Методологічні основи забезпечення надійності функціонування вугільної шахти, як єдиного технологічного комплексу з комп'ютеризованою системою управління

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Методологічні основи забезпечення надійності функціонування вугільної шахти, як єдиного технологічного комплексу з комп'ютеризованою системою управління

05.15.02 - "Підземна розробка родовищ корисних копалин"

Сургай Микола Сафонович

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки Національної академії наук України (ІГТМ НАН України) і в Державному науково-дослідному проектно-конструкторському і проектному інституті вугільної промисловості.

Науковий консультант - доктор технічних наук, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки Виноградов В.В., ІГТМ НАН України, заступник директора інституту з наукової роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Колоколов О.В., Національний гірничий університет України, професор кафедри підземної розробки родовищ; доктор технічних наук, професор Усаченко Б.М., ІГТМ НАН України, завідувач відділом; доктор технічних наук, професор Антіпов І.В., Інститут фізики гірничих процесів НАН України, завідувач відділом.

Провідна організація: Донецький науково-дослідний інститут вугільної промисловості Міністерства палива і енергетики України, лабораторія удосконалення шахтного фонду.

Захист відбудеться " 27 " грудня 2002 року о 13 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ІГТМ НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий " 22 " листопада 2002 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Перепелиця В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вугілля - головний енергоносій в Україні, найважливіша сировина для чорної металургії і хімічної промисловості, значною мірою основний вид палива для населення та комунально-побутових споживачів. Вугілля - гарант енергетичної, а значить політичної і економічної незалежності України.

Надійність функціонування вугільних шахт України невисока і підтримується за рахунок резервування і дублювання основних виробничих фондів. Шахти з великою кількістю видобувних і прохідницьких вибоїв більш стійкі до виробничих негараздів, оскільки невиконання завдань на одних ділянках можуть бути компенсовані завдяки високопродуктивній роботі інших. Україна розраховується за такий підхід великою довжиною підтримуваних гірських виробок, значною чисельністю працівників, складністю структури управління підприємством, низькою ефективністю використання виробничих фондів, високою собівартістю видобутку вугілля. Екстенсивний шлях підтримки працездатності вугільних підприємств себе вичерпав, у держави відсутні кошти для щорічного введення в експлуатацію великої кількості лав, а багато шахт не встигають виконати необхідний обсяг підготовчих робіт.

Проблема забезпечення надійного функціонування шахти обумовлює необхідність розгляду підприємства у вигляді єдиного технологічного комплексу (ЄТК), що складається з багатьох машин, обслуговуючого персоналу і середовища з підвищеною небезпекою й агресивністю, у якому вони працюють. Проблема досить складна, не вивчена і є однією з причин того, що фактична продуктивність і ефективність застосування на шахтах нової високопродуктивної техніки істотно нижче проектних. У 1999-2001 роках намітився деякий підйом рівня видобутку, насамперед унаслідок застосування очисної, прохідницької і транспортної техніки сучасного технічного рівня. Разом з цим, створення і впровадження нової техніки призвело до появи комплексу дуже серйозних проблем: зростання ризику виникнення небезпечних ситуацій через газовий та інші фактори; лавиноподібне зниження надійності роботи шахтних підсистем від впливу навіть незначних відмовлень, у тому числі, у допоміжних службах; відсутність надійного контролю роботи підсистем і ефективного управління ними; невідповідність традиційних розкроїв шахтного поля, параметрів виїмкових стовпів і інфраструктури шахти цілком новим можливостям техніки. Такий стан зумовлений відсутністю методології забезпечення системної надійності шахт, відсутністю простих і доступних для використання методів об'єктивної оцінки стану шахтних підсистем, обмеженою можливістю застосування традиційних автоматизованих засобів контролю і діагностики всіх підсистем шахти і т.п.

У зв'язку з бурхливим розвитком в останні роки обчислювальної техніки стало можливим з мінімальним обсягом застосування технічних засобів моніторингу створювати, накопичувати й аналізувати бази даних і, одержавши повну і достовірну інформацію про реальний стан підсистем, ефективно контролювати і керувати надійністю всіх технологічних підсистем гірничого підприємства.

Світова практика довела, що саме шахти нового технічного рівня здатні оздоровити галузь і економіку країни в цілому. Високі економічні показники таких шахт досягнуті за рахунок високопродуктивного функціонування всіх підсистем. Це дозволило суттєво спростити організаційну структуру шахт, знизивши кількість лав та сумарну довжина гірничих виробок, а також зменшити кількість одиниць складного технологічного устаткування. А також, завдяки вчасному та оперативному прогнозу змін стану та умов функціонування її підсистем, яке виконується за допомогою технічного, геомеханічного, технологічного, інших видів моніторингу та комп'ютеризованого управління, стало можливим істотне скорочення простоїв гірничошахтного устаткування і досягнута надійна та ритмічна робота цих шахт.

Сучасне високопродуктивне і прибуткове вітчизняне вуглевидобувне підприємство повинне мати мінімальну кількість підсистем, комп'ютеризоване керування якими призведе до ритмічної роботи основних технологічних ліній та інфраструктури, що їх забезпечує. Впровадження сучасних методів попереджувального керування перебігом технологічних процесів, попереджувальної профілактики устаткування і безпеки праці з одночасним підвищенням якості і дієвості гірничого нагляду дозволять гарантовано у встановлений термін з дотриманням вимог нормативних документів і відповідно до паспортів ведення робіт виконувати завдання без виникнення небезпечних відмовлень та створення аварійних ситуацій. В Україні вугільні шахти такого рівня в даний час відсутні. Тому розробка методологічних основ забезпечення надійності функціонування вугільної шахти, як єдиного технологічного комплексу з комп'ютеризованою системою управління, для наукового обґрунтування методів підвищення ефективності роботи підприємств та оздоровлення галузі, є актуальною науково-технічною проблемою, що має важливе народногосподарське і соціальне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до "Програми розвитку вугільної промисловості і соціальної сфери шахтарських регіонів на період до 2005 року” (Програма "Вугілля"), а також - згідно з науково-технічними програмами НАН України, тематичними планами ІГТМ НАН України, ДонВУГІ й УкрНДІпроект, виконаними за завданнями Мінвуглепрому України А2219524000 "Розробити програмне забезпечення системи управління сучасною шахтою (СОФШ), як єдиним надійним і ефективним технологічним комплексом" (№ держреєстрації 0193U029925).

