які проводяться за завданням Міністерства освіти і науки України (№ ДР 0103U002534) у рамках пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки України "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології".

Мета роботи полягає в розробці та оптимізації багаторівневої структури гірничопрохідницьких робіт і визначенні їх параметрів з урахуванням втрат робочого часу, що дозволить підвищити продуктивність праці і швидкість спорудження виробок, а також більш глибоко обґрунтовувати планові завдання.

Ідея роботи складається в оцінюванні раціональності використання робочого часу при проведенні виробок на підставі урахування випадкових значень втрат робочого часу на різних рівнях ГПС.

Об'єктом дослідження є гірничопрохідницькі процеси, що функціонують у невизначених умовах проведення робіт.

Предметом дослідження є структура і параметри гірничопрохідницьких робіт з урахуванням втрат робочого часу.

Для досягнення зазначеної мети поставлені і вирішені наступні задачі:

- обґрунтована структура ГПР із використанням системної методології;

- запропонований імовірнісний підхід для визначення параметрів гірничопрохідницьких робіт з урахуванням втрат робочого часу;

- виконаний узагальнений і частковий статистичний аналіз витрат і втрат робочого часу на різних рівнях гірничопрохідницької системи;

- розроблено моделі й алгоритми вибору раціональної технологічної схеми проходки й оптимізації організаційно-технологічної структури ГПР;

- апробовано розроблені моделі, алгоритми і методики для встановлення структури і параметрів робіт при спорудженні конкретного об'єкта.

Методи досліджень. В основу досліджень покладена комплексна методика, що містить в собі аналіз і узагальнення виконаних раніше досліджень і виробничого досвіду; формалізацію структури ГПС на підставі теорії ієрархічних багаторівневих систем і теорії ймовірностей; статистичний аналіз ефективності і параметрів ГПР із використанням шахтних досліджень, хронометражних спостережень і експертних оцінок, а також методи динамічного і статистичного моделювання.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

1.

2.

Наукова новизна роботи:

- вперше гірничопрохідницькі роботи розглядаються як багаторівнева система, для узагальненого оцінювання ефективності функціонування якої запропоновано показник, що відрізняється урахуванням ймовірних зв'язків і визначається виходячи з відповідності їх складу й інтенсивності прийнятим нормативам;

- вперше термін спорудження виробки та пов'язаний з ним показник раціональності використання робочого часу описані з використанням гамма-закону розподілу, обґрунтована сутність його параметрів форми і масштабу для визначення тривалості ГПР на різних системних рівнях. Показано, що вибір гіпотези про розподіл випадкової величини основних показників проходки значно впливає на її кількісну оцінку;

- розширено склад й оцінена значимість витрат і втрат робочого часу, проведене ранжирування факторів, які впливають на тривалість ГПР, що дозволить більш обґрунтовано вибирати імовірнісно-статистичні моделі, які щонайкраще відповідають технологічній суті оцінюваних показників з урахуванням втрат робочого часу;

- вперше доведено, що вибір технології проведення виробки й оптимізацію організаційно-технологічної структури доцільно проводити поетапно з використанням методу динамічного програмування, який полягає в покроковій оптимізації кожного з елементів виходу з урахуванням максимізації виграшу на всіх наступних кроках моделювання, а також застосуванням статистичного моделювання для введення випадковості в модель поводження ГПС в умовах невизначеності.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректністю поставлених задач, використанням апробованих методів теоретичних, статистичних і шахтних досліджень, достатнім обсягом статистичної інформації і точністю проведених на її основі досліджень при рівні значимості ? = 0,05, використанням методу Дельфи для підвищення погодженості думок екс-пертів і позитивними результатами застосування розроблених моделей на практиці.

Наукове значення роботи полягає в розробці та обґрунтуванні багаторівневої структури гірничопрохідницьких робіт та їх параметрів у мінливих умовах з урахуванням втрат робочого часу, розробці імовірнісно-статистичних моделей оптимізації організаційно-технологічної структури (ОТС) робіт, встановленні імовірнісних законів розподілу основних показників ГПР, обґрунтуванні сутності параметрів гамма-закону розподілу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методики аналізу технології та підвищенні ефективності використання робочого часу при проведенні виробок в умовах невизначеності за рахунок виявлення і зниження тривалості втрат робочого часу; розробці моделей та алгоритмів для визначення структури і параметрів гірничопрохідницьких робіт, які забезпечать більш ефективне використання робочого часу і раціональну технологію та організацію робіт.

