莫桑比克6678L 石墨礦露天開采境界優化

王 政

（河北寰球工程有限公司，河北 涿州 072754）

石墨是一種非常重要的非金屬礦產，不僅廣泛應用于鋼鐵等傳統產業，也廣泛應用于新能源、新材料等新興產業，被認為是支撐未來高新技術發展的重要戰略資源[1]。全球石墨礦產分布相對集中，主要分布在中國、印度、斯里蘭卡、土耳其、烏克蘭、馬達加斯加、莫桑比克、坦桑尼亞、巴西。石墨礦床根據石墨的結晶程度，可分為晶質石墨（鱗片石墨）礦和隱晶質石墨礦；根據地質成因可分為區域變質型石墨礦、接觸變質型石墨礦、巖漿熱液型石墨礦。多數國家只產出某一種類型的石墨，只有中國等少數幾個國家各種類型的石墨礦都有產出[2]。

晶質石墨（鱗片石墨）的晶體呈現鱗片狀，可浮性、潤滑性、可塑性均比其他類型石墨優越，鱗片越大，固定碳含量越高，價值越高[3]，用于制造高純石墨、氟化石墨、石墨烯。

莫桑比克是非洲地區石墨資源最為豐富的國家，北部的含石墨云母片巖和片麻巖被發現于德爾加杜角省不同的構造雜巖體內[4]，賦存+0.15 mm 粒級的優質大鱗片石墨。由于過去勘察程度低，針對莫桑比克石墨資源的成礦規律、成礦特征、資源勘探、采選工藝的研究很少。隨著大鱗片石墨的應用，莫桑比克已成為全球石墨資源勘查開發的熱點地區，采礦工藝、選礦工藝、大鱗片石墨保護方面的研究也迫在眉睫。

1 礦山概況

莫桑比克北部德爾加杜角省6678L 石墨礦，礦區面積約30 km2，礦區地表總體平坦，地勢起伏小，海拔500～550 m，表土覆蓋層厚度約3.93～15.84 m，平均厚度9.39 m，適合采用露天開采方式，采用卡車運輸。熱帶草原地貌，有灌木和幼樹，較大的樹木分布稀疏。土壤呈紅褐色，由黏土和沙子混合而成，幾乎沒有礫巖。

6678L 石墨礦處在雜巖體石墨含礦帶中。雜巖體由鎂鐵質火成巖和麻粒巖等各類變質的上地殼巖石組成，存在云母片麻巖及片巖、石英長石片麻巖、變質砂巖、石英巖、大理巖等副片麻巖以及長英質正片麻巖。石墨礦主要賦存于雜巖體的石英片巖中，最常見的巖性包括石墨片巖、片麻巖、薄偉晶巖帶等，硫化物較少見[5]。圍巖由石英片巖、云母片巖和片麻巖組成。礦石中主要礦物有石墨、白云母、石英、長石等，其他礦物還有黑云母、方解石、石榴石、金紅石、黃鐵礦等。截至2020 年2 月，以8%的邊界品位圈定，探明的（JORC Code 2012 Edition）石墨礦產資源總量為331.0 Mt，總石墨碳含量（Total Graphitic Carbon，TGC）13.4%，含有44.34 Mt 的石墨。根據莫桑比克《礦業法》，完成勘探后，礦山可申請25 年的采礦權。6678L 石墨礦化礦化帶賦存于直立傾伏等斜褶皺構造中，傾向西，傾角約60°。目前已完成51個鉆孔，其中，金剛石鉆孔18 個，反循環鉆孔17 個。

2 邊坡設計

2.1 巖石性質和礦巖質量評級

1）巖石性質。根據地質資料，6678L 石墨礦礦巖的單軸抗壓強度見表1。

表1 6678L 石墨礦巖石單軸抗壓強度

2）礦石質量評級。由于巖土工程數據較少，因此采用Laubscher 的采礦巖體分類系統（Mining Rock Mass Rating，簡稱MRMR）進行數據采集和礦巖質量評級[6]，6678L 石墨礦不同類型礦巖的MRMR 值見表2。

表2 6678L 石墨礦不同類型礦巖的MRMR 值

2.2 邊坡方案

根據建設方案，6678L 石墨礦采用露天開采，采剝工程分3 個階段進行。第1 階段主要采剝范圍是靠近選礦工業場地的風化程度較高、礦石品位較高的區域，采剝深度40 m；第2 階段在第1 階段初始坑的基礎上，繼續采剝風化的礦巖，采剝深度為60 m；第3 階段采剝深度為150 m，同時采剝風化的礦巖和原生的礦巖。根據不同階段采剝的礦巖性質，進行邊坡設計。根據露天采場的采剝深度和礦巖的MRMR 值，邊坡穩定性安全系數取1.5，參考Haines－Terbrugge 邊坡設計經驗圖[7]，確定第1、第2、第3 階段的最終幫坡角[8]。6678L 石墨礦最終邊坡角見表3。

表3 6678L 石墨礦最終邊坡角

終了邊坡臺階寬度根據經驗公式為：

式中：B 為臺階寬度，m；H 為臺階高度，10 m。

經計算，終了邊坡臺階寬度為6.5 m。根據經驗類比法，參照其他類似礦山，風化的石墨片巖、風化的片麻巖臺階坡面角確定為55°，原生的石墨片巖、原生的片麻巖臺階坡面角確定為75°。

