Improving the process of coal extraction based on the parameter optimization of mining equipment

The aim of this paper is to develop and validate methods of choosing the means of the mining face mechanization. This paper analyses existing methods of optimizing processes in mining. It was established that the effectiveness of the performance map of coal field is formed by a group of technological, operational, and economic parameters which can be represented as a vector of solutions. To find the optimal solution, it was suggested to use network models and graphs. The essence of the technique is to represent the input and output (production level, prime cost) resource flows in an organized structure. Regularities of forming technological schemes of coalfield operation with a given level of performance, taking into account the relationship between technological parameters of mining face, operational parameters of the stoping equipment, technical and economic performance are defined. We developed the system for decision- making support, which allows optimizing operational parameters, reducing the production prime cost, and selecting the structure of the mechanized complex of stoping equipment with a specified level of performance. This paper describes approaches that can be used at the design stage of mining face and in the process of operation

Models and methods to make decisions while mining production scheduling

Purpose is to develop a new approach to the design of mining operations basing upon models and methods of decision making. Methods. The paper has applied a complex approach involving approaches of decision-making theory. Analysis of the pro-duction development scenarios is proposed for strategic activity planning; criteria to make decisions under the uncertainty conditions as well as decision-making trees for day-to-day management are proposed to determine balanced production level. Findings. It has been identified that mining production design is of the determined character demonstrating changes in “state of the nature” depending upon the made decisions. The idea of mining production is to reduce uncertainty gradually by means of analysis of production scenarios, and elimination of unfavourable alternatives. Operative management is implemented while constructing decision trees, and optimizing operation parameters. Representation of sets of rational equipment types as well as development scenarios, and their comparison in terms of decision-making parameters makes it possible to determine adequate capacity of a working area, and to reduce expenditures connected with the equipment purchase and maintenance. In this context, limiting factors, effecting anticipatory mining out-put, are taken into consideration. Successive comparison of the alternatives helps identify decision-making area for different scenarios of the production development. Originality. To manage mining production, approaches of decision-making theory have been proposed which involve the use of decision trees, decision-making criteria, and analysis of scenarios basing upon representation of operating procedures in the form of a network model within which the shortest route corresponds to optimum decision. Practical implications. Decision-making system has been developed making it possible to optimize operation parameters, to reduce prime cost of mining, and to select a structure of engineering connections with the specified production level. The described approaches may be applied at the stage of a stope design as well as in the process of a field development. Specific attention has been paid to a software development to implement the approaches.