基于傳感器的礦石預富集技術發展新趨勢

吳西順，張 煒，趙相寬，高 曦，黃文斌

(1.中國地質調查局國際礦業研究中心，北京 100037；2.中國地質調查局地學文獻中心，中國地質圖書館，北京 100083)

礦石預富集，又稱預分選、礦石揀選或預選拋廢等，是指在礦石進入細碎和磨礦等礦物加工流程前，根據礦石與廢石在某種特性上的差異提前進行分選的技術，對于降低成本、提高品位和環境保護具有積極意義[1-5]。該技術已有近百年的歷史，近十年來，隨著礦業企業開始重新審視這項技術的價值和作用，旨在對礦石品位下降、提高盈利能力和減碳壓力做出回應。筆者通過網絡和實地調研了挪威陶朗、德國Steinert、俄羅斯Rados、挪威Comex和芬蘭IMA Engineering等二十幾家國際公司以及好朋友、美騰科技、霍里思特和隆基等十幾家國內技術企業和礦山企業，發現礦石預富集技術尤其是基于傳感器的揀選技術發展十分迅速，其研發應用重新引起礦業行業的興趣和關注[6]。

1 礦石預富集技術應用現狀

近年來，隨著色選、X射線熒光(XRF)、X射線透射(XRT)、激光誘導、微波等傳感檢測技術的發展，基于先進傳感器的礦石揀選技術引起包括英美資源集團、必和必拓和紐克雷斯特礦業等在內的全球知名礦業企業的高度關注[1,4,7-8]。其中，英美資源集團將塊礦揀選技術列為該公司未來高質量、可持續發展的四項核心技術之一，預計到2022年將為其生產運營增加30億～40億美元的收益。目前，該公司已經在南非Mogalakwena鉑礦、智利Los Bronces銅礦和巴西Barro Alto鎳礦應用了塊礦揀選技術，在Mogalakwena鉑礦的應用減少了5%～20%的廢石量，并降低了能源和水資源的用量。紐克雷斯特礦業正在其Telfer選礦廠中研究采用顆粒揀選系統，而在其Cadia選礦廠研究采用塊礦揀選系統。

目前，礦石揀選中得到最多關注的是XRT等塊礦揀選技術，市場上大多數XRT分選機根據物料的特定原子密度識別和分離物料，無論礦石大小、濕度或表面污染程度如何，都可以實現高水平的揀選純度。但需要注意的是，每種檢測傳感器都有其局限性，因而在實際中多組合使用[9]，有時稱為“傳感器融合”。例如，Novo Resources公司位于澳大利亞的Karratha金礦結合XRT和電磁感應傳感器對金礦石進行揀選，其中，XRT可識別含有高原子質量的礦物顆粒(比如金)，而電磁感應可識別因存在金屬顆粒而帶電荷的礦石；Vista Gold公司位于澳大利亞的Mt Todd金礦結合XRT和激光傳感器的礦石揀選測試表明，可以對粗顆粒(+16 mm)的高壓輥磨產物中的礦石和廢石進行有效分離，其中，激光傳感器用于檢測經XRT揀選后礦石中的石英(表1和圖1)。

圖1 礦石揀選技術及其光譜檢測范圍Fig.1 Ore sorting technology and its spectrum range(資料來源：文獻[9])

表1 基于傳感器的礦石揀選檢測技術及應用Table 1 Ore sorting detection technology and applications of sensor-based

礦石揀選的關鍵是礦石本身的非均質性，但即使礦體的非均質和差異性適合采用礦石揀選技術，也不意味著現實中可以采用該技術，因為需要綜合評估采用礦石揀選技術的收益。揀選技術的收益評價主要分為三種情景：①將品位較低的廢石(包括早前的拋廢料)以適當的回收率轉化為具有經濟價值的礦石；②通過揀選提高礦石品位，并降低后續的加工成本和運輸成本；③通過礦石揀選增加企業現金流。對于第一種場景，回收的價值需要涵蓋處理成本和邊際成本，因此，礦石揀選帶來顯著的收益必須是礦物加工能力超過礦石供應量的項目，或可通過簡易低成本工藝將廢石轉化為有價值礦石。對于第二種場景，通常只在礦物加工和礦石運輸成本較高且回收率也較高(如95%以上)的情況下適用，例如幾乎不含浸染狀礦物的塊狀礦石的廢石分離。對于第三種場景，旨在通過優先生產更高品位的礦石來提升對投資者的吸引力，并增加企業現金流和凈現值。這要求采礦、揀選和礦石儲存的成本較低，從而在實際實施時不會對企業資本和運營成本造成重大影響。在這三種場景下，揀選的應用效益應分別采用不同的經濟評價方法。

