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        考慮基建投資的露天煤礦開采計(jì)劃優(yōu)化

        2021-07-10 06:08:44孔文源顧曉薇胥孝川
        金屬礦山 2021年6期
        關(guān)鍵詞:成本優(yōu)化

        孔文源 顧曉薇 王 青 胥孝川 王 潤

        (1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司,遼寧 鞍山 114000)

        開采計(jì)劃對(duì)露天煤礦生產(chǎn)的整體經(jīng)濟(jì)效益有著重要影響,所以針對(duì)開采計(jì)劃優(yōu)化出現(xiàn)了各種優(yōu)化模型及算法;這些模型及算法[1-8]主要是對(duì)生產(chǎn)能力、開采順序、開采壽命計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化,且一般假定某一個(gè)或者兩個(gè)要素已知而優(yōu)化其他要素,忽略了不同要素之間存在的相互影響關(guān)系,得到的往往是局部最優(yōu)解。WANG和SEVIM考慮了各要素之間的互相依賴關(guān)系,建立了露天金屬礦整體的優(yōu)化模型及算法[9-10];在此基礎(chǔ)上,鄭友毅等[11]針對(duì)露天煤礦,建立了能夠?qū)?大要素同時(shí)優(yōu)化并得到最佳生產(chǎn)能力、開采順序、開采壽命的整體動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法和模型;之后,王青等[12]將生態(tài)成本引入露天煤礦生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化。這些方法沒有把基建投資作為內(nèi)生變量來優(yōu)化開采計(jì)劃,忽略了兩者之間的雙向影響。忽視基建投資影響的結(jié)果往往會(huì)使得優(yōu)化得出的方案的生產(chǎn)能力過高且隨時(shí)間的波動(dòng)幅度較大。本項(xiàng)目將基建投資作為內(nèi)生變量納入優(yōu)化過程中,給出針對(duì)露天煤礦開采計(jì)劃優(yōu)化的枚舉模型及算法。

        1 開采計(jì)劃優(yōu)化的枚舉模型及算法

        為表述方便,先給出以下參數(shù)定義:{P*}N為地質(zhì)最優(yōu)開采體序列,{P*}N的產(chǎn)生方法可參照文獻(xiàn)[11];Q*i為{P*}N中第i個(gè)開采體內(nèi)的原煤量;W*i為{P*}N中第i個(gè)開采體內(nèi)的剝巖量;S*i為{P*}N中第i個(gè)開采體內(nèi)的第四紀(jì)層剝離量;k(t)為一條計(jì)劃路徑上第t年末的開采體在序列{P*}N中的序號(hào),第t年末采場(chǎng)推進(jìn)到開采體P*k(t);qt為某條計(jì)劃路徑第t年的原煤開采量,qt=Q*k(t)-Q*k(t-1);wt為某條計(jì)劃路徑第t年的剝離的廢石量,wt=W*k(t)-W*k(t-1);st為某條計(jì)劃路徑第t年剝離的第四紀(jì)層量,st=S*k(t)-S*k(t-1);F為開采壽命(F≤N);QL為原煤年產(chǎn)量可行區(qū)間下限;QU為原煤年產(chǎn)量可行區(qū)間上限;TU為年采剝總量上限;Dt為第t年煤價(jià),可以隨著時(shí)間變化;cq為單位采煤成本;cw為單位剝巖成本;cs為單位第四紀(jì)層剝離成本;cp為單位洗煤成本;rp為洗煤回收率;d為折現(xiàn)率;U(qt,qmax)為洗煤廠及其他基建設(shè)施閑置成本,當(dāng)qt<qmax,有閑置,否則,為0;ct為某條計(jì)劃路徑第t年的成本;pt為某條計(jì)劃路徑第t年的利潤;NPV為某路徑從0點(diǎn)到終點(diǎn)的總凈現(xiàn)值。其中,Q*i、W*i、S*i都是考慮了回采率和廢石混入后的量。

        地質(zhì)最優(yōu)開采體:最終境界內(nèi),所有體積為V且?guī)推陆遣怀^最大工作幫坡角α的開采體中,含煤量最大的開采體,就是對(duì)于V和α的“地質(zhì)最優(yōu)開采體”。

