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基于数字矿山建设的煤炭物流管理技术及应用研论文
1.引言
采矿业是以矿产资源为生产对象的古老产业，生产环境恶劣，作业条件复杂，生产工艺环节多，技术装备种类繁多且技术复杂，这些都是其它行业无法比拟的。目前国内许多矿山企业还处在劳动密集性阶段，信息化改造势在必行。部分矿山在办公自动化、管理信息化以及优化设计、生产监控等方面虽然做了一定的工作，取得了一定的成效，但这些系统大多处于独立运行阶段，未能实现系统的信息整合与综合应用。随着科学技术的日新月异，越来越多的新思想、新技术、新方法运用于矿山企业的生产、经营和管理，以增强企业的竞争力。为此，我国矿业系统开始了“数字矿山”的研究工作，利用数字信息技术来改造和提升采矿业，其理念己逐渐深入矿业界人心，同时也给采矿业和矿山科技发展带来了前所未有的机遇和挑战。
矿山企业多数远离城市和交通要道，地理位置偏，所以各种燃料、配件的库存量大，种类多，资金占用也多，技术进步又容易造成库存存货的淘汰。同时矿山采装、运输、矿物加工成本占生产成本的比例高达40-80%,选矿和混矿对矿产品售价影响极大。矿山企业的这些特性使得供、产、销各个环节的物流管理显得极为重要。目前，矿山生产管理主要关注生产的工艺过程，而忽视了将每一个工艺环节连在一起的、并且伴随每个工艺环节同时出现的物流活动，还没有树立起生产物流的观念。因此，在“数字矿山”建设中引进物流管理理念十分重要。由于矿山企业的特殊性，矿山物流不能直接采用一般企业物流的管理模式，因此在数字矿山实施过程中对矿山物流如何管且管得好是本文重点研究和解决的问题。下面结合露天煤矿数字矿山及物流体系建设谈谈自己的看法。
2.数字矿山总体结构
何为数字矿山，数字矿山与矿山自动化、信息化有何区别和联系，目前在国内还没有达成统一的意见。但普遍认为：数字矿山是数字地球、数字中国在矿山中的开发应用，数字矿山从更高的层次、系统论和一体化的角度对矿山进行数字化、信息化管理，更深入、更有效地为矿山生产、经营和管理提供服务，为矿山持续、高效、科学的发展提供重要保障。
根据国内矿山的特点及其信息化建设的现状，结合数字矿山技术的最新进展，确定数字矿山的建设原则如下:（1)根据矿山具体条件及发展需要，结合国内外技术的最新进展情况，分层次建立开放式数字矿山总体框架，对各层次的系统范围和内容可进行扩充，也可扩充更多层次;（2)系统建设应与矿山主要业务信息化管理相适应，既保证各业务系统的独立运行，又实现各业务系统的有效集成和整合;（3)系统建设要充分考虑到技术的先进性、成熟性、实用性、规范性和可扩展性，使各组成部分易于开发和实施，并可方便地纳入到数字矿区、数字行业、数字中国中。
按照上述原则确定的数字露天煤矿总体结构如图1所示。从图1中可以看出，数字矿山自下而上可分为以下六个层次：
①基础数据层。即数据获取与存储层。数据获取包括利用各种技术手段获取各种形式的数据及其预处理；数据存储包括各类数据库、数据文件、图形文件库等。该层为后续各层提供部分或全部输入数据。
②模型层。即表述层。如空间和矿物属性的三维和二维块状模型、矿区地质模型、采场模型、地理信息系统模型、虚拟现实模型等。该层不仅将数据加工为直观、形象的表述形式，而且为优化、模拟与设计提供输入。
③设计优化层。如工艺流程模拟、参数优化、设计与计划方案优化等。该层为把优化解转化为可执行方案或直接进行方案设计提供手段。
④执行与控制层。如自动调度、流程参数自动监测与控制、远程操作等。该层是生产方案的执行者。
⑤管理层。包括MS、ERP与OA等，其中MS、ERP部分含供应物流和销售物流的管理功能。
⑥决策支持层。依据各种信息和以上各层提供的数据加工成果，进行相关分析与预测，为决策者提供各个层次的决策支持。
3.露天煤矿物流特点及存在问题分析
