Динамическое моделирование взаимодействия оборудования механизированного очистного забоя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Гречишкин, Павел Владимирович

• Гречишкин, Павел Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гречишкин, Павел Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОЧИСТНЫХ РАБОТ. ф 1.1. Проблемы выбора технологических схем очистных работ в длинном забое.

1.2. Подходы к задаче выбора технологических схем и методы оптимизации их параметров.

1.3. Выводы по главе.

2. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА ОЧИСТНОЙ ВЫЕМКИ.

2.1. Постановка задачи моделирования.

2.2. Разработка концептуальной модели очистных работ.

2.3. Построение модулей сети Петри.

2.3.1. Работа комбайна.

2.3.2. Крепление забоя.

2.3.3. Регулирование шахматной передвижки секций.

2.3.4. Передвижка конвейера.

2.3.5. Передвижка крепи сопряжения.

2.3.6. Изменение положения шнеков.

2.4. Правила соединения модулей.

2.5.Выводы по главе.

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБОРУДОВАНИЯ МЕХАНИЗИРОВАННОГО ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ.

3.1. Синтез моделей взаимодействия очистного оборудования.

3.2. Проверка адекватности отображения технологического процесса очистной выемки сетью Петри.

3.2.1. Отладка в интерактивном режиме и файл следа.

3.2.2. Сравнение результатов моделирования выемочного цикла в детерминированной постановке задачи с планограммой работ в очистном забое.

3.2.3. Сопоставление результатов моделирования в стохастической постановке задачи с результатами наблюдений во время безотказной работы оборудования.

3.3. Концепция системы динамического моделирования взаимодействия оборудования механизированного очистного забоя.

3.4. Формирование входных данных для моделей.

3.5.Выводы по главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЫЕМКИ С ПОМОЩЬЮ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ.

4.1.Воздействие длины забоя и временных характеристик оборудования на производительность очистного забоя.

4.1.1. Рабочая скорость подачи комбайна.

4.1.2. Скорость крепления.

4.1.3. Скорость подачи комбайна на концевой операции.

4.1.4. Скорость холостого хода комбайна.

4.1.5. Время изменения положения шнеков комбайна.

4.1.6. Скорость подачи комбайна при пропорциональном изменении скорости крепления.

4.1.7. Скорости подачи комбайна при пропорциональном изменении скорости крепления с условием автоматической передвижки секций крепи и конвейера.

4.2.Эффективные пути повышения производительности для вариантов организации работ в забое.

4.3.Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамическое моделирование взаимодействия оборудования механизированного очистного забоя»

Актуальность работы. В настоящее время в Кузбассе подавляющее большинство механизированных очистных забоев оснащается не серийными комплексами, а скомпонованными под заданные условия из оборудования различных производителей. В мире насчитывается свыше 20 производителей механизированных крепей, 15 производителей узкозахватных очистных комбайнов и 18 производителей забойных конвейеров. Каждый завод выпускает несколько типов оборудования, для которых существует ряд типоразмеров. Насчитывается более 40 вариантов организации работ в забое. Эти факторы обеспечивают множественность технико-организационных решений для различных горно-геологических условий.

Выпускаемые очистные комбайны обладают существенным запасом производительности, скорость подачи может достигать 45 м/мин. В связи с этим увеличивается влияние концевых операций на производительность забоя, длительность которых зависит от организации работ, технических характеристик комбайна, крепи и конвейера. Отсутствие методик, позволяющих оценить эффективность работы компонуемых механизированных комплексов с учётом организации работ в забое, и число альтернативных вариантов значительно затрудняют обоснованный выбор технологической схемы.

Многовариантность решения задачи не позволяет экспериментальным путём комплектовать оборудование очистного забоя из-за высокой стоимости технологического риска. Поэтому на передний план выступает математическое моделирование функционирования оборудования для подбора наиболее рационального состава комплекса и организации работ в забое с точки зрения производительности выемочного участка.

•4* При многовариантном анализе сложных динамических объектов и технологий хорошо себя зарекомендовало имитационное моделирование. Оно позволяет отобразить взаимодействие элементов технологического комплекса во времени, проиграть на моделях альтернативные технико-организационные варианты и определить наиболее рациональные из них, оценить влияние отдельных параметров на поведение системы в целом, выявить узкие места и т.д. В связи с этим разработка системы динамического моделирования взаимодействия оборудования механизированного очистного забоя является актуальной научной задачей. Л

Цель работы - разработка системы динамического моделирования взаимодействия оборудования механизированного очистного забоя для выбора рационального сочетания комплекта машин и организации работ в забое при наличии ограничений по горно-геологическим условиям.

