陸志宇

(華剛礦業(yè)股份有限公司，北京 100039)

1 前言

華剛礦業(yè)SICOMINES銅鈷礦位于剛果民主共和國加丹加高原的科盧韋齊市西南，直線距離7 km，如圖1。由中國中鐵和中國電建等企業(yè)集團在中國進出口銀行支持下，與剛果(金)國家礦業(yè)公司按照“資源換項目”模式組建的合資礦山。礦山分兩期采選冶一體建設，露天開采，采礦一、二期原礦生產(chǎn)規(guī)模分別為455萬t/a及910萬t/a，對應的金屬銅產(chǎn)量為12.5萬t/a及25萬t/a。

華剛礦業(yè)一期工程經(jīng)過不到2年半的建設，完成了1.6億m3原有露天坑的集水排出，基建剝離3 300萬m3及相應開拓運輸系統(tǒng)的形成，于2015年投產(chǎn)。2017年已部分超產(chǎn)，當年凈利潤達20億元(人民幣)。經(jīng)過幾年的生產(chǎn)建設實踐，對在海外在非洲投資開發(fā)礦業(yè)有了更深刻的認識，取得了一些經(jīng)驗，也從中發(fā)現(xiàn)了一些問題，本文僅從華剛二期設計開拓運輸系統(tǒng)方案的比選論證出發(fā)，結合在非洲礦業(yè)開發(fā)的特點進行闡述。

2 華剛礦業(yè)采礦工程現(xiàn)狀和二期工程基本情況

華剛礦業(yè)SICOMINES銅鈷礦區(qū)由6個礦段組成，根據(jù)補勘地質報告保有銅礦石量2.5億t(最低工業(yè)品位1%)，銅平均品位3.47%，銅金屬量868萬t及鈷金屬量54萬t，如圖2。礦區(qū)是在原其他國家閉坑后的2個采坑基礎上進行恢復和改擴建，原采坑深度分別為169m和134m，并大量集水，又有河流貫穿礦區(qū)，且當?shù)睾导居昙痉置?，水文地質條件復雜，加之原有邊坡破壞嚴重，所有這些都給礦山生產(chǎn)建設帶來極大的困難。

圖1 礦區(qū)交通位置圖

圖2 礦體三維空間展布圖

為降低華剛項目開發(fā)風險，本著分步實施、滾動發(fā)展的原則，項目開發(fā)建設確定為分期建設，“小露天+大露天”的總體方案。由此一期采剝工作在原采坑基礎上非全境界開采，而是分兩個條帶在2個采坑東幫進行擴幫，擴幫總寬度600m左右，平均下降速度25m/a，一期生產(chǎn)剝采比為9t/t。穩(wěn)產(chǎn)4年后開始向二期進行過渡，如圖3。

圖3 一期露天開采境界與二期終了境界圖

一期開拓運輸系統(tǒng)經(jīng)方案比較確定為傳統(tǒng)的“單斗+汽車”方案，目前整體礦山生產(chǎn)運營情況良好。

鑒于一期礦山效益良好，資金充沛，同時為華剛二期配套的水電站項目已經(jīng)開工建設，且計劃2020年底投入使用。華剛礦業(yè)及股東希望盡快開展二期工程開發(fā)建設，為此華剛礦業(yè)組織相關國內外設計咨詢單位進行了華剛二期設計工作。設計確認的二期境界內礦石量1.65億t，巖石量15.38億t。最終境界將現(xiàn)有兩個露天采坑連成一個大的采坑，最大采深400m(見圖3)。擴幫過渡期間，上部擴幫區(qū)域和下部正常采剝區(qū)域同時進行生產(chǎn)作業(yè)，推進方向垂直。上部擴幫采用由南向北分條帶陡幫開采方式進行，3個條帶最大下降速度為42m/a。二期原礦生產(chǎn)規(guī)模910萬t/a，穩(wěn)產(chǎn)16年，生產(chǎn)剝采比為12t/t，每年剝離量為1.1億t。排土場設于采場的西南部，選冶工業(yè)場地布置在采場的北部區(qū)域，如圖4。采場防排水工作前期依然采用疏干井直排和梯級泵站明排相結合的方式進行。二期采礦工程總投資近9億美元。

圖4 礦區(qū)總平面布置圖

3 采礦二期開拓運輸系統(tǒng)方案論證和比選

開拓運輸系統(tǒng)是露天礦生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)中動態(tài)因素最多、投資最大、運行成本最高的部分，是涉及整個礦山全局的最核心的問題，是決定礦山生產(chǎn)運營成敗的關鍵因素。

華剛礦業(yè)項目具有地處非洲、環(huán)境復雜、外部協(xié)助條件差、制約因素多等諸多特點。選擇一個即符合當?shù)貙嶋H情況，又與華剛礦業(yè)項目特點相適應，更有針對性的開拓運輸系統(tǒng)至關重要。為此對華剛礦業(yè)項目進行了全要素的深入系統(tǒng)的分析，歸納如下。

(1)華剛礦業(yè)項目剝離量巨大，二期采場境界內巖石量為15.38億t，占境界內采剝總量的90%，高峰時每年需外運剝離量達1.1億t，如何解決好巖石的問題是開拓運輸系統(tǒng)方案的首要問題。

(2)采場境界內巖石量分布特點明顯，采場境界總采深為400m，上部200m的巖石量占境界內巖石總量的80%，而下部200m僅有20%的巖石量，也就是說在選擇巖石運輸系統(tǒng)方案時，關注的焦點應放在采場境界上部200m這部分的巖石量上。

(3)由于采場境界內大量巖石需要外運，這就對排土場的布置提出了較高的要求，但采場周圍附近既沒有大容積的溝壑，又有河道、散居居民點的眾多限制，只能尋求分散靈活的設置排土場，大面積集中排土形式無法合理實現(xiàn)。

(4)除了大量巖石需要外運外，還有表土、高品位廢石、部分鈷礦需要分別單獨外運，單獨堆放。

(5)根據(jù)一期建設生產(chǎn)的實踐經(jīng)驗和對在非其他礦業(yè)企業(yè)的分析研究，認為在非洲進行采礦工程建設應當突出一個“簡”字和一個“快”字。同時在方案選擇上要有一定的可調節(jié)彈性，以適應市場變化及當?shù)卣魏蜕鐣邮幍挠绊憽?/p>

綜合上述因素及礦區(qū)旱季雨季影響，筆者在設計院提出的“汽車+破碎機+膠帶+排土機”方案的基礎上，提出了采用架線式雙動力汽車進行巖石運輸?shù)姆桨福?jīng)設計院、國外設計咨詢單位的分析、比選和論證及業(yè)內專家的評審，最終確定采用架線式雙動力汽車作為華剛礦業(yè)二期巖石運輸系統(tǒng)方案。主要依據(jù)為如下。

(1)生產(chǎn)工藝簡單靈活、工藝環(huán)節(jié)少，生產(chǎn)可靠性高。架線式雙動力汽車運輸系統(tǒng)，可以簡單理解為在現(xiàn)在一期的“單斗+汽車”工藝的基礎上，在上坡路段增加一套接觸網(wǎng)電力系統(tǒng)，與現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)差別不大，生產(chǎn)管理、具體操作(有利于操作司機本土化)非常簡單。工藝環(huán)節(jié)上比“汽車+破碎機+膠帶+排土機”運輸系統(tǒng)減少了10個以上的環(huán)節(jié)，這就使整個工藝系統(tǒng)可靠性上差別巨大，“汽車+破碎機+膠帶+排土機”運輸系統(tǒng)即所謂的連續(xù)工藝，如其斷一點，就面臨全線停產(chǎn)的可能。而架線式雙動力汽車運輸系統(tǒng)就是斷幾個點也不會影響全局生產(chǎn)，其可靠性上具有明顯優(yōu)勢，這點在非洲顯得尤為重要。

(2)架線式雙動力汽車運輸系統(tǒng)可調整變化的余地更大，不像“汽車+破碎機+膠帶+排土機”運輸系統(tǒng)幾乎是一定的，很難再改變其大的格局，礦山今后不論是增產(chǎn)、減產(chǎn)、轉產(chǎn)，架線式雙動力汽車運輸方案，只要增減電鏟和卡車臺數(shù)就可以較順利地實現(xiàn)，而“汽車+破碎機+膠帶+排土機”運輸方案要想相應地進行合理調整則非常困難，若調整時間上也要慢許多。

(3)架線式雙動力汽車運輸方案，其采購快、安裝快、調試快；可使整個礦山建設速度加快。投資資金使用靈活，外包單位在設備使用、維護管理上更易掌握，責任也更明確。一期應用也得到證明。

(4)“汽車+破碎機+膠帶+排土機”運輸系統(tǒng)方案，到目前為止，在非洲大陸還沒有實際成功應用的先例，而架線式雙動力汽車運輸系統(tǒng)在南部非洲則有著較廣泛的應用，包括一些新建的大型露天礦。

(5)經(jīng)綜合投資和成本比較，“汽車+破碎機+膠帶+排土機”和架線式雙動力汽車運輸方案相比較在該方面相差無幾，差值在5%之內。

總之，架線式雙動力汽車運輸方案在非洲華剛項目上的應用，技術上明顯更為合理，經(jīng)濟上并無太大的差異。這種方案的選擇更現(xiàn)實。

4 架線式雙動力汽車運輸方式的特點

架線式雙動力汽車運輸系統(tǒng)最早應用于美國的煤礦中。在20世紀80年代起，較廣泛地在南非、納米比亞、贊比亞等南部非洲的各類礦山中應用，具有明顯的區(qū)域性特點。該系統(tǒng)是通過電動輪汽車上安裝的受電弓裝置將架空線路上的電能傳輸至電動輪汽車，驅動其運行(一般只在重載上坡路段使用)。從而實現(xiàn)減少電動輪汽車柴油消耗，降低運輸成本，提高電動輪汽車運行速度，提高生產(chǎn)效率，減少尾氣排放，降低噪音等目的。

2016年6月在華剛礦業(yè)組織下，對納米比亞的力拓ROSSING鈾礦，中廣核HUSAN鈾礦的架線式雙動力汽車運輸系統(tǒng)的設計及應用情況進行了實地考察，又于2017年3月對中煤平朔集團安太堡煤礦的架線式雙動力汽車試驗性技術研究工作及成果進行了現(xiàn)場參觀和技術交流與座談。取得了大量第一手資料，為華剛項目二期開拓運輸系統(tǒng)方案的確定奠定了堅實的基礎。

架線式雙動力汽車運輸系統(tǒng)由兩部分、4系統(tǒng)組成，如圖5。

圖5 架線式雙動力汽車運輸系統(tǒng)組成

(1)車上部分：由控制系統(tǒng)和受電弓系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)主要完成電動輪汽車柴油驅動模式和架線電驅動模式相互轉換及工作控制，受電弓系統(tǒng)的升降及工作控制，還有緊急情況下的報警、處置，信息數(shù)據(jù)的處理存儲的功能；受電弓一般安裝在汽車車頭部位，擔負著將架線接觸網(wǎng)上的電能平穩(wěn)導入汽車的重要裝置，需具有動態(tài)響應好、抗顛簸、接觸壓力可調節(jié)、適合全天候工作環(huán)境的特點。

(2)車下部分：由架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)擔負著把電能輸送給電動輪汽車的關鍵任務，其工作狀態(tài)和質量直接影響架線路段內汽車的運行，最重要的是必須在具有足夠穩(wěn)定性的同時又必須具有足夠的彈性，從現(xiàn)有運行狀況來看其維護維修量不大；供電系統(tǒng)是根據(jù)汽車對電流、電壓的要求，將礦山電力轉換成符合要求的電能通過架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)給電動輪汽車供電。

對于架線式雙動力汽車運輸系統(tǒng)，從4個組成系統(tǒng)來看，系統(tǒng)成熟可靠，管理便利，故障率低?？梢灶A見隨著技術的發(fā)展，架線式雙動力汽車運輸方式會更加合理。同時必須指出架線式雙動力汽車更良好的運行還需要更平整的架線上坡路段的維護及駕駛員更規(guī)范的駕駛操作。

架線式雙動力汽車運輸系統(tǒng)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)大幅降低柴油的消耗，顯著降低運輸成本。在使用架線式雙動力汽車重載上坡時與柴油驅動模式相比可節(jié)省柴油消耗90%，而在整個一個運輸循環(huán)中重載上坡時的柴油消耗占到70%～80%，因此這部分節(jié)省柴油消耗是決定性的。多個實際運行數(shù)據(jù)表明在不同的油價和電價情況下，采用架線式雙動力汽車運輸方式與傳統(tǒng)的柴油汽車模式相比較整體運輸成本降低35%～40%。

(2)提高汽車架線上坡路段的運行速度，提高生產(chǎn)效率。由于電動輪汽車受柴油機及主發(fā)電機功率的限制，輪馬達的功率都遠大于整車功率需求，因此汽車重載上坡路段速度受到很大的限制，而架線式雙動力汽車則可以通過受電弓從架線電纜上直接取電來實現(xiàn)輪馬達的滿功率運行。根據(jù)不同礦山的具體情況，通?？蓪崿F(xiàn)架線式雙動力汽車重載上坡的速度達20km/h。從而提高生產(chǎn)效率，減少了車輛數(shù)量及人員數(shù)量，也相應降低了成本。

(3)減少汽車尾氣排放，降低噪音。由于架線式雙動力汽車系統(tǒng)的使用，大幅降低柴油的消耗，重載上坡路段減少汽車尾氣排放90%，極大地改善了采場的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，這在采深較深的礦山中更顯得重要。同時汽車駕駛室內外及車外10m的降噪實測結果分別為27%、17%及27%。

(4)增加發(fā)動機等設備使用壽命，有效延長汽車的大修時間間隔。架線式雙動力汽車將架線網(wǎng)上的電能直接傳輸給輪馬達，從而大幅度地降低了發(fā)動機滿負荷運行的時間，增加了設備的全周期壽命，大幅度地延長發(fā)動機大修間隔時間，減少發(fā)動機維修成本。根據(jù)現(xiàn)場實地考察，力拓ROSSING鈾礦雙動力汽車實際大修周期為2.5萬h，全周期壽命為7.5萬h；中廣核HUSAN鈾礦雙動力汽車預計大修周期為3.0萬～3.5萬h，全周期壽命為10萬h。

(5)架線式雙動力汽車運輸系統(tǒng)的適用性。一般說來架線式雙動力汽車運輸方式更適合于需架線的上坡路段，不需要經(jīng)常移設，柴油價格與供電價格差明顯，礦山環(huán)境氣溫不能過于寒冷的情況。但筆者經(jīng)過在工作中的分析觀察認為：只要現(xiàn)場供電充足，都可以考慮采用架線式雙動力汽車運輸方案，以實際方案比較的數(shù)據(jù)為依據(jù)，不必限于上述條件。

5 結語

通過華剛礦業(yè)剛果(金)SICOMINES銅鈷礦二期開拓運輸系統(tǒng)方案論證和比較，對架線式雙動力汽車運輸方案有了更深刻的理解和認識，也得到很大的啟示，其不僅在采礦生產(chǎn)方面工藝簡單靈活，成熟可靠，而且在環(huán)保方面減排降噪，使環(huán)境更友好，從更深遠的角度來看，其與智慧礦山、綠色礦山的礦業(yè)發(fā)展理念也是十分契合。