Реферат роботи " Фактор людини, як пріоритетна складова забезпечення високопродуктивного та безпечного підземного вуглевидобутку "



Скачати 163.94 Kb.
Дата конвертації18.04.2016
Розмір163.94 Kb.




Національна академія наук України

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

Реферат
роботи “Фактор людини, як пріоритетна складова

забезпечення високопродуктивного та безпечного підземного вуглевидобутку”,

яку висунуто на здобуття Премії Президента України

для молодих учених 2010 р.
Автори роботи:
Шевченко Володимир Георгійович – кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України.
Дякун Роман Анатолійович – молодший науковий співробітник Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України.

Дніпропетровськ

2010

Мета роботи - розробити методи комплексної оптимізації параметрів і режимів видобутку вугілля з урахуванням людського фактору, як пріоритетної складової забезпечення високопродуктивного та безпечного підземного вуглевидобутку.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- вперше розроблена імітаційна модель функціонування системи "ланка гірників - очисний комплекс" в умовах високонавантаженої лави, що враховує динаміку зміни часу виконання гірниками основних технологічних операцій протягом видобувної зміни в залежності від рівня готовності гірників до виконання технологічних операцій і здатності відновлювати сили;

- вперше розроблена математична модель функціонування системи "машиніст - виїмковий комбайн нового технічного рівня" в умовах високонавантаженої лави, з урахуванням впливу біомеханічних та психофізичних параметрів гірників, інтегрального рівня їх інформованості, якісних характеристик та кількості інформації, що надходить до нього, на продуктивність виїмкового комбайну та стругу;

- вперше розроблена математична модель динаміки основних показників роботи високонавантажених лав в умовах шахти, як складної технологічної системи;

- вперше встановлені закономірності функціонування системи "ланка гірників - очисний комплекс" в умовах високонавантаженої лави з урахуванням комплексного впливу технічних, технологічних, гірничо-геологічних факторів і параметрів, що характеризують готовність гірників до виконання технологічних операцій і здатність гірників відновлювати сили;

- вперше встановлені закономірності функціонування системи "машиніст - виїмковий комбайн сучасного технічного рівня" в умовах високонавантаженої лави, з урахуванням впливу біомеханічних та психофізичних параметрів гірників;

- вперше встановлені закономірності основних показників роботи високонавантажених лав в умовах шахти, як складної технологічної системи;

- уперше розроблений і обґрунтований єдиний критеріальний апарат оцінок ефективного функціонування високонавантажених лав, як складних технологічних систем, з урахуванням людського фактору;

- вперше розроблені методи комплексної оптимізації параметрів і режимів видобутку вугілля високонавантаженими лавами.

- вперше визначено основні закономірності ініціювання динамічного руйнування при дії розвантаженням на вугільні зразки в гранично напруженому стані;

- на основі спостереження за процесом ініціації динамічного руйнування вугілля до рівня дрібнодиперсного пилу вперше розроблено фізичний механізм і визначено основну причину руйнування при дії розвантаженням в гранично напруженому стані;

- вперше розроблено показник, що характеризує момент ініціювання динамічного руйнування у вугільних зразках при розвантаженні в гранично напруженому стані і визначена закономірність зміни його значення для різної напруги стискування;

- на основі отриманої закономірності зміни величини показника, що характеризує момент ініціювання динамічного руйнування у вугільних зразках при розвантаженні, визначена питома потужність дисипації, що приводить до розвитку  динамічного руйнування.

Основні наукові результати роботи.

У результаті імітаційного моделювання параметрів системи “ланка гірників - очисної комплекс” в умовах високонавантажених лав встановлено, що змінна продуктивність процесу комплексно-механізованої виїмки вугілля монотонно знижується зі зменшенням коефіцієнта, що характеризує рівень готовності гірників до виконання технологічних операцій, і монотонно зростає з ростом коефіцієнта, що характеризує здатність гірників відновлювати сили, відношення даних коефіцієнтів характеризує критерій раціонального підбора робітників комплексно-механізованого очисного вибою.

