分期分區(qū)陡幫開采工藝在SICOMINES銅鈷礦的應(yīng)用

文振明 王 鵬

(中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

SICOMINES銅鈷礦項(xiàng)目位于非洲剛果(金)加丹加省，礦石儲(chǔ)量2.5 億t，銅品位3.47%，鈷品位0.213%，銅金屬量868 萬t，鈷金屬量54 萬t。礦石儲(chǔ)量巨大，礦石品位高，是世界級(jí)特大銅鈷礦山[1]。整個(gè)項(xiàng)目囊括了露天礦山開采、選礦廠和冶煉廠建設(shè)三大項(xiàng)目。最終將形成銅礦石采礦、選礦生產(chǎn)礦石總規(guī)模為910 萬t/a，冶煉生產(chǎn)陰極銅25 萬t/a、粗制氫氧化鈷5 180 t/a綜合冶煉生產(chǎn)能力。

礦山雖然礦石質(zhì)量好、品位高，但是開采條件復(fù)雜、難度高，礦體傾角較緩、不屬于厚大礦體，礦體埋藏深，覆蓋層厚，且礦山處于河道內(nèi)，礦區(qū)水文地質(zhì)條件及工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜。在多種不利因素的情況下，礦山按傳統(tǒng)的全境界緩幫工藝開采，存在礦山前期基建時(shí)間過長、投入巨大，資金風(fēng)險(xiǎn)較高等問題。

針對礦山所存在的問題，本文提出以優(yōu)化采礦工藝為重點(diǎn)，解決前期剝巖量過高、投資過大問題的總體設(shè)計(jì)思路和方針，采用分期建設(shè)、分步實(shí)施、滾動(dòng)發(fā)展的策略，對SICOMINES銅鈷礦采用分期、分區(qū)、傾斜分條陡幫開采工藝。

1 SICOMINES銅鈷礦概況

1.1 礦山概況

由中國中鐵、中國電建等組成的中方企業(yè)集團(tuán)與剛果(金)政府按照“資源財(cái)政化合作模式”，雙方共同成立合資公司。SICOMINES銅鈷礦是該公司開發(fā)礦山資源的核心和基礎(chǔ)。礦區(qū)位于剛果(金)加丹加省科盧韋齊市西南方向20 km，SICOMINES銅鈷礦為已采礦山，從上世紀(jì)70年代初由歐美礦業(yè)公司開采，開采20年后至上世紀(jì)90年代中期又被迫停產(chǎn)，區(qū)內(nèi)已形成兩個(gè)大型采坑并積水，兩采坑總水量近1.2 億m3[2,3]。

1.2 礦山地質(zhì)

SICOMINES銅鈷礦區(qū)位于非洲中部，剛果盆地南部外側(cè)與加丹加高原接壤部位，屬于加丹加西部的“外部褶皺推覆構(gòu)造帶”北緣 。區(qū)域內(nèi)古老基底為加丹加巖系，是聞名于世的剛果(金)-贊比亞銅鈷礦帶。

SICOMINES銅鈷礦區(qū)出露地層比較簡單，屬于多成因多重控制的層狀特大型銅鈷礦床。

礦區(qū)范圍內(nèi)圈定出主銅礦體2條，其他較小銅礦體83條、鈷礦體117條。其中Cu1、Cu2號(hào)礦體是主礦體，Cu1、Cu2號(hào)礦體的銅資源/儲(chǔ)量之和占總資源/儲(chǔ)量的約95%。礦體產(chǎn)狀為沿南北方向，受向斜構(gòu)造控制，沿東西向上呈波浪狀起伏，傾角變化于10°～55°，局部近于直立。礦體連續(xù)性好，礦體東西向?qū)捈s2 700 m，南北向?qū)捈s2 000 m，礦體平均厚度35 m。SICOMINES銅鈷礦保有銅礦石121b+122b+333礦石量2.5 億t[4]，銅品位3.47%，鈷品位0.215%，銅金屬量860 萬t，鈷金屬量53.7 萬t。

礦體形態(tài)較為規(guī)整、資源儲(chǔ)量較大，且礦石品位高。但是礦體賦存較緩為緩傾斜、中厚礦體，不屬于厚大礦體，礦體埋藏深，上部覆蓋層厚，中間部位礦石覆蓋層最厚達(dá)300 m。礦體典型剖面圖，見圖1。

圖1 礦體地質(zhì)剖面圖

1.3 開采技術(shù)條件

1.3.1 礦區(qū)水文地質(zhì)