矿山物流是一个系统物流，属于工业物流范畴，是发展现代工业化生产方式、提高企业利润空间的有效手段。它存在于矿业产品的开发准备、生产过程和销售活动的全过程之中，是生产矿业产品以及组织矿物销售等一系列物料实体的运送搬运等动态流转过程，是一个由矿业的供应物流、生产物流、销售物流、回收物流、废弃物物流构成的物流系统如图2。露天煤炭物流系统除了具有一般工业企业物流系统和煤炭物流的共同特点外，还具有自身的特点：
(1)生产物流包括产品实体和废弃物两部分物流。露天煤矿的生产物流不仅包括煤炭产品实体），还包括剥离物废弃物），且剥离物产量通常远远大于煤炭、排弃占地面积大；而煤炭库存质量标准要求不高、不需包装。
(2)生产环节复杂，易污染环境，作业场所时空变化大。露天煤矿生产通常分为穿孔、爆破、采装、运输、排卸、破碎、洗选等多道工序，工序复杂，各项工序作业均易污染环境，随着生产的不断进行，采掘工作面及排土工作面的时空变化大。
(3)供应物流与销售物流没有直接联系。煤炭企业所需的生产物资都是辅助材料，不构成产品的实体，供应物流量的大小由矿山的采剥总产量决定，其运输方向与销售物流相反，所以煤炭企业的供应物流与销售物流在运输工具和管理方法上没有直接联系。长期以来，我国矿山企业包括数字矿山建设不同程度地存在“重生产、轻管理”的思想，对生产环节以及内部管理比较重视，缺少物流管理意识，没有认识到物流作为企业的“第三利润源泉”在降低成木、提高效益、增强市场竞争力中的作用，将物流活动置于附属地位，没有从物流管理的高度实现供应物流、生产物流、销售物流、回收物流、废弃物流进行综合管理。。物流管理专业化程度不高，仅在MIS系统、ERP系统中部分实现了供应物流、销售物流的功能（图1的管理层部分)，而忽视了将每一个工艺环节连在一起的、并且伴随每个工艺环节同时出现的生产物流、回收物流、废弃物流的物流活动，即在图1的执行控制层还没有树立生产物流的理念。下面结合露天煤矿的特点，重点论述后在矿山建设中需要重点解决的生产物流、回收物流、废弃物流等问题。
4.露天煤矿数字矿山建设需要重点解决的物流问题
(1)生产物流。露天煤矿的生产物流不仅包括煤炭产品，而且还包括废气剥离物，且剥离物产量通常远远大于煤炭，排土需要占用较大的土地空间。因此露天矿煤矿生产物流，重点解决采煤、剥离、排土之间的关系问题。
露天矿开采工艺分为连续工艺、间断工艺、半连续工艺、无运输倒堆工艺等多种形式。这些工艺选择受矿岩性质、矿床赋存情况、地形条件、设备价格等多种因素限制，属于采矿工艺设计问题，其中连续工艺、无运输倒堆工艺的物流调配固定，而间断工艺均大都采用汽车运输方式，系统的机动灵活性为物流调配提供了有利的前提条件，且间断工艺露天矿运输环节费用占生产成本的40%?60%,因此对间断工艺进行物流研究具有重要的意义。间断工艺的生产物流应重点解决以下几个问题：
①在排土方式选择上，优先采用内排。露天矿内排就是在采出有益矿物的同时将剥离的土岩排在采空区形成的内部排土场中。内部排土具有巩固非工作帮边坡稳定、少占用耕地、缩短排弃运距、便于复垦造田和恢复生状等优点。因此在条件允许的情况下，尽量采用内排。内部排土的露天矿在同一时间、同一空间，同时存在着采出与回排两种作业，这就给管理和技术上实现合理的物流调配提出了新问题，合理的物流调配更能体现内部排土的优点，取得更好的经济效益。
②采煤与剥离的统一考虑。露天矿采煤与剥离的统一考虑就是将采煤与剥离的装载点与卸载点通过统一的或局部统一的路径联系起来，共同纳入到一个系统中，进而提高运输系统的整体效率，使露天矿的运营费用最低，产生最好的经济效益。并尽量减少采煤与剥离物流的交叉和逆动。
③采剥与内排的统一考虑。露天矿内排的形式不外乎端帮环线及中间桥式或两者兼而有之。中间桥存在时，采剥与内排就拥有一个共同的底盘标高，就是说采剥工作面与排弃工作面仅差排弃段高，也就是在物流调配中采出的装载点与排弃的卸载点距离较近。假如把采剥与内排统一考虑，充分利用空车资源，就可以利用采出的返空车在剥离工作面装载后通过中间桥或端帮环线、排弃工作面移动坑线运输道路系统进行排弃，排弃完后再在采出工作面装载。这样形成一个闭合链，链中运输设备重载行程远大于传统的空重行车半对半，从而显著提高运输系统的整体效率。之所以说是整体，就是包含剥离与采出、端帮环节与中间桥。在研究采剥与内排个关系问题上，应重点研究主要交叉道口的车流密度和主干道路面负荷、端帮和中间桥的布置问题、内排段高的合理取值等问题。