盡管礦石揀選技術對礦業行業帶來改善，但以更大的規模進行有效礦石揀選仍需要繼續發展。最重要的是考慮因素仍是各環節礦石的非均質性，并在爆破、卡車運輸和皮帶運輸過程中利用這種非均質性進行規模更經濟且更有效的礦石揀選。其中，分析儀器的檢測用時會限制輸送機上塊礦或粗顆粒揀選系統的選別性及批量揀選規模；另一個限制因素是批量分流系統，盡管有多種機制可實現分流，但大多數機制的分流速度較緩慢，而快速分流的閘門系統將面臨磨損率較高的問題。

2 基于解決方案的礦石預富集技術

筆者研究發現，當前礦石預富集雖然仍在快速發展，但本領域已經基本形成了由原理、方法、技術、設備、礦山應用和效果評價構成的成熟產業鏈條。而最近興起的基于解決方案的礦石富集綜合技術產品又在一定程度上延續了歐洲先進選礦企業的優勢和市場份額，而基于解決方案的預富集技術對于中國企業來講恰好是發展的薄弱環節。

2.1 旨在利用礦體非均質的原位揀選方案

礦石揀選作為一種礦石預選技術，其對礦產資源開發的重要作用是利用大多數礦床自然形成的非均質性(即特性差異)分離礦石與廢石，因此應在礦山開采流程中盡早應用(如礦坑內或選礦廠的給料輸送機)，以免因礦石的重新處理、轉移、破碎或混合而使礦石品位的差異性降低，從而抑制了礦石與廢石的有效分離。例如，IMA Engineering公司為了盡量接近采掘工作面，利用安裝在露天礦坑和地下礦井固定位置處的IMA XRF鏟斗掃描儀檢測輪式裝載機和鏟運機內的礦石品位，主要是因為采掘工作面處的礦石非均性最強。這使得礦山運營管理人員能夠通過對鏟斗內物料平均品位的了解確定設備所處位置的礦石品位，以便通過對礦石與廢石邊界的及時識別優化礦山運營。

2.2 兼顧顆粒和塊礦的綜合揀選方案

顆粒揀選和塊礦揀選各具優勢，前者對礦石以單層形式進行傳感器識別，準確性更高；后者無需細碎和篩分，處理量更大，揀選設備可靈活安裝在礦石輸送設備上(如鏟斗、卡車、傳送帶等)，生產更為便捷且成本支出更低。為了更好地發揮這兩種揀選方法的優勢，相關技術裝備供應商已在嘗試建立顆粒揀選與塊礦揀選相結合的礦石揀選方案。例如，加拿大不列顛哥倫比亞大學NBK采礦工程研究所的研究人員為了評估加拿大New Afton斑巖型銅金礦崩落法開采的增值潛力[10]，開展了基于傳感器的礦石揀選研究工作，綜合考慮了顆粒揀選和塊礦揀選方法，提出了顆粒與塊礦綜合揀選系統的礦石處理流程：利用PGNAA塊礦揀選設備將礦石分選為高品位礦石、中間品位礦石和廢石，其中，高品位礦石直接運至選礦廠，低品位礦石(廢石)運至排土場，中間品位礦石經破碎和篩分后通過XRF顆粒揀選設備進行再次分選。