Реалізація результатів досліджень. Основні результати досліджень використані при розробці рекомендацій з підвищення організаційно-технологічного рівня гірничопрохідницьких робіт при спорудженні конвеєрного штреку південної лави пл. m3 ДВАТ ш. "Пролетарська" ДХК "Луганськвугілля" (економічний ефект від впровадження до 363 грн/м.п. виробки). Розроблені моделі і програми для ЕОМ використовуються в навчальному процесі при підготовці студентів за спеціальністю підземне та шахтне будівництво.

Особистий внесок автора полягає в розробці ідеї оптимізації структури і параметрів ГПР у мінливих умовах, виборі методів досліджень, виконанні аналітичних досліджень, зборі й обробці статистичного матеріалу, розробці методики і проведенні експертного оцінювання; розробці математичних моделей, алгоритмів, їх реалізації на ЕОМ; розробці і впровадженні рекомендацій з підвищення раціональності використання робочого часу на шахтах ДХК "Луганськвугілля".

Апробація роботи. Основні положення роботи повідомлені, обговорені й схвалені на науково-технічних конференціях у ДГМІ (м. Алчевськ, 1997–2002 р.р.), на міжнародній науково-практичній конференції "Гірнича промисловість і наука на початку третього тисячоріччя" (м. Алчевськ, 1999р.), на науково-практичних конференціях "Перспективи розвитку вугільної промисловості на порозі XXI століття" (м. Ровеньки, 2000р.) та "Перспективи розвитку вугільної промисловості в XXI столітті" (м. Свердловськ, 2002р.), на міжнародній науково-практичній конференції "Вугілля-Mining Technologies 2003", присвяченій 60-річчю ГОАО "Луганськгіпрошахт" (м. Луганськ, 2003р.), на Всеукраїнській науково-методичній конференції "Економічні проблеми адаптації і розвитку вищої школи в ринкових умовах" (м. Алчевськ, 2003р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 10 наукових праць, у тому числі 6 у спеціалізованих виданнях і 4 у збірниках доповідей конференцій.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, 5 глав і висновку. Робота викладена на 142 сторінках машинописного тексту, включає 51 малюнок, 34 таблиці, перелік посилань із 139 найменувань та 5 додатків на 60 сторінках і в цілому її обсяг становить 243 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В даний час у вугільній промисловості України склалась досить складна ситуація, що викликана, зокрема, невисокою ефективністю ГПР. Швидкості проведення виробок і продуктивність праці прохідників на окремих шахтах істотно нижчі нормативних значень. Це веде до скорочення лінії очисних вибоїв і відставання в розвитку гірничих робіт. Причина такого становища криється у використанні зношеної прохідницької техніки, незадовільній організації робіт і низькій трудовій дисципліні. Забезпечити поліпшення показників ГПР можна за рахунок використання системної методології для раціоналізації ОТС гірничопрохідницьких робіт у тих чи інших конкретних умовах шляхом мінімізації втрат робочого часу.

Найбільший внесок у системний розгляд ГПР внесли такі дослідники, як В.С. Верхотуров, В.П. Друцко, Б.А. Картозія, О.В. Корчак, І.В. Ляшенко, Е.Е. Нильва, В.В. Першин, П.І. Пономаренко, В.М. Рогинський, Є.І. Рогов, Г.Ш.Хазанович, І.Е. Цейтін, Г.С. Черепанов, О.М. Шашенко та інші. Ними запропоновані різні варіанти моделей функціонування ГПС, від найбільш узагальнених (Є.І. Рогов) до глибоко деталізованих (В.В. Першин), розроблено ряд показників, у тому числі і комплексних, які призначені для оцінки організаційно-технологічного рівня робіт. Деякі методики тією чи іншою мірою враховують мінливі умови виконання ГПР, однак, здебільшого, автори не змогли позбутися стереотипів, зумовлених традиційним представленням процесів і параметрів ГПР за допомогою детермінованих моделей. Імовірнісні моделі для опису ГПР використовуються вкрай рідко.

Іншим істотним недоліком розглянутих робіт є ідеалізоване уявлення структури ГПР. Більшість дослідників обмежуються вивченням лише процесів прохідницького циклу, не розділяють ГПС на ієрархічні рівні і не враховують характерні їм втрати робочого часу. Таким чином, системне обґрунтування багаторівневої структури ГПР і їх стохастичних параметрів з урахуванням втрат робочого часу є актуальним науково-практичним завданням, розв'язанню якого присвячена дисертаційна робота.

