低品位銅鉬礦露天開采工藝優(yōu)化與實踐

王雪峰 劉秋曉 喬江暉 李文超

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院；2.中國國土資源經(jīng)濟研究院；3.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心)

低品位銅鉬礦露天開采工藝優(yōu)化與實踐

王雪峰1，2劉秋曉3喬江暉2李文超2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院；2.中國國土資源經(jīng)濟研究院；3.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心)

結(jié)合低品位銅鉬礦體賦存條件和礦產(chǎn)品市場價格等因素，采用產(chǎn)品成本比較法確定經(jīng)濟合理剝采比，平面比較法確定境界剝采比，降低成本，提高礦山服務(wù)年限;并提出半連續(xù)露天開采工藝的坑內(nèi)破碎站移設(shè)步距優(yōu)化方案，提高低品位銅鉬礦石的露天回采率，降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟效益;采取優(yōu)先在礦巖接觸帶的礦石中布置開段溝的方式，明顯降低礦石損失率與貧化率。從而進一步提高低品位銅鉬礦的露天開采率和綜合利用水平,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

低品位銅鉬礦 半連續(xù)開采 露天開采境界 移設(shè)步距 開段溝

隨著目前銅鉬礦山高強度的開采，低品位銅鉬礦石的開發(fā)利用越來越重要。但目前低品位銅鉬礦露天開采技術(shù)造成了資源的大量浪費和開采成本的大幅度提升，因此優(yōu)化露天開采工藝就成了提高資源利用效率的關(guān)鍵。結(jié)合某地區(qū)低品位銅鉬礦生產(chǎn)實踐，提出半連續(xù)露天開采優(yōu)化方案，提高回采率，降低損失率和貧化率，降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟效益，使礦山合理開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展。

1 礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

礦區(qū)位于天山—內(nèi)蒙—興安華力西晚期褶皺帶的南部，四面為二疊紀(jì)沉積地層所包圍，中部為早白堊紀(jì)火山巖，銅鉬礦化賦存在粗面火山巖中?；鹕綆r為早白堊系下統(tǒng)滿克頭鄂博組。白堊系火山巖與二疊系地層呈侵出不整合接觸,由火山碎屑巖、熔巖及次火山巖組成,有2個火山活動旋回：流紋質(zhì)火山活動旋回和粗面質(zhì)火山活動旋回。礦區(qū)侵入巖見有鉀長花崗巖及各種脈巖，鉀長花崗巖僅在礦區(qū)東北部零星出露，而脈巖則分布廣泛。區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，主要為北東(北北東)向及北西向斷裂，成帶出現(xiàn)，規(guī)模較大，與褶皺構(gòu)造伴生，對控巖、控礦具有重要意義。礦區(qū)內(nèi)火山巖類的各種巖石受火山氣水熱液作用，普遍經(jīng)受了強烈的多期次蝕變作用。其主要蝕變類型有矽化、黃鐵礦化、絹云母化、高嶺土化、鉀化、螢石化、綠泥石化、碳酸鹽化等。

1.2 礦體形態(tài)與規(guī)模

該礦體為隱伏礦體，主要賦存于白堊紀(jì)火山巖—粗面質(zhì)角礫凝灰?guī)r、石英粗面巖和流紋巖中。其成礦與堿性火山活動密切相關(guān)，為火山熱液細(xì)脈浸染型(斑巖型)。在粗面質(zhì)火山巖中的捕虜體(如流紋巖、流紋斑巖)及后期侵入的細(xì)粒輝綠巖、花崗斑巖、石英斑巖中也見銅鉬礦化，有些構(gòu)成礦體的一部分。礦體呈不規(guī)則的長扁豆?fàn)?，平面呈略向北突出的弧形，走向自西向東，40°～105°，傾向NW或NE，傾角為54°～74°，控制礦體延長大于780 m，平均寬140 m，延深推斷大于480 m。

1.3 資源狀況及礦物組成結(jié)構(gòu)

