ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ГОРНОМ ДЕЛЕ

В. Л. Конюх, В. В. Зиновьев (Кемерово)
 
 

Разнообразие условий залегания и добычи полезных ископаемых, высокая стоимость технологических и технических решений в горном деле делают целесообразным перебор вариантов ведения горных работ на персональном компьютере технолога. Имитационные эксперименты с моделью горных работ позволяют до реальных инвестиций в производство ответить на вопросы: какие изменения техники и технологии приведут к увеличению производительности? как согласовать работу участков технологической цепи? какое оборудование потребуется при переходе на другие участки добычи? какое расписание работы участков эффективнее? как продолжать работу при отказах оборудования?

В 1958 г. имитационное моделирование впервые было применено для планирования бурения, взрывания, погрузки и крепления в забоях угольной шахты [1]. В 60-х годах с помощью имитационного моделирования на языке Фортран стали решать задачи по анализу работы шахтной транспортной сети, процессов камерной выемки, взаимодействия самосвалов и экскаваторов на разрезе, работы рельсового транспорта на поверхности. Разработка модели из 50–70 тысяч команд требовала много времени и часто отставала от развития горных работ. С появлением специализированных языков приложения имитационного моделирования в горном деле стали расширяться [2]. Чаще всего модели горных работ разрабатывают на языке GPSS/H [3].

В 1996 г. Афинский национальный технический университет и университет Айдахо через Интернет провели Первый международный симпозиум по моделированию горных работ (MINESIM’96), на котором было представлено более 200 докладов [4]. В США, Австралии, Южной Африке, Чили, КНР и других странах организуются семинары для горных инженеров, стремящихся освоить методы компьютерной имитации горных работ; ведется обучение студентов [5].

В России с 60-х годов имитационным моделированием горных работ занимались Гипроруда, НИИКМА, ИПКОН, НИГРИ, ИГД СО АН СССР, ИГД Кольского НЦ АН СССР [6]. В 1988 г. на Всесоюзной конференции «Имитационное моделирование в горном деле», обсуждалось 30 работ, посвященных расчетам на компьютерах систем уравнений со случайными коэффициентами [7]. В них применялись несвойственные имитационному моделированию выражения «имитационный расчет», «расчет модели», «имитация как последовательность уравнений».

В настоящее время работы по имитационному моделированию горных работ в России практически не ведутся, несмотря на развитие возможностей персональных компьютеров, появление новых задач и методов имитационного моделирования.

Имитационным моделированием мы начали заниматься в 1989 г., с анализа возможных приложений роботов для добычи полезных ископаемых [8]. Имитация шахтных робототехнических систем сетями Петри позволила выбрать структуры роботизированных технологий горных работ и обосновать требования к шахтным роботам [9]. Стали появляться новые приложения имитационного моделирования, некоторые из которых описаны ниже.

Сеть конвейеров шахты «Распадская»

По заказу шахты имитировалась работа конвейерной сети при случайных грузопотоках из забоев с целью выбора промежуточных бункеров и приемной способности конвейеров по наклонному стволу (рис. 1). Кроме того, оценивались максимальные уровни заполнения бункеров, динамика заполнения бункеров при случайной остановке конвейеров и допустимое время остановки конвейеров, выбирались скорости разгрузки распределенных вдоль конвейера бункеров и расписание работы забоев [10].

 

а)

 

 

 

б)

Рис. 1. Имитация работы транспортной сети шахты «Распадская»:

а – компьютерное отображение движения угля;

б – влияние промежуточных бункеров на загрузку конвейера по наклонному стволу

Диспетчеризация конвейерно-локомотивного транспорта шахты «Комсомолец»

По заказу шахты разработана имитационная модель работы транспорта, позволяющая в ускоренном времени прогнозировать последствия решений диспетчера (рис. 2). Имитацию ведут одновременно с работой транспорта. На мнемосхеме отображаются работа забоев, движение угля, количество угля в бункерах, движение поездов, состояние светофоров. Диспетчер направляет поезд под бункер, который будет заполнен раньше.

 

Рис. 2. Применение имитационного моделирования для диспетчеризации
конвейерно-локомотивного транспорта шахты «Комсомолец»

Взаимодействие экскаваторов и самосвалов на разрезе «Кедровский»

Оценивались использование экскаваторов и очереди самосвалов разной грузоподъемности в местах погрузки и разгрузки при случайных изменениях времени рейса и погрузки (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Взаимодействие экскаваторов и самосвалов на разрезе «Кедровский»

Технологии проведения выработок

Имитировались технологии проходки комбайновым и буровзрывным способами (рис. 4). В экспериментах изменялись время технологических операций, длина выработки, емкость средств доставки. Оценивались время и трудоемкость проходческого цикла, степень использования горных машин.