礦區(qū)處Luilu舊河道內(nèi)，含水層為多層結(jié)構(gòu)，透水性不均一。地下水補(bǔ)給主要為大氣降水滲入補(bǔ)給、區(qū)域地下水側(cè)向補(bǔ)給和地表水滲漏補(bǔ)給。礦區(qū)內(nèi)以往開采形成的露天采場切穿主要含水層并大量集水，采場積水增加礦山疏干排水難度。綜上所述，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

1.3.2 礦床工程地質(zhì)

礦區(qū)位于科盧韋齊(Kolwezi)推覆體中，原巖為白云巖、頁巖、粘土巖、砂巖等。由于母巖的成分及變質(zhì)程度不同，導(dǎo)致巖層軟硬不同。當(dāng)白云質(zhì)和硅質(zhì)含量多時(shí)，巖石較硬，當(dāng)泥質(zhì)、砂質(zhì)含量較多時(shí)巖石較軟。當(dāng)巖石變質(zhì)較深時(shí)則較硬，當(dāng)變質(zhì)較淺時(shí)則較軟。地層在褶皺過程中，應(yīng)力會(huì)在軟層集中，造成軟層更加破碎，同時(shí)有層間錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生。DIKULUWE傾伏斜是一個(gè)像牛角，帶有弧形，因此斷層也很發(fā)育，不包括層向錯(cuò)動(dòng)，已發(fā)現(xiàn)的斷層有10多條。III級(jí)IV級(jí)結(jié)構(gòu)面也很發(fā)育。從地質(zhì)條件的復(fù)雜程度對邊坡分類，該礦區(qū)屬復(fù)雜-很復(fù)雜型。

1.4 露天開采境界

1)露天開采境界的確定。設(shè)計(jì)采用SURPAC建立了SICOMINES礦區(qū)三維數(shù)字模型，并依據(jù)現(xiàn)狀圖作為設(shè)計(jì)境界優(yōu)化的基礎(chǔ)，利用Whittle-4X境界優(yōu)化軟件圈定了一組35個(gè)境界方案，得到由35個(gè)不同的境界組成的境界序列。通過對上述境界進(jìn)行分析，綜合分析經(jīng)濟(jì)效益及服務(wù)年限等因素，選擇第27號(hào)境界為開采的一次境界，并結(jié)合采場現(xiàn)狀圖，采用人機(jī)對話的方式，對局部境界進(jìn)行修整，布置礦巖開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，最終形成露天開采終了境界。

2)露天開采終了境界內(nèi)礦石量1.65 億t，巖石量15.2 億t，平均剝采比9.21 t/t。露天境界由西至東形成2個(gè)露天底，西部露天底標(biāo)高為990 m，東部露天底標(biāo)高為1 100 m，見圖2。

圖2 露天開采最終境界圖

2 分期、分區(qū)開采

2.1 分期、分區(qū)開采的必要性

SICOMINES銅鈷礦最終開采境界內(nèi)礦石量較大，開采年限也較長，通過對最終開采境界分層礦巖量表進(jìn)行分析(最終開采境界內(nèi)礦巖量累計(jì)統(tǒng)計(jì)見圖3)，1 275 m以上礦石累計(jì)只有777.2 萬t，占境界內(nèi)礦石總量4.7%，而1 275 m以上巖石累計(jì)7.37 億t，占境界內(nèi)巖石總量48.6%。因此境界內(nèi)巖量主要集中在上部，如采用全境界開采，勢必造成礦山初期基建剝離量大、生產(chǎn)剝采比高，投、達(dá)產(chǎn)時(shí)間長。且礦區(qū)水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，礦區(qū)巖石力學(xué)性質(zhì)一般，巖石穩(wěn)定性差，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，礦山當(dāng)?shù)仉娏?yīng)緊缺。采用分期、分區(qū)開采可減少初期基建剝離量，降低初期投資，以解決建設(shè)資金暫時(shí)短缺問題和投資風(fēng)險(xiǎn)，特別對SICOMINES銅鈷礦在國外投資的礦山項(xiàng)目分期、分區(qū)開采是十分必要的。

圖3 終了境界內(nèi)臺(tái)階礦巖量累計(jì)統(tǒng)計(jì)圖

2.2 分區(qū)、分期開采在SICOMINES銅鈷礦的應(yīng)用

SICOMINES銅鈷礦分區(qū)、分期開采，選擇礦體賦存條件好，上覆巖層厚度小，品位高的部位作為首采區(qū)，將礦山分為兩期建設(shè)，一期規(guī)模455 萬t/a，后期逐步擴(kuò)建至910 萬t/a的二期規(guī)模。一方面減少前期投資，另一方面通過優(yōu)化采礦工藝，早見礦，早達(dá)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)“以礦養(yǎng)礦”目標(biāo)，降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

