高村鐵礦采裝運(yùn)三環(huán)節(jié)主體設(shè)備優(yōu)化配置研究

在露天礦生產(chǎn)工藝的過(guò)程中，采、裝、運(yùn)輸過(guò)程是核心，決定了露天礦的能力，關(guān)系到露天礦投資的大部分以上。組織好采、裝、運(yùn)輸過(guò)程是現(xiàn)代露天礦的中心問(wèn)題。一方面,采(穿孔、爆破)、裝、運(yùn)3個(gè)主要環(huán)節(jié)彼此相互聯(lián)系而又相互制約,任何一個(gè)環(huán)節(jié)配合不當(dāng)都會(huì)造成整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的阻塞和混亂,致使礦山生產(chǎn)能力降低,生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況惡化;另一方面采、裝、運(yùn)工藝設(shè)備是礦山生產(chǎn)過(guò)程中最主要的機(jī)械設(shè)備,數(shù)量多,投資大,這些主體生產(chǎn)設(shè)備的投資占礦山整個(gè)投資的40%～50%,在一些大型礦山甚至?xí)?對(duì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效果影響很大。因此礦山生產(chǎn)工藝設(shè)備的選型與配置是否合理,對(duì)于提高設(shè)備效率,完成礦山生產(chǎn)各項(xiàng)指標(biāo)及提高經(jīng)濟(jì)效益都具有重大意義。為合理配置機(jī)械設(shè)備,充分發(fā)揮單體設(shè)備的技術(shù)性能并使礦山機(jī)械設(shè)備之間的參數(shù)匹配合理,減少重復(fù)投資造成的浪費(fèi),降低能耗,首要的問(wèn)題是建立優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型。優(yōu)化配置的理論很多,有線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、多目標(biāo)規(guī)劃、分形理論、灰色理論、遺傳算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。其中線性規(guī)劃在礦山生產(chǎn)計(jì)劃的編排,品位配比、排土規(guī)劃等方面都有了運(yùn)用。本文運(yùn)用整數(shù)規(guī)劃(屬線性規(guī)劃)的方法,根據(jù)高村鐵礦的生產(chǎn)規(guī)模,以年采剝總量分別對(duì)采、裝、運(yùn)各環(huán)節(jié)設(shè)備的年折算費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)其主體生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置。設(shè)備的年折算費(fèi)用涵蓋設(shè)備的投資和年運(yùn)營(yíng)費(fèi),設(shè)備投資主要是指設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格,運(yùn)營(yíng)費(fèi)包括維修保養(yǎng)、燃料動(dòng)力、操作人員工資等。關(guān)于設(shè)備年折算費(fèi)用的計(jì)算,從考慮資金時(shí)間價(jià)值的角度出發(fā),有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種計(jì)算方法。本文在具體的計(jì)算過(guò)程中,不考慮設(shè)備殘值,關(guān)于設(shè)備壽命的取值,一般而言,設(shè)備壽命按其研究的角度可分為設(shè)備的物理壽命、折舊壽命、技術(shù)壽命、經(jīng)濟(jì)壽命4種,這里取各類(lèi)設(shè)備的折舊壽命作為計(jì)算的依據(jù)。為簡(jiǎn)化運(yùn)算,暫不考慮資金的時(shí)間價(jià)值,以靜態(tài)的方法計(jì)算年折算費(fèi)用。即單臺(tái)設(shè)備的年折算費(fèi)用為CA=Q0t+1tt∑k=1Ck,(1)CA=Q0t+1t∑k=1tCk,(1)式中,CA為單臺(tái)設(shè)備的靜態(tài)年折算費(fèi)用;Q0為設(shè)備投資;Ck為第k年設(shè)備的經(jīng)營(yíng)費(fèi);t為設(shè)備的折舊時(shí)間。1工藝環(huán)節(jié)的劃分礦山生產(chǎn)規(guī)模以年產(chǎn)礦石量或年采剝總量表示,因?yàn)榈V山設(shè)備不僅要完成礦石量,還要完成一定比例的巖石量,因此本文以年采剝總量表示礦山的生產(chǎn)規(guī)模。