2.3 基于傳感器融合的礦石揀選方案

德國Steinert公司通過XRT與其他檢測傳感器的融合精確識別單個化學元素。例如，光學和激光傳感器非常適合檢測不同顏色的礦石，如氧化銅或石英的晶體結構。該公司的一種多傳感器揀選系統(KSS)結合了XRT和激光傳感器技術[11]，XRT傳感器旨在識別和檢測物料的原子密度及測量與巖石礦物組成直接相關的每個顆粒的X射線衰減，激光傳感器旨在檢測顆粒的形狀和亮度，Braveheart Resources公司位于加拿大的Alpine金礦項目中的原礦和合成樣品的分選測試結果表明，原礦的金品位從14.7 g/t提高至20.3 g/t，金回收率為92.8%，拋廢率為32.7%；合成材料的金品位從25.4 g/t提高至43.2 g/t，金回收率為81.3%，拋廢率為52.1%。

2.4 多流程優化的礦石回收整體方案

業界對整個行業的礦石損失和廢石稀釋進行了全面研究，評估認為礦山運營如維持現狀，則可能會損失10%～30%的礦石價值。造成上述損失的根本原因包括：①分析與取樣的平均化，由于分析技術和相關成本限制了樣品尺寸/長度，基于鉆獲巖芯和鉆屑的常規取樣和分析會削弱對礦石/廢石非均質性的認識；②分析與取樣的不準確，與人為錯誤和缺陷以及采樣和分析技術有關，會導致礦石與廢石分離上的誤差；③爆破造成的礦石移動，使礦石與廢石發生混合；④采礦過程中超挖造成的過多廢石混入；⑤礦石中的有害礦物/元素會使礦石不得不作為廢石進行處理。

鑒于此，IMA Engineering公司與Mine On-Line Service公司(MOLS)針對上述研究結論建立了礦石揀選工具包，包括基于鉆獲巖芯的礦石揀選模擬(OSSCORE)、針對爆破孔和反循環鉆孔的鉆屑分析、爆破運動監測以及利用塊礦揀選系統(BOSS)的實驗室研究。其中，利用OSSCORE對Sotkamo Silver公司位于芬蘭中部的一個銀礦項目進行了XRF礦石揀選模擬，通過采用礦石分選機來擴大項目的礦石儲量，更新礦山運營計劃，進而使該項目的總計劃采礦量從50萬t/a增加至180萬t/a，使其最大潛在礦物加工能力提高至60萬t/a。此外，IMA Engineering公司的沖擊鉆取樣分析儀(PDSA)可在爆破孔和反循環鉆孔鉆進過程中同時對鉆屑進行連續的取樣和分析，從而建立爆破臺階的元素分布圖，并準確地顯示礦石與廢石邊界位置。MOLS公司的Blast Movement Monitors通過安裝于爆破工作面，可在爆破過程中隨巖石移動而移動，從而提供有關爆破后礦石與廢石分布的有價值信息。IMA Engineering公司的BOSS系統可在實驗室條件下分析客戶的巖石和鉆屑樣品，對該樣品的揀選有效性進行評估。盡管如此，現場測試仍是最關鍵的，因為實際場地的礦石表面更臟、更濕，且體積更大，可以掌握礦石與廢石是否可揀選更真實的信息。

3 典型預富集技術研發案例分析

縱觀國際技術市場，美國、日本等國家在礦石分選領域并不占優勢，歐洲和澳大利亞的技術研發和礦業應用較為活躍而處于領先地位，這主要是因為技術發展歷史上的路徑依賴問題和該部分市場位于整個礦業產業鏈的中上游，投入產出比和價值增加值較低。但就目前的發展形勢來看，礦石預富集環節對于整個礦業的發展轉型、節能降耗和綠色可持續發展越來越具有關鍵價值和戰略意義。中國企業雖然起步較晚但發展較快，如贛州好朋友科技有限公司和天津美騰科技股份有限公司，還有一些企業甚至開始“走出去”開拓海外市場，如北京霍里思特科技有限公司等，這主要歸因于中國鼓勵和重視技術創新的政策以及企業長期多方努力和國際合作。國外該領域的技術研發企業主要有挪威Tomra集團、德國Steinert公司、俄羅斯Rados、芬蘭IMA Engineering、挪威Comex、美國Thermo Fisher、加拿大MineSense、澳大利亞NextOre和澳大利亞優化資源開采合作研究中心(CRC ORE)等。下面以一些典型案例予以闡述和說明。

