Обоснование производительности буроугольного карьера в составе топливно-энергетического комплекса

Актуальность работы. Стратегическим направлением освоения Кан-ско-Ачинекого угольного бассейна является строительство топливно-энергетических комплексов, включающих карьер и государственную районную электростанцию (ГРЭС), предназначенную для потребления большей части добываемого угля. Благоприятные горно-геологические условия месторождений, особенно Березовского, способствуют созданию высокопроизводительных карьеров и применению наиболее экономичной поточной технологии добычных работ с использованием роторных экскаваторов большой единичной мощности.

Создание ТЭКов ведется с целью устойчивого обеспечения ГРЭС топливом. В то же время исследования показали, что использование на добыче экскаваторов большой единичной мощности приводит к суточным колебаниям объемов добычи, коэффициент вариации которых достигает 30−60%. Тогда как при использовании конвейерного транспорта допускаются для поставок угля на ГРЭС колебания на уровне до 10%. Поэтому на стадии проектирования топливно-энергетических комплексов возникает проблема, состоящая в определении производительности карьера по добыче угля и выборе технических и технологических мероприятий, обеспечивающих и поддерживающих требуемую равномерность поставок его потребителям. Несмотря на практическую важность этой проблемы, на сегодняшний день не разработан метод ее решения. В связи с этим исследования по обоснованию производительности буроугольного карьера, обеспечивающей сбалансированное его взаимодействие с потребителями угля, являются актуальными. ч у.

Работа выполнялась в рамках программы СО РАН № 12 «Комплексные исследования региональных и глобальных геологических процессов и создание научных основ наращивания минерально-сырьевого потенциала и разработки полезных ископаемых» по теме «Теория освоения месторождений твердых полезных ископаемых» (№ гос. per. 01.9.60.00244). 5.

Цель работы — разработка метода обоснования производительности буроугольного карьера в составе топливно-энергетического комплекса, обеспечивающей сбалансированное его взаимодействие с потребителями угля.

Идея работы состоит в установлении и использовании закономерностей изменения суточных колебаний объемов поставок угля потребителям в зависимости от условий ведения добычных работ, емкостей угольного склада и бункеров для обоснования производительности буроугольного карьера в составе топливно-энергетического комплекса.

Задачи исследования.

1. Разработать математические модели ведения добычных работ, функционирования промежуточных накопительных емкостей и приема угля потребителями и на их основе создать интегрированную условно-динамическую модель функционирования взаимосвязанных объектов в составе топливно-энергетического комплекса.

2. Создать информационно-вычислительную систему с функциями формирования технологических схем добычных работ, расчета суточной производительности экскаваторов при применении конвейерного и железнодорожного транспорта и графика их планово-предупредительных ремонтов, календарного планирования добычи угля и работы накопительных емкостей, а также оценки возможностей обеспечения поставок угля потребителям с заданной степенью равномерности.

3. Установить влияние на производительность карьера совокупности мероприятий, способствующих сглаживанию колебаний объемов добытого угля и поставок его потребителям.

4. Разработать методические рекомендации обоснования производительности карьера, обеспечивающей сбалансированное его взаимодействие с потребителями угля. 6.

Методы исследований: научное обобщение и систематизация, аналитические методы, линейное программирование, математическое моделирование, методы математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

— оптимизация функционирования карьера и взаимодействующих с ним объектов топливно-энергетического комплекса обеспечивается применением интегрированной условно-динамической модели, воспроизводящей в суточном цикле работу карьера, накопительных емкостей и потребителей угля;

— заданная степень равномерности поставок угля потребителям достигается определением количества экскаваторов и резерва их суммарной эксплуатационной производительности, длины фронта работ, объема резервных запасов угля, емкостей угольного склада и бункеров на основе установленных закономерностей их влияния на сглаживание суточных колебаний объемов добытого угля;

— повышение производительности карьера в составе топливно-энергетического комплекса достигается за счет использования резерва эксплуатационной производительности экскаваторов, образуемого в связи со стабилизацией поставок основному потребителю (ГРЭС), путем привлечения дополнительных потребителей угля;