Идея работы заключается в отображении технических параметров единиц оборудования и технологических операций выемочного цикла временными сетями Петри для определения эффективности взаимодействия элементов ^ комплекта.

Задачи исследований:

- разработать динамические модели технологического процесса очистной выемки и алгоритм для их построения;

- разработать систему динамического моделирования взаимодействия оборудования очистного механизированного забоя; г

- исследовать влияние временных характеристик оборудования на производительность выемочного участка при различной организации работ в забое.

Научные положения:

1. Модули сетей Петри, отражающие работу комбайна, изменение положения шнеков, регулирования передвижки, передвижки секций крепи, крепи сопряжения и конвейера, обеспечивают необходимые и достаточные условия для синтеза динамической модели взаимодействия оборудования механизированного очистного забоя, синхронизация компонент которой задаётся кратностью выходных дуг стоковых позиций.

2. Система на основе динамических моделей взаимодействия оборудования на сетях Петри с постоянной структурой и изменяемыми параметрами обеспечивает выбор рациональных технико-организационных решений для механизированного очистного забоя.

3. Динамическая модель взаимодействия оборудования механизированного очистного забоя при многовариантной структурной организации модулей имеет множество состояний, определяющих множество рациональных технико-организационных решений по повышению производительности.

Методы исследований:

- теория больших систем для формализации процесса очистной выемки;

- аппарат сетей Петри для моделирования взаимодействия оборудования очистного забоя в динамике;

- проблемно-ориентированный имитатор сетей Петри NetStar 2.02b для построения и отладки моделей технологических процессов;

- методы теории вероятности, математической статистики и алгоритмизации, а также объектно-ориентированный язык программирования Borland Delphi 6 и табличный процессор MS Excel для создания динамической модели взаимодействия очистного оборудования и среды её функционирования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением фундаментальных поведенческих и структурных свойств сетей Петри для доказательства достаточности разработанных модулей;

- верификацией динамической модели взаимодействия очистного оборудования посредством компьютерного отображения технологического процесса;

- сходимостью результатов моделирования с планограммами работ в очистном забое;

- серией экспериментов, показавших, что расхождение результатов моделирования в стохастической постановке задачи и хронометража выемочного цикла не превышает 10%.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- для целей моделирования взаимодействия оборудования очистного забоя на этапах его производительной, холостой работы и концевых операциях применён аппарат сетей Петри;

- построены оригинальные модули сети Петри: «работа комбайна», «передвижка секций крепи», «регулирование передвижки секций», «передвижка конвейера», «передвижка крепи сопряжения»;

- разработана система динамического моделирования, которая позволяет сопоставлять множество вариантов компоновки комплекса с учётом организации работ в очистном забое и стохастичности технологических операций; г

- исследовано влияние временных характеристик единиц очистного оборудования на производительность забоя при различной организации работ на основных и вспомогательных операциях. щ Личный вклад автора состоит:

- в разработке нового подхода к моделированию очистной выемки, учитывающего взаимодействие оборудования во времени не только при отбойке угля, но и на концевых операциях;

- в разработке оригинальных модулей сетей Петри - структурных компонент динамической модели взаимодействия оборудования очистного механизированного забоя и алгоритма её компоновки;

- в разработке системы динамического моделирования для сопоставления технико-организационных вариантов очистных работ и

4 её реализации в виде пакета проблемно-ориентированных программ;

- в выявлении эффективных путей повышения производительности для вариантов организации работ в забое.

Практическая значимость:

- созданы динамические модели, учитывающие организацию работ при определении производительности очистного забоя, оснащённого оборудованием различного технического уровня;

- разработан пакет программ, позволяющий сопоставлять множество технико-организационных вариантов работы очистного забоя количество организационных решений более 40);

- система динамического моделирования обеспечивает вычислительный эксперимент в широком диапазоне горно-технических условий с целью выявления узких мест и поиска эффективных путей повышения производительности действующих и проектируемых механизированных очистных забоев.

Реализация работы. Результаты работы были использованы на шахте

Полысаевская». На их основе были разработаны рекомендации по устранению узких мест в лаве №18-25, а именно, отставания крепления и не полного использования производительности комбайна.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на IV Всероссийской научно-практической конференции «Региональные проблемы устойчивого развития природоресурсных регионов» (Кемерово, 2003), IV Всероссийской конференции молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2003), первой Всероссийской научно-практической конференции «Опыт практического применения языков и программных систем имитационного моделирования в промышленности и прикладных разработках» (С.-Петербург, 2003), VIII Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодёжи» (Анжеро-Судженск, 2004).

