酒鋼西溝礦數(shù)字化開采技術研究

許守信 顏威山 齊澤文

（酒鋼集團甘肅西溝礦業(yè)有限公司，甘肅嘉峪關735100）

大部分冶金輔料礦山只是提供冶金系統(tǒng)需要的單一原料品種，熔劑石灰石礦山主要是提供冶金熔劑，但礦石資源的天然賦存可能不只是滿足冶金熔劑質量標準，同時還可能有低于冶金熔劑標準的水泥灰?guī)r等資源共同存在，由于合理運距等經(jīng)濟地理條件和配套產(chǎn)業(yè)的布局限制，導致部分資源得不到有效利用，造成資源的浪費。因此，在鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時，根據(jù)資源條件，探索開采新技術，建設資源綜合開發(fā)利用的輔助配套產(chǎn)業(yè)，是搞好資源綜合高效利用的基礎。同時，隨著區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，不斷發(fā)掘區(qū)域內(nèi)資源產(chǎn)品的全品種用戶，也是實現(xiàn)資源綜合高效利用的有效途徑。2015年以來，酒鋼西溝石灰石礦為追求效益最大化，實現(xiàn)資源綜合高效利用，通過科技攻關和技術改造，完成了6大方面的系統(tǒng)性研究工作，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟效益，為礦山的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎。

1 研究步驟

（1）資源的賦存情況調(diào)查。主要是掌握各品級礦石在開采境界內(nèi)的分布情況，建立礦體三維數(shù)字模型及進行境界優(yōu)化。

（2）調(diào)查研究用戶對石灰石產(chǎn)品的需求及相關質量標準，在滿足內(nèi)部需求的基礎上，拓展外部市場，延伸石灰石產(chǎn)業(yè)鏈。

（3）建設和完善生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，重點增加分儲分運系統(tǒng)，優(yōu)化破碎、篩分工藝，為各種產(chǎn)品的生產(chǎn)提供設備保障。

（4）研究合理采剝方法，實現(xiàn)各品種的均衡生產(chǎn)和各生產(chǎn)系統(tǒng)的高效運行，在滿足用戶穩(wěn)定需求的同時實現(xiàn)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。

（5）研究礦石在開采過程中損失貧化及塊礦轉化為粉礦品位變化規(guī)律。

（6）研究制定石灰石產(chǎn)品質量控制體系，保證生產(chǎn)計劃的落實，確保產(chǎn)品質量。

2 關鍵技術研究

2.1 資源的賦存情況調(diào)查

（1）礦體三維數(shù)字化模型建立及境界優(yōu)化設計。利用礦山地質勘探和生產(chǎn)勘探數(shù)據(jù)，應用DIMINE礦山三維數(shù)字化軟件，建立礦體三維數(shù)字化模型及境界優(yōu)化設計，在此基礎上分析境界內(nèi)資源的分布情況［1］。西溝礦礦體三維模型見圖1。

（2）通過生產(chǎn)勘探，進一步提高礦體三維模型精度。采取槽探資料與爆破鉆孔取樣相結合的生產(chǎn)勘探方式，進一步修正礦體地質信息，實現(xiàn)儲量不斷升級，準確掌握采場品位的分布情況，繪制采場品位分布圖，為采剝計劃編制和實施精細化配礦提供可靠依據(jù)。

（3）根據(jù)三維地質模型圖，合理編制生產(chǎn)經(jīng)營計劃、采掘計劃與質量方案。分析各采掘區(qū)域地質情況與礦石品級分布情況，確保同期不同品級礦石均衡配比出礦，避免高品級礦石單獨出礦或低品級礦石不具備回收條件的排棄現(xiàn)象。

當同期熔劑灰?guī)r一級品與水泥灰?guī)r的礦量比介于1.8～2.5、熔劑灰?guī)r一級品與熔劑灰?guī)r三級品的礦量比介于1.2～1.5時，方能確保低品級礦石有足夠的高品級礦與之配比回收，且避免高品級礦采出過快導致采剝失衡的問題。