3.1 挪威Tomra集團多元傳感器揀選技術及應用

TOMRA揀選系統(以前稱Commodas Ultrasort)采用多元先進識別技術(色選、近紅外、XRT、電磁、激光)和傳感器融合技術，將物料處理、產品識別和加壓空氣噴射整合到一個強大且成熟的系統中。其高科技傳感器技術配備了鷹眼視覺系統，因而能夠檢測和提供更多信息，不但處理規模和速度遠高于重介質等傳統分選技術，而且分選精度達到了即使是最小的顆粒也能被檢測到的程度。TOMRA揀選系統的傳感器技術可以對材料、顏色、密度、形狀、尺寸、幾何結構和物體位置等數據進行高速處理，產品有PRO和COM等系列。

PRO(工業加工)系列揀選設備專為典型的礦物處理環境而設計，有三種型號，即Primary、Secondary和Tertiary，配備色選、近紅外和激光三種傳感器技術。其中，Primary型分選機用于處理初級破碎機加工后的50～250 mm物料，采用色選、近紅外檢測技術；Secondary型分選機用于處理二級破碎機加工后的物料，粒徑為20～120 mm，采用了激光、色選和近紅外，適用于工業礦物、寶石、有色金屬；Tertiary型分選機用于處理三級破碎機加工后的物料，粒徑為2～32 mm，采用色選技術，適用于工業礦物、寶石。

COM系列適用于皮帶進料系統具有不均勻進料或臨界含水量的情況，使用4種不同的傳感器技術，即XRT、色選、近紅外和電磁。XRT型分選機用于任何粒徑、濕度或表面污染程度下獲得較高品位的揀選物料，適用于工業礦物、寶石、有色金屬、黑色金屬等；XRT 2.0型分選機是XRT型分選機的升級版，具有更高的皮帶運行速度和處理量；COLOR-NIR型分選機主要適用于工業礦物、寶石、黑色金屬、有色金屬；COM EM型分選機用于采用高靈敏電磁傳感器利用SUPPIXX?技術提高分辨率，可以高速處理生產高純度精礦，適用于黑色金屬等。

3.2 澳大利亞CRC-ORE綜合采選方案

2020年底，澳大利亞優化資源開采合作研究中心(CRC-ORE)與全球工程咨詢企業赫氏集團(Hatch)簽署了一項協議，委托后者通過多學科管理、工程和開發咨詢實現Grade Engineering系統的商業推廣[12]。Grade Engineering系統是一種綜合性粗顆粒預選拋廢方法，可根據礦石具體性質匹配分離技術，從而更有效地處理低品位礦石和廢石來提取有價礦物，并顯著延長礦山服務年限及減少其環境足跡。 該系統的粗顆料拋廢范圍(10～100 mm)適用于從礦山到磨機出料的粒度分布，采用的五類分離方法包括粒度優先分級、微差爆破、基于傳感器的塊礦揀選、基于傳感器的進料流分選、粗顆粒重力分選，具體如下所述。

1) 粒度優先分級。某些礦石相對易于破碎，使得礦物集中在特定的粒級。優先分級取決于巖體特性、結構、礦石共生和礦物學在一定范圍內的相互作用。通常來說，響應程度與原礦品位之間沒有相關性，主要控制因素是礦石結構而非絕對豐度。物理分離是爆破或初碎后應用篩分技術實現的功能。

2) 微差爆破。使用專門的爆破設計在臺階或礦場規模上對物料進行小批量調節，該設計可使具有更高品位的礦石以更細的粒級富集。

3) 基于傳感器的塊礦揀選。應用各種電子傳感器提供物料采掘和輸運“界面”(包括鏟斗、卡車和輸送機)中的礦石品位信息并進行分揀。有多種技術手段能夠對粗粒巖石從礦石表面到礦石內部進行檢測，也具備從元素組成到礦物學組成的分辨率。

4) 基于傳感器的進料流分選。基于傳感器的塊礦揀選涵蓋全部的粒度分布，而基于進料流的分選是對調整后的粒度分布。這是因為某些傳感器技術只適用于有限的粒度分布，通過改進礦石內部結構并使用空氣噴射或機械作動實現單顆粒分選。