1)分期境界選擇原則

礦山前期基建剝離量小、基建投資少；投產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)快，可盡快把資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；首采區(qū)境界內(nèi)礦量滿足礦山一定服務(wù)年限的同時(shí)，能夠保證首采區(qū)境界與最終境界順利過渡。

2)分區(qū)、分期境界選擇

Whittle-4X境界優(yōu)化軟件根據(jù)不同售價(jià)系數(shù)圈定35個(gè)境界方案最外輪廓線如圖4，其中27號(hào)境界為選定的最終境界。通過對境界優(yōu)化結(jié)果的分析，11號(hào)境界相對10號(hào)境界礦量大幅增加，但巖量增加幅度更大，境界內(nèi)平均剝采比也急劇增加?？紤]到10號(hào)境界礦巖平均剝采比低，且境界內(nèi)礦量能滿足一期開采服務(wù)年限在15年左右，設(shè)計(jì)確定以10號(hào)境界為基礎(chǔ)，并考慮礦、巖運(yùn)輸系統(tǒng)布置，形成露天開采一期境界(分東、西兩個(gè)露天開采境界)。相對于露天開采最終境界，將最終境界北部和東、西兩個(gè)境界之間巖石覆蓋層較厚的區(qū)域留待后期開采，盡量減少一期境界內(nèi)巖石量。

圖4 不同系數(shù)境界外輪廓圖

按選定的邊坡、境界參數(shù)設(shè)計(jì)一期開采境界，分為東、西兩個(gè)境界。西區(qū)境界最低標(biāo)高為1 110 m，最高標(biāo)高1 440 m，境界上口尺寸為1 950 m×1 040 m，平均剝采比為8.15 t/t。東區(qū)境界最低標(biāo)高為1 230 m，最高標(biāo)高1 440 m，境界上口尺寸為1 200 m×1 000 m，平均剝采比為7.92 t/t。一期露天開采西區(qū)和東區(qū)境界內(nèi)礦石量合計(jì)5 085 萬 t，巖石量合計(jì)40 280 萬t，平均剝采比7.92 t/t，與終了境界相比，平均剝采比降低了1.29 t/t。

2.3 礦山一期向二期擴(kuò)幫過渡

1)擴(kuò)幫時(shí)機(jī)

SICOMINES銅鈷礦項(xiàng)目開展時(shí)，受當(dāng)時(shí)銀行資金提供條件和剛果(金)當(dāng)?shù)毓╇娭萍s，按照原有規(guī)劃當(dāng)一期露天境界服務(wù)到第8年時(shí)，安排礦山開始由一期向二期(礦石規(guī)模910 萬t/a)擴(kuò)幫過渡開采。但鑒于市場銅價(jià)格走勢較好，一期礦山效益較好，業(yè)主資金充沛，且水電站項(xiàng)目已經(jīng)提前開工建設(shè)，水電站投入使用后二期采、選、冶生產(chǎn)將不再受電力制約。

因此二期設(shè)計(jì)從第6年開始由一期向二期擴(kuò)幫過渡，盡快達(dá)到二期910 萬t/a的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)礦山的規(guī)模效益。

2)擴(kuò)幫首采區(qū)域的選擇

通過對地質(zhì)分層平面圖進(jìn)行分析，一期境界外賦存標(biāo)高較高的礦量主要存在于一期境界兩個(gè)采坑之間南部部位，為此設(shè)計(jì)安排將兩個(gè)采坑中間部位及南部區(qū)域作為擴(kuò)幫首采區(qū)域，一方面可通過擴(kuò)幫早日見礦，盡快過渡到910 萬t/a規(guī)模；其次該部位開采能盡早將兩個(gè)采坑合并到一個(gè)境界內(nèi)，便于礦山生產(chǎn)管理，同時(shí)為整個(gè)礦山礦巖開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置創(chuàng)造有利條件。

2.4 陡幫開采工藝

礦山生產(chǎn)首先在一期兩個(gè)境界內(nèi)進(jìn)行，依然存在礦量主要賦存在下部、巖量主要集中在境界上部的問題，對兩個(gè)露天境界采用傾斜分條陡幫開采方式進(jìn)行開采。

應(yīng)用陡幫開采工藝，將SICOMINES銅鈷礦一期境界分為上部剝離區(qū)和下部采礦區(qū)。采礦區(qū)在采場下部，以較寬工作平臺(tái)緩幫進(jìn)行采礦。剝巖區(qū)則在采場上部。最小工作平臺(tái)寬度60 m，工作臺(tái)階坡面角65°，主要采礦臺(tái)階數(shù)為2～3個(gè)。