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей зміни потоку відмовлень у роботі шахтних підсистем в якості інформаційної бази для управління надійністю шахти, як єдиного технологічного комплексу.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методологічних основ надійного функціонування вугільної шахти, як єдиного технологічного комплексу з комп'ютеризованою системою управління для підвищення ефективності роботи вуглевидобувних підприємств.

Для досягнення зазначеної мети вирішувалися наступні задачі:

1. Виконати аналіз проблем забезпечення надійного функціонування вугільної шахти, як єдиного технологічного комплексу.

2. Обґрунтувати науково-технічні принципи створення комп'ютеризованих систем управління надійністю роботи шахти, як єдиного технологічного комплексу.

3. Розробити методологічні основи надійного функціонування виробничих підсистем шахти.

4. Виконати економіко-математичне моделювання процесів управління функціонуванням шахти.

5. Розробити методологічні основи комп'ютеризованого управління надійністю роботи підсистем і шахти в цілому.

6. Розробити методологічні основи забезпечення надійності роботи шахти при оснащенні устаткуванням і засобами управління нового технічного рівня.

Об'єктом досліджень є процеси функціонування шахти, необхідні і достатні для оцінки надійності й ефективності вуглевидобутку.

Предмет дослідження - управління надійністю роботи шахти при її оснащенні технікою нового технічного рівня і сучасними комп'ютерними технологіями для інформаційного забезпечення провідних керівників.

Методи досліджень. У роботі застосовано комплексний метод досліджень функціонування шахти та системний підхід до обґрунтування методології управління її надійністю. У теоретичних дослідженнях використано фундаментальні положення і методи теорії випадкових процесів, теорії надійності, теоретичної механіки і моделювання, методи обробки випадкових процесів і математичної статистики. Також застосовано методи: експертних оцінок якості виконання виробничих завдань, ідентифікації стану підсистем шахти і відхилення показників їхньої роботи від параметрів штатного перебігу технологічних процесів.

Наукові положення, що захищаються автором:

1. Ймовірність безвідмовної РБВ роботи шахти, як єдиного технологічного комплексу (ЄТК), визначається структурою її підземного господарства, кількістю і порядком взаємодії підсистем, лінійно збільшуючись зі зростанням усередненого значення коефіцієнтів готовності підсистем і знижуючись в залежності показникового виду зі збільшенням числа інваріантних складових у ланцюзі процесів "виїмка - кріплення - транспорт - забезпечення вуглевидобутку - реалізація вугілля".

2. Граничне значення коефіцієнту готовності вуглевидобутку КГш шахти, як ЄТК за фактором нульової прибутковості визначається відношенням необхідних витрат на відновлення комплексів машин і устаткування до річного доходу, при цьому КГш змінюється прямо пропорційно витратам на відновлення комплексів машин і устаткування і обернено пропорційно доходу шахти від реалізації видобутого вугілля на протязі року.

3. Зміна рівня надійності шахти, як ЄТК, який оцінюється імовірністю РБВ(t) її безвідмовної роботи в часі, адекватно визначається показниками і - швидкостей зниження і відновлення надійності роботи цього ЄТК і відношенням тривалостей стадій зниження ТП і відновлення ТВ надійності, а ефективність U управління надійністю шахти - відношенням

і при комп'ютеризованому управлінні U логарифмічно збільшується з ростом швидкості процесу "збір, аналіз даних - прийняття, реалізація рішення", гіперболічно зменшуючись зі збільшенням кількості основних елементів в ЄТК.

4. Показником, що індикативно відображає валідність шахти, як складної технічної системи, є гранична тривалість ТКР напрацювання на макровідмовлення, при цьому, якщо тривалість стадії зниження надійності перевищує граничну, то це призводить до росту фактичної потужності шахти, а при тривалості цієї стадії менше ТКР - до неповної реалізації її технічних можливостей, причому ТКР лінійно збільшується з ростом швидкості відновлення і гіперболічно знижується при збільшенні швидкості напрацювання шахти на макровідмовлення.

Наукова новизна отриманих результатів:

1) вперше надано наукове обґрунтування системного підходу до вирішення комплексу проблем забезпечення стабільності і надійності функціонування шахти, який базується на уяві про шахту, як про складну технічну систему з періодичною втратою і відновленням працездатності і розроблено систему показників її оцінки, до яких відносяться: і - швидкості зниження і відновлення надійності;

ТЦ = TП + TВ

- тривалість циклу зміни надійності системи; TП і TВ - тривалості стадій зниження і відновлення надійності системи; - амплітуда коливання надійності і - її критичний рівень;

- ефективність управління надійністю шахти, як ЄТК;

2) встановлено, що існуючі підходи до забезпечення надійності роботи шахти, засновані на оцінках за "кінцевим результатом", не задовольняють сучасним техніко-економічним і соціальним потребам суспільства, що обумовлює необхідність розробки нових методів управління надійністю, які мають базуватися на "попередженні" мікро- і макровідмовлень при комп'ютеризованих способах підготовки і використання інформативних параметрів роботи шахти, як ЄТК;

3) вперше встановлено залежності ймовірності безвідмовного вуглевидобутку шахти, як ЄТК, від усередненого значення коефіцієнтів готовності робочих процесів і кількості операцій в основних технологічних процесах при різних структурах шахтного господарства, кількості і порядку взаємодії його підсистем;

