露天磷礦山大型斜坡箕斗運輸工藝研究

李小雙 李耀基 王孟來 朱建新

(1.國家磷資源開發利用工程技術研究中心，云南 晉寧 650600；2.云南磷化集團有限公司，云南 晉寧 650600；3.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

露天磷礦山大型斜坡箕斗運輸工藝研究

李小雙1,2李耀基1,2王孟來1,2朱建新3

(1.國家磷資源開發利用工程技術研究中心，云南 晉寧 650600；2.云南磷化集團有限公司，云南 晉寧 650600；3.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

以云南磷化集團有限公司昆陽磷礦二礦區為工程背景，在進行實地調研其具體地質采礦條件的基礎上，通過理論分析、現場實測以及技術經濟方案可行性論證等多種研究手段，探討了露天磷礦山的大型斜坡箕斗運輸工藝。結果表明：①與傳統的單斗卡車運輸工藝相比，大型斜坡箕斗運輸工藝具有運輸成本低廉、空氣與噪音污染小、能耗低的優點，在采場垂直開采深度≥85 m的深凹開采階段具有較大優勢。②大型斜坡箕斗運輸工藝初期投資較大，系統相對固定，工藝環節較多，在采場垂直開采深度<85 m的淺部開采階段具有較大的應用局限性。相關的研究成果可為該礦區或類似條件下的露天采場運輸工藝提供理論和技術上的指導和參考。

露天磷礦山 大型斜坡箕斗運輸工藝 理論分析 現場實測 方案可行性 技術經濟論證

云南磷化集團有限公司作為我國磷資源開發利用行業的六大重點骨干企業之一，在磷礦開采、洗選和磷產品的加工方面一直位于國內領先地位[1-2]。近年來隨著礦山淺部資源的逐步枯竭，露天采場的開采深度持續增加，逐步進入深凹露天開采階段，由于開采條件的急劇變化，傳統的汽車運輸工藝系統的優勢逐步喪失，面臨著以下難題。

(1)露天坑作業空間尺寸逐步縮小，新水平準備及開拓運輸系統建設困難[3]。

(2)隨著采場開采深度的增加，采場礦石與剝離物的運輸線路越來越長，運輸成本增加明顯[4]。

(3)露天礦邊坡高度逐步增高，最終幫坡角越來越陡峭，邊坡安全投入明顯加大，維護與控制的難度逐年增加[5]。

(4)礦山采場生產剝采比持續增加，礦車維修與維護費用、柴油消耗及運營成本逐步增大[6]。

(5)礦車尾氣與噪聲污染逐步增大，環境保護與工人作業環境維護費用年年攀升[7]。

云南磷化集團有限公司所下屬的4大露天磷礦山具有礦體厚度較薄、采場分散、作業面移動頻繁、地形條件復雜、礦石剝離物堅硬需要爆破作業且剝離量大、排土場空間以內排為主且轉換頻次高、空間狹小等基本特點，以大型外排土場為基礎，以單斗—移動式破碎站—膠帶輸送機—移動式膠帶排土機為代表的連續作業的采礦工藝系統與單斗—汽車—固定或者半固定式破碎站—膠帶輸送機—半移動式膠帶排土機或者汽車為代表的半連續作業的采礦工藝系統，雖然在煤礦與金屬礦山正大規模推廣應用，但在公司礦山的應用具有極大的局限性(前期投資大，移動頻繁導致的移設費用高，剝離物的破碎成本增加較大，外部固定的大空間排土場很難找到且租賃費高)[8-9]。

由于大型斜坡箕斗露天運輸工藝具有成本低廉、輸送能力大、安全高效、工藝簡單、綠色環保的特點[10-12]，因此在磷化工行業不景氣的多重壓力下，對該種運輸工藝在露天磷礦山的應用可行性進行研究，對云南磷化集團有限公司及類似條件下的露天磷礦山具有重要的經濟意義。

1 工程概況

1.1 昆陽磷礦二礦區排土場工程地質條件

昆陽磷礦二礦位于滇池聚磷區南西，東鄰昆陽磷礦(一至四采區)，西接肖家營磷礦，北部為海口磷礦，位于晉寧縣二街鎮境內，距昆明市南西212°方向平距44.5 km，距晉寧縣城直線距離9 km。