        Ip(qmax)為已經(jīng)折現(xiàn)到時(shí)間0點(diǎn)的洗煤廠基建投資函數(shù)(不設(shè)儲(chǔ)礦設(shè)施),洗煤廠最大處理量是根據(jù)最大年采煤量qmax設(shè)計(jì),故洗煤廠基建投資函數(shù)是qmax的函數(shù),具體函數(shù)為Ip(qmax)=a1+b1qmax,a1為洗煤廠固定基建投資,b1為洗煤廠處理每噸原煤的基建投資。

        I(T)為除了洗煤廠和采剝?cè)O(shè)備外的已經(jīng)折現(xiàn)到時(shí)間0點(diǎn)的其他基建投資函數(shù),該函數(shù)是生產(chǎn)規(guī)模T的函數(shù),本研究生產(chǎn)規(guī)模最大年采煤量qmax,所以該基建投資函數(shù)也是qmax的函數(shù),具體函數(shù)為I(T)=a2+b2qmax,a2為其他基建固定投資,b2為其他基建處理每噸原煤的基建投資。

        Ig為已經(jīng)折現(xiàn)到時(shí)間0點(diǎn)的總基建投資函數(shù),是2個(gè)投資函數(shù)Ip(qmax)和I(T)的和,具體函數(shù)為Ig=Ip(qmax)+I(T)=(a1+a2)+(b1+b2)qmax=a+bqmax,a為總的固定投資,b為總的處理每噸原煤的投資。

        可行計(jì)劃路徑:地質(zhì)最優(yōu)開采體動(dòng)態(tài)排序圖中(如圖1所示),最上一行的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)(圓圈)都是最終境界;任何一條從原點(diǎn)0到最上一行的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑,就是一條可能的計(jì)劃路徑;當(dāng)一條計(jì)劃路徑上除最后一年外的任何一年t的采礦量qt滿足QL≤qt≤QU且qt+wt+st≤TU,最后一年(F)滿足qF≤QU和qF+wF+sF≤TU,那么該路徑就是可行計(jì)劃路徑。

        采剝?cè)O(shè)備一般不是在投產(chǎn)前一次購置,而是會(huì)在不同年份多次采購。本模型做了相應(yīng)簡(jiǎn)化,把采剝?cè)O(shè)備投資以折舊成本分?jǐn)偟矫繃嵜?、巖和第四紀(jì)層相應(yīng)的單位成本中。

        開采計(jì)劃優(yōu)化的枚舉法模型如下:

        L表示某計(jì)劃路徑,該路徑上第t年成本為

        該路徑上第t年利潤為

        則計(jì)劃路徑L的NPVL為

        初始條件為q0=0,w0=0,s0=0。

        計(jì)算出所有計(jì)劃路徑的NPV,NPV最大的就是最優(yōu)計(jì)劃。

        該枚舉模型會(huì)對(duì)每條計(jì)劃路徑從頭到尾進(jìn)行計(jì)算,存在大量重復(fù)運(yùn)算,比如計(jì)算圖1中3條可行計(jì)劃路徑時(shí)(圖1中實(shí)線所示)。路徑1:0→P*1→P*2→…→P*N-3→P*N-2→P*N-1→P*N,路徑 2:0→P*1→P*2→…→P*N-3→P*N-2→P*N,路徑3:0→P*1→P*2→…→P*N-3→P*N-1→P*N;3 條路徑前N-3 年都是 0→P*1→P*2→…→P*N-3,若都從頭到尾計(jì)算,就會(huì)重復(fù)3次,浪費(fèi)了大量時(shí)間。因?yàn)槿叩那癗-3年路徑一樣,計(jì)算的相關(guān)經(jīng)濟(jì)參數(shù)也是一樣,所以路徑1計(jì)算完成后,在計(jì)算路徑2和3的時(shí)候,只計(jì)算后面不同的路徑,既方便,又可以節(jié)約大量時(shí)間。

