某大型露天礦運輸設備選型研究

齊炎　永學艷　陳振超　匡勇

〔摘 要〕在雙碳目標的大背景下，設備大型化、低碳化逐步成為建設現代化數字礦山和綠色礦山的基礎，使開采工藝向節能、可持續化發展，實現降本增效的目標。基于某大型露天礦山的運輸設備選型，對比了傳統燃油寬體車和新能源電動寬體車運輸設備配置方案。結果表明，傳統燃油寬體車方案在投資上具有明顯優勢，但在年運營費上高于新能源電動寬體車方案，最終推薦礦山服務期內費用現值較低的新能源電動寬體車作為運輸設備，為礦山設備選型提供參考依據。

〔關鍵詞〕露天開采；運輸方案；設備選型；費用現值；新能源電動寬體車

中圖分類號：TD863 ? 文獻標志碼：Ｂ文章編號：1004-4345（2023）05-000１-0４

Research on the Selection of Transport Equipment in a Large Open-pit Mine

QI Yan， YONG Xueyan， CHEN Zhenchao， KUANG Yong

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract? Against the backdrop of the dual carbon goal， the large-scale and low-carbon equipment has gradually become the foundation for building modern digital and environment-friendly mines， enabling mining process to develop towards energy conservation and sustainability， and achieving the goal of reducing cost and increasing efficiency. Based on the selection of transport equipment in a large open-pit mine， this paper compares the configuration schemes of traditional fuel-powered wide-bodied vehicles and new energy electric wide-bodied vehicles. The results indicate that the scheme of the traditional fuel-powered wide-bodied vehicle has obvious advantages in capital cost， but has higher annual operating cost than the scheme of the new energy electric wide-bodied vehicle. Finally， the new energy electric wide-bodied vehicles with lower present value of cost during the mine service period is recommended as transport equipment， providing a reference basis for selecting mine equipment.

Keywords? open pit mining; transport scheme; equipment selection; present value of expenses; new energy electric wide-bodied vehicle

在碳達峰、碳中和的大背景下，新能源已成為傳統行業轉型升級的發展方向。隨著國家對礦山開采的環保要求越來越高，大量礦山企業亟需將耗能高、污染大、噪音大的老舊裝備逐步淘汰更新。大型化、低碳化的礦山設備能夠幫助礦山降本增效，使開采工藝朝著更節能、可持續化發展，是建設現代化數字礦山和綠色露天礦山的基礎。

寬體自卸車（以下簡稱“寬體車”）屬于在礦山運輸中一種運輸設備，該車型比普通后八輪自卸車載重更大，比大噸位剛體礦卡更便宜，因此在露天礦山的礦石運輸任務中廣泛應用。該設備若使用燃油車型，排放污染嚴重，能源消耗巨大。近年來，采用動力電池、電機驅動器和電機配套替代燃油動力的純電動寬體車出現，并已經在高海拔礦區、極寒、重載上下坡、連續運轉等惡劣工況下經歷了嚴苛考驗，實現了節能減排、降本增效的目標，成為礦山企業實現綠色開采的重要途徑之一。然而，當前國內絕大部分礦山以柴油燃料作為礦山運輸車輛動力源的現狀仍沒有發生根本性變化，因此在礦山的現代化、數字化、可持續法化建設進程中，探討、推廣新能源設備在礦山建設中的優勢顯得尤為重要。

1? ?項目背景

某露天礦山位于江西省宜春市，屬剝蝕低山—丘陵地貌類型，總體北高南低，最高點位于區內北部明鳳壇附近，海拔高度為980 m，最低點位于區內南部沖溝，海拔高度380 m，相對高差600 m。區內總資源量約1.25億t，平均品位w（Al2O3）為15.25%，w（Fe2O3）為0.90%，w（Ti2O）為0.04%，w（Li2O）為0.26%，開采對象是含鋰瓷土礦。區內主要礦體位于當地侵蝕基準面以上，部分礦體位于最低自流排泄面標高以下。主要充水含水層為基巖裂隙含水層，富水性弱，透水性差，構造不發育；地下水補給主要為大氣降水；第四系覆蓋層面積小且薄；水文地質邊界條件簡單。礦區地形地貌簡單，巖性較單一，以半堅硬—堅硬塊狀結晶巖類為主，少量為軟弱碎裂—塊狀結晶巖類及松散軟弱巖組；天然狀態下邊坡穩固性較好，不易發生礦山工程地質問題。

礦山計劃生產礦石9 900 kt/a，總服務年限約11 年，考慮到該礦山60%的資源均在封閉圈以上，礦巖運輸多為重載下坡，為降低礦山生產成本，提高企業經濟效益，本文擬提出兩種運輸設備選型方案，綜合考慮設備投資、年經營成本和折舊年限等因素后，推薦適合該礦體開采的最優礦巖運輸設備。

2? ?終了境界的確定

本文采用MineSight礦業軟件建立相應的礦床地質模型。依據項目擬采用的采選工藝，選取合理的技術及經濟參數，按照凈現值最大的原則，得出理論上最優的露天開采境界[3]。

