宏大鐵礦露天采場開拓運輸優(yōu)化研究與設計

母傳偉 張國勝 范志國 王坤舉 劉 聰

(1.中冶沈勘秦皇島工程技術有限公司，河北 秦皇島 066001；2.內蒙古寧城縣宏大礦業(yè)有限公司，內蒙古 赤峰 024222)

宏大鐵礦露天采場開拓運輸優(yōu)化研究與設計

母傳偉1張國勝2范志國2王坤舉2劉 聰2

(1.中冶沈勘秦皇島工程技術有限公司，河北 秦皇島 066001；2.內蒙古寧城縣宏大礦業(yè)有限公司，內蒙古 赤峰 024222)

結合宏大鐵礦生產實際情況，深入分析研究和對比礦山各種開拓運輸方式特點，依次解決了宏大鐵礦開拓運輸方案優(yōu)化的4個核心問題。通過全汽車和半連續(xù)2種開拓運輸方案的論證比較，選定合理的開拓運輸系統(tǒng)；通過全移動、可移式、半固定、定固等4種破碎站形式的論證對比，選定合理的破碎站形式；通過運輸成本數值的回歸分析，采用圖解法找到半連續(xù)運輸和全汽車運輸的界限點；通過建立線性模型，用數學定量求最優(yōu)解法，找到破碎站經濟合理移設步距。最后為礦山推薦一套經濟合理的半連續(xù)(汽車—可移式破碎—膠帶機)運輸系統(tǒng)，可以大量節(jié)省生產運輸成本，對提高企業(yè)經濟效益具有現實意義。

開拓運輸 可移式破碎 半固定破碎 半連續(xù)運輸 膠帶運輸機

宏大鐵礦是由二十二冶集團和河北鋼鐵集團礦業(yè)公司共同投資建設的一座大型超低品位露天釩鈦磁鐵礦山，該礦原礦磁性鐵品位2.50%，設計出礦能力1 500萬t/a，選出鐵精礦TFe品位63%，綜合選礦比27.0。目前礦山礦巖運輸采用的公路全汽車開拓運輸系統(tǒng)，礦石運至選廠固定破碎站集中破碎。因為礦石品位超低，選礦比過大，鐵精礦生產成本太高，生產經營利潤率極低，瀕臨盈虧邊界狀態(tài)，企業(yè)處于生死存亡關頭。如果要維持礦山生存，繼續(xù)開發(fā)利用這種超低貧礦資源，必須把采選生產各個環(huán)節(jié)成本指標優(yōu)化挖潛，通過降低成本尋求效益，是拯救礦山、維持企業(yè)生存的唯一出路。分析該礦采選生產各項成本中，礦巖運輸成本約占采礦成本的45%，從礦巖運輸成本中尋求優(yōu)化空間的潛力較大，因此把運輸方式的優(yōu)化作為研究問題的焦點，優(yōu)化配置更加經濟合理的礦巖運輸系統(tǒng)。

運輸方式的優(yōu)化要依次解決4個核心問題：開拓運輸方式選擇、破碎站形式選擇、運輸方式的界限點、破碎站最優(yōu)移設步距。

1 開拓運輸方案比選

礦山設計產能較大，開采深度逐年增加，礦巖平均運距隨之逐年增加，運輸成本相應加大。隨著采深下降，汽車運輸將會隨著運距增大而越來越不經濟。汽車—膠帶半連續(xù)開拓運輸系統(tǒng)是國內外露天礦山應用廣泛的開拓方式，與公路全汽車開拓相比，運輸能力大、爬坡能力強、運營費低，可以實現降低礦巖運輸成本的目的[1]。但增加膠帶機系統(tǒng)要增加投資1 370萬元，改變原開拓運輸系統(tǒng)是否合理，需要做方案對比論證來得到科學結論。

方案一：固定破碎全汽車運輸。沿用原公路汽車開拓運輸系統(tǒng)，利用改造原固定式粗碎站，采場礦石由汽車運至原固定粗碎站，卸礦破碎后進入下道選礦工序，采場剝離廢石由汽車運至排土場堆排。目前礦巖平均運距為1.9 km，隨著采深下降汽車運距逐年增加，至采場深部汽車最大運距可達5.0 km。

優(yōu)點：使用面廣，適用性強，機動靈活，便于管理；不用預先破碎，礦巖可分散運輸、分散排巖；不易受天氣條件影響生產；不用增加投資。

缺點：較膠帶機運輸爬坡能力小，運輸費用高，不經濟；自動化程度低；汽車數量多，交通組織難度大，車輛檢修量大[2]。

方案二：非固定破碎半連續(xù)運輸。采場內布置2座非固定粗碎站，每座布置2臺C160顎式破碎機，粗碎站設置在采場內固定邊幫上或工作幫上，采場內設置邊幫膠帶2條，采場邊部布置轉運站1座，2條邊幫膠帶機在轉運站合并為1條固定膠帶連接選廠中碎車間。隨著采場采深下降，破碎站分步移設。采場原有公路汽車開拓運輸系統(tǒng)改為汽車膠帶半連續(xù)開拓運輸系統(tǒng)，采場內采出的礦石由汽車運至非固定粗碎站，破碎后由采場邊幫膠帶機運至選廠原中碎車間。采場內剝離廢石由汽車運至排土場堆排。采場內汽車運距可以控制在1.0 km之內，采場內邊幫膠帶機長度隨著采深下降而逐年延長，初期長度400 m，最長900 m，采場外固定膠帶機長度650 m。