Во Введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цели и идея работы, задачи и методы исследования, научная новизна, практическая значимость работы и положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор литературных источников, посвящённых методам оценки эффективности очистных работ и их математическому моделированию.

Во второй главе выбран объект моделирования, формализованы процессы очистной выемки, разработаны требования к универсальным модулям для синтеза динамической модели работы очистного оборудования и на их основе разработаны модули сети Петри. р В третьей главе описаны этапы синтеза динамической модели взаимодействия очистного оборудования, представлен алгоритм компоновки структурной схемы динамической модели выемочного цикла (рис. 2). Проведена проверка адекватности отображения моделью технологического процесса очистной выемки и описана система динамического моделирования взаимодействия оборудования выемочного участка.

В главе 4 на моделях с различной организацией работ было исследовано ф влияние изменения горнотехнических параметров в широких пределах на производительность забоя. На основании полученных в результате моделирования данных выявлены эффективные пути повышения производительности забоя при различной организации работ. Щ

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Гречишкин, Павел Владимирович

4.9. Выводы по главе

1. Получено 26 массивов значений производительности при изменении длины забоя и временных характеристик оборудования для четырёх основных вариантов организации работ в забое. Анализ полученных данных позволил выявить эффективные пути повышения производительности для вариантов организации работ в забое. В равных условиях производительность забоя с ЧФЗ всегда выше остальных, с ОФЗ - ниже остальных; множества значений производительности выше при ЧКЗ и ОКЗ являются пересекающимися.

2. Существует три типа отклика производительности очистного забоя на изменения горно-технических условий.

3. При ОКЗ увеличение скорости подачи комбайна на концевой операции до некоторого значения приводит к неизменной производительности вне зависимости от длины очистного

SS 5 44 О 5 J 34 о ц а. ш || 24, а 14 со X О л 1

-•-РЯД2

-Г 1 1 с 60 80 100 120 140 160 180 Длина забоя, м забоя. Увеличение скорости свыше этого значения приводит убыванию производительности с увеличением длины забоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена задача разработки системы динамического моделирования взаимодействия оборудования механизированного очистного забоя, имеющая существенное значение для применения математического моделирования в исследовании технологических процессов угледобычи и решении прикладных задач выбора рационального сочетания оборудования и организации работ в забое из множества вариантов.

1. В Кузбассе подавляющее большинство очистных забоев оснащается не серийными механизированными комплексами, а скомпонованными под заданные условия из оборудования различных производителей, отличающимися более высокими показателями работы по сравнению с типовыми комплектами.

На рынке очистного оборудования представлено множество образцов отечественных и зарубежных производителей. Для равных горногеологических условий количество альтернативных технологических схем очистных работ может достигать нескольких сотен и даже тысяч за счёт наличия множества вариантов организации работ в забое и компоновки оборудования выемочного участка.

3. Существующие методики и программные продукты для определения нагрузки на забой и проектирования выемочного участка не позволяют сопоставить множество технико-организационных вариантов работы очистного забоя современного технического уровня.

4- Для выемочных участков, оснащённых оборудованием современного технического уровня, существует более 40 вариантов организации работ в забое. Разработанные модули сети Петри («работа комбайна», «изменение положения шнеков», «последовательная передвижка секций крепи», «регулирование шахматной передвижки секций крепи», «шахматная передвижка секций крепи», «передвижка крепи сопряжения», «передвижка конвейера») позволяют отображать неотъемлемые технологические процессы при данном множестве организационных решений.

5. Структура модулей такова, что при построении динамических моделей выемочного цикла обеспечивается безопасность истоковых позиций подсетей, отображающих технологические процессы в очистном забое.

6. Строящиеся по разработанному алгоритму синтеза динамические модели взаимодействия оборудования с различной организацией работ в забое адекватно отображают процесс очистной выемки.

Т.Выбор рационального совмещения во времени технологических процессов выемки с помощью графиков организации и планограмм работ в очистном забое эквивалентен ранжированию вариантов по показателю производительности.

8 .Система на основе динамических моделей взаимодействия оборудования очистного забоя на сетях Петри с постоянной структурой и изменяемыми параметрами обеспечивает выбор рациональных технико-организационных решений при более чем 40 вариантах организации работ в забое.

