露天礦的精細(xì)開(kāi)采

張世雄，張 健，任高峰

(1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；2.中國(guó)建筑材料集團(tuán)公司，北京 100048)

1 精細(xì)生產(chǎn)

汽車工業(yè)經(jīng)歷了從粗放生產(chǎn)到精細(xì)生產(chǎn)的發(fā)展歷程，取得巨大成功。采掘業(yè)也應(yīng)該進(jìn)入這個(gè)發(fā)展階段了。

1.1 精細(xì)生產(chǎn)的基本含義

精細(xì)生產(chǎn)起源于日本。從一般意義上講，精細(xì)生產(chǎn)指對(duì)一切資源的占用少，對(duì)一切資源的利用率高。資源包括土地、礦產(chǎn)、原料、材料、設(shè)備、人員、時(shí)間和資金等。精細(xì)生產(chǎn)主要包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是合理占用資源，消除一切資源浪費(fèi)(主要包括物料和勞動(dòng)力)的可能性；二是優(yōu)化工序安排，節(jié)約制造時(shí)間。在生產(chǎn)制造過(guò)程中，資源占用的合理安排主要是指原材料最低庫(kù)存量，在生產(chǎn)正常進(jìn)行情況下的最低庫(kù)存；半成品最低閑置量，在生產(chǎn)正常進(jìn)行情況下，半成品流轉(zhuǎn)速度最快，留滯時(shí)間最短；產(chǎn)成品零庫(kù)存量，實(shí)現(xiàn)即產(chǎn)即銷。節(jié)約制造時(shí)間主要指通過(guò)優(yōu)化工序設(shè)計(jì)和合理布局作業(yè)場(chǎng)所，不同性質(zhì)的工序能夠平行作業(yè)，工序間合理銜接，使得總制造時(shí)間最短，且生產(chǎn)過(guò)程中物耗最低、物資占用最低、勞動(dòng)力投入最合理。

精細(xì)的含義還包括質(zhì)量，因?yàn)橘|(zhì)量高的產(chǎn)品在消耗同樣多的物化勞動(dòng)和活勞動(dòng)的條件下，可以提供更好的功能、更可靠的性能和更長(zhǎng)的使用壽命[1]。

1.2 精細(xì)生產(chǎn)的基本原理

精細(xì)生產(chǎn)的基本原理包括消除浪費(fèi)、持續(xù)改進(jìn)、協(xié)同工作和溝通交流。

(1)持續(xù)改進(jìn)

這是精細(xì)生產(chǎn)的指導(dǎo)思想。改進(jìn)就是永遠(yuǎn)不滿足于現(xiàn)狀，不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，尋找原因，提出改進(jìn)措施，改變工作方法，使工作質(zhì)量不斷提高。改進(jìn)是漸進(jìn)式的進(jìn)步，是細(xì)微的改變，其過(guò)程是連續(xù)的、日積月累的，必須眾人努力。

(2)消除浪費(fèi)

消除對(duì)資源的浪費(fèi)是精細(xì)生產(chǎn)的目標(biāo)。凡是超出增加產(chǎn)品價(jià)值所必需的絕對(duì)最少的物料、機(jī)器和人力資源的部分，都是浪費(fèi)。對(duì)資源的占用和對(duì)資源的利用，只能做出相對(duì)比較。對(duì)于庫(kù)存和質(zhì)量，可以給出絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)：零庫(kù)存和零缺陷。零在這里表現(xiàn)為一種極限，可以無(wú)限接近它，但永遠(yuǎn)不可能達(dá)到，“雙零”使得改進(jìn)永無(wú)止境。

(3)協(xié)同工作

協(xié)同工作是將職業(yè)、專長(zhǎng)不同的人組織在一起，以小組的形式完成特定任務(wù)的工作方式。協(xié)同工作使協(xié)調(diào)簡(jiǎn)化，可集中不同職業(yè)和專長(zhǎng)的人的意見(jiàn)，從而提高工作質(zhì)量和工作效率，使得改進(jìn)不斷進(jìn)行。操作工人、維修工人、工程師、管理人員協(xié)同工作，可使現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題迅速解決；設(shè)計(jì)人員、工藝人員、銷售人員和管理人員協(xié)同工作，才使并行工程得以實(shí)現(xiàn)，使新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期大大縮短。