④设备、路径的统一考虑。设备的统一考虑就是为了方便、简化设备的管理，这里仅指设备的维修保养和配件供应，更重要的是采装与运输设备的型号搭配，尤其是运输设备性能和型号的统一，以便于互换和运行组织，包括装载、卸载和运行速度控制等。路径的统一考虑，就是采煤工作线、剥离工作线和排土工作线相兼顾；固定坑线与移动坑线相兼顾，包括中间桥与端帮环线相兼顾、采掘工作帮移动坑线与内排工作帮移动坑线相兼顾；道路的维护与修筑相兼顾。
⑤自动化调度系统的实施。露天矿自动化调度系统用于在汽车运输露天矿中对卡车、电铲等进行实时优化调度，系统的主要功能就是通过对电铲、卡车、推土机等设备的位置、状态等信息的采集，实现对设备位置及工作状态的实时跟踪、显示，优化调度卡车运行，及时准确查询统计当前生产情况。目前该系统总体技术己经成熟，并在国内个别露天矿投入使用。采用露天矿自动化调度系统进行物流优化调配，对提高矿山产量、节省费用、取得较高经济效益具有重要的作用，国内间断工艺露天矿应优先采用该系统。
(2)回收物流。露天煤矿的回收物流主要包括生产过程中部分消耗的废旧物资的回收利用、煤炭开采过程中的顶底板损失以及伴生煤矸石的综合利用3个部分，此外，由于大型露天煤矿通常建有选煤场和坑口电厂，因此还包括选煤场的煤泥、坑口电厂所产生的粉煤灰和煤渣等。对煤炭回收物流的研究,应集中在加强对回收物流的管理和再生资源的综合利用技术研发上。一方面要通过技术和管理手段减少废弃物流的发生量，另一方面要对废弃物中的再生资源进行处理利用，变废为宝。研究和利用的重点如下：
废旧物资的回收利用：露天矿的生产设备价值高达数百万乃至数千万元，发动机、总成、轮胎等价格昂贵。应开发配件寿命跟踪系统软件，价对格昂贵、附加值高、可重复利用的配件进行使用、维修、报废等跟踪，一方面提高再生资源利用水平，另一方面也为供应物流选择质高价低的供应商提供依据。该系统应与供应物流图1中的MS、ERP)、生产物流图1中的生产调度系统）紧密结合。
顶底板损失：采用先进的设备和工艺，减少顶底板采出损失，如液压铲、刨煤机、推土机辅助处理等。
煤矸石利用：
热能利用：流化床燃烧技术，洗煤泥-煤矸石混烧技术等。
矿物成分利用：建材利用技术，高硫煤矸石提取硫磺或制取硫酸技术。
煤泥的利用：流化床燃烧，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、制备分子筛等。
煤渣的利用：燃烧水泥熟料，硅酸盐建材原料，烧结建材制品等。
(3)废弃物流。露天矿山废弃物大体可分成两种：一是生产过程中产生的剥离物，二是劳动工具、装备、设施的更新报废物。其中剥离物是生产物流的重要组成部分，因此,可能的最优采购批量(Q>)为2000单位。
5.结束语
本模型对参数较为敏感，其中折扣率对模型的影响最为显著。当折扣率较大时,一般经过简单计算即可确定采用何种折扣(通常计算结果为采用最优折扣)。较高的原料库存费率将促使决策倾向于采用较小的平均库存量、较高的价格与较小的原料折扣;较高的产品库存费率将促使决策倾向于采用较小的生产批量,从而降低采用采购折扣的可能性。
从模型的例子可以看出,最优解和非最优解之间,年成本的差别较大。在一般生产企业利润水平普遍较低的当今生产实践活动中,适当的生产、库存决策是非常重要的,它对于提高企业的盈利能力具有重要作用。在生产实践中,产品生产的链条通常涉及许多层次具有供销关系的生产企业,如果每一层级的企业都能适当决策,将大大降低供应链成本,增加产品的市场竞争力。在供应链中起着核心作用的企业往往只有一个,生产企业之间大多基本处于平等地位。基于平等地位,企业完全有条件基于自身利益进行相关物流决策，以实现利益最大化，同时可降低供应链总成本。
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