1 500 3 http://romeka.rgf.rs/files/original/Doktorske_disertacije/DD_Subaranovic_Tomislav/DD_Subaranovic_Tomislav.2.pdf ca3d830badb2495050540c5552cdcc2c PDF Text Text UNIVERZITET U BEOGRADU Rudarsko-geološkifakultet Tomislav Ž. Šubaranović OPTIMIZACIJA SISTEMA ODVODNJAVANJA POVRŠINSKIH KOPOVA Doktorska disertacija Beograd, 2013. Mentor: Dr Vladimir Pavlović, redovni profesor, površinska eksploatacija, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet Članovi komisije: Prof. dr Vladimir Pavlović, redovni profesor, Eksploatacija čvrstih mineralnih sirovina i mehanika stena, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet Prof. dr Božo Kolonja, redovni profesor, Eksploatacija čvrstih mineralnih sirovina i mehanika stena, Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet Prof. dr Dušan Polomčić, redovni profesor, Vodosnabdevanje i menadžment podzemnih voda Univerzitet u Beogradu, Rudarsko-geološki fakultet Prof. dr Milan Kukrika, redovni profesor, Menadžment i informacioni sistemi Univerzitet u Beogradu, Geografski fakultet Datum odbrane: OPTIMIZACIJA SISTEMA ODVODNJAVANJA POVRŠINSKIH KOPOVA Rezime Savremena površinska eksploatacija mineralnih sirovina podrazumeva ekološki i ekonomski efikasno i pouzdano odvodnjavanje bez obzira na složenost hidrogeoloških, hidroloških i drugih prirodnih uslova ležišta. Sistem odvodnjavanja površinskog kopa treba da bude dobro odabran, da je sastavljen od objekata koji po svojim kapacitetima i pouzdanošću rada mogu da obezbede sakupljanje i odvođenje površinskih voda i uspešnu zaštitu od podzemnih voda sa aspekta pouzdane eksploatacije ležišta, zaštite ljudi i infrastrukturnih objekata uz istovremeno, najmanje ekološki negativne uticaje. Istraživanja u disertaciji odnose se na definisanje modela za optimizaciju sistema odvodnjavanja površinskih kopova baziranom na procesno orjentisanoj metodologiji koja podrazumeva sistemsku i procesnu analizu izbora sistema odvodnjavanja i definisanje procesnih modela počev od analize ulaznih podataka i uslova odvodnjavanja preko izbora funkcionalno pouzdanih i ekonomski i ekološki efikasnih objekata i sistema odvodnjavanja. U okviru istraživanja definisan je model procesa sistema odvodnjavanja na bazi koga su izgrađeni procesni modeli svih pojedinačnih procesa u okviru modela i zajedno čine metodološki pristup optimizaciji sistema odvodnjavanja. U model su uvršćene i metode pouzdanosti, analize ekoloških aspekata i ekonomske ocene u funkciji izbora optimizovanih rešenja sistema odvodnjavanja. Cilj istraživanja je da se na bazi postavljenog modela definiše optimalna struktura sistema odvodnjavanja po kriterijumu pouzdanosti, ekoloških uticaja i ekonomičnosti u uslovima realnih prirodnih, tehničkih i organizacionih ograničenja. Metodologija i integralni tehno-ekonomski model za optimizaciju sistema odvodnjavanja površinskih kopova su primenljivi u svim fazama površinske eksploatacije, odnosno u svim fazama životnog ciklusa površinskog kopa. Implementacija ovako koncipiranog modela u rudarsku praksu bi omogućila znatno pouzdanija projektna rešenja sistema odvodnjavanja uz bolje ekonomske i ekološke učinke. Ključne reči: odvodnjavanje, površinski kop, proces, pouzdanost, ekologija, ekonomija Naučna oblast: Rudarsko inženjerstvo Uža naučna oblast: Eksploatacija čvrstih mineralnih sirovina i mehanika stena UDC: 330:502/504:004:519.863 614:622.271/.58 626.86:66.097(043.3) 1. UVOD Površinski kopovi su po pravilu otvoreni i veoma dinamični sistemi pod uticajem velikog broja prirodnih, tehničkih, ekonomskih, ekoloških i bezbednosnih faktora i ograničenja u svim periodima životnog ciklusa. Jedan od veoma uticajnih prirodnih faktora na površinsku eksploataciju je i ovodnjenost ležišta, odnosno uticaj površinskih i podzemnih voda na proizvodne procese i stabilnost radilišta i završnih kosina kako površinskog kopa tako i odlagališta. Savremena površinska eksploatacija mineralnih sirovina podrazumeva efikasno i pouzdano odvodnjavanje bez obzira na složenost hidrogeoloških, hidroloških i drugih prirodnih uslova ležišta. Sistem odvodnjavanja površinskog kopa treba da bude dobro odabran, da je sastavljen od objekata koji po svojim kapacitetima i pouzdanošću rada mogu da obezbede sakupljanje i odvođenje površinskih voda i uspešnu zaštitu od podzemnih voda sa aspekta pouzdane eksploatacije ležišta, zaštite ljudi i infrastrukturnih objekata uz istovremeno, najmanje ekološki negativne uticaje. Ključno je, za donošenje ispravnih odluka i najboljih rešenja pri izboru sistema odvodnjavanja, da se sagledaju svi aspekti problema, izvrši ocena, a zatim i selekcija bitnih od nebitnih komponenti, koje različito kvantitativno i kvalitativno deluju na ukupne efekte odvodnjavanja. 1.1. Predmet istraživanja Sistemi odvodnjavanja površinskih kopova su veoma složeni imajući u vidu da se oni mogu sastojati iz objekata za zaštitu od podzemnih voda, objekata za zaštitu od površinskih voda, brojne opreme u objektima odvodnjavanja, sistema za praćenje efekata odvodnjavanja, kao i sistema za upravljanje tim procesom u celini. U dosadašnjim istraživanjima u oblasti odvodnjavanja pažnja je, u najvećoj meri, posvećivana pravilnom izboru objekata odvodnjavanja pojedinačno, zatim određivanju tehnike i tehnologije odvodnjavanja u tim objektima, koji će ostvarivati maksimalne radne efekte u okviru ukupne efikasnosti samog sistema odvodnjavanja. Tokom svog profesionalnog rada na problematici odvodnjavanja, bilo da je reč o projektovanju ili izvođenju, autor se, u zemlji i svetu, susretao sa velikim brojem projekata koji su imali raznolike pristupe realizaciji odvodnjavanja. Takođe, autor se kroz svoja naučna istraživanja i praktična iskustva sretao sa brojnim naučnim i stručnim radovima i primerima iz prakse, koji su poslužili kao referentni prilikom definisanja problema istraživanja i kreiranja ideje za razvoj modela optimizacije sistema odvodnjavanja na površinskim kopovima, baziranom na procesno orjentisanoj metodologiji. Metodologija podrazumeva sistemsku i procesnu analizu izbora sistema odvodnjavanja i definisanje procesnih modela počev od analize ulaznih podataka i uslova odvodnjavanja preko izbora funkcionalno pouzdanih, ekonomski i ekološki efikasnih objekata i sistema odvodnjavanja. Model za optimizaciju sistema odvodnjavanja sa ekonomskom ocenom biće primenjen na primeru površinskog kopa Drmno, što će podrazumevati analizu velikog broja mogućih kombinacija opreme, tehnologije rada i organizacije u funkciji kratkoročnog i dugoročnog planiranja proizvodnje na datom kopu. 1.2. Cilj istraživanja Cilj istraživanja je da se razradi odgovarajuća metodologija određivanja optimalne strukture sistema odvodnjavanja po kriterijumu pouzdanosti i ekonomičnosti u uslovima realnih prirodnih, tehničkih i organizacionih ograničenja. Zacrtani cilj ostvaren je realizacijom sledećih zadataka: - Proučavanje postojećih metodologija modeliranja, analize, upravljanja i optimizacije pouzdanosti sistema odvodnjavanja površinskih kopova; - Verifikacija metoda na bazi praktičnih rezultata i saznanja prethodnih teorijskih istraživanja; - Razvoj procesno orjentisane metodologije izbora ekonomski i ekološki efikasnih i funkcionalno pouzdanih objekata i sistema odvodnjavanja; - Razvoj integralnog tehno-ekonomskog modela na bazi verifikovane metodologije; - Prezentiranje i verifikacija optimalnog sistema odvodnjavanja razvijenog modela na primeru površinskog kopa Drmno; - Analiza ostvarenih rezultata i ocena; - Predlog daljih istraživačkih aktivnosti. 1.3. Osnovne hipoteze Osnovna ideja autora kojom je krenuo u istraživanje jeste dodatno ispitivanje postojećih rezultata akademske i stručne zajednice uz uključivanje autorovih teorijskih i praktičnih iskustava vezanih za pouzdanost izbora, realizacije i eksploatacije sistema odvodnjavanja površinskih kopova. Osnovna hipoteza u okviru istraživanja jeste da je moguće razviti metodologiju i integralni tehno-ekonomski model za optimizaciju pouzdanosti sistema odvodnjavanja površinskih kopova preko matematičkog modela funkcionisanja sistema odvodnjavanja za srednje uslove rada i kapaciteta površinskog kopa u toku zadatog perioda eksploatacije. U postavljenom modelu sistem odvodnjavanja radi kao nezavisan objekat čiji je proizvod količina ispumpane vode u optimizovanom režimu, a za obezbeđenje planirane proizvodnje mineralne sirovine površinskom eksploatacijom. Formiranje modela bazirano je na procesnoj analizi sistema odvodnjavanja, primeni teorije slučajnih procesa, korišćenju statističke metode za analizu prikupljenih podataka o radu sistema odvodnjavanja, tehničkoj, ekološkoj i ekonomskoj analizi u funkciji pouzdanosti i ekoloških rizika sistema odvodnjavanja. Formirani model treba u procesu planiranja i realizacije projekata sistema odvodnjavanja površinskog kopa da obezbedi pouzdanost, efikasnost i efektivnost ovakvih projekata uz najmanje negativne ekološke uticaje. 1.4. Metodologija istraživanja Osnovne polazne postavke za istraživanja u okviru disertacije odnose se na nedovoljnu obuhvatnost i istraženost predmetnog problema, postojanje potrebe za celovito sagledavanje postavljenih zadataka i nepostojanje gotovog i unapred preporučljivog modela upravljanja sistemima odvodnjavanja sa aspekta najveće funkcionalne pouzdanosti, najmanjih ekoloških rizika i najboljih ekonomskih efekata. Istraživanja u okviru doktorske disertacije biće realizovana na teorijskom i praktičnom nivou. Na taj način treba potpuno da se sagleda, otvori i determiniše problem, sagledaju moguća i odaberu optimalna rešenja za praćenje rada sistema, kao i da se izvrši praktična provera predloženih modela i tehno-ekonomska ocena rezultata. Metodologija istraživanja je prikazana na Slici 1.1. Slika 1.1. Metodologija istraživanja Metodološki posmatrano u okviru istraživanja izvršene su sledeće aktivnosti: - Analiza i definisanje domena sistema odvodnjavanja površinskih kopova; - Definisanje modela procesa sistema odvodnjavanj a; - Analiza uticajnih podataka za izbor sistema odvodnjavanja; - Definisanje modela tehničko-tehnoloških procesa sistema odvodnjavanja; - Optimizacija rada sistema odvodnjavanja u realnom prostoru u funkciji uslova radne sredine; - Analiza pouzdanosti, ekoloških rizika i ekonomskih efekata rada sistema u funkciji stanja elemenata sistema, organizacije rada, održavanja i troškova; - Praćenje rada sistema u realnom vremenu sa ocenom efikasnosti; - Optimizacija svih parametara sistema odvodnjavanja u realnom vremenu i prostoru. 1.5. Naučni doprinos disertacije Tema doktorske disertacije obuhvata istraživanje veoma aktuelne i značajne problematike iz oblasti optimizacije sistema odvodnjavanja površinskih kopova, kao osnove za efikasno odvodnjavanje i sigurno planiranje eksploatacije mineralnih sirovina na površinskim kopovima. Posebna pažnja biće posvećena detaljnom izučavanju i analizi stohastičkih fenomena u procesima sa aspekta ekoloških rizika, pouzdanosti rada i ekonomskih efekata sistema odvodnjavanja u realnom prostoru i vremenu pri kratkoročnom i dugoročnom planiranju površinske eksploatacije. Na osnovu postavljenih ciljeva i zadataka, posebno se očekuje da disertacija da naučni doprinos kroz definisanje metodologije, izradu simulacionog modela rada sistema, modela pouzdanog upravljanja i modela za varijantnu ekonomsku ocenu. Sa realizacijom ovako postavljenih istraživanja stvoriće se uslovi za optimalno realno upravljanje sistemima odvodnjavanja na površinskim kopovima sa aspekta pouzdanosti eksploatacije i zaštite životne sredine. 1.6. Primenljivost rezultata istraživanja Metodologija i integralni tehno-ekonomski model za optimizaciju pouzdanosti sistema odvodnjavanja površinskih kopova su primenljivi u svim fazama površinske eksploatacije, odnosno u svim fazama životnog ciklusa površinskog kopa. Naime, metodologija i integralni tehno-ekonomski model primenljivi su u fazi izrade tehno-ekonomske dokumentacije svih nivoa od studijskih analiza do tehničkih projekata, kada se vrše opredeljenja i sa tehničko tehnološkog i ekonomskog aspekta. Metodologija i model su primenljivi i u fazi eksploatacije sistema odvodnjavanja, u funkciji održavanja i zamene pojedinih delova sistema ili kada je potrebno, zbog promene uslova ovodnjenosti ležišta, izabrati nov sistem odvodnjavanja. Takođe, metodologija i model se mogu primeniti i za postavljanje ključnih indikatora performansi odvodnjavanja u funkciji monitoringa i kontrole sistema odvodnjavanja u eksploatacionoj i posteksploatacionoj fazi površinskog kopa. Primena metodologije i integralnog tehno-ekonomskog modela je opšteg karaktera i moguća je na svim površinskim kopovima bez obzira na vrstu mineralne sirovine koja se otkopava, ležišne uslove i primenjenu otkopno-utovarnu i transportnu opremu. 1.7. Struktura disertacije sa kratkim pregledom poglavlja Postavljeni ciljevi i metodologija istraživanja odredili su osnovni sadržaj disertacije struktuiran u devet poglavlja. U prvom poglavlju dat je prikaz postavke i opis problema, ciljevi, osnovne hipoteze, primenjena metodologija i primenljivost istraživanja kao i kratak prikaz sadržaja rada. U drugom poglavlju dat je kratak pregled istraživanja predmetne problematike u zemlji i inostranstvu. Trećim poglavljem ukazano je na raznovrsnost, složenost i značaj odvodnjavanja sa aspekta pouzdane eksploatacije na površinskim kopovima. Četvrtim poglavljem opisana je korelacija faza procesa odvodnjavanja i perioda životnog ciklusa površinskog kopa. U ovom poglavlju istaknut je značaj procesa odvodnjavanja u svim periodima površinske eksploatacije. U petom poglavlju dat je prikaz procesne analize i izgradnje procesnih modela, izvršena je detaljna analiza procesa odvodnjavanja i prikazano je formiranje metodologije određivanja optimalne procesne strukture sistema odvodnjavanja. Detaljnom analizom u potpunosti su determinisani svi procesni sadržaji identifikovanih upravljačkih i tehničko-tehnoloških procesa odvodnjavanja na bazi kojih su izgrađeni procesni modeli za proces odvodnjavanja na konteksnom nivou kao i za identifikovane procese na nižem nivou. U šestom poglavlju dat je prikaz analize pouzdanosti, ekoloških rizika i ekonomskih efekata rada sistema u funkciji stanja elemenata sistema, radne sredine, organizacije rada, održavanja i troškova. Poseban akcenat je dat na metode optimizacije funkcionalne pouzdanosti elemenata sistema odvodnjavanja koje uključuju i metode analize ekoloških aspekata kao i metode ekonomske ocene. U sedmom poglavlju prikazan je izbor optimalnog sistema odvodnjavanja površinskih kopova na primeru površinskog kopa Drmno primenom definisane metodologije i integralnog tehno-ekonomskog modela za optimizaciju sistema odvodnjavanja površinskih kopova. Poglavlje osam daje prikaz zaključaka o razvijenoj metodologiji i integralnom tehno-ekonomskom modelu kao i pravce daljeg istraživanja u domenu optimalnog izbora i pouzdanog rada sistema odvodnjavanja. U poglavlju devet dat je prikaz korišćene literature. 2. PREGLED ISTRAZIVANJA PREDMETNE PROBLEMATIKE U ZEMLJI I INOSTRANSTVU Površinski kopovi, posebno danas kada se eksploatacija vrši na većim dubinama i u složenim hidrogeološkim uslovima, zahtevaju posebnu pažnju naučne i stručne javnosti sa aspekta odvodnjavanja u svima fazama razvoja površinskog kopa. Zbog toga je poslednjih decenija učinjen značajan pomak pre svega razvojem metoda, modela i softvera koji u značajnoj meri olakšavaju projektovanje optimizovanih sistema odvodnjavanja. Značajniji, sveobuhvatni softverski paketi koji se koriste prilikom projektovanja i optimizacije sistema odvodnjavanja površinskih kopova su Visual Modflow, Feflow, Visual Groundwater i Groundwater Vistas. Kada je reč o Republici Srbiji, optimizacijom objekata i sistema odvodnjavanja, među prvima počeli su da se bave članovi Katedre za površinsku eksploataciju na čelu sa profesorom dr Radomirom Simićem. Intenzivniji razvoj po pitanjima problematike optimizacije sistema odvodnjavanja počeo je devedesetih godina prošlog veka kada je, pod mentorstvom profesora Simića, asistent Vladislav Kecojević izradio i odbranio magistarski rad pod nazivom Izbor optimalnog sistema odvodnjavanja voda na površinskim kopovima [23]. Profesor Simić je 1998. godine sa saradnicima objavio monografiju pod nazivom Uvod u informacioni sistem za potrebe odvodnjavanja površinskih kopova uglja [60]. Tokom 2000. godine mr Vladislav Kecojević je pod mentorstvom prof. dr Simića izradio i odbranio doktorsku disertaciju pod nazivom Metodika izbora objekata i sistema odvodnjavanja u površinskoj eksploataciji [24]. Kandidat Anđica Kričković je pod mentorstvom profesora Simića uradila i odbranila magistarski rad pod nazivom Model za određivanje efikasnosti odvodnjavanja bunarima naprimeru površinskog kopa Drmno [25]. Prof. dr Simić je 2002. godine objavio rad pod nazivom Idejno rešenje informacionog sistema za potrebe odvodnjavanja površinskih kopova uglja [61], u kome je obrađena struktura informacionog sistema za potrebe odvodnjavanja površinskih kopova uglja. Informacioni sistem se oslanja na relacionu bazu podataka, njihovu selekciju i izbor reprezentativnih parametara, čime se stvaraju uslovi za korišćenje komercijalnih softvera i realno dimenzionisanje objekata i sistema odvodnjavanja na površinskim kopovima. Iste godine je dr Simić sa mr Zoranom Teodorovićem objavio rad pod nazivom Upravljanje sistemom odvodnjavanja u površinskoj eksploataciji uglja [78], gde je prikazao strukturu upravljačkog sistema procesa odvodnjavanja na primeru površinskog kopa uglja Drmno. U radu je istaknut značaj svih pitanja koje treba rešiti pri projektovanju specifičnog informacionog sistema koji će omogućiti i olakšati proces optimizacije sistema odvodnjavanja površinskih kopova uglja. Pored procesa optimizacije eksploatacije na površinskim kopovima, procesima optimizacije odvodnjavanja površinskih kopova bavi se i dr Vladimir Pavlović, profesor na Rudarasko-geološkom fakultetu i član Katedre za površinsku eksploataciju. Pod njegovim mentorstvom autor je 2006. godine izradio i odbranio magistarski rad pod nazivom Dimenzionisanje vodonepropusnih ekrana u sistemima odvodnjavanja površinskih kopova uglja [67], gde je pored dimenzionisanja vodonepropusnog ekrana izvršen i proces optimizacije objekata odvodnjavanja. Autor je kao koautor sa profesorima dr Vladimirom Pavlovićem i dr Dušanom Polomčićem objavio više radova na temu optimizacije sistema odvodnjavanja površinskih kopova [41, 42, 43, 49, 50, 74, 75, 76]. U radu Izbor sistema odvodnjavanja površinskog kopa Drmno hidrodinamičkim prognoznim proračunima [50], prikazana je prva faza metodologije izbora objekata odvodnjavanja od podzemnih voda na površinskom kopu Drmno. Radovima A transient three-dimensional numerical model of water impermeable screen effects on the groundwater inflow reduction into the mine (Case Study: Open pit mine Drmno, Serbia) [75] i Influence on environment of sealing screen at lignite opencast mines, Metalurgia international [76] je izvršena detaljna hidrodinamička i tehnička analiza mogućnosti zaštite površinskog kopa samo linijama bunara ili kombinacijom vodonepropusnog ekrana i linija bunara. Korišćeni su savremeni softveri za izradu 3D modela. Takođe je prikazan i uticaj raznih varijanti odvodnjavanja na zaštitu životne sredine. Rezultati dugogodišnjih istraživanja i praktične realizacije objekata odvodnjavanja na površinskim kopovima autora i dr Vladimira Pavlovića sumirani su i objavljeni 2012. godine u monografiji pod nazivom Pouzdanost, optimizacija i upravljanje sistemima odvodnjavanja površinskih kopova [45] i udžbeniku Sistemi odvodnjavanja površinskih kopova [46]. I u inostranstvu, na svim većim površinskim kopovima se daje značajno mesto odvodnjavanju, odnosno optimizaciji objekata i sistema odvodnjavanja. Sumer S. M., Elton J. J. i Tapics J. A. iz Kanade su 1988. godine objavili rad pod nazivom Dewatering optimization using a groundwater flow model at the whitewood open-pit coal mine, Alberta [66]. Kako bi poboljšali kvalitet i povećali kapacitet uglja na površinskom kopu Belo Drvo u Alberti, izradili su model zasnovan na metodi konačnih razlika, koji im je omogućio da isprojektuju optimalan broj bunara kako bi sprečili priliv podzemnih voda u površinski kop. Leech S. J. i McGann M. su 2007. godine objavili radove pod nazivom Open Pit Slope Depressurization using Horizontal Drains - a Case Study [29] and Open Pit Slope Design Criteria [30], u kojima su prikazali optimizaciju sistema odvodnjavanja horizontalnim bušotinama na površinskom kopu bakra Bata Hijau u Indoneziji. Prvo je uveden monitoring, a nakon određenog vremena dobijeni su konkretnu podaci na osnovu kojih je izvršena optimizacija sistema horizontalnih bušotina. Prof. dr Mohan S., prof. dr Sreejith P. K. i Pramada S. K. iz Indije su 2007. godine objavili rad pod nazivom Optimization of open pit mine depressurization system using simulated annealing technique [36], u kome je izvršena optimizacija sistema odvodnjavanja podzemnih voda na površinskom kopu, kako bi sistem odvodnjavanja bunarima imao minimalni uticaj na režim podzemnih voda u okolini. Optimizacija je izvršena na hidrodinamičkom modelu koji je izrađen softverskim paketom Modflow. Rezultati su pokazali da kombinovana simulacija i optimizacija mogu da reše velike probleme sa podzemnim vodama. Kada je reč o Srbiji značajnija primenjena istraživanja vršena su na površinskom kopu Drmno, u domaćim uslovima sa aspekta odvodnjavanja najsloženijem objektu, iz kojih su proistekla i značajna praktična iskustva autora. U toku jedne istraživačke godine na naučno istraživačkom projektu, naučno-stručni tim Rudarsko-geološkog fakulteta Univerziteta u Beogradu, čiji je član bio i autor, je kroz 5 faza i 20 aktivnosti uradio Projekat [84] u okviru koga je urađena i jedna eksperimentalna horizontalna bušotina kao objekat odvodnjavanja. Takođe, autor je kroz učešće u izradi projekata odvodnjavanja ovog površinskog kopa realizovao i značajan deo svojih istraživanja vezanih za optimizaciju sistema odvodnjavanja[82, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92]. Trenutno se ovaj površinski kop brani sa nedovoljnim brojem linija bunara. Treba napomenuti da postojeći sistem odvodnjavanja nije optimizovan zbog nedostatka finansij skih sredstava. Za zaštitu površinskog kopa Tamnava-Zapadno Polje od podzemnih voda, iz dela aluvijona reke Kladnice sa zapadne strane [20], izveden je kombinovani sistem odvodnjavanja koji čine usek odvodnjavanja, sistem bunara i ekran. Položaj ovih objekata je prikazan na Slici 2.1 [20]. Ekran preseca hidrogeološki kolektor i predstavlja fizičku barijeru za prodor podzemnih voda ka radnoj etaži (zapadnoj kosini površinskog kopa Tamnava-Zapadno Polje) i podeljen je na dva dela: cementno-bentonitski deo - južno krilo i deo koji se radio mlaznim injektiranjem - severno krilo. Slika 2.1. Sematski prikaz užegprostora modela [20] Cementno-bentonitski deo ekrana je urađen na južnom delu, gde podina zaleže (kompleks ugljeva) i gde je dubina ekrana veća (trpi veći uzvodni pritisak do 1,3 bara). Na severnom delu podina vodonosnog kompleksa se diže, dubina ekrana je manja (trpi manji uzvodni pritisak do 0,5 bara - lakši uslovi odvodnjavanja), tako da je na tom delu ekran urađen mlaznim injektiranjem. Kada je reč o inostranim iskustvima značajnija istraživačka i posebno praktična iskustva sticana su na površinskim kopovima uglja u Nemačkoj. Značajno je istaći da ovi površinski kopovi rade u veoma složenim hidrogeološkim uslovima sa velikom ovodnjenošću ležišta. Na primer, na površinskom kopu Janschwalde (Slika 2.2 - Linije bunara i Slika 2.3 - Pozicija izgrađenih i planiranih ekrana, [94]), izvršena je optimizacija sistema odvodnjavanja kojom je praktično zamenjen postojeći sistem odvodnjavanja bunarima novim koji čini kombinovana metoda ekranima i bunarima. Slika 2.2. Linije bunara na površinskom kopu Janschwalde [94] Slika 2.3. Pozicije izgrađenih i planiranih ekrana na površinskom kopu Janschwalde [94] Glavni cilj optimizacije je bio da se maksimalno smanje uticaji odvodnjavanja bunarima na okolinu površinskog kopa. Novim kombinovanim sistemom ovo je postignuto ali su istovremeno smanjeni troškovi odvodnjavanja i povećana pouzdanost kako rada površinskog kopa tako i samog sistema odvodnjavanja. 3. ODVODNJAVANJE POVRSINSKIH KOPOVA Površinske i podzemne vode pored direktnog ugrožavanja rudarske tehnologije potapanjem, utiču i indirektno na karakteristike mineralne sirovine koja se eksploatiše kao i na prateće stene u ležištu. Obzirom na uticaje površinskih i podzemnih voda na eksploataciju, cilj odvodnjavanja je potpuno i pouzdano obezbeđenje izvođenja tehnološkog procesa eksploatacije i odlaganja jalovine. Svi činioci koji utiču na ovodnjenost jednog ležišta mogu se podeliti na prirodne (klimatski uslovi, reljef terena, geološki sastav, tektonika, stepen otkrivenosti i blizina vodenih tokova) i veštačke (tehnološki proces eksploatacije i način odvodnjavanja ležišta). Raznovrsnost i složenost problematike odvodnjavanja površinskih kopova u Srbiji, pa i u Svetu ukazuje da se i pored zadovoljavajućeg nivoa tehnike i tehnologije odvodnjavanja, ovom pitanju mora i dalje posvećivati izuzetna pažnja. U tom smislu je veoma značajno da se projektovani sistem odvodnjavanja površinskog kopa zasniva na tačnim i prethodno pravilno interpretiranim elementima. Značaj odvodnjavanja postaje prioritetan i zbog sve većih potreba da se površinski kopovi produbljuju, kada dolaze u situaciju da se nalaze i ispod nivoa velikih rečnih tokova i nivoa podzemnih voda. Složenost problematike odvodnjavanja i u tom smislu odvodnjavanje površinskih kopova uslovljava multidisciplinarni pristup i obuhvata odlično poznavanje geoloških, hidrogeoloških i hidroloških karakteristika ležišta kao i dinamike podzemnih voda, hidrotehnike, mehanike stena, bušačkih radova, hidraulike i tehnike izrade bunara, a delom i tehnologije izrade podzemnih prostorija. Obzirom na svu složenost i multidisciplinarnost, sam izbor sistema i izgradnja objekata odvodnjavanja površinskog kopa ne može se provesti bez geološkog i hidrodinamičkog modeliranja radne sredine, korišćenja savremenog pristupa pri određivanju pouzdanosti sistema odvodnjavanja i optimizacije izbora objekata odvodnjavanja. Za efektivno i efikasno odvodnjavanje površinskih kopova nije dovoljan optimalan izbor sistema i objekata već i dobro organizovan i upravljiv proces odvodnjavanja. Zbog toga, na svim većim površinskim kopovima postoje službe koje prate, analiziraju i unapređuju rad sistema za zaštitu površinskog kopa i odlagališta od podzemnih i površinskih voda, čime doprinose izbegavanju posledica koje voda može da izazove direktno (poplavljivanje radova, odnošenje mehanizacije i dr.) ili indirektno (kretanje zemljanih masa velikih dimenzija). Efektivno i efikasno odvodnjavanje podrazumeva i izbor odgovarajuće metode, objekata i sistema odvodnjavanja površinskih kopova koji se razlikuju među sobom, jer neposredno zavise od količina površinskih i podzemnih voda, od fizičko-mehaničkih karakteristika mineralne sirovine i pratećih stena, od tehnologije eksploatacije i dr. Pravilan izbor i realizacija procesa odvodnjavanja treba da opravda funkcionalnost i ekonomičnost u odgovarajućim uslovima ovodnjenosti ležišta. Zbog svoje složenosti i značaja za površinsku eksploataciju procesu odvodnjavanja neophodno je posvetiti punu pažnju u svim periodima odnosno fazama površinske eksploatacije. Izražena potreba za strateškim upravljanjem aspektima životne sredine pri odvodnjavanju površinskih kopova, stavljanja van pogona i napuštanja objekta, tek nedavno je uspostavila jasne standarde dugoročnog planiranja površinske eksploatacije. Proces odvodnjavanja površinskog kopa, sa aspekta ukupnog planiranja površinskog kopa, je kontinuiran niz aktivnosti koji započinje prethodnim planiranjem i pre projektovanja, otvaranja i izgradnje objekata, a završava se postizanjem dugoročne stabilnosti terena i uspostavljanjem samoodrživog ekosistema. Pri planiranju odvodnjavanja do posle eksploatacionog perioda neophodno je ostvariti, pored uslova za sigurnu i pouzdanu eksploataciju i ekološko socijalne uslove pri čemu su posebno važni zaštita zdravlja i sigurnosti ljudi, eliminisanje negativnih ekoloških uticaja, uspešno korišćenje zemljišta i resursa vode i socijalna i ekonomska korist u toku održivog razvoja i rada površinskog kopa. 4. FAZE PROCESA ODVODNJAVANJA POVRSINSKIH KOPOVA Sa aspekta odvodnjavanja, površinski kopovi su po pravilu veoma dinamični sistemi pod uticajem velikog broja prirodnih, tehničko tehnoloških, ekonomskih, ekoloških i bezbednosnih faktora i ograničenja u svim periodima životnog ciklusa. Životni ciklus svakog površinskog kopa, bez obzira na veličinu ili mineralnu sirovinu koja se eksploatiše, čine tri perioda, odnosno faze: - pre eksploataciona faza, - faza eksploatacije i - posle eksploataciona faza. Pre eksploatacionu fazu površinskog kopa čine sve aktivnosti vezane za geološka istraživanja (rezerve i kvalitet mineralne sirovine, geomehanika, hidrogeologija itd.), tehno ekonomske analize različite detaljnosti, izrada tehničke dokumentacije, eksproprijacija i tenderske aktivnosti na nabavci planirane opreme za eksploataciju. Ova faza životnog ciklusa površinskog kopa još se zove i period analiza, istraživanja i planiranja. U zavisnosti od vremena realizacije radova na površinskom kopu, fazu eksploatacije čine period pripreme i otvaranja, period pune proizvodnje i period zatvaranja. U periodu pripreme i otvaranja vrši se čišćenje terena, izmeštanje rečnih tokova i komunikacija i odvodnjavanje ležišta od podzemnih voda. Otvaranje površinskog kopa obuhvata radove na skidanju otkrivke za obezbeđenje pristupa mineralnoj sirovini i omogućavanje realizacije planirane proizvodnje na otkrivci i mineralnoj sirovini. U ovom periodu izvode se vezni i etažni useci na svim etažama planirane konture otvaranja, formira se front radova potreban za period eksploatacije i izvode objekti odvodnjavanja. U periodu pune proizvodnje na površinskom kopu realizuju se u potpunosti radovi za planiranu proizvodnju na etažama otkrivke i mineralne sirovine. Osim radova na otkopavanju, u ovom periodu izvode se u kontinuitetu radovi na rekultivaciji i radovi na odvodnjavanju od površinskih i podzemnih voda saglasno dinamici eksploatacije. U periodu zatvaranja površinskog kopa prekida se sa otkopavanjem otkrivke, završava se sa otkopavanjem svih mogućih rezervi mineralne sirovine, vrši se demontaža opreme i komunikacija i izvode završni radovi na rekultivaciji površinskog kopa. Na Slici 4.1 šematski su prikazani periodi površinske eksploatacije koje čine aktivnosti u kontinuitetu od istraživanja i investicionih odluka pa sve do aktivnosti koje se sprovode na monitoringu životne sredine posle završene eksploatacije i sprovedenih planiranih mera rekultivacije površinskog kopa. Slika 4.1. Periodi površinske eksploatacije Ceo životni ciklus definisan kroz periode površinske eksploatacije realizuje se kroz niz poslovnih procesa u svakom od perioda koji omogućuju efikasnu, efektivnu i pouzdanu eksploataciju mineralne sirovine na površinskom kopu. Jedan od ključnih procesa je i proces odvodnjavanja površinskog kopa. Analiza procesa odvodnjavanja izvršena je u kontekstu ostalih poslovnih procesa, ali i životnog ciklusa odnosno perioda površinske eksploatacije. Sa aspekta poslovnih procesa površinske eksploatacije proces odvodnjavanja pripada grupi procesa tehničke podrške za realizaciju procesa proizvodnje i procesa rekultivacije. Na Slici 4.2 prikazan je dijagram toka analiziranog procesa odvodnjavanja sa pripadajućim potprocesima i procesnim aktivnostima. Prikazani dijagrama toka procesa odvodnjavanja je na konteksnom nivou i primenljiv je bez obzira na veličinu površinskog kopa, vrstu mineralne sirovine koja se eksploatiše i složenost ležišnih uslova. Takođe, primenljiv je prilikom otvaranja novog površinskog kopa ali i kada je potrebno dizajnirati ili redizajnirati proces odvodnjavanja na površinskom kopu na kome se vrši eksploatacija. Slika 4.2. Dijagram toka procesa odvodnjavanja na površinskim kopovima U kontekstu perioda ili faza površinske eksploatacije, faze ili procesi odvodnjavanja realizuju se u zavisnosti da li se radi o novom površinskom kopu ili postojećem, na kom se vrši eksploatacija. Ako je reč o novom površinskom kopu onda se faza planiranja odvodnjavanja realizuje u pre eksploatacionoj fazi površinske eksploatacije, a faza realizacije odvodnjavanja u eksploatacionoj i posle eksploatacionoj fazi površinske eksploatacije, sve do zatvaranja površinskog kopa i konačnog završetka procesa rekultivacije. Treba napomenuti da objekti odvodnjavanja odlagališta ostaju u funkciji i posle okončanja procesa rekultivacije kada se predaju na korišćenje i upravljanje novim korisnicima prostora zatvorenog i rekultivisanog površinskog kopa. Kada je reč o postojećim površinskim kopovima na kojima se vrši eksploatacija mineralne sirovine, faze planiranja i realizacije procesa odvodnjavanja poklapaju se sa eksploatacionom fazom površinske eksploatacije. Ova situacija uglavnom se javlja kada je na postojećem površinskom kopu potrebno redizajnirati ili čak dizajnirati potpuno nov sistem odvodnjavanja zbog promene prirodnih, tehničkih i tehnoloških faktora i uslova na površinskom kopu. Na Slici 4.3 prikazana je fazno procesna usklađenost odvodnjavanja sa periodima površinske eksploatacije. Slika 4.3. Fazno procesna usklađenost odvodnjavanja i perioda površinske eksploatacije 5. ANALIZA PROCESA ODVODNJAVANJA POVRŠINSKIH KOPOVA Pri analizi procesa odvodnjavanja neophodno je pre svega da se on u potpunosti definiše, pri čemu je potrebno znati da: - Proces odvodnjavanja predstavlj a skup aktivnosti; - Aktivnosti procesa odvodnjavanja doprinose stvaraju vrednosti; - Aktivnosti procesa odvodnjavanja izvode ljudi i/ili oprema; - Proces odvodnjavanja često uključuje nekoliko organizacionih jedinica. Iz prethodnog proizlazi princip da proces odvodnjavanja treba da budu organski, a ne mehanički. Odnosno, prilikom dizajniranja treba kreirati održive procese koji će delovati duže vreme u budućnosti - drugim rečima, procese koji će se povezati sa drugim procesima i uspešno obavljati svoje poslovne aktivnosti. Važnost kvalitetnog definisanja poslovnih procesa ogleda se u činjenici kako se najčešće može naići na procese koji su nepregledni, nedokumentovani i neprilagodljivi. Oni prolaze kroz različite funkcionalne celine pri čemu tradicionalno nailaze na nepremostive probleme prilikom prelaska iz jedne funkcionalne celine u drugu. Kako bi se proces uspešno definisao, potrebno je znati i njegove karakteristike. Osnovne karakteristike svakog poslovnog procesa pa i procesa odvodnjavanja su sledeće: - Svaki proces ima svoj cilj; - Svaki proces ima svog vlasnika; - Svaki proces ima svoj početak i završetak; - U proces ulaze inputi, a izlaze outputi; - Proces je sastavljen od sekvencijalno izvodljivih aktivnosti; - Posmatrajući ulaze i izlaze procesa lako se utvrđuje efektivnost i efikasnost procesa; - Neizbežno kontinualno unapređenj e procesa. Nije nužno da svaki proces koji ispunjava ove navedene zahteve bude i kvalitetan proces. Za sticanje takvog epiteta potrebno je da zadovolji i sledeće zahteve: - Outputi procesa treba stalno da dodaju dodatu vrednost; - Proces treba da ima kompetentnog vlasnika; - Proces treba da je razumljiv od strane svih i svi njegovi članovi su uključeni u odlučivanje; - Proces treba da ima indikatore za merenje efikasnosti i efektivnosti; - Kontinualno unapređenje procesa. Kako bi se lakše i kvalitetnije upravljalo poslovnim procesima, organizacije pokušavaju da ih standardizuju. Standardizacija je jedna od ključnih karakteristika jer standardizovani procesi nude brojne prednosti kao što su na primer pojednostavljenje procesnih merenja, manje procesne troškove kao i povećanje organizacione fleksibilnosti [15]. Rezultati standardizacije su vrlo često i smanjenje vremena rada, veći kvalitet, bolji rezultati i manji broj procesnih zastoja. Ova strukturna karakteristika procesa je ključ za ostvarivanje koristi procesne orijentacije osiguravajući odgovarajući i napredan nivo procesne analize čineći organizaciju vidljivijom i jasnijom, a moguće devijacije i problemi su lako uočljivi. Naglašavajući takve procese, organizacije imaju sposobnost kapitalizacije novih prilika, eliminisanja uzroka koji vode do devijacija i poboljšanja celokupne uspešnosti poslovanja.. Poslovne organizacije nastoje standardizovati svoje procese iz nekoliko razloga. Unutar kompanije, standardizovanje podstiče komunikaciju o tome kako se obavlja posao, omogućava jednostavni prelaz između procesnih granica kao i komparativno merenje uspešnosti. Takođe, obzirom da informacioni sistemi pružaju podršku poslovnim procesima, standardizacija omogućava preduzećima i uvođenje jedinstvenih i integrisanih informacionih sistema. U funkciji upravljanja procesom odvodnjavanja izdvajaju se upravljački procesi vezani za planiranje, realizaciju, monitoring i kontrolu. Upravljački procesi planiranja i realizacije mogu se poistovetiti sa fazama procesa odvodnjavanja. Analizom dijagrama toka procesa odvodnjavanja na kontekstnom nivou (Slika 4.2), jasno se mogu izdvojiti potprocesi i procesne aktivnosti koje se mogu grupisati u faze procesa odvodnjavanja. Tako, grupa potprocesa i procesnih aktivnosti analiza ulaznih podataka i izbor metoda, objekata i sistema odvodnjavanja pripada fazi planiranja. Izlaz iz procesa ili faze planiranja su planovi izgradnje objekata odvodnjavanja i monitoringa i oni predstavljaju ulazne elemente realizacije procesa odvodnjavanja. Grupa potprocesa i procesnih aktivnosti izgradnja, eksploatacija i održavanje objekata odvodnjavanja pripada fazi realizacije. Izlaz iz procesa ili faze realizacija odvodnjavanja su kontinualni podaci o radu, kapacitetu, zastojima, efikasnosti i efektivnosti sistema odvodnjavanja na površinskom kopu. Procesi monitoringa i kontrole realizuju se sve vreme eksploatacije objekata odvodnjavanja i praktično pripadaju fazi realizacije. Procesno, odvodnjavanje se mora analizirati sa aspekta upravljačkih procesa i sa aspekta tehničko tehnoloških procesa. Sa aspekta upravljanja, standardizovani model koji čine procesi planiranja, realizacije, monitoringa i kontrole čine dovoljan i potreban nivo detaljnosti. Tehničko tehnološki procesi odvodnjavanja su svi oni procesi koji omogućavaju da se efektivno i efikasno realizuje odvodnjavanje površinskog kopa. Detaljnom analizom procesa odvodnjavanja površinskog kopa identifikovani su sledeći tehničko tehnološki procesi: analiza prostornih aspekata, analiza geoloških uslova, analiza hidrogeoloških parametara, analiza hidroloških parametara, analiza geomehaničkih parametara, analiza rudarskih radova, izbor sistema odvodnjavanja, izgradnja objekata odvodnjavanja, izbor opreme, sistem monitoringa, sistem kontrole i održavanje sistema odvodnjavanja. Na Slici 5.1 prikazan je model procesa sistema odvodnjavanja površinskih kopova. Prikazani model omogućuje kvalitetno i pouzdano odvijanje procesa odvodnjavanja u svim njegovim fazama, od preliminarnih planova, preko izrade investiciono tehničke dokumentacije do izgradnje i eksploatacije sistema odvodnjavanja jer ima procesno determinisan tok i jasnu proceduru. 5.1. Planiranje procesa odvodnjavanja površinskih kopova 5.1.1. Polazni parametri za potrebe odvodnjavanja površinskih kopova Uspešna realizacija zaštite površinskog kopa od podzemnih i površinskih voda, pre svega, zavisi od stepena poznavanja hidroloških, hidrogeoloških i geomehaničkih karakteristika bliže i dalje zone ležišta i njihove pravilne interpretacije. Polazni parametri za potrebe odvodnjavanja, pored pomenutih, su i hidraulički i hidrodinamički parametri i parametri dinamike podzemnih voda. Slika 5.1. Modelprocesa sistema odvodnjavanja površinskih kopova 5.1.2. Prostorni aspekti procesa planiranja odvodnjavanja površinskih kopova Polazne osnove za planiranje procesa odvodnjavanja površinskih kopova proističu iz analize prostornih aspekata ležišta mineralne sirovine kao i njegove bliže i dalje okoline. Prostorne aspekte čine geografski i morfološki podaci kao i podaci prostornih planova različitog nivoa sa podacima o infrastrukturnim objektima. Ovi podaci su inače osnova i za izradu planske i investiciono tehničke dokumentacije površinskog kopa. Sa aspekta odvodnjavanja uz pomenute posebno su važni ekološki uslovi bliže i šire okoline ležišta kao i zahtevi koji u značajnoj meri mogu da utiču na obim i dinamiku eksploatacije ležišta. Ovo se posebno odnosi na potencijalne uticaje sistema odvodnjavanja površinskog kopa na količine i kvalitet podzemnih voda u okolini ležišta. Na Slici 5.2 prikazan je model procesa analiza prostornih aspekata. Prikazani model procesa predstavlja deo ukupne procedure planiranja i realizacije sistema odvodnjavanja. Slika 5.2. Modelprocesa analiza prostornih aspekata 5.1.3. Hidrološki parametri U hidrološke parametre, koji su značajni sa aspekta odvodnjavanja, spadaju: vodni bilans, veličina slivnih površina, visina i količina padavina i veličina oticaja. Vodni bilans se zasniva na jednačini kontinuiteta, odnosno činjenici da je razlika mase vode koja padne i vode koja ispari u određenom vremenskom intervalu jednaka masi vode koja se akumulira na zemlji. Opšta jednačina vodnog bilansa je [46, 56, 57]: gde su: P - padavine, K - količina kondenzovane vode, D1 - površinski doticaj vode, D2 - podzemni doticaj vode, Ei - evaporacija (isparavanje sa površine vode), E2 - evapotranspiracija (isparavanje sa zemljišta i kroz biljni pokrivač), 01 - površinski oticaj, 02 - podzemni oticaj vode, N1 - veštački odvod vode u druge slivove, N2 - vezana količina u samom prostoru i AW - promena početne zapremine vodne mase u određenom prostoru i određenom vremenu. Slivne površine su površine sa kojih voda dotiče u zonu površinskog kopa i mogu biti podzemne i površinske, a određene su vododelnicom. Padavine (visina i intenzitet) su veoma bitne za određivanje metode 3 2 odvodnjavanja. Veličinapadavina se izražava u mm (10 mm = 0,01 m ili 10 l na 1 m ). Padavine se prikazuju kao dnevne, mesečne, sezonske i godišnje. Intenzitet padavina predstavlja odnos visine padavina i vremena u kome je data visina registrovana: Izražava se kao maksimalni časovni ili dnevni intenzitet. Smatra se da period ispod 20 godina ne garantuje dovoljnu pouzdanost podataka. Objekti za odbranu od velikih voda dimenzionišu se prema kriterijumu učestalosti padavina. Za učestalost se koristi visina padavina u mm ili jačina kiša u mm/min. Jake kiše su kiše velike jačine, a kratkog trajanja. Oticaj je pojava kada se deo padavina koncentriše u otvorene vodotokove i podzemne tokove. Prirodni činioci koji utiču na oticaj vode u okviru jednog sliva su geografski, sklop terena, oblik sliva, nagib terena i dr. Veštački činioci su oni koji nastaju usled delovanja čoveka. Jedan od značajnijih geografskih činioca je vododelnica sliva, koja može biti površinska i podzemna. Površinska vododelnica je uglavnom stalna, dok podzemna zavisi od osobina stena, njihovog položaja i visine nivoa podzemnih voda. Sa aspekta odvodnjavanja interesantan je i koeficijent oticaja koji predstavlja odnos otekle zapremine (Vo) sa datog sliva i ukupne zapremine padavina (Vp) za isti period: Model procesa analiza hidroloških podataka Prethodnom detaljnom analizom determinisani su hidrološki podaci potrebni za planiranje i izgradnju sistema odvodnjavanja površinskog kopa na bazi kojih je definisan procesni model (Slika 5.3). Prikazani model procesa je deo ukupne procedure planiranja i realizacije sistema odvodnjavanja ali istovremeno može da se koristi kao informaciona osnova za izgradnju integralnog informacionog sistema odvodnjavanja površinskog kopa. Slika 5.3. Modelprocesa analiza hidroloških podataka 5.1.4. Geološki podaci Jedan od obaveznih skupova podataka za planiranje i realizaciju sistema odvodnjavanja je i skup geoloških podataka. Za proces planiranja i realizacije sistema odvodnjavanja iz skupa geoloških podataka posebno su važni podaci o litološkim članovima (debljina, ponavljanje), zatim podaci o fizičko mehaničkim karakteristikama i podaci o hemijskim karakteristikama. Ovi podaci čine bazu za definisanje procesnog modela analize geoloških podataka (Slika 5.4). Prikazani model procesa je deo ukupne procedure planiranja i realizacije sistema odvodnjavanja ali istovremeno može da se koristi kao informaciona osnova za izgradnju integralnog informacionog sistema odvodnjavanja površinskog kopa. Slika 5.4. Modelprocesa analiza geoloških podataka 5.1.5. Hidrogeološki parametri Proučavanje hidrogeoloških uslova jednog ležišta treba da obuhvati: određivanje tipova izdani i njihovo rasprostranjenje, uslove formiranja, kretanja i isticanja izdanskih voda, režim izdanskih voda, odnos izdanskih i površinskih voda i fizička svojstva izdanskih voda [3, 46, 52, 62]. Analiza hidrogeoloških uslova u kojima se određeno ležište nalazi ima za cilj određivanje reprezentativnih faktora bilansa voda i prognozu veličine priliva podzemnih (izdanskih) voda, što zahteva i primenu odgovarajućih metoda hidrogeoloških istraživanja. Po poreklu, podzemne vode mogu biti vadozne (infiltracione, kondenzacione i influacione), konatne (kopnene i marinske), juvenilne i metamorfne. Voda se u zemljištu pojavljuje kao vodena para (gasno stanje), hemijski vezana (zeolitna, konstituciona i kristalizaciona), fizički vezana, kapilarna, slobodna (tečno stanje) i u vidu leda (čvrsto stanje). Prema ispunjenosti pornog prostora u stenama, razlikuju se stene potpuno zasićene vodom, delimično zasićene i potpuno suve stene. Sa aspekta ovodnjenosti ležišta najznačajnije su slobodne, ili gravitacione podzemne vode. Osnovna hidrogeološka svojstva stena Poznavanje osnovnih hidrogeoloških svojstava stena (poroznost, vlažnost, kapilarnost, vodopropustljivost i izdašnost) ima veliki značaj pri izboru metode odvodnjavanja ležišta. Poroznost (p) utiče na vodopropusnost stena i predstavlja odnos zapremine pora prema ukupnoj zapremini stene. Razlikuje se aktivna (učestvuje u kretanju podzemnih voda) i pasivna (izolovana je i nema značaj na kretanje podzemnih voda) poroznost. Koeficijent poroznosti (e) predstavlja odnos zapremine pora prema zapremini čvrste mase [46, 57, 58]: Takođe, koeficijent poroznosti se može izraziti i preko poroznosti: Poroznost i koeficijent poroznosti za razne vrste stena su date u Tabeli 5.1. Vlažnostje osobina stene da upija i zadržava određenu količinu vode. Razlikuje se prirodna, težinska i zapreminska vlažnost. Prirodnu vlažnost stena poseduje u prirodnom stanju i određuje se utvrđivanjem težina uzorka stene pre i posle sušenja na temperaturi 110oC. Težinska vlažnost se određuje iz odnosa ukupne težine vode prema težini čvrstih delova u steni, dok zapreminska vlažnost predstavlja odnos zapremine vode prema zapremini stene. Tabela 5.1. Vrednosti poroznosti i koeficijenta poroznosti [46, 57] Stepen vlažnosti jedne stene se može izraziti koeficijentom vlažnosti koji predstavlja dopunsku količinu vode koja se dodaje steni da bi bila potpuno zasićena: gde je: w - prirodna vlažnost, ys - specifična težina stene i e - koeficijent poroznosti. Prema sadržaju vlažnosti, razlikuju se stene sa velikom vlažnošću (treset, gline, peskovite gline), stene sa srednjom vlažnošću (laporci, peskovi) i stene sa slabom vlažnošću (masivne, eruptivne i sedimentne). U odnosu na koeficijent vlažnosti stene mogu biti: stene male vlažnosti (Kw = 0-0,5), stene veoma vlažne (Kw = 0,5-0,8) i stene zasićene vodom (Kw = 0,8-1,0). Kapilarnost predstavlja izdizanje tečnosti pod delovanjem kapilarnih sila u smeru suprotnom od gravitacionog kretanja. Kapilarno kretanje vode karakteriše izdizanje koje zavisi od vrste stene i vremena uspona koje je funkcija veličina frakcija u steni (podizanje vode u pesku kreće se od 15 do 100 cm za tri dana, a u glinama do 5 m u jednoj godini). Vodopropusnost je svojstvo stena da kroz svoje pore propuštaju slobodnu (gravitacionu) vodu. Vodopropusnost zavisi od veličine pora, njihove strukture i povezanosti. Određuje se koeficijentom filtracije čija vrednost zavisi od razmere i strukture pora i fizičko-hemijskih svojstava tečnosti. Koeficijent filtracije se određuje posrednim (grafoanalitička metoda po formulama Hazena, Krigera, Tercagija i nomogramima) i neposrednim metodama (laboratorijske i n terenske metode). Stene sa koeficijentom filtracije >10-7 m/s smatraju se n vodopropusnim (kolektori), a sa koeficijentom filtracije <10- m/s smatraju se vodonepropusnim (izolatori). Na osnovu podataka granulometrijskog sastava stena, koeficijent filtracije se određuje preko empirijskih obrazaca, kao što je formula Hazena. Prema formuli Hazena efektivni prečnik zrna treba da bude u granicama od 0,1 do 3 mm, i ista se preporučuje za određivanje koeficijenta filtracije, gde je odnos d60 prema di0 manji od 5. Koeficijent filtracije se određuje iz izraza: K = (0,7 + 0,03 * T)C* d2, (m/dan), (5.7) gde je: T - temperatura opita, C - koeficijent jednorodnosti i def - efektivni prečnik zrna. Vrednosti koeficijenta filtracije u zavisnosti od granulometrijskog sastava određenih vrsta stena dati su u Tabeli 5.2. Tabela 5.2. Vrednosti koeficijenta filtracije za različite vrste stena [56] Izdašnost je sposobnost stena zasićenih vodom da pri sniženju nivoa vode odaju slobodnu gravitacionu vodu. Osnovni pokazatelj koji karakteriše izdašnost je koeficijent izdašnosti (^) i on predstavlja razliku između ukupne vode i maksimalne molekularne vode, a izražava se zapreminskim procentom. Koeficijent izdašnosti određuje količinu vode u steni u odnosu na zapreminu stene, a njegove vrednosti za određene stene date su u Tabeli 5.3. Tipovi izdani Prema strukturnom tipu poroznosti mogu se izdvojiti zbijeni, pukotinski i karstni tip izdani. Prema hidrodinamičkim uslovima, odnosno, položaju nivoa izdani (Slika 5.5), mogu se izdvojiti izdani sa slobodnim nivoom i izdani sa nivoom pod pritiskom (arteski tip). Slika 5.5. Tipovi izdani Zbijeni tip izdani se javlja u stenama sa intergranularnom poroznošću (šljunak i pesak). Pukotinski tip izdani se javlja kod stena sa pukotinskom poroznošću, gde voda cirkuliše duž sistema pukotina (ispucale magmatske, sedimentne i metamorfne stene), a karstni tip izdani se javlja u karstifikovanim karbonatnim stenama. Poznavanje režima podzemnih voda je neophodno za definisanje hidrogeoloških svojstava određenih tipova izdani. Veoma je bitan i odnos podzemnih i površinskih voda. Tu se razlikuju slučajevi kada reka hrani izdan, kada se izdan drenira u zoni rečnog korita i kada postoji uzajamna uslovljenost stanja nivoa izdani i vodostaja na reci. Izdani se najčešće dreniraju na kontaktu sa vodonepropusnim ili slabije propusnim stenama. Rezerve podzemnih voda Pod rezervama podzemnih voda podrazumeva se ukupna akumulacija slobodnih podzemnih voda. Mogu se izdvojiti statičke, dinamičke i eksploatacione rezerve podzemnih voda [10, 11, 46]. Statičke rezerve se određuju preko formule: gde su: Q - ukupne rezerve, V - zapremina izdanske zone i s - specifična izdašnost. Dinamičke rezerve se definišu veličinom podzemnog proticaja u posmatranom profilu izdani i određuju se preko obrasca: gde su: ksr - srednji koeficijent filtracije, hsr - srednja debljina izdanske zone, B - širina izdanskog toka i I - hidraulički gradijent. Ukoliko se prihranjivanje izdani obavlja na račun infiltracije voda od padavina dinamičke rezerve se određuju preko obrasca: gde su: W - veličina infiltracije i F - površina rasprostranjenja izdani. Eksploatacione rezerve su one količine slobodnih izdanskih voda koje se mogu održivo koristiti za određene namene: gde je: Qdop - dopunske rezerve. Uslovi ovodnjenosti ležišta Ovodnjenost ležišta pri površinskoj eksploataciji obuhvata sve pojave koje dovode do formiranja priliva rudničkih voda i izražava se preko koeficijenta ovodnjenosti (kv), koji predstavlja odnos količine iscrpene vode u m za određeni period (Q) i količine izvađene mineralne sirovine u tonama (Qp): Po koeficijentu ovodnjenosti ležišta se dele na: ležišta male ovodnjenosti (kv < 1), ležišta srednje ovodnjenosti (kv = 1 - 3), ležišta velike ovodnjenosti (kv = 3 - 10) i ležišta veoma velike ovodnjenosti (kv > 10). Ležišta mogu biti sa jednostavnim, složenim i sa veoma složenim hidrogeološkim uslovima. Ležišta sa jednostavnim hidrogeološkim uslovima su ona kod kojih su prateće stene vodonepropusne (gline, glinoviti peskovi i kompaktne stene). Uticaj površinskih tokova je mali s obzirom na karakteristike pratećih stena, pa se u tim slučajevima reke izmeštaju ili se postavljaju zaštitni stubovi. Sa manje složenim hidrogeološkim uslovima su ležišta gde su prateće stene u krovini ili podini vodopropusne i sa formiranom izdani u povlati ležišta. Vodopropusna sredina je uglavnom sastavljena od peskova, peskovitih šljunkova, šljunkova ili raspucalih čvrstih stena. Ležišta sa složenim hidrogeološkim uslovima imaju i u podini i u krovini prateće stene koje su vodopropusne i zasićene podzemnim vodama. U stenama je formirana izdan sa slobodnim nivoom ili nivoom pod pritiskom. Izdani su sa stalnim ili povremenim prihranjivanjem. Prateće stene su peskovi, šljunkovi i raspucale stene. Ležišta sa veoma složenim hidrogeološkim uslovima imaju korisnu mineralnu sirovinu i prateće stene u više slojeva. Izdani formirane u ovim stenama mogu ili ne, biti hidraulički povezane. Sve prateće stene su zasićene vodom i uglavnom rastresite ili raspucale čvrste stene. Izdani se stalno prihranjuju. Određivanje doticaja podzemnih voda u zonu površinskog kopa Određivanje doticaja podzemnih voda u rudarstvu je moguće približnim metodama, i to: Metodom hidrogeološke analogije, Metodom vodnog bilansa, Analitičkom metodom i Numeričkim metodama. Kod Metode hidrogeološke analogije primenjuju se iskustva sa ležišta sa istim ili sličnim hidrogeološkim uslovima, što znači da je ova metoda približna, a da su rezultati dobijeni po njoj samo orijentacionog karaktera. Određivanje doticaja podzemnih voda u površinski kop vrši se pomoću veličine depresije: - za izdani sa slobodnim nivoom: - Za izdani sa nivoom pod pritiskom: gde su: Q - doticaj podzemne vode koji se očekuje, - doticaj podzemne vode u kop sa kojim se vrši poređenje, S - depresija koja se predviđa, S^ - depresija (sniženje nivoa) za pritok H - debljina vodenog sloja i H - debljina vodenog sloja sa kojim se vrši poređenje. Određivanje doticaja podzemne vode Metodom hidrogeološke analogije prema veličini rudarskih radova vrši se pomoću obrasca: gde je: n u granicama od 2 do 5 (u zavisnosti od veličine površina), F - površina rudarskih radova gde se proračunava doticaj, a F^ - površina rudarskih radova gde je poznat doticaj. Takođe, ako je poznat koeficijent ovodnjenosti ležišta, može se izračunati doticaj podzemnih voda preko obrasca: gde je: p - količina korisne iskopine koju treba iskopati, a t - vreme za koje se može iskopati. Metoda vodnog bilansa se retko koristi, jer zahteva detaljno poznavanje svih komponenti koje određuju vodni bilans. Analitička metoda se najčešće koristi za određivanje doticaja podzemnih voda kod useka otvaranja, ako je u blizini površinskog kopa reka i ako je pritok iz aluvijona u slučaju nagnutog vodonepropusnog sloja. Pritok podzemnih voda kod useka otvaranja (Slika 5.6) se određuje pomoću formule: gde su: k - koeficijent filtracije, L - dužina useka otvaranja, Hd - visina od vodonepropusnog sloja do odvodnih kanala u useku, Hp - rastojanje od nivoa reke do vodonepropusnog sloja, Hn - rastojanje od NPV do vodonepropusnog sloja, Bp, Bn - radijusi depresije sa obe strane useka. Slika 5.6. Određivanje pritoka podzemne vode kod useka otvaranja Doticaj podzemnih voda kada je reka u blizini površinskog kopa (Slika 5.7) određuje se preko formule: gde su: k - koeficijent filtracije, l - rastojanje od ivice reke prema kopu do donje ivice dna kopa, b - širina reke, a N - koeficijent koji se određuje sa dijagrama (Slika 5.8). Određivanje doticaja podzemne vode iz aluvijona u slučaju nagnutog vodonepropusnog sloja, prema Slici 5.9 vrši se primenom obrasca: gde su: k - koeficijent filtracije, L - dužina fronta za koji se računa pritok, h, ho - vertikalno rastojanje od depresionih površina do vodonepropusnog sloja i Hi, H2 - vertikalno rastojanje od depresionih površina do dna kopa. Slika 5.7. Određivanje doticaja podzemnih voda ako je reka u blizini Slika 5.8. Dijagram sa koga se određuje koeficijent N Slika 5.9. Skica za određivanje doticaja podzemne vode iz aluvijona pri nagnutom sloju Numeričke metode određivanja veličine doticaja u površinski kop baziraju se na rešenju parcijalnih diferencijalnih jednačina koje opisuju kretanje podzemnih voda u izdanima sa slobodnim nivoom ili pod pritiskom. Za rešavanje ovih jednačina moraju se postaviti granični uslovi (padavine, vodostaj reke, podzemni doticaj, rad drenažnog sistema za zaštitu kopa od podzemnih voda - bunari, vodonepropusni ekran, kanali i dr.) i izabrati neko početno stanje režima podzemnih voda. Savremena primena numeričkih metoda bazira se na upotrebi računara i odgovarajućeg softvera kojim se vrši modeliranje podzemnih voda. Primena ovih metoda je najkompletnija, tako da se kao rezultat mogu odrediti veličine doticaja u kop za različite varijante odbrane kopa od podzemnih voda. Hemizam podzemnih voda Sa aspekta odvodnjavanja bitne su dve hemijske karakteristike podzemnih voda, i to stabilnost hemijskog sastava što odlučuje o intenzivnosti kolmatacije filtera bunara i korozivno delovanje. Kolmataciju izazivaju čvrste čestice, tvrdoća vode, električna provodnost i mikroorganizmi. Koroziju filtera izazivaju joni sadržani u vodi, joni nastali iz minerala i joni koji nastaju disocijacijom vode. Pri izboru objekata odvodnjavanja bitan je sadržaj sumpornih soli koje deluju na cement, kao i sadržaj kiselina agresivnih na gvožđe. Kiselost vode se izražava preko PH vrednosti, odnosno koncentracije vodonikovih jona. Model procesa analiza hidrogeoloških parametara Prethodnom detaljnom analizom determinisani su hidrogeološki podaci potrebni za planiranje i izgradnju sistema odvodnjavanja površinskog kopa na bazi kojih je definisan procesni model (Slika 5.10). Prikazani model procesa je deo ukupne procedure planiranja i realizacije sistema odvodnjavanja ali istovremeno može da se koristi kao informaciona osnova za izgradnju integralnog informacionog sistema odvodnjavanja površinskog kopa. Slika 5.10. Modelprocesa analiza hidrogeoloških podataka 5.2. Analiza ulaznih parametara za realizaciju procesa odvodnjavanja Uz prostorni model, koji proizilazi iz analize prostornih aspekata, uz geološki model koji proizilazi iz analize geoloških podataka, hidrodinamički model je ključan za pouzdan izbor sistema odvodnjavanja površinskog kopa. Uz hidrološke i hidrogeološke podatke za izradu hidrauličkog modela važno je poznavanje hidrauličkih i hidrodinamičkih parametra i parametra dinamike podzemnih voda. 5.2.1. Hidraulički parametri Kada je reč o hidrauličkim parametrima za hidrodinamički model važno je poznavanje osnovnih fizičkih osobina tečnosti: gustine, zapreminske težine, stišljivosti i viskoziteta kao i hidrostatičkog pritiska. Gustina tečnosti p predstavlja masu jedinice zapremine, a za uslove homogene tečnosti može se izračunati preko obrasca: Zapreminska težina tečnosti predstavlja težinu jedinice zapremine: a kako je težina tečnosti G = m*g, to sledi da je: Gustina i zapreminska težina tečnosti se menjaju sa promenom temperature. Stišljivost tečnosti se izražava Hukovim zakonom: gde su: AV/V - relativni priraštaj zapremine tečnosti, Ap - priraštaj pritiska i E - modul elastičnosti (za vodu E = 2*109 Pa). Viskozitet tečnosti je pojava unutrašnjeg trenja u tečnosti i izražava se preko koeficijenta apsolutnog viskoziteta (^) ili kinematskog koeficijenta viskoziteta (v): Viskozitet se menja sa promenom temperature. Hidrostatički pritisak predstavlja silu hidrostatičkog pritiska (P) koja deluje na jedinicu površine (W) i izražava se obrascem: Osnovne osobine su mu da je uvek upravan na površinu na koju deluje i da u svakoj tački deluje podjednako u svim pravcima. Kako se osnovna jednačina hidrostatičkog pritiska dobija iz uslova ravnoteže tečnosti, biće: gde su: P/(p*g) - energija hidrostatičkog pritiska jedinice težine tečnosti, Z - energija položaja jedinice težine tečnosti i n - ukupna energija jedinice težine tečnosti u odnosu na usvojenu referentnu ravan. Kada se referentna ravan (n = 0) postavi na nivo posmatrane tačke, onda se osnovna jednačina hidrostatike može napisati kao: odnosno: što j e poznato kao Paskalov zakon. 5.2.2. Hidrodinamički parametri Strujanje tečnosti može se obavljati u ustaljenom ili neustaljenom režimu. Prema vrsti kretanja tečnosti razlikuje se strujanje pod pritiskom (tečenje u cevima) i strujanje sa slobodnom površinom (tečenje u rekama i kanalima). Jednačina proticaja glasi: i predstavlja zapreminu tečnosti koja u jedinci vremena protekne kroz dati poprečni presek (ra). Bernulijeva jednačina Osnovna jednačina strujanja realne tečnosti poznata je kao Bernulijeva jednačina i ona se za slučaj strujnog toka, posmatranog u dva poprečna preseka može napisati u sledećem obliku: gde su: V - srednja brzina u posmatranom poprečnom preseku, a - Koriolisov koeficijent (1,06 < a < 1,13), a koji je najčešće « 1 i h*ra1-2 - energetski gubitak jedinice težine tečnosti usled premeštanja sa preseka 1-1 do 2-2. Energija jedinice težine tečnosti posmatranog preseka izražava se preko obrasca: Hidraulički otpori U odnosu na fiziku procesa strujanja tečnosti, razlikuje se laminarni i turbulentni režim strujanja. Laminarno strujanje se odvija u paralelnim slojevima i glavna karakteristika mu je da je gubitak energije proporcionalan brzini strujanja tečnosti. Turbulentan režim karakteriše brzina i mešanje delića tečnosti duž strujnog toka, a gubitak energije je proporcionalan kvadratu brzine. Kod strujanja u cevima turbulentni režim se javlja kada je Rejnoldsov broj Re > 2300. gde su: v - brzina strujanja, d - prečnik cevi i v - kinematski koeficijent viskoziteta. Međutim, u uslovima strujanja podzemnih voda režim je uglavnom laminaran (stene sa intergranularnom poroznošću), a gubici energije duž toka nastaju zbog savladavanja hidrauličkih otpora strujanja. Gubici energije su: gubici usled trenja, linijski i lokalni gubici. Za proračun gubitaka energije usled trenja duž cevi (turbulentni režim) koristi se Darsi-Vajsbahova jednačina: gde su: X - koeficijent trenja (0,02 < X < 0,05), l - dužina cevi i d - prečnik cevi. Za proračun kanala u određenim uslovima, kao i za cevi koristi se Šezijeva jednačina: gde su: C - Šezijev koeficijent, a R - hidraulički radijus: gde su: ra - površina, X - okvašeni obim, J - hidraulički pad (gubitak energije na jedinicu dužine toka): Šezijev koeficijent se računa po Maningovoj formuli: gde je n - koeficijent hrapavosti. Šezijeva jednačina sa Maningovom formulom je: a kada se uvede proticaj, dobija se izraz: Darsi-Vajsbahov koeficijent trenja se kreće u granicama od 0,02 do 0,05, a izračunava se preko formule: Opšti izraz za proračun lokalnih gubitaka je: gde je - koeficijent lokalnog gubitka. Lokalni gubici energije javljaju se u slučaju naglog proširenja ili suženja toka, zatim kod dijafragmi, kolena, krivina i zatvarača. U uslovima površinske eksploatacije često se koriste cevi za odvod vode sa kopa, što je dobar primer strujanja tečnosti pod pritiskom. U potpuno ispunjenim cevima, vlada stalan pritisak. Za proračun strujanja tečnosti u cevima koriste se Bernulijeva, Darsi-Vajsbahova i Šezijeva jednačina. Za proračun strujanja tečnosti u cevima gde su značajni gubici, koristi se jednačina: Kada se lokalni gubici mogu zanemariti u odnosu na gubitke usled trenja, za cevi velike dužine, ukupni gubitak energije se računa pomoću Šezijeve jednačine: Ako je proticaj duž cevovoda isti, onda se koristi sledeća jednačina: 5.2.3. Parametri dinamike podzemnih voda Poznavanje kretanja podzemnih voda za odvodnjavanje površinskih kopova je veoma bitno, ne samo u fazi istraživanja i projektovanja, već i u toku izvođenja rudarskih radova. Da bi se sprečilo štetno dejstvo podzemnih voda, potrebno je preduzeti mere koje će biti u skladu sa zakonima kretanja podzemnih voda. Kod hidrodinamičkih proračuna potrebno je izabrati odgovarajuću proračunsku šemu, koja najrealnije reprezentuje prirodne uslove. Tako bi sredina mogla biti šematizovana kao homogena i izotropna (u svim tačkama i u svakom pravcu je ista veličina filtracionih karakteristika) ili homogena i anizotropna (filtracione karakteristike se u datoj tački razlikuju u zavisnosti od pravca posmatranja). Pri procesu filtracije u poroznoj sredini postoji velika površina kontakta između vode i čvrste materije, i u takvim slučajevima se javlja otpor kretanju, koji je proporcionalan viskozitetu tečnosti. Razlikuju se geometrijska (n) i dinamička (£) poroznost. Geometrijska poroznost predstavlja odnos zapremine pora prema ukupnoj zapremini sredine, dok dinamička poroznost predstavlja odnos zapremine aktivnog dela pora prema ukupnoj zapremini. Iz ovoga se vidi da je dinamička poroznost manja od geometrijske. U poroznoj sredini strujanje se odvija samo kroz pore. Realna brzina je ona koja se odvija u aktivnom delu pora. Radi olakšavanja proračuna uvodi se pojam filtracione (Darsijeve) brzine, koja predstavlja odnos proticaja i ukupnog poprečnog preseka filtracionog toka: gde su: V - filtraciona brzina, a Vo - realna brzina. Darsijev zakon U uslovima strujanja podzemne vode, ukupna energija preseka se poklapa sa potencijalnom energijom, pošto su brzine kretanja vode veoma male (10-5 m/s): Darsi je posle brojnih eksperimenata strujanja tečnosti kroz cev ispunjenu peskovitim materijalom, postavio osnovni zakon filtracije. Na osnovu rezultata eksperimenta Darsi je utvrdio da postoji stalna zavisnost između filtracione brzine i pada: gde su: K - koeficijent filtracije i J - hidraulički pad (J = An / AS). Darsijev zakon pokazuje da se strujanje tečnosti odvija u laminarnom režimu i da važi u poroznoj sredini u kojoj se zadržava laminaran režim strujanja. Prelaz iz laminarnog u turbulentan režim strujanja, definiše se preko Rejnoldsovog broja, pa će u slučaju strujanja podzemne vode u intergranularnim sredinama biti: gde su: V - filtraciona brzina, de - prečnik zrna (d17 > de > d10) i v - kinematski koeficijent viskoziteta. Povećanjem proticaja, odnosno brzine, Darsijev zakon se narušava i strujanje prelazi u turbulentno, pa će biti: Druga bitna karakteristika izdani je specifična izdašnost izdani, koja je vezana za nestacionarni režim strujanja i manifestuje se različito kod strujanja pod pritiskom i strujanja sa slobodnom površinom. Specifična izdašnost izdani predstavlja zapreminu vode koju izdan daje, ili akumulira, usled jedinične promene pijezometarskog nivoa izdani. U uslovima strujanja sa slobodnom površinom vode specifična izdašnost (^) predstavlja efektivnu poroznost. Vrednosti specifične izdašnosti za uslove elastičnog režima strujanja su dosta manje 3 5 od efektivne poroznosti i kreću se u granicama od 10- do 10- . Osnovne jednačine strujanja podzemne vode U opštem slučaju za uslove ravanskog toka, strujanje podzemne vode je opisano jednačinom Busineska: gde je: n - pijezometarski nivo, T - koeficijent vodoprovodnosti: T = M*k, M - debljina vodenog sloja, a K - koeficijent filtracije, W - infiltracija i ^ - specifična izdašnost izdani. U slučaju kada se izdan može šematizovati kao homogena i izotropna, sa konstantnom debljinom i bez infiltracije, jednačina nestacionarnog strujanja podzemne vode glasi: Kada je strujanje podzemne vode stacionarno, onda je: — = 0 i — = 0, pa je dt St strujanje podzemne vode opisano Laplasovom jednačinom: Hidraulička teorija filtracije Hidraulička teorija filtracije polazi od uslova kretanja podzemnih voda zasnovanih na šemi kontinuuma i Darsijevom zakonu filtracije, i uvodi pojmove poprečnog preseka izdanskog toka po celoj njegovoj visini, srednje vrednosti brzine, proticaja i pritiska, itd. U okviru ove teorije se analiziraju: jednoliko ustaljeno strujanje u izdani pod pritiskom, jednoliko ustaljeno strujanje u izdani sa slobodnom površinom, nejednoliko ustaljeno strujanje u izdani sa slobodnim nivoom i nejednoliko ustaljeno strujanje u izdani sa slobodnim nivoom uz učešće filtracije. Slika 5.11. Jednoliko ustaljeno strujanje u izdani podpritiskom Jednoliko ustaljeno strujanje u izdanipodpritiskom (Slika 5.11) javlja se u izdani koju ograničavaju dva toka i gde se filtracioni proticaj može šematizovati kao ravansko strujanje. Filtraciona brzina je data Darsijevom jednačinom: Ako se diferencijalna jednačina razmatra u granicama od x = 0, n = n^ do x = L, n = n2, srednja brzina toka će biti: Odavde sledi da je: a filtracioni proticaj kroz izdan: Specifičan proticaj je jednak filtracionom proticaju jedinice širine: Jednoliko ustaljeno strujanje u izdani sa slobodnim nivoom (Slika 5.12) se može šematizovati kao jednoliko, kada se odvija po vodonepropusnoj podlozi. Tada se pad energije (JE) podudara sa nagibom podine izdani (i). Kako pad pijezometarske linije (Jn) odgovara padu slobodne površine, biće: Slika 5.12. Ustaljeno strujanje sa slobodnim nivoom Pad linije energije je: a filtracioni proticaj je: Proticaj na jedinicu širine strujnog toka se računa po obrascu: gde je ho - normalna dubina koja odgovara jednolikom strujanju Nejednoliko ustaljeno strujanje u izdani sa slobodnim nivoom (Slika 5.13) je kada strujnice nisu međusobno paralelne (JE ^ io). Slika 5.13. Nejednoliko ustaljeno strujanje sa slobodnim nivoom Za slučaj kada je strujanje postepeno promenljivo, uvodi se hipoteza Dipija, gde se vertikalna komponenta brzine zanemaruje, a filtraciona brzina je predstavljena samo horizontalnom komponentom. Jednačina za nejednoliko ravansko strujanje je: (5.63) Osnovna jednačina nejednolikog strujanja (Slika 5.14) u ovom slučaju je: gde je: h - dubina vode, a ho - normalna dubina vode. Slika 5.14. Nejednoliko ravansko strujanje Slika 5.15. Nejednoliko kretanje između dve paralelne vertikalne granice U slučaju kada je podina horizontalna (io = 0), nejednoliko kretanje se može javiti samo kao depresija jediničnog proticaja između dve vertikalne granice (Slika 5.15). Tada je strujanje podzemne vode opisano u granicama od x = 0, n = —^ do x = l, n = n2, pa sledi: Slika 5.16. Sema za određivanje linije proviranja Jednačina linija slobodne vodene površine (parabola Dipija - Slika 5.16), za io = 0 dobija se rešenjem jednačine: Uvođenjem hipoteze Dipija, sračunata linija slobodne vodene površine se razlikuje od realne. Parabola Dipija je uvek ispod realne linije slobodne vodene površine. Rešavanjem jednačine u granicama od x = 0, n = n^ do x = l, n = n2, dobija se jednačina linije slobodne vodene površine: Nejednoliko ustaljeno strujanje u izdani sa slobodnim nivoom uz učešće filtracije (Slika 5.17) može se ušemiti kao jednodimenzionalno ustaljeno strujanje. Položaj maksimalne dubine izdani za x = 0 je: Slika 5.17. Ustaljeno strujanje uz učešće infiltracije Količina vode koja utiče u izdan iz reke ili se iz izdani infiltrira u reku je: Proticaj kroz presek 1-1 za x = 0 je: Proticaj kroz presek 2-2 za x = 1 je: Sa gledišta proticaja kroz presek 1-1 (x = 0) i oblika krive slobodne vodene površine mogu se javiti tri slučaja: - ako je a < 0 i q^=0 < 0, onda je to infiltracija iz izdani u tok reke, - ako je a = 0 i q^=0 = 0, onda nema doticaja i - ako je a > 0 i qx=0 > 0, onda je to doticaj iz toka reke u izdan. 