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基于數字礦山建設的煤炭物流管理技術(shù)及應用研論文
1.引言
采礦業(yè)是以礦產(chǎn)資源為生產(chǎn)對象的古老產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，作業(yè)條件復雜，生產(chǎn)工藝環(huán)節多，技術(shù)裝備種類(lèi)繁多且技術(shù)復雜，這些都是其它行業(yè)無(wú)法比擬的。目前國內許多礦山企業(yè)還處在勞動(dòng)密集性階段，信息化改造勢在必行。部分礦山在辦公自動(dòng)化、管理信息化以及優(yōu)化設計、生產(chǎn)監控等方面雖然做了一定的工作，取得了一定的成效，但這些系統大多處于獨立運行階段，未能實(shí)現系統的信息整合與綜合應用。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的日新月異，越來(lái)越多的新思想、新技術(shù)、新方法運用于礦山企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)和管理，以增強企業(yè)的競爭力。為此，我國礦業(yè)系統開(kāi)始了“數字礦山”的研究工作，利用數字信息技術(shù)來(lái)改造和提升采礦業(yè)，其理念己逐漸深入礦業(yè)界人心，同時(shí)也給采礦業(yè)和礦山科技發(fā)展帶來(lái)了前所未有的機遇和挑戰。
礦山企業(yè)多數遠離城市和交通要道，地理位置偏，所以各種燃料、配件的庫存量大，種類(lèi)多，資金占用也多，技術(shù)進(jìn)步又容易造成庫存存貨的淘汰。同時(shí)礦山采裝、運輸、礦物加工成本占生產(chǎn)成本的比例高達40-80%,選礦和混礦對礦產(chǎn)品售價(jià)影響極大。礦山企業(yè)的這些特性使得供、產(chǎn)、銷(xiāo)各個(gè)環(huán)節的物流管理顯得極為重要。目前，礦山生產(chǎn)管理主要關(guān)注生產(chǎn)的工藝過(guò)程，而忽視了將每一個(gè)工藝環(huán)節連在一起的、并且伴隨每個(gè)工藝環(huán)節同時(shí)出現的物流活動(dòng)，還沒(méi)有樹(shù)立起生產(chǎn)物流的觀(guān)念。因此，在“數字礦山”建設中引進(jìn)物流管理理念十分重要。由于礦山企業(yè)的特殊性，礦山物流不能直接采用一般企業(yè)物流的管理模式，因此在數字礦山實(shí)施過(guò)程中對礦山物流如何管且管得好是本文重點(diǎn)研究和解決的問(wèn)題。下面結合露天煤礦數字礦山及物流體系建設談?wù)勛约旱目捶ā?/p>
2.數字礦山總體結構
何為數字礦山，數字礦山與礦山自動(dòng)化、信息化有何區別和聯(lián)系，目前在國內還沒(méi)有達成統一的意見(jiàn)。但普遍認為：數字礦山是數字地球、數字中國在礦山中的開(kāi)發(fā)應用，數字礦山從更高的層次、系統論和一體化的角度對礦山進(jìn)行數字化、信息化管理，更深入、更有效地為礦山生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)和管理提供服務(wù)，為礦山持續、高效、科學(xué)的發(fā)展提供重要保障。
根據國內礦山的特點(diǎn)及其信息化建設的現狀，結合數字礦山技術(shù)的最新進(jìn)展，確定數字礦山的建設原則如下:（1)根據礦山具體條件及發(fā)展需要，結合國內外技術(shù)的最新進(jìn)展情況，分層次建立開(kāi)放式數字礦山總體框架，對各層次的系統范圍和內容可進(jìn)行擴充，也可擴充更多層次;（2)系統建設應與礦山主要業(yè)務(wù)信息化管理相適應，既保證各業(yè)務(wù)系統的獨立運行，又實(shí)現各業(yè)務(wù)系統的有效集成和整合;（3)系統建設要充分考慮到技術(shù)的先進(jìn)性、成熟性、實(shí)用性、規范性和可擴展性，使各組成部分易于開(kāi)發(fā)和實(shí)施，并可方便地納入到數字礦區、數字行業(yè)、數字中國中。
按照上述原則確定的數字露天煤礦總體結構如圖1所示。從圖1中可以看出，數字礦山自下而上可分為以下六個(gè)層次：
