基于采場(chǎng)配礦技術(shù)的烏龍泉礦露天采場(chǎng)工作面布置優(yōu)化

劉艷章 潘世華 鄒曉甜 陳小強(qiáng) 張 群 張丙濤

( 武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430081)

烏龍泉礦隸屬武鋼礦業(yè)有限責(zé)任公司，是武鋼主要的冶金熔劑大型露天礦山，主要生產(chǎn)礦石為石灰石和白云石，其中石灰石和白云石共同存在的區(qū)域?yàn)榛拥V( 生產(chǎn)中作為白云石處理) ，采場(chǎng)中互層礦分布較多，且其品位較低。由于近期武鋼集團(tuán)對(duì)白云石品位及礦山生產(chǎn)能力要求的提高，部分低品位白云石( 主要為互層礦) 不能直接滿足生產(chǎn)后續(xù)加工要求而堆積于采場(chǎng)內(nèi)部，嚴(yán)重影響采場(chǎng)的有序推進(jìn)及工作面作業(yè)效率，十分不利于礦山生產(chǎn)能力的提高?；趯?duì)礦石資源充分利用的原則，同時(shí)促進(jìn)烏龍泉礦更加高效、高產(chǎn)的開采及長遠(yuǎn)的發(fā)展，對(duì)烏龍泉礦露天采場(chǎng)內(nèi)互層礦開采的研究具有重大的意義。礦山常采用配礦技術(shù)提高低品級(jí)礦石的品位，使其能夠投入生產(chǎn)。配礦按工作形式一般可分為采場(chǎng)內(nèi)配礦、儲(chǔ)礦堆場(chǎng)配礦和聯(lián)合法配礦［1-3］。采場(chǎng)內(nèi)配礦適用于高低品位礦石共存的采場(chǎng)，該方法簡便易行、配礦成本低;儲(chǔ)礦堆場(chǎng)配礦利于礦石轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存、分級(jí)和配礦，但其費(fèi)用較高;聯(lián)合配礦法是按照實(shí)際生產(chǎn)需要及經(jīng)濟(jì)成本在不同生產(chǎn)階段采用其中1 種或者兩種同時(shí)采用。典型的配礦控制方法有以供礦點(diǎn)均衡系數(shù)計(jì)算的配礦法和線性規(guī)劃法等［4-6］。供礦點(diǎn)均衡系數(shù)計(jì)算的配礦法需經(jīng)常調(diào)整供礦點(diǎn)的開采量，線性規(guī)劃法計(jì)算簡單，且能有效地解決傳統(tǒng)人工配礦盲目性強(qiáng)且效果較差的問題，其應(yīng)用更為廣泛。

烏龍泉礦露天采場(chǎng)內(nèi)高低品位礦石共存，礦石分布較為復(fù)雜，同時(shí)基于配礦成本及占地面積的考慮，選擇采場(chǎng)內(nèi)配礦方式，并以線性規(guī)劃法建立互層礦配礦模型。采場(chǎng)內(nèi)配礦簡便易行、配礦成本低，但需協(xié)調(diào)好采場(chǎng)內(nèi)各品級(jí)礦石的調(diào)配［7-9］。由于當(dāng)前烏龍泉礦的工作面布置方式較為簡單，工作面推進(jìn)過程中沒有考慮不同品級(jí)礦石的搭配問題，在開采互層礦時(shí)，不能保證其他配礦需要礦石的及時(shí)供給，難以實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)內(nèi)配礦方案在生產(chǎn)中的應(yīng)用。

因此，要充分利用并開采互層礦，促進(jìn)采場(chǎng)有序推進(jìn)，同時(shí)滿足新的生產(chǎn)能力需求，必須對(duì)烏龍泉礦露天采場(chǎng)的工作面布置進(jìn)行優(yōu)化。本研究基于采場(chǎng)內(nèi)配礦技術(shù)方案對(duì)烏龍泉礦露天采場(chǎng)工作面布置進(jìn)行優(yōu)化，將采場(chǎng)內(nèi)配礦技術(shù)方案應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中，解決烏龍泉礦露天采場(chǎng)互層礦的開采生產(chǎn)問題，促進(jìn)其采場(chǎng)的有序推進(jìn)及生產(chǎn)能力的提高。