5.2.4. Modeliranjepodzemnih voda Za rešavanje i prognozu složenih pojava strujanja podzemnih voda najčešće se koriste numerički simulacioni modeli a potrebni uslovi su poznavanje opisanih hidroloških, hidrogeoloških, hidrodinamičkih i hidrauličkih parametara i parametara dinamikepodzemnih voda [1, 53, 54]. Većina modela za analizu strujanja podzemnih voda, koji su danas u upotrebi su determinističkog matematičkog karaktera. Deterministički modeli se baziraju na zakonu očuvanja mase, količine kretanja i energije i prikazuju uzročno-posledične veze i iziskuju rešavanje parcijalnih diferencijalnih jednačina. Tačna rešenja dobijaju se analitičkim rešavanjem ali analitički modeli zahtevaju visok stepen idealizacije parametara i graničnih uslova. Heterogenost ili raznolikost svojstava izdani predstavlja važnu osobinu i osnovna je karakteristika svih geoloških sastava pa i hidrogeoloških. Zato se uobičajeno koriste modeli sa prostorno i/ ili vremenski varijabilnim parametrima koji omogućavaju verniji prikaz realne sredine. Numeričke metode rešavanja jednačina procesa daju približna rešenja kroz prostornu i vremensku diskretizaciju. U okvirima modelskog diskretizovanog domena, promenjiva svojstva, granice i delovanja vezana za hidrogeološki sistem daju se kao pretpostavljene vrednosti. Broj i oblik jednačina koje se rešavaju određuje se na bazi poznavanja dominantnih procesa. Koeficijenti u jednačinama su pokazatelji svojstava, graničnih uslova i delovanja na posmatrani sistem. Zavisne varijable u jednačinama su pokazatelji stanja sistema i matematički su određene rešenjem jednačina. Kada se dimenzije diskretne mreže, granični uslovi i koeficijenti filtracije odnose na određeno geografsko područje, tada se dobija karakteristični model područja - regiona. Ako korisnik modela nije svestan ili zanemaruje detalje vezane uz numeričke metode, (uključujući i aproksimacije), način diskretizacije i tehnike rešavanja rezultujućih matrica, mogu uzrokovati značajne greške (koje mogu ostati i neprimećene). Procesi strujanja podzemnih voda uglavnom se opisuju jednačinama procesa opisanim Darcy-evim zakonom i zakonom održanja mase (jednačina kontinuiteta). Međutim Darcy-ev zakon ima ograničenja koja se moraju uzeti u obzir kod modeliranja. Realnu okolinu u kojoj se odvija strujanje podzemnih voda sačinjava kompleksna, trodimenzionalna, heterogena hidrogeološka sredina. Ova varijabilnost uveliko utiče na strujanje podzemne vode. Takva sredina se može tačnije opisati samo kroz pažljiva hidrogeološka terenska ispitivanja. Bez obzira na količinu podataka kojom se raspolaže, uvek postoji određena verovatnoća pojave greške u opisu graničnih uslova i ostalih karakteristika podzemnih sistema. Stohastički pristup u prikazu i opisu potpovršinskih stenskih sistema pokazuje prednost u opisivanju njenih heterogenih karakteristika. Poslednjih godina, razvoj softvera koji koriste metodu matematičkog modeliranja strujanja podzemnih voda išao je u pravcu razvoja pravih trodimenzionalnih (3D) modela, koji za osnovu imaju jednačinu strujanja podzemnih voda u trodimenzionalnom koordinatnom sistemu, koja glasi [44, 50]: gde su: x, y, z - koordinate Dekartovog pravouglog koordinatnog sistema, K^, Kw, Kzz - vrednosti koeficijenata filtracije u pravcu x, y i z ose (LT-1), h - pijezometarski nivo (L), W - zapreminski proticaj po jedinici zapremine porozne sredine, koji predstavlja prihranjivanje ili dreniranje izdani u jedinici vremena (LT-1), ^ - specifična izdašnost izdani (-). Gornja jednačina zajedno sa graničnim i početnim uslovima predstavlja matematički izraz za strujanje podzemnih voda kroz poroznu sredinu, šematizovanu modelom kontinuuma. Ona opisuje strujanje u heterogenoj i anizotropnoj sredini tokom vremena, sa pretpostavkom da su komponente koeficijenta filtracije (K^, Kw, Kzz) paralelne sa Dekartovim koordinatnim osama. Osim za neke krajnje jednostavne uslove strujanja podzemnih voda ne postoji analitičko rešenje za jednačinu, tako da su u upotrebi različite numeričke metode za dobijanje aproksimativnih rešenja. Numeričke metode rešavanja jednačina procesa Parcijalne diferencijalne jednačine kojima se opisuje strujanje podzemnih voda mogu se rešavati analitički ili numerički. Prednosti analitičkog načina rešavanja i rešenja, ukoliko ih je moguće koristiti, su to što se uglavnom dobijaju tačna rešenja jednačina procesa. Mnoga analitička rešenja jednačine strujanja imaju ograničenja kod 1D, 2D i posebno 3D problema kojima se simuliraju složeni hidogeološki uslovi. Za probleme gde pojednostavljeni analitički modeli ne mogu dovoljno dobro da opišu fizičke karakteristike analizirane sredine, koriste se parcijalne diferencijalne jednačine strujanja koje se rešavaju numerički. U tom slučaju kontinualne varijable zamenjuju se diskretnim varijablama definisanim po prostornoj mreži. Time se kontinualne diferencijalne jednačine, kojima se definišu potencijali na celom podzemnom sistemu, zamenjuju konačnim brojem algebarskih jednačina za definisanje potencijala u tačkama. Takav sistem algebarskih jednačina uglavnom se rešava matrično u sklopu formiranog numeričkog modela. Najčešće korišćene metode koje se koriste kod numeričkog rešavanja problema podzemnog strujanja. su metoda konačnih razlika i metoda konačnih elemenata. Obe metode zahtevaju da se analizirano područje podeli mrežom na manja potpodručja (ćelije ili elemente) koji su u vezi sa čvornim tačkama (u centru ili na granicama potpodručja). Metoda konačnih razlika aproksimira odgovarajuću derivaciju parcijalne diferncijalne jednačine (razlika vrednosti nezavisnih varijabli u susednim čvorovima sa uvažavanjem udaljenosti između čvorova u dva uzastopna vremenska trenutka i sa uvažavanjem vremenskog koraka između njih). U metodi konačnih elemenata pretpostavljaju se funkcije zavisnih varijabli i parametara za procenu odgovarajuće integralne formulacije diferencijalnih jednačina. Huyakorn i Pinder [17], prikazali su vrlo opsežnu analizu primene metode konačnih elemenata u rešavanju problema strujanja podzemnih voda. U oba numerička pristupa diskretizacija vremena i prostora dozvoljava da se neprekinuti granični problemi u rešavanju parcijalne diferencijalne jednačine zamene rešenjem skupa algebarskih jednačina. Ove jednačine tada se mogu rešiti iterativno ili direktno pomoću matričnog sistema. Svaka opisana metoda ima prednosti i mane, ali samo za nekolicinu problema podzemnog strujanja može se reći da je jedna metoda bolja od druge. Generalno metode konačnih razlika lakše su za programiranje i tipično su izvedene za relativno jednostavne ortogonalne mreže čime je olakšan i unos podataka. Metode konačnih elemenata uglavnom zahtevaju upotrebu više sofisticiranih matematičkih aparata, ali za neke probleme mogu dati tačnija numerička rešenja od standardne metode konačnih razlika. Velika prednost metode konačnih elemenata je fleksibilnost kod definisanja mreže konačnih elemenata, čime se omogućava dobra prostorna aproksimacija nepravilnih graničnih uslova izdani. Sama konstrukcija i unos podataka je značajno komplikovanija za nepravilne mreže konačnih elemenata nego za pravilne pravougaone ortogonalne mreže konačnih razlika. Hipotetički, izdan koja je diskretizovana koristeći mrežu konačnih razlika i konačnih elemenata prikazana je na Slici 5.18 i Slici 5.19. Slika 5.18. Numeričko rešenje: metoda konačnih razlika Slika 5.19. Numeričko rešenje: metoda konačnih elemenata Pravougaona mreža konačnih razlika aproksimira granice izdani stepenasto pa se neki čvorovi i ćelije nalaze van granica područja od interesa. Nasuprot tome, mreža kod konačnih elemenata može dobro da prati spoljnje granice izdani koristeći najmanji broj čvorova. U zavisnosti od broja prostornih dimenzija, radi se o 0D, 1D, 2D ili 3D modelima. 0D modeli zavisni su od jedne varijable i to od vremena t. Ovi modeli podrazumevaju homogenost sistema odnosno, da je trenutno stanje po celom kontrolnom volumenu nepromenljivo. Kako je vreme t jedina nezavisna varijabla i u stacionarnom kontrolnom volumenu, analitičkom formulacijom dolazi se do običnih diferencijalnih jednačina, u kojima nepoznate funkcije zavise samo od jedne nezavisne varijable. 1D, 2D i 3D modeli mogu biti stacionarni i nestacionarni. Modeli koji nisu zavisni od vremena nazivaju se stacionarni modeli, a modeli zavisni od vremena nestacionarni modeli. Do stacionarnog stanja dolazi se u idealizovanim modelima, a neophodan uslov za stacionarno stanje je da su spoljni procesi ili parametri nepromenjivi u vremenu. 1D modelima analiziraju se na primer promene u vertikalnom ili horizontalnom smeru sistema, 2D modeli uključuju dve prostorne varijable a 3D modeli koriste se za praćenje promena po celome posmatranom volumenu, u sve tri prostorne varijable i najčešće se koriste za izradu hidrodinamičkih modela podzemnih voda za potrebe odvodnjavanja površinskih kopova. Proces izrade hidrodinamičkog modela Proces izrade od prirodnog sistema do odgovarajućeg hidrodinamičkog modela sadrži niz koraka, pri čemu svaki naredni korak zavisi o dobro obavljenom prethodnom koraku. Glavni cilj je da se izradi konceptualni model koji se može opisati matematičkom analizom i kojim se rešavaju diferencijalne jednačine. Na Slici 5.20 prikazan je model procesa izrade hidrodinamičkog modela. Prvi korak je formulisanje koncepta. Koncept se izrađuje na bazi poznatih ili raspoloživih naučnih podataka i ekspertiza, kao i iz podataka koji se dobiju analizom predmetnog sistema. Koncept sadrži sve procesne aktivnosti koje su neophodne za procenu dinamike sistema. Izrada konceptualnog modela ne sadrži numeričke podatke. Drugim korakom vrši se diskretizacija podataka u funkciji pretvaranja strukturalnih podataka u konturne koji se dalje uzimaju u obzir prilikom kreiranja mreže konačnih elemenata ili konačnih razlika. Treći korak je formulacija konceptualnog modela sa matematičkim izrazima. Funkcije varijabli i parametara vremena i prostora povezuju se matematičkim izrazima. Kombinacijom i transformacijom tih izraza, kao i korišćenjem teoretskih i empirijskih zakona i principa, dolazi se do diferencijalnih jednačina. U jednostavnim primerima dolazi se do jedne jednačine, a najčešće se dolazi do sistema jednačina (3D modeli) [32]. Naredna procesna aktivnost u modeliranju je traženje analitičkih i numeričkih rešenja. Za neke vrlo pojednostavljene uslove, moguće je naći analitičko rešenje jednačine. Obzirom na realan sistem izdani i tokova u njoj češće situacije su numerička rešenja sistema jednačina. Povratne petlje u ovoj procesnoj aktivnosti izrade modela (Slika 5.20) neophodne su kako bi se poboljšale prethodne procesne aktivnosti i ispravile eventualne greške. Slika 5.20. Modelprocesa izrade hidrodinamičkog modela Izlaz iz ove procesne aktivnosti je hidrodinamički model koji se potprocesom kalibracije još jednom, kroz povratne petlje, proverava, podešava i potvrđuje ali sada na bazi izmerenih podataka na terenu. Kalibracija modela predstavlja optimalni nivo obrade istražnih radova i usklađivanja rezultata simulacija sa stanjem različitih parametara dobijenih preko istražnih radova. Osnovu za kalibraciju modela predstavljaju podaci registrovani in situ kao rezultat praćenj a režima podzemnih voda. Izrađen, a potom i kalibrisan hidrodinamički model predstavlja jedan od ključnih elemenata za kreiranje modela površinskog kopa. 5.3. Analiza uslova za realizaciju procesa odvodnjavanja Osim analize hidroloških i hidrografskih odnosa u zoni površinskog kopa i njegovoj bližoj i daljoj okolini i hidrogeoloških i hidrodinamičkih uslova koji vladaju u široj zoni površinskog kopa, koji se analiziraju i pri izradi hidrodinamičkog modela, pouzdan izbor sistema i objekata odvodnjavanja ne može se izvršiti bez analize geotehničkih karakteristika ležišta i pratećih stena, odnosno uslova stabilnosti, načina otvaranja i izbora opreme za otvaranje i izbora tehnologije eksploatacije. 5.3.1. Analiza procesa odvodnjavanja sa aspekta primenjene rudarske tehnologije Prateće stene i struktura ležišta pod uticajem podzemnih voda ne pokazuju posebne deformacije, dok se ne razviju rudarski radovi. Dobro poznavanje posebno hidrogeoloških karakteristika krovinskih naslaga, ukazuje na njihovu sposobnost odvodnjavanja. Ako su prateće naslage šljunkovi i peskovi, sigurno je moguće njihovo efikasno odvodnjavanje, tako da se mogu obezbediti uslovi za izvođenje rudarskih radova. Ako su prateće naslage prašinasti ili sitnozrni peskovi, mogućnost njihovog odvodnjavanja zavisi od vremena i tehnologije odvodnjavanja. Ovi peskovi se mogu uspešno odvodnjavati samo u dužem vremenskom periodu, pa je potrebno prilagoditi i rudarsku tehnologiju. Prirodni uslovi u ležištu uslovljavaju tehnološka rešenja, pa se samo usaglašavanjem odvodnjavanja i rudarske tehnologije može postići optimalan proizvodni proces. 5.3.2. Analiza procesa odvodnjavanja sa aspekta uslova stabilnosti U skladu sa rudarsko-tehnološkim parametrima koji definišu nagib kosine etaža i nosivost tla, a na bazi poznavanja geotehničkih katrakteristika, odnosno geomehaničkih podataka, vrši se provera stabilnosti kosine etaže, useka i nasipa u prirodnom stanju [8, 31, 48, 64, 65], Ukoliko provera ne zadovolji rudarsko-tehnološke uslove, neophodno je odvodniti tlo, čime se poboljšavaju njegove karakteristike, povećavaju se unutrašnji otpori pa se tako povećava i njegova stabilnost. Šema za proračun stabilnosti zavodnjene kosine prikazana je na Slici 5,21 [46], Stabilnost zavodnjene kosine proračunava se tako što se ispituje položaj najslabije površine klizanja za datu kosinu, bez razmatranja dejstva uticaja vode nekom metodom, Utvrđuje se položaj krive depresije i linija jednakih pritisaka pomoću analitičkih, odnosno grafičkih metoda. Deo koji se nalazi unutar zone klizanja, pomoću vertikalnih linija deli se na blokove. Po obavljenoj grafičkoj interpretaciji, sila hidrostatičkog i hidrodinamičkog pritiska računa se po obrascu: gde je: Hi - srednji pritisak u granicama svakog bloka, Yi - srednje rastojanje od nivoa A-A do površine klizanja, ai - širina bloka, y0 - zapreminska težina vode i - ugao nagiba površine klizanja. Koeficijent sigurnosti se određuje iz odnosa: gde je: Pi - težina bloka, ki - kohezija, L^ - dužina kružnog luka na površini klizanja i Pi - ugao unutrašnjeg trenja. Analizom ovog obrasca, vidi se da uticaj vode znatno smanjuje stabilnost kosine, pogoršava radne uslove i onemogućava dimenzionisanje etaža prema veličinama radnih parametara mehanizacije za otkopavanje, utovar i odlaganje. Metoda grafičke analize stabilnosti pod uticajem voda [57] primenjuje se za kružno cilindričnu površinu, za koju se pretpostavlja da prolazi kroz nožicu kosine u homogenom tlu (Slika 5.22). Slika 5.22. Principijelna šema grafičke analize stabilnosti Pretpostavlja se da je kosina od materijala u kome je moguć lom po kružnoj površini i da su svojstva materijala stalna, kao i da su vrednosti za koheziju i ugao unutrašnjeg trenja dobijene preko linearnog kriterijuma loma materijala. Položaj pukotine na gornjoj etažnoj ravni, kao i položaj kritične klizne površine zadovoljavaju uslove da je koeficijent sigurnosti minimalan za datu geometriju kosine i uslove mogućih nivoa podzemne vode. Nivoi podzemne vode su promenljivi, od suve do potpuno zavodnjene kosine. Za određivanje stabilnosti kosine potrebno je utvrditi koheziju i ugao unutrašnjeg trenja, zapreminsku masu materijala, kao i visinu i nagib kosine. Zatim se određuju uslovi vodenog toka u kosini i izabere se jedan od mogućih slučaj eva. Za slučaj kada je nivo vode na gornjem planumu kosine na udaljenosti 8H (Slika 5.23), pristupa se proračunu bezdimenzionog faktora preko obrasca: i nađu te vrednosti na kružnoj skali (Slika 5.24). planumu kosine na udaljenosti 8H Slika 5.24. Stabilnost za nivo vode na etažnoj ravni od 8H Prema poznatim vrednostima C i p sa kojima se ušlo u analizu, određuje se faktor sigurnosti Fs. Postoje još tri slučaja (Slika 5.25) i to kada je nivo vode na gornjem planumu kosine na udaljenosti 4H, 2H i kod potpune zasićenosti. Koristeći dijagram (Slika 5.24) moguće je za Fs = 1 odrediti vrednosti C i 9 i nacrtati njihove dijagrame, sa kojih se može odrediti da li je kosina stabilna ili ne, i koliko se dobijene vrednosti razlikuju od potrebnih da bi kosina bila na granici ravnoteže. Takođe, za različite uslove toka podzemne vode u kosini, može se zaključiti koliko treba sniziti nivo vode, da bi dobijeni parametri čvrstoće bili dovoljni da kosina bude stabilna. Slika 5.25. Nivo vode na gornjem planumu kosine Posebno težak problem koji podzemna voda može da izazove na površinskim kopovima je prodor iz podinskog dela mineralne sirovine. Tom prilikom je potrebno da pritisak iz podine bude manji od izraza koji je funkcija srednjeg otpora korisne iskopine (xsr), zapreminske težine materijala korisne iskopine ili podine (y), zapreminske težine vode (yo), debljine podinskog dela korisne iskopine (E), dužine otkrivenog dela podine korisne iskopine (p = 2*ro) i površine tog dela (F). Koristeći oznake prikazane na Slici 5.26, odnos pritiska iz podine (H) i otpora tom pritisku može se odrediti iz relacije: Slika 5.26. Određivanje radijusa deformisane zone pri prodoru podzemnih voda u površinski kop Srednji otpor korisne iskopine određuje se formulom: gde je: yv - zapreminska težina vodonosnog sloja, v - koeficijent koji zavisi od dubine površinskog kopa, p - ugao unutrašnjeg trenja i k - kohezija. Ukoliko se dno površinskog kopa koristi za unutrašnje odlaganje, potrebno je obrazac dopuniti zapreminskom težinom odložene mase, pošto ona pritiska deo sloja korisne iskopine debljine m. Za smanjenje deformacija dna kopa, koje mogu nastati usled dejstva podzemnih voda koje se nalaze u vodonosnom sloju debljine m, izrađuju se samoizlivajuće bušotine sa određenim radijusom dejstva (R) i veličinom depresije (So). Dimenzije deformisane zone su: 5.3.3. Modelprocesa analiza uslova za realizaciju procesa odvodnjavanja Prethodnom detaljnom analizom determinisani su podaci o primenjenoj rudarskoj tehnologiji i uslovima stabilnosti površinskog kopa potrebni za planiranje i izgradnju sistema odvodnjavanja na bazi kojih je definisan procesni model analiza uslova stabilnosti površinskog kopa (Slika 5.27) i procesni model analiza uslova za realizaciju procesa odvodnjavanja (Slika 5.28). Prikazani modeli procesa deo su ukupne procedure planiranja i realizacije sistema odvodnjavanja ali istovremeno mogu se koristi i kao informaciona osnova za izgradnju modela površinskog kopa ili kao podloge za investiciono tehničke studije i projekte. Slika 5.27. Modelprocesa analiza uslova stabilnostipovršinskog kopa u funkciji odvodnjavanja Slika 5.28. Procesni model analiza uslova za realizaciju procesa odvodnjavanja 5.4. Izbor sistema odvodnjavanja površinskih kopova 5.4.1. Metode i sistemi odvodnjavanja Metode odvodnjavanja površinskih kopova se razlikuju među sobom, jer neposredno zavise od količina površinskih i podzemnih voda, od fizičko-mehaničkih karakteristika mineralne sirovine i pratećih stena, od tehnologije eksploatacije i dr. Potrebno je izabrati odgovarajuću metodu odvodnjavanja čijom realizacijom treba opravdati funkcionalnost i ekonomičnost u odgovarajućim uslovima ovodnjenosti ležišta. Kod odvodnjavanja ležišta treba razlikovati metode odvodnjavanja krovine, podine, rudnog tela i zone odlaganja, kao i metode za zaštitu površinskog kopa od površinskih i podzemnih voda. Podzemna voda u krovini ima direktan uticaj na stabilnost kosina, jer prisustvo vode znatno smanjuje koheziju materijala, pa su nagibi kosina u vodonosnim materijalima blaži nego u materijalima bez vode. Metode odvodnjavanja podzemnih voda dele se prema objektima na metode odvodnjavanja usecima, bunarima, horizontalnim bušotinama, slobodnim isticanjem u kanale i kombinovanim objektima. Metode odvodnjavanja površinskih voda dele se na metode odvodnjavanja radne zone površinskog kopa (kanali i vodosabirnici) i metode odvodnjavanja u cilju sprečavanja prodora površinskih voda u radnu zonu površinskog kopa (kanali i nasipi). Metodom odvodnjavanja treba obezbediti stabilnost etaža, radnih i završnih kosina površinskog kopa, smanjenje zavodnjenosti rudnog tela i obezbediti normalne uslove za rad otkopno-utovarne, transportne i pomoćne mehanizacije. Sistem odvodnjavanja je kompleks više objekata odvodnjavanja. U praksi se najčešće primenjuju sistemi drenažnih bunara uz primenu dubinskih pumpi, sistemi rudarskih radova sa odgovarajućim filterima, samoizlivni i infiltracioni bunari, sistemi drenažnih kanala i vodosabirnika, vodonepropusni ekrani i dr. Za sistem odvodnjavanja može se reći da je pravilno izabran, ako: - obezbeđuje normalne uslove za rad otkopno-utovarne, transportne i pomoćne mehanizacije, - uspešno odvodnjava prisutne izdani, - svojim rešenjima obuhvata sve racionalne sisteme za date hidrogeološke, inženjersko-geološke i rudarsko-tehničke uslove, - se bazira na detaljnim i pravilno interpretiranim podacima, - je dokumentovan svim potrebnim proračunima, - je sinhronizovan u pogledu odvodnjavanja i vodosnabdevanja date oblasti, - je usaglašen po dinamici i pravcima razvoja sa rudarskim objektima i - omogućava nesmetan prelaz iz faze otvaranja i razrade u fazu eksploatacije. Dobro izabrani i pravilno dimenzionisani sistem odvodnjavanja podrazumeva tačno proračunate objekte, koji čine sastavni deo sistema i dobro odabranu opremu. Imajući u vidu značaj objekata odvodnjavanja za sigurnost u radu i ekonomiku procesa eksploatacije, neophodno je pri njihovom izboru i dimenzionisanju obratiti pažnju na sledeće: - Moraju predstavljati pouzdane objekte, projektovane na osnovu tačno utvrđenih hidroloških, hidrogeoloških, geomehaničkih, rudarsko-tehnoloških i drugih parametara; - Oprema za izradu objekata odvodnjavanja, kao i oprema koja će se upotrebljavati za odvodnjavanje, treba da je u skladu sa tehničko-tehnološkim zahtevima samog objekta; - Karakter objekta odvodnjavanja mora biti definisan u koncepciji Glavnog rudarskog projekta, a njegovo izvođenje detaljnim izvođačkim tehničkim projektom; - Osmatranje ponašanja objekta treba da ima stalni karakter i da se sistemski obavlja u toku čitavog perioda izrade i njegove upotrebe; - Iskustva o funkcionalnosti objekta za odvodnjavanje moraju se koristiti u cilju njegove dalje racionalizacije. Definisanje kapaciteta sistema za odvodnjavanje U praksi se mogu javiti dva slučaja za koje treba definisati kapacitet sistema za odvodnjavanje. Prvi slučaj se javlja kod ravničarskih površinskih kopova (uglavnom kopovi uglja), dok se drugi slučaj javlja kod brdskih površinskih kopova (uglavnom kopovi metaličnih i nemetaličnih sirovina) [27, 38, 46]. Dimenzionisanje kapaciteta sistema odvodnjavanja u prvom slučaju je veoma složeno, jer se uglavnom radi o sredini sa aluvijalnim sedimentima, šljunkovima, peskovima, glinovitim peskovima i peskovitim glinama. Najveći problem je odrediti priliv vode (od padavina, od podzemnih voda i od infiltracionih voda). Pravilno određen priliv voda i hidrauličke veze, opredeljuju vrstu i broj objekata odvodnjavanja, a samim tim i kapacitet sistema za odvodnjavanje. Kod odvodnjavanja useka otvaranja ako je u blizini reka, moguće je orijentaciono izračunati očekivani priliv voda u usek otvaranja po sledećoj formuli: gde je: Q - očekivana količina priliva vode prema useku, L - dužina preseka vodonosnog sloja, k - koeficijent filtracije krovinskog vodonosnog horizonta u figuri otvaranja, ha - debljina toka na mestu isticanja podzemnih voda u kop, Hn - visina vodenog stuba iznad krovine uglja, Hp - visina vodenog stuba u reci iznad krovine uglja, Bp - rastojanje od useka do korita reke i Bn - rastojanje od useka do granice kopa. Kada su u pitanju brdski površinski kopovi, tada u zone tih kopova mogu da infiltriraju podzemne vode i vode od atmosferskih padavina koje direktno padnu u kop. Površinske vode koje gravitiraju sa slivnih površina ka kopu, efikasno se odvode obodnim kanalima van granica eksploatacije. Definisanje kapaciteta za brdske površinske kopove zavisi od tipa vode koje dospevaju u kop, a koje mogu da potiču iz pukotinskog i karstnog tipa izdani (vode iz pukotinskog tipa izdani imaju relativno mali priliv i ravnomerniji režim isticanja) [26]. Kod brdskih površinskih kopova veći deo atmosferskih voda vrlo brzo silazi na najnižu etažu kopa i priliv od atmosferskih voda se može odrediti preko formule: gde je: a - koeficijent oticaja, F - površina slivnog područja (km ), P - visina padavina (mm), i - minutni intenzitet padavina (mm/min ili l/m /min), m - eksponent vremena trajanja padavina. Za režim priliva vode iz pukotinske ili karstne izdani, veličina priliva u funkciji vremena može se izraziti relacijom: gde je: ai - koeficijent oticaja vode iz pukotinske ili karstne izdani, F^ - površina slivnog područja pukotinske ili karstne izdani (km ), tr - vreme retenzije u odnosu na početak padavina. Priliv vode u kopove, kako od atmosferskih, tako i od podzemnih voda je eksponencijalna funkcija vremena sa eksponentom manjim od 1, što znači da se priraštaj priliva smanjuje sa povećanjem vremena trajanja padavina. 5.4.2. Objekti, oprema i uređaji za odvodnjavanja površinskih kopova Dobro izabrani i pravilno dimenzionisani sistem odvodnjavanja podrazumeva realno proračunate objekte odvodnjavanja koji su sastavni delovi sistema. Imajući u vidu značaj objekata odvodnjavanja za sigurnost u radu i ekonomiku procesa eksploatacije, neophodno je pri njihovom izboru i dimenzionisanju obratiti pažnju na sledeće elemente: - Moraju predstavljati pouzdane objekte, projektovane na osnovu tačno utvrđenih ili realno prognoziranih hidroloških, hidrogeoloških, geomehaničkih, rudarsko- tehnoloških i drugih parametara; - Oprema za izradu objekata i oprema koja će se upotrebljavati treba da je u skladu sa tehničko-tehnološkim zahtevima objekata odvodnjavanja; - Osmatranje ponašanja objekta treba da ima stalni karakter i da se sistemski obavlja u toku čitavog perioda izrade i njegove upotrebe; - Iskustva o funkcionalnosti objekta za odvodnjavanje moraju se koristiti u cilju njegove dalje racionalizacije. Objekti odvodnjavanja predstavljaju osnovu sistema odvodnjavanja i služe za sakupljanje i odvođenje voda, kao i za sprečavanje infiltracije površinskih i podzemnih voda, sa zadatkom da obezbede smeštaj i nesmetani rad uređaja za odvodnjavanje i celokupne opreme površinskog kopa. Glavni objekti odvodnjavanja su: ekrani, useci odvodnjavanja, bunari, bušotine, kanali, vodosabirnici i pumpne stanice. Navedenim objektima sprečava se infiltracija voda (ekrani), odvodnjavaju se površinske vode (useci odvodnjavanja, kanali, vodosabirnici i pumpne stanice), odvodnjavaju se podzemne vode (useci odvodnjavanja, bunari, bušotine, vodosabirnici i pumpne stanice) i obavlja se odvođenje voda (kanali, vodosabirnici, pumpne stanice i gravitacijski cevovodi). Objekti i oprema u sistemima odvodnjavanja prikazani su na Slici 5.29. Slika 5.29. Objekti i oprema u sistemima odvodnjavanja Izbor objekata i opreme, odnosno sistema odvodnjavanja u direktnoj je funkciji ovodnjenosti površinskog kopa. Površinski kopovi koji rade u uslovima velike ovodnjenosti, za pouzdanu eksploataciju, zahtevaju složene sisteme odvodnjavanja koji podrazumevaju izradu bunara ili ekrana, često i kombinaciju ovih objekata odvodnjavanja. Oni su po pravilu složeniji i skuplji za izradu od ostalih objekata odvodnjavanja, zahtevaju specijalnu opremu za izradu, složeniji su za eksploataciju i upravljanje. Ostali objekti odvodnjavanja po pravilu su manje složeni za izradu, izrađuju se osnovnom ili pomoćnom rudarskom mehanizacijom i najčešće se koriste na površinskim kopovima koji rade u uslovima manje ovodnjenosti i jedini uslov kvalitetnog odvodnjavanja je pravilno dimenzionisanje objekata i opreme. Međutim, kada je reč o kvalitetnom odvodnjavanju površinskih kopova koji rade u uslovima velike ovodnjenosti, neophodni uslovi su pouzdan izbor i dimenzionisanje sistema odvodnjavanja, pri čemu pouzdan izbor znači pouzdan izbor svake pojedinačne komponente sistema odvodnjavanja. Sve pomenuto ovakve sisteme čini složenim i na površinskim kopovima koji ih zahtevaju, imaju važnost u svakom pogledu kao i sami sistemi eksploatacije ili rudarska oprema. Iako se najopštije može reći da je optimizacija nekog sistema svako poboljšanje funkcionisanja tog sistema, iz ove kratke analize može se zaključiti, da optimizacija izbora sistema kao i rada sistema odvodnjavanja površinskih kopova ima smisla kada je reč o površinskim kopovima sa značajnim količinama, pre svega podzemnih voda i koji treba da se brane složenim sistemima odvodnjavanja, odnosno ekranima, bunarima ili njihovom kombinacijom uključiv i prateću opremu. 5.4.3. Modelprocesa izbora sistema odvodnjavanja površinskih kopova Prethodnom detaljnom analizom determinisani su podaci o metodama, sistemima, objektima i opremi odvodnjavanja na površinskim kopovima. Na bazi ovih podataka ali i podataka iz modela ležišta (hidrološki, hidrogeološki, hidraulički, geološki, geofizički, geotehnički) kao i podataka o primenjenoj rudarskoj tehnologiji i uslovima stabilnosti površinskog kopa (podaci modela površinskog kopa) vrši se izbor sistema odvodnjavanja površinskog kopa. Svakako treba istaći da je za izbor sistema odvodnjavanja neophodno analizirati i rizike, odnosno pouzdanost samih ulaznih podataka posebno ako se ima na umu da se radi o podacima dobijenim geološkim, hidrogeološkim i drugim istraživanjima radne sredine. Sam izbor sistema odvodnjavanja je iterativan proces koji uključuje analizu pouzdanosti, efektivnosti i efikasnosti izabranog sistema. Procesni model izbora sistema odvodnjavanja površinskih kopova prikazan je na Slici 5.30. Prikazani model procesa deo je ukupne procedure planiranja i realizacije sistema odvodnjavanja. Slika 5.30. Modelprocesa izbor sistema odvodnjavanjapovršinskih kopova 5.5. Realizacija procesa odvodnjavanja površinskih kopova Realizacija procesa odvodnjavanja ili izgradnja sistema odvodnjavanja površinskih kopova podrazumeva skup procesnih aktivnosti na implementaciji projektnih rešenja na terenu, odnosno izgradnju objekata i instalaciju opreme objekata odvodnjavanja. Za sve objekte odvodnjavanja, osim ekrana i bunara, uglavnom se koristi osnovna ili pomoćna rudarska oprema. Koja oprema će se koristiti za izgradnju objekata odvodnjavanja pre svega zavisi od veličine i vrste objekata kao i od izbora sistema eksploatacije na površinskom kopu. Za izgradnju kanala i vodosabirnika najčešće se koriste bageri kašikari i ređe bageri dreglajni. Kada su na površinskom kopu u funkciji kontinualni sistemi eksploatacije onda se za izradu useka odvodnjavanja uglavnom koriste ovi sistemi. Pri radu pomenute opreme na izradi objekata odvodnjavanja primenjuju se standardne tehnološke šeme rada. Međutim, kada je u pitanju izgradnja ekrana ili bunara, obzirom na specifičnost samih objekata odvodnjavanja, koristi se i specifična oprema za njihovu izgradnju, koja nije u domenu osnovne ili pomoćne rudarske opreme. 5.5.1. Tehnologija izrade bunara Tehnologija izrade bunara za odvodnjavanje površinskih kopova se sastoji iz više tehnoloških faza, i to: geodetskog pozicioniranja lokacije bunara, pripremnih radova na lokacijama bunara, bušenja za uvodnu kolonu, ugradnje i vađenja privremene uvodne kolone, bušenja od dna privremene uvodne kolone do dna bunara, ugradnje bunarske konstrukcije, ugradnje pijezometra u zasipu, ugradnje zasipa, ugradnje nabačaja iznad zasipa, osvajanja i razrade bunara, pripremnih radova za testiranje bunara, testiranja bunara, interpretacije rezultata testiranja bunara, ispitivanja kvaliteta vode, izrade zaštitne kape bunara, likvidacije radilišta, izrade tehničkog izveštaja i geodetskog merenja i primopredaja bunara [12, 16, 28, 33, 34, 59]. Geodetsko pozicioniranje lokacija bunara Pre početka radova na lokacijama projektovanih bunara, potrebno je da se geodetski izvrši prebacivanje horizontalnih koordinata svakog projektovanog bunara iz sistema za odvodnjavanje na teren. Tako dobijenu lokaciju treba obeležiti drvenim kočićem kojeg treba pobiti u zemlju, sa vidno obeleženom oznakom bunara u crvenoj boji (masna farba koja se ne može izbrisati pod dejstvom padavina). Pripremni radovi na lokacijama Imajući u vidu da je rad na izradi bunara neprekidan proces, posebna pažnja se poklanja pripremnim radovima na predviđenim lokacijama za izradu bunara. Veličina radilišta se kreće od 500 do 1.000 m . Radilište se ograđuje, izrađuje se prilazni put, dovodi se električna struja ili obezbeđuje poseban agregat. Kroz pripremne radove potrebno je izvršiti skidanje humusa u sloju od 30 cm i nabijanje, odnosno ježiranje podtla do potrebne zbijenosti i obezbediti vodu za bušenje. Bušenje za uvodnu kolonu Bušenju bunara može se pristupiti tek kada je kompletna bunarska konstrukcija dopremljena na radilište. Bušenje bunara se može vršiti različitim tipovima bušaćih garnitura, čija se podela zasniva na načinu transporta i vađenja materijala pri bušenju. Sama faza bušenja bunara realizuje se tako što se na lokaciji bunara postavlja bušaća garnitura i fiksira na terenu, ili se podiže na nasip radi obezbeđenja natpritiska. Posle detaljno izvršenih priprema pristupa se bušenju bunara, prema postupku prikazanom na Slici 5.31. Slika 5.31. Postupak bušenja bunara Na Slici 5.32 prikazana je bušaća garnitura za izradu bunara (površinski kop uglja Drmno). Slika 5.32. Bušaća garnitura za izradu bunara (površinski kop uglja Drmno) Prva faza izrade bušotine bunara se vrši u njegovom površinskom delu za ugradnju privremene uvodne kolone. Ovaj deo bušotine bunara buši se rotacionom metodom sa dletom prečnika 0 1020 mm do dubine od 6 m. Po dostizanju dubine od 6 m bušenje se prekida i počinju pripreme za ugradnju uvodne kolone. Ugradnja i vađenje privremene uvodne kolone Posle završetka bušenja do dubine od 6 m pristupa se ugradnji privremene uvodne kolone (prečnik 1000 mm) kojom se štite zidovi bušotine od zarušavanja. Kolona treba da bude od čelika i vadi se nakon ugradnje kompletne konstrukcije bunara, zasipa i osvajanja bunara. Bušenje od dna privremene uvodne kolone do dna bunara U drugoj fazi izrade bušotine bunara vrši se bušenje od dna privremene uvodne kolone do njegove projektovane dubine. Konačna dubina bušenja je u funkciji debljine vodonosnih slojeva koji se dreniraju i ona je jednaka zbiru dužina nadfiltarskog dela, filterskog dela i taložnika. Bušenje glavnog dela bunara izvodi se reversnom metodom sa različitim prečnicima (najčešće 820, 650 i 420 mm). Bušenje se vrši sa bušaćim postrojenjima sa reversnom cirkulacijom ispirnog fluida. Ova metoda je obavezna za izradu bunara u stenskim masama hidrogeoloških kolektora sačinjenih od sitnozrnih peskova da ne bi došlo do njihove kolmatacije. Proces bušenja se odvija tako što se u početku pomoću kompresora ubacuje vazduh pod pritiskom do dna bušotine, odakle se nabušeni materijal sa vodom potiskuje kroz šipke i iznosi na površinu. Kompresor je ugrađen na samoj bušaćoj garnituri, gde se nalazi i pumpa za vodu, koja se uključuje po ugradnji uvodne kolone. Uvodna kolona omogućava spajanje bušotine sa bazenom čiste vode, na dubini od 1 m i na daljini od 2 do 3 m od garniture za bušenje. Reversna metoda rotacionog bušenja zahteva obezbeđenje dovoljne količine vode. Voda popunjava prostor koji nastaje po izbacivanju materijala pri bušenju bunara. Osim toga voda se gubi u toku rada na bušenju i ponire u šupljine stena koje se buše. Potrebna količina vode za reversno bušenje odgovara trostrukoj zapremini bunara. Za potrebe reversnog bušenja čistom vodom kopaju se dva bazena od kojih jedan služi za taloženje materijala iz bušotine, a drugi za održavanje vode u bušotini. Zapremina bazena zavisi od dubine i prečnika bušotine, očekivanog gubitka vode tokom bušenja, brzine bušenja, načina čišćenja bazena, zamene vode tokom bušenja, blizine izvora snabdevanja vodom. Bazeni su međusobno spojeni prelivnim kanalom, a posebnim kanalom su spojeni i sa bušotinom. Zidovi i dno bazena se zaptivaju glinom, kako bi gubitak vode bio sveden na minimum. Kod bušenja bunara veće dubine, čišćenje bazena se vrši na polovini vremena bušenja, dok čišćenje plitkih bazena nije predviđeno. Razlika između nivoa podzemne vode i kote usta bušotine stvara natpritisak koji je neophodan prilikom bušenja bunara reversnom metodom. Ostvarivanje natpritiska obezbeđuje se visinskom razlikom uz upotrebu čiste vode, bez dodataka gline, barita ili drugih sredstava. Kod rastresitih materijala održavanje stabilnosti zidova bušotine može se obezbediti visinskom razlikom od samo 3 m. Kod većeg natpritiska gubici su veći, što zahteva obezbeđenje veće količine vode za bušenje. Po dostizanju konačne dubine bušenja treba prekinuti i početi pripreme za ugradnju bunarske konstrukcije. U toku bušenja treba uzimati uzorke nabušenog materijala sa sita u cilju definisanja realnog litološkog stuba terena i njegove korelacije sa prognoznim litološkim stubom. Pri uzimanju uzoraka nabušenog materijala treba voditi računa o brzini bušenja, brzini fluida isplake u kanalu bušotine bunara, odnosno o vremenu koje je potrebno da nabušeni materijal stigne do površine terena. Ugrađivanje bunarske konstrukcije Po završetku izrade bušotine bunara, u bušotini ispunjenoj vodom pristupa se ugradnji bunarske konstrukcije (Slika 5.33). Prethodno je treba pripremiti na osnovu podataka dobijenih u toku bušenja bušotine bunara. Cela konstrukcija kod bunara sastoji se od: nadfilterskog dela od neperforiranih cevi, vodoprijemnog dela (filter), taložnika, peščano- šljunčanog zasipa oko vodoprijemnog dela, nabačaja iznad vodoprijemnog dela do površine terena i pijezometra u bunaru (zasipu). Izbor bunarske konstrukcije zavisi od namene i veka trajanja bunara, dubine i prečnika bunara, očekivanog dotoka vode ka bunaru, prečnika bunarskih pumpi, mogućnosti nabavke određene Slika 5.33. Ugradnja bunarske konstrukcije i njene cene i hemijskog sastava konstrukcije na kopu Drmno podzemne vode. Kod ugradnje bunarske konstrukcije prvo se ugrađuje taložnik, koji se izrađuje od pune cevi istog prečnika kao i filterski deo. Donji deo taložnika je zatvoren metalnim poklopcem i na njemu je navaren centrirnik koji obezbeđuje koncentričnu ugradnju u odnosu na zidove bušotine. Dužina taložnika zavisi od dužine perforiranog dela filterske konstrukcije, karakteristika radne sredine, zasipa, zasipa, otvora filterske konstrukcije, procesa korozije, načina razrade bunara i uslova pumpanja vode iz bunara. Taložnik se izrađuje u dužini od 2 do 10 m. U slučaju da se pumpa postavlja u taložnik, neophodno je da se njegova veličina poveća za veličinu radnog dela pumpe. Vodoprijemni deo u konstrukciji bunara je najvažniji i on treba da propusti podzemnu vodu, a da zadrži peskovite, šljunkovite i prašinaste čestice materijala. Nadfilterski deo bunarske konstrukcije istog je prečnika kao i filterski deo. Dužine ovih cevi i cevi između filtera su promenljive i zavise od debljine hidrogeološke serije. Konstrukcija se spušta pažljivo da ne bi došlo do oštećenja konstrukcije i do rušenja zidova bunarske bušotine. U momentu naleganja konstrukcije ne sme da dođe do jačeg udara, krivljenja ili deformacije bunarskog filtera. Ukoliko je filterski deo duži, onda se na spoju filterskih segmenata ugrađuje centrirnik, čiji je zadatak da bunarsku konstrukciju podjednako udalji od zidova bunara, kako bi filterski zasip koji se naknadno stavlja, zauzeo taj prostor i formirao ravnomeran prsten. Ugradnja filterske cevi počinje sa donjim segmentom filtera, pri čemu se filterski segmenti spajaju na već pripremljenom postolju. Na donji deo filterske cevi postavlja se podna ploča u čijem središtu je urezan levi navoj u koji se navija preko prelaznog naglavka bušaća čelična šipka, koja je prethodno provučena kroz spojene filterske cevi. Pomoću vitla na garnituri za bušenje, sa posebnog postolja, podiže se kompleks filterskih cevi i ugrađuje se u bunar. Podna ploča i bušaće šipke nose filterske cevi za vreme čitavog procesa ugradnje. Uvodna kolona postavljena u gornjem delu bunara, radi sprečavanja zarušavanja, ostaje tokom celog postupka ugradnje. Ugradnja pijezometra u zasipu U cilju praćenja kvaliteta rada bunara i efikasnosti drenažnog sistema u svakom bunaru se vrši ugradnja unutrašnjeg pijezometra (u zasipu) [34, 46]. Pijezometar se sastoji iz taložnika, filtera i nadfilterske cevi. Spajanje pijezometra i cevi bunara vrši se prstenima od metala, koji se radi održavanja vertikalnosti pijezometarske konstrukcije montiraju na svakih 10 m. Pijezometar se obično izrađuje od plastičnih cevi prečnika 50,8 mm (2"). Dužina pijezometra treba da bude za 6 m manja od dužine bunarske konstrukcije, odnosno dno taložnika pijezometra treba da bude na dubini koja je za 2 m veća od dubine vodopropusnog sloja. Pijezometri se ugrađuju na rastojanju od 0,1 m od bunarskih cevi. Taložnik pijezometra je dužine 2 m i dno mu je ravno, filter pijezometra kod plićih bunara je dužine 3 m, dok je kod dubljih bunara 6 m i postavlja se tako da se donji deo filtera nalazi na istoj koti sa donjim delom bunarskog filtera. Filter pijezometra izgrađen je od perforirane pocinkovane cevi. Preko perforirane cevi se postavlja spiralna pocinkovana žica debljine 2 mm sa hodom 3 cm. Preko pocinkovane žice postavlja se plastično sito sa otvorima veličine 1*1 mm. Sito se postavlja sa preklopom. Preko sita se spiralno postavlja pocinkovana žica debljine 2 mm sa hodom 3 cm, ali u suprotnom smeru od namotaja žice između perforirane cevi i sita. Žica se čvrsto spaja za cev. Nadfilterska cev je promenljive dužine i zavisna je od dubine bunara i debljine hidrogeološkog kolektora. Pored pijezometra u zasipu koji služi za osmatranje i merenje promena nivoa podzemne vode, može se ugraditi još jedan pijezometar sa istim karakteristikama kao i prethodni za postavljanje elektroda za sigurnosnu automatsku regulaciju rada potapajuće pumpe. Ugradnja zasipa Ugradnja zasipa predstavlja veoma važnu fazu u izradi bunara, tako da joj se mora prići sa maksimalnom pažnjom. Bunarski zasip se ugrađuje između bunarske konstrukcije i zida bušotine i ima zadatak da popuni taj prostor i da omogući slobodan priliv vode, a da spreči prolaz šljunka, peska i prašine u bunar. Zasip oko filterske konstrukcije bunara je obavezan, a izuzetak može biti samo kod dubokih bunara kod kojih je ugradnja zasipa tehnološki složena. Najčešće se ugrađuju jednoslojni filterski zasipi, dok je u posebnim uslovima, kod izuzetno sitnozrnih materijala moguća i ugradnja dvoslojnog zasipa. Vrsta materijala za zasip zavisi od geološkog sastava sredine, gde se ugrađuje bunar, kao i same konstrukcije bunara. Pravilnim izborom zasipa moguće je smanjiti ulaznu brzinu vode ka bunaru, čime se povećava izdašnost bunara. Pri izboru materijala za zasip potrebno je voditi računa da ujednačenost zrna bude što veća, a koeficijent neravnomernosti što manji. Osim kvalitetnog izbora materijala za zasip, veliki uticaj na kapacitet bunara ima i način i tehnologija ugradnje zasipa. Zbog loše i nestručne ugradnje zasipa dešava se da izrađeni bunar ne ispuni tehnološke zahteve, što se manifestuje kroz peskarenje i smanjenje kapaciteta bunara. Tehnologija ugradnje zasipa zavisi od dubine i prečnika bunara, vrste i granulometrijskog sastava zasipa, kao i vrste i granulometrijskog sastava vodonosnog sloja u kome je bunar. Ugradnja zasipa može biti ručna (kod većih prečnika bunara), pomoću cevi i preko pumpe. Ručna ugradnja zasipa je najjednostavnija i ne zahteva posebna pomoćna sredstva. Zasip usled težine tone kroz vodu u prostor između zida bušotine i bunarske konstrukcij e. Ugradnja pomoću cevi se zasniva na spuštanju cevi u bunar, kroz koje se ubacuje zasip. U toku rada cevi se povlače naviše, a zasip pada sa visine od najmanje 1 m. I ovu metodu je moguće primeniti kod bunara većeg prečnika, i ona pruža mogućnost ugradnje na željenoj dubini. Treći način ugradnje je pomoću pumpi sa kružnom cirkulacijom vode. Voda nosi zasip i deponuje ga u zoni filtera. Ovaj metod ugradnje daje veoma dobre rezultate kod zasipa koji je neujednačenog kvaliteta. Kontrola zasipa se vrši pomoću manometra. U trenutku kada se na manometru pokaže naglo povećanje potpritiska, to znači da je zasip zasut do vrha cevi. Kod izbora i usvajanja karakteristika zasipa koristi se kriterijum Tercagija, kroz sledeći uslov: gde je: d - prečnik zrna vodonosnog sloja, a D - prečnik zrna zasipa. Dimenzije otvora na filterskoj cevi bunarske konstrukcije (Do) se određuju prema uslovu Do = d85, a veličina otvora filterske konstrukcije može se usvojiti prema karakteristikama filterskog zasipa, odnosno Do = D10. Gavrilko i Aleksejev predlažu da se za filterski zasip bira šljunkoviti materijal sa koeficijentom neravnomernosti ^ < 5, koji se sastoji od dobro zaobljenih zrna. Britanski standard (BS 8004) za izbor filterskog zasipa koristi kriterijum Tercagija uz odgovarajuće dopune, koje bliže definišu način primene. Odnos između zasipa i materijala radne sredine određen je uslovom D50 < 25*d50. Kriva granulometrijskog sastava zasipa treba generalno da prati oblik krive materijala radne sredine. Zasip treba da bude dobro granulisan, da se uz izabranu tehnologiju ugrađivanja izbegne segregacija. Zasip ne treba da sadrži više od 5% zrna sitnijih od 0,075 mm. Maksimalni prečnik zrna ne treba da pređe 80 mm. Kada materijal radne sredine ima veliki procenat šljunka ili krupnijih zrna, filterski zasip se bira prema granulometrijskom sastavu zrna sitnijih od 19 mm. Kada se materijal sastoji od dve frakcije, tako da kriva granulometrijskog sastava ima izlomljeni oblik, filterski zasip se bira prema karakteristikama sitnije frakcije. Otvori na filterskoj cevi se usvajaju prema karakteristikama zasipa. Dimenzije otvora na filterskoj konstrukciji treba da zadovolje kriterijum Do < D85/2. Kriterijum za izbor karakteristika zasipa je odnos D50/d50 = 8-12. U slučaju kada je D50/d50 < 7 dolazi do začepljenja kontakta materijala radne sredine i filterskog zasipa, a kada je D50/d50 > 15 dolazi do peskarenja bunara. Na Slici 5.34 prikazan je izbor karakteristika materijala filterskog zasipa i otvora filtera prema navedenim kriterijumima [93]. Debljina filterskog zasipa ne bi trebalo da bude manja od 75 mm i veća od 230 mm. Prema Gavrilku i Aleksejevu, u uslovima kada je debljina zasipa (5-10)*D50, a odnos materijala radne sredine i filterskog zasipa D/d = 10, bunar radi bez peskarenja. U slučaju kada se bunari rade u vodonosnom sloju od oblutaka šljunka ili krupnozrnog peska, ne mora se ugrađivati filterski zasip. Slika 5.34. Izbor karakteristika filterskog zasipa [93] Osvajanje i razrada bunara Posle ugradnje filterskog zasipa, pristupa se razradi bunara. Osnovna namena razrade bunaraje [28]: - Dobijanje čiste vode bez sadržaja čvrstih čestica; - Formiranje stabilne filtracione zone bunara i za proticaj 50% veći od maksimalno planiranog kapaciteta bunara u eksploatacionim uslovima; Izbegavanje oštećenja na pumpama zbog eventualnog peskarenja bunara u prvoj fazi rada. Procesom razrade vrši se eliminisanje i najfinije frakcije iz filtarske zone bunara, koje bi se u procesu eksploatacije bunara pojavljivale. Ovim procesom se, takođe, vrši formiranje prirodnog filtera sa stabilnim doticajem na otvorima filterske konstrukcij e. Postoji više metoda za razradu bunara, ali svaka od tih metoda ima prednosti i nedostatke. Retko se primenjuju samostalno, već se kombinuju dve ili više metoda. Razlikuju se hemijske, klasične (razrada čistom vodom, razrada klipovanjem, razrada kašikovanjem, razrada erliftom i razrada potapajućom pumpom) i specijalne (hidroelevatorom, hidrauličkim udarom, ultrazvukom i eksplozivom) metode. U Srbiji se na površinskim kopovima, za razradu bunara, isključivo koriste klasične metode. Kod razrade bunara čistom vodom u bunar se spuštaju bušaće šipke do taložnika i kroz njih ubacuje čista voda. Vodom se vrši zamena isplake, ukoliko je bušenje vršeno pomoću isplake. Ispiranje traje do pojave bistre vode, a zatim se par sati prekida, nakon čega se nastavlja. Postupak se ponavlja dok se ne obezbedi bistra voda na ulazu bunara i to nakon dvočasovnog mirovanja između dva ciklusa ispiranja [28]. Razrada bunara klipovanjem je zasnovana na naizmeničnom stvaranju potpritiska, pomeranjem specijalnog klipa iznad filterske konstrukcije. Klip se kreće samo u predelu punih cevi, dok njegovo kretanje u zoni filtera nije dozvoljeno. Kretanje klipa omogućava da količina vode koja se uvlači u bunar klipovanjem ne prelazi trostruki kapacitet bunara. Kod rastresitih peskovito šljunkovitih materijala, brzina kretanja klipa treba da se postepeno povećava. Kod plitkih bunara sa malim prečnikom i kapacitetom, razrada se može vršiti kašikovanjem. Ova metoda razrade može se uspešno primeniti i kod otežanog spuštanja pumpe erlift sistema. Sama procedura se sastoji u tome da se u bunar spušta ventil kašika najvećeg prečnika koji može da uđe, kako bi zazor između zidova bio što manji, a efekat veći. Zahvatanjem vode iz bunara kašikom i povlačenjem naviše pomoću užeta obavlja se postupak slično klipovanju, uz istovremeno iznošenje nataloženog materijala. Ovaj postupak se naizmenično ponavlja sve do izbistrenja vode. Razrada bunara erliftom se obavlja pomoću cevi za ubacivanje vazduha, na čijem je dnu u zoni filtera ugrađena mešalica, odnosno mlaznica kroz koju se ubacuje vazduh u zonu filtera i time stvara mešavina vode, ispranih čestica i vazduha, koja zatim izlazi kroz cev na površinu. Oprema za kompresiranje, odnosno usisna cev treba da se nalazi na dubini koja iznosi u proseku 2/3 dubine bunara, a mešalica na polovini dubine bunara. Osvajanje bunara treba da traje sve do izbistrenja izbacivane vode (voda bez primesa peska). Kriterijum ispiranja je da sadržaj čvrstih čestica u ispumpavanoj vodi bude manji od 5 gr/m vode. Za sve vreme ispumpavanja vode iz bunara treba vršiti merenja njenih količina. Kod ispiranja bunara erliftovanjem neophodno je izabrati odgovarajući kompresor sa radnim pritiskom, koji treba da omogući uspešno dizanje mešavine od mešalice do površine terena. Uglavnom se koriste kompresori sa radnim pritiskom od 8 do 9 bara. Ispiranje i razrada bunara može se vršiti i potapajućim pumpama. Spuštanjem potapajuće pumpe i njenim uključivanjem, sitne čestice koje prolaze kroz dno i filter bunara, izbacuju se kroz potisno crevo van bunara. Veličine čestica koje se mogu odstraniti jednake su veličini otvora na usisnoj korpi. Ugradnja nabačaja iznad zasipa Posle ugradnje bunarske konstrukcije treba izvaditi čeličnu uvodnu kolonu i zatim u međuprostor između zida bušotine bunara i bunarske cevi od površine terena pa do gornje površine zasipa ugraditi nabačaj, odnosno materijal koji je izvađen iz terena u toku bušenja, a koji je bio prethodno sačuvan. Kao alternativa, moguća je i ugradnja glinenog tampona jer ona sprečava prodor površinske vode u bunar. Ove operacije treba izvesti posle ispiranja i razrade bunara, da bi se stvorili uslovi za naknadnu ugradnju zasipa ako dođe do njegovog većeg sleganja. Ugradnja potapajuće pumpe U bunarsku konstrukciju potrebno je ugraditi potapajuću pumpu odgovarajućeg kapaciteta i manometarske visine pumpanja. Za ugradnju dubinskih pumpi koriste se autodizalice, autokranovi i druga pomoćna mehanizacija. Početni nivo postavljanja pumpe je uvek u delu bunarske konstrukcije gde se nalazi puna cev iznad filtera. Kod bunara sa više filtera prvi položaj pumpe treba da bude između prvog i drugog filtera. Najniži položaj pumpe je ispod najnižeg filtera u gornjem delu taložnika. Testiranje bunara Po završenoj ugradnji potapajuće pumpe i potisnog cevovoda, pristupa se opitnom crpljenju vode iz bunara, koje sa osmatranjem povraćaja nivoa vode u bunaru traje 120 sati. Može se reći da opitno crpljenje predstavlja krajnju i najpouzdaniju kontrolu ispravnosti bunara, odnosno kontrolu sprovedenog procesa razrade bunara. Opitno crpljenje vode vrši se polovinom predviđenog kapaciteta bunara, zatim predviđenim kapacitetom i sa 150% predviđenog eksploatacionog kapaciteta. Maksimalni kapacitet crpljenja ne treba da pređe maksimalni kapacitet ispiranja. Pre početka crpljenja meri se nivo vode u bunaru, pijezometru u zasipu i u pet kontrolnih objekata i to tri puta u intervalu od po jednog sata. Ukoliko nema promene u registrovanim nivoima vode, pristupa se opitnom crpljenju. Vreme crpljenja vode, osmatranja nivoa vode i merenja kapaciteta, vrši se na svaka 2 minuta u trajanju od 10 minuta, na svakih 5 minuta u trajanju od 30 minuta, zatim na svakih 15 minuta u trajanju od 60 minuta i dalje na svaki sat do kraja crpljenja. Za vreme crpljenja registruje se kapacitet i vreme crpljenja iz bunara, kao i kapacitet i vreme ispiranja na objektima koji napajaju istu izdan u zoni uticaja. Promena pojedinih kapaciteta se može izvršiti i pre isteka predviđenog vremena, ako dođe do ustaljenja nivoa vode u bunaru. Ukoliko se tri puta uzastopno u vremenskom intervalu od 1 sat registruje isti nivo vode u bunaru, znači da je došlo do ustaljenja nivoa vode. Dozvoljena razlika nivoa vode u bunaru pijezometru u zasipu ne treba da pređe 3 cm. Ukoliko je ta razlika veća, pristupa se ponovnom ispiranju bunara i pijezometra u zasipu. Ako i posle toga postoji veća razlika u nivou vode, smatra se da bunar nije dobro izrađen, pa se izrađuje novi bunar. Za vreme crpljenja vode kontroliše se 3 puta dnevno količina peska u vodi svakih 8 sati. Za vreme opitnog crpljenja vode nisu dozvoljeni prekidi rada pumpi. U slučaju prekida, pristupa se osmatranju povraćaja nivoa vode na svim mernim mestima. Pre početka crpljenja i po završetku vode meri se dubina bunara i u zasipu. Po završetku crpljenja vode meri se povratak nivoa podzemne vode na svim mernim mestima u intervalima kao kod samog opitnog crpljenja vode. Kvalitet izrađenog bunara utvrđuje se na osnovu kapaciteta crpljenja, sniženja u bunaru i pijezometru, zatim preko najbližih osmatračkih objekata, specifične izdašnosti, količine peska u vodi i preko parcijalnih i ukupnih otpora bunara. Interpretacija rezultata testiranja Interpretacija podataka dobijenih na terenu u toku testiranja se vrši u kabinetu u nekoliko faza, i to - U prvoj fazi se vrši osnovna interpretacija koja podrazumeva sređivanje terenskih podataka u obliku tabela i dobijanje osnovnog grafičkog prikaza rezultata praćenja opita. U tekstualnom delu se detaljno opisuju sve aktivnosti pre i za vreme opita. Daju se neophodna objašnjenja i uputstva. Analizira se tok i efekti opita. - U drugoj fazi prvo se primenjuju jednostavne grafoanalitičke metode interpretacije, direktnom primenom ovih postupaka, ili korišćenjem namenskih softvera i kompjuterskih aplikacija. - U trećoj fazi se primenjuje metoda analize kompletnog hidrograma korišćenjem odgovarajućih kompjuterskih programa. Ispitivanje kvaliteta vode Ispitivanje kvaliteta iscrpljene vode treba da se izvedu sa dva stepena detaljnosti. Prvi je da se urade kompletne analize kvaliteta na uzorcima vode iz svakog desetog (1, 10, 20, 30, 40, 50) bunara u liniji po redosledu njihovog izvođenja. Ispitivanja treba ponoviti nakon 12 meseci. Drugi je da se urade nepotpune hemijske analize iz 5, 15, 25, 35, 45, 55 bunara po redu izvođenja po listi VI navedenog Pravilnika i na sledeće komponente: amonijum jon, amonijak, nitrate, nitrite, sulfate, fosfate, hloride, hidrokarbonate, kalcijum, magnezijum, gvožđe, mangan, natrijum i kalijum. Ova ispitivanja treba ponoviti posle 12 meseci. Prve uzorke vode treba uzeti pre završetka testiranja bunara. Ispitivanja treba da se izvedu od strane kompetentne laboratorije. Izrada zaštitne kape bunara Posle završetka testiranja bunara, odmah posle demontaže ugrađene opreme, treba izvršiti postavljanje privremene zaštitne kape bunara. Zaštitna kapa bunara se izrađuje od istog materijala kao što su i nadfilterske (pune) cevi. Spajanje zaštitne kape bunara i nadfilterske konstrukcije vrši se posebnom konstrukcijom. Na pijezometru u zasipu takođe se postavlja zaštitna kapa. Pijezometarska kapa je izrađena od pocinkovane cevi dužine 10 cm, sa ravno zavarenim krajem. Kapa je izbušena na dva mesta, kao i pijezometarska cev. Likvidacija radilišta Po završetku svih terenskih radova na izradi bunara treba izvršiti likvidaciju radilišta, odnosno teren treba dovesti u pređašnje stanje zatrpavanjem bazena i kanala za isplaku. Izrada tehničkog izveštaja Izvođač radova na bušenju, posle završetka svojih radova, na svakom pojedinačnom bunaru treba da izradi poseban tehnički izveštaj za svaki bunar, sa opisom tehnologije izvođenja i specifikacijom materijala i vremena svih tehničkih operacija koje su izvršene u toku izrade bunara. U njemu treba da budu prikazani svi utrošci materijala i atesti proizvođača za sve ugrađene materijale. Geodetska merenja Posle završetka svih terenskih radova na izradi svakog bunara, treba izvršiti instrumentalno geodetsko snimanje njihovih geografskih koordinata (X, Y i Z). Ovim snimanjem treba obuhvatiti kotu vrha (usta) bunara, horizontalne koordinate (X,Y) ose bunara, kotu vrha pijezometra u bunaru i kotu terena. Primopredaja bunara Završni čin izrade bunara je njegova primopredaja, koja se vrši po završenom probnom crpljenju vode. Primopredaja se vrši zapisnički, a zapisnik sadrži: - naziv lokacije i objekta, - oznaku i broj bunara, - datum početka i završetka bušenja, - tip garniture za bušenje, metod bušenja, dubinu i prečnik bušenja, - tehničke karakteristike izrađenog bunara, - granulometrijski sastav vodonosnog sloja i ugrađenog filterskog zasipa, - datum početka i završetka ispiranja i dobijeni kapacitet, - metode ispiranja bunara i trajanje ispiranja, - sadržaj peska pri maksimalnom kapacitetu ispiranja, - datum početka i završetka probnog crpljenja, - podatke o nivou podzemne vode registrovane pre, za vreme i posle opitnog crpljenja na svim utvrđenim mernim mestima, - podatke o kapacitetu bunara za depresije S^, S2 i S3, - količinu peska u vodi pri kapacitetu Q2 i Q3, - podatke o betonskom obezbeđenju, bunarskoj i pijezometarskoj kapi, kao i o likvidaciji radilišta. Tehnologija izrade ekrana može biti zamenom masa, sa usekom i zapunom, sa usekom bez zapune i bušotinskom tehnologijom [46, 67], Izrada ekrana zamenom masa Izrada vodonepropusnih ekrana metodom zamene masa, predstavlja tipičnu rudarsku metodu, kod koje se osnovnom rudarskom mehanizacijom (bagerima dreglajnima i bagerima sa obrnutom kašikom) vrši otkopavanje vodopropusnog sloja u vidu useka sve do vodonepropusne podloge, pa se zatim buldozerima u otkopani usek ubacuje glinoviti materijal. Očigledno je da to mogu biti plići ekrani, čija dubina odgovara dubini kopanja bagera, Tehnologija se naziva izrada ekrana zamenom masa, jer se umesto otkopane vodopropusne mase u usek ubacuje glinoviti materijal, Kada je reč o izgradnji ekrana sa zamenom masa uglavnom se primenjuju dve osnovne tehnološke šeme. Jedna šema izrade ekrana zamenom masa (Slika 5.35) obavlja se bagerom dreglajnom i buldozerom, Otkopavanje useka obavlja se dreglajnom, selektivno, izdvajanjem vodopropusne mase na jednu, a vodonepropusne mase na drugu stranu, Zatim se vraćanjem tog otkopanog materijala buldozerom obezbeđuje prekid infiltracionog toka, Ovakva tehnologija izrade ekrana zamenom masa realizovana je na površinskom kopu uglja Tamnava-Istočno Polje. Za izradu ekrana korišćen je bager dreglajn EŠ 10/70 A, buldozer i odgovarajuće pumpe za odstranjivanje vode iz useka. Urađeno je 1,170 m ekrana u 1982. godini, dok je u 1985. godini urađena nova deonica u dužini od 870 m. Prosečna dubina nove deonice ekrana je 10,1 m, maksimalna 11 m, a minimalna 9,4 m. Projektovani nagib bočnih strana useka je 60o [46, 67], Slika 5.35. Izrada ekrana zamenom masa Izrada ekrana prema radnim operacijama može se podeliti na dve osnovne faze. To su faza pripremnih radova i faza izrade ekrana. Faza pripremnih radova obuhvata eksproprijaciju zemljišta, obeležavanje trase ekrana na terenu i pripremu terena za rad bagerom. Faza izrade ekrana tehnološki se može podeliti na radne operacije selektivnog kopanja useka, selektivnog odlaganja masa i selektivnog zapunjavanja ekrana. Napredovanje bagera odvija se po deonicama dužine od 120 do 150 m. Kada iskopa predviđenu deonicu bager se vraća na početak deonice i u smeru kopanja počinje zapunjavanje tela ekrana glinom. Proračunima i direktnim ispitivanjem u telu ekrana, utvrđeno je da se ovakvim načinom zapunjavanja postiže zahtevana zbijenost, odnosno, potrebna vodonepropusnost. Bager dreglajn zapunjava samo usek ekrana glinom, a popunjavanje ostalog dela slobodne površine useka šljunkom vrši buldozer. Bager ne zapunjava usek do kraja već se ostavlja od 40 do 50 m nezapunjenog useka koji služi za dreniranje i prikupljanje vode. Dok bager kopa novu deonicu, buldozer zapunjava prethodnu deonicu šljunkom, odnosno, dok bager zapunjava telo ekrana, buldozer planira i priprema novu deonicu za kopanje. Ovakvom tehnološkom organizacijom omogućava se maksimalno iskorišćenje opreme, što se održava na brzinu izrade ekrana. Druga šema izrade ekrana zamenom masa (Slika 5.36), sastoji se u otkopavanju useka u vodonepropusnom materijalu bagerom dreglajnom koji se odlaže pored useka. Zatim se u vodopropusnom sloju otkopava uzan usek bagerom kašikarom sa obrnutom kašikom, pa se zatim u taj uzan usek ubacuje zapuna ekrana, pa se posle toga vodonepropusna masa, odložena dreglajnom, vraća pomoću buldozera u otkopani usek. Slika 5.36. Sematski prikaz izrade ekrana zamenom masa u kostolačkom basenu Ovakva tehnologija izrade ekrana zamenom masa realizovana je na površinskom kopu uglja Ćirikovac. Ukupna dužina ekrana je 1.150+25 m. Dubina ekrana se kreće, uključujući i jedan metar ugradnje u vodonepropusni deo, od 5 do 17 m [46, 67]. U I fazi otkopavan je vodonepropusni sloj (les), bagerom dreglajnom EŠ 6/45. Rad se odvija u useku širine dna 8 m i maksimalne dubine 13 m. U II fazi po dnu useka kreće se hidraulični bager kašikar tipa BGH 1000 koji kopa šlic u peskovito- šljunkovitom aluvijonu sa 1 m produbljivanja šlica u vodonepropusni sloj, od ukupno 7 m dubine i 1 m širine. III faza predstavlja zapunjavanje šlica izgrađenog u drugoj fazi, zapunom koja se doprema sa jalovinskih etaža kostolačkih kopova uz odgovarajuću pripremu, dok se IV faza, poslednja tehnološka faza pri izradi glinovitog ekrana, sastoji u vraćanju vodonepropusnog materijala, koji je otkopan bagerom dreglajnom i deponovan u blizini objekta. Materijal za isplaku i zapunu dobija se neposredno sa jalovinskih etaža površinskih kopova Kostolac i Klenovnik. Na osnovu parametara za preradu gline koji su obrađeni u laboratoriji utvrđena je tehnologija pripreme gline za izradu zapune i isplake [46, 67]. Izrada ekrana sa usekom i zapunom Tehnologija izrade ekrana sa usekom i zapunom je najčešće primenjivana tehnologija u površinskoj eksploataciji. U principu su, kod ove tehnologije, prisutne dve osnovne operacije: prva, koja obuhvata izradu uskog, a dubokog useka i druga u kojoj se vrši zapunjavanje tog useka. Mogu se izdvojiti sledeći načini izrade ekrana: izrada useka posebnim uređajem sa grajferom ili bagerom posebne konstrukcije i kasnije ubacivanje zapune, izrada useka bušačkim uređajima uz istovremenu ugradnju zapune, izrada useka kontinuiranom mehanizacijom sa kasnijom ugradnjom zapune i izrada useka kontinuiranom mehanizacijom i istovremenom ugradnjom zapune. Ekrani izrađeni ovom tehnologijom su se pokazali otpornim na visoke hidrauličke gradijente. Debljine ekrana se kreću između 0,6 i 1,5 m, a realizovana vodopropustljivost im iznosi oko 10-9 m/s. Izrada ekrana pomoću mašina sa grajferom kao radnim elementom vrši se u sredinama gde preovlađuje šljunak i krupnozrni pesak. Radi se o grajferima sa velikom silom kidanja, ojačanim posebnim zubima, čime se omogućava kidanje blokova po trasi ekrana širine i do 2 m. Pre same izrade useka, potrebno je izvršiti pripremne radove koji se sastoje u sledećem: - raščišćavanje terena po trasi ekrana i oko trase ekrana u prečniku od 100 m, - izrada radnog platoa i saobraćajnice na celoj dužini trase ekrana (sa obe strane ekrana), - izrada armirano-betonskih uvodnica po osovini ekrana, - iskop rova za odlaganje materijala is useka za ekran, - montaža baze za spravljanje ispune i bentonitne suspenzije, - montaža hidroforske stanice, vodovoda i električnih instalacija za rasvetu i pogon opreme, - izgradnja i opremanje terenske laboratorije, radionice, magacina i kancelarija. Slika 5.37. Tehnologija kopanja i betoniranjapri izradi ekrana grajferom Uporedo sa pripremnim radovima vrše se i ispitivanja materijala za spravljanje zapune za ekran, Zapuna mora biti pripremljena prema recepturi koja zadovoljava kriterijume kao sveža masa i kao očvrsla zapuna podrazumevajući čvrstoću na pritisak, vodopropusnost i modul elastičnosti. Iskop useka (rova) i ugradnja zapune se izvodi u segmentima (kampadama), tako što se u principu prvo izvode osnovne kampade, a zatim, sa izvesnim vremenskim pomakom, vezne kampade i tako sukcesivno kompletira ekran (Slika 5,37), Kampade se pre izvođenja ekrana markantno obeležavaju na betonskim uvodnicama, Za izvođenje ekrana se, kroz prethodno izrađene armirano-betonske uvodnice, kopa usek (rov) potrebne širine i dubine (Slika 5.38), Ako je vodonepropusni, onda se ekran ukorenjuje u vodonepropusnu podinu 0,5 m, pa se i usek kopa 0,5 m u podini, Slika 5.38. Uvodni kanal i Slika 5.39. Rov ispunjen grajfer za izradu ekrana bentonitskom emulzijom Iskop useka (rova) se vrši mašinama sa grajferima kao radnim organima. U toku iskopa rova potrebno je održavati vertikalnost iskopa. Iskop se kontinualno geološki kartira i za svaku kampadu na licu mesta određuje dubina iskopa. Dubina iskopa kampade se meri u odnosu na prethodno geodetski snimljen vrh uvodnica, Zidovi rova se održavaju (odnosno štite od obrušavanja) pod zaštitom bentonitske suspenzije - isplake, Pri iskopu se u rov stalno dodaje suspenzija tako da se nivo suspenzije uvek održava iznad polovine visine uvodnica (Slika 5.39), Suspenzija se priprema na licu mesta u specijalnim uređajima (muljačama). Za pripremu suspenzije se koristi bentonit i voda. Međusobni težinski odnos učešća bentonita i vode u suspenziji se određuje eksperimentalno, a cilj je dobijanje potrebne zapreminske težine. Orijentaciono, isplake se prave od sledećih komponenti: bentonita 30-60 kg/m , cementa 100-350 kg/m3 i vode 1,000 kg/m3. Prema primenjenom odnosu komponenti, niži sadržaj bentonita proizvodi laku isplaku, niži sadržaj cementa proizvodi duktilniju očvrslu masu, dok visok procenat solida (bentonita i cementa) daje veću nepropusnost i hemijsku otpornost, Zapuna ekrana je beton sa dodatkom bentonita, potrebne plastičnosti sveže betonske mase, U pripremi izrade ekrana, prema stvarnim karakteristikama agregata, cementa i bentonita, sačinjava se receptura za spravljanje zapune. Betonu se prema utvrđenoj recepturi, dodaje odležala bentonitska emulzija kako bi gotov ekran imao i izvesne elastične osobine uz osnovni uslov da koeficijent vodopropusnosti betona posle 28 dana ne sme da bude veći od predviđenog. Treba imati u vidu da je izuzetno teško 9 8 postići ranu nepropustljivost od 10- m/s posle 28 dana, dok se 10-8 m/s, uz pažljiv rad, relativno lako postiže. Kako je vodonepropusnost vremenski zavisna, problem se može rešiti specifikovanjem nepropusnosti posle 3 meseca (tako se u praksi uglavnom radi). Postizanje rane niske vodopropusnosti od 10-9 m/s (posle 28 dana), praćeno je snižavanjem naponsko-deformacijskih karakteristika očvrsle mase što, u ekstremnim slučajevima, može izazvati i pucanje ekrana. Zbog tog razloga se uglavnom ide na specifikaciju propustljivosti posle 3 meseca (90 dana), Laboratorijska i poluindustrijska ispitivanja zapune bitna su za određivanje tehnoloških parametara ekrana. Za zapunu ekrana najčešće se kao komponentni materijali koriste: cement, šljunak, bentonit, glina i voda. Materijal od koga se izrađuje zapuna mora da zadovolji kriterijum vodonepropustljivosti, kriterijum duktilnosti i čvrstoće, kriterijum hemijske stabilnosti i otpornost i da ima dovoljnu gustinu da istisne isplaku koja se koristi za zaštitu iskopa rova. Ispitivanjem cementa prema važećim propisima i standardima treba utvrditi: gustinu, zapreminsku masu za nasut i nabijen cement, specifičnu površinu po Blain-u, finoću mliva za ostatak na situ od 0,2 mm i na situ od 0,09 mm, karakteristike i količinu vode za standardnu konsistenciju, početak i kraj vremena vezivanja, postojanost zapremine pomoću kolačića, njegovim kuvanjem i čuvanjem 28 dana na vazduhu i isto toliko pod vodom, postojanost zapremine po Le Chatelier-u sa povećanjem razmaka kazaljki prstena i čvrstoću na savijanje posle 7, odnosno, 28 dana i za isto vreme čvrstoću na pritisak. Izbor vrste cementa za zapunu ekrana ima izuzetan značaj, jer pogrešan izbor cementa može da dovede do potpunog raspadanja očvrsle cementne mešavine čak i bez uticaja određenog opterećenja. Osnovne karakteristike cementa su: čvrstoća pritiska i brzina prirasta čvrstoće, toplota hidratacije i hemijska otpornost. Preko ove tri karakteristike vrši se izbor cementa u zavisnosti od konstrukcije ekrana koja se izvodi. Na ove osnovne karakteristike bitno utiču osnovni veštački minerali od koji se sastoji portland cement, hemijski sastav cementa, kao i vrsta i procenat dodataka kod portland cementa sa dodacima. Cementi proizvedeni od portland cementnog klinkera su: portland cement bez dodatka, portland cement sa dodatkom zgure najviše 30%, portland cement sa dodatkom pucolana najviše 30%, portalnd cement sa dodatkom zgure i pucolana ukupno najviše 30%, metalurški cement sa dodatkom zgure od 30 - 85% i pucolanski cement sa dodatkom pucolana preko 30%. Jedan od bitnih komponentnih materijala je i šljunak. Pre upotrebe šljunka treba odrediti njegovu gustinu, zapreminsku masu u nasutom i zbijenom stanju, zbijanje, sadržaj organskih komponenti, muljevitost, sadržaj