基于圈定境界的參數，確定了最終開采境界。露天開采終了境界采出礦石9 694.38 萬t（探明+控制級別資源利用系數為100%，推斷級別資源利用系數為75%），平均地質品位w（Li2O）為0.260%，w（Al2O3）為15.26%，w（Ti2O）為0.038%，w（Fe2O3）為0.90%。境界內剝離量為4 692.2萬t，平均剝采比為0.48 t/t。露天境界三維視圖如圖1所示。

礦石量主要集中分布在414～618 m臺階間，礦石量約為7 186.65萬t（平均臺階礦石量約400萬t，臺階數為18個），占采出礦石總量的74%。采場內礦石平均運距約為1.41 km，廢石運距約為1.49 km。在礦石出入溝498 m以上的礦石量為57 714.33 萬t，占采出礦石總量的60%；在廢石出入溝582 m以上的廢石量為1 966.55 萬t，占廢石總量的42%，重載下坡工況下的礦巖運輸量占境界內采剝總量的54%。因此，結合境界內的采剝量和礦巖分布規律，選擇運輸設備時，主要對燃油寬體車和純電動寬體車進行選型。

3? ?開拓運輸方案的選擇

本礦區地形起伏大，溝谷發育，區內北部和東北部高，境界最高開采點標高+740 m，境界西部地形低，西端最低點標高為+406 m 。終了境界呈東西向—南北向的倒“L”型。擬定的選廠位于采場東南側，與采場出入溝口直線距離為6 km，擬定的廢石場位置緊鄰采場東北部，運距較近。礦石出入溝口位于采場東南側，標高為+498 m，廢石出入溝口位于采場東側中部，標高為+582 m。采場（+498 m標高）與選廠間（+160 m標高）地形崎嶇，絕對高差約340 m，其間地勢起伏較大，需穿過標高為100 m低凹段。采場與選廠間有永久耕地和林地及其他礦權，開拓運輸系統的布置受用地條件制約嚴重。境界內礦、廢石平均運距都在3 km內。

結合礦石、廢石開拓運輸條件，初步可考慮的礦石開拓運輸方案如下：方案Ⅰ（公路開拓+全汽車方案），修筑從采場至選廠運輸道路，礦石由汽車運至選廠；方案Ⅱ（采場公路+汽車+粗碎+膠帶運輸方式），采場內采用公路開拓，礦石由汽車運至采場外破碎站粗碎后，再由膠帶運至選廠；方案Ⅲ（采場公路+汽車+粗碎+溜井+膠帶運輸），采場內采用公路開拓，礦石由汽車運至采場外破碎站粗碎后卸入溜井，再由膠帶運至選廠。

按照投資、運營費用低，建設期短，報批簡易等方案選擇原則進行分析：

1）由于采場與選廠運距較遠，如采用方案Ⅰ，初步估計運距在10 km以上，遠遠大于汽車經濟合理運距（3 km），且汽車運輸的運營費明顯高于膠帶運輸，所以該方案不予推薦。

2）本項目年礦石運量大（990萬t/a），運距較遠，且運輸高差大，所以非常適合采用膠帶運輸。因此采用方案Ⅱ，運營成本低、效率高、安全性好，建設時間相對短，膠帶運輸的優勢隨運量和運距的增加越發凸顯。目前擬定礦石破碎站位于采場出入溝口東側，距離約0.2 km，所以礦石運出采場后即可卸礦，提高項目經濟效益。根據膠帶布置的總體線路，部分膠帶下行可利用礦石勢能發電，進一步提升膠帶運輸的經濟優勢。所以推薦采用方案Ⅱ的運輸方式。

3）盡管方案Ⅲ能發揮膠帶運輸的優點，但存在井巷工程量大、建設周期長、井巷工程位于礦權區外、用地報批難等弊端，與本項目快速建成的指導思想相悖，所以也不予考慮。

4? ?運輸設備方案比較

綜合分析方案Ⅱ的運輸方式與終了境界內礦巖量分布、出入溝口位置等條件，在確定寬體車額定載重量的前提下，考慮燃油寬體車和純電動寬體車兩種不同的運輸設備方案。

4.1? 載重型號的確定

根據本項目建設特點，結合生產進度計劃，以生產第6年為計算年。當年的廢石剝離量為采礦量的６０％，因此采礦量和剝離量差別不大，可以運輸設備以及匹配的鏟裝設備都可以采用同型號。設備選型遵循選用適度先進的設備以提高生產效率的原則，推薦選用額定載質量60 t的自卸汽車運輸礦石和廢石。

根據編制的采剝進度計劃，礦山計算年采礦量為990萬t，剝離量為570萬t。采用公式（1），按不均勻系數為1.1，每班有效作業時間為6.5 h，運輸道路行車密度為60輛/h，選用的二級礦山道路通過能力足以滿足要求，選擇載質量60 t級自卸汽車是合理的。

式中：N為道路單向車輛行車密度，輛/h；Q為通過某區段的年運量，t；K為運輸不均勻系數；S為班工作小時數，h；C為每天工作班數； H為年工作天數，d；G為自卸汽車額定載質量，t；K1為汽車載重利用系數；K2為時間利用系數。

根據運輸量，擬選用28臺載質量60 t級礦用自卸汽車運輸礦巖。以下在此基礎上，對燃油寬體車和新能源純電動寬體車進行技術經濟綜合比選。不同方案中，輔助設備按統一型號、數量進行配備，為不可比項。

4.2? 燃油及純電動車型方案比選

1）燃油寬體車方案。燃油寬體車市場運行時間長，工藝穩定，適應性強，設備購置費低。燃料來源主要為石油，儲量豐富且易獲取，因此能源來源相對穩定，續航時間長。但燃油寬體車易發生故障，燃油、剎車損耗和輪維修保養費用較大，運營費用高，運營成本易受油價的波動影響。在深凹露天礦中燃油寬體車的尾氣也會造成露天采場的大氣污染。

2）純電動寬體車方案。純電動寬體車為新能源類設備，市場運行時間短，電池續航受極端天氣影響大，電池壽命短，設備購置費高，電動寬體車目前依然處于產業化前期。但隨著國家大力倡導環境保護，純電動寬體車也具有廣闊的運用前景，是未來發展的主流趨勢。且電動車行駛過程不產生尾氣，對礦山環境更加友好，對改善空氣質量和減緩氣候變化具有積極作用。另外，相比傳統的燃油寬體車，純電動寬體車電動驅動系統工作噪音低，具有電反饋制動功能，對車輛的輪胎、剎車損耗小，重載下坡工況甚至可以實現連續工作不充電，沒有發動機維修保養費用，電能價格穩定運營費用低。

通過對燃油寬體車方案和純電動寬體車方案進行定性比較，可以得出以下結論：燃油寬體車方案設備投資相對較小，即購買和安裝燃油引擎的成本較低。然而，在生產和運營過程中，燃油寬體車方案的成本較高。燃油寬體車需要購買燃油，這可能會受到燃油價格波動的影響，增加運營成本。此外，燃油寬體車通常需要進行維護和保養，這也會增加運營成本。純電動寬體車方案則存在不同的優勢和劣勢。首先，純電動寬體車可以利用重載下坡的工況實現能量回收，降低能耗，提高能源利用效率。這意味著在適當的條件下，純電動寬體車的能耗可能相對較低。然而，純電動寬體車的設備投資較高，即購買和安裝電池和電動機的成本較高。此外，電動車的充電基礎設施也需要投入建設成本。

綜上所述，燃油寬體車方案在設備投資方面較為經濟，但在運營成本方面較高。純電動寬體車方案則具有能量回收和較低能耗的優勢，但設備投資較高。兩種方案各自都有可選條件，需要根據實際情況進行綜合考量，以選擇最適合的方案。兩種方案的投資、運營和技術經濟比較結果如表1所示。

由表1可知，與方案Ⅰ相比，方案Ⅱ的可比費用現值較低，故方案Ⅱ在經濟上較優。

本文認為，在礦巖運輸屬重載下坡工況下，新能源電動寬體自卸車能充分發揮其在環境友好、能源高效利用和低運營成本等方面的優勢，因此推薦采用純電動寬體自卸車作為運輸設備。

5? ?結論

本文通過運輸設備選型比較研究，認為純電動寬體車運營成本少、費用現值費用低、綜合效益較優，符合新形勢下的環保、安全等政策要求，能為礦山綠色、安全、高效、節能開采提供了有力的支撐[4-5]。雖然，純電動寬體自卸車存在極端天氣下續航里程受限、充電基礎設施建設還不完善以及充電時間較長等缺點，一定程度上限制了該類車型的推廣與應用。但是隨著關鍵技術的攻關、電池技術的不斷發展、基礎設施建設的不斷完善，在雙碳戰略及國家新能源政策的推進下，純電動寬體車必將逐漸取代燃油寬體車必然成為未來礦山的發展趨勢。

參考文獻

[1] 李鵬，歐東，孟航曄. 光伏儲能綠電供能純電動礦卡在夏日哈木鎳鈷礦山的應用研究[J]. 世界有色金屬，2021（14）：136-137.

[2] 陳印，呂林洪，周曉超，等. 滇西某貴金屬礦露天開采設備大型化方案的選擇[J]. 有色金屬設計，2021，48（2）：9-12.

[3] 齊炎，陳振超，蔡序淦，等. 基于MineSight軟件的露天鎢鉬礦境界優化及應用[J].有色冶金設計與研究，2021，42（4）：1-3.

[4] 司薌，張應紅，劉立，等. 新時代我國綠色礦山建設與發展的思考[J].中國礦業，2020，29（2）：59-64.

[5] 永學艷，齊炎，陳振超.某大型多金屬露天礦開采規劃研究[J].銅業工程，2022（３）：１９－２３.

收稿日期：2023-01-16

資助項目：國家自然科學基金重點資助項目（編號：52034001）；江西省重點研發計劃項目（編號：20202BBG73001）

通信作者：齊炎（1995—），男，工程師，主要從事有色金屬礦山開采設計與研究等工作。