4) вперше встановлено зв'язки граничної тривалості напрацювання шахти на системне відмовлення від рівня організації системи попередження відмовлень у періоди втрати і відновлення працездатності і в залежності від критичного рівня амплітуди її коливань, , та інших параметрів, що відображують технічні можливості шахт;

5) розроблено методологічні основи створення комп'ютеризованих засобів управління надійністю роботи шахти, які враховують складність умов роботи персоналу та експлуатації обладнання, забезпечують повний контроль перебігу технологічних процесів із мінімальним використанням технічних засобів поточного моніторингу, відрізняються від відомих складом інформаційної бази (дані про потік відмов в шахтових підсистемах, отримані за допомогою комп'ютеризованої нарядної системи, результати аналізу за допомогою моделі Кобба-Дугласа техніко-економічного стану шахти, як ЄТК та дані про поведінку показників і ), та дозволяють максимально реалізувати потенціал шахти для підвищення ефективності її функціонування;

Практичне значення отриманих результатів:

1) розроблено і впроваджено на галузевому рівні методику оцінки техніко-економічного стану вугільних шахт України із пластами потужністю до 2,5 м і кутами падіння до 350, на базі якої розроблений підхід до створення еталонних моделей роботи високонадійних шахт, а також тих, які прагнуть до надійного функціонування чи мають обмежену надійність роботи;

2) розроблено і впроваджено на галузевому рівні науково обґрунтовані рекомендації з технічного переоснащення і розвитку вугільних шахт України, що є базою для формування програм і основних напрямків розвитку галузі;

3) розроблено пакет прикладних комп'ютерних програм, впровадження якого дозволяє керувати надійністю роботи основного та допоміжного обладнання із мінімальним використанням технічних засобів автоматизованого збору та передачі інформації про їх стан в умовах високої рухомості робочих місць;

4) розроблено на новій науковій основі прикладні комп'ютерні програми формування наряд-путівок, які дозволяють, крім їхнього основного призначення, оперативно проводити поточний моніторинг стану обладнання, гірського масиву, умов праці на робочих місцях під час роботи шахти у високонавантаженому режимі;

5) розроблено технічні вимоги до проектування і впровадження у виробництво системи комп'ютеризованого керування надійністю роботи шахти, принципи створення й експлуатації якої науково обґрунтовані і надають реальні можливості широкого використання в галузі сучасних методів керування та є базою для створення високонадійних і прибуткових підприємств.

Результати дисертаційної роботи і розроблені на їх базі методологічні основи забезпечення надійного функціонування вугільної шахти, як єдиного технологічного комплексу з комп'ютеризованою системою керування, реалізовані також у вигляді ряду нормативних документів, що затверджені на:

а) державному рівні:

- Програма розвитку вугільної промисловості та соціальної сфери шахтарських регіонів на період до 2005 (програма "Вугілля", Київ - 1994);

- Програма "Українське вугілля" (Київ - 2001);

- Правила безпеки у вугільних шахтах /ДНАОП1.1.30-1.01.96/ (Київ.- 1996);

- Збірник інструкцій до правил безпеки у вугільних шахтах (Київ.- 1996);

б) рівні галузі:

- Про підвищення рівня оперативного керування виробництвом і удосконалення нарядної системи в галузі. Наказ Міністра вугільної промисловості УРСР № 184 від 15.11.85 (Мінвуглепром УРСР.- Донецьк. - 1985);

- Довідник по розробці крутих і крутонаклоних вугільних пластів Донбасу (Донецьк, - 1994);

- Програма реформування та фінансового оздоровлення підприємств вугільної промисловості України на 2000 рік (Держвуглепром України, Київ - 1999);

- Програма розвитку буровугільного комплексу України на 2001-2010 роки (Держвуглепром України, Київ - 2001);

- Методика оцінки техніко-економічного стану вугільних шахт України із пластами потужністю до 2,5 м і кутами падіння до 350 для розробки пропозицій по їхньому технічному переснащенню (Дніпропетровськ - Київ - Донецьк, 2001);

- Рекомендації з технічного переоснащення і розвитку вугільних шахт України, що розробляють пласти потужністю до 2,5 м з кутами падіння менш 350 (Дніпропетровськ - Київ - Донецьк, 2001).

Робота має великий соціальний ефект, оскільки містить науково-методологічні основи управління вугільною шахтою, використання яких покращить техніко-економічний стан галузі.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета, ідея, задачі, обрані методи досліджень, обґрунтовано науково-технічні і методологічні принципи забезпечення надійності роботи шахти, як єдиного технологічного комплексу. Він також узяв безпосередню участь у підготовці на різних етапах державних програм розвитку вугільної галузі, методологічних основ забезпечення надійності функціонування шахти, комп'ютеризованої нарядної системи та розробці на її основі методів моніторингу шахтних підсистем, рекомендацій зі створення в галузі шахт нового технічного рівня. Основні наукові результати, висновки і рекомендації отримані і сформульовані автором самостійно. Зміст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів дисертації.

Основні наукові положення роботи і її окремих розділів доповідалися й одержали схвалення на 15-му Всесвітньому гірничому конгресі (Іспанія, Мадрид, 1992 рік), 16-му Всесвітньому гірничому конгресі (Болгарія, Софія, 1994 рік), 17-му Всесвітньому гірничому конгресі (Мексика, Акапулько, 1997 рік), 18-му Всесвітньому гірничому конгресі (США, Лас-Вегас, 2000 рік), на науково-практичній конференції "Проблеми проведення і кріплення гірських виробок в Західному Донбасі" (Павлоград, 2000 рік), на I і II Промислових міжнародних науково-практичних конференціях "Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах" (Славське, 2001 і 2002 р.), на IV і V Міжнародних енергетичних форумах (Ялта, 2001 і 2002 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 61 науковій праці, з них - 24 у наукових фахових виданнях, у тому числі 4 монографій, 8 робіт опубліковано без співавторів.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку літератури зі 172 найменувань і 3-х додатків. Робота містить 312 сторінок, з них 189 сторінок основного тексту, 34 сторінок малюнків і 18 таблиць, список використаних джерел на 15 сторінках, 32 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Результатами аналізу проблеми забезпечення надійного функціонування вугільної шахти, як єдиного технологічного комплексу доведено, що стандартні підходи, перспективні і результативні тільки для управління надійністю функціонування технічних систем, тобто замкнених із постійними схемами і зв'язками між їхніми елементами. Шахти - відкриті системи, схеми і параметри яких змінюються під час розробки пластів вугілля як у шахтовому просторі, так і у часі. Тому стандартні підходи, основані на моделюванні реальної шахті як технічної системи не здатні задовольнити потреби оперативного та стратегічного управління її надійністю. Шахту необхідно розглядати в цілому, як єдиний технологічний комплекс. Такий підхід вимагає визначити надійність шахти як її здатність підтримувати протягом регламентованого періоду часу необхідний рівень показників продуктивності, рентабельності, безпеки праці та інших технічних, соціальних та економічних показників стану підприємства.

