Методика количественной оценки качества проектов угольных шахт на основе учета экономичности и надежности технологических систем, промышленной и пожарной безопасности

В угольной промышленности России необходимость повышения качества проектов строительства угледобывающих предприятий и локальных проектов декларируется постоянно, особенно после каждой крупной аварии. В настоящее время обязательными в проектах являются разделы по промышленной безопасности, охране окружающей среды. Анализ утверждённых и реализуемых на практике проектов показывает, что в разделы по промышленной безопасности механически переписываются требования нормативных документов без адаптации проектных решений к условиям конкретного предприятия. При экспертизе проектной документации в разделе «Промышленная безопасность» выявлены следующие замечания: указываются проектные решения и мероприятия из ранее выполненных проектов даже без изменения названия нового проектируемого объекта; вносятся мероприятия, которые не свойственны проектируемому объекту, например, мероприятия для профилактики горных ударов на пластах, не склонных к горным ударам; мероприятия по профилактике эндогенных пожаров на пластах, не склонных к самовозгоранию, отсутствуют мероприятия по безопасному ведению горных работ в опасных зонах и др.

Указанные факты подтверждают низкое качество проектных решений и отсутствие методики адаптации требований нормативных документов к конкретным условиям проектируемого объекта. В проектах, как правило, преобладают субъективные представления и текстовые описания процессов формирования предаварийных ситуаций и возникновения аварий. Не адаптированные к условиям горных предприятий проектные решения по промышленной безопасности механически включаются в план ликвидации аварий. Естественно, в чрезвычайных ситуациях при аварии реализация всех позиций плана ликвидации аварий не исключает вероятность травматизма, что подтверждается на практике при анализе последствий аварий на шахтах «Тайжина», «Ульяновская», «Юбилейная» в Кузбассе.

С учётом изложенного, для повышения качества технологических систем угледобывающих предприятий (ТСУП) необходимо разработать, реализовать в проектах и на производстве методику количественной оценки качества проектов угледобывающих предприятий по условиям промышленной и пожарной безопасности.

Сложность решения проблемы повышения качества ТСУП по условиям промышленной и пожарной безопасности состоит в том, что в настоящее время на угледобывающих предприятиях России преобладают экономические критерии. Это подтверждается опережением темпов стабильного улучшения технико-экономических показателей шахт по сравнению с неустойчивыми темпами снижения уровня травматизма (рис. 1).

Согласно графикам рис. 1 потенциальная опасность угледобывающих предприятий России остается высокой и не постоянной. По графикам подтверждается стохастический характер изменения основных показателей смертельного травматизма.

Годы

Производительнсть труда, тыс.т/год

—■   Производительность труда при подземной добыче, тыс.т/год

• A'-- Смертельный травматизм на 1 млн.т добычи

■ ■■•■■■ Смертельный травматизм на 1 тыс. работающих

Рис. 1 Динамика травматизма и производительности труда в угледобывающей промышленности России.

В соответствии с алгоритмом оценки качества проектов угледобывающих предприятий, разработанным настоящей работы, предлагается учитывать экономический ущерб от реализации мероприятий по промышленной безопасности в виде производственных затрат.

Однако использование при анализе только одного из критериев эффективности или безопасности не приводит к адекватной реальной оценке качества технологических систем угледобывающих предприятий. Действительно, если учитывать только социальный фактор, то необходимо ликвидировать все опасные производства и прекратить производственную деятельность. Однако история развития человеческого общества свидетельствует об обратном: люди постоянно рискуют жизнью ради получения сверхприбыли и удовольствия, например, при отдыхе, в экстремальных условиях, в спорте, войнах, движении с большой скоростью на транспорте и др.

Оценка качества технологической системы угледобывающих предприятий по промышленной, социальной и экологической безопасности с использованием только экономического критерия приводит к другой крайности: при дешевой рабочей силе и низком уровне социальных благ (Россия, КНР, Украина, Индия и др.) выгодно использовать дешевый ручной труд без приобретения дорогостоящего автоматизированного оборудования. Такие периоды в истории стран, характеризующиеся высоким уровнем ручного труда и, соответственно, производственного травматизма, периодически повторяются, например, во время войн, экономических кризисах и др.

Таким образом, для оценки качества проектов ТСУП по уровню социальных, экономических и экологических последствий отработки угольных пластов необходимо ввести комплексный количественный критерий.