В якості критерію надійності роботи системи «машиніст - виїмковий комбайн НТР» з урахуванням психофізичних параметрів гірників запропоновано використовувати імовірність безвідмовної роботи такої системи, що залежить від числа гірників комплексної бригади; показників повноти, своєчасності і вірогідності інформованості, які залежать у свою чергу від кількості інформації, що надходить до гірника, часу реалізації рішення, тривалості періоду від моменту початку формування рішення до моменту його закінчення, досвіду, кваліфікації (навичок) робітників, швидкості переробки інформації, емоційного стану, темпераменту особистості, індивідуальних психофізіологічних особливостей.

У результаті дослідження впливу біомеханічних характеристик машиніста на продуктивність системи «машиніст – виїмковий комбайн нового технічного рівня» установлене наступне. Найважливішим критерієм оптимальності при переміщенні людини є економічність рухової діяльності обернено пропорційна енергії, яка витрачається на одиницю виконуваної роботи або метр пройденого шляху, а найбільш важливим принципом рухової діяльності людини є принцип мінімуму енерговитрат. Залежність коефіцієнта економічності від швидкості переміщення машиніста по лаві носить параболічний характер і має екстремум у точці оптимальної швидкості, що забезпечує мінімальні енерговитрати на 1 м шляху. Оптимальна швидкість переміщення машиніста по лаві (для середньостатистичної людини і «ідеальних» умов зовнішнього середовища) складає: при потужності пласта до 0,9 м (переміщення поповзом) – 12 м/хв; при потужності 0,9-1,4 м (переміщення на колінах) – 16 м/хв; при потужності більш 1,8 м (переміщення в повний ріст) – 50 м/хв.

В якості критерію економічності переміщення машиніста в процесі виїмки вугілля необхідно використовувати показник енерговитрат машиніста на тонну добутої гірської маси (енергетичної вартості тонни гірської маси). Залежність енергетичної вартості тонни гірської маси від швидкості подачі носить параболічний, а від ширини захвата - гіперболічний характер. Витрати енергії машиніста на тонну гірської маси зменшуються в 1,5 рази зі збільшенням ширини захвата з 0,63 до 1 м. Для сучасної технології вуглевидобутку залежність економічності руйнування гірського масиву комбайном від швидкості подачі зростає лінійно, у той час як для залежності економічності переміщення машиніста від швидкості подачі має місце параболічний характер.

Для оцінки ефективності процесу виїмки вугілля доцільно також увести показник економічності функціонування системи «машиніст – виїмковий комбайн», що є мультиплікативною функцією показників економічності машиніста і комбайна. Залежність показника економічності системи «машиніст – виїмковий комбайн» від швидкості подачі має межу, обумовлену біомеханічними характеристиками машиніста. Зі збільшенням ширини захвату показник економічності системи «машиніст – виїмковий комбайн» зростає в квадратичній залежності: при збільшенні ширини захвата з 0,63 до 1 м показник економічності зростає в 2,7 рази.

Інтегральним показником (критерієм) надійності системи управління процесом видобутку вугілля є імовірність досягнення запланованого обсягу видобутку при забезпеченні безпечності робіт, що залежить від ймовірності безвідмовної роботи (виконання завдання); коефіцієнта готовності нижчих ланок управління; імовірності безпомилкової роботи поточної ланки; імовірності своєчасного рішення завдання; імовірності виправлення помилкових дій поточною ланкою управління.

Розроблено алгоритм моделювання показників надійності системи управління процесом виїмки вугілля, заснований на відмінностях у характері безперервності участі кожного з елементів (ланок) системи: «ланка гірників - очисний комплекс» («машиніст - виїмковий комбайн», «кріпильник – механізоване кріплення»), «бригадир – ланка ГРОВ», «начальник зміни – бригадир», «головний інженер – начальники змін», «директор – головний інженер» у процесі управління. Установлено закономірності зміни показників надійності на кожнім рівні системи управління процесом виїмки вугілля:

- імовірність досягнення запланованого обсягу видобутку зростає зі збільшенням рівня системи управління. З підвищенням імовірності своєчасного рішення задачі зростає роль підсистеми «бригадир – ланка гірників». Таким чином з підвищенням рівня безпеки імовірність виконання завдання (досягнення запланованого рівня видобутку) буде головним чином визначатися параметрами бригадира ГРОВ;

- с збільшенням числа гірників, контрольованих бригадиром, рівень видобутку знижується в лінійній залежності. При високому коефіцієнті готовності (завантаженості) і імовірності безпомилкової роботи бригадира надійність більш високих підсистем у меншому ступені залежить від чисельності комплексної бригади;

- рівень видобутку зростає лінійно з підвищенням імовірності безпомилкової роботи бригадира; особливо істотно для підсистеми «бригадир – ланка ГРОВ», тому що помилка при високій надійності роботи більш високих підсистем буде з великою імовірністю виправлена ними.