�、倩A數據層。即數據獲取與存儲層。數據獲取包括利用各種技術(shù)手段獲取各種形式的數據及其預處理；數據存儲包括各類(lèi)數據庫、數據文件、圖形文件庫等。該層為后續各層提供部分或全部輸入數據。
�、谀Ｐ蛯�。即表述層。如空間和礦物屬性的三維和二維塊狀模型、礦區地質(zhì)模型、采場(chǎng)模型、地理信息系統模型、虛擬現實(shí)模型等。該層不僅將數據加工為直觀(guān)、形象的表述形式，而且為優(yōu)化、模擬與設計提供輸入。
�、墼O計優(yōu)化層。如工藝流程模擬、參數優(yōu)化、設計與計劃方案優(yōu)化等。該層為把優(yōu)化解轉化為可執行方案或直接進(jìn)行方案設計提供手段。
�、軋绦信c控制層。如自動(dòng)調度、流程參數自動(dòng)監測與控制、遠程操作等。該層是生產(chǎn)方案的執行者。
�、莨芾韺�。包括MS、ERP與OA等，其中MS、ERP部分含供應物流和銷(xiāo)售物流的管理功能。
�、逈Q策支持層。依據各種信息和以上各層提供的數據加工成果，進(jìn)行相關(guān)分析與預測，為決策者提供各個(gè)層次的決策支持。
3.露天煤礦物流特點(diǎn)及存在問(wèn)題分析
礦山物流是一個(gè)系統物流，屬于工業(yè)物流范疇，是發(fā)展現代工業(yè)化生產(chǎn)方式、提高企業(yè)利潤空間的有效手段。它存在于礦業(yè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)準備、生產(chǎn)過(guò)程和銷(xiāo)售活動(dòng)的全過(guò)程之中，是生產(chǎn)礦業(yè)產(chǎn)品以及組織礦物銷(xiāo)售等一系列物料實(shí)體的運送搬運等動(dòng)態(tài)流轉過(guò)程，是一個(gè)由礦業(yè)的供應物流、生產(chǎn)物流、銷(xiāo)售物流、回收物流、廢棄物物流構成的物流系統如圖2。露天煤炭物流系統除了具有一般工業(yè)企業(yè)物流系統和煤炭物流的共同特點(diǎn)外，還具有自身的特點(diǎn)：
(1)生產(chǎn)物流包括產(chǎn)品實(shí)體和廢棄物兩部分物流。露天煤礦的生產(chǎn)物流不僅包括煤炭產(chǎn)品實(shí)體），還包括剝離物廢棄物），且剝離物產(chǎn)量通常遠遠大于煤炭、排棄占地面積大；而煤炭庫存質(zhì)量標準要求不高、不需包裝。
(2)生產(chǎn)環(huán)節復雜，易污染環(huán)境，作業(yè)場(chǎng)所時(shí)空變化大。露天煤礦生產(chǎn)通常分為穿孔、爆破、采裝、運輸、排卸、破碎、洗選等多道工序，工序復雜，各項工序作業(yè)均易污染環(huán)境，隨著(zhù)生產(chǎn)的不斷進(jìn)行，采掘工作面及排土工作面的時(shí)空變化大。
(3)供應物流與銷(xiāo)售物流沒(méi)有直接聯(lián)系。煤炭企業(yè)所需的生產(chǎn)物資都是輔助材料，不構成產(chǎn)品的實(shí)體，供應物流量的大小由礦山的采剝總產(chǎn)量決定，其運輸方向與銷(xiāo)售物流相反，所以煤炭企業(yè)的供應物流與銷(xiāo)售物流在運輸工具和管理方法上沒(méi)有直接聯(lián)系。長(cháng)期以來(lái)，我國礦山企業(yè)包括數字礦山建設不同程度地存在“重生產(chǎn)、輕管理”的思想，對生產(chǎn)環(huán)節以及內部管理比較重視，缺少物流管理意識，沒(méi)有認識到物流作為企業(yè)的“第三利潤源泉”在降低成木、提高效益、增強市場(chǎng)競爭力中的作用，將物流活動(dòng)置于附屬地位，沒(méi)有從物流管理的高度實(shí)現供應物流、生產(chǎn)物流、銷(xiāo)售物流、回收物流、廢棄物流進(jìn)行綜合管理。。物流管理專(zhuān)業(yè)化程度不高，僅在MIS系統、ERP系統中部分實(shí)現了供應物流、銷(xiāo)售物流的功能（圖1的管理層部分)，而忽視了將每一個(gè)工藝環(huán)節連在一起的、并且伴隨每個(gè)工藝環(huán)節同時(shí)出現的生產(chǎn)物流、回收物流、廢棄物流的物流活動(dòng)，即在圖1的執行控制層還沒(méi)有樹(shù)立生產(chǎn)物流的理念。下面結合露天煤礦的特點(diǎn)，重點(diǎn)論述后在礦山建設中需要重點(diǎn)解決的生產(chǎn)物流、回收物流、廢棄物流等問(wèn)題。
4.露天煤礦數字礦山建設需要重點(diǎn)解決的物流問(wèn)題