3.Получено 26 массивов значений производительности при изменении г длины забоя и временных характеристик оборудования для четырёх основных вариантов организации работ в забое. Анализ полученных данных позволил выявить эффективные пути повышения производительности для вариантов организации работ в забое. В равных условиях производительность забоя с ЧФЗ всегда выше остальных, с ОФЗ ниже остальных; множества значений производительности выше при ЧКЗ и ОКЗ являются пересекающимися.

Существует три типа отклика производительности очистного забоя на изменения горно-технических условий.

7/.При ОКЗ увеличение скорости подачи комбайна на концевой операции до некоторого значения приводит к неизменной производительности вне зависимости от длины очистного забоя. Увеличение скорости свыше этого значения приводит к убыванию производительности увеличением длины забоя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гречишкин, Павел Владимирович, 2005 год

1. Планирование и ценообразование в угольной промышленности. ЦНИЭИуголь, 1978. Статистическое моделирование работы очистного механизированного комплекса. Л.Н. Занина. С. 47.

2. Совершенствование планирования горного производства. Сб. науч. тр., ИГД СО РАН, Новосибирск 1986. Опыт разработки и эксплуатации задачи расчёта нагрузок очистных забоев на ЭВМ в Карагандинском бассейне. Д.И. Местер, Г.А. Латева.

3. Планирование горных работ на угольных шахтах. ИГД СО АН СССР, 1976. Метод оптимального планирования нагрузки на очистной забой при разработке пластов с применением механизированных комплексов. П.Ф. Лукьянов, О.С. Курзанцев, В.Н. Караульное.

4. Моделирование технологических процессов при подземной разработке рудных месторождений. Сб. науч. тр., ИГД СО РАН, Новосибирск 1987. Моделирование организации работ в очистных забоях при применении самоходного оборудования. В.И.Штеле, Я.Я.Кусиныи.

5. Горная промышленность 1999, №4. Новые направления ассоциации «Кузбассуглемаш» в совершенствовании выпускаемого оборудования и расширении его номенлатуры. А.В. Ремезов, Е.В. Червоткин, В.Е. Изоткин, М.И. Рейзин, Б.М. Ефременков, Б.К. Мышляев.

6. Уголь 2001, №5. Зарубежная панорама: Совершенствование добычи угля длинными лавами в США. С. 66.

7. Уголь 1998, №5. Обеспечение нагрузки на очистной забой 2-3 млн. т. угля в год на шахтах России. Н.К. Гринько, Л.Н. Гапанович, О.Б. Батурин.

8. Уголь 1998, №10-11. Управление реструктуризацией очистного фронта шахт Кузбасса. Е.Ф. Козловчунас, В.Д. Носенко, С.В. Шатиров. С. 17.

9. Уголь 2001, №1 Основные направления развития технологий и средств комплексной механизации очистных работ для отработки пологих угольных пластов. H.JT. Разумняк, Б.К. Мышляев. С. 34.

10. Технологические схемы очистных и подготовительных работ на угольных шахтах. Министерство угольной промышленности СССР. М., изд-во «Недра», 1978. 288 стр.

11. Моделирование технологических процессов в угольной промышленности. С.И. Цой. М., изд-во «Недра», 1979.

12. Н.Математические методы оптимизации в горном деле. Труды ИГД АН КазССР. Том 32. Алма-Ата 1968. В.Я. Эйдензон. Определение оптимальных параметров очистных механизированных забоев пологих пластов. С.44.

13. Планирование и проектирование горных работ на угольных шахтах. ИГД СО РАН, 1980. Система автоматизированного проектирования оптимальной технологии очистных работ. С. Цой, В.Я. Эйдензон, M.JI. Малацкая., с.29

14. У голь 1997, №10. Автоматизированный поиск рентабельной производительности комплексно-механизированного очистного забоя. Е.А. Косьминов, А.А. Ордин, А.В. Ремезов, В.И. Клишин.

15. Оптимизация и автоматизация проектных решений в горном деле. Сб. науч. тр., ИГД СО РАН, Новосибирск 1987. О создании системыавтоматизированного проектирования технологических схем угольных шахт для условий Карагандинского бассейна. С.С.Квон, Л.С.Нагих.

16. Оптимизация технологии выемки полезных ископаемых: Сб. науч. трудов.- Караганда: КарПТИ, 1988.-143 с. Структура САПР вскрытия и подготовки выемочного поля и паспортов выемочного участка. С.К. Баймухаметов, С.И. Хан, С.Б. Искаков.

17. Прогрессивные технологические схемы разработки полезных ископаемых: Сб. науч. трудов/ Караганд. политех, ин-т. Караганда, 1990. 102 с. Автоматизация оптимального планирования развития горных работ действующей шахты. С.С Квон, С.И. Хан, A.M. Маринушкин.