2.2 用戶對石灰石產(chǎn)品的需求和質量標準

2.2.1 礦石品級及礦石粒徑需求市場調(diào)研

根據(jù)資源賦存情況，開采境界內(nèi)熔劑灰?guī)r劃分為AⅠ（CaO≥52%、SiO2≤1.5%）、AⅡ（CaO≥50%、SiO2≤2.0%）和AⅢ（CaO≥50%、SiO2≤4.0%）3個品級，水泥灰?guī)r劃分為BⅠ（48%≤CaO＜50%）、BⅡ（45%≤CaO＜48%）2個品級。根據(jù)用戶需求，石灰石產(chǎn)品分為5大類，詳見表1。

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2.2.2 根據(jù)用戶需求開發(fā)新產(chǎn)品

（1）用自產(chǎn)高品級塊礦替代外購，節(jié)省外購資金。前期因受產(chǎn)能限制，西溝礦只能生產(chǎn)煉鋼用普通熔劑石灰石，在西溝礦擴能項目投產(chǎn)后，開始生產(chǎn)不銹鋼VOD轉爐需要的CaO≥53.5%、AOD轉爐需要的CaO≥54.0%的全部高品級熔劑塊礦，至此，酒鋼集團公司所需的石灰石產(chǎn)品完全實現(xiàn)自給。

（2）為大型水泥廠生產(chǎn)45%～48%的表外低品位礦石，變廢為寶。按照設計，CaO含量＜48%的低品位礦石被劃分為巖石，開采過程可以排棄。2016年，西溝礦了解到周邊有一家新型干法水泥生產(chǎn)企業(yè)具備利用CaO含量45%～48%低品位礦石的技術實力，與其簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，大批量生產(chǎn)、輸出低品礦石，實現(xiàn)了開采區(qū)域內(nèi)BII等低品位礦石的回收利用。

（3）擬研究建設1條重質碳酸鈣粉生產(chǎn)線，增加高品質粉礦的附加值。西溝礦生產(chǎn)高品級塊礦時每年有20～30萬t的CaO含量在53%以上高品質粉礦作為普通熔劑粉礦銷售，產(chǎn)品附加值低，造成優(yōu)質資源浪費。酒鋼集團公司已批準西溝礦委托專業(yè)機構開展《重質碳酸鈣開發(fā)利用可行性研究》。

2.3 建設和完善生產(chǎn)工藝系統(tǒng)

2.3.1 分步建設原礦和成品礦分儲分運系統(tǒng)

（1）增加分儲分運設施。為滿足各品種礦石的生產(chǎn)及品種要求，西溝石灰石礦先后建設了2套相對獨立的溜井膠帶運輸系統(tǒng)，采場溜井由原來的2條增加到4條，年礦石生產(chǎn)能力由原來的200萬t增加到500萬t。成品礦倉在原來5個200 t礦倉的基礎上增加了8個5 000 t圓筒礦倉。

（2）增加破碎篩分系統(tǒng)。在2套相對獨立的粗、中破碎及篩分系統(tǒng)基礎上，增加了閉路循環(huán)支破碎系統(tǒng)，來滿足個性化用戶對粒級及品級的需求。

（3）建設了相對獨立的公路和鐵路輸出系統(tǒng)，滿足用戶不同的運輸方式需求。

2.3.2 優(yōu)化破碎和篩分工藝

（1）在中破碎前加裝不同型號的棒條篩，使符合粒度標準的礦石不經(jīng)過二次破碎，靈活調(diào)整成品礦塊礦率。分別制作 80～100 mm 、60～80 mm、45～65 mm的3種梯形口棒條篩，條篩尺寸愈大，對應的塊礦率愈高。