(1)生產(chǎn)物流。露天煤礦的生產(chǎn)物流不僅包括煤炭產(chǎn)品，而且還包括廢氣剝離物，且剝離物產(chǎn)量通常遠遠大于煤炭，排土需要占用較大的土地空間。因此露天礦煤礦生產(chǎn)物流，重點(diǎn)解決采煤、剝離、排土之間的關(guān)系問(wèn)題。
露天礦開(kāi)采工藝分為連續工藝、間斷工藝、半連續工藝、無(wú)運輸倒堆工藝等多種形式。這些工藝選擇受礦巖性質(zhì)、礦床賦存情況、地形條件、設備價(jià)格等多種因素限制，屬于采礦工藝設計問(wèn)題，其中連續工藝、無(wú)運輸倒堆工藝的物流調配固定，而間斷工藝均大都采用汽車(chē)運輸方式，系統的機動(dòng)靈活性為物流調配提供了有利的前提條件，且間斷工藝露天礦運輸環(huán)節費用占生產(chǎn)成本的40%?60%,因此對間斷工藝進(jìn)行物流研究具有重要的意義。間斷工藝的生產(chǎn)物流應重點(diǎn)解決以下幾個(gè)問(wèn)題：
�、僭谂磐练绞竭x擇上，優(yōu)先采用內排。露天礦內排就是在采出有益礦物的同時(shí)將剝離的土巖排在采空區形成的內部排土場(chǎng)中。內部排土具有鞏固非工作幫邊坡穩定、少占用耕地、縮短排棄運距、便于復墾造田和恢復生狀等優(yōu)點(diǎn)。因此在條件允許的情況下，盡量采用內排。內部排土的露天礦在同一時(shí)間、同一空間，同時(shí)存在著(zhù)采出與回排兩種作業(yè)，這就給管理和技術(shù)上實(shí)現合理的物流調配提出了新問(wèn)題，合理的物流調配更能體現內部排土的優(yōu)點(diǎn)，取得更好的經(jīng)濟效益。
�、诓擅号c剝離的統一考慮。露天礦采煤與剝離的統一考慮就是將采煤與剝離的裝載點(diǎn)與卸載點(diǎn)通過(guò)統一的或局部統一的路徑聯(lián)系起來(lái)，共同納入到一個(gè)系統中，進(jìn)而提高運輸系統的整體效率，使露天礦的運營(yíng)費用最低，產(chǎn)生最好的經(jīng)濟效益。并盡量減少采煤與剝離物流的交叉和逆動(dòng)。
�、鄄蓜兣c內排的統一考慮。露天礦內排的形式不外乎端幫環(huán)線(xiàn)及中間橋式或兩者兼而有之。中間橋存在時(shí)，采剝與內排就擁有一個(gè)共同的底盤(pán)標高，就是說(shuō)采剝工作面與排棄工作面僅差排棄段高，也就是在物流調配中采出的裝載點(diǎn)與排棄的卸載點(diǎn)距離較近。假如把采剝與內排統一考慮，充分利用空車(chē)資源，就可以利用采出的返空車(chē)在剝離工作面裝載后通過(guò)中間橋或端幫環(huán)線(xiàn)、排棄工作面移動(dòng)坑線(xiàn)運輸道路系統進(jìn)行排棄，排棄完后再在采出工作面裝載。這樣形成一個(gè)閉合鏈，鏈中運輸設備重載行程遠大于傳統的空重行車(chē)半對半，從而顯著(zhù)提高運輸系統的整體效率。之所以說(shuō)是整體，就是包含剝離與采出、端幫環(huán)節與中間橋。在研究采剝與內排個(gè)關(guān)系問(wèn)題上，應重點(diǎn)研究主要交叉道口的車(chē)流密度和主干道路面負荷、端幫和中間橋的布置問(wèn)題、內排段高的合理取值等問(wèn)題。
�、茉O備、路徑的統一考慮。設備的統一考慮就是為了方便、簡(jiǎn)化設備的管理，這里僅指設備的維修保養和配件供應，更重要的是采裝與運輸設備的型號搭配，尤其是運輸設備性能和型號的統一，以便于互換和運行組織，包括裝載、卸載和運行速度控制等。路徑的統一考慮，就是采煤工作線(xiàn)、剝離工作線(xiàn)和排土工作線(xiàn)相兼顧；固定坑線(xiàn)與移動(dòng)坑線(xiàn)相兼顧，包括中間橋與端幫環(huán)線(xiàn)相兼顧、采掘工作幫移動(dòng)坑線(xiàn)與內排工作幫移動(dòng)坑線(xiàn)相兼顧；道路的維護與修筑相兼顧。
�、葑詣�(dòng)化調度系統的實(shí)施。露天礦自動(dòng)化調度系統用于在汽車(chē)運輸露天礦中對卡車(chē)、電鏟等進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調度，系統的主要功能就是通過(guò)對電鏟、卡車(chē)、推土機等設備的位置、狀態(tài)等信息的采集，實(shí)現對設備位置及工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤、顯示，優(yōu)化調度卡車(chē)運行，及時(shí)準確查詢(xún)統計當前生產(chǎn)情況。目前該系統總體技術(shù)己經(jīng)成熟，并在國內個(gè)別露天礦投入使用。采用露天礦自動(dòng)化調度系統進(jìn)行物流優(yōu)化調配，對提高礦山產(chǎn)量、節省費用、取得較高經(jīng)濟效益具有重要的作用，國內間斷工藝露天礦應優(yōu)先采用該系統。
