Analysis of energy performance of heading sets of equipment at a coal mine

Повышение энергоэффективности горных предприятий, осуществляющих добычу полезных ископаемых подземным способом, является актуальной научной и практической задачей, стоящей в области эффективного освоения природных ресурсов и подземного пространства. При осуществлении мероприятий по энергосбережению на горном производстве необходимо обладать информацией о количестве прямых затрат энергии на основные технологические процессы, включая работу вспомогательных установок. Для производственных процессов в области строительства подземных сооружений и шахт такая информация необходима, т.к. в реальности может оказаться, что снижение прямых затрат энергии будет сопровождаться ростом совокупных затрат, и общие затраты энергии превысят первоначальный базовый уровень. Рост интенсивности ведения проходческих работ, энерговооруженности труда и затрат топливно-энергетических ресурсов обусловливает необходимость не только повышать энергоэффективность производственных процессов производства, но и снижать неизбежно возникающие потери энергии [1, 2]. Кроме того, необходимо обратить внимание на то, что анализ энергетических показателей горнопроходческих работ на основе построенных математических моделей открывает путь к разработке специализированного обеспечения для контроля качества ведения горнопроходческих работ, а также выработки организационных мероприятий по улучшению этого качества на основе решения так называемых обратных задач [10-14] .

Электропотребление горнопроходческих комплексов является предметом более ранних исследований, среди которых есть достаточно оригинальные работы [3-8]. Но в большинстве случаев разработка моделей осуществлялась не для целей оценки эффективности горнопроходческих работ, а для определения параметров и режимов работы горнопроходческих комплексов, что тоже очень важно, но это только одно из возможных направлений решаемых задач.

Описание экспериментальной площадки

Экспериментальные исследования, реализуемые в работе, проводились на базе проходческих участков шахты «Северная», г. Воркута, где ведение горнопроходческих работ осуществляется с использованием проходческих комбайнов MB670, JOYR75, 12CM30 и КП-21. Конечно, в каждом случае схемы электроснабжения проходческих участков угольных шахт отражают специфику технологических решений конкретного предприятия, но известны также общие подходы к их проектированию, характеристики, режимы работы, методы выбора оборудования и т.д. [9].

Работы на шахте «Северная» ведутся по породе, по углю, по углю с присечкой. Транспортная схема включает в себя скребковые конвейеры 2СР75 и ленточные конвейеры 3Л-1200. Проходческие работы также ведутся без применения буровзрывных работ, но по грунтам, при осевых усилиях сжатия σ сж в пределах от 20 до 70 МПа. Стандартное сечение горной выработки 9 м ² . Нарезка вентиляционных и откаточных штреков в зависимости от мощности пласта (от 1,5 до 1,9 м) обеспечивает попутную добычу полезного ископаемого. Плановые показатели проходки для различных участков составляют от 2300 до 9500 п.м.

2020;5(4):367-375

МИСиС

Анализ электропотребления на горнопроходческом участке

Разность по суммарному годовому расходу электроэнергии между сменами A W для каждого из участков колеблется от 133 до 5127 кВт∙ч (Δ W % = 0,91-4,1). При этом для участков с большей энерговооруженностью этот показатель выше как в абсолютном, так и в относительном соотношении (между сменами участков).

Одним из критериев оценки уровня энергопотребления при анализе эффективности проходческих работ с точки зрения рационального использования электроэнергии сменными бригадами предлагается использовать показатель kWcM=^^100,%, ^см где Wсмi — расход электроэнергии за i-ю смену на проходческом участке, кВт^ч; И^м — среднесменный расход электроэнергии по совокупному потреблению всеми сменами проходческого участка, кВт-ч.

Разность по годовой суммарной массе извлекаемой из горной выработки породы между сменами A Q т для каждого из участков колеблется от 87 до 2301 т (A Q т % = 1,1-4,41). При этом абсолютные и относительные показатели по годовой суммарной массе извлекаемой породы как для участков, так и между сменами внутри участков, практически не зависят от их энерговооруженности.

Этот факт свидетельствует о том, что при прохождении горных выработок постоянного сечения объем и масса извлекаемой породы зависят от ее характеристик, а также технических характеристик проходческих комплексов и режима их работы.

При оценке эффективности проходческих работ с точки зрения рационального использования электроэнергии сменными бригадами и качества прохождения горных выработок предлагается использовать коэффициент kQT = ^^ • 100, %, чт где QTi — производительность i-й смены проходческого участка по горной массе, т; QT -среднесменный объем изымаемой горной массы на проходческом участке, т.

