石常松

摘要：為了優(yōu)化大型露天礦上的開采境界，實(shí)現(xiàn)礦山的最大化經(jīng)濟(jì)效益，依托西藏玉龍銅礦，采用L-G法將地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)模型。通過(guò)調(diào)研玉龍銅礦三個(gè)礦區(qū)的采礦成本和礦體含量，根據(jù)露天邊坡穩(wěn)定性研究推薦的分區(qū)邊坡角，推薦基準(zhǔn)的參數(shù)為準(zhǔn)，考慮Cu預(yù)測(cè)價(jià)格和技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)變化，最終確定開采境界。同時(shí)，針對(duì)玉龍銅礦的礦藏資源，分析開采施工時(shí)需要的采剝機(jī)械、鏟裝機(jī)械和運(yùn)輸機(jī)械的功率和數(shù)量。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化；露天礦山；開采境界；經(jīng)濟(jì)參數(shù)；施工機(jī)械

0? ?引言

為實(shí)現(xiàn)大型露天礦山的最大化經(jīng)濟(jì)效益，需要隨著開采過(guò)程中的地質(zhì)信息不斷變化，完善礦山資源模型，根據(jù)產(chǎn)品價(jià)格、礦石種類及成本最終確定開采境界。

大型露天礦山的開采時(shí)間長(zhǎng)，在長(zhǎng)達(dá)十幾年甚至幾十年的開采過(guò)程中，逐漸揭露圍巖特征、礦石品位和形態(tài)等，動(dòng)態(tài)優(yōu)化開采境界[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在露天礦開采的境界優(yōu)化已經(jīng)做了大量的研究，提出了一系列的規(guī)劃模型，建立了一些優(yōu)化模型和算法。

學(xué)者何曉華等[2]在排土場(chǎng)庫(kù)容嚴(yán)重短缺條件下，優(yōu)化開采境界，減少主產(chǎn)品收入，大幅度降低了運(yùn)輸成本和建設(shè)成本，從而實(shí)現(xiàn)了分期開采。汪峰[3]根據(jù)切實(shí)可行的剝采比，建立了采場(chǎng)礦巖量的計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算求得礦山的最佳開采范圍和深度。畢春杰等[4]利用錐體排除法產(chǎn)生的地質(zhì)最優(yōu)開采體，建立了一種動(dòng)態(tài)模型，得到最優(yōu)開采方案，并成功應(yīng)用于某礦山中。

隨著礦山生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，人們對(duì)安全施工的要求越來(lái)越高，員工的環(huán)保意識(shí)日趨增強(qiáng)，如何有效管控施工機(jī)械設(shè)備，選購(gòu)合理的施工設(shè)備組合，最大程度提高生產(chǎn)效率，進(jìn)一步降低開采成本，成為礦山開采中重要的一環(huán)。

1? ?工程背景

玉龍銅礦礦區(qū)處在青藏高原東南角的金沙江與瀾滄江之間的寧?kù)o山脈北段分水嶺地帶，山脈、山系多呈北西～南東方向排列，地形切割中等至強(qiáng)烈，海拔高程4560～5124m，相對(duì)高差在700m以內(nèi)。礦區(qū)地貌上屬“青南藏東川西高原區(qū)”，地貌類型以高山構(gòu)造剝蝕地貌類型為主，主要為侵蝕-溶蝕地貌，侵蝕堆積地貌及冰川地貌次之，此外溝谷地帶還分布著一定面積的濕地。

西藏玉龍銅礦是一個(gè)特大型斑巖和接觸交代混合型銅礦床。該礦區(qū)共有3個(gè)主要礦體，分別為Ⅰ號(hào)礦體、Ⅱ號(hào)礦體和Ⅴ號(hào)礦體。該礦區(qū)的礦藏儲(chǔ)量大，資源豐富，處于高海拔地區(qū)，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，且礦體的品位也較高。

經(jīng)論證，玉龍銅礦適合于大規(guī)模露天開采的方式。Ⅰ號(hào)礦體為礦區(qū)的主要礦體，包括斑巖型銅礦和角巖型銅礦，含礦斑巖體形態(tài)總體呈“蘑菇”狀，短軸近乎東西方向，長(zhǎng)軸接近南北方向，角巖型銅鉬礦體為Ⅰ號(hào)礦體的重要組成部分，圍繞斑巖體總體呈環(huán)帶狀展布。Ⅱ號(hào)礦體和Ⅴ號(hào)礦體呈環(huán)狀包圍Ⅰ號(hào)礦體，傾角多在30°以內(nèi)，相對(duì)平緩。以斑巖體為界，在礦區(qū)南部將“環(huán)狀”礦體分割成兩部分，東側(cè)標(biāo)注Ⅱ號(hào)礦體，西側(cè)標(biāo)注Ⅴ號(hào)礦體。