1 工程概況

烏龍泉礦露天采場(chǎng)東西長約3 150 m，南北長約650 m。烏龍泉礦以22 勘探線為界分為東、西兩區(qū)，0～22 勘探線為東區(qū)，22 ～44 勘探線為西區(qū)，目前東區(qū)開采至55 m 水平，且43 m 水平已掘出200 ～300 m開段溝，西區(qū)開采至67 m 水平。烏龍泉礦工作線為縱向布置，即沿礦體走向布置工作線，工作線由北向南推進(jìn);東區(qū)工作面由東向西推進(jìn)，西區(qū)工作面由西向東推進(jìn)。采場(chǎng)內(nèi)石灰石平均品位較高，其GaO 平均含量為52.25%，白云石中 MgO 平均含量17.97%，互層礦能夠滿足直接生產(chǎn)的條件為礦石中MgO 含量為10% ～14%，且MgO 和GaO 的合度在52%以上。烏龍泉礦露天采場(chǎng)內(nèi)礦石種類及其品位、密度參數(shù)詳情參見表1。

現(xiàn)階段開采水平的礦體分布及采場(chǎng)內(nèi)工作面布置如圖1 所示。

表1 烏龍泉礦露天采場(chǎng)內(nèi)礦石品位、密度Table 1 Grade and density of ores in open pit stope of Wulongquan Mine

根據(jù)當(dāng)前武鋼集團(tuán)對(duì)烏龍泉礦的生產(chǎn)需求，烏龍泉礦逐步將礦石總產(chǎn)量至年產(chǎn)量400 萬t(2015 年為350 萬t) ，其中白云石160 ～180 萬t( 含互層礦50 萬t) ，石灰石180 ～220 萬t。當(dāng)前，烏龍泉礦露天采場(chǎng)內(nèi)布置有3 個(gè)工作面，每個(gè)工作面配備1 臺(tái)挖掘機(jī)，挖掘機(jī)生產(chǎn)能力為100 ～120 萬t/a，其中西區(qū)67 m水平工作面和東區(qū)43 m 水平工作面正在工作，東區(qū)55 m 水平工作面因?yàn)榛拥V區(qū)域難以推進(jìn)而暫停工作，現(xiàn)階段的工作面布置無法滿足年產(chǎn)量400 萬t 的生產(chǎn)能力新需求。由此可知，要實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)內(nèi)互層礦的開采、配礦、運(yùn)輸同步進(jìn)行，促進(jìn)烏龍泉礦露天采場(chǎng)的有序推進(jìn)，同時(shí)提高礦山的生產(chǎn)能力，必須對(duì)烏龍泉礦露天采場(chǎng)的工作面布置進(jìn)行優(yōu)化。

2 烏龍泉礦采場(chǎng)工作面布置優(yōu)化

根據(jù)烏龍泉礦開采水平現(xiàn)狀、礦體分布的特點(diǎn)及近期開采需求，此次研究主要針對(duì)西區(qū)67 m 水平、西區(qū)55 m 水平、東區(qū)55 m 水平以及東區(qū)43 m 水平階段進(jìn)行分析。采用采場(chǎng)內(nèi)配礦的形式對(duì)不能直接滿足生產(chǎn)需求的互層礦進(jìn)行配礦理論研究，利用線性規(guī)劃法提出一套適合于當(dāng)前烏龍泉礦露天采場(chǎng)的配礦技術(shù)方案，基于配礦技術(shù)方案優(yōu)化采礦工作面，促進(jìn)烏龍泉礦露天采場(chǎng)的有序推進(jìn)及礦山生產(chǎn)能力的提高，使其滿足武鋼集團(tuán)新的生產(chǎn)需求。

2.1 配礦技術(shù)方案

烏龍泉礦露天采場(chǎng)內(nèi)互層礦能滿足直接生產(chǎn)的條件為礦石中MgO 含量為10% ～14%，且MgO 和GaO 的合度在52%以上。石灰石參與配礦的目的是:若互層礦與白云石配比后合度仍達(dá)不到52%，此時(shí)可用一定量CaO 含量較高的的石灰石配礦以滿足合度要求。故配礦方案主要是針對(duì)礦石中MgO 含量進(jìn)行配比研究。烏龍泉礦白云石中MgO 含量一般為16.44% ～18.80%，互層礦中MgO 含量一般為2.00% ～14.00%。根據(jù)生產(chǎn)需求，只需對(duì)MgO 含量低于10%的互層礦進(jìn)行配比即可。

利用線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型一般可求出配礦問題的精確解，但其要求調(diào)度時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，現(xiàn)實(shí)約束條件使配礦不能按理論精確進(jìn)行，這里采用一種簡化理論建立配礦模型。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用配礦模型確定石灰石、白云石及互層礦中各組分變化。分析表明: 在白云石MgO 品位一定條件下，所需白云石和互層礦質(zhì)量配比( m2∶ m3) 與互層礦MgO 品位呈負(fù)相關(guān);在互層礦MgO 品位一定條件下，所需白云石和互層礦質(zhì)量配比( m2∶ m3) 與白云石MgO 品位呈負(fù)相關(guān)。結(jié)合烏龍泉礦露天采場(chǎng)內(nèi)各品級(jí)礦石參數(shù)，將各參數(shù)輸入已建立的Excel 計(jì)算模型中進(jìn)行求解，得到滿足配礦需求的最優(yōu)解。計(jì)算得到烏龍泉礦露天采場(chǎng)互層礦配礦技術(shù)方案總結(jié)如表2 所示。