primesa i granulometrijski sastav. Od pet osnovnih komponenata koje ulaze u sastav glineno-cementnih i bentonitsko-cementnih zapuna, posebnu pažnju treba posvetiti glinama i bentonitima. Kod glina je potrebno izvršiti sledeća ispitivanja: gustinu, Attebergove granice žitkosti, krutosti i indeks plastičnosti, bubrivost, granulometrijski sastav, optimalnu aktivaciju, reološka svojstva glinene suspenzije za neaktivirane i aktivirane gline, viskozitet po Marsh-u za 0 4 mm i 0 10 mm, relativnu gustinu posle 2, 15, 30 i 60 min, viskozitet po Fann-u RPM 600 i RPM 300, plastični viskozitet, tačku popuštanja, čvrstoću tela posle 10 sec i 10 min, kao i dekantacionu zapreminu posle 5, 15, 30, 60 i 120 min. Slično glinama i za bentonit treba izvršiti sledeća ispitivanja: gustinu, Attebergove granice za žitkost i krutost, kao i indeks plastičnosti, bubrivost, granulometrijski sastav, API svojstva bentonitskih suspenzija, viskozitet po Marsh-u za 0 4 mm i 0 10 mm, relativnu gustinu posle 2 i posle 60 min, viskozitet po Fann-u RPM 600 i RPM 300, plastični viskozitet, tačku popuštanja, čvrstoću tela posle 10 s i posle 10 min, filtrabilnost na Baroidu preko debljine kolača i odfiltrirane vode za vreme od 30 min pri pritisku od 0,7 MPa i PH bentonitskih suspenzija i dekantacionu zapreminu posle 5, 15, 30, 60, 120 i 240 minuta. Gustina suspenzije gline i bentonitsko-cementne mešavine mora da obezbedi pasivan protivpritisak u cilju održavanja stabilnosti iskopa koji teži da zapuni prazan prostor pod uticajem bočnih pritisaka stenske mase i hidrostatičkog pritiska podzemne vode. Bentonitske cementne mešavine treba da obezbede, osim dobrog ispunjavanja ekranskog iskopa, i zadovoljavajuće karakteristike vodonepropusnosti uz minimalnu čvrstoću na pritisak posle određenog vremena. Sa ovakvim karakteristikama dobija se ispuna dugotrajne namene, otporna na spoljne uticaje i na starenje. Bentonit se dodaje cementnom rastvoru da bi se dobila lakša vodocementna mešavina i da bi se smanjilo izdvajanje slobodne vode. Količina dodatog bentonita kreće se od 1 do 25%, prema uslovima koji se traže od zapune. Veći procenat bentonita u mešavini utiče na smanjenje pritisne čvrstoće, kao i na vreme početka vezivanja koje se produžava. Bentonit u cementu vezuje znatnu količinu vode. U upotrebi sa cementom, u principu se povećava količina vode u mešavini za oko 3,8 do 4,5%, za svaki procenat dodatog bentonita. U modifikovanim cementima sa visokim postotkom bentonita u vodocementnoj mešavini obično se dodaje 0,5 do 1,5% kalcijevog lignosulfata koji deluje kao usporivač i dispergator i daje mešavini veću pumpabilnost, uz mali stepen filtracije. Ostvarivanje malog koeficijenta propustivosti mase zapune u očvrslom stanju zavisi, pre svega, od kvaliteta ulaznih komponenti, odnosno, vode, gline i cementa. Visoko disperzna bentonitska glina u vodocementnoj mešavini, sa dodavanjem izvesne količine nekog inertnog materijala, uz odgovarajuću obradu dispergatorima i usporivačem, može da obezbedi mešavinu homogene strukture i zadovoljavajuće reološke i filtracijske osobine, uz nisku vodopropustivost. Voda, takođe, ima značajnu ulogu u formiranju zapune za vodopropusni ekran. Saglasno postojećim pravilnicima, tehničkim merama i uslovima, za vodu, treba utvrditi sledeće karakteristike: temperaturu, ostatak isparavanja, vrednost za pH, slobodni CO2, alkalitet, ukupnu, karbonatnu i nekarbonatnu tvrdoću, sadržaj Ca, Mg, Na, K, Cl, S, NH3, NO2 i utrošak KmnO4. Priprema zapune se obavlja u postrojenjima koja su obično postavljena na samom radilištu (Slika 5.40). Slika 5.40. Postrojenja za izradu zapune za ekrane Minimalna deformacija pri lomu (duktilnost) ekrana bi trebalo da bude oko 5%. Računa se da će ekran svojom duktilnošću apsorbovati te deformacije ukoliko u tlu oko ekrana dođe do bilo kakvih pomeranja (do njih će sigurno doći, ako ni zbog čega drugog, ono zbog sušenja i kvašenja). Ekran je u opštem slučaju podvrgnut i mehaničkom naprezanju, pa je neophodno proceniti i maksimalni napon koji se može javiti u ekranu (i odgovarajuće specifikovati materijal). Tipične čvrstoće (jednoaksijalne, nesprečene) očvrslog materijala isplake su između 100-1000 kPa. Treba imati u vidu da visoka duktilnost (deformacija pri lomu) obično znači i nisku čvrstoću (materijal ispune se više ponaša kao glina). U slučaju primene ekrana po obodu površinskog kopa, najsvrsishodnije je uraditi FE analize kojima se procenjuju nivoi deformacija i opterećenja dijafragme za različite konfiguracije kopa i različite uslove opterećenja tla (nedrenirane, drenirane) i od toga napraviti anvelopu odgovora ekrana i mehaničkih uslova koje on mora da izdrži. Parametar bi u tom slučaju bio i udaljenost od ivice površinskog kopa, kao i debljina i dužina ekrana. U vezi sa duktilnošću je i elemenat ekrana koji se u projektantskoj praksi dosta često zanemaruje, a to je glinena pokrivka. Praksa je pokazala da bez ove pokrivke dolazi do intenzivnog pucanja površinskog sloja ekrana (pukotine mogu da idu i do 1 m u dubinu) i da to može kompromitovati ceo ekran. U vezi sa tim mora da se povede računa i o dubini podzemne vode, kao i potencijalu sušenja tokom sušnog perioda. Ugradnja zapune u rov se obavlja podvodno kontraktorskim cevima sa uvodnim levkom (Slika 5.41), odmah nakon iskopa kampade i kada se konstatuje da je kampada korektno iskopana. Priprema za ugradnju zapune podrazumeva da su na krajevima ugrađene granične cevi, što važi za osnovne kampade, kao i da su u kampadu postavljene i pripremljene kontraktorske cevi sa uvodnim levkom i priručnim zaptivkama za odvajanje betona ispune od bentonitske suspenzije. Slika 5.41. Ugradnja zapune u rov Kontraktorske cevi su standardnog prečnika i montiraju se u kolonu potrebne dužine od segmenata dužine 1-2 m, tako da se u postupku betoniranja mogu povlačiti i skraćivati u skladu sa rastom nivoa betona. U početku betoniranja vrh kontraktorske cevi se postavlja na 10 cm od dna rova, a tokom betoniranja drže stalno uronjene oko 3 m u betonsku masu. Pri betoniranju je važno da se beton približno ravnomerno uliva u obe kontraktorske cevi što se u principu postiže na taj način što se svaki naredni mikser uliva u drugu kontraktorsku cev. Betoniranje jedne kampade ekrana se završava kada se merenjem utvrdi da je beton odgovarajućeg kvaliteta izliven do projektovane kote vrha predmetne kampade. U toku betoniranja jedne kampade preporučuje se iskop druge (ne susedne) kampade kako bi se bentonitska suspenzija kroz uvodni kanal prelivala iz kampade u betoniranju u kampadu u iskopu na koji način se minimizira gubitak suspenzije. Izrada ekrana bušačkim metodama Radi se o tehnologiji kod koje se bušotine zalivaju betonom. Primenjuju se sve vrste bušenja, od udarnog do obrtnog, sa ubacivanjem isplake, ili usisavanjem. Pri izradi ekrana bušačkim metodama najčešće su korišćeni specijalni uređaji za bušenje koji usisavaju izbušeni materijal, a mogu se primenjivati kako u tvrdim, tako i u rastresitim radnim sredinama. Veličine prečnika bušenja kreću se kod Failing uređaja od 260 do 2.000 mm. Na Slici 5.42 prikazan je uređaj za bušenje jedne bušotine prečnika 1 m i uređaj koji istovremeno buše dve bušotine prečnika po 0,7 m. Na istoj Slici prikazane su i bušotine ispunjene zapunom. Slika 5.42. Radni organi mašina za izradu ekrana bušotinama Izrada ekrana bušačkim metodama može biti izradom bušotina u j ednom redu i izradom bušotina u dva reda (Slika 5.43). Kada se radi u jednom redu onda se zapunjava betonom, ili glinom, svaka druga bušotina (Slika 5.43-a) ili svaka treća i četvrta (Slika 5.43-b), kakav je inače i redosled bušenja, a kod dva reda (Slika 5.43-c) buši se i zapunjava u odgovarajućem trouglu za tri susedne bušotine. Spoj između bušotina mora biti minimum 0,3 m. Slika 5.43. Razmeštaj bušotine pri izradi ekrana bušačkim metodama Na Slici 5.44 prikazan je ekran rađen sa bušotinama u jednom redu, dok je na Slici 5.45, prikazana izrada ekrana sa bušotinama u dva reda. Bušačko-grajferske metode podrazumevaju kombinaciju rada grajfera i prethodno izbušenih bušotina, kojima se olakšava manipulisanje grajferom i efikasnije kidanje delova ekrana zahvaćenih otvorom grajfera. Metoda se zasniva na tome da se po projektovanoj osi buše bušotine, a zatim se materijal između dve bušotine uklanja grajferom. Drugim rečima, grajfer ne koristi udare već se uklanjanje materijala vrši pomoću sile zatvaranja grajfera. Metoda se zasniva na tome da se po projektovanoj osi buše bušotine, a zatim se materijal između dve bušotine uklanja grajferom. Slika 5.44. Izgledekrana izrađenog sa jednim redom bušotina Drugim rečima, grajfer ne koristi udare već se uklanjanje materijala vrši pomoću sile zatvaranja grajfera. Bušačko-režuća metoda se koristi za izradu ekrana u šljunkovitim, peskovitim i prašinastim sredinama. Zasniva se na bušenju i istovremenom kretanju napred, uz oslanjanje na vodopropusnu podlogu, U svetskoj praksi ovom metodom izrađeni su brojni ekrani. Kod ovih metoda zapunjavanje se vrši kružnom metodom i metodom pod pritiskom. Spravljanje i ugradnja glineno-cementne mase za zapunu useka je uobičajenim tehnološkim postupkom kao i prilikom građenja drugih sličnih objekata. Izrada ekrana injektiranjem i hidromonitorima Izrada ekrana zaptivnim injektiranjem (permeation grouting), mlaznim injektiranjem (jet grouting) i hidromonitorima su poznate i prisutne metode u površinskoj eksploataciji. Zahtevana vodonepropusnost peskova i sitnozrnih šljunkova se uglavnom može postići uz pomoć tehnike zaptivnog injektiranja (permeation groutinga) (Slika 5,46), Ova tehnika se zasniva injektiranju injekcione mase pod ustaljenim, relativno niskim pritiskom. Uobičajeno je da se za tu svrhu koristi metod tube-a-manchette, koji se sastoji iz bušotine i perforirane injekcione PVC cevi. Slika 5.45. Izrada ekrana bušotinama u dva reda Slika 5.46. Prikaz injektiranja injekcione mase kod zaptivnog injektiranja Perforacije su spolja zaštićene gumenim ili plastičnim klapnama koje omogućavaju kretanje fluida u jednom pravcu. Za izolaciju injekcione tačke od ostatka injekcione cevi se koristi sistem duplih pakera. Prednost sistema je u tome što omogućava reinjektiranje i popravku. Parametre injektiranja (pritisak, proticaj i vreme injektiranja) je najbolje odrediti ispitivanjem in situ, pri čemu metod injektiranja omogućava određivanje propustljivosti tla neposredno pre početka procesa injektiranja. Pritisak injektiranja treba da bude dovoljno visok da istisne vodu iz pora, ali i dovoljno nizak da ne izazove hidraulički lom u tlu. Uobičajena je praksa je da se injektiranje počne sa pritiskom koji odgovara 0,1-0,2 bara po dubinskom metru injekcione bušotine (znači, injektiranje na dubini od 16 m bi trebalo početi pri pritisku od 1,6 do 3,2 bara). Postupak injektiranja je uglavnom iterativan, a njegova regularnost se kontroliše dijagramima proticaja-pritiska u odnosu na vreme. Projektovanje procesa se svodi na određivanje dispozicije primarnih, sekundarnih i tercijarnih injekcionih bušotina, kao i na određivanje rastojanja injekcionih tačaka. Ovo rastojanje se u praksi određuje pomoću jednostavnog modela koji su predložili Raffle i Greenwood (1961) [46], mada njegove rezultate treba uzimati sa rezervom zbog prevelikih idealizacija. Praksa je pokazala da je optimalno rastojanje između 1,2 i 1,5 m. Kvalitet injekcione smese je određen sledećim bitnim parametrima: - Viskoznošću (masa bi trebalo da ima što niži viskozitet, jer gusta masa zahteva manje rastojanje između injekcionih tačaka i ne prodire u dubinu tla); - Veličinom zrna smese (najkrupnije zrno bi trebalo da je oko 3-5 manje od najmanje veličine pora); - Čvrstoćom; - Hemijskim sastavom podzemne vode (sulfati, itd.). Na Slici 5.47, date su orijentacione vrste injekcionih masa za zaptivno injektiranje u odnosu na vrstu tla koje se injektira. Velicina cestica (mm) Slika 5.47. Orijentacioni sastav injekcione mase u odnosu na radnu sredinu Cementna veziva su na bazi običnog Portland cementa ili ultrafinog cementa, dok su hemijska na bazi vodenog stakla, akrilata, akrilamida i sl. To su uglavnom propriatory smese koje se biraju na osnovu kvaliteta podzemne vode i zahtevanog veka trajanja. Kao prva alternativa klasičnim ekranima, primenjuje se izrada ekrana metodom mlaznog injektiranja (Jet Grouting). Metoda mlaznog injektiranja koristi visokoenergetski mlaz fluida, koji kompletno razbija strukturu tla. Delovi materijala se tada, na licu mesta mešaju sa vezivom i kreiraju homogenu vodonepropusnu masu koja vremenom očvrsne. Sistem se zasniva na modifikovanju mehaničkih svojstava postojećeg tla koje se postiže erodiranjem i istovremenim injektiranjem tla. Injekciona masa je, uglavnom, na bazi Portland cementa, a dodaje se i bentonit kao i drugi specifični aditivi. Materijal koji se proizvede injektiranjem se ponekad zove soilcrete (slično kao concrete), i njime se postižu čvrstoće, koje su date na Slici 5.48. Vrste tla u kome se mlazna injektiranja sa uspehom primenjuju ilustrovane su na Slici 5.49. Najbolji rezultati se postižu u sitnozrnim peskovima. Kod sistema sa jednim mlazom (single jet system, JGS1) jedan mlaz i eroduje i injektira tlo. Slika 5.48. Čvrstoće barijere u zavisnosti od radne sredine i vremena očvršćavanja Slika 5.49. Domen primene mlaznog injektiranja u odnosu na karakteristike radne sredine Proces mlaznog injektiranja sastoji se iz više faza (Slika 5.50). Prvo se uradi kompletna bušotina rotacionom ili rotaciono-udarnom metodom (tipična bušotina je prečnika 150 mm), koristeći vodu kao sredstvo za ispiranje (ali se može koristiti i kompresovani vazduh, bentonit ili samo vezivo). Kada se dostigne zahtevana dubina, otvori za ispiranje se zatvaraju i vezivo se kroz dizne injektira u tlo pod visokim pritiskom. Kod dvo i trofluidne metode se, pre injektiranja veziva, u tlo injektiraju vazduh, odnosno voda i vazduh. Istovremeno alat za bušenje se zarotira, i u nizu koraka, polako povlači naviše precizno kontrolisanom brzinom. Slika 5.50. Tehnološki postupak mlaznog injektiranja Na taj način se formira pilon. Posle toga se bušaća garnitura pomera, i postupak ponavlja. Rastojanje između pilona treba da je takvo da se obezbedi preklop. Ovaj sistem jeste jednostavan ali daje najmanje prečnike tretiranog tla (400-800 mm u glinovitom i prašinastom tlu, odnosno, 500-1.200 mm u peskovitom i šljunkovitom tlu). Dobre strane su mu što, generalno, proizvodi soilcrete najveće čvrstoće, najmanji gubitak iz bušotine i najveće zbijanje okolnog tla (zbijanje je direktna posledica erozije - rastresanja radne sredine). Tipičan injection rate je oko 500 l/min, a injekcione pumpe moraju da obezbede kontinuiran pritisak od 600 bara tokom vremena koje je potrebno da se injektira rupa (oko 1-2 h). Postoje tri osnovne metode mlaznog injektiranja, i to: jednofluidna, dvofluidna i trofluidna metoda. Kod jednofluidne, mlaz veziva eroduje i injektira tlo. Pumpe visokog pritiska potiskuju vezivo kroz bušaći alat, do skupa dizni lociranih iznad vrha svrdla. Mlaz velike brzine i energije razbija zemljište, i meša se sa materijalom iz okoline bušaćeg alata i pri tome stvara stub stabilizovanog materijala, čiji se prečnik kreće od 40 do 120 cm. Ovom metodom se proizvodi pilon najveće čvrstoće. Sistem sa dva mlaza (double jet system) se zasniva na istovremenom pumpanju i injekcione mase i komprimovanog vazduha kroz jedan mlaznik. Primenom vazduha sistem rezultuje prečnike koju su 2-3 puta veći od JGS1, ali ima veliku manu u primeni gde je vodonepropusnost u prvom planu: visok sadržaj vazduha, dakle i pora u očvrsloj masi. Sistem sa tri mlaza (triple jet system, JGS3) je najbolji sistem (Slika 5.51). Slika 5.51. Mlazno injektiranje -prikaz opreme i rasporeda bušotina Vazduh i voda se ubacuju kroz jedan mlaznik, a injekciona smesa kroz drugi, koji je obično smešten ispod prvog. U principu, vazduh i voda seku, eroduju tlo pa se injekciona smesa ubacuje pod znatno nižim pritiskom nego u slučaju JGS1/2 (naravno, voda je pod visokim pritiskom kao i injekciona masa kod JGS1). Ovaj sistem proizvodi najveće prečnike tretiranog tla: od 500-3.000 mm (neki izvođači tvrde da su postizali i prečnike od 5 m, sa tim što ovo treba uzimati sa ozbiljnom rezervom, mada je moguće da su u pitanju bili neki erodibilni peskovi). Veoma vešti izvođači mogu uz pomoć ovog sistema da izvrše i potpunu zamenu tla (što je korisno ukoliko postoje proslojci organskog materijala ili sl.). Ovaj sistem je najbolji i za pravljenje kade (slabe, horizontalne barijere). Osnovni parametri mlaznog injektiranja su: - Brzina izvlačenja šipki (broj koraka, 1 korak je oko 5 cm); - Brzina rotacije šipki (najmanje 1, poželjno 2 kruga po koraku); - Vodocementni faktor (1:0,8 - 1:1,5 zavisi od pumpabilnosti, zahtevane čvrstoće, nepropusnosti, NPV u tlu); - Prečnik mlaznice za injekcionu masu i vazduh/vodu kod sistema sa tri mlaza; - Pritisak injekcione mase, vazduha (kod sistema sa dva i tri mlaza) i vode (kod sistema sa tri mlaza); - Protoci svih fluida. Vrednosti svih ovih parametara se, u principu, određuju na terenu, na osnovu probnih polja. Probna polja (obično 4-5 njih) se, po pravilu, sastoje od 3-4 stuba po polju. Svako polje je izrađeno na osnovu jedinstvene kombinacije gornjih parametara. Posle očvršćavanja (vreme očvršćavanja je još jedan parametar), plići delovi stubova se otkopavaju, a dublji se buše, uzorkuju i ispituju u laboratoriji. Iskustvo je pokazalo da formiranje sredine sa propustljivošću od 10-9 m/s ne bi trebalo da bude problem. Generalno, osnovna razlika između ovih metoda je prečnik stuba, a samim tim i masa tretiranog materijala po bušotini. Prilikom izbora metode za mlazno injektiranje uzimaju se u obzir: karakteristike tla, karakteristike stuba materijala (prečnik, čvrstina i propusnost tretiranog tla i dužina), troškovi, deformacije i čvrstina, obučenost osoblja i snabdevanje vodom. Za razliku od injekcionih ekrana, izrada ekrana pomoću hidromonitora predstavlja potpuno novu tehnologiju. Kod ove metode izrade ekrana izrada useka, odnosno, uskog a vertikalnog zaseka, obavlja se pomoću snažnog vodenog mlaza, kojim se sa jedne i druge strane vrši sečenje, a istovremeno se, kroz isti uređaj, vrši ubacivanje zapune. Izrada ekrana vrši se u sledećim fazama: prvo se buši bušotina koja se oprema kolonama do krovine ekrana, zatim se u bušotinu ubacuje hidromonitor, kojim se levo i desno, vrši rezanje otvarajuće sekcije ekrana, da bi se u završnoj fazi izvršilo istovremeno zapunjavanje vertikalne sekcije. Sve tri faze izrade ekrana prikazane su na Slici 5.52. Slika 5.52. Izrada ekrana hidromonitorom Model procesa izgradnje sistema odvodnjavanja ili realizacije procesa odvodnjavanja na površinskom kopu prikazan je na Slici 5.53. Prikazani model je opšti, na kontekstnom nivou i primenjiv je za realizaciju sistema odvodnjavanja bez obzira o kojim se objektima odvodnjavanja i opremi za odvodnjavanje radi. Slika 5.53. Modelprocesa izgradnje sistema odvodnjavanja Ovaj model procesa može se koristiti i kao standardna procedura za realizaciju sistema odvodnjavanja. Sa aspekta procedure za realizaciju sistema odvodnjavanja, ona ispunjava uslove efikasnosti, efektivnosti i pouzdanosti realizacije svih aktivnosti jer uključuje kao standardne procesne aktivnosti analizu rizika izvodljivosti projekta, kontinualni monitoring i na kraju testiranje i verifikaciju objekata i opreme koji čine sistem odvodnjavanja. Ovo je posebno značajno ako se radi o sistemima odvodnjavanja koje čine objekti bunari i ekrani. 5.6. Monitoring i kontrola sistema odvodnjavanja površinskih kopova Generalno, procesi monitoringa i kontrole su procesi kontinualnog nadzora i prikupljanja podataka o stanju sistema (monitoring) na bazi kojih se donose odgovarajuće odluke i preduzimaju mere (kontrola) u cilju održavanja planiranog stanja sistema [22, 42, 45, 69, 72]. Primenjeno u odvodnjavanju površinskih kopova, kontrola rada sistema odvodnjavanja je delovanje u kojem se direktno obavljaju pojedini zadaci na održavanju i poboljšanju sistema odvodnjavanja. Zadatak kontrole je preduzimanje svih raspoloživih mera da se odstupanje između planiranog i realizovanog održi u očekivanim granicama. Kontrolom rada na bazi informacija iz monitoringa o stanju sistema odvodnjavanja, donose se odluke i preduzimaju mere da se sistem u kontinuitetu održava u planiranom režimu. Monitoring sistema odvodnjavanja je proces kojim se prikupljaju, snimaju ili beleže podaci i izveštava o stanju sistema odvodnjavanja. Monitoring kao proces mora da bude izdvojena funkcija, u najvećoj meri potpuno automatizovan, kako bi i podaci iz ovog procesa bili objektivni i kasnije odluke pouzdane. Ovako postavljen sistem monitoringa i kontrole rada sistema odvodnjavanja ili pojedinih njegovih delova ima zadatak da pravovremeno, adekvatno i ispravno beleži događaje u sistemu i o tome jednoznačno i on-line izveštava kako bi se donosile pouzdane odluke u funkciji optimalnog rada sistema ili njegovih delova. Jedan od najbitnijih delova procesa monitoringa i kontrole u odnosu na sistem odvodnjavanja je daljinski nadzor i upravljanje. Korišćenje daljinskog nadzora i upravljanja sistemima odvodnjavanja na većim površinskim kopovima predstavlja uobičajeni deo procesa eksploatacije, jer je njegova organizacija i upravljanje dislociranim objektima, složena i teško izvodljiva bez centralizovanog automatskog sistema. Iako je proces odvodnjavanja veoma složen i zavisi od mnogo prirodnih faktora na koje se ne može uticati (padavine, temperature, režim podzemnih i površinskih voda), neophodno je ipak poznavati režim tih parametara, kako u konturi tako i van područja površinskog kopa. Takođe, osim prirodnih faktora efikasnost i efektivnost sistema odvodnjavanja direktno zavisi i od parametara rada opreme kao i od stanja objekata odvodnjavanja. Tehnički i tehnološki reč je o veoma složenim sistemima kojima se prikupljaju različiti podaci sa različitih izvora koji služe za različitu namenu. Međutim, primena savremenih sistema za nadzor i upravljanje sa računarskom i softverskom podrškom i ostalom opremom automatike, omogućava optimalno korišćenje objekata odvodnjavanja, smanjenje broja radnika, lakše i brže otkrivanje kvarova, efikasnije održavanje i racionalizuje utrošak energije. Upravljačke odluke bazirane na informacijama o radnom stanju realizuju se kroz naredbe centralizovanog upravljanja, preko komandi i zadatih vrednosti, naredbi i uslova koje može da zadaje čovek, posredno ili neposredno preko računara, ili sam računar. Stepen automatizacije sistema nadzora i upravljanja zavisi od funkcija dodeljenih računaru, koje mogu da budu za prikupljanje informacija, za kontrolu odvijanja tehnološkog procesa ili njegovog dela, izveštavanje i registraciju svih događaja, pa sve do složenih interpretacija, koje računar radi u zatvorenom krugu. Svakako da stepen automatizacije mora da bude u funkciji složenosti uslova ovodnjenosti samog ležišta, odnosno u krajnjem u funkciji troškova. U sistemu praćenja i upravljanja procesom odvodnjavanja značajne su pravovremene i kontinuirane informacije o objektima aktivnog odvodnjavanja (bunari, pumpne stanice) dok za objekte pasivnog odvodnjavanja (vodonepropusni ekrani, regulacije i dr.) nije nužno kontinuirano evidentiranje procesnih informacija, zbog njihove stabilnosti. Tok informacija je od objekta odvodnjavanja, kao osnovnog nosioca informacije, preko dispečerskog centra, kao prvog nivoa koncentracije informacija, do stručne službe odvodnjavanja, kao glavnog centra rukovođenja procesom odvodnjavanja površinskog kopa. Prema iznetom konceptu osnovne moguće informacije pri nadzoru i upravljanju sistemom odvodnjavanja obuhvataju: - Merenje i signalizaciju, kao polazište za prikupljanje informacija; - Kontrolu graničnih vrednosti, preko obrade merenja, kao i njihovo poređenje sa zadatim vrednostima; - Prikaz i obradu promene stanja radne sredine, objekata odvodnjavanja i opreme za odvodnjavanje; - Vezu između dispečerskog centra i izvršnih organa putem prenosa komandi; - Izdavanje komandi, automatski ili na zahtev operatora i provera izvršenja; - Registrovanje svih značajnih događaja u sistemu; - Memorisanje podataka i štampanje izveštaja periodično i na zahtev; - Vizualizaciju alarma i promene stanja signalizacije na monitorima; - Vizuelno prikazivanje rezultata merenja i prekoračenje graničnih vrednosti na ekranu; - Vizuelno prikazivanje sistema odvodnjavanja radi stalnog praćenja na sintetičkoj tabli; - Vizuelno prikazivanje delova sistema na grafičkom ekranu; - Samokontrolu; - Komunikaciju operatora sa sistemom. Koncept korišćenja navedenih informacija omogućava uvid u stanje sistema u svakom momentu preko odgovarajuće računarske opreme u dispečerskom centru i upravljanje sistemom iz dispečerskog centra, upravo na osnovu realnog uvida u stanje sistema. Šematski prikaz sistema za daljinski nadzor i upravljanje radom sistema odvodnjavanja na površinskim kopovima dat je na Slici 5.54 [42, 46, 72]. Slika 5.54. Sematski prikaz sistema za daljinski nadzor i upravljanje sistemom za odvodnjavanje površinskog kopa Daljinski nadzor i upravljanje sistemom odvodnjavanja površinskog kopa se sastoji iz centralnog sistema za nadzor i upravljanje i on obuhvata: lokalne merno upravljačke sisteme na samim izvorištima, odnosno, pumpama na vodosabirnicima i bunarima, ekranima i drugim objektima i nadzornog računara (Slika 5.54). Tako, lokalno merno upravljački sistemi na bunarima treba da omoguće upravljanje motorom pumpe po zadatom protoku i/ili zadatom nivou, zaštitu od kratkog spoja, preopterećenja, nestanka faze i suvog rada pumpe, merenje i prikaz protoka i nivoa, komunikaciju sa nadzornim centrom, start-stop, prenos vrednosti protoka, nivoa, otvaranje vrata ormana i alarma preopterećenja, parametre rada pumpe i pojedinih njenih delova (Slika 5.55). Za razliku od bunara, kod ekrana je važno pratiti stanje ispune, odnosno pojave prslina i pukotina u ispuni i proticanja vode u branjeni deo ležišta. Kod većih vodosabirnika moguće je pratiti geometriju vodosabirnika, odnosno pojavu zarušavanja kosina i smanjenje zapremine vodosabirnika. Slika 5.55. Lokalni merno upravljački sistem na bunaru U današnje vreme prognozni proračuni i simulacija stanja podzemnih voda u ležištu obavljaju se pomoću raznih softvera. Međutim, kako bi se dobili što precizniji i verodostojniji hidrogeološki modeli ležišta i prognozni proračuni, potrebno je imati što više pouzdanih podataka, odnosno vršiti stalno praćenje rada sistema odvodnjavanja. Praktično, postojeći sistem zaštite od podzemnih voda i sistem za praćenje i osmatranje predstavljaju servis za dinamičko praćenje promenljivih hidrogeoloških parametara. Na ovaj način se u svakom trenutku mogu dobiti ažurni podaci hidrogeoloških parametara, koji su neophodni za verifikaciju ili rekonstrukciju postojećih sistema zaštite od podzemnih voda, kao i za izbor novih sistema zaštite površinskih kopova od dotoka podzemnih voda. Takođe, i kada je reč o prikupljanju podataka o radu opreme u sistemima odvodnajvanja, osim kontrolno preventivne funkcije (zaustavljanja pogona u slučaju pojave neregularnosti u radu), podaci se mogu koristiti za analizu pouzdanosti rada opreme, predviđanja budućeg stanja, planiranja održavanja kao i planiranja nabavke nove opreme. 5.6.1. Modelprocesa monitoringa i kontrole sistema odvodnjavanja Model procesa monitoringa i kontrole sistema odvodnjavanja na površinskom kopu prikazan je na Slici 5.56. Prikazani model je opšti, na kontekstnom nivou i primenjiv je za realizaciju procesa monitoringa i kontrole sistema odvodnjavanja bez obzira o kojim se objektima odvodnjavanja i opremi za odvodnjavanje radi. Slika 5.56. Modelprocesa monitoringa i kontrole sistema odvodnjavanja Prikazani model procesa deo je ukupne procedure planiranja i realizacije sistema odvodnjavanja ali istovremeno može se koristi i kao informaciona osnova za izgradnju informacionog sistema monitoringa i kontrole, odnosno sistema daljinskog nadzora i upravlj anja sistemom odvodnjavanja. 6. POUZDANOST SISTEMA ODVODNJAVANJA POVRŠINSKIH KOPOVA Sistemi odvodnjavanja na površinskim kopovima kao i drugi tehnički sistemi moraju uspešno izvršavati svoju funkciju i sa svim svojim elementima izdržavati sva predviđena naprezanja, a pri tome biti jednostavni i ekonomični. Funkcija linija bunara sistema odvodnjavanja je da spreči dotok podzemnih voda u površinski kop i da u određenom vremenu ispumpa zadate količine vode. Sistemi odvodnjavanja linijama bunara predstavljaju složeni kompleks opreme linija bunara sa cevovodima, napajanja električnom energijom i održavanja koji su sačinjeni od elemenata kao što su pumpe, bunarske konstrukcije, pribori, trafo-stanice, cevi, kablovi, rezervni delovi, itd. [39, 45, 68, 73]. Parametri pouzdanosti sistema dobijaju se na osnovu analize mogućih stanja sistema vezanih ne samo za vremena rada i otkaza opreme već i uslovljenih zastoja zbog karakteristika radne sredine u realnom prostoru, radne snage i drugih neplaniranih i planiranih zastoja. U toku eksploatacije sistema može doći do narušavanja normalnog rada podsistema i elemenata što dovodi do smanjivanja količine ispumpane vode. Otkaz nekog od elemenata (osim napajanja energijom) ne dovodi do punog otkaza sistema već do smanjenih efekata funkcionisanja, kada se tek prekoračenje dopuštenih granica smatra i uslovnim otkazom sistema. Projektovana, realizovana i kontrolisana vodopropropustnost ekrana definiše i njegovu pouzdanost funkcionisanja. Generalni zadatak proračuna pouzdanosti sistema odvodnjavanja u realnom vremenu je da se odrede pokazatelji koji karakterišu funkcionisanje. Proračun sadrži određivanje kriterijuma i tipova otkaza sistema i pokazatelja pouzdanosti kao i utvrđivanje strukturnih šema zasnovanih na analizi funkcionisanja sistema sa učešćem strukturnog rezerviranja, obnavljanja i kontrole. Dobijene verovatnoće rada ljudi, opreme i objekata sa uticajem radne sredine, omogućavaju utvrđivanje realnih eksploatacionih i ekonomskih efekata funkcionisanja bunara kao elemenata paralelnog podsistema kombinovanog sistema linije bunara, kao i sistema odvodnjavanja u celini. Pouzdanost sistema odvodnjavanja je izuzetno značajan element funkcionisanja površinske eksploatacije ležišta mineralnih sirovina koja je posebno, u određenoj meri, definisana i zakonskom regulativom. Kod manjih površinskih kopova, posebno brdskog tipa, uglavnom su prisutni jednostavniji serijski (redni) sistemi odvodnjavanja kanalima sa gravitacijskim odvođenjem površinskih i podzemnih voda van konture kopa. U nešto složenijim uslovima voda se kanalima odvodi do vodosabirnika odakle se prepumpava van kontura površinskog kopa. Proračun pouzdanosti ovakvih sistema je relativno jednostavan i svodi se na korišćenje teorije markovskih procesa [41, 45]. Kombinovani paralelno-serijski sistemi su prisutni kod odvodnjavanja od podzemnih voda većih površinskih kopova u složenijim hidrogeološkim uslovima, kada se pojedinačni bunarski objekti povezuju kao paralelni podsistem, a voda prepumpava u zajedničke sabirne i odvodne linije. Nakon neophodne pozitivne tehno-ekonomske analize, svako opravdano uvođenje ili projektovanje odgovarajućih kombinovanih sistema ipak usložnjava tehnološke procese, sistem upravljanja i analizu pouzdanosti rada opreme i objekata odvodnjavanja površinskog kopa. Po pravilu, nestalni tokovi voda u tehnološkom nizu imaju i paralelnu i serijsku strukturu. Zahtevani stabilni kapacitet kombinovanih sistema realizuje se u slučajnom procesu vremena rada opreme i objekata odvodnjavanja površinskog kopa uz vremensko rezerviranje preko kapacitativog i tehnološkog iskorišćenja. Tako i otkazi elemenata paralelnih podsistema ne dovode do punog već do delimičnog otkaza kompleksnog sistema kada se do graničnih vrednosti pouzdanost nadoknađuje tehnološkom i vremenskom rezervom. U analizi funkcionisanja paralelnog podsistema odvodnjavanja (niz pojedinačnih bunara ili niz pumpi vodosabirnika), neophodno je definisati srednje vreme rada u skladu sa dinamikom eksploatacije. Zatim se na osnovu zadatog kapaciteta za odvodnjavanje površinskog kopa, odgovarajućih hidrogeoloških karakteristika radne sredine sa formiranim hidrogeološkim modelom i karakteristika opreme, može optimizovati pouzdani broj bunara i kapacitet pumpi, uz njihovo maksimalno vremensko i kapacitativno iskorišćenje i mogućnost simulacije rada korišćenjem odgovarajućih softverskih paketa. Pojedinačni bunari i kanali za odvodnjavanje od podzemnih voda na površinskom kopu su elementi paralelnog podsistema sa odgovarajućim proračunatim neophodnim kapacitetima u skladu sa rezultatima hidrogeoloških modela. Dalji tokovi ispumpane ili gravitacijski sprovedene vode, po pravilu se objedinjuju u zajedničke cevovode, kanale ili vodosabirnike i dalje do konačnog recipijenta. Otkaz bilo kog elementa serijskog podsistema dovodi do potpunog otkaza sistema. Utvrđivanjem parametara pouzdanosti svih elemenata sistema i simulacijom rada može se analizirati funkcionisanje i time omogućiti efikasno planiranje pouzdanog odvodnjavanja i projektovanje novih sistema u površinskoj eksploataciji. Istraživanja i metodološke analize rada paralelnih i serijskih rudarskih sistema prisutna su u svetu više od četrdeset godina [2, 37, 95]. Postavljene teoretske i inženjerske osnove vezane za Teoriju verovatnoće i slučajne procese, pružaju velike mogućnosti za dalja istraživanja i širu primenu pri projektovanju novih površinskih kopova, kao i optimizaciju dimenzionisanja i funkcionisanja postojećih rudarskih sistema sa ekonomskog aspekta uključujući i sisteme odvodnjavanja. Rad u sve složenijim hidrogeološkim ležišnim uslovima i potreba za smanjenjem troškova dovela je do potrebe značajnog korišćenja optimizacije kombinovanih sistema odvodnjavanja u površinskoj eksploataciji. Optimizacijom parametara pouzdanosti može se racionalizovati struktura postojećeg sistema kao i projektovati optimalni kombinovani sistem, ukoliko za to postoje jasni povoljni tehno-ekonomski uslovi. Simulacijom pouzdanosti rada u realnom vremenu se mogu dobiti podaci preko kojih se analizom objektivno predviđaju neophodni zahvati na sistemu odvodnjavanja. Visoka pouzdanost postavljenog sistema neophodna je, ne samo sa aspekta optimizacije proizvodnih troškova, već i postavljenih uslova tehničkog i ekološkog funkcionisanja objekta u celini. Analiza pouzdanosti rada sistema odvodnjavanja na površinskim kopovima na osnovu dobro postavljenog informacionog sistema u znatnoj meri može olakšati upravljanje procesom, povećati efekte održavanja i omogućiti ekonomičniji rad. 6.1. Osnovni parametri pouzdanosti elemenata i sistema odvodnjavanja Proračuni parametara pouzdanosti rada linija bunara sistema odvodnjavanja se, u principu, baziraju na utvrđenim srednjim vremenima rada i obnavljanja za sve tipove mašina ili objekata u datom sistemu sa uticajem radne sredine i ljudskog faktora. Tako su najčešće korišćeni pokazatelji pouzdanosti su srednje vreme rada do otkaza sistema, verovatnoća rada u zadatom vremenu, intenziteti otkaza i obnavljanja kao i stacionarne verovatnoće rada i obnavljanja [2, 37, 95]. Funkcionisanje linija bunara sistema odvodnjavanja i njegovih elemenata je definisano kao slučajni proces sa eksponencijalno raspodeljenim vremenima realizacija stanja rada sistema u funkciji dotoka podzemnih voda u površinski kop. Analizom informacija o stanjima sistema odvodnjavanja utvrđuju se strategije pri kojima se u slučaju punog ili delimičnog otkaza vrši obnavljanje i planirano opsluživanje. Rad sistema do otkaza elementa i sistema odvodnjavanja, kao neprekidna slučajna veličina, može se opisati različitim zakonima raspodele u zavisnosti od osobina sistema i njegovih elemenata, uslova rada, karaktera otkaza, itd. Najjednostavnija i najviše korišćena je eksponencijalna raspodela sa sledećom funkcijom raspodele vremena rada: gde je: tr - srednje vreme rada, t - zadato vreme rada, X - parametar raspodele. Gustina raspodele je: Funkcija pouzdanosti je: Srednje vreme rada do otkaza iznosi: Intenzitet otkaza je: Sa druge strane, i verovatnoća obnavljanja do momenta t pri eksponencijalnom zakonu raspodele vremena obnavljanja sa parametrom P u vremenu od 0 do t iznosi: Srednje vreme obnavlj anja je: 6.2. Strukturne šeme elemenata sistema odvodnjavanja Strukturne šeme koje predstavljaju grafički prikaz elemenata u sistemu jednoznačno mogu definisati rad ili otkaz sistema. Elementi sistema mogu biti povezani redno, paralelno ili kombinovano (Slika 6.1). Ako otkaz elementa istovremeno predstavlja i otkaz sistema veza je redna ali ako sistem otkazuje tek posle otkaza dela ili svih elemenata postoji paralelna veza. Linije bunara sistema odvodnjavanja mogu se predstaviti kombinovanom redno-paralelnom ili paralelno-rednom vezom. Ukoliko se sistem sastoji od (n) redno povezanih elemenata (Slika 6.1-a), verovatnoća rada sistema Ps(t), za verovatnoće rada svakog elementa Pi(t), iznosi: Slika 6.1. Povezivanje elemenata sistema površinske eksploatacije (a - redno, b - paralelno, c - kombinovano) Ako se sistem sastoji od (m) paralelno povezanih elemenata (Slika 6.1-b), gde je verovatnoća otkaza svakog Qj(t) = 1-Pj(t), verovatnoća otkaza sistema iznosi: Ako je struktura sistema kombinovana, verovatnoća rada se proračunava uz učešće obe prethodno navedene formule i za šemu datu na Slici 6.1-c, iznosi: Kako za eksponencijalnu raspodelu vremena rada rednog sistema važi: to je verovatnoća rada sistema: Srednje vreme rada sistema je: Verovatnoća otkaza sistema sa paralelno povezanim elementima iznosi: Kod paralelno povezanih elemenata sistema, svi elementi počinju sa radom u momentu početka rada sistema i funkcionišu do otkaza. 6.3. Funkcionisanje sistema odvodnjavanja Funkcija sistema odvodnjavanja od podzemnih voda je da u određenom vremenu zaštiti površinski kop od modelski ili praktično predviđenih količina dotoka vode. U toku eksploatacije sistema može doći do narušavanja normalnog rada podsistema i elemenata što dovodi do povećanja količine dotoka podzemnih voda u površinski kop, a kada se prekorači dopušteni nivo i do uslovnog otkaza funkcionisanja sistema i ugrožavanja eksploatacije. Potpuni otkaz sistema nastupa pri otkazu bilo kog redno povezanog elementa u sistemu ili drugih nepredviđenih otkaza kao što je na primer nestanak električne energije. Verovatnoća pouzdanog rada sistema odvodnjavanja od podzemnih voda, postavljenog kao stacionarni proces, može se analizirati na osnovu formiranog grafa sa tri stanja. Postavljeni sistem odvodnjavanja u funkciji dotoka podzemnih voda, može imati tri stanja (S0, S^, S2). Normalno stanje sistema označeno je sa S0, stanje S^ predstavlja ugrožavanje u dopuštenim granicama dok je stanje S2 ekstremna situacija, koja se tretira kao uslovni otkaz, kada dolazi do ugrožavanja funkcionisanja sistema odvodnjavanja površinskog kopa preko dopuštenih granica. Tada se korekcijom sistema i aktivnijom zaštitom od podzemnih voda dolazi do smanjenja narušavanja rada sistema i mogućeg prelaska iz stanja S2 u stanje S^ ili u stanje S0. Za izračunavanje verovatnoća stanja P0, P^ i P2 potrebno je rešiti odgovarajući sistem jednačina sa različitim brojem intenziteta prelaza između stanja S0, S^ i S2, a prema grafu stanja datom na Slici 6.2. Slika 6.2. Graf stanja sistema odvodnjavanja Prihvatljivo je uprošćeno rešavanje jednačina korišćenjem grafa stanja sistema odvodnjavanja sa pravilom da je verovatnoća svakog stanja jednaka sumi verovatnoća svih tokova koji prelaze iz bilo kog stanja u dato stanje umanjenoj za sumu svih tokova koji iz datog stanja idu u druga stanja (Slika 6.2). Proračun omogućava kontrolu pouzdanosti i optimizaciju troškova realizacije korekcija i stabilnosti sistema odvodnjavanja od podzemnih voda u površinskoj eksploataciji. Dati sistem se može nalaziti u stanju rada (S0) sa intenzitetima prelaza (a) u (Si) i (c) u (S2), stanju funkcionisanja u dopuštenim granicama (SO sa intenzitetima prelaza (e) u (S2) i (b) u (S0) i stanju otkaza (S2) sa intenzitetima prelaza (d) u (S0) i (f) u (S^). Za sistem odvodnjavanja formira se graf od tri stanja u obliku lanca sa graničnim (stacionarnim) verovatnoćama stanja datim sledećim formulama: Proces funkcionisanja sistema odvodnjavanja bunarima je slučajan, a prelazi iz stanja u stanje ne zavise samo od otkaza elemenata već i od odstupanja od planiranih vrednosti. Analiza verovatnoća funkcionisanja sistema vrši se na bazi eksponencijalnog zakona raspodele slučajnih veličina. 6.4. Uticaj radne sredine na pouzdanost bunara Intenzitet promena fizičko-mehaničkih i hidrogeoloških karakteristika je promenljiv u različitim delovima ležišta posmatrano prostorno i po dubini i direktno utiče na konstrukciju i kapacitet bunara. Jedini pouzdani podaci dobijaju se istražnim radovima i predstavljaju osnovu za interpretaciju ovih podataka na širi prostor okonturenog dela površinskog kopa. Karakteristike radne sredine, koje je moguće oceniti na osnovu istražnih radova, izražavaju se kao inženjersko-geološke, hidrogeološke i fizičko-mehaničke karakteristike i interpretiraju se u realnom prostoru okonturenog dela površinskog kopa prema zonama pojavljivanja. Na taj način obuhvaćene su kod analize i planiranja radova na odvodnjavanju u datim uslovima. Posmatrano sa tog aspekta u radnoj sredini koja je obuhvaćena radovima, nije moguće vršiti kvalitativne intervencije kako bi se ona prilagodila uslovima odvodnjavanja ili konkretnoj opremi. Problem se javlja kod karakteristika radne sredine koje nije moguće prikazati kao rezultate ispitivanja i merenja, a egzistiraju u okruženju sistema odvodnjavanja. Ovakve pojave, kao granični slučajevi izuzetnih promena, mogu dovesti do pojava uslovnih otkaza bunara kao podsistema odvodnjavanja. Navedene karakteristike nije moguće eksplicitno izraziti numeričkim vrednostima, međutim pošto je uticaj ovih pojava očigledan one se mogu izraziti kao stanje okruženja sistema. Počevši od normalnog stanja, sledi otežano stanje funkcionisanja u kome sistem i dalje radi do stanja koje izaziva prekid rada sistema. Prelaz od normalnog stanja okruženja (S0) do stanja koje izaziva uslovno stanje rada bunara (SO, može se tretirati kao pogoršavanje stanja okruženja, odnosno fizičko- mehaničkih i hidrogeoloških karakteristika i ocenjuje se intenzitetom pogoršavanja (a), koje se direktno reflektuje na stanje sistema. Prelaz na normali rad bunara intervencijama na terenu vrši se sa intenzitetom (b). Ovako tretiran rad bunara u odnosu na radnu sredinu može imati tri stanja (Slika 6.3): - normalno funkcionisanje sistema (So), - otežano funkcionisanje sistema (Si) i - stanje otkaza sistema (S2). Slika 6.3. Graf stanja sistema sa uticajem radne sredine Prema grafu na Slici 6.3, iz stanja S0 sa intenzitetom (a) sistem može da pređe u stanje otežanog funkcionisanja S^ Iz stanja So sa intenzitetom (c) sistem može da pređe i u stanje otkaza S2, nakon koga je moguća samo izrada novog bunara, odnosno prelaz u stanje S0 sa intenzitetom (d). Iz stanja S^ sistem može preći u stanje S0 sa intenzitetom (b) ili u stanje S2 sa intenzitetom (e). Iz stanja S2 sistem može preći u stanje S0 sa intenzitetom (d) koji predstavlja inverznu vrednost vremena puštanja novog bunara u rad. Verovatnoće realizacije navedenih stanja sistema P0, P^ i P2 dobijaju se iz sledećeg sistema jednačina: Dalje se dobijaju sledeće stacionarne verovatnoće stanja: Proizvod odgovarajuće verovatnoće rada bunara prema uticaju stanja radne sredine sa verovatnoćom rada opreme, daje efekte funkcionisanja u realnom prostoru i vremenu sa obuhvaćenim uticajem karakteristika radne sredine na pouzdanost sistema. 6.5. Upravljanje i pouzdanost sistema odvodnjavanja U složenim sistemima odvodnjavanja površinskih kopova 10 do 15% otkaza su direktno ili indirektno povezani sa greškama operatera i menadžmenta u okviru ljudskih resursa, odnosno, organizacione strukture. Pouzdanost rada ljudi u okviru organizacionih jedinica predstavlja verovatnoću uspešnog izvršenja zadatka na zadatoj etapi funkcionisanja sistema u toku zadatog intervala vremena pri određenim utvrđenim zahtevima za trajanje realizacije zadatka. Ljudska greška ili greška menadžmenta definiše se neispunjenjem postavljenog zadatka koje pojavljuje zbog narušavanja normalnog toka planiranih operacija. U realnim uslovima, složeni sistem odvodnjavanja, bez obzira na stepen automatizacije, zahteva u manjoj ili većoj meri učešće ljudi. Dokazano je da se tamo gde rade ljudi javlja i greška bez obzira na nivo kvalifikacija ili pripreme. Zbog toga prognoziranje pouzdanosti sistema bez učešća pouzdanosti rada radne snage ne daje stvarnu sliku. Zavisnost učestanosti pojave ljudske greške u odnosu na dejstvujući nivo naprezanja u toku rada nije linearna. Pri niskom nivou naprezanja većina operatora radi neefektivno, pošto je zadatak lak i dosadan i ne izaziva interesovanje, pa je i kvalitet rada daleko od optimalnog. Pri umerenom naprezanju je kvalitet rada operatora optimalan, pa umereno naprezanje treba smatrati kao osnovni uslov obezbeđenja pažljivog i pouzdanog rada operatora. Pri daljem povećanju naprezanja kvalitet rada se pogoršava do najnižeg nivoa što se može objasniti oblicima fizioloških stresova, kao što su strah, uznemirenost, nesigurnost, itd. Ljudske greške mogu nastati kada operator ili bilo koje drugo lice teži ka dostizanju pogrešnog cilja, kada postavljeni cilj ne može biti dostignut zbog nepravilnog rada operatora i kada je operator neaktivan u momentu kada je neophodno njegovo dejstvovanje. Ljudske greške se mogu posmatrati kroz tri stanja (Slika 6.4). Slika 6.4. Graf stanja sistema u zavisnosti od ljudskih grešaka Prvo stanje (S^) obuhvata normalni rad sa svim potencijalima pojave ljudske greške. U drugom stanju (S2) se javlja ljudska greška zbog faktora vezanih za individualne ljudske osobenosti i situacione faktore ali uslovno ne dolazi do otkaza sistema realizacijom odgovarajućih korekcija, dok se u trećem stanju (S3), pojavljuju neželjeni događaji i otkaz sistema ili podsistema zbog ljudske greške. Ovo je stacionarni Poasonov proces gde do ljudske greške dolazi sa intenzitetom g kada se prelazi iz prvog (S^ u drugo stanje (S2). Vreme korekcije je eksponencijalno sa parametrom k. Do neželjenih posledica dolazi prelazom iz drugog u treće stanje (S3) sa intenzitetom f. Obnavljanje je eksponencijalno sa parametrom r. Algebarske jednačine za granične verovatnoće stanja sistema su: Odatle se rešavanjem po P0 dobija: i zamenom stacionarna verovatnoća rada bez greške i njenih posledica: 6.6. Pouzdanost kombinovanih linija sistema odvodnjavanja Kombinovani paralelno-redni sistemi odvodnjavanja mogu biti u praksi površinske eksploatacije, razdvojeni kod paralelnih elemenata podsistema i objedinjeni tokovi vode redno povezanih elemenata podsistema čiji broj nije ograničen [45, 95]. Sistem odvodnjavanja linijom drenažnih bunara sa objedinjavanjem toka vode se mogu predstaviti paralelnim podsistemom bunara koji preko pumpi transportuju paralelno vodu do rednog podsistema koji se sastoji od zajedničkog prvog zbirnog cevovoda, presipnog mesta, drugog zajedničkog gravitacionog ili cevovoda pod pritiskom i objekta pretakanja sa verovatnoćama rada Pc, Pv, Pp i Pr (Slika 6.5). Usvojen je uslov da otkaz bilo koje grupe od po tri bunara dovodi do uslovnog otkaza kombinovanog sistema. Pokazatelji pouzdanosti paralelnog podsistema su a^, a2, a3 i b1, b2, b3. Slika 6.5. Graf stanja kombinovanog sistema odvodnjavanja Sistem radi ukoliko su sva tri bunara grupe paralelnog i redni podsistemi ispravni ali i kada je jedan od tri bunara otkazao. U slučaju otkaza rednog podsistema otkazuje sistem ali u tom momentu, pošto uslovno ne rade, ne mogu otkazati grupe paralelnog podsistema. Paralelni podsistem na Slici 6.5 je formiran od tri elemenata koje čine pumpna postrojenja bunara u kojima se tehnološki proces obavlja nezavisno (broj grupa od po tri elementa u praksi je vezan za projektovano ili izvedeno stanje). Pri otkazu jednog elementa, podsistem uslovno radi sa nepotpunim kapacitetom. Otkaz podsistema u celini nastaje pri neispravnosti ili pri otkazu dva elementa. Funkcionisanje ovako postavljenog paralelnog podsistema odvodnjavanja, za svaki bunarski sistem, može se predstaviti stacionarnim procesom sa dva stanja. Elementarni tok otkaza svakog bunarskog postrojenja ima intenzitet (a). Vreme obnavljanja ima eksponencijalnu raspodelu sa parametrom (b). Stanja svakog paralelnog postrojenja su (S0) ako je u funkciji i (S^ ako je u otkazu, odnosno, ako se obnavlja. Graf stanja paralelnih bunarskih postrojenja prikazan je na Slici 6.5. Stacionarne verovatnoće se mogu dobiti jednostavno rešavanjem algebarskih linearnih jednačina za granične verovatnoće stanja podsistema: Verovatnoća rada paralelnog podsistema sa dva bunara ili dve linije, koji otkazuje u slučaju otkaza jednog od bunara ili linije iznosi: Verovatnoća rada postavljenog paralelnog podsistema sa tri bunara u celini iznosi: Verovatnoća rada podsistema kada je neispravan prvi bunar iznosi: Verovatnoća rada sistema kada je neispravan drugi bunar je: Verovatnoća rada sistema kada je neispravan treći bunar je: Verovatnoća uslovnog otkaza paralelnog sistema kada su neispravna po dva bunarska postrojenja data je izrazima: Stacionarna verovatnoća rada jednog bunarskog postrojenja, kao redno povezani niz elemenata iznosi: gde je: P^ - pouzdanost rada pumpe, P2 - pouzdanost rada ostalih elemenata konstrukcije bunara, P3 - pouzdanost funkcionisanja bunarskog cevovoda, P4 - pouzdanost uticaja radne sredine, P5 - pouzdanost u funkciji organizacionih faktora. Stacionarna verovatnoća rada sistema sa tri bunara ili linija istih karakteristika pouzdanosti iznosi: Verovatnoća rada kombinovanog sistema linije bunara iznosi (Slika 6.5): 6.7. Analiza uticaja odvodnjavanja na životnu sredinu i novčana procena ekoloških usluga Ekonomska evaluacija životne sredine pomaže donosiocima odluka da integrišu vrednost ekoloških usluga koje pružaju ekosistemi u proces donošenja odluka. Interni i eksterni efekti na životnu sredinu koje stvaraju ekonomski projekti izračunavaju se i izražavaju u novčanim pojmovima. Novčana evaluacija je korisna da u istoj dimenziji izrazi različite socijalne i ekonomske troškove i koristi i neophodna je za izračunavanje homogenog indikatora neto koristi. U kontekstu velike neizvesnosti i ireverzibilnosti buduće dostupnosti izvora životne sredine ili iz etičkih razloga mogu se primeniti druge metode ekonomske evaluacije kao što su, na primer, procena uticaja na životnu sredinu ili višekriterijumska analiza. 6.7.1. Uticaji na životnu sredinu i usluge životne sredine u projektima odvodnjavanja U svetu su, naročito poslednje decenije, veoma aktuelna pitanja stalnog poboljšanja kvaliteta života i zaštite životne sredine. Zbog toga i organizacije svih vrsta i veličina sve više poklanjaju pažnju uticajima svojih aktivnosti, proizvoda i usluga na životnu sredinu. Rudarski sektor, u većini zemalja u razvoju, predstavlja ključ ekonomskog uspeha i privrednog rasta. Međutim, aktivnosti rudarskog sektora, po pravilu, podrazumevaju i značajan negativan uticaj na životnu sredinu, koji postaje evidentan i na mnogo širim područjima van samog rudnika. Sa aspekta zaštite vodnih resursa ovo je posebno izraženo u peskovito-šljunkovitim vodonosnim zonama, karakterističnim za velike površinske kopove lignita, gde se odvodnjavanjem bunarima formiraju velike konusne regionalne depresije. Ovakve depresije predstavljaju jedan od najvažnijih uticaja rudarstva na životnu sredinu i povlače konflikt korišćenja sistema vodnih resursa. Radi realizacije geomehaničke stabilnosti kosina površinskih kopova, odvodnjavanjem bunarima se snižava nivo podzemnih voda što dovodi do isušivanja zemljišta i vodotokova u širem području i do konflikta regionalnih interesa. Zbog toga je neophodno navodnjavanje, koje povlači značajno povećanje troškova u odnosu na prirodne uslove ali i obavezu rudarskog sektora da realizuje sledeće ciljeve: - Obezbediti potrebne količine vode odgovarajućeg kvaliteta za snabdevanje stanovništva, industrije i poljoprivrede. - Ostvariti optimalnu vlažnost zemljišta za rast biljaka kroz rast kapilarnosti, irigacije i drenaže. - Zadovoljiti optimalne održive ekološke uslove životne sredine. Potrebne količine vode za snabdevanje potrošača su u funkciji izabranog sistema odvodnjavanja. U kombinovanim sistemima odvodnjavanja sa vodonepropusnim ekranima količine vode za vodosnabdevanje potrošača se izuzetno umanjuju ili uopšte nisu potrebne. Pored problema obezbeđenja dodatnih količina vode za potrošače, u rudarskim regionima se javlja i problem kvaliteta vode posebno zbog oksidacije minerala gvožđa (pirit) u zonama odvodnjavanja. U konusu depresije zbog odvodnjavanja dolazi do aerizovanja otkrivke, kao i povećanja kiselosti podzemnih voda. Isti efekat se javlja sa povećanjem nivoa podzemnih voda nakon zatvaranja površinskih kopova. Prisutni su i tipični rizici i negativni uticaji na kvalitet podzemnih i ispumpanih voda zbog industrijskih aktivnosti, posebno vezanih za odlaganje tečnih i čvrstih otpada, što dovodi do povećana koncentracija teških metala, fenola, kiselina i ostalih zagađivača, kao i do onemogućavanja zaštite resursa vode za piće. Kao posledica, neophodna su i povećana ulaganja za izgradnju rudarskih postrojenja za prečišćavanje voda, dimenzionisanih za potrebne količine i za ispunjenje uslova kvaliteta vode za potrošače (stanovništvo, industrija, poljoprivreda i dr.). Korišćenje ali i devastiranje vodnih resursa kao posledica odvodnjavanja, kao rudarske aktivnosti, zahteva kontinualno upravljanje procesom, koje podrazumeva sledeće aktivnosti: - Uspostavljanje pravilnog vodnog balansa u fazi eksploatacije, kao i u posteksploatacionoj fazi rudnika. - Razvoj održivog plana upravljanja vodama kako bi se smanjio uticaj na prirodne sisteme. - Reciklaža i prečišćavanje vode. Proističe zaključak da uticaj površinske eksploatacije na vodne resurse dovodi do značajnog konflikta između različitih zainteresovanih strana kao što su rudarski sektor, kompanije za vodosnabdevanje i poljoprivreda u eksploatacionom regionu. Aktivnosti svake od zainteresovanih strana, u okviru takvog složenog socio-ekonomskog i ekološkog sistema, modifikuju sistem vodnih resursa, ali istovremeno i uslove za korišćenje od strane drugih grupa. Optimalnim izborom sistema odvodnjavanja nivo konflikta može biti značajno manji. 6.7.2. Evaluacija uticaja na životnu sredinu u projektima odvodnjavanja Svaki projekat odvodnjavanja ima veća ili manja, negativna ili pozitivna dejstva na lokalnu i globalnu životnu sredinu. Tipični uticaji na životnu sredinu su povezani sa kvalitetom lokalnog vazduha, klimatskim promenama, kvalitetom površinskih i podzemnih voda, biodiverzitetom i narušavanjem predela, tehnološkim i prirodnim rizicima [76]. Ovi uticaji menjaju normalno funkcionisanje ekosistema i smanjuju (ili u nekim slučajevima povećavaju) kvalitet uticaja na životnu sredinu koje proizvode ekosistemi. Smanjenje ili povećanje kvaliteta ili količine dobara i usluga životne sredine će proizvesti neke promene, dobitke ili gubitke socijalnih koristi u vezi sa njihovom potrošnjom. Novčana mera promene dobrobiti pojedinca zbog promene kvaliteta životne sredine se naziva ukupna ekonomska vrednost promene. Ukupna ekonomska vrednost resursa se može podeliti u upotrebne vrednosti i neupotrebne vrednosti: Ukupna ekonomska vrednost = upotrebne vrednosti + neupotrebne vrednosti Upotrebne vrednosti obuhvataju koristi od fizičke upotrebe resursa životne sredine, kao što je rekreativna aktivnost (sportski ribolov) ili produktivna aktivnost (poljoprivreda i šumarstvo). Opciona vrednost se javlja u ovoj kategoriji, čak i ako se radi samo o budućim upotrebama i potiče od kombinacije nesigurnosti pojedinca o budućoj potražnji za resursima i neizvesnosti u vezi sa njihovom raspoloživošću u budućnosti. Neupotrebne vrednosti se odnose na koristi koje pojedinci mogu dobiti iz životne sredine, a da ih pri tom ne koriste direktno. Neupotrebne vrednosti su manje opipljive nego upotrebne vrednosti jer se obično ne odnose na fizičku potrošnju robe i usluga. Vrednosti su direktno povezane sa uslugama životne sredine koje daju ekosistemi. Na primer, poljoprivreda je zavisnosti od ekološke produktivnosti vodenog ekosistema. Raspoloživost vode je povezana sa čitavim hidrogeološkim ciklusom i kvalitet podzemnih voda zavisi od kapaciteta zemljišta da ih filtrira. Smanjenje pružanja ekoloških usluga (na primer, zagađenjem) sigurno smanjuje vrednosti koje ljudi iskazuju u vezi sa kvalitetom životne sredine sa, kao konačnim rezultatom, smanjenjem socijalnih koristi povezanih sa njima. Važno je shvatiti da ekonomska vrednost ne meri kvalitet životne sredine sam po sebi, već odražava sklonost ljudi ka tom kvalitetu. Evaluacija je antropocentrična u tome što se odnosi na sklonosti ljudi. Na primer, očekuje se da površinski kop smanji površine korisnog obradivog zemljišta, promeni izgled ruralnog pejzaža, poveća pritisak na biodiverzitet, smanji kvalitet površinskih i podzemnih voda, smanji nivo podzemnih voda i smanji kvalitet vazduha u oblasti. Kao rezultat toga, svaki od ovih uticaja smanjuje pružanje usluga žvotne sredine od strane ekosistema i smanjuje ekonomske koristi, kao što je poljoprivredna aktivnost, korišćenje pejzaža i drugih ljudskih aktivnosti povezanih sa ekonomskom vrednošću oblasti. Sa druge strane, ulaganja u postrojenja za obradu zagađene vode smanjuju negativne uticaje na zemljište i vodu i povećavaju ekonomske koristi u vezi sa opremom za usluge životne sredine za potrošače i proizvođače. Izuzimanje uticaja projekta odvodnjavanja na životnu sredinu za posledicu ima precenjivanje ili potcenjivanje socijalnih koristi projekta i izaziva donošenje loših ekonomskih odluka. 6.7.3. Merenje novčanih koristi U praksi, ekonomska evaluacija pokušava da otkrije (ili naznači) spremnost pojedinca da plati za (ili primi) koristi u vezi sa upotrebom (potrošnjom) dobara i usluga životne sredine. Cilj evaluacije je da se proceni ukupna ekonomska vrednost, uzimajući u obzir eksplicitnu i implicitnu neupotrebnu vrednost. Suštinski koncept metodologije je koncept potrošačkog (ili proizvođačkog) viška. Kada postoje tržišta usluga životne sredine, najlakši način da se izmeri ekonomska vrednost je da se koristi stvarno povezana tržišna cena. Na primer, kada zagađenje reke smanji ulov ribe, tržišna vrednost za izgubljeni ulov se obično vidi na tržištu ribe. Kada nema tržišta, cena se može dobiti netržišnim postupcima evaluacije. Postoje dva široka pristupa evaluaciji i svaki od njih obuhvata nekoliko različitih tehnika: indirektni pristup traži da se preference izvedu iz stvarnih informacija koje se zasnivaju na tržištu, a direktni pristup se zasniva na simulaciji tržišta robe i koristi, istraživanju i eksperimentalnim metodama. Sprečavanje izdataka i izbegnuti troškovi Kada dođe do promene u kvalitetu životne sredine, reakcije firmi i domaćinstava se mogu videti kroz novac koji troše da smanje uticaje takvih promena. Na primer, troškovi navodnjavanja poljoprivrednog zemljišta u okolini površinskog kopa mogu da ukazuju na procenu domaćinstava da bi povećanje nivoa podzemnih voda (odvodnjavanje površinskog kopa ekranom umesto bunarima), moglo da utiče na koristi od smanjenog negativnog uticaja eksploatacije na površinskom kopu na vodne resurse. Sprečavanje izdataka se koristi za procenu degradacije životne sredine, a izbegnuti troškovi se koriste za ocenu poboljšanja kvaliteta životne sredine. Nekoliko problema se dovodi u vezu sa ovom metodom: - Pojedinci ili firme mogu da preduzmu određene koncepcijske aktivnosti, način ponašanja i uticaj na stanovništvo (na primer raseljavanje) kao odgovor na promene životne sredine, umesto da troše novac na smanjenje negativnih uticaja; - Ponašanje sprečavanja može da ima druge povoljne uticaje koji se eksplicitno ne vide. Iz tih razloga ovaj metod, ako nema eksplicitnih tržišnih podataka, često potcenjuje ili precenjuje koristi u vezi sa kvalitetom životne sredine. Ukoliko postoje eksplicitni podaci o uticaju i meri uticaja na životnu sredinu ova metoda je praktična i daje veoma pouzdane rezultate ekonomske ocene. Funkcije doza-odgovor Tehnika doza-odgovor ima za cilj da uspostavi odnos između uticaja na životnu sredinu (odgovor) i fizičkih uticaja na životnu sredinu kao što je zagađenje (doza). Tehnika se koristi kada je poznat odnos doza-odgovor između uzroka ekološke štete kao što je zagađenje vode, i uticaja, smanjenje prinosa poljoprivrednog zemljišta ili nedostatak pijaće vode usled zagađenja ili sniženja nivoa podzemnih voda. Ova tehnika uzima podatke od prirodnih nauka o fizičkim dejstvima zagađenja i koristi ih u ekonomskom modelu evaluacije. Ekonomska evaluacija se sprovodi procenom, uz pomoć funkcije stvaranja i upotrebe varijacija profita firme ili pojedinačnih gubitaka ili dobitaka. Dva koraka ove metode su: - Izračunavanje doze zagađenja i funkcije receptora, i - Ekonomska evaluacija izborom ekonomskog modela. Da bi se procenili novčani dobici ili gubici koristi, usled varijacija kvaliteta životne sredine, neophodno je sprovesti analizu bioloških i fizičkih procesa, njihovih interakcija sa odlukama potrošača ili proizvođača i konačnog uticaja na dobrobit. Glavna oblast primene metodologije su evaluacija gubitaka (u usevima na primer) usled zagađenja ili smanjenja nivoa podzemnih voda. Ovim pristupom se ne može proceniti neupotrebna vrednost. 6.7.4. Postupak analize troškova i koristi za životnu sredinu Novčana analiza je obično podeljena na različite korake, kao što sledi: - Definicija i tehnički opis različitih opcija projekta. Korisne informacije su sigurno dostupne u studijama izvodljivosti i trebalo bi da su dovoljne da se navede tehnički i socijalno-ekonomski kontekst projekta. - Procena uticaja na životnu sredinu i štete po ekosistem i ljudsko zdravlje u vezi sa različitim dostupnim scenarijima. Za projekte odvodnjavanja površinskih kopova neophodno je sprovesti analizu uticaja na životnu sredinu koja će sadržati dovoljno informacija o najznačajnijim lokalnim uticajima na nivo podzemnih voda kao i zagađenje površinskih i podzemnih voda, vodotokova, zagađenje zemljišta i tako dalje. - Opis eksternih dejstava i zainteresovanih strana na koje uticaji projekta na životnu sredinu imaju direktno ili indirektno dejstvo. Ideja je preciznije opisati odnos između pružanja usluga životne sredine od strane ekosistema i socijalnih koristi iz njihovog konzumiranja. - Izbor metode evaluacije i validacija izračunate monetarne vrednosti. Izbor metode evaluacije zavisi od vrste projekta, dobara i usluga životne sredine i od socijalno-ekonomskog i političkog konteksta. U idealnom postupku evaluacije zainteresovane strane bi vrednovale izračunate vrednosti da bi se obezbedio konsenzus o odabranoj metodologiji. - Izbor diskontne stope i procena ekološke neto koristi projekta. Upotreba niske diskontne stope je ponekad opravdana činjenicom da uticaji na životnu sredinu proizvode negativna dugoročna dejstva. Neki stručnjaci se zalažu za nultu diskontnu stopu zbog etičkih pitanja za buduće generacije. U svakom slučaju, kada postoje snažni uticaji na životnu sredinu, trebalo bi odabrati nisku diskontnu stopu (približno 3 ili 5%) da bi se obuhvatili neki etički principi kao što je princip predostrožnosti. 6.8. Optimizacija parametara pouzdanosti sistema odvodnjavanja Prema teoriji pouzdanosti izvesno je da je nemoguće proizvesti bezotkaznu složenu opremu i izvesti potpuno pouzdane objekte linija bunara sistema odvodnjavanja na površinskim kopovima. Za vreme otkaza elemenata rednog sistema nanose se određeni ekonomski gubici izraženi kroz troškove materijala i radne snage na otklanjanju otkaza, kroz gubitke u proizvodnji (smanjenje obima ispumpavanja vode) i gubitke nastale uslovnim zastojima, izraženim kroz smanjenje kapaciteta tehnološki povezane opreme, zbog otkaza sistema odvodnjavanja. U tim uslovima je značajno odrediti takav nivo pouzdanosti sistema odvodnjavanja, pri kome troškovi na povećanju njegove pouzdanosti i za pokrivanje gubitaka, a koji se javljaju u eksploataciji zbog smanjene pouzdanosti, budu minimalni. Odatle proizilazi potreba za ekonomskom optimizacijom nivoa pouzdanosti izbora sistema odvodnjavanja na površinskim kopovima. Što je veća pouzdanost rada elemenata linija bunara sistema odvodnjavanja, uz povećanje troškova, to su ređi otkazi sistema, a samim tim i niži troškovi za pokrivanje gubitaka zbog otkaza. Osnovne pokazatelje pouzdanosti moguće je odrediti preko matematičkog modela funkcionisanja sistema odvodnjavanja za srednje uslove rada sistema uz zavisnost dohotka od vremena rada i kapaciteta površinskog kopa u toku zadatog perioda eksploatacije. U postavljenom modelu sistem odvodnjavanja radi kao nezavisan objekat čiji je proizvod količina ispumpane vode u optimizovanom režimu, a za obezbeđenje planirane proizvodnje mineralne sirovine površinskom eksploatacijom. Ekonomski pokazatelj efektivnosti odvodnjavanja bunarima kao najkompleksniji parametar, sadrži ekonomske podatke o radu sistema odvodnjavanja površinskog kopa, a takođe i informacije o njegovim kapacitativnim mogućnostima pri bezotkaznom radu, troškovima pri obnavljanju rada sistema i informacije o pouzdanosti sistema. Odgovarajućom promenom svih navedenih parametara vrši se optimizacija pokazatelja efektivnosti sistema i utvrđuje ekonomika pouzdanosti odvodnjavanja. U opštem slučaju pokazatelj iskorišćenja sistema odvodnjavanja površinskog kopa sa ekonomskog aspekta u funkciji pouzdanosti rada objekata odvodnjavanja izraženih preko intenziteta otkaza (a) i obnavljanja (b), može se dati u sledećem obliku: gde je: D0 - dohodak (priliv) pri bezotkaznom radu sistema odvodnjavanja u vremenu Ei=1n Ti,, a Ds - suma troškova obnavljanja sistema odvodnjavanja (R^) i gubitaka u proizvodnji (Gi) u vremenskom periodu Eti zbog obnavljanja (odliv). Konačno je: Na osnovu izvedene jednačine dobija se zavisnost stacionarne verovatnoće rada sistema odvodnjavanja (Ps) i intenziteta rada do otkaza (a = 1/tr) i intenziteta obnavljanja (b = 1/to), kao i troškova pri obnavljanju i dohotka pri radu sistema odvodnjavanja: Za ocenu posledica obnavljanja sistema odvodnjavanja, bitnu ulogu ima vrsta otkaza i trajanje obnavljanja. Optimizacija ulaganja u obezbeđenje pouzdanosti rada sistema površinski kop, sa aspekta odvodnjavanja nije moguća bez detaljne tehno- ekonomske analize koja u nekim situacijama može biti i odlučujuća za otvaranje novih objekata u zonama sa visokim ekološkim zahtevima. Detaljna ekonomska analiza izbora sistema odvodnjavanja je zasnovana na funkciji troškova matematičko-statističkog karaktera. U dinamičkoj analizi, Ekonomski tok Projekta je izražen u proračunu neto sadašnje vrednosti Projekta (Net Present Value - NPV) i u proračunu interne stope povraćaja kao ekonomske efikasnosti (Internal Rate of Return - IRR). Interna stopa povraćaja svakog projekta ključni ekonomski parametar za ocenu investicija, jer u sebi integriše sve uslove koji se uključuju u ocenu projekta, a isključuje konstrukciju finansiranja koja može neopravdano da favorizuje jedan projekat u odnosu na drugi, nezavisno od njegovih objektivnih parametara. Pristup vrednovanja novca u vremenu je suštinski za razumevanje metoda diskontovanja. Dati iznos novca ima veću vrednost danas nego isti iznos dobijen u budućnosti, jer se novac dobijen danas može uložiti i uvećati sa određenom kamatnom stopom. Formula za određivanje kumulativne dodate vrednosti A za investiciju P u toku n godina i sa interesnom stopom i glasi: Jasno je da je proračun sadašnje vrednosti ukupnog novca primljenog u budućnosti inverzan u odnosu na proračun uvećane vrednosti preko i nteresne stope. Tako formula za dobijanje sadašnje vrednosti (PV - Present Value) glasi: gde je: i - interesna stopa (uobičajeno se koristi i termin diskontna stopa), n - broj godina u budućnosti kada se vrši povraćaj novca. Neto sadašnja vrednost projekta se definiše kao razlika između njegove sadašnje vrednosti i vrednosti budućih gotovinskih priliva i odliva. Ovo znači da svi godišnji gotovinski tokovi treba da budu diskontovani do nulte tačke u vremenu (početna godina realizacije) prema unapred određenoj internoj stopi, što se može predstaviti sledećim izrazom: gde je: X za t = 0 do n - ukupna vrednost projekta od godine 0 do godine n, CIt - gotovinski prilivi (Cash Inflow) u godini t, COt - gotovinski odlivi (Cash Outflow) u godini t, at - diskontni faktor u godini t sa odabranom interesnom stopom. Ukoliko su ostale vrednosti jednake, neto sadašnja vrednost projekta se povećava sa većim CI, ali se i smanjuje sa većom internom stopom i CO. Projekat je komercijalno prihvatljiv ukoliko je njegova sadašnja vrednost veća ili jednaka nuli. Kada se bira između alternativnih projekata, usvaja se onaj koji ima najveću neto sadašnju vrednost. Stoga, metoda neto sadašnje vrednosti meri veličinu neto gotovinskih tokova, odnosno, neto dobit određenog projekta, ali je ne povezuje sa ukupnom investicijom koja je neophodna da se postignu ovi pozitivni efekti. Kod metode interne stope povraćaja interesn a stopa je nepoznata, za razliku od metode neto sadašnje vrednosti kod koje se nezavisno od projekta primenjuje interna stopa. Po definiciji, interna stopa povraćaja je interesna stopa koja smanjuje neto sadašnju vrednost projekta na nulu: gde svi simboli imaju isto značenje kao i u slučaju neto sadašnje vrednosti. Pri primeni interne stope povraćaja, počinje se sa pretpostavkom da je NPV = 0 i pokušava se naći interna stopa koja će sadašnju vrednost gotovinskih priliva proj ekta učiniti jednakom sadašnjoj vrednosti gotovinskih odliva. Odluka o investiciji se donosi poređenjem interne stope povraćaja određenog projekta ir sa graničnom stopom imin, što daje minimalnu prihvatljivu stopu po kojoj investirani kapital treba da bude uvećan. Zbog toga će procenjivani projekat biti prihvaćen ukoliko je ir > imin i obrnuto. Interna stopa povraćaja se može smatrati korisnom metodom koju treba primeniti kada nije lako odrediti odgovarajuću internu stopu pri proračunu neto sadašnje vrednosti projekta ili kada se želi znati po kojoj stopi se uloženi kapital uvećava za vreme trajanja projekta. 