白馬鐵礦及及坪采場礦石破碎站移設步距優化

鄧會鏡 李 翠 張良兵 張興亮

（攀鋼集團礦業有限公司設計研究院）

近年來，隨著科技和礦業經濟快速發展，國內礦山的開發力度、生產規模和礦產資源消耗量不斷加大，為實現礦山的可持續發展，大多數礦山進行了一系列既保證礦山現有生產系統平穩運行、又技術上合理且經濟上最優的局部技術改造和優化［1-2］。尤其是經過幾十年開采的大型露天礦山，現基本已進入中深部、深部開采［3］，隨開采深度的增加，礦山開采技術難度加大，礦山開拓運輸系統也變得更復雜。對于采用汽車+半移動破碎站+膠帶運輸系統的大型露天礦山而言，半移動破碎站的建設在礦山開拓運輸中起連接紐帶作用，破碎站移設［4-5］是礦山半連續開采工藝的核心問題之一，移設步距的大小可直接影響半連續開采工藝的運行。因此，為減小汽車運距、降低運輸成本和滿足生產組織需求，對破碎站移設步距的優化是至關重要的。

白馬鐵礦及及坪采場是一大型山坡露天采場，經十多年開采，該露天采場為提高礦山產能、擴大生產規模，現已針對礦山現場實際生產需求進行了二期設計和建設。其中，針對采場開拓運輸系統建設中存在運行不暢的情況，礦山進行了局部礦石破碎站［6］的改造和優化；但隨采場開采下降，原設計礦石破碎站移設工程量增加，會增大礦山運營成本。因此，需對原設計礦石破碎站布置進行優化，以尋求經濟、合理的移設步距，重新規劃布設礦石破碎站，從而保證礦石運輸系統銜接順暢，達到礦山生產組織的需求。

目前，確定移設步距的方法［7］有移設費用補償法、單位成本最小法、總成本最小法等，其中移設費用補償法常用于確定移設步距的最小值。本研究結合當前白馬鐵礦及及坪采場生產實際規劃的礦石運輸通道中礦石破碎站建設工況，通過分析礦石破碎站位置影響因素說明優化的必要性，并采用移設費用補償法對采場礦石破碎站移設步距進行優化。

1 采場礦石破碎站概述

1.1 采場礦石破碎站布置

白馬鐵礦及及坪采場一期設計原礦規模為650萬t/a，礦石運輸主要采用平硐+溜井開拓運輸系統。二期設計原礦規模為1 050萬t/a（新增規模400萬t/a），其中山上半自磨車間處理礦石200萬t/a，其余850萬t/a礦石通過新建礦石運輸系統運至山下萬年溝選礦廠。新建礦石運輸系統采用先粗破碎再膠帶運輸的方式。礦石破碎膠帶運輸系統破碎站設在采場東側邊緣，根據礦量分布及地形條件，從北至南依次考慮10個破碎站位置（2個破碎站同時工作），隨開采水平逐年下降，破碎機逐年向下移設，各破碎站服務參數見表1。每個破碎的生產能力為450萬t/a。上部1#~4#破碎站礦石由地面膠帶運至1 905 m膠帶隧道下山，下部5#~10#破碎站礦石由地面膠帶運至1 670 m膠帶隧道下山。

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1.2 采場礦石破碎站位置的影響因素

破碎站的建設在礦山開拓運輸中起連接紐帶作用，破碎站移設［7］是礦山半連續開采工藝的核心問題之一。破碎站位置的選擇關系到整個礦山的運營成本，其所服務臺階數目，主要受2個方面因素影響:一是能使破碎站在同一水平上的工作時間最長，破碎站的移設次數和費用最少；二是能盡量縮小礦巖在露天礦內部的運輸距離，減少礦巖運費。

及及坪采場二期設計采用汽車+破碎站+膠帶運輸系統，按45 m的步距服務3個水平移設礦石破碎站。隨后續開采，原礦產量會增加，勢必使采場下降速度加快，從而導致礦石破碎站搬遷頻繁、移設難度加大，破碎站+膠帶系統工程建設進度將長期滯后于采場下降速度，嚴重制約著采場產能的釋放，最終增加礦石運輸成本。因此，目前及及坪采場影響礦石破碎站位置的因素主要包括4個方面內容:采場各水平礦巖分布情況、采場下降速度、破碎站+膠帶系統建設進度和礦石運輸成本。