Проведений аналіз показників організаційної структури ланки гірників при різних її варіантах: традиційна комбайнова виїмка, струговая виїмка, комбайнова з окремим гірником-бригадиром - диспетчером очисної ділянки показав: найбільш складна організаційна структура при комбайновій виїмці з окремим гірником-бригадиром, найбільш проста організаційна структура ланки при струговой виїмці; при комбайновій виїмці з традиційною структурою і струговой виїмці найвищий відносний ранг і ранг індивідуума в машиніста, найменший ранг у гірників, зайнятих на кріпленні й оформленні ніш; при комбайновій виїмці з окремим гірником-бригадиром його ранг більш ніж у 2 рази перевищує ранг інших гірників, ранг машиніста комбайна для такої схеми найменший;

Для оцінки швидкодії, точності і стійкості побудована узагальнена структурна схема взаємодії основних елементів-ланок підсистем системи управління процесом видобутку вугілля. Отримана передаточна функція підсистеми «вугільна шахта - група високонавантажених лав», яка визначається як передаточна функція замкнутої системи з негативним зворотним зв'язком з урахуванням передатних функцій системи прийняття рішень керівництвом шахти, каналів зв'язку (передачі інформації від керівництва шахти до бригадирів (диспетчерів) і системи контролю, діагностики і моніторингу параметрів підсистем «бригадир(диспетчер) - ланка гірників», а також передатних функцій підсистем «бригадир(диспетчер) - ланка гірників», що функціонують як паралельно з'єднані ланки.

Визначено функції приналежності підсистеми «керівництво шахти – група высоконагруженных лав» для оцінки ефективності роботи підсистем нижніх рівнів:

- при випадковому характері процесу функція приналежності визначається імовірністю безвідмовної роботи і відновлення елемента очисного комплексу протягом зміни, безпомилкової роботи машиніста і залежністю зміни імовірності рішення задачі на кожнім рівні системи керування процесом видобутку вугілля;

- функція приналежності терма «швидкість подачі висока» при різній потужності шару описується експонентною залежністю з урахуванням обмеження по біомеханічних характеристиках машиніста, що керує очисним комбайном;

- моделювання рішення машиніста комбайна (струга), що акумулює інформацію, що надходить від гірників, і приймаючого на підставі її рішення, дорівнює перетинанню приватних нечітких рішень гірників, для кожного з який задана функція своя приналежності;

- при нечіткій інформації про поточний стан високнавантаженого вибою продуктивність задається функцією приналежності враховуючої чіткі обмеження на режим роботи системи «машиніст - виїмковий комбайн» по газовому факторі; по геомеханічних процесах; функцією приналежності, що характеризує можливість відмовлення елементів очисного комплексу - нечітке обмеження по факторі надійності; функцією приналежності, що характеризує можливість одержання травми й ухвалення неправильного рішення з боку гірників - нечітке обмеження по біомеханічних і психофізичних параметрах гірників і функцією приналежності, що характеризує ступінь приналежності режиму роботи системи «машиніст - виїмковий комбайн» до безлічі ефективних режимів.

Розроблено схему-модель нечіткого регулювання в підсистемі «бригадир (диспетчер) - ланка гірників». Аналіз перехідних процесів системи нечіткого регулювання ланки гірників у комбайновій лаві без застосування і з застосуванням нечіткого керування з боку бригадира-диспетчера свідчать про істотну перевагу такої системи.