В зв'язку з новим підходом надійність функціонування шахти необхідно визначати в залежності від: режиму (штатний чи позаштатний) перебігу усіх технологічних процесів; повноти та якості виконання виробничим персоналом поточних завдань згідно із технологічними регламентами, інструкціями і паспортами; повноти та якості контролю персоналом нагляду виконання завдань і безпеки праці, ходу технологічних процесів і стану всіх шахтних підсистем, вчасності виявлення та адекватності реагування на порушення і відхилення; своєчасності відновлення витраченого ресурсу шахти (у тому числі відновлення лінії очисних робіт), машин, механізмів та іншого обладнання; якості приведення масиву гірських порід з виробками та пило-газового середовища шахти в безпечний стан; оптимальності співвідношень між витратами на її життєзабезпечення, ведення гірських робіт і вартості товарної продукції; наявності безпосередньо на шахті коштів від реалізації товарної продукції та іншого.

Окремі питання проблеми управління надійністю функціонування шахт розглядалися науковцями ІГС ім. О.О. Скочинського, МДГУ, С-ПДГІ (ТУ), ВНДІВугілля (Росія), ІГТМ НАНУ, НГУ, ДонТУ, ДонВУГІ та інших науково-дослідних та проектно-конструкторських організацій. Ними розроблено методи визначення показників надійності, оптимізації їх рівня, системи автоматизованого управління для окремих технологічних схем та видобувних процесів, гірничих машин і комплексів, конвеєрного транспорту та іншого обладнання.

Забезпечення надійності роботи шахти зводиться до пошуку рішень, які, із урахуванням природних особливостей родовища та наявної виробничої потужності, оптимізують розподіл наявного фонду матеріальних, людських та фінансових ресурсів на своєчасне попереджувальне відновлення умов для безпечної праці та витраченого ресурсу виробничої потужності в цілому по підприємству і в його підрозділах, та дозволять виконувати поточні та довгострокові програми, завдання та договірні зобов'язання із високими навантаженнями та мінімальними збитками від простоїв і аварій.

Задачі, пов'язані з оцінкою показників надійності функціонування людино-машинних об'єктів, складні взагалі, а для таких об'єктів, як шахта - складні особливо. Методик пошуку їх рішень у даний час не існує, незважаючи на надзвичайно високу їх важливість та актуальність, бо надлишкове чи недостатнє виділення ресурсів на вирішення окремого виробничого питання призводить до зниження надійності роботи підприємства в цілому. Інтуїтивним шляхом вірні рішення вдається отримати тільки директорам шахт-лідерів вугільної промисловості. Пошук рішень відбувається за допомогою дієздатної "команди", яка зацікавлена в ефективній довгостроковій роботі і за її участю керівник раціонально перерозподіляє фінансові, матеріальні і трудові ресурси шахти. Разом з тим, у вирішенні цієї проблеми взагалі, насамперед усього для "рядових" шахт галузі, є державна потреба, бо зараз витрачаються значні бюджетні кошти на підтримку працездатності цих шахт, однак рівень вуглевидобутку на них зростає дуже повільно. Більш повне використання потенціалу шахт на основі підвищення надійності їхньої роботи призведе до суттєвого росту продуктивності праці шахтарів та обсягів вуглевидобутку в цілому по галузі.

Шляхи розв'язання проблеми забезпечення надійності функціонування шахти, пов'язані з розробкою відповідної комп'ютеризованої інформаційної бази, методик обробки даних про потік відмовлень, що виникають в шахтних підсистемах та розробці інтегральних, у тому числі, ймовірносних показників та параметрів, які характеризують інтенсивність цього потоку, та придатні для аналізу і управління надійністю роботи шахти в цілому.

На базі теоретичного узагальнення результатів попередніх досліджень, з урахуванням розробок автора, обґрунтовано науково-технічні принципи створення комп'ютеризованих систем управління надійністю роботи шахти, як ЄТК.

Основу фінансового благополуччя складає ритмічна і стабільна робота підприємства в цілому, неухильне виконання змінних, добових, місячних і річних завдань, а також договірних зобов'язань. Прийняття вірних рішень керівництвом тісно пов'язано із повнотою аналізу всієї інформації щодо перебігу технологічних процесів, безпеки праці та інших технічних, соціальних та економічних показників стану підприємства. Впровадження автоматизованих систем управління істотно не допомогло директору у цій справі, а навпаки - ще більше віддалило його від первинної інформації, оскільки для прийняття рішення він повинен спиратися на висновки та узагальнення зроблені не ним особисто.