Мета. Розробити новий підхід до проектування гірничого виробництва, який базується на моделях та методах теорії прийняття рішень. Методика. В роботі застосовано комплексний метод, який включає підходи теорії прийняття рішень. Для стратегічного планування діяльності запропоновано досліджувати сценарії розвитку виробництва, для визначення раціонального рівня виробництва – критерії прийняття рішень в умовах невизначеності, а також дерева прийняття рішень для поточного управління. Результати. Виявлено, що процес проектування гірничого виробництва має детермінований характер, який демонструє зміну “станів природи” залежно від прийнятих рішень. Суть проектування гірничого виробництва зводиться до послідовного зменшення невизначеності шляхом дослідження сценаріїв виробництва та виключення несприятливих альтернатив. Оперативне управління здійснюється шляхом побудови дерев рішень та оптимізації параметрів експлуатації. Представлення множин раціональних типів обладнання, сценаріїв розвитку подій та порівняння їх за критеріями прийняття рішень дозволяє визначити раціональний рівень видобутку виймальної дільниці і знизити витрати на придбання та обслуговування обладнання, при цьому враховуються обмежувальні фактори, які впливають на величину очікуваного видобутку. Послідовне порівняння альтернатив дозволяє встановити поле прийнятних рішень для різних сценаріїв розвитку виробництва. Наукова новизна. Для управління гірничим виробництвом запропоновано підходи теорії прийняття рішень, які включають застосування дерев рішень, критеріїв прийняття рішень та аналіз сценаріїв, котрі базуються на представленні технологічного процесу у вигляді мережевої моделі, в якій найкоротший маршрут відповідає оптимальному рішенню. Практична значимість. Розроблена система прийняття рішень, дозволяє оптимізувати параметри експлуатації, знизити собівартість видобутку, вибрати структуру технологічних зв’язків з заданим рівнем продуктивності. Описані в роботі підходи можуть бути використані як на стадії проектування очисного забою так і в процесі експлуатації родовища корисних копалин. Особливу увагу приділено розробці програмного забезпечення для впровадження описаних підходів у виробництво.Цель. Разработать новый подход к проектированию горного производства, который базируется на моделях и методах теории принятия решений. Методика. В работе использован комплексный метод, который включает подходы теории принятия решений. Для стратегического планирования деятельности предложено исследовать сценарии развития производства, для определения рационального уровня производства – критерии принятия решений в условиях неопределенности, а также деревья принятия решений для текущего управления. Результаты. Установлено, что процесс проектирования горного производства носит детерминированный характер, который отражает изменение “состояний природы” в зависимости от принятых решений. Суть проектирования сводится к последовательному уменьшению неопределенности путем исследования сценариев производства и исключения неблагоприятных альтернатив. Оперативное управление осуществляется посредством построения деревьев решений и оптимизации параметров эксплуатации. Представление множества рациональных типов оборудования, сценариев развития событий та сравнение их по критериям принятия решений позволяет определить рациональный уровень добычи очистного участка и снизить затраты на приобретение и обслуживание оборудования, при этом учитываются ограничивающие факторы, которые влияют на величину ожидаемой прибыли. Последовательное сравнение альтернатив позволяет установить поле приемлемых решений для разных сценариев развития производства. Научная новизна. Для управления горным производством предложены подходы теории принятия решений, которые включают применения деревьев, критериев принятия решений и анализ сценариев, основанных на представлении технологического процесса в виде сетевой модели, где кратчайший маршрут соответствует оптимальному решению. Практическая значимость. Разработана система поддержки принятия решений, которая позволит оптимизировать параметры эксплуатации, снизить себестоимость добычи, выбрать структуру технологических взаимосвязей с заданным уровнем производительности. Описанные в работе подходы могут быть использованы как на стадии проектирования очистного забоя, так и в процессе эксплуатации месторождения полезных ископаемых. Особое внимание уделено разработке программного обеспечения для внедрения описанных подходов в горное дело.The study has been carried out within the framework of research project of the National Academy Sciences of Ukraine for young scientists “Resource-saving techniques to support mine workings under the complex hydrogeological conditions”; Agreement #29-04/06-2019; official registration #0119U102370