Поставлені завдання вирішувались з використанням комплексної методики. На першому етапі, на підставі аналізу й узагальнення накопиченого досвіду і виконаних раніше досліджень, теоретично обґрунтована організаційно-технологічна структура ГПС. Гірничопрохідницькі роботи були подані як багаторівнева ієрархічна система, з якої для подальшого розгляду були виділені рівні робочого, комплексного і виробничого процесів спорудження гірничих виробок (рис. 1). Для кожного рівня розроблена детальна структура ГПС і досліджена сукупність зв'язків між її елементами з урахуванням випадкової природи більшості діючих факторів.

На прикладі рис. 1 і залежностей (1–4) показаний ієрархічний взаємозв'язок рівнів ГПС: вхід виробничого процесу визначається виходом ГПС на рівні комплексного процесу (Тц), а його вхід, у свою чергу, служить виходом (Тр.п) рівня робочих процесів. Основним показником функціонування ГПС є тривалість виконання характерних кожному з розглянутих рівнів виробничої ієрархії обсягів робіт (спорудження комплексу виробок Тк; будівництва виробки Тб з урахуванням підготовчо-заключних робіт і проведення технологічного відходу; проведення виробки на відстань заходки Тц; виконання будь-якого з робочих процесів Тр.п). Кожному рівню відповідають свої втрати робочого часу, які не враховувались раніше:

для тривалості спорудження комплексу виробок:

; (1)

для тривалості будівництва окремої виробки:

; ; (2)

для тривалості прохідницького циклу:

; (3)

для тривалості робочого процесу:

, (4)

де Тпід, Тб, Тзак, Тп.з, Тт.в, Тм.д, Тпр, Тц, , , Тп.т, Тп.з.о – тривалість відповідно робіт підготовчого періоду; будівництва окремої виробки; заключних робіт зі здачі об'єкта в експлуатацію; підготовчо-заключних робіт, спорудження технологічного відходу, монтажу-демонтажу устаткування і проведення основної частини одиночної виробки; прохідницького циклу, ручних і механізованих робочих процесів, перерв з технологічних причин у комплексному прохідницькому процесі; підготовчо-заключних операцій робочого процесу, хв (годин);

kо, kс, kп – відповідно коефіцієнти одночасності будівництва виробок, сумісності робочих процесів і перекриття операцій;

W – обсяги робіт з операцій, од. вим.;

, – відносна тривалість операцій, хв/(од. обсягу робіт);

– втрати робочого часу на відповідних рівнях розгляду ГПС, хв.

Рис. 1. Структура гірничопрохідницької системи

Тривалість виконання робіт на будь-якому рівні є випадковою величиною внаслідок впливу мінливих елементів входу на умови функціонування ГПС, що не враховується в нормативних документах. Фактична тривалість робіт більша нормативної на тривалість втрат робочого часу. Якщо втрати робочого часу Тпот описати випадковою функцією розподілу R(t), то фактична тривалість робіт Тф складе:

, (5)

де Тн – нормативна тривалість ГПР.

Дане допущення було покладено в основу теоретичного обґрунтування показника для оцінки раціональності використання робочого часу. Для встановлення його виду розглядалася об'єднана випадкова подія {А}, що полягає у виконанні у випадковий момент часу (t) продуктивних робіт з проходки. На підставі законів розподілу загальної тривалості проведення виробок Fп(t), сумарної тривалості продуктивних робіт із проходки Gп(t) і втрат робочого часу Фп(t) була визначена повна імовірність події {А}, яка є імовірністю того, що ГПР за режимом відповідатимуть нормативній інтенсивності, а за складом – проекту проведення виробки. Даний показник у роботі названий коефіцієнтом раціональності використання робочого часу (kр.в), стаціонарне значення якого має вигляд:

, (6)

де – відповідно середня тривалість втрат робочого часу і нормативних робіт для того чи іншого рівня виробничої ієрархії.

Для детального розгляду структури ГПР і, в першу чергу, втрат робочого часу показник kр.в був поданий у вигляді умовної імовірності тієї події, що відмовлення ГПС буде відбуватися по k-й причині з інтенсивністю (hk(t)) у рамках загальної інтенсивності відмовлень (h(t)). Якщо припустити, що hk і h змінюються дуже повільно, то можна знайти середню тривалість втрат робочого часу, а на її підставі – коефіцієнт kр.в з урахуванням їх видів:

, (7)

де ? – число видів втрат робочого часу.

Якщо ГПС працює досить довго, то інтенсивність втрат робочого часу наближається до своєї межі, а коефіцієнт приймає вигляд:

; (8)

де kk – питома тривалість втрат робочого часу.