Для пошуку шляхів розв'язання цієї проблеми автором розглянуто і досліджено технологічні, організаційно-управлінські, технічні і економічні причини та виділені в них найбільш значущі, які впливають на управління надійністю роботи шахт. До істотно впливових факторів віднесені такі, що призводять до зменшення обсягів видобутку вугілля і втрати виробничої потужності всією шахтою. Це - понаднормативний знос та експлуатація гірничошахтного обладнання з порушенням регламентів та паспортів ведення робіт, відсутність діагностичних даних про їх фактичний стан та інше (перша група). До другої групи віднесені помилкові управлінські та інженерні рішення, невиконання розпоряджень і наказів, порушення виробничої дисципліни, недосконалість виробничої чи управлінської структури, відсутність або невідповідність нормативів та інше. До третьої - раптові викиди вугілля, породи і газу, обвалення гірських порід, втрата стійкості виробок, погіршення пило-газового стану гірничих виробок, відсутність діагностичних даних про фактичний стан і властивості середовища та інше. Невиконання договірних зобов'язань щодо обсягів або якості продукції, високої її собівартості та низької реалізації, уповільнене повернення коштів, заборгованість перед постачальниками і по заробітній платі працівникам, та інше - до четвертої групи.

При налагодженій роботі управління, служб і виробництва, директора цікавить не сам перебіг виробничого процесу, а його відхилення від “штатного” режиму. Такі відхилення правлять йому вихідними даними для прийняття рішень щодо: перерозподілу ресурсів, заміни устаткування, ремонту, залучення послуг сторонніх організацій, комплектації виробничого персоналу, відповідності посадових осіб службовим обов'язкам і т.п. Тому дані про загальні і окремі процеси, що відбуваються на шахті в "штатному" режимі, повинні бути стислими, а інформація про відмовлення відповідно підготовленою для прийняття директором єдиного вірного рішення.

Розглядаючи шахту, як ЄТК, відмовлення у її роботі необхідно класифікувати на ті, для усунення яких або потрібно, або не потрібно втручання директора. Відмовлення, усунення яких потребує втручання директора, отримали у роботі назву "макровідмовлення". Значною мірою рівень, при якому рядове відмовлення перетворюється в макровідмовлення є умовним, оскільки директор в наслідок своєї особистості може відслідковувати і приймати рішення щодо всіх подій які мають місце на шахті. Однак рівень відмовлень, для усунення негативного впливу яких керівник зобов'язаний приймати рішення про перерозподіл ресурсів, про невідповідність підлеглих займаній посаді, про необхідність залучення до робіт сторонніх організацій і т.п., уявляється досить визначеним. При цьому основними інформативними показниками роботи шахти, через відхилення яких від штатних директором приймаються коригуючі дії в першу чергу є: обсяги вуглевидобутку та прохідницьких робіт, реалізація вугілля та наявність коштів, стан безпеки робіт та інше. Введення поняття "макровідмовлення" дозволило автору визначити ймовірність РБВ безвідмовної роботи ЄТК як відношення тривалості напрацювання на макровідмовлення до суми тривалостей напрацювання на макровідмовлення та на його усунення.

Дослідження надійності технічних об'єктів, технологічних і людино-машинних систем шахти підтвердили уявлення про шахту, як про складну технічну систему з періодичною втратою і відновленням надійності, і стали основою для розробки науково-технічних принципів створення комп'ютеризованої системи управління надійністю підприємства. Основними джерелами поточної інформації про стан виробництва, підсистем та обладнання, в зв'язку з високою рухомістю робочих місць і складністю умов для застосування технічних засобів моніторингу, є: експерти (відповідальні виконавці робіт та особи нагляду) та незначна кількість технічних засобів контролю стану шахтної атмосфери, транспортних потоків та інше (принцип використання комбінованої експертної та технічної системи збору даних). Ці джерела повинні видавати інформацію про пересічні та суттєві відхилення всіх виробничих процесів від їхнього штатного перебігу (принцип селекції інформаційних потоків) із кваліфікацією за причинами, рівнем впливу на функціонування шахти як ЄТК, за місцем та часом виникнення відмов (принцип тотальності контролю). Валідність шахти, як складної технічної системи, до високопродуктивної і прибуткової діяльності досягається попередженням можливих відмовлень у її роботі та відслідкуванням залишкового ресурсу підприємства, підсистем та обладнання (принцип попередження відмовлень). Інформація про потік відмовлень та поточний стан підприємства повинна надаватися у вигляді найбільш сприятливому для прийняття вірних управлінських рішень (принцип сприятливості поданої інформації).

Для розробки методологічних основ управління надійністю функціонування виробничих підсистем шахти проаналізовано характеристики шахтного фонду України, основні проблеми і перспективи його надійного функціонування. З цих позицій, за результатами аналізу основних тенденцій розвитку вуглевидобутку у світі, виконано оцінку стану вітчизняної вугільної промисловості.

У 1999-2002 роках намітився деякий підйом рівня видобутку, насамперед внаслідок застосування нової очисної, прохідницької і транспортної техніки. Разом з цими позитивними процесами виявилася низка серйозних негативних: зниження основних показників надійності роботи шахт у цілому і їхніх основних підсистем зокрема, погіршення якісного складу і характеристик робочих колективів більшості шахт галузі; зниження рівня і якості матеріально-технічного постачання, ремонтної, профілактичної та інших сфер забезпечення надійності роботи шахти. Диспропорції у розвитку систем збуту вугілля, його видобутку і переробки та поступова втрата внутрішнього ринку збуту у забезпеченні потреб енергетики, коксохімії і металургії внаслідок нестабільної роботи галузі; втрата рівня престижності основних шахтарських професій, у тому числі зменшення питомої оплати праці та інше також мають місце у галузі. У табл. 1 наведено основні показники роботи шахт, що класифіковані автором на 4 групи щодо здатності до високопродуктивного, низьковитратного та перспективного виробництва. Аналіз даних табл. 1 свідчить, що тільки шахти 1-ї групи застосовують високопродуктивну технологію вуглевидобутку. Однак, незважаючи на те, що шахти-лідери працюють в умовах часто гірших, ніж пересічні, показники їхньої роботи значно вищі, ніж у останніх. На багатьох пересічних шахтах використовується нова техніка, зрозуміло, не в тих обсягах, що на високопродуктивних, але показники роботи нової техніки тут значно нижчі, ніж на шахтах-лідерах. Пояснення цьому тільки одне - рівень управління надійністю роботи виробництва на пересічних шахтах суттєво нижчий, ніж на шахтах-лідерах.

