高村铁矿采装运三环节主体设备优化配置研究

高村铁矿采装运三环节主体设备优化配置研究

在露天矿生产工艺的过程中，采、装、运输过程是核心，决定了露天矿的能力，关系到露天矿投资的大部分以上。组织好采、装、运输过程是现代露天矿的中心问题。一方面,采(穿孔、爆破)、装、运3个主要环节彼此相互联系而又相互制约,任何一个环节配合不当都会造成整个生产系统的阻塞和混乱,致使矿山生产能力降低,生产经营状况恶化;另一方面采、装、运工艺设备是矿山生产过程中最主要的机械设备,数量多,投资大,这些主体生产设备的投资占矿山整个投资的40%～50%,在一些大型矿山甚至会更高,对生产经营经济效果影响很大。因此矿山生产工艺设备的选型与配置是否合理,对于提高设备效率,完成矿山生产各项指标及提高经济效益都具有重大意义。为合理配置机械设备,充分发挥单体设备的技术性能并使矿山机械设备之间的参数匹配合理,减少重复投资造成的浪费,降低能耗,首要的问题是建立优化配置数学模型。优化配置的理论很多,有线性规划、动态规划、多目标规划、分形理论、灰色理论、遗传算法及神经网络等方法。其中线性规划在矿山生产计划的编排,品位配比、排土规划等方面都有了运用。本文运用整数规划(属线性规划)的方法,根据高村铁矿的生产规模,以年采剥总量分别对采、装、运各环节设备的年折算费用最小为优化目标,对其主体生产设备进行优化配置。设备的年折算费用涵盖设备的投资和年运营费,设备投资主要是指设备的购买价格,运营费包括维修保养、燃料动力、操作人员工资等。关于设备年折算费用的计算,从考虑资金时间价值的角度出发,有静态和动态2种计算方法。本文在具体的计算过程中,不考虑设备残值,关于设备寿命的取值,一般而言,设备寿命按其研究的角度可分为设备的物理寿命、折旧寿命、技术寿命、经济寿命4种,这里取各类设备的折旧寿命作为计算的依据。为简化运算,暂不考虑资金的时间价值,以静态的方法计算年折算费用。即单台设备的年折算费用为CA=Q0t+1tt∑k=1Ck,(1)CA=Q0t+1t∑k=1tCk,(1)式中,CA为单台设备的静态年折算费用;Q0为设备投资;Ck为第k年设备的经营费;t为设备的折旧时间。1工艺环节的划分矿山生产规模以年产矿石量或年采剥总量表示,因为矿山设备不仅要完成矿石量,还要完成一定比例的岩石量,因此本文以年采剥总量表示矿山的生产规模。露天矿生产机械化程度较高,它的主要生产工艺环节包括穿孔爆破、采装、运输及排卸3大工艺环节。这3大工艺环节和若干辅助生产环节构成一个有机的完整系统,露天矿的生产能力就是由这些环节相互配合、相互制约形成的综合生产能力所决定。设钻爆机械生产能力为X1(Mt/a),采装机械生产能力为X2(Mt/a),运输机械生产能力为X3(Mt/a)。这3大环节前一环节制约下一环节,即钻爆量限制铲装量,铲装量又限制着运输量,所以矿山机械设备综合生产能力X为X=min{X1,X2,X3}‚(2)X1=n∑j=1x1ja1j,(3)X2=n∑j=1x2ja2j,(4)X3=n∑j=1x3ja3j,(5)式中,j为工作场各类机械机型数;a1j为第j型钻机的数目;x1j为第j型钻机台年穿爆量,万t/(台·a);a2j为第j型铲装机的数目;x2j为第j型铲装机的台年铲装量;a3j为第j型矿车数目;x3j为第j型矿车的台年运输量。2优化矿工设备配置利用整数规划这一数学工具,以完成年采剥总量A为约束条件,以设备年折算费用最小为优化目标进行各生产环节主体设备的优化配置。2.1矿山a设第j型机单价q1j万元,年经营费为c1j,t1j为第j型机折旧时间,则CA1=n∑j=1a1jq1jt1j+c1ja1j,(6)进行整数线性规划:CA1=a11q11t11+c11a11+a12q12t12+c12a12+⋯+a1nq1nt1n+c1na1n=Μin,S.t.a11x11+a12x12+⋯+a1nx1n≥A.矿山在实际生产中为便于维修管理和操作培养,一般情况下尽量简化设备种类。