— производительности буроугольного карьера в составе топливно-энергетического комплекса соответствуют допустимые коэффициенты вариации суточных колебаний поставок добытого угля, при которых обеспечивается сбалансированное взаимодействие карьера с потребителями.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием математических моделей с полным учетом условий и закономерностей функционирования карьера и взаимодействующих объектов, полученных на основе многовариантных расчетов календарных планов работы карьера, накопительных емкостей и поставок угля потребителямапробацией результатов и внедрением их при 7 проектировании буроугольного карьера топливно-энергетического комплекса.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

— разработана интегрированная условно-динамическая модель функционирования карьера и взаимосвязанных с ним объектов топливно-энергетического комплекса, обеспечивающая формирование оптимальных годовых планов добычи угля, работы накопительных емкостей и поставок угля потребителям;

— установлены закономерности изменения суточных колебаний объемов добытого угля в зависимости от длины фронта работ, объема резервных запасов угля и организации планово-предупредительных ремонтов, что позволяет оценить влияние условий ведения горных работ на стабилизацию добычи угля;

— определены потери суммарной эксплуатационной производительности экскаваторов, вызванные необходимостью стабилизации поставок угля потребителям, которые рекомендуется учитывать при расчете производительности карьера в составе топливно-энергетического комплекса;

— разработан метод определения рационального сочетания количества экскаваторов и резерва их суммарной эксплуатационной производительности, условий ведения добычных работ, емкостей угольного склада и бункеров, обеспечивающего стабилизацию объемов поставок угля потребителям;

— разработаны методические рекомендации обоснования производительности буроугольного карьера, основанные на проведении экспериментальных исследований с применением информационно-вычислительной системы и предназначенные для проектирования топливно-энергетических комплексов и планирования добычи угля.

Практическое значение исследований состоит:

— в разработке информационно-вычислительной системы с функциями формирования технологических схем добычных работ, расчета суточ8 ной производительности роторных экскаваторов, календарного планирования добычи угля, работы накопительных емкостей и поставок угля потребителям, оценки и выбора рационального сочетания мероприятий, при котором достигается сбалансированное взаимодействие между карьером и энергетическими объектами;

— в разработке методических рекомендаций обоснования на стадии проектирования и стратегического планирования производительности бу-роугольного карьера в составе топливно-энергетического комплекса.

Личный вклад автора состоит:

— в разработке интегрированной условно-динамической модели взаимодействия добычных работ, накопительных емкостей и потребителей угля;

— в создании информационно-вычислительной системы для оценки работы буроугольного карьера, накопительных емкостей и поставок угля потребителям;

— в проведении серии многовариантных расчетов оптимальных календарных планов, обработке, анализе и обобщении их результатов;

— в разработке методических рекомендаций обоснования производительности буроугольного карьера, обеспечивающей поставки угля потребителям с заданной степенью равномерности.

Реализация работы. Методические рекомендации и информационно-вычислительная система использованы ОАО «Сибгипрошахт» для обоснования производительности буроугольного карьера на стадии проектирования строительства II очереди Березовского ТЭКа.

Апробация работы. Основные положения и результаты выполненных исследований докладывались на Международной конференции по открытым и подземным горным работам (Москва, 1998), III Республиканской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в горном деле» (Екатеринбург, 1998). Диссертационная работа докладывалась и получила 9 одобрение на научных семинарах Института горного дела СО РАН (19 971 999 гг.).

Публикации. Основные научные и практические результаты опубликованы в 6 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 148 стр. машинописного текста, включает 31 рисунок, 16 таблиц, список литературы из 80 наименований и приложения.

Выводы.

1. Разработаны методические рекомендации, предназначенные для обоснования производительности буроугольного карьера, обеспечивающей его сбалансированное взаимодействие с потребителями угля в составе топливно-энергетического комплекса, на основе математического моделирования с использованием информационно-вычислительной системы на стадии проектирования и стратегического планирования.

2. На основе методических рекомендаций и созданной информационно-вычислительной системы на стадии разработки проекта буроугольного карьера «Березовский-1» проведен анализ и оценка возможностей карьера.