Implementation of explosion safety regulations in design of a mobile robot for coal mines

The article focuses on specific challenges of the design of a reconnaissance mobile robotic system aimed for inspection in underground coal mine areas after a catastrophic event. Systems that are designated for these conditions must meet specific standards and regulations. In this paper is discussed primarily the main conception of meeting explosion safety regulations of European Union 2014/34/EU (also called ATEX-from French "Appareils destines a etre utilises en ATmospheres Explosives") for Group I (equipment intended for use in underground mines) and Category M1 (equipment designed for operation in the presence of an explosive atmosphere). An example of a practical solution is described on main subsystems of the mobile robot TeleRescuera teleoperated robot with autonomy functions, a sensory subsystem with multiple cameras, three-dimensional (3D) mapping and sensors for measurement of gas concentration, airflow, relative humidity, and temperatures. Explosion safety is ensured according to the Technical Report CLC/TR 60079-33 "s" by two main independent protections-mechanical protection (flameproof enclosure) and electrical protection (automatic methane detector that disconnects power when methane breaches the enclosure and gets inside the robot body).Web of Science811art. no. 230

Assessment of an expediency of binder material mechanical activation in cemented rockfill

This study is aimed to assess the expediency of applying the binder material mechanical activation in a cemented rockfill (CRF), consisting of ground smelter slag, waste of limestone and rock refuse at one of the largest mines, as well as at any other mines which use these components for CRF. The polynomial dependences have been obtained of strength variation of the CRF, which is used in the conditions of studied mine, on the time of consolidation and the ratio of backfill materials. In the CRF mixtures, the mechanical activation was carried out of the granulated blast-furnace slag, and the compliance has been assessed of CRF with the design strength of the backfill massif. In the studied conditions of the ore mine, with ratio of a binder material to filler of 0.5 and the existing cost of backfill materials, the use of mechanical activation of the binder material according to the two-stage grinding scheme turned out to be insufficiently expedient, since the production cost (materials + grinding) of the most economical backfill mixture is only 2.8% less compared with a basic composition. It is noted that the expediency of using the mechanical activation depends on the remoteness of the mineral raw material base, especially the main inert filler that significantly increases the cost of backfilling works. It is shown that in the operating conditions of other mines with a similar component proportion and a close rich mineral raw base, the mechanical activation of the binder material can be enough effective. It has been determined that with an increase in ratio of Cbin/Cin from 1.0 to 4.6, the difference in costs for the backfill mixture production in the considered compositions, where mechanical activation was performed, increases in a positive direction, but for the most economical backfill mixture, if compared to the basic one, it will be changed from 16.8 to 46.0%. An attention is focused on possible ways to increase the expediency of applying the mechanical activation of the binder material by means of forming the backfill massif with different strength along the height of the stope chamber

Computational model for evaluating the state of geomechanical systems during computing experiments

Purpose. To create a model allowing integration of the diverse features identified for the rock massif behavior by differentiation of various theories and real phenomena into a single information-analytical flow. Methods. System analysis of computational experiments’ results was based on the use of recursive calculation methodology for assessing accuracy of the obtained results with different methods of geometric and physical description applied to individual elements of simulation in the computational domain. Findings. Sample tables were obtained containing the acceptable values of weight characteristics for the various simulated elements in the generalized computational domain. A recursive algorithm for the analysis of the studied objects description’ efficiency in the solution of geomechanics problems by grid numerical methods was formulated and implemented as a computational module. The authors created a system for the assessment of the results