Оптимизация параметров экскаваторно-автомобильных комплексов разрезов (на примере АО “УК “Кузбассразрезуголь”)

Во введении изложены актуальность темы, степень ее разработанности, на основе чего сформулированы цель, идея и задачи исследования. Приведены основные научные положения, выносимые на защиту, их обоснованность и достоверность полученных результатов, теоретическая и практическая значи- мость работы, ее апробация и реализация.
В первой главе изложено современное состояние и проблемы функцио- нирования карьерных ЭАК. Приводится характеристика ЭАК разрезов АО «УК «Кузбассразрезуголь», проведен анализ состояния и перспективы разви- тия техники карьерных ЭАК, указаны основные проблемы оценки качества их функционирования и проектирования.

Большие объёмы горной массы на разрезах, разрабатываемой ЭАК, непо- средственное влияние погрузочно-транспортного процесса на темпы открытой угледобычи и его высокая трудоёмкость обусловливают постоянное ведение широкомасштабных работ по совершенствованию средств карьерной экскава- торно-автомобильной техники и организации их совместной работы.
Увеличение единичной мощности погрузочно-транспортной техники, кото- рое является основной тенденцией развития ЭАК, не сопровождается пропорци- ональным ростом их производительности и улучшением качественных показа- телей использования. Несогласованность совместной работы экскаваторов и са- мосвалов в составе ЭАК оставляет качество функционирования ЭАК на невысо- ком уровне. Связано это с недостаточной разработанностью теории оптимально- го проектирования горных машин и комплексов (в том числе и ЭАК).
Основы такой теории заложены в работах В.В. Аксёнова, В.Д. Буткина, Б.Л. Герике, С.Н. Зариповой, И.В. Зырянова, Л.И. Кантовича, А.П. Комиссарова, В.И. Нестерова, В.А. Перетолчина, Р.Ю. Подэрни, Н.М. Скорнякова, В.И. Соло- да, Г.И. Солода и др., однако в аппарате проектирования карьерных ЭАК отсут- ствуют процедуры синтеза оптимальных решений. Лежащий в основе такого синтеза системный подход при проектировании карьерных ЭАК и оптимизации их работы до настоящего времени практически не использовался.
В работе рассматриваются ЭАК разрезов АО «УК «Кузбассразрезуголь», занятые только на вскрышных работах. Добычные и смешанные ЭАК не рас- сматривались.
Во второй главе разработана методика и проведена интегральная оценка качества работы ЭАК разрезов АО «УК «Кузбассразрезуголь».
Анализ существующих методик оценки качества показал, что для карьер- ных ЭАК наиболее приемлемым аналогом является методика безэкспертной оценки, позволяющая оценивать функционально-однородные горные машины различной сложности, типов и конструктивных исполнений, известная как мето- дика Г.И. Солода.
Являющийся основой этой методики функциональный критерий (ФК), ис- ходя из системного подхода и специфики работы ЭАК, представляется как от- ношение интенсивности поступления самосвалов под погрузку к интенсивности обслуживания их экскаваторами. Он в наибольшей степени характеризует согла- сованность их совместной работы, и определяется по впервые полученным авто- ром зависимостям для однородных и смешанных парков техники:
∑∑∑
где , – общая численность автотранспортного парка ЭАК и количество са- мосвалов i-го типоразмера соответственно; , – общая численность экскава-

торного парка ЭАК и количество экскаваторов j-го типоразмера; , − время
полной загрузки средневзвешенного самосвала средневзвешенным экскаватором и время загрузки j-м экскаватором i-го самосвала, мин; , – продолжитель- ность рейса средневзвешенного самосвала и каждого i-го самосвала, мин;
− коэффициент эксплуатационной производительности ЭАК, представля- ющий собой отношение чистого времени работы экскаваторов и самосвалов к продолжительности смены с учётом всех внутрисменных простоев;
, где , – суммарные простои Nэ экскаваторов и Nс
самосвалов в течение рабочей смены соответственно, мин.