露天礦生產(chǎn)機(jī)械化程度較高,它的主要生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)包括穿孔爆破、采裝、運(yùn)輸及排卸3大工藝環(huán)節(jié)。這3大工藝環(huán)節(jié)和若干輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的完整系統(tǒng),露天礦的生產(chǎn)能力就是由這些環(huán)節(jié)相互配合、相互制約形成的綜合生產(chǎn)能力所決定。設(shè)鉆爆機(jī)械生產(chǎn)能力為X1(Mt/a),采裝機(jī)械生產(chǎn)能力為X2(Mt/a),運(yùn)輸機(jī)械生產(chǎn)能力為X3(Mt/a)。這3大環(huán)節(jié)前一環(huán)節(jié)制約下一環(huán)節(jié),即鉆爆量限制鏟裝量,鏟裝量又限制著運(yùn)輸量,所以礦山機(jī)械設(shè)備綜合生產(chǎn)能力X為X=min{X1,X2,X3}?(2)X1=n∑j=1x1ja1j,(3)X2=n∑j=1x2ja2j,(4)X3=n∑j=1x3ja3j,(5)式中,j為工作場(chǎng)各類(lèi)機(jī)械機(jī)型數(shù);a1j為第j型鉆機(jī)的數(shù)目;x1j為第j型鉆機(jī)臺(tái)年穿爆量,萬(wàn)t/(臺(tái)·a);a2j為第j型鏟裝機(jī)的數(shù)目;x2j為第j型鏟裝機(jī)的臺(tái)年鏟裝量;a3j為第j型礦車(chē)數(shù)目;x3j為第j型礦車(chē)的臺(tái)年運(yùn)輸量。2優(yōu)化礦工設(shè)備配置利用整數(shù)規(guī)劃這一數(shù)學(xué)工具,以完成年采剝總量A為約束條件,以設(shè)備年折算費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行各生產(chǎn)環(huán)節(jié)主體設(shè)備的優(yōu)化配置。2.1礦山a設(shè)第j型機(jī)單價(jià)q1j萬(wàn)元,年經(jīng)營(yíng)費(fèi)為c1j,t1j為第j型機(jī)折舊時(shí)間,則CA1=n∑j=1a1jq1jt1j+c1ja1j,(6)進(jìn)行整數(shù)線性規(guī)劃:CA1=a11q11t11+c11a11+a12q12t12+c12a12+?+a1nq1nt1n+c1na1n=Μin,S.t.a11x11+a12x12+?+a1nx1n≥A.礦山在實(shí)際生產(chǎn)中為便于維修管理和操作培養(yǎng),一般情況下盡量簡(jiǎn)化設(shè)備種類(lèi)。根據(jù)實(shí)際情況,這里每一工藝環(huán)節(jié)設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)能力的大小,最多選擇2種,因此本文的整數(shù)規(guī)劃都很容易求解,解出上述模型即可求得各型號(hào)設(shè)備數(shù)和設(shè)備最小年折算費(fèi)用以及最初的設(shè)備投資。2.2特征條件同理,如第j型鏟裝機(jī)單價(jià)為q2j,年經(jīng)營(yíng)費(fèi)為c2j,進(jìn)行整數(shù)線性規(guī)劃:CA2=a21q21t21+c21a21+a22q22t22+c22a22+?+a2nq2nt2n+c2na2n=Μin,S.t.a21x21+a22x22+?+a2nx2n≥A.2.3設(shè)備數(shù)量、設(shè)備數(shù)量計(jì)算第j型運(yùn)礦(巖)車(chē)單價(jià)q3j,年經(jīng)營(yíng)費(fèi)為c3j,運(yùn)用整數(shù)規(guī)劃,則CA3=a31q31t31+c31a31+a32q32t32+c32a32+?+a3nq3nt3n+c3na3n=Μin,S.t.a31x31+a32x32+?+a3nx3n≥A.經(jīng)過(guò)上述3個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)算,匯總之后即可求得各環(huán)節(jié)各型號(hào)設(shè)備的數(shù)量、設(shè)備的最小年折算費(fèi)用及設(shè)備的總投資。3最大采剝總量確定高村鐵礦是一座設(shè)計(jì)規(guī)模為年產(chǎn)磁鐵礦700萬(wàn)t的大型露天礦山,采用汽車(chē)開(kāi)拓運(yùn)輸方式,相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期年采剝總量即最大年采剝總量為1850萬(wàn)t/a。