Удк 622.272(043) разрабо тка научно-методич еского обеспеч ения формирования с тра тегии ус то йчивого развития горно тех нич еск их сис тем уголь ных шах т спе ци аль нос ть 25. 00. 21 теоретические

На правах рукописи

АГАФОНОВ ВАЛЕРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ УДК 622.272(043) РАЗРАБО ТКА НАУЧНО-МЕТОДИЧ ЕСКОГО ОБЕСПЕЧ ЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ С ТРА ТЕГИИ УС ТО ЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ГОРНО ТЕХ НИЧ ЕСК ИХ СИС ТЕМ УГОЛЬ НЫХ ШАХ Т Спе ци аль нос ть 25. 00. 21 «Теоретические основы проектирования горнотехнических систем»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2008

Работа выполнена в Московском государственном горном университете Научный консультант, доктор техниче ских наук, профе ссор Малкин Анатолий Сте панов ич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профе ссор Ломоносов Ге раль д Георгиевич доктор технических наук, профе ссор Ковальчук Александр Борисов ич доктор технических наук, профе ссор Фря нов Виктор Николаев ич Ве дущая организация ОАО ПНИУИ (г. Нов ом осков ск, Туль ской области)

Защита диссертации состоится «….» …………….. 2009г. в час.

на заседании диссертационного совета Д - 212. 128. 03 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Савич Игорь Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акту аль н ость ра боты. B последние дес ять лет сос тояние шахтного фонда России и научные задачи изменились кардинально.

Обострилось технологическое и социально - экономическое состояние шахт, полнос тью нарушилас ь экономика угольной отрасли в целом.

Государство не нашло другого приемлемого для угольной промышленнос ти решения, как объявить рес труктуризацию предприятий, что в основном «выродилось» в процедуру закрытия шахт.

Массовое закрытие шахт вызвало необходимость решения новых нетрадиционных научных, проектных и производственных задач.

И здесь прежде всего возникла проблема объективной всесторонней оценки шахтного фонда, разработки процедуры выбора основных стратегических направлений раз вития технологических с ис тем угольных шахт и обновления шахтного фонда с учетом промышленной и экологической безопасности.

Одновременно с тало актуально и необходимо обеспечение повышения конкурентоспособности технологических систем шахт с табильно работающих и перспективных, что потребовало разработки процедуры выбора резервов нагружения производственной мощности угольных шахт.

Актуальность работы предопределяется недостаточным объемом общеметодологических основ, проверенных типовых технологических и организационных решений сопутствующих задач, необходимостью обоснования и разработки структурно-технологических решений, позволяющих повысить прогрессивность и экономичнос ть ведения подземных горных работ, а также обеспечить должную конкурентоспособность и инвестиционную привлекательность горнодобывающих предприятий в условиях рыночной экономики.

В современный период развития шахтного фонда угольных компаний России следует вести поиск самых эффективных решений для поддержания достигнутого уровня перспективных шахт, использования всех природных и созданных ресурсов, необходимо реально и более полно осваивать созданный объем подземного прос транс тва, повышать полноту выемки угольных з апас ов з а счет извлечения целиков различного функционального назначения, переходить на более прогрессивные порядки отработки шахтных полей.

Необходимо провести исследования, позволяющие прослеживать в динамике технологические, экономические и экологические предпосылки снижения эффективности работы шахт, превращения их в убыточные.

Таким образом, исследования, связанные с созданием научно методического обеспечения выбора стратегических направлений развития шахтного фонда угольных компаний, технологических систем угольных шахт являются актуальными.

В ходе исследований стало необходимым решение важных научно-методических и организационных задач, таких как - обобщение и анализ технологического и социально-экономического состояния шахтного фонда угольных компаний России и обоснование принципов совершенс твования технологических сис тем угольных шахт в условиях рыночной экономики;

- выявление и изучение основных природных, технологических, социально-экономических и политических факторов реформирования шахтного фонда с анализом технологических, экономических, социальных и экологических целей реструктуризации;

- обоснование на баз е методов комплексной квалиметрии и теории принятия сложных решений концепции формирования технологических и организационных механизмов обеспечения эффективного функционирования технологических систем угольных шахт с повышением уровней прогрессивнос ти и экономичнос ти ведения подземных горных работ;

- разработка научно-методического обеспечения исследований и оценки структурного, производс твенно-технологического и экономического ресурсного потенциалов угольных шахт и реализации стратегии их развития;

- разработка методики интегральной оценки и ранжирования технологических сис тем угольных шахт со строгим группированием их по стратегическим направлениям поэтапного развития в условиях рыночной экономики;

- обоснование в рамках разработки и апробации методики интегральной оценки комплексов частных показателей-критериев природных, технологических, социальных условий работы шахт;

производственной и экономической эффективнос ти результатов работы, технического уровня технологических схем и отдельных подсистем, технической оснащенности технологии, степени вреднос ти экологически негативных последствий дейс твующих и закрываемых шахт;

- осуществление интегральной оценки дейс твующих и закрываемых шахт (более 90 единиц), результаты которой позволяют подтвердить как справедливость закрытия многих шахт Уральского, Дальневосточного, Вос точнодонбасского, Подмосковного, Кузбасского, Печорского и др.

регионов, так и ошибочность отнесения к закрываемым некоторых из них;

- разработка на базе методов теории игр метода расчета и оптимизации производственной мощнос ти шахты в условиях неопределенности горно геологической информации и принятия решений при риске, учитывающем возможность выявления величины нагружения технологических схем угольных шахт, имеющих резервы в пропускных способностях по транспорту-подъему и вентиляции;

- обоснование в качестве перспективных технологических решений и эффективных резервов по повышению уровней прогрессивности и экономичности подземных горных работ технологических схем отработки запасов шахтного поля обратным ходом, технологических схем в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, позволяющих увеличивать срок их службы и уменьшать сроки строительства, технологических схем оставления и последующего извлечения охранных и предохранительных целиков, технологических схем использования подземного пространства шахт для размещения отходов производства и устранения экологически негативных последствий, учитывающих основные концептуальные положения комплексного освоения недр и позволяющих поддерживать конкурентоспособность и инвестиционную привлекательнос ть горнодобывающих предприятий на соответствующем уровне, долевое участие угля в топливно-энергетическом балансе России, объективно обеспеченное запасами имеющихся и приобретаемых технологических и экономических ресурсных потенциалов.

Цель исследований: выявление з акономернос тей развития технологических сис тем угольных шахт для обоснования перспективных решений по повышению уровней прогрессивнос ти и экономичности подземных горных работ, обеспечивающих конкурентоспособность и инвес тиционную привлекательнос ть горнодобывающих предприятий.

Основ ная идея работы з аключаетс я в реализ ации комплексного подхода к формированию информационно-методической баз ы обоснования с тратегических направлений поэтапного развития технологических с ис тем угольных шахт.

Методы исследований: в работе использован комплекс методов, включающий научное обобщение, анализ передового опыта и результатов ранее выполненных исследований, методы квалиметрии и теории принятия сложных решений, теории полезнос ти, теории игр, экономико-математическое и имитационное моделирование, метод вариантов и многокритериальной оптимизации, математические методы обработки статис тических данных и аналитические исследования.

Научные положения, разработанные лично соискате лем:

1. Основу методологического и научно-методического обеспечения формирования с тратегии ус тойчивого развития технологических сис тем угольных шахт в сложившихс я экономических и геополитических условиях должны сос тавлять сис тема технолого-организационных мер, предусматривающих учет объективных закономернос тей морального и физ ического старения элементов технологии, и поэтапный подход к инвес тированию и обновлению шахт.

2. Повышение уровней прогрессивности и экономичности производственной структуры технологических систем угольных шахт может быть обеспечено за счет их объективной оценки, причем теоретической основой принятия решений должны с лужить методы квалиметричес кой интегральной оценки, позволяющие объективно ранжировать шахты по технологичнос ти условий разработки, эффективнос ти результатов работы, техническому уровню технологических сис тем и отдельных подсистем, технической оснащенности технологии, экологического состояния с последующим группированием по с тратегическим направлениям поэтапного развития.

3. Общая стратегия решения проблемы системной оценки структурного, производственно-технологического, экономического и социального ресурсного потенциалов технологических систем угольных шахт реализуется путем создания единой оценочной системы, обоснования и учета комплексов частных оценочных показателей-критериев, разработки научно-методической базы расчетов интегрального критерия принятия решений по оценке параметров и конс трукций технологических систем угольных шахт, синтезирующей в себе как уже известные положительные аспекты анализа и оценки, так и ряд новых технико-экономических элементов.

4. Одним из эффективных направлений снижения издержек производства и повышения эффективности использования имеющихся производственных, экономических и людских ресурсных потенциалов в условиях перманентного выбывания убыточных шахт является восполнение потери добычи путем соответс твующего нагружения технологических систем шахт, имеющих резервы в пропускных способностях по транспорту-подъему и вентиляции, причем пределы такого нагружения зависят от большого количества горно геологических, технологических и экономических факторов, учет которых обеспечивается путем применения разработанного метода расчета производственной мощности шахты в условиях неопределеннос ти информации и принятия решений при риске.