6.9. Model procesa analize pouzdanosti sistema odvodnjavanja Pouzdanost rada sistema odvodnjavanja u realnom vremenu predstavlja osnovu za analizu efekata kako sistema u celini tako i pojedinih njegovih elemenata. U okviru postavljenog modela procesa analize pouzdanosti sistema odvodnjavanja (Slika 6.6), vrši se utvrđivanje pouzdanosti kombinovanog sistema linije bunara ali i više linija, proračunima stacionarnih verovatnoća rada elemenata i podsistema sledećim redosledom: - Verovatnoće rada pojedinačnih bunara paralelnog podsistema svake linije bunara; - Verovatnoća rada paralelnog podsistema svake linije bunara; - Verovatnoća rada kombinovanog sistema svake linije bunara; - Verovatnoće rada kombinovanog sistema odvodnjavanja u celini sa više linija bunara; - Analiza ekoloških uticaja i novčana procena ekoloških usluga; - Verifikacija i optimizacija pouzdanosti sistema ekonomskom analizom. Optimalni nivo pouzdanosti sistema odvodnjavanja odgovara minimalnim ukupnim troškovima za povećanje pouzdanosti i pokrivanje gubitaka koji se javljaju sa otkazima. Prikazani model procesa analize i optimizacije pouzdanosti je deo ukupne procedure planiranja i realizacije sistema odvodnjavanja i može da se koristi kao element za izgradnju integralnog informacionog sistema odvodnjavanja površinskog kopa. Sltka 6.6. Model procesa analtze pouzdanostt ststema odvodnjavanja 7. IZBOR OPTIMALNOG SISTEMA ODVODNJAVANJA POVRŠINSKIH KOPOVA NA PRIMERU POVRŠINSKOG KOPA DRMNO Površinski kop uglja Drmno u kostolačkom basenu uglja poslužiće kao idealan primer za izbor optimalnog sistema odvodnjavanja. Ležište Drmno obuhvata teren površine oko 50 km , istočno od reke Mlave, a granicu mu čine: reka Dunav na severu, Boževačka greda na istoku, linija Bradarac- Sirakovačka dolina na jugu i reka Mlava na zapadu. Ležište uglja Drmno zahvata atar sela Drmno po kome je dobilo ime, ali takođe i deo atara susednih sela Bradarca i Kličevca. Površinski kop Drmno se nalazi severoistočno od sela Drmno (Slika 7.1). Ležište Drmno sa Požarevcem i Kostolcem povezuju asfaltirani putevi (18 km do Požarevca i oko 4 km do Kostolca). Slika 7.1. Geografski položaj površinskog kopa Drmno Na površinskom kopu Drmno za zaštitu od voda koriste se dva sistema, i to sistem za odvodnjavanje površinskih voda i sistem za odvodnjavanje podzemnih voda. Kao primer optimizacije sistema odvodnjavanja prikazana je metodologija izbora objekata odvodnjavanja od podzemnih voda na površinskom kopu Drmno [50]. Imajući u vidu veoma veliki priliv podzemnih voda u aluvijonu reka Dunav i Mlava, izvršena je detaljna tehno-ekonomska analiza mogućnosti zaštite površinskog kopa Drmno samo linijama bunara ili kombinacijom vodonepropusnog ekrana i linija bunara sa umanjenim brojem bunara. Date su osnove hidrodinamičkog proračuna sniženja nivoa podzemnih voda i prikazan hidrodinamički model ležišta uglja Drmno, a metodologija obuhvata rekalibraciju hidrodinamičkog modela ležišta uglja Drmno, hidrodinamički proračun sniženja nivoa podzemnih voda i rezultate prognoznih proračuna i tehno-ekonomsku analizu. Sistem odvodnjavanja površinskih voda je identičan u oba slučaja, i sastoji se od obodnih i etažnih kanala, vodosabirnika i pumpnih stanica. 7.1. Analiza postojećih rezultata geoloških istraživanja koji utiču na odbranu površinskog kopa od podzemnih voda Sa aspekta zaštite površinskog kopa od podzemnih voda bitni su prirodni (geografski položaj i geomorfologija terena, litološka građa ležišta, tektonika, hidrografske prilike ležišta i okoline, klimatski uslovi područja površinskog kopa, hidrogeološke karakteristike ležišta i dr.) i rudarsko-tehnološki faktori (tehnologija rada na otkopavanju i transportu uglja, otkrivke i jalovine, tehnologija odlaganja otkrivke i jalovine, lokacija odlagališta, vrsta i karakteristike korišćene opreme i dr.). 7.1.1. Prirodni faktori Hidrografske prilike U hidrografskom pogledu, osnovno obeležje terenu daje reka Dunav kao najniži lokalni erozioni bazis. Neposredno duž zapadnog oboda ležište uglja Drmno, protiče reka Mlava koja se kod Starog Kostolca, uliva u Dunav kao njena desna pritoka. U području Kostolca, Dunav se grana na više mesta i pritom gradi prostrana ostrva (Stojkova ada, Žilovo, Čibuklija, Zavojska). U ovom delu, Dunav je širok oko 1.200 m, a izgradnjom HE Đerdap, vodostaj Dunava je podignut i zavisno od režima rada hidroelektrane, kreće se od kote 69,5 m do 71 m. Ovi novonastali uslovi su nametnuli i potrebu izgradnje nasipa kojima je izvršena zaštita obala Dunava od visokih vodostaja i poplava. Mali Dunav (ili Dunavac), ranije je bio desna otoka Dunava. Proticao je oko ostrva dugog 21 km i širokog 4 km, a na njemu se nalazilo i naselje Ostrvo. Usled novonastalih uslova regulacijom korita reke Mlave i izgradnjom pregrade na delu korita Dunavca, prekinut je proticaj rečnih voda Dunavcem. Deo korita Dunavca, od ušća Mlave u Dunav pa do Kličevca u dužini od 12 km, praktično u sadašnjim uslovima služi kao recipijent površinskih i podzemnih voda sa okolnog terena, a nivo se održava na koti 67,2 m pomoću crpnih stanica Zavojska i Rečica, kod sela Rama. Reka Mlava se formira u Žagubici od voda snažnog karstnog vrela. Od Petrovca pa do svog ušća u Dunav, predstavlja tipičnu ravničarsku reku koja je često bila vodoplavna pri višim vodostajima. Nakon izvršene regulacije, od sela Bradarac reka Mlava se novim koritom uliva kod Starog Kostolca u Dunav. U tom delu je takođe na desnoj obali Mlave, izgrađen zaštitni nasip koji je uklopljen u sistem zaštite Dunava i to za režim rada hidroelektrane za kote 68 i 69,5 m na ušću Nere u Dunav. Pad donjeg toka reke Mlave je 0,92o/oo, srednjeg 3,32o/oo, a gornjeg 2,8o/oo. Klima istražnog područja je umereno kontinentalna sa delimičnim uticajem stepsko-kontinentalnog klimata, koji dolazi iz južnog Banata. Odlike ove klime su topla leta i relativno hladne zime. Blizina Đerdapske klisure i izloženost područja udarima košave, odražava se na mikroklimu. Na osnovu podataka sa klimatološke stanice Bradarac, srednja godišnja temperature vazduha iznosi +10,9°C, pri čemu je najhladniji mesec januar sa srednjom mesečnom temperaturom od -0,1°C, a najtopliji mesec juli sa srednjom mesečnom temperaturom od 21,2°C. Isparavanje je najintenzivnije u vegetacionom periodu i iznosi 76% godišnje, a u periodu jun-avgust 44,9%. Prosečna relativna vlažnost iznosi 66,7% pa se ovo područje ubraja u umereno vlažna. Prema vrednostima godišnjih opažanja kretanja i pravca vetrova može se zaključiti da je najveća učestalost severozapadnog vetra i košave, koja duva sa istoka- jugoistoka u proseku 100 dana godišnje. U zimskim mesecima najviše duva severozapadni vetar, a u julu jugoistočni. Izmerena maksimalna brzina vetra (košave) iznosi 28 m/s. Na osnovu višegodišnjeg osmatranja na najbližoj meteorološkoj stanici Bradarac, prosečne sume godišnjih padavina iznose 688,2 mm. Najkišovitiji je mesec jun sa prosečnom sumom padavina od 91,3 mm, a mesec sa najmanjom visinom padavina je oktobar sa prosekom od 43,7 mm. U toku proleća se izluči najveća količina padavina, prosečno 214 mm, a godišnje doba sa najmanjom količinom padavina je zima u proseku 134,6 mm. Apsolutno maksimalna visina padavina za analizirani period, zabeležena je u avgustu 1975. godine od 233,2 mm vodenog stuba. Prosečan broj kišnih dana u toku godine je 134 dana, što čini 36,75% od ukupnog broja dana u godini. Broj dana sa padavinama preko 1 mm vodenog stuba ima 92,2 dana godišnje, a sa padavinama preko 10 mm, 22 dana godišnje. Maksimalna dnevna visina padavina izmerena na kišomernoj stanici Bradarac je zabeležena 09.10.1963. godine, kada je palo 60,7 l/m . Pri proračunima i dimenzionisanju objekata odvodnjavanja u Glavnom rudarskom projektu [88], korišćene su vrednosti intenziteta padavina date od strane Republičkog hidrometeorološkog zavoda (Tabela 7.1). Tabela 7.1. Vrednosti intenziteta padavina U hidrološkom pogledu, najznačajniji odraz vodnom režimu analiziranog područja, daje reka Dunav obzirom da ima najniži lokalni erozioni bazis. Na osnovu podataka sa vodomerne stanice u Velikom Gradištu, konstatovan je minimalni proticaj Dunava od 1.880 m /s i maksimalni od 14.900 m /s. U sadašnjim uslovima nakon izgradnje HE Đerdap, vodostaji su uslovljeni režimom rada hidroelektrane. U Tabeli 7.2, prikazane su kote vodostaja Dunava na ušću Mlave u Dunav kod Kostolca, za proticaje na brani HE Đerdap od 20.000, 16.500, 10.000 i 5.600 m3/s. Veličina proticaja Mlave je najvećim delom uslovljena bujičnim karakterom njenih pritoka. Za vreme letnjih meseci sa malom visinom padavina, proticaji su često veoma mali, dok tokom jeseni i krajem zime nakon otapanja snega, proticaj reke Mlave se povećava izazivajući plavljenje forlanda i priobalnog terena. Maksimalni vodostaj se međutim zadržava relativno kratko (dan-dva) i nakon toga brzo stagnira. Proticaji reke Mlave su prikazani u Tabeli 7.3, i to na bazi dugogodišnjeg osmatranja na više mernih profilima. Maksimalni proticaji su zabeleženi u visini od oko 3 ... 3 200 m /s, a minimalni oko 0,7 m /s. Srednje godišnji proticaj Mlave na ušću je oko 12 3 m /s. Kao srednja vrednost vodostaja Mlave može se uzeti kota 71,03 m. Tabela 7.3. Proticaji reke Mlave Korito Dunavca (ogranak Dunava) nalazi se na Donjem Kostolačkom ostrvu i njegova dužina na potezu od ušća Mlave do Kličevca je oko 12 km. Korito Dunavca služi kao recipijent za drenirane vode iz sistema drenažnih kanala i ispumpanih voda iz površinskog kopa Drmno. Kota nivoa Dunavca je oko 67,03 m. Za zaštitu priobalja Dunava na Donjem kostolačkom ostrvu izgrađena je mreža kanala sa dve pumpne stanice (Zavojska i Rečica). Crpna stanica Zavojska radi sa nižim radnim nivoima u dovodnom kanalu u odnosu na Rečicu, i nivoi se održavaju automatski u granicama kota od 65,1 do 65,6 m. Kapacitet crpne stanice Zavojska 3. (2*2,35 m /s) je dovoljan za evakuaciju vode iz sistema drenažnih kanala, tako da se crpne stanice Rečica 1 i Rečica 2 sada uključuju samo prema ukazanoj potrebi. Nivo vode u dovodnom kanalu kod crpne stanice Rečica se registruje oko kote 66,4 m. Na kanalima ne postoje vodomerne letve i nivo podzemnih voda se registruje u dovodnim kanalima crpnih stanica. Tektonika ležišta Neogena serija u Kostolačkom ugljenom basenu karakteriše se niskom tektonskom poremećenošću i lokalna odstupanja od generalnog pada slojeva su posledica kosog naslojavanja pojedinih slojeva atektonskog porekla ili posledica tektonskog potanjanja delova paleoreljefa tokom formiranja ugljene serije. Veći tektonski poremećaji nisu evidentirani na širem području, osim što se pretpostavlja postojanje regionalnog raseda duž doline Velike Morave, kao i eventualno tektonski rov Dunava. Na istočnom obodu basena prema kristalastim škriljcima u jalovoj neogenoj seriji utvrđeno je postojanje dubokog aktivnog raseda pravca SZ-JI, za čiju se aktivnost vezuje obrazovanje debelih naslaga neogena. Sa druge strane, duž istočnog oboda Požarevačke grede, je pretpostavljen rased Carevac-Desine i Zatonje-V. Gradište. Ovaj sistem raseda sa relativno spuštenim krilima je formirao rov Mailovca u okviru koga se nalazi ležište Drmno nezahvaćeno tektonskim uticajima. Hidrogeološke karakteristike Na osnovu rezultata mnogobrojnih istraživanja, prema vrednostima parametara vodopropusnosti izvršena je klasifikacija stenskih masa na hidrogeološke kolektore i hidrogeološke izolatore. Hidrogeološki kolektori U stenske mase sa funkcijom hidrogeoloških kolektora ubrajaju se: kompleks aluvijalnih i jezerskih peskova i šljunkova, lesne naslage, kompleks većeg broja slojeva peskova u okviru pliocenskih sedimenata u krovini i podini III ugljenog sloja i dr. U okviru pomenutih hidrogeoloških kolektora egzistira više vodonosnih sredina koje su u zavisnosti od položaja hidrogeoloških izolatora međusobno hidraulički povezane ili izolovane. Na osnovu strukturnog tipa poroznosti generalno se mogu izdvojiti sledeći tipovi izdani: - zbijeni tip izdani formiran u tvorevinama holocena, - zbijeni tip izdani formiran u lesnim naslagama, - zbijeni tip izdani u šljunkovima i peskovima, - zbijeni tip izdani u peskovito prašinastim naslagama u krovini III ugljenog sloja, - zbijeni tip izdani u peskovito prašinastim naslagama u podini III ugljenog sloja. Zbijeni tip izdani u tvorevinama holocena. Ovaj tip izdani ima najveće rasprostranjenje u aluvijalnim tvorevinama koje su formirane duž površinskih tokova reke Dunava i Mlave. Pored toga, zbijeni tip izdani je formiran u eolskim peskovima i peskovitim proluvijalnim konusnim plavinama. Aluvijalne tvorevine izgrađuju šljunkovi i peskovi čija se debljina kreće u području toka Mlave od 2 do 4 m, dok je u aluvijalnoj ravni Dunava debljina šljunkovito- peskovitih naslaga od 1,3 do 13,3 m. U aluvijalnim nanosima u Donjem Kostolačkom ostrvu i Kličevačko-ramskom ritu idući odozdo, u sloju šljunka se povećava sadržaj peskovite frakcije te se u pojedinim lokalnostima šljunkovito-peskoviti sloj završava srednjezrnim i sitnozrnim peskovima. Iznad šljunkovito peskovitog sloja u aluvijalnoj ravni Dunava, zastupljene su glinovito-prašinaste naslage sa promenljivim sadržajem glinovite frakcije. Po granulometrijskom sastavu, to su najčešće prašine i prašinasti peskovi sa prelazima u peskovite i prašinaste gline. Veoma su česte vertikalne i bočne promene, pa se stiče utisak da se naslage sastoje od većih ili manjih sočiva pojedinih litoloških članova. Mestimično se javljaju veća ili manja sočiva prašinastih glina, debljine do 2 m. Ova sočiva glina su na različitim dubinama tako da se ne može govoriti o kontinualnom prostiranju. Osnovni hidrogeološki parametri aluvijalnih šljunkova i peskova, proračunati po empirijskim formulama koje baziraju na rezultatima granulometrijskih analiza uzoraka, nalaze se u sledećim granicama: koeficij ent filtracij e koeficijent vodoprovodnosti specifična izdašnost izdani Nivo podzemnih voda zbijene izdani u aluvijalnim naslagama, nalazi se na 2 do 3 m od površine terena. Aluvijalne naslage su u direktnoj hidrauličkoj vezi sa površinskim vodama reka Dunav i Mlave. Oscilacije vodostaja u ovim tokovima se sa jedne strane direktno odražavaju na oscilaciju nivoa izdani, ali sa druge strane nivo izdani je uslovljen i zadatim režimom odvodnjavanja površinskog kopa Drmno i uticaja drenažnog sistema (mreže drenažnih kanala sa crpnim stanicama) u priobalju Dunava. U aluvijalnim naslagama Dunava nivo podzemnih voda je na kotama od 66 do 65 m. Zbtjent ttp tzdant u lesntm naslagama. Zbog karakteristične crevaste poroznosti, u lesnim naslagama je formiran specifični tip zbijene izdani. Ova izdan je formirana u lesu koji izgrađuje najveći deo kostolačkog basena, kao i u tvorevinama deluvijalnih zastora izgrađenih od alevrita i peskova lesoidnog habitusa. U južnom delu površinskog kopa Drmno, sedimenti lesa imaju debljinu od 2-15 m, a severoistočno i istočno od kopa debljine su preko 30 m. Kote podine lesnih naslaga su u intervalu od +60 do +62,5 m. Po granulometrijskom sastavu, les u području ležišta uglja Drmno je izgrađen od fino peskovitih i glinovitih prašina sa 15 do 20% peska, 35 do 50% prašine i 5-15% gline. Poroznost lesa je u granicama 28-40%. Na osnovu empirijskih formula koje se zasnivaju na granulometrijskim analizama, sračunati su koeficijenti filtracije koji se nalaze u granicama Kf = 1,4*10-9- 2,7*10-5 m/s, a efektivna poroznost je ^ = 0,01. Koeficijent vertikalne filtracije za površinske partije lesa iznosi od Kf = 1,12*10-6 do 1,5*10-3 m/s. Uzevši u celini, lesni sedimenti imaju relativno slabu vodopropusnost. Usled odvodnjavanja površinskog kopa Drmno izdanske vode u lesnim naslagama su u užoj zoni oko površinskog kopa izdrenirane. Izdanske vode u lesnim naslagama su sa slobodnim nivoom i prihranjivanje se vrši isključivo na račun infiltracije od padavina. Zbtjent ttp izdani u šljunkovima i peskovima. Preko peskovitih sedimenata gornjeg ponta, zastupljena je završna serija ponta, izgrađena od šljunkovito-peskovitih sedimenata. Prosečna debljina šljunkovito-peskovitih naslaga je na prostoru lesne terase oko 4 m. U istočnom i jugoistočnom delu ležišta, zbog hipsometrijskog položaja ugljenog sloja, šljunkovito-peskovite naslage su nataložene neposredno preko III ugljenog sloja. Kote podine ovih naslaga su u intervalu od 53 do 55 m. Između šljunkovito-peskovitog hidrogeološkog kolektora i peskovitog hidrogeološkog kolektora ostvarena je dobra hidraulička veza. Tu konstataciju potvrđuju i podaci osmatranja nivoa podzemnih voda na dvostrukim pijezometrima koji se podudaraju. U zapadnom i severozapadnom delu eksploatacionog polja gde je razvijen II ugljeni sloj sa pratećim naslagama (alevriti i ugljevite gline i proslojci peska), isti predstavlja hidrogeološku barijeru između šljunkovito-peskovitog i peskovitog hidrogeološkog kolektora, tako da je u tom delu terena podzemna voda sa različitim hidrauličkim mehanizmom. Zbijena izdan koja je formirana u šljunkovitim i peskovitim sedimentima, u dobroj je hidrauličkoj vezi sa zbijenim izdanima formiranim u aluvijalnim sedimentima Dunava i Mlave. Nivo izdani je subarteski u prirodnim uslovima, dok je u uslovima odvodnjavanja u zoni oko površinskog kopa nivo izdani slobodan. Hidrogeološki parametri sedimenata, odnosno kolektorskih tvorevina u kojima je formirana ova izdan, su u sledećim granicama: - Koeficijent filtracije, K (m/s) - Koeficijent vodoprovodnosti, T (m2/s) - Specifična izdašnost, p. (-) U užoj zoni površinskog kopa Drmno radom drenažnih bunara šljunkovito peskovite naslage su uglavnom izdrenirane. Zbijeni tip izdani u peskovito prašinastim naslagama u krovini III ugljenog sloja. U neposrednoj krovini III ugljenog sloja stratifikovane su peskovite i prašinaste naslage. Peskovito-prašinaste naslage prateći pad ugljenog sloja, monoklino zaležu u pravcu severozapada gde dostižu debljinu i do 125 m. U pravcu severa se prostiru ispod Dunava i dalje prema Deliblatskoj peščari. U istočnom delu ležišta Drmno krovinski peskovi isklinjavaju. U području površinskog kopa Drmno, krovina peska je na kotama 52-54 m. U pogledu granulometrijskog sastava, uočeno je da postoji određena zakonomernost. U zoni isklinjenja, peskovi su sitnozrni do srednjezrni, u centralnom delu ležišta peskovi su sitnozrni, a u severozapadnom i severnom delu ležišta, u neposrednoj krovini III ugljenog sloja, javljaju se alevritski peskovi. U ovim tvorevinama je formiran zbijeni tip izdani sa subarteskim nivoom, koja je u direktnoj hidrauličnoj vezi sa izdani formiranoj u šljunkovitim sedimentima. Hidrogeološki parametri sedimenata ove izdani (dobijeni na osnovu rezultata granulometrijskih analiza) su u sledećim granicama: - Koefi cij ent filtracij e, Kf (m/s) - Koeficijent vodoprovodnosti, T (m /s) - Specifična izdašnost, p. (-) Zbijeni tip izdani u peskovito prašinastim naslagama u podini III ugljenog sloja. U podini trećeg ugljenog sloja u području rečne terase Mlave, zastupljen je prašinasto- peskoviti horizont, ograničenog prostiranja i debljine od 3 do 5 m, raslojen mestimično proslojcima sivo plavih glina. U hidrodinamičkom pogledu, radi se o subarteskoj zbijenoj izdani sa pritiscima od 5 do 8 bara. Hidrogeološki parametri ove izdani (dobijeni na osnovu rezultata granulometrijskih analiza) su u sledećim granicama: - Koeficijent filtracije, K (m/s) - Koeficijent vodoprovodnosti, T (m2/s) - Specifična izdašnost, p. (-) U aluvijalnoj ravni Dunava u podini III ugljenog sloja, prethodnim istražnim geološkim radovima utvrđeno je postojanje slojeva peska debljine 100 m, u kojima je formirana arteska izdan. Nedovoljno je poznavanje hidrogeoloških parametara podinskih peskova, veličine pritiska podzemnih voda i osnovnih geomehaničkih parametara stenskih masa koje se nalaze neposredno u podini III ugljenog sloja. Postojanje podinske izdani nameće potrebu za primenom tehničkih mera za rasterećenje pritiska, kako bi se obezbedio siguran rad u kopu i stabilnost budućeg unutrašnjeg odlagališta. Sa aspekta ovodnjenosti ležišta uglja Drmno, najznačajniji uticaj ima zbijeni tip izdani koji je formiran u peskovitom i šljunkovito-peskovitom kompleksu tvorevina ponta romana (Ph) i šljunkovito-peskovitim tvorevinama kvartara (Q). Ove izdani čine jedinstvenu hidrogeološku strukturu koja ima direktan uticaj na formiranje veličinu priliva rudničkih voda u radno područje površinskog kopa Drmno. Hidrogeološki izolatori U relativno vodonepropusne stenske mase ubrajaju se: barski les, gline prašinasto peskovite u aluvijalnoj ravni Mlave i Dunava, gline prašinaste u neposrednoj podini i krovini II i III ugljenog sloja kao i slojevi uglja (II i III ugljeni sloj). Treći ugljeni sloj može imati dvojnu hidrogeološku funkciju: funkciju hidrogeološkog kolektora i hidrogeološkog izolatora. Zahvaljujući sistemu prslina i pukotina u uglju je formiran pukotinski tip poroznosti i na profilu etaža iz ugljenog sloja se zapaža na mestima jače ispucalosti isticanje manjih količina podzemnih voda. Režim podzemnih voda Režim podzemnih voda na širem prostoru površinskog kopa Drmno, formira se pod uticajem sledećih faktora: - Površinskih tokova (Dunav, Mlava), koji su prirodne granice ležišta uglja Drmno i koji su sa rečnim rukavcem-Dunavcem glavni izvori prihranjivanja krovinske zbijene izdani, formirane u šljunkovito-peskovitim i peskovitim sedimentima; - Vertikalnog bilansa (infiltracija padavina, isparavanja, evapotranspiracije); - Podzemnog dotoka po konturama kopa, na kontaktu vodopropusnih i vodonepropusnih stenskih masa. Ovaj doticaj se formira na račun infiltriranih voda od padavina u širem području kopa i rečnih voda; - Intenzivnog odvodnj avanj a krovinskih naslaga uglj a drenažnim bunarima. Pod uticajem navedenih faktora, nivoi podzemnih voda osciluju na različitoj dubini od površine terena. Na osnovu osmatranja podzemnih voda u bunarima i pijezometrima u različitim vremenskim periodima i to u zoni površinskog kopa Drmno, nivo podzemnih voda se nalazi u krovinskom hidrogeološkom kolektoru izgrađenom od sitnozrnog peska na kotama od 30 do 55 m. Podzemne vode iz šljunkova (roman Pl3) su većinom izdrenirane i nivo podzemnih voda u šljunkovitom hidrogeološkom kolektoru se registruje isključivo u istočnom delu površinskog kopa. Nivoi podzemnih voda u pontskim peskovima, osciluju tokom vremena u zavisnosti od uticaja pojedinih faktora koji su već navedeni. U aluvionu Dunava režim izdani je pod uticajem hidromelioracionog sistema koji se sastoji od mreže kanala sa crpnim stanicama Rečica i Zavojska, uključujući i korito Dunavca. Slivovi crpnih stanica su međusobno povezani (veznim kanalom broj 6) tako da je u radu samo jedna crpna stanica. Glavni pravci doticaja podzemnih i površinskih voda ka površinskom kopu Drmno prikazani su na Slici 7.2, dok su na Slikama 7.3 i 7.4 prikazani hidrogeološki profili pravca zapad-istok i jug-sever sa pretpostavljenim pravcem kretanja podzemnih voda. Slika 7.2. Pravci doticaja podzemnih i površinskih voda ka površinskom kopu Drmno Slika 7.3. Hidrogeološki presek terena pružanja Z-I Slika 7.4. Hidrogeološki presek terena pružanja J-S Hemijski sastav podzemnih voda koje se na površinskom kopu Drmno dreniraju sistemom drenažnih bunara, karakteriše: mala mineralizacija (ispod 0,5 g/l), hidrokarbonati u anjonskom sastavu (do 95% ekv) i joni kalcijuma u katjonskom sastavu (do 81% ekv). Takođe je utvrđeno da su: radioaktivno zračenje (alfa i beta), sadržaj fenolnih materija i sadržaj mineralnih ulja ispod MDK. Vrednost pH je u opsegu 7,1 do 7,8. Elektroprovodljivost vode je od 618 do 1211 ^S. Od glavnih komponenti kalcijum je u opsegu od 32,31 do 96,08 mg/l, magnezijum od 20,4 do 55 mg/l, natrijum od 7,5 do 32 mg/l, kalijum od 0,7 do 2 mg/l, sulfat jon od 28 do 70 mg/l i hloridi od 5,4 do 20,8 mg /l. Na većini baraža bunara konstatovan je visok sadržaj mangana u dijapazonu od 0,13 mg/l do 0,61 mg/l. Sadržaj gvožđa je u granicama 0,03 mg/l do 0,83 mg/l a samo na dva bunara se javlja koncentracija gvožđa veća od maksimalno dozvoljene (0,3 mg/l). Jedino na baraži bunara LC IX sadržaj gvožđa i mangana je niži od 0,03 mg/l. Geomehanički parametri Pregled relevantnih podataka za analizu stabilnosti za šest izdvojenih kvazihomogenih zona dat je u Tabeli 7.4. Tabela 7.4. Vrednosti geomehaničkih parametara 7.1.2. Rudarsko-tehnološki faktori Projektovani godišnji kapacitet površinskog kopa Drmno, prema važećoj dokumentaciji [87], iznosi 9*106 t uglja. Stanje radova i granica površinskog kopa Drmno na kraju 2010. godine prikazani su na Slici 7.5. Slika 7.5. Stanje radova i granicapovršinskog kopa Drmno na kraju 2010. godine Eksploatacija otkrivke i uglja na površinskom kopu Drmno obavlja se sa kontinualnim sistemima. Otkrivka se odlaže na unutrašnje odlagalište, dok se ugalj transportuje do postrojenja za pripremu uglja i po potrebi na deponiju uglja. Za godišnju proizvodnju uglja od 9 miliona tona na površinskom kopu Drmno angažovano je 5 BTO sistema na otkrivci, 1 BTO sistem na skidanju humusa za potrebe rekultivacije unutrašnjeg odlagališta (Slika 7.6) i dva BTD sistema na eksploataciji uglja (Slika 7.7). Slika 7.6. Raspored BTO sistema na otkrivci Otkopavanje otkrivke vrši se kontinualnim sistemom eksploatacije, odnosno sistemima BTO (rotorni bager ili vedričar, transporteri sa trakom, odlagač). Na otkopavanju otkrivke radi 6 BTO sistema sa ukupno 8 bagera (7 rotornih bagera i jedan vedričar), dok na odlaganju otkrivke radi 6 odlagača. Redosled sistema na otkrivci je označen tako da se prvi BTO sistem nalazi na krovini uglja, a zatim redom do nivelete terena (Slika 7.6). Otkopavanje uglja vrši se sa dva BTD sistema (rotorni bager ili vedričar, transporteri sa trakom, drobilično postrojenje), sa zajedničkim izvoznim transporterima do lokacije raspodelnog bunkera. Prvi BTD sistem (rotorni bager SRs 1300) otkopava dužinom celog fronta u visinskom radu, dok II BTD sistem (bager SRs 470 u tandemu sa samohodnim transporterom BRs 2400 u visinskom radu i bager vedričar ERs 710 u dubinskom radu) otkopava do polovine fronta. Neposrednu podinu ugljenog sloja duž celog fronta otkopava bager vedričar (Slika 7.7). Slika 7.7. Sistem na otkopavanju uglja Oba sistema utovaraju ugalj na zbirni transporter koji transportuje ugalj u postrojenje za pripremu uglja. Vertikalna podela površinskog kopa na etaže izvršena je na osnovu tehničko- tehnoloških mogućnosti izabrane osnovne opreme, projektovanih kapaciteta bagera, geomehaničkih parametara radne sredine i veka eksploatacije površinskog kopa Drmno. Maksimalna debljina uglja je 25 m u centralnom i zapadnom delu, a maksimalna debljina otkrivke u zapadnom delu kopa iznosi oko i40 m, tako da je vertikalna podela kopa i raspored BTO i BTD sistema izvršen tako da se ove visine uspešno mogu otkopavati sa raspoloživom opremom. Potrebni godišnji kapaciteti bagera na otkrivci iznosi 43,5*i06 m3. Položaj i debljina ugljenog sloja uslovili su projektovanje dve etaže na uglju. Raspodela ugljenog sloja na etaže je izvršena na osnovu prostornog položaja ugljenog sloja i kapaciteta bagera koji su projektovani da rade na uglju. Rudarsko-geološki uslovi diktirali su kose etaže na uglju. Projektovane su dve etaže, prva visinska na kojoj radi bager SRs 1300*26/5 i ista se prostire na čitavoj širini fronta od istočne do zapadne granice kopa. Uzdužni i poprečni nagibi etaža ne prelaze dozvoljene granice pada od 3%. 7.2. Opis postojećeg sistema odvodnjavanja podzemnih voda Sistem zaštite od podzemnih voda na površinskom kopu Drmno je kombinovanog tipa, odnosno sastoji se iz drenažnih bunara, vodonepropusnog ekrana, etažnih kanala, vodosabirnika i pumpnih stanica. Osnovu čine baraže bunara koje su postavljene po konturama eksploatacionog polja. Na jugu je urađen vodonepropusni ekran u dužini od oko 2.625 m. Bunari dreniraju sve vodonosne horizonte u povlati III ugljenog sloja sa zadatkom obaranja nivoa podzemnih voda, tako da visina procurivanja vode bude maksimalno i m od povlate uglja u profilu otkopavanja. Bunari su postavljeni po grupama linija A, B i C (Slika 7.8). Baraža A se nalazi na jugoistoku (ŠLA), baraže B su locirane na zapadu i severozapadu (LB-II, LB-III, LB-IV, LB-V i LB-V"), dok su baraže C locirane na severoistoku (LC-IV, LC-V, LC-VII, LC-VIII', LC-IX', LC-XI i LC-XII). Baraže bunara A i B su po obodu površinskog kopa i stalne su, dok su baraže C upravne na pravac napredovanja fronta radova i privremenog su karaktera. Baraže bunara se sastoje iz jedne ili dve linije. Rastojanje između baraža C linija iznosi oko 500 m, dok rastojanja između dve linije u baraži bunara iznosi oko 50 m. Bunari u liniji su udaljeni jedan od drugog od 70 do i50 m. Slika 7.8. Stanje sistema zaštite od podzemnih voda na kraju 2010. godine Dubine bunara se kreću od 32 do 145 m, u zavisnosti od lokacije. Dubine rastu idući prema severozapadu. Svi bunari su rađeni kao savršeni, do dubine od 6 do 10 m u III ugljenom sloju. Ispumpavanje vode iz bunara se vrši dubinskim potapajućim pumpama preko potisnih cevovoda do magistralnog cevovoda, odakle gravitaciono otiče do reke Mlave na zapadu i prema severozapadu do kanala rashladne vode TE Drmno. Ispumpana voda se iz bunara transportuje potisnim cevovodima do šahti na odvodnim cevovodima (Slika 7.9) ili direktno u odvodne cevovode (Slika 7.i0). Slika 7.9. Uliv potisnih cevovoda u šaht Slika 7.10. Uliv potisnog cevovoda u odvodni cevovod Ispumpane vode iz sistema zaštite površinskog kopa Drmno od podzemnih i površinskih voda odvode se van područja površinskog kopa, stacionarnim magistralnim odvodnim linijama do reke Mlave i do rukavca Dunava-Dunavca. U reku Mlavu se ispumpane vode ispuštaju na dva mesta: zapadno od eksploatacionog polja preko glavne odvodne linije GOL-i i jugozapadno od eksploatacionog polja, cevovodom pored prelivne pumpne stanice. Na prvom ulivnom punktu voda se ne ispušta direktno u Mlavu već se iz glavne odvodne linije GOL-i uvodi u kanal-bazen rashladne vode termoelektrane Drmno (Slika 7.ii). Glavnom odvodnom linijom GOL-i se odvodi voda gravitaciono prikupljena iz baraža bunara, sledećim odvodnim linijama: OLC-VIII', OLC-VII, OLC-V, OLB-V'' i OLB-V, kao i površinske vode ispumpane iz područja radne figure kopa. Sistem glavne odvodne linije GOL-1 čine dva cevovoda prečnika 1000 i 1200 mm sa padom od 0,5%, kojim se dovodi ispumpana voda preko šahte GOŠ-i do bazena. .3 Maksimalna količina vode koja se može propustiti kroz GOL-i je 2 m /s. Na drugom ulivnom punktu u reku Mlavu, ispuštaju se ispumpane vode iz baraža izgrađenih duž jugozapadne strane površinskog kopa Drmno (baraže LB-II, LB-III, LC4, LB-IV). Slika 7.11. Uliv linije GOL-1 u retenzioni bazen rashladne vode TE Drmno Iz bunara baraže LB-II voda se gravitacionim odvodnim cevovodom OLJ-2 prečnika 700 mm odvodi do sabirne šahte na prelivnoj pumpnoj stanici. Iz bunara baraža LB-III, LC-4 i LB-IV voda se gravitacionim cevovodom OLJ-1 odvodi, takođe do sabirne šahte na prelivnoj pumpnoj stanici. Cevovod OLJ-1 počinje prečnikom 350 mm, a završava se prečnikom 900 mm. Od prelivne pumpne stanice cevi se spajaju na jedan zajednički cevovod prečnika 1400 mm koji je montiran sve do forlanda rečnog korita (Slika 7.12). Voda se magistralnim cevovodom sprovodi do reke Mlave gravitaciono sve dok je vodostaj Mlave na koti od 70,7 m. Kada nivo Mlave poraste iznad ove kote, voda iz magistralnog cevovoda se zatvaranjem ventila usmerava ka vodosabirniku izgrađenom blizu prelivne pumpne stanice. Slika 7.12. Prelivna pumpna stanica i odvodni čelični cevovod 01400 mm Na pumpnoj stanici su instalirane dve pumpe snage motora od po 90 kW i kapaciteta od po 750 l/s. Aktiviranjem pumpi na prelivnoj pumpnoj stanici, voda se pod pritiskom odvodi u reku Mlavu. Od mesta ispusta vode (završetka čeličnog cevovoda prečnika 1400 mm) pa do uliva u korito reke, izgrađena je izlivna građevina koju čini betonirani kanal trapeznog poprečnog preseka. Kroz ovu izlivnu građevinu u reku Mlavu se evakuiše ispumpana voda u količini od 180 l/s. Odvodna linija ŠLA urađena na istočnoj strani površinskog kopa Drmno prihvata vode iz bunara baraže ŠLA (od ŠLA-1 do ŠLA-61). Voda iz bunara ŠLA-62 do ŠLA-68 sprovodiće se delom cevovoda ŠLA pod pritiskom do šahte na početku odvodnog cevovoda OLC-XII. Voda iz pomenute šahte će se koristiti i za potrebe buldozerske radionice. U Dunavac se odvodnom linijom GOL-2 cevima prečnika 1500 mm ispumpana voda iz baraža LC-IX, LB-V, LC-XII i zamenskih bunara, dovodi do desne obale Dunavca i preko izlivne betonske građevine uliva u Dunavac. Dužina cevi je oko 1.08 km. Linija GOL-2 je projektovana za proticaje od i,i00 l/s. Napredovanjem površinskog kopa prema severu i izgradnjom novih baraža bunara, odvodni cevovod (GOL-2) služiće kao sabirni cevovod za sve ispumpane vode. Magistralne odvodne linije izrađene su od polietilenskih, poliesterskih, čeličnih cevi i cevi od epoksidnih smola (Slika 7.13) različitih prečnika i sa određenim brojem ulivnih šahti. Slika 7.13. Odvodni gravitacioni cevovod OLC-XII Za zaštitu unutrašnjeg odlagališta od podzemnih voda služe bunari baraža LB-II i LB-III na jugozapadu, ekrana na jugu i jugoistoku i bunara ŠLA na istoku. Njihov zadatak je da spreče priliv vode iz aluvijalnih naslaga reke Mlave u odložene mase na unutrašnjem odlagalištu. 7.3. Hidrodinamički proračun sniženja nivoa podzemnih voda Program na kome je rađena simulacija strujanja podzemnih voda na površinskom kopu Drmno je Groundwater Vistas verzija 5.36b, koji se svrstava u sam svetski vrh programa ove vrste. Ovaj program je proizvod firme Environmental Simulations International, Ltd. i baziran je na principima hidrodinamičkog modeliranja datim u poglavlju 5.2.4. Modeliranje podzemnih voda. Ovo je grafički orijentisan program u Windows okruženju za 3D analizu i simulaciju strujanja podzemnih voda i transport materije. Radi se o vrhunskom programu za ove svrhe što potvrđuje i činjenica da ga Engleska agencija za zaštitu životne sredine koristi kao standardni program u svojim delatnostima. Prikaz matrica geometrijskih karakteristika terena, filtracionih karakteristika i graničnih uslova, dat je izuzetno. Ovde treba napomenuti, da ne postoje ograničenja u broju diskretizovanih polja modela, kakve imaju neki programi ove namene. Podržan je i prikaz profila terena, po kolonama i redovima diskretizacije modela. Ono što je dodatno zanimljivo kod ovog programa, jeste i odlično grafičko predstavljanje rezultata izvedenih proračuna. Raspored pijezometarskih nivoa, raspored depresija, koncentracija materija, brzine i proticaji prezentuju se izolinijama i/ili bojama, gde boja i njen intenzitet zavise od vrednosti pomenutih parametara. Takođe, podržan je prikaz vektora brzina u normalnoj ili u logaritamskoj raspodeli, bilo u planu, bilo u profilu. Po pitanju analize elemenata bilansa izdanskih voda, pored čisto numeričkog prikaza, podržan je i njihov grafički prikaz u vidu odgovarajućih dijagrama. Posebna pažnja je posvećena procesu kalibracije i njenoj analizi. Sa tim u vezi, obezbeđena je automatska analiza osetljivosti parametara koji su menjani tokom izvođenja proračuna. Program se dalje karakteriše veoma bitnom mogućnošću stvaranja tzv. submodela, odnosno upotrebom procesa pod nazivom Telescopic Mesh Refinement, kojim je omogućeno lako i precizno formiranje detaljnijih modela iz već postojećeg. 7.4. Hidrodinamički model ležišta Drmno Hidrodinamički proračuni za potrebe dimenzionisanja broja bunara, njihovog međusobnog rastojanja i pojedinačnih kapaciteta, kao i za prognozu efekata rada sistema odbrane od podzemnih voda realizovani su na hidrodinamičkom modelu režima podzemnih voda šire zone ležišta uglja Drmno. Hidrodinamički model površinskog kopa Drmno je koncipiran i izrađen kao višeslojeviti model, sa ukupno šest slojeva, posmatrano u vertikalnom profilu. Svaki od ovih slojeva odgovara određenom realnom sloju, šematizovanom i izdvojenom na osnovu poznavanja terena i rezultata sprovedenih analiza obimnih terenskih istražnih radova. Posmatrano od površine terena, korespondentni slojevi modela i terena su: Podinu petog, ili šestog sloja (kako gde), čini III ugljeni sloj, koji po svom hidrogeološkom i hidrauličkom mehanizmu predstavlja izolator, odnosno graničnu strujnu površ. Područje obuhvaćeno modelom ima dimenzije 6.720*10.320 metara. Model se sastoji od 6 šematizovanih slojeva, sa ukupno 726.461 aktivnih ćelija. Diskretizacija strujne oblasti je sa poljima, dimenzija od 10*10 do 80*80 m. Manja polja su u zonama od većeg interesa (baraže bunara), dok su veća na udaljenijim delovima terena. Kretanje podzemnih voda je na modelu računato i simulirano kao realno kretanje pod pritiskom, ili sa slobodnim nivoom, u svakom polju diskretizacije pojedinačno, pri čemu su uslovi izdanskog toka tokom vremena na modelu menjani u skladu sa realnim uslovima. Za izradu, odnosno rekalibraciju hidrodinamičkog modela površinskog kopa Drmno korišćeni su podaci o osmatranju režima podzemnih voda i radu drenažnih bunara u periodu novembar 2010. - april 2011. godine [92], vodostaji Dunava, Mlave, Dunavca i kanalske mreže između Dunava i Dunavca, kao i podaci o padavinama pribavljeni su od Republičkog hidrometeorološkog zavoda Srbije. U analizi prikupljenih podataka vezanih za rad drenažnog sistema može se zaključiti da znatan broj bunara nije u funkciji, da znatan broj bunara ne radi kontinualno, da su kapaciteti pojedinih drenažnih linija veoma mali, i da se kasni sa izradom i aktiviranjem drenažnih linija. Ovo je prouzrokovalo nedovoljno obaranje nivoa podzemnih voda, te je došlo do povećanja ovodnjenosti ležišta uglja, u prvom redu na zapadu i severu ispred fronta napredovanja rudarskih radova. 7.4.1. Rekalibracija hidrodinamičkog modela Na modelu formiranom 1999. godine (Pušić, Polomčić), u više navrata je vršena rekalibracija (2005., 2006., 2007., 2008., 2009. i 2010. godine), a u skladu sa napredovanjem rudarskih radova, novim rezultatima geoloških istraživanja i novim podacima osmatranja režima podzemnih voda, kao i nastalim potrebama za primenom postojećeg matematičkog modela. U prve dve rekalibracije modela izvršene su nešto veće promene po pitanju distribucije zona hidrogeoloških parametara i njihovih vrednosti (koeficijenata filtracije i specifične izdašnosti izdani) u odnosu na prvobitni model. Takođe, u određenim delovima modela, izvršene su korekcije kota zaleganja pojedinih slojeva, a prema novijim rezultatima izvedenih geoloških i hidrogeoloških istražnih radova. U trećoj rekalibraciji modela izvedene su manje intervencije na promenama lokalnih vrednosti koeficijenata filtracije u šljunkovitom i peskovitom vodonosnom sloju. Rekalibracija modela iz 2008. godine izvedena je za potrebe izrade Glavnog rudarskog projekta. Tom prilikom, postojeći model je proširen na jug, južno od postojećeg vodonepropusnog ekrana i na sever do Dunava. Povećano je područje oko ležišta uglja obuhvaćenog modelom (od dimenzija modela 6.720*5.550 m iz 1999. godine do 6.720*10.320 m u 2008. godini) kao i u diskretizacija strujne oblasti, što je dovelo do povećanja broja modelskih ćelija (od 80.851 u 1999. do 726.461 aktivnih ćelija u 2008. godini). Tokom 2009. i 2010. godine izvedene su još dve rekalibracije modela, ovaj put u postojećim granicama područja obuhvaćenog modelom iz 2008. godine, ali sa novim konturama kopa i novim podacima o radu drenažnog sistema, registrovanim pijezometarskim nivoima i novim podacima vezanim za padavine i vodostaje površinskih tokova. Za potrebe analize uticaja vodonepropusnog ekrana na Deonici 1 2011. godine, model je morao ponovo da se rekalibriše. Hidrodinamički proračuni su realizovani u nestacionarnom režimu strujanja. Period obuhvaćenom rekalibracijom modela odgovara periodu režimskih osmatranja na površinskom kopu Drmno (novembar 2010. - april 2011. godine). Osnovni proračunski korak je bio jedan dan, koji je na nižem nivou iteracija podeljen da 10 delova, nejednakog trajanja (faktor 1.2). Na Slici 7.14, prikazan je raspored pijezometarskih nivoa u peskovitom vodonosnom sloju u povlati III ugljenog sloja, dobijen simulacijom režima podzemnih voda sa stanjem koje je vladalo na kraju perioda rekalibracije modela - april 2011. godine. Slika 7.14. Prikaz rasporeda pijezometarskog nivoa oko površinskog kopa Drmno na krajuperioda za koji je vršena rekalibracija modela (april 2011. godine) U cilju ocene kvaliteta izvedene rekalibracije hidrodinamičkog modela površinskog kopa Drmno izvršena je statistička analiza rezultata simulacije režima podzemnih voda. U Tabeli 7.5, prikazani su osnovni statistički pokazatelji vezani za reziduale, odnosno razlike registrovani i proračunatih vrednosti pijezometarskih nivoa u ukupno 179 osmatračka objekta, dok su na Slici 7.15 prikazane vrednosti reziduala. Prikazani statistički pokazatelji ukazuju na veoma dobru usaglašenost registrovanih i proračunatih vrednosti pijezometarskog nivoa u osmatračkim objektima. Tabela 7.5. Prikaz statističkih pokazatelja reziduala razlike registrovanih i proračunatih vrednosti pijezometarskog nivoa) Slika 7.15. Prikaz vrednosti reziduala na kraju vremenskogperioda za koji je model rekalibrisan 7.5. Prognozni proračuni - postavka U skladu sa usvojenom dinamikom razvoja površinskog kopa Drmno [87], definisane su konture fronta napredovanja kopa u celini, u karakterističnim vremenskim presecima. U varijantnim proračunima analizirane su dve varijante sistema odbrane kopa od podzemnih voda: - Varijanta 1 - odbrana kopa drenažnim bunarima, i - Varijanta 2 - kombinovani sistem odbrane kopa vodonepropusnim ekranom i drenažnim bunarima. Za obe varijante, kao postojeće stanje uzeto je stanje rudarskih radova na kraju 2012. godine, a rezultati prognoznih proračuna su dati za tri vremenska preseka. Varijanta 1 - odbrana kopa drenažnim bunarima U Varijanti 1 drenažni bunari se zadaju duž baraža bunara paralelno frontu napredovanja kopa. Bunari dreniraju i šljunak i pesak u povlati glavnog ugljenog sloja. Dinamika izrade bunara do kraja 2020. godine data je u Tabeli 7.6. dok je stanje radova na kraju 2020. godine prikazano na Slici 7.16. Tabela 7.6. Dinamika izrade bunara do 2020. godine - Varijanta 1 Slika 7.16. Stanje radova na kraju 2020. Godine - Varijanta 1 Tabela 7.7. Kapaciteti ŠLA bunara (Varijanta 1, kraj 2020.) Tabela 7.8 Kapaciteti LC-XIV bunara (Varijanta 1, kraj 2020.) Tabela 7.10. Kapaciteti LC-XV bunara (Varijanta 1, kraj 2020.) Tabela 7.11. Kapaciteti LC-XVI bunara (Varijanta 1, kraj 2020.) Dinamika izrade bunara kada nema ekrana do 2027. godine data je u Tabeli 7.12. Baraža bunara LC-XVII je udaljena od baraže LC-XVI za 400 m, kao i LC-XVIII od LC-XVII. Stanje radova na kraju 2027. godine prikazani su na Slici 7.17. Tabela 7.12. Dinamika izrade bunara do 2027. godine - Varijanta 1 Slika 7.17. Stanje radova na kraju 2027. godine - Varijanta 1 Kapaciteti ovih bunara dati su u Tabelama 7.13 do 7.16. Tabela 7.13. Kapacitetii SLA bunara (Varijanta 1, kraj 2027.) Tabela 7.15. Kapaciteti LC-XVII bunara (Varijanta 1, kraj 2027.) Dinamika izrade bunara do 2038. godine data je u Tabeli 7.17. Svi bunari dreniraju i šljunak i pesak. Stanje radova na kraju 2038. godine prikazano je na Slici 7.18. Kapaciteti ovih bunara dati su u Tabelama 7.18 do 7.23. Tabela 7.17. Dinamika izrade bunara do 2038. godine - Varijanta 1 Slika 7.18. Stanje radova na kraju 2038. godine - Varijanta 1 Tabela 7.18. Kapaciteti SLA bunara (Varijanta 1, kraj 2038.) Tabela 7.20. Kapaciteti LC-XIX bunara (Varijanta 1, kraj 2038.) Tabela 7.21. Kapaciteti LC-XX bunara (Varijanta 1, kraj 2038.) Tabela 7.22. Kapaciteti LC-XXI bunara (Varijanta 1, kraj 2038.) Tabela 7.23. Kapaciteti LC-XXII bunara (Varijanta 1, kraj 2038.) Varijanta 2 - odbrana kopa kombinovanim sistemom Ova varijanta zaštite kopa od podzemnih voda podrazumeva postojanje vodonepropusnog ekrana i drenažnih bunara. U Varijanti 2 zapadnu, severnu i istočnu granicu kopa (do kraja eksploatacije) okonturuje vodonepropusni ekran dubine do drugog ugljenog sloja, odnosno vodonepropusnih glina. Ekran počinje sa izradom 2013. godine, a završava se na kraju 2017. godine (Slika 7.19). Slika 7.19. Izrada ekrana po godinama Dinamika izrade bunara i ekrana do kraja 2020. godine data je u Tabeli 7.24. Svi bunari dreniraju i šljunak i pesak, izuzev bunara LBE-53 do LBE-109 koji će drenirati samo pesak. Stanje radova na kraju 2020. godine u Varijanti 2 prikazano je na Slici 7.20. Kapaciteti bunara dati su u Tabelama 7.25 do 7.29. Tabela 7.24. Dinamika izrade bunara i ekrana do 2020. godine - Varijanta 2 Slika 7.20. Stanje radova na kraju 2020. godine - Varijanta 2 Tabela 7.26. Kapaciteti ŠLA bunara (Varijanta 2, kraj 2020.) Tabela 7.27. Kapaciteti LEB bunara (Varijanta 2, kraj 2020.) Tabela 7.28. Kapaciteti LC-XV bunara (Varijanta 2, kraj 2020.) Tabela 7.29. Kapaciteti LC-XVI bunara (varijanta 2, kraj 2020.) Dinamika izrade bunara do 2027. godine data je u Tabeli 7.30. Bunari ovih linija dreniraju samo pesak u povlati trećeg ugljenog sloja. Stanje radova u Varijanti 2 na kraju 2027. godine prikazano je na Slici 7.21. Kapaciteti ovih bunara dati su u Tabelama 7.31 i 7.32. Slika 7.21. Stanje radova na kraju 2027. godine - Varijanta 2 Tabela 7.31. Kapaciteti LC-XVII bunara (Varijanta 2, kraj 2027.) Tabela 7.30. Dinamika izrade bunara do 2027. godine Tabela 7.32. Kapaciteti LC-XVIII bunara (Varijanta 2, kraj 2027.) Dinamika izrade bunara do 2038. godine data je u Tabeli 7.33. Bunari ovih baraža će drenirati samo peskove. Kapaciteti ovih bunara dati su u Tabelama 7.34 i 7.35. Tabela 7.33. Dinamika izrade bunara do 2038. godine Slika 7.22. Stanje radova na kraju 2038. godine - Varijanta 2 Tabela 7.34. Kapaciteti LC-XIX bunara (Varijanta 2, kraj 2038.) U prognoznim proračunima proticaji bunara na površinskom kopu su zadavani, imajući u vidu nekoliko kriterijuma i ograničenja: - Rad drenažnih bunara je simuliran u kontinuiranom radu u trajanju od jedne godine za svaki vremenski presek (01.01. - 31.12.). - Početni kapaciteti bunara ne smeju da budu preveliki, jer se ne postiže željeni efekat odvodnjavanja i pored naglog sniženja nivoa u bunaru, u njegovoj okolini se ne formira odgovarajuća depresija. Ovo je posledica filtracionih i granulometrijskih karakteristika porozne sredine povlatnih (peskovitih) sedimenata uglja. - Paralelno sa postepenim oceđivanjem i opadanjem nivoa podzemnih voda duž baraža, proticaji bunara se smanjuju na odgovarajući način. Potrebno je ostvariti balans između proticaja bunara i sniženja nivoa, kako u njemu i njegovoj neposrednoj okolini, tako i u široj zoni svake od baraža. - Bunari duž obodnih baraža trajno ostaju u pogonu. Njihovi kapaciteti se donekle smanjuju tokom vremena, ali sporije nego kapaciteti bunara u okviru zone otkopavanja otkrivke. Hidrodinamički proračuni su realizovani u nestacionarnom režimu strujanja za određeni vremenski presek u trajanju od jedne godine, pri čemu je osnovni proračunski korak je bio mesec dana, koji je na nižem nivou iteracija podeljen da 10 delova, nejednakog trajanja (faktor 1,2) 7.6. Rezultati prognoznih proračuna U sprovedenoj hidrodinamičkoj analizi zaštite kopa od podzemnih voda obrađene su dve varijante, a rezultati proračuna prognoze odvodnjavanja površinskog kopa Drmno su interpretirani i prikazani na sledeći način: - Za prikaz rezultata proračuna usvojena su tri karakteristična vremenska preseka i to: kraj 2020., kraj 2027. i kraj 2038. godine (za svaku varijantu); - Pijezometarski nivoi u peskovitim sedimentima u povlati III ugljenog sloja dobijeni proračunima, prikazani su u obliku karata hidroizohipsi koje su date sa ekvidistancom od 5 m, za svaku varijantu i svaki vremenski presek; - Bilans podzemnih voda dat je preko bilansa baražnih linija ispred konture napredovanja kopa, i preko bilansa pojedinačnih bunara u okviru ovih baraža. Na Slikama od 7.23 do 7.28, prikazane su karte rasporeda pijezometarskog nivoa u peskovitom vodonosnom sloju u povlati III ugljenog sloja, za odabrane vremenske preseke. Slika 7.23. Rasporedpijezometarskog nivoa upeskovima iznad III ugljenog sloja (kraj 2020. godine) - Varijanta 1 Slika 7.24. Rasporedpijezometarskognivoa upeskovima iznad III ugljenog sloja (kraj 2020. godine) - Varijanta 2 Slika 7.23. Rasporedpijezometarskog nivoa upeskovima iznad III ugljenog sloja (kraj 2020. godine) - Varijanta 1 Slika 7.26. Rasporedpijezometarskog nivoa u peskovima iznad IIIugljenogsloja (kraj 2027. godine) - Varijanta 2 Slika 7.23. Rasporedpijezometarskog nivoa upeskovima iznad III ugljenog sloja (kraj 2020. godine) - Varijanta 1 Slika 7.28. Rasporedpijezometarskog nivoa u peskovima iznad III ugljenog sloja (kraj 2038. godine) - Varijanta 2 Neophodno je dati objašnjenje, vezano za pravilno tumačenje rezultata proračuna, koji se odnose na rad drenažnih bunara. Bunari su u modelu zadavani preko svojih proticaja. Pijezometarski nivoi u poljima sa zadatim proticajima (bunarima) nikako ne mogu biti i realni u bunarima, iz dva razloga. Prvi i osnovni je taj, što se ni približno ne znaju hidrauličke karakteristike projektovanih bunara i njihove prifiltarske zone. Analogija sa postojećim bunarima nije mogla biti izvedena zbog nedostatka odgovarajućih podataka. Drugi razlog je na određeni način posledica prvog, a to je da su bunari reprezentovani sa poljima diskretizacije dimenzija 10*10 m. Dakle, pijezometarski nivoi u poljima sa zadatim bunarskim proticajima su u stvari reprezentativni nivoi u ovim poljima. Inače, svaki bunar je postavljen u posebnom polju diskretizacije, a maksimalna greška u postavci njegove lokacije (koordinatama) je do ± ~5 m. Od suštinskog značaja za pravilno planiranje i projektovanje bunarskog sistema jeste definisanje kriterijuma njegovog racionalnog rada, kao što su: početni kapaciteti, željena brzina opadanja nivoa, referentni nivoi prelaska većeg proticaja na manji, veličina novih, manjih proticaja, referentni nivoi minimalnog kapaciteta, itd. Da bi se pomenuti kriterijumi definisali, neophodno je da se raspolaže sa odgovarajućim podlogama, podacima o filtracionim karakteristikama sredine, posebno u užoj zoni budućih baraža, hidrauličkim karakteristikama projektovanih bunara, podacima o procesima starenja postojećih bunara, podacima o projektovanoj (i što je još važnije raspoloživoj) opremi, itd. Sa prikazanih karata rasporeda pijezometarskih nivoa se može zaključiti da se u povlatnim peskovima trećeg ugljenog sloja uočava značajan efekat rada drenažnog sistema u obe varijante. Evidentna je razlika između strujne slike podzemnih voda unutar krajnjih kontura drenažnog sistema i područja izvan ove konture. Usled intenzivnog rada bunarskog sistema, unutar kontura drenažnog sistema dolazi do znatnog obaranja pijezometarskog nivoa podzemnih voda u povlatnim peskovima. Za prvi vremenski presek (kraj 2020. godine), po Varijanti 2 ostvareno je nešto veće obaranje nivoa podzemnih voda, kako ispred fronta napredovanja kopa, tako i u zapadnom delu baraže LC-XV, gde je ostvareno 5-10 m veće sniženje u odnosu na Varijantu 1. Za drugi vremenski presek (kraj 2027. godine), ostvareno je gotovo identično obaranje nivoa podzemnih voda ispred kopa, dok je po Varijanti 2 unutar područja obuhvaćenog ekranom na širem prostoru oboren nivo podzemnih voda i do 10 m više nego po Varijanti 1. Na kraju prognoznih proračuna, na kraju 2038. godine, neposredno ispred konture ostvareno je veće obaranja nivoa podzemnih voda u Varijanti 2, dok je po Varijanti 1 ostvareno veće obaranje nivoa podzemnih voda u neposrednom priobalju Dunava. U Tabeli 7.36 su prikazane uporedne vrednosti broja bunara, ukupnih kapaciteta novih bunara i njihove prosečne vrednosti za obe varijante i za sva tri vremenska preseka. Bunari drenažnih linija ŠLA, ZLB, LEB i LC-XVI su prikazani samo pri prvom pojavljivanju. Izuzev bunara linije LC-XVI koji se pojavljuju i u drugom vremenskom preseku, ostali bunari koji se nalaze u obodnim baražama ostaju u funkciji i u poslednjem vremenskom preseku. Tabela 7.36. Uporedni prikaz broja bunara po varijantama odbrane kopa od podzemnih voda, ukupnog kapaciteta drenažnih bunara i prosečnog kapaciteta bunara Iz Tabele 7.36 može se zaključiti sledeće: - U Varijanti 1 izrađuje se 460 bunara više nego u Varijanti 2 gde, pored manjeg broja drenažnih bunara postoji i vodonepropusni ekran. - Na kraju 2020. godine (prvi analizirani presek rada drenažnog sistema) broj novoizvedenih bunara je identičan sa približno istim ukupnim kapacitetom ovih bunara, pri čemu u Varijanti 2 svih 110 bunara drenažne linije LEB ostaju u funkciji do kraja rada kopa. - U drugom vremenskom preseku, u Varijanti 2 se zahvata 50% manje podzemnih voda uz lokalno veće obaranje nivoa. - U trećem vremenskom preseku, nešto veće obaranje nivoa podzemnih voda ostvareno je sistemom odbrane simuliranim u Varijanti 2, uz učešće 6 puta manje drenažnih bunara nego u Varijanti 1 i zahvatanjem 5,5 puta manje podzemnih voda. - Doticaj podzemnih voda u površinski kop, mimo drenažnih bunara opada vremenom, a nešto niže vrednosti (za 13-20%) dobijene su u Varijanti 2. Na kraju hidrodinamičke analize može se zaključiti da se nešto veće obaranje nivoa podzemnih voda ostvaruje u varijanti zaštite kopa koja uključuje i drenažne bunare i vodonepropusni ekran. 7.7. Pouzdanost sistema odvodnjavanja površinskog kopa Drmno 7.7.1. Analiza i ocena efekata rada sistema odvodnjavanja podzemnih voda Kao reprezentativni primer i podloga za analizu rada i pouzdanosti sistema odvodnjavanja dat je pregled broja bunara projektovanog Glavnim rudarskim projektom površinskog kopa Drmno za proizvodnju 9*106 t uglja godišnje i izvedeni broj bunara tokom 2009. godine, koji je prikazan na dijagramu na Slici 7.29. Na Slici 7.30. prikazane su ispumpane mesečne količine podzemne vode na površinskom kopu Drmno tokom 2009. godine. Slika 7.29. Projektovani i izvedeni broj bunara na kopa Drmno tokom 2009. godine Slika 7.30. Ispumpane količine podzemnih voda na kopa Drmno tokom 2009. godine Na Slici 7.31. prikazan je procentualni odnos broja bunara u radu i broja bunara koji ne rade tokom 2009. godine. Slika 7.31. Procentualni odnos broja bunara u radu i broja bunara koje ne rade Sa Slike 7.31. se može uočiti da je od predviđenog broja bunara po Glavnom rudarskom projektu površinskog kopa Drmno za kapacitet 9*106 t uglja godišnje, tokom 2009. godine u radu 69% bunara. U odnosu na prosečan broj od 250 izvedenih bunara, u radu je 172, a ne radi 78 bunara. U analizi prikupljenih podataka vezanih za rad drenažnog sistema se može zaključiti da znatan broj bunara nije u funkciji, kao i da su kapaciteti pojedinih baraža veoma mali i da pojedine baraže bunara nisu realizovane prema predviđenoj dinamici. Navedeno je prouzrokovalo nedovoljno obaranje nivoa podzemnih voda u odnosu na projektovanu i usvojenu koncepciju. Ne puštanje u rad značajnog broja bunara, pa i celih baraža, uzrokovalo je povećane količine voda koje dotiču u kop iz pravca zapada (pojava samoizliva na pijezometrima na unutrašnjem odlagalištu i preraspodele dela infiltriranih voda iz reke Mlave u pravcu površinskog kopa). Na istoku, u baraži ŠLA deo bunara uopšte nije u radu, a deo bunara je samo povremeno radio. Na Slici 7.32 prikazana je godišnja ispumpana količina podzemne vode na površinskom kopu Drmno, kao i projektovana količina podzemne vode koja je trebalo da bude ispumpana. Obzirom da pojedine baraže bunara nisu realizovane na vreme, sa Slike 7.32 se može uočiti da je 2009. godine sistem zaštite od podzemnih voda radio sa znatno manjim kapacitetom od projektovanog. Slika 7.32. Projektovana i stvarna količina ispumpane podzemne vode Imajući u vidu da je po Glavnom rudarskom projektu, već trebalo da bude izrađeno oko 1200 m ekrana, kao i napred navedeno, može se zaključiti da sistem zaštite od podzemnih voda površinskog kopa Drmno ne prati zadovoljavajuće dinamiku predviđenu Glavnim projektom. 7.7.2. Analiza pouzdanosti rada sistema odvodnjavanja podzemnih voda Funkcionisanje sistema odvodnjavanja je definisano kao slučajni proces sa eksponencijalno raspodeljenim vremenima realizacija stanja sistema u funkciji rada elemenata i podsistema. Zakon pouzdanosti predstavlja verovatnoću rada sistema odvodnjavanja u zadatom vremenu t prema grafu stanja datom na Slici 6.1. Sistem odvodnjavanja površinskog kopa Drmno predstavljen je kao Markovski slučajni proces, gde pouzdani rad na odvodnjavanju podzemnih voda u vremenu Tr0-2, Tr0-1 i Tr1-2, odnosno, potpunog i dopuštenog nivoa funkcionisanja ima eksponencijalnu raspodelu oblika: gde su: c = 1/Tr0-2, a = 1/Tr0-1 i e = 1/Tr1-2 - intenziteti rada sistema u odgovarajućem stanju sistema u vremenu t. Zakon obnavljanja sistema nakon potpunog i uslovnog otkaza na dopuštenom nivoa funkcionisanja predstavlja verovatnoću da vreme obnavljanja ne prevaziđe zadato vreme t. Eksponencijalnim zakonom raspodele sa parametrima d, b i f, koji su inverzne vrednosti srednjeg vremena obnavljanja nakon potpunog otkaza (To2), odnosno, uslovnog otkaza (To1) u odgovarajućem stanju sistema u vremenu t, se može dobro aproksimirati svaki proizvoljni zakon, oblika: Postavljeni sistem odvodnjavanja može imati tri stanja (S0, S^, S2) (Slika 6.2). Normalno stanje sistema označeno je sa S0, stanje S^ predstavlja ugrožavanje u dopuštenim granicama dok je stanje S2 ekstremna situacija, koja se tretira kao otkaz, kada dolazi do ugrožavanja funkcionisanja površinskog kopa preko dopuštenih granica. Tada se korekcijom sistema i aktivnijom zaštitom od podzemnih voda dolazi do rada sistema i prelaska iz stanja S2 u stanje S0. Za izračunavanje verovatnoća stanja P0, P^ i P2 potrebno je rešiti sistem jednačina datog formulom 6.16. Prema geološkim i hidrogeološim uslovima radne sredine, površinski kop Drmno se može varijantno odvodnjavati od podzemnih voda bunarima (Varijanta 1) ili kombinovano bunarima i ekranom (Varijanta 2). U okviru donošenja odluke potrebno je analizirati i pouzdanost odvodnjavanja. Graf stanja sistema za analizu pouzdanosti prikazan je na Slici 6.2. Primer je urađen za stanje radova u 2027. godini kada je prema Varijanti 2 vodonepropusni ekran u potpunosti u funkciji sa radom 104 bunara, dok je u Varijanti 1 u radu 237 bunara. Uz odvodnjavanje bunarima dopušten je granični delimični otkaz u stanju S^ do 75% od normalnog stanja S0, tako da je u stanju S^ radi 178, a otkazuje 59 bunara u Varijanti 1 i radi 78, a otkazuje 26 bunara u Varijanti 2. Pri prelazu iz stanja rada S0 u stanje otkaza S2 zbog nepredviđenih ekstremnih uzroka, intenzitet otkaza je 0,00012, a intenzitet obnavljanja 0,002 za obe varijante. Prosečno vreme obnavljanja po bunaru iznosi 15 sati. Iz stanja S^ dolazi do uslovnog otkaza sistema sa stanjem S2 pri pogoršanju rada od 75% u odnosu na stanje S^, kada u Varijanti 1 rade 134 bunara, a otkazuje dodatnih 44 bunara, dok u Varijanti 2 radi 59 bunara, a otkazuje 19 dodatnih bunara. Parametri pouzdanosti za zadate uslove u kalendarskom vremenu, prema formuli 6.16, prikazani su u Tabeli 7.37. Jasno je uočljivo da je kombinovani sistem za 22% pouzdaniji u odnosu na sistem odvodnjavanja samo bunarima u stanju S0 i sa 14% manjom verovatnoćom boravka u nepovoljnom stanju otežanog funkcionisanja S^, dok je u stanju uslovnog otkaza S2, Varijanta 2 pouzdanija četiri puta u odnosu na Varijantu 1. Odluka o izboru varijante sistema odvodnjavanja površinskog kopa od podzemnih voda donosi se na osnovu tehno-ekonomske ocene, kada u slučaju bliskih vrednosti troškova odvodnjavanja prednost ima kombinovani sistem, ne samo zbog veće pouzdanosti nego i zbog većih ekoloških efekata. Linije bunara sa paralelno-rednom vezom su predviđene u obe varijante i kao sistem moraju da imaju pouzdanost rada u stanju S03 veću od 90%. Potrebna pouzdanost se dobija modelski, iterativnim postupkom, na osnovu formula 6.25, 6.32 i 6.33. Graf stanja kombinovano povezanog sistema odvodnjavanja dat je na Slici 6.5. Stacionarna verovatnoća rada sa tri paralelne linije bunara približno istih karakteristika pouzdanosti iznosi (P0 = 0,9): Na osnovu statističkih podataka dosadašnjeg rada postavljenih linija bunara na površinskom kopu Drmno, verovatnoća rada kombinovanog sistema iznosi (Slika 6.5): Minimalno tri paralelne linije bunara u radu su neophodne za realizaciju planirane pouzdanosti sistema odvodnjavanja površinskog kopa Drmno. Uslovni otkaz jedne linije bunara javlja se u slučaju kada otkažu dve grupe od po tri bunara. Imajući u vidu postojanje više grupa od po tri bunara u okviru linije odvodnjavanja, zahtevana pouzdanost sistema bunara treba da bude veća od 90%. Na osnovu analize dosadašnjeg rada bunara na površinskom kopu Drmno, pouzdanost rada svakog bunara kao redno povezani niz elemenata iznosi (Formula 6.31): Stacionarna verovatnoća rada grupe od tri bunara približno istih karakteristika pouzdanosti iznosi (Formula 6.32): Verovatnoća uslovnog otkaza linije bunara iznosi (Formula 6.24): Dve grupe od po tri bunara imaju preporučenu pouzdanost, a uz rezervnu mogućnost povećanja kapaciteta i pouzdanosti rada pojedinačnih bunara i grupa bunara linije po potrebi, postiže se u potpunosti zahtevana sigurnost odvodnjavanja površinskog kopa Drmno u obe varijante sistema. 7.8. Tehno-ekonomska analiza Varijantom 1, predviđena je zaštita površinskog kopa Drmno od podzemnih voda samo sistemom drenažnih bunara, dok je Varijantom 2, predviđena zaštita površinskog kopa Drmno od podzemnih voda kombinovanom metodom, odnosno sistemom drenažnih bunara i vodonepropusnog ekrana. Izrada bunara, kao i izrada vodonepropusnog ekrana biće poverena trećim licima. Baraže bunara, broj bunara, dužine bušenja i dužine odvodnih gravitacionih cevovoda za Varijantu 1 po godinama data je u Tabeli 7.38. Tabela 7.38. Pregled broja bunara, dužine bušenja i dužina odvodnih gravitacionih cevovoda - Varijanta 1 Baraže bunara, broj bunara, dužine bušenja i dužine odvodnih gravitacionih cevovoda za Varijantu 2 po godinama data je u Tabeli 7.39. Tabela 7.39. Pregled broja bunara, dužine bušenja i dužina odvodnih gravitacionih cevovoda - Varijanta 2 Iz Tabela 7.38 i 7.39 može se videti da je u Varijanti 2, odnosno kombinovanim sistemom odvodnjavanja podzemnih voda do kraja 2038. godine, u odnosu na Varijantu 1, potrebno izraditi manje 460 bunara ili izbušiti manje 54.335 m bušotina. Takođe, potrebno je nabaviti i izraditi manje 10.530 m odvodnih gravitacionih cevovoda. Troškovi na izradi 1 m drenažnih bunara iznose 700 €. Pumpe imaju različitu snagu, ali nakon proračuna je usvojena srednja vrednost snage agregata pumpi od 5 kW za ŠLA bunare, 21 kW za ZLB bunare, 19 kW za LBE bunare i 15 kW za LC bunare. Takođe, pumpe je potrebno servisirati na svakih 12 meseci, a cena servisiranje i održavanja iznosi 2.000 €. Predviđeno je da bunari rade od 3 do 4 godine. Za cenu nabavke i postavljanja odvodnih gravitacionih cevovoda, kao i samu pripremu trase za postavljanje cevovoda uzet je iznos od 150 do 250 € po metru. Iznos zavisi od prečnika cevovoda. Nabavka cevovoda se vrši za prve tri linije, a kasnije, za ostale linije bunara koriste se postojeći cevovodi. Na osnovu podataka o radu postojećih baraža i linija bunara na površinskom kopu Drmno u toku 2011. i 2012. godine, utvrđeno je da baraže bunara rade sa oko 85% bunara. Snaga motora potapajućih pumpi u bunarima i ukupna potrošnja električne energije po godinama za Varijantu 1 date su u Tabeli 7.40, dok su za Varijantu 2 date u Tabeli 7.41. Tabela 7.40. Snaga i potrošnja električne energije po godinama - Varijanta 1 Tabela 7.41. Snaga i potrošnja električne energije po godinama - Varijanta 2 Iz Tabela 7.40 i 7.41 vidi se da se primenom Varijante 2 u odvodnjavanju podzemnih voda na površinskom kopu Drmno do kraja 2038. godine troši manje 127.125.558 kWh električne energije u odnosu na Varijantu 1. Za cenu 1 kWh električne energije uzet je iznos od 0,06 €. U Tabeli 7.42 date su dužine i zapremine delova ekrana po godinama izrade. Tabela 7.42. Dužine i zapremine delova ekrana po godinama izrade Proces izrade vodonepropusnog ekrana sastoji se iz pomoćnih radova i osnovnih radova. Prilikom formiranja cene izrade vodonepropusnog ekrana korišćen je Uprošćeni rudarski projekat izrade prve deonice vodonepropusnog ekrana na površinskom kopu Drmno u Kostolačkom basenu uglja [92]. Cena izvođenja pomoćnih radova na izradi vodonepropusnog ekrana iznosi 12 €/m ekrana, dok cena izvođenja osnovnih radova pri izradi ekrana iznosi 140 €/m . U cenu je uračunata i cena radne snage. U pomoćne radove spadaju sledeće operacije: održavanje i snimanje trase ekrana, raščišćavanje terena od niskog rastinja i šiblja i ravnanje terena, izrada servisnih puteva širine 6 i 9 m, izrada kanala uz servisne puteve, sređivanje prostora za izradu zapune ekrana, bušenje kontrolnih bušotina prečnika 146 mm, nabavka i ugradnja pijezometara. U osnovne radove spadaju sledeće operacije: iskop rova za uvodni kanal za izradu ekrana sa transportom materijala, izrada armirano betonskih uvodnica, iskop materijala pri izradi kanala za ekran sa transportom materijala, nabavka bentonita i vode koji se troši pri izradi kanala ekrana, nabavka bentonita za pripremanje zapune za ekran, nabavka cementa za pripremanje zapune za ekran, nabavka peska i šljunka za pripremanje zapune za ekran, nabavka vode za pripremanje zapune za ekran, transport zapune do kanala i zapunjavanje kanala zapunom. Potrebna radna snaga na održavanju objekata odvodnjavanja i vođenja sistema odvodnjavanja u Varijanti 1 data je u Tabeli 7.43, dok je potrebna radna snaga u Varijanti 2 data u Tabeli 7.44. Tabela 7.43. Potrebna radna snaga u Varijanti 1 Tabela 7.44. Potrebna radna snaga u Varijanti 2 Razlika u broju ljudstva u obe varijante je 6 radnika, i to u korist Varijante 2, odnosno kada se odvodnjavanje sastoji iz sistema bunara i ekrana. Bruto plata za šefa odvodnjavanja iznosi 1.500 € mesečno, za šefa mene 1.200 € mesečno, za vozače, radnike elektro struke i bravare 800 € mesečno i za fizičke radnike 700 € mesečno. Obzirom da se odvodnjavanjem samo drenažnim bunarima (Varijanta 1) remeti režim i nivo podzemnih voda, moguće je da selo Kličevac ostane bez vode za piće iz bunara, pa je potrebno uložiti 4.000.000 € za izgradnju fabrike za vodu i vodovod. Pored toga remeti se i vlažnost okolnog poljoprivrednog zemljišta, pa je potrebno obezbediti vodu za navodnjavanje 650 hektara zemljišta. Za dovođenje vode za navodnjavanje okolnog poljoprivrednog zemljišta potrebno je izdvojiti 200 € po hektaru. Ukupna ulaganja u sistem zaštite površinskog kopa Drmno od podzemnih voda drenažnim bunarima (Varijanta 1) u period od 2013. do kraja 2038. godine data su po stavkama i godinama u Tabeli 7.45. Tabela 7.45. Troškovi sistema odvodnjavanja podzemnih voda Varijantom 1 Iz Tabele 7.45 vidi se da ukupno ulaganje u sistem zaštite površinskog kopa Drmno od podzemnih voda Varijantom 1 iznosi 146.032.300 €. Ukupna ulaganja u sistem zaštite površinskog kopa Drmno od podzemnih voda drenažnim bunarima i vodonepropusnim ekranom (Varijanta 2) u period od 2013. do kraja 2038. godine data su u Tabeli 7.46. Tabela 7.46. Troškovi sistema odvodnjavanja podzemnih voda Varijantom 2 Iz Tabele 7.466 vidi se da ukupno ulaganje u sistem zaštite površinskog kopa Drmno od podzemnih voda Varijantom 2 iznosi 137.235.855 €. Upotrebom Varijante 2 za zaštitu površinskog kopa Drmno od podzemnih voda, do kraja 2038. godine potrebno je uložiti 8.796.445 € manje nego upotrebom Varijante 1. Za zaštitu površinskog kopa Drmno od podzemnih voda drenažnim bunarima, odnosno Varijantom 1 u narednih 26 godina potrebno je prosečno godišnje ulagati oko 5.616.626 €, dok je za zaštitu Varijantom 2, odnosno bunarima i vodonepropusnim ekranom potrebno prosečno godišnje ulagati oko 5.278.302 €. U Varijanti 1, investicija u sistem odvodnjavanja iznosi 0,47 €/t uglja, dok investicija upotrebom Varijante 2 u sistem odvodnjavanja iznosi 0,44 €/t uglja. Ekonomski tok projekta za ove dve varijante odvodnjavanja prikazana je u Tabelama 7.47 i 7.48. Sagledano detaljnije, sistem zaštite od podzemnih voda koji se sastoji iz ekrana i drenažnih bunara je povoljniji sa aspekta ukupnih troškova od 137,24*106 € u odnosu na sistem samo od drenažnih bunara sa troškovima od 146,03 *106 €. Razlika ukupnih troškova iznosi 8,8*106 € u korist Varijante 2. Na dijagramu na Slici 7.33, dat je prikaz novčanog toka projekta za čitav vek eksploatacije. Slika 7.33. Dijagram novčanog toka za ceo vek Projekta za Varijantu 1 i Varijantu 2 Kako bi se bolje sagledala dinamika troškova sistema zaštite površinskog kopa od voda, to jest njihovo ponašanje u toku veka trajanja Projekta, analiziran je priraštaj troškova po godinama eksploatacije. Dinamički priraštaj ukupnih godišnjih troškova prikazan je na Dijagramu koeficijenta priraštaja ukupnih godišnjih troškova (Slika 7.34). Tabela 7.47. Ekonomski tok projekta za sistem odvodnjavanja samo drenažnim bunarima do 2038. godine Tabela 7.48. Ekonomski tok projekta za sistem odvodnjavanja drenažnim bunarima i vodonepropusnim ekranom do 2038. godine Slika 7.34. Dijagram koeficijentapriraštaja ukupnih troškovapo godinama za Varijantu 1 i Varijantu 2 U Varijanti 2 je trend priraštaja troškova negativan, a u Varijanti 1, ovaj trend je pozitivan. To ukazuje na to da se tokom vremena ukupni godišnji troškovi sistema zaštite od voda u Varijanti 2 smanjuju, dok se u Varijanti 1 i blago uvećavaju. Dijagram troškova po godinama prikazan je na Slici 7.35. Slika 7.35. Dijagram ukupnih troškova po godinama za Varijantu 1 i Varijantu 2 Sa prikazanog dijagrama može se zaključiti da su ukupni godišnji troškovi nešto veći u početnoj fazi realizacije sistema zaštite od voda u Varijanti 2, što je pre svega posledica ulaganja u izradu vodonepropusnog ekrana, ali su u kasnijm fazama realizacije značajno manji od ukupnih godišnjih troškova u Varijanti 1. Osim toga ukupni godišnji troškovi u Varijanti 1 pokazuju izrazitu cikličnost u pojavljivanju ekstremno visokih vrednosti što je posledica stalnih ulaganja u nove linije bunara. Dijagram ukupnih godišnjih diskontovanih troškova (troškovi svedeni na sadašnju vrednost) dat je na Slici 7.36. Slika 7.36. Dijagram ukupnih diskontovanih troškova po godinama za Varijantu 1 i Varijantu 2 Uprosečeni troškovi odvodnjavanja površinskog kopa Drmno od podzemnih voda po toni uglja za period od 26 godina su povoljniji u Varijanti 2 (0,59 €/t u odnosu na 0,62 €/t u Varijanti 1). Obzirom na relativno malu razliku u ukupnim i prosečnim troškovima može se zaključiti da konačnu odluku o usvajanju sistema zaštite od podzemnih voda uslovljava i drugi elementi sistema poput pouzdanosti sistema odvodnjavanja i ekološki efekti vezani za uticaj na nivo podzemnih voda van kontura površinskog kopa i sigurniji rad sistema HE Đerdap. Izvršena je i analiza uticaja na životnu sredinu i poređenje efikasnosti između navedenih sistema zaštite od podzemnih voda. Izradom vodonepropusnog ekrana na predviđenoj lokaciji (zapadna, severna i istočna strana površinskog kopa) smanjuje se veliki broj drenažnih bunara u sistemu odvodnjavanja. Time se automatski smanjuje i broj pumpnih agregata sa odgovarajućom uštedom energije. Snižava se remećenje režima podzemnih voda, a samim tim i narušavanje životne sredine. Manjim brojem bunara značajno se umanjuje i količina vode koja se odvodi u Mlavu i Dunav, što za posledicu ima bezbedniji rad sistema HE Đerdap. Iz napred navedenog proizašao je i zaključak da je sistem bunara i ekrana ekonomski i ekološki povoljniji. 