В соответствии с нормативными документами для опасных производственных объектов разработаны и применяются несколько показателей качества системы обеспечения промышленной безопасности: общий и смертельный травматизм, коэффициент частоты травмирования (количество случаев травмирования, деленное на 1000 работников), коэффициент тяжести (количество дней нетрудоспособности в результате травм, приходящееся на одного пострадавшего); показатель частоты травматизма на 1 млн. тонн добычи и др. Все несчастные случаи принято классифицировать на следующие группы: групповой несчастный случай на производстве, тяжёлый несчастный случай, несчастный случай на производстве со смертельным исходом.

Согласно графикам рис. 1 и результатам статистического анализа несчастных случаев на производстве можно принять, что несчастные случаи это события случайные и их можно аппроксимировать простым пуассоновским потоком. Вероятность проявления несчастного случая для такого потока можно определить по зависимости

λ ⁿ   - λ

P =   • e-λ n    n!

,

(1.1)

где n - частота появления несчастного случая; P n - вероятность проявления несчастного случая с частотой n в заданном интервале времени; ^λ - математическое ожидание относительного числа несчастных случаев на 1 млн. т добычи при отработке месторождения на угледобывающем предприятии-аналоге.

В зависимости от принятого показателя качества системы обеспечения промышленной безопасности можно принимать математическое ожидание группового несчастного случая на производстве, тяжёлого несчастного случая, несчастный случай на производстве со смертельным исходом относительно численности персонала, частоты травматизма на 1 млн. т добычи и др.

Вероятность P n того, что за выбранный период времени не произойдет ни одного случая травматизма, то есть при n =0, согласно (3.19) будет равна

- λ P ₀ = _e

,

(1.2)

P

Критерий 0 предлагается принять за количественную оценку ТСУП по условиям промышленной и пожарной безопасности. С использованием этой меры качества, при наличии статистических данных или предприятий аналогов, можно оценить безопасность ТСУП в альтернативных вариантах разрабатываемого проекта. Естественно по результатам сравнения вариантов ТСУП предпочтение отдается тому варианту, у которого P критерий безопасности 0 максимальный.

Для абсолютной оценки качества разных ТСУП, предлагается использовать качество эталонной ТСУП. Согласно (1.2), в идеальных P → 1

условиях, при λ→0 и n=0, критерий качества 0   . Однако, такие идеальные условия, с учетом форс-мажорных ситуаций, индивидуальных особенностей человека и других причин, на практике не достигаются весьма редко. Поэтому предлагается в настоящей работе использовать для оценки качества ТСУП по условиям промышленной, пожарной, экологической и социальной безопасности, следующие два критерия:

• •    вероятность P_o , что за выбранный период не произойдет ни одного случая травмирования, определяется по формуле (1.2);

• •    отношение  вероятностей, что за выбранный период на

проектируемой и базовой шахте (аналоге) не произойдет ни одного случая травмирования, то есть

= ^P 0 П = ^{е - λ П} = e ^{λ Б}

P оБ   e ^Б

Q _ПБ

- λ _П

(1.3)

P где  0П– вероятность, что на проектируемом угледобывающем предприятии за выбранный период не произойдет ни одного случая P травмирования; оБ– вероятность, что на базовом угледобывающем предприятии (аналоге) за выбранный период не произойдет ни одного λ случая травмирования; П– математическое ожидание относительного количества случаев травмирования на 1 млн.т добычи за выбранный период на    проектируемом угледобывающем предприятии; λБ– математическое ожидание относительного количества случаев травмирования на 1 млн. т добычи за выбранный период на базовом угледобывающем предприятии (аналоге).

Для иллюстрации методики определения вероятности несчастного случая на отечественных и зарубежных шахтах приведены в табл. 1.

Для расчёта по формуле (1.3) в колонке 4 табл. 3.6 в качестве базовой принята шахта США при средней Р 0 =0,96 отсутствия случаев смертельного травмирования. Для расчёта по формуле (1.3) в колонке 5 таблицы 3.6 в качестве базовой принята шахта России при лучшем качестве Р 0 =0,83 (2008 г.) отсутствия случаев смертельного травмирования.

Как следует из таблицы, оба критерия оценки качества ТСУП удовлетворительно отражают реальную ситуацию по условиям обеспечения промышленной безопасности. Качество ТСУП России по критерию промышленной безопасности в 1,2 – 2.1 раза хуже по сравнению со средней шахтой США. Качество ТСУП России в течение 2004-2008 гг. по сравнению с лучшим 2008г. изменялось в пределах 0,55 -1,00, то есть подтверждается стохастический характер влияния факторов внутренней и внешней среды на уровень промышленной, пожарной, экологической и социальной безопасности.