За допомогою запропонованого коефіцієнта шляхом врахування відносних втрат робочого часу можливо визначити організаційно-технічний рівень ГПР, що дозволить оцінити ступінь використання потенційних можливостей системи відносно нормативів. Знаючи kр.в, можна аргументовано приймати рішення при плануванні і керуванні роботами в невизначених умовах. Призначення планових завдань без врахування випадкових втрат робочого часу веде до підвищеного ризику виробника не виконати роботи в призначений термін, оскільки місячні плани в більшості випадків, як правило, не відповідають реальним можливостям ГПС. Щоб їх виконати, необхідно або вишукувати внутрішні резерви, тобто працювати з більшою інтенсивністю, або жертвувати якістю робіт, що найчастіше і відбувається на практиці.

Узагальнена оцінка ефективності ГПР виконувалась статистично за даними про місячне посування вибою, чисельність прохідницьких бригад і продуктивність праці прохідників, які були зібрані при проведенні 122 виробок ДХК "Луганськвугілля". Крім того, реєструвалися також міцність порід, тип кріплення, площа поперечного перерізу виробок, засіб механізації праці на основних процесах. На підставі аналізу вибірки були згруповані за видами виробок (1 – горизонтальні польові; 2 – бремсберги, ухили, ходки; 3 – пластові горизонтальні) і за типами технологічних схем (табл. 1).

Таблиця 1 – Технологічні схеми в обстежених виробках

Схе-ма | Руйнування порід | Об'єм

вибірки, заб.-міс. | Прохідницьке обладнання | Бурове | Навантажу-вальне | I | Меха-нічне | 49 | 4ПП-2М | II | 119 | ГПКС | III | Буро-підривні
роботи | 71 | 2ПНБ-2Б | IV | 131 | Перфоратор | Скрепер | 115 | СЕР-19М | вручну | V | 185 | БУЕ-1М | ППН-5 | VI | 84 | СЕР-19М | ППН-5 | VII | 178 | БУЕ-1М | ПНБ-2 | VIII | 177 | СЕР-19М | ПНБ-2 |

Статистична обробка даних для групованих вибірок виконувалась окремо за кожним з параметрів ГПР з використанням системи комп'ютерного статистичного аналізу "Statistica 5.11" і, як правило, включала в себе доказ безперервності функції розподілу випадкових величин, обчислення вибіркових моментів 1?4 порядків, коефіцієнту асиметрії й ексцесу, висування гіпотези про закон розподілу генеральної сукупності і перевірку її вірогідності за допомогою критерію Пірсона.

При аналізі емпіричних розподілів основних вихідних параметрів ГПС використовувались два альтернативних закони: усічений зліва нормальний і гамма-закон, щільність розподілу якого має вигляд:

(9)

де , – параметри форми та масштабу відповідно.

Перевірка висунутих гіпотез показала, що помилка від заміни емпіричного розподілу теоретичним Г-розподілом значно менша, ніж при використанні нормального закону. Даний факт проілюстрований на рис. 2 (? – відносна частота, що отримана при множенні теоретичної імовірності на 100%). Результати узагальненої оцінки параметрів ГПР для гамма-закону наведені в табл. 2.

Показники різних видів виробок і типів схем мають подібні розподіли. Їх математичне чекання змінюється в широких межах: від часток одиниці для kр.в і продуктивності праці прохідників (Р) за окремими технологічними схемами до декількох десятків для швидкості проходки (Vф) і штату прохідницьких бригад (nя). При цьому параметр форми Г-розподілу ? змінюється незначно, а параметр масштабу ?, що характеризує значення, на яке кожен конкретний розподіл відрізняється від одиничного, змінюється в межах, порівнянних зі зміною математичного чекання. Значення параметра форми ? визначає ступіньвідмінності розподілу від експонентного (?э=1), з його ростом правобічна асиметрія зменшується і за центральною граничною теоремою розподіл наближається до нормального. На підставі цього факту був зроблений висновок про залежність ? від втрат робочого часу, що приводять до зміщення досліджуваних параметрів вліво, тобто вбік їх зменшення.