截止2013年底累計探明122b+2M22+333類資源儲量：礦石量1 598萬t，鉬金屬量122 568.5 t，鉬平均品位0.075%，伴生銅金屬量319 560.7 t，伴生銅平均品位0.26%。詳查報告中還對礦區(qū)的遠景儲量進行了分析估算，推斷內(nèi)蘊經(jīng)濟資源量(333)為6 878.2萬t，預(yù)測遠景資源量(334)為 1 205.3萬t。

礦石金屬礦物中主要為黃鐵礦、輝鉬礦、黃銅礦和閃鋅礦；非金屬礦物中含量最多的為石英，其次是長石、絹云母和白云母(表1)。

表1 礦物成分及品位分析結(jié)果統(tǒng)計 %

元素MoCuPbCdSnFeMnAs含量0.1040.020.0120.0280.0012.120.0150.04元素MgOAl2O3BiCaOTiO2SSiO2含量1.0213.420.0320.4350.341.0170.31

礦石具自形晶結(jié)構(gòu)、半自形晶結(jié)構(gòu)、殘余結(jié)構(gòu)、交代溶蝕結(jié)構(gòu)，在礦石中輝鉬礦以六邊形晶體產(chǎn)出，黃銅礦以他形粒狀或不規(guī)則狀產(chǎn)出。礦石具浸染狀構(gòu)造、斑狀構(gòu)造、脈狀構(gòu)造。

礦石自然類型主要為粗面質(zhì)角礫凝灰?guī)r型和細(xì)粒輝綠巖型銅鉬礦石；礦床成因類型為次火山熱液細(xì)脈浸染型銅鉬礦床；工業(yè)類型為產(chǎn)于粗面質(zhì)角礫凝灰?guī)r中的脈狀銅鉬礦床。

礦體中銅鉬礦化比較均勻，品位變化不大。工業(yè)礦體中鉬品位為0.074%～0.117%，個別樣品可達0.45%；銅品位為0.01%～0.06%。122b類型塊段鉬平均品位為0.095%，品位變化系數(shù)為15%；333類型塊段鉬平均品位為0.094%，品位變化系數(shù)為20%；2S22類型塊段鉬平均品位為0.043%，品位變化系數(shù)為6%。

2 露天開采境界確定

2.1 露天開采范圍

礦區(qū)范圍由4個拐點圈定，面積為5.805km2，開采深度為814～210m。

2.2 開采境界圈定

2.2.1 露天境界圈定

由于礦體走向長度較短，露天采場的2個端幫剝離量所占比重較大。用常規(guī)的地質(zhì)剖面法不能準(zhǔn)確確定境界剝采比，因此遵循境界剝采比小于等于經(jīng)濟合理剝采比的原則來圈定露天境界[1]，同時設(shè)計采用平面比較法來確定境界剝采比[2]。

(1)

式中,S為露天采場地表境界內(nèi)礦巖水平投影總面積，649 478 m2；Sp為露天采場底和邊幫上礦石水平投影總面積，133 500 m2；Nk為境界剝采比，m2/m2。

經(jīng)計算得出境界剝采比為3.865 m2/m2。

2.2.2 經(jīng)濟合理剝采比的計算

采用產(chǎn)品成本比較法計算經(jīng)濟合理剝采比[3]，以露天開采和地下開采原礦石單位成本相等為基礎(chǔ)，即

(2)

式中，Nj為經(jīng)濟合理剝采比，t/t；c為地下開采礦石成本，40元/t；a為露天開采礦石成本，7.36元/t；b為露天開采巖石剝離成本，7.6元/t。

計算得出經(jīng)濟合理剝采比為4.29 t/t。

根據(jù)上述計算可以看出，境界剝采比比經(jīng)濟合理剝采比小0.425。由于礦體厚大，埋藏較深，易采用分期開采方式，500 m標(biāo)高為本次優(yōu)化設(shè)計開采的露天采場底標(biāo)高。

3 露天采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

礦體賦存于粗面斑巖與流紋巖之間的粗面質(zhì)凝灰?guī)r中，巖石均屬中等以上穩(wěn)固。礦區(qū)氣候干燥，水文地質(zhì)條件簡單，巖石整體性好，無斷層，但上部巖層風(fēng)化較深，因沒有力學(xué)試驗報告，故參照類似礦山的資料確定，最終邊幫角應(yīng)分別控制在上盤42°，下盤45°，兩端幫45°以內(nèi)[4]。500 m標(biāo)高以上境界內(nèi)的礦石量可滿足礦山生產(chǎn)19 a以上。

根據(jù)礦體賦存條件，綜合上、下盤及兩端幫巖石的穩(wěn)固性、露天采場的開采深度、邊幫存在的年限等因素，設(shè)計確定露天采場邊幫參數(shù)：臺階高度為14 m；最終臺階坡面角為65°，地表部分為45°～52°；工作臺階坡面角為70°；安全平臺寬4 m；清掃平臺寬10 m，每2個安全平臺設(shè)一個清掃平臺；運輸?shù)缆穼?5 m；最小回頭曲線半徑為20 m；運輸?shù)缆房v坡度為8%；最小工作平臺寬45 m。

露天采場在696 m標(biāo)高以上為山坡露天礦，在696 m水平以下為深凹露天礦，采場封閉圈在696 m水平標(biāo)高，總出入溝口設(shè)在696，682 m水平，露天采場參數(shù)見表2。

表2 露天采場參數(shù) m

采場上口長寬采場下口長寬采場底標(biāo)高采場邊幫最高點標(biāo)高采場最大采深118682879280～200500840340

4 半連續(xù)露天開采工藝的優(yōu)化

半連續(xù)開采工藝可實現(xiàn)連續(xù)運輸及電驅(qū)動，從而節(jié)省燃油消耗并提高生產(chǎn)能力，生產(chǎn)能力大，工作效率高。深露天礦應(yīng)用帶式輸送機陡溝開拓，可克服大坡度，縮短運輸距離，減少卡車數(shù)量及燃油消耗，開拓工程量較小，運營成本低。半連續(xù)生產(chǎn)工藝示意見圖1。

圖1 露天開采半連續(xù)生產(chǎn)工藝流程

在半連續(xù)開采工藝中，破碎站一般有2種設(shè)置方式：一是設(shè)在地表，二是設(shè)在采掘場內(nèi)部。隨著工作面的推進，自卸卡車將礦石或剝離物運到破碎站的距離將會越來越遠； 另外，對于可實現(xiàn)內(nèi)排的露天礦，當(dāng)破碎站移設(shè)步距較大時，將會占用內(nèi)排空間，影響內(nèi)排土場的正常排土并增加剝離物運距。因此，破碎站應(yīng)適時隨著工作面的推進而向前移動。對于半固定破碎站，其移設(shè)工程量大、周期長、費用多。因此，要權(quán)衡以上幾個因素，找出半固定破碎站合理的移設(shè)步距以尋求二者之間達到平衡。

4.1 露天礦坑內(nèi)破碎站移設(shè)步距優(yōu)化

如圖2所示，當(dāng)破碎站移設(shè)步距為S時，卡車的平均運距為KS，K根據(jù)實際工作面長度適當(dāng)取值。

圖2 平均運距示意

生產(chǎn)總費用公式為：

Z=KSA(Nγ+M)+RT(L/S-1) ，

(3)

式中，L為采掘場長度，km；S為破碎站移設(shè)步距，km；R為破碎站移設(shè)一次所需費用，萬元；T為破碎站的臺數(shù)，臺；A為卡車運費，萬元/(t·km)；γ為剝離物密度，t/m3；M為礦石量，t；N為剝離量，m3；K為平均運距調(diào)整系數(shù)；Z為總費用，萬元。

除Z和S之外，其他的參數(shù)均可根據(jù)實際情況獲得常數(shù)值。

總費用Z和破碎站移設(shè)步距S的函數(shù)關(guān)系見圖3。

圖3 Z和S的函數(shù)關(guān)系

(4)

