某鋁土礦露天開(kāi)采工藝比選探討

張名中

(中鐵十局集團(tuán)有限公司北京礦業(yè)工程分公司， 北京 100010)

0 引言

西非某國(guó)資源豐富，有“地質(zhì)奇跡”之稱。鋁礬土儲(chǔ)量約為400億t，已探明儲(chǔ)量為290多億t，占世界已探明儲(chǔ)量的30%，居世界第一位，其品位高達(dá)58%～62%。積極開(kāi)發(fā)利用海外鋁土礦，是我國(guó)鋁工業(yè)持續(xù)發(fā)展和“一帶一路”倡議的需要，而大型鋁土礦山開(kāi)采過(guò)程中，采礦工藝的選擇是礦山設(shè)計(jì)工作的核心，一經(jīng)確定，將直接影響礦山的投資和生產(chǎn)，進(jìn)而影響礦山企業(yè)效益[1]。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者針對(duì)露天采礦機(jī)工藝展開(kāi)了詳細(xì)研究。黃毅等[2]根據(jù)某鋁土礦的賦存特性，對(duì)比研究了常規(guī)爆破和非爆破露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝特點(diǎn)，并對(duì)S、L、T型3種露天采礦機(jī)工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選，對(duì)我國(guó)露天鋁土礦開(kāi)采具有參考意義；昌珺等[3]根據(jù)某紅土型露天鋁土礦條件，提出了推土機(jī)、穿孔爆破、露天采礦機(jī)以及組合開(kāi)采工藝，并從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面分析優(yōu)選了開(kāi)采工藝方案，進(jìn)而確定開(kāi)采程序；高亞飛等[4]對(duì)露天采礦機(jī)不同的集料和裝載方式進(jìn)行了詳細(xì)比較分析，探討了3種裝料方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)澳大利亞以及幾內(nèi)亞礦山實(shí)際采用的裝料方式進(jìn)行調(diào)研分析，得出了科學(xué)實(shí)用的結(jié)論；范正祥[5]分析了露天采礦工藝在露天煤礦中的應(yīng)用，并與選定的單斗卡車工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果表明，露天采礦機(jī)工藝具有簡(jiǎn)化生產(chǎn)管理，經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)勢(shì)，為露天煤礦開(kāi)采工藝選擇提供了新思路。

本文根據(jù)某大型鋁土礦山的地質(zhì)資料分析，綜合國(guó)內(nèi)外此類礦山實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提出了3種科學(xué)可行的開(kāi)采工藝，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，得到了適合該礦山的最優(yōu)方案，并確定了開(kāi)采工藝設(shè)備和開(kāi)采程序。

1 工程概況

某大型鋁土礦山位于西非某國(guó)西部沿海丘陵區(qū)，礦區(qū)范圍為東西長(zhǎng)約15 km、南北寬約10 km的規(guī)則區(qū)塊，總面積約160 km2。礦區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候，一年分為雨季和旱季兩季，6月下旬至10月上旬為雨季，其中8月份降雨量最大。礦區(qū)內(nèi)最高海拔標(biāo)高為460 m，最低海拔標(biāo)高為170 m，最大相對(duì)高差290 m，地形坡度小于20°，一般在5°～10°之間。礦區(qū)內(nèi)共有4個(gè)礦體，礦體間溝壑深度為100～160 m，有利于大氣降水的徑流與排泄。礦區(qū)內(nèi)有大面積的平坦地形，坡度一般小于5°，有利于露天開(kāi)采。

該國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后，除砂子、碎石、一般木材可從當(dāng)?shù)刈圆扇〉猛猓枳詡浒l(fā)電機(jī)組，就地打深井供水，自行建設(shè)油庫(kù)及加油站以及自建機(jī)修汽修設(shè)施。礦區(qū)地層自上而下分別為表土層、鐵帽層、鋁土礦層、下紅土層和黏土層。礦石品位地表往下由低到高，呈層狀分布。

2 工藝選擇

2.1 原則

開(kāi)采工藝選擇一是要遵循市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)原則，力求投資少、成本低、效益好，尤其要突出初期的經(jīng)濟(jì)效益；二是要與露天礦建設(shè)規(guī)模相適應(yīng)，并兼顧長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展；三是要結(jié)合本礦的開(kāi)采技術(shù)條件，并具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性；四是要具有先進(jìn)性，能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效，以贏得最佳的經(jīng)濟(jì)效益；五是要適應(yīng)本地區(qū)的夏季酷熱氣候條件以及所開(kāi)采的鋁土礦巖物理力學(xué)性質(zhì)。該礦采礦規(guī)模15.0 Mt/a，屬于大型露采礦山，針對(duì)該礦具體的礦層賦存條件和外部生產(chǎn)條件，采用機(jī)動(dòng)靈活的采剝工藝，提出了單斗卡車間斷開(kāi)采工藝、露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝以及地平王開(kāi)采工藝3種技術(shù)可行的開(kāi)采工藝進(jìn)行比較。