3 分期、分區(qū)、陡幫開采評(píng)價(jià)

3.1 分期、分區(qū)、陡幫開采的主要優(yōu)點(diǎn)

1)當(dāng)覆蓋巖層較厚時(shí)，分期開采可以減少礦山初期基建剝離量，降低初期投資，縮短建設(shè)周期，實(shí)現(xiàn)早投產(chǎn)、早達(dá)產(chǎn)[5]；

2)實(shí)行由小規(guī)模到大規(guī)模的分期開采，而后逐步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，可以使資源優(yōu)勢盡早轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)“以礦養(yǎng)礦”的模式，降低投資風(fēng)險(xiǎn)[6]；

3)可推遲大量巖石的剝離，降低礦山生產(chǎn)剝采比，特別是前期生產(chǎn)剝采比，有利于生產(chǎn)剝采比的均衡，有利于調(diào)節(jié)剝離洪峰；

4)分期開采前期在臨時(shí)境界內(nèi)開采，后期再形成最終境界?？梢杂行七t最終邊坡的形成時(shí)間，有利于最終邊坡的穩(wěn)定。同時(shí)可推遲邊坡形成，利于邊坡調(diào)整和最終邊坡角的優(yōu)化；

5)各分區(qū)相互獨(dú)立，可調(diào)節(jié)生產(chǎn)能力,特別是對于需要分采分運(yùn)，且具有不同的選冶工藝的有色礦山，多工作面采礦利于配礦；

6)采用陡幫開采可靈活調(diào)節(jié)各分區(qū)間的分期關(guān)系，分區(qū)開采可以盡快實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，減少外排土場占地；

7)當(dāng)?shù)V床儲(chǔ)量規(guī)模很大，礦山服務(wù)年限長，最終境界幾十年以后才能形成，采用分期開采，可根據(jù)產(chǎn)品市場價(jià)格的情況調(diào)整開采方案，從而降低經(jīng)濟(jì)損失；

8)可實(shí)現(xiàn)礦山總體凈現(xiàn)值增加，獲得好的經(jīng)濟(jì)效益，特別是礦山初期的經(jīng)濟(jì)效益更好。

3.2 分期、分區(qū)、陡幫開采的注意事項(xiàng)

1)開拓工藝布置困難，需要兼顧一期、二期不同部位不同標(biāo)高，不同時(shí)期的礦巖運(yùn)輸；

2)要求設(shè)備選擇適合陡幫分區(qū)開采，要求設(shè)備行走調(diào)動(dòng)方便；

3)需要提前做好向二期過渡技術(shù)和設(shè)備資源的準(zhǔn)備工作，避免過渡期生產(chǎn)能力的降低，如果擴(kuò)幫過渡工作滯后，會(huì)導(dǎo)致采場總生產(chǎn)能力下降，影響后續(xù)采選實(shí)際生產(chǎn)能力，造成規(guī)模效益的損失；

4)對現(xiàn)場生產(chǎn)管理要求更高。分期、分區(qū)、陡幫開采時(shí)，實(shí)際生產(chǎn)在編制月度計(jì)劃時(shí)，不但要均衡礦石的量，而且要考慮出礦和剝巖部位的均衡。實(shí)際生產(chǎn)要嚴(yán)格按照安排的擴(kuò)幫過渡時(shí)間執(zhí)行。

4 結(jié)語

按分期、分區(qū)、陡幫開采分區(qū)工藝，對SICOMINES 銅鈷礦重新進(jìn)行開采規(guī)劃，前5年剝巖量合計(jì)減少2.3 億t，少帶礦只有30 萬t。基建剝巖直接投資一項(xiàng)就減少約5 億美元。生產(chǎn)剝采比由原13.6 t/t降低至12 t/t，每年減少剝巖量1 456 萬t，降低了露天開采前期生產(chǎn)剝采比，剝采比相對較均衡。礦山2015年一期工程投產(chǎn)，2016年一期達(dá)產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)凈利潤8 449 萬美元，2017年凈利潤突破20 億元人民幣。2017年，一期工程獲評(píng)中國中鐵“十大海外典范工程”榮譽(yù)稱號(hào)，同年獲評(píng)中國建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)(境外工程)。分期分區(qū)陡幫開采是較為適合SICOMINES 銅鈷礦的開采技術(shù)，也是今后國內(nèi)外露天開采技術(shù)的發(fā)展趨勢。