5) 粗顆粒重力分選。利用針對粗粒巖石(粒徑大于10 mm)的重介質分選和跳汰機，根據密度差別實現顆粒分離。與前三種方法相比，粗顆粒重力分選由于需要進料調節所以通常要進行二次破碎和篩分以提供嚴格控制的粒度分布。因此，該技術的應用主要是與其他手段結合起來對進料流進行提質增效。

4 典型應用案例效果評價

典型案例研究認為，預富集技術的應用效果及量化評價主要體現在品位提高、廢石去除、回收率、用水和耗能以及生產效率等方面。

挪威Tomra集團的XRT分選機在國際市場上份額較大，應用性能也較穩定。Vimy Resources公司的澳大利亞Angulari鈾金礦運用COM XRT Tertiary對41.5 kg巖芯樣品進行的分選測試。結果表明，鈾精礦品位從1.2% U3O8增加到2.0% U3O8，金精礦品位從0.7 g/t增加到1.1 g/t。Vendetta Mining公司澳大利亞Pegmont鉛鋅項目的139.2 kg樣品分選測試表明，鉛鋅品位分別從18%和21%提高到88%和72%，回收率分別從83.2%和76.4%提升到90.2%和92.2%；而對世界上最大的地下錫礦秘魯San Rafael礦運行結果表明，錫品位從0.6%提高至2.8%，回收率達到90%[13-15]。在廢石拋除率方面，Rafaella Resources公司西班牙鎢錫項目的測試表明廢石去除率超過50%，Maritime公司加拿大Hammerdown金礦剔除的廢石占給礦的34%，而Osisko公司加拿大Cariboo金礦在初次破碎就可以去除50%的廢石，用水量和能耗減少50%[16-18]；Vast Resources公司羅馬尼亞Baita Plai多金屬礦，廢石去除率也在40%左右[19]，節能增效減排效果十分顯著。

澳大利亞優化資源開采合作研究中心(CRC ORE)也與英美資源集團在智利El Soldado銅礦、南非Mogalakwena鉑族金屬礦和巴西Barro Alto紅土鎳礦合作測試前者的塊礦揀選解決方案，格局上形成了技術開發-商業推廣-礦山應用的產業模式。其中，澳大利亞優化資源開采合作研究中心承擔的鉑族金屬礦塊礦揀選項目分三個階段實施。第一階段包括分析礦體的非均質性、分析鉑族金屬與賤金屬的相關性、選擇傳感器技術(本案例中選擇XRF和PGNAA)、設計/布局塊礦揀選設施及選擇設備、分析礦體自然賦存、選擇礦石類型與取樣策略、計劃和管理項目。解決方案采用卡特彼勒的992型輪式裝載機將物料運送到揀選系統中。其中，分流閘門前的PGNAA分析儀檢測速度極快，僅為30 s；但在第二階段的傳感器校準和技術驗證階段，塊礦揀選系統無法即插即用，PGNAA傳感器校準率僅為20%～30%。然而在第三階段提高生產規模時，通過與XRF協同運作從500 t/h增加到1 000 t/h。

5 結論與展望

綜上所述，本文系統闡述了先進的礦石傳感測試技術，重點考察了陶朗、Steinert、Rados、IMA Engineering等國外技術研發公司和國內好朋友、美騰科技、霍里斯特和隆基等國內相關企業，分析了先進傳感器揀選技術發展趨勢和礦山應用特點，著重闡述了行業發展前沿而中國企業又較為薄弱的綜合揀選解決方案。通過分析研究可知，借助人工智能(AI)、先進傳感器技術、大數據學習和遠程通信的技術進步，基于先進傳感器的礦石預富集技術特別是塊狀礦石揀選領域必將迎來快發展和大應用。與跨國公司相比，中資企業雖在許多領域取得了可喜成績，但在關鍵技術、關鍵部件和難選礦種的自主創新、技術研發以及國際市場的開拓方面，無論是技術研發還是礦山應用都需做好長期持續努力和打硬仗的準備。

致謝衷心感謝中國地質圖書館田黔寧研究員以及廣州海洋地質調查局的姚翔博士等人在本論文撰寫過程中所給予的寶貴指導意見和熱情幫助。