1.2.1 采場各水平礦巖分布情況

截止2018年，及及坪采場最低開溝標高已下降至1 870 m水平，并形成1 870~2 035 m共12個作業水平（臺階高度為15 m）；2 065 m水平基本已靠幫。且該采場露天開采終了境界內結存礦石量為25 671萬t，地質平均品位TFe為28.32%，TiO2為6.36%；結存巖石量為47 050萬t，其中低品位礦石（Fe4）為7 528萬t，純巖石為39 522萬t，結存巖礦比為1.83。然而在礦山實際生產過程中，由于局部水平設置過多的安全平臺，導致及及坪采場境界剝采比遠大于經濟合理剝采比（4.79），大大增加了礦山的剝離成本，降低了礦山的整體經濟效益。

為減少剝巖量和獲得更合理的境界，及及坪采場在原設計基礎上，也結合現場實際生產過程中各水平礦巖量分布情況，進行了境界和礦石破碎站的位置的優化、調整。目前已對采場2 110~1 465 m共44個水平進行優化。優化參數:在淺部風化帶內，階段高度為15 m，階段坡面角為45°，安全平臺寬度為7 m；在硬巖中，段高為15 m，采用雙臺階并段，階段坡面角為65°，上盤部位安全平臺寬度為12 m，下盤部位安全平臺寬度依據礦體形態確定（最小寬度為8 m），安全平臺兼做清掃平臺，露天采場底寬≥35 m。通過優化，及及坪采場表內礦石量減少2 254萬t，平均TFe品位為27.21%，TiO2為6.17%，減少巖石量11 985萬t，其中純巖石為11 241萬t，低品位礦石為744萬t。境界內收后減少部分巖礦剝采比達到5.32（大于經濟合理剝采比4.79），減少的剝巖量較大，降低了境界剝采比，同時在原設計基礎上針對上盤不合理部位進行了境界調整，境界較原設計更合理。但若按此優化繼續開采，隨臺階開采下降，現有設計的礦石破碎站（1個破碎站服務3個水平）將頻繁遷移。

1.2.2 采場下降速度

及及坪采場設計分為1 645 m以上山坡露天礦和1 645~1 465 m深凹露天礦2個部分進行開采，現正處于山坡露天采場開采。山坡露天采場，采用汽車運輸，每個水平的開拓路塹工程量較小，新水平準備時間一般為2~3個月，至2018年末，采場內山坡露天剩余2 035~1 645 m，計26個分層，取1 990~1 645 m間共23個特征分層，平均分層礦量為856.84萬t，若礦石回采率為94%，廢石混入率6%，則白馬鐵礦開采及及坪采場原礦規模要達到1 350萬t/a，采場下降速度為

式中，A為露天可能達到的生產能力，1 350萬t/a；h為分段高，15 m；e為廢石混入率，6%；ρ為所選用的有代表性的水平分層礦量，856.84萬t；η為礦石回采率，94%；v為礦山工程延深速度，m/a。

計算得采場年下降速度v=23.63 m/a，滿足國內同類露天礦山平均年下降速度18~36 m/a的要求［8］，故及及坪采場后續臺階下降速度可選23.63 m/a，約為1.6個臺階/a。后期隨臺階開采下降，山坡露天采場的礦石量不斷減少，礦石破碎站的位置應相應下移。

1.2.3 破碎站+膠帶系統建設進度

若及及坪采場按現有實際生產規模1 350萬t/a繼續向下開采，結合及及坪采場礦巖分布情況及采場下降速度23.63 m/a，會導致采場延伸速度過快，而原設計45 m移設步距的礦石破碎站將以約1.9 a/次的頻繁搬遷。另外，由于礦區地形條件較差，也將加大破碎站移設的難度和工程量，從而延長破碎站+膠帶系統工程建設工期，延緩該系統的建設進度。

1.2.4 采場內礦石運輸成本

及及坪采場二期設計采用汽車+破碎站+膠帶運輸系統，由于礦石破碎站的位置在改變，該系統前端礦山自卸汽車的運輸路線、距離和方式將有所變化，同時說明該系統后端膠帶與礦石破碎站的銜接路徑、方式也可能發生改變，這對采場內礦石運輸成本起著決定性作用。

為此，若使及及坪采場礦石破碎站布置與采場生產規模及下降速度相匹配，充分釋放原礦產能，節約礦石運輸成本，必須對礦石破碎站移設步距進行優化。

2 采場礦石破碎站移設步距優化

移設步距［8］是指破碎站在露天采場內延伸方向的遷移垂直距離。破碎站移設步距的大小關系基建和運營費用。移設步距小，則采場內汽車運距縮短，節省礦巖運輸費用，但破碎站的移設費用增加；移設步距大，破碎站移動的次數少，基建投資減少，但汽車運距增長，運輸費用增加。合理確定破碎站的移設步距，可使采場內單位礦巖運輸費用與破碎站移設費用之和達到最小，即達到最佳經濟效益。

