基於數字礦山建設的煤炭物流管理技術及應用研論文
1.引言
採礦業是以礦產資源為生產物件的古老產業，生產環境惡劣，作業條件複雜，生產工藝環節多，技術裝備種類繁多且技術複雜，這些都是其它行業無法比擬的。目前國內許多礦山企業還處在勞動密集性階段，資訊化改造勢在必行。部分礦山在辦公自動化、管理資訊化以及最佳化設計、生產監控等方面雖然做了一定的工作，取得了一定的成效，但這些系統大多處於獨立執行階段，未能實現系統的資訊整合與綜合應用。隨著科學技術的日新月異，越來越多的新思想、新技術、新方法運用於礦山企業的生產、經營和管理，以增強企業的競爭力。為此，我國礦業系統開始了“數字礦山”的研究工作，利用數字資訊科技來改造和提升採礦業，其理念己逐漸深入礦業界人心，同時也給採礦業和礦山科技發展帶來了前所未有的機遇和挑戰。
礦山企業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，種類多，資金佔用也多，技術進步又容易造成庫存存貨的淘汰。同時礦山採裝、運輸、礦物加工成本佔生產成本的比例高達40-80%,選礦和混礦對礦產品售價影響極大。礦山企業的這些特性使得供、產、銷各個環節的物流管理顯得極為重要。目前，礦山生產管理主要關注生產的工藝過程，而忽視了將每一個工藝環節連在一起的、並且伴隨每個工藝環節同時出現的物流活動，還沒有樹立起生產物流的觀念。因此，在“數字礦山”建設中引進物流管理理念十分重要。由於礦山企業的特殊性，礦山物流不能直接採用一般企業物流的管理模式，因此在數字礦山實施過程中對礦山物流如何管且管得好是本文重點研究和解決的問題。下面結合露天煤礦數字礦山及物流體系建設談談自己的看法。
2.數字礦山總體結構
何為數字礦山，數字礦山與礦山自動化、資訊化有何區別和聯絡，目前在國內還沒有達成統一的意見。但普遍認為：數字礦山是數字地球、數字中國在礦山中的開發應用，數字礦山從更高的層次、系統論和一體化的角度對礦山進行數字化、資訊化管理，更深入、更有效地為礦山生產、經營和管理提供服務，為礦山持續、高效、科學的發展提供重要保障。
根據國內礦山的特點及其資訊化建設的現狀，結合數字礦山技術的最新進展，確定數字礦山的建設原則如下:（1)根據礦山具體條件及發展需要，結合國內外技術的最新進展情況，分層次建立開放式數字礦山總體框架，對各層次的系統範圍和內容可進行擴充，也可擴充更多層次;（2)系統建設應與礦山主要業務資訊化管理相適應，既保證各業務系統的獨立執行，又實現各業務系統的有效整合和整合;（3)系統建設要充分考慮到技術的先進性、成熟性、實用性、規範性和可擴充套件性，使各組成部分易於開發和實施，並可方便地納入到數字礦區、數字行業、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層次：
①基礎資料層。即資料獲取與儲存層。資料獲取包括利用各種技術手段獲取各種形式的資料及其預處理；資料儲存包括各類資料庫、資料檔案、圖形檔案庫等。該層為後續各層提供部分或全部輸入資料。
②模型層。即表述層。如空間和礦物屬性的三維和二維塊狀模型、礦區地質模型、採場模型、地理資訊系統模型、虛擬現實模型等。該層不僅將資料加工為直觀、形象的表述形式，而且為最佳化、模擬與設計提供輸入。
③設計最佳化層。如工藝流程模擬、引數最佳化、設計與計劃方案最佳化等。該層為把最佳化解轉化為可執行方案或直接進行方案設計提供手段。
④執行與控制層。如自動排程、流程引數自動監測與控制、遠端操作等。該層是生產方案的執行者。
⑤管理層。包括MS、ERP與OA等，其中MS、ERP部分含供應物流和銷售物流的管理功能。
⑥決策支援層。依據各種資訊和以上各層提供的資料加工成果，進行相關分析與預測，為決策者提供各個層次的決策支援。
3.露天煤礦物流特點及存在問題分析
礦山物流是一個系統物流，屬於工業物流範疇，是發展現代工業化生產方式、提高企業利潤空間的有效手段。它存在於礦業產品的開發準備、生產過程和銷售活動的全過程之中，是生產礦業產品以及組織礦物銷售等一系列物料實體的運送搬運等動態流轉過程，是一個由礦業的供應物流、生產物流、銷售物流、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企業物流系統和煤炭物流的共同特點外，還具有自身的特點：