8. ZAKLJUCNA RAZMATRANJA Pored niza prirodnih, tehničkih, ekonomskih, ekoloških i bezbednosnih faktora i ograničenja jedan od veoma uticajnih prirodnih faktora na površinsku eksploataciju je i ovodnjenost ležišta, odnosno uticaj površinskih i podzemnih voda na proizvodne procese i stabilnost radilišta i završnih kosina kako površinskog kopa tako i odlagališta. Složenost problematike odvodnjavanja i u tom smislu odvodnjavanje površinskih kopova uslovljava multidisciplinarni pristup i obuhvata odlično poznavanje geoloških, hidrogeoloških i hidroloških karakteristika ležišta kao i dinamike podzemnih voda, hidrotehnike, mehanike stena, bušačkih radova, hidraulike i tehnike izrade bunara, a delom i tehnologije izrade podzemnih prostorija. Obzirom na svu složenost i multidisciplinarnost, sam izbor sistema i izgradnja objekata odvodnjavanja površinskog kopa ne može se provesti bez geološkog i hidrodinamičkog modeliranja radne sredine, korišćenja savremenog pristupa pri određivanju pouzdanosti sistema odvodnjavanja i optimizacije izbora objekata odvodnjavanja. Za efektivno i efikasno odvodnjavanje površinskih kopova nije dovoljan optimalan izbor sistema i objekata već i dobro organizovan i upravljiv proces odvodnjavanja. Efektivno i efikasno odvodnjavanje podrazumeva i izbor odgovarajuće metode, objekata i sistema odvodnjavanja površinskih kopova koji se razlikuju među sobom jer neposredno zavise od količina površinskih i podzemnih voda, od fizičko-mehaničkih karakteristika mineralne sirovine i pratećih stena, od tehnologije eksploatacije i dr. Pravilan izbor i realizacija procesa odvodnjavanja treba da opravda funkcionalnost i ekonomičnost u odgovarajućim uslovima ovodnjenosti ležišta. Zbog svoje složenosti i značaja za površinsku eksploataciju, procesu odvodnjavanja neophodno je posvetiti punu pažnju u svim periodima odnosno fazama površinske eksploatacije. Pri planiranju odvodnjavanja do posle eksploatacionog perioda neophodno je ostvariti, pored uslova za sigurnu i pouzdanu eksploataciju i ekološko-socijalne uslove, odnosno eliminisanje negativnih ekoloških uticaja, uspešno korišćenje zemljišta i resursa vode i socijalnu i ekonomsku korist u toku održivog razvoja i rada površinskog kopa. Pri analizi procesa odvodnjavanja neophodno je pre svega da se on u potpunosti definiše, pri čemu je potrebno znati da: - Proces odvodnj avanja predstavlj a skup aktivnosti; - Aktivnosti procesa odvodnjavanja doprinose stvaranju novih vrednosti; - Aktivnosti procesa odvodnjavanja izvode ljudi i/ili oprema; - Proces odvodnjavanja uključuje parametre radne sredine i organizacione faktore. Iz prethodnog proizlazi princip da proces odvodnjavanja treba da budu organski, a ne mehanički. To znači da su prilikom dizajniranja, kreirani održivi procesi koji deluju duže vreme u budućnosti i koji mogu u sinergiji sa drugim procesima uspešno da obavljaju svoje poslovne aktivnosti. U funkciji upravljanja procesom odvodnjavanja izdvojeni su upravljački procesi vezani za planiranje, realizaciju, monitoring i kontrolu. Upravljački procesi planiranja i realizacije mogu se poistovetiti sa fazama procesa odvodnjavanja pri čemu se jasno mogu izdvojiti potprocesi i procesne aktivnosti koje se mogu grupisati u faze procesa odvodnjavanja. Tako, grupa potprocesa i procesnih aktivnosti analiza ulaznih podataka i izbor metoda, objekata i sistema odvodnjavanja pripada fazi planiranja. Izlaz iz procesa ili faze planiranja su planovi izgradnje objekata odvodnjavanja i monitoringa i oni predstavljaju ulazne elemente realizacije procesa odvodnjavanja. Grupa potprocesa i procesnih aktivnosti izgradnja, eksploatacija i održavanje objekata odvodnjavanja pripada fazi realizacije. Izlaz iz procesa ili faze realizacija odvodnjavanja su kontinualni podaci o radu, kapacitetu, zastojima, efikasnosti i efektivnosti sistema odvodnjavanja na površinskom kopu. Procesi monitoringa i kontrole realizuju se sve vreme eksploatacije objekata odvodnjavanja i praktično pripadaju fazi realizacije. Procesno, odvodnjavanje se mora analizirati sa aspekta upravljačkih procesa i sa aspekta tehničko tehnoloških procesa. Sa aspekta upravljanja, standardizovani model koji čine procesi planiranja, realizacije, monitoringa i kontrole čine dovoljan i potreban nivo detaljnosti. Tehničko tehnološki procesi odvodnjavanja su svi oni procesi koji omogućavaju da se efektivno i efikasno realizuje odvodnjavanje površinskog kopa. Detaljnom analizom procesa odvodnjavanja površinskog kopa identifikovani su sledeći tehničko-tehnološki procesi: analiza prostornih aspekata, analiza geoloških uslova, analiza hidrogeoloških parametara, analiza hidroloških parametara, analiza geomehaničkih parametara, analiza rudarskih radova, izbor sistema odvodnjavanja, izgradnja objekata odvodnjavanja, izbor opreme, sistem monitoringa, sistem kontrole i održavanje sistema odvodnjavanja. Definisani model omogućuje kvalitetno i pouzdano odvijanje procesa odvodnjavanja u svim njegovim fazama, od preliminarnih planova, preko izrade investiciono tehničke dokumentacije do izgradnje i eksploatacije sistema odvodnjavanja jer ima procesno determinisan tok i jasnu proceduru, odnosno metodologiju izbora sistema. Obuhvatanjem parametara efektivnosti i efikasnosti pojedinih delova sistema i sistema u celini preko metoda ocene pouzdanosti sistema, ekoloških uticaja i ekološke cene kao i ekonomske ocene rentabilnosti u pomenutu metodologiju dobijen je sveobuhvatni model za optimizaciju sistema odvodnjavanja. Metodologija i integralni tehno ekonomski model predstavljeni preko modela procesa razvijeni su tako da obuhvate sve aspekte procesnih aktivnosti uz istovremenu kvantitativnu i kvalitativnu ocenu svih specifičnosti planiranja, realizacije i upravljanja sistemima odvodnjavanja ali istovremeno može da se koristi i kao informaciona osnova za izgradnju integralnog informacionog sistema odvodnjavanja. Rad predstavlja jasnu sistematizaciju procesnih aktivnosti po logičkim celinama uz uvažavanje svih ulaznih i izlaznih podataka u svaki od izgrađenih modela procesa. Opisani model predstavlja sintezu teorijskih osnova kao i praktičnih aspekata realizacije sistema odvodnjavanja. Upravo praktični aspekti realizacije sistema odvodnjavanja inkorporirani u teorijske osnove omogućili su razvoj adekvatnog modela optimizacije sistema odvodnjavanja koji nudi jedinstven mehanizam za analizu kao i raznovrstan skup metoda i alata za optimizaciju sistema odvodnjavanja i predstavlja potpunu proceduru stručnjacima koji praktično realizuju projekte odvodnjavanja. Razvijeni model optimizacije sistema odvodnjavanja omogućava efektivniju i efikasniju realizaciju ovakvih projekata u odnosu na dosadašnji pristup. Koristeći ovaj model moguće je još u fazi planiranja projekata odvodnjavanja izbeći sve potencijalne rizike kako sa tehničko-tehnološkog tako i sa socijalnog, ekološkog i ekonomskog aspekta. Predviđena iterativnost u fazi planiranja ovakvih projekta omogućuje stalno preispitivanje rezultata i učenja što je svakako dodatni benefit realizovanog modela. Definisani model u potpunosti je verifikovan na primeru izbora objekata odvodnjavanja i optimizacije sistema odvodnjavanja podzemnih voda na površinskom kopu Drmno. Imajući u vidu veoma veliki priliv podzemnih voda u aluvijonu reka Dunav i Mlava, izvršena je detaljna tehno-ekonomska analiza mogućnosti zaštite površinskog kopa Drmno samo linijama bunara ili kombinacijom vodonepropusnog ekrana i linija bunara sa umanjenim brojem bunara. Date su osnove hidrodinamičkog proračuna sniženja nivoa podzemnih voda i prikazan hidrodinamički model ležišta uglja Drmno, a metodologija obuhvata rekalibraciju hidrodinamičkog modela ležišta uglja Drmno, hidrodinamički proračun sniženja nivoa podzemnih voda i rezultate prognoznih proračuna, analizu pouzdanosti i tehno-ekonomsku analizu. Kada je reč o pravcima daljih istraživanja iz ove oblasti, svakako imperativ predstavlja izgradnja integralnog informacionog sistema odvodnjavanja površinskih kopova koji treba da omogući kvalitetnije predstavljanje ulaznih parametara i uslova odvodnjavanja kroz model ležišta i model površinskog kopa kao i specifičnih analiza tehničko-tehnoloških, ekoloških i ekonomskih rizika u svim fazama realizacije modela odnosno projekta odvodnjavanja. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Докторске дисертације Alternative Title An alternative name for the resource. The distinction between titles and alternative titles is application-specific. Doktorske disertacije Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Provenance A statement of any changes in ownership and custody of the resource since its creation that are significant for its authenticity, integrity, and interpretation. The statement may include a description of any changes successive custodians made to the resource. Докторати Mediator An entity that mediates access to the resource and for whom the resource is intended or useful. In an educational context, a mediator might be a parent, teacher, teaching assistant, or care-giver. Томашевић Александра Title A name given to the resource Оптимизација система одводњавања површинских копова Optimization of opencast mines dewatering systems Alternative Title An alternative name for the resource. The distinction between titles and alternative titles is application-specific. DD_Subaranovic Tomislav Subject The topic of the resource одводњавање површински коп процес поузданост екологија економија dewatering opencast mine process reliability environment economics Creator An entity primarily responsible for making the resource Шубарановић Томислав Publisher An entity responsible for making the resource available Универзитет у Београду - Рударско-геолошки факултет Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2013 Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Павловић Владимир Колоња Божо Душан Поломчић Милан Кукрика Rights Information about rights held in and over the resource Ауторство-Некомерцијално-Делити под истим условима 3.0 Србија (CC BY-NC-ND 3.0) Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource pdf Language A language of the resource српски Type The nature or genre of the resource text Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context AT-42833-0210 Description An account of the resource Савремена површинска експлоатација минералних сировина подразумева еколошки и економски ефикасно и поуздано одводњавање без обзира на сложеност хидрогеолошких, хидролошких и других природних услова лежишта. Систем одводњавања површинског копа треба да буде добро одабран, да је састављен од објеката који по својим капацитетима и поузданошћу рада могу да обезбеде сакупљање и одвођење површинских вода и успешну заштиту од подземних вода са аспекта поуздане експлоатације лежишта, заштите људи и инфраструктурних објеката уз истовремено, најмање еколошки негативне утицаје. Истраживања у дисертацији односе се на дефинисање модела за оптимизацију система одводњавања површинских копова базираном на процесно орјентисаној методологији која подразумева системску и процесну анализу избора система одводњавања и дефинисање процесних модела почев од анализе улазних података и услова одводњавања преко избора функционално поузданих и економски и еколошки ефикасних објеката и система одводњавања. У оквиру истраживања дефинисан је модел процеса система одводњавања на бази кога су изграђени процесни модели свих појединачних процеса у оквиру модела и заједно чине методолошки приступ оптимизацији система одводњавања. У модел су увршћене и методе поузданости, анализе еколошких аспеката и економске оцене у функцији избора оптимизованих решења система одводњавања. Циљ истраживања је да се на бази постављеног модела дефинише оптимална структура система одводњавања по критеријуму поузданости, еколошких утицаја и економичности у условима реалних природних, техничких и организационих ограничења. Методологија и интегрални техно-економски модел за оптимизацију система одводњавања површинских копова су применљиви у свим фазама површинске експлоатације, односно у свим фазама животног циклуса површинског копа. Имплементација овако конципираног модела у рударску праксу би омогућила знатно поузданија пројектна решења система одводњавања уз боље економске и еколошке учинке. Modern surface mining of raw minerals means ecologically and economically efficient and reliable dewatering regardless of the hydro-geological, hydrological, and other natural deposits conditions complexity. Dewatering system of the opencast mine should be well selected, being made up of facilities that by their capacity and reliability of operation can provide collection and drainage of surface water and effective protection against groundwater in terms of reliable deposit mining, people protection and infrastructure facilities with at the same time, at the least negative environmental impacts. The research in this dissertation refer to the defining model for optimization of the dewatering system for opencast mines based on process-oriented methodology that involves system and process analysis for selection of dewatering system and definition of process models starting from analysis of input data and dewatering conditions to selecting of functionally reliable and economically and environmentally efficient facilities and dewatering systems. Within research has been defined a dewatering system process model based on, which was developed a process models of all individual processes within the model making together methodological approach for dewatering system optimization. In the model have been incorporated reliability methods, analysis of environmental aspects and economic assessments in the function to select optimized solutions for dewatering system. The aim of the research is that on the base of the presented model is to be defined the optimal structure of dewatering system, according to the reliability criteria, environmental impacts and cost-effectiveness in terms of real natural, technical and organizational constraints. Methodology and an integrated techno-economic model for dewatering system optimization at opencast mines are applicable in all phases of surface mining, that is, in all phases of the opencast mine life. The implementation of this model concept into the mining practices would enable more reliable design solutions for dewatering system with better economic and environmental effects. dewatering economics environment opencast mine process reliability екологија економија одводњавање површински коп поузданост процес http://romeka.rgf.rs/files/original/Naucni_radovi/RS_Aspekti_upravljanja_rizikom_u_rudarstvu/RS_Aspekti_upravljanja_rizikom_u_rudarstvu.2.pdf 89eeb0edc4e5fba19f399355cd12135e PDF Text Text UDC: 622.012:65.012.3/.015 ASPEKTI UPRAVLJANJA RIZIKOM U RUDARSTVU RISK MANAGEMENT ASPECTS IN MINING INDUSTRY Mr Slobodan Radosavljević, dipl.inž. RB Kolubara Lazarevac, Kolubara Prerada, Vreoci E-mail: slobodanr@hotmail.com REZIME U ovom radu se prezentiraju neki od aspekata i praktičnih iskustava upravljanja rizkom za kompleksne tehničko tehnološke sisteme u rudarstvu sa posebnim osvrtom na preradu uglja. Kontrola i upravljanje rizikom radnih mesta postaje centralna kategorijalna varijabla logističke operatibilnosti top menadžmenta u kontekstu generisanja kvalitetnih strateških odluka u dugoročnom smislu sa ciljem sigurnog, pouzdanog, bezbednog i profitabilnog rada uz ostvarenje zadovoljstva korisnika proizvoda, usluga i zaposlenih. Realnost praktičnih saznanja ukazuje na aplikacije velikih nesaglasnosti i različitosti pri identifikaciji adekvatnih analitičkih i metodoloških pristupa ovom problemu a rezultati takvih stanja su posledični iskazi tipičnih i netipičnih kritičnosti kao destruktivnih potencijala koji uzrokuju velike turbulencije u funkcionisanju kako delova sistema tako i tehnoloških procesa u celini. Šanse za kvalitetnom kontrolom i upravljanje rizikom tehničkih sistema i procesa koje se objektivno nude i koje su ostvarljive, proizvodna praksa rudarstva prepoznaje preko strategije organizacionog i procesnog redizajna kao i pozicioniranje ovog problema na platformu ostalih upravljačkih funkcija kompanije. Krajni cilj rada je realna ocena postojećeg stanja, ukazivanje na potrebu za brzim transformacijama u rudarstvu kao i predlog aplikacija mogućih poboljšanja u kontekstu praćenja savremenih svetskih tokova sa aspekta menadžment pristupa. Prezentirani podatci u radu su nastali kao rezultat istraživanja vršenog 2005/2006/2007. godine a pristup problemu upravljanja rizikom je u makro aspektnom kontekstu. Ključne reči: Rizik, pouzdanost, sigurnost, tehnički sistem, ugalj, rudarstvo, menadžment rizika, menadžer rizika. PREGLEDNI RAD ABSTRACT This paper deals with some of the apspects and practical expirence of risk management for complex technical systems in mining, especially in coil refinament. Control and risk management of work places becomes central categorial variable for logistic activity of top management in context of generating quality strategic decision in long term sense with goal for safety, reliable, and profitale work with accomplishing satisfaction for product consumers, services and employers . Reality of practical condition indicate on applications with large dissimilarity and incongruity at identification of analytical and methodical approaches for this problem, and results of that state are statements of typical and untypical critical as destructive potential which cause huge turbulence in functioning of technical protection system and technical processes. Chances for control quality and risk management of technical systems and process which are recognized and achievable, manufacturing mining experience recoqnize through strategy for organizational and systematic redesign and also positioning for this problem on platform residue management functions of company. Final goal of this paper is real evaluation of current state, need for fast transformation in mining an also suggestion for applications of possible upgrades in context of following the modern world streams from management approach aspects. Provided data in this paper originate as result from research which was carried out in 2005/2006/2007. year and problem approach for risk management is in macro - aspect context. Key words: Risk, reliability, safety, technical system, coil, mining, risk management, risk manager. 1. UVOD Optimala realizacija planiranih proizvodnih pro-jekcija u rudarstvu podrazumeva potpuno zadovo-ljenje realno kompleksnih zahteva pouzdanosti i sigurnosti delova sistema i tehnoloških procesa u celini. Za velike poslovne kompanije u rudarstvu to ima poseban značaj, respektabilnu težinu i obavezu. Kontrola i upravljanje rizikom radnih mesta postaje centralna kategorijalna varijabla logističke operati-bilnosti top menadžmenta u kontekstu generisanja kvalitetnih strateških odluka u dugoročnom smislu sa ciljem sigurnog, pouzdanog, bezbednog i profi-tabilnog rada uz ostvarenje zadovoljstva korisnika proizvoda, usluga i zaposlenih. Postoji realna potre-ba pravilnog pozicioniranja problema rizika, mena-džmenta rizika i menadžera rizika za navedene si-steme sa krajnim određenjem: procesno upravljanje rizikom. Okvirni kontekst problema obuhvata kva-litetnu i kompletnu identifikaciju rizika, smanji-vanje ili redukciju kritičnih potencijala do granice raspona prihvatljivih pragova i konstantan moni-toring. Suštinski problem je minimiziranje tipičnih i netipičnih stanja u otkazu kao i detekcija veličine negativnosti destruktivnih aplikacija u kojima se is-poljavaju, posebno za tehnološke procese prerade uglja koji su u fokusu ovog rada. Analitički i metodološki pristupi ovom problemu za rudarsku vrstu delatnosti su dosta različiti te u tom smislu proizvodna praksa prepoznaje dosta nesaglasnosti i nelogičnosti. Rezultat takvog stanja su velike turbulencije u funkcionisanju kako delova sistema tako i procesa prerade uglja u celini. Procesni menadžment, menadžment rizikom i menadžeri rizika su kategorije koje u ovom trenutku mogu realno opredeliti i utemeljiti potrebu, pravilnost, kvalitet i racio pozicioniranja rizika za navedene tehnološke procese, preko standardizovanih organizacionih formi i modela, vodeći računa o ukupnoj intergradibilnosti na platformi svih uprav-ljačkih funkcija kompanije. 2. RIZIK U PRERADI UGLJA Tehnološki sistemi za preradu uglja u toku svog životnog ciklusa izloženi su aplikacijama različitih destruktivnih uticaja koji mogu bitno da umanje njihov kvalitet. Stanja tako narušenog kvaliteta su stanja otkaza sistema. Stanje sistema koje prethodi stanju otkaza je opasno stanje ili opasnost. Vero-vatnoća nastanka neželjenih događaja i očekivana veličina posledica tih događaja u zaokruženom sistemu i tokom utvrđene dužine vremenskog inter- vala, ili tokom nekog određenog procesa, se u ana-lizi sistema razmatra i definiše kao rizik, (kom-binacija učestalosti ili verovatnoće pojavljivanja kao i posledica specifičnog štetnog događaja), [1]. Identifikacija kritičnih mesta tehničkih sistema u preradi uglja koji potencijalno mogu generisati rizike i rizične događaje, predstavlja poseban problem, te podrazumeva između ostalog mena-džment pristup u analitičkom i metodološkom smislu i nudi rešenja koncipirana u formi predupre-đivanja ili predloga reakcija u formi odgovora na iste, po nastanku. Aspekti rizika u preradi uglja mogu biti različiti i uglavnom se vezuju za sve uticaje u i oko samog sistema/procesa: dizajn, redizajn, tehnički, tehnološki, održavanje, ekološki, tehničke zaštite, sociološki, ekonomski i drugi. Istraživanje rizika vršeno za predmetne procese ukazuje da bez identifikovanja svih aspekata ili bar većeg broja, sa stručnom obradom do predloga racinalno kompletnih rešenja i načina praćenja za dekomponovano pojedinačne supozicije, teško da se može govoriti o sigurnosti, pouzdanosti, bezbed-nosti i stabilnosti u preradi uglja. U ovom radu se od dosta interesantnih, fokusira tehnički aspekt analize rizika i aspekt bezbednosti i zdravlja na radu. Proizilazi da je formulisanje adekvatne strategije za analizu i upravljanje rizikom u preradi uglja veoma kompleksno i da zahteva razmatranje velikog broja aspekata i parametara tehnološke i ne tehnološke prirode, uticaj internog i eksternog okruženja, organizaciju, proučavanje podataka iz prošlosti, kao i obavezu predviđanja u bližoj i daljoj budućnosti. 3. METODI I MODELI U ANALIZI RIZIKA Saglasno različitim aspektima primene postoji nekoliko grupa modela za procenu rizika: tehničkih sistema, radnih aktivnosti ljudi, menadžment aktivnosti, za analizu udesnih i incidentnih situacija i drugi. U istraživanju su korišćeni metodi za procenu rizika tehničkih sistema s obzirom na tehničko tehnološke karakteristike procesa za preradu uglja, FTA /Fault Tree Analysis/-Analiza stabla greške i DS /Design Safe/-Analiza sigurnosti. Prema [2] zastupljenost primenjenih metoda za analizu rizika tehničkih sistema u svetu je: FTA-15% i DS-18%. Navedeni metodi za procenu rizika tehničkih sistema nastali su kao rezultat pozitivne selekcije vrhunskih naučnih instituta i timova u kontekstu praktične primene i verifikacije, te se odnose na grupu standardizovanih modela koja je dostigla nivo profesionalne prihvatljivosti.1 Isti se ne odnose na nove i koncepte u razvoju, koji su ispod ciljnih pragova prihvatljivosti. 4. DEKOMPOZICIJA PROBLEMA Proces prerade uglja je posebno interesantan za analizu s obirom na činjenicu da se radi o kompozitu dela zastarelih ali i novih redizajniranih, poboljšanih i osavremenjenih tehnoloških celina. Broj časova za-stoja na godišnjem nivou kao i struktura potencijala uzroka ima trend umerenog ali kontinualnog rasta, što se mora u potpunosti uvažiti i respektovati, slika 1. Slika 1. Prikaz trenda zastoja po fazama rada u procesu prerade uglja 1 Prema Bbruce W. Main: Metodi koji se koriste za analizu rizika i njihova praktična zastupljenost i primena u svetu je: FMEA-Faliure Mode and Effects Analysis /13%/, RA-Risk Assessment /19%/, PHA-Preliminary Hazard Analysis /12%/, WI-what if /6%/, FTA-Fault tree Analysis 15%/, HAZOP-Hazardous Operations /7%/, MORT-Management Oversidht Risk Tree /8%/, CL-Checklists /4%/, S/K-standards/Codes /2%/, OM-Other methods /1. Polaz u analizi rizika je dekompozicija komplet-nog procesa prerade uglja. Ista je strukturno pred-stavljena prvim dekomponovanim nivoom sa rele-vantnim pod procesnim celinama, slika 2. Slika 2. Prikaz prvog nivoa dekompozicije tehničko tehnološkog procesa prerade uglja Sledeći korak je izbor top događaja iz prethodno dekomponovanog procesa, u ovom slučaju Drobilica čekićar 243A, kao jedan od najodgovornijih tehničkih sklopova u sistemu. Izabrani top događaj se dekomponuje do najniže mogućeg nivoa i prikazuje standardizovanim simbolima i dijagra-mom-stablo FTA, slika 3. Kompletno dekomponovanje stabla je do trećeg nivoa i generisalo je 9. osnovnih i 86. poddogađaja, ka-da je dalja dekompozicija nepotrebna s obzirom da su detektovani svi modovi sklopa i na osnovu njih mo-guće je karakterizirati sve sekvence kritičnih poten- cijala. Bitno je za ovaj deo analize da se na osnovu stabla FTA detektuju svi modovi kritičnih potencijala, pri čemu ukoliko ima sličnih ili istih, što nije redak slučaj, iste amputiramo, /odnosno vršimo takozvano sećenje sekvenci kritičnosti/. U kompletnom stablu FTA za čekićnu drobilicu 243A broj detektovanih sekvencijalnih modova je 973. Dobijeni podaci se klasifikuju, sistematizuju i tabelarno prikazuju radi lakšeg praćenja i obrade u daljem toku analize. Slika 3. Prikaz stabla FTA za drugi nivo dekompozicije izabranog top događaja /Drobilica čekićar 243A-pod događaja Rotor drobilice/ Slika 4. Prikaz osnovnog dekomponovnog procesa, identifikovanih podprocesa i podprocesnih funkcija za bazne tehničko tehnološke procese u preradi uglja 2 Drobilica čekićar 243 A i 243 B, RB Kolubara, Kolubara prerada, Vreoci, mart 2007. godine, Radosavljević S. 5. ANALIZA I REDUKCIJA RIZIKA Drugi deo analize podrazumeva obradu dekom-ponovano sistematizovnih podataka modelom DS, /Design Safe/. Prikaz originalnih indeksiranih vred-nosti korišćenih parametara pri proceni rizika pred-stavljeni su matricom reda /4*4*5/., prema [3] i tab. 1. Fred A. Manuele "Three Factor risk model": strogost procene/učestalost izloženosti-verovatnoća. R b Stro-gost pro-cene In- dex Izlože-nost In- dex Verovat -noća In- dex Prag rizika In- dex 1 Kata-stro-falan 50 Cesto 13 Frekfen -tan 15 Visok > 800 2 Kriti-čan 40 Povre-meno 10 Verova-tan 9 Ozbi-ljan 500-800 3 Ume-ren 25 Retko 7 Povre-men 4 Ume-ren 200-500 4 Mali 10 Mini-malno 4 Mali 1 Nizak 0-200 5 Nevero-vat. 0,5 Tabela 1. Prikaz originalnih- indeksiranih vrednosti Kavntitativnog modela zaprocenu rizika matrice reda /4*4*5/ Parametri pri proceni rizika su: Strogost kriterija procene, učestalost izoženosti riziku i verovatnoća nastanka rizičnog događanja. Potrebno je za sve prethodno detektovane modove na stablu FTA, odrediti kategoriju kritičnosti i indeks saglasno realnoj supoziciji vezanoj za sve mogućnosti praktičnih određenja i sistematizovati ih prema zadatim parametrima matrice. Unošenjem i obradom parametara u modelu, dobijamo završnu kategorizaciju početnog rizika, preko ukupnog inde-ksa kao i raspon praga kome isti pripada: visok, ozbiljan, umeren i nizak. Dalji tok analize u zavis-nosti od veličine indeksa rizika i specifičnosti iden-tifikovanog destruktivnog moda podrazumeva pred-log odgovarajućeg modela za redukciju, slika 7. Predloženi model mora da u jednom ili više koraka snizi nivo rizika do raspona prihvatljivog praga, koji je pozicioniran u zoni niskog rizika sa indeksom /0-200/. Moguća je kombinacija više metoda za redukciju , kao i više koraka redukcije, ukoliko je potrebno, da bi se ostvario početno zadati cilj, minimiziranje rizika. Najčešće korišćeni metodi za redukciju rizika u analizi konkretnog problema su: prevencija negativnosti, preventivna zamena materijala, sprečavanje razvoja negativnosti, uspora-vanje negativnosti, izolacija destrukcije kao poseban rizik i projektovanje novih rešenja. Ovim se ne iscrpljuju mogućnosti i ne blokira primena nekih drugih metoda, koji svakako mogu uspešno doprineti redukovanju rizika u široko aspektnom kontekstu. Određivanjem nivoa indeksa redukovanog rizika smo u prilici da statusno opredelimo prag dostignutog rezultata, radi preduzimanja daljih aktivnosti. Sledi i adresiranje rizika, odnosno dode-la/delegiranje autoriteta i odgovornosti za nastajanje i održavanje rizika u zoni raspona prihvatljivih i tolerantnih pragova, kao i predlog strategije kons-tantnog monitoringa za predmetni modul. Tehnički modovi koje je potrebno primeniti pri smanjenju rizika u kontekstu izabranih metoda redukcije su: Redizajn sklopova ili celog top događaja/pod događaja, do projektovanje nosećih komponenata i elemenata za vezu, standard i kavlitet pri ugradnji komponenata, povećan nivo kontrole, poseban nadzor pojedinih sekcija sistema, super nadzor, preventivna kontrola, provera standarda i kvaliteta kroz povremeno reatestiranje materijala ugrađenih komponenti, standard i kvalitet pri izradi kom-ponenti za ugradnju, kontrola tarnih mesta, merenje nivoa pohabanosti, standard i kvalitet materijala, zamena pojedinih komponenata kvalitetnijim mate-rijalima, merenje nivoa korozije, kvalitetna antiko-rozivna zaštita za agresivnu sredinu, redizajn po-sebnog rizika, izolovanje pojedinih sekvenci rizika kao posebnih i njihovo redukovanje, zaštita sistema, rasterećenje sistema, standard pri opterećenju kons-trukcija i komponenata sistema, preventivno odr-žavanje, totalno produktivno održavanje, prediktivno održavanje, odgovornost operatera, edukacija opera-tera, standardizacija sistema, standardne i posebne procedure za postupanja, ostali tipični i ne tipični detektovani i nedetektovani modovi. Adresiranje rizika za predmetnu analizu u kontekstu delegiranja odgovornosti po izvršenoj redukciji izvršeno je prema: Projektantu pojedinačno izabranih događaja/pod događaja ili sistema, dizaj-neru procesa, konstruktoru, statičaru, tehnologu, teh-nologu za zavarivanje, investitoru, izvođaču radova-montažeru, operateru, vulkanizeru, bravaru, elektri-čaru, elektroničaru, održavaocu, menadžeru materi-jala, magacioneru materijala, kontroloru kvaliteta, super vizoru kontrole, ekspertu za sisteme prerade uglja, preventivcu protiv požarne zaštite, menadž-mentu sistema i analitičaru rizika. Model pruža širo-ke mogućnosti za različite izveštajne aplikacije u zavisnosti od potrebe i percepcije, kako analitiča-ra/menadžera rizika tako i multidisciplinarnog tima, slika 8. Dokumentovanje analize i redukcije rizika kao i njeno stalno ažuriranje u bazama podataka kom-panija za tehnološke procese i sisteme je obavezno, radi upoznavanja svih zainteresovanih sa zonama delegiranih autoriteta, kao i dokaza za slučaj vođenja sudskih sporova o odgovornostima za nastale udese i udesne situacije te i praktične verifikacije da je analiza i adresiranje rizika izvršeno. U tom smislu potrebno je da se zna ime svih učesnika i analitičara/menadžera rizika u postupku analize sa dokazima o stručnim kompetentnostima, potrebnim referensama-licencama i ostalo, [2]. Za identifikovane aspekte analize, polje za redu-kovanje rizika je dosta široko i ono je obuhvaćeno indeksom od 180-1400., što u osnovi postavlja re-alno visok ciljni prag za snižavanje rizika. U takvim okolnostima gotovo da nije moguće izvršiti adek-vatnu redukciju rizika u jednom pokušaju pa čak i sa jednim metodom, već je to rađeno u dva do tri pokušaja sa jednim, dva ili više metoda za redukciju. Najčešći modovi kritičnih potencijala za stanja u otkazu izabranog top događaja/pod događaja su: Preopterećenje komponenata i sistema, vibracije kao i različite vrste udara, zamor materijala, kidanje materijala, strukturna oštećenja, lomovi kompone-nata, tipične i netipične deformacije, habanje kom-ponenata u sistemu, ukošenja koja se javljaju kao posledica nestabilnosti rada sistema i nepouzdanosti komponenata za osiguranje, kvalitet ugrađenih komponenata, standardizacija komponenata sistema, kontrola sistema, nestručna kontrola-faktor čovek, nestručnost operatera u sistemu i nemar pri izvršenju radnih aktivnosti, ostale tipiče i netipične destrukci-je, uticaj ne detektovanih destruktivnih potencijala, uticaj sinergizma više detektovanih kao i poten-cijalno ne detektovanih destrukcija, uticaj okruženja u široko aspektnom smislu i ostali modovi. Najčešće iskazane aplikacije kao razlozi pret-hodno detektovanih modova kritičnosti su: Meha-nički lomovi komponenata i sklopova, različite su-pozicije tipičnih i netipičnih deformiteta, savijanja, izvijanja, izduženja, smicanja, kidanja, zakošenja, naprsline materijala na komponentama, pukotine, lunkeri nastali pri livenju komponenata, skrivene mane materijala, korozija komponenata usled toksikološki agresivne sredine ili vremenskih uslova, habanje komponenata /pri čemu dolazi do zagreva-nja/, grejanja pojedinih komponenata u radu kao posledica loše projektovanih tehničkih uslova, palje-nje komponenata pri radu /guma/, ostale tipične i netipiče destrukcije. Kao svake definisane i usvojene strategije,/ pa i strategija rizika i rizičnih događanja u preradi uglja/, nose u sebi određene rizike i opasnosti pre svega u kontekstu njihovog praktičnog veri-fikovanja i generisanja pozitivnih rezultata koji se očekuju. Sada ovde imamo supoziciju da strategija rizika ulazi u područje novih rizika za koje je potrebna ponovna adekvatna strategija, kao i zonu u kojoj nastaju sinergetski efekti sume rizika što dodatno usložava problem, kako je to prikazano na slici 5. U određenom smislu to može biti hendikep ali i realno nova šansa za agresivniji nastup u sužavanju generisanih relacija, veza rizika i rizičnih događanja za proces prerade uglja. Varijabla vreme je veoma bitna kategorija za ostvarenje definisane strategije u pozicioniranju i analizi rizika, odnosno brzina reakcije kao odgovora na kritičnost. Ukoliko je reakcija brza, kao forma odgovora na rizik, uvažavajući strategijski definisane metode i modele, to su u celini veći izgledi za stabilizovanje, harmonizaciju i pouzdaniji rad tehnoloških procesa za preradu uglja. Proces zaštite na radu je u svim zonama sistema za preradu uglja, ali treća platforma na slici 6., je upravo mesto na kome isti mora imati adekvatne i naj agresivnije odgovore, jer se radi o zoni sinergizma rizika, kada realno mogu nastupiti kritičnosti u obimu, čije destrukcije delimično ili potpuno stvaraju blokadu sistema, [4]. Ovde je i granica između stanja u kome imamo šansu da sistem uredimo i povratimo u supoziciju sigurnog i bezbednog rada. Ukoliko to ne uspemo uraditi, sistem može preći granicu/prag haosa i ući u zonu totalne neuređenosti, kada postaje izuzetno teško upravljati istim s obzirom na činjenicu stva-ranja dodatno novih, visokih obima negativnih po-tencijala, koji se teško mogu indentifikovati/de-tektovati ili prepoznati. Slika 6. Realizacija definisane strategije procene i redukciije rizika i lančana reakcija novih kritičnosti u formi i aplikacijama novih rizika i mogucnosti prelaska sistema u stanje neuređenosti/haosa u procesu prerade uglja, [5] 6. MENADZMENT I MENADZERI RIZIKA Saglasno ostvarenju pozicionirane strategije i cilja za što uspešnije poslovanje tehnoloških sistema u rudarstvu, kompanija mora voditi računa o uspostavljanju adekvatne poslovne arhihekture. U jednoj kvaliteno uređenoj poslovnoj arhihekturi nastaje potrebna za pozicioniranjem menadžmenta rizika, totalnog menadžmenta rizika i menadžera rizika. Ovde se posebno naglašava uticaj ne-formalnih relacija, njihovo prepoznavanje u kontek-stu identifikacije potencijalnih poslovnih šansi u internom i eksternom okruženju. Da bi procesi u rudarstvu bili uspešni kompanija mora graditi i stvarati jake eksterne veze i vršiti konstantnu internu usklađenost. Interna usklađenost proizilazi iz sigur-nosti i pouzdanosti svih procesnih činilaca i subje-kata. U tom kontekstu odgovornu funkciju imaju menadžeri rizika. Prvi zadatak menadžera rizika je da deluju na sve procesne učesnike u smislu utemeljenja stra-tegije menadžmenta rizika i totalnog menadžmenta rizika, što bi direktno uslovilo potrebne kvalitete prethodnih određenja, koji bi se realno mogli meriti preko ukupne profitabilnosti. Drugi zadatak bi bio rad na problemima ope-rativnog rizika u procesu prerade uglja. On bi u osnovi bio pozicioniran preko treće bazične funkcije menadžmenta: procesno upravljanje rizikom,[6]. Njegova operatibilnost bi u mnogome zavisila i od ostalih funkcja: planiranje procesne analize rizika, organizovanje u kontekstu izvršenja prethodne funkcije i monitoring, odnosno praćenje i kontrola rizika. Ostvarivanje navedenih funkcija menadž-menta rizikom za tehničko tehnološke procese u rudarstvu je realno potrebno i moguće. Uloga mena-džera rizika se u tom slučaju proširuje na vertikalnom i horizontalnom nivou ka sledećim Slika 5. Prikaz analitičkog toka i rezultata redukcije rizika za neke od identifikovanih, interesantnih aspekata u preradi uglja pravcima: usmeravanje individualnog ili timskog rada u kontekstu sagledavanja svih problema rizika u procesima, razvijanje veština i operacionalizacija standardizovanih tehnika menadžmenta rizika, razvijanje novih tehnika menadžmenta rizika, upravljanje procesnim rizikom, koordiniranje radom grupa i manjim timovima koji su angažovani na rešavanju problema operativnog rizika i drugo[7]. Slika 7. Izgled panela sapočetnim i redukovanim indeksom rizika za Cekicnu drobilicu 243A. Slika 8. Izveštajni modgrafičkogprikaza analize rizika za aspekt TzBZR-Tehničke Zaštite bezbednosti i zdravlja na radu i moguce supozicije rizika za analizirani tehnički sistem osnovnih/baznih procesa u preradi uglja. 7. ZAKLJUČAK LITERATURA U radu je prikazan jedan od mogućih analitičkih i metodoloških pristupa u prepoznavanju, analizi, redukciji kao i preporukama za konstantan moni-toring, okvirnog konteksta problema rizika, za tehničko tehnološke procese u kompanijama ru-darstva. Problem rizika u rudarstvu je uvek postojao ali njegovo racionalno pozicioniranje, adekvatan tret-man, posebno konkretizacija pozitivnih rešenja preko implementiranih aplikacija savremenih stan-dardizovanih modela i metoda u proizvodnoj praksi do danas su dosta retka ili gotovo bez uticaja. Saznanja koja akumuliraju kadrovi kroz obrazovanje i edukaciju do sada, čini se nisu bila dovoljna za kvalitetnije pomake i određenja navedenih pitanja rizika u proizvodnoj praksi rudarstva na našim prostorima. MR-Menadžment rizika, TMR-Totalni menadžment rizika, MrR-Menadžeri rizika: nove kategorije i profili, nova šansa u strateškim određenjima na putu kvalitetne kontrole, monito-ringa, redukcije i upravljanja/menadžmenta rizikom, za potrebe sve turbulentnijih i zahtevnijih traži-šta/potrošača, sistema i tehničko tehnoloških procesa u rudarstvu. [1] Dependability management - Part 3: Appli-cation guide - section 9: Risk analysis og techno-logical systems, 1995 - 12. (3.5), p. 11. [2] Main W. B.: Risk Assessment: Basics and Benchmarks, Design safety engineering, inc, ann Arbor, Michigan, USA, 2005. [3] Manuele A. F.: Designing for Safety, M &M Protection Consultants, New York, 1995, 41- 48. [4] Radosavljevch S.: Statitical model of rese-arch of impacts production on environment chan-ge,Master thesis, Faculty of Organizational Scien-ces, Belgrade, 2005. [5] Radosavljevch S.: Risk evaluation model of work safety process in the section dry separation, Kolubara Prerada, Vreoci, Doctoral dissertation, Faculty of Mining and Geology, Belgrade, Serbia, 2007. [6] ISO 12100-2/EN 292-2, Part 2.: Safety of machinery-Basic concepts, General principles for design, Technical principles, 2003. [7] ISO 12100-1/EN 292-1,Part 1.: Safety of machinery-Basic concepts, General principles for design, Basic terminology, methodology, 1999. [8] Ignjatović D., Knežević D., Kolonja B., Lilić N., Stanković R.: Upravljanje kvalitetom uglja, RGF Beograd, 2007., str. 132-133. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Радови Alternative Title An alternative name for the resource. The distinction between titles and alternative titles is application-specific. Naucni radovi Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Provenance A statement of any changes in ownership and custody of the resource since its creation that are significant for its authenticity, integrity, and interpretation. The statement may include a description of any changes successive custodians made to the resource. Радови Mediator An entity that mediates access to the resource and for whom the resource is intended or useful. In an educational context, a mediator might be a parent, teacher, teaching assistant, or care-giver. Томашевић Александра Китановић Оливера Title A name given to the resource Аспекти управљања ризиком у рударству Alternative Title An alternative name for the resource. The distinction between titles and alternative titles is application-specific. RS_Aspekti upravljanja rizikom u rudarstvu Subject The topic of the resource ризик поузданост сигурност технички систем угаљ рударство менаџмент ризика менаџер ризика Description An account of the resource У овом раду се презентирају неки од аспеката и практичних искустава управљања ризиком за комплексне техничко технолошке системе у рударству са посебним освртом на прераду угља. Контрола и управљање ризиком радних места постаје централна категоријална варијабла логистичке операбилности топ менаџмента у контексту генерисања квалитетних стратешких одлука у дугорочном смислу са циљем сигурног, поузданог, безбедног и профитабилног рада уз остварење задовољства корисника производа, услуга и запослених. Creator An entity primarily responsible for making the resource Радосављевић Слободан Publisher An entity responsible for making the resource available Висока техничка школа струковних студија Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource application/pdf Language A language of the resource српски Type The nature or genre of the resource text Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context AT-42706-0118 ISSN 1451-1975 менаџер ризика менаџмент ризика поузданост ризик рударство сигурност технички систем угаљ http://romeka.rgf.rs/files/original/Doktorske_disertacije/DD_Petrovic_Dejan/DD_Petrovic_Dejan.2.pdf e0907f4b5cdd8feeeffdd4f7fcca5e2f PDF Text Text УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРAДУ РУДAРСКО – ГЕОЛОШКИ ФАКУЛТЕТ Дејан В. Петровић РАЗВОЈ АЛГОРИТМА ПРОЦЕНЕ ЕФЕКАТА РИЗИКА РАДА РУДАРСКИХ МАШИНА НА БАЗИ ФАЗИ АЛГЕБРЕ Докторска дисертација Београд, 2014. Ментор: др Милош Танасијевић, ванр. проф., Нафтно рударство, механизација и аутоматизација у рударству, Универзитет у Београду, Рударско-геолошки факултет Београд чланови комисије: др Никола Лилић, ред. проф., Рударство, безбедност и заштита на раду, заштита животне средине, Универзитет у Београду, Рударско-геолошки факултет др Дејан Ивезић, ред. проф., Нафтно рударство, механизација и аутоматизација у рударству, Универзитет у Београду, Рударско-геолошки факултет др Предраг Јованчић, ванр. проф., Нафтно рударство, механизација и аутоматизација у рударству, Универзитет у Београду, Рударско-геолошки факултет др Витомир Милић, ред. проф., Рударство и геологија Универзитет у Београду, Технички факултет у Бору Датум одбране: 2014. РАЗВОЈ АЛГОРИТМА ПРОЦЕНЕ ЕФЕКАТА РИЗИКА РАДА РУДАРСКИХ МАШИНА НА БАЗИ ФАЗИ АЛГЕБРЕ ИЗВОД Појава изненадних отказа елемената техничких система у рударству је свакодневна појава. Опасност односно вероватноћа настанка или појаве ризичног догађаја и величина његових последица представља простор на коме треба стално радити, применити различите приступе и начине сагледавања утицајних чинилаца на појаву нежељеног ризичног догађаја. Посебна пажња се треба посветити сагледавању озбиљности последица ризичног догађаја као и њихов утицај на даље функционисање техничког система, запослене и радно окружење. Неопходно је спровести низ организационих и техничких мера на утврђивању слабих и критичних места у систему и изналажењу узрочника настанка отказа у циљу смањења негативних ефеката ризичног догађаја. Докторска дисертација са наведеним насловом презентује резултате истраживања ризика отказа техничких система у рударству. Циљ овог истраживања јесте развој алгоритма за имплементацију ефеката ризика односно вероватноће настанка последице непланираног застоја, отказа, хаваријске ситуације у раду машине на: конструкцијску структуру саме машине, технолошки процес производње у коме учествује и радну и животну средину у синтезни модел оцене нивоа ризика рада одговарајуће машине која ради у рударској индустрији. Резултат истраживања ове дисертације јесте теоријски дефинисан поступак анализе ефеката ризика отказа код машина и техничких система у рударству. Применом и комбинацијом постојећих статистичких и аналитичких метода и поступака за анализу ризика и одређивање нивоа поузданости, као циљ рада направљен је универзалан модел којим се одређује ниво ризика и поузданост техничких система. Применом теорије фази скупова и фази логике у комбинацији са статистичким методама обрађени су подаци о отказима, анализирани су озбиљности штетног деловања случајног догађаја, времена између отказа исте врсте и предвиђене последице које се могу појавити као резултат негативног деловања хаварија на околину и запослене. Представљени модел процене ризика заснован на фазилогичком закључивању приказан је на примеру мобилне дробилице „Lokotrack LT1213S“, која ради на каменолому „Ладне воде“ код Петровца на Млави. Развијени модел представља нов методолошки приступ процене ризика отказа техничких система. Кључне речи: ризик, поузданост, технички систем, рударство, рударске машине, отказ, фази скупови, фази логика Научна област: Рударско инжењерство Ужа научна област: нафтно рударство, механизација и аутоматизација у рударству УДК:004.43:007.5 510.64+512.53:519.237/.87 614.8:621:622/.23.05 669:681.3 (043.3) 1. УВОДНА РАЗМАТРАЊА 1.1. Увод Експлоатација лежишта минералних сировина без употребе савремених машина и опреме је готово незамислива. Рударске машине представљају један од најсложенијих техничких система у индустрији уопште. Одликују се великом инвестиционом вредношћу, раде у сложеним условима и скупим технолошким процесима, носе доста велики ризик по радну и животну околину. Процена нивоа ризика непланираних застоја, односно хаваријских ситуација, један је од најбитнијих системских задатака при експлоатацији и одржавању ових техничких система. Управљање, контрола и праћење ризика отказа техничких система у рударству јесте веома сложен и комплексан задатак. Да би се уопште могло приступити управљању ризицима непроходно је предузети опсежне системске и организационе мере како би се упознали са свим могућим негативним и деструктивним чиниоцима који утичу на квалитетно функционисање техничког система. Само добро познавање система у техничком и технолошком смислу, начин функционисања и узајамне везе са другим системима, може допринети квалитетној оцени ризика од отказа појединих компоненти система. Посебну пажњу треба посветити чиниоцима који доводе до ризичног догађаја, као и последицама као негативни ефекти који се манифестују након отказа. Последице отказа могу имати негативан утицај по сам технички систем, на запослене раднике и животно окружење. Негативан утицај отказа појединих компоненти на технички систем огледа се у смислу смањења пројектованих функционалних способности система или тоталног престанка рада. Последице отказа дела или целог техничког система негативно утичу на запослене раднике повећавајући шансу да се угрози њихова безбедност на радном месту, да дође до физичког повређивања или појаве штетности које могу утицати на њихово здравље. Појава акцидентних ситуација, као последица отказа, често има негативан утицај на животну средину у близини рударских комплекса. Бука, вибрације, цурење отровних гасова, течности и загађених вода јесу најзаступљенији видови штетног утицаја отказа на животно окружење. Дефинисање политике управљања ризиком у рударству треба да допринесе квалитетнијем радном окружењу, безбеднијим условима за рад и сигурнијем и поузданијем функционисању техничког система. С тим у вези, неопходна је детаљна анализа техничког система са аспекта ризика и поузданости кроз примену постојећих метода и модела за њихову процену или развој и имплементацију нових алгоритама. 1.2. Предмет и циљ истраживања Предмет истраживања ове дисертације је дефинисање поступка анализе ефеката ризика отказа код машина и техничких система у рударству. Идеја је да се применом и комбинацијом постојећих статистичких и аналитичких метода и поступака за анализу ризика и одређивање нивоа поузданости, као циљ рада направи модел и утврди ниво ризика и поузданост мобилне дробилице „Lokotrack LT 1213S“, која се користи на каменолому „Ладне воде“ код Петровца на Млави. Применом теорије фази логике могуће је да се обраде подаци о отказима на дробилици, анализирају озбиљности штетног деловања случајног догађаја, времена између отказа исте врсте и предвиде последице које се могу појавити као резултат негативног деловања хаварија на околину и запослене. Предмет истраживања ове дисертације обухвата три јасно изражена сегмента: - Рударске машине тј. значај ових машина у процесу експлоатације минералних сировина; - Појам ризика и његових сегмената и - Системски приступ одржавању и експлоатацији техничких система. Циљ истраживања ове дисертације јесте развој алгоритма за имплементацију ефеката ризика односно вероватноће настанка последице непланираног застоја, отказа, хаваријске ситуације у раду машине на: конструкцијску структуру саме машине, технолошки процес производње у коме учествује, радну и животну средину у синтезни модел оцене нивоа ризика рада одговарајуће машине која ради у рударској индустрији. 1.3. Полазне хипотезе Истраживање које је реализовано овом дисертацијом, заснива се на неколико поставки: - Рударске машине носе саме по себи велики ризик с обзиром на индустрију чији су неoдвојиви сегмент. - Појава непредвиђених отказа, хаваријске ситуације и слично, изазивају физичко пропадање техничког система, застој производње – експлоатације минералних сировина и негативан утицај на радну и животну средину. - Концепцијскa и математичка спрегa феноменa поузданости – непоузданости и ефекта – последица у алгоритам процене ризика, као синтезног показатеља наведених феномена, представља врло значајан елемент доношења одлука везано за управљање рударском производњом. Синтеза наведених поставки даје полазну хипотезу која гласи: За поуздан рад машина у рударству уз најмање могуће ризике, потребно је извршити детаљну анализу техничког система познатим методама, утврдити слаба места, штетне утицаје и њихове ефекте и дефинисати мере које треба предузети да би се систем што дуже задржао у оперативном стању и обављао функцију за коју је намењен, без негативних последица по функционалну целину коју чини као и радну и животну околину. 1.4. Примењене методе истраживања Избор научних метода које су коришћене у дисертацији је директно везано и условљено постављеним циљевима, односно решавањем постављених проблема, пре свега у смислу одређивања нивоа ризика и: - Структуре међусобне зависности утицајних чинилаца на ризик, који су одређени на основу правила фази алгебре, конкретно коришћењем правила фази композиције и фази логике. - Интензитета утицајних чинилаца на ризик, законитости расподеле отказа, поузданости техничких система у рударству, применом теорије фази скупова и теорије поузданости, односно теорије вероватноће и статистичких метода. - Анализе ефеката ризика и отказа појединих делова на функционисање техничког система у целини, на раднике који опслужују машину и на животну средину. Да би се приступило развоју употребљивог алгоритма процене ризика за сложене техничке системе као што су рударске машине, неопходно је било упознавање са постојећом литературом из области процене ризика и важећим стандардима који дефинишу процену ризика и управљање ризицима, теорије фази скупова и фази логике и досадашњим истраживањима која су се бавила проценом ризика отказа техничких система у рударству. Након детаљне анализе постојеће литературе и разматрања недостатака постојећих метода приступило се формирању синтезног модела процене ризика отказа техничких система у рударству. Функционалност предложеног модела доказана је на примеру мобилне дробилице, на основу прикупљених података о отказима поменуте дробилице за временски период од две године. 2. ТЕОРИЈСКА АНАЛИЗА ФЕНОМЕНА РИЗИКА И ПОУЗДАНОСТИ Ризик и поузданост техничких система су узајамно повезани показатељи који третирају појаву и последице отказа елемената техничких система. Анализа ризика обухвата и поузданост, односно непоузданост система која је условљена појавом неисправности у систему. Ризик представља вероватноћу да ће се десити негативне последице на техничком систему или окружењу истог услед отказа, док је поузданост вероватноћа да ће технички систем радити без отказа у одређеном временском периоду. Озбиљност проблема отказа техничких система и ефеката – последица потврђује и чињеница да се истраживања на ову тему у континуитету спроводе од после Другог светског рата, а нека истраживања поузданости рађена су и за време самог рата за потребе војне индустрије. Првa стручнa конференцијa на тему опасности и превенције губитака ресурса техничких система, према (Kletz 1999), одржанa је 1960. године у Манчестеру, а на иницијативу Америчког института за хемијско инжењерство одржан је први симпозијум о превенцији губитака 1967. године и прва Европска конференција 1971. године у Њукаслу (Newcastle). Према (Keller i Modarres, 2005) прва стручна књига из ове области издата је почетком шездесетих година прошлог века под називом „Систем поузданости и анализа ризика“ (System reliability and risk analysis) аутора Ернеста Франкела (Ernst Frankel) професора са државног универзитета Северне Каролине. Даљи развој теорије ризика и поузданости пратио је развој нуклеарне, авио и свемирске индустрије, за чије потребе су рађена и прва послератна истраживања. Досадашња истраживања из области теорије ризика и поузданости показују различите приступе, дају различите моделе али сва имају исти циљ, а то је: утврђивање критичних елемената система, подсистема и склопова, одређивање законитости појаве отказа, одређивање нивоа ризика и мера које треба предузети да систем задржи своје пројектоване функционалне карактеристике. Неометан рад рударских машина без застоја захтева опсежне мере на истраживању, анализи и планирању квалитетног систематског одржавања да би машина задржала своје функционално стање дужи временски период. Прекид рада једног елемента или дела система најчешће је праћен прекидом рада производног процеса. Познато је да, код сложених техничких система, и поред квалитетно организованог система за праћење рада и одржавања, долази до отказа појединих елемената који могу имати негативне последице по машину, запослене и животно окружење. Теорија ризика и поузданости развијене су са циљем да се утврде критична и слаба места у систему, да се одреди ниво ризика и поузданости како би се на основу оцена деловало у циљу смањења броја отказа техничких система у рударству као и смањењу евентуалних последица. 2.1. Теорија ризика 2.1.1. Дефиниција ризика Појава изненадних отказа делова техничких система са негативним последицама у рударству је свакодневна појава. Негативни утицаји отказа могу бити по сам технички систем, запослене или радно окружење. Догађаји такве природе, који у случају да се десе могу изазвати негативне последице, називају се ризичним догађајима. Ово се може уопштити, па може се рећи да догађај који има могућност утицаја на испуњење задатих циљева (спречавање, онемогућавање или успоравање постизања задатог циља) може се сматрати ризичним догађајем. Ризик се може дефинисати као комбинација вероватноће неке појаве или догађаја и њихове последице у заокруженом систему у одређеном временском интервалу, што значи да је ризик стохастична појава. У најширем смислу ризик представља потенцијалну прилику да се деси догађај са негативним последицама. Негативне последице могу се сагледати у материјалном смислу као губитак добара и финансијском смислу кроз додатне финансијске издатке за отклањање последица ризичног догађаја. Последице отказа делова техничких система негативно утичу на сам технички систем смањујући му функционалност и на запослене раднике који су изложени штетном утицају негативних дејстава отказа. Поред тога, последице отказа могу имати негативан утицај и на животну средину па може доћи до контаминације воде, земљишта или ваздуха. Ризик је неизбежан у сваком сегменту људске делатности као и неизвесност која је нераздвојива од ризика и представљају у извесном смислу апсолутну вредност. Међутим, на изложеност ризику могуће је утицати и контролисати је, то је променљива која утиче на ниво и степен ризика. У последњих двадесетак година велика пажња посвећена је ризику од отказа техничких система. Донети су и међународни – европски стандарди, међу њима и интернационални стандард (IEC 300-3-9, 1995), који дефинише анализу ризика у технолошким системима. Према овом закону, ризик се дефинише као комбинација учесталости, вероватноће догађаја и последица одређене опасне ситуације или догађаја. Новији стандард о управљању ризицима је (ISO 31000, 2009) и према њему ризик се дефинише као шанса да ће се нешто десити и да ће то имати утицаја на објекат. Ризик се према истом стандарду приказује као комбинација потенцијалног догађаја и последица повезан са вероватноћом његове појаве. Међународни приручник који обухвата дефиниције везане за ризике (ISO GUIDE 73, 2009) дефинише ризик као „ефекат неизвесности у односу на циљеве“. Овај приручник објашњава да ефекат може бити позитиван или негативан или да ефекат ризика представља одступање од очекиваног. У пословном речнику (Business dictionary, URL) пише да ризик представља вероватноћу или опасност од оштећења, повреде, изложености, губитка или других негативних појава које настају услед спољашњих или унутрашњих слабости система, који се може неутралисати путем превентивног деловања. У нашем стандарду о безбедности машина (SRPS EN ISO 12100, 2012) ризик се дефинише као комбинација вероватноће да се догоди повреда (штета) и озбиљност те повреде. Наравно, постоји више дефиниција ризика према разним ауторима. Према (Radosavljević, 2010) вероватноћа настанка нежељених догађаја и очекивана величина последица у заокруженом систему током утврђене дужине временског интервала се у анализи система разматра и дефинише као ризик. Аутор (Williams, 2000) ризик дефинише као вероватноћу одређеног нежељеног догађаја који се десио у наведеном периоду и при одређеним околностима. Ризик је, према (Starčević i dr., 2010), могућност губитка или повреде, односно могућност реализације нежељене последице неког догађаја. Генерално све дефиниције ризика укључују вероватноћу настанка нежељеног догађаја и обим штете који се њиме изазива. Гледано са аспекта отказа техничких система у рударству може се рећи да се ризиком сматра вероватноћа појаве одређене врсте отказа унутар техничког система (технолошког процеса, машине, подсклопа или елемента) и да ће таква врста отказа оставити негативне последице на процес експлоатације, животни век машине, запослене и животно окружење. 2.1.2. Анализа ризика Основу за анализу ризика и поузданости чине емпиријски подаци праћења рада посматраних техничких система. На основу квалитетно прикупљених података могуће је извршити анализу и одредити нивое опасности и критична места у систему. Системско коришћење информација како би се идентификовали извори и да би се проценио ниво ризика у (ISO GUIDE 73, 2009) дефинише се као анализа ризика. У објашњењу се каже да анализа ризика даје основе за оцену нивоа ризика, третман и прихватљивост ризика. Информације које се користе при анализи ризика могу бити статистички подаци, теоретска анализа, експертска мишљења итд. Анализа ризика састоји се од одређивања последица и њихове вероватноће појављивања за идентификовани ризични догађај, узимајући у обзир постојање или непостојање ефикасне контроле. Последице и њихове вероватноће се затим комбинују да би се утврдио ниво ризика. Анализа ризика обухвата и разматрање узрока и извора ризика, последице ризичног догађаја и вероватноћу да може доћи до те последице и фактора који утичу на догађај. Догађај може имати вишеструке последице и може да утиче на вишеструке циљеве. Анализа ризика обично укључује и процену опсега потенцијалних последица које могу настати из једног догађаја, ситуације или околности, као и њихових повезаних вероватноћа са циљем да се измери ниво ризика (IEC 31010/FDIS, 2009). 2.1.3. Процена ризика Суштина процене ризика јесте да се утврди ниво ризика и да се њиме управља. Ако је ниво ризика неприхватљив треба предузети одређене мере како би се ризик свео на ниво прихватљивог. Наравно, не постоји технички систем који функционише и у коме је ниво ризика услед отказа појединих делова система једнак нули. У свим техничким системима који су укључени у технолошки процес, постоји ризик од отказа дела или целог система, који може изазвати повреде запослених, губитке услед застоја и финансијске издатке за довођење система у радно стање. Такође, системи у којима се користе штетне и опасне материје, могу негативно утицати и на животну средину. 2.1.4. Управљање ризиком Квалитетно и стручно управљање ризицима обезбеђује јасан стратешки приступ идентификацији ризика, контроли и смањењу нивоа негативних ефеката ризичног догађаја. Таквим приступом стварају се услови да се одреди приоритет и предузму одговарајуће мере у одговарајућем делу система, како би се смањила штета и финансијски губици. Управљање ризиком има и друге предности за организације, укључујући чување ресурса, имовине, прихода и људи. Управљање и контрола ризика у техничким системима је сложен процес и садржи велики скуп мера и активности. Менаʇмент ризиком је нова дисциплина развијена као потреба да се управља ризицима, не само у технолошким процесима, већ и у саобраћају, економији, финансијском сектору и др. Развијен је читав низ метода и поступака за оцену и управљање ризиком. Према (Joy, 2004), за приступ управљања ризиком карактеристичне су четири фазе: 1. идентификација ризика – идентификовање опасности или ситуација које имају потенцијал да изазову штету или губитке. Понекад се зову и нежељени догађаји; 2. анализа ризика – анализа обима ризика који може проистећи из нежељеног догађаја; 3. управљање ризиком – одлучивање о одговарајућим мерама за смањење и контролу неприхватљивог ризика; 4. имплементација, контролна мерења и одржавање пројектованог нивоа ризика. Аустралијски стандард о управљању ризиком (AS/NZS 4360, 1999) даје кораке које треба следити при управљању ризиком: - дати објашњења проблема, - идентификовати ризике, - анализирати ризике, - процена и приоритизација ризика, - третирање ризика и - мониторинг и контрола ризика. Од горе наведених фаза управљања ризиком најбитније је препознати потенцијалне опасности, односно пронаћи критична места у систему, и утврдити њихов ниво ризика од отказа тог дела или целог техничког система. Од тога зависе и мере које ће се предузети за смањење ризика критичних делова. Аутори (Radosavljević i dr., 2009) указују на потребу за управљањем ризицима у рударству, аналитичким и методолошким приступима третирати ризик у циљу идентификације, смањења и константног праћења параметара ризика. Циљ и потреба за истраживањем везано за анализу, смањење и праћење ризика, практично се за рударство препознаје кроз: - Развој методологије за анализу процеса и система; - Развој критеријума и процеса за увођење стандарда који би били од помоћи при оцени ризика техничких система; - Развој методологије за оцену аспеката утицаја свих идентификованих деструктивних потенцијала технолошких комплекса и - Оцену постојећих стања система или процеса, као и оцену потребе за делимичним или потпуним редизајнирањем и унапређењем система. Према (Radosavljević i dr., 2009) резултати развоја и примена метода за оцену ризика у домаћој пракси, могу се окарактерисати тиме да постоје прописи који креирају добре услове за промену постојећег стања позиционирања, управљања и праћења ризика са аспекта рударске индустрије и примену стандардизованих метода и модела заједно са добрим искуством других. При управљању ризиком треба се осврнути и проучавати ризик како са економског аспекта, тако и са аспека заштите запослених од изложености опасностима (Niczyporuk, 1997). Према поменутим ауторима, ризик се у основном облику разматра као комбинација вероватноће настанка догађаја и ефеката, односно последица, а ниво ризика рачуна као производ вероватноће догађаја и губитака приказаних кроз економску вредност. Ограничења ризика односно границе прихватљивог ризика за поједине врсте повреда и ниво ризика одређује се зависно од вероватноће појављивања односно од учесталости акцидентних ситуација за одређени временски период. За процес анализе ризика аутори предлажу следеће елементе: идентификација опасности, процена ризика (процена вероватноће појављивања и процена висине губитака), процена нивоа ризика, управљање ризиком (елиминација ризика, смањење ризика, задржавање нивоа ризика, пренос ризика) и праћење ризика – мониторинг. Према (Grassi i dr., 2009) најважнија активност при процени ризика јесте задатак оцене нивоа ризика, али упркос важности, ни националним ни међународним стандардима и регулативама није дефинисана стандардна процедура за оцену истог, остављајући компанијама слободу да усвоје приступе њима прихватљивим. Као последица, компаније се обично одлучују за примену једноставних метода, уз помоћу којих често не постоји могућност сагледавања свих важних аспеката, нити се дају прецизне оцене опасних ситуација. Неминовно се може закључити да процес управљања ризиком представља незаобилазни поступак који мора паралелно да се позиционира са свим осталим активностима у једном предузећу. У зависности од делатности којом се предузеће бави, неопходно је да се развије читав низ процедура усаглашених са важећим стандардима из предметне области које чине алгоритам управљања ризиком. У том смислу, рударство представља једну од најкомплекснијих грана индустрије с обзиром на сложеност технологије и коришћене механизације, трошкове непланираних застоја, радно окружење у којем је позициониран технолошки процес. Специфичност радних услова у којима се у рударству ради и међуодноса између машине и радне и животне средине као и утицај нежељених отказа на даљу функционалност машине и целог техничког система намеће потребу за сталним праћењем и управљањем ризиком. Применом и комбинацијом постојећих и развојем нових метода за процену ризика и њиховом имплементацијом у рударске техничке системе ствара се повољна атмосфера за управљање ризицима. 2.2. Поузданост техничких система Поузданост је вероватноћа, на одређеном нивоу поверења, да ће систем успешно обавити функцију за коју је намењен, без отказа и у оквиру задатих граница функционисања, током траженог времена; када се при томе користи на прописан начин. Поузданост се изражава као број између 0 и 1 или између 0 и 100%. Поузданост се може представити као однос између броја успешно обављених задатака система у односу на укупан број задатака којима је систем изложен. У случају да за било који тренутак времена систем иза себе има све успешно обављене задатке, поузданост је 1, односно 100 %. Машине и технички системи који се данас примењују у рударству након неког периода од увођења у процес губе своју функционалност, делимично или потпуно, због отказа појединих елемената. Последице отказа су застоји у производњи, губици који се при томе јављају, трошкови замене и друго. Да би такав сложен технички систем радио дужи временски период без застоја, неопходно је предузети опсежне мере на истраживању, анализи и планирању квалитетног систематског одржавања да би се тај систем одржао у функционалном стању дужи временски период. Прекид рада једног елемента или дела система најчешће је праћен прекидом рада производног процеса. Сваки застој у производњи носи са собом одређене трошкове, који у већини случајева нису занемарљиви, због прекида у производњи и губитака услед кашњења са прозводним планом. Теорија поузданости развијена је са циљем да се повећа период времена за који ће машина бити у раду, тј. у функционалном стању, кроз анализу и праћење техничког система у раду и евидентирање података о отказима. Према (Milčić, 2005; Ivković, 1997; Majdandžić, 1999) прва испитивања поузданости започела су прикупљањем података о отказима појединих елемената авиона тридесетих година прошлог века. Сви технички системи су пројектовани да успешно обављају своју функцију неки временски период без отказа. За систем који ради без отказа и застоја каже се да је поуздан систем. Уобичајна дефиниција поузданости која се може наћи у литератури гласи: поузданост је вероватноћа, на одређеном нивоу поверења, да ће систем успешно, без отказа, обавити функцију за коју је намењен, унутар специфицираних граница перформанси, у току специфицираног времена трајања задатака, када се користи на прописани начин и у сврху за коју је намењен, под специфицираним нивоима оптерећења, узимајући у обзир и претходно време коришћења система. Сличну, само краћу дефиницију, дао је и (Ivković, 1997): поузданост је вероватноћа, на одређеном нивоу поверења, да ће систем успешно обавити функцију за коју је намењен, без отказа и унутар спецификованих перформанси, узимајући у обзир претходно време коришћења. Аутор (Ramović, 2005) даје дефиниције из стандарда појединиих земаља. На пример: - Према руском стандарду (ГОСТ) поузданост се дефинише као својство објекта да испуњава задате функције и одржава вредност експлоатационих параметара током времена у задатим границама, које су одређене задатим режимима и условима коришћења, техничког опслуживања, ремонта, складиштења и транспорта. - Према америчком MIL стандарду, под поузданошћу се подразумева вероватноћа да ће неки предмет своју наменску функцију обављати у датом временском интервалу, под задатим условима. - Немачки стандард DIN дефинише поузданост као способност неког производа или робе да задовољи, у току примене, условљене захтеве који се постављају у погледу понашања или одржавања њихових особина за дужи временски период. (Mijajlović i Milčić, 2009) посебну грану технике, која се бави поузданошћу називају инжењерством поузданости и према њима поузданост је: • мера остварења намене неког система у односу на време; • капацитет елемента или система да се понаша као што је пројектован; • отпор система појави отказа; • способност елемента или система да не откаже непоправљиво; • вероватноћа безотказног рада елемента или система. Према (Barabady, 2005) поузданост производа представља меру способности да изврши захтевану функцију у предвиђеном времену и окружењу. Поузданост је значајан фактор у планирању, дизајнирању и раду инжењерских система. Као што се број и комплексност рударске опреме повећава, утицај отказа опреме постаје све више критична, непланирани откази могу да проузрокују знатно више трошкове поправке од планираног одржавања или поправке. Од још веће важности је губитак производње повезан са отказом опреме. Један од начина да се ублажи утицај отказа је да се побољша поузданост опреме. Поузданост је показатељ учинка укупне опреме. Поузданост се може дефинисати на више начина, а суштина је да поузданост представља вероватноћу да ће систем успешно обавити задату функцију, без отказа. Са економске тачке гледишта поузданост је мера за смањење трошкова одржавања система. Основни циљ система поузданости, према (Distefano i Puliafito, 2009), јесте формирање модела који би представљао време до отказа посматраног система, заснован на расподели времена отказа делова, подсклопова и склопова из којих се систем састоји. Потреба за одржавањем техничких система проистиче из њихове подложности отказивању у току њихове експлоатације, што у суштини представља реално обележје свих механичких система. Инжењерство одржавања техничких система у својој делатности посебно узима у обзир теорију поузданости. Теорија поузданости развијена је за потребе војне индустрије током II светског рата. Важност теорије поузданости и инжењерства одржавања техничких система са система наменске индустрије (првенствено ваздухопловство и електронски системи) пренет је и на друга подручја технике (аутомобилска индустрија, енергетика и процесна техника, производни системи, транспортни системи, механизација у областима индустрије) (Papić i Milovanović, 2007). 