У галузі тільки 6 підприємств добувають щорічно від 1,3 до 4 млн. т вугілля. Лише близько 10 % із працюючих 174 шахт реалізують планову виробничу потужність. У період з 1990 року і по дійсний час майже втричі скоротилася кількість очисних вибоїв, при цьому робітників основних професій - в 1,5 рази. Без солідних державних дотацій шахти не можуть підтримувати необхідний для галузі рівень видобутку, однак цей шлях безперспективний, насамперед, через низьку фондовіддачу в системі "видобуток - переробка - повернення коштів від реалізації вугілля". Необхідний новий - корпоративно-технологічний шлях господарювання в цих сферах, що добре зарекомендував себе в Англії, Австралії, США й інших країнах з розвиненою системою вуглевидобутку та його споживання.

Таблиця 1 Усереднені показники роботи вугільних шахт України

Разом з цими особливостями у розвитку ПЕК України необхідно відзначити, що біля 50 шахт у Донецькій і Луганській областях мають у розпорядженні пласти потужністю від 1,5 до 2,5 м з кутами падіння до 35О, що дозволяє ефективно використовувати комплекси машин сучасного технічного рівня, а також інше нове обладнання. Якщо кожна з таких шахт зможе видобувати навіть 2 млн. т вугілля в рік, то, разом із зазначеними високорозвиненими, група з 50 шахт здатна на 10-15-річний період цілком задовольняти потребу ПЕК України у вугіллі. Однак, ще не впроваджені високопродуктивні технології очисної виїмки, проведення виробок, транспорту і інших основних процесів. Особливо складно, у зв'язку з вичерпанням можливостей традиційної технології дегазації вугільних пластів, вирішується проблема газового "бар'єру" для досягнення 3-5 тисячотонного навантаження на лаву. Відсутні сучасні підходи до управління пило-газовими режимами й утилізації метану.

Дуже важливою в контексті мети роботи є проблема оперативного управління шахтою в цілому. Виконані автором дослідження дозволили виявити недоліки існуючих методів оперативного управління шахтою, головний з яких полягає в тому, що перші керівники до 90 % виробничого часу витрачають на вирішення поточних питань, часто відволікаючись від рішення головного - забезпечення надійного функціонування підприємства як ЄТК. Незмога багатьох з директорів оптимізувати процеси в шахтних системах вже призвела до втрати кращих кадрів і прояву інших кризових явищ у вуглевидобутку. Підхід до стратегії управління цією системою повинно змінити.

Досвід застосування нової видобувної техніки свідчить, що стан істотно змінюється під час підготовки і відпрацьовуванні стовпів, запаси вугілля в яких відповідають можливостям ресурсу видобувного комплексу. Якщо такий стовп відпрацьовувати новим комплексом, що здатний видобувати 1 млн. т вугілля на рік, то структура виробництва може бути перетворена до виду "шахта - 1-2 лави". При такій структурі на шахті замість 7-11 км виробок для видобутку 1 млн. т, достатньо провести тільки 3-4 км.

Реалізація виробничого завдання, встановленого річною програмою, вимагатиме меншої кількості робочих бригад, одиниць гірничопрохідницької, гірничовидобувної техніки і устаткування, а також інших елементів обслуговуючої інфраструктури. Крім того, менші довжина і кількість виробок дозволять істотно знизити капітальні і поточні витрати на реалізацію програми, а в зв'язку зі спрощенням структури підприємства через зменшення кількості джерел і причин виникнення відмов збільшиться надійність ЄТК в цілому.

Природно, що не на усіх вітчизняних шахтах можна підготувати стовпи довжиною 2 км і шириною 300 м. Крім цього, шахти мають різні стартові умови для підвищення продуктивності і прибутковості. Відповідно до цього, розглянуто можливі варіанти оздоровлення шахт, у тому числі як на базі удосконалення існуючих, так і впровадження перспективних структурних схем. На рис. 1 наведено схеми основних елементів шахтного господарства для шахт традиційного (а) і нового (б) технічного рівня (НТР). Завдяки простому, але щільному компонуванню, структурна надійність шахти НТР в 1,5 -2 рази вище традиційної. Інтегральні коефіцієнти готовності процесу вуглевидобутку на розглянутих шахтах, отримані на основі структурного і математичного моделювання, складають, відповідно, 0,3-0,5 і 0,8-0,95.

Встановлено, що головними проблемами на шляху вдосконалення структури гірничого підприємства є: забезпечення технічної можливості для надійного функціонування 1-2 високонавантажених лав; цільове використання матеріалів, отриманих при погашенні існуючих виробок, для проходки нових; організація на сучасному рівні сервісного обслуговування техніки під час планово-попереджувальних і регламентних видах ремонту із поступовою передачею всього комплексу ремонтних робіт у підпорядкування центрам, що спеціалізуються в даній області; підвищення рівня кваліфікації робочих і керівних кадрів, тощо.

Узагальнення результатів проведених робіт дозволяє аргументовано стверджувати, що технічна політика у вугільній промисловості України повинна базуватися на встановленні пріоритетів у розвитку шахтного фонду. Пріоритети повинні встановлюватися в залежності від потужностей, кількості і якості промислових запасів вугільних пластів і базуватися на можливостях вугільного підприємства забезпечувати надійне його функціонування.

Аналіз даних щодо роботи серійних очисних комплексів КМК98, КМ88,КМ103, КД80, КМТ і інших свідчить, що зміна інтенсивності потоку відмовлень має добову періодичність. Встановлення цієї особливості дозволило автору ввести нові показники надійності роботи шахти в цілому - і , які характеризують зміну параметрів потоку макровідмовлень у плині часу.