 

  Рис. 4. Имитация проходки выработки комбайном избирательного действия

Многозабойная технология горных работ

Одна или несколько самоходных машин работают по заказам из забоев. Оценивалось соотношение машин и забоев для работы без простоев (рис. 5).

 

 

а)                                                                   б)

Рис. 5. Многозабойная технология горных работ:

а – проведение выработок; б – доставка материалов по заказам из забоев

 

Компоновка оборудования очистного забоя

Технолог вводит в компьютер условия выемки, типы и характеристики комбайна, крепи, конвейера, крепи сопряжения. В результате имитационного моделирования определяют производительность забоя для выбранного набора оборудования.

Группирование горнодобывающих предприятий по максимуму прогнозируемой прибыли

Имитируется работа групп шахт и разрезов за заданный период времени с учетом случайных затрат на добычу, ввода и выбытия производственных мощностей, колебаний цен на уголь (рис. 6). В результате моделирования формируют группу, работа которой обеспечит максимум прибыли.

 

 

        а)                                                                       б)

Рис. 6. Группирование шахт и разрезов:
а – ввод данных; б – результаты моделирования

При разработке имитационных моделей нами использовались специализированные языки GPSS/HÒ, Proof AnimationÒ, имитатор сетей Петри NetStar 2.01 и универсальный язык. Обсуждение результатов и накопленный опыт позволили выделить три группы практических приложений имитационного моделирования в горном деле [11, 12]:

-        проектирование горнодобывающих предприятий – сравнение вариантов взаимодействия горных машин, согласование работы элементов технологической цепи, оптимизация промежуточных емкостей и резервного оборудования, выбор стратегии развития горных работ;

-        модернизация предприятия – выявление узких мест; определение загрузки оборудования, расписание работы участков, оценка эффективности инвестиций в развитие производства, ввод и замена оборудования, организация работы транспорта, влияние отказов на производительность;

-        управление производством – отбор информации для управления, сопоставление вариантов управления, управление при прогнозе изменений рынка, выбор методов управления;

-        взаимодействие предприятий – выбор вариантов размещения предприятий, группирование предприятий по прогнозируемой прибыли, управление группой предприятий в условиях рынка.

Работа выполнялась по гранту Научного Комитета НАТО (OUTR CRG № 960628 «Имитация и анимация процессов добычи угля в России») и проекту ФЦП «Интеграция» (У0043/995 «Подготовка кадров в области информационных технологий производства для Кузбасса»).

Литература

1.      Koenigsberg E. Cyclic Queues//Operations Research Quart. – 1958. – Vol. 9, № 1. – Р. 22–35.

2.      Sturgul, J.R. Mine Design: Examples Using Simulation. – Soc. of Mining Engr. (USA): Littleton, 2000. – 232 р.

3.      Sturgul J.R. Simulation languages for mining engineers//Mine Simulation. – 1997. – Rotterdam: Balkema. – 29 р. (incl. CD-ROM).

4.      Sturgul J.R., Panagiotou G.N., eds. History of Simulation in Mining/1st Inter. Symp. on Mine Simulation via the Internet. – Balkema, Rotterdam, Holland. – Dec.1996.

5.      Panagiotou G.N. at al. E-Learning and Mining Engineering Education//Proc. of the 11-th Int. Symp. on Mine Planning and Equipment Selection (MPES’2002). – Czech.Rep., Ostrava, 2002. – Р. 493-498.

6.      Konyukh V., Galiev S., Li Z. Mine Simulation in Asia//International Journal of Surface Mining, Reclamation and Environment. – 1999. – Vol. 13, № 2. – Р. 57–67.

7.      Имитационное моделирование в горном деле. Сб. тр. Всесоюзн. конф. /Институт горного дела Кольского НЦ АН СССР. – Апатиты, 1988.

8.      Конюх В.Л., Тайлаков О.В. Предпроектный анализ шахтных робототехнических систем. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1991.–182 с.

9.      Konyukh V., Davidenko V. Petri Nets as a tool for mine simulation//Mineral Resources Engineering. – 1999. – Vol. 8, № 4. – Р. 361–371.

10.  Konyukh V., Davidenko V., Becker H., Koltzov S. Computer simulation of mine-wide conveyor transport//Proc. of the 26-th International Symposium on Computer Applications in the Mineral Industries (APCOM-XXVI). – Pennsylvania State University (USA), 1996. – Р. 457–461.

11.  Конюх В.Л. Компьютерное моделирование динамики горных работ//Горный журнал. Изв. вузов. – 2002. – №6. – С. 16–24.

12.  Стургул Д., Конюх В.Л. Компьютерная имитация горных работ//Горный вестник. – 1998. – № 1. – С. 77–81.