5. Результативнос ть реализации технологических механизмов повышения эффективности функционирования технологических систем угольных шахт должна быть увязана с реализацией перспективных нетрадиционных решений, связанных с обратным порядком отработки шахтных полей и применением технологических решений в облас ти вскрытия новых горизонтов, увеличивающих сроки службы и сокращающих сроки их строительства, с извлечением запасов из целиков различного функционального назначения, комплексным использованием технологического подземного пространства для размещения отходов производства, повышающих перспективы развития технологических систем угольных шахт и обеспечивающих длительную конкурентоспособность и инвестиционную привлекательнос ть горнодобывающих предприятий.

6. Систему организационного обеспечения эффективного функционирования и развития технологических систем угольных шахт предложено формировать на основе рационализации производственной структуры шахтного фонда (выделение групп шахт, ориентированных на закрытие и консервацию, реконс трукцию, техническое перевооружение и модернизацию, поддержание мощнос ти на достигнутом уровне), а также изменения структуры производственных мощностей при условии их четкой сбалансированности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются :

- масштабнос тью объектов исследований и представительным анализом большого объема статистической информации, характеризующей динамику изменения состояния ус ловий и рез ультатов работы более девянос та дейс твующих шахт угольных компаний в раз личных угледобывающих регионах России;

- корректнос тью пос тановки задачи и использования современных эффективных методов исследований (методы теории принятия сложных решений, теории полезности, теории игр, аналитических методов квалиметрии и математического моделирования) при обосновании стратегических направлений поэтапного развития технологических систем угольных шахт в условиях рыночной экономики;

- положительным опытом внедрения технологических и организационных решений по повышению эффективнос ти функционирования технологических систем угольных шахт, убедительными результатами выполненных и реализованных проектов как по развитию дейс твующих, так и по ликвидации закрываемых шахт;

выводами и заключениями компетентных экспертиз и обсуждений по ключевым проблемам реформирования и развития шахтного фонда, по решению сложных задач технологии подземной добычи и потребления угля.

Научная новизна работы - предложены научно-методические принципы формирования технологических и организационных механизмов обеспечения эффективного функционирования технологических систем угольных шахт в конкурентной среде, основанные на реализации с тратегических направлений их поэтапного развития;

- предложен сис темный подход к обоснованию направлений развития технологических систем угольных шахт, баз ирующийся на учете имеющегося и приобретаемого технологического и экономического ресурсных потенциалов, при реализации которых обеспечивается повышение уровня прогрессивности и экономичности ведения подземных горных работ в соответс твии с рыночными отношениями;

- разработана методика комплексного обоснования перспективных технологических решений повышения прогрессивнос ти и экономичнос ти ведения горных работ, реализации соответствующих решений на действующих и закрываемых шахт;

- предложен комплексный метод управления принятием решений на основе использования разработанного алгоритма сопоставления интегральных показателей, позволяющего по иерархическому признаку определять приоритеты вариантов развития технологических систем угольных шахт;

- обоснован комплекс показателей-критериев экологически вредных негативных последствий, ус тановлена процедура ранжирования уровня вредности и опаснос ти экологически негативных явлений на базе численных интегральных функционалов;

- предложена многофакторная аналитическая модель компенсации и восполнения потерь добычи угля от закрытия шахт соответс твующим нагружением шахт, имеющих резервы по пропускным способнос тям транспорта-подъема и вентиляции;

- доказана сравнительная эффективнос ть обратного порядка отработки шахтного поля, технологических схем вскрытия шахтных полей и новых горизонтов, позволяющих увеличить срок их службы и сократить сроки строительства, извлечения запасов угля, оставляемых в охранных и предохранительных целиках;

- разработана концепция использования технологического подз емного прос транства шахт для размещения шахтных отходов производства.

Научное значение работы заключается в развитии и совершенствовании научно-методической базы обеспечения эффективного функционирования технологических систем угольных шахт, реализация которой позволяет осуществлять научное обоснование стратегии их поэтапного развития с учетом имеющихся и приобретаемых технологического и экономического ресурсного потенциалов, закономерностей развития научно-технического прогресса в отрасли и обеспечивает повышение точнос ти и надежности принимаемых решений, в совершенствовании теории и практики комплексного освоения недр.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по реализации стратегии поэтапного развития технологических систем угольных шахт, направленной на повышение технико-экономической эффективности их функционирования, обеспечивающих прогрессивную, экономичную и сбалансированную с труктуру производственных мощностей шахтного фонда угольных компаний в условиях рыночной экономики.

Реализация работы.

В 1991-1999гг. были выполнены работы по оценке шахтного фонда в рамках научно-технической программы Комитета по углю Минтопэнерго России с целью выявления неперспективных убыточных шахт, подлежащих закрытию в продолжающейся рес труктуризации угольной промышленности. В результате выявлено и рекомендовано к закрытию более 20 убыточных, неперс пективных шахт.

Научные и практические результаты работы прошли проверку и использованы при разработке программ и планов перс пективного развития горных работ в производс твенных объединениях по добыче антрацита «Донбассантрацит», «Ровенькиантрацит» и филиале СУЭК в г. Ленинск Куз нецкий.

Результаты исследований автора широко использ уются в учебном процессе МГГУ при подготовке дипломированных специалис тов по направлению 650600 «Горное дело».

Апробация работы. Ос новные положения работы и рез ультаты исс ледований докладывались и получили одобрение на научных конференциях и симпозиумах, отечественных и зарубежных. В 1982-1987гг.

ряд отчетов НИР докладывались на технических советах производс твенных объединений «Донбассантрацит», «Ровенькиантрацит», «Антрацит», основные фрагменты исследований содержались в докладах на семинарах и конференциях в ИГД им. А. А.Скочинского, Московском горном инс титуте, на Коллегии Минуглепрома при рассмотрении итогов исследований по проблеме «Шахта будущего». В 1991г. принципы принятия сложных решений при развитии горных работ на шахтах докладывались на Международном Симпоз иуме в Западном Берлине.

В 1995-2007гг. основные тез ис ные положения исследований докладывал ис ь на ко нфер ен ци ях «Д ен ь горн яка» в Мос ковс ком гос ударс твенном горном универс итете, Межрегиональной научно практичес кой конференции «Сис темный подход к с оз данию выс окоэффективных угледобывающих предприятий с ис пользованием наукоемких технологий» в г. Кис елевске, на с овещании в угольно минеральной корпорации VINAKOMIN (Вьетнам), на с импоз иумах в Сан-Пауло (Бразилия), Стамбуле (Турция), Пекине (Китай), Гонконге (Китай).

Публик ации. По тем е д ис с ерта ци и о публ икован ы 22 раб о ты, в том ч ис ле 11 науч ных с та тей в из дан ия х, входящих в пере чен ь ВАК Ми нобр наук и Рос с ии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержит 87 таблиц, 87 рисунков, список литературы из 100 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ технологического и социально-экономического развития шахтного фонда России Проведен анализ природных условий подземной добычи угля. Так или иначе в различных бассейнах за счет тех или иных характерис тик залегания или свойств угля, вмещающих пород формируются специфические условия разработки. Всесторонний анализ этих условий, практика ведения горных работ позволяют считать горно-геологические условия разработки на шахтах России в настоящее время как среднесложные, достаточно часто как весьма сложные. Не случайно, а закономерно, что среди закрытых в ходе реструктуризации более 200 шахт около 100 работали в условиях проявления 3-4 негативных факторов (крутое падение, малая или большая мощность, высокая газоносность, глубина, нарушенность и т.д.).

Детально проанализировано производственно-технологическое состояние шахтного фонда. По объемам угледобычи за последние годы Россия переместилась на 5 место в мире - больше угля добывается только в Китае, США, Индии и Австралии.

Основной объем добычи угля (95,5%) обеспечивается частными предприятиями, а доля добычи угля предприятиями государственного сектора (в которых сумма долей Федеральной собственности и субъекта Федерации составляет более 50%) всего лишь 4,5 %. Сегодня в угольной отрасли работает более 30 крупных угледобывающих компаний, доля которых в общей добыче угля составляет на данный момент 93%.

Износ основных фондов предприятий угольной отрасли составляет в среднем 60-65%, а по отдельным видам оборудования превышает 70-80%. В последние годы наметилась тенденция обновления горного оборудования, преимущественно в Кузбассе, за счет оснащения очис тных забоев комплексами лучших мировых производителей - ДБТ (Германия), ДЖОЙ (Великобритания) и др.

Проанализировано влияние социально-экономических процессов на состояние отрасли. Моноотраслевая занятос ть населения горняцких городов и поселков Урала, Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Вос тока, Вос точного Донбасса, Печорского бассейна и др., расположенных в сотнях километров от крупных индустриальных центров, сделала социальную проблему весьма сложной.