За результатами досліджень роботи шахти, як складної технічної системи з періодичною втратою і відновленням працездатності, сформульовано такі практичні висновки:

1. Управління надійністю функціонування шахти повинне ґрунтуватися на кількісній оцінці і прогнозах зміни в часі її основних параметрів. Це необхідна умова ефективної роботи шахти, недотримання якої призводить до значного погіршення роботи підприємства, тому що в цьому випадку перевага системи "шахта із однією, двома лавами" перетворюється в істотний недолік.

2. Кількісна оцінка основних параметрів роботи, з огляду на необхідність обробки великого обсягу інформації, неможлива без комп'ютеризації управління, що тепер стає необхідним атрибутом інформаційної бази директора. При цьому весь великий потік інформації, наданої йому для аналізу, повинний бути згорнутим у перелік макровідмовлень з рівнем інформативності необхідним і достатнім для прийняття єдино вірного рішення.

3. Основна задача першого керівника складається в підтримці високого рівня надійності функціонування підприємства, насамперед під час максимально можливих навантаженнях на лави та інші підсистеми. Це - запорука виконання встановленого програмою виробничого завдання із мінімальними капітальними витратами, меншою кількістю лав і з можливістю спрощення інфраструктури шахтного господарства.

Для реалізації цих практичних висновків запропоновано ввести до складу підсистеми управління шахтою аналітика і прогнозиста. Комп'ютеризований "мозок" шахти здатний видавати продукцію у вигляді залежностей між показниками її роботи в цілому і по підсистемах, закономірностей їх зміни у часі, як у ретроспективі (для аналізу), так і в перспективі (для прогнозу).

Основні переваги комп'ютеризованого управління такі: кількісна міра інформації, конкретність, упорядкованість у часі, інформаційна упорядкованість, можливість декомпозиції основних показників роботи шахти в просторі показників її підсистем, аж до окремого виконавця і вузла одиниці устаткування. Побудова подібних систем управління не вимагає істотних матеріальних витрат. За результатами науково-методичних розробок показано, що комп'ютеризація дозволяє впровадити в практичну діяльність директора метод управління надійністю функціонування шахти на "попередження", який суттєво більш ефективний, ніж " за кінцевим результатом". Для шахт із однією лавою це єдиний засіб підтримання стабільності її роботи.

Наявність на більшості шахт АСУ, АСУТП і готових для навчання кадрів разом з вищевказаною потребою в попередженні помилок під час роботи високонавантажених лав є основною передумовою створення комп'ютеризованих систем управління надійністю сучасної шахти. Комп'ютеризація управління, у тому числі і видача наряд-путівок, детальний кількісний аналіз і прогноз працездатності кожної підсистеми зокрема і шахти в цілому, автоматизація систем моніторингу, розрахунок і вибір варіантів розвитку системи "видобуток - споживання - інвестиції", мотивація праці й інших необхідних і достатніх для нормальної роботи шахти процесів - є ефективним сучасним інструментом впливу на ефективність роботи шахти.

Про термінову необхідність комп'ютеризації управління свідчать дані статистичної обробки (рис. 3 а), з яких випливає, що навантаження на лави обладнані новими механізованими комплексами не відповідають потужності вугільних пластів, які вони відпрацьовують.

Оскільки зростання обсягів застосування в галузі сучасних комплексів незначне, а в Україні на даний час понад 85% вугілля видобувають з лав із серійними комплексами, автором вивчено особливості відпрацювання виїмкових стовпів з позицій надійності.

Приклади лав, обладнаних серійними комплексами, які із пластів потужністю усього 1 м видобувають понад 1,5 тис. т вугілля за добу, є виключеннями у загальному процесі. Отримані результати дозволили по-новому глянути на важливість проблеми розробки методології управління надійністю роботи виробничих служб шахти. Дані рис. 3 свідчать, що комплекси машин, як нові, так і серійні часто мають на продуктивність, яка не відповідає дійсним можливостям пласту і для її підняття необхідно створити умови для надійного функціонування усієї шахти.

Для аналізу комплексу причин значного росту надійності вуглевидобувних підприємств НТР вивчено порядок взаємодії основних елементів при розгляді шахти з позицій ЄТК.

Ця різниця полягає насамперед у тому, що на шахті НТР одна потужна лава в роботі й одна в підготовці. На відміну від шахти традиційної, на якій при 3-х-4-х працюючих малопотужних лавах необхідно підготовляти 3-4 нові. Цілком природно, що велика кількість елементів у традиційних схемах є істотним чинником, що негативно впливає на надійність ЄТК.

Крім сформульованих вище принципів розробки систем забезпечення надійності лав, оснащених очисним, прохідницьким, транспортним, дегазаційним, енергетичним і іншими видами устаткування нового технічного рівня, автором розроблено також регламентуючі документи: методика оцінки техніко-економічного стану шахт, що за системою критеріїв відповідають вимогам ефективного використання нової техніки; рекомендації з технічного переснащення і розвитку вугільних шахт, здатних до ефективного і прибуткового видобутку; програма розвитку вугільної промисловості і соціальної сфери шахтарських регіонів, що базується на теоретичному узагальненні результатів усього комплексу багатопланових робіт на шляху підвищення надійного й ефективного вуглевидобутку. У зазначених документах містяться також основні засади програми оцінки фактичного рівня надійності роботи шахти й окремо програми заходів щодо підвищення рівня надійності. Практики масштабної реалізації таких програм на підприємствах вугільної промисловості поки що немає.