Таблица 1.

Сравнительная оценка качества угледобывающих предприятий по условиям промышленной безопасности по количеству смертельных несчастных случаев на 1 млн. т добычи угля (данные «ЗАО Росинформуголь», инспекции труда «Росуглепрофа»)

Предприятия	Количество несчастных случаев на 1 млн. т добычи	Качество ТСШ по вероятности Р 0    отсутствия случаев смертельного травмирования	Качество ТСШ по отношению Q ПБ         по формуле вероятностей отсутствия случаев смертельного травмирования        на действующих шахтах России и     США, базовая вероятность для   шахты- аналога     в США принята равной 0,96	Качество ТСШ    по отношению Q ПБ        по формуле вероятностей отсутствия случаев смертельного травмирования       на действующих шахтах России и     США, базовая вероятность для   шахты- аналога     в России принята равной 0,96
Шахты России, 2004г.	0,54	0,58	0,60	0,70
Шахты США, 2004г.	0,028	0,97	1,01	1,17
Шахты России, 2005г.	0,42	0,66	0,69	0,80
Шахты США, 2005г.	0,022	0,98	1,02	1,23
Шахты России, 2006г.	0,27	0,76	0,79	0,95
Шахты США, 2006г.	0,045	0,96	1,00	1,16
Шахты России, 2007г.	0,77	0,46	0,48	0,55
Шахты США, 2007г.	0,033	0,97	1,01	1,22
Шахты России, 2008г.	0,19	0,83	0,86	1,00
Шахты США, 2008г.	0,018	0,92	0,96	1,11

Предлагаемые критерии качества ТСУП по условиям промышленной безопасности позволяют оценивать качество не только всей системы, но и с учетом уровня производственного травматизма на отдельных подсистемах всей технологической системы угледобывающего предприятия. В частности, отношение вероятностей, что за выбранный период не произойдет ни одного случая травмирования на проектируемой и базовой шахтах, можно определить по зависимости вида

„-( ^ 1 П + ^ 2 П + ^ 3 П +- . + Ч П )

О„ =е е

ПБ    e "^ Б + ^Я 2 Б + ^Я 3 Б '"  ^!'Б )

(1.4)

, где ^1П, ^2П, ^3П ,."^тП

математические ожидания относительного

числа случаев опасности на 1 млн.т добычи при выполнении операций m- ной     подсистемы в проекте

Й 1 б , ^ 2 б , Х 3 б ,... Х пБ

математические

угледобывающего предприятия;

ожидания относительного числа

случаев опасности на 1 млн.т добычи при выполнении операций m -ной подсистемы базового (эталонного) угледобывающего предприятия.

На качество проектов угледобывающих предприятий существенное влияние оказывает надежность элементов технологической системы предприятия и применяемых технических устройств. Под надежностью технологической системы угледобывающего предприятия следует понимать свойство сохранять способность выполнять основные технологические процессы и обеспечивать безопасность ведения горных работ. В теории надежности, как и в любой науке, имеются элементарные понятия, термины и показатели, среди которых в горной науке и практике широко применяются следующие.

• •    коэффициент готовности А_П - вероятность того, что ТСУП в данный момент времени находится в работоспособном состоянии,

устанавливается в проекте строительства или реконструкции конкретного предприятия;

• •    коэффициент эксплуатационной готовности А Э - вероятность того, что ТСУП в данный момент времени находится в работоспособном состоянии, устанавливается по результатам статистической обработки опыта работы конкретного предприятия;

• •    мгновенный коэффициент готовности At- - вероятность того, что ТСУП в i - тый момент времени находится в работоспособном состоянии;

• •    средний коэффициент готовности A t"t ² - это среднее значение мгновенного коэффициента готовности на заданном интервале времени ( t 2 -t 1 ), вычисляется по формуле.

^_                1        ^t 2

At 1,12 =------- At dt ti t2     t1    1

(1.5)

Для определения среднего коэффициента готовности ^{A t 1, t 2} в горной практике можно вместо формулы (1.6) применить упрощенную формулу

^_  _   ^A t BP

^{A t} 1 , t 2 =

^A t BP ^+A t Рем

(1.6)

, где БР - продолжительности безотказной работы ТСУП;

Atp„„

^Рем - продолжительность ремонтов элементов устройств ТСУП.

и технических

В ГОСТе [145]    введено понятие среднего неготовности и коэффициента использования. Согласно коэффициента этому понятию _Нег

для угледобывающего предприятия коэффициент неготовности ^{A t 1, t 2} можно определить по формуле

Нег tРем

A 1 1 , 1 2 — ------------------

^A t BP ^+A t FeM

.

(1.7)

Средний коэффициент использования продолжительности безотказной работы БР

Исп

^{A t 1 , t 2} равен отношению

в течение некоторого

периода времени (сутки, смена, час) к сумме этой безотказной работы, продолжительности ремонтов ^A t Рем и продолжительности выполнения профилактических работ ^{A t п}P^оф , то есть

^A t BP

Исп

^A t i , t 2 =

A t БР +A tРем +A t Проф

.

(1.8)

Из указанных показателей в горной практике наиболее часто применяются коэффициент готовности At1,t2 и коэффициент использования _Исп

• ^{t 1, t 2} , поэтому они приняты в качестве основных оценок технологического качества ТСУП в настоящей работе.

Согласно в проекте строительства и эксплуатации угледобывающего предприятия можно определить и другие характеристики и параметры надёжности ТСУП.

Для определения численных значений коэффициентов готовности и использования сложной системы на этапе проектирования и эксплуатации необходимо формализовать технологическую систему предприятия в виде математической модели технологических процессов, режимов работы технических устройств. В качестве исходных данных для моделирования используются следующие основные числовые характеристики элемента или процесса ТСУП: математическое ожидание, дисперсия, параметры закона распределения случайных величин.

ТСУП относится к виду восстанавливаемых сложных систем, так как в обычном режиме работы предприятия любой элемент может быть восстановлен (кроме форс-мажорных ситуаций: пожара, затопления, взрыва, землетрясения и пр.) посредством ремонта или замены деталей машин, обеспечения безопасного режима проветривания, перевода горных работ в новые резервные выемочные участки и блоки и др.

В теории надежности изучаются сложные системы с различными соединениями в них элементов: последовательным, параллельным и комбинированным. В настоящей работе для условий малозабойных ТСУП по схеме «шахта-пласт», «шахта-лава» технологическую систему угледобывающего предприятия можно идентифицировать элементами с последовательным соединением структурных элементов. При таком соединении элементов предполагается, что во время ликвидации или отказа любого элемента цепь выключена. Для этого соединения средний

ТСУП коэффициент готовности A t1,t2    в интервале времени t2-t1 можно определить по следующей приближенной формуле.

ТСУП

A t ₁ , t ₂

M

^ ¹ - A t i , 1 2

_ j

p j

ТСУП

^{j 1} A t 1 , t 2

(1.9)

где ^{A t 1, t 2} – средний коэффициент готовности ТСУП; M – количество

_j структурных элементов ТСУП; At1,t2 – средний коэффициент готовности j-того элемента ТСУП; pj– вероятность безотказной работы j-того элемента ТСУП за период t2-t1.

Для определения коэффициентов готовности и коэффициентов использования ТСШ были проведены шахтные исследования и статистическая обработка полученных данных. Результаты этих исследований приведены в следующих разделах настоящей работы.

На основе разработанного алгоритма определения надёжности ТСУП предлагается качество проекта угледобывающего предприятия Q_Н по критерию надёжности определять как отношение показателей надёжности в проекте и на предприятии-аналоге. В частности при оценке качества проекта по коэффициенту готовности можно использовать отношение прогнозируемого в проектной документации коэффициента готовности _ ТСУП

A П и вычисляемого по результатам статистической ретроспективной информации эксплуатируемого предприятия-аналога коэффициента ТСУП _ готовности A Э , то есть

_ ТСУП

A П

Q H       / ТСУП

A Э

(1.10)

В рамках всего гибкого геотехнологического комплекса в соответствии с предлагаемой системой перманентно-циклического проектирования по критерию качества проектов принимаются решения о реализации отдельного или группы утверждённых проектов, в том числе локальных, в зависимости от конкретной ситуации на рынке угля, наличия вскрытых и подготовленных запасов угля и других факторов.

промышленная безопасность, травматизм, технологическая система угледобывающих предприятий, геотехнологический комплекс, оценка качества industrial safety, traumatism, technological system of coal mines, geotechnological complex, quality assessment