某鋁土礦露天開采工藝比選探討

張名中

(中鐵十局集團有限公司北京礦業工程分公司， 北京 100010)

0 引言

西非某國資源豐富，有“地質奇跡”之稱。鋁礬土儲量約為400億t，已探明儲量為290多億t，占世界已探明儲量的30%，居世界第一位，其品位高達58%～62%。積極開發利用海外鋁土礦，是我國鋁工業持續發展和“一帶一路”倡議的需要，而大型鋁土礦山開采過程中，采礦工藝的選擇是礦山設計工作的核心，一經確定，將直接影響礦山的投資和生產，進而影響礦山企業效益[1]。

近年來，相關學者針對露天采礦機工藝展開了詳細研究。黃毅等[2]根據某鋁土礦的賦存特性，對比研究了常規爆破和非爆破露天采礦機開采工藝特點，并對S、L、T型3種露天采礦機工藝進行經濟比選，對我國露天鋁土礦開采具有參考意義；昌珺等[3]根據某紅土型露天鋁土礦條件，提出了推土機、穿孔爆破、露天采礦機以及組合開采工藝，并從技術和經濟兩方面分析優選了開采工藝方案，進而確定開采程序；高亞飛等[4]對露天采礦機不同的集料和裝載方式進行了詳細比較分析，探討了3種裝料方式的優缺點，并對澳大利亞以及幾內亞礦山實際采用的裝料方式進行調研分析，得出了科學實用的結論；范正祥[5]分析了露天采礦工藝在露天煤礦中的應用，并與選定的單斗卡車工藝進行經濟分析，結果表明，露天采礦機工藝具有簡化生產管理，經濟效益的優勢，為露天煤礦開采工藝選擇提供了新思路。

本文根據某大型鋁土礦山的地質資料分析，綜合國內外此類礦山實際生產經驗，提出了3種科學可行的開采工藝，在此基礎上進行了優缺點分析，得到了適合該礦山的最優方案，并確定了開采工藝設備和開采程序。

1 工程概況

某大型鋁土礦山位于西非某國西部沿海丘陵區，礦區范圍為東西長約15 km、南北寬約10 km的規則區塊，總面積約160 km2。礦區屬熱帶季風氣候，一年分為雨季和旱季兩季，6月下旬至10月上旬為雨季，其中8月份降雨量最大。礦區內最高海拔標高為460 m，最低海拔標高為170 m，最大相對高差290 m，地形坡度小于20°，一般在5°～10°之間。礦區內共有4個礦體，礦體間溝壑深度為100～160 m，有利于大氣降水的徑流與排泄。礦區內有大面積的平坦地形，坡度一般小于5°，有利于露天開采。

該國基礎設施建設落后，除砂子、碎石、一般木材可從當地自采取得外，需自備發電機組，就地打深井供水，自行建設油庫及加油站以及自建機修汽修設施。礦區地層自上而下分別為表土層、鐵帽層、鋁土礦層、下紅土層和黏土層。礦石品位地表往下由低到高，呈層狀分布。

2 工藝選擇

2.1 原則

開采工藝選擇一是要遵循市場經濟原則，力求投資少、成本低、效益好，尤其要突出初期的經濟效益；二是要與露天礦建設規模相適應，并兼顧長遠發展；三是要結合本礦的開采技術條件，并具有較強的適應性和靈活性；四是要具有先進性，能實現高產、高效，以贏得最佳的經濟效益；五是要適應本地區的夏季酷熱氣候條件以及所開采的鋁土礦巖物理力學性質。該礦采礦規模15.0 Mt/a，屬于大型露采礦山，針對該礦具體的礦層賦存條件和外部生產條件，采用機動靈活的采剝工藝，提出了單斗卡車間斷開采工藝、露天采礦機開采工藝以及地平王開采工藝3種技術可行的開采工藝進行比較。

2.2 開采工藝比較

2.2.1 單斗卡車開采工藝

該工藝（見圖1）屬于傳統開采工藝，具有拉溝長度短，基建工程量小，建設速度快的特點；工作線長度短，易于分區開采，初期生產剝采比小，投資低；運輸設備爬坡能力大，機動靈活，適合復雜地形的礦山開采，礦山生產系統簡單；生產設備性能可靠，具有成熟的礦山管理經驗；容易向其他工藝過渡和發展，可以隨時增加投入設備而擴大規模。其缺點是：需爆破后液壓挖掘機才能采裝，增加了穿爆環節，增加開采成本。

圖1 單斗卡車

2.2.2 露天采礦機開采工藝

該工藝（見圖2）集切削、破碎及裝載于一體，整個過程一次性完成，簡化了采礦工藝。與傳統采礦工藝相比，投資更低，提高工作效率，降低施工成本，減少穿爆環節，避免了穿爆作業對周邊環境的影響；其中露天采礦機最低可采厚度為10 cm，提高資源回收率，剔除更多矸石，提高礦石品位；物料粒度均勻，粒度基本在60 cm以下，無需初級破碎，可直接采用輸送帶運輸；可直接切削出平整或有坡度的工作面或者路面；卸料方式多樣，分皮帶卸料方式、堆料帶方式及料帶方式，便于與下一道裝載或運輸方式銜接。其缺點主要有：要求施工場地長而寬且平整，要求施工場地長、寬必須大于2倍的設備轉彎半徑，施工前，必須清除表層土、大塊松散的石頭、雜樹及樹根、坑凹、鼓包及高于40 cm的臺肩；在施工末端，約有3倍轉彎半徑大的區域開采不到，需其他輔助設備后續開采；在有縱橫坡度的工作面切削，不僅影響機器的穩定性，還會降低機器的產量。采用料帶方式卸料時，能夠在坡度約8%的橫坡上施工；當橫坡度超過8%，需采用水平開采或小角度開采方式，施工區域應該以臺階式開采施工。