場地處于晉寧縣二街鎮政府所在地北東部，位于由大山—杉松園頂—鵝毛山—老高山—金銅盆山構成的地表分水嶺南側，香條村背斜南翼，場地屬中山地貌，最高標高為礦區北部的礦界邊緣，標高2 335 m，最低標高為礦區南西部礦界附近沖溝，標高 1 938.7 m，相對高差396.3 m。礦區地形總體北高南低，山嶺由南西向北東呈長蛇狀延伸，場地范圍溝谷較發育，地形坡度總體較緩，為10°～30°，局部較陡，約40°，地貌上總體屬構造剝蝕中山地貌。

昆陽磷礦二礦主要位于香條村背斜南翼，為單斜地層，排土場主要利用礦層地表露頭以北底板范圍的天然溝谷地形和采空區進行堆放。據工程地質調查和鉆孔揭露，排土場范圍大都為基巖直接出露，僅在局部溝谷底部、坡頂平緩地帶和局部緩坡地帶覆蓋一定厚度的第四系地層。構成場地地基的地層主要為第四系人工堆積(Qml)層、第四系沖洪積(Qal+pl)層、第四系殘、坡積(Qel+dl)層、泥盆系中統海口組(D2h)地層和寒武系下統(1)等。

1.2 排土場規劃

根據采礦設計， 60線～64線坑底標高為2 000 m，65線～72線坑底標高為+1 880 m。生產第3年實現少量的內排，從采剝進度計劃表中及生產第13年年末圖中可看出，生產期第13年以前，由于下部采礦，上部排土，排土空間較小，內排容量較小，主要廢石外排，排土方式為外排+內排，生產第14年以后全部實現內排。

排土場分成分成4個部分，分別為外排東北部分、外排西北部分、內排北東部分、內排南西部分。二礦和鄉二街磷礦統一由昆陽磷礦開采，廢石由昆陽磷礦統一進行堆放。依據采剝進度計劃及生產年末圖計算得：昆陽磷礦二礦共需外排總廢石松方量為 14 106萬m3，本次設計外排排土場容積14 106萬m3；需內排排土量為25 027萬m3，本次設計內排排土場容積25 167萬m3。

本礦山排土以就近、內排與外排聯合排土的原則，并結合采剝進度計劃，最終排土計劃如下。

依據《云南磷化集團有限公司昆陽磷礦二礦120萬t/a露天采礦工程初步設計》，設計開采對象為二礦和鄉二街磷礦；設計開采范圍為磷都礦業鄉二街磷礦礦權內的全部資源量和二礦礦權內適宜采用露天開采的資源量。主要開采范圍為59線～73線。礦山首先開采59線～64線區域至坑底，接下來開采64線～73線區域并先開采67線～73線至坑底，最后開采64線～67線至坑底。

基建期、生產第1年和生產第2年廢石排至外排排土場東北部分，運距最短。生產第3年和生產第5年廢石排至外排排土場西北部分，并且實現少量的內排。在生產第6年廢石外排至外排排土場和內排排土場。生產第14年以后，廢石全部排至內排土場，先排滿內排北東部分，后排內排南西部分。

1.3 排土場設計參數

(1)排土場外排西北部分底面最低標高2 020 m，排土場頂面標高2 320 m，最大堆置高度300 m。本次設計排土場容量為2 951萬m3；排土場外排東北部分底面最低標高2 200 m，排土場頂面標高2 380 m，最大堆置高度180 m。本次設計排土場容量為 11 154萬m3；排土場內排南西部分底面最低標高 1 880 m，排土場頂面標高2 110 m，最大堆置高度230 m。本次設計排土場容量為14 805萬m3；排土場內排北東部分底面最低標高2 015 m，排土場頂面標高 2 320 m，最大堆置高度295 m。本次設計排土場容量為 10 363萬m3。

(2)臺階數。排土場外排西北部分11臺階；排土場外排東北部分6個臺階；排土場內排南西部分8個臺階；排土場內排北東部分10個臺階，臺階高度20～30 m，安全平臺寬15 m。