2.2 開(kāi)采工藝比較

2.2.1 單斗卡車開(kāi)采工藝

該工藝（見(jiàn)圖1）屬于傳統(tǒng)開(kāi)采工藝，具有拉溝長(zhǎng)度短，基建工程量小，建設(shè)速度快的特點(diǎn)；工作線長(zhǎng)度短，易于分區(qū)開(kāi)采，初期生產(chǎn)剝采比小，投資低；運(yùn)輸設(shè)備爬坡能力大，機(jī)動(dòng)靈活，適合復(fù)雜地形的礦山開(kāi)采，礦山生產(chǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單；生產(chǎn)設(shè)備性能可靠，具有成熟的礦山管理經(jīng)驗(yàn)；容易向其他工藝過(guò)渡和發(fā)展，可以隨時(shí)增加投入設(shè)備而擴(kuò)大規(guī)模。其缺點(diǎn)是：需爆破后液壓挖掘機(jī)才能采裝，增加了穿爆環(huán)節(jié)，增加開(kāi)采成本。

圖1 單斗卡車

2.2.2 露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝

該工藝（見(jiàn)圖2）集切削、破碎及裝載于一體，整個(gè)過(guò)程一次性完成，簡(jiǎn)化了采礦工藝。與傳統(tǒng)采礦工藝相比，投資更低，提高工作效率，降低施工成本，減少穿爆環(huán)節(jié)，避免了穿爆作業(yè)對(duì)周邊環(huán)境的影響；其中露天采礦機(jī)最低可采厚度為10 cm，提高資源回收率，剔除更多矸石，提高礦石品位；物料粒度均勻，粒度基本在60 cm以下，無(wú)需初級(jí)破碎，可直接采用輸送帶運(yùn)輸；可直接切削出平整或有坡度的工作面或者路面；卸料方式多樣，分皮帶卸料方式、堆料帶方式及料帶方式，便于與下一道裝載或運(yùn)輸方式銜接。其缺點(diǎn)主要有：要求施工場(chǎng)地長(zhǎng)而寬且平整，要求施工場(chǎng)地長(zhǎng)、寬必須大于2倍的設(shè)備轉(zhuǎn)彎半徑，施工前，必須清除表層土、大塊松散的石頭、雜樹(shù)及樹(shù)根、坑凹、鼓包及高于40 cm的臺(tái)肩；在施工末端，約有3倍轉(zhuǎn)彎半徑大的區(qū)域開(kāi)采不到，需其他輔助設(shè)備后續(xù)開(kāi)采；在有縱橫坡度的工作面切削，不僅影響機(jī)器的穩(wěn)定性，還會(huì)降低機(jī)器的產(chǎn)量。采用料帶方式卸料時(shí)，能夠在坡度約8%的橫坡上施工；當(dāng)橫坡度超過(guò)8%，需采用水平開(kāi)采或小角度開(kāi)采方式，施工區(qū)域應(yīng)該以臺(tái)階式開(kāi)采施工。

圖2 露天采礦機(jī)

2.2.3 地平王開(kāi)采工藝

該工藝（見(jiàn)圖3）的特點(diǎn)與露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝基本一致，此外，其優(yōu)點(diǎn)為：地平王切入深度為0～60 cm，提高了資源回收率，能剔除更多矸石，提高了礦石品位；物料粒度均勻，所用切入深度為30 cm，可最大限度提高生產(chǎn)速度、減小切削齒和齒座的磨損，所得物料粒度均為20 cm以下；機(jī)器操作性能好，重心低，機(jī)動(dòng)靈活，設(shè)備原地轉(zhuǎn)彎時(shí)間不超過(guò)30 s，可在20°坡面上有效作業(yè)，并且沒(méi)有死角；提供定制服務(wù)，根據(jù)巖石硬度、研磨系數(shù)、巖石類型及容重等指標(biāo)，工程人員通過(guò)計(jì)算軟件分析，可得到每小時(shí)固定和可變費(fèi)用值，包括了購(gòu)買價(jià)格，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用以及運(yùn)行成本，還可以得到每方或每噸成本。其主要缺點(diǎn)有：裝載及工作面整平環(huán)節(jié)，需要裝載機(jī)配合，增加裝車成本。

圖3 地平王

2.3 工藝選擇

對(duì)3種開(kāi)采工藝進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析可知，單斗卡車、露天采礦機(jī)及地平王3種開(kāi)采工藝的技術(shù)都可行，其中，露天采礦機(jī)-卡車開(kāi)采工藝和地平王-裝載機(jī)-卡車開(kāi)采工藝是目前國(guó)內(nèi)露天礦新引進(jìn)的開(kāi)采工藝，露天采礦機(jī)-卡車開(kāi)采工藝對(duì)場(chǎng)地的要求比較嚴(yán)格，需要平坦及寬敞的作業(yè)面，但設(shè)備使用效率高，不需要推土機(jī)聚堆作業(yè)。整體上，該工藝不需鉆孔和爆破，簡(jiǎn)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，效率更高，所產(chǎn)生的噪音、灰塵和振動(dòng)也顯著減少，對(duì)環(huán)境更友好，同時(shí)減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)備和人員，投資更少，運(yùn)營(yíng)成本低，另外，該工藝回采率高，且能精確切削平整的坡面和表面，安全性更高。通過(guò)該國(guó)類似礦區(qū)的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝比單斗卡車和地平王開(kāi)采工藝具有更大的優(yōu)越性，無(wú)需爆破和破碎。