2.2.1. Поузданост техничких система у рударству Техничким системом се може сматрати скуп елемената, уређаја или машина повезаних у логичку целину који обављају пројектовану функцију. У рударству се користи читав низ техничких система који своју примарну функцију обављају у домену експлоатације, прераде минералне сировине, транспорта итд. Машине које се данас примењују у рударству су доста сложене по својој конструкцији па се могу сматрати засебним техничким системима. Отказом техничког система сматра се престанак обављања задате функције за коју је пројектован. Откази према (Ivković, 1997; Milčić, 2005), могу бити потпуни и делимични. Код потпуних отказа технички систем престаје са радом, док код делимичних отказа не долази тренутно до престанка са радом већ се постепено смањују пројектоване радне карактеристике система за обављање пројектоване функције. Потпуни и делимични откази техничких система према брзини настајања могу бити изненадни и постепени, где се, према Milčić (2005), изненадни откази категоришу као катастрофални, а постепени као деградациони. Технички систем или елеменат техничког система који се након отказа не може поправити назива се непоправљивим, док делове техничког система којима се након отказа може вратити функционалност називамо поправљивим системима. Технички системи код којих функционалност опада са временом рада могу се категорисати као временски зависни системи. У колико систем обавља пројектовану функцију независно од дужине времена рада, ̯акви системи се могу категорисати као временски независни системи. Као један од основних захтева код рударских машина које раде у континуалним системима експлоатације поставља се што мањи број непланираних застоја. Овакве застоје обично изазивају откази критичних елемената у систему и у највећем броју случајева за последице имају изражену новчану димензију. У том смислу врло је битно да се постави квалитетан дијагностички систем надзора како би се идентификовали делимични откази који наговештавају застој и како би се формирала временска слика стања која даје зависност интензитета отказа и времена рада, односно дефинише вероватноћу да се појави отказ у догледном времену. 2.2.2. Показатељи поузданости и одређивање поузданости Одређивање поузданости се заснива на процени и истраживању најкритичнијег елемента, односно слабе тачке у том систему, кроз постављање утицајних основних и допунских критеријума истраживања и утврђивање ранга критичних елемената техничког система и њихово сумирање (утврђивање и упоређивање преко методе рангирања). Такође, одређивање поузданости се заснива на оптимизацији начина обезбеђења поузданости уз анализу њихових унутрашњих и спољашњих веза, анализи узајамне повезаности захтева за поузданошћу делова, односно система у целини и укупних трошкова за њихово обезбеђење, као и прогнози оптималне поузданости сложених техничких постројења. Данашњу етапу развоја и експлоатације сложених техничких система карактерише повећан степен сложености како саме технолошке шеме тако и конструкције појединих склопова и елемената опреме, што има за последицу појаву већег броја питања везаних за обезбеђење и пораст поузданости система у целини. Од рада и понашања при експлоатацији сваког од елемената система зависи и крајња радна повезаност и способност система у целини. Полазећи од применљивих метода за ове анализе и критеријума једноструких отказа, могуће је поузданост сложених техничких система одредити кроз њихово рашчлањивање на саставне елементе, уз одређивање одговарајућих параметара поузданости и расположивости коришћењем статистичке анализе и уочавањем и дефинисањем међусобних веза или утицаја појединих елемената на систем у целини. Према (Mijajlović i Milčić, 2009), теорија поузданости се базира на теорији вероватноће и математичке статистике и третира бинарно стање у коме елементи могу да се нађу – у стању рада или у стању отказа. Међутим, код поузданости машина не може се сагледавати само бинарно стање, већ треба укључити и међустања за које је најбољи пример делимичан отказ система. Према томе, одређивање поузданости како елемената, тако и система, захтева експлицитне вредности почетка рада, времена у раду, тренутак отказа итд., односно теорија поузданости даје онолико прецизне вредности колико су прецизни подаци који се користе. Проблем који се инжењерима поузданости намеће, јесте „статистички материјал“ – односно недостатак података неопходних за одређивање поузданости. Анализа понашања техничког система у погледу поузданости најбоље се приказује временском сликом стања (Слика 2.1.), на којој се времена рада t, смењују са временима у отказу , при чему се повремено појављује и временски период дужине , када се систем налази у застоју, нпр. због радова превентивног одржавања. Слика број 2.1 Временска слика стања (Ivković, 1997) Теорија поузданости се бави интердисциплинарном применом вероватноће, статистике и стохастичког моделирања, у комбинацији са инжењерском проницљивошћу у конструисању и научним схватањем механизма грешака, а у циљу изучавања различитих аспеката поузданости (Lazarević, 2006). Према (Lazarević, 2006; Mijajlović i Milčić, 2009), задаци теорије поузданости су: - моделирање поузданости, - анализа и оптимизација поузданости, - инжењеринг поузданости, - наука о поузданости, - технологија поузданости и - управљање поузданошћу. Аутори (Kumar i dr., 1989) радили су на истраживању и одређивању поузданости дизел утоварно – транспортних машина у подземној експлоатацији. Према ауторима, на поузданост рударске опреме утичу различити фактори, међу којима истичу: - стварни дизајн опреме, поузданост која се може постићи условљена је одговарајућим дизајном примењене опреме; - колико добро се опрема одржава, свака планска или непланска оправка, квалитет оправке има утицаја колико ће машина радити пре следеће оправке. Овде се узима у обзир и квалитет израде и замене резервних делова; - радни услови, укључују окружење и оперативне задатке. Аутор (Barabady, 2005) у свом раду испитује поузданост и погодност одржавања дробиличног постројења и као главне предмете истраживања наводи: - повећање разумевања модела природе отказа комплексне рударске опреме и - процену поузданост и погодност одржавања дробиличног постројења уквантитативном смислу и откривање критичних подсистема који захтевају даље унапређење кроз ефективно одржавање. Сврха истраживања поменутог аутора је побољшање поузданости рударских машина и формирање политике поузданости која је заснована на одржавању. Аутор предлаже да, пре анализе података о отказима, постојећи систем подели на подсистеме да би се откази могли категорисати. Такође наводи да се поузданост и карактеристике погодности одржавања делова система могу респективно одредити кроз анализу времена између отказа и времена потребног за отклањање квара. Одређивање поузданости и погодности одржавања дробиличног постројења врши кроз: разумевање система и идентификацију и кодирање подсистема и отказа у њима, сакупљање, сортирање и класификацију података између отказа за сваки подсистем и отказ. У следећој фази ради анализу података за верификацију и оцену расподеле, одабир одговарајуће функције расподеле случајне променљиве за теоретски срачунату вероватноћу, процену параметара поузданости и погодности одржавања сваког подсистема и одговарајућу функцију расподеле и идентификацију критичних подсистема и отказа. У свом раду (Tang, 2001) истиче да је поузданост постала кључни фактор у дизајнирању и раду великих, сложених и скупих данашњих механичких система. Према аутору, највећу улогу у анализи поузданости система има процена поузданости компонената система. Аутори (Saleh i Marais, 2006) наглашавају да су подаци о анализама поузданости и ризика постале важне информације при доношењу одлука у процесу пројектовања техничких система. Предвиђање поузданости се ради са циљем да се докаже да ли компонента или систем задовољава постављене захтеве поузданости система. На основу анализе поузданости могу се утврдити мање поуздани делови система, и на основу тога деловати да би се остварили постављени критеријуми у погледу поузданости, односно како би се побољшала поузданост елемента као дела комлекса, а са тим и поузданост целог система. Проблеми поузданости система могу се, према њима, издвојити у две области: предвиђање поузданости и побољшање поузданости или компонената или целог система. За потребе анализе поузданости као интегралне компоненте ризика развијене су бројне методе. Kim (2011) истиче да су најзаступљеније анализа стабла отказа (FT), блок дијаграм поузданости (RBD), графикони поузданости (RG), Марковљеви ланци, Монте Карло симулација и др. Све методе се генерално могу поделити на квантитативне и квалитативне. Квантитативне методе базирају се на поступцима математичке статистике и теорије вероватноће. Најзаступљеније су Булова теорија и теорија Маркова. Квалитативне методе имају другачији приступ и њиховом применом може се систематски приступити истраживању последица отказа. У ову групу спадају FMEA, FMCEA и анализа стабла отказа (FTA). Као један од крајњих циљева анализе поузданости је утврђивање теоријског закона расподеле случајне променљиве, времена у раду техничког система. Прецизније речено, највиши циљ је да се установи који од познатих теоријских закона расподеле највише одговара емпиријским подацима. Неопходно је прикупити податке о понашању система у одређеном временском периоду, да ли је било отказа, колико често и каква је штета нанета систему, време трајања застоја итд. Основни параметри који су потребни за анализу поузданости јесу подаци о отказима техничких система, машина или склопа у оквиру машине, затим подаци о временима колико је машина била ван функције и време потребно да се машина доведе у претходно – радно стање након отказа. Карактеристике поузданости елемената или система у целини одређују се на основу емпиријских података о временима појављивања отказа. Основни показатељи ризика отказа машина су: учесталост појављивања отказа, вероватноћа појаве отказа, вероватноћа рада система без отказа и интензитет отказа. Сви ови показатељи су у функцији од времена. Прецизније речено, циљ је да се установи који од познатих теоријских закона расподеле највише одговара емпиријским подацима. Неопходно је прикупити податке о понашању система у одређеном временском периоду, да ли је било отказа, колико често и каква је штета нанета систему и околини, време трајања застоја итд. На основу квалитетно прикупљених података могуће је извршити анализу и одредити нивое опасности и критична и опасна места у систему. 2.2.2.1. Показатељи поузданости Основни показатељи поузданости су функција поузданости, функција вероватноће отказа, функција густине отказа и функција интензитета отказа. На бази временске слике стања техничког система, могу да се констатују одговарајући показатељи самог система. Пре свега се уводи следећа једнакост: Поузданост (вероватноћа рада без отказа) добија се експериментом који се врши над N једнаких елемената, под истим условима; после времена t у отказу ће бити N1 елемената, док ће осталих N2 = N – N1 бити још у раду; поузданост се на основу тога изражава као: a вероватноћа отказа, у виду функције отказа, као: односно: Диференцирањем наведеног израза по времену, добија се: - при чему је: f (t) густина расподеле (густина вероватноће појаве отказа) и представља вероватноћу отказа у јединици времена посматраног саставног дела система. Извод p(t ) представља функцију густине вероватноће безотказног рада посматраног саставног дела система. У колико се промене посматрају као коначне тј. прекидне, функције наведених густина расподела могу се изразити на следећи начин: - гдеје t интервал времена посматрања. Кумулативна функција густине појаве стања у раду (до тренутка t1) или функција безотказног рада представља поузданост система, и може да се изрази на следећи начин: На исти начин може да се дефинише и одговарајућа функција густине појаве стања у отказу (од тренутка t1 до тренутка t2): Интензитет отказа представља однос функције густине појаве стања у отказу и кумулативне густине појаве стања у раду, и за континуалне промене стања може да се изрази: појава стања у отказу,s –1 За коначне промене стања биће: Функција расподеле времена у отказу се одређује на основу теорије вероватноће. Један од основних задатака у циљу што квалитетнијег анализирања добијених експерименталних података представља утврђивање закона расподеле посматране случајне променљиве величине. Прецизније речено, утврђивање којем од познатих и теоријски развијених закона расподеле највише одговарају добијени подаци. Тада се са дефинисаном вероватноћом могу израчунавати све потребне карактеристике посматране случајно променљиве величине. Вејбулова двопараметарска расподела јесте једна од најзаступљенијих расподела у теорији поузданости при чему је: t- представља временски период за који се рачуна поузданост , ȕ –параметар облика, а Ș –параметар размере. Параметре Вејбулове расподеле могуће је одредити графички, преко папира вероватноће ове расподеле, или аналитички. Функција поузданости Вејбулове расподеле: Функциjа отказа Вејбулове расподеле: Функција густине отказа Вејбулове расподеле: Интензитет отказа Вејбулове расподеле: Средња вредност Вејбулове расподеле: где је: Г- гама функција . Понашање тока криве Вејбулове расподеле у зависности од параметара расподеле ȕ иȘ приказано је на сликама 2.2. до 2.5. Слика број 2.2 Понашање Вејбулове расподеле релативних фреквенци f(t) у зависности од вредности параметра  (www.weibull.com) Слика број 2.4 Утицај параметра облика  на функцију интензитета отказа (www.weibull.com) Слика број 2.3 Утицај параметра облика  на функцију поузданости R(t)=1-F(t) (www.weibull.com) Слика број 2.5 Понашање Вејбулове расподеле релативних фреквенци f(t) у зависности од вредности парамет раразмере  (www.weibull.com) 2.2.2.2. Структуре система у погледу поузданости Елементи техничких система или цели технички системи могу бити узајамно повезани у функционалну целину. Веза може бити редна, паралелена и комбинована, што је најчешћи случај. Поред ових, везе могу бити и квази редне и квази паралелне када услед отказа не долази до прекида рада система већ систем наставља да ради са погоршаним радним карактеристикама (Milčić, 2005). Код редне везе сви елементи морају да буду у функционалном стању да би систем радио, застој на једном елементу значи аутоматски застој целог система. Пример за редно везане системе може бити БТО систем откопавања, транспорта и одлагања на површинским коповима угља (Слика 2.6). Код паралелне везе елементи система су независни (Слика 2.7). Овакав начин повезивања представља начин да се постигне висока поузданост (Ivković, 1997). Пример за паралелно повезане системе јесте пумпно постројење у коме су инсталирана три или четири пумпна агрегата. Ако су бар два у истовременом раду, застој на једном агрегату не утиче на рад друге пумпе. Паралелни системи су у највећем броју реалних случајева синоним за резервне елементе. Позданост n редно везаних система може се одредити, на следећи начин: Слика број 2.6 Систем са редном везом елемената (Milčić, 2005). начин: Позданост n паралелно везаних система може се одредити на следећи Слика број 2.7 Систем са паралелном везом елемената (Milčić, 2005). Поузданост код комбиноване везе се своди на редну везу, прво се одређује поузданост за паралелно везане елементе па се онда множи са поузданошћу редно везаних елемената, за пример на слици 2.8 поузданост се одређује према обрасцу: Слика број 2.8 Пример система са комбинованом везом елемената (Milčić, 2005). Квази редна и квази паралелна веза су као теоријски модели развијени у радовима професора Тодоровића (Todorović, 1993) и представљају врло честе случајеве у техничким системима. Код система са редном везом елемената чест је случај да отказ једног или више елемената не значи и аутоматски отказ система, већ систем наставља да ради са погоршаним функционалним карактеристикама. Таква стања система могу се описати квази редном везом елемената (Слика 2.9). Уводи се фиктивни елемент система Kf са становишта погоршања радних карактеристика (Milčić, 2005). Слика број 2.9 Пример система са квазиредном везом елемената (Milčić, 2005). Поузданост квазиредне везе елемената, за дати пример (Слика 2.9) може се написати у облику: Слика број 2.10 Пример система са квазипаралелном везом елемената (Milčić, 2005). Као и код квазиредне везе елемената, након отказа једне гране систем не престаје са радом, већ ради са смањеним перформансама за фактор Kf. За пример на слици 2.10, поузданост система је: 2.3. Конвенционалне методе за праћење и процену ризика и његових парцијалних чиниоца (поузданост, ефекат, детектабилност) Процена ризика је сложен задатак и захтева додатно ангажовање људских и финансијских ресурса. Циљ процене ризика јесте да се утврде слаба и критична места у систему кроз анализу показатеља ризика да би се на основу резултата анализе спровеле корективне мере у функцији смањења ризика на прихватљив ниво или ублажиле негативне последице које могу бити изазване. Методе које су развијене за процену ризика могу се разврстати на квалитативне и квантитативне. Квалитативне методе се примењују када су расположиви ненумерички подаци по којима се врши процена ризика, док се квантитативне методе заснивају на подацима о понашању система у ранијем периоду рада. Велики проблем код примене квантитативних метода оцене јесте недостатак поузданих и прецизних података. Из тих разлога све чешћа је примена метода које укључују експертску оцену. Предност метода које се заснивају на експертској оцени јесте што омогућавају формирање модела оцене на основу постојећих непотпуних и непрецизних података. Аутори (Marhavilas i Koulouriotis, 2012) дају основну класификацију метода за процену ризика на основу стручне литературе. Практично све методе процене ризика укључују детерминистички и стохастични приступ процени ризика. Према ауторима, детерминистичке методе су подељене у три категорије: квалитативне, квантитативне и хибридне (квалитативне – квантитативне, полу – квантитативне), стохастичне методе укључују класични статистички приступ и моделирање прогнозе акцидената. (Grayson i dr., 2009) деле методе за процену ризика на квалитативне и квантитативне. Према овим ауторима, квалитативне захтевају добро оцену искусних људи и често је субјективна оцена појединаца, док квантитативна анализа има предност због коришћења постојећих статистичких података за идентификацију могућности појављивања отказа и оцену последица отказа на објективнији начин. Оцену ризика сагледавају са аспекта финансијских последица које изазивају откази. Генерално не постоји конвенционална методологија приступа процени ризика за рударске техничке системе. Избор модела процене ризика зависи од склоности лица која се баве овом проблематиком одређеним поступцима. Према (Radosavljević, 2010), најзаступљеније методе за процену ризика у свету су: FMEA-Failure Mode and Effects Analysis (13%), RA-Risk Assessment (19%), PHA Preliminary Hazard Analysis (12%), WI-what if (6%), FTA-Fault tree Analysis (15%), HAZOP-Hazardous Operations (7%), MORT-Management Oversidht Risk Tree (8%), CL-Checklists (4%), S/Kstandards/ Codes (2%), OM-Other methods (1%). У овом делу биће укратко поменуте неке од стандардних процедура за оцену ризика и поузданости. 2.3.1. FMEA. Анализа начина отказа и њихових ефеката Анализа начина отказа и њихових ефеката FMEA (Failure mode and effects analysis) представља методу квантитативне анализе начина отказа. FMEA представља системски процес за идентификацију потенцијалних деструктивних стања система са тежњом да се потенцијални откази уоче и да се елиминишу или пак да се минимизирају њихове последице које могу изазвати. Циљ примене FMEA анализе у управљању ризицима огледа се у превентивном деловању како би се спречила појава отказа и развој адекватног поступка деловања уколико отказ, без обзира на предузете мере, ипак настане. Ова методологија развијена је за потребе америчке војне индустрије. Први пут метода се спомиње у документу MIL-P-1629 1949. године под називом „Процедура за извођење анализе начина, последица и критичности отказа“ (Procedures for performing a failure mode, effects and criticality analysis) (Milčić, 2005). Према (Lipol i Haq, 2011) FMEA методологија дизајнирана је са циљем да се њеном применом: - препознају потенцијални режими и врсте отказа, - процени ризик повезан са постојећим врстама отказа и приоритетним питањима за корективне акције и - идентификују и спроведу корективне мере за решавање најтежих проблема. Први корак код примене ове методе јесте идентификација свих могућих деструктивних стања узрока и утицајних фактора. Када су утврђени сви могући начини отказа приступа се идентификацији и анализи стварних и потенцијалних ефеката отказа. Анализа критичности отказа, према (MIL – STD – 1629A, IEC 60812 1995; Bowles i Pelaez, 1995; Tay i Lim, 2010; Zhang i Chu, 2011; Yang i dr., 2011), обавља се на основу три показатеља: озбиљности отказа и величина последица (S), учесталости појављивања отказа (O) и могућности детекције потенцијалних отказа (D). Вредности ових показатеља дају се као бројчане вредности на скали од 1 до 10. На основу ова три показатеља рачуна се RPN (Risk Priority Number) који представља производ ова три показатеља. где је: S озбиљност отказа (severiti) O учесталост појављивања отказа (occurence) D могућност благовременог откривања отказа (detectability) Слика број 2.11 Графички приказ вредности RPN – а (Phil Stunell`s Blog, 2012) Када се одреди RPN треба категорисати граничне вредности за степен нивоа ризичности отказа и на основу добијене вредности за RPN могу се предузети неопходне мере за смањење нивоа ризика на прихватљиву вредност за сваку врсту отказа. На пример, за три показатеља ризика (S), (O) и (D), чије су вредности на скали од 1 до 10, за које су одређене граничне вредности ризика класама: 0-200 за незнатан, 201-400 за класу низак, 401-600 за класу умерен, 601­800 за класу висок и 801-1000 за класу екстреман, RPN се може графички приказати као на слици 2.11 где су различитим бојама обележени нивои ризика од незнатног до екстремног. Ова метода је стандардизована најпре за потребе Америчке војне индустрије документом MIL-STD 1629А из 1974. године, а касније међународним ISO-IEC стандардима (IEC 60812) и (IEC 60300-3-9). 2.3.2. FMECA. Анализа начина отказа, последица и критичности отказа FMECA (Failure mode, effects and criticality analysis), у преводу Анализа начина отказа, последица и критичности отказа, представља детаљнију верзију FMEA методе. Поред начина и ефеката обухвата и анализу критичности. Представља најзаступљенију методу за анализу поузданости и ризика. Суштина методе FMECA састоји се у препознавању и спречавању познатих и потенцијалних проблема код техничких система у смислу смањења отказа. За анализу се узимају три показатеља при утврђивању приоритета повезаних са отказима техничких система као и код FMEA методе: вероватноћа појаве отказа, озбиљност отказа и могућност откривања отказа. На основу FMECA методе могуће је системски утврдити потенцијални утицај појединих отказа на успешно функционисање система, сигурност оператера, резултате као што су поузданост, погодност одржавања и ефективност. За разлику од FMEA методе FMECA може се применити и као квалитативна и као квантитативна оцена ризика. Квалитативна оцена ризика креирањем матрица отказа и упоређивањем за сваку врсту отказа омогућава стварање јасне слике о нивоу ризика за сваку врсту отказа и указује на приоритет у спровођењу корективних мера за смањење ризика (www.weibull.com; Lipol i Haq, 2011). 2.3.3. FTA. Анализа стабла отказа Анализа стабла отказа –FTA (Fault Tree Analysis) представља једну од основних метода за анализу поузданости машинских система. У суштини, FTA представља систематску анализу догађаја који могу довести до отказа система (ûatić, 2004). Насупрот методи FMEA, код које се полази од врсте отказа у равни конструкционих делова, код стабла отказа најпре се разматра могући отказ система, а овај отказ система синтетизује отказе из доњих равни система (Trifković i dr., 2010; Milčić, 2005). Ова метода погодна је за анализу сложених система који су састављени од више функционално повезаних подсистема. Применом ове методе могу се успоставити везе између отказа елемената и појаве отказа система. То се постиже израдом структурних блок дијаграма кроз које се систем рашчлањује хијерархијски на подсистеме, а подсистеми на склопове и елементе. На тај начин омогућује се да се утврде међусобне и узрочно последичне везе између отказа појединих делова и њихов утицај на отказ подсистема и техничких система у целини. FTA анализа представља алат којим се може извршити систематска идентификација свих нежељених отказа и комбинација могућих узрока који су допринели да се отказ деси и као таква погодна ја за идентификацију ризика у систему. Детаљи ове методе дати су у стандарду (IEC 61025). 2.3.4. ЕТА. Анализа стабла догађаја Анализа стабла догађаја ETA (Event Tree Analysis) се примењује за временску анализу развоја догађаја. Примењује се за идентификацију могућих последица и вероватноће настанка потенцијалног отказа. Циљ примене ЕТА је да се одреди да ли ће се ризични догађај – отказ развити у озбиљан отказ система и да ли је догађај довољно контролисан, односно да ли је систем уређен безбедносним мерама. Уз примену ЕТА могу се анализирати различити могући исходи као последице почетног отказа. Такође служи и за идентификацију и вредновање вероватноће последица отказа у систему које су могуће после почетног отказа. Стабло догађаја представља графички приказ могућих сценарија, где свака путања даје један од могућих исхода. У колико је исход могућ, рачуна се његова вероватноћа настанка. 2.3.5. Критички осврт на стандардне методе за процену ризика Стандардне методе за процену ризика које су описане у овом раду захтевају доста времена за израду процене ризика. Такође, потребно је доста времена да се стручни тим који ради оцену детаљно упозна са техничким системом за који се ради оцена. Недовољно познавање техничког система и међуодноса зависних подсистема или елемената може дати скроз погрешне резултате. Применом поменутих метода није могуће одредити утицај последица отказа елемената на виши структурни ниво подсистема и система. Поред тога, применом ових метода, није могуће одредити ниво ризика за цео систем већ се ради на нивоу елемената, односно на најнижем хијерархијском нивоу. Генерално, за све поменуте методе важи да од стручности тима који ради оцену и њиховог познавања техничког система за који се ради оцена, зависи тачност резултата, односно субјективност при оцени игра главну улогу. 2.4. Анализа актуелних стандарда из теорије ризика Управљање ризиком у технолошким процесима и прераде минералних сировина и техничким системима који се примењују приликом експлоатације и уопште у техничким системима, обухвата спектар деловања и активности са циљем процене, минимизирања, праћења, контроле појаве ризика. Стандарди који су усвојени из ове области базирају се на чињеници да се ризиком мора управљати како би се спречиле негативне последице отказа система у току рада, а тиме и смањење трошкова оправке, времена проведеног у застоју и губитак у производном процесу. Управљање ризиком може се дефинисати као системски приступ идентификацији могућих догађаја, процени последица сваког негативног догађаја и да се припреме мере за умањивање последица дешавања сваког нежељеног догађаја. Процес управљања ризицима је стандардизован и постоје неколико европских стандарда који дефинишу поступке и начине, а у неким законима су дефинисани и модели процене ризика. Више ISO стандарда третира управљање ризицима, као нпр. OHSAS 18001 који дефинише управљање ризицима у области безбедности и здравља на раду, ISO/IEC 27001 који је из области безбедности информација, ISO 22000 је за област безбедности хране. Стандард ISO 31000 са својим захтевима на један свеобухватан начин дефинише елементе система управљања ризицима у било којој организацији, без обзира на њену величину, врсту делатности и друге битне карактеристике. У даљем тексту биће укратко описани само они стандарди који се односе на управљање ризиком у техничким системима и они који су претходили доношењу стандарда ISO 31000. 2.4.1. Међународни стандарди У међународном стандарду из области поузданости (IEC 300-3-9, 1995) у делу 3-9 дају се практична упутства за анализу ризика технолошких система. Према овом закону анализа ризика представља процес идентификације вероватноће и обим нежељених последица које произилазе из активности, постројења или система. У делу 3-9 стандарда дате су основне дефиниције појмова везаних за процену ризика. Такође, дате су најзаступњеније методе за анализу ризика. Аустралијски стандард из области управљања ризиком (AS/NZS 4360,1999) – Управљање ризиком (Risk management) дефинише поступак управљања ризиком кроз неколико фаза: - Успостављање контекста проблема - Идентификација ризика - Анализа ризика - Оцена ризика - Третман ризика – смањење ризика. Према овом стандарду циљеви анализе ризика су да се одвоје прихватљиви ризици од „главних“ ризика и да се добију основни подаци за евалуацију и третман ризика. Анализа ризика подразумева разматрање извора ризика, њихове последице и вероватноћу да те последице могу да се десе. Прва верзија овог закона објављена је 1995. године под ознаком (AS/NZS 4360,1995), а новија верзија 2004. године под ознаком (AS/NZS 4360, 2004). У најновијој верзији овог стандарда, објашњење термина и појмова усклађено је са ISO стандардима. ISO стандардом (ISO 12100, 2010) дефинисана је основна терминологија, принципи и методологија за постизање сигурности у дизајну машина. У методологији се наводе принципи процене и смањења ризика како би се помогло дизајнерима у остваривању овог циља. Ови принципи су засновани на знању и искуству употребе машина и инцидената који су се десили у току рада. Основно начело овог закона јесте пребацивање ризика на конструктора. Европски стандард о управљању ризицима (ISO 31000, 2009) пружа принципе и опште смернице о управљању ризицима. Односи се на било коју врсту ризика, без обзира на његову природу, позитивне или негативне последице (ISO31000, 2009). Овај закон настао је као резултат искуства у области управљања ризиком базираног на претходно донетим законима из ове области. ISO 31000 заснован је на аустралијском – новозеландском стандарду AS/NZS 4360, 2004 (Šijaković i dr., 2013). Дефиниције појмова и термина у овом закону преузете су из упутства (ISO GUIDE 73, 2009) „Управљање ризиком – Појмови“ (Risk Management-Vocabulary). Основу овог закона чине јасно дефинисани принципи управљања ризиком и процес управљања ризиком. Такође, дефинисани су радни оквири управљања ризиком који се састоје од: - посвећености ризику, - дефинисања оквира управљања ризиком, - имплементације управљања ризиком, - мониторинга и ревизије и - континуалног унапређења оквира. Процес управљања ризиком, према стандарду (ISO 31000, 2009), обухвата следеће активности: - комуникација и консултације са свим заинтересованим странама (државна политика, корисници, ...); - успостављање контекста модела; - процена ризика у оквиру кога треба радити на идентификацији ризичних догађаја и последица, анализи ризика и оцени нивоа ризика; - третман ризика, предузимање мера за смањење ризика и - мониторинг и ревизија. Генерално, стандардом ISO 31000 нису дефинисане методологије процене ризика већ начин и приступ овом феномену. Технике за процену ризика дате су у оквиру стандарда (ISO 31010, 2009) у коме је објашњен процес процене ризика и методе за процену ризика. У њему су дате смернице за избор најадекватније методе у зависности од области где се примењује. Слика број 2.12 Процес управљања ризиком према ISO 31000 Стандард ISO 31000 преузела је Велика Британија, Америка и Аустралија и Нови Зеланд, па је у Британији објављен под ознаком BS ISO 31000:2009, у Америци под ознаком ANSI/ASSE/ISO 31000, а у Аустралији и на Новом Зеланду под ознаком AS/NZS 31000:2009.Такође, у Британији 2011.године, објављен је стандард BS 31100:2011 који даје савете и упутства о изради, спровођењу и одржавању пропорционалног и ефикасног управљања ризиком усклађен са ISO 31000. Британски стандард BS 31100 даје практичне и конкретне препоруке о томе како да се поставе кључни принципи ефикасног управљања ризицима и постизања задатог циља и посебно је применљив за: - проактивно управљање ризицима у специфичним областима, - надгледање управљања ризиком у организацији, - пружање потврде о управљању ризицима организације, - извештавање заинтересованих страна. 2.4.2. Српски стандарди из области управљања ризиком Стандради из области управљања ризиком у нашој земљи су преузети важећи европски стандарди из ове области, СРПС ЕН 60300-1:2008, СРПС ИСО 31000:2010, СРПС ЕН 60812:2011, па неће бити детаљно анализирани јер је већ било речи о њима. У Службеном Гласнику Репубилике Србије број 25/2010 дат је списак Српских стандарда из области машина у рударству (Kvalitet, URL). У наставку биће набројани стандарди које се односе на машине у рударству: СРПС ЕН 1552:2008 - Подземне рударске машине - Преносне машине за вађење руде на откопу - Сигурносни захтеви за секаче утоваривача и система раоника; СРПС ЕН 1710:2008 - Опрема и компоненте предвиђене за употребу у подземним рудницима у потенцијално експлозивној атмосфери СРПС ЕН 1804-1:2008 Машине за подземне руднике - Сигурносни захтеви за хидрауличне подграде - Део 1: Елементи подграде и општи захтеви СРПС ЕН 1804-2:2008 Машине за подземне руднике - Сигурносни захтеви за хидрауличне подграде - Део 2: Клипови и цилиндри погонске пумпе СРПС ЕН 1804-3:2008 Машине за подземне руднике - Сигурносни захтеви за хидрауличне подграде - Део 3:Хидраулични управљачки систем СРПС ЕН 1889-1:2008 Машине за подземне руднике - Преносне машине које раде под земљом - Сигурност - Део 1: Возила са гуменим точковима СРПС ЕН 1889-2:2008 Машине за подземне руднике - преносне машине које раде под земљом - Сигурност - Део 2: Локомотиве СРПС ЕН 12348:2008 Стабилне машине за бушење са вађењем језгра -Безбедност СРПС ЕН 618:2009 Опрема и системи за континуирани транспорт -Захтеви за безбедност и ЕМЦ за опрему за механичко руковање расипним материјалом осим стационарних (непокретних) транспортера са траком СРПС ЕН 619:2009 Опрема и системи за континуирани транспорт - Захтеви за безбедност и ЕМЦ за опрему за механичко руковање оптерећењима од појединачних комада СРПС ЕН 620:2009 Опрема и системи за континуирани транспорт - Захтеви за безбедност и ЕМЦ за стационарне (непокретне) транспортере са траком за расипни материјал СРПС ЕН 815:2009 Безбедност машина без штита за бушење тунела и машина без бушаћих шипки за бушење окна у стени - Захтеви за безбедност СРПС ЕН 14658:2009 Опрема и системи за континуални транспорт - Општи захтеви за безбедност за опрему за континуални транспорт код површинских копова рудника лигнита 2.5. Анализа досадашњих истраживања из области процене ризика и поузданости Откази компонената техничких система у рударству заузимају велику пажњу стручне јавности. Ризик, озбиљност отказа и величина и обим последица и начина да се квантификују, односно да се одреде величине последица били су главни субјекти истраживања на ову тему. У свом раду (Ivković, 2004) као најозбиљније последице отказа, поред хаварија машина, истиче повређивање запослених радника и то ризичних ситуација при којима долази до повређивања радника са смртним исходом. То је посебно карактеристично за руднике угља са подземном експлоатацијом, где поред обрушавања угља и пратећих стена, постоји ризик од експлозије запаљиве угљене прашине и метана. Овакве ситуације се јављају као последице отказа елемената техничких система и примењене механизације. Није искључен и људски фактор, који је довео до погибије 90 рудара у руднику „Алексинац“ 1989. године када је погинуло 90 рудара. Према истраживањима (Ivković, 2004) највећи број повреда са смртним исходом, код нас и у свету, десиле су се у рудницима угља. Код већине истраживања из предметне области, поузданост елемената машина јесте оно на шта је усмеравана пажња. У референци (Dhillon i Anude, 1992) дат је детаљан приказ истраживања из области поузданости опреме у рударству у периоду од 1965-1989. Приказ новијих истраживања на тему поузданости рударских машина дат је у раду (Hoseinie i dr., 2012). Наведена истраживања могу се сврстати у две категорије: прва која обухвата одржавање и исправност опреме у рударству и друга која обухвата анализу процене поузданости. Статистичка обрада постојећих података о временима између отказа и времена у отказу рударских машина у функцији одржавања дате су у референцама (Barabady i Kumar, 2008; Uzgoren i dr., 2010; Behera i dr., 2011; Hoseinie i dr., 2011; Hoseinie i dr., 2012). Применом теорије вероватноће, користећи најчешће Вејбулову (Weibull) расподелу, рачуната је функција густине отказа, функција поузданости и средње време између отказа. Примена FTA методе за оцену ризика рударских техничких система прераде минералних сировина применили су (Radosavljević i dr., 2009; Gustafson i dr., 2013; Gharahasanlou i dr., 2014). На основу резултата добијених применом анализе стабла отказа одредили су мере за смањење ризика и поново проценили ниво ризика како би одредили степен смањења ризика након предузетих корективних мера. Традиционални приступ процени ризика применом највише је заступљених FMEA и FMECA метода у скорије време имали су неколико аутора, међу њима (Radosavljević i dr., 2010; Pantelić i Papić, 2010). Недостаци примене ове методе, који су наведени од стране многих аутора, најбоље су објашњени у прилог прегледног рада (Liu i dr., 2013). Из тих разлога приступило се изналажењу решења недостатака и побољшања FMEA модела за оцену ризика. Најзаступљенији приступ јесте увођење теорије фази скупова и фази чињеничног закључивања на бази експертске оцене. Аутори (Wang i dr.,1995) применили су теорију фази скупова да би описали сваку врсту отказа и на основу чињеничног закључивања одредили сигурност функционисања система. (Bowles i Pelaez, 1995) описали су фази логички приступ одређивања критичности отказа при примени FMECA, где су користили лингвистичке термине за описивање појаве, озбиљности и могућности откривања отказа. Успостављање корелације између показатеља појаве отказа, озбиљности и могућности откривања отказа урађена је уз коришћење ако – онда базе фази правила, која је развијена на основу експертског познавања система. (Pillay i Wang, 2003) предложили су приступ на бази фази правила који не захтев помоћну функцију за дефинисање појаве, озбиљности и могућности откривања отказа. За предложени приступ потребно је за свака од три фактора ризика дати функцију припадности. Свака врста отказа оцењује се лингвистичким променљивама које представљају факторе ризика. Применом базе фази правила аутори су ове три променљиве интегрисали у производ лингвистичке променљиве које представљају рангирање ризика за сваку врсту отказа. (Gargama i Chaturvedi, 2011) предложили су фази FMEA модел за рангирање ризичности отказа заснован на степену идентичности и бази фази правила да би се превазишла нека ограничења традиционалне FMEA методе. Предложни модел укључује нормализацију фази бројева. (Braglia i dr., 2003) предложили су да се функција ризика повеже са нормализованим вредностима RPN-а, где нормализоване вредности RPN-а представљају вредност RPN/1000. (Guimaraes i Lapa, 2007) дефинисали су концепт фази логичког закључивања заснованог на ако – онда бази фази правила како би одредили фази RPN да би га упоређивали са традиционалним RPN-ом. (Petrović i dr., 2014) представили су модел процене ризика отказа машина у рударству. Предложени модел заснива се на примени теорије фази скупова и фазилогилког закључивања. Поменути аутори радили су паралелну процену ризика традиционалним рачунањем RPN-а и применом теорије фази скупова. Надмоћ примене теорије фази скупова при процени ризика у односу на RPN дата је у овом раду. Такође у овом раду аутори (Petrović i dr., 2014) дали су критички осврт и истичу недостатке конвенционалног рачунања RPN-а код примене FMEA методе. Liu i dr (2013) урадили су анализу 75 радова на тему процене ризика. Анализирани су радови који су писани у периоду од 1992. до 2012. године. У тим радовима фази логика и систем фази правила и закључивања је најзаступљенија методологија. То само потврђује могућности које ова методологија пружа, да се на основу непрецизних лингвистичких података добије оцена нивоа ризика отказа машине или техничког система. Досадашња истраживања из области поузданости и процене ризика рударских машина указују на перманентну потребу за сталним усавршавањем приступа, методологија и начина сагледавања последица отказа као кључног фактора за одлучивање о предузимању активности за смањење нивоа ризика отказа техничких система. 3. РУДАРСКЕ МАШИНЕ И РИЗИК Ризик од отказа техничких система у рударству јесте чинилац кoји је неизбежан. Генерално, не постоје системи у којима је ризик од отказа на тако ниском нивоу да није потребно обраћати пажњу на његово постојање. Опасност, односно вероватноћа настанка или појаве ризичног догађаја и величина његових последица представља простор на коме треба стално радити, применити различите приступе и начине сагледавања утицајних чинилаца на појаву нежељеног ризичног догађаја. Посебну пажњу треба посветити сагледавању озбиљности последица ризичног догађаја као и њихов утицај на даље функционисање техничког система. Ризик од отказа је утолико већи ако се узме у обзир да постојеће машине на рудницима раде двадесетак и више година и да су исте одржаване према стању. Зато треба спровести низ организационих и техничких мера на утврђивању слабих и критичних места у систему и изналажењу узрочника настанка отказа у циљу смањења броја отказа, како би се систем задржао у функционалном – радном стању дужи временски период, а самим тим и на нижем нивоу ризика. Последице отказа рударских машина код комплексних система, су далеко веће, код којих се последице застоја на коповима директно одражавају на количину откопане минералне сировине која представља улазну сировину у постројење флотације и касније постројење топионичке прераде. Тако да од застоја машина на копу зависи читава производња и прерада руде. Ако се узму у обзир трошкови за заустављање и поновно покретање система за флотирање и топионичку прераду због недостатка минералне сировине, онда се намеће закључак да се мора спровести низ организационих и техничикх мера како би се машине на откопавању одржале што дужи временски период у радном стању, без непланирних застоја. Мере које треба предузети у циљу смањења броја отказа и време застоја машина у рударству јесу пре свега свеобухватна анализа и процена ризика отказа и поузданости рада рударских машина и реорганизација система одржавања из инертног у активно одржавање према ризику у сваком његовом облику. Овакав приступ отказима машина у рударству допринеће повећању постојећих капацитета откопавања и прераде минералних сировина и смањењу трошкова експлоатације, прераде и одржавања. 3.1. Технолошки развој машина у рударству Механизација у рударству, као и у другим гранама индустрије, уведена је са циљем да замени ручни рад, смањи трошкове добијања минералних сировина, повећа производност и обезбеди боље и сигурније услове рада рудара. Изумом парне машине па надање, ручни рад постепено су замениле машине у готово свим технолошким фазама откопавања, тако да се данас јако мали број радних операција у рудницима обавља ручно. Прва механизација која се употребљавала у рудницима јесте опрема за транспорт ископина, тј.увођење шинског транспорта који је заменио употребу ручног превоза колицима. Данас се у рударству примењује савремена компјутеризована механизација и опрема која омогућује брже и лакше добијање минералних сировина уз смањење нивоа ризика. Велика експанзија у рударству остварена је захваљујући интензивном технолошком развоју, почев од изума парне машине па надаље. Увођењем високопродуктивних машина за експлоатацију минералних сировина омогућена је економична експлоатација и минералних сировина које немају велику економску вредност. Примена парне машине је довела до брзог развоја многих рударских машина, као што су машине за извоз, проветравање, одводњавање и за вучу вагона. Развој машина је настављен са ''проналаском'' и употребом електричне енергије, која је омогућила коришћење компактних машина-електромотора. Без обзира на то што је барут био познат још у старом веку, примена минирања није била уобичајена у јамама због тога што нису биле развијене методе за бушење минских бушотина. Тек је 1897. године, Ј. Г. Лејнер конструисао први бушаћи чекић са аутоматском ротацијом, што се сматра почетком развоја машина за бушење (Žikić, 2003). Тек у другој половини 20. века, започело се са употребом првих машина за механичко бушење, тзв. бушаћа кола. Сличан развој су имале и друге машине и уређаји који се користе у рударству. То се односи, пре свега, на примену самоходних машина на дизел погон, које су интензивни развој доживеле задњих 30 година. При подземној експлоатацији, високи трошкови проветравања у случају примене самоходне дизел опреме су довели до примене електромоторног погона, при чему је ''напајање'' преко акумулатора, трола или каблова одговарајуће дужине. Транспорт по шинама је доживео потпуну аутоматизацију комплетног поступка пуњења и пражњења вагона, као и могућност аутоматског кретања. Robbins (2000) наводи предности увођења механизације у рударству. Међу најбитнијима истиче смањење трошкова добијања минералних сировина. Повећање капацитета и добијање већих количина сировина за потребе тржишта је такође јако битан фактор. Заменом људског рада машинама, стварају се услови за сигурније и квалитетније радно окружење рудара, поготово при подземној експлоатацији. Механизовањем радних операција у рударству смањен је број повреда са смртним исходима. Резултат механизовања процеса откопавања јесте и смањење броја радне снаге ангажованих у рудницима, што утиче на смањење трошкова откопавања. Захтеви које треба да задовоље машине и уређаји у рударству (Žikić, 2003; Ignjatović, 2009) су: -да имају једноставну конструкцију која обезбеђује висок степен корисног дејства; -да омогућују лако управљање и опслуживање; -да имају погодан распоред уређаја са становишта монтаже, ремонта, одржавања и опслуживања; -да им се укупна конструкција састоји од што више унифицираних­ стандардних делова или склопова који се једноставно монтирају и демонтирају; -да су стабилне и добро уравнотежене; -да су јаке конструкције, трајне и довољно робусне; -да обезбеђују високу продуктивност; -да обезбеђују неопходну и прописану сигурност при раду. Наведени захтеви недвосмислено воде ка смањењу нивоа ризика, односно повећању нивоа поузданости и погодности одржавања као и безбедности у односу на радну и животну средину. 3.2. Машине за експлоатацију минералних сировина Савремена експлоатација минералних сировина захтева примену високо­ продуктивних специјализованих машина за све фазе технолошког процеса експлоатације. Разноврсност услова рада у рударству условљава и примену различитих рударских машина и различитог рударског алата. Обим радова, врсте и услови рада диктирају степен механизованости појединих радова или технолошког процеса. У зависности од типова лежишта и начина на који се врши добијање минералне сировине, машине се могу поделити на две категорије: машине и уређаји који се примењују при површинској експлоатацији и машине које се користе за подземну експлоатацију минералних сировина. Према овој подели, разлика је у томе што су машине које се примењују у подземној експлоатацији знатно мањих димензија у односу на оне које се користе за површинско откопавање. То је условљено скученим простором у јами. Машине које се примењују за експлоатацију лежишта минералних сировина могу да се класификују по више основа (Žikić, 2003), као што је према: намени, принципу дејства, конструкцији радног елемента, конструкцији погонског склопа, врсти уграђеног преносника, врсти примењених кочница, врсти уређаја за кретање, начину контроле рада, систему управљања, капацитету, инсталисаној снази итд. Према режиму рада машина, може се направити подела на машине са дисконтинуалним – периодичним (цикличним) режимом, код којих се операције изводе једна за другом – наизменично, и континуалним–непрекидним режимом, код којих се све операције изводе истовремено. Према степену покретљивости (Žikić, 2003) машине се деле на: -стационарне (непокретне), -полустационарне (полупокретне), и -покретне (мобилне). Према погонском агрегату, машине се деле на (Žikić, 2003): -електричне, -са моторима, СУС -пнеуматске, -хидрауличне, -комбиноване. Према уређајима за кретање, подела машина је следећа (Žikić, 2003): -са пнеуматицима, -са гусеницама, -које користе шине, -корачајуће. Према броју радних елемената машине се деле на оне са (Žikić, 2003): -једним радним елементом, -више радних елемената. Према намени, машине и уређаји се могу поделити на следеће класе (Žikić, 2003): -машине за израду рудничких просторија, -машине за бушење, -машине за откопавање и утовар, -машине и уређаји за транспорт, -помоћне машине и уређаји. У овом поглављу биће кратко приказане машине које се примењују у рударству подељене према намени. 3.2.1. Машине за израду рудничких просторија Израда рудничких просторија механизованим начином се најчешће примењује за израду просторија кроз мекше стене. Усавршавањем машина за израду просторија данас се ове машине примењују за израду просторија како у мекшим тако и у чврстим стенама. Механизована израда рудничких просторија први пут је примењена 80-тих година XIX века у Великој Британији (Ĉukanović, 2005). Машине за израду просторија, неки аутори их називају и комбинованим машинама за израду просторија јер поседују механизам за утовар резаног стенаког материјала и његов транспорт иза машине, омогућавају да се у потпуности механизује процес израда просторија. Машине које се данас могу наћи на тржишту израђују се за различите услове рада и различите положаје просторија у простору. Генерално се машине за израду просторија могу поделити према начину обраде чела радилишта на: машине са селективним радом и машине које обрађују читав профил просторије. Такође, једна од подела може бити према начину рада. Према овом критеријуму машине за израду просторија могу бити (Milić i Milićević, 2005; Ĉukanović, 2005): -лучно ротационе, -лучно ланчане и лучно бубњасте и -ротационе. Машине за израду рудничких просторија примењују се како би се убрзао процес израде рудничких просторија. Према искуствима у Руднику „Рембас“ машином за израду просторија са лучно ротационом главом може се изадити и до 6 метара просторије за једну смену. Проблем приликом напредовања јесте што радови на подграђивању не могу да се обаве истим темпом. Такође, на једном руднику најчешће постоји само једна таква машина или чак једна машина за више рудника, па су негативни ефекти отказа далеко већи него што се на први поглед може закључити. Зато је потребно спровести процену ризика отказа елемената оваквих машина и одговарајућим мерама утицати на смањење броја ризичних догађаја. 3.2.2. Машине за бушење Повећање производње рудника условило је конструисање опреме за бушење која ће задовољити потребне капацитете. Почев од почетне примене ручног пнеуматског бушаћег чекића, машине и опрема за бушење стално су усавршаване. Тако да данас у примени постоје самоходне машине тзв. бушаћа кола за бушење минских бушотина при подземној експлоатацији код израде просторија са једним или више бушаћих чекића, бушилице за бушење дубоких минских бушотина приликом експлоатације, бушилице за израду бушотина великог пречника (до 380 mm) (Pantović, 2008) при површинској експлоатацији. Такође, развијене су савремене машине и за истражно бушење. Хидраулични бушаћи чекићи су углавном заменили пнеуматске због високог степена преноса енергије на стену која се разара. Поред поменутих машина, развијени су системи за израду окана бушењем целог профила. Ризик од отказа ситних елемената система, типа лежајева на круни за бушење минских бушотина, може изазвати велики штетан утицај на технички систем и цео процес производње. Примера ради, бушилица за бушење минских бушотина на површинском копу „Церово“, који ради у оквиру Рудника Бакра Бор, у току првих девет месеци 2014. године три пута је била у застоју због неисправне круне за бушење. Такав вид отказа изазвао је застој у раду бушилице у трајању од 48 до чак 90 часова (Теhnički izveštaj I-IX, 2014). Овакав тип застоја се сигурно може спречити благовременом набавком резервних круна за бушење, поготву када постоји дефинисан радни век круне од стране призвођача. 3.2.3. Машине за откопавање и утовар Багери су самоходне машине намењене за откопавање и утовар откопаних маса у транспортна средства. При површинској експлоатацији минералне сировине мекших стена, што је карактеристично за лежишта угља, примењују се сложени технички системи – багери који истовремено врше копање и утовар ископина у транспортна средства. За откопавање у чврстим радним срединама употребљавају се багери за утовар претходно изминиране руде или јаловине. На основу овога, багери се могу поделити на: 1. багери са једним радним органом (кашиком), односно багери са прекидним (цикличним, дисконтинуалним) радом, и 2. багери са више радних органа (ведрица), односно багери са непрекидним (континуалним) радом. Код великих техничких система, као што су роторни багери на површинским коповима угља који се карактеришу великим бројем елемената, негативни ефекти отказа имају утицај не само на машину већ и на прозводњу угља на копу и шире. Поред израженог смањења капацитета на експлоатацији угља, ефекти отказа се манифестују и на производњу електричне енергије. Роторни багери представљају машине са екстремно високим нивоом ризика. Машине нису компактне конструкције, већ су статички уравнотежене машине, где лом једног елемента (уже, носач и сл.) изазива рушење целе машине. Капацитети су им јако велики, те непланирани застој изазива трошкове и 10.000 евра на сат. Примера ради, роторни багер на површинском копу „Поље D“, због пожара који је настао као последица отказа превојног бубња, потпуно је хаварисан. За његову комплетну ревитализацију уложено је око 7 милиона евра, што износи око 60% од цене новог багера (Ivković i dr, 2008; Polovina, 2010). Радови на ревитализацији поменутог багера трајали су две године, што значи да је толико машина била ван употребе. Други пример отказа овако великих техничких система је роторни багер oзнаке SchRs 630 25/6, на истом копу,код кога је дошло до прекида носећих ужади и потпуне хаварије као последица пожара који је изазван заваривањем и упалом мазива. Аутор (Ivković, 2004) даје приказ података о хаваријама на багеру SRs 1200 22/2 површинском копу „Поље D“, одакле се може видети да поједини откази су изазвали вишемесечно искључење багера из система експлоатације угља. Примера ради 1973. године након заваривања дошло је до пожара и оштећења конструкције багера. Време застоја било је 60 дана. Такође исто толико багер није радио услед појаве пукотина на чворним везама носача констрикције. Аутори (Ivković i dr, 2004) дају процентуално учешће појединих подсистема код БТО система на површинском копу Тамнава где откази багера SchRs 700 имају 60% учешћа у односу на укупан број отказа система. Други пример који исти аутори дају јесте роторни багер на „Пољу D“, код кога је број отказа система за транспорт двоструко већи у односу на број отказа багера. Багер SchRs 1760 на површинском копу угља „Поље D“, неочекивано и без најаве, имао је катастрофалну хаварију 2004.г.,(Daničić i dr., 2013) након 17 година нормалног рада на површинском копу. Узрок је лом који је настао као последица замора материјала. Нагли лом ушица за ужад противтега се догодио када се површина попречног пресека која трпи оптерећење значајно смањила и услед мањих пукотина насталих због замора материјала на обе стране заварене греде. Према поменутим ауторима, у фази пројектовања заварени спојеви се сматрају помоћним радним операцијама, па се због тога на њих и не примењује систем провере квалитета, ни приликом израде, ни приликом прегледа. Последично, приликом заваривања настају дефекти и неправилне структуре, које узрокују појаве концентрације напона, а критичан заварени спој није доступан за инспекцију током радног процеса. Уз то, дисбаланс оптерећења и смањење дебљине ушица са 40 на 20 мм предвиђено пројектом условило је неповољан распоред напона у конструкцији. Пукотине су дефинитивно могле бити откривене применом одговарајућег система инспекције, али такав систем није спроведен. Век експлоатације од 17 година указује да је уз бољу инспекцију и систем одржавања, животни век машине био продужен, а хаварија избегнута. Екстремно високе последице отказа које се јављају код овако комплексних система захтевају опсежне мере за анализу и процену ризика отказа елемената багера у циљу смањења ризика и повећања поузданости. Највећи утицај на повећање поузданости може се постићи повећањем поузданости подсистема и елемената чија је поузданост најмања (Ivković i dr., 2008; Polovina, 2010). То се може постићи само систематском и свеобухватном анализом проценом ризика, дефинисањњем политике одржавања према ризику, константним праћењем понашања система након предузетих корективних мера и поновном проценом ризика да би се видело да ли су предузете мере имале ефекта. Поред ужадних и хидрауличних багера великих капацитета, на површинским коповима металичних лежишта данас се све више употребљавају утоварне машине на гуменим точковима – утоварачи, због њихове веће мобилности. За утовар одминиране руде у рудницима, поред првобитних утоварних машина на компримирани ваздух и са уређајима за кретање по колосеку, примењују се утоварно транспортне машине великих капацитета, на дизел или електрични погон. Код подземне експлоатације угља развијене су машине за откопавање са ротирајућим резним органима – комбајни који омогућују остваривање великих капацитета у производњи. Примењују се најчешће за откопавање угља. Машине за откопавање угља конструктивно су изведене тако да је омогућено и откопавање и утовар откопане минералне сировине. Поред машина за утовар са цикличним радом, при подземној експлоатацији примењују се и машине за утовар са континуалним радом. Према конструкцији радног органа могу бити са згртајућим ручицама, ротирајућим ручицама и са ротирајућим назубљеним дисковима. Ови радни елементи омогућавају да се захваћени материјал пребаци на грабуљасти транспортер којим се стенска маса пребацује у транспортна средства. 3.2.4. Машине за транспорт ископина У зависности од начина и врсте минералне сировине која се откопава примењују се различити видови транспорта. Код експлоатације металичних минералних сировина површинским путем, најчешће се примењује дисконтинуални начин транспорта камионима велике носивости од преко 200 тона. На површинском копу „Велики Кривељ“, који ради у оквиру Рудника Бакра Бор, одржавање машина се врши према стању. Осим редовних дневних прегледа и генералних ремонта, остали радови на одржавању машина се изводе тек када дође до отказа. Одржавање машина према стању оставља своје последице. Примера ради, лежајеви на точковима камиона мењају се тек када дође до отказа. Поред отказа самог лежаја на предњем точку камиона „Белаз“, типа 75306, носивости 220 тона, дошло је и до оштећења главчине точка. Поред главчине, овакав тип отказа започиње серију отказа, након лежаја отказују амортизери, па чак и хидроцилиндри за управљање као директна последица отказа лежаја. Пред финансијских издатака за оправку и замену елемената који су отказали, велики су финансијски губици због искључења машине из процеса експлоатације у трајању од неколико дана. Наведени пример указује на хитну потребу за анализом ризика отказа и прелазак на други вид одржавања, одржавање према ризику. Најзаступљенији вид транспорта код откопавања угља површинским начином је континуални транспорт транспортерима са траком. Најчешћи случај јесте да неколико транспортера раде у низу. Јако велики проблем код оваквих система који раде у редној вези јесте непланирани застој, због отказа на неком од транспортера који изазива застој целог система за транспорт. На површинском копу „Велики Кривељ“, поред камиона, за транспорт јаловине примењују се и тракасти транспортери, од дробилице за јаловину на ободу копа до одлагалишта у старом „Борском копу“. Дужина транспортера је 2,8 km, а ширина гумене траке је 1,8m са четири погонске станице, једна на почетку и три бустер станице снаге 1 MW. Пре десетак година, откопавањем су захваћени подземи рударски радови па се део подграде који је доспело на транспортер заглавио се на пресипном месту и искидао траку по дужини. Дужина оштећеног дела гумене траке била је око 1,5 km. Овако озбиљан отказ настао је као последица људске грешке. Поред поменутих видова транспорта на површинским коповима угља, за дуже транспортне релације примењује се и железнички транспорт. Транспорт минералних сировина код подземне експлоатације у последње време се врши јамским камионима на дизел или електрични погон. Камиони су прилагођени скученом простору у јами па имају знатно изражену дужину у односу на остале димензије. Такође, као и код површинске експлоатације, примењује се и железнички транспорт акумулаторским или тролним локомотивским погоном. Код подземне експлоатације угља најчешће се примењују грабуљасти и транспортери са траком. 3.2.5. Помоћне машине Машине које се директно не користе у процесу експлоатације називамо помоћним машинама. У ову групу машина спадају: булдозери, грејдери, скрепери, сервисна возила код површинске експлоатације, машине за подграђивање и запуњавање и сервисна возила код подземне експлоатације минералних сировина. Интересантан пример неадекватног одржавања машина, који је довео до озбиљних последица отказа, јесте случај булдозера „Komatsu“ типа D155AX, на површинском копу „Велики Кривељ“. Наиме, да би се уштедело, у редуктор трансмисије булдозера сипано је неадекватно уље које је изазвало перманентно страдање механичких компоненти електровентила за регулацију брзине кретања. Из тих разлога машина је била практично неупотребљива дужи временски период док се није прешло на коришћење уља које је препоручио произвођач. 3.2.6. Стационарне машине и уређаји У групу стационарних машина спадају оне које су постављене на једном месту, обично на бетонском постољу, и немају могућност померања, при чему су карактеристични примери: извозне машине, главни вентилатори, главне пумпе, главни компресор, трансформатори, агрегати за електричну енергију и дробилична постројења. 3.2.6.1. Извозне машине Обим извоза зависи пре свега од капацитета јаме као и од примењене методе откопавања и може да се обавља окнима и косим просторијама. За вертикални извоз се користе извозне машине, а за коси могу да се користе транспортне траке, јамска жичара са горњом и доњом шином, витлови и слично. Постројење за извоз чини комплекс машина и уређаја који је повезан у један систем и синхронизовано функционише. Међутим, за ове потребе се разматрају само извозне машине које непосредно обезбеђују извоз. Подела извозних машина може бити по више основа. Према врсти извозне посуде извоз може бити: извоз кошевима (једна посуда за све намене), извоз скиповима (посуда само за извоз ископина), извоз комбинованим извозним системом са кошевима и скиповима. Према врсти уређаја за намотавање извозног ужета издвајају се системи са класичним бубњевима, системи извоза са котуровима на трење (''Кепе'' систем), извозне машине са бобинама, извозне машине са конусним бубњевима. 3.2.6.2. Вентилационо постројење Руднички вентилатори су уређаји за механичко проветравање јама. Главни вентилатори уграђују се у вентилоационим станицама и то по два вентилатора са два независна извора напајања, ради сигурности. Основна подела вентилатора јесте према конструкцији, па према овој подели вентилатори могу бити центрифугални са једностраним или двостраним усисавањем, са или без спроводног кола, и аксијални, једностепени или вишестепени са фиксним или променљивим углом лопатица (Jovičić, 1989). Раније су се за главно проветравање користили центрифугални вентилатори због великих капацитета. Данас све већу примену имају аксијални вишестепени вентилатори који имају предност због мањих димензија. Јако битна карактеристика вентилатора јесте поузданост у раду. Генерално, нису сложени по конструкцији али уколико дође до отказа, а резервни вентилатор се не може благовремено укључити, последице могу бити катастрофалне по запослене раднике у јами. 3.2.6.3. Пумпно постројење Пумпно постројење, поред вентилационог, представља један од најважнијих дела рудничког комплекса. Одводњавањем се одстрањују воде које се сакупљају у просторијама рудника или на дну површинског копа. Пумпе које се користе у рударству разликују се по конструкцији, принципу рада, капацитетима. Пумпне станице у рудницима углавном су опремљене центрифугалним пумпама. Одликују се сигурношћу у раду, економичније су од клипних и мањи су им трошкови по јединици испумпане воде (Ignjatović i Miljković, 2004). Поред наведених, у рударству се примењују и мембранске пумпе. Притисак који пумпа мора да оствари треба да буде довољан да се савладају сви отпори и да се вода испумпа на површину. Уколико се ради о великој дубини јаме, односно великој висини испумпавања, оно може да се оствари и каскадно. То значи да се вода испумпава до једног или више међунивоа на којима су уграђене друге пумпе које воду даље потискују навише. Најчешће се код дубоких рудника уграђују вишестепене пумпе које могу да савладају велике висинске разлике. 3.2.6.4. Компресори Компресор је стационарна машина која служи за ''производњу'' компримираног ваздуха који се пнеуматском инсталацијом разводи по читавој јами. При подземној експлоатацији, у знатној мери, користе се пнеуматске машине и уређаји, као што су машине за бушење, утовар и друге. Према принципу рада компресори се деле на: клипне, центрифугалне ­ турбо и вијчане – завојне. 3.2.6.5. Дробилице Дробилице су машине које се примењују у рударству за уситњавање откопане минералне сировине. Дробљење корисне ископине се обично врши због примене тракастих транспортера за њен даљи транспорт, као и због даље прераде. У случају јаловине дробљење се примењује само због транспорта. Дробилице које се примењују у рударству раде на принципу притиска и удара и тиме смањују величину комада минералне сировине за одређени степен дробљења. Подела дробилица може да се изврши у односу на покретљивост и у односу на принцип рада. Према првој подели дробилице могу бити изведене као стационарна постројења и као покретне – мобилне машине. Према принципу рада дробилице се могу разврстати на чељусне, конусне, роторне и дробилице са ваљцима (Jevtić, 1995; Magdalinović, 1999). Стационарна постројења за дробљење се примењују код рудника са великим капацитетима, док се мобилне дробилице примењују код малих копова и у каменоломима. Важна карактеристика машина за дробљење јесте степен дробљења који представља однос величине улазног и излазног комада минералне сировине. чељусне дробилице се користе за крупно дробљење (степен дробљења од 5 – 9) и ситно дробљење (степен дробљења од 3 – 5) (Jevtić, 1995). Радни простор чељусне дробилице чине покретна и непокретна чељуст и бочне стране. Покретање чељусти врши се уз помоћ ексцентра који је повезан са доњим делом покретне плоче преко кривајног механизма, док је горњи део плоче фиксиран осовином. Дробљење минералне сировине овом дробилицом остварује се притиском покретне плоче на комаде руде. Конусне дробилице се примењују најчешће за примарно дробљење сировина. Процес дробљења обавља се у простору ограниченом двема супротно постављеним конусним површинама, између покретног и непокретног конуса. Процес дробљења се састоји од ексцентричног кретања покретног конуса који се у горњем делу ослања у покретном лежишту, док доњи крај осовине на коју је постављен конус кружи око тањирастог зупчаника. На тај начин се омогућује непрекидно међусобно приближавање и удаљавање конусних површина уз сталну ротацију покретног конуса. Дробилице са ваљцима примењују се за дробљење мекшх сировина, најчешће угља. Овај тип дробилице састоји се из два паралелно постављена назубљена ваљка који се окрећу у супротним смеровима. Роторне – ударне дробилице примењују се искључиво за секундарно дробљење (Stefanović, 1980; Mirković, 2005). Дробилице се састоје од непокретног дела – кућишта и ротора на коме су постављени радни елементи. Према врсти радног органа, конструкцијски могу бити изведене са ударним чекићима и са ударним гредицама. Процес дробљења – уситњавања врши се ударом радног органа о комад минералне сировине. Услед удара радни орган баца комад сировине на облогу дробилице чиме се врши додатно уситњавање. 