創(chuàng)新采礦設(shè)計經(jīng)濟安全環(huán)保降風險

曹太彬

四川宏達技術(shù)中心，中國·四川 德陽 618400

中資企業(yè)在國際投資面臨較大的風險。M 煤礦位于非洲T 國N 省L 縣。三層主采煤層平均厚度均在3.5m 以下，剝采比超過7.51m3/t，T 國的炸藥、機械費以及柴油都比中國貴，采用傳統(tǒng)的穿爆工藝成本高于井工煤礦。為了降低開采成本主要從碎巖石和運輸成本方式進行變革，用硬巖露天采礦機免爆工藝和用皮帶運輸機降低巖石礦物運輸成本的問題。通過計算采礦機加管狀皮帶運輸?shù)某杀?，成本只是傳統(tǒng)的井工開采成本的62%。隨著經(jīng)濟成本的降低，開采底部境界可以從原來的+950m 擴大到+850m，可供露天開采的資源量從1360 萬噸增加到4600 萬噸，降低了投資風險。從下往上開采，采空區(qū)及時回填露天剝離廢石，不但可以阻止邊坡崩塌，覆土后還可以開展生態(tài)建設(shè)。

創(chuàng)新采礦設(shè)計；經(jīng)濟；安全；環(huán)保；降投資風險

1 風險控制

在2011年，中資某企業(yè)中標，與非洲T 國的國家開發(fā)公司NDC 聯(lián)合開發(fā)N 省L 縣的煤電鋼項目。建設(shè)60 萬/年露天煤礦和240 萬噸/年的井工煤礦、4x150MV 的火電機組和100 萬噸/年鋼材，投資30 億美元，合同規(guī)定期限20年。中資控股80%，NDC 以資源入股占20%。某公司經(jīng)過勘探，證實不是煉鋼用的焦煤，進行了幾千次的實驗，掌握了提鈦的技術(shù)。T 國的國家意志是要降低電價，上網(wǎng)電價和優(yōu)惠政策談判了多年，當局至今優(yōu)惠政策沒有公布。電價為10.7 美分。通過計算，其水電電價不到人民幣7 分錢。隨著“尼雷爾”2100MW 水電站和300Mw 風力發(fā)電站的建設(shè)，減少柴油發(fā)電。即使將來國家發(fā)電成本在5 美分以下，但還面臨水風火之爭的問題。

中資企業(yè)在國際投資面臨較大風險。有政權(quán)更迭風險、反對黨與執(zhí)政黨拿中資企業(yè)撕逼的風險、民粹主義薅羊毛的風險、法律風險、文化沖突的的風險、工會勢力強大的風險、種族歧視風險、各國勢力在非洲爭斗的風險、技術(shù)標準風險、以及井工煤礦自身具有的高危風險，甚至還有因為當?shù)厝艘驗橥档V石處理不當被當局吊銷投資者《采礦許可證》的風險。面對風險，除了采取金融工具，筆者認為擴大露天礦的生產(chǎn)規(guī)模，不建設(shè)井工煤礦，降低投資風險。通過采用硬巖采礦機和皮帶輸送，降低生產(chǎn)成本，融入該國經(jīng)濟發(fā)展的血脈。

2 煤層基本情況

M 煤礦位于非洲T 國N 省L 縣。M 煤礦煤層賦存像一個破碎的碗，在碗的中心是個小山丘，煤層埋深0～600m。主要可采煤層有三層。其中M8煤層厚度為0～6.00m，平均厚度為3.32m；M9煤層厚度為0～4.55m，平均厚度為2.2m；M11煤層厚度為0～7.41m，平均厚度為3.14m。還有4 層薄煤與矸石互層的“五花肉”煤層。主采煤層厚度均在3.5m 以下，對露天煤層劃分而言，屬于薄煤層。煤層傾角6～8°，是個凹陷型露天礦[1]?？梢栽?.3km 外施工一 放水平硐，減少凹陷型露天礦山開采后的積水，對更深部的井工開采滲漏和安全威脅問題。

煤炭出露于地表+1030m 高程。在礦井的北部即碗邊上，可以進行露天開采?！兜刭|(zhì)報告》和x 煤炭院認為采用傳統(tǒng)的設(shè)計，采到+950m，剝采比7.51m3/t，再往下采就不經(jīng)濟了，計算了可供露天開采的資源量1360 萬噸。因此設(shè)想的是建設(shè)60 萬噸/年的露天煤礦和240 萬噸/年的井工煤礦。