Ликвидация угольных шахт требовала создания в этих районах сотен, тысяч «непрофильных» рабочих мест, строительс тва жилья, развития новой инфрас труктуры. Исследования, проведенные на шахтах Восточного Донбасса, показали, что 50-80% работников закрываемых шахт не могут получить работу на каких-либо предприятиях или в сфере услуг без содействия специальных структур по переподготовке безработных, по созданию рабочих мест.

Анализ важнейших научно-технических проблем (задач) подземной добычи угля показал, что более конкретно проявились нерешенные научно технические проблемы, связанные с обеспечением интенсивности и концентрации горных работ, надежности технологии производственных процессов и горных машин, управления и оптимизации параметров технологических схем, с обеспечением метанобезопасности.

Вместе с тем ключевой проблемой, объединяющей целый комплект важных научно-технических задач, является создание финансовых, технологических, экологических и социальных условий для повышения и поддержания конкурентоспособности добычи и реализации угля на рынке топливных ресурсов.

Стало особо необходимым обеспечение прос того и расширенного эффективного воспроизводства шахтного фонда путем планомерного, тщательно подготовленного закрытия убыточных, неперспективных шахт с одной стороны, а также путем проведения технического и технологического обновления перспективных дейс твующих шахт, строительства новых высокоэффективных и производительных шахт с другой стороны.

Анализ те оре тиче ских пре дпосылок и практики структурной и технологиче ской пе рестройки шахтного фонда показ ал, что с реди ос новных факторов, приведших к необходимос ти с толь масштабной рес труктуризации (путем слабо подготовленного закрытия) угольной промышленности, особое место в теоретическом плане отводится игнорированию поэтапнос ти обновления шахтного фонда, поэтапного подхода к проектированию параметров шахт, развития горных работ, технического перевооружения.

Исключение из практики управления угольной промышленнос тью концепции и принципов поэтапного развития шахтного фонда привело к з абвению з акономернос тей совершенс твования шахт, планирования финансовых средств на развитие. Как показало время, эти просчеты дорого обошлись экономике страны.

Т аким образ ом, ос новной путь раз вития шахтного фонда угольных компаний с траны - это путь периодического для отдельной шахты и непрерывного для шахтного фонда в целом обновления путем проведения капитальных мероприятий и работ. Особенно заметно меняет сос тояние шахтного фонда строительс тво новых шахт в соответс твии с принципами поэтапного развития технологии, с использованием решений, в наибольшей степени отвечающих концепции поэтапнос ти.

Анализ в сего комплекса причин и факторов, приведших к необходимости реструктуризации угольной промышленности и в частнос ти шахтного фонда, позволяет вскрыть масштабы и содержание реструктуризации, определить целесообразность, наметить и обосновать направления развития каждого предприятия и отрасли в целом.

Анализ горно-геологических, технологических, макроэкономических, межотраслевых, социально-экономических и нравс твенных условий показ ал, что непрерывное ухудшение горно-геологических (и климатических) условий разработки угольных мес торождений, масштабное старение элементов технологии и техники, конкурентная борьба за инвестиции «собратьев» по топливно-энергетическому комплексу и замещение угля нефтью и газом, негативные для экономики и угольной отрасли, в особенности социально-политические процессы в обществе и государстве по существу породили и сформировали сис темный криз ис в угольной промышленнос ти.

В проце ссе ре структуризации чрезв ычайную в ажность приобре ла задача выделения конкретных шахт к закрытию. При решении этой задачи необходимо исходить из технологических, экономических и социальных целей реструктуризации.

Многосложная совокупнос ть технологических, экономических, социальных и экологических факторов оказ ывает влияние на принятие решений по закрытию шахт в ус ловиях соблюдения (или несоблюдения) глобальных требований, накладываемых перечисленными целями реструктуризации, приводит к двум неальтернативным подходам: с труктурной или (и) технологической перестройкам.

В практике закрытия шахт обозначилс я целый ряд ошибочных решений, проявились негативные последствия.

Обоснование варианта закрытия шахты не сопоставлялось с вариантами возможного оптимального развития технологической схемы. Сравнение производилось с вариантом сложившегося состояния шахты. Как правило, не сопоставлялись финансовые средства на закрытие и развитие шахты.

Практика выполнения ТЭО закрытия шахт свидетельствует о недос таточной объективнос ти и определеннос ти используемых показателей (в том числе показателей-критериев) для ус тановления неперс пективности и убыточности шахт.

Анализ ТЭО целого ряда закрытых и ликвидируемых шахт показал, что тщательно разработанных, технически обоснованных, экономически оптимизированных, календарно указанных процедур выполнения всех работ нет, каждый проект содержал в основном индивидуальный набор решений.

Оказалось, что осуществлять перечисленные процессы по эффективному обес печению реформирования технологических с ис тем шахт без новых научных раз работок невозможно, поэтому программа рес труктуризации и реального закрытия шахт, развития и обновления горнотехнических сис тем угольных шахт включает проведение научных исследований, направленных на разработку методических материалов и организ ационно-технических мер.

Используя фундаментальные труды основоположников горной науки проф. Бокия Б.И., акад. Шевякова Л.Д., акад. Скочинского А.А., акад. Терпигорева А.М., акад. Агошина М. И., акад. Мельникова Н. В., акад. Ржевского В. В., акад. Попова А.С., акад. Байконурова О.А., проф. Борисова Д.Ф., проф. Кузнецова К.К., целое поколение крупных ученых:

проф. Бурчаков А.С., проф. Курносов А.М., проф. Квон С.С., проф. Рогов Е.И., проф. Капустин Н.Н., чл.-корр. РАН Пучков Л.А., проф. Устинов М.И., проф. Митейко А. И., проф. Иванов Н. И., проф. Астахов А.С., проф. Петренко Е. В., проф. Малкин А.С., проф. Харченко В. А., проф. Воробьев Б.М., проф. Еремеев В.М., проф. Килячков А. П. и др. работали над сложнейшими проблемами проектирования шахт, решая задачи оптимизации, теории принятия сложных решений.

Большую долю научных, проектных, производственных задач решали и продолжают решать акад. Трубецкой К.С., проф. Каплунов Д.Р. проф.

Зайденварг В.Е., д.т.н. Саламатин А.Г., д.т.н. Диколенко Е.Я., проф. Малкин А.С., проф. Резниченко С.С., проф. Краснянский Г.А., проф. Харченко В. А., чл.-корр. РАН Пучков Л.А., чл.- корр. РАН Рубан А. В., проф. Ганицкий В. И., проф. Истомин В. В., проф. Казикаев Д.М., проф. Кузнецов Ю. Н., проф.

Постников В.И., к.т.н. Балашов И.Б., д.э.н. Яновский А.Б., к.т.н. Носенко В.Д., проф. Сластунов С.В. и др.

Анализ основных направлений повышения конкурентоспособнос ти шахт убеждает - на первый план выдвигаются меры по техническому довооружению и перевооружению перс пективных шахт. В обс тановке, когда внешняя рыночная конъюнктура обеспечивает высокую прибыльность зарубежных пос тавок нефти и газа, когда большая час ть резко убыточных шахт уже закрыта, с тановится оправданным инвес тировать лишь передовые шахты, ожидая скорую и весомую отдачу и возврат затрат. Выявление таких шахт, глубины технического оснащения их требует соответс твующих объективных методик оценки и экспертизы шахтного фонда.

Разработка иаучно-методического обеспечения стратегии развития технологических систем угольных шахт и непрерывного обновления шахтного фонда угольных компаний Планировочные решения технологических сис тем угольных шахт, в значительной мере определяющих технологию добычи угля подземным способом, в первую очередь нуждаютс я в теоретическом обос новании и разработке широкого комплекса мер по их соответс твующей перес тройке.

Оценка технологических систем при этом является непременным и обязательным элементом программ перспективного развития шахтного фонда угольных компаний на всех стадиях его с ущес твования, так как только в этом случае могут быть соз даны необходимые условия для эффективной работы на планируемую перспективу.

Функциональный анализ теоретических и практических исследований в данной области показывает, что все методы оценки можно в настоящее время разделить на три основные группы:

а) методы, использование которых основано на применении в целях оценки отдельных единичных показателей технико-экономической эффективнос ти функционирования технологических схем угольных шахт (себестоимость, фондоёмкос ть, удельная протяжённость поддерживаемых горных выработок, нагрузка на очистной забой и т.д.);

б) методы, использование которых основано на применении в целях оценки комплекса основных дифференцированных показателей технико экономической эффективнос ти, при этом используется и сопоставление индексных показателей друг с другом (приведенные затраты, чистый дисконтированный доход);

в) методы, использование которых основано на применении в целях оценки интегральных показателей (функционалов) технико-экономической эффективнос ти, базой для формирования которых в этом случае служит учёт относительных оценок технико-экономических показателей от их эталонных значений или друг от друга.