(3)排土場邊坡。廢石自然安息角為35°，排土場堆置最終邊坡角為28°。

(4)排土場最終頂面面層結構。設計排土場最終頂面面層采用推土機平整臺階并適當壓實，平臺不能有較大的凸起或凹陷，在臺階及斜坡坡面鋪設表土，表土鋪設厚度平臺平均不小于80 cm，斜坡平均不小于30 cm，并向內設2%～3%的排水反坡。

(5)排土場最終邊坡角。排土場的邊坡角小于排棄巖土的自然安息角。本次設計所排棄的巖土主要為采場剝離的廢石。排土場最終邊坡角為28°。

2 昆陽磷礦二礦區的大型斜坡運輸工藝

2.1 大型斜坡箕斗提升整體構想方案

沿礦體走向方向將需要開采的采場劃分若干個采區，相鄰采區之間留設20～30 m隔離帶作為箕斗提升系統用，箕斗提升系統的地基直接建立在礦層底板基巖之上。露天坑采場的剝離廢石通過箕斗提升系統運輸露天坑上部平路，后轉載給礦車，運輸至排土場。特別需要說明的是：在箕斗提升系統的上部與下部不需要建立專門的臨時儲料倉，下部由挖掘機直接將剝離廢石裝入礦車后，由礦車卸載至箕斗箱，上部由箕斗箱直接卸載給礦車。箕斗箱在設計時需要對其扛撞擊、磨損能力提出較高要求，需要用專門的雙層錳鋼材料。同時挖掘機的鏟斗容積與箕斗相匹配，箕斗載質量與單臺運輸卡車載質量相匹配，要確保1次箕斗載質量剛好與1臺卡車的載質量基本相等。此外，要做好箕斗與礦車配比與調度工作，確保生產作業的連續性，避免大量的作業時間浪費在等待環節，如圖1所示。

圖1 箕斗提升系統示意Fig.1 Schematic diagram of skip hoisting system 1#～4#—箕斗提升系統

2.2 大型斜坡箕斗運輸工藝的臨界深度分析

單斗挖掘機+大型箕斗運輸采礦工藝系統與單斗挖掘機+汽車運輸工藝相比，最主要的區別為露天坑剝離礦石運輸這一環節。與現有的單斗挖掘機+汽車運輸工藝相比，單斗挖掘機+大型箕斗運輸采礦工藝系統增加了采場下部礦車向箕斗卸料與采場上部箕斗向礦車卸料2道工序，爬坡階段由電動力驅動的箕斗替代依靠柴油機械動力的礦車。現有的生產實踐表明，在露天采場坑深度較小時，汽車運輸是經濟合理的。而當露天采坑的開采深度達到一定數值后，完全依靠汽車重車爬坡的方式將不再合理，用大型箕斗取代礦車可以大幅度地降低運輸成本。

依據2014年9月—2015年7月昆陽磷礦提供的單斗挖掘機+汽車運輸工藝相關成本資料，結合2014年5月對箕斗系統成本考察的相關信息，以昆陽磷礦一采區與昆陽磷礦二礦為例，分別對其箕斗提升系統的經濟合理臨界深度進行研究，其相應的計算公式為

(1)

其中，H0為箕斗提升系統的經濟合理臨界深度，km；p1為箕斗運輸成本，p1=1.17元/( t·km)；α為箕斗提升角度，與礦層底板傾角相同，昆陽磷礦一采區α=16°，昆陽磷礦二礦區取值15°；β為汽車最大坡度角，β=7°；k為汽車彎道富余系數，k=1.15；su為采場上端箕斗向汽車轉載費，sd=0.70元/t；sd為采場底端汽車向箕斗轉載費，取值為0.70元/t；p2為礦車運輸成本，p2=2.33元/(t·km)。