2.1 破碎站移設步距的優化原則

一般情況下，確定破碎站移設步距應遵循以下原則［8］。

（1）合理劃分露天礦山開采境界范圍內各開采水平的礦巖量，使各時期逐年采出的礦巖量與選擇的膠帶運輸機開拓運輸系統相適應。

（2）盡量減少和避免“開采境界分期過渡”與“半連續運輸工藝系統續建”之間的干擾，合理安排露天開采境界的過渡與破碎站續建的銜接關系。

（3）全面分析半連續運輸工藝系統中的各項經濟技術指標，在滿足采場空間、有利于破碎站轉載及膠帶運輸機設置的條件下，力求工程量和基建費用最低。

2.2 礦石破碎站移動步距的優化方法

目前，常用移設費用補償法［7］確定移設步距的最小值。移設費用補償法的基本理論是破碎站移設費用、膠帶機延伸費用必須通過物料經破碎站+膠帶系統運輸較汽車運輸節省的運費得到有效補償，否則破碎站的移設將失去經濟意義。

現結合上述破碎站移設步距優化原則，對及及坪采場破碎站的移設步距進行優化，考慮先采用移設費用補償法確定破碎站移設步距的最小值，然后根據采場生產組織需求，確定經濟、合理的移設步距。

2.2.1 移設費用補償法

對礦山礦石破碎站移設而言，移設費用補償法的基本原理可表達為

式中，Q為一個步距內的礦石運輸量，t，Q=HP；H為破碎站移設步距（礦石提升高度），m；C1為采用汽車運輸單位礦石提升單位高度的費用，元/（t·m），C1=為礦石汽車運輸單價，元（/t·km），K為礦石運輸道路展線系數，α為礦石運輸道路縱坡，（°）；C2為采用膠帶運輸單位礦石提升單位高度的費用，元為礦石膠帶運輸單價，元/（t·km），β為膠帶輸送機縱坡，（°）；D為破碎站移設費用（含膠帶機延伸），元。

即

及及坪采場礦石破碎站移設步距按式（3）計算。計算參數取值及計算結果見表2。

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及及坪采場礦石破碎站移設步距的最小值為45.69 m。當移設步距小于45.69 m時，礦石破碎站移設費用將得不到有效補償，說明及及坪采場當前以45 m的步距布設礦石破碎站沒有得到有效補償、無經濟意義。根據《現代采礦手冊》（中冊）［9］，求得的移設垂直距離，按臺階高度的整數倍的小值確定，則考慮將及及坪采場破碎站移設步距設置為60 m，即4個臺階設置1個破碎站。

2.2.2 生產組織協調

白馬鐵礦及及坪采場原礦規劃規模為1 500萬t/a，其中1 300~1 350萬t/a由破碎—膠帶系統輸送至選礦廠，單個破碎站處理能力為450萬t/a，需3個破碎站同時工作。根據及及坪場實際情況，原礦規模達到1 500萬t/a時，同時出礦臺階數將達到8~10個，為協調采剝作業空間，采場上部臺階的靠幫速度將加快。

根據及及坪采場2018年年末現狀及生產實際情況，為達到有利于采場循環推進與破碎站移設協調的理想狀態，即頂部破碎站卸礦標高以上水平礦石運輸任務已基本完成，采場最低出礦水平與底部破碎站卸礦標高一致，中部破碎站可同時服務于礦石的上運與下運，則需3個破碎站服務9個出礦水平，其中頂部破碎站服務本水平及下水平，中部破碎站服務4個水平（2個上部水平、本水平及1個下水平），底部破碎站服務3個水平（2個上部水平及本水平）。此時，破碎站的移設步距為60 m，單個破碎站服務的水平數為4個，包含2個礦石下運水平，1個礦石平運水平和1個礦石上運水平。即破碎站移設步距考慮為60 m有利于采場循環推進與破碎站移設的協調，符合采用移設費用補償法原理計算所得破碎站移設步距大于45.69 m的基本要求。

當前及及坪采場4#礦石破碎站已完成選址論證及設計工作，設計卸礦標高1 870 m。按破碎站移設步距60 m來規劃破碎站，1 870~1 645 m水平破碎站布設規劃情況詳見表3。

注:4#破碎站為原有破碎站。

由表3可知，及及坪采場礦石破碎站移設步距優化后，破碎站數量可由原設計的10個減少至8個。

3 結論

（1）目前及及坪采場的采場各水平礦巖分布情況、采場下降速度、破碎站+膠帶系統建設進度和礦石運輸成本都影響著礦石破碎站位置的布設。

（2）通過移設費用補償法對及及坪礦石破碎站布置進行優化研究，優化后及及坪礦石破碎站步距由45 m變為60 m，破碎站數量由原設計的10個減少至8個，經濟合理，滿足及及坪采場生產組織需求，便于后續礦石經濟物流運輸。