        作為一般規(guī)律,可行計(jì)劃路徑2可以根據(jù)其下方相鄰可行計(jì)劃路徑1進(jìn)行構(gòu)建和評(píng)價(jià),可行計(jì)劃路徑3可以根據(jù)可行計(jì)劃路徑2構(gòu)建和評(píng)價(jià),依此類推。所以不需要把所有可行計(jì)劃路徑找出來、儲(chǔ)存起來并對(duì)它們從頭到尾進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),只需要在構(gòu)建可行計(jì)劃路徑的同時(shí),對(duì)路徑上出現(xiàn)的新的地質(zhì)最優(yōu)開采體進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,而且只保存當(dāng)前可行計(jì)劃路徑和到目前為止的最佳可行計(jì)劃路徑;當(dāng)路徑構(gòu)建和評(píng)價(jià)結(jié)束后,最佳路徑也隨之而得。所以由此得到枚舉算法如下:

        第1步:置時(shí)間t=1(第1年)。{P*}N中找一個(gè)礦量不小于且最接近于QL的開采體P*k(1),并且礦巖總量不大于TU;這時(shí)的q1=Q*k(1),w1=W*k(1),s1=S*k(1);轉(zhuǎn)第2步。如果找不到這樣一個(gè)開采體,則無可行計(jì)劃,算法終止。

        第2步:令時(shí)間t=t+1。

        第3步:令年t的開采體序號(hào)k(t)=k(t-1)+1,k(t-1)為正構(gòu)建計(jì)劃路徑上前一年的開采體序號(hào)。

        第4步:計(jì)算年t的qt、wt和st。

        第5步:有以下3種情形。

        (a)如果qt<QL且qt+wt+st≤TU,若k(t)=N,抵達(dá)最終境界P*N,得一完整的可行路徑(如圖1路徑1所示),F(xiàn)=t年,執(zhí)行第6步;否則(k(t)<N),不可行,需要選擇一個(gè)更大的開采體,令k(t)=k(t)+1,返回第4步。

        (b)如果QL≤qt≤QU且qt+wt+st≤TU,若k(t)=N,抵達(dá)最終境界P*N,得一完整的可行路徑,F(xiàn)=t年,執(zhí)行第6步;否則,返回第2步。

        (c)如果qt>QU或qt+wt+st>TU,無可行計(jì)劃,算法終止。

        第6步:得到一條除最后一年外,每年qt都剛剛不小于QL的“最低煤產(chǎn)量”的可行計(jì)劃路徑。根據(jù)枚舉模型計(jì)算這一路徑的總NPV。取該路徑為當(dāng)前路徑,并把它保存為最佳路徑。

        第7步:令時(shí)間t=F-1,F(xiàn)為當(dāng)前最佳路徑的開采壽命。

        第8步:從t年開始構(gòu)建新的可行計(jì)劃路徑,新路徑1~(t-1)年與當(dāng)前路徑相同。把當(dāng)前路徑上年t的開采體序列號(hào)增加1,即令k(t)=k(t)+1。

        第9步:計(jì)算年t的qt、wt和st。

        第10步:有以下2種情形。

        (a)如果qt≤QU且qt+wt+st≤TU,把原來的P*k(t)替換為當(dāng)前路徑上年t的開采體;若k(t)=N,抵達(dá)最終境界P*N,得一完整的可行路徑(如圖1路徑2所示),F(xiàn)=t年,轉(zhuǎn)到第15步;否則,執(zhí)行第11步。

        (b)如果qt>QU或qt+wt+st>TU,不可行,如果這時(shí)t>0,令t=t-1,即沿當(dāng)前路徑往回退一年,返回第8步;否則,所有可行計(jì)劃路徑的構(gòu)建和評(píng)價(jià)完畢,轉(zhuǎn)到第16步。

        第11步:令時(shí)間t=t+1。

        第12步:令年t的開采體序號(hào)k(t)=k(t-1)+1。

        第13步:計(jì)算年t的qt、wt和st。

        第14步:有以下3種情形。

        (a)如果qt<QL且qt+wt+st≤TU,若k(t)=N,抵達(dá)最終境界P*N,得一完整的可行路徑(如圖1路徑3所示),F(xiàn)=t年,執(zhí)行第15步;否則(k(t)<N),則不可行,需要選擇一個(gè)更大的開采體,令k(t)=k(t)+1,返回第 13步。