(4)溝通交流

人員之間、部門之間、本企業(yè)與顧客和供應(yīng)廠之間，都需要溝通，及時(shí)傳遞信息，以便相互了解，協(xié)同工作。小組的每個(gè)成員，必須了解其他成員的專業(yè)和工作內(nèi)容，有共同的語(yǔ)言，將自己的工作放到全局中考慮，避免片面性。

協(xié)力工作和溝通交流是實(shí)現(xiàn)精細(xì)生產(chǎn)的保證。

1.3 精細(xì)生產(chǎn)的主要內(nèi)容

精細(xì)生產(chǎn)的主要內(nèi)容，包括工廠現(xiàn)場(chǎng)管理、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、與用戶的關(guān)系、與供應(yīng)廠家的關(guān)系等方面。

(1)工廠現(xiàn)場(chǎng)管理

工廠現(xiàn)場(chǎng)按準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)制組織生產(chǎn)，即提供的都是當(dāng)時(shí)需要的東西，通過(guò)不斷減少庫(kù)存來(lái)暴露管理中的問(wèn)題，以不斷消除浪費(fèi)，進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)。它涉及到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃的編制、機(jī)器的改造、設(shè)備的重新布置、工序的同步化、設(shè)備的維修、生產(chǎn)組織和勞動(dòng)組織的調(diào)整、人員的再培訓(xùn)等方面的工作。

(2)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

不斷開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品是形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的一個(gè)主要因素，縮短開(kāi)發(fā)周期是成功推出新產(chǎn)品的關(guān)鍵。日本企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)是，將市場(chǎng)評(píng)估、生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)管理各部門的人放在一起，成立開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品小組。小組長(zhǎng)有很大的權(quán)力，雖然成員保持與各自職能部門的聯(lián)系，但他們的工作完全在小組的負(fù)責(zé)人的控制下，協(xié)同工作、互相溝通，使很多工作并行進(jìn)行，大大縮短開(kāi)發(fā)周期。

(3)與用戶的關(guān)系

“用戶至上”、“用戶第一”是公司處理與用戶關(guān)系的指導(dǎo)思想。采取主動(dòng)積極的態(tài)度，搞“主動(dòng)銷售”，主動(dòng)上門了解情況、征求意見(jiàn)，開(kāi)展售前和售后服務(wù)。

(4)與供應(yīng)廠家的關(guān)系

供應(yīng)廠與裝配廠是合作關(guān)系。在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，供應(yīng)廠家就可以參加進(jìn)來(lái)，按承擔(dān)任務(wù)的不同，將供應(yīng)廠家按不同層次組織起來(lái)。在決定零部件的價(jià)格時(shí)，裝配廠按市場(chǎng)行情確定汽車的目標(biāo)價(jià)格，然后與供應(yīng)廠一起考慮合理的利潤(rùn)，推算出各部分的目標(biāo)成本。為了達(dá)到目標(biāo)成本，雙方利用價(jià)值工程方法，找出每一個(gè)能降低成本的因素。供應(yīng)廠家能夠主動(dòng)降低成本，是因?yàn)榻档统杀究山o它們帶來(lái)更多利潤(rùn)。

顯然，汽車行業(yè)精細(xì)生產(chǎn)的原理，對(duì)采掘業(yè)是適用的。

2 精細(xì)生產(chǎn)與露天礦開(kāi)采

過(guò)去，國(guó)內(nèi)外露天礦的開(kāi)采基本上是粗放的，開(kāi)采工藝中廢石的剝離、礦石的開(kāi)采、礦巖的運(yùn)輸與排放、邊坡的維護(hù)、廢石場(chǎng)的復(fù)墾與綠化等幾個(gè)重要環(huán)節(jié)多是相對(duì)獨(dú)立的，獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工與管理，指導(dǎo)思想是滿足上下工藝環(huán)節(jié)之間的產(chǎn)能要求并降低成本。