3 露天開采境界優化

6678L 石墨礦的礦床是一個大型的、地表出露石墨的礦床，最大開采深度180 m。根據鉆孔數據生成包含塊體的x、y、z 坐標、礦巖密度、TGC 品位、巖石類型、風化剖面等數據的礦體模型。

3.1 建設規模

為選擇適合的生產規模，主要考慮以下因素的影響：①可采出礦石量和可能的服務年限與申請的采礦權是否匹配；②建設投資數額和籌集資金的難度；③項目價值（凈現值NPV、內部收益率IRR 是否能夠滿足要求）；④石墨精礦的銷售渠道。

為了確定不同生產規模條件下的的服務年限、建設投資、項目價值，利用露天礦山境界優化軟件，選擇0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 Mt/a 等6 種生產規模進行了綜合技術經濟比較，建設規模技術經濟比較見表4，各生產規模的凈現值和內部收益率如圖1。

表4 建設規模技術經濟比較

圖1 各生產規模的凈現值和內部收益率

由表4 和圖1 可以看出，建設規模為1.0 Mt/a時，項目內部收益率最大，但凈現值隨規模增大繼續增大。當生產規模繼續變大，凈現值的增長速率趨于緩慢。可見預見，雖然凈現值在3.0 Mt/a 時沒有達到峰值，但繼續增大年產量其峰值會出現，一般說來，凈現值最大的方案對應的規模為最優規模[9]。年產量3.0 Mt 時服務年限為14 年，若年產量超過3.0 Mt，則服務年限過短導致項目投資回報較低。因此，僅考慮凈現金流量和凈現值，上述建設規模中，以年產量3.0 Mt 為最優。但是，綜合考慮生產規模的資金投入、市場情況、石墨精礦的銷售情況以及可申請的采礦權限，年產量為1.5 Mt 時，服務年限接近采礦證權限，內部收益率也接近峰值，凈現值超87 億元，因此確定建設規模為1.5 Mt/a。

3.2 露天開采境界優化

進行境界優化前，根據礦體賦存條件、當地物價水平、采選工藝、礦石銷售價格等因素確定露天開采境界優化所采用的采礦成本、選礦成本、技術指標、經濟指標等技術經濟指標。

6678L 石墨礦礦體埋藏較淺，地形較為平坦，采用露天開采、卡車運輸方案。淺部表土層、強風化層、部分風化層礦巖采用非爆破方式開采，采用鏟裝、運輸、排土的間斷生產工藝，經測算開采成本為18.9元/t。部分風化層、深部礦巖采用爆破方式開采，采用穿孔、爆破、鏟裝、運輸、排土的間斷生產工藝，開采成本25.9 元/t。露天采場生產臺階高度10 m，每采深10 m 成本增加0.49 元/t。礦巖用3.8 m3液壓挖掘機裝車，礦石裝入35 t 自卸汽車經礦山公路運至選礦廠，巖土用35 t 自卸汽車運到排土場，采用59 kW 履帶式推土機推排。采礦貧化率5%、損失率5%，石墨回收率85%。

選礦廠原礦處理量150 萬t/a，采用2 次粗選、4段再磨和6 次精選的浮選流程，年產石墨精礦16.79萬t，其中年產粒徑≥0.18 mm 的大鱗片石墨10.29萬t，選礦成本296 元/t。根據大鱗片的產出率，精礦價格6 000～8 100 元/t。

莫桑比克石墨礦的資源權利金為3.00%，財務評價的折現系數為10%。

確定建設規模之后，將上述技術經濟指標輸入露天礦山境界優化軟件，以步長為0.2、動態優化的方式，對礦體模型在0.55～1.35 的收入系數下進行評價，生成了一系列露天開采境界優化結果[10]。露天開采境界優化結果見表5，各境界采剝總量與凈現值關系如圖2。

圖2 各境界采剝總量與NPV 關系

表5 露天開采境界優化結果

由于礦體的性質，除了最初形成的境界外，其他的境界采出礦石量、剝離廢石量并沒有較大幅度的增加，在整個模型中，由于較低的剝采比和品位分布的一致性導致模型中的礦石開采受收益因素影響較低。采用露天礦山境界優化軟件進行境界優化，考慮了資金的時間價值，對確定最優境界和實現礦山經濟效益的最大化具有指導意義[11]。凈現值NPV 是資金進行其他投資的潛在收益，一般以項目最關心的收益為衡量標準來確定露天開采的最佳境界[12]。通過露天開采境界優化結果可以看出，3 號露天開采境界是6678L 石墨礦生成最大凈現值的境界。

通過對境界的優化，6678L 石墨礦露天開采境界由1 個露天坑組成，露天采場南北長725 m，東西寬560 m，最大深度175 m，需要剝離廢石35.27 Mt，可以采出礦石30.84 Mt，剝采比1.1 t/t，服務年限20.6 年。

4 結語

莫桑比克已成為全球石墨資源勘查開發的熱點地區，但由于6678L 石墨礦勘察程度很低，提交的礦體模型僅包含有限的工程巖土數據。為了確定經濟合理的露天開采境界，在單軸抗壓強度的基礎上，采用MRMR 采礦巖體分類系統和Haines-Terbrugge 邊坡設計經驗圖確定了露天采場的最終邊坡角，進行合理的邊坡設計；然后根據測算的技術經濟指標，利用露天礦山境界優化軟件，進行了礦山建設規模比選和露天開采境界優化，確定了經濟合理的露天開采境界。