obtained via computational experiment at the time of full-scale investigation, which provides a comprehensive analysis of changes in the rock massif state during the operation of the selected support system. The conditions of combining the design characteristics of the simulated support elements functioning in a single load-carrying system under dynamic redistribution of forces were obtained. Originality. The resulting generalized model of mine working and elements affecting its condition allows to determine most accurately the nature of changes in the stress-strain state of geotechnological system regardless of the originally a priori specified limitations. Practical implications. The unified approach can be used in the search for the optimal parameters of implementing combined working supports in the area of mining operations and beyond.Мета. Створити модель, що дозволяє інтегрувати все різноманіття виявлених особливостей поведінки гірського масиву шляхом диференціації різних теорій і реальних явищ у єдиний інформаційно-аналітичний потік. Методика. Системний аналіз результатів обчислювальних експериментів, що побудований на застосуванні рекурсивної методики оцінки розрахункової точності одержуваних результатів при різних методах геометричного й фізичного опису окремих елементів моделювання у розрахунковій області. Результати. Отримано типові таблиці, що містять припустимі величини вагових характеристик для різних елементів, які моделюються в узагальненій розрахунковій області. Сформульовано й реалізовано у вигляді розрахункового модуля рекурсивний алгоритм аналізу ефективності опису досліджуваних об’єктів при рішенні завдань геомеханіки сітковими чисельними методами. Створено систему оцінки одержуваних результатів обчислювального експерименту при проведенні натурних досліджень, яка забезпечує комплексний аналіз зміни стану породного масиву в ході експлуатації обраної системи кріплення. Отримано умови сполучення розрахункових характеристик елементів кріплення, які моделюються й функціонують у єдиній вантажонесучій системі при динамічному перерозподілі зусиль. Наукова новизна. Одержана узагальнена модель гірничої виробки й елементів, що впливають на її стан, гранично точно дозволяє визначати картину зміни напружено-деформованого стану геотехнологічної системи незалежно від початкових апріорі заданих обмежень. Практична значимість. Забезпечується можливість застосування уніфікованого підходу в пошуку оптимальних показників застосування комбінованих кріплень гірничих виробок, які знаходяться поза зоною й у зоні дії очисних робіт.Цель. Создать модель, позволяющую интегрировать все многообразие выявленных особенностей поведения горного массива путем дифференциации различных теорий и реальных явлений в единый информационно-аналитический поток. Методика. Системный анализ результатов вычислительных экспериментов, построенный на применении рекурсивной методики оценки расчетной точности получаемых результатов при различных методах геометрического и физического описания отдельных элементов моделирования в расчетной области. Результаты. Получены типовые таблицы, содержащие допустимые величины весовых характеристик для различных моделируемых элементов в обобщенной расчетной области. Сформулирован и реализован в виде расчетного модуля рекурсивный алгоритм анализа эффективности описания исследуемых объектов при решении задач геомеханики сеточными численными методами. Создана система оценки получаемых результатов вычислительного эксперимента при проведении натурных исследований обеспечивающая комплексный анализ изменения состояния породного массива в ходе эксплуатации выбранной системы крепления. Получены условия совмещения расчетных характеристик моделируемых элементов крепи функционирующих в единой грузонесущей системе при динамическом перераспределении усилий. Научная новизна. Полученная обобщенная модель горной выработки и элементов, влияющих на ее состояние, предельно точно позволяет определять картину изменения напряженно-деформированного состояния геотехнологической системы независимо от первоначально априори заданных ограничений. Практическая значимость. Обеспечивается возможность применения унифицированного подхода в поиске оптимальных показателей применения комбинированных крепей горных выработок находящихся вне зоны и в зоне действия очистных работ.This work would not have been possible without the support of “DTEK Energo” company. The studies were performed within the framework of the state-maintained scientific research topics. The authors express special gratitude to professors of the National Mining University – Volodymyr Bondarenko and Iryna Kovalevska – for the support in conducting the research