Таблиця 2 – Параметри ГПР
за типами технологічних схем

Показ-ник | Техн. схема | Мат. чекання | Параметри | л | з | kр.в | I | 0,146 | 27,271 | 4,547 | II | 0,169 | 40,382 | 5,352 | III | 0,162 | 34,482 | 4,738 | IV | 0,192 | 24,105 | 4,482 | IV' | 0,247 | 15,715 | 4,036 | V | 0,163 | 20,443 | 5,659 | VI | 0,179 | 25,220 | 4,800 | VII | 0,165 | 36,915 | 5,736 | VIII | 0,156 | 24,083 | 3,380 | Vф,

м/міс. | I | 75,36 | 0,041 | 3,209 | II | 54,91 | 0,034 | 1,846 | III | 33,32 | 0,103 | 3,399 | IV | 21,98 | 0,163 | 3,572 | IV' | 20,36 | 0,187 | 3,439 | V | 31,61 | 0,088 | 2,533 | VI | 21,68 | 0,122 | 3,060 | VII | 39,62 | 0,151 | 5,301 | VIII | 24,95 | 0,114 | 3,163 |

Рис. 2. Гістограми і теоретичні нормальні (Н) й гамма- (Г) закони розподілу kp.в для польових
виробок (а) та фактичної швидкості проходки за VIII технологічною схемою (б)

Детальний розгляд зв'язку параметрів Г-розподілу з ефективністю використання робочого часу підтвердив гіпотезу про правомірність використання параметра форми ? як характеристики числа окремих видів втрат робочого часу. Зменшення ? свідчить про зниження їх числа, але даний показник не можна використовувати ізольовано без показника масштабу ?, який характеризує їх інтенсивність. Причому, оскільки втрати робочого часу були розглянуті в сукупності з нормованими роботами, параметри розподілу ? і ? характеризують відповідно їх число й інтенсивність відносно певного нормованого обсягу робіт.

Узагальнена оцінка раціональності використання робочого часу показала, що на шахтах ДХК "Луганськвугілля" kр.в змінюється від 0,146 до 0,247 (тобто втрати робочого часу на рівні будівництва окремих виробок у середньому складають до 80%), що свідчить про величезні резерви в підвищенні продуктивності праці прохідників і швидкості будівництва виробок. Також слід зазначити, що для різних груп виробок і технологічних схем немає істотних розходжень між величиною показників, що дає підставу говорити не про окремі випадки низького організаційно-технічного рівня робіт при проведенні окремих виробок, а про стан гірничопрохідницької системи в цілому.

Для визначення детальної структури та організаційно-технічного рівня ГПР проведено експертне опитування, за допомогою якого була визначена реальна структура ГПС і причини нераціонального використання робочого часу, а також фактори, що впливають на тривалість виконання гірничопрохідницьких робіт. Експертиза проводилась у кілька турів (2-3 в залежності від технологічної схеми) за методом Дельфи з урахуванням компетентності експертів.

У результаті обробки даних опитування, яке виконувалось окремо за типами технологічних схем проходки й у цілому для буро-підривної і комбайнової технологій робіт за допомогою спеціально розробленої програми для ПЕОМ, був отриманий фактичний баланс робочого часу прохідницьких бригад, який схематично представлено на рис. 3 для I-ї і III-ї технологічних схем. На підставі аналізу отриманих даних можна відзначити, що найбільш значущими в загальному балансі робочого часу є витрати на виконання основних процесів проходки (29,3% - 48,5%). Загальна тривалість нормованих робіт складає від 54,5% до 68,6%. До ненормованих робіт відносилися різні види сторонніх і непродуктивних робіт, а також простої, розподіл відносної тривалості яких представлено на рис. 4.

За даними експертного дослідження розраховані значення коефіцієнта для різних технологічних схем проходки (табл. 3). Його значення вище kр.в, яке було отримане при узагальненій оцінці, оскільки в першому випадку структура ГПС розглядається на рівні виробничого процесу спорудження виробок, а в другому - на рівні проходки її основної частини (комплексного процесу). Різниця між kр.в і визначає величину втрат робочого часу на рівні виробничого процесу спорудження гірничих виробок і складає близько 40 % від загальної тривалості будівництва.

У результаті проведення експертизи оцінений вплив на тривалість елементів робочого часу прохідницьких бригад 178 факторів, які поділялися на три групи: 1 _ з найбільш істотним впливом; 2 – значущі; 3 – незначущі. Надалі при складанні математичних моделей функціонування ГПС фактори першої групи враховувалися у вигляді вхідних умов моделювання, фактори другої групи враховувались у залежності від ступеня деталізації моделей і необхідної точності досліджень, а фактори третьої групи не враховувалися.