- у схемі керування системи «бригадир-диспетчер – ланка гірників» в якості нечіткого регулятора виступає бригадир-диспетчер, що контролює і керуючий роботою ланки гірників. Вхідними величинами регулятора є помилка керування, інтеграл від помилки і похідна від помилки (швидкість і прискорення зміни помилки). Нечіткий регулятор реалізує пропорційно-інтегрально-диференціальний закон регулювання;

- схема з нечітким регулятором забезпечує зменшення перерегулювання і знижує час наростання перехідного процесу практично в 2 рази, час регулювання знижується в 1,7 рази для комбайнової лави й у 1,4 рази для струговій; для схеми з нечітким регулюванням при впливі перешкоди типу «білий шум» середнєквадратичне відхилення вихідної величини майже в 2 рази менше, ніж для схеми без нечіткого регулятора;

- використання нечіткого регулятора істотно поліпшує якість перехідних процесів і, отже, скорочує час ухвалення рішення гірниками в процесі видобутку вугілля, що підвищує його надійність і безпека. Несуттєва відмінність у показниках якості перехідних процесів для комбайнової і струговій лав указує на те, що використання нечіткого регулятора також дозволяє зробити процес прийняття і реалізації рішення інваріантним до застосовуваної технології (комбайнова/стругова виїмка).

- механізм радіально-пошарового динамічного руйнування заздалегідь стислих вугільних зразків починає проявлятся, якщо відношення прискорення до попередньої швидкості їх розвантаження дорівнює 4-3,5с-1, 3,5-20с-1 і 20-34с-1, для відповідних цим значенням діапазонів напруги стискування дорівнюючих 114-190мпа, 190-280мпа і 280-300мпа, причому, у вказаних діапазонах залежність між відношенням прискорення до швидкості і напругою лінійна.

- коефіцієнт дисипації енергії при розвантаженні вугільного зразка лінійно зростає від 8 до 12% і від 12 до 60% із зміною напруги стискування відповідно від 100 до 190мпа і від 190 до 300мпа, що свідчить про переважання дисипації енергії при навантаженні над дисипацією енергії при розвантаженні в першому інтервалі напруги, проте в другому інтервалі значень 280 -300МПа дисипація енергії при розвантаженні переважає над енергією при навантаженні.

- основною причиною ініціації динамічного руйнування гранично напружених вугільних зразків при розвантаженні по радіально-пошаровому механізму є граничне значення питомої потужності розсіювання дисипації енергії у вугіллі при зміні його напруженого стану.

- питома потужність дисипації енергії при розвантаженні вугільного зразка має постійну величину в інтервалі напруги попереднього стискування 100 - 190мпа і лінійно знижується при значеннях напруги в діапазоні 190 - 300мпа, причому із збільшенням швидкості розвантаження, питома потужність дисипації зростає в ступінній залежності, що характеризує підвищення рівня внутрішнього розсіяння енергії.



Практична значимість одержаних результатів.

Розроблено методики комплексної оцінки надійності та безпеки праці гірників і оптимізації режимів очисної виїмки вугілля:

Методика розрахунку й оцінки впливу параметрів готовності гірників до виконання технологічних операцій і здатності відновлювати сили на продуктивність очисного комплексу при розробці пологих пластів». В основу методики покладена імітаційна модель процесу виїмки вугілля, що враховує динаміку зміни часу виконання гірниками основних технологічних операцій протягом добувної зміни і дозволяє враховувати і давати кількісну оцінку впливу на продуктивність комплексно-механізованих очисних вибоїв при розробці заходів щодо запобігання аварій і зниження травматизму параметрів, що характеризують готовність робітників до виконання технологічних операцій і здатність робітників відновлювати сили.

Методика розрахунку біомеханічних і психофізичних параметрів гірників у високонавантаженій лаві». В основу методики покладений розроблений алгоритм моделювання системи «машиніст - виїмковий комбайн нового технічного рівня» в умовах високонавантажених лав, що враховує вплив біомеханічних і психофізичних параметрів людини, інтегрального рівня його інформованості, якісних характеристик і кількості інформації, що надходить до нього, на продуктивність виїмкового комбайна та струга.

Методика комплексної оцінки показників надійності і якості системи керування процесом видобутку вугілля, що дозволяє давати оцінку показників надійності кожного рівня системи керування; порівняльну оцінку й аналіз показників організаційної структури ланки гірників при різних її варіантах: традиційна комбайнова виїмка, стругова виїмка, комбайнова з окремим гірником-бригадиром - диспетчером очисної дільниці; оцінку швидкодії, точності і стійкості системи керування й окремих її елементів-підсистем.