（2）中破碎機錘壁間隙可以從65～140 mm調(diào)整到45～120 mm的最小尺寸，在不降低生產(chǎn)效率的前提下，能夠改變成品礦塊礦率。

（3）調(diào)整PS0185雙齒棍破碎機排礦口尺寸及進行齒板齒牙加密改造，提高20～40 mm高品級塊礦的產(chǎn)出率和生產(chǎn)效率。

（4）在2臺振動篩上使用聚氨酯橡塑合金篩板［2］，確保塊礦含粉率指標可控，便于在生產(chǎn)不同粒徑的礦石時快速實施更換篩板作業(yè)。

2.4 采剝方法關鍵技術研究

（1）確定合理的采剝順序［3］。根據(jù)采場礦巖分布、開采運輸條件等綜合因素分析，確定了“橫向推進，縱向輔助”的采剝方法，即在“南北掘溝、東西掘進”的大原則不變的基礎上，局部采用“東西掘溝”，促使高、低品級原礦完全出露，減少高、低品級礦石混爆，提高高品級礦石利用效率。礦體走向和推進方向一致，為分穿分爆及配礦提供了方便。

（2）確定同期開采臺階數(shù)量?！皺M向推進，縱向輔助”的采剝方法，為采場提供了充足的工作線長度和良好的配礦條件。在編制中長期采剝計劃時，為了保持合理的剝采比，以正常保持2～3個臺階生產(chǎn)為原則，結束上一個臺階后再開拓下一個新臺階，避免生產(chǎn)臺階過多而設備不足造成設備頻繁調(diào)動，致使設備效率下降。

（3）采剝順序優(yōu)化。為實現(xiàn)高品質礦石生產(chǎn)順行，2016年在原有“南北掘溝、東西掘進”的總體采剝原則基礎上，利用DIMINE礦山三維數(shù)字化軟件再次對采剝順序進行優(yōu)化，南北掘溝至4#溜井和1#溜井貫通，高品質礦區(qū)段提前出露，為高品質石灰石礦持續(xù)生產(chǎn)提供備采礦量，實現(xiàn)高品級石灰石的穩(wěn)定生產(chǎn)。采剝順序優(yōu)化結果見圖2。

（4）完善細化DIMINE礦山三維數(shù)字化模型數(shù)據(jù)庫，更好地指導服務生產(chǎn)。

（5）優(yōu)化高品級原礦區(qū)段爆破方式，提高高品級原礦利用率和塊礦率。在高品級原礦區(qū)段，原礦出露后爆區(qū)按照東西布設，爆區(qū)平行（或斜交）于礦體走向，有效避免不同品級礦石的混爆問題，為高品級礦石生產(chǎn)儲備足夠的礦量。對高品級礦石中夾雜的低品級夾層采用“小炮”剔除法，降低高、低品級礦石混爆問題。為提高高品級原礦的塊礦率，將高品級原礦區(qū)域的爆破方式由排間起爆改變?yōu)橹鹂灼鸨拙W(wǎng)參數(shù)由5.5 m×7 m調(diào)整為6 m×7 m，將優(yōu)質礦石區(qū)段炸藥單耗控制在0.175～0.180 kg/t范圍內(nèi)，每孔的裝藥量由230 kg降為210 kg，同時采用分段裝藥結構減小填塞高度。

2.5 礦石在貧化及塊礦轉化為粉礦品位變化規(guī)律

2.5.1 斷層泥對礦石貧化影響

采場1#、2#溜井南部礦石品級較高，F(xiàn)13斷層破碎帶經(jīng)過此區(qū)域，裂隙發(fā)育明顯，裂隙中填充有泥質物，爆破后泥質物分布于粉礦中致使粉礦貧化。爆破后礦石綜合品位較鉆孔取樣化驗數(shù)據(jù)降低0.8%，礦石的貧化對質量的影響相對較小。斷層區(qū)域礦石貧化情況見表2。

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2.5.2 低品級礦石區(qū)域貧化影響

低品級礦石的貧化對礦石的質量影響較大，采場北東部地質情況復雜多變，主要出露礦層的熔劑灰?guī)r一級品、三級品與水泥灰?guī)r，低品級薄層礦石表層附著炭質薄膜、云母及泥質物，爆破后炭質薄膜、泥土質、云母等脆性物質多分散于粉礦中，是造成貧化的主要礦物質。一般情況下，熔劑灰?guī)r一級區(qū)內(nèi)爆堆礦石品級較鉆孔取樣化驗數(shù)據(jù)降低1.3%，熔劑灰?guī)r三級品與水泥灰?guī)r降低1.8%。