        (b)如果QL≤qt≤QU且qt+wt+st≤TU,若k(t)=N,抵達(dá)最終境界P*N,得一完整的可行路徑,F(xiàn)=t年,執(zhí)行第15步;否則,返回第11步。

        (c)如果qt>QU或qt+wt+st>TU,年采煤量或年采剝總量超出設(shè)定上限,無可行計(jì)劃,轉(zhuǎn)到16步。

        第15步:一條新的可行計(jì)劃路徑構(gòu)建完畢,根據(jù)枚舉模型計(jì)算這一路徑的總NPV。如果這條路徑的總NPV大于保存的最佳路徑的總NPV,換掉原來的最佳路徑,保存該路徑為最佳路徑;否則,原最佳路徑不變。把該條路徑作為當(dāng)前路徑,返回到第7步。

        第16步:輸出最佳計(jì)劃路徑,算法結(jié)束。

        2 實(shí)例應(yīng)用分析

        基于某露天煤礦的柱狀煤層模型,地表標(biāo)高模型和相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)產(chǎn)生最終境界,在境界內(nèi)產(chǎn)生地質(zhì)最優(yōu)開采體序列,然后應(yīng)用枚舉法,對(duì)該地質(zhì)最優(yōu)開采體序列進(jìn)行優(yōu)化,得到考慮基建投資約束下的最佳生產(chǎn)能力、開采順序及開采壽命。

        其中,產(chǎn)生地質(zhì)最優(yōu)開采體序列時(shí)最大工作幫坡角取15°,原煤回采率95%,礦山的年采煤量qt估值為650萬t,開采體的煤增量取70 t,年采煤量可行區(qū)間[QL,QU]設(shè)置為[350,850],最大年采剝量不設(shè)限制。根據(jù)以上參數(shù)產(chǎn)生了202個(gè)地質(zhì)最優(yōu)開采體,各個(gè)開采體的開采原煤量、剝巖量、第四紀(jì)層剝離量如圖2~圖4所示。

        得到地質(zhì)最優(yōu)開采體序列之后,利用枚舉優(yōu)化法對(duì)該開采體序列進(jìn)行優(yōu)化。其中用到的經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)如下:采煤成本為22元/t,剝巖成本28元/m3,剝第四紀(jì)層成本20元/m3,洗煤成本25元/t,價(jià)格200元/t,洗煤回收率75%,折現(xiàn)率7%,成本年上升2%,煤價(jià)年上升2.5%,根據(jù)現(xiàn)時(shí)經(jīng)營良好的煤礦估計(jì)出本案例的洗煤廠處理每噸原煤基建投資(b1)約50元,礦山其他基建處理每噸原煤投資(b2)約150元,固定總投資(a)約20 000萬元,所以總的基建投資函數(shù)(萬元)為Ig=Ip(qmax)+I(T)=20 000+200qmax;當(dāng)洗煤廠和其他基建設(shè)施年處理能力小于95%時(shí),產(chǎn)生閑置成本,其中一整年的閑置成本是投資的10%。

        按照上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù),首先在開采計(jì)劃優(yōu)化過程中,不考慮基建投資,使用枚舉法對(duì)地質(zhì)最優(yōu)開采體序列進(jìn)行動(dòng)態(tài)排序,得到最佳開采計(jì)劃方案(表1)和不同年份末采場(chǎng)推進(jìn)位置(圖5)。

        表1中,不考慮基建投資優(yōu)化得到最佳的開采計(jì)劃的最大生產(chǎn)能力為第一年的855.8萬t,則按照該生產(chǎn)計(jì)劃需要投入的基建投資總額為Ig=20 000+200×855.8=191 160萬元。所以,礦山最終NPV為406 655.2-191 160=215 495.2萬元。