由式(1)可以計算得出昆陽磷礦一采區與昆陽磷礦二礦箕斗提升系統的經濟合理臨界深度分別為80.63m、80.14m。因此，對于昆陽磷礦二礦區來講，當剝離的廢石由低向高累計運輸垂高分別超過80.63m與80.14m后，汽車綜合運輸運營成本較大型箕斗運輸成本高，可以考慮采用大型箕斗提升系統替代汽車重車爬坡這段運輸路線。昆陽磷礦二礦區采用箕斗提升系統的采場臨界垂直深度為80～85m。

2.3 大型斜坡箕斗運輸工藝系統經濟可行性分析

依據昆陽磷礦提供的相關參數資料，目前二礦露天坑與露天坑上部水平運輸主干線高差為40～60m，而最終閉坑前最大高差將達到180m。參照《云南磷化集團有限公司昆陽磷礦二礦120萬t/a露天采礦工程初步設計》的相關排土計劃，采場首采塊段廢石排至2#排土場，生產至第2年時，已按設計容量將2#排土場排滿，生產第3年的廢石排至1#排土場。生產至第2年時，2#排土場排土總實方量為3 018萬m3(松方4 115萬m3)。2#排土場排至設計容量后，開始1#排土場和局部內排的排土工作。1#排土場生產至第5年時已按設計容量排滿，1#排土場排土量實方為1 441萬m3(松方1 965萬m3)；生產至第13年，內排總實方量為867萬m3(松方1 183萬m3)。1#排土場排滿后，開始3#排土場的排土工作，生產第5年時，開始將廢石排至3#排土場。生產第5—13年，3#排土場共排土7 424萬m3，中途考慮成本因素，主要以內排為主，生產第19—25年，繼續往3#排土場排土3 917萬m3，至3#排土場排滿后完全依靠內排解決所有排土量。

經2014年8月—2015年7月在昆陽磷礦二礦現場調研、交流，并參考昆陽磷礦二礦初步設計，一致認為：生產第5年后二礦露天坑與露天坑上部水平運輸主干線高差超過80m，在生產第5—13年向3#排土場排土期間(生產第5年二礦露天坑與露天坑上部水平運輸主干線高差超過80m)與生產第19—25年向3#排土場排土期間，昆陽昆陽磷礦二礦區具備了采用箕斗提升系統代替目前汽車由坑底運輸剝離物至露天坑口上部水平主干運輸線這一段汽車運輸系統的可能。

依據昆陽磷礦提供的相關數據資料，昆陽磷礦二礦的設計生產能力為120萬t/a，平均剝采比為5.75m3/t，年平均剝離量 690萬m3(1 766.40萬t)，采區的服務總年限為44a，而箕斗系統2個服務期的年限分別為9a、7a。因此，要滿足昆陽磷礦二礦的生產能力要求，必須布置4套60t的箕斗提升系統。箕斗提升系統新增投資約3 205萬元，具體概算如表1所示。

表1 箕斗提升系統新增投資概算Table 1 New investment budget of skip hoisting system

通過與相關設備廠家溝通，在收集昆陽磷礦二礦相關汽車運輸成本的基礎上，按照表1投資金額，以運行時間9 a與7 a、年運輸量按核定量690萬m3(1 766.4萬t)的85%計、箕斗運輸綜合成本單價約為1.17元/(t·km)、汽車運輸綜合成本單價約為2.33元/(t·km)、箕斗提升角15°、汽車坡度角7°、采場上端箕斗向汽車轉載費0.70元/ t、采場底端汽車向箕斗轉載費0.70元/t、采坑的平均垂直高差為130 m、汽車彎道富余系數1.15來計算，每年箕斗提升系統比汽車運輸在重車上車爬坡階段節省的費用為 1 306.25萬元(箕斗提升成本較礦車成本節省值約為2.23元/ m3)，具體計算見式(2):

(2)

其中,H0為箕斗提升系統的經濟合理臨界深度，km；ρ為剝離物的密度，ρ=2.56 t/m3；H0為箕斗提升系統的經濟合理臨界深度，km；φ為剝離物的年平均運輸總量，為計劃量690萬m3的0.85，即φ=586.50萬m3。