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模,確定各工藝環(huán)節(jié)主體設(shè)備的型號(hào),在設(shè)備選型已確定的基礎(chǔ)上根據(jù)前述數(shù)學(xué)模型即可進(jìn)行優(yōu)化配置。3.1型牙輪鉆臺(tái)鉆機(jī)初步選用Z-250A型牙輪鉆和Z-310型牙輪鉆,根據(jù)其技術(shù)性能,結(jié)合2種設(shè)備在本礦實(shí)際的生產(chǎn)效率,取Z-250A型牙輪鉆平均臺(tái)年穿爆量250萬(wàn)t/a,當(dāng)前價(jià)格q11是268萬(wàn)元/臺(tái);Z-310型牙輪鉆臺(tái)年穿爆量300萬(wàn)t/(臺(tái)·a),當(dāng)前價(jià)格q12是360萬(wàn)元/臺(tái);根據(jù)2種設(shè)備的材料動(dòng)力消耗指標(biāo),結(jié)合本礦實(shí)際的工資水平及維修保養(yǎng)情況,目前牙輪鉆、電鏟、大型礦用汽車(chē)的折舊壽命本礦取值都是8年,測(cè)算出平均每臺(tái)Z-250A型牙輪鉆的年折算費(fèi)用約為150萬(wàn)元/(臺(tái)·a),Z-310型牙輪鉆約為160萬(wàn)元,根據(jù)前述整數(shù)規(guī)劃模型得CA1=150a11+160a12=Μin,S.t.250a11+300a12≥1850,其中,a11、a12≥0且取整.本規(guī)劃約束條件少,變量少,經(jīng)計(jì)算得a11=5,a12=2,牙輪鉆投資Q1=2060萬(wàn)元,本環(huán)節(jié)可達(dá)到的生產(chǎn)能力即年穿孔爆破量為1850萬(wàn)t。3.2wk-4電擴(kuò)大孔裝量選用WK-4和WK-10B2種電鏟,同樣根據(jù)2種設(shè)備技術(shù)性能結(jié)合礦山實(shí)際生產(chǎn)狀況,前者臺(tái)年效率x21取160萬(wàn)t/(臺(tái)·a),價(jià)格q21是340萬(wàn)元/臺(tái);后者臺(tái)年效率x22取280萬(wàn)t/(臺(tái)·a),價(jià)格q22是1435萬(wàn)元/臺(tái)。同理測(cè)算得平均每臺(tái)WK-4電鏟的年折算費(fèi)為108萬(wàn)元,WK-10B約為260萬(wàn)元/(臺(tái)·a),由前述整數(shù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型得CA2=108a21+260a22=Min,S.t.160a21+280a22≥1850,其中,a21、a22≥0且取整。經(jīng)計(jì)算得a21=12,a22=0,電鏟投資Q2=4080萬(wàn)元,鏟裝量為1920萬(wàn)t。因?yàn)?0m3電鏟的性?xún)r(jià)比遠(yuǎn)不如4m3電鏟的性?xún)r(jià)比,所以在目前的市場(chǎng)條件下,暫時(shí)不宜選用10m3電鏟。3.3研究制定ca2高村鐵礦設(shè)計(jì)采用汽車(chē)開(kāi)拓運(yùn)輸方式,因此采用運(yùn)輸設(shè)備均為汽車(chē),選用TREEX3307(40t級(jí))和TREEX33100(100t級(jí))2種汽車(chē),本采場(chǎng)汽車(chē)平均運(yùn)距3.5km,考慮備用系數(shù)(1.43),前一型號(hào)汽車(chē)臺(tái)年綜合效率X31為23萬(wàn)t/(臺(tái)·a),當(dāng)前價(jià)格q31是231萬(wàn)元/臺(tái),后一型號(hào)汽車(chē)臺(tái)年綜合效率x32是53萬(wàn)t/(臺(tái)·a),當(dāng)前價(jià)格q32是535萬(wàn)元/臺(tái),TREEX3307的年折算費(fèi)用約為116萬(wàn)元,TREEX33100約為220萬(wàn)元,同樣進(jìn)行整數(shù)規(guī)劃得CA2=116a31+220a32=Min,S.t.23a31+53a32≥1850,其中,a31、a32≥0且取整。計(jì)算得a31=0,a32=35,汽車(chē)投資Q3=18725萬(wàn)元,年運(yùn)輸量為1855萬(wàn)t。4中小企業(yè)生產(chǎn)效率經(jīng)過(guò)前述3個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)算,可知高村鐵礦配備7臺(tái)牙輪鉆(5臺(tái)Z-250A、2臺(tái)Z-310)、12臺(tái)4m3電鏟、35臺(tái)TREEX33100汽車(chē)不僅可以完成年采剝總量,