Розрахунки надійності роботи шахт із традиційним і запропонованим видами структур виконані відповідно до наведених вище схем. Як основний параметр надійності роботи шахти використано коефіцієнт готовності процесу вуглевидобутку, формули для визначення якого наведено далі:

а) для шахт із традиційною структурою господарства:

(1)

(2)

(3)

(4)

б) для шахт нового технічного рівня:

(5)

(6)

де позначення індексів до Кг розшифровані в підписах до рис. 4; КГвідкл - коефіцієнт готовності процесу управління, при якому робота шахти може бути припинена через яку-небудь дуже важливу причину; КГs - коефіцієнт готовності роботи шахти, як ЄТК, у період напрацювання на макровідмовлення і відновлення її працездатності; QМГН - "миттєва" продуктивність шахти з урахуванням роботи винятково підсистеми "очисні роботи", т/од.часу; КГорг - коефіцієнт готовності всієї організаційної структури шахти при надійному функціонуванні протягом заданого інтервалу часу; Qдл - продуктивність шахти в режимі тривалої роботи, наприклад, протягом місяця; КГту - усереднене значення Кг для основних технічних пристроїв у всіх структурах шахти.

Чисельні розрахунки надійності роботи шахти виконано для шахт із різними структурами господарства. Для шахт нового рівня КГ процес вуглевидобутку склав у всьому діапазоні значень 0,8, а для шахт із традиційною структурою господарства - 0,36. Готовність шахт до високопродуктивної діяльності за цим критерієм дуже розрізняється. З огляду на те, що надійність роботи шахти неможливо розглядати у відриві від її конкретної економіки, автором виконано економіко-математичне моделювання процесів вуглевидобутку з позицій ЄТК.

У якості моделі виробничої функції шахти використані математичні конструкції Кобба-Дугласа, що дозволило знайти кількісні параметри шахти, як ЄТК, і оптимізувати низку задач управління ресурсами. Зокрема, установлені кореляції основного економічного показника роботи шахти - собівартості видобутку вугілля від щільності виробок, кількості лав на шахті, темпів капітальних, експлуатаційних витрат, інших параметрів. Використання математичного апарата, що добре зарекомендував себе в інших галузях, для вирішення задач управління надійністю шахти, як ЄТК, дозволило розробити базу для комп'ютеризованого варіанта керування нею. У ході економіко-математичного моделювання вивчені особливості технічного прогресу стосовно до підземного видобутку вугілля. Встановлено залежності між продуктивністю праці, зниженням рівня простоїв у роботі устаткування, фондоємністю, фондовіддачею й іншими параметрами вуглевидобувного підприємства. Отримані при економіко-математичному моделюванні роботи шахти результати використано у розробці комп'ютеризованих підсистем управління її надійністю.

Ці результати послужили також складовою частиною для розробки методологічних основ комп'ютеризованого управління надійністю роботи шахти, як єдиного технологічного комплексу.

Надійність функціонування шахти досягається за рахунок: вдосконалення управлінської та виробничої структури на всіх стадіях виробництва, у тому числі, впровадження технічних засобів, систем підвищення кваліфікації персоналу та інших заходів, які забезпечують перебіг виробничих процесів відповідно до регламенту без відхилення понад припустимі межі, незважаючи на постійну зміну властивостей і стану шахтних підсистем та наявності безлічі об'єктивних і суб'єктивних впливів; розробки та реалізації програм відновлення витраченого ресурсу (у тому числі і фронту очисних робіт); вибору технологій та технічних засобів найбільш ефективних для конкретних гірничо-геологічних умов; проведення цільових заходів покращання обслуговування систем машин, обладнання, охорони навколишнього середовища; виявлення вузьких місць виробництва та розробки комплексу заходів щодо їх усунення (у тому числі резервування ненадійних елементів підсистем); розробки та реалізації комплексу заходів щодо підвищення продуктивності праці, зниженню собівартості вуглевидобутку та іншого, що підвищує доходи шахти від реалізації товарної продукції та залучає кошти інвесторів.

У ході вивчення особливостей організаційного забезпечення надійності шахти виявлено загальні риси організації нарядної системи, порядку і послідовності проведення нарядів у залежності від рівня управління. Найскладнішою проблемою комп'ютеризації управління надійністю роботи шахти є розробка джерел її інформаційної бази. Традиційний шлях розв'язання цієї проблеми, а саме застосування різноманітних систем збору та передавання поточної інформації майже не придатний для організації всебічного контролю шахти, як ЄТК. Шахта відрізняється від підприємств інших галузей складністю автоматизації збору даних про стан безпеки праці в місцях виконання гірничих робіт, стан підсистем та обладнання, про хід технологічних процесів, що є наслідком розгалуженості та рухомості робочих місць, агресивності середовища, відсутності засобів контролю небезпечності стану масиву гірських порід, пило-газового стану виробок та іншого. Разом з тим, можливість для організації джерел інформації для всебічного контролю шахти, як ЄТК існує, і вона з'являється при впровадженні комп'ютеризованої нарядної системи, в якій поряд із даними, отриманими за допомогою автоматизованих систем контролю, є блок даних, які отримані на основі щозмінної експертної оцінки стану підсистем. При наявності блоків накопичення за джерелами виникнення відмов та обробки такої інформації стає реальним своєчасний прогноз їх подальшого розвитку, оцінка ймовірності переростання їх у суттєвий простій обладнання та в макровідмовлення. В рамках такого підходу стає можливим за параметрами потоку відмовлень отримувати кількісні оцінки, як надійності технічних систем шахти, так і надійності роботи підрозділів, відслідковувати їх зміни протягом часу, прогнозувати характер зміни показників надійності роботи відповідних підрозділів, а для техніки - оцінювати швидкість втрати ресурсу працездатності та на цій основі приймати цілком об'єктивні управлінські рішення.

Із накопиченням достатнього обсягу даних для кожної шахти доцільно ввести критичні рівні надійності роботи підрозділів та служб, втрати працездатності того чи іншого обладнання, при досягненні яких керівництву потрібно приймати ті чи інші практичні дії. Візуалізація критичних рівнів надійності шахтних підсистем має відтворюватися на схемах шахти (див. рис. 4) за принципом світлофора: зелений - безпечний, жовтий - попереджувальний, червоний - небезпечний рівень.

Методологічні основи управління надійністю функціонування шахти базуються на наступних положеннях:

а) основою забезпечення надійності є результати аналізу потоку відмовлень у технологічних процесах та шахтних підрозділах;