139 по отгрузке угля на ГРЭС в объеме 19,9 млн т и обосновано применение 3-х роторных экскаваторов, суммарная эксплуатационная производительность которых составила 35−38 млн т, при ведении добычных работ на двух участках, а также содержание склада на ГРЭС вместимостью 720 мнл т. Установлено, что для стабилизации поставок угля на ГРЭС в объеме 24,8 млн т необходимо содержание в составе ТЭКа склада вместимостью 720 тыс. т, бункера -60 тыс. т и образование резерва в размере 20% для 3-х (Qp = 36,9 млн т) и 17% для 4-х экскаваторов (Qp = 49,4 млн т) за счет снижения объемов поставок внешним потребителям.

3. Созданная информационно-вычислительная система позволяет производить на основе математического моделирования автоматизированную разработку оптимальных календарных планов работы карьера, функционирования накопительных емкостей в режиме аккумулирования и компенсации и распределения угля потребителям в посуточном цикле на стадии текущего планирования. В результате оценки функционирования взаимосвязанных объектов устанавливается производительность буроуголь-ного карьера в составе топливно-энергетического комплекса, строго соответствующая допустимым коэффициентам вариации суточных объемов поставок как внешним потребителям, так и на ГРЭС.

Заключение

.

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, заключающаяся в обосновании производительности буроугольного карьера в составе топливно-энергетического комплекса, обеспечивающей сбалансированное его взаимодействие с потребителями угля.

Основные научные и практические результаты.

1. Для исследования и календарного планирования работы буроугольного карьера и взаимосвязанных с ним объектов разработана интегрированная условно-динамическая модель, представленная последовательностью статических моделей, описывающих функционирование объектов в элементарный период (сутки), с критерием минимизации потерь производительности карьера.

2. Создана информационно-вычислительная система для математического моделирования функционирования объектов топливно-энергетического комплекса с функциями формирования технологических схем добычных работ, расчета суточной производительности роторных экскаваторов, оптимальных календарных планов работы карьера, накопительных емкостей и поставок угля потребителям.

3. Показано, что использование на добыче угля экскаваторов большой единичной мощности приводит к суточным колебаниям объемов добытого угля, коэффициент вариации которых составляет 30−60% ив 3,54,0 раза превышает допустимые колебания в объемах поставок угля, что приводит к нарушению взаимодействия карьера с потребителями.

4. Установлены закономерности, характеризующие изменение потерь эксплуатационной производительности экскаваторов в связи с их технологическими остановками в зависимости от длины фронта работ, которые с ее приростом на 1000 м снижаются на 5−1%- снижение коэффициентов вариации суточных колебаний объемов добытого угля при увеличении длины фронта работ с 1000 до 4000 м составляет 10−13%.

5. Стабилизация поставок угля потребителям приводит к появлению потерь эксплуатационной производительности экскаваторов, величина.

141 которых зависит от соотношения суточных колебаний объемов добытого угля и поставок его потребителям, наличия свободных емкостей бункеров и угольного склада и составляет 10−15%.

6. Доказано, что стабилизация поставок угля потребителям обеспечивается рациональным сочетанием количества экскаваторов на добыче угля и резерва их суммарной эксплуатационной производительности, длины фронта работ и объема резервных запасов угля, емкостей угольного склада и бункеров.

7. Повышение производительности буроугольного карьера в составе топливно-энергетического комплекса достигается привлечением дополнительных (внешних) потребителей, величина отгрузки угля которым зависит от допустимых коэффициентов вариации суточных колебаний объемов поставок, как внешним потребителям, так и на ГРЭС.

8. Установлена зависимость производительности буроугольного карьера в составе топливно-энергетического комплекса от коэффициентов вариации суточных колебаний объемов поставок угля потребителям.

9. Апробацией разработанных методических рекомендаций и информационно-вычислительной системы на стадии проектирования буроугольного карьера «Березовский-1» обоснованы:

— увеличение на добыче угля количества роторных экскаваторов, марки ЭРП-5250, с двух до трех в целях обеспечения стабильных поставок угля на ГРЭС и организации отгрузки угля, внешним потребителям для повышения использования их мощности;

— резерв суммарной эксплуатационной производительности экскаваторов на добыче угля в размере 15−20% при условии, что общая емкость бункеров равна 180 тыс. т и угольного склада — не менее 720 тыс. т;

— объемы отгрузки угля внешним потребителям с учетом допустимого коэффициента вариации, при этом получено, что если коэффициент вариации равен 25%, то объем поставок составит 6,6, а если 10%, то — 4,7 млн т угля в год.