表2 烏龍泉礦露天采場(chǎng)互層礦配礦技術(shù)方案總結(jié)Table 2 Ores blending schemes of interbedded ore in open pit stope

表2 給出了MgO 含量低于10%的互層礦與MgO含量在16.44% ～18.80%的白云石的配比關(guān)系，且將配比換算為配礦車比。在開采過程中，根據(jù)工作面正在開采的互層礦和白云石的品位，對(duì)照表2 查看其配礦車比，可快速完成互層礦的配礦工作，并將其運(yùn)出采場(chǎng)，有利于工作面及采場(chǎng)按開采計(jì)劃推進(jìn)。

2.2 工作面布置優(yōu)化

烏龍泉礦是一個(gè)已投入生產(chǎn)多年的大型露天礦山，其整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)不宜重新規(guī)劃，故烏龍泉礦露天采場(chǎng)工作面的布置方案應(yīng)在現(xiàn)有工作面布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。由圖1 可知:西區(qū)礦體分布主要為石灰石;東區(qū)主要礦體為白云石和石灰石，互層礦主要分布在白云石和石灰石交接處。生產(chǎn)過程中，要保證采場(chǎng)的有序推進(jìn)及礦石運(yùn)輸，不允許采場(chǎng)中和卸礦平臺(tái)處有大量的礦石堆積，在開采互層礦時(shí)，需通過配礦使其滿足生產(chǎn)需求并及時(shí)運(yùn)出采場(chǎng)。同時(shí)東、西區(qū)開采水平相差近2 個(gè)臺(tái)階，不利于采場(chǎng)設(shè)備的調(diào)配即長遠(yuǎn)的發(fā)展。因此，工作面的布置原則為: ①滿足烏龍泉礦年產(chǎn)量的需求;②保證配礦時(shí)各類礦石的及時(shí)供給;③有利于縮小東西區(qū)的水平高差。其中，要保證配礦時(shí)各類礦石的及時(shí)供給，必須確保在開采互層礦時(shí)至少有3 個(gè)不同的采裝工作面同時(shí)工作:1 個(gè)采掘石灰石，1 個(gè)采掘白云石，1 個(gè)采掘互層礦。

根據(jù)烏龍泉礦采場(chǎng)現(xiàn)狀及工作面的布置原則，得到工作面布置優(yōu)化方案為:①工作線布置方式及工作面推進(jìn)方式不變;②工作面布置總數(shù)為5 個(gè)，每個(gè)工作面配備1 臺(tái)挖掘機(jī)，挖掘機(jī)可以根據(jù)生產(chǎn)需求相互調(diào)配，可以滿足新的生產(chǎn)需求; ③3 種礦石分布區(qū)域均需布置至少1 個(gè)工作面，可以保證配礦時(shí)各類礦石的及時(shí)供給;④西區(qū)布置2 個(gè)工作面，有利于縮小東西區(qū)的水平高差。優(yōu)化后的工作面布置如圖2 所示。

圖2 中，1#工作面為西區(qū)67 m 階段水平的采裝工作面，主要開采石灰石;2#工作面為西區(qū)43 m 水平的采裝工作面，主要開采白云石;3#工作面為東西43 m 階段水平的采裝工作面，該工作面開采區(qū)域礦石分布較為復(fù)雜，且其中互層礦較多; 4#工作面為東區(qū)55m 水平的采裝工作面，該工作面繼續(xù)推進(jìn)55 m 水平平臺(tái)，該區(qū)域礦石主要為石灰石和互層礦;5#工作面為西區(qū)55 m 階段水平的采裝工作面，5#工作面需在1#工作面推進(jìn)一定平臺(tái)寬度后，待西區(qū)55 m 開段溝掘出部分才能開始工作。

由礦石分布可知，互層礦主要分布在東區(qū)，在近期的開采中，3#工作面和4#工作面在推進(jìn)過程中會(huì)開采到互層礦。若開采時(shí)互層礦不能夠直接生產(chǎn)，則需要配礦處理。3#工作面和4#工作面采掘互層礦時(shí)，配礦需要的白云石主要由2#工作面生產(chǎn)，石灰石主要由1#工作面生產(chǎn)，并需要幾個(gè)工作面同時(shí)工作。同時(shí)，烏龍泉礦露天采場(chǎng)東區(qū)平臺(tái)長度約是西區(qū)的2倍，東區(qū)布置有3 個(gè)工作面，西區(qū)布置有2 個(gè)工作面，該工作面布置形式有利于東西開采水平高差的縮小。