Важным вопросом оценки является также обоснованный выбор необходи-
мой и достаточной номенклатуры показателей качества работы ЭАК. Эта номен- клатура должна учитывать специфику функционирования ЭАК и соответство- вать цели оценки качества, которая определена нами в виде ФК. В результате сформирован комплекс из 7 единичных показателей качества, которые охваты- вают и детализируют все основные показатели ФК, и включают в себя специфи- ческие для ЭАК показатели состава и структуры, производительности, величины и структуры простоев, а также производительного использования экскаваторно- го и автотранспортного парков (рисунок 1). Показатели качества на рисунке вы- делены жирным шрифтом и красным цветом.
На рисунке 1:  функциональный критерий; производительности экскаваторного парка, м3/мин; производительности автотранспортного парка, м3/мин; плуатационная скорость самосвалов, км/ч;
⁄ – показатель ⁄ – показатель ⁄ – экс- ⁄ – доля про- стоев погрузочно-транспортной техники в продолжительности рабочей смены; ⁄ − соотношение простоев экскаваторов и самосвалов;

⁄
− уровень производительного использования экскаваторного пар- ⁄ − уровень производительного использования автотранспортно- – вместимость ковша экскаватора, м3; – время цикла экскаватора, мин; – вместимость кузова самосвала, м3; – продолжительность рейса са- мосвала, мин; – количество загружаемых в кузов самосвала ковшей экскава- тора; – расстояние транспортирования, км; – продолжительность рабочей смены, мин; ⁄ – количество рейсов, выполненных каждым самосвалом в те- чение смены; – количество рейсов, выполненных автотранспортным парком в
ка;
го парка;
течение смены;
– суммарное время загрузки самосвалов экскаваторами в течение смены,
– число самосвалов в составе автотранспортного парка;
мин; , – суммарные простои экскаваторного и автотранспортного парков в течение смены соответственно, мин.
По выбранным показателям произведена сравнительная оценка качества работы ЭАК разрезов, входящих в состав УК «Кузбассразрезуголь» и Компании в целом, на основании сводных отчётов об их работе, составленных по фактиче- ским данным предприятий.
Диаграмма комплексного показателя качества работы ЭАК разрезов с указанием функционального критерия приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 − Диаграммы комплексного показателя качества работы экскаваторно-автомобильных комплексов разрезов
(синим цветом – в целом по АО «УК «Кузбассразрезуголь»; )
Анализ диаграммы показывает, что у трёх («Краснобродский», «Талдин- ский» и «Бачатский») из шести разрезов он выше значения 0,614, как общего по

УК «Кузбассразрезуголь», и у трёх («Моховский», «Кедровский» и «Калтан- ский») – довольно сильно отстаёт. Причина – большое различие в значениях единичных показателей качества из-за разной степени согласованности совмест- ной работы экскаваторных и автотранспортных парков ЭАК. Разрез «Красно- бродский» является эталонным по четырём из семи единичных показателей ка- чества, в результате чего он и занимает 1-е место в ранжированном списке. Разрез «Талдинский» является первым по двум единичным показателям и зани- мает 2-е место. И завершает тройку лидеров разрез «Бачатский», который явля- ется лучшим по одному единичному показателю. Разрезы-аутсайдеры не явля- ются эталонными ни по одному единичному показателю.
На диаграмме видно также, что величина комплексного показателя каче- ства во многом зависит от ФК, который, согласно зависимости (1), определя- ется соотношением численности автотранспортного и экскаваторного парков в составе ЭАК разреза ( ⁄ ), их простоями ( ), временем погрузки ( ) и продолжительностью рейса самосвалов ( ). Одни из них надо увеличивать, дру- гие − уменьшать, а вот какими конкретно должны быть значения этих парамет- ров, притом, что качество работы ЭАК должно быть наивысшим, установить при оценке качества не представляется возможным. Их можно определить только в результате оптимизации параметров ЭАК.
Таким образом, анализ качества работы ЭАК разрезов позволяет сделать вывод о том, что его повышение может быть достигнуто за счёт оптимального проектирования ЭАК, которое позволяет определить и оптимально сбалансиро- вать указанные выше параметры ЭАК. Решение этих вопросов может служить серьёзным средством повышения качества работы существующих и вновь со- здаваемых ЭАК для предприятий открытой угледобычи.
В третьей главе разработана оптимизационная модель функционирования и проектирования карьерных ЭАК.