3 傳統(tǒng)的設(shè)計方式及露天開采成本

3.1 計算依據(jù)和過程

3.1.1 計算依據(jù)

傳統(tǒng)的穿爆采裝汽車運輸工藝，采用鉆機鉆孔，裝炸藥起爆，用挖掘機采裝。爆破會產(chǎn)生大塊巖石，采用礦用汽車運輸。《M 礦可行性研究報告》[2]，采取的是KQ150 潛孔鉆機和炸藥穿爆，臺階高度H=10m，采用4m3的斗容和32 噸的汽車采裝，用汽車運輸外排。非洲T 國沒有工業(yè)基礎(chǔ)，沒有生產(chǎn)炸藥的能力。進口的炸藥，不低于2500 美元/T。爆炸輔材按照比中國高1 倍估算。

根據(jù)地質(zhì)報告，巖石的天然抗壓強度值最大為54.9Mpa，即巖石的堅固性系f ≦5.49。見表1《巖石單軸抗壓強度實驗》。

人工工資。中國的人工工資定額為55 元。非洲國家的技術(shù)工人勞動素質(zhì)普遍比中國低，按照80%計算，定為44 元。

機械費。中國的工程機械，全世界單價最低。運到施工工地，鉆桿、鉆頭等鋼材考慮海運、關(guān)稅、大陸960km 的陸運，按照增加30%計算；安裝費，機械費中的折舊、維修、保養(yǎng)、燃料動力也分別上調(diào)30%到0 不等。

表1 《巖石單軸抗壓強度實驗》

2019年5月，T 國的柴油價格是2146.53 先令/L，運到M 礦工地960 公里柴油密度按照柴油0.835kg/L，按照1 元1 噸公里的運費計算。1 美元兌換7 元人民幣，兌換2300 先令，2410 先令，計算批發(fā)價優(yōu)惠8%，也需要2217 先令，也要2217x7/2300=6.74 元/L。而中國定額就5.44 元/L，超過中國24%。各種規(guī)費如下表2所示。

表2 工程費用基本費率表

2016年8月16日，煤炭行業(yè)頒布《煤炭建設(shè)露天剝離工程綜合消耗量定額》（2015 基價）[3]。以此進行計算進行計算。經(jīng)比較，采用ky200 型牙輪鉆機最經(jīng)濟，效率最高，穿爆成本最低。

3.1.2 計算過程

（1）巖石穿爆定額如表3所示。

表3 巖石穿爆定額

（2）采裝定額如表4所示。

表4 巖石采裝定額

（3）汽車運輸價格如表5所示。

表5 汽車運輸價格定額

（4）排棄費用如表6所示。

表6 巖石排棄定額

（5）煤炭開采定額如表7所示。

表7 煤炭穿爆定額

（6）煤炭采裝定額如表8所示。

表8 煤炭采裝定額

（7）煤炭運輸如表9所示。

表9 煤炭運輸定額

（8）煤炭排棄費用按照1400 元錢/1000m3，即1 元/噸。

3.2 煤炭定額匯總

從表5～表8可知，根據(jù)1m3煤密度1.4 換算成噸。

表10 煤炭生產(chǎn)定額匯總

3.3 剝采比與資源量

根據(jù)《地質(zhì)報告》，對礦井北部的資源量計算，分別計算到+900m、+850m 高程，計算的資源量和剝采比如下表11所示。

表11 M 礦露天采區(qū)剝采比與資源量表

中國的露天煤礦一般都開采中厚至巨厚煤層.因而爆破炸飛混入廢渣的煤一般在5%.回收率一般在95%.對于薄煤層，中國礦大與神華集團的研究結(jié)果，如果采用爆破工藝，回收率在76%。所以，根據(jù)剝采比調(diào)整除以0.76。

3.4 計算結(jié)果

通過以上的計算，如果采用傳統(tǒng)爆破工藝，當開采到+950m 的時候，煤炭開采成本453.91/ 噸元；當開采到+900m 的時候，煤炭開采成本522.88 元/噸；當開采到+850m 的時候，煤炭開采成本556.65 元/噸。根據(jù)《可研報告》井工煤礦的生產(chǎn)成本為70 美元/噸，按照美元兌換人民幣1：7，也就是420 元/噸。成本高于井工開采。這個成本作為煉鋼可以接受。同時也說明可以將露天開采的下部境界擴大到+850m。這樣就有4600 萬噸煤可供露天開采。經(jīng)營成本如表12所示。