Функциональный и комплексный анализ литературных источников, прямо или косвенно связанных с решением проблемы оценки эффективности функционирования технологических схем угольных шахт и технического уровня отдельных подс ис тем, приводят к выводу о наличии весьма существенных недостатков. Разработанные методики не полнос тью регламентируют задачи, аспекты и требования, предъявляемые к з адаче оценки эффективнос ти функционирования технологических схем угольных шахт, что приводит к технологической разобщеннос ти процесса оценки, почти во вс ех случаях авторы выс каз ывают приверженнос ть и ориентируютс я на комплексный, с ис темный анализ и оценку, в то же время, исключая небольшой ряд работ, ограничиваются рассмотрением отдельных подзадач.

Общая с тратегия решения задачи оценки эффективнос ти технологи ческих систем действующих шахт должна, очевидно, предусматривать создание единой методологической базы, синтезирующей в себе как уже известные положительные ас пекты анализ а и оценки, так и ряд новых технико экономических элементов и аспектов решения данной задачи.

В связи с этим сис темная интерпретация задачи оценки состояния шахтного фонда угольных компаний выглядит следующим образом (рис.1).

Выявлено семь взаимообусловленных элементов задачи оценки прогрессивности и экономичнос ти технологии подземной добычи угля - всех уровней технологичнос ти условий, в том числе и результирующих условий работы действующих угольных шахт, их технико-экономической эффективности, качества схем вскрытия и подготовки шахтных и выемочных полей, прогрессивности технического уровня очис тных и подготовительных работ, схем транспорта-подъема, вентиляции, технологического комплекса поверхнос ти, результативности научно-технического прогресса и экологического состояния. При этом первый элемент расчета позволяет выявить сравнительную благоприятность и технологичнос ть условий работы угольных шахт, второй элемент оценки показ ывает, к каким сравнительным результатам ведут эти условия, третий элемент указывает, как влияют показатели качес тва схем вскрытия и подготовки шахтных и выемочных полей на технологичность их разработки, четвертый элемент раскрывает влияние основных процессов угледобычи на формирование технико-экономической эффективности, пятый элемент раскрывает влияние научно-технического прогресса в целом на технологию подземной добычи угля Условия функционирования технологических систем действующих угольных шахт Горно-геологические Производственно-технические Социальные Обобщающий уровень всех условий Элемент Результаты работы действующих шахт Производственно-технические Экономические Обобщающий технико-экономический уровень работы действующих угольных шахт Элемент Вскрытие и подготовка шахтных и выемочных полей Технический уровень вскрытия Технический уровень подготовки шахтных и выемочных полей шахтных и выемочных полей Обобщающий уровень вскрытия и подготовки шахтных и выемочных полей Элемент Производственная система добычи угля на шахтах (подземный способ добычи) Подсистема Подсистема Подсистема Подсистема Подсистема подземных подземных подземного вентиляции технологи очистных подготови- транспорта- ческого работ тельных подъема комплекса работ поверхности Технический Технический Технический Технический Технический уровень уровень уровень уровень уровень очистных подготови- транспорта- проветрива- переработки работ тельных подъема ния угля на работ поверхности Обобщающий технический уровень шахты Элемент Результативность научно-технического прогресса на действующих угольных шахтах (техническая оснащенность технологии) Элемент Надежность и безопасность ведения горных работ Элемент Экологическое состояние шахт Элемент Рис. 1. Системная интерпретация задачи оценки состояния шахтного фонда (оценка прогрессивности и экономичнос ти технологии подземной угледобычи) Шес той элемент оценивает эффективнос ть технологических схем ведения горных работ с позиций газовой и геомеханической опаснос тей, формирует представление о сис темном участии в формировании уровня промышленной безопасности того или иного горного, технического или организационного фактора.

Седьмой элемент оценивает влияние экологически негативных компонентов горно-механических, гидрогеологических, газодинамических и радиационных процессов подземной и поверхнос тной атмосферы на процесс необходимос ти и целесообраз нос ти закрытия шахт. Квалиметрическая интегральная оценка и анализ экологического состояния шахт позволяют конкретно обосновывать соответствующие мероприятия по существенному снижению экологической опасности как в период эксплуатации шахт, так и в период подготовки к закрытию.

Решение первого этапа задачи оценки состояния шахтного фонда угольных компаний должно в первую очередь предусматривать выявление, качественное и количественное описание связей между вышеописанными элементами анализируемых шахт, достаточно и полно отражающих качество их функционирования. Этот аспект требует предварительного выбора систем оценочных показателей-критериев, формирование их единой расчетной базы и методики определения.

В данной работе на основе анализа экономико-математических моделей, основанных на методах корреляционно-регрессионного анализ а, методе главных компонент и других приемах математичес кой с татис тики, позволяющих судить о количественном влиянии отдельных факторов условий производства на технико-экономический уровень, логического и структурного анализа исследований теории и практики в данной облас ти, к интегральной оценке прогрессивности и экономичнос ти технологии подземной угледобычи привлечены показ атели, которые в общем случае служат измерителями степени технологического и экономического соответс твия вариантов технологических схем угольных шахт требованиям, предъявляемым к ним на данном этапе развития техники, технологии и научно-технического прогресса.

В теории принятия сложных решений, квалиметрического анализа и теории полезнос тей предпочтительность альтернатив в самом общем случае определяется по совокупности величин полезнос тей отдельных элементов подсистем в условиях компромиссных ситуаций.

При этом следует отметить, что единичный вклад любого оценочного показ ателя можно расс матривать как с лучайный, а вклад с редней статис тической (интегральной) величины - как общую закономернос ть, - в данном контексте интегральный функционал представляется весьма дос товерной и ус тойчивой характерис тикой.

Приведение натуральных разноразмерных показ ателей к однороднос ти осуществляется с использованием формулы вычисления относительных оценок (отклонений) (/ I iэт I ij /) ф ij =, (1) ( I imax + I imin ) где Ii max и Ij mim - соответс твенно макс имальные и минимальные значения натуральных оценочных показателей, Ij эт и Iij ф - соответс твенно эталонные и фактические з начения натуральных оценочных показателей.

Основным достоинством вышеприведенной формулы вычисления относительных оценок является то, что она одноз начно определяет величину интегральных функционалов в условиях различной оптимальности оценочных показателей при одновременном улучшении качества Кинтj = f(I,) min, (2) т.е. величина отклонений от показателей условной эталон-шахты сравнения, имеющей с амый прогрес с ивный тех ничес кий уровень ос новных технологических подсистем должна стремиться к минимуму.

Интегральный показатель эффективнос ти любого из сравниваемых объектов в этом случае будет отражать с тепень его ухудшения, удаления от несущес твующего, но наилучшего варианта. Наличие среди оценочных показателей групп критериев, эталонные значения которых стремятся к минимальной (JjЭT—min) и максимальной (JjЭT—mах) величинам, уже не делает неопределенным оптимальное з начение интегрального показателя. В этих условиях увеличение / J iэ т J ij / ф ki = i = (3) J imax + J imin показывает ухудшение качес тва как для первой группы критериев оценки (JiЭT-min) так и для второй (JiЭT—max). Следует, однако, помнить, что относ ительные отклонения фактических значений показателей у шахт от эталонных по группе критериев с оптимумом, стремящемся к минимуму, имеет отрицательный знак, а по группе критериев с оптимумом макс имумом положительный. В связ и с этим в формуле вычисления относительных отклонений в числителе стоит обозначение модуля величины отклонения.

Второй процедурой итеративного цикла формирования целевых функций интегральных функционалов является определение удельных коэффициентов важнос ти час тных оценочных показ ателей, что связано с учётом их неодинаковой народнохозяйственной важности и актуальнос ти (в этом случае равные относ ительные о тклонения раз ных оценочных показ ателей приобретают разную количес твенную величину и вносят различный вклад в процес с формирования количес твенной величин ы ин тегральных функционалов).

Удельные коэффициенты важности отдельных оценочных показателей использованы по результатам ранее выполненных исследований, остальные были определены при помощи аналогичных процедур экспертного опроса типа "Д ЕЛФИ". Из учение обобщенных мнений экспертов производилось с учётом общеметодологических требований.

Удельные коэффициенты важнос ти вычислялис ь из полученных экспертным путём функций полезнос ти по формулам:

iуд.= i = m m i (4) =, ср m i i i= 1 i = где i - функция полез нос ти конкретного i-гo оценочного показ ателя критерия;

ср - среднее з начение функции полез нос ти по вс ем оценочным показателям, m - число оценочных показателей, участвующих в оценке технического уровня какой-либо подсистемы шахты;

i - относительный вес функции полезности i-гo показателя по ср сравнению со средней полезностью одного из показателей оценки.

Эти значения могут длительное время использоваться в процедурах оценки без их дальнейшего уточнения и корректировки.

Следующим этапом в разработке целевых функций интегральных функционалов являетс я выбор рациональной функции свёртки, т. е.