Проведені експертні дослідження дозволили виявити фактори, які зазвичай не враховуються при проектуванні ГПР. До них відносяться відмовлення прохідницького устаткування з технічних причин, перебої в подачі електроенергії і стиснутого повітря, наявність негабариту і т. і. Найбільш значущими є перебори проектного перетину виробок при проходці і відкази при проведенні підривних робіт і т.і. Непродуктивні роботи з усунення переборів перетину виробок вивчалися шляхом шахтних досліджень фактичної величини закріпних порожнин. В результаті обробки й аналізу зібраних даних встановлено, що закріпні порожнини розподіляються за логарифмічно нормальним законом, параметри якого наведені в табл. 4.

Із площі закріпних порожнин М(хп) визначався реальний коефіцієнт надлишку перетину (?), а з урахуванням нормативного значення ? = 1,08 і норм часу на навантаження породи і забутовку розраховувались витрати часу на непродуктивні роботи, які для умов спорудження 5-го західного бремсберга ш. "Перевальська" склали: = 45,15 чол.-хв.; = 24,03 чол.-хв.

У виробках західного крила ш. "Перевальська" також досліджувалися витрати робочого часу на відновлення порушеного підривними роботами кріплення. Для цього збиралися статистичні дані, на основі яких були визначені найбільш імовірна кількість рам, що порушуються при вибуху (М(хр)=1,7 рам/цикл) і величина трудомісткості відновлення однієї рами (М(Np)= 3,48 чол.-годин).

Рис. 3. Баланс робочого часу прохідницьких бригад на шахтах ГХК "Луганськвугілля"

Рис. 4 Розподіл відносної тривалості сторонніх (а) й непродуктивних (б) робіт, а також простоїв (в) для досліджених технологічних схем

Таблиця 3 – Коефіцієнт за результатами експертного оцінювання

Технологічна схема | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | 0,682 | 0,681 | 0,598 | 0,576 | 0,545 | 0,578 | 0,654 | 0,686 | Таблиця 4 – Статистичні характеристики розподілу закріпних порожнин

Тип
кріплення | Мат. чекання M(xп) | Стандарт |

Дисперсія |

м | КМП-А3 | 3,87 | 1,04 | 0,074 | 1,45 | 11,1 | 1,36 | КПС | 3,47 | 0,65 | 0,037 | 6,39 | 7,8 | 1,32 | Частка даних непродуктивних робіт у розглянутих конкретних умовах відповідно склала 3 % ( ) і 17 % ( ).

Для розробки математичної моделі ГПР розглядались як складна система. Оптимізація її структури і параметрів виконувалась шляхом послідовного вирішення 2 задач: вибору для рівня комплексних гірничопрохідницьких процесів раціональної технології робіт в мінливих умовах і наступним удосконалюванням обраної структури технологічних процесів за рахунок мінімізації втрат робочого часу.

Математична модель технології спорудження комплексу виробок у стаціонарному вигляді була представлена векторним входом системи, визначеним у підпросторах якісних характеристик (Х), а також дискретних (Y) і неперервних (Z) параметрів: , постійному на проміжку часу (0 – Т), і графом G, який складається з припустимої чисельності шляхів від міноранти х1 до мажоранти z2, що характеризують вихід системи. Для вибору раціональної стратегії параметри системи відображалися на квазіупорядкованому графі , окремий шлях µ на якому відображає одну стратегію, тобто технологію проведення виробки (рис.5). Завдання моделювання складалося у відшуканні такого шляху µ* з безлічі припустимих і параметрів yi, для якого критерій оптимізації J, що полягає у вимогах мінімізації витрат і трудомісткості робіт при досягненні заданої швидкості проходки, буде максимальним. Дане завдання вирішувалось на ПЕОМ за допомогою розробленої прикладної програми, що реалізує метод динамічного програмування. Алгоритм визначення раціональної технології проведення гірничих виробок являє собою послідовний пошук максимуму за кожною зі складових критерію оптимізації, приведення їх до єдиної шкали оцінок і вибір з безлічі варіантів досягнення мети оптимального, котрий після завершення роботи програми втілювався у вигляді одного зі шляхів на графі G. Розроблена програма дозволяє вибрати раціональну технологію проведення робіт за запропонованим критерієм, а також, вносячи коректування в математичну модель при варіації параметрів у часі, вирішувати нестаціонарні задачі й одержувати рекомендації про необхідні зміни в діючій технології робіт.