2? ?露天開采境界優(yōu)化要點(diǎn)

2.1? ?設(shè)計(jì)原則

結(jié)合玉龍銅礦地處“三江”源頭，海拔高、資源量大，礦石性質(zhì)復(fù)雜，外部運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)相對(duì)落后等特點(diǎn)，玉龍銅礦設(shè)計(jì)遵循下列原則：

一是全面規(guī)劃，統(tǒng)籌兼顧，合理銜接。玉龍銅礦銅金屬資源量超過(guò)650萬(wàn)t以上，主要包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ三個(gè)礦體，礦體礦石類型不同。其中Ⅱ、Ⅴ礦體為矽卡巖型銅礦石，包括氧化礦與硫化礦2種礦石類型。Ⅰ礦體為斑巖型銅礦石，包括原生礦與氧化礦2種礦石類型，總體礦石類型較多，礦石性質(zhì)復(fù)雜，因此必須全面規(guī)劃，統(tǒng)籌兼顧。

二是以效益為中心，選擇成熟、可靠的技術(shù)。選擇大型化、高效化設(shè)備，注重可靠、實(shí)用，技術(shù)及裝備達(dá)到國(guó)內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平。玉龍銅礦規(guī)模大、海拔高，設(shè)計(jì)選用的技術(shù)及設(shè)備必須考慮適應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境，并合理設(shè)置管理措施，提高管理效率。

三是合理利用資源，開發(fā)和保護(hù)相結(jié)合。對(duì)I礦體中Mo單獨(dú)產(chǎn)出精礦予以回收，鑒于Au、Ag未達(dá)到單獨(dú)回收的工業(yè)品位，在生產(chǎn)工藝中采用合適的藥劑制度，盡可能的回收到銅精礦和鉬精礦中。Ⅱ、Ⅴ礦體中的低品位氧化礦和次邊際經(jīng)濟(jì)礦，暫時(shí)無(wú)法利用，為保護(hù)這些資源，便于今后利用，全部單獨(dú)集中堆存。

四是高度重視環(huán)保、水土保持。礦區(qū)地處“三江”源頭，又是生態(tài)較為脆弱的牧區(qū)，各項(xiàng)工程須把環(huán)保放在首位。工藝過(guò)程中的廢氣、廢水、廢物全部進(jìn)行處理，確保其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)回水利用，尾礦庫(kù)水不外排，搞好水土保持，以便建設(shè)環(huán)境友好型綠色礦山。

2.2? ?境界確定方法

采用礦業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有領(lǐng)先水平的采礦技術(shù)軟件Datamine，對(duì)露天開采境界進(jìn)行優(yōu)化。該露天境界優(yōu)化三維軟件采用目前經(jīng)優(yōu)化的一種主流方法——L-G法[5]。

L-G法的原理是將地質(zhì)、礦井及地球物理資料綜合分析，將得到的模型轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)模型，并進(jìn)一步將上述轉(zhuǎn)化后的模型轉(zhuǎn)為加權(quán)矢量圖。矢量圖的頂點(diǎn)用來(lái)表示塊段，每個(gè)結(jié)點(diǎn)表征一個(gè)塊段。再用弧約束塊段，用一組弧表示露天開采礦山的幾何約束。

經(jīng)此計(jì)算和處理，塊段中的礦巖凈值則可以通過(guò)一一對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)權(quán)重表示，即可得到每個(gè)塊段的經(jīng)濟(jì)值。最優(yōu)化的露天礦山境界等同于圖論問(wèn)題，然后在圖上找到加權(quán)矢量圖里面最大的權(quán)重閉集合。簡(jiǎn)單地說(shuō)，找到一組塊段，當(dāng)同步開挖這些塊段時(shí)，形成可開采的露天礦上境界，即可得到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)附加值。

2.3? ?境界優(yōu)化經(jīng)濟(jì)參數(shù)

對(duì)比國(guó)內(nèi)外礦山安全系數(shù)，根據(jù)玉龍銅礦改擴(kuò)建工程露天邊坡實(shí)際情況，邊坡穩(wěn)定性分析中，綜合選取邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)不小于1.20[6]。根據(jù)本工程設(shè)計(jì)文件提供的露天邊坡穩(wěn)定性研究推薦的分區(qū)邊坡角，確定露天采場(chǎng)最終邊坡角如圖1所示。露天開采最終境界邊坡參數(shù)如表1所示。

3? ?最終境界優(yōu)化結(jié)果分析

最終境界優(yōu)化過(guò)程中，考慮到最終境界受到的主要影響因素是金屬Cu預(yù)測(cè)價(jià)格以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)變化，故最終境界的變化可以以推薦基準(zhǔn)的參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合Cu的價(jià)格變化以及浮動(dòng)邊界品位的變化來(lái)確定。邊界品位變化最終境界礦巖量變化如圖2所示。銅價(jià)變化時(shí)最終境界內(nèi)礦巖量變化如圖3所示。

玉龍銅礦的主元素是金屬Cu，其他元素含量較少。在三個(gè)開采礦區(qū)中，主礦體是Ⅰ號(hào)，本次案例中以基準(zhǔn)Cu的價(jià)格為基礎(chǔ)，在最終邊坡角恒定和金屬Cu不變的情況下，并且只以考慮主礦體邊界品位為變量，可以得出以下結(jié)論：伴隨邊界品位的提高，境界的礦巖含量逐步降低，從約21萬(wàn)t逐漸減少到14萬(wàn)t；剝采比逐漸增大，從1.6增加到2.4左右。

另外，主礦體的原生礦產(chǎn)量不斷減少，但金屬Cu平均品位增大，雖然該變化并不明顯?？傊罱K開采境界內(nèi)礦石量變化有波折，但變化并不大。其余Ⅱ、Ⅴ號(hào)礦體的礦量變化也非常小，Ⅰ號(hào)礦體銅品位變化對(duì)最終開采境界影響較小。

同時(shí)考慮銅價(jià)的上下浮動(dòng)，Ⅰ號(hào)礦體Cu邊界品位取0.3%和最終邊坡角不變情況下，開采境界內(nèi)的礦巖量隨著Cu價(jià)格的增加，境界內(nèi)礦巖量逐漸增加，剝采比增大，平均品位Cu降低，金屬量增加。由此可見(jiàn)，銅價(jià)對(duì)露天開采最終境界影響很大。因此在生產(chǎn)過(guò)程中，若銅價(jià)比本次設(shè)計(jì)的價(jià)格高，業(yè)主可根據(jù)銅價(jià)的變化適時(shí)擴(kuò)大開采境界，以便最大化回收資源量。

4? ?礦山機(jī)械施工技術(shù)分析

4.1? ?采剝機(jī)械

根據(jù)礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)采用鑿巖爆破方式，以利礦巖鏟裝作業(yè)。選用牙輪鉆機(jī)，其穿孔直徑為Φ250mm，孔網(wǎng)參數(shù)為8m×7m。臺(tái)階爆破采用垂直孔，孔深17～17.5m，其中超深2～2.5m，采用矩形或梅花形布孔。為了改善爆破質(zhì)量，提高爆破效果，減少爆破次數(shù)，采用大區(qū)微差爆破，非電導(dǎo)爆系統(tǒng)起爆。爆破采用乳化炸藥，用現(xiàn)場(chǎng)炸藥混裝車裝藥。

以生產(chǎn)前20年最大采剝總量計(jì)算，結(jié)合牙輪鉆機(jī)效率及生產(chǎn)需要，確定牙輪鉆機(jī)臺(tái)數(shù)為10臺(tái)。穿孔作業(yè)需要輔助設(shè)備，需另增配2臺(tái)潛孔鉆機(jī)，用來(lái)邊坡清理、邊坡殘礦收集、預(yù)留爆破后危石和除金屬Cu以外其他礦石的開采。

按開采經(jīng)驗(yàn)，礦巖的最大處理塊度約為1200mm，大塊率取值1%，爆破后的巖石直接送渣土場(chǎng)，不破碎，少量的大塊石二次進(jìn)行破碎。在排土場(chǎng)將大塊石集中堆放，用機(jī)械法進(jìn)行二次破碎。為了完成破碎任務(wù)，需配2m3液壓反鏟挖掘機(jī)3臺(tái)，且要改裝破碎器。

4.2? ?鏟裝機(jī)械

經(jīng)過(guò)比較，確定采用鋼絲繩挖掘機(jī)進(jìn)行礦巖的鏟裝工作。在本礦山中挖掘機(jī)的斗容為12m3。對(duì)于Ⅱ、Ⅴ號(hào)礦體，為提高生產(chǎn)設(shè)備效率，需要額外配備一部分輔助生產(chǎn)設(shè)備，用于清理散落巖塊、清掃工作面、道路維護(hù)等[7]。

輔助設(shè)備主要包括2臺(tái)580馬力的推土機(jī)、1臺(tái)輪胎式平地機(jī)、4臺(tái)335馬力推土機(jī)、1臺(tái)鋼輪壓路機(jī)、2臺(tái)裝材料運(yùn)輸車（載重5t）、2臺(tái)水箱容積80t的灑水車，另配備3臺(tái)指揮車。

為保證運(yùn)輸效率，另配專業(yè)的道路管護(hù)隊(duì)，專門負(fù)責(zé)礦區(qū)道路維護(hù)。設(shè)備工作區(qū)域?yàn)楦咴貐^(qū)，因此配備高原型采礦設(shè)備。鏟裝作業(yè)要盡可能讓臺(tái)階保持平整，并將爆堆清理干凈，以便為后續(xù)穿孔工作創(chuàng)造有利條件，提高穿孔設(shè)備效率。

4.3? ?運(yùn)輸機(jī)械

采礦按外委考慮，運(yùn)輸采用91t級(jí)礦用自卸汽車。采用選別式開采，礦石、低品位礦，Ⅱ、Ⅴ號(hào)礦體低品位氧化礦、含銅鐵礦、銅硫礦及廢石分采、分運(yùn)，分別堆放。礦石運(yùn)到礦石粗碎站，經(jīng)破碎后由膠帶運(yùn)至選廠。低品位礦石及Ⅱ、Ⅴ號(hào)礦體低品位氧化礦、含銅鐵礦、銅硫礦等，運(yùn)到堆放區(qū)域堆存。廢石直運(yùn)或運(yùn)往破碎站，破碎后用膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)往排土場(chǎng)排棄。運(yùn)巖汽車需要44臺(tái)，運(yùn)礦汽車需要27臺(tái)。以生產(chǎn)前20年最大采剝總量計(jì)算，Ⅱ、Ⅴ號(hào)礦體運(yùn)輸采用20t級(jí)的運(yùn)輸車運(yùn)輸，需要6臺(tái)運(yùn)輸車。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文將地質(zhì)模型轉(zhuǎn)為經(jīng)濟(jì)模型，并將經(jīng)濟(jì)模型轉(zhuǎn)化為加權(quán)矢量圖，通過(guò)調(diào)研礦體的采礦成本、礦藏資源、管理成本等經(jīng)濟(jì)參數(shù)，優(yōu)化露天開采優(yōu)化境界邊坡參數(shù)。研究結(jié)果表明，銅價(jià)對(duì)露天開采最終境界影響很大，因此在生產(chǎn)過(guò)程中，可根據(jù)銅價(jià)的變化適時(shí)擴(kuò)大開采境界，最大回收資源量。利用境界優(yōu)化程序，考慮到銅價(jià)的變化，可以為擴(kuò)大開采境界提供理論依據(jù)。此外，本文還對(duì)各種施工機(jī)械的數(shù)量和型號(hào)進(jìn)行了分析，提出了不同礦體開采所需要的設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮勝利，雷丁丁，李廣澤，等.米拉多銅礦露天開采境界優(yōu)

化研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2023，39（8）：63-66+78.

[2] 何曉華，汪勇，毛薦新.鳳凰山銅礦露天采場(chǎng)境界優(yōu)化研究

設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)快報(bào)，2002（6）：3-4.

[3] 汪峰.鳳凰山銅礦露天采場(chǎng)開采境界優(yōu)化探討[J].金屬礦

山，2004（3）：15-16+69.

[4] 畢春杰，戴曉江，宋小美.某露天銅礦全境界開采規(guī)劃優(yōu)化

[J].金屬礦山，2015，10）：33-36.

[5] 萬(wàn)昌林，劉亮明，高祥等.大型露天礦山資源估算與開采境

界優(yōu)化研究：以西藏驅(qū)龍銅礦為例[J].金屬礦山，2010（1）：

41-44.

[6] 蔣胡燦.某銅礦露天開采境界優(yōu)化[J].采礦技術(shù)，2016，16

（2）：32-33+39.

[7] 張海軍.礦山工程施工中礦用機(jī)械開挖工藝及技術(shù)應(yīng)用研

究[J].世界有色金屬，2022（16）：208-210.