(1)生產物流包括產品實體和廢棄物兩部分物流。露天煤礦的生產物流不僅包括煤炭產品實體），還包括剝離物廢棄物），且剝離物產量通常遠遠大於煤炭、排棄佔地面積大；而煤炭庫存質量標準要求不高、不需包裝。
(2)生產環節複雜，易汙染環境，作業場所時空變化大。露天煤礦生產通常分為穿孔、爆破、採裝、運輸、排卸、破碎、洗選等多道工序，工序複雜，各項工序作業均易汙染環境，隨著生產的不斷進行，採掘工作面及排土工作面的時空變化大。
(3)供應物流與銷售物流沒有直接聯絡。煤炭企業所需的生產物資都是輔助材料，不構成產品的實體，供應物流量的大小由礦山的採剝總產量決定，其運輸方向與銷售物流相反，所以煤炭企業的供應物流與銷售物流在運輸工具和管理方法上沒有直接聯絡。長期以來，我國礦山企業包括數字礦山建設不同程度地存在“重生產、輕管理”的思想，對生產環節以及內部管理比較重視，缺少物流管理意識，沒有認識到物流作為企業的“第三利潤源泉”在降低成木、提高效益、增強市場競爭力中的作用，將物流活動置於附屬地位，沒有從物流管理的高度實現供應物流、生產物流、銷售物流、回收物流、廢棄物流進行綜合管理。。物流管理專業化程度不高，僅在MIS系統、ERP系統中部分實現了供應物流、銷售物流的功能（圖1的管理層部分)，而忽視了將每一個工藝環節連在一起的、並且伴隨每個工藝環節同時出現的生產物流、回收物流、廢棄物流的物流活動，即在圖1的執行控制層還沒有樹立生產物流的理念。下面結合露天煤礦的特點，重點論述後在礦山建設中需要重點解決的生產物流、回收物流、廢棄物流等問題。
4.露天煤礦數字礦山建設需要重點解決的物流問題
(1)生產物流。露天煤礦的生產物流不僅包括煤炭產品，而且還包括廢氣剝離物，且剝離物產量通常遠遠大於煤炭，排土需要佔用較大的土地空間。因此露天礦煤礦生產物流，重點解決採煤、剝離、排土之間的關係問題。
露天礦開採工藝分為連續工藝、間斷工藝、半連續工藝、無運輸倒堆工藝等多種形式。這些工藝選擇受礦巖性質、礦床賦存情況、地形條件、裝置價格等多種因素限制，屬於採礦工藝設計問題，其中連續工藝、無運輸倒堆工藝的物流調配固定，而間斷工藝均大都採用汽車運輸方式，系統的機動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節費用佔生產成本的40%?60%,因此對間斷工藝進行物流研究具有重要的意義。間斷工藝的生產物流應重點解決以下幾個問題：
①在排土方式選擇上，優先採用內排。露天礦內排就是在採出有益礦物的同時將剝離的土巖排在採空區形成的內部排土場中。內部排土具有鞏固非工作幫邊坡穩定、少佔用耕地、縮短排棄運距、便於復墾造田和恢復生狀等優點。因此在條件允許的情況下，儘量採用內排。內部排土的露天礦在同一時間、同一空間，同時存在著採出與回排兩種作業，這就給管理和技術上實現合理的物流調配提出了新問題，合理的物流調配更能體現內部排土的優點，取得更好的經濟效益。
②採煤與剝離的統一考慮。露天礦採煤與剝離的統一考慮就是將採煤與剝離的裝載點與解除安裝點透過統一的或區域性統一的路徑聯絡起來，共同納入到一個系統中，進而提高運輸系統的整體效率，使露天礦的運營費用最低，產生最好的經濟效益。並儘量減少採煤與剝離物流的交叉和逆動。
③採剝與內排的統一考慮。露天礦內排的形式不外乎端幫環線及中間橋式或兩者兼而有之。中間橋存在時，採剝與內排就擁有一個共同的底盤標高，就是說採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採出的裝載點與排棄的解除安裝點距離較近。假如把採剝與內排統一考慮，充分利用空車資源，就可以利用採出的返空車在剝離工作面裝載後透過中間橋或端幫環線、排棄工作面移動坑線運輸道路系統進行排棄，排棄完後再在採出工作面裝載。這樣形成一個閉合鏈，鏈中運輸裝置過載行程遠大於傳統的空重行車半對半，從而顯著提高運輸系統的整體效率。之所以說是整體，就是包含剝離與採出、端幫環節與中間橋。在研究採剝與內排個關係問題上，應重點研究主要交叉道口的車流密度和主幹道路面負荷、端幫和中間橋的佈置問題、內排段高的合理取值等問題。