Improving rock classification in terms of explosivity

Purpose. To improve rock classification in terms of explosivity relying upon the detailed analysis of characteristics of rating classifications available in the Russian Federation and in the world. Methods. Complex approach has been applied involving comparison of sizes of particle-size fractions determined in terms of both national and the world standards; information gathering and processing as for the available classifications intended to identify difficulties of rock explosivity; compilation of comparative systematic of classifications or methods being considered. Findings. Both national and the world rock classifications in terms of explosivity have been considered. While comparing national classifications as for the difficulties of rock mass failure (i.e. explosivity), a comparative table has been compiled where the most popular rock classifications are compared. Analysis of the world practices, concerning compilation of rock classifications in terms of explosivity, has shown that their approaches differ from Russian ones slightly. In the first instance, they are empiric dependences being calculated for each rock mass type separately in any single case. It has been determined that geomechanical classification of D. Lobshir (MRMR) is the most popular and rating world system to evaluate rock explosivity. It has been demonstrated that while compiling such classifications, foreign scientific writers put an emphasis on physical and mechanical indices of rocks (i.e. density, fissility, compression strength, tensile strength etc.) as well as on mine engineering ones (i.e. line of the least resistance, well diameter and depth, stope height etc.) which determines essential reliability of calculation of drilling-and-blasting parameters. Originality. The research is the first stage of the development of the unified transition classification from Russian explosivity scales to the comparable world methodic practices as for rock mass explosivity. Practical implications. To perform rapid transition from one explosivity classification to the other. The findings are recommended to be used while projecting drilling and blasting operations in the context of any types of minerals and in the context of academic activity.Мета. Вдосконалення класифікації гірських порід за вибуховістю на основі детального аналізу особливостей існуючих російських і закордонних рейтингових класифікацій. Методика. Застосовано комплексний методичний підхід, що включає зіставлення розмірів гранулометричних фракцій, які визначали згідно вітчизняним і закордонним стандартам; збір та обробка інформації щодо існуючих класифікацій визначення труднощів вибуховості гірських порід; складання зіставної класифікації розглянутих класифікацій або методик. Результати. Розглянуто вітчизняні та закордонні класифікації гірських порід за вибуховістю. При порівнянні вітчизняних класифікацій в частині труднощів руйнування гірського масиву (вибуховості) була побудована порівняльна таблиця, в якій між собою зіставляються найбільш популярні класифікації гірських порід. При аналізі закордонного досвіду складання класифікацій гірських порід за вибуховістю було виявлено, що їх мето- ди дещо відрізняються від російських, і являють собою емпіричні залежності, та розраховуються для кожного типу масиву в кожному окремому випадку індивідуально. Встановлено, що найбільш популярною і рейтинговою системою для оцінки вибуховості гірських порід за кордоном є геомеханічна класифікація Д.Х. Лабшіра (MRMR). Показано, що закордонні автори, при складанні класифікацій, роблять акцент не лише на фізико- механічних показниках гірських порід (щільності, тріщинуватості, межі міцності на стиск і розтяг і т.д.), але й на гірничотехнічних (лінія найменшого опору, діаметр та глибина свердловини, висота забою і т.д.), що визначає суттєву достовірність розрахунку параметрів буропідривних робіт. Наукова новизна. Представлена робота є першим кроком до розробки єдиної перехідної класифікації від російських шкал за вибуховістю до аналогічних закордонних методичним практикам в частині вибуховості гірського масиву. Практична значимість полягає в можливості швидкого переведення однієї класифікації за вибуховістю в іншу. Результати роботи рекомендується використовувати при проектуванні буропідривних робіт на всіх типах родовищ корисних копалин, а також у навчальному процесі.Цель. Совершенствование классификации горных пород по взрываемости на основе детального анализа особенностей существующих российских и зарубежных рейтинговых классификаций. Методика. Применен комплексный методический подход, включающий сопоставление размеров гранулометрических фракций, определяемых по отечественным и зарубежным стандартам; сбор и обработка информации о существующих классификациях определения трудности взрываемости горных пород; составление сопоставительной классификации рассматриваемых классификаций или методик. Результаты. Рассмотрены отечественные и зарубежные классификации горных пород по взрываемости. При сравнении отечественных классификаций в части трудности разрушения горного массива (взрываемости) была построена сопоставительная таблица, в которой между собой сопоставляются наиболее популярные классификации горных пород. При анализе зарубежного опыта составления классификаций горных пород по взрываемости было выявлено, что их методы несколько отличаются от российских, и представляют собой эмпирические зависимости, и рассчитываются для каждого типа массива в каждом отдельном случае индивидуально. Установлено, что наиболее популярной и рейтинговой системой для оценки взрываемости горных пород за рубежом является геомеханическая классификация Д.Х. Лабшира (MRMR). Показано, что зарубежные авторы, при составлении классификаций, делают акцент не только на физико-механические показатели горных пород (плотность, трещиноватость, пределы прочности на сжатие и растяжение и т.д.), но и на горнотехнические (линия наименьшего сопротивления, диаметр и глубина скважины, высота забоя и т.д.), что определяет существенную достоверность расчёта параметров буровзрывных работ. Научная новизна. Представленная работа является первым шагом к разработке единой переходной классификации от российских шкал по взрываемости к аналогичным зарубежным методическим практикам в части взрываемости горного массива. Практическая значимость. Заключается в возможности быстрого перевода одной классификации по взрываемости в другую. Результаты работы рекомендуется использовать при проектировании буровзрывных работ на всех типах месторождений полезных ископаемых, а также в учебном процессе.The research is carried out by a team of authors of Mine and Underground Construction Department at Siberian Federal University as part of a grant of the Russian Federation President for governmental support of young Russian scientists-Candidates of Sciences (МК-1178.2018.8)