Основой оптимального проектирования является системный подход, поз- воляющий удерживать объект как целое, когда проектируются его отдельные элементы. Системный подход при определении показателей функционирования ЭАК заключается в том, что они, во-первых, должны соотноситься друг с дру- гом оптимальным образом, и, во-вторых, получаемые на их основе выходные эксплуатационные показатели – отвечать требуемым значениям (рисунок 3).
Карьерный ЭАК как система характеризуется структурой и параметрами. Структура комплекса определяет его составные части и связи между ними и должна обеспечивать оптимальное функционирование, для чего характеризую- щие работу ЭАК параметры должны быть оптимизированы. В качестве критерия оптимизации удобно использовать уже рассмотренные выше комплексные оцен- ки качества работы ЭАК, поскольку это напрямую связывает режимы работы ЭАК с качеством его функционирования. Соответственно, оптимизируемыми
параметрами являются основные параметры ЭАК. Это – коэффици-
ент эффективного состава ЭАК; – время загрузки самосвала экскаватором, мин; – продолжительность рейса самосвала, мин (см. формулу 1 и рисунок 3).

Поскольку целевой оптимизационный критерий во многом определяет- ся величиной ФК оценки качества работы ЭАК , указанный ФК является по существу и критерием оптимизации параметров ЭАК.
Таким образом, можно утверждать, что критерии оценки качества и оптимизации совместной работы экскаваторного и автотранспортного парков в составе ЭАК разреза определяются соотношением интенсивно- стей поступления карьерных самосвалов под погрузку и обслуживания их экскаваторами.
При решении задачи оптимизации параметров ЭАК действуют следую- щие ограничения.
1. Ограничения по соответствию фактических значений эксплуатацион- ных показателей (ФК), (производительность ЭАК) требуемым значени- ям , (рисунок 3).
2. Ограничение по взаимосвязи оптимизируемых параметров . Уравнение взаимосвязи имеет вид: = 4,978 – 0,0619 ( = 0,792; = 211,67 > = 6,94; = 2,597 < = 2,776). Данное ограничение включено ввиду того, что надёжной связи между этими параметрами нет, так как не подтверждена надёжность коэффициента корреляции по t-критерию Стьюдента. 3. Граничные условия, отражающие диапазон изменения оптимизируе- мых параметров. Анализ показывает, что для всех параметров может быть за- дано только нижнее граничное условие – и это условие их неотрицательности, тоесть ; ; . Предполагаем линейную связь между целевым критерием и ограничени- ями и оптимизируемыми параметрами. В результате получена математическая модель оптимизации параметров ЭАК, представляющая собой задачу линейно- го программирования. ; ; ; ; ; ; ;;, В результате исследования модели (3) будут получены оптимальные зна- чения коэффициента эффективного состава автотранспортного и экскаваторно- го парков ЭАК , времени загрузки самосвалов экскаваторами , продолжи- тельности рейса самосвала , а также функционального критерия и ком- плексного показателя качества . Из этих значений можно синтезировать кон- кретные оптимальные параметры ЭАК, а также сформулировать принципы ; (3) формирования по ним оптимальных парков техники, которые и рекомендовать для совершенствования или проектирования ЭАК разрезов. Синтез оптимальных параметров ЭАК и формирование на их основе пар- ков погрузочно-транспортной техники базируется на обеспечении оптимально- го функционирования ЭАК как единой системы с учётом существующих опти- мальных взаимосвязей параметров между собой. Порядок формирования опти- мальных парков экскаваторов и самосвалов показан ниже. Данная методика разработана применительно к условиям разрезов АО «УК «Кузбассразрезуголь», однако может быть использована для оптимизации работы ЭАК и для других внешних условий, которые могут задаваться заказчи- ками. Она предлагает качественно новый подход к формированию основных показателей работы ЭАК с оптимальными параметрами и принята к использо- ванию АО «УК «Кузбассразрезуголь», а также новационной фирмой «КУЗ- БАСС-НИИОГР» как средство создания карьерных ЭАК нового поколения. В четвертой главе проведена оптимизация параметров, оценено её влия- ние на качество работы ЭАК АО «УК «Кузбассразрезуголь», предложен прин- цип формирования смешанных экскаваторно-автомобильных парков техники с оптимальными параметрами, проведена экономическая оценка результатов оп- тимизации функционирования ЭАК разреза «Талинский». Для установления констант линейных моделей целевой функции и огра- ничений был проведён математический эксперимент по плану полного фактор- ного эксперимента ПФЭ 23. В результате получена математическая модель оп- тимизации (3) в следующем виде: = −0,268 + 0,209 + 0,397 ;; − 0,0415 ; (4) Эксперимент подтвердил линейность моделей целевой функции и ограни- чений. Она обусловлена тем, что все взаимосвязи между показателями качества работы ЭАК с достаточной степенью точности можно считать линейными, о чём свидетельствуют достаточная значимость параметров регрессии и надёж- ность коэффициентов корреляции. В результате решения задачи (4), проведённого с использованием сим- плекс-метода, установлено, что оптимизируемые параметры могут составлять: = 5,124 6,653; = 3,2 3,9; = 17,6 28,8, и их изменение в указанных пределах не повлияет на структуру оптимального решения. Изменяться может только соотношение оптимизируемых параметров, величина функционального критерия и комплексный показатель качества ; ; ; работы ЭАК . Это означает, что в указанных пределах при необходимости оптимальные значения можно варьировать, но не произвольно, а с учётом су- ществующих взаимосвязей между ними. Указанные вариационные расчёты представляют довольно простую задачу, что позволяет достаточно быстро и легко оценивать принимаемые решения. Значения оптимизируемых парамет- ров, выходящие за пределы указанных диапазонов, не являются оптимальными, поскольку не отвечают существующим взаимосвязям параметров ЭАК, то есть принципу системности. Учитывая, что , а оптимальное значение коэффициента эксплуатационной производительности ЭАК = 0,946, количество самосва- лов, приходящихся на каждый экскаватор, будет составлять = 4,9 6,3. Таким образом, можно утверждать, что оптимальный уровень качества работы ЭАК разрезов АО «УК «Кузбассразрезуголь» обеспечивается дости- жением значений параметров в следующих пределах: количество самосва- лов на один экскаватор – 4,9 6,3; время загрузки самосвала экскаватором – 3,2 3,9 мин; продолжительность рейса самосвала – 17,6 28,8 мин. Оптимальным решением при этом будет следующее сочетание значений оптимизируемых параметров, функционального критерия и критерия оптими- зации: = 6,60; = 3,6 мин; = 24,5 мин; = 0,983; = 1,355 (5) для всех разрезов УК «Кузбассразрезуголь». Надо отметить, что при изменении горнотехнических условий разрезов (численный и типоразмерный состав парков техники, расстояния транспорти- рования, уровень простоев, и т.д.) приведённые оптимальные решения могут корректироваться. Установлено, что оптимальное согласование параметров повышает уро- вень качества работы ЭАК k по сравнению с лучшим из ЭАК действующего разреза «Краснобродский» с 0,879 до 1,355 (на 33%), и на 53%  по сравнению с уровнем качества работы ЭАК по УК «Кузбассразрезуголь» в целом (k = 0,614). Функциональный критерий при этом составляет = 0,983 и близок к оптимальному значению = 1. Структурная схема формирования парков техники ЭАК с оптимальными параметрами приведена на рисунке 4. Оптимизация работы ЭАК однозначно сопровождается возможностью сокращения парка самосвалов, и иногда и экскаваторов. Корректировка суще- ствующих парков экскаваторов и самосвалов под работу в оптимальном режи- ме производится следующим образом. 1. Производится сравнение оптимальных и фактических значений вме- стимостей ковша экскаватора ̃ и кузова самосвала ̃ . Если фактические зна- чения вместимости ковша экскаватора или кузова самосвала меньше оптималь- ных значений, сокращать надо менее мощные машины, и наоборот. Рисунок 4 − Структурная схема формирования парков техники ЭАК с оптимальными параметрами На схеме 4: , , − оптимизированные параметры ЭАК; ̃ , ̃ , должительности рабочей смены . 2. По формуле ⁄ , где − количество рейсов, выполненных несокращёнными самосвалами (новый парк), определяется оптимальная про- должительность рабочей смены для нового парка машин. 