根据实际情况,这里每一工艺环节设备根据生产能力的大小,最多选择2种,因此本文的整数规划都很容易求解,解出上述模型即可求得各型号设备数和设备最小年折算费用以及最初的设备投资。2.2特征条件同理,如第j型铲装机单价为q2j,年经营费为c2j,进行整数线性规划:CA2=a21q21t21+c21a21+a22q22t22+c22a22+⋯+a2nq2nt2n+c2na2n=Μin,S.t.a21x21+a22x22+⋯+a2nx2n≥A.2.3设备数量、设备数量计算第j型运矿(岩)车单价q3j,年经营费为c3j,运用整数规划,则CA3=a31q31t31+c31a31+a32q32t32+c32a32+⋯+a3nq3nt3n+c3na3n=Μin,S.t.a31x31+a32x32+⋯+a3nx3n≥A.经过上述3个环节的计算,汇总之后即可求得各环节各型号设备的数量、设备的最小年折算费用及设备的总投资。3最大采剥总量确定高村铁矿是一座设计规模为年产磁铁矿700万t的大型露天矿山,采用汽车开拓运输方式,相当长的一段时期年采剥总量即最大年采剥总量为1850万t/a。根据生产规模,确定各工艺环节主体设备的型号,在设备选型已确定的基础上根据前述数学模型即可进行优化配置。3.1型牙轮钻台钻机初步选用Z-250A型牙轮钻和Z-310型牙轮钻,根据其技术性能,结合2种设备在本矿实际的生产效率,取Z-250A型牙轮钻平均台年穿爆量250万t/a,当前价格q11是268万元/台;Z-310型牙轮钻台年穿爆量300万t/(台·a),当前价格q12是360万元/台;根据2种设备的材料动力消耗指标,结合本矿实际的工资水平及维修保养情况,目前牙轮钻、电铲、大型矿用汽车的折旧寿命本矿取值都是8年,测算出平均每台Z-250A型牙轮钻的年折算费用约为150万元/(台·a),Z-310型牙轮钻约为160万元,根据前述整数规划模型得CA1=150a11+160a12=Μin,S.t.250a11+300a12≥1850,其中,a11、a12≥0且取整.本规划约束条件少,变量少,经计算得a11=5,a12=2,牙轮钻投资Q1=2060万元,本环节可达到的生产能力即年穿孔爆破量为1850万t。3.2wk-4电扩大孔装量选用WK-4和WK-10B2种电铲,同样根据2种设备技术性能结合矿山实际生产状况,前者台年效率x21取160万t/(台·a),价格q21是340万元/台;后者台年效率x22取280万t/(台·a),价格q22是1435万元/台。同理测算得平均每台WK-4电铲的年折算费为108万元,WK-10B约为260万元/(台·a),由前述整数规划数学模型得CA2=108a21+260a22=Min,S.t.160a21+280a22≥1850,其中,a21、a22≥0且取整。经计算得a21=12,a22=0,电铲投资Q2=4080万元,铲装量为1920万t。因为10m3电铲的性价比远不如4m3电铲的性价比,所以在目前的市场条件下,暂时不宜选用10m3电铲。3.3研究制定ca2高村铁矿设计采用汽车开拓运输方式,因此采用运输设备均为汽车,选用TREEX3307(40t级)和TREEX33100(100t级)2种汽车,本采场汽车平均运距3.5km,考虑备用系数(1.43),前一型号汽车台年综合效率X31为23万t/(台·a),当前价格q31是231万元/台,后一型号汽车台年综合效率x32是53万t/(台·a),当前价格q32是535万元/台,TREEX3307的年折算费用约为116万元,TREEX33100约为220万元,同样进行整数规划得CA2=116a31+220a32=Min,S.t.23a31+53a32≥1850,其中,a31、a32≥0且取整。计算得a31=0,a32=35,汽车投资Q3=18725万元,年运输量为1855万t。4中小企业生产效率经过前述3个环节的计算,可知高村铁矿配备7台牙轮钻(5台Z-250A、2台Z-310)、12台4m3电铲、35台TREEX33100汽车不仅可以完成年采剥总量,