3.2.6.6. Мобилна постројења за дробљење За производњу малих количина издробљеног материјала примењују се мобилне – покретне дробилице, најчешће у каменоломима који се баве експлоатацијом и прерадом грађевинског камена. Велика предност мобилних дробилица, поред покретљивости и лаког и брзог пребацивања на нову радну локацију, јесте што новије дробилице имају и систем за просејавање, па је производ дробљења одређене гранулације. Мобилна постројења за дробљење састоје се од истих делова као и стационарна постројења и постављени су на покретну шасију. Основни делови покрених дробилица су: шасија, погонски мотор, уређај за кретање, пријемни бункер, вибрододавач дробилице, систем вибросита и транспортера. Мобилне дробилице могу бити изведене као самосталне машине са сопственим мотором и уређајима за кретање, и као полуприколице које померају камиони тегљачи. Погон мобилних дробилица најчешће је дизел мотор. Он покреће главну хидропумпу, која системом развода преноси енергију уља до потрошача (хидромотора елемената). Пријемни бункер дробилице има улогу да прихвати стенски материјал који се убацује утоваривачем или багером и уз помоћ вибрододавача равномерно снабдева дробилицу стенским материјалом који се дроби. Дробилица представља најважнији део ових машина. У зависности од врсте стенске масе која се дроби примењује се један од горе наведених видова дробљења. Систем за просејавање игра важну улогу у процесу уситњавања минералне сировине. Претходним просејавањем одстрањују се нечистоће из стенског материјала као што су земља и друге нечистоће, док накнадно просејавање омогућује да се као продукт дробљења добије производ уједначене гранулације. Систем транспортера омогућује манипулисање стенским материјалом унутар дробилице. Овим решењем омогућено је да се надрешетни производ просејавања врати на поновно дробљење. Трака за финални производ има улогу да транспортује продукт дробљења и депонује га испред дробилице, док јаловинска трака издвојене некорисне примесе, које су издвојене претходним просејавањем, депонује на посебну гомилу. Већина мобилних дробилица има систем за аутоматско праћење рада и процеса уситњавања минералне сировине. Поред тога, мобилне дробилице имају велики опсег подешавања крупноће продукта дробљења, тако да могу да раде и као примарне и као дробилице за секундарно дробљење. 3.3. Приказ технолошког процеса добијања каменог агрегата на каменолому „Ладне воде“ 3.3.1. Општи подаци о каменолому Експлоатација карбонатних стена из лежишта „Ланде воде“ траје још од 1947. године. У периоду од 1976 2002. године, каменолом је радио у саставу грађевинског предузећа „Дом“ из Петровца на Млави. Аустријска фирма „Alpine“ која је пословала у Србији под називом „Alpine – Dolomit“ 2002. године откупила је поменуто грађевинско предузеће, а с тим и каменолом. Од 2014. године каменолом је у власништву фирме „TEKO MINING“ Д. О. О. Камени агрегат кречњака и доломита који се експлоатише и прерађује у каменолому „Ладне воде“ користи се при изради бетонских и армирано – бетонских конструкција, за производњу асфалтне масе и као подлога за путеве. Према главном рударском пројекту од 2007. године пројектовани годишњи капацитет каменолома је 140 000 m3 са 170 радних дана и две радне смене у току дана. Пројектовани ефективни часовни капацитет прераде каменог агрегата је 75 t/h. Величина фракција, односно крупноћа каменог агрегата зависи и усклађује се према потреби тржишта. Према пројекту (ГРП, 2007 b), однос добијених класа крупноће описаним поступком дробљења дато је у табели број 3.1. Табела број 3.1 Пројектовани годишњи капацитет по класама крупноће 3.3.2. Опис процеса експлоатације и прераде 3.3.2.1. Експлоатација камена Експлоатација кречњачко – доломитних стена на каменолому обавља се дисконтинуалним начином рада са фронталним развојем радова и истовременим радом на више етажа. Процес експлоатације, према пројекту (ГРП, 2007 a), састоји се из неколико фаза: - бушење и минирање; - припрема за утовар; - утовар одминиране стенске масе и - транспорт до прихватног бункера примарне дробилице. Одвајање стенске масе обавља се бушачко – минерским радовима на етажама висине 20 метара и ширине 8,65 m. За бушење минских бушотина примењује се бушилица типа „Rock L – 6“ шведског произвођача „Atlas Copco“ (Слика 3.1). Минске бушотине пречника 92 mm и дужине 22 m буше се на међусобном растојању од 3 × 3,75 m. За минирање се користе прашкасти експлозиви типа „Detonex“ и „Anfex“. Да би се постиги што бољи ефекти разарања стенске масе раздвајају се експлозивна пуњења у бушотини са два међучепа. Иницирање експлозивног пуњења врши се „NONEL“ неелектричним системима са успорењем импулса између редова од 42 ms и 25 ms између бушотина у реду. Два минирања у току месеца од по 36 бушотина задовољавају пројектовани капацитет каменолома. Припрема за утовар представља фазу експлоатације при којој се одминирана стенска маса прегурава након минирања како би се вршио ефикаснији утовар. За ову фазу експлоатације користи се булдозер типа „Cat D9R“ Слика број 3.1 Бушилица „Rock L – 6“ Слика број 3.2 Хидраулични багер Утовар одминиране стенске масе обавља се директно у пријемни бункер примарне мобилне дробилице која се помера сукцесивно са напредовањем радова на експлоатацији. За утовар се користе хидраулични багери са обрнутом кашиком типа „Cat 325“ и „Cat 330“, запремине кашике од 1,9 m3 и 2,3 m3, респективно (Слика 3.2). Слика број 3.3 Утоварно – транспортна машина „Cat 980“ Транспорт одминиране стенске масе предложеним начином експлоатације обавља се тако што се стенска маса прегурава преко косина етажа и гравитацијски спушта на најнижу етажу која представља уједно и плато на коме су инсталисани системи за уситњавање стенске масе. За ову фазу експлоатације користи се булдозер типа „Cat D9R“ За транспорт издробљене стенске масе користи се утоварно – транспортна машина „Cat 980“ са запремином кашике од 4,6 m3 (Слика 3.3). Ова машина се примењује за утовар и транспорт продукта дробљења до постројења за просејавање. Такође се користи и за утовар готових производа у камионе. 3.3.2.2. Процес прераде каменог агрегата Процес прераде каменог агрегата на каменолому„Ланде воде“ састоји се од двостепеног дробљења, просејавања и класирања стенске масе. Слика број 3.4 Шематски приказ процеса уситњавања и класирања каменог агрегата (ГРП, 2007 a) Примарно дробљење стенске масе обавља се мобилном чељусном дробилицом „Lokotrack LT 110“, а секундарно дробилицом „Lokotrack LT 1213S“. Просејавање и одвајање каменог агрегата на класе обавља се на стационарном постројењу за тростепено просејавање. Постројење за примарно и секундарно дробљење је мобилно, налази се на најнижој етажи каменолома и помера се са развојем радова на каменолому. Такође, на истом платоу, инсталирано је и стационарно постројење за просејавање. Одминирана стенска маса крупноће - 700 + 0 mm багером се убацује у прихватни бункер примарне мобилне дробилице LT 110, запремине 10 m3. Испод бункера налази се вибрододавач – решетка отвора 90 mm преко које се крупнији комади усмеравају ка чељусној дробилици, а просев решетке – 90 + 0 mm, уз помоћ дводелне сипке, може се усмеравати на транспортну траку којом се транспортује издробљени материјал на вибросито. На вибро ситу се издваја класа крупноће – 90 + 31,5 mm која се преусмерава даље у процес. Просев вибросита – 31,5 + 0 mm представља коначну јаловину која се тракастим транспортером одлаже на привремену депонију. Финални производ примарне дробилице представља улаз у другу ударну дробилицу. Дробилице су позициониране тако да тракасти транспортер за финални производ примарне дробилице истоварује примарно издробљену стенску масу у пријемни кош дробилице за секундарно уситњавање. Слика број 3.5 Дроблица „Lokotrack LT 110“ Испод пријемног коша дробилице за секундарно дробљење налази се вибро додавач са уздужном решетком отвора 63 mm. Одсев решетке крупноће – 150 + 63 mm усмерава се у ударну дробилицу. Просев вибро додавача – решетке – 63 + 0 mm пада на централни тракасти транспортер и заједно са издробљеним материјалом одлази на просејавање. Просејавање се врши на виброситу. Одсев вибросита отвора +31,5 mm пада на попречни тракасти транспортер и преко бочног повратног тракастог транспортера враћа се на поновно дробљење, чиме се затвара процес дробљења и просејавања. Просев вибро сита, класа крупноће – 31,5 + 0 mm, представља коначан производ дробљења и преко транспортера за финални производ депонује се на привремену депонију, одакле се утоварно транспортном машином транспортује до стационарног постројења за класирање. Секундарно дробљење стенске масе обавља се применом ударне дробилице LT 1213S. Слика број 3.6 Дроблица "Lokotrack LT 1213S"(a, б). Слика број 3.7 Стационарно постројење за просејавање Стационарно постројење за просејавање (Слика 3.7) састоји се од прихватног бункера запремине 20 m3. Испод пријемног бункера издробљена стенска маса додавачем се дозира на коси транспортер са траком којим се одвози до вибросита са три сејне површине, отвора за просејавање 16, 8 и 4 mm. Одсев сваке просевне површине тракастим транспортерима се одлаже на привремене депоније, а просев на следећи стадијум просејавања. На крају се добија просев треће просевне површине крупноће – 4 + 0 mm. Као коначан резултат просејавања добијају се четири фракције – 31,5 + 16 mm, – 16 + 8 mm, – 8 + 4 mm и – 4 + 0 mm. За ово постројење не постоје подаци о типу и произвођачу, оно је преузето у таквом стању од претходног власника каменолома. Ризик од отказа рударских машина код система за откопавање и прераду минералних сировина где ради мали број машина, као што је случај на каменолому „Ладне воде“, далеко се више одражава на производњу и испуњење задатих циљева у односу на системе где постоји већи број машина за једну радну операцију. Код оваквих малих система израженија је потреба за изналажењем техничких, системских и организационих мера у циљу смањења ризика од отказа примењене механизације. 3.3.2. Опис дробилице 3.3.2.1. Улога у процесу експлоатације и прераде Примена мобилних дробиличних система за дробљење стенске масе показало се као погодан начин да се скрате транспортни путеви одминиране стенске масе на каменоломима. Посебно је значајна могућност мобилности и праћења фронта радова на експлоатацији. Мобилна дробилица „Lokotrack LT 1213S“ примењује се на каменолому „Ладне воде“ за секундарно уситњавање стенске масе. Дробилица ради у пару са примарном чељусном дробилицом „Lokotrack LT 110“. Финални производ примарне дробилице представља улазну сировину секундарне дробилице без додатног утовара стенске масе јер се дробилице тако постављају да транспортна трака финалног производа примарне дробилице истовара стенску масу у пријемни кош секундарне дробилице. Дробилица „Lokotrack LT 1213S“ примењује се за дробљење стенске масе са – 150 + 0 mm на – 31,5 + 0 mm. Слика број 3.8 Скициран приказ дробилице „Lokotrack LT 1213S“ Шематски приказ кретања стенске масе кроз дробилицу приказан је на слици 3.8. Дробилица ради у затвореном систему што значи да се крупније фракције стенске масе након дробљења и просејавања тракастим транспортерима враћају на поновно дробљење док се не добије потребна гранулација финалног производа. Статистички подаци отказа дробилице од увођења у процес прераде и време проведено у застоју саме машине и целокупног процеса откопавања представљају јасну слику о стању система одржавања машина на каменолому, тј. непостојању система одржавања. Значај дробилице у процесу прераде минералне сировине на каменолому и директан утицај застоја на испуњење производног плана и задовољење потреба купаца намеће потребу за смањењем ризика отказа саме дробилице. 3.3.2.2. Принцип рада Мобилна добилица „Lokotrack LT 1213S“, финског произвођача машина за рударство и грађевину „METSO MINERALS“, произведена у Француској, пројектована је за примарно и секундарно дробљење стенске масе. Ова дробилица представља савремен систем за дробљење и просејавање у затвореном циклусу рада. Погон дробилице је дизел мотор „Cat C12“, док се сви уређаји на дробилици покрећу хидромоторима преко главне хидропумпе, укључујући и уређај за кретање дробилице. Дробилица поседује бројне могућности подешавања величине комада финалног продукта дробљења и могућност издвајања две фракције производа. Прва фракција се може издвојити испод пријемног коша дробилице где се налази вибро додавач са уздужном решетком отвора 63 mm. Одсев решетке усмерава се у ударну дробилицу, а просев пада на вибросито где се одвајају класе крупноће – 31,5 + 0 mm и – 63 + 31,5 mm. Крупнија фракција – 63 + 31,5 mm, преко такозваног задњег тракастог транспортера, депонује се на привремену депонију, одакле се, као таква, продаје купцима. У колико дроблица ради као примарна, постоји могућност да се просев одлаже истом траком као јаловина, у колико у стенској маси постоје нечистоће типа земље и слично. Класа крупноће – 31,5 + 0 mm пада на главни централни тракасти транспортер и заједно са издробљеном стенском масом одвози се на просејавање. Дробљење стенског материјала врши се у ударној дробилици са гредицама. Просејавање се врши на виброситу. Одсев вибросита пада на попречни тракасти транспортер и преко бочног повратног тракастог транспортера враћа се на поновно дробљење иза решетке додавача тако да не може непрестано да кружи, чиме се затвара процес дробљења и просејавања. Такође, и овде постоји могућност да се одсев не враћа на поновно дробљење, већ се бочном повратном траком може депоновати као готов производ. Просев представља коначан производ дробљења и преко таранспортера за финални производ депонује се на привремену депонију. 3.3.2.3. Опис дробилице Мобилна дробилица „Lokotrack LT 1213S“ представља савремено постројење за дробљење и просејавање стенске масе. Основни саставни делови дробилице, са одговарјућим позицијама, приказани су на слици 3.9, а опис позиција дат је у табели број 3.2. Слика број 3.9 Саставни делови мобилне дробилице „Lokotrack LT 1213S“, (Instruction manual, 2004) Табела број 3.2 Саставни делови дробилице „Lokotrack LT 1213S“ Дроблица „Lokotrack LT 1213S“ поседује дизел мотор произвођача „Caterpillar“ типа „C – 12“ снаге 425 kW при 1600 o/min. Овај мотор служи за покретање главне хидро пумпе марке Rexroth, типа A 10 VEC 80, која ствара довољан притисак уља за рад хидромотора марке Danfoss, типа OMTW 400, којима се покрећу сви уређаји за дробљење, просејавање, транспорт маса унутар дробилице и уређаја за кретање. Уситњавање стенске масе врши се ударном дробилицом типа „NP 1213M“ која представља главни уређај на машини. Дробилица се састоји од кућишта по чијем ободу су постављене заштитне облоге отпорне на хабање и ротора на коме су постављене ударне греде. Дробљење стенске масе врши се ударом ударних гредица о комад стене. Услед удара, радни орган баца комад стене на облогу дробилице и тиме се врши додатно уситњавање стенске масе. Ротор дробилице покреће се преко ремених преносника који преносе снагу од хидромотора. Брзина обртаја ротора зависи од абразивности стенске масе и креће се у распону од 450 обртаја у минути, за јако абразивне стене, до 600 о/min за неабразивне стене. Крупноћа издробљене минералне сировине може се подешавати према потреби, померањем горњих покретних облога дробилице. Подешавање зазора дробилице приказано је на слици 3.10. Горња гранична крупноћа издробљене стенске масе, у зависности од величине улазног комада, може бити од 30 до 90 mm. Успешност обављања задате функције целе дробилице зависи од поузданости рада и степена уситњавања стенске масе подсистема за дробљење. Слика број 3.10 Шематски приказ ударне дробилице „NP 1213M“, (Instruction manual, 2004) Дробилица је опремљена са пет транспортера са траком. Први централни транспортер служи са одвоз издробљене стенске масе од дробилице до система за просејавање. Други тракасти транспортер користи се за транспорт и депоновање финалног производа, док трећи и четврти транспортер служи за враћање недовољно издробљене стенске масе на поновно дробљење. Краћи тракасти транспортер постављен је попреко на дробилицу, на њега пада просев система за просејавање и њиме се транспортује до бочног повратног транспортера којим се враћа на додатно уситњавање. За разлику од осталих транспортера, гумена трака бочног повратног транспортера није глатка, већ је ребраста како би се омогућио транспорт под већим нагибом под којим је транспортер постављен. Дужина бочног повратног тракастог транспортера је 9,4 m, брзина кретања гумене траке може се подешавати и креће се у распону од 2,4 – 2,6 m/s. Пети транспортер са траком може се користити за транспорт и одлагање јаловине или одређене фракције која се не дроби. Све тракасте транспортере покрећу хидромотори марке Danfoss, типа OMTW 400. Просејавање издробљене минералне сировине врши се преко вибросита „Nordberg TK13-30S“ код кога се могу променити сејне површине различитих величина отвора у зависности од жељене гранулације финалног производа. Хидромотор преко хидрауличне спојнице преноси снагу на ексцентар и тиме се омогућује кретање сејне површине. Поред централног просејавања издробљене минералне сировине, просејавање минералне сировине се може вршити по потреби и на улазу у дробилицу. Пријемни кош опремљен је вибро додавачем решетком тзв. „гризли додавач“ где се одвајају ситније фракције које не иду у процес дробљења. Просев решетке вибро додавача може се додатно просејавати па просев усмерити на главно просејавање, а одсев издвојити као јаловину (Слика 3.11 в) или све усмерити на главно просејавање (Слика 3.11 б) или издвојити као посебан производ (Слика 3.11 а). Слика број 3.11 Могућности усмеравања просева вибро додавача (Instruction manual, 2004) Систем за развод уља под притиком састоји се од главне хидро пумпе (која шаље уље под притиском на електровентиле који се отварају у зависности од тога који део система ради), резервоара запремине 520 l, црева за развођење уља под притиском и хидромотора који покрећу делове машине. Представља један од најбитнијих подсистема за успешан рад дробилице јер се сви остали подсистеми покрећу хидромоторима које покреће уље под притиском. Рад дробилице прати се преко дисплеја који је на самој дробилици одакле се врши управљање и контрола рада дробилице (Слика 3.12). Управљање дробилицом може се вршити и преко даљинског управљача, нарочито приликом померања дробилице. Слика број 3.12 Централни дисплеј дробилице „Lokotrack LT 1213S“ Слика број 3.13 Приказ мобилне дробилице„Lokotrack LT 1213S“ у раду У циљу смањења габарита приликом транспорта, дробилица има могућност склапања пријемног бункера и пoвратних трака, без скидања са машине. Димензије мобилне дробилице „Lokotrack LT 1213S“ су : Сви подсистеми дробилице су узајамно редно повезани, тако да застој на било ком елементу описаних подсистема значи аутоматски застој читаве дробилице и процеса прераде минералне сировине на каменолому. Значај саме дробилице у процесу експлоатације и прераде каменог агрегата намеће потребу да се приступи другачијем начину одржавања машине. Одржавање машине према ризику једно је од најбољих решења за смењење броја отказа. 4. ТЕОРИЈА ФАЗИ СКУПОВА И ФАЗИ ЛОГИКЕ Теорија фази1 скупова, представља математички приступ погодан за анализу и третирање процеса у којима преовладава неизвесност, вишезначност, субјективност, неодређеност итд. Развијена је за третирање недовољно прецизних појава које се не могу моделирати само теоријом вероватноће или интервалном математиком. Неодређеност као појам може да се посматра кроз следеће три категорије, у зависности од појава које се моделирају: - Теоријом вероватноће, када дати услови који карактеришу појам не одређују јединствено очекивани резултат; - Интервалном математиком, када није могуће, (а није ни потребно) прецизно знати посматране вредности; - Теоријом фази скупова, када неодређеност потиче од непрецизности у комуникацији (нпр. висока или ниска поузданост, добро или лоше одржавање и сл.). Аналитички приступ на бази теорије фази скупова се заснива на истовременом раду са квалитативним (лингвистичким) и квантитативним (нумеричким) променљивим, а излазни резултат се даје у континуалној форми, што не може да се каже за остале конвенционалне моделе из теорије одлучивања (Tanasijević, 2007). Конкретно код парцијалних индикатора ризика: поузданост као улазна променљива најчешће представља матемематички дефинисану величину али не увек; озбиљност последице је чисто квалитативне природе и заснована је на експертској процени. Суштинска компаративна предност фази модела је у томе што се квалититативни смисао променљивих, било при анализи перформанси или синтези истих на нивоу одређене структуре машине при томе се 1 У српском језику енглеске речи fuzzy sets преводе се као расути, расплинути, неизразити скупови. У научној литератури на српском језику уобичејено је да се пише фази скупови. не губи, односно и резултат остаје у лингвистичком облику који је дефинисан функцијом припадности (Tanasijević, 2007). Коришћење фази скупова, као и фази логике, често се симболично објашњава и као умеће стручњака (Subašić, 1997) или квалитативни опис умећа, или једноставно као рачунање речима. Фази технологије представљају покушај да се непрецизне информације представљају и обрађују помоћу рачунара, чиме би се обезбедила приснија веза између човека, који по природи овакве информације користи, и рачунара, који манипулише искључиво бројевима и фиксним симболима. Због тога су фази технологије оријентисане ка човеку и често се називају хуманим технологијама (Subašić, 1997). (Tanikić, 2009) сматра да је фази логика као концепт пуно природнији него што се то на први моменат мисли. Наиме, постоје ситуације у којима није могуће знање о систему репрезентовати на апсолутно прецизан начин бројкама. чак је више ситуација у којима морамо да користимо непрецизне констатације. На пример, „Марко је висок човек“, „Онај аутомобил се приближава јако великом брзином“ су непрецизне реченице, а ипак се свакодневно користе. Фази логика, према наведеном аутору, представља савремени алат који се користи за успостављање правила пресликавања улазних у излазне величине, када је функција пресликавања непозната или веома компликована за разумевање. У свом раду системи са фази логиком користе низ правила (облика АКО-ОНДА) која се називају фази правилима (или лингвистичким правилима). Фази системи већ се успешно примењују у разним областима, као што су: класификација података, аутоматска контрола, експертни системи итд. Примену теорије фази скупова и фази логике за отказе система у инжењерској пракси анализирао је Cai (Cai, 1996). Аутор у свом раду даје широк спектар могућности примене фази методологија међу којима издаваја могућност примене теорије фази скупова и фази логике код дијагностике отказа, поузданости машинских конструкција, процене ризика, безбедности на раду и др. Chen (1994) даје могућности примене фази скупова и фази аритметике за одређивање поузданости система где поузданост сваке компоненте система представља троугаоним фази бројевима. Да би се превазишли недостаци традиционалне FMEA методе, аутори (Keskin i Ozkan, 2009) уводе нов метод назван „Фази теорија адаптивног резоновања“ како би срачунали вредности за RPN. Аутори (Ataei i dr, 2009) дају пример примене феорије фази логике и фази правила за избор механизације у подземним рудницима угља. Основни показатељи код избора опреме су геолошки услови у лежишту: угао залегања слоја и моћност, тектонски поремећаји слоја, састав кровине и подине слоја, могућност појаве воде на челу радилишта и димензије лежишта. Из претходно наведених неколико истраживања може се видети ширина спектра могућности примене теорије фази скупова и фази логике. Технички системи који се данас примењују у рударству су доста сложени и комплексни, а самим тим и њихово одржавање сложеније. Најчешће се сусрећемо са системима који раде двадесетак и више година, за које не постоје тачни подаци о начину и периодима одржавања, те је одређивање параметара ризика и поузданости на бази статистичке обраде података из историје рада машине често немогуће и једина је алтернатива коришћење експертског мишљења запослених у раду са машином које се по природи даје у лингвистичкој – фази форми. 4.1. Теорија фази скупова Фази скупови се разликују од обичних дискретних скупова, тачније фази скупови су проширени скупови. Елементи фази скупова могу припадати скупу потпуно и делимично, за разлику од обичних скупова. То је дефинисано функцијом припадности, чија вредност може бити између нуле и јединице. Управо флексибилност при избору облика функције припадности омогућава лакше прилагођавање фази система реалним ситуацијама и то је један од основних разлога због којих фази системи у све већој мери постају замена класичним инжењерским системима. Фази скупови су основни елементи којима описујемо непрецизност. Наиме, класичан дискретан скуп садржи елементе са истим својствима (скуп јабука, скуп крушака, скуп целих бројева итд.) док фази скупови садрже елементе са сличним својствима (скуп високих људи, скуп ниских људи, скуп брзих аутомобила итд.). Код класичних скупова елемент или припада или не припада одређеном скупу. Ако то представимо математички кажемо да је степен припадности скупу 1 (ако припада) или 0 (ако не припада). Са друге стране, елементи у фази скуповима могу делимично да припадају, математички то можемо да представимо на следећи начин: 1 (100% припада), 0 (уопште не припада скупу), 0,7 (70% припада скупу). Овим приступом могу прецизније да се репрезентују непрецизни искази. Интерсантан пример фази скупа може бити класификација стенске масе према коефицијенту чврстоће према Протођаконову. Иако се овај коефицијент рачуна на основу чвсртоће на притисак, категорије стена дате су за тачно одређену вредност коефицијента и као такве се користе. Тако на пример, у прву категорију врло чврстих стена сврставају се стене чији коефицијент чврстоће има вредност 20, док за следећу нижу категорију „II категорију врло чврсте“ стене са кофицијентом чврстоће који има вредност 15. Поставља се питање у коју категорију спадају стене чији је коефицијент чврстоће рецимо 19. Настаје дилема да ли ове стене припадају скупу I или II категорије врло чврстих стена. Интуитивно би се ове стене сврстале у групи II категорије врло чврстих стена. Међутим, како да се то представи на систематичан начин, једноставно може се рећи да стенска маса чији коефицијент чврстоће има вредност 19 припада скупу „I категорије врло чврстих стена“ са степеном 0,95. На овај начин уводи се нов концепт, а то је функција припадности. Тако, на пример, „I категорије врло чврстих стена“ придружена је функција припадности која описује степен припадности сваког елемента том скупу. На слици 4.1 приказана је функција припадности скупу „I категорије врло чврстих стена“. Слика број 4.1 Фази скуп I категорије врло чврстих стена Главна карактеристика фази теорије је могућност груписања индивидуалних појава у скупове које немају јасно дефинисане границе. Овако дефинисани фази скупови су корисни за описивање неодређености и несигурности модела емпиријских појава. Теорија вероватноће претпоставља постојање само једне класе или скупа ентитета и изражава степен вероватноће присутности, где се скуп са највећом вероватноћом тумачи као стварни скуп. Применом теорије фази скупова даје се могућност да више скупова могу бити присутни на истој локацији истовремено и изражавају степен присутности кроз вредност функције припадности. Теорију фази скупова развио је Zadeh (1965), кога многи аутори сматрају творцем теорије фази логике. Резултате свог истраживања дао је у раду „Фази скупови“. За фази скуп каже да је скуп објеката са непрекидним степеном припадности. Такав скуп се карактерише функцијом припадности која приписује сваком објекту степен припадности рангиран између нуле и јединице. Према овом аутору, дефиниција фази скупа гласи: „Фази скуп А се карактерише функцијом припадности f(x), повезана са сваком тачком простора X реалним бројем из интервала [0,1]. Вредност функције f(x) преставља степен припадности елемента x скупу A. Што је вредност карактеристичне функције - функције припадности ближа јединици, то је већи степен припадности елемента или објекта x скупу A“. Према истом аутору, идеја о фази скуповима представља погодну полазну тачку за конструкцију концептуалног оквира који парира у аспектима и оквирима коришћења обичних скупова али је општији од класичних скупова и потенцијално има мого шири обим примене, нарочито у области класификације и обради података. У суштини, такав систем пружа природан начин за бављење проблемима у којима је извор непрецизан и где не постоје оштро дефинисани критеријуми чланства одређеним класама. Zimmerman (1996) даје објашњење за непрецизност коју је описао Zadeh (1965), сматрајући да се непрецизност односи на неодређеност, а не на недостатак знања о вредностима посматраних параметара. Теорија фази скупова предвиђа строго математичке оквире у којима нејасни концептуални феномени могу бити прецизно и строго проучавани. Harris (2006) је за фази скупове написао да су то скупови који имају непрецизне границе и да се могу приказати Веновим дијаграмима. Непрецизне зоне, дефинисане као границе скупа, представљају зоне са делимичном припадношћу, односно непотпуном припадношћу неког елемента скупу, а припадност има вредност између нуле и јединице, ȝ[0,1]. Графички (Венов дијаграм) приказ скупова А и B, за случај када јесу и када нису фази скупови дат је на слици 4.2. У случају фази скупова интензитет сиве боје представља степен припадности скупу. Слика број 4.2 Дискретни скупови (a), фази скупови (б) Booker i Singphurwalla (2003) истичу да је теорија фази скупова применљива када се ради о нејасним и недореченим врстама чињеница и њиховој класификацији унутар скупа и није као теорија вероватноће која захтева да сваки исход припада скупу или проширеном скупу. Код теорије фази скупова, степен припадности колико члан припада скупу, задат је функцијом припадности. Subašić (1997) је дефинисао фази скуп као скуп елемената са сличним својствима, за разлику од класичног скупа који је дефинисан као скуп елемената са истим својствима. Такође, дао је и дефиницију функције припадности, која гласи: Нека је дат непразан скуп X. Фази скуп A и X се описује функцијом припадности: где ȝA(x) представља степен припадности елемената x фази скупу A за свако x  X , X назива се надскуп или универзални скуп. Фази скуп се може представити скупом парова: Сличну дефиницију дали су и (Tadić i dr., 2006; Castillo i Melin, 2008) где је фази скуп дефинисан преко уређених парова: где је ȝA(x) функција припадности. Носач фази скупа A јесте S(A) подскуп свих тачака x из универзалног скупа X таквих да је ȝA(x)>0: Елеменат фази скупа x из X (Dubois i Prade, 2005) дефинисан је његовом придодатом функцијом ax од L\{()} дo X, ако је X скуп и ако се L посматра као структура степена припадности са горњом границом 1 и доњом 0. 4.1.1. Својства и операције на фази скуповима Основна својства фази скупа су (Tadić i dr., 2006): 1. Фази скуп A је празан ако и само ако је ȝA(x)=0 2. Висина фази скупа је највећа вредност степена припадности неког елемента x у скупу А који је подскуп универзалног скупа. 3. Фази скуп А је нормалан ако и само ако ( x0) X, тако да ȝA(x0)=1, односно ако је 4. Фази скуп А је субнормалан ако није нормалан. Непразан субнормалан фази скуп А може да се нормализује ако се ȝA(x0) подели са изразом 4.5. 4.1.2. Операције на фази скуповима Bojadziev i Bojadziev (2007) приказали су операције на фази скуповима. Ако се у разматрање узму два фази скупа, скуп A и скуп B из универзалног скупа X, операције на фази скуповима A и B представљене су операцијама на њиховим функцијама припадности. Према поменутим ауторима операције на фази скуповима су: - Једнакост фази скупова Фази скупови A и B су једнаки, обележавамо их са A=B, ако и само ако су им једнаке функције припадности за свако x  X , - Инклузија (укључење) фази скупова тада је фази скуп A подскуп фази скупа B. - Одговарајући подскуп Фази скуп А зовемо одговарајући подскуп фази скупа B и обележава се са А  B , када је А подскуп скупа B и AB и тада важи: - Комплемент фази скупа Скуп супротан фази скупу је комплемент фази скупа, обележен са à и представљен функцијом припадности: - Збир два фази скупа је пресек фази скупова A и B је такође фази скуп, обележавамо га са A  B , представљен помоћу функције припадности - Пресек два фази скупа A и B, обележавамо са A  B , представља заједнички скуп два скупа А и B, дефинисан помоћу функције припадности: 4.1.3. Фази број Фази број А је фази скуп представљен функцијом припадности ȝA(x) са следећим особинама: 1. ȝA(x) је дефинисана над скупом реалних бројева, 2. ȝA(x) је конвексна, 3. ȝА(x) је нормална, и 4. ȝА(x) је део по део непрекидна функција (Subašić, 1997). Сличну дефиницију дали су и (Tadić i dr., 2006), која гласи: Фази број А је конвексан нормализован фази скуп који је дефинисан на скупу реалних бројева, R: a) ако егзистира тачно једно x0  R за које је ȝА (x0)=1 б) ȝА (x0) је непрекидна функција за све остале вредности x  X . Слика број 4.3 Фази скупови који јесу (A и B) и који нису фази бројеви (&, ') (Subašić, 1997). 4.1.4. Различити облици функције припадности Функција припадности може имати различите облике. Постоје два основна облика функције припадности ȝА (x0): дискретни и континуални. Код дискретне функције припадности, сваком елементу носача фази броја придружује се тачно једна дискретна вредност из интервала [0,1]. Континуална функција расподеле могућности дефинисана је на интервалу поверења помоћу параметара. Најједноставнији облик функције припадности јесте троугаони облик (Tadić i dr., 2006; Castillo i Melin, 2008; Siler i Buckley, 2005). Троугаони облик функције припадности задат је помоћу три параметара, a, b, c таквих да је a<b<c. Ови параметри представљају три тачке троугла. Функција припадности дата је на следећи начин (Tadić i dr., 2006, Castillo i Melin, 2008; Siler i Buckley, 2005): Слика број 4.4 Троугаони облик функције припадности Трапезни облик функције припадности дефинисан је помоћу четири параметра a, b, c и d, таквих да је a<b”c<d. Функција припадности дата је у следећем облику (Tadić i dr., 2006, Castillo i Melin, 2008; Siler i Buckley, 2005): Слика број 4.5 Трапезни облик функције припадности Функција припадности у облику параболе (звона) дефинисана је помоћу три параметра a, b, и c, на следећи начин (Tadić i dr., 2006, Castillo i Melin, 2008; Siler i Buckley, 2005): Слика број 4.6 Функција припадности у облику параболе 4.1.5. Релације фази скупова Фази релације представљају комбинацију свих елемената два фази скупа. Дефиниција 1: (Zimmermann, 1996), Ако су X ,Y  R универзални скупови, тада зовемо фази релацијом X на Y и обележавамо X  Y . Дефиниција 2: (Zimmermann, 1996), Ако су X ,Y  R и два фази скупа, тада je релација (4.18) фази релација на скуповима A и B ако је Бинарна фази релација јесте фази скуп X  Y која сваком елементу скупа X  Y додаје степен припадности између 0 и 1 (Castillo i Melin, 2008). 4.1.5.1. Особине фази релација Према (Ross, 2004) особине фази релације дефинисане су на универзалном скупу X, такође и релација из X на X: Рефлексивност: Симетричност: Транзитивност: где је:   min 1 , 2  4.1.5.2. Основне операције на фази релацијама Према (Bojadziev i Bojadziev, 2007), ако су R1 i R2 две фази релације дефинисане на A×B, такве да је: тада се могу издвојити следеће операције над фази релацијама: - Једнакост фази релација Фази релације R1 и R2 су једнке ако и само ако за сваки пар - Инклузија Ако за сваки пар (x, y) A B важи: тада се фази релација R1 садржи у релацији R2 и обележава се са R1  R 2 . - Комплементарност Релација која је комплементарна релацији R обележава се са R , а дефинисана је као: Пресек две фази релације обележавамо са R1 R2 , а дефинисано је помоћу следеће релације: - Унија фази релација Унија две фази релације обележавамо са R1  R2 , а дефинисана је на следећи начин: Слика број 4.7 Унија фази скупова A и B (Tadić i dr., 2006) Слика број 4.8 Пресек фази скупова A и B (Tadić i dr., 2006) Слика број 4.9 Комплемент фази скупа А (Subašić, 1997) 4.1.5.3. Композиција фази релација Композиција фази релација се може посматрати као израчунавање нове релације на основу датих релација. У литератури се наводе неколико метода композиције фази релација међу којима су најзаступљеније max-min, min-max и max-proizvod. Kundu (1998) дао је дефиниције за маx-мин и за мин-маx композиције и њихово упоређење, која гласи: две фази релације, где је R1  X 1  X 2 и R2  X 2  X 3 , тада max-min правило рачуна функцију припадности за фази релацију R1  R2 Max-min (Mm) правило композиције: Min-max (mM) правило композиције: 4.2. Теорија фази логике Теорија фази логике остварује импресиван успех у разним инжењерским апликацијама у распону од масовних потрошачких производа на тржишту до суфистицираних одлука и контроле проблема. Фази логика укључује људско искуство и опредељење за функцију припадности и фази правила. Фази логика, као методологија за моделирање и анализу система је од посебног значаја, због своје способности да моделира квантитативно и квалитативно проблеме који укључују нејасноће и непрецизности. Према (Carvalho i Machado, 2006) процес фази логике у основи заснива се на концепту који омогућава рад са приближним вредностима, непотпуним или двосмисленим информацијама и њиховим утицајима на доношење одлука. Уз помоћ фази логике могу се решити неки неструктурални проблеми са непотпуним знањем, путем развоја закључка и приближних одговора, као што људска бића раде. Математичка концепција фази логике омогућава представљање неких карактеристика људског начина размишљања. При развоју фази модела у првој фази неопходно је идентификовати критичне променљиве и параметре система. Променљиве и параметри морају бити специфицирани одговарајућом функцијом припадности. Потребно је идентификовати активности на контроли система и описати их у смислу лингвистичких правила. У другој фази систем се контролише помоћу претходно дефинисаних правила. Омогућено је да се мерења вредности променљивих обављају током трајања процеса. Измерене вредности се након мерења трансформишу, на основу правила, у одговарајуће лингвистичке термине. Резултат примене фази логике у системима јесте тај да се дефинишу позиције на којима се може деловати и контролисати систем. Фази логика пружа ефикасан начин да се од доступних података сачини математички модел као основа за анализу. Уз помоћ лигвистичких променљивих, којим се окарактерише фази скуп, омогућава се карактеризација комплексних или лоше дефинисаних феномена (Owens i Coppola, 2012). Када су фази скупови дефинисани на овај начин, истраживач формира функцију припадности која карактерише степен припадности елемента одређеном фази скупу. Другим речима, прелазак из чланства у нечланство скупу је постепено, баш као што то доживљава стручњак који ради анализу. Процес моделовања на бази фази логике захтева постепено интерактивно ангажовање стручњака на обради историјских чињеница, са циљем да се процес побољша на основу резултата, аксиома или правила. Brubaker (1994) даје пет категорија где је могуће применити фази логику, а по њему најчешће и неопходно: 1. Фази логика се треба применити код комплексних система, када је тешко или немогуће дефинисати систем на други начин. 2. Такође, треба се применити у случајевима када се систем контролише од стране експерата. 3. Фази логику треба применити у случајевима сложених и веома сложених система са континуалним улазима и излазима. 4. Системи код којих се врши праћење процеса од стране радника где се у раду врши промена улазних и излазних параметара 5. У системима у којима је нејасност уобичајена, пример економски системи, природне науке... У фази логици није прецизно дефинисана припадност једног елемента одређеном скупу, већ се припадност мери у, рецимо, процентима. Ове мере припадности, скалиране, могу да узимају вредности од 0 до 1. Узмимо, као пример, дане у недељи и направимо два скупа. Скуп радних дана и скуп викенд. У бинарној логици се у скупу радних дана убрајају: понедељак, уторак, среда, четвртак и петак, а у скупу викенд дана: субота и недеља. Припадност елемента неком скупу би се изразила бројем 1, а неприпадање бројем 0. Међутим, у фази закључивању би ситуација била нешто другачија. Петак, као дан који је делом радни дан, а делом почетак викенда, био би негде на граници ова два скупа, тј. његова припадност првом скупу радних дана би се изражавала, рецимо бројем 0,62, док би припадност другом скупу викенд дана била цифра 0,38, ако се узме процентуално време од 24 часа. Слично би било и за недељу као дан који јесте викенд, али не сасвим целим својим трајањем, јер ипак се недеља увече доживљава као припрема за нову радну недељу, односно многи људи ће га окарактерисати као не сасвим викенд дан, јер после њега долази понедељак. Види се да је фази логика јако блиска људској перцепцији о многим стварима у животу. Многе сличне ситуације које нису јасно раздвојене, које су мешавина више ствари, су свакодневно присутне око нас. Овде смо на прилично нестабилном терену, јер релевантно постаје субјективно мишљење о некој ствари или појави. Фази логика је користан алат за контролу и управљање комплексним индустијским процесима, домаћинствима, експертским системима и за друге апликације (Hellmann, 2001). Фази логика омогућава другачији приступ управљању и класификацији проблема. Модел се фокусира на решавању проблема, а не на изналажењу математичког модела, у колико он постоји. Са друге стране, фази систем захтева довољно експертско знање за формирање база правила, комбинацију фази скупова и дефазификацију. Примена фази логике јако је корисна за веома сложене процесе за које не постоји једноставан математички модел, за нелинеарне процесе или за обраду језичко формулисаног стручног знања (Hellmann, 2001). Mechefske (1998) у свом раду даје могућности примене фази логике за дијагностику отказа машина. Аутор сматра да фази логика пружа модел за упрошћење и објашњење комплексних система. Фази логика ради са неодређеним и нејасним системима на начин који опонаша људско размишљање. Омогућава припадност променљиве групи у оквиру које се оцењује степен неизвесности. Представља параметре система као нормализоване између 0 и 1. Степен припадности дефинише лице или стручни тим који ради анализу. Скупови фази логике су објекти који се користе за моделирање неодређености и неизвесности, као и оних који су присутни лингвистички када описујемо ствари, концепте и идеје без јасних граница (Hanovich, 2010). Теорија фази логике пружа методе за приближно резоновање процеса на основу несигурних, непотпуних, непрецизних или неодређених информација. Алати фази логике пружају могућност да се дође до одређених закључака на основу нејасних, двосмослених, непрецизних података или у случајевима када недостају информације. Hanovich (2010) у свом раду издваја три битне карактеристике фази логике: 1) све је ствар степена; 2) фази логика је погодна за неизвесна или приближна закључивања, поготову за системе са сложеним математичким моделима и 3) фази логика омогућава доношење одлука када се ради о нејасним или непотпуним подацима. Према (Hanovich, 2010) фази логика је приступ променљивама који подржава тачније моделовање процеса одлучивања и бољег престављања интеракција реалног света наспрам бинарног приступа који има строго рационалистички поглед на свет. McGill i Ayyub (2007) тврде да основу за израду модела фази логике чине лингвистичке променљиве описане фази бројевима. Насупрот јасним, класичним скуповима, чија је вредност јасно дефинисана, фази број је фази скуп дефинисан у скупу реалних бројева чије је нумеричко значење нејасно дефинисано. На пример, реч „вероватно“ као тврдња о вероватноћи и реч „катастрофално“ као тврдња о потенцијалним последицама су обе фази бројеви у смислу да изражавају величине без прецизне квантификације. Основна предност концепта фази скупова јесте способност да моделује непоуздане и двосмислене информације. Разлика фази скупова у односу на класичне скупове (Reveiz i León, 2009) јесте функција припадности која није дискретна већ непрекидна, где различити степени припадности имају вредност између чињеница да и не, вредности 0 и 1, чињеница истинито и неистинито, итд. Функција припадности јесте, у суштини, линија која дефинише прелаз између скупова. 4.2.1. Лингвистичке променљиве Лингвистичка променљива је важан концепт у фази логици и игра кључну улогу у многим апликацијама, нарочито у домену фази експертских система и контролне фази логике. У основи, лингвистичка променљива узима вредности које су појмови природног језика. На пример, брзина је лингвистичка променљива ако њене вредности могу бити споро, брзо, веома брзо и тако даље. Овај концепт је уведен да би се карактеризовали феномени који су или сувише комплексни, или формално лоше дефинисани. Subašić (1997) је дао дефиницију лингвистичке променљиве која гласи: „Лингвистичка променљива је променљива чије су дозвољене вредности речи природног језика“. Лингвистички изрази представљају мост између бројчаних представљања информација у рачунару и човековог начина размишљања (Tadić i dr., 2006). Пример лингвистичке променљиве може бити квалитет одржавања и може имати вредности: веома лоше, лоше, добар, веома добар, одличан... По дефиницији, лингвистичка променљива је променљива чије су дозвољене вредности речи природног језика. Лингвистичка променљива често се назива и фази променљивом. Испред основних лингвистичких променљивих често се додају и одговарајући модификатори, нпр. врло и сл. Лингвистички модификатори као и везници који ће касније бити дефинисани, могу да се дефинишу зависно од употребе и намене. Због тога се и употребљава велики број различитих лингвистичких модификатора и везника. Очигледно је и да, с обзиром на језичке манипулације, пре свега у смислу двосмислености појмова, лингвистичке променљииве и модификатори често могу да се комбинују тако да се делом изгуби њихова основна улога променљиве или модификатора. У сваком случају требало би дефинасати фази променљиве, тј. називе фази скупова тако да се на најбољи начин апсорбују анализирани феномени. При томе треба увек имати на уму да је лингвистичка променљива практично веза између рачунара и човека. Оператори модификације: Нека А означава фази скуп са функцијом припадности —A(x); xX, где је X универзални скуп и A  X . Прва група модификатора према (Subašić, 1997) може се дефинисати на следећи начин 1. Множење скаларом: 2. Степеновање: 3. Нормализација: 4. Концентрисање: 5. Проширење: Друга група оператора модификације се може дефинисати на следећи начин: 1. Појачавање контраста: INT(A); 2. Фазификација фази скупа А се врши помоћу другог фази скупа K(xi) и дефинише се на следећи начин: - где се K(xi) назива језгро фазификације. Наведени опште прихваћени модификатори лингвистичких вредности се придружују оператору модификације и то најчешће на следећи начин (Subašić, 1997): - веома A = CONC(A); - мање-више A = DIL(A); - понешто A = NORM(A и не (VEOMA(A))); - прилично A = NORM{INT(A) и не INT[CON(A)]}; - изузетно A = NORM(INT(A)). Фазификација представља поступак претварања улазних података у фази скуп или број. Улазни подаци могу бити дати као лингвистичке променљиве или бројчано. Такве податке је неопходно трансформисати у облик фази скупа са функцијама припадности датим скуповима. Фази скупови могу бити троугластог, трапезног иили звонастог облика. Троугаони облик фази скупа се примењује код лингвистички променљивих које прецизније дефинишу одређену појаву, док се трапезни облик примењује код појмова који имају шире значење, типа лингвистичке променљиве „умерен“ код процене ризика. Трапезни и троугаони облик фази скупова приказан је на слици 4.10. Да би се фазификовали бројчани подаци, као што су времена између два отказа код процене ризика, неоходно је дефинисати класу припадности, односно свакој класи треба придодати одговарајуће бројчане вредности како би посматрана појава била дефинисана одговарајућим фази скупом. За пример времена у отказу, класи 1 треба придодати најдуже време проведено у раду, док класи 7 најкраће време у раду. На тај начин се најкраће време проведено у раду повезује са фази скупом који описује екстреман ниво ризика од отказа. Код фазификације улазних података добијених на основу експертске оцене описно речима, неопходно је дефинисати фази скупове лингвистички променљивих којима је описана појава, на пример, ризик. Слика број 4.10 Троугаони и трапезни облик фази скупа (Petrović i dr., 2014) Слика број 4.11 Оператори модификације, (Subašić, 1997) У општем случају могу да се дефинишу и везници (и, или, не) у лингвистичким изразима, који опет могу да се дефинишу на следећи начин (Subašić, 1997): - A и B = A  B; - A или B = A  B; Не A = Ã. За представљање тврђења која садрже лингвистичке вредности користи се поступак фази пропозиције. Фази пропозиција је дакле поступак сагледавања реалности на начин да она може да се представи, како је раније речено, у рачунару. Слободно се може рећи да је поступак фази пропозиције најзахтевнији корак у формирању коначне оцене на бази фази скупова. Захтевност се огледа у комплексности систематизације знања, искустава, затим одговарајућих мерења и сл. 4.3. Фази релације Фази релације описују непрецизне односе између две величине. Конкретно, нека су X и Y два универзална скупа. Тада је R = {((x, y), —R(x, y)) | (x, y)  X × Y} бинарна фази релација. —R(x, y) је дводимензионална функција припадности. Уобичајене бинарне фази релације су: - x је близу y (бројеви), - x зависи од y (догађаји), - x личи на y (објекти), - ако је x велико y је мало (управљање, фази системи закључивања). 4.3.1. Композиција фази релација Нека су дате две бинарне релације R1 и R2 фази релације дефинисане у X  Y и Y  Z , респективно. Композиција релација R1 и R2 се означава са R1R2 и дефинисана је над производом X  Z . Композиција две релације може се посматрати као израчунавање нове релације R1 ° R2 на основу датих релација R1 и R2. Најпрепознатљивији и најчешће употребљавани принцип фази композиције је тзв. max-min композиција. У том случају, композиција релација R1 и R2, за дате опште услове, дефинисана је на следећи начин: Односно за конкретна израчунавања: - где су оператори:  = max и  = min. Када се R1 и R2 представе у матричном облику, израчунавање веома личи на матрично множење само што се множење и сабирање мењају са  и , респективно. Из тог разлога се max-min композиција често назива и max-min производ. Нека су R1, R2, R3 бинарне релације на X × Y и Y × Z и Z × W . Тада важе следеће особине max-min композиције (Subašić, 1997): - асоцијативност: - дистрибутивност у односу на унију: - слаба дистрибутивност у односу на пресек: - монотоност: Применом исте нотације као и код max-min композиција, може да се дефинише још једна композиција, маx-производ композиција 4.3.2. Фази пропозиције Фази пропозиција се примењује за представљање тврђења која садрже лингвистичке вредности. Дефиниција: (Subašić, 1997): Ако у тврђењу P = x je A, A представља фази скуп, односно лингвистичку вредност којој се може доделити фази скуп, онда је P фази пропозиција. Када је А фази скуп, онда су могуће вредности променљиве x фази скупови. Тада се променљива x зове фази променљива. Ако се А посматра као лингвистичка вредност, онда су могуће вредности променљиве x лингвистичке вредности. 4.3.3.Фази закључивање Фази закључивање користи степен сагласности између чињенице и предуслова правила да би се на основу тога израчунао закључак. На основу познате чињенице А, различите од предуслова правила A, AĺB, израчунава се закључак B који је у општем случају различит од закључка B правила. Subašić (1997) је дао дефиницију фази закључивања која гласи: Ако је дати фази скуп А дефинисан над надскупом X и фази релација R над U V , на основу чега се рачуна нови фази скуп B над надскупом V. Објашњење: Ово се може схватити на следећи начин: A је чињеница, R је правило, а B је закључак правила. То се може представити на следећи начин: чињеница: А ..........фази скуп дефинисан над U Правило: R............фази релација дефинисана над U V Закључак: B.............фази скуп дефинисан над V 4.3.4. Фази правила База фази правила дефинише резултат или излазну величину (ниво ризика система при процени ризика) за сваку комбинацију улазних променљивих. Та правила су обично више у употреби као лингвистички термини од математичких бројчаних вредности и изражавају се као „ако-онда“ правила. Ако – онда правила садрже два дела: хипотезе, односно претпоставке која се упоређује са улазним подацима, и закључка, што представља резултат. Најједноставнији облик фази правила може се представити као: АКО је x А ОНДА је y B. АКО део представља улазно стање или премису, а ОНДА представља излазно стање или закључак. Већи број правила у којима се речима описује решење неког проблема представља базу правила. Наравно, можемо имати више улазних променљивих. Важно је напоменути да фази правила проистичу из претходног искуства стручног тима који ради анализу као и од познавања система који се анализира. 4.4. Дефазификација Дефазификација је поступак којим се резултат фази закључивања претвара у реалан број. Према (Sivanandam i dr., 2007) резултати фази закључивања не могу се као такви користити, па је неопходно фази закључке претворити у јасне вредности за даљу примену. Према истим ауторима постоји седам метода за дефазификацију фази излазне функције, а то су: 1. Принцип максималне функције припадности, 2. Метод тежишта, 3. Средња пондерисана вредност, 4. Метод средње вредности максимума, 5. Центар суме, 6. Центар највеће области и 7. Метод првог максимума или последњег максимума. Принцип максималне функције припадности (Sivanandam i dr., 2007), може се приказати изразом: (слика 4.12) према где је : Z - скуп могућих решења —C – функција припадности решења фази скупу C Ова метода даје резултат са највећом функцијом припадности. Слика број 4.12 Принцип максималне функције припадности Слика број 4.13 Метод тежишта Метод тежишта је најчешће примењен метод, слика 4.13. Овај метод назива се још и метод центра тежина или метод центра површи. Математички се може приказати релацијом (Ross, 2004; Sivanandam i dr., 2007): Средња пондерисана вредност или средња вредност тежина (слика 4.14) не може се примењивати за асиметричне излазне функције припадности. Оцена функције припадности овом методом (Ross, 2004; Sivanandam i dr., 2007) може се добити следећим изразом: где је: z - геометријска средина сваке симетричне функције припадности Слика број 4.14 Средња пондерисана вредност Метод средње вредности максимума је повезан са принципом максималне вредности функције припадности. Није потребно да максимум функције припадности буде у једној тачки, већ може бити интервал на којем функција припадности има максималну вредност. Математички се може приказати (Ross, 2004; Sivanandam i dr., 2007): где су а и b почетак и крај интервала у коме функција припадности има максималну вредност. Слика број 4.15 Метод средње вредности максимума Центар суме обухвата алгебарску суму појединачних излаза фази скупова. Овај метод је сличан методу средње пондерисане вредности, али у центру суме тежине су области респективно одговарајућим функцијама припадности, док код средње пондерисане вредности тежине су појединачне вредности функције припадности. Дефазификована вредност може се добити преко израза (Ross, 2004; Sivanandam i dr., 2007): Слика број 4.16 Центар суме: а) прва функција припадности, б) друга функција припадности и ц) дефазификација Центар највеће области. Ако фази скуп има две конвексне подобласти, онда се за рачунање дефазификоване вредности узима тежинска вредност подобласти која има већу површину. Ова тврдња, према (Ross, 2004, Sivanandam i dr., 2007), дата је изразом: Код метода првог или последњег максимума, рачунање излаза свих појединачних излаза фази скупова узима се за рачунање најмањих вредности са максимизираним вредностима степена припадности. Највећа висина у унији престављена је помоћу hgt(Ck), која се може одредити помоћу израза (Ross, 2004; Sivanandam i dr., 2007): Први од максимума одређује се по обрасцу: Последњи од максимума одређује се по обрасцу: Слика број 4.17 Метод првог или последњег максимума Избор методе за оцену која се примењује зависи од проблема који се решава. За процену ризика отказа техничких система најчешће се користи метод средње пондерисане вредности. 4.5. Алтернативне методе за рад са непрецизним подацима Поред теорије фази скупова која представља универзални алат за доношење одлука када се ради са непрецизним и недовољно дефинисаним подацима, у пракси се користе и метода чињеничног закључивања (енг. Evidental Reasoning), ER- алгоритам, и вишеатрибутивна анализа (енг. Multy atribute desicion analysis), скраћено MADA. 4.5.1. Метод чињеничног закључивања ER – алгоритам користи се код синтезе фази појмова, као и фази композиција код теорије фази скупова, на нивоу хијерархијске синтезе до највишег хијерархијског нивоа. Примена ER – алгоритма омогућава истовремени рад са прецизним нумеричким подацима и подацима добијеним на основу експертске оцене (Tanasijević, 2007). За сваку лигвистичку променљиву којом се описују показатељи посматране појаве уводе се тежински фактори на основу експертске оцене који имају вредност између 0 и 1, што за случај фази скупова представља функцију припадности. Синтезна оцена Ȱ, на одређеном хијерархјском нивоу l добија се у облику (Tanasijević, 2007): оцене, која је дата као: H H1 ,...., H j ,..., H n  (4.60) Величина mj представља функцију припадности датом фази скупу синтезне оцене на датом нивоу (код фази скупова је означена са —). Рекурзивним ER алгоритмом дефинише се начин рачунања величине mj у зависности од лингвистичке променљиве Н и хијерархијског нивоа l (Tanasijević, 2007): Величина mj је ралан број који се односи на износ степена поверања и представља степен у коме добијена парцијална оцена i-тог елемента подржава хипотезу да је синтезна оцена на ј-том хијерархијском нивоу сигурно Нј. Онда се mј добија као производ (Tanasijević, 2007): где је Ȝi нормлизован тежински пондер који даје међузависност елемената или структурне целине техничког система са нижег на на виши хијерархијски ниво система. Величина Ȝi добија се на бази експертске оцене у интеравалу 0” Ȝi”1. Према (Tanasijević, 2007) постоји могућност да се процењена вредност величине Ȝi директно уноси у ER алгоритам. Други начин увођења пондера у синтезни процес, према истом аутору, је на бази модела експертске оцене где понуђене пондере ревитализује у односу на максималну вредност пондера на нивоу једног хијерархијског нивоа одређене целине k у хијерархијску структуру посматраног техничког система, на следећи начин: где је: - Įk коефицијент који даје ранг важности улоге пондера највеће специфичне вредности одређене структурне целине k у односу на хијерархијски структурно вишу целину k+1, тежински фактор на ј-том хијерархијском нивоу значајности структурне целине k у односу на хијерархијски структурно вишу целину k+1, - ȟJK највећа вреднст тежинских фактора значајности структурне целине k у односу на хијерархијски структурно вишу целину k+1. Овакав начин увођења пондера на основу експертске оцене је доста субјективан, па експертске оцена доста утиче на на модел закључивања, поготову први начин. Други начин увођења пондера је у мањој мери субјективан јер практично рангира пондере елемената у посматраној структурној целини. 4.5.2. Вишеатрибутивна оцена Вишеатрибутивна оцена MADA заснива се на експертској оцени елемената система на основу више парцијалних показатеља. Суштина методе јесте да се сваком елементу на најнижем хијерархијском нивоу даје оцена од 1 до 10 на основу експертске оцене. За елементе који се могу разложити на елементе нижег хијерархијског нивоа оцена се добија на основу оцена елемената и придодатих пондерисаних тежинских фактора, које такође дају експерти, као сума производа оцене и одговарајућих тежинских фактора (Nikolić i Borović, 1996). Придодати тежински фактори се нормализују како би се добијене оцене налазиле у распону од 1 до 10. Оцена i-тог елемента хијерархијског I нивоа еi, уколико садржи елементе нижег хијерархијског нивоа, добија се као сума оцена ni II нивоа еiј помножени одговарајућим тежинским факторима (Nikolić i Borović, 1996): Уколико се елеменат еi не разлаже на елементе нижег хијерархијског нивоа, онда му се оцена додељује на основу експертске процене. Оцена ј-тог елемента хијерархијског II нивоа еiј који се у хијерархијској структури налази испод елемента еi добија се као сума оцена niј III нивоа еiјk који се у хијерархијској структури налазе испод елемента еiј помножени одговарајућим тежинским факторима Ȧpi (Nikolić i Borović, 1996): Уколико се елеменат еi хијерархијског II нивоа не разлаже на елементе нижег хијерархијског нивоа, онда му се оцена додељује на основу експертске процене. Вредност атрибута на основу којих се врши вишеатрибутивно рангирање формира се на основуоцене елемената I нивоа. Вредност p-тог атрибута Įp добија се као сума оцена свих елемената I хијерархијског нивоа еi помножених одговарајућим тежинским факторима Ȧpi (Nikolić i Borović, 1996): Вредности тежинских фактора Ȧpi добијају се на основу експертске оцене. Ако се са Įqp означи вредност p-тог атрибута за q-ти технички систем, а са Ȝp вредност тежинског фактора атрибута Įp добијеног од стране експерата, онда се као коначна нумеричка оцена сваког техничког система lq формира као сума помножених са одговарајућим тежинским факторима Ȝp MADA метода при оцени користи нумеричке податке који добијени на основу експертске оцене. Овако добијени подаци могу бити мањој или већој мери субјективни што се може одразити на исход оцене, па се може сматрати највећим недостатком ове методе. Такође, недостатак MADA методе јесте у томе што се при оцени виших хијерархијских нивоа губи квалитативна вредност оцене када прелази у квантитативну. 5. ДЕФИНИСАЊЕ ПРОЦЕДУРА И АЛГОРИТМА ПРИМЕНЕ МОДЕЛА ПРОЦЕНЕ РИЗИКА НА РУДАРСКИМ МАШИНАМА 5.1. Примена теорије фази логике и фази скупова за одређивање нивоа ризика Циљ овог истраживања јесте да се креира математички и концептуални модел за процену ризика на рударским машинама који би дао јасне и прецизне информације о критичним местима у систему са аспекта ризика у његовом функционисању као и о нивоу укупног ризика техничког система. У том смислу, даје се могућност превентивног елиминисања слабих места неком од мера, било да је то повећањем поузданости или могућности превентивног откривања отказа или елеминисањем могућности за настанак негативних ефеката услед отказа машине на нивоу застоја технолошког процеса, на нивоу угрожавања запослених или природног окружења. Досадашња истраживања у свету су се ограничила на развијање модела одређивања вероватноће појаве отказа на датом нивоу поверења на бази теорије вероватноће и на формирању оцене нивоа ризика коришћењем вишеатрибутивне оцене. Применoм ових уобичајених метода процене ризика не добија се оцена која у себи садржи структуру ризика, у смислу дефинисања јасне зависности непоузданости система и ефеката ризика. Проблем сагледавања свих утицајних чинилаца, без обзира на њихову форму и њихове интеракције, на ниво ризика, може се успешно решити применом теoрије фази скупова и фази логичког закључивања. Примена теорије фази скупова и фази логике омогућује квалитативну оцену ризика техничких система кроз све сегменте истог и пружа могућност стварања егзактног модела који у себи садржи синергетски ефекат феномена самог ризика и његових парцијалних елемената. Фази алгебра такође омогућава рачунање са хибридним подацима, који су овде неизбежни део анализе. Теорија фази логике и теорија фази скупова пружа ефикасан начин да се од доступних података сачини математички и концепцијски модел процене ефеката ризика за који не постоји конвенционални модел. Посебно је погодан код анализе података који нису дати као бројчане вредности већ описно, речима. Уз помоћ лигвистичких променљивих, којим се окарактерише фази скуп, омогућава се карактеризација комплексних или феномена за које не постоји конвенционалан начин мерења и квантификације. То је посебно карактеристично за теорију ризика и ефекте ризичног догађаја. Фази логика преставља покушај да се непрецизне и несигурне информације престављају и обрађују помоћу нумеричких модела, чиме би се обезбедила приснија веза између човека који по природи овакве информације користи, и рачунара, који обрађује нумеричке вредности. Појам фази се односи на нешто нејасно, замућено, магловито, непрецизно. Њега је у свет науке и технологије увео професор Лофти Задех са Универзитета у Берклију, објављивањем рада „Фази скупови“ (Zadeh, 1965). Ова теорија представљала је генерализацију класичне теорије скупова. Професор Задех је, практично, први успоставио математички модел који ће описивати несигурност. Он је и творац принципа некомпатибилности, који гласи: ''Што се више приближавамо реалном проблему, његово решење постаје све више фази'' (Subašić, 1997). Главна карактеристика фази теорије је могућност груписања индивидуалних појава у скупове који немају јасно дефинисане границе. Овако дефинисани фази скупови су корисни за описивање неодређености, несигурности и формирање модела емпиријских појава. Функција фази припадности наизглед је врло слична функцији вероватноће, али у основи, оне се разликују у интерпретацији. Теорија вероватноће претпоставља постојање само једне класе или скупа елемената и изражава степен вероватноће присустности, где се класа са највећом вероватноћом тумачи као стварна класа. Основна предност концепта фази скупова јесте способност да моделује непоуздане и двосмислене информације. Разлика фази скупова у односу на класичне скупове (Reveiz i León, 2009) јесте функција припадности која није дискретна већ непрекидна, где различити степени припадности имају вредност између чињеница да и не, вредности 0 и 1, чињеница истинито и неистинито итд. Када су фази скупови дефинисани на овај начин, могуће је дефинисати припадност посматраног феномена одређеном фази скупу. При томе, припадност одређеним фази скуповима је постепена и може бити дуална (Reveiz i León, 2009), тј. одређени показатељ нивоа ризика отказа елемента може се сврстати у два или више фази скупа са одговарајућом функцијом припадности, што је јако погодно када постоје двоумљења у коју категорију сврстати одређени показатељ ризика. Процес моделовања процене ризика на бази фази логике захтева постепено интеративно ангажовање на обради постојећих података, са циљем да се побољша функционалност машина на основу резултата анализе ризика. Применом теорије фази логике могуће је парцијално одредити негативне ефекте ризичног догађаја и онда их применити у синтезни модел оцене нивоа ризика елемента, подсистема или целог система. Формирање модела оцене ризика система на основу ризика отказа појединачних компоненти система и њихових парцијалних показатеља, омогућује стварање јасне слике о стању система на основу кога би се предузеле неопходне мере за квалитетно управљање ризицима и стварања повољне атмосфере за побољшање функционалности целокупног процеса експлоатације минералних сировина. Посебно је важна чињеница да се применом теорије фази логичког закључивања, добијају резулатати који указују на тренд ризика и јасно недвосмислено указују на будуће развоје догађаја везаних за отказе система. Процена ризика отказа техничких система на бази теорије фази логике састоји се из неколико корака: -.Прикупљање и сортирање постојећих података о раду система за који се ради оцена. - Фазификација прикупљених података за парцијалне показатеље ризика. -Композиција функција припадности парцијалних показатеља ризика применом min – max композиције. -Идентификација, односно одређивање нивоа припадности дефинисаним фази скуповима ризика добијених оцена ризика применом best – fit методе. Слика број 5.1 Aлгоритам процене ризика отказа техничких система Агоритам процене ризика (&лика 5.1), развијен у овој дисертацији, обухвата два корака или фазе при процени нивоа ризика. Први корак модела процене ризика јесте да се одреди ниво ризика отказа k-тог елемента техничког система, где је k=1,2,...,n. Ниво ризика отказа елемента техничког система одређује се на основу показатеља ризика k-тог елемента. Показатељи ризика отказа елемента су: озбиљност отказа, вероватноћа појављивања отказа и могућност благовременог откривања отказа. Озбиљност отказа предложеним алгоритмом сагледава се преко: - функције погодности одржавања као мером времена проведеног у застоју, - евиденције повреда на раду као мером утицаја отказа на запослене раднике и - измерених вредности нивоа загађења као мера утицаја отказа на животну средину. Функција поузданости узима се као мера учесталости појаве отказа на основу временске слике стања техничког система. Могућност благовременог откривања отказа или детектибилност представља показатељ ризика којим се потврђује да ли је постојала вероватноћа да се редовним прегледима техничког система открије потенцијални отказ и да се на основу детектованог стања делује у смислу спречавања или минимизирања последица отказа. Да би се могло приступити композицији показатеља озбиљности ризика отказа елемента техничког система неоходна је фазификација улазних података. Поступак за фазификацију примењује се у зависности од врсте добијених података о отказима, детаљније о фазифкацији у поглављу 5.1.2. Подаци о отказима елемената техничког система могу се дати као нумерички (временска слика стања, забележени број повреда, мерење нивоа загађења) или лингвистички (експертска оцена запослених на раду и одржавању техничких система). Јако је битно нагласити да алгоритам омогућава рад и са једном и са другом врстом података, као и комбинацију истих. Слика број 5.2 Min – max композиција I Након фазификације, приступа се композицији функција припадности прво показатеља озбиљности отказа применом min – max композиције I (слика 5.2) да би се на основу композиције добио фази скуп са функцијама припадности озбиљности отказа. Овај показатељ ризика отказа се заједно са друга два показатеља примењује за min – max композицију II (слика 5.3), при којој се добија процена нивоа ризика отказа k-тог елемента техничког система. Слика број 5.4 Min – max композиција III Оцена ниво аризика виших хиерархијских структура (подистема, система) врши се на основу оцене нивоа ризика отказа елемената нижих хијерархијских структура применом min – max композиције III (слика 5.4). Исход је код min – max композиције III дефинисан као очекивана (просечна вредност) оцена. Односно, коришћена је идеја RPN броја где сви парцијални показатељи ризика подједнако утичу на оцену ризика. У случају Мin-max композиције 3. нивоа (слика 5.4) исход може да се дефинише на овај начин, при чему се се априори сматра да су ниже хијерархијске структуре у редној вези у смислу поузданости, односно подједнако утичу на поузданост виших структура чији су они саставни елементи. На овај начин је синтезна оцена ризика представљена као најлошија међу најбољима у односу на потенцијалне исходе ризичних ситуација. Ово јесте најчешћи случај у структури стабла отказа техничких система. У случају да је систем са резервом, односно када је нека друга структура везе (поглавље 2.2.2.2) исход се формира као логички закључак (IF­ THEN форма) за било коју ризичну ситуацију изазвану отказом техничког система. Нпр., када се систем састоји од два елемента 1 и 2 од којих елемент 1 има резервни 1` који се укључује аутоматски када елемент 1 откаже, исход који би се односио на цео систем не може бити једнак за случај када откаже елемент 1 и када откаже елемент 2. неминовно је да је неопходно коришћење експертске процене која би садржала у себи квалитет система активирања резервног дела` исл. У случају да се користи релација 5.18 добили би у оба случаја исти исход, што овде не би било у реду. Тако да додатно укључење експертске оцене у модел у току саме оцене, у циљу добијања квалитетније процене ризика, дориноси квалитету добијених резултата. Дефинисање степена припадности добијеног резултата, односно функције припадности одређеном фази скупу (незнатан, низак, умерен, висок, веома висок) врши се поступком дефазификације (поглавље 5.1.4). Поступак дефазифкације може се применити на све хиерархијске нивое техничког система у зависности шта се жели постићи оценом. број 1. Детаљан приказ предложеног алгоритма процене ризика дат је у прилогу 5.1.1. Фази пропозиција Фази пропозиција представља поступак дефинисања посматраног феномена лингвистичким променљивама, односно додељивање показатељима посматране појаве лингвистичке вредности. Да би се приступило фази композицији и процени ризика, неопходно је дефинисати лингвистичке променљиве којима ће се описати посматрани показатељи. Лингвистичке променљиве које описују фази скупове показатеља нивоа ризика су: незнатан, низак, умерен, висок и веома висок. Фази скупови могу бити приказани са функцијом припадности у облику троугла и трапеза, или ређе звонастог облика. Облик функције припадности, које представљају наведене лингвистичке променљиве, у овом моделу су дате у облику троугла (Слика 5.5). Троугаони облик функције припадности примењује се за лингвистички прецизније термине (Ivezić i dr., 2008). У практичној примени фази закључивања, за одређивање нивоа ризика, елиминише се потреба да се улазне вредности анализираних показатеља, одређеног феномена или појаве, изражавају прецизним математичким вредностима, већ лингвистичким променљивама. Потребно је водити рачуна да се при анализи не узме велики број лингвистикчи променљивих јер се могу јавити потешкоће приликом оцене. У колико постоји велики број лингвистички променљивих којима се описују показатељи одређеног феномена или појаве може се десити да експерт који ради оцену не може да се одлучи којом ће лингвистички променљивом да оцени посматрани феномен. Људски мозак није у стању да у једном тренутку сагледа више од седам различитих појмова (Wang i dr., 1995). Слика број 5.5 Фази скупови показатеља нивоа ризика Фази скупови се могу представити преко функције припадности — одређеним класама за сваку лингвистичку променљиву, где се појам класа уводи као јединица мере за показатеље ризика. Класа која има вредност 1 репрезентује најмање вредности показатеља за најбоље стање система, док класа 10 највише вредности показатеља ризика. Појам класе је довољно препознатљив појам који дефинише ниво квалитета. За предложени модел усвојено је пет лингивтички променљивих и 10 класа. Овако велики број класа усвојен је због проблема који се могу јавити приликом фазификације, тј може се десити да код показатеља временског стања машине у раду или застоју не дође до преклапања са фази скупа показатеља ни са једном класом. Фази скупови за сваку лингвстичку порменљиву могу се представити у следећем облику: Фази скупови показатеља ризика са одговарајућим функцијама припадности у облику троугла, према слици 5.5 биће: 5.1.2. Фазификација Фазификација представља процедуру претварања улазних података који су дати у нумеричкој или лингвистичкој форми у фази бројеве. Код оцене показатеља ризика и поузданости који су дати као нумеричке вредности, као што је време у раду или време проведено у застоју због отказа, неопходно је фазификовати кумулативне функције. Вејбулова двопараметарска расподела јесте једна од најзаступљенијих расподела у теорији поузданости. Применом ове расподеле, према (Weibull, 1951) могуће је одредити функцију позданости, односно функцију отказа. Функција поузданости има облик: Вејбулову расподелу могуће је применити за одређивање функције погодности одржавању. Функциjа погодности одржавања има следећи облик: У обрасцима 5.7 и 5.8: t- представља временски период за који се рачуна поузданост , ȕ –параметар облика, а Ș –параметар размере. Параметре Вејбулове расподеле могуће је одредити графички, преко папира вероватноће ове расподеле, или аналитички. За случај малог узорка, малог броја отказа n<30, где је n број отказа, уместо функције расподеле отказа рачуна се медијални ранг, према Бернаровој апроксимацији или се може узети из таблица које се могу наћи у литератури. где је: j – редни број отказа сређених по растућем редоследу n – укупан број отказа За функцију поузданости и функцију погодности одржавања одређује се средња вредност расподеле и стандардна девијација, према обрасцима: где Г- представља гама функцију. 5.1.2.1 Фазификација кумулативне функције Улазни подаци времена у раду и времена у отказу машине t=t1, … , tn, добијених на основу временске слике стања система, уз примену Вејбулове двопараметарске расподеле, фазификују се у фази бројеве трапезастог облика, за вредности параметра 1<ȕ<3 (Слика 5.6). Вејбулова расподела за вредност параметра ȕ=1 прелази у Експоненцијалну, а за вредности ȕ>3 прелази у Нормалну расподелу (Ivković, 1997), па за вредности 1<ȕ<3 најпогодније је према (Tanasijević i dr., 2013) користити трапезни облика фази броја. Слика број 5.6 Троугаони и трапезни фази скуп Трапезни фази скуп може се представити преко тачака прекида у следећем облику: Тачке прекида представљају вредности за које је —=0 и —=1, што се може приказати у следећем облику: Тачке прекида tp1, tp4, узимају вредност минималног и максималног забележеног времена t. Времена за тачке прекида tp2, tp3, рачунају се на основу средњег времена T у зависности од параметра облика Вејбулове расподеле ȕ. За случај да је tp2=tp3, трапезни облик фази скупа прелази у троугаони. Фактор размере x на основу параметра ȕ може се одредити линеарном интерполацијом. Треба такође повезати одређене класе са временима у раду, односно у застоју. Код времена у застоју, најкраће време застоја придодаје се класи 1, а најдуже време класи 10, док се код времена у раду, најкраће време рада придодаје класи 10, а најдуже класи 1. 5.1.2.2. Фазификација података добијених на основу експертске оцене Проблем фазификације података добијених на основу експертске оцене решава се увођењем степена припадности фази скуповима. Треба напоменути да се степен припадности разликује од функције припадности која је обележена са —. У суштини, степен припадности представља проценат припадања посматраног показатеља одређеном фази скупу. За потребе фазификације формира се упитник у коме анкетирано лице према свом мишљењу даје степен припадности одређеном фази скупу, с тим да се може определити за више фази скупова али збир степена припадности мора да буде једнак 1. У табели 5.1 дат је показни пример резултата анкете на основу пет анкетираних лица. Табела број 5.1 Степен припадности фази скупова на основу експертске оцене четири лица су дала одређени степен припадности класи низак (0.3; 0.7; 0.5; 0.2), док су свих пет анкетираних доделили тежинске факторе класи умерен (1; 0.7; 0.3; 0.5; 0.8). Степен припадности за фази скуп низак: Степен припадности за фази скуп умерен: Добијени степени припадности множе се са функцијама припадности одређеним класама, па за фази скупове низак и умерен према 5.3 и 5.4 биће: На исти начин се одређују фукције припадности за остале фази скупове, што је приказано у табели 5.2, док се функција припадности показатеља ризика одређеним класама (ј=1, ..., 10) одређује као збир свих функција припадности тој класи, па за класу 5 биће: На основу добијених функција припадности показатеља ризика може се приказати фази скуп показатеља ризика који се пресликава на претходно дефинисане фази скупове, да би се добила функција припадности класама. За наведени пример, фази скуп показатеља нивоа ризика приказан је на слици 5.7. Слика број 5.7 Функција припадности показатеља ризика класама Табела број 5.2 Одређивање функција припадности показатеља ризика одређеним класама Са добијеним функцијама припадности показатеља ризика одређеним класама приступа се композицији показатеља нивоа ризика у циљу оцене нивоа ризика. 5.1.2.3. Фазификација нумеричких података Нумерички подаци о евентуалним повредама радника и загађењу животне средине проузрокованих отказима могу се такође увести у модел процене показатеља ризика поступком фазификације. Утицај отказа на животну средину може се утврдити мерењем количина штетних и загађујућих материја у ваздуху, земљишту и води. На основу минималних и максималних забележених вредности и максимално дозвољених концентрација (МДК) загађујућих материја може се дефинисати облик фази скупа. Повреде радника настале услед отказа техничког система или елемената истог, такође се могу приказати фази скуповима. Фазификација се може урадити на више начина у зависности од случаја до случаја на основу класификације. Класификација повреда може се извршити према степену инвалидитета, према броју дана проведених на боловању, према тежини итд. Добијени фази скупови фазификованих нумеричких података имају облик као на слици 5.6. 5.1.3. Фази композиција при процени нивоа ризика За оцену нивоа ризика отказа елемената техничких система потребно је урадити синтезу парцијалних показатеља ризика. Синтеза се врши на основу одговарајуће фази композиције. Код оцене ризика, према (Kundu, 1998), на бази математичке анализе доказано је да је min-max композиција прецизнија у односу на max-min у смислу концентрације резултата око коначне еквиваленције за успостављање релације. Код феномена који приказују негативне вредности, као што је ризик, резултанта појмова који чине синтезни модел представља најлошији међу најбољим исходима. На тај начин се добија релативно оштрија оцена, а код оцене ризика није грешка ако постоји већа обазривост. Супротно је са феноменима као што је сигурност, поузданост, и сл., када се може користити max­ min композиција. За три фази скупа показатеља ризика S, O и D, који су дефинисани са одговарајућим функцијама припадности и класама, биће приказан принцип min­ max композиције. Фази скупове показатеља ризика могуће је представити преко скупова функција припадности на следећи начин (Petrović i dr., 2014): i) Први корак min-max композиције јесте да се, за дата три фази скупа, одреди максимални број комбинација функција припадности. За фази скупове (5.17) могуће је C j3 комбинација. Ако се за ј узме мали број, могу се појавити проблеми приликом композиције јер се праве рупе (енг. gaps) у коначном резултату. ii) За анализу се узимају само оне комбинације чије су вредности функције припадности различите од 0,  j 1, Такве комбинације означимо са O, где је O  C . За такве комбинације рачуна се исход (Miodragović i dr., 2012) према следећем обрасцу: Исход може такође бити дефинисан и експертски, не мора бити преко формуле. На тај начин се даје флексибилност експертском систему. iii) Следећи корак јесте да се за добијене комбинације одреди максимум вредности комбинације —S,O,D за оне комбинације чије су вредности функције припадности различите од 0. iv) На крају, комбинације се разврставају према исходима и за сваки исход тражи се минимална вредност међу претходно одређеним максимумима. MIN j min{MAX o } за свако ј (5.20) На основу min-max композиције оцењених показатеља ризика одређује се ниво ризика за сваку варијанту. Оцена нивоа ризика добија се коначно у облику: 5.1.4. Идентификација - дефазификација Након min - max композиције потребно је добијени облик (5.21) претворити у облик који дефинише степен припадности, односно функцију припадности фази скуповима: незнатан, низак, умерен, висок и веома висок. Према (Wang i dr., 1995) Best-fit метода (метода најмањих квадрата) је одговарајући поступак за одређивање функције припадности одређеним фази скуповима. Овом методом одређује се растојање између добијене вредности функције припадности ȝ методом min - max композиције и вредности ȝ за унапред дефинисане фази скупове датих обрасцима 5.2 – 5.6. j=1, ..., 10; Hi={незнатан, низак, умерен, висок, веома висок} где је: Н – скуп лингвистички променљивих којима се описује ниво ризика У обрасцу 5.23 Įi представља релативно растојање у односу на најмању вредност растојања di min добијене вредности у односу на задате фази скупове. Затим се ради нормализација релативних растојања и на тај начин се добија степен припадности добијене оцене одређеном фази скупу чије су вредности 0 ” ȕ” 1. Нормализација релативних растојања ради се према следећем обрасцу: На крају ниво ризика отказа елемената техничких система може се изразити на следећи начин: 5.2. Хиjерархијска композиција показатеља ризика отказа елемената у функцији процене ризика отказа система Приступ процени ризика које носи отказ елемената техничких система који се примењују за експлоатацију и прераду минералних сировина, у овом истраживању, заснива се на чињеничном стању машина у посматраном тренутку. Стање машина сагледава се кроз анализу постојећих података о раду машине, односно отказима, у посматраном временском периоду. Подаци о забележеним хаваријским стањима, узроцима и последицама које су тиме изазване чине полазну основу за формирање квалитетног модела процене ризика. Предложени модел процене ризика отказа техничких система у рударству и ефеката ризичног догађаја заснива се на чињеничном закључивању применом правила фази алгебре. Фази модел процене ризика отказа обухвата: - процену парцијалних показатеља ризика отказа елемената система, - синтезну оцену нивоа ризика отказа елемената, - хијерархијску синтезу оцена ризика на ниво техничког система Суштина модела процене ризика јесте да се на основу дефинисаних показатеља ризика, применом статистичке обраде и фази логичким закључивањем одреди ниво ризика. За показатеље нивоа ризика у овом истраживању усвојени су: - озбиљност отказа, - учесталост појављивања отказа и - могућност благовременог откривања пре него што се отказ деси. Озбиљност отказа (S), сагледава се у односу на следеће аспекте: - технички систем или машину и колику штету може изазвати, односно колико је времена поребно да се машина врати у функционално стање, - на запослене раднике, да ли отказ може да угрози безбедност и здравље радника и - како и у којој мери отказ, односно штетне последице отказа утичу на животно окружење. Слика број 5.8 Фази модел процене ризика Учесталост појављивања (О) отказа представља временски показатељ машине у раду, односно забележена времена у раду до појаве отказа. На основу статистичких података о временима између отказа одређује се математички закон расподеле, тј. функција отказа. Насупрот овом показатељу, позданост преставља вероватноћу да ће систем радити без отказа у одређеном временском интервалу. Могућност благовременог откривања отказа (D) пре него што се деси представља показатељ који приказује вероватноћу откривања потенцијалног отказа – детектибилност. Може се одредити само на основу експертске оцене лица која раде на одржавању машине. Сви поменути показатељи улазе у синтезну оцену ниво ризика отказа елемената система – машине у конкретном случају. Оцена нивоа ризика отказа подсистема представља синтезну оцену на основу оцене ризика елемената применом min-max композиције, а оцена нивоа ризика отказа целог техничког система се ради на основу добијених оцена нивоа ризика отказа за подсистеме, такође применом min-max композиције. Модел примене теорије фази скупова и фази логике за одређивање нивоа ризика отказа биће приказан на примеру мобилне дробилице „Lokotrack 1213S“ произвођача „METSO MINERALS“. Дробилица се користи за секундарно млевење каменог агрегата на каменолому „Ладне воде“ код Петровца на Млави. чињеница да дробилица ради у систему багер – примарна дробилица – дробилица „Lokotrack 1213S“ представља још један разлог усвајања овог примера да се на њему прикаже предложени модел процене ризика. Застој због отказа на овој дробилици значи и застој процеса уситњавања каменог агрегата на каменолому. Значај ове машине у процесу експлоатације и прераде каменог агрегата један је од разлога што је изабрано да се на примеру отказа ове машине прикаже развијени модел процене ризика. Други разлог је тај што се на каменолому води квалитетна и систематизована евиденција података о отказима машина које се примењују. 5.2.1. Декомпозиција система Системски приступ процени ризика отказа машина захтева стручну и систематичну декомпозицију система. Изостављање неког, на први поглед небитног подсистема или саставног дела машине, могло би се негативно одразити на функционалност модела процене ризика као и на коначан резултат. Из тих разлога овом задатку треба приступити стручно са добрим познавањем функционисања техничког система и међуодноса елемената система. Да би се урадила анализа и проценио ниво ризика отказа техничких система овом методологијом потребно је систем рационално рашчланити на подсистеме, а подсистеме на елементе, тј. до функционалних целина које целовито утичу на индикаторе ризика. Технички систем – дробилица подељена је на осам подсистема, и то: - систем хидраулике, - главни дизел мотор, - електросистем, - систем за транспорт масе транспортерима са траком унутар машине - систем за дробљење, - систем за просејавање, - конструкција дробилице и - усипни кош – дозатор. Слика број 5.9 Декомпозиција техничког система За сваки подсистем дробилице, на основу обрађених података о врстама отказа и елемента посистема на коме се појавио отказ, анализирају се показатељи и процењује ниво ризика за пет карактеристичних отказа. 5.2.2. Прикупљање података 5.2.2.1. Евидентирање података о отказима дробилице „Lokotrack 1213S“ Евиденција података о отказима и застојима машина на каменолому води се свакодневно кроз више интерних докумената. Први документ који се води јесте сменски извештај о раду машине тзв. „радни налог“ који се попуњава у току смене, а попуњава га руковалац машине. У радном налогу уписују се следећи подаци: број моточасова мотора и система за дробљење на почетку и на крају смене, недостаци уочени редовним прегледом на почетку смене, радни задатак машине, позиција на којој машина ради, гранулација финалног производа, и евиденције о типовима застоја и отказа мешине, као и евентуалне интервенције на машини ради отклањања отказа. Поред радног налога пословођа каменолома води „Књигу сменских извештаја рада на каменолому“. У сменским извештајима такође се води евиденција о отказима и раду свих машина на каменолому. Трећи акт који се попуњава на крају смене јесте „Сменски извештај бравара“ где се наводе радови и мере за отклањање отказа за све машине на каменолому. Из претходног се може закључити да се на каменолому врши квалитетно и систематично вођење евиденције о појавама отказа на одређеном техничком систему – машини, што је битан предуслов за формирање модела процене ризика. У дисертацији су узети подаци о отказима дробилице за период од 01. 01. 2009. – 31. 12. 2010. године. На основу прегледане документације закључено је да у периоду пре наведеног није константно вођена евиденција о раду машине, па се сматрало да подаци из ранијег периода нису релевантни за предложени модел. Почетком 2011. године на дробилици је рађен велики сервис, тако да ни подаци после ремонта не би осликавали право стање машине. Из тих разлога усвојено је да се анализирају откази који су се десили у периоду од две године. 5.2.2.2. Класификација и анализа података Подаци везани за врсту и времена између отказа, који су добијени на основу детаљне анализе документације на каменолому, сврстани су према претходној подели дробилице на подсистеме. Утврђено је да је у посматраном периоду било око 330 отказа, што представља забрињавајућу цифру. За сваки од осам подсистема анализирано је по пет карактеристичних и најчешћих врста отказа. Подаци о временима у раду и времена потребна да се отклоне откази приказани су у табелама 5.3 до 5.11. Табела број 5.3 Забележена времена у раду између два отказа и време застоја због отказа за подсистем хидраулика Табела број 5.4 Забележена времена у раду између два отказа и време застоја због отказа за подсистем мотор Табела број 5.5 Забележена времена у раду између два отказа и време застоја због отказа за подсистем електро Табела број 5.6 Забележена времена у раду између два отказа и време застоја због отказа за подсистем дробљење Табела број 5.7 Забележена времена у раду између два отказа и време застоја због отказа за подсистем просејавање Табела број 5.8 Забележена времена у раду између два отказа и време застоја због отказа за подсистем транспорт Табела број 5.9 Забележена времена у раду између два отказа и време застоја због отказа за подсистем конструкција Из табела 5.3 до 5.10 може се закључити да је највећи број забележених отказа код подсистема за транспорт маса, чак 86 отказа за посматрани период од две године. Табела број 5.10 Забележена времена у раду између два отказа и време застоја због отказа за подсистем дозатор Од укупног броја отказа најчешћи откази су делимично или потпуно кидање трака и отказ лежајева на бубњевима. Најмањи број отказа забележен је код подсистема дозатор, свега 11. Интересантно је то да је број отказа распоређен према подсистемима који узимају највеће учешће у раду дробилице. Број отказа према подсистемима распоређен је на следећи начин: - систем за транспорт масе транспортерима са траком унутар машине - систем за дробљење - систем за просејавање - систем хидраулике - електросистем - главни дизел мотор - конструкција дробилице - усипни кош – дозатор Поред података о врстама отказа и временима проведених у раду и у застоју дробилице, неопходно је да се опишу показатељи ризика које није могуће добити на основу статистичких података. Из тих разлога приступило се анкетирању радника који раде у служби одржавања машина из производног система на каменолому. За сваки тип отказа сачињен је упитник за следеће показатеље: - утицај отказа на безбедност и здравље радника који раде поред дробилице, - утицај отказа на угрожавање животне средине и - могућност благовременог откривања отказа редовним прегледом машине. 5.2.3. Процена нивоа ризика отказа елемената подсистема дроблице Модел процене ризика отказа елемената система заснива се на фазиекспертском закључивању на основу показатеља реалног стања техничког система – машине. Ефекти ризичног догађаја чине суштински битне показатеље формираног модела. Фази модел процене ризика представља синтезу статистичких података и података добијених на бази експертске оцене стања система на основу забележених отказа. Предложеним моделом, на основу три показатеља ризика отказа, уз примену min – max композиције и фазилогичког закључивања добија се процена нивоа ризика отказа елемената подсистема. За сваку врсту отказа анализирани су следећи показатељи: - озбиљност отказа (негативан утицај отказа на функционалност машине, угрожавање безбедности радника и угрожавање животне средине), S, - учесталост појављивања отказа (време проведено у раду), O и - могућност благовременог откривања потенцијалних отказа, D. Због обимности резултата модела процене ризика, у овом делу биће приказане методе и технике процене ризика само једног елемента, подсистема и техничког система, док за остале елементе и подсистеме биће дати само резултати. На примеру хидромотора биће приказан модел оцене нивоа ризика за елементе подсистема, а оцена за подсистем биће приказана за подсистем „систем хидраулике“. Ови примери су узети са разлогом, јер је хидраулука један од најбитнијих саставних целина за неометано функционисање предметне дробилице као техничког система. 5.2.3.1. Одређивање показатеља озбиљности отказа Озбиљност отказа представља негативан утицај на функционалност система и окружење. Озбиљност хаварије, односно утицај штете коју изазива отказ дела система на цео систем, сагледава се кроз три показатеља, а то су: - време које машина проведе у застоју потребно за отклањање квара, St - утицај отказа на запослене, тј. штетни утицај отказа на безбедност и здравље запослених, Srо и - утицај на животну средину, Szs. Озбиљност отказа дефинисана је са следећим фази скуповима: незнатан, низак, умерен, висок и екстреман. Појам „незнатан“ представља могуће отказе који готово и немају неки утцај на рад система, док појам „веома висок“ описује потенцијалне отказе који изазивају огромну штету система, што је праћено трошковима оправке и застојем у производњи. Фази скуповима придружене су одговарајуће класе од 1 до 10, где се са класом 9 и 10 описује отказ који изазива екстремно високу штету у систему, целом технолошком процесу и окружењу, док класе 1 и 2 описују отказе који имају минималан утицај. Фази скупови озбиљности отказа, односно утицаја штете приказани су на слици 5.10. Слика број 5.10 Фази скупови озбиљности отказа Фазификација улазних података показатеља озбиљности отказа Време које машина проведе у отказу узето је на основу статистичких података Службе одржавања на каменолому. Најкраће забележено време у застоју било је 0,5 часова, док најдуже време које је машина провела у застоју због отказа било је 40 часова. Време застоја код неких отказа јако је кратко што представља проблем приликом фазификације јер се добијени фази скуп налази између две класе и не може се очитати вредност функције припадности. Зато су фази скупови озбиљности отказа и показатеља озбиљности отказа проширени и укупан број класа је 30, слика 5.11. Слика број 5.11 Графички приказ проширења класа На основу слике 5.11 фази скупови (Слика 5.9) за проширени број класа добијају облик као на слици 5.12: Слика број 5.12 Фази скупови времена у отказу за проширени број класа Када се фазификује време као показатељ неопходно је класама придружити времена проведена у отказу. Класи 1 придружено је најкраће време у застоју од 0,5 часова, док класи 30 придружено је најдуже време у застоју, а то је 40 радних часова (Слика 5.13). За остале класе времена се одређују линеарном интерполацијом. Слика број 5.13 Зависност између времена у отказу и класа фази скупова Време застоја до отклањања отказа фазификује се према поступку који је дат у тачки 5.1.2.1., а подаци о временима у отказу за елементе подсистема хидраулика дати су табели 5.11. Табела број 5.11 Фазификација времена у отказу за елементе подсистема хидраулика Слика број 5.14 Функција припадноси времена у отказу за главну хидропумпу одговарајућим класама Функција припадности времена у отказу може се написати на основу слике 5.14 у следећем облику: Штетни утицај отказа на раднике који опслужују машину и раде у њеној непосредној близини, као и утицај отказа на животну средину узет је на основу оцене радника који раде на одржавању машина на каменолому. Анкетирано је пет радника и они су дали процентуално припадност одређеном фази скупу или скуповима. Упитник је дефинисан тако да укупна оцена припадности фази скуповима буде један, односно 100%. Према упитнику из табеле број 5.12 може се видети да су два радника од пет анкетираних оценили да је утицај на радно окружење у класи „висок“ са степеном припадности од 0.3 и 0.1 што се може представити: Свих пет анкетираних радника сврстали су утицај отказа на запослене у категорији „умерен“ са одговарајућим степеном припадности. На основу табеле 5.12, степен припадности фази скупу „умерен“ има следећи облик: Табела број 5.12 Упитник утицаја на радно окружење и животну средину за хидромоторе Сви пет анкетираних радника сматрају да утицај отказа на запослене припада и класи „низак“ са одговарајућим степеном припадности, па је: Утицај отказа на запослене који раде са машином може се изразити: RO=(0/незнатан, 0,36/низак, 0,56/умерен, 0,08/висок, 0/веома висок) (5.26) Добијене степене припадности треба помножити са функцијама припадности класама. За фази скупове умерен добија се да је: Исти поступак се примењује за све фази скупове који су дефинисани лингвистичким променљивама. На крају се за класу добија функција припадности као збир функција припадности свих лингвитички променљивих за ту класу према поступку који је дат у тачки 5.1.2.2. за број класа ј=30. Тиме је извршена фазификација података који су добијени на основу експертске оцене, односно добијене су функције припадности утицаја отказа на запослене раднике и животну средину у следећем облику: Слика број 5.15 Функција припадности утицаја отказа на запослене раднике за отказ главне хидропумпе Слика број 5.16 Функција припадности утицаја отказа на животно окружење за отказ главне хидропумпе На сликама 5.15 и 5.16 приказане су функције припадности утицаја отказа на запослене раднике и животну средину које су добијене на основу добијених функција припадности поступком фазификације.Min – max композиција показатеља озбиљности отказа За добијена три фази скупа St, Sro, и Szs, (5.27 – 5.29) показатеља озбиљности отказа ради се min – max композиција да би се добио фази скуп озбиљности отказа. За овако дефинисане фази скупове комбинују се функције припадности, тако што се комбинује по један елеменат из сваког скупа. Укупно оваквих комбинација има ൌ ݆ଷ ൌ ͵Ͳଷ ൌ ʹ͹ ͲͲ- , где је ј – број класа. Од ове цифре одузимају се оне комбинације код којих је бар једна функција припадности једнака 0. Број комбинација функција припадности код којих функције припадности имају вредности различите од 0 је 7 106. За ове комбинације тражи се исход и максимум по исходима према поступку описаном у тачки 5.1.3. Да би се добио фази скуп озбиљности отказа од добијених максимума узима се најмања вредност сваког исхода. Тиме је композиција завршена. Применом min – max композиције I добијене су вредности функција припадности озбиљности отказа: Приказ дела поступка рачунања функција припадности применом min – max композиције I дато је у прилогу број 2, док је цео поступак рачунања функција припадности у MS Excel-у дато у елекронској верзији прилога број 2 у pdf формату. Слика број 5.17 Функција припадности озбиљности отказа За оцену нивоа ризика отказа елемената подсистема узето је 10 класа, тако да је из тог разлога потребно оцену озбиљности отказа, која има 30 класа, пресликати на 10 класа. То се може урадити тако што се узима вредност сваке треће класе, односно за вредност функције припадности класе 1 узима се вредност класе 3, за вредност функције припадности класе 2 узима се вредност класе 6 и тд. Слика број 5.18 Графички приказ смањења броја класа На основу горе описаног поступка и графичког приказа на слици број 5.18 са кога се јасно може видети описани поступак, добија се коначан фази скуп озбиљности отказа који има следећи облик: На слици 5.19 приказан је коначан изглед финкције припадности озбиљности отказа за главну хидропумпу. Слика број 5.19 Коначан изглед функције припаднсоти озбиљности отказа за главну хидропумпу 5.2.3.2. Фазификација учесталости појављивања отказа Други показатељ ризика јесте учесталост појављивања отказа. Може се одредити на основу забележених хаваријских стања за систем који се анализира. Такође, дефинисано је пет фази скупа учесталости појављивања хаваријских стања и то: веома ниска, ниска, умерена, висока и веома висока. Врло висока учесталост представља догађаје који се јављају скоро сваки дан или сваки дан, док откази који се јављају након 3000 радних сати припадају класи веома ниске учесталости. Вредност класа код фази скупова за овај показатељ имају вредност од 10 до 1. Редослед је обрнут из разлога да би се за сваку класу могло одредити време рада система до појаве отказа. Класи 10 придружено је време рада до отказа од 7 часова, то је уједно и најкраће време рада техничког система-дробилице до појаве отказа, док је класи 1 придружено време од 3500 часова и то време одговара најдужем времену рада машине између два отказа исте врсте. Слика број 5.20 Зависност између времена у раду и класа фази скупова Време у раду система до отказа фазификује се према поступку који је дат у тачки 5.1.2.1, а подаци о временима у раду за елементе подсистема хидраулика дати су табели 5.13. На основу фазификације података функција припадности се може графички приказати (Слика 5.21). На основу слике 5.19 добија се функција припадности учесталости појављивања отказа, који се приказује у следећем облику: Табела број 5.13 Фазификација времена у раду система до појаве одређених отказа за подсистем „хидраулика“ Слика број 5.21 Функција припадности учесталости појављивања отказа за главну хидропумпу 5.2.3.3. Фазификација могућности откривања отказа Откривање потенцијалних отказа система могуће је само уз вишегодишње радно искуство на одржавању система за који се ради анализа. Исто као и за показатеље, формирају се фази скупови вероватноће отктивања потенцијалних отказа са следећим лингвитичким променљивама: готово сигурна, могуће, умерена, тешко и немогуће. Фази скуп „готово сигурна“ обухвата отказе који се увек могу предвидети на основу понашања система при раду. Догађаји, односно откази које није могуће открити пре него што настају, групишу се у фази скуп „веома тешко“. Класе могућности откривања потенцијалних отказа дате су бројчаним вредностима од 1 до 10 (Слика 5.5). Могућност откривања потенцијалних отказа пре него што се десе јесте показатељ који може да се одреди само на основу експертске оцене. Као и код показатеља озбиљности отказа рађена је анкета где су радници који су задужени за одржавање машине попуњавали упитник. Упитник је формулисан тако да су они могли да изразе проценат припадности показатеља за одређену лингвистичку променљиву. Анкетирано је пет радника који раде на одржавању машина на каменолому. У табели број 5.14 приказан је упитник могућности откривања отказа на примеру хидромотора. Табела број 5.14 Упитник могућности откривања отказа Показатељ могућности откривања отказа се на исти начин фазификује и претвара у фази број као и показатељи утицаја отказа на запослене и животну средину. Добијене вредности степена припадности множе се функцијама припадности за сваку лингвистичку променљиву, као што је приказано у табели 5.15, и сабирањем функција припадности по класама добија се фази скуп могућности откривања отказа. Табела број 5.15 Фазификација могућности благовременог откривања отказа На основу тежинских фактора који су добијени у табели 5.15 добија се фази скуп могућности благовременог откривања отказа у следећем облику: Пресликана добијена функција припадности на фази скупове показатеља ризика приказана је на слици 5.22. Слика број 5.22 Функција припадности могућности благовременог откривања отказа 5.2.3.4. Оцена нивоа ризика отказа елемената подсистема применом min –max композиције Оцена нивоа ризика отказа елемената подсистема рађена је на основу min – max композиције анализираних показатеља ризика, озбиљности отказа, учесталости појављивања и могућности откривања потенцијалних отказа. За добијена три скупа функција припадности (5.31, 5.32 и 5.33) примењује се поступак min – max композиције фази скупова. Први корак композиције јесте да се одреди максималан број комбинација функција припадности, таквих комбинација има ј=103=1000, где је ј – број класа. Од ове цифре одузимају се оне комбинације код којих је бар једна функција припадности једнака 0. Број комбинација функција припадности код којих су функције припадности различите од 0 је 210. За ове комбинације тражи се исход и максимум по исходима према постуку описаног у тачки 5.1.3. Да би се добио фази скуп ризика отказа елемената система, од добијених максимума узима се најмања вредност сваког исхода. Тиме је композиција завршена. Применом min – max композиције II (слика 5.3) добијене су вредности функција припадности ризика отказа елемената система за главну хидропумпу: На слици 5.23 дат је графички приказ фази скупа нивоа ризика за главну хидропумпу. Слика број 5.23 Фази скуп ризика отказа за главну хидропумпу Приказ дела поступка рачунања функција припадности применом min – max композиције II дато је у прилогу број 3, док је цео поступак рачунања функција припадности у MS Excel-у дато у елекронској верзији прилога број 3 у pdf формату. 5.2.3.5. Фази идентификација – декомпозиција при процени нивоа ризика елемената подсистема Након min - max композиције потребно је добијени облик 5.34 претворити у облик 5.25, који дефинише степен припадности, односно даје одговор ком фази скупу (незнатан, низак,умерен, висок и веома висок) највише одговара добијени фази скуп оцене ризика, према поступку који је дат у поглављу 5.1.4. Best-fit метода (метода најмањих квадрата) је одговарајући поступак за одређивање степена припадности фази скупова ризика задатим фази скуповима. За добијени фази скуп ризика: Релативно растојање у односу на најмању вредност растојања di min одређује се према обрасцу: Нормализација релативних растојања у односу на најмању вредност растојања di min одређује се према обрасцу: На крају, ниво ризика отказа елемената техничких система у рударству може се, према обрасцу 5.25, изразити на следећи начин: 5.2.4. Оцена нивоа ризика отказа подсистема Оцена нивоа ризика отказа подсистема рађена је на основу оцене нивоа ризика отказа елемената. Фазификација улазних податка у овом случају није потребна јер су улазни подаци фази скупови ризика отказа елемената подсистема који су добијени оценом ризика елемената. Min – max композиција је примењена и у овом случају из разлога што применом ове композиције могуће издвојити најлошији међу најбољим резултатима, односно добија се оцена за класу чији је ниво ризика највиши. Оцена ниво ризика подсистема има следећи облик: За оцену нивоа ризика отказа подсистема min – max композиција III је рађена за пет фази скупа који представљају оцену нивоа ризика елемената подсистема. Поступак је исти као и код претходних композиција рађен у MS Excel-у. Део табеле је приказан у прилогу број 4, а цела табела композиције,због обимности података, дата је у електронском прилогу број 4. Поступак је исти као и за три фази скупа, од свих могућих комбинација функција припадности (100 000) у композицију улазе само оне комбинације за које су све функције припадности различите од 0 (5 040). За пет фази скупа резултати оцене нивоа ризика за елементе подсистема хидраулика имају следеће вредности: На основу min – max композиције добија се да је фази скуп оцене ризика отказа подсистема „хидраулика“: Слика број 5.24 Фази скуп ризика отказа за подсистем „хидраулика“ На слици 5.24 дат је графички приказ фази скупа нивоа ризика отказа подсистема „хидраулика“. Применом поступка декомпозиције, који је исти као и код оцене ризика елемената, одређује се степен припадности ризика одређеном фази скупу. За подсистем „хидраулика“оцена нивоа ризика има следећи облик: Слика број 5.25 Графички приказ процене нивоа ризика подсистема хидраулика На слици 5.25 графички су приказани резултати процене нивоа ризика за све подсистеме дробилице, са које се може вдети да ризик од отказа подсистема хидраулика и електросистем припадају категорији „висок“, док за остале подсистеме ризик је у категори умерен. Слика број 5.26 Графички приказ процене нивоа ризика за подсистеме дробилице 5.2.5. Оцена нивоа ризика отказа система 5.2.5.1. Фази композиција при процени нивоа ризика отказа система Оцена нивоа ризика отказа техничког система – дробилице рађена је као синтезна оцена нивоа ризика отказа подсистема. Улазни подаци за оцену нивоа ризика отказа техничког система – машине јесу фази скупови ризика отказа подсистема, па није потребно урадити фазификацију улазних података. Min – max композиција примењена је и за синтезну оцену нивоа ризика отказа система. Ралог за то објашњен је на почетку поглавља. Због великог броја комбинација функција припадности за осам подсистема дроблилице C=j8, где је ј=10, укупно 100 000 000 комбинација, морало се приступити смањењу броја класа добијених фази скупова ризика отказа подсистема. Фази скупови оцене ризика отказа подсистема пресликани су са вредности j=10 на вредност j=5 тако што се узима свака друга вредност функције припадности, на пример за класу 1 узима се вредност класе 2, за вредност класе 2 узима се вредност класе 4 итд (Слика 5.27). Фази скупови ризика отказа подсистема облика: Слика број 5.27 Поступак смањења броја класа За редефинисане фази скупове оцене ризика отказа сваког подсистема ради се min – max композиција за коју је укупан број комбинација C=j8, тј. 390 625 комбинација, где је ј=5. Од тог броја за оцену се узима 864 комбинација функција припадности чије су вредности различите од 0. Код анализе показатеља ризика који имаји исти утицај на ниво ризика није битан редослед којим ће се фази скупови показатеља појавити при оцени. На основу min – max композиције добија се да је фази скуп нивоа отказа техничког система – дробилице: Графички приказ фази скупа ризика отказа техничког система – мобилне дробилице приказан је на слици 5.28 Слика број 5.28 Фази скуп ризика отказа техничког система – мобилне дробилице „Lokotrack 1213S“ 5.2.5.2. Идентификација –декомпозиција при процени нивоа ризика отказа система Применом „best-fit” добијени облик фази скупа оцене ризика отказа техничког система могуће је трансформисати у облик 5.25. Овим поступком дефинише се степен припадности добијене оцене нивоа ризика система применом min-max композиције одређеном фази скупу (незнатан, низак, умерен, висок и веома висок). Фази скупови ризика дати следећим функцијама припадности: На исти начин одређују се вредности di за остале фази скупове Да би се урадила нормализација фази скупова потребно је одредити релативна растојања у односу на најмање растојање добијених вредности оцене у поређењу са задатим фази скуповима на следећи начин: Нормализација релативних растојања ради се према следећем обрасцу: На крају, ниво ризика отказа техничког система може се изразити на следећи начин: Слика број 5.29 Графички приказ процене нивоа ризика техничког система – мобилне дробилице Декомпозицијом фази скупа ризика отказа техничког система – дробилице добија се да ризик од отказа дробилице припада категорији висок са степеном припадности од 0,2339, односно 23,39 %. 6. АНАЛИЗА РЕЗУЛТАТА И ДИСКУСИЈА 6.1 Резултати оцене нивоа ризика отказа дробилице Приступ процени ризика отказа мобилне дробилице „Lokotrack LT 1213S“ применом предложеног синтезног модела оцене ризика даје могућност сагледавања резултата за појединачне елементе, као и синтезне оцене нивоа ризика отказа подсистема и техничког система у целини. Овакав начин интерпретације резултата омогућује анализу, сагледавање и издвајање најкритичнијих елемената у систему код којих је ниво ризика највећи. На основу тога могуће је издвојити елементе система који ће добити приоритет при предузимању корективних мера у циљу смањења нивоа ризика, што представља сврху процене ризика. 6.1.1 Резултати оцене нивоа ризика отказа елемената дробилице Резултати прoцене нивоа ризика отказа елемената подсистема применом предложеног модела заснованог на фази експертском одлучивању дати су у табелама 6.1-6.8. Резултати представљају степен припадности добијене оцене одређеноm фази скупу којим се описује ниво ризика. Табела број 6.1 Оцена нивоа ризика отказа елемната подсистема хидраулика Табела 6.1 приказује резултате оцене нивоа ризика за пет карактеристичних врста отказа подсистема хидраулика. За отказ цурење уља на цревима за развођење уља под притиском. оценом је добијено да спада у категорију „висок“, са степеном припадности ȕ=0,25538. То је и очекивана вредност нивоа ризика јер цурењем уља опада притисак у систему, што се одражава на лош рад хидромотора и целог процеса дробљења. Ризик од цурења резервоара за уље и ризик од отказа хидромотора спадају у категорију „низак“, док ризик од отказа главне хидропумпе и кидање црева хидраулике спада у категорију „умерен“. Међутим, степен припадности ȕ4 да ризик од отказа главне хидропумпе спада у категорију висок јер је приближан степену припадности ȕ3 за категорију умерен, разлика је на трећој децимали, па је и овој врсти отказа потребно посветити посебну пажњу у циљу смањења ризика од отказа. Слика број 6.1 Графички приказ процене нивоа ризика за елементе подсистема „Хидраулика“ Прекид довода горива код главног дизел мотора дешава се углавном због лошег квалитета горива и доста је честа појава код предметне дробилице. Прекидом рада дизел мотора стаје цео процес дробљења и просејавања на каменолому. На основу показатеља ризика добијено је да ризик од прекида довода горива дизел мотора спада у категорију „висок“ са доста високим степеном припадности од 0,36909, односно 36% (Табела 6.2). Ризик од отказа, односно кидања ремених преносника вентилатора хладњака, према оцени предложеним моделом, такође спада у категорију „висок“, али јако је мала разлика у степенима припадности за категорију „умерен“ и „висок“, свега 0,0002, односно 0,2%. Табела број 6.2 Оцена нивоа ризика отказа елемната подсистема мотор Слика број 6.2 Графички приказ процене нивоа ризика за елементе подсистема „Мотор“ Табела број 6.3 Оцена нивоа ризика отказа елемената подсистема електро Слика број 6.3 Графички приказ процене нивоа ризика за елементе подсистема„Електро“ Код подсистема „електро“, за четири од пет карактеристичних врста отказа, добијено је да ризик од отказа спада у категорији „висок“ и то за отказ електровентила, главног компјутера, прекид каблова и контаката и за отказ сензора дробилице. Добијени резултати указују на потребу за детаљном анализом овог подсистема и изналажење и спровођење посебних мера превентивног одржавања у циљу смањења ризика. Ризик од отказа сензора има највећи степен припадности 0,36909 категорији „висок“ док степени припадности другим категоријама имају мање вредности од 0,2, што јасно потврђује да не постоје двосмислености код добијене оцене. Ризик од отказа електровентила и главног компјутера је исти за оба случаја, и припада категорији „висок“, са истим степеном припадности од 0,30048. Прва нижа вредност степена припадности јесте за категорију „умерен“, што се може сматрати трендом ризика. Табела број 6.4 Оцена нивоа ризика отказа елемената подсистема дробљење Слика број 6.4 Графички приказ процене нивоа ризика за елементе подсистема „Дробљење“ Подсистем дробљења представља један од суштински важних подсистема. Од квалитета рада овог подсистема зависи и сама производња на каменолому. Разултати процене нивоа ризика отказа елемената подсистема за дробљење приказани су у табели 6.4. Откази који имају највећи ниво ризика од отказа су лом ротора ударне дробилице, ремени преносници и лом завртњева на облогама дробилице. Ротор млина трпи највеће оптерећење приликом процеса дробљења стенске масе, прекидом рада подсистема за дробљење стаје цео процес дробљења и просејавања стенске масе на каменолому. Ризик од лома ротора ударне дробилице према резултатима предложеног модела спада у категорију „висок“ са степеном припадности од 0,292208, а прва нижа вредност степена припадности јесте за категорију „умерен“, што је добро јер ризик не тежи ка екстремној вредности. Ризик од отказа ремених преносника дробилице такође спада у категорију „висок“ са степеном припадности од 0,2392, односно 23,92%. За ову вредност нивоа ризика може се рећи да је очекивана с обзиром да је систем за дробљење тако пројектован да управо ремени преносници буду слаба тачка, тј. да се њиховим кидањем спрече веће хаварије на самој ударној дробилици. Поред ових врста отказа, и ризик од лома завртњева на облогама млина оцењен је категоријом „висок“. Лом завртњева облоге млина је врло честа појава због вибрација и удара које завртњеви трпе у току рада дробилице, а такође треба нагласити да и квалитет завртњева који се употребљавају није на задовољавајућем нивоу. Табела број 6.5 Оцена нивоа ризика отказа елемената подсистема просејавање Предложеним моделом процене ризика за елементе подсистема за „просејавање“ издробљене стенске масе, добијено је да се ризици од отказа налазе у категоријама „умерен“ и „висок“ (Табела 6.5). За амортизер гуме вибросита, сејне површине и спојницу хидромотора вибросита оцењени ниво ризика од отказа је у категорији „умерен“, док за отказе осигурача вибросита и испадање сита из припадности од 41,259%. Овај резултат указује да је потребно доста радити у циљу смањења броја отказа како би ниво ризика припадао нижој класи. Најједноставније решење јесте примена сита која су отпорнија на хабање од постојећих. Подсистем транспортера са гуменом траком најчешће престаје са радом због делимичног или потпуног кидања гумене траке. Велики проблем код оваквог типа застоја јесте време потребно да се систем доведе у радно стање због времена потребног за очвршћавање лепка који се користи код хладног вулканизирања гумене траке. Произвођач предметне дробилице предвидео је спајање гумене траке копчама, али се у пракси показало да су овакви спојеви доста склони кидању, па се из тих разлога примењује вулканизирање иако је за вулканизирање потребно више времена за које дробилица проведе ван функције. Сви наведени фактори проузроковали су да ниво ризика од оваквог типа отказа буде у категорији „висок“. Слика број 6.5 Графички приказ процене нивоа ризика за елементе подсистема „Просејавање“ Табела број 6.6 Оцена нивоа ризика отказа елемената подсистема транспорт Ниво ризика од отказа за делимично кидање траке, отказ лежајева на погонским бубњевима и лом облоге погонских бубњева трака, јесте у категорији „умерен“. Неправилан рад транспортера са траком односи се на померање гумене траке у страну у односу на носеће ролне. Оваква врста отказа не изазива застој већ у знатној мери утиче на квалитет рада система, па добијени ниво ризика припада категорији „низак“. До оваквог типа отказа најчешће долази због дотрајалости гумене траке или због лошег вулканизирања. Резултати процене ниво ризика за елементе подсистема транспорт приказани су у табели 6.6. Слика број 6.6 Графички приказ процене нивоа ризика за елементе подсистема „Транспорт“ Табела број 6.7 Оцена нивоа ризика отказа елемената подсистема конструкција Слика број 6.7 Графички приказ процене нивоа ризика за елементе подсистема „Конструкција“ Резултати оцене нивоа ризика отказа делова конструкције мобилне дробилице (Табела 6.7) спадају у категорију „умерен“, осим за кривљење конструкција трака који је у категорији „низак“. Степен припадности ризика од лома усипних кошева и лома помоћне конструкције припада категорији „умерен“. Поред тога јако је мала разлика за степен припадности за категорију ризика „низак“. Генерално, ови подаци су битнији за самог произвођача опреме, јер се код овакве врсте отказа мало тога може учинити у процесу одржавања дробилице да се смањи ниво ризика. Оцена нивоа ризика од отказа делова пријемног бункера - дозатора дата је у табели 6.8. Ризик од лома осовине дозатора, према оцени предложеним моделом, спада у категорију „умерен“, са доста високим степеном припадности од 0,38458. Такође, ризик од прегревања уља унутар кућишта дозатора спада у ову исту категорију. Оваква врста отказа указује на постојање неког већег проблема у овом делу система што се манифестује на овакав начин. Ризик од лома заварених спојева усипног коша припада категорији „низак“, као и ризик од лома држача дозатора. Овакве врсте отказа настају као последица замора материјала услед појаве вибрација у току рада. Слика број 6.8 Графички приказ процене нивоа ризика за елементе подсистема „Дозатор“ Табела број 6.8 Оцена нивоа ризика отказа елемената подсистема дозатор 6.1.2 Резултати оцене нивоа ризика отказа подсистема дробилице На основу оцене нивоа ризика отказа елемената подсистема одређен је ниво ризика отказа подсистема. За сваки од осам подсистема одређен је ниво ризика за по пет карактеристичних врста отказа. Резултати оцене нивоа ризика отказа подсистема мобилне дробилице приказани су у табели 6.9, и представљају резултат синтезне оцене на основу нивоа ризика од отказа елемената сваког подсистема појединачно. Табела број 6.9 Оцена нивоа ризика отказа подсистема дробилице Синтезна оцена нивоа ризика отказа подсистема рађена је на основу min – max композиције фази скупова ризика отказа елемената. Добијени резултати припадају категорији „умерен“ осим за подсистем „хидраулика“ и „електро“ који су у категорији „висок“. За подсистем „мотор“ прва нижа вредност степена поверења јесте за категорију „висок“, што је довољан показатељ тренда ризика. Подсистеми за просејавање и транспорт имају исти ниво ризика отказа, са истим степеном припадности од 0,30672, односно 30,67%. Слика број 6.9. Графички приказ фази процене нивоа ризика за подсистеме 6.1.3 Резултати оцене нивоа ризика отказа дробилице Оцена нивоа ризика отказа техничког система – мобилне дробилице применом min–max композиције фази скупова ризика отказа подсистема приказана је на следећи начин: Слика број 6.10 Графички приказ процене нивоа ризика мобилне дробилице За оцену нивоа ризика усвојено је пет категорија ризика: незнатан, низак, умерен, висок и веома висок. За сваку категорију одређиван је степен припадности ȕ којим се добијена оцена ризика сврстава у категорију нивоа ризика. Степен припадности одређује категорију ризика, па за предметну дробилицу, добијено је да је ризик у категорији „висок“ са степеном припадности од 0,2339, односно 23,39%. Прва нижа вредност степена припадности јесте за категорију ризика „умерен“, разлика је мања од 1%. Према резултатима оцене ризик од отказа дробилице је у категорији „висок“ али тежи ка категорији „умерен“ јер прва мања вредност степена припадности јесте управо за категорију „умерен“. 6.2 Дискусија резулатата процене ризика отказа дробилице Резултати процене ризика отказа мобилне дробилице добијени применом предложеног модела представљају значајну основу за формирање стратегије одржавања машине у циљу смањења нивоа ризика. Одржавање дробилице засновано на ризику дало би значајне резултате на смањењу броја отказа, а самим тим смањили би се негативни ефекти ризика. Из анализе резултата добијених предложеним моделом може се видети да поједини саставни елементи дробилице имају висок ниво ризика од отказа, као на пример прекид довода горива код дизел мотора. Наизглед безазлена ствар али изазива велике проблеме у процесу дробљења и просејавања стенске масе. Ризик од појаве овакве врсте отказа може се једноставно смањити уградњом додатног филтера за пречишћавање горива. Слична ситуација је код лома завртњева на облогама млина. Набавка и уградња завртњева одговарајуће чврстоће сигурно би допринеле да се смање негативни ефекти ризика за ову врсту отказа, што представља минималну инвестицију која би смањила ефекте ризичног догађаја (испадање и лом облоге дробилице, лом ротора дробилице, кидање ремених преносника дробилице,...) Посебно треба истаћи забрињавајућу чињеницу да за четири од пет анализираних врста отказа за електро подсистем, ризик од отказа је у категорији „висок“. За овај подсистем, неопходно је израдити стратегију одржавања и предузети неопходне мере на превентивном одржавању и перманентној редовној провери свих узрочника који могу довести до овакве врсте отказа, како би се избегли или ублажили негативни утицаји отказа. Утицај радне средине дробилице (прашина, утицај атмосферских падавина и друго) не може се контролисати, али се зато могу спровести мере на појачаном одржавању (редовно чишћење контаката од прашине и оксидације). Код система за транспорт издробљене стенске масе могућа је благовремена замена гумених трака како би се смањио број застоја, јер време за које је потребно да се систем доведе у радно стање је 20 и више часова, што представља озбиљан ударац на остваривање планиране производње. Ово су само неки примери отказа на које се може брзо и ефикасно утицати. Повећање поузданости система једна је од мера за смањење ризика. На основу резулатата процене нивоа ризика отказа елемената, подистема и целог техничког система – дробилице, потребно је урадити детаљан план и развити стратегију благовременог деловања у смислу одржавања техничког система према ризику, како би се ниво ризика отказа свео на прихватљив ниво, поготову за врсте отказа чији је ниво ризика у класи висок. Предложени модел процене ризика заснован на фази логичком закључивању омогућава сагледавање постојећих чинилаца који представљају негативан утицај ризичног догађаја, а оцењени су кроз парцијалне показатеље ризика. Модел процене ризика отказа техничких система у рударству, развијен у овој дисертацији, представља нови начин сагледавања показатеља ризика. Поред тога, предложени модел представља оригинално решење које омогућава синтезну оцену ризика отказа техничких система у рударству – машина на основу оцене нивоа ризика елемената система. Предложени модел је адаптиван и применљив код процене ризика за све техничке системе. Оцена нивоа ризика базирана на оцени нивоа ризика отказа елемената, кроз сагледавање негативних ефеката ризика техничког система, пружа јасне смернице за креирање политике одржавања машина у рударству према ризику. 7. ЗАКЉУЧАК Циљ овог истраживања јесте формирање алгоритма процене ризика који би обухватио све негативне појаве које носи отказ техничког система првенствено са аспекта рударских машина, и то у односу на: - функционалност и даљу способност техничког система да обавља пројектовану функцију, - безбедност и здравље запослених радника и - радно и животно окружење. Приказани модел процене ризика представља хијерархијску композицију парцијалних показатеља ризика на нивоу елемента система, на основу: -озбиљности отказа, -учесталости појављивања отказа која је идентификована са функцијом поузданости и интензитета отказа, -могућности благовременог откривања отказа, односно детектибилности. Озбиљност отказа, као један од показатеља ризика, анализиран је кроз три утицајна фактора негативног деловања ризичног догађаја: -утицај на функционалност машине који је идентификован са временом потребним да се машина врати у радно стање, односно са функцијом погодности одржавања, -утицај отказа на безбедност и здравље запослених радника који је идентификован са бројем и врстом повреда радника који раде са машином, -утицај на радну и животну средину који је идентификован са нивоом контаминације исте. Други степен оцене нивоа ризика представља оцену нивоа ризика хијерархијски виших функционалних и конструкцијских целина у односу на елемент (подсистема, система) на основу претходно урађене процене ризика отказа скупа елемената који чине ту хијерархијски вишу целину. Овакав начин одређивања нивоа ризика који је изазван отказом елемента техничког система омогућава сагледавање ризика за елементе, подсистеме и цео систем, анализу њихове интеракције, налажење слабих места у систему, добијање повратне инфомације у смислу приоритета за смањење ризика (са становишта поузданости, погодности одржавања, броја повреда, нивоа загађења, детектибилности). Такође, овакав начин процене ризика представља одличну полазну основу за формирање политике превентивног одржавања машина. Један део истраживања усмерен је и на изналажење алата за обраду и интерперетацију непотпуних и непрецизних података, при чему се теорија фази скупова и фази логике показала се као најпогоднији „алат“. Потреба за рад са хибридним подацима настала је због саме природе феномена који се анализира. Део улазних података се добија на основу статистичке обраде података о отказима на основу временске слике стања техничког система или евиденције о разматраним негативним појавама а део на основу статистичке обраде прикуљених знања и искустава односно експертске процене запослених у раду и одржавању техничког система. У првом случају се добијају нумерики подаци у облику временски зависне функције, а у другом случају се добијају лингвистичке променљиве у прописаном квалитативном смислу. За разлику од првих егзактних података други су непотпуни и непрецизни. Композиција улазних података који су дати у форми функције припадности класама као јединичним мерама парцијалних показатеља ризика, урађена је применом „min-max“ фази композиције. На овај начин је синтезна оцена ризика представљена као најлошија међу најбољима у односу на потенцијалне исходе ризичних ситуација. Исход је овде формиран као логички закључак (IF-THEN форма) за било коју ризичну ситуацију изазвану отказом техничког система. При томе се априори сматра да су елемнти у редној вези у смислу поузданости, с тим што модел даје могућност и третирања паралелне везе уз корекцију разматраног исхода који је генерално дат за све случајеве отказа. Основне карактеристике предложеног модела за процену ризика огледају се пре свега у оригиналности концепцијског приступа увођења показатеља ризичног догађаја односно отказа у процену ризика. Алгоритам процене ризика је унапређен стандардни модел процене ризика (Risk Priority Number), који даје ширу слику утицајних параметара на ризик (омогућава увођење у оцену показатеље који до сада нису били обухваћени при процени ризика машина), даје синтезни модел за сложене техничке системе и даје могућност рада са хибридним подацима. Коначна оцена нивоа ризика је у континуалној форми. Приказани модел минимизира могућност утицаја аналитичара на исход Предложеним моделом дата је могућност смањења броја итерација при дефинисању броја комбинација у поступку одређивања могућих исхода. На овај начин знатно се убрзава поступак рачунања „min-max“ композиције. Предложени модел је универзалан и прихватљив за процену ризика отказа свих машина које се примењују у индустрији и рударству, а његово тестирање урађено је на примеру секундарне мобилне дробилице „METSO MINERALS“, тип „LT 1213S“ на површинском копу Ладне воде код Петровца на Малви. Добијени резултати указали су на постојање великог броја отказа који потенцијално носе висок ризик а на које се малим улагањем људских и финансијских ресурса, може утицати како би се смањио број или ублажили негативни ефекти отказа, што кориснику треба да послужи да модификује систем одржавања како би остварио значајне уштеде. Као конкретан пример се наводи осигурач вибросита дробилице. У колико дође до лома или испадања осигурача последице се манифестују на технички систем у смислу физичког оштећења система за просејавање, испадање и оштећење носача и сејних површина дробилице. Благовременом интервенцијом могу се спречити последице отказа оваквог типа. На основу речног може се резимирати: - Алгоритам процене ризика свеобухватно анализира парцијалне показатеље ризика: вероватноћу настанка отказа који идентификује са функцијом поузданости система; озбиљност последице коју идентификује са функцијом погодности одржавања као мером времена проведеног у застоју, евиденцијом повреда на раду као мером негативног утицаја на запослене и измереним нивоом загађења као мером негаивног утицаја на животну средину; могућност благовременог односно превентивног иднетификовања отказа или детектибилност. - Фази концепцијски модел процене ризика техничких система пружа могућност рачунања са хибридним подацима. односно парцијални показатељи ризика могу да се прикажу као: временски зависне функције, хистограми статистички прикупљених података, експерска знања и искуства приказана у облику функције припадности одговарајућим лингвистичким променљивама. Алгоритам при томе даје могућност фазификације наведених података те њихове даље композиције на ниво ризика. - Алгоритам процене ризика обухвата и синтезни модел на нивоу хијерархијске структуре техничког система који користи фази композицију. На овај начин ствара се могућност анализе међуодноса елемента система, међусобних утицаја отказа на квалитет рада, утицај отказа дела или компоненте система на технолошки процес, запослене и радно и животно окружење; као и идентификације слабих места у техничком систему са становишта ризика. - Идентификован је значај праћења отказа за потенцијално најризичније елементе система на примеру мобилне дробилице „METSO MINERALS“, тип „LT 1213S“ на каменолому Ладне воде код Петровца на Млави. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Докторске дисертације Alternative Title An alternative name for the resource. The distinction between titles and alternative titles is application-specific. Doktorske disertacije Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Provenance A statement of any changes in ownership and custody of the resource since its creation that are significant for its authenticity, integrity, and interpretation. The statement may include a description of any changes successive custodians made to the resource. Докторати Mediator An entity that mediates access to the resource and for whom the resource is intended or useful. In an educational context, a mediator might be a parent, teacher, teaching assistant, or care-giver. Томашевић Александра Title A name given to the resource Развој алгоритма процене ефеката ризика рада рударских машина на бази фази алгебре Development of Algorithm for Risk Assessment of Mining Equipment Operations Based on Fuzzy Algebra Alternative Title An alternative name for the resource. The distinction between titles and alternative titles is application-specific. DD_Petrovic Dejan Subject The topic of the resource ризик поузданост технички систем рударство рударске машине отказ фази скупови фази логика risk reliability technical system mining mining equipment failure fuzzy Creator An entity primarily responsible for making the resource Петровић Дејан Source A related resource from which the described resource is derived https://fedorabg.bg.ac.rs/fedora/get/o:11730/bdef:Content/get Publisher An entity responsible for making the resource available Универзитет у Београду - Рударско-геолошки факултет Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2014 Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Танасијевић Милош Лилић Никола Ивезићдр Дејан Јованчић Предраг Милић Витомир Rights Information about rights held in and over the resource Ауторство-Некомерцијално-Делити под истим условима 3.0 Србија (CC BY-NC-ND 3.0) Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource application/pdf Language A language of the resource српски Type The nature or genre of the resource text Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context AT-42695-0097 Description An account of the resource Mining equipment failures are common and they occur on daily basis- Probability of failure occurrence, as well as its consequences, is the area that requires constant monitoring and research work, application of different approaches and analysis of influence factors. Special attention has to be paid to consequences of failures and their influence to further operations of technical systems. employees and working environment. It is necessary to establish a series of organizational and technical measures m order to determine critical points inside the system s and find causes of failures, with the aim to minimize negative effects of risky occurrences. This PhD Dissertation presents the re suits of research is related to risk assessment of mining equipment failures. Research goal w as to develop an algorithm for implementation of risky occurrence effects, i.e. to assess the consequences of equipment operation failure to equipment construction, technological process and environment, and create a synthesis model for risk assessment of any specific machine engaged in mining industry. The result of researches is theoretically defined procedure for analysis of equipment failure risk for machines and technical systems utilized in mining industry. With application and combination of existing statistical and analytical methods and procedures f or risk analysis and determination of system reliability, the dissertation provides universal model for risk assessment and reliability evaluation of technical systems. Fuzzy Sets and Fuzzy Logic theories. combined with statistical methods, were used for processing data on equipment failures in mining. Also, the consequences of risky occurrences were analyzed, as well as period of tune between failures, m order to predict the consequence of a failure to working environment and employees. Model of risk assessment was then applied to mobile crusher "Lokotrack LT1213S", engaged in "Ladne vode" quarry, situated near Petrovac na Mlavi. Eastern Serbia. Such developed model represents a new methodological approach to risk assessment of equipment failure. Појава изненадних отказа елемената техничких система у рударству је свакодневна појава. Опасност односно вероватноћа настанка или појаве ризичног догађаја и величина његових последица представља простор на коме треба стално радити, применити различите приступе и начине сагледавања утицајних чинилаца на појаву нежељеног ризичног догађаја. Посебна пажња се треба посветити сагледавању озбиљности последица ризичног догађаја као и њихов утицај на даље функционисање техничког система, запослене и радно окружење. Неопходно је спровести низ организационих и техничких мера на утврђивању слабих и критичних места у систему и изналажењу узрочника настанка отказа у циљу смањења негативних ефеката ризичног догађаја. Докторска дисертација са наведеним насловом презентује резултате истраживања ризика отказа техничких система у рударству. Циљ овог истраживања јесте развој алгоритма за имплементацију ефеката ризика односно вероватноће настанка последице непланираног застоја, отказа, хаваријске ситуације у раду машине на: конструкцијску структуру саме машине, технолошки процес производње у коме учествује и радну и животну средину у синтезни модел оцене нивоа ризика рада одговарајуће машине која ради у рударској индустрији. Резултат истраживања ове дисертације јесте теоријски дефинисан поступак анализе ефеката ризика отказа код машина и техничких система у рударству. Применом и комбинацијом постојећих статистичких и аналитичких метода и поступака за анализу ризика и одређивање нивоа поузданости, као циљ рада направљен је универзалан модел којим се одређује ниво ризика и поузданост техничких система. Применом теорије фази скупова и фази логике у комбинацији са статистичким методама обрађени су подаци о отказима, анализирани су озбиљности штетног деловања случајног догађаја, времена између отказа исте врсте и предвиђене последице које се могу појавити као резултат негативног деловања хаварија на околину и запослене. Представљени модел процене ризика заснован на фазилогичком закључивању приказан је на примеру мобилне дробилице "Lokotrack LT1213S", која ради на каменолому "Ʌадне воде" код Петровца на Млави. Развијени модел представља нов методолошки приступ процене ризика отказа техничких система. failure fuzzy mining mining equipment reliability risk technical system отказ поузданост ризик рударске машине рударство технички систем фази логика фази скупови