суммирующей функции час тных критериев воедино, так как метод пос троения интегрального показателя в общем случае з аключается в том, что значения частных показателей-критериев оценки Iij (i=1, m;

j=1, n) посредством числовой функции f(i), зависящей от параметров i, -коэффициентов важности i-х критериев приводятся к сопоставимому с точки зрения полезности виду, после чего сворачиваютс я с помощью с имметрической числовой функции m переменных. В результате возникает интегральный критерий Kинт(J, )={f(J1,1 )……f(Jm,m )},=(1……m ),J=(J1……Jm ), (5) который функционально связан с исходными показателями и с дос таточной степенью точнос ти передаёт всю требуемую информацию.

Анализ ируя этот вопрос по выполненным в данной области работам, следует отметить, что в большинс тве случаев вид суммирующей функции наз начаетс я произвольно, без каких либо серьёз ных обоснований и исследований.

Возможностью применения в качестве суммирующей степенной средней функции (это семейство свёрток особенно эффективно с позиций численной минимиз ации) являетс я в большинс тве с лучаев наличие с имметрии гис тограммы плотнос ти распределения относ ительных оценок час тных показателей - критериев оценки, а в общем случае - подчинение их нормальному закону распределения.

Определение параметров и характеристик, а также вида теоретических кривых распределений было произведено путём применения стандартного пакета прикладных программ аппроксимации различными кривыми распределения.

Результаты, полученные в результате исследований, позволяю т принять в качестве функции свертки квадратичную среднеарифметическую функцию вида K инm. j = f {J ij, i }= f { ij, i } = (. i )2 min.

m (6) ij i= Ин тегральные показ атели обобщающего уровня вс ех ус ловий вычисляются по формуле (K ) + (K ) + (K ) г.г. 2 n.m. y. c. 2 c в. у.

= K инm, (7) инm. j инm. j инm. j а интегральные показатели обобщающего уровня технико экономической эффективности (K ) + (K ) п. т. ур. 2 э. (8) K инm. j m.э. = инт. j инт. j После проведения расчетов интегральных показателей, характеризующих горно-геологические, производс твенно-технические и социальные условия, а также обобщающий уровень всех условий, производс твенно-техническую и экономическую эффективность работы шахт, обобщающий уровень технико-экономической эффективнос ти, качес тва схем вскрытия и подготовки, технический уровень очистных и подготовительных работ, схем транспорта-подъема, вентиляции и технологического комплекса поверхнос ти, технического уровня шахты в целом, результативности научно-технического прогресса в технологии ведения горных работ на шахтах, экологического состояния, - формируетс я довольно большой объем содержательной информации, анализ которой требует соблюдения определенной последовательнос ти, так как конечной целью анализа является выделение с труктурно-определенных групп шахт и принятия решений по их закрытию, консервации или развитию.

Следует отметить, что в общем случае возможны 2187 сочетаний интегральных показ ателей К г.г. ин т, К п.т.ус ин т, К с.э. и нт., К э ин т, Кв.п и нт, К п.т.у.р.и нт. К н.т.п ин т, которые однозначно предопределяют выбор одного из стратегических направлений развития и совершенствования шахтного фонда (закрытие, путь к закрытию, техническое перевооружение и модернизация, реконструкция, поддержание мощности на дос тигнутом уровне). Некоторые из сочетаний одноз начно никогда не встречаются в практике функционирования горнодобывающих предприятий, поэтому исходя из статистических исследований всю исходную совокупность интегральных функционалов в обобщенном виде можно свести к 15 составляющим.

Сопоставляя интегральные показатели результативности научно технического прогресса, качества схем вскрытия и подготовки, очистных и подготовительных работ, транспорта-подъема, технологического комплекса поверхности, вентиляции, условий и результатов работы, можно выявить их относительный дисбаланс, который указывает на резерв совершенствования технологии за счет ее технического оснащения и обновления инженерных решений в процессах угледобычи на данном этапе развития техники и технологии. Конечной целью при этом является внедрение научно-технических разработок и плановых мероприятий, направленных на совершенствование технологии разработки угольных плас тов, которые являютс я важнейшей частью оперативного управления производством.

Все вышеизложенное являетс я основой для разработки перспективных планов развития горных работ, планов текущих мероприятий по повышению эффективнос ти функционирования технологических схем угольных шахт, а положив в ос нову с тратегических решений о реконс трукции и техническом перевооружении приоритет благоприятных условий работы (горно-геологических, производственно-технических, степень ухудшения тех ничес кого уровня с хем вс крытия и подго товки, очис тных и подготовительных работ, с хем транс порта-подъема, вентиляции, технологического комплекса поверхности), можно проранжировать все шахты, учас твующие в оценке по актуальнос ти и очереднос ти обновления технологических схем и отдельных технологических подс ис тем и элементов технологии, - остальные же шахты, не попавшие в приоритетный ряд реконс трукции, остаютс я в числе действующих как неэффективные и неперс пективные или предс тавляются к консервации.

В интегральную оценку состояния шахтного фонда угольных компаний России были вовле чены 90 шахт, за исключе нием строящихся.

По рез ультатам оценки лидирующие мес та в оценке з анимают следующие шахты: ш. Распадская, ш/у Есаульское, ш/у Юбилейное, а отстающими являютс я ш. Подмосковная, ш/у Шахтерское.

Исходные данные (номенклатура всех оценочных показателей-критериев) предоставлены ЗАО «Росинформуголь».

Разбиение шахт по с тратегическим направлениям обновления и развития показывает, что около 15% шахтного фонда работает в режиме поддержания мощнос ти на достигнутом уровне, около 70% шахтного фонда нуждается в реконс трукции, техническом перевооружении и модернизации и около 15% подлежат закрытию и консервации.

Ин теграль ные фу нкцио нал ы по с воей с труктуре явля ю тс я обобщающими, поскольку объединяют различные и разнородные частные показатели-критерии оценки, с другой с тороны, они являются непривычными для пониман ия с ин те тичес кими показ ателями, так как являю тс я относительными по з начениям, в связи с чем возникает необходимос ть ус тановления объективной роли и с одержательнос ти интегральных показателей.

С этой целью был проведен корреляционно-регрессионный анализ основных показ ателей производс твенно-технического и экономического уровней (производственная мощнос ть шахты, производительность труда, с ебес тоимос ть добычи) в корреляционной функции от интегральных показателей, характеризующих условия и результаты работы дейс твующих шахт, с использованием программного модуля из библиотеки прикладных программ.

Достаточно высокие коэффициенты парных корреляционных моделей (0,76 – 0,94) позволяют утверждать о достаточно высокой объективности и достоверности интегральных показателей, их содержательности и обобщающей роли. Коэффициенты детерминации 0,61 – 0,80.

Проектная мощность шахты является важнейшим количественным параметром, который в решающей степени предопределяет эффективность и рациональное использование вкладываемых в строительство инвестиций и капитальных вложений, в конечном счете формируя прогрессивность и экономичность работы будущего угледобывающего предприятия.

Применение неадекватных математических процедур и расчетных формул приводит к необоснованно высоким или низким уровням производственной мощности, к недоиспользованию как пассивной, так и активной частей промышленно-производственных фондов предприятий, к неэффективному использованию капитальных вложений и увеличению сроков их освоения, в течение длительного промежутка времени не позволяет выйти на прогрессивные и экономичные показатели эффективности работы угольных шахт.

Экономический ущерб от неверно принятой производственной мощности может исчисляться многими сотнями миллионов рублей, поэтому возможности получения дополнительной информации путем сопоставления результатов расчетов с использованием различных методов и подходов для повышения обоснования принимаемых решений, в том числе на основе методов принятия решений в условиях неопределенности информации, имеют бесспорную актуальнос ть как при геолого-экономической оценке мес торождения, так и в период реструктуризации шахтного фонда, которая сопровождается необходимос тью закрытия убыточных, неперспективных шахт. Потери добычи угля при этом должны в обязательном порядке восполняться другими, стабильно работающими, и это возможно только в случае если перспективные шахты имеют резервы повышения производительнос ти.

Непостоянство значений горно-геологических характеристик на разных участках шахтного поля нарушает стабильность производственной мощности удержание производственной мощности в условиях неопределеннос ти информации горно-геологического характера приобретает экономический смысл. Анализ показал, что, учитывая высокую цену принятия неправильных решений, следует ориентироваться на применение базовых аналитических формул и минимаксного критерия Сэвиджа.

Методическими положениями обоснования и расчета проектной мощности шахты предусматривается возможность производить расчеты в детерминированной и динамической (вероятнос тной) постановках.

Динамическая (вероятностная) постановка задачи в условиях неопределенности информации является весьма актуальной в том аспекте, что мощности неперспективных (закрываемых) шахт должны передаваться другим шахтам, имеющим базу для эффективной работы. Важно знать, какую именно “надбавку” по производственной мощности обеспечат, сделают возможной конкретные горно-геологические и технологические решения.