18. Вопросы совершенствования горных работ на шахтах и карьерах Сибири. Сб. науч. тр., ИГД СО РАН, Новосибирск 1990. Аналитические решения задачи оптимизации длины комплексно-механизированного очистного забоя. А.А. Ордин.

19. Научная организация производства и труда. Сб. науч. трудов 25. 1975. ЦНИЭИуголь. Определение показателей использования выемочной техники. Г. И. Проценко.

20. Научная организация производства и туда. Сб. науч. Трудов. Вып. 25. 1975. Выявление резервов использования механизированных комплексов и пути их реализации в очистных забоях. Л.В. Богачек.

21. Научная организация производства и труда. Сб. науч. трудов 25. 1975. ЦНИЭИуголь. Влияние численности рабочих комплексномеханизированных лав на производительность угледобывающих агрегатов. Г. Н. Шевалдин.

22. Научная организация производства и труда. Сб. науч. трудов 25. 1975. ЦНИЭИуголь. К вопросу исследования влияния организационных факторов повышения производительности туда в угольной промышленности. А.В. Недогонов.

23. Научная организация производства и труда. Сб. науч. трудов 25. 1975. ЦНИЭИуголь. Исследование влияния горнотехнических факторов и численности бригады на нагрузку высокопроизводительных очистных забоев. И.Е. Богопольский, Е.В. Ляшенко.

24. Уголь 2001, №5. О производительности комплексно-механизированных очистных забоев, оснащаемых по инвестиционным проектам и договорам лизинга. Ю.А. Коровкин, П.Ф. Савченко, В.А. Бураков.

25. ТЭК 2001, №2. К вопросу о методике и комплексе компьютерных программ автоматизированного выбора и обоснования параметров технологических схем выемочных участков угольных шахт. А.В. Копеин.

26. Автоматизирование проектирование горных работ. Сб. науч. тр., ИГД СО РАН, Новосибирск 1983. Расчёт нагрузок на очистные забои в процессе их воспроизводства. В.М.Шрамко, Е.П.Еремин, В.М.Муров, А.Х.Тигай.

27. КарПТИ, 1987. 93 с. Методология моделирования и оптимизации систем горных машин. П.Б. Степанов.

28. Планирование горных работ на угольных шахтах. ИГД АН СССР, 1976. Некоторые вопросы взаимосвязи проблем прогнозирования и оптимизации параметров технологических схем очистных работ. В .И. Штеле.

29. Системное моделирование технологии горных работ. Сб. науч. тр., ИГД СО РАН, Новосибирск 1989. Перспективы развития методологии обоснования технологических решений на стадии управления горными работами. В.И. Штеле.

30. Вопросы совершенствования горных работ на шахтах и карьерах Сибири. Сб. науч. тр., ИГД СО РАН, Новосибирск 1990. К вопросу выбора оборудования в условиях частичной неопределённости. Г.В.Морозова.

31. Горный журнал 2003, №3. Перспективные направления создания очистной техники, с. 60.

32. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: ГУП «Издательство «Высшая школа». 2003 г. 343 с.

33. ТЭК и ресурсы Кузбасса 2002, №1. Направления развития очистных работ и интенсивных технологических процессов добычи угля подземным способом. H.JI. Разумняк, В.Н. Вылегжанин, Е.Ф. Козловчунас. С. 34-38.

34. Теория больших систем управления. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Москва: Энергоиздат, 1982. 288 стр.

35. Гойзман Э.И. Моделирование производственных процессов на шахтах. М.: «Недра», 1977. 192 с.

36. Banks J., Carson J., Nelson В., Nicol D. Discrete-Event System Simulation. New Jersey: Prentice Hall, 2000. 3-d Edition, p. 639.

37. Мурата Т. Сети Петри: Свойства, анализ, приложения/ЛГИИЭР. -1989. -№77. -С. 41-85.

38. С" время перемещения горнорабочего от одного блока управления гидрораспределителями до другого и подачи команды;пп количество рештаков в последнем участке при передвижке вслед за комбайном;

39. S* шаг установки секций; V* - max скорость крепления; L - длина забоя; Z,* - длина комбайна (м);1.- длина пути комбайна при снятии стружки угля (отн. ед.);

40. Куио " время прохождения комбайном одного участка пути на концевыхоперациях; V*nK скорость перемещения ГРОЗ; Dm0 - диаметр шнека в относительных единицах; D* - диаметр шнека (м);у Ат минимальное отставание крепления от комбайна;