О возможностях оптимизации процессов работы шахты на основе методов математического программирования

Планирование горных работ - одна из наиболее важных и сложных задач, которая часто требует проведение многовариантных расчетов количественных и качественных показателей, учет и корректировка планов в зависимости от конъюнктуры рынка, оперативную корректировку плана работы в процессе реализации годовой программы [1].

Данный процесс обычно начинается задолго до начала производства и заканчивается одновременно с окончанием производства. Обычно процесс планирования включает в себя моделирование и оценку извлекаемых запасов месторождения, подбор подходящих технологий и оборудования для добычи, календарное планирование, финансово-экономическую оценку плана и связанных с ним рисков [2].

Эффективность выбранной планом стратегии производства будет зависеть как от рыночных и финансовых условий, так и непосредственно от особенностей процесса добычи, от местоположения и распределения полезного ископаемого относительно топографии и высотных отметок.

При создании оптимального горного календарного графика вначале определяется порядок извлечения запасов месторождения, логистических, финансовых, и других ограничений, подбираются варианты технологии горных работ.

В процессе горных работ планирование имеет многократно повторяющийся характер и состоит из следующих процедур:

• •    сопоставление реальной обстановки с календарным планом;

• •    корректировка календарного плана при необходимости;

• •    создание в рамках перспективного плана планов разного временного масштаба.

Цель планирования горного производства состоит в том, чтобы максимизировать чистую существующую ценность и возвращение инвестиций, которые могут быть получены при извлечении и продажи, полученного угля. Основные задачи планирования:

• •    стремление отработать месторождение с минимизацией затрат на добычу 1 т угля в каждом году;

• •    постоянное обеспечение доступа ко всем забоям и максимального

удобства в работе;

• •    наличие необходимых резервов на случай неподтверждения или

• переоценки имеющихся запасов месторождения;

• •    минимизация риска задержки получения прибыли от данного проекта; проверка правильности стратегии развития горных работ, выбора оборудования и т.п.

Особенности горного планирования:

• •    необходимость распределения работ, как во времени, так и в пространстве, поскольку объекты планирования постоянно находятся в движении;

• •    низкая достоверность информации о распределении качества руды в недрах;

• •    необходимость одновременного учета работ по добыче и подготовительных работ.

Объемы горной массы должны перемещаться в запланированное время. Правильное использование времени будет определять эффективность проекта и производственных затрат; необходимо сделать план предельно реальным, чтобы он стал целью компании.

Методы операционных исследований могут быть применены для решения самых разнообразных горнотехнических и горно-экономических задач проектирования. К методам, которые могут быть использованы для оптимизации работы шахты, относятся: линейное программирование; нелинейное программирование; динамическое программирование, сетевое планирование; статистические испытания; теория графов и др.

Данные методы используют для отыскания эффективного варианта оптимального проектного решения (плана), обеспечивающего заданный производственный результат при минимальных затратах или максимальный производственный эффект при заданном объеме ресурсов [3].

При проектировании шахт методом линейного программирования можно решать задачи оптимального распределения между подрядными строительными организациями объемов работ, материально -технических ресурсов, рабочих кадров и оборудования, отыскания оптимальных программ ведения работ и др.

Методом динамического программирования исследуют на оптимум задачи, решение которых распадается на ряд последовательных этапов. Многоэтапность решения связывают, прежде всего, с развитием процесса во времени. Методом динамического программирования при проектировании строительства шахт и рудников решают задачи оптимального распределения капиталовложений, материально-технических ресурсов по годам строительства, оптимального развития горных работ с учетом скоростей проведения горных выработок в зависимости от условий их проведения и др.

При построении модели угольной шахты обычно используют следующий перечень документации:

• •    план горных работ по всем пластам, которые разрабатывает шахта; для оптимизации работы может быть использовано сетевое планирование, которое позволит построить сетевые пути с наикратчайшим временем выполнения всех работ по всем пластам;

• •    график ввода-выбытия очистных забоев; для оптимизации данного процесса может быть использован математический аппарат решения задачи о замене оборудования;

• •    план проведения горных выработок по соответствующим пластам. Системы сетевого планирования и управления (СПУ) основываются на представлении комплексов взаимосвязанных работ в виде сетевых моделей. Они позволяют:

• •    определять взаимную связь всех работ в планируемом комплексе;

• •    производить расчет времени выполнения работ и выявлять наиболее важные, решающие работы, от своевременного выполнения которых зависит срок осуществления всего комплекса работ;

• •    анализировать все возможные варианты выполнения данного комплекса и выбирать среди них оптимальный по тому или иному признаку (времени, стоимости, ресурсам и т. п.);

• •    заранее предвидеть результаты предполагаемых решений и влияние возможных показателей отдельных видов работ на ход выполнения всего комплекса;

• •    осуществлять постоянный контроль за выполнением работ, а также сбор и обработку информации о фактическом их выполнении;

• •    осуществлять непрерывное планирование путем систематической корректировки сетевого графика на основе полученных результатов о выполнении работ;

• •    оперативно управлять ходом выполнения работ, приближая его к наилучшему варианту плана.

Для решения таких задач целесообразно использовать метод PERT. Данный подход дает возможность разработать рабочий график проекта без точного знания деталей и необходимого времени для всех его составляющих, в особенности метод PERT нацелен на анализ времени, которое требуется для выполнения каждой отдельной задачи, а также определение минимального необходимого времени для выполнения всего проекта. [4]

Рисунок 1 - Диаграмма -граф с работами на узлах, с работами на стрелках

В зависимости от сложившейся горно-технической и горно-геологической ситуации, дополнительно формируют документы:

• •    маршрутная карта проведение горных выработок;

• •    заявки на требуемое оборудование для монтажа и демонтажа лавы;

• •    график движения очистного оборудования;

• •    график движения проходческого оборудования.

Формирование этих документов также обусловлено формированием годовой производственной программы, или с разработкой новых планов развития шахты. Зачастую на шахте преобладает ситуативное несистемное планирование. Это объясняется тем, что на производственный процесс влияет большое количество непредсказуемых факторов, которые приводят к изменению запланированной программы по добыче полезного ископаемого и ряду других технологических процессов осуществляемых на горном предприятии. Также при построении модели под влиянием этих факторов существует сложность оперативного пересчёта заданных параметров модели и увязкой их с операционными стратегиями.

Современные подходы к управлению горным производством предполагают комплексное моделирование горнодобывающего предприятия, сценарный анализ, оперативный пересмотр оперативных и тактических планов производства при изменении условий с увязкой решений этого уровня с принятой операционной стратегией [5].

Принятие адекватных решений относительно развития горных работ основывается на пространственном расположении горных выработок при их динамическом движении.

Применяемая технология разработки календарных планов с использованием электронных таблиц в основном обеспечивает решение расчётных задач и схематическое отражение сроков начала и окончания работ в добычных и подготовительных забоях, движение оборудования.

При применении такого подхода большим недостатком является низкая степень автоматизации расчётов, невозможность увязки расчётов с графическим представлением результата. Математическим аппаратом может послужить решение транспортных задач при выборе маршрута передвижения выработанного угля к одному из стволов шахты или на перерабатывающую фабрику.

В регионе имеются n угольных шахт, объем добычи угля в которых составляет соответственно A i (i=1…n) тонн в день. Первичную переработку угля осуществляют m фабрик, производственные возможности которых составляют B j (j=1…m) тонн в день соответственно.

Перевозка угля от шахт до фабрик осуществляется с помощью железнодорожного транспорта. Транспортные затраты составляют S руб. за т.-км. Расстояние от шахт до углеперерабатывающих фабрик приведено в табл. 1.

Таблица 1 - Расстояние от шахт до углеперерабатывающих фабрик, в км

Угольные шахты	Углеперерабатывающие фабрики
	B 1	B 2	…	B m
	Расстояние от шахт до углеперерабатывающих фабрик, км
A 1	C 11	C 12		C 1m
A 2	C 21	C 22	…	C 2m
A n	C n1	C n2		С nm

Для минимизации совокупных транспортных издержек необходимо составить оптимальное распределение поставок угля с угольных шахт на перерабатывающие фабрики. При необходимости ввести в существующую инфраструктуру дополнительную шахту либо фабрику можно подобрать расстояние до новых объектов и их производственные мощности.

Таким образом, можно сделать вывод, что применение методов математического прогнозирования при планировании технического или технологического уровня производства на основе определения объективно необходимых потребностей шахты и оптимизации процессов добычи, транспортировки позволит добиться конкурентных преимуществ на рынке поставщиков угля.