На основании многочисленных экспериментов с достаточным отражением в формуле проектной мощности основных горно-геологических условий шахтных полей и горнотехнических параметров целевая функция в сжатом виде приобретает следующий вид Аш.г. = ( К пл. + К н.о.з. ) Z пр. * М о. р. * К гл. / М сум (9) В развернутом виде расчетная модель мощности шахты сводится к выражению:

ппл + ппл ппл.о. р. * Zпр. * о. р. 1 + в.г.

К уст.кр * К кр.пч. * Ао.з.м. mср. М Н = Кн + Ашг. * Н (10) (1 Кд ) Х ch 4 mср.о. р.

М сум.

ппл н. г.

1 + Кнар + qch В качестве составляющих в формулу входят коэффициент надежнос ти технологической цепи шахты: очистной забой – подземный транспорт – подъем – поверхнос ть шахты, число плас тов, принятых к отработке, число пластов в шахтном поле, коэффициенты, учитывающие устойчивость кровли и крепость почвы, нарушеннос ть запасов, дегазацию угольных пластов, месячная нагрузка на очистной забой, мощнос ть угольных пластов, объем промышленных запасов, глубина верхней и нижней границ шахтного поля.

При эксплуатации производственную мощность шахты обеспечивают горно геологические условия залегания угольных плас тов и организационно технические факторы, сложившаяся технологическая схема ведения горных работ и т.д.

При проектировании мощность шахты формируют в основном только горно-геологические условия и потенциальные возможности техники и технологии, которые могут быть заложены в проект строительства шахты.

Естественно, что при проектировании свобода принятия той или иной величины проектной мощности значительно выше.

В пределах реальных возможностей технологических звеньев шахт производственная мощность может принимать дос таточно много значений с изменением горно-геологических характеристик в связи с переходом горных работ на новые участки шахтного поля, а также в связи с внедрением новых средств очистных работ и пр. Вписаться в подобные заранее неизвестные изменения параметров технологии (аргументов целевой функции) позволяет процедура расчета мощности шахт в условиях неопределеннос ти информации (метод, основанный на применении критерия Сэвиджа).

При решении этой задачи пользуются принципом “минимальных максимумов” отрицательных последствий ошибочных (из-за незнания горно геологических и технологических условий будущей работы шахты) решений, принимаемых параметров. Процедура применения данного принципа выбора оптимальных решений (с точки зрения критерия - мощности шахты) основана на построении и анализе матриц альтернативных потерь (рисков) Сэвиджа.

Всю информацию, необходимую для расчета мощности шахты, группируют в двух матрицах.

В матрице горно-геологических данных группируют исходные данные, в основном горно-геологические характерис тики, значения которых принимаются в интервале от 0,8 до 1,2 некоторого наиболее вероятнос тного значения, т.е.

(Y ij ) = 0,8y 0 ;

y 0 ;

1, 2 y 0. (11) В этой матрице априори не варьируются параметры, которые определены однозначно (количество пластов в шахтном поле, количес тво плас тов в одновременной работе и т.д.).

В матрице горнотехнических параметров группируют значения параметров, по которым принимают варьируемые решения, управляемые параметры, входящие в расчетную формулу мощности шахты. Отдельные управляемые параметры (средняя и суммарная мощности угольных пластов, нагрузка на очистной забой и др.) формируют в зависимости от исходных данных.

Матрица альтернативных потерь (рисков) Сэвиджа содержит основную конечную информацию для принятия решения по выбору значения мощнос ти шахты. Использование массива информации (Y j ) в j-м варианте и массива информации (X i ) в i-м варианте позволяет вычислить мощность шахты в A ij в ij м варианте. В результате получаем число значений мощности шахты, равное произведению n вариантов условий залегания плас тов и m вариантов принимаемых решений для параметров, влияющих на мощность шахты.

Для каждого варианта условий (Yi) устанавливают экстремальное (для нашей задачи - максимальное) значение функции, т.е. мощности шахты:

A ш.г. max j = max A (X i ;

Y j ). (12) Диапазон получаемых в результате расчета значений целевой функции мощности шахты оказывается представленным областью от минимально возможного в данных условиях значения А ш min до максимального А ш max (от наименее вероятного до наиболее вероятного), что позволяет исследовать влияние на целевую функцию любой горно-геологической характеристики и горнотехнического параметра в любом диапазоне изменения.

По отношению к этим максимальным значениям вычисляют отклонения мощности при любом сочетании условий разработки (Yi) и технологических решений (Xj):

A ш.г.ij = A ш.г. max j (X i ;

Y j ) - A ш.г.ij (X i ;

Y j ). (13) Эти отклонения являются, по существу, потерей добычи возможной неопределенности условий разработки и зависимых от них технологических решений. Величины отклонений заносят в таблицу альтернативных потерь, которая служит основой для принятия решений. Классический принцип достижения минимальных из всех максимальных потерь при соответс твующих вариантах технологических решений сводится к следующему условию:

min/max (A ш.г. max j (X i ;

Y j ) - A ш.г.ij (X i ;

Y j ) = A ш.г.ij (X опт ;

Y j ). (14) i Оптимальный вариант технологических решений X опт ;

Y j соответствует i минимуму из максимальных потерь добычи. Соответственно мощность шахты в диапазоне колебаний при оптимальных технологических решениях является также оптимальной. Практика проектирования шахт с оптимизацией параметров свидетельс твует, что ошибочные представления о природных условиях более вероятны при малых отклонениях от фактических значений, нежели при больших. Следовательно, вероятность принятия решений, вызывающих более значительные потери, меньше, чем решений, вызывающих меньшие потери. Поэтому в предложенном методе выбора оптимальных решений (параметров) в условиях неопределенности информации в ряде случаев целесообразно изменить целевую функцию выбора. Следует добиваться не “минимума максимальных потерь”, а “минимума средних потерь”:

min sred(A ш.г. max j (X i ;

Y j ) - A ш.г.ij (X i ;

Y j ) = A ш.г.ij (X опт ;

Y j ). (15) i Для этого определяют n A A ш.г.srednij =( (X i ;

Y j ) /n. (16) ш. г. ij i= j В результате различной вероятности всех собранных в матрице альтернативных потерь (рисков) Сэвиджа значений мощнос ти шахты процедура выбора оптимального и в то же время наиболее вероятного значения становится несколько неоднозначной, для чего в процедуру необходимо ввести коэффициент корректировки, который будет учитывать вероятность различных расчетных вариантов и однозначно формировать оптимальную величину проектной мощности шахты.

При этом наиболее вероятным и оптимальным вариантом будет считаться тот, для которого произведение величины мощности шахты на коэффициент корректировки будет максимальным.

Коэффициент корректировки в смысловой интерпретации отражает в себе следующие ключевые параметры:

- f 0 - коэффициент начальной вероятнос ти (исходный вариант) - отражает достоверность исходной информации;

- j - величина шага изменении j-го параметра, - отражает степень неопределенности (неоднозначности) исходной информации;

- h изм - количество изменяющихся параметров в i-м расчетном варианте;

- h общ - общее количество характерис тик и параметров (горно геологических и горнотехнических).

Коэффициент корректировки определяется при помощи регрессионного анализа статистических отчетных данных угольных шахт с использованием динамических моделей регрессии.

Параметры уравнения (эмпирической формулы) определяются методом наименьших квадратов, которые показывают, как изменяются коэффициенты регрессии во времени и как это изменение следует учитывать при расчете прогноза.

Путем реализации вышеприведенной процедуры выбора оптимального коэффициента корректировки применительно к группе стабильных шахт были определены резервы увеличения производственной мощности, которые сведены в табл. 1.

Таким образом, принимая во внимание горно-геологические условия эксплуатации и эксплуатационные технические возможности применяемой горнодобывающей техники резерв повышения (нагружения) производственной мощности шахтного фонда угольных компаний России составляет 11.5 млн.

т/год.

Разработка и оптимизация структурно-технологических решений, обеспечивающих длительную конкурентоспособность шахтного фонда Анализ основных нетрадиционных технологических решений при отработке шахтных полей показал, что наиболее весомыми нетрадиционными решениями, которые конкретно служили объектами глубоких исследований, являются решения, связанные с обратным порядком отработки шахтных полей, извлечением угольных запасов из целиков, с использованием технологического выработанного подземного пространства для размещения отходов производства т. д.

Резервы нагружения производственной мощности шахтного фонда угольных компаний России Таблица Резерв повышения № Аш г.факт., Наименование шахт производственной п/п млн. т/ год мощности 1 ш. Воргашорская 3,309 0, 2 ш. им. Кирова 2,484 0, 3 ш. Октябрьская 1,846 0, 4 ш. Полысаевская 1,681 0, 5 ш. им. 7-го Ноября 2,472 0, 6 ш/у Котинское 1,666 0, 7 ш. Талдинская-Западная 1 1,331 0, 8 ш. Талдинская-Западная 2 1,919 0, 9 ш. Заречная 3,911 0, 10 ш. Кыргайская 3,001 0, 11 ш. Абашевская 3,453 0, 12 ш/у Юбилейное 4,23 0, 13 ш/у Есаульское 4,911 0, 14 ш/у «Грамотеинское» 1,66 0, 15 ш. Распадская 9,72 1, 16 ш. Полосухинская 3,15 0, 17 ш. им. Ленина 2,24 0, Итого: 11, Примечательно, что скоординированное и обоснованное совместное применение всех или нескольких из перечисленных решений позволяет добиваться вместе с экономическими выгодами принципиально нового, более высокого уровня технологической безопасности.