考慮到破碎站的移設(shè)工程量、周期和費用，移設(shè)步距的最終選取可以上述公式推導(dǎo)結(jié)果作為依據(jù)，而后適當(dāng)做出調(diào)整。這樣考慮到各方面的綜合因素，在降低總費用的同時，也提高了生產(chǎn)效率。

經(jīng)測算，S=0.214km時總費用最小。結(jié)合實際情況，破碎站的移動不宜太頻繁，否則會影響生產(chǎn)效率。另外破碎站的移設(shè)最好是采幅寬度的整數(shù)倍，這樣有助于工程管理。該銅鉬礦采幅寬40m，再綜合各方面因素，最終確定破碎站的移設(shè)步距為200m。

4.2 采礦損失率和貧化率優(yōu)化

根據(jù)礦體賦存條件，本采區(qū)內(nèi)礦體夾層較少，傾角較陡，厚大且走向較短。如果掌握好礦巖接觸帶的分采環(huán)節(jié)，可大大降低礦石損失率與貧化率。因此，優(yōu)先在礦巖接觸帶的礦石中布置開段溝，即在礦體上盤布置開段溝，分別向礦體下盤、巖石上盤垂直走向方向推進。

在礦巖接觸帶挖掘時，應(yīng)嚴(yán)格要求分采，盡可能地減少礦石的損失。經(jīng)對比計算，結(jié)合目前國內(nèi)特大型、大型露天礦的實踐經(jīng)驗[5]，設(shè)計確定礦石損失率為3%，廢石混入率為3%。

采場內(nèi)礦石最小可采厚度為2m，夾石剔除厚度為4m。根據(jù)礦石的地質(zhì)品位與選定的損失、貧化指標(biāo)，采出的鉬礦石品位為

a′=(1-r)a，

(5)

式中，a′為采出礦石品位，%；r為礦石貧化率，3%；a為采區(qū)礦石地質(zhì)品位，0.072%。

經(jīng)計算得出a′=0.069 8%，比原設(shè)計的采礦方法采出礦石品位(0.051 9%)提高了25.6個百分點。

5 結(jié) 語

鉬是作為一種不可再生資源，在我國國民經(jīng)濟中占有重要地位，同時也是關(guān)系國計民生的戰(zhàn)略物資。鉬資源的高效開發(fā)利用，對促進我國經(jīng)濟發(fā)展具有經(jīng)濟效益和戰(zhàn)略意義。采用平面比較法，使最終開采境界線回縮近130m，減少剝離量約480余萬m3，按2013年平均剝離單價20.95元/m3計算，節(jié)約剝離工程費用10 056萬元；采用半連續(xù)露天開采工藝及優(yōu)先設(shè)置開段溝，年均回采低品位礦石185萬t，折合鉬精礦量870.4t；在很大程度上提高了鉬金屬的綜合回采率，減少了剝離工程量，降低了開采成本，經(jīng)濟效益明顯。同時，通過對低品位礦石的回采，有效緩解了市場波動給礦山帶來的不利影響，穩(wěn)定員工隊伍，緩解礦山勞資矛盾。該項技術(shù)工藝為其他礦山提高資源回收利用率提供借鑒經(jīng)驗，在同行業(yè)中有著廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1] 高永濤，吳順川. 露天采礦學(xué)[M].長沙：中南大學(xué)出版社,2010.

[2] 王德勝,龔 敏.露天礦山臺階中深孔爆破開采技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2007.

[3] 陳曉青.金屬礦床露天開采[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2010.

[4] 李紅零,吳仲雄.我國金屬礦開采技術(shù)發(fā)展趨勢[J].有色金屬：礦山部分，2009,61(1),9-10.

[5] 楊國春.采礦實用技術(shù)叢書——礦床露天開采[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

2014-08-15)

王雪峰(1975—)，男，副研究員，工程師，博士研究生，100083 北京市259信箱。