圖2 露天采礦機

2.2.3 地平王開采工藝

該工藝（見圖3）的特點與露天采礦機開采工藝基本一致，此外，其優點為：地平王切入深度為0～60 cm，提高了資源回收率，能剔除更多矸石，提高了礦石品位；物料粒度均勻，所用切入深度為30 cm，可最大限度提高生產速度、減小切削齒和齒座的磨損，所得物料粒度均為20 cm以下；機器操作性能好，重心低，機動靈活，設備原地轉彎時間不超過30 s，可在20°坡面上有效作業，并且沒有死角；提供定制服務，根據巖石硬度、研磨系數、巖石類型及容重等指標，工程人員通過計算軟件分析，可得到每小時固定和可變費用值，包括了購買價格，維護保養費用以及運行成本，還可以得到每方或每噸成本。其主要缺點有：裝載及工作面整平環節，需要裝載機配合，增加裝車成本。

圖3 地平王

2.3 工藝選擇

對3種開采工藝進行優缺點分析可知，單斗卡車、露天采礦機及地平王3種開采工藝的技術都可行，其中，露天采礦機-卡車開采工藝和地平王-裝載機-卡車開采工藝是目前國內露天礦新引進的開采工藝，露天采礦機-卡車開采工藝對場地的要求比較嚴格，需要平坦及寬敞的作業面，但設備使用效率高，不需要推土機聚堆作業。整體上，該工藝不需鉆孔和爆破，簡化生產環節，效率更高，所產生的噪音、灰塵和振動也顯著減少，對環境更友好，同時減少了現場作業設備和人員，投資更少，運營成本低，另外，該工藝回采率高，且能精確切削平整的坡面和表面，安全性更高。通過該國類似礦區的設計和使用經驗，露天采礦機開采工藝比單斗卡車和地平王開采工藝具有更大的優越性，無需爆破和破碎。

針對該鋁土礦建設規模、生產條件及開采工藝，綜合比較各方案生產設備投入費用、運營成本費用及投資合計，開采經濟對比見表1。

表1 各開采工藝經濟比較 元

由表1可知，方案1總投資最高，方案2總投資最小，運營成本方案2最小，方案3最大。總體經濟效果方案2最優，方案3次之，方案1最差。因此，從經濟性比較方案2露天采礦機開采工藝最優。

針對該礦山地質情況以及類似礦山生產經驗，通過技術經濟比較，推薦采用露天采礦機開采工藝。露天采礦機開采工藝設計選用采剝工程設備維特根露天采礦機2500SM，履帶推土機580HP，前裝機5 m3，運輸設備為50 t自卸卡車，排土設備為輪式推土機220HP，除此之外，還配有壓路機、灑水車、平路機、加油車以及液壓挖掘機等輔助設備。

3 開采程序及開采方法

3.1 開采程序

開采范圍內要求采出的礦體Al2O3品位在40%以上，同時品位在35%～40%的低品位礦石也應盡量采出，堆置在開采結束后的采空區，便于以后需要時再開采。開采時，剝離超前采礦距離至少大于50 m。上部地表植被、腐殖土及第四系由推土機清理，單獨堆放。下部剝離物及礦石由露天采礦機切削、前裝機裝車及自卸卡車運輸，無爆破作業。露天采礦機工作時采用逐層開采的方式，每層采剝厚度約為0.4～0.5 m，在采區一側合適位置沿直線拉溝，向另一側擴幫，留出一定寬度后，在下一分層拉溝、擴幫，以此類推，先剝離上覆鐵帽，再開采低品位礦石（40%以下），最后開采高品位礦石（40%以上）直至開采至高品位礦底板，而后不斷向另一側水平推進，直到采區到界，進行下一采區開采。

3.2 開采方法

根據生產地質勘探鉆孔或探井，提前取樣化驗，做好采區邊界控制，掌握開采區域范圍內高低品位礦層賦存情況，指導生產組織、剔除夾石和摻配高低品位礦石。采用露天采礦機采剝，露天采礦機最低可采厚度為10 cm，回采更多資源，剔除更多矸石，提高礦石品位。廢石剝離物采用露天采礦機剝離出的鐵帽層和夾石由自卸卡車運至排土場排棄。外排土場選擇在鄰近地勢較低的山谷處，位于礦體范圍以外。具備內排后，廢石剝離物排棄至采空區。露天采礦機采出的低品位礦由自卸卡車運輸堆放在礦體范圍內或采空區，便于以后需要時再行開采。露天采礦機采出的高品位礦運往港口堆場，在堆場進行配礦后，裝船外運。

4 結論

（1）針對露天礦區開采技術條件，提出了 3種開采工藝，并對各工藝特點和經濟進行了對比分析，結合類似礦區生產經驗，推薦采用露天采礦機開采工藝方案。

（2）基于優選開采工藝，確定了露天開采工藝配套主要采剝運設備選用2500SM露天采礦機履帶推土機、5 m3前裝機和50 t自卸卡車580HP以及輔助設備。

（3）確定了露天采礦機工藝的開采程序和開采方法，包括每層采剝厚度、拉溝方式以及開采順序，并確定了剝離物和礦石的使用設備和堆放方式。