(2)回收物流。露天煤礦的回收物流主要包括生產(chǎn)過(guò)程中部分消耗的廢舊物資的回收利用、煤炭開(kāi)采過(guò)程中的頂底板損失以及伴生煤矸石的綜合利用3個(gè)部分，此外，由于大型露天煤礦通常建有選煤場(chǎng)和坑口電廠(chǎng)，因此還包括選煤場(chǎng)的煤泥、坑口電廠(chǎng)所產(chǎn)生的粉煤灰和煤渣等。對煤炭回收物流的研究,應集中在加強對回收物流的管理和再生資源的綜合利用技術(shù)研發(fā)上。一方面要通過(guò)技術(shù)和管理手段減少廢棄物流的發(fā)生量，另一方面要對廢棄物中的再生資源進(jìn)行處理利用，變廢為寶。研究和利用的重點(diǎn)如下：
廢舊物資的回收利用：露天礦的生產(chǎn)設備價(jià)值高達數百萬(wàn)乃至數千萬(wàn)元，發(fā)動(dòng)機、總成、輪胎等價(jià)格昂貴。應開(kāi)發(fā)配件壽命跟蹤系統軟件，價(jià)對格昂貴、附加值高、可重復利用的配件進(jìn)行使用、維修、報廢等跟蹤，一方面提高再生資源利用水平，另一方面也為供應物流選擇質(zhì)高價(jià)低的供應商提供依據。該系統應與供應物流圖1中的MS、ERP)、生產(chǎn)物流圖1中的生產(chǎn)調度系統）緊密結合。
頂底板損失：采用先進(jìn)的設備和工藝，減少頂底板采出損失，如液壓鏟、刨煤機、推土機輔助處理等。
煤矸石利用：
熱能利用：流化床燃燒技術(shù)，洗煤泥-煤矸石混燒技術(shù)等。
礦物成分利用：建材利用技術(shù)，高硫煤矸石提取硫磺或制取硫酸技術(shù)。
煤泥的利用：流化床燃燒，煤泥水混合燃料，煤泥型煤等。
粉煤灰利用：制取高水充填材料、制備分子篩等。
煤渣的利用：燃燒水泥熟料，硅酸鹽建材原料，燒結建材制品等。
(3)廢棄物流。露天礦山廢棄物大體可分成兩種：一是生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的剝離物，二是勞動(dòng)工具、裝備、設施的更新報廢物。其中剝離物是生產(chǎn)物流的重要組成部分，因此,可能的最優(yōu)采購批量(Q>)為2000單位。
5.結束語(yǔ)
本模型對參數較為敏感，其中折扣率對模型的影響最為顯著(zhù)。當折扣率較大時(shí),一般經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計算即可確定采用何種折扣(通常計算結果為采用最優(yōu)折扣)。較高的原料庫存費率將促使決策傾向于采用較小的平均庫存量、較高的價(jià)格與較小的原料折扣;較高的產(chǎn)品庫存費率將促使決策傾向于采用較小的生產(chǎn)批量,從而降低采用采購折扣的可能性。
從模型的例子可以看出,最優(yōu)解和非最優(yōu)解之間,年成本的差別較大。在一般生產(chǎn)企業(yè)利潤水平普遍較低的當今生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中,適當的生產(chǎn)、庫存決策是非常重要的,它對于提高企業(yè)的盈利能力具有重要作用。在生產(chǎn)實(shí)踐中,產(chǎn)品生產(chǎn)的鏈條通常涉及許多層次具有供銷(xiāo)關(guān)系的生產(chǎn)企業(yè),如果每一層級的企業(yè)都能適當決策,將大大降低供應鏈成本,增加產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。在供應鏈中起著(zhù)核心作用的企業(yè)往往只有一個(gè),生產(chǎn)企業(yè)之間大多基本處于平等地位�；谄降鹊匚�,企業(yè)完全有條件基于自身利益進(jìn)行相關(guān)物流決策，以實(shí)現利益最大化，同時(shí)可降低供應鏈總成本。
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