Методика розрахунку параметрів нечіткого регулювання ланки гірників у комбайновій і струговій лавах і оцінки надійності системи «ланка гірників – очисний комплекс» при нечітко заданих вихідних даних». Методика визначення надійності системи «ланка гірників – очисний комплекс», заснована на нечіткій інформації про стан устаткування, гірничо-геологічних умовах, технологічних, гірничотехнічних і параметрах гірників: фізичних кондиціях, досвіді, кваліфікації. За допомогою запропонованої методики при обліку невеликого числа нечітких параметрів і нечітких висновків-правил з достатньою точністю може бути оцінена надійність системи «ланка гірників – очисний комплекс» як перед початком відпрацьовування лави з заданими нечіткими вихідними даними, так і безпосередньо в процесі видобутку вугілля.

Розроблено рекомендацій щодо підвищення продуктивності, надійності та безпеки праці гірників у провідних вітчизняних вуглевидобувних підприємствах.

Розроблено методику фізичного моделювання динамічного руйнування в лабораторних умовах з можливістю реєстрації режиму дії напруженого стану вугільного зразка, що швидко змінюється;

Розроблений і упроваджений в практику наукових досліджень комплекс приладів і стенд для вивчення особливостей режимів дії на вугільні зразки розвантаженням в гранично напруженому стані.

Розроблені принципово нові способи оцінки схильності вугільної речовини до прояву динамічного руйнування, що полягають в тому, що можливе визначення основних причин раптового руйнування вугілля до рівня мелкодісперсной пилу - по пошаровому механізму - при певних граничних значеннях напруги у вугіллі, або по радіально-пошаровому - при певній інтенсивності дисипації розсіяння енергії в структурі вугілля при розвантаженні в гранично напруженому стані.

Розроблено технічні вимоги до забезпечення безпечного ведення очисних робіт по чиннику динамічного руйнування вугілля при розвантаженні в гранично напруженому стані.

Загальна кількість публікацій претендентів та за темою роботи.

Загальна кількість публікацій претендентів - 48 наукові праці. З них статей у провідних наукових виданнях 37, 10 - матеріалів та тез доповідей конференцій, 1 патент на винахід.

За темою роботи опубліковано 27 наукових праць. З них 19 статей у провідних наукових фахових виданнях, 8 матеріалів та тез доповідей конференцій.

Результати роботи доповідалися на таких наукових конференціях, школах та форумах: 3-4-й міжнародній науково-практичній конференції “Метан вугільних родовищ України”, 2-й міжнародній науково-практичній конференції “Школа підземної розробки - 2008”, V - VII конференціях молодих учених “Геотехнічні проблеми розробки родовищ”, міжнародній конференції “Форум гірників – 2007 - 2009”, міжнародній конференції Московського державного гірничого університету «Тиждень гірника - 2008», XVII - XIX міжнародній науковій школі ім. академіка С.А. Христіановича.



Основні науково–технічні результати роботи.

На даний момент вітчизняними та зарубіжними науково-дослідними установами та організаціями не створені науково-прикладні методи які дозволять проводити оцінку впливу параметрів гірників (біомеханічних, психофізичних, тощо) на продуктивність процесів видобутку для широкого діапазону гірничо-геологічних, технологічних та гірничотехнічних умов вуглевидобутку, результати якої стосувалися як окремого забою чи шахти, так могли бути поширені на технологію в цілому.