2.5.3 采場西部礦石貧化影響

一般情況下，熔劑灰?guī)r二級、三級品爆堆實際礦石品位較鉆孔取樣化驗數(shù)據(jù)降低1.5%，熔劑灰?guī)r三級品部分區(qū)域最低可降低2.7%。

2.6 研究制定石灰石產(chǎn)品質量控制體系

2.6.1 編制精細化采剝計劃和質量計劃

以市場需求為導向，借助三維數(shù)字模塊編制采剝計劃和質量計劃。充分考慮季節(jié)性變化帶來的生產(chǎn)不均衡問題，在冬季水泥生產(chǎn)企業(yè)停產(chǎn)期間，以滿足公司內(nèi)供塊礦需求為原則編制生產(chǎn)計劃，將富余的粉礦倒運至臨時料場堆存，在需求旺季增加庫存輸出力度保證石灰石供需平衡。

2.6.2 制定各環(huán)節(jié)產(chǎn)品質量控制措施

（1）高品質塊礦質量控制方法。鉆孔取樣［4］CaO含量高于54%且具備集中出礦條件的區(qū)段，礦石單獨裝入某溜井用于生產(chǎn)VOD用高品級塊礦。鉆孔取樣品位為53%～54%的區(qū)段生產(chǎn)AOD用高品級塊礦。

（2）普通熔劑礦石生產(chǎn)方案。根據(jù)礦石貧化研究成果，熔劑灰?guī)r三級品、水泥灰?guī)r不具備單獨出礦的條件，通過與熔劑灰?guī)r一級品配比確保生產(chǎn)的塊礦CaO含量達到51%，粉礦達到48%。利用熔劑灰?guī)r一級品與水泥灰?guī)r、熔劑灰?guī)r三級品的合理配比，加大了采區(qū)低品級礦石的回收利用，在指標范圍內(nèi)有針對性地降低普通熔劑石灰石的品位，減緩采區(qū)高品級礦的出礦速度。

（3）2條生產(chǎn)系統(tǒng)采用差異化排產(chǎn)方式。A系統(tǒng)生產(chǎn)10～65 mm普通熔劑產(chǎn)品及水泥粉礦，入溜井塊礦CaO品位大于50.5%，低品位水泥灰?guī)rCaO綜合品位控制在45%～48%。B系統(tǒng)主要生產(chǎn)20～40 mm高品級塊礦，CaO綜合品位大于53.5%。

（4）采用三級配礦穩(wěn)定產(chǎn)品質量［5］。在采場配礦、溜井配礦后，輸出時根據(jù)各礦倉內(nèi)礦石品級再次進行配礦工作，確保產(chǎn)品實物質量合格穩(wěn)定，為低品級礦石的回收創(chuàng)造有利條件。

（5）建設自動取樣系統(tǒng)。在轉運站皮帶上建立自動取樣系統(tǒng)，實現(xiàn)自動取樣，消除人工取樣誤差。根據(jù)取樣結果，對不同品級礦石進行分運、分輸，同時，根據(jù)檢驗結果追溯溜井質量控制的有效性，及時指導采場生產(chǎn)。

3 結論

（1）西溝礦《熔劑石灰石礦數(shù)字化開采技術》成果成功入選《礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用先進適用技術推廣目錄（第六批）》，表明該項技術成果具有廣泛的推廣和應用價值。

（2）開展石灰石資源高效利用開采技術研究和應用，要以用戶需求為導向，只有通過工藝優(yōu)化生產(chǎn)出不同粒徑、不同質量的石灰石產(chǎn)品，才能提高礦山競爭能力和盈利能力。

（3）數(shù)字化開采技術的應用，解決了高品級塊礦生產(chǎn)與低品位礦石回收之間的矛盾，使西溝礦礦石綜合回采率由原來92.50%左右提高至94.04%，在減少排巖費用的同時降低了排土場負荷。