Разность по годовым показателям по протяженности проходки горной выработки между сменами A Q пм для каждого из участков колеблется от 13,9 до 84,2 п.м (A Q пм % = 1,35 -7,07). При этом абсолютные и относительные показатели проходки для участков и между сменами внутри участков практически не зависят от их энерговооруженности.

При пересчете итоговых показателей A Q пм по отношению к величине среднесменной проходки Q_nM для каждого участка разница в затраченном времени между сменными бригадами составляет от 4 до 35 смен (24—210 ч в год).

Этот факт свидетельствует о том, что при прохождении горных выработок показатель проходки Q пм зависит не только от горногеологических и технологических факторов, но и правильной (рациональной) организации работы бригады в течение смены.

При оценке эффективности проходческих работ с точки зрения рационального использования электроэнергии сменными бригадами предлагается использовать в качестве критерия оценки эффективности прохождения горных выработок показатель к9пм=Чп^^100, %, чпм где Qпм^ — средняя производительность i-й смены проходческого участка по погонным метрам горной выработки, п.м; Qпм - среднесменное значение протяженности пройденной горной выработки на проходческом участке, п.м.

Статистические модели показателей энергоэффективности проходческих участков

В работе была поставлена задача на основании статистических данных технологического расхода электроэнергии и объема выполненных проходческих работ установить законы распределения для показателей, характеризующих энергоэффективность проходческих участков.

2020;5(4):367-375

МИСиС

В соответствии с известной методикой аналитических исследований выполнен анализ производительности и режимов потребления электрической энергии на проходческих участках шахты «Северная» [1, 2].

Среднесменные показатели производительности участков по объему извлекаемой горной массы Q 1 (т), пройденным погонным метрам горной выработки Q 2 (пм), а также по сменному потреблению электрической энергии W (кВт∙ч) и ее удельному расходу ω 1 (кВт∙ч/т) и ω 2 (кВт∙ч/пм) приведены в табл. 2.

Диапазон изменения показателей по удельному расходу электроэнергии относительно горной массы на участках составляет ω 1 = 2,4–2,57 кВт∙ч/т (Δε = 6,6 %), относительно проходки ω 2 = 51,9 – 65,8 кВт∙ч/п.м (Δε = 21 %). Такой разброс значений можно объяснить тем, что непосредственное извлечение горной массы в рамках технологического процесса обусловлено её объемом, плотностью породы, степенью разрыхления и полноты загрузки ковша или стола питания погрузочной машины. При этом удельный расход электроэнергии на проходку одного погонного метра выработки в значительной степени зависит от крепости проходимых горных пород f , их сопротивляемости усилию резания q сж исполнительного органа проходческого комбайна или осевого усилия подачи буровой установки Р ос .

Диапазон изменения средних показателей между сменами в пределах участков не превышает 2 %, что свидетельствует о достаточно устойчивой работе в течение года.

На следующем этапе ставилась задача установления законов распределения, которым подчиняются среднесменные показатели работы проходческих участков с целью определения их устойчивых уровней и диапазона допустимых отклонений. Это позволяет обосновать нормативные (плановые) показатели для проходческих участков и оценить потенциал повышения эффективности производства проходческих работ. Для установления законов распределения анализируемых величин в зависимости от частотного распределения определяются абсолютные и относительные показатели вариационных рядов.

На основании свойства мажорантности средних величин (когда сумма положительных отклонений от среднего равна сумме отрицательных отклонений) распределение вероятности Р (ω) близко к нормальному закону при условии с >  1,25cL

В случае если коэффициент вариации ν меньше 33%, то совокупность [ω] является однородной (для распределений, близких к нормальному закону).

Результатом анализа статистических показателей энерготехнологических параметров проходческих участков является следующее:

• 1.    Для представленных показателей характерен достаточно большой размах вариации относительно средней величины. Характеризующий его коэффициент осцилляции изменяется в диапазоне k R = 30 – 170%. Наибольший размах вариации относительно среднего значения приходится на показатели удельного расхода электроэнергии ω 1 (кВт∙ч/т), ω 2 (кВт∙ч/пм) и производительности Q 2 (пм).

Таблица 2

Среднесменные показатели для проходческих участков (по итогам года)

Average shift performance indicators for drifting areas (at year-end)

Показатель	Размерность	Проходческие участки
		№ 1	№ 5	№ 6	№ 8	№ 9	№ 10
Q 1	т	45,94	76,24	19,57	87,31	173,28	45,02
Q 2	пм	1,99	3,45	2,02	3,53	8,47	2,03
W	кВт∙ч	109,6	182,1	49,35	207,6	415,4	107,6
ω 1	кВт∙ч/т	2,41	2,47	2,57	2,49	2,5	2,47
ω 2	кВт∙ч/пм	59,95	56,5	26,8	62,6	51,92	57,87

2020;5(4):367-375

МИСиС

• 1.    Средние и медианные значения показателей производительности практически совпадают: относительная погрешность Δε = +0,01 %, для технологического расхода электроэнергии – Δε = +2,6 %. Однако для удельного расхода электроэнергии относительная погрешность Δε = -9 %. Последнее свидетельствует о необходимости установления причин такого несоответствия.