由上述分析可知，雖然采用箕斗提升系統后，需要新增投資3 205萬元，但是箕斗提升系統每年比汽車運輸在重車上車爬坡階段節省的費用為1 306.25萬元(箕斗提升成本較礦車成本節省值約為2.23元/ m3)，新增的投資可在2.5 a的時候收回，其余6.5 a與4.5 a均為盈利年(成本降低)。即使考慮到設備的更換與維修問題，極端情況下，每7.5 a更換整個箕斗提升系統，箕斗系統新增投資為6 410萬元，對于第1個9 a服務期間新增的投資可在5 a的時候收回，其余4 a均為盈利年(成本降低)，而第2個7 a服務期間不需要更換箕斗提升系統。總之，通過理論計算分析，在生產第5—13年向3#排土場排土期間(生產第5年二礦露天坑與露天坑上部水平運輸主干線高差超過80 m)與生產第19—25年向3#排土場排土期間，昆陽磷礦二礦采用箕斗提升系統在經濟上完全可行。為了穩妥起見，可以先上1套60 t的箕斗提升系統,在生產第5—13年向3#排土場排土期間進行工業驗證試驗。

3 結 論

(1)當剝離的廢石由低向高累計運輸垂高分別超過80.63 m與80.14 m后，汽車綜合運輸運營成本較大型箕斗運輸成本高，可以考慮采用大型箕斗提升系統替代汽車重車爬坡這段運輸路線。昆陽磷礦二礦區采用箕斗提升系統的采場臨界垂直深度為80～85 m。

(2)通過現場調研、理論分析計算得出：要滿足昆陽磷礦二礦的生產能力要求，必須布置4套60 t的箕斗提升系統。箕斗提升系統新增投資約3 205萬元，箕斗提升系統每年比汽車運輸在重車上車爬坡階段節省的費用為1 306.25萬元(箕斗提升成本較礦車成本節省值約為2.23元/ m3)，新增的投資可在2.5 a的時候收回，其余6.5 a與4.5 a均為盈利年(成本降低)。在生產第5年至生產第13年向3#排土場排土期間(生產第5年二礦露天坑與露天坑上部水平運輸主干線高差超過80 m)與生產第19年至生產第25年向3#排土場排土期間，昆陽磷礦二礦采用箕斗提升系統在經濟上完全可行。

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(責任編輯 徐志宏)

Study on the Transport Process of Large Slope Skip in Phosphorus Open Pit Mine

Li Xiaoshuang1,2Li Yaoji1,2Wang Menglai1,2Zhu Jianxin3

(1.NationalEngineeringResearchCenterofPhosphateResourcesDevelopmentandUtilization，Jinning650600，China;2.YunnanPhosphateChemicalGroupCo.，Ltd.，Jinning650600，China；3.ChinaSino-CoalInternationalEngineeringGroupShenyangDesignandResearchInstitute，Shenyang110015，China)

Taking the N0.2 mining area of Kunyang phosphate mine of Yunnan Phosphate Chemical Group Co.，Ltd (YPC) as engineering background，the transport process of large slope skip in the open pit phosphorus mine was studied by various research methods such as theoretical analysis，field measurement and feasibility demonstration of technical and economic scheme，according to the field research of the specific geological and mining conditions.The results showed that:①Comparing with the traditional single bucket truck transport process，the large slope skip the transport process has the following advantages，including lower cost，less air pollution and noise pollution and lower maintenance cost.And it has a large advantage in deep concave mining stage that the stope mining vertical depth is greater than or equal to 85 m.②The large slope skip the transport process also has the following inferiors，such as larger initial investment，relatively fixed system and more complicated procedure etc..And it has a large application limitation in shallow mining stage that the stope mining vertical depth is less than 85 m.The relevant research results can provide theoretical and technical guidance and advice for the open pit transportation technology of this mining area or mining area with similar conditions.

Open pit phosphorus mine，Transport process of large slope skip，Theoretical analysis，Actual measurement，Feasibility demonstration of scheme，Technical and economic demonstration

2015-09-07

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2011BAB08B01， 2013BAB07B06)，云南省科技領軍人才計劃項目(編號：2014HA014)。

李小雙(1983—)，男，高級工程師，博士。

TD871

A

1001-1250(2015)-11-017-05