既然高于井工開采成本，表現(xiàn)出不經(jīng)濟，還不如井工開采?？墒牵痣姀S、鋼鐵廠急需煤炭供應。井工煤礦屬于高危行業(yè)，投資大、風險大，建設(shè)工期長、資本回報率低。需要尋找新的采礦方式[3]。

表12 非洲T 國露天開采傳統(tǒng)設(shè)計單位成本估算表

教科書式的采礦基本原理，就是露天煤礦的最終開采境界對應的開采成本與井工煤礦相等。筆者突破固有思維，計算到+900m 和+850m 時的資源量和剝采比。

4 采礦設(shè)計思維的創(chuàng)新

4.1 采用硬巖采礦機免爆工藝

由于非洲T 國的炸藥成本是中國的三倍，首先想到采用采礦機免爆工藝。據(jù)有關(guān)資料介紹，在澳大利亞甚至用其開采鐵礦石.意大利用“碎巖金剛”采礦機石灰石.2008年印度露天煤炭產(chǎn)量的1 億1 千萬噸采用維特根采礦機工藝，全印度約50%露天采煤產(chǎn)量由51 臺套不同規(guī)格的維特根采礦機開采出。在昆明長水機場旁邊的石灰礦用威猛地平王。露天采礦機消耗的是柴油，而不是在T 國昂貴的炸藥。柴油的單價世界上都差不多。選用柴油做動力，跟穿爆定額差不多?！芭c傳統(tǒng)的爆破方式相比，筆者們的工時減少了，而且，每開采1m3的石灰礦石，還可以節(jié)約1 美元的成本”[4]。

在露天采礦機中，威猛地平王，滾筒以‘自上而下’的旋轉(zhuǎn)方式，巧妙地借助了其自重，以更強勁的沖擊力截碎巖石，從而使巖石適用范圍更廣，地平王可用于最高至200Mpa硬度的巖石切削作業(yè)。根據(jù)《地質(zhì)報告》，巖石的堅固性系f ≦5.49。威猛地平王實現(xiàn)了真正的無爆破、精益開采的效果。它具有的自上而下的切削技術(shù)，使刀齒在不損害設(shè)備牽引力的前提下獲得切削力。對于露天采礦機的開采成本有4～10 元/噸，主要是與巖石的裂隙有關(guān)。裂隙多，成本就低。本處按照平均7.6 元/噸。巖石密度取2.4。

對于個別巖石裂隙少完整性好的巖石，可以采用松動爆破，或者采用巖石劈裂機。小型劈裂機單機劈裂力度可到880噸。大型機載式分裂機主要用于各大礦山的開采大理石、花崗巖、砂巖等名貴采石場的荒料開采、大壩、水電站水工建筑、橋墩等或者是其他用途中對工作效率要求比較高的地方。巖石/混凝土破碎劈裂機特點：分裂過程中無振動，無沖擊，無噪音，無粉塵，數(shù)秒內(nèi)即可完成分裂任務。

4.2 采用管狀皮帶運輸

機器行走和滾筒方向一致，滾筒刀齒作用于礦料表面，從接觸開始，刀齒自上而下的運動軌跡就會切削出均勻尺寸的一切物料。自上而下的切削方式對于硬巖切削效果更佳顯著，優(yōu)于其他設(shè)備自下而上的切削方式。切削深度可以通過GPS 或激光系統(tǒng)來完成，從而形成一個平整的工作面，提高了物料裝在和運輸?shù)男?。“威猛地平王采用獨一無二的‘自頂向下’切割技術(shù)，能一步到位地將物料截割成152～203mm，礦料粒度可由調(diào)整滾筒切削來控制。相比穿孔，爆破而言，礦料處理更為高效，大幅降低了對初級破碎的要求。非常適合使用管狀皮帶運輸”。采用免爆破工藝，不會因放炮而破壞。能實現(xiàn)柔性布置設(shè)計，可以實現(xiàn)小半徑三維空間轉(zhuǎn)彎，避免了中間轉(zhuǎn)運站的設(shè)立和相應輔助設(shè)備的投資和維護費用。特別適合于空間比較狹小或者有障礙物等復雜環(huán)境下的輸送線路建設(shè)，縮短了輸送距離，從而降低工程的總造價。能實現(xiàn)大傾角輸送，普通槽形帶式輸送機提升角度最大只能達到18°左右，而圓管帶式輸送機由于輸送帶將物料圍包在管內(nèi)輸送，增大了物料與輸送帶之間的摩擦力，輸送角度可以進一步提高。目前已投入應用的圓管帶式輸送機最大可以達到30°傾斜輸送。管狀皮帶機的運輸能力大，皮帶機的運輸成本只是汽車運輸成本的1/3 是不爭的事實。