Определяющим нетрадиционным решением в проведенном комплексе является перевод отработки запасов шахтного поля на обратный порядок как по простиранию и падению, так и по глубине, тесно увязанного с определенными технологическими решениями в области вскрытия шахтных полей и новых горизонтов.

Именно при обратном порядке отработки шахтного поля становится удобно и надежно избегать неблагоприятного воздействия горного давления на процесс поддержания горных выработок.

При обратном порядке отработки шахтного поля удобно погашать выработанное пространство очистных забоев и горных выработок с размещением в выработанном пространстве отходов производства и в первую очередь шахтной породы.

Практика применения обратного хода отработки выемочных столбов, ярусов, этажей подтвердила бесспорные выгоды большей части вариантов технологических схем.

Выбор прямого или обратного порядка отработки шахтного поля стал по существу выбором между начальными кратковременными преимуществами прямого и последующими стратегическими, долговременными – обратного порядка отработки.

При обратном порядке отработки достижение проектного уровня добычи связано с начальным максимальным абсолютным объемом проведения вскрывающих и подготавливающих выработок, который в дальнейшем сокращается. Практически через 15-20 лет эксплуатации объем проведения и поддержания выработок с тановится примерно равным при обоих вариантах порядка отработки. Дальнейшая эксплуатация шахты приводит к возрастанию объема поддержания вскрывающих и подготавливающих выработок при прямом порядке отработки и к сокращению - при обратном.

Обратный порядок отработки шахтного поля предполагае т проектирование начального положения горных работ в самом отдаленном по глубине и простиранию учас тке. Все вскрывающие и подготавливающие выработки находятся в нетронутом массиве.

Таким образом, проектируя шахту экономичной в наиболее сложном исходном положении при отработке самых отдаленных от центра запасов шахтного поля, можно сохранить ее экономичнос ть и прогрессивность и впредь, так как состояние технологической схемы не ухудшается со временем.

Очень важно подчеркнуть аспект технологической безопасности.

Технологические схемы с обратным порядком отработки запасов шахтного поля отличаются большей степенью безопасности в отношении обрушения породы в горных выработках, взрывов метана и возникновения подземных пожаров. При обратном порядке значительно легче обеспечить такие конструктивные варианты схем вентиляции, при которых “вымывание” метана из выработанного прос транс тва существенно снижается, а проникновение чистого потока воздуха (кислорода) в разрушенный массив угля (предохранительные целики, потери угля в выработанном прос транс тве и др.) исключается.

В условиях рыночных отношений, нестабильности цен на различные виды работ, материалов, энергии, в целом на различные виды ресурсов надежнос ть результатов моделирования, выводов, вытекающих из полученных результатов, потеряла смысл. В этом плане совершенно неопределенной становится процедура учета фактора времени не только на десять лет и более, но и на один-два года. Отсутс твует процедура согласования по величине ценности продукции, затрат, фондов, попутных ресурсов шахт в перспективе на несколько лет.

Удачным выходом из этой ситуации может стать моделирование объемов горных, строительных и монтажных работ на любой период строительс тва и эксплуатации шахт. Осуществить оценку вариантов технологических схем на конкретный момент времени несложно.

Определяющую роль при моделировании вариантов технологических схем следует отводить горным работам: проведению и поддержанию горных выработок, транспортированию грузов.

Таким образом, основными элементами математической модели выбора технологической схемы шахты (порядка отработки шахтных полей) выс тупают объемы горных работ по проведению и поддержанию горных выработок, а также на транспортирование грузов. Сопоставление вариантов технологических схем по этим основным элементам математической модели позволяет выделить наиболее технологичные варианты. Кроме того, появляется возможность производить обобщающую интегральную оценку по всем элементам горных работ. Математическая модель, включающая три важнейших и определяющих элемента выполняемых в шахте горных работ, гарантирует объективнос ть выбора оптимального варианта технологической схемы шахты.

Исходные горно-геологические характерис тики и параметры приняты для шахты им. 7 ноября филиала СУЭК в г. Ленинск-Кузнецке.

Значения интегральных показателей, полученных в результате реализации программного модуля на алгоритмическом языке Bas ic версии 6.0 в операционной среде Windows свидетельс твуют о фактическом преимуществе технологической схемы отработки запасов шахтного поля обратным ходом:

Кинт.обр. = 0,84, Кинт.прям. = 1,16, Кинт.действ. = 1.42.

Одним из способов существенного увеличения срока службы горизонтов является обязательная отработка на каждом из них бремсбергового и бесступенчатого уклонного полей длиной по падению до 2 км. В большинстве случаев это позволяет довести срок службы горизонта до 25 – 30 лет и обеспечить гораздо больший резерв времени для вскрытия и подготовки новых горизонтов.

Ниже рассмотрены предлагаемые для этих целей технические решения, реализуемые в настоящее время при с троительстве новых и реконс трукции действующих шахт, которые делятся на две группы.

В схемах первой группы вскрытие нового горизонта предусматривается путем проходки нового главного и углубки дейс твующего главного ствола с последующим переоборудованием его во вспомогательный. При таком способе имеется возможность увеличения производственной мощнос ти на новом горизонте, а также полного разделения работ по с троительству нового и эксплуатации дейс твующего горизонтов. При этом в случае переоборудования действующего главного с твола во вспомогательный допустима углубка действующего вспомогательного ствола, однако при этом возникает необходимос ть его одновременного использования для строительс тва нового и эксплуатации действующего горизонтов, а также вынужденной остановки вспомогательного ствола на определенный период для его переоснащения при переходе на новый горизонт.

В схемах второй группы новый горизонт вскрывается путем проходки нового вертикального вспомогательного ствола на существующей либо отнесенной промышленной площадках и проведения слепого наклонного конвейерного ствола между новым и действующим горизонтами, предназначенного для выдачи угля в загрузочное устройство действующего главного ствола.

На основе логического и структурного анализа различных критериев оптимальности, выявления их сильных и слабых сторон, а также учитывая то обстоятельство, что в пос тавленной задаче объемы добычи угля и эксплуатационные затраты по годам для одного и того же расчетного варианта сравнительно с табильны, в качестве критерия оптимальности при оптимизации основных параметров схем вскрытия шахтных полей принят чистый дисконтированный доход ЧДД (NPV), который учитывает приведение разновременных капитальных вложений к фиксированному промежутку времени, что обусловливает поэтапную оптимизацию с логической увязкой промежуточных решений.

Решение задачи в рассматриваемой пос тановке ввиду возникающих сложностей при большой размерности (числе варьируемых величин параметров) создает определенные трудности в ее реализации, поэтому организация работ в соответс твии с логическим порядком (алгоритмом) осуществлялась с применением программного продукта стратегического планирования «Альт-Инвест», предназначенного для проведения оценки привлекательности инвестиционных проектов.

В результате реализации программного обеспечения с использованием электронной таблицы Excel (листы MAIN, SENSITIVITI) были получены численные значения ЧДД, что дало возможность оценить и проранжировать альтернативные варианты вскрытия шахтных полей в различных горно геологических и горнотехнических условиях эксплуатации и ус тановить допустимые области применения последних. Анализ результатов оптимизационных расчетов и комплексная оценка способов вскрытия шахтных полей позволили получить следующую обобщенную информацию:

- для способов вскрытия шахтных полей с делением на независимо проветриваемые блоки при газоносности угольных плас тов 5м /т наименее эффективной оказывается блоковая схема вскрытия, а ЧДД при фланговой схеме на 10-15% ниже, чем при центральной схеме проветривания;

при газоносности 10м /т более выгодной становится фланговая схема проветривания, ЧДД при которой на 15-17% больше, чем при центральной, и на 8-10% больше, чем при блоковой. Проведенные оптимизационные расчеты дают основания считать, что при газоносности 20м /т и более для всех сочетаний числа разрабатываемых пластов и глубины разработки наиболее эффективной является блоковая схема вскрытия, а наименее эффективной – центральная, фланговая схема занимает промежуточное положение;

- при ограниченных размерах шахтного поля ( размер по прос тиранию не более 4-6км) следует ориентироваться на центральную схему проветривания, ЧДД в этом случае на 10-15% выше, чем при фланговой схеме. Фланговое расположение вентиляционных с тволов целесообразно применять при газообильности шахт не более 10-15м /т и размерах шахтного поля по простиранию, не превышающих 8 км. ЧДД при этой схеме на 15-17% выше, чем при центральной схеме и на 8-10% выше, чем при блоковой схеме вскрытия шахтного поля. При газообильности 15-20м /т и более в случае необходимос ти обеспечения значительной производственной мощности ( более 1500 тыс.т/год) и размерах шахтного поля по простиранию 8-12 км следует ориентироваться только на блоковое вскрытие шахтных полей, где ЧДД на 12 17% выше в сравнении с вариантами без деления на блоки;

- для шахт индивидуального типа, учитывая весь диапазон изменения исходных данных наиболее прогрессивными, надежными и экономичными являются схемы вскрытия шахтных полей, основанных на применении центрально-сдвоенных стволов с проходкой их до отметки 1-го горизонта в период строительства шахты и углубляемых по мере развития горных работ до отметки следующего капитального горизонта, отнесенными вентиляционными (воздухоподающими) стволами и погоризонтными квершлагами с отработкой на каждом горизонте бремсбергового и уклонного бесступенчатого полей и с проходкой центрально-сдвоенных стволов сразу до конечной отметки ведения горных работ.

