深凹露天礦山粗碎站移設(shè)方案的研究

王 麒，劉 威，王 亮，于梓豐，吳志波

北方礦業(yè)有限責(zé)任公司 北京 100053

露 天礦山礦石運(yùn)輸方案的選擇是影響礦山生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的主要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)輸成本占大型露天礦山生產(chǎn)總成本的 50% 左右[1]。隨著開(kāi)采年限的增加，國(guó)內(nèi)許多大型露天礦山逐步轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采，面臨運(yùn)輸成本的增加，迫切需要解決深凹露天礦山的運(yùn)輸問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多方案比選和研究，采用了將破碎站由開(kāi)采境界外移設(shè)至露天坑內(nèi)的方案。國(guó)內(nèi)有過(guò)破碎站移設(shè)經(jīng)驗(yàn)的金屬礦山主要有鞍山齊大山鐵礦、首鋼水廠(chǎng)鐵礦、山西太鋼袁家村鐵礦、德興銅礦和內(nèi)蒙古烏努格吐山銅鉬礦。礦山根據(jù)自身的情況采用了不同的移設(shè)方案和破碎站形式，最終都起到了提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

某大型露天礦山經(jīng)過(guò)近 20 年的大規(guī)模開(kāi)采，已形成深凹露天礦坑。隨著露天采場(chǎng)向深部延深，礦體重心下移，汽車(chē)運(yùn)距逐年增加，導(dǎo)致運(yùn)輸效率下降，運(yùn)輸成本急劇上升。為充分有效地開(kāi)采深部資源，提高經(jīng)濟(jì)效益，露天礦山深部開(kāi)拓運(yùn)輸方案顯得尤為重要。

1 礦山現(xiàn)狀

該露天礦山生產(chǎn)規(guī)模為 3 000 萬(wàn) t/a，采剝總量約 6 900 萬(wàn) t/a。礦山主要設(shè)備包括 250 mm 孔徑牙輪鉆機(jī)、22 m3大型電鏟、186 t 礦用卡車(chē)和推土機(jī)等輔助設(shè)備。礦山最高臺(tái)階標(biāo)高為 +315 m，坑底臺(tái)階標(biāo)高為 -345 m，塹溝口標(biāo)高為 +120 m，高差 655 m；臺(tái)階高度為 15 m，并段后為 30 m，臺(tái)階邊坡角為 55°～65°，最終角為 45°。在露天采場(chǎng)開(kāi)采境界內(nèi)，開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)采用汽車(chē)運(yùn)輸，礦石由礦用卡車(chē)運(yùn)輸至礦石粗碎站，礦石粗碎站配置有 2 臺(tái)國(guó)產(chǎn) 5474 型旋回破碎機(jī)，可處理 6 萬(wàn) t/d 的礦石量。破碎站內(nèi)設(shè)有 1臺(tái)型號(hào)為 100/20 t 橋式起重機(jī)，每臺(tái)旋回破碎機(jī)配有1 臺(tái)液壓碎石錘，用于大塊礦石的破碎。破碎機(jī)下方設(shè)有成品礦倉(cāng)，礦倉(cāng)底部各配有 1 臺(tái) 2000×6250 重型板式給料機(jī)給料，可以將破碎后的礦石輸送到 1、2 號(hào)帶式輸送機(jī)，最終運(yùn)輸至選礦廠(chǎng)粗礦堆。

目前，礦山最低開(kāi)采臺(tái)階標(biāo)高為 -60 m，礦石粗碎站布置在最終開(kāi)采境界外 150 m 水平，汽車(chē)爬坡高度已高達(dá) 210 m，經(jīng)統(tǒng)計(jì)汽車(chē)運(yùn)輸距離約為 3 km，已達(dá)到汽車(chē)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)運(yùn)距的上限。隨著開(kāi)采向深部延深，最終開(kāi)采臺(tái)階將降至 -345 m。因此，現(xiàn)有的礦石粗碎站位置已不再適應(yīng)該露天礦山，需要將礦石粗碎站的位置移至露天坑內(nèi)，以節(jié)約礦石運(yùn)輸成本，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。粗碎站移至露天坑內(nèi)后，破碎設(shè)備是利舊還是新購(gòu)，主要考慮以下幾方面因素：

(1) 現(xiàn)有粗碎站內(nèi) 2 臺(tái)國(guó)產(chǎn)旋回破碎機(jī)已使用近 20 年，接近其設(shè)計(jì)使用壽命，故障率高，運(yùn)轉(zhuǎn)率低，設(shè)備陳舊，維護(hù)成本高；

(2) 露天坑內(nèi)擬建粗碎站位置的場(chǎng)地有限，如果將 2 臺(tái)旋回破碎機(jī)都移至坑內(nèi)，勢(shì)必增加基建工程量，并積壓部分礦石；

(3) 在露天坑內(nèi)擬建粗碎站位置建設(shè) 2 座粗碎站，增加車(chē)場(chǎng)布置難度的同時(shí)，也增加了生產(chǎn)管理調(diào)度的難度；

(4) 全部利用原有破碎機(jī)，施工對(duì)生產(chǎn)影響較大。

綜合考慮以上幾方面因素，筆者推薦新購(gòu) 1 臺(tái)處理能力更大的旋回破碎機(jī)作為新建露天坑內(nèi)粗碎站的破碎設(shè)備，現(xiàn)有設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限后做報(bào)廢處理。

2 礦石粗碎站移設(shè)方案研究

礦石粗碎站移設(shè)位置選擇主要考慮以下幾個(gè)因素[2-3]。

(1) 選擇的粗碎站標(biāo)高在服務(wù)周期內(nèi)，保證露天坑內(nèi)礦石的汽車(chē)運(yùn)距在經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)距以?xún)?nèi)。

(2) 布置粗碎站的平臺(tái)尺寸能滿(mǎn)足車(chē)輛通行和卸礦要求。

(3) 盡可能選擇工程地質(zhì)條件好的位置，減少粗碎站土建費(fèi)用。

(4) 通?？紤]將露天坑內(nèi)粗碎站的位置放在固定邊幫上，避免頻繁移設(shè)，減少移設(shè)費(fèi)用和對(duì)生產(chǎn)的影響。

(5) 如不具備建設(shè)永久粗碎站的條件，粗碎站在坑內(nèi)需要多次移設(shè)時(shí)，可根據(jù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果，選擇壓礦布置。若前期粗碎站位置壓礦，可通過(guò)增加轉(zhuǎn)載帶式輸送機(jī)的形式，增加粗碎站選址的靈活性；粗碎站搬遷后再對(duì)該區(qū)域進(jìn)行回采。

(6) 破碎后的礦石需通過(guò)帶式輸送運(yùn)輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)出露天采坑。選擇帶式輸送機(jī)線(xiàn)路時(shí)應(yīng)沿固定邊幫布置，當(dāng)露天邊坡穩(wěn)定且沒(méi)有其他線(xiàn)路干擾時(shí)采用露天布置，不具備條件時(shí)采用井巷布置[4]。

根據(jù)礦山現(xiàn)狀圖和礦體模型估算，截止到目前，礦山開(kāi)采境界內(nèi)可采礦量為 49 584 萬(wàn) t。采用Datamine 礦業(yè)軟件對(duì)露天開(kāi)采最終境界內(nèi)臺(tái)階礦巖量分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析[5]，并結(jié)合礦石開(kāi)采重心與現(xiàn)有礦石粗碎站的水平運(yùn)輸距離和高程變化，對(duì)礦石運(yùn)輸距離進(jìn)行了估算。

結(jié)合礦山未來(lái)幾年的生產(chǎn)計(jì)劃和開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置，初步擬定了 2 個(gè)可行的礦石粗碎站搬遷位置。其中，位置 A 為現(xiàn)露天坑開(kāi)采底部靠近西南部位置的一座巖島處，臺(tái)階標(biāo)高為 -30 m。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該臺(tái)階以上礦石量占統(tǒng)計(jì)礦石量的 40.5%，-135 m 臺(tái)階以上礦石量占統(tǒng)計(jì)礦石量的 80.1%。將粗碎站放在此臺(tái)階，可以使 80.1% 的礦石運(yùn)輸距離控制在 3 km 以?xún)?nèi)，最終開(kāi)采臺(tái)階 -345 m 的礦石運(yùn)輸至該位置的運(yùn)距在 4 km左右。

位置 B 位于露天坑西側(cè) +60 m 臺(tái)階，該處上部已剝離靠近邊幫，粗碎站布置在此臺(tái)階不會(huì)與礦山的運(yùn)輸系統(tǒng)和排水系統(tǒng)產(chǎn)生交叉，對(duì)生產(chǎn)影響小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，+60 m 臺(tái)階以上的礦石量占統(tǒng)計(jì)礦石量的 8.9%，-45 m 臺(tái)階以上的礦石量占統(tǒng)計(jì)礦石量的 50.3%。將粗碎站放在此臺(tái)階，可以使 50.3% 的礦石運(yùn)輸距離控制在 3 km 以?xún)?nèi)，并穩(wěn)定運(yùn)行 8 a 以上；后期隨著礦石開(kāi)采重心下移再研究粗碎站下移位置，初步考慮粗碎站二次移設(shè)位置在 -105 m 臺(tái)階，使全部礦石運(yùn)輸距離控制在 3 km 以?xún)?nèi)。

按照上述 2 個(gè)可選位置，結(jié)合目前礦山的生產(chǎn)實(shí)際情況，還需要對(duì)礦山近年的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，提前進(jìn)行粗碎站位置附近礦巖的采剝和運(yùn)輸系統(tǒng)的調(diào)整，以保證方案技術(shù)上的可行。方案 A 與方案 B 的建設(shè)投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)時(shí)間也是方案優(yōu)劣的一個(gè)重要因素。方案 A 的位置目前雖然已經(jīng)剝離露出，但要想將礦石運(yùn)至此臺(tái)階，還需要調(diào)整運(yùn)輸?shù)缆罚c現(xiàn)有運(yùn)輸系統(tǒng)形成銜接。另外，位置 A 與目前粗碎站位置之間還有一定量的礦巖需要采剝，之后才能布置帶式輸送轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。方案 B 的位置雖然已經(jīng)靠幫，但下部附近還有部分礦廢石需要采剝，也需要調(diào)整運(yùn)輸?shù)缆?，與現(xiàn)有運(yùn)輸系統(tǒng)形成銜接，也不具備建設(shè)條件。針對(duì)擬定的 2 個(gè)方案，需要重新對(duì)近年開(kāi)采計(jì)劃進(jìn)行局部調(diào)整，估算 A 位置在排產(chǎn)第 3 年具備建設(shè)條件，考慮 1年的建設(shè)期，第 4 年可投入運(yùn)行。B 位置在排產(chǎn)第 2年具備建設(shè)條件，考慮 1 年的建設(shè)期，第 3 年可投入運(yùn)行[6]。

綜合考慮以上因素，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，對(duì)項(xiàng)目投資與投入使用前后運(yùn)營(yíng)成本變化的對(duì)比分析，最終確定方案 A 為最優(yōu)方案[7]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證礦石粗碎站移設(shè)方案的可行性，通過(guò) Gemcom 軟件對(duì) 3 個(gè)方案的運(yùn)輸路徑進(jìn)行了模擬計(jì)算，評(píng)估目標(biāo)礦塊從開(kāi)采位置到最終卸載位置的加權(quán)平均運(yùn)距。

(1) 方案一 粗碎站不搬遷，在現(xiàn)有 150 m 水平繼續(xù)使用；

(2) 方案二 粗碎站在第 4 年搬遷至 -30 m 臺(tái)階使用；

(3) 方案三 粗碎站在第 3 年搬遷至 +60 m 臺(tái)階使用。

將礦山現(xiàn)狀圖、礦體模型和生產(chǎn)數(shù)據(jù)等參數(shù)導(dǎo)入軟件中，礦巖量及可采礦石品位統(tǒng)計(jì)情況如圖 1、2所示。

圖1 礦石量統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of ore mass

圖2 礦石品位Fig.2 Grade of ore

從統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，模型中探明級(jí)別的礦石量約為 2.54 億 t，品位達(dá)到 0.45%；控制級(jí)別的礦石量約為 1.77 億 t，品位為 0.39%；推斷級(jí)別的礦石量約為0.65 億 t，品位為 0.38%。

模擬模型輸入約束條件，輸入最終開(kāi)采境界、運(yùn)輸量、運(yùn)輸線(xiàn)路和礦石粗碎站位置坐標(biāo)。礦石運(yùn)輸線(xiàn)路如圖 3 所示[8]。

圖3 礦石運(yùn)輸線(xiàn)路Fig.3 Ore transportation

模擬各方案統(tǒng)計(jì)得出礦山開(kāi)采界內(nèi)每年開(kāi)采礦石的噸公里指標(biāo)中，方案二礦石每年的噸公里數(shù)最小，方案三次之，方案一最大。因此，將粗碎站搬遷至-30 m 臺(tái)階是合理的。

3 礦石粗碎站形式選擇

移設(shè)后的礦石粗碎站形式可以考慮固定式破碎站或半移動(dòng)式破碎站[9]。固定式破碎站通常設(shè)置在露天采場(chǎng)境界外附近、中間臺(tái)階上，具體位置依可供利用的地形高差及工程地質(zhì)條件而定。采用固定式破碎站要求破碎站位置相對(duì)固定，服務(wù)年限長(zhǎng)，受爆破影響較小，能布置一定容量的貯礦設(shè)施來(lái)調(diào)節(jié)物料的轉(zhuǎn)運(yùn)，基建總投資較??；缺點(diǎn)是建、構(gòu)筑物工程量大，施工時(shí)間較長(zhǎng)。

半移動(dòng)式破碎站多設(shè)在露天采場(chǎng)工作平臺(tái)上，隨著開(kāi)采的延伸而向下移設(shè)，布置時(shí)受工作平臺(tái)寬度、高度的制約。其優(yōu)點(diǎn)是可縮短露天采場(chǎng)內(nèi)礦石的運(yùn)距，建、構(gòu)筑物均比較簡(jiǎn)單，可做成鋼結(jié)構(gòu)，便于拆遷；缺點(diǎn)是基建初期投資較高，受所服務(wù)臺(tái)階礦量的限制，服務(wù)年限較短，移設(shè)時(shí)對(duì)生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生影響，因破碎站隨著開(kāi)采臺(tái)階移設(shè)，在其周?chē)M(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)需要采取一定的安全措施[10]。

從技術(shù)方面看，采用任何一種破碎站形式都是可行的。因此，選擇哪種形式更適合礦山，主要考慮其建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。為此，對(duì) 2 種破碎站形式的投資、運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，分析結(jié)果為采用半移動(dòng)式破碎站的投資約為 8 300 萬(wàn)元，采用固定式破碎站的投資約為 7 900 萬(wàn)元，2 個(gè)方案運(yùn)營(yíng)成本相當(dāng)。結(jié)合前面介紹的破碎站移設(shè)方案，該破碎站移設(shè)到 -30 m 臺(tái)階后可服務(wù)至礦山開(kāi)采結(jié)束，不需要再進(jìn)行移設(shè)。因此，推薦采用固定式破碎站。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析深凹露天礦山開(kāi)采范圍和開(kāi)采期間內(nèi)各開(kāi)采臺(tái)階、開(kāi)采年份所對(duì)應(yīng)的礦石量運(yùn)輸成本的變化，利用多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究比較，得到移設(shè)成本低、建設(shè)進(jìn)度快、綜合經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的粗碎站移設(shè)方案。該移設(shè)方案對(duì)礦山的后續(xù)生產(chǎn)起到了有效的指導(dǎo)作用，以期達(dá)到降低礦山采礦運(yùn)輸綜合成本，并為其他深凹露天礦粗碎站的移設(shè)提供參考。