露天礦山開(kāi)采通常是從一端向另一端連續(xù)推進(jìn)，形成較大范圍的巖土體擾動(dòng)與地面環(huán)境破壞。開(kāi)采過(guò)程中形成的最終邊坡，可能存在幾年甚至幾十年，需要進(jìn)行大量的邊坡維護(hù)工作，耗費(fèi)大量資金，還可能出現(xiàn)滑坡等工程地質(zhì)災(zāi)害。對(duì)于有廢石內(nèi)排條件的礦山，一般都會(huì)開(kāi)展廢石的坑內(nèi)排放。這種排放主要是考慮節(jié)約廢石運(yùn)輸成本，依次排放，如圖1所示。

圖1 露天礦剝離廢石的坑內(nèi)排放示意圖

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)分工越來(lái)越精細(xì)，專業(yè)化程度越來(lái)越高，采掘業(yè)已面臨邁入精細(xì)生產(chǎn)時(shí)代。

礦山生產(chǎn)與工廠的生產(chǎn)有許多共同的地方，也有一些明顯的不同之處。工廠的車間與設(shè)備通常是固定的，被加工的物品通過(guò)設(shè)備進(jìn)行加工，工藝規(guī)范化程度高；礦山的采場(chǎng)是不斷推進(jìn)的，主要采掘設(shè)備亦需同步移動(dòng)，且由于礦床地質(zhì)條件與開(kāi)采技術(shù)的復(fù)雜性，涉及礦床的生產(chǎn)勘探與邊界的圈定、巖層穩(wěn)定性控制與生產(chǎn)安全、工藝的優(yōu)化與生產(chǎn)合理調(diào)度等大量的問(wèn)題。因此，礦山的精細(xì)開(kāi)采，將涉及更廣泛的科學(xué)技術(shù)與管理問(wèn)題。

3 露天礦精細(xì)開(kāi)采的指導(dǎo)思想

露天礦精細(xì)開(kāi)采，是要實(shí)現(xiàn)露天采礦環(huán)境破壞、礦巖運(yùn)輸功、邊坡開(kāi)挖量與維護(hù)工作量等的最小化。通過(guò)不斷改進(jìn)精細(xì)開(kāi)采的工藝，配合精細(xì)生產(chǎn)管理，以獲得最好的礦山開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益與社會(huì)效益。

本文作者提出的專利技術(shù)《快速排土護(hù)坡與生態(tài)恢復(fù)的露天礦開(kāi)采工藝》(專利號(hào)：ZL 2006 1 0019707.2)是露天礦精細(xì)開(kāi)采的核心技術(shù)之一[2]。同時(shí)，需要全面利用礦山系統(tǒng)工程、礦山環(huán)境工程、恢復(fù)生態(tài)學(xué)、水土保持工程學(xué)、植物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、管理科學(xué)等的理論與方法，深入研究露天采礦工藝環(huán)節(jié)的內(nèi)在聯(lián)系，提出新的優(yōu)化組合工藝，縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，并盡快恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，達(dá)到大幅降低生產(chǎn)成本與保護(hù)環(huán)境的目的。

(1)露天開(kāi)采系統(tǒng)與工藝研究

露天開(kāi)采是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，它在為人類提供礦產(chǎn)資源的同時(shí)，不斷地破壞周圍的生態(tài)環(huán)境，造成荒漠化甚至滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。為此，必須把人類開(kāi)發(fā)礦物資源與環(huán)境的保護(hù)協(xié)調(diào)起來(lái)。該系統(tǒng)包含了許多相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，必須從系統(tǒng)的觀點(diǎn)，運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)理論去研究各個(gè)工藝環(huán)節(jié)，優(yōu)化它們，縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，用最低的成本開(kāi)采礦石，達(dá)到最好保護(hù)環(huán)境的目的。