В результате завершения исследований получена конкретная процедура оптимизации параметров технологических схем в области вскрытия и выбора порядка отработки шахтных полей.

Не теряют в последнее время, а наоборот приобретают все большую актуальнос ть вопросы и задачи рационального использования всех имеющихся внутренних резервов горно-геологических и технологических ресурсов, поддержания соответс твующего уровня эффективнос ти и экономичнос ти работы шахт.

При этом одним из важных резервов повышения эффективности отработки угольных пластов и вторым по значимости следует считать более полное извлечение запасов за счет последующей выемки предохранительных и охранных целиков.

Анализ структуры потерь на шахтах свидетельствует о том, что в предохранительных целиках только около горных выработок остается до 10-15% всех запасов.

На шахтах с легкостью оставляют весьма значительные по размерам барьерные (между соседними частями шахтного поля) и предохранительные (около горизонтальных и наклонных выработок) целики, ничего не предпринимая для облегчения их последующей (через 5-10 лет) выемки.

Между тем эти запасы вскрыты, подготовлены, законсервированы в работающей шахте. Не нужно осваивать районы, подводить энергию, строить дороги и многое другое, что сопутс твует вовлечению мес торождений в отработку, и на что расходуют огромные денежные, материальные и трудовые ресурсы и, конечно, время.

Очень часто экономическая невыгодность более полного извлечения угольных запасов на действующих шахтах проистекает или от неверных расчетов получаемого эффекта, или из-за трудностей отработки когда-то оставленных целиков ввиду того, что не были предусмотрены элементарные технологические условия для их последующего извлечения.

Анализ показал, что исходя из сложившейся ситуации на рынке энергоносителей, когда уголь является замыкающим после нефти и газа, проверка эффективности отработки целиков становится рациональной, благодаря критерию оптимальности, предусматривающему сопоставление затрат на выемку целиков на конкретной шахте с суммарными (замыкающими) затратами в данном регионе на добычу угля данной марки, данного качес тва, поставляемого конкретным потребителям и др.

Дело в том, что замыкающие затраты по бассейну (региону) устанавливаются из условий рентабельности шахт, из соответс твия с тоимос ти их продукции оптовой цене,поэтому ус тановленные по критерию замыкающих затрат оптимальные параметры целиков для последующей их отработки обладают значительным резервом выгодности, экономической надежности.

В каждом конкретном случае проверку эффективнос ти отработки целиков следует проводить с использованием в качестве базовой следующей формулы:

Э вц = Z ц (С зам.б. + S О, Ц,Р, (А с - А с ) Ц о – С ш + Са + С пр.в - C оч.з - С под ), тыс.

б ш руб., (17) где Э вц - эффект, получаемый вследствие извлечения предохранительного или охранного целика, руб.;

Z ц - объем извлекаемых из целика запасов, т;

С зам.б. -замыкающие затраты по бассейну (региону), руб.;

А с -средняя зольнос ть угля, принятая при установлении замыкающих б затрат по бассейну (региону), %;

S О, Ц,Р, -коэффициент снижения (повышения) тарифа оптовой цены угля в регионе с повышением (снижением) зольности;

А с -средняя зольность угля, добываемого на данной шахте, %;

ш Ц о -оптовая цена 1 т угля на данной шахте, руб/т;

С ш -себестоимость добычи 1 т угля по шахте, руб/т;

С а -капитальные затраты, приходящиеся на 1 т промышленных запасов (принимают на уровне потонной ставки амортизации основных фондов шахты), руб/т;

С пр.в -затраты на проведение дополнительных подготовительных и нарезных выработок, отнесенные к 1 т добычи угля из целика, руб/т;

C оч.з - разница в себестоимости 1 т угля при выемке в очистных забоях шахтных промышленных запасов и запасов из целика, руб/т;

С под - разница в стоимости поддержания горной выработки, охраняемой целиками меньшей и большей ширины, руб/м.

Положительное значение эффекта говорит о выгодности оставления целика увеличенных размеров и его последующей отработки.

Существует реальная возможность не только повысить на 5 - 7 % полноту выемки запасов на шахтах, но и получить при этом значительный экономический эффект.

Оставление предохранительных и охранных целиков больших размеров, нежели требуется по геомеханическим соображениям, является превентивной мерой, позволяющей отрабатывать запасы забоями с оптимальной или близкой к оптимальной длиной лавы, оснащаемой производительными комплексами.

Постановка задачи возможна в двух вариантах.

Детерминированная (однозначная) пос тановка используется в том случае, когда возникает необходимость определения экономичности извлечения целика в некоторых однозначно известных условиях конкретной шахты.

Вероятностная (или многовариантная) постановка используется в том случае, когда определяется облас ть значений параметров целиков и стоимостных характеристик, которая соответс твует облас ти оптимальных значений целевой функции. Такая постановка позволяет выполнять всесторонний анализ влияния тех или иных параметров целиков и технологии на оптимальность отработки запасов угля в целиках.

С учетом силы влияния соответствующих факторов на целевую функцию эффективности извлечения угольных запасов из целиков формируется многофакторная зависимость (модель).

Расчеты произведены на ЭВМ с использованием прикладной программы имитационного моделирования и корреляционно-регрессионного анализа. В результате реализации программного модуля получено многофакторное уравнение регрессии Э = О.28 т + 1.О61 l ц + 48.23 L ц + 95.62 А ш + 0.31 у - 455.76. (18) Коэффициент корреляции RR = 0.865, коэффициент детерминации r = 0.748.

Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что в среднем 75% сформированных вариаций связаны с вариациями отобранных горно геологических и технологических исходных данных.

Перечень факторов в аналитической модели определяется силой влияния каждого из них на целевую функцию. Для оценки точного влияния каждого из факторов - аргументов применен метод парной корреляции.

На основании данных корреляционно-регрессионного анализа построена гистограмма, отображающая влияние каждого из факторов на величину экономического эффекта при выемке запасов из целиков, которое распределилось следующим образом:

1. Вынимаемая мощность пласта, m - 22%.

2. Ширина целика, lц - 20%.

3. Длина целика, Lц - 17%.

4. Зольность по шахте, А ш - 15%.

5. Плотность угля, у- 10%.

6. Прочие факторы - 16%.

Производственная и экономическая оценка отработки целиков разных групп позволяет разделить целики на группы экономически выгодных, перспективных и неэкономичных при применении той или иной технологии их выемки.

Выбор технических средств для извлечения угольных запасов из целиков производился методом экономико-математического моделирования. В результате реализации экономико-математической модели были определены экономически целесообразные технические средства выемки запасов.

По результатам моделирования были пос троены номограммы, позволяющие определить экономически целесообразные параметры вынимаемого целика соответс твующими средствами выемки и установить их экономическую эффективность.

Проведенные расчеты выявили следующие основные аспекты:

- оставление предохранительных целиков больших размеров, чем необходимо по геомеханическим требованиям, предопределяет техническую и экономическую целесообразность их последующей выемки. Целики, оставляемые между основными наклонными выработками, сохранившими свое сечение, как правило, выгодно отрабатывать даже при обычных размерах, если себестоимость добычи на шахте ниже региональных замыкающих затрат. При увеличении же их размеров до 100 - 200 м эта выгодность с тановится особенно значительной;

- отработка целиков, примыкающих к выработанному прос транс тву и имеющих малые (соответствующие геомеханическим требованиям) размеры, как правило, не сопровождается экономическим эффектом, а наоборот связана с ущербом. Увеличение их размеров до 60 - 100 м приводит при последующей выемке к региональному экономическому эффекту, и отработка всего комплекса целиков у наклонных выработок становится оправданной;

- особенно важно то обс тоятельство, что увеличение размеров целиков дает возможность отрабатывать их забоями с оптимальной или близкой к оптимальной длиной лавы, оснащаемой современными очис тными комплексами, что в свою очередь приводит к выравниванию себестоимостей угля из очистных забоев целиков и из обычных очистных забоев.

Наиболее характерные технологические схемы выемки целиков, применение которых целесообразно на пластах мощностью от 0,7 до 2,5 (3) м с углами падения до 18°, установлены в результате обобщения производственного опыта и аналитической оценки: