剛果（金）某銅鈷礦開采方案研究

余 潯

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司）

隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)對鈷原料的需求快速增長，但中國的鈷資源嚴(yán)重缺乏，據(jù)2021年鈷工業(yè)發(fā)展報告的數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)鈷原料對外依存度高達98%以上，而剛果（金）的銅鈷資源豐富，其鈷產(chǎn)量占比全球產(chǎn)量的73%以上［1］。因此，高效開發(fā)剛果（金）優(yōu)勢的銅、鈷資源，對國內(nèi)走出鈷資源短缺的困境具有重要意義。

剛果（金）某銅鈷礦位于著名的中非銅鈷成礦帶上，資源稟賦世界罕見（銅金屬超過423 萬t、鈷金屬200 萬t，TCu2.13%、TCo1.01%和EQCu6.16%），系全球屈指可數(shù)的待開發(fā)高品位超大型銅鈷礦之一，其鈷資源量及品位均高于該礦帶上的嘉能可Mutanda、Katanga 礦以及洛陽鉬業(yè)TFM 銅鈷礦，開發(fā)價值巨大。該礦礦體多達6 個，礦石類型由上至下有氧化礦、硫氧混合礦和硫化礦，礦石性質(zhì)和品位變化大，后續(xù)選冶工藝及回收率各不相同，如何經(jīng)濟合理地優(yōu)先開采上部高品位氧化礦，均衡剝采比，合理安排各礦體出礦計劃，讓年產(chǎn)銅、鈷金屬量保持均衡，是開發(fā)該銅鈷資源急需解決的難題。

針對這個難題，立足該礦地質(zhì)資源分布特點，摒棄了國內(nèi)傳統(tǒng)的礦石資源劃分方法，分析了開采方案影響因素，利用MineSight 三維礦業(yè)軟件采用分期開采技術(shù)，以“資源最大化綜合利用、項目經(jīng)濟效益最優(yōu)和年產(chǎn)金屬量保持均衡”為目標(biāo)統(tǒng)籌整體開發(fā)方案，并根據(jù)礦體的分布情況，劃分出6個采區(qū)，優(yōu)化開采順序，最終確定了合理的開采方案。

1 資源分布特點及礦石分類

該銅鈷礦具有贊比亞—剛果（金）銅鈷礦帶上典型的沉積型礦床特點，按照賦存深度依次是氧化礦（孔雀石、假孔雀石和水鈷礦等）、硫氧混合礦和硫化礦（黃銅礦、斑銅礦和硫銅鈷礦等），礦帶內(nèi)礦石的氧化率變化較大，不同礦體礦石中的銅鈷礦物種類和相對含量也差別較大［2］。

整個礦石資源包含6個獨立的礦體，分布相對集中且距離較近，可考慮進行統(tǒng)一開采。礦區(qū)總資源量約為1.75億t，探明+控制級別的資源量為12 187萬t，推斷資源量為5 281萬t，推斷資源量中硫化礦為4 267萬t，占比約80%。礦石類型中氧化礦一般賦存深度60 m，混合礦和硫化礦在氧化礦底部。礦石主要有用元素為Cu、Co，平均含量分別為2.13%、1.01%，鈷品位優(yōu)勢突出。總體來看6個礦體埋藏均不深、資源量大、品位高，適合大規(guī)模露天開采。

在剛果（金）銅鈷礦項目中，常依據(jù)酸溶銅ASCu、酸溶鈷ASCo 占全銅TCu、全鈷TCo 比值（RATCu=ASCu/TCu、RATCo=ASCo/TCo，近似為銅、鈷氧化率）來選擇后續(xù)的礦石加工工藝，故本項目根據(jù)RATCu值將地質(zhì)模型中的3類礦石進一步細(xì)分為4類：

（1）高氧化率礦為RATCu≥85%的礦石，該類礦石平均氧化率約90%，約有2 400 萬t，適合采用直接攪拌浸出工藝［3］。

（2）中氧化率礦為RATCu60%～85%的礦石，該類礦石平均氧化率約74%，約有3 100 萬t，適合采用先浮選出硫化銅鈷精礦再全尾攪拌浸出工藝［4］。

（3）硫氧混合礦為RATCu25%～60%的礦石，該類礦石平均氧化率約41%，約有2 400 萬t，適合采用先選硫化礦再選氧化礦的浮選工藝處理［5］。當(dāng)鈷品位較高時，可對浮選尾礦進行強磁選，以提高鈷的回收率，磁選尾礦排尾［6］；對產(chǎn)出的硫化銅鈷精礦適宜焙燒后焙砂浸出，而氧化銅鈷精礦與鈷精礦合并進攪拌浸出［7］。

（4）硫化礦為RATCu＜25%的礦石，該類礦石平均氧化率小于9%，約有9 500 萬t，適合直接浮選工藝，產(chǎn)出的硫化銅鈷精礦焙燒后焙砂再浸出，浮選尾礦排尾。

4 種礦石的資源量見表1。可知，高氧化率礦石品位具有明顯優(yōu)勢，遠(yuǎn)高于其他3 種礦石。4 種礦石在6 個礦體的平面上分布如圖1 所示，氧化礦、硫氧混合礦和硫化礦見礦標(biāo)高總體上依次下降，但賦存深度上較大范圍內(nèi)4種礦石類型同時存在，只不過上部以氧化礦居多，中部過渡為混合礦，下部過渡為硫化礦。因此，從資源賦存角度來看，適宜先開采上部的高、中氧化率礦石和混合礦，硫化礦因位置較深且推斷類資源大，可為遠(yuǎn)期規(guī)劃開采。

注：EQCu為銅單量品位，TCu、TCo為全銅品位、全鈷品位，計算公式為EQCu=TCu+4TCo。

2 主要影響因素分析

隨著濕法冶金技術(shù)的發(fā)展，濕法冶金工藝對處理銅鈷氧化礦顯現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢，尤其在濕法浸出段對銅、鈷回收率可達到Cu95%、Co85%以上［8］。按照同類礦山設(shè)計及運營經(jīng)驗，保證最終產(chǎn)品金屬量大、年產(chǎn)量均衡是礦山開采經(jīng)濟最優(yōu)的方式。因此需要結(jié)合各類礦石的選冶處理工藝及銅、鈷回收率，把采礦規(guī)模、選冶規(guī)模、產(chǎn)品規(guī)模聯(lián)合考慮來確定開采方案，主要考慮了如下影響因素：

（1）結(jié)合礦床賦存特點，立足采礦開采技術(shù)條件擬定規(guī)模。從境界內(nèi)可采礦量出發(fā)，結(jié)合各類型礦石賦存臺階位置、年下降速度、采場可布置作業(yè)面數(shù)目、采剝設(shè)備效率、合理服務(wù)年限等因素確定采礦可以達到的生產(chǎn)規(guī)模。

（2）結(jié)合各類礦石選冶處理工藝及銅、鈷回收率，保證產(chǎn)品產(chǎn)量均衡為目標(biāo)對擬定的采礦規(guī)模進行復(fù)核。

（3）兼顧采礦、選冶技術(shù)和經(jīng)濟因素后，總體規(guī)劃境界內(nèi)可采礦量的總體規(guī)模方案，通過全服務(wù)年限技術(shù)經(jīng)濟比較，推薦經(jīng)濟優(yōu)勢明顯的規(guī)模方案。

3 分期開采方案的研究

分期建設(shè)優(yōu)先選擇品位高、開采條件好的礦體開采，以降低礦山前期投資，并盡快達產(chǎn)，提高前期經(jīng)濟效益，同時為后期的擴大規(guī)模做好準(zhǔn)備［9］。

3.1 從采礦開采技術(shù)角度研究

（1）根據(jù)境界內(nèi)各類型礦石的賦存位置，按自上而下的開采順序，項目前期主要開采高氧化率礦石，搭配少量中氧化率礦石，2 種礦石一并進入選冶工藝處理系統(tǒng)，在供礦能力較小的情況下可實現(xiàn)年銅、鈷金屬產(chǎn)量的要求。

（2）從表1 可知，境界內(nèi)高氧化率礦石當(dāng)量全銅品位是中氧化率礦石的1.4 倍、混合礦石的1.7 倍、硫化礦石的1.6 倍。前期主要開采高、中氧化率礦石，之后混合礦和下部硫化礦將作為主要開采對象，從高、中氧化率礦到混合礦，最后到硫化礦的開采過程中，后期年供礦量必須加大才能保證與前期開采高氧化率礦、中氧化率礦所獲得的金屬產(chǎn)量接近。所以在生產(chǎn)服務(wù)年限的后期，采礦規(guī)模需要擴大。

（3）根據(jù)地質(zhì)模型，氧化礦石集中在境界上部，基本可以單獨采出。從臺階礦量分布來看，每個臺階都分布了高氧化率礦石和中氧化率礦石，2 種氧化率礦石的生產(chǎn)能力各自都能達到1.2～1.5萬t/d。境界中部以下混合礦居多，開采混合礦過程中會附帶采出約1 000 萬t 硫化礦，結(jié)合混合礦臺階分布礦量情況，混合礦的生產(chǎn)規(guī)模可達1.2～1.5萬t/d；當(dāng)開采深度繼續(xù)再加深，則進入深部硫化礦開采階段，從臺階礦量分布來看，硫化礦的生產(chǎn)能力可以達到3萬t/d。

3.2 從各類礦石的品位、氧化率及選冶加工工藝角度研究

高氧化率礦石中酸溶銅品位達到3.59%，酸溶鈷品位達到1.18%；中氧化率礦石的酸溶銅品位僅僅為1.47%，酸溶鈷品位0.67%；混合礦全銅品位1.60%，全鈷品位0.75%；硫化礦全銅品位1.92%，全鈷品位0.91%。高氧化率礦石的品位顯著高于其他類礦石，按照技術(shù)可行、效益優(yōu)先的開采思路，宜首先開采處理露天境界中高氧化率礦石，之后一期選冶廠處理中氧化率礦和混合礦，而混合礦中存在的小部分高酸耗低氧化率礦石，因適合先選硫化礦再選氧化礦的浮選工藝處理，則安排與二期擴建的硫化礦選礦系統(tǒng)一并處理，開采過程中順帶采出的硫化礦可與該部分混合礦一起處理。因此，結(jié)合礦床賦存條件及采礦情況，并考慮選冶處理能力及不同處理工藝的搭配，項目決定采用分期開采的方式，一期以開采高氧化率、中氧化率礦石為主；二期以開采硫氧混合礦和硫化礦為主。

根據(jù)選冶不同處理工藝的銅鈷綜合回收率，經(jīng)進一步驗算，最終確定一期選冶廠起步規(guī)模為1.5 萬t/d，開采處理高氧化率、高品位氧化礦；二期時，對一期選冶廠改造，處理中氧化率礦石和混合礦，同時再新增一條1.5萬t/d能力處理線來處理硫化礦；最終待氧化礦和混合礦處理完畢，一、二期選冶設(shè)施全部改為處理深部硫化礦，處理規(guī)模最終達3萬t/d。選冶廠逐年產(chǎn)陰極銅和粗制氫氧化鈷產(chǎn)量（含鈷金屬量）實現(xiàn)了相對均衡，達到了最佳經(jīng)濟效益。

4 開采順序

礦區(qū)的6個礦體相距較近，可以最終形成一個境界，因此可視為整體進行開采。開采順序的選擇依照“先富后貧、效益優(yōu)先”的原則，首先開采品位較高、氧化率較高的礦體，逐漸將開采范圍擴大到整個礦區(qū)內(nèi)的氧化礦，然后開采氧化礦下部的混合礦和硫化礦。

根據(jù)地質(zhì)模型，采區(qū)4 礦量占總礦量的70%左右，其高氧化率礦、中氧化率礦石占采區(qū)內(nèi)同類型礦量的62%，另外，采區(qū)4 的品位較其他采區(qū)有明顯優(yōu)勢，剝采比也遠(yuǎn)低于其他采區(qū)，故確定采區(qū)4 為首采區(qū)和主采區(qū)。總體開采順序是投產(chǎn)前期集中在主采區(qū)4，高氧化率礦、中氧化率礦同時開采供礦，以高氧化率礦居多，可保證年金屬產(chǎn)量。隨著采深下降及為了滿足供礦品位要求，采區(qū)逐漸向外擴展，供礦對象轉(zhuǎn)變?yōu)橹醒趸实V石、混合礦，此時品位下降，供礦能力需擴增至990萬t/a，將由多個采區(qū)共同搭配出礦，實現(xiàn)供礦量，選冶設(shè)施將根據(jù)擴產(chǎn)時間適時建成，為滿足各產(chǎn)品年產(chǎn)量相對均衡，會進行配礦。

5 開采方案應(yīng)用效果

以境界內(nèi)全部氧化礦、硫氧混合礦、硫化礦資源為開采對象，采用MINTEC 公司的MineSight 三維礦業(yè)軟件，按照凈現(xiàn)值最大的原則進行了露天境界優(yōu)化，圈定了露天開采以氧化礦、混合礦為主的一期境界及終了境界，一期境界位于終了境界內(nèi)部，一期境界和終了境界的參數(shù)見表2。

一期境界可采礦量約7 170 萬t，平均剝采比約6.45，終了境界可采礦量1.68 億t，平均剝采比約6.93，與一期境界較為接近，但銅、鈷品位均低于一期境界。本著效益優(yōu)先、滾動發(fā)展的思路，最終確定的開采方案為分期建設(shè)+處理規(guī)模由495 萬t/a 逐步擴大至990 萬t/a+選冶工藝流程與之配套逐步過渡，最終實現(xiàn)處理規(guī)模與礦石體量、品位的合理匹配，既保證了生產(chǎn)服務(wù)年限內(nèi)產(chǎn)品產(chǎn)量的均衡性和持續(xù)性，同時也最大程度上挖掘出資源的經(jīng)濟效益。

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6 結(jié) 語

（1）礦山合理開采方案的確定是設(shè)計過程中的核心工作，將對礦山資源的開發(fā)利用及相應(yīng)的經(jīng)濟效益與可持續(xù)發(fā)展能力帶來深遠(yuǎn)的影響，影響開采方案的因素眾多，這些因素形成了多層次、多因素、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)，工程設(shè)計中必須將多個因素結(jié)合起來進行綜合優(yōu)化，以達到最佳經(jīng)濟效益。

（2）剛果（金）銅、鈷資源非常豐富，在空間分布上，從上至下依次為氧化礦、混合礦和硫化礦，隨著中資企業(yè)在剛果（金）礦業(yè)領(lǐng)域的投資熱度高漲以及資源的不斷開采，高品位氧化礦及易處理礦石日益減少，復(fù)雜難選的礦石越來越多。研究涉及氧化礦、混合礦和下部硫化礦的開采利用和處理，開采方案不僅需考慮氧化礦的處理能力，還要兼顧后期混合礦、硫化礦的合理開采利用，必須依據(jù)地質(zhì)資源，以采礦設(shè)計為龍頭，結(jié)合選冶工藝、選冶廠建設(shè)規(guī)模和濕法冶金產(chǎn)品產(chǎn)能的均衡等開發(fā)條件開展詳細(xì)的方案研究工作，最終確定既體現(xiàn)經(jīng)濟效益優(yōu)先又確保技術(shù)合理、可行的開采方案，促進項目建設(shè)，確保企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力，也為今后開發(fā)決策提供借鑒和參考。