        當(dāng)在開采計(jì)劃優(yōu)化過程中考慮基建投資時(shí),使用枚舉法對(duì)地質(zhì)最優(yōu)開采體序列進(jìn)行動(dòng)態(tài)排序,得到最佳生產(chǎn)計(jì)劃方案(表2)和不同年份末采場(chǎng)推進(jìn)位置(圖6)。其中表2中第一行的“-149 000”即為該方案的基建投資。

        對(duì)比表1和表2可以看出,在優(yōu)化中考慮基建投資使開采壽命延長了6 a,從不考慮基建投資的17 a變?yōu)榭紤]基建投資的23 a。根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)》,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力在400~1 000萬t/a的礦山,開采服務(wù)年限一般不少于20 a。所以考慮基建投資的最佳開采計(jì)劃方案更為合理。

        在優(yōu)化中考慮基建投資使原煤生產(chǎn)能力從不考慮基建投資的850萬t/a左右降低到的630萬t/a左右。這是由于基建投資與生產(chǎn)能力成正比,基建投資隨生產(chǎn)能力的增大而增長,對(duì)生產(chǎn)能力產(chǎn)生抑制作用。當(dāng)沒有基建投資的這種抑制作用時(shí),只要增加的原煤量所帶來的收入高于增加的成本,提高生產(chǎn)能力就能提高凈現(xiàn)值,導(dǎo)致生產(chǎn)能力不合理的擴(kuò)張。這就是為什么不考慮基建投資得到的最佳計(jì)劃的年原煤產(chǎn)量(表1),除了最后一年之外,基本都達(dá)到了所設(shè)置生產(chǎn)能力的上限。

        生產(chǎn)能力的變化,自然會(huì)引起計(jì)劃方案的每年末采場(chǎng)推進(jìn)到的位置發(fā)生相應(yīng)變化,這一點(diǎn)可從表1和表2中的開采體序號(hào)看出,也可以從圖5和圖6對(duì)比中看出。同時(shí),剝離高峰也發(fā)生了變化??紤]基建投資的計(jì)劃方案的剝離高峰發(fā)生在第9~第10年(表2),比不考慮基建投資的方案的剝離高峰(第6~第8年,見表1)推遲了約3 a。

        根據(jù)表1的生產(chǎn)計(jì)劃設(shè)計(jì),礦山總NPV為406655.2-191 160=215 495.2萬元,表2中生產(chǎn)計(jì)劃的總NPV為225 931.0萬元??紤]基建投資的開采計(jì)劃方案與不考慮基建投資的開采計(jì)劃方案相比,總NPV提高了4.6%,這是一個(gè)不可忽略的增幅。

        3 結(jié) 論

        (1)本文給出了考慮基建投資的露天煤礦開采計(jì)劃優(yōu)化模型及算法。該方法將基建投資函數(shù)納入開采計(jì)劃優(yōu)化過程中,使用枚舉法對(duì)地質(zhì)最優(yōu)開采體序列進(jìn)行動(dòng)態(tài)排序,得到NPV最大的可行計(jì)劃路徑(即最佳方案),同時(shí)得出了礦山的開采壽命、生產(chǎn)能力和開采順序。

        (2)開采計(jì)劃優(yōu)化過程中考慮基建投資和不考慮基建投資,對(duì)礦山生產(chǎn)能力、開采順序、開采壽命都有較大影響。對(duì)于案例礦床和所設(shè)置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù),考慮基建投資得到的開采壽命比不考慮基建投資延長了6 a,生產(chǎn)能力降低了25.9%,剝離高峰推遲了3 a左右??傮w上,在優(yōu)化中考慮基建投資的計(jì)劃方案比不考慮基建投資更為合理。

        (3)在開采計(jì)劃優(yōu)化過程中考慮基建投資得到的計(jì)劃方案,其整體經(jīng)濟(jì)效益(NPV)比不考慮基建投資要好;對(duì)于案例礦床和所設(shè)置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù),前者為225 931.0萬元,后者為215 495.2萬元,前者比后者高出4.6%。因此,在開采計(jì)劃優(yōu)化過程中考慮基建投資,不僅提高了計(jì)劃方案的合理性,也提高了礦山的整體經(jīng)濟(jì)效益。

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