Рис.5. Гірничопрохідницька система у вигляді графа

Оптимізація організаційно-технологічної структури ГПР виконувалась шляхом послідовної мінімізації трудомісткості робіт (Nпр) і тривалості процесів (Тпр) за рахунок виключення втрат робочого часу. Дана модель також реалізована на ПЕОМ для комплексного процесу спорудження виробок. Складовими частинами програми є блоки введення і перевірки умов моделювання, вибору критерію оптимізації, моделювання організаційної структури процесу, а також розрахунку і візуалізації результатів моделювання системи. У якості вихідних даних використовуються питомі трудомісткості виконання основних to і допоміжних tд операцій процесу, нормативи часу на відпочинок, тривалості нормованих перерв, граничні значення коефіцієнтів перекриття операцій (kп) і чисельність прохідників (п), а також ряд логічних обмежень, що відбивають послідовність виконання операцій і можливість їх суміщення. Введення даних проводиться в наочному вигляді для кожного процесу окремо в аналогічних електронних формах з перевіркою коректності заданих логічних умов і меж варіювання параметрів (kп, n).

Для врахування стохастичної мінливості факторів застосований метод Монте-Карло, який полягає у багаторазовому статистичному моделюванні функціонування ГПС на підставі отриманих раніше показників розподілу її параметрів. В процесі моделювання з усієї сукупності варіантів вибирається той, для якого цільова функція мінімальна. Для нього визначаються підсумкові значення трудомісткості робіт, продуктивності праці прохідників, тривалості процесу і втрат робочого часу, а також норми виробітку. Результат моделювання візуалізується у вигляді лінійного графіка організації робіт, на якому відображається організаційно-технологічна структура процесу і кількість прохідників, зайнятих у будь-який момент часу на виконанні його складових елементів. У результаті моделювання будується, за своєю суттю, технологічна карта гірничопрохідницького процесу, яка відтворює оптимальну для конкретних умов технологію й організацію робіт з погляду на його тривалість і продуктивність праці прохідників.

Запропонована методика послідовної оптимізації організаційно-технологічної структури ГПР представляє фахівцям необхідну інформацію для прийняття раціональних керуючих рішень у невизначених умовах проведення робіт, оскільки перехід від детермінованих методів аналізу структури ГПС до стохастичних істотно наближає розрахункові методики до реальних ситуацій, що дуже важливо для поліпшення низьких показників ГПР.

Для апробації розроблених моделей і алгоритмів були запропоновані рекомендації з раціоналізації технології спорудження комплексу відкаточних виробок південної лави пл. m3 ш. "Пролетарська", складовою частиною якої є конвеєрний штрек. При моделюванні оцінювався вплив на системну операцію 22 перемінних входу, для яких загальне число функцій досягнення мети (варіантів технологічних схем) склало 5164. Значення часткових функцій мети по складовим векторного критерію оптимізації визначалися на підставі діючих у галузі нормативних документів в цінах 1998-2000 років.

У результаті моделювання були отримані два, практично рівносильних, варіанти технологічної схеми спорудження конвеєрного штреку, які відрізнялись параметрами паспорта БПР, що дозволило в заданих межах змінювати швидкість проведення виробок без істотного впливу на трудомісткість і вартість проходки. У якості бази для оптимізації організації ГПР приймалася технологічна схема з наступними параметрами: відстань між збійками x1 = 82,5 м; закладення польового штреку в зоні розвантаження від очисних робіт (x2) при нахилі збійки 40? і відстані до конвеєрного штреку – 20 м; буріння шпурів (y1) і навантаження вугілля і породи (y2) машиною 2ПНБ-2Б; транспортування (y3) – конвеєром СР-70М; кріплення конвеєрного штреку (y4) – комбіноване (КМП-А3 + АД-5 + попередній розпір); z1 – роздільна виїмка вугілля і породи; z2 – використання паспорта БПР №2 (lзах = 2м).

Для прийнятої технологічної схеми на рівні технологічних процесів синтезувалася оптимальна організаційна структура ГПС. Значення змодельованої тривалості процесів, поряд з отриманою при експертно-статистичних дослідженнях втрат робочого часу, використовувалися при оптимізації організації робіт прохідницького циклу за методом Монте-Карло. Результатом моделювання є лінійні графіки організації робіт із проходки, що враховують невизначеність умов проведення робіт.

При впровадженні результатів проведеного моделювання на шахті була змінена технологічна схема виконання ГПР і розроблено заходи щодо зниження виявлених втрат робочого часу, що дозволило проводити конвеєрний штрек з більш високими темпами при незмінній кількості прохідників на вихід, але за 2 робочі зміни в добу замість трьох, як раніше. Сумарний економічним ефект від оптимізації ГПС спорудження комплексу відкаточних виробок південної лави склав 459,26 грн. на 1 погонний метр конвеєрного штреку. Якщо не враховувати зміни в закладенні польових виробок (тобто варіант оптимізації, який був прийнятий для впровадження на шахті і відповідав оптимізації на рівні проведення тільки конвеєрного штреку), то економічний ефект складе 363,31 грн./м.п. конвеєрного штреку.