4.3 從下往上采解決環(huán)保問題

這是一個凹陷型露天礦，煤層傾角6-8 度。采礦工藝采用露天采礦機碎巖石、鏟運機跟隨采礦機分別裝運碎石和煤炭運到管狀皮帶機的尾部裝載口卸入。經(jīng)皮帶遇到地面排土場。從地表最終境界露頭1（+1030m）向+850m 標高的煤富集區(qū)，坡度6～8°和3（+1000m）以30°的坡度向境地邊界2 施工開拓溝。采用露頭1 處和底部2 處同時開采的方式，利于開采成本的均衡。1 處廢石就近向4 排土場外排，覆土后成可耕地；2 處的廢石向排土場5 外排。當2 處形成內(nèi)排空間，廢石就近填平采空區(qū)?？涌诨痣姀S及煉鋼廠用不完的廢渣，填入采空區(qū)，覆土后也成為可耕地。采空區(qū)的回填，對邊坡起到支撐的作用，阻止了邊幫的崩塌危險。利用采礦機碎巖成本低和管狀皮帶運輸成本的的特點進一步擴大開采范圍。

4.4 擴大開采范圍

《地質(zhì)報告》表明，露采區(qū)探明111b+122b+333 類資源/儲量1367 萬噸，占總量的3%（計算至+950m）。中國的露天煤礦一般都開采中厚至巨厚煤層.因而爆破炸飛混入廢渣的煤一般在5%.回收率一般在95%.對于薄煤層，中國礦大與神華集團的研究結(jié)果如果采用爆破工藝，回收率在76%，則露天開采區(qū)域可以采出1367*0.76=1038.92 萬噸，按照120 萬噸/年的規(guī)模，考慮1.2 的備用系數(shù)，可以服務1038.92/（120*1.2）=7.2年。意味著7.2年后需要有個年產(chǎn)300 萬噸的井工煤礦接續(xù)[5]。

通過以上的論證，可以把露天開采范圍擴大從+950m擴大到+850m，資源量從1360 萬噸擴大到4600 萬噸。按照180 萬噸/年的規(guī)模，可以生產(chǎn)20年。

4.5 其他優(yōu)點

4.5.1 分采分選和提高礦石質(zhì)量

當煤層中存在0.3～1 米的矸石時，爆破工藝將巖石混入煤層中，降低了產(chǎn)品質(zhì)量，增加了對廢石的無效運輸。采用露天采礦機，能夠以0.2～0.65 米的可調(diào)采高對煤炭和巖石進行截割，就相當于刨子.截割下的料通過采礦機上的皮帶直接輸入跟隨的汽車.采到煤炭就裝入煤炭車，采到巖石就裝入巖石渣車。

4.5.2 大大增強了安全可靠性.

炸藥是危險性物質(zhì)，爆破的飛石，爆破對邊幫巖石的損壞，導致采場滑坡崩落，給人員及設(shè)備造成威脅。邊坡沒有受到爆破的震動，增強了安全性。采用露天采礦機開采的邊坡，沒有受到爆破震動，邊坡比較完整。

4.5.3 便于管理

由于不再購買鉆機、挖掘機，大大減少礦用汽車，人員大量減少。特別是不允許放炮，便于安全管理。采礦機從筑路機發(fā)展而來，因而還可以修路。

5 結(jié)語

通過以上的論述，采用傳統(tǒng)的爆破+汽車運輸工藝，開采成本高于井工煤礦，而采用硬巖采礦機的免爆+皮帶運輸機開采工藝，成本只是傳統(tǒng)爆破工藝的62%，低于井工煤礦開采成本。因而可以擴大露天開采范圍，滿足合同規(guī)定的20年期限所需煤量?？梢员苊饨ňっ旱V。井工煤礦投資大、建設(shè)工期長、安全風險大，投資回報率低?！犊裳袌蟾妗酚嬎愕牡V井項目總投資635450.26 千美元，按美元兌換人民幣1：6.5 計算，41.3 億元。如果采用免爆+管狀皮帶機工藝，噸煤投資300 元，按照180 萬噸/年的規(guī)模，投資5.4 億元。節(jié)省投資35.9 人民幣億元。降低投資風險，降低運營成本，環(huán)保又安全。