針對(duì)該鋁土礦建設(shè)規(guī)模、生產(chǎn)條件及開(kāi)采工藝，綜合比較各方案生產(chǎn)設(shè)備投入費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)成本費(fèi)用及投資合計(jì)，開(kāi)采經(jīng)濟(jì)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 各開(kāi)采工藝經(jīng)濟(jì)比較 元

由表1可知，方案1總投資最高，方案2總投資最小，運(yùn)營(yíng)成本方案2最小，方案3最大?？傮w經(jīng)濟(jì)效果方案2最優(yōu)，方案3次之，方案1最差。因此，從經(jīng)濟(jì)性比較方案2露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝最優(yōu)。

針對(duì)該礦山地質(zhì)情況以及類似礦山生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦采用露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝。露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)選用采剝工程設(shè)備維特根露天采礦機(jī)2500SM，履帶推土機(jī)580HP，前裝機(jī)5 m3，運(yùn)輸設(shè)備為50 t自卸卡車，排土設(shè)備為輪式推土機(jī)220HP，除此之外，還配有壓路機(jī)、灑水車、平路機(jī)、加油車以及液壓挖掘機(jī)等輔助設(shè)備。

3 開(kāi)采程序及開(kāi)采方法

3.1 開(kāi)采程序

開(kāi)采范圍內(nèi)要求采出的礦體Al2O3品位在40%以上，同時(shí)品位在35%～40%的低品位礦石也應(yīng)盡量采出，堆置在開(kāi)采結(jié)束后的采空區(qū)，便于以后需要時(shí)再開(kāi)采。開(kāi)采時(shí)，剝離超前采礦距離至少大于50 m。上部地表植被、腐殖土及第四系由推土機(jī)清理，單獨(dú)堆放。下部剝離物及礦石由露天采礦機(jī)切削、前裝機(jī)裝車及自卸卡車運(yùn)輸，無(wú)爆破作業(yè)。露天采礦機(jī)工作時(shí)采用逐層開(kāi)采的方式，每層采剝厚度約為0.4～0.5 m，在采區(qū)一側(cè)合適位置沿直線拉溝，向另一側(cè)擴(kuò)幫，留出一定寬度后，在下一分層拉溝、擴(kuò)幫，以此類推，先剝離上覆鐵帽，再開(kāi)采低品位礦石（40%以下），最后開(kāi)采高品位礦石（40%以上）直至開(kāi)采至高品位礦底板，而后不斷向另一側(cè)水平推進(jìn)，直到采區(qū)到界，進(jìn)行下一采區(qū)開(kāi)采。

3.2 開(kāi)采方法

根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)勘探鉆孔或探井，提前取樣化驗(yàn)，做好采區(qū)邊界控制，掌握開(kāi)采區(qū)域范圍內(nèi)高低品位礦層賦存情況，指導(dǎo)生產(chǎn)組織、剔除夾石和摻配高低品位礦石。采用露天采礦機(jī)采剝，露天采礦機(jī)最低可采厚度為10 cm，回采更多資源，剔除更多矸石，提高礦石品位。廢石剝離物采用露天采礦機(jī)剝離出的鐵帽層和夾石由自卸卡車運(yùn)至排土場(chǎng)排棄。外排土場(chǎng)選擇在鄰近地勢(shì)較低的山谷處，位于礦體范圍以外。具備內(nèi)排后，廢石剝離物排棄至采空區(qū)。露天采礦機(jī)采出的低品位礦由自卸卡車運(yùn)輸堆放在礦體范圍內(nèi)或采空區(qū)，便于以后需要時(shí)再行開(kāi)采。露天采礦機(jī)采出的高品位礦運(yùn)往港口堆場(chǎng)，在堆場(chǎng)進(jìn)行配礦后，裝船外運(yùn)。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)露天礦區(qū)開(kāi)采技術(shù)條件，提出了 3種開(kāi)采工藝，并對(duì)各工藝特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)合類似礦區(qū)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，推薦采用露天采礦機(jī)開(kāi)采工藝方案。

（2）基于優(yōu)選開(kāi)采工藝，確定了露天開(kāi)采工藝配套主要采剝運(yùn)設(shè)備選用2500SM露天采礦機(jī)履帶推土機(jī)、5 m3前裝機(jī)和50 t自卸卡車580HP以及輔助設(shè)備。

（3）確定了露天采礦機(jī)工藝的開(kāi)采程序和開(kāi)采方法，包括每層采剝厚度、拉溝方式以及開(kāi)采順序，并確定了剝離物和礦石的使用設(shè)備和堆放方式。