Аналіз результатів моделювання підтвердив справедливість висновку про правомірність використання Г-закону розподілу для описування параметрів ГПС, тому що при використанні нормального закону тіснота зв'язку помітно нижча.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішене актуальне науково-технічне завдання з оптимізації структури і параметрів гірничопрохідницьких робіт шляхом підвищення їх організаційно-технічного рівню з використанням імовірнісно-статистичних моделей.

Основні результати роботи полягають в наступному:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Основний зміст дисертації опублікований у роботах:

1. Смекалин Е.С. Анализ влияния выбивания рам крепи на эффективность горнопроходческих работ// Сб. научн. трудов ДГМИ Вып. №11. - Алчевск: ИПЦ "Ладо", 2000. - С.46 - 49.

2. Бабиюк Г.В., Смекалин Е.С., Ходыревский Г.В. Обобщенная оценка эффек-тивности горнопроходческих работ// Уголь Украины. - 2001. - №4. - С. 17 - 20.

3. Бабиюк Г.В., Смекалин Е.С. Изучение затрат рабочего времени на горнопроходческие работы методом экспертных оценок// Сб. научн. трудов ДГМИ Вып. № .- Алчевск: ИПЦ "Ладо", 2001. - С.11 - 17.

4. Бабиюк Г.В., Смекалин Е.С. Анализ состояния горнопроходческих работ на шахтах ГХК "Луганскуголь"// Сб. научн. трудов, посвящ. 45-летию ДГМИ. - Алчевск: ИПЦ "Ладо", 2002. - С.35-40.

5. Бабиюк Г.В., Смекалин Е.С. Определение продолжительности проходческого цикла с учетом потерь рабочего времени // Сб. научн. трудов ДГМИ Вып. №15. - Алчевск: ИПЦ "Ладо", 2002. - С.35-44.

6. Бабиюк Г.В., Смекалин Е.С. Исследование организационно-технического уров ня горнопроходческих работ в изменчивых условиях // Науковий вісник НГУ, - 2003. - №11. - С.31-34.

7. Смекалин Е.С. Обобщенная оценка эффективности горнопроходческих работ // Матер. научно-практ. конфер. "Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия". - Алчевск: ИПЦ "Ладо", 1999. - С.239 - 244.

8. Бабиюк Г.В., Смекалин Е.С. Исследование влияния переборов сечения выработки на эффективность ГПР // Матер. научно-практ. конфер. "Перспективы развития угольной промышленности на пороге XXI-го века". - Алчевск: ИПЦ "Ладо", 2000. - С. 84-89.

9. Бабиюк Г В., Смекалин Е.С. Исследование рациональности использования рабочего времени при сооружении выработок // Матер. международной научно-практ. конф. "Уголь - Mining Technologies 2003", посвященной 60-летию ГОАО "Луганскгипрошахт". - Ачевск: ИПЦ "Ладо" ДГМИ, 2003.-С.99-107.

10. Бабиюк Г.В., Смекалин Е.С, Хмелев А.Г. Оптимизация организационно-технологи-ческой структуры горнопроходческих работ // Матер. всеукр. науково-метод. конф. "Економічні проблеми адаптації та розвитку вищої школи в умовах ринку". - Алчевськ: ИПЦ "Ладо", 2004.-С.23-32.

Особистий внесок здобувача в роботи, які надруковано у співавторстві: [2,6] – збір, обробка та аналіз статистичних даних; [3] - розробка методики, проведення експертного опитування; [4] - аналіз стану гірничопрохідницьких робіт; [5] – розробка способу врахування імовірності при аналізі показників і структури ГПР; [8] - розробка методики визначення в шахтних умовах втрат робочого часу по усуненню наслідків перебору перетину виробки; [9] – оцінювання втрат робочого часу та їх впливу на тривалість ГПР; [10] - розробка алгоритму та окремих модулів програмного забезпечення.

АНОТАЦІЯ

Смекалін Є.С. Оптимізація структури і параметрів гірничопрохідницьких робіт з використанням імовірнісно-статистичних моделей. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.04 – "Шахтне і підземне будівництво". - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2004.

У дисертації викладені результати дослідження структури і параметрів гірничопрохідницьких робіт