(2)邊坡維護(hù)理論與工藝研究

最終邊坡形成后，在生產(chǎn)爆破與風(fēng)化等作用下，邊坡的強(qiáng)度與穩(wěn)定性是隨著時(shí)間的推移逐漸降低的。因此，研究盡可能縮短最終邊坡存續(xù)時(shí)間的工藝，以適當(dāng)加陡邊坡角，從而減少剝采比與邊坡的維護(hù)工作量，避免出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害，降低生產(chǎn)成本。

(3)護(hù)坡材料與方法研究

傳統(tǒng)的露天礦不穩(wěn)定邊坡的治理方法很多，常用的有削坡頂與壓坡腳等。對(duì)于具有在露天坑內(nèi)采空區(qū)排放剝離廢石條件的礦山，利用廢石作為護(hù)坡材料，以內(nèi)排廢石壓坡作為主要的護(hù)坡方法，把傳統(tǒng)的“壓坡腳”發(fā)展到“壓腰”、“壓胸”甚至“壓臉”，盡快消除臨空最終邊坡滑塌的可能性，迅速達(dá)到永久治理邊坡的目的。

(4)露天礦開(kāi)采地層擾動(dòng)破壞最小化研究

改變傳統(tǒng)大范圍推進(jìn)的剝離與采礦方式，在滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下，使剝離與采礦在盡可能小的范圍內(nèi)進(jìn)行。一旦該范圍的采礦結(jié)束，迅速對(duì)該范圍進(jìn)行復(fù)墾與環(huán)境治理，恢復(fù)環(huán)境生態(tài)。

(5)物料運(yùn)輸功最小化研究

露天礦開(kāi)采的廢石與礦石運(yùn)輸量很大，盡可能多地實(shí)現(xiàn)剝離廢石的坑內(nèi)排放，用于就近排土壓坡，運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)等方法使礦巖的總運(yùn)輸功最小化。

4 露天礦精細(xì)開(kāi)采工藝

露天礦精細(xì)開(kāi)采工藝為：在具有內(nèi)排剝離廢石條件的礦山，在露天礦的一端或中部用常規(guī)的方法進(jìn)行初始剝離與開(kāi)采；一旦完成初始剝離和開(kāi)采后，在礦床開(kāi)采推進(jìn)的方向上，將開(kāi)采工作面劃分為左幫區(qū)、中區(qū)與右?guī)蛥^(qū)，并進(jìn)一步將它們劃分為若干較小的分段；以分段為開(kāi)采單元，逐單元漸進(jìn)開(kāi)展剝離、采礦、壓坡回填、復(fù)墾綠化或混凝土覆蓋；以剝離廢石就近排放壓坡作為主要的最終邊坡永久治理手段，降低生產(chǎn)成本，并迅速恢復(fù)生態(tài)。

該工藝的步驟為：

①在礦體的一端或中部用常規(guī)的方法進(jìn)行廢石剝離，把廢石排放到外排土場(chǎng)，開(kāi)采剝離出的礦體，形成滿足工藝要求最小尺寸的初始采剝工作面(圖2)。②在采剝推進(jìn)方向上，把采剝范圍劃分為左幫區(qū)、中區(qū)和右?guī)蛥^(qū)(圖3)，在滿足采剝作業(yè)要求最小尺寸且技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)的條件下，把每個(gè)區(qū)劃分為若干個(gè)分段。③首先進(jìn)行左、右兩幫區(qū)第一分段的剝離與采礦，中區(qū)第一分段的剝離與采礦適度跟進(jìn)，剝離的廢石在礦坑采空區(qū)內(nèi)部排放，用于露天礦后部邊坡及兩幫部分邊坡的壓坡，從坡腳一直壓到坡頂，盡快完成后部邊坡的永久護(hù)坡治理。④對(duì)于每個(gè)完成最終邊坡永久治理的分段，立即復(fù)墾綠化或覆蓋混凝土，恢復(fù)生態(tài)。⑤第二步是進(jìn)行左、右?guī)蛥^(qū)第二分段的剝離與開(kāi)采，剝離的廢石用于第一分段邊坡的護(hù)坡回填，中區(qū)剝離與采礦適度跟進(jìn)，剝離廢石用于其后方采空區(qū)的就近回填，回填到位的分段立即復(fù)墾綠化或覆蓋混凝土，恢復(fù)生態(tài)。⑥從第二步起，進(jìn)入正常的生產(chǎn)循環(huán)，如此分段推進(jìn)，直至礦山開(kāi)采完畢，生態(tài)恢復(fù)也進(jìn)行完畢。