Результати роботи доповідалися та отримали схвалення у Державному підприємстві “Донецький державний науково-дослідний вугільний інститут” Міністерства вугільної промисловості України (ДП “ДонВУГІ”) (протокол засідання вченої ради № 5 від 23 червня 2009 р.). Розроблені методики рекомендовані до використання для підготовки практичних рекомендацій при розробці підрозділами ДП “ДонВУГІ” технологічних схем очисного виймання пологих пластів і схем механізованого кріплення комбайнових лав. ДП “ДонВУГІ” переданий пакет прикладних програм «Інтерфейсний програмний комплекс розрахунку параметрів технологічних процесів видобутку вугілля» і «Методика фізичного моделювання динамічного руйнування вугілля за межами міцності» для технічних і технологічних проектувальних розрахунків параметрів процесів механізованої виїмки вугілля, проведення підготовчих виробок, схем транспорту і параметрів систем діагностики масивів гірських порід (акт передачі ). Державним підприємством „Донецький державний науково-дослідний, проектно-конструкторський та експериментальний інститут комплексної механізації шахт “Дондіпровуглемаш” Міністерства вугільної промисловості України (ДП “Дондіпровуглемаш”) надані рекомендації щодо використання методик та методичних рекомендацій (лист № 11-772 від 18 травня 2009 р.). Методики передані ДП “Дондіпровуглемаш” (акт передачі методик від 22 травня 2009 р.) для використання при розробці концепції оптимального проектування виїмкових машин нових поколінь, як мехатронних систем, та створенні засобів комплексної механізації очисних робіт на пологих та полого-похилих пластах на етапі проектування конструкцій виїмкових комбайнів та механізованого кріплення сучасного технічного рівня, що забезпечують прискорення темпів виймання та кріплення, для розрахунку оптимальних параметрів та режимів їхньої роботи.

Потреба у розробці методів комплексної оптимізації параметрів і режимів видобутку вугілля високонавантаженими лавами з урахуванням людського фактора обумовлена необхідністю реалізації технічних можливостей механізованих вугледобувних комплексів сучасного технічного рівня, забезпечення безпечних умов праці гірників, підвищення продуктивності їх роботи, зниження рівня травматизму та аварійності на шахтах.

Лімітна ціна на наукову продукцію формується на етапі впровадження рекомендацій, вироблених на базі використання розроблених методик. За попередніми розрахунками сукупні витрати на впровадження рекомендацій у вугільній шахті не перевищуватимуть 100 тис. грн. у місяць, а термін окупності витрат на впровадження рекомендацій не перевищуватиме 2 місяці.

Основні фактори економічної ефективності впровадження рекомендацій, вироблених в результаті використання методик, наступні:

а) підвищення продуктивності праці основного гірника - машиніста виїмкового комбайна за рахунок вибору раціонального режиму переміщення по лаві і керування комбайном при виїмці полоси вугілля;

б) підвищення продуктивності праці ланки гірників за рахунок:

- правильної комплектації ланки з урахуванням вікового цензу і кваліфікації гірників;

- підвищення надійності роботи ланки гірників за рахунок забезпечення засобами оперативного обміну інформацією;

- підвищення рівня інформованості робочих основних професій, в тому числі за рахунок зустрічі з головними фахівцями шахти;

в) зниження рівня виробничих витрат за рахунок:

- підвищення продуктивності праці і зниження умовно-перемінних витрат;

- науково-обґрунтованій системі преміювання гірників;

- зниження рівня травматизму гірників;

г) підвищення якості вугілля за рахунок росту стимульованості гірників до роботи без присічек бічних порід.

Розроблені методи, вироблені на їх основі рекомендації мають суттєве значення для підвищення продуктивності та безпеки праці шахтарів. Споживачами продукції є вітчизняні вугільні шахти, науково-дослідні інститути, підприємства, організації, що займаються проблемами проектування видобувної техніки сучасного технічного рівня, технологій видобутку вугілля з високим навантаженням на очисний вибій, підвищення рівня безпеки праці шахтрів, зниження травматизму.

Впровадження методик та реалізація вироблених рекомендацій буде сприяти підвищенню престижності шахтарської праці, підвищенню іміджу вугледобувних підприємств на ринку праці. Рекомендації, спрямовані на зниження рівня травматизму, дозволять поповнити дохідну частину бюджету за рахунок скорочення виплат за регресними позовами (за останні роки частка витрат по виплаті регресних позовів і одноразової допомоги по втраті професійної працездатності складала від 1,5-2,0 % від суми витрат по бюджетних програмах на розвиток вугільної промисловості).

Старший науковий співробітник

Інституту геотехнічної механіки

ім. М.С. Полякова НАН України,

кандидат технічних наук Шевченко В.Г.

Молодший науковий співробітник

Інституту геотехнічної механіки



ім. М.С. Полякова НАН України Дякун Р.А.


База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка