露天礦的精細開采

張世雄，張 健，任高峰

(1.武漢理工大學，湖北 武漢 430070；2.中國建筑材料集團公司，北京 100048)

1 精細生產

汽車工業經歷了從粗放生產到精細生產的發展歷程，取得巨大成功。采掘業也應該進入這個發展階段了。

1.1 精細生產的基本含義

精細生產起源于日本。從一般意義上講，精細生產指對一切資源的占用少，對一切資源的利用率高。資源包括土地、礦產、原料、材料、設備、人員、時間和資金等。精細生產主要包含兩個方面的內容：一是合理占用資源，消除一切資源浪費(主要包括物料和勞動力)的可能性；二是優化工序安排，節約制造時間。在生產制造過程中，資源占用的合理安排主要是指原材料最低庫存量，在生產正常進行情況下的最低庫存；半成品最低閑置量，在生產正常進行情況下，半成品流轉速度最快，留滯時間最短；產成品零庫存量，實現即產即銷。節約制造時間主要指通過優化工序設計和合理布局作業場所，不同性質的工序能夠平行作業，工序間合理銜接，使得總制造時間最短，且生產過程中物耗最低、物資占用最低、勞動力投入最合理。

精細的含義還包括質量，因為質量高的產品在消耗同樣多的物化勞動和活勞動的條件下，可以提供更好的功能、更可靠的性能和更長的使用壽命[1]。

1.2 精細生產的基本原理

精細生產的基本原理包括消除浪費、持續改進、協同工作和溝通交流。

(1)持續改進

這是精細生產的指導思想。改進就是永遠不滿足于現狀，不斷地發現問題，尋找原因，提出改進措施，改變工作方法，使工作質量不斷提高。改進是漸進式的進步，是細微的改變，其過程是連續的、日積月累的，必須眾人努力。

(2)消除浪費

消除對資源的浪費是精細生產的目標。凡是超出增加產品價值所必需的絕對最少的物料、機器和人力資源的部分，都是浪費。對資源的占用和對資源的利用，只能做出相對比較。對于庫存和質量，可以給出絕對的標準：零庫存和零缺陷。零在這里表現為一種極限，可以無限接近它，但永遠不可能達到，“雙零”使得改進永無止境。

(3)協同工作

協同工作是將職業、專長不同的人組織在一起，以小組的形式完成特定任務的工作方式。協同工作使協調簡化，可集中不同職業和專長的人的意見，從而提高工作質量和工作效率，使得改進不斷進行。操作工人、維修工人、工程師、管理人員協同工作，可使現場出現的問題迅速解決；設計人員、工藝人員、銷售人員和管理人員協同工作，才使并行工程得以實現，使新產品開發周期大大縮短。

(4)溝通交流

人員之間、部門之間、本企業與顧客和供應廠之間，都需要溝通，及時傳遞信息，以便相互了解，協同工作。小組的每個成員，必須了解其他成員的專業和工作內容，有共同的語言，將自己的工作放到全局中考慮，避免片面性。

協力工作和溝通交流是實現精細生產的保證。

1.3 精細生產的主要內容

精細生產的主要內容，包括工廠現場管理、新產品開發、與用戶的關系、與供應廠家的關系等方面。

(1)工廠現場管理

工廠現場按準時生產制組織生產，即提供的都是當時需要的東西，通過不斷減少庫存來暴露管理中的問題，以不斷消除浪費，進行持續的改進。它涉及到產品的設計、生產計劃的編制、機器的改造、設備的重新布置、工序的同步化、設備的維修、生產組織和勞動組織的調整、人員的再培訓等方面的工作。

(2)新產品開發

不斷開發新產品是形成競爭優勢的一個主要因素，縮短開發周期是成功推出新產品的關鍵。日本企業的經驗是，將市場評估、生產計劃、設計、工藝、生產管理各部門的人放在一起，成立開發新產品小組。小組長有很大的權力，雖然成員保持與各自職能部門的聯系，但他們的工作完全在小組的負責人的控制下，協同工作、互相溝通，使很多工作并行進行，大大縮短開發周期。

(3)與用戶的關系

“用戶至上”、“用戶第一”是公司處理與用戶關系的指導思想。采取主動積極的態度，搞“主動銷售”，主動上門了解情況、征求意見，開展售前和售后服務。

(4)與供應廠家的關系

供應廠與裝配廠是合作關系。在新產品開發初期，供應廠家就可以參加進來，按承擔任務的不同，將供應廠家按不同層次組織起來。在決定零部件的價格時，裝配廠按市場行情確定汽車的目標價格，然后與供應廠一起考慮合理的利潤，推算出各部分的目標成本。為了達到目標成本，雙方利用價值工程方法，找出每一個能降低成本的因素。供應廠家能夠主動降低成本，是因為降低成本可給它們帶來更多利潤。

顯然，汽車行業精細生產的原理，對采掘業是適用的。

2 精細生產與露天礦開采

過去，國內外露天礦的開采基本上是粗放的，開采工藝中廢石的剝離、礦石的開采、礦巖的運輸與排放、邊坡的維護、廢石場的復墾與綠化等幾個重要環節多是相對獨立的，獨立進行設計、施工與管理，指導思想是滿足上下工藝環節之間的產能要求并降低成本。

露天礦山開采通常是從一端向另一端連續推進，形成較大范圍的巖土體擾動與地面環境破壞。開采過程中形成的最終邊坡，可能存在幾年甚至幾十年，需要進行大量的邊坡維護工作，耗費大量資金，還可能出現滑坡等工程地質災害。對于有廢石內排條件的礦山，一般都會開展廢石的坑內排放。這種排放主要是考慮節約廢石運輸成本，依次排放，如圖1所示。

圖1 露天礦剝離廢石的坑內排放示意圖

隨著科學技術的進步，社會分工越來越精細，專業化程度越來越高，采掘業已面臨邁入精細生產時代。

礦山生產與工廠的生產有許多共同的地方，也有一些明顯的不同之處。工廠的車間與設備通常是固定的，被加工的物品通過設備進行加工，工藝規范化程度高；礦山的采場是不斷推進的，主要采掘設備亦需同步移動，且由于礦床地質條件與開采技術的復雜性，涉及礦床的生產勘探與邊界的圈定、巖層穩定性控制與生產安全、工藝的優化與生產合理調度等大量的問題。因此，礦山的精細開采，將涉及更廣泛的科學技術與管理問題。

3 露天礦精細開采的指導思想

露天礦精細開采，是要實現露天采礦環境破壞、礦巖運輸功、邊坡開挖量與維護工作量等的最小化。通過不斷改進精細開采的工藝，配合精細生產管理，以獲得最好的礦山開采經濟效益、環境效益與社會效益。

本文作者提出的專利技術《快速排土護坡與生態恢復的露天礦開采工藝》(專利號：ZL 2006 1 0019707.2)是露天礦精細開采的核心技術之一[2]。同時，需要全面利用礦山系統工程、礦山環境工程、恢復生態學、水土保持工程學、植物學、計算機科學、管理科學等的理論與方法，深入研究露天采礦工藝環節的內在聯系，提出新的優化組合工藝，縮短作業循環時間，并盡快恢復生態環境，達到大幅降低生產成本與保護環境的目的。

(1)露天開采系統與工藝研究

露天開采是一個復雜的大系統，它在為人類提供礦產資源的同時，不斷地破壞周圍的生態環境，造成荒漠化甚至滑坡、泥石流等地質災害。為此，必須把人類開發礦物資源與環境的保護協調起來。該系統包含了許多相互關聯的子系統，必須從系統的觀點，運用運籌學理論去研究各個工藝環節，優化它們，縮短作業循環時間，用最低的成本開采礦石，達到最好保護環境的目的。

(2)邊坡維護理論與工藝研究

最終邊坡形成后，在生產爆破與風化等作用下，邊坡的強度與穩定性是隨著時間的推移逐漸降低的。因此，研究盡可能縮短最終邊坡存續時間的工藝，以適當加陡邊坡角，從而減少剝采比與邊坡的維護工作量，避免出現地質災害，降低生產成本。

(3)護坡材料與方法研究

傳統的露天礦不穩定邊坡的治理方法很多，常用的有削坡頂與壓坡腳等。對于具有在露天坑內采空區排放剝離廢石條件的礦山，利用廢石作為護坡材料，以內排廢石壓坡作為主要的護坡方法，把傳統的“壓坡腳”發展到“壓腰”、“壓胸”甚至“壓臉”，盡快消除臨空最終邊坡滑塌的可能性，迅速達到永久治理邊坡的目的。

(4)露天礦開采地層擾動破壞最小化研究

改變傳統大范圍推進的剝離與采礦方式，在滿足生產工藝要求的前提下，使剝離與采礦在盡可能小的范圍內進行。一旦該范圍的采礦結束，迅速對該范圍進行復墾與環境治理，恢復環境生態。

(5)物料運輸功最小化研究

露天礦開采的廢石與礦石運輸量很大，盡可能多地實現剝離廢石的坑內排放，用于就近排土壓坡，運用運籌學等方法使礦巖的總運輸功最小化。

4 露天礦精細開采工藝

露天礦精細開采工藝為：在具有內排剝離廢石條件的礦山，在露天礦的一端或中部用常規的方法進行初始剝離與開采；一旦完成初始剝離和開采后，在礦床開采推進的方向上，將開采工作面劃分為左幫區、中區與右幫區，并進一步將它們劃分為若干較小的分段；以分段為開采單元，逐單元漸進開展剝離、采礦、壓坡回填、復墾綠化或混凝土覆蓋；以剝離廢石就近排放壓坡作為主要的最終邊坡永久治理手段，降低生產成本，并迅速恢復生態。

該工藝的步驟為：

①在礦體的一端或中部用常規的方法進行廢石剝離，把廢石排放到外排土場，開采剝離出的礦體，形成滿足工藝要求最小尺寸的初始采剝工作面(圖2)。②在采剝推進方向上，把采剝范圍劃分為左幫區、中區和右幫區(圖3)，在滿足采剝作業要求最小尺寸且技術經濟指標最優的條件下，把每個區劃分為若干個分段。③首先進行左、右兩幫區第一分段的剝離與采礦，中區第一分段的剝離與采礦適度跟進，剝離的廢石在礦坑采空區內部排放，用于露天礦后部邊坡及兩幫部分邊坡的壓坡，從坡腳一直壓到坡頂，盡快完成后部邊坡的永久護坡治理。④對于每個完成最終邊坡永久治理的分段，立即復墾綠化或覆蓋混凝土，恢復生態。⑤第二步是進行左、右幫區第二分段的剝離與開采，剝離的廢石用于第一分段邊坡的護坡回填，中區剝離與采礦適度跟進，剝離廢石用于其后方采空區的就近回填，回填到位的分段立即復墾綠化或覆蓋混凝土，恢復生態。⑥從第二步起，進入正常的生產循環，如此分段推進，直至礦山開采完畢，生態恢復也進行完畢。

對于從礦床中部形成初始采剝工作面的礦山，可以形成兩個采剝工作面，采用上述工藝，反向推進。

圖2 露天礦初始采剝工作面形成示意圖

圖3 露天礦剝離廢石的快速排土擴坡與復墾生態恢復示意圖

5 露天礦精細生產工藝的優點

廢石排放運輸距離短、運輸成本低；最終邊坡臨空存在時間短，從而可加陡最終邊坡角以減少廢石剝離量；把排土壓坡作為邊坡治理的主要手段，把排土與最終邊坡的迅速、最終的治理結合起來，邊坡治理成本低，可盡快避免邊坡地質災害的發生；把露天礦大范圍的巖體開挖對地表環境的破壞，縮小為小分段的局部破壞，達到環境影響范圍最小化的目的；快速恢復生態環境，達到環境影響時間最短化的目的，最大限度實現露天礦的低成本環保綠色開采。

顯然，精細開采的理論與技術，不但適用與露天開采，同樣適用于地下開采、露天與地下聯合開采和特殊開采。

6 結論

(1)精細生產的原理適合于當今的采掘業，采掘業應該進入精細生產階段了。

(2)露天礦精細開采是要實現露天采礦環境破壞、礦巖運輸功、邊坡開挖量與維護工作量等的最小化，通過不斷改進精細開采的工藝，配合精細生產管理，以獲得最好的礦山開采經濟效益、環境效益與社會效益。

(3)需要全面利用礦山系統工程、礦山巖石力學、礦山環境工程、恢復生態學、水土保持工程學、植物學、計算機科學、管理科學等的理論與方法，在邊坡維護理論與方法上創新，深入研究露天采礦工藝環節的內在聯系，提出新的優化組合工藝，盡快恢復生態環境，達到大幅降低生產成本與保護環境的目的。

(4)露天礦精細開采工藝可概括為：在具有內排剝離廢石條件的礦山，將礦體劃分為在工藝上合理的小開采單元，逐單元漸進開展剝離、采礦、壓坡回填、復墾綠化或混凝土覆蓋，以剝離廢石就近排放壓坡作為主要的最終邊坡永久治理手段，縮短作業循環時間，降低生產成本，并迅速恢復生態環境。

[1] 陳榮秋，馬士華.生產運作管理[M].北京：高等教育出版社，1999.

[2] 張世雄. 露天礦開采的快速排土護坡與生態恢復技術[J].中國礦業，2009，18(9)：87-89.