Analysis of energy performance of heading sets of equipment at a coal mine
Автор: Sadridinov A. B.
Журнал: Горные науки и технологии @gornye-nauki-tekhnologii
Рубрика: Энергетика, автоматизация и энергоэффективность
Статья в выпуске: 4 т.5, 2020 года.
Бесплатный доступ
The growth of volume of tunneling, power supplied per job, and consumption of fuel and energy resources makes it necessary to increase energy performance of production processes with reducing energy losses. Tunneling conditions are determined by a combination of mutually influencing factors (geological, technological and organizational), and assessing their impact on tunneling energy performance requires a deep detailed study. For criterion assessment of tunneling performance, indicators of energy consumption, performance, and quality of tunneling performed by shift crews, allowing to objectively assess their work, were proposed. Indicators of process and specific power consumption in the process of tunneling vary over a wide range, therefore, to ensure smooth equipment operation, shift crews must adhere to the recommended indicators that determine the optimum rates of tunneling and enables adherence to permissible operation modes. Statistical models of energy performance indicators of heading sets of equipment operation were investigated using the example of the Severnaya coal mine. Indicators of energy consumption, energy performance, and tunneling (on shift basis) were proposed. Distribution laws have been determined for the main indicators characterizing tunneling energy performance. Recommendations have been developed to ensure sustainable operation of heading sets of equipment throughout the entire period of tunneling. Tunneling requires permanent monitoring its parameters and rates of advance, the quality of face preparation, timely maintenance and repair of machinery and equipment, control of the process through ensuring optimal operating modes of the heading sets of equipment.
Tunneling, models, power supply, coal mine, energy performance, heading set of equipment
Короткий адрес: https://sciup.org/140250773
IDR: 140250773 | DOI: 10.17073/2500-0632-2020-4-367-375
Текст научной статьи 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 QnM 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 ± ош2 .
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.