• 2.    Коэффициенты асимметрии, эксцесса и вариации указывают на соответствие показателей производительности и технологического расхода электроэнергии нормальному закону распределения.

• 3.    Для показателей удельного расхода электроэнергии характерна положительная асимметрия и малый эксцесс, что, с учетом однородности выборки, характерно для логнормального закона или гамма-распределения.

Установление законов распределения среднесменных показателей выполнялось для четырех проходческих участков в соответствии с [3, 4]. Гистограммы и функции плотности распределения на примере проходческого участка № 1 шахты «Северная» представлены на рис. 1–3.

Статистический анализ показал, что изменение технологического расхода электроэнергии W подчиняется равномерному закону распределения, удельный расход электроэнергии на тонну извлекаемой горной породы ω 1 – гамма-распределению, удельный расход электроэнергии на один погонный метр горной выработки ω 2 – логнормальному закону.

В результате проверки достоверности по критериям согласия Пирсона χ ² , Колмогорова-Смирнова и Шапиро-Вилка было установлено, что характер изменения случайных величин исследуемых параметров соответствуют принятым гипотезам о законах распределения [15-18].

Histogram of УД(кВт*ч/пм) Проходческий-1 in Шахта шураб исходный 7v*1180c

УД(кВт*ч/пм):  N = 1180; Mean = 59,9514; StdDv = 19,3328; Max = 120,5; Min = 31,17

Рис. 1. Гистограмма функции плотности распределения f* (w z )

Fig. 1. Density function histogram f* (w z )

2020;5(4):367-375

МИСиС

Histogram of E1, kWh/t

Шахта шураб исходный 6v*1180c

E1, kWh/t: N = 1180; Mean = 2,4046; StdDv = 0,3046; Max = 3,27; Min = 1,74

Рис. 2. Гистограмма функции плотности распределения f* (ω 1 )

Fig. 2. Density function histogram f *(ω 1 )

Variable: ЭР(кВт*ч), Distribution: Rectangular

Kolmogorov-Smirnov d = 0,03810, p < 0,10

Рис. 3. Гистограмма функции плотности распределения f* ( W )

Fig. 3. Density function histogram f *( W )

2020;5(4):367-375

МИСиС

Для распределения частот f ( W ) характерна симметрия относительно W, т.е. его среднее значение М практически совпадает с медианным М е . С учетом среднеквадратического отклонения устойчивый уровень электропотребления проходческого участка определится в диапазоне W ± о ^ .

Для распределения частот f (ω 2 ) характерна незначительная асимметрия относительно <й ₂ , т.е. его среднее значение М практи-чески совпадает с медианным М е .

С учетом среднеквадратического отклонения устойчивый уровень электропотребления проходческого участка определится в диапазоне w₂ ± о_ш2 .

Таким образом, статистические модели показателей энергоэффективности проходческих участков можно считать сформированными.

Выводы:

• 1.    Условия ведения горнопроходческих работ определяются сочетанием комплекса взаимно воздействующих факторов (геологических, технологических и организационных), а оценка степени их влияния на энергоэффективность технологических процессов требует глубокого детального исследования.

• 2.    В качестве критериев оценки эффективности ведения горнопроходческих работ

• 3.    Показатели технологического и удельного расхода электроэнергии при ведении проходческих работ изменяются в широком диапазоне, поэтому для обеспечения устойчивой работы сменным бригадам необходимо придерживаться рекомендуемых показателей, определяющих оптимальные темпы проходки, и ограничений выхода за допустимые или предельные режимы.

• 4.    При планировании показателей энергоэффективности необходимо учитывать горно-геологические условия, технические характеристики проходческих комплексов и режимы их работы.

предлагается использование показателей уровня энергопотребления, эффективности и качества прохождения горной выработки сменными бригадами, позволяющими объективно оценить их работу.

С точки зрения организации ведения горнопроходческих работ необходимо осуществление постоянного контроля параметров и темпов проходки, качества подготовки забоя, своевременного технического обслуживания и ремонта машин и оборудования, управления технологическим процессом путем обеспечения оптимальных режимов работы горнопроходческого комплекса.