對(duì)于從礦床中部形成初始采剝工作面的礦山，可以形成兩個(gè)采剝工作面，采用上述工藝，反向推進(jìn)。

圖2 露天礦初始采剝工作面形成示意圖

圖3 露天礦剝離廢石的快速排土擴(kuò)坡與復(fù)墾生態(tài)恢復(fù)示意圖

5 露天礦精細(xì)生產(chǎn)工藝的優(yōu)點(diǎn)

廢石排放運(yùn)輸距離短、運(yùn)輸成本低；最終邊坡臨空存在時(shí)間短，從而可加陡最終邊坡角以減少?gòu)U石剝離量；把排土壓坡作為邊坡治理的主要手段，把排土與最終邊坡的迅速、最終的治理結(jié)合起來(lái)，邊坡治理成本低，可盡快避免邊坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生；把露天礦大范圍的巖體開(kāi)挖對(duì)地表環(huán)境的破壞，縮小為小分段的局部破壞，達(dá)到環(huán)境影響范圍最小化的目的；快速恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，達(dá)到環(huán)境影響時(shí)間最短化的目的，最大限度實(shí)現(xiàn)露天礦的低成本環(huán)保綠色開(kāi)采。

顯然，精細(xì)開(kāi)采的理論與技術(shù)，不但適用與露天開(kāi)采，同樣適用于地下開(kāi)采、露天與地下聯(lián)合開(kāi)采和特殊開(kāi)采。

6 結(jié)論

(1)精細(xì)生產(chǎn)的原理適合于當(dāng)今的采掘業(yè)，采掘業(yè)應(yīng)該進(jìn)入精細(xì)生產(chǎn)階段了。

(2)露天礦精細(xì)開(kāi)采是要實(shí)現(xiàn)露天采礦環(huán)境破壞、礦巖運(yùn)輸功、邊坡開(kāi)挖量與維護(hù)工作量等的最小化，通過(guò)不斷改進(jìn)精細(xì)開(kāi)采的工藝，配合精細(xì)生產(chǎn)管理，以獲得最好的礦山開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益與社會(huì)效益。

(3)需要全面利用礦山系統(tǒng)工程、礦山巖石力學(xué)、礦山環(huán)境工程、恢復(fù)生態(tài)學(xué)、水土保持工程學(xué)、植物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、管理科學(xué)等的理論與方法，在邊坡維護(hù)理論與方法上創(chuàng)新，深入研究露天采礦工藝環(huán)節(jié)的內(nèi)在聯(lián)系，提出新的優(yōu)化組合工藝，盡快恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，達(dá)到大幅降低生產(chǎn)成本與保護(hù)環(huán)境的目的。

(4)露天礦精細(xì)開(kāi)采工藝可概括為：在具有內(nèi)排剝離廢石條件的礦山，將礦體劃分為在工藝上合理的小開(kāi)采單元，逐單元漸進(jìn)開(kāi)展剝離、采礦、壓坡回填、復(fù)墾綠化或混凝土覆蓋，以剝離廢石就近排放壓坡作為主要的最終邊坡永久治理手段，縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，并迅速恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。

[1] 陳榮秋，馬士華.生產(chǎn)運(yùn)作管理[M].北京：高等教育出版社，1999.

[2] 張世雄. 露天礦開(kāi)采的快速排土護(hù)坡與生態(tài)恢復(fù)技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè)，2009，18(9)：87-89.