3. Производится сравнение оптимальных продолжительностей рабочей смены для старого и нового парков ( ), где см − модуль оп- тимального диапазона изменения см. Если неравенство выполняется, коррек- − средневзвешенные вместимости кузова самосвала и ковша экскаватора; − количество сокращаемых автосамосвалов и экскаваторов соответ- ственно; − количество рейсов, выполненных несокращёнными самосвалами ЭАК (новый парк); − модуль оптимального диапазона изменения про- тировка заканчивается; если не выполняется − число сокращаемых машин надо уменьшить. 4. В последующем скорректированные парки техники надо перераспре- делить по полям разреза (если их несколько) таким образом, чтобы новый парк машин на каждом поле обеспечивал погрузку и вывоз тех же объёмов горной массы, что и до корректировки (сокращения). Очевидно таким же будет порядок формирования только проектируемых ЭАК. Он будет даже проще, поскольку можно будет сразу подбирать необхо- димые численность и структуру парков техники, а не подстраиваться под уже существующие парки. В качестве разреза-аналога для сравнения фактических и оптимальных показателей работы ЭАК и необходимой корректировки парков техники вы- бран разрез «Талдинский», как наиболее близкий к оптимальному по числен- ному составу экскаваторного и автотранспортного парков. Разрез «Талдинский» относится к сложным для проектирования ЭАК предприятиям, поскольку вскрышные работы ведутся не на одном, а на трёх обособленных полях – Талдинском, Таёжном и Ерунаковском. При этом рас- стояния транспортирования различаются не только для каждого поля, но и для каждого типа самосвалов. Планируются также требуемые объёмы погрузки и перевозок для самосвалов каждого типоразмера на каждом поле. Поскольку продолжительность рейса однозначно определяется дально- стью транспортирования, а сокращение дальности транспортирования пред- ставляет при организации работы ЭАК (и для разреза в целом) наибольшие за- труднения, продолжительность рейса самосвалов оставляем равной фактиче- скому значению для разреза «Талдинский». Оно составляет 28,2 мин, что попа- дает в указанный выше диапазон оптимальных значений (17,6 28,8 мин). Для получения сопоставимых результатов суточные объёмы погрузки и перевозок также оставлены без изменения. Требуемая численность парков техники со- ставляет 13 экскаваторов и 83 самосвала по оптимальному варианту, вместо 14 экскаваторов и 91 самосвала – по базовому, то есть имеется возможность со- кратить один экскаватор и 8 самосвалов. Предложен следующий вариант кор- ректировки парков: удаляется один самосвал БелАЗ-75131 с Таёжного поля и 7 таких же самосвалов с Ерунаковского поля. Подлежащий сокращению один экскаватор (ЭКГ-12) удаляется с Таёжного поля, но вместо него с Ерунаковско- го поля перебрасывается экскаватор меньшего типоразмера (РС 1250SP-7). В результате исследований установлено, что оптимизация параметров позволяет сократить численность экскаваторного и автотранспортного парков (или увеличить производительность) ЭАК на 9%. Комплексный показатель качества работы оптимального ЭАК для усло- вий разреза-аналога «Талдинский» составил = 1,100 вместо фактического значения = 0,737 (превышение 33%). Функциональный критерий при этом со- ставляет = 0,793, что превышает аналогичный фактический показатель для разреза «Талдинский» ( = 0,704) на 11,2%. Значение функционального крите- рия в данном случае хотя и отличается от оптимального значения = 1, однако всё равно лучше фактического. Общая расчётная экономия от сокращения численности экскаваторного и автотранспортного парков ЭАК разреза «Талдинский» при фактических объё- мах погрузки и перевозок может составить 47,7 млн. рублей в год при соотно- шении 75 рублей за доллар. Обобщая результаты выполненных исследований, можно определить уровень качества работы ЭАК, в которых реализованы рекомендации данного исследования. Показатели работы ЭАК разрезов (в сравнении с ЭАК разреза- аналога «Талдинский») приведены на рисунке 5. Здесь: , , , , , , − уровни качества ЭАК по соответствующим единичным показателям (рисунок 1). Рисунок 5 − Диаграммы единичных показателей качества работы экскаваторно-автомобильных комплексов по результатам исследований (красным цветом – по фактическим данным разреза «Талдинский», синим – по результатам исследований) Разработанные на основе проведённых исследований рекомендации по определению оптимальных параметров и показателей работы действующих и вновь проектируемых ЭАК, а также материалы по оценке качества функциони- рования ЭАК действующих предприятий переданы АО «УК «Кузбассраз- резуголь» и НФ «КУЗБАСС-НИИОГР». Они могут быть использованы как ме- ханизм выбора из предлагаемой экскаваторной и автомобильной техники пер- спективных моделей, создания погрузочно-транспортных комплексов нового поколения с возможностью адаптации их к конкретным условиям эксплуата- ции. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе содержится новое решение актуальной науч- ной задачи оптимизации параметров экскаваторно-автомобильных комплексов разрезов, позволяющее повысить качество их функционирования, что имеет существенное значение для развития теории и практики проектирования гор- ных погрузочно-транспортных комплексов. Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем. 1. Анализом установлено, что эволюционный путь развития карьерных ЭАК, связанный с увеличением единичной мощности погрузочно-транспортной техники, не является приемлемым, так как это не обеспечивает соответствую- щего роста производительности ЭАК и улучшения показателей их использова- ния. Для создания карьерных ЭАК высокого качества необходимо исходить из системного подхода к ЭАК как сложному техническому комплексу в составе общей горнотранспортной системы ОГР. 2. В результате произведенной сравнительной интегральной оценки уров- ня качества работы ЭАК действующих разрезов установлено, что перспектив- ным направлением его повышения является оптимизация функционирования ЭАК, позволяющая установить и оптимально сбалансировать основные пара- метры ЭАК и реализовать их на стадиях проектирования и эксплуатации. 3. На основе системного подхода и методов интегральной оценки каче- ства разработана математическая модель оптимизации работы ЭАК, которая позволяет установить оптимальные значения параметров, достижение которых обеспечивает оптимальный уровень качества работы действующих и вновь проектируемых ЭАК. 4. Исследованиями установлено, что для достижения оптимального уров- ня качества работы ЭАК действующих и вновь проектируемых разрезов необ- ходимо обеспечить достижение значений параметров в диапазонах: количество самосвалов на один экскаватор – 4,9 6,3; время загрузки самосвала экскавато- ром – 3,2 3,9 мин; продолжительность рейса самосвала – 17,6 28,8 мин. Это позволяет либо повысить суточную выработку ЭАК, либо сократить числен- ность автотранспортного и экскаваторного парков разреза на 9%. При измене- нии горнотехнических условий разрезов оптимальное решение может коррек- тироваться. 5. Установлено, что обеспечение оптимального функционирования ЭАК как единой системы в составе разреза с учётом существующих оптимальных взаимосвязей параметров между собой является базой для синтеза оптимальных параметров ЭАК и формирования на их основе оптимальных парков погрузоч- но-транспортной техники. 6. Реализация научно-методических рекомендаций диссертационной ра- боты позволяет повысить уровень качества работы ЭАК на 33% по сравнению с лучшим из ЭАК существующих разрезов, и на 53%  по сравнению с уровнем качества работы ЭАК УК «Кузбассразрезуголь» в целом. Эти рекомендации могут быть использованы научно-исследовательскими, проектными и эксплуа- тирующими организациями для выбора из предлагаемой экскаваторной и авто- мобильной техники перспективных моделей, создания карьерных погрузочно- транспортных комплексов нового поколения с возможностью адаптации их к конкретным условиям эксплуатации. Общая экономия от сокращения числен- ности экскаваторного и автотранспортного парков ЭАК разреза «Талдинский» при фактических объёмах погрузки и перевозок может составить 47,7 млн. руб- лей в год. Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы: Дальнейшие исследования в области оценки качества и оптимизации ра- боты горных комплексов предполагается проводить по следующим направле- ниям: 1. Распространение проведенных исследований по функционированию ЭАК на добычные и смешанные работы. 2. Применение разработанных методик для исследования и оптимизации горных комплексов другого технологического назначения.