④裝置、路徑的統一考慮。裝置的統一考慮就是為了方便、簡化裝置的管理，這裡僅指裝置的維修保養和配件供應，更重要的`是採裝與運輸裝置的型號搭配，尤其是運輸裝置效能和型號的統一，以便於互換和執行組織，包括裝載、解除安裝和執行速度控制等。路徑的統一考慮，就是採煤工作線、剝離工作線和排土工作線相兼顧；固定坑線與移動坑線相兼顧，包括中間橋與端幫環線相兼顧、採掘工作幫移動坑線與內排工作幫移動坑線相兼顧；道路的維護與修築相兼顧。
⑤自動化排程系統的實施。露天礦自動化排程系統用於在汽車運輸露天礦中對卡車、電鏟等進行實時最佳化排程，系統的主要功能就是透過對電鏟、卡車、推土機等裝置的位置、狀態等資訊的採集，實現對裝置位置及工作狀態的實時跟蹤、顯示，最佳化排程卡車執行，及時準確查詢統計當前生產情況。目前該系統總體技術己經成熟，並在國內個別露天礦投入使用。採用露天礦自動化排程系統進行物流最佳化調配，對提高礦山產量、節省費用、取得較高經濟效益具有重要的作用，國內間斷工藝露天礦應優先採用該系統。
(2)回收物流。露天煤礦的回收物流主要包括生產過程中部分消耗的廢舊物資的回收利用、煤炭開採過程中的頂底板損失以及伴生煤矸石的綜合利用3個部分，此外，由於大型露天煤礦通常建有選煤場和坑口電廠，因此還包括選煤場的煤泥、坑口電廠所產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研發上。一方面要透過技術和管理手段減少廢棄物流的發生量，另一方面要對廢棄物中的再生資源進行處理利用，變廢為寶。研究和利用的重點如下：
廢舊物資的回收利用：露天礦的生產裝置價值高達數百萬乃至數千萬元，發動機、總成、輪胎等價格昂貴。應開發配件壽命跟蹤系統軟體，價對格昂貴、附加值高、可重複利用的配件進行使用、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高價低的供應商提供依據。該系統應與供應物流圖1中的MS、ERP)、生產物流圖1中的生產排程系統）緊密結合。
頂底板損失：採用先進的裝置和工藝，減少頂底板採出損失，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，洗煤泥-煤矸石混燒技術等。
礦物成分利用：建材利用技術，高硫煤矸石提取硫磺或製取硫酸技術。
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：製取高水充填材料、製備分子篩等。
煤渣的利用：燃燒水泥熟料，矽酸鹽建材原料，燒結建材製品等。
(3)廢棄物流。露天礦山廢棄物大體可分成兩種：一是生產過程中產生的剝離物，二是勞動工具、裝備、設施的更新報廢物。其中剝離物是生產物流的重要組成部分，因此,可能的最優採購批次(Q>)為2000單位。
5.結束語
本模型對引數較為敏感，其中折扣率對模型的影響最為顯著。當折扣率較大時,一般經過簡單計算即可確定採用何種折扣(通常計算結果為採用最優折扣)。較高的原料庫存費率將促使決策傾向於採用較小的平均庫存量、較高的價格與較小的原料折扣;較高的產品庫存費率將促使決策傾向於採用較小的生產批次,從而降低採用採購折扣的可能性。
從模型的例子可以看出,最優解和非最優解之間,年成本的差別較大。在一般生產企業利潤水平普遍較低的當今生產實踐活動中,適當的生產、庫存決策是非常重要的,它對於提高企業的盈利能力具有重要作用。在生產實踐中,產品生產的鏈條通常涉及許多層次具有供銷關係的生產企業,如果每一層級的企業都能適當決策,將大大降低供應鏈成本,增加產品的市場競爭力。在供應鏈中起著核心作用的企業往往只有一個,生產企業之間大多基本處於平等地位。基於平等地位,企業完全有條件基於自身利益進行相關物流決策，以實現利益最大化，同時可降低供應鏈總成本。