2.3 基于優(yōu)化方案的露天采場(chǎng)規(guī)劃

針對(duì)烏龍泉礦近期的開采計(jì)劃，結(jié)合互層礦的配礦技術(shù)方案，將優(yōu)化后的工作面布置方式應(yīng)用于烏龍泉礦露天采場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃中，對(duì)露天采場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃。烏龍泉礦近期年產(chǎn)量要求為400 萬t(2015 年為350 萬t) ，其中石灰石240 萬t，白云石160 萬t( 含互層礦50 萬t) 。根據(jù)工作面布置優(yōu)化方案( 如圖2 所示) ，烏龍泉礦露天采場(chǎng)內(nèi)一共布置有5 個(gè)采礦工作面，每個(gè)工作面配1 臺(tái)挖掘機(jī)，1#工作面、2#工作面、3#工作面、4#工作面、5#工作面的挖掘機(jī)編號(hào)分別為N1、N2、N3、N4、N5，挖掘機(jī)可以根據(jù)生產(chǎn)需求相互調(diào)用。每臺(tái)挖掘機(jī)的生產(chǎn)能力為100 ～120 萬t/a，考慮到一定的廢石剝離量，每臺(tái)挖掘機(jī)開采礦石的生產(chǎn)能力約為90 萬t/a。根據(jù)優(yōu)化后的烏龍泉礦露天采場(chǎng)的布置形式，對(duì)烏龍泉礦近3 a 的生產(chǎn)計(jì)劃做出安排，其中，每臺(tái)挖掘機(jī)近3 a 的生產(chǎn)能力如表3 所示。

表3 近3 a 各挖掘機(jī)生產(chǎn)能力安排Table 3 Production capacity arrangements of excavators in recent years 104 t

根據(jù)礦體分布及工作面布置方式( 見圖2) 可知，單個(gè)工作面所在區(qū)域有足夠的礦石資源，可以滿足各個(gè)挖掘機(jī)的年生產(chǎn)能力的安排。由表3 可知，應(yīng)用上述工作面布置優(yōu)化方案，烏龍泉礦露天采場(chǎng)2015 年礦石產(chǎn)量為350 萬t，其中石灰石190 萬t，白云石160萬t( 含互層礦50 萬t) ;2016 年礦石產(chǎn)量為410 萬t，其中石灰石250 萬t，白云石160 萬t( 含互層礦50 萬噸) ;2015 年礦石產(chǎn)量為350 萬t，其中石灰石250 萬t，白云石160 萬t( 含互層礦50 萬t) 。由上述生產(chǎn)計(jì)劃可知，優(yōu)化后的露天采場(chǎng)規(guī)劃較為合理，可以滿足烏龍泉礦新的生產(chǎn)需求。

3 結(jié) 論

(1) 選擇采場(chǎng)內(nèi)配礦的工作形式，采用線性規(guī)劃法構(gòu)建了適用于當(dāng)前烏龍泉礦互層礦生產(chǎn)的配礦技術(shù)方案;采場(chǎng)內(nèi)配礦的技術(shù)方案從理論上解決了不能直接滿足生產(chǎn)需求的互層礦的開采問題，提高了低品級(jí)礦石( 互層礦) 的利用率，且其充分利用了采場(chǎng)內(nèi)部礦石參與配礦，配礦成本較低。

(2) 基于配礦技術(shù)方案，對(duì)烏龍泉礦露天采場(chǎng)工作面的布置進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了配礦技術(shù)方案在生產(chǎn)中的應(yīng)用，優(yōu)化后的工作面布置方案能有效地提高礦山的生產(chǎn)能力及作業(yè)效率，在滿足新的生產(chǎn)需求的同時(shí)，促進(jìn)采場(chǎng)的有序推進(jìn)，有利于縮小東西區(qū)開采水平高差。

(3) 結(jié)合互層礦的配礦技術(shù)方案，將優(yōu)化后的工作面布置方式應(yīng)用于烏龍泉礦露天采場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃中，重新對(duì)露天采場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果表明優(yōu)化后的工作面布置能夠滿足烏龍泉礦近期的生產(chǎn)需求，可以達(dá)到預(yù)期的效果。

(4) 基于采場(chǎng)配礦技術(shù)的工作面布置優(yōu)化方法解決了烏龍泉礦互層礦的開采問題，該工作面布置優(yōu)化方法可以應(yīng)用于類似于烏龍泉礦( 采場(chǎng)內(nèi)多品級(jí)礦石共存、有配礦需求) 的露天礦山。

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