優(yōu)點：與汽車運輸相比，運力大、爬坡能力強；自動化程度高；操作簡單，勞動生產率較汽車運輸高2～3倍，節(jié)省能耗，平均每年可節(jié)省運營費約500萬元。

缺點：需要新增膠帶機系統(tǒng)，增加投資1 370萬元；需要預先破碎，易受暴風雨雪影響，一旦膠帶運輸機系統(tǒng)發(fā)生局部故障，將引起全礦運輸作業(yè)停頓；對設備維護和生產管理水平要求較高。

針對宏大礦實際生產情況，目前礦巖平均運距已經達到1.9 km，噸礦巖運輸費用達到1.67元，隨著采深下降汽車運距還要逐年增加，汽車運費也隨著運距的加長而增大，礦山全部礦石的加權平均運距為3.0 km，全部巖石的加權平均運距為3.6 km，至露天底時汽車最大運距可達5.0 km。根據國內外礦山的生產經驗值，自卸汽車運距的合理范圍為：120～160 t 汽車合理運距≤5 km；80～120 t 汽車合理運距≤4 km；30～80 t 汽車合理運距≤3 km；30 t 以下汽車合理運距≤2 km。

目前礦山使用的汽車為30 t級，隨著采深逐年下降，汽車運距將在2年內超過合理運距范圍，汽車運輸將會越來越不經濟，如果在汽車運距超過合理運距范圍之前建成膠帶運輸機系統(tǒng)，適時把全汽車開拓運輸轉為汽車膠帶半連續(xù)運輸，將會降低礦山礦巖運輸費用，節(jié)約礦石生產成本，對于瀕臨盈虧邊緣的礦山企業(yè)意義重大。因此，將礦山開拓運輸方式由公路全汽車運輸變?yōu)榘脒B續(xù)運輸是經濟合理的。

2 破碎站形式比選

露天礦破碎站按是否可移設及破碎設備的固定方式分為全移動破碎、可移式破碎、半固定破碎、固定破碎，對其特征和應用實例進行總結歸納如表1[3]。

表1 破碎站形式分析一覽

結合宏大鐵礦具體條件，對上述4種破碎站形式逐一分析論證。

(1)全移動破碎。全移動破碎對應連續(xù)運輸方式，裝載機直接對破碎機給料，礦巖由移動破碎機破碎后經橋式膠帶運輸機和邊幫膠帶機運到采場外。全移動破碎機設備復雜、價格昂貴，一次性投資太大，礦山在經濟上難以承受。

(2)可移式和半固定破碎。半固定破碎較之于可移式破碎要建固定基礎，建設周期長，移設工程量大，移設作業(yè)時間長，土建費用較高，服務周期長，對該礦不太適宜。可移式破碎既具備了可以移動的優(yōu)勢，又克服了半固定建站和移設時間長的缺點，不必建大型基礎；可以靈活布置在工作幫上或非工作幫上。因為采用顎式破碎機，設備相對小，質量輕，便于拆裝起吊，移設更加靈活便捷；移設頻次較多，一次移設作業(yè)時間短，能保證礦山生產的連續(xù)性。因此，從這2種破碎站中，可移式破碎站更有優(yōu)越性。

(3)固定破碎。固定破碎方案可以在原粗碎車間基礎上進行改造，維持原汽車公路開拓運輸系統(tǒng)不變，節(jié)省投資；但汽車運輸將會越來越不經濟，運輸成本大，已經不適應礦山生產實際情況。

綜上所述，選擇汽車—可移式破碎—皮帶運輸機組成半連續(xù)運輸系統(tǒng)作為礦山新的開拓運輸系統(tǒng)。

3 全汽車運輸方式與半連續(xù)運輸方式的界限點

采場現狀為全汽車運輸，礦石從采場至粗破碎車間平均運距為1.9 km，隨著采深下降而汽車運距逐年增加，汽車運費也隨之增大。當汽車運距達到一定長度時，如果還用全汽車運輸就不經濟了，需改用半連續(xù)運輸方式。那么，當汽車運距達到多長時，改用膠帶機運輸才合適，怎么找到這個界限點呢？

根據現場調查統(tǒng)計的樣本資料，通過回歸分析得到反映變量1(全汽車單價)和變量2(半連續(xù)運輸單價)對自變量(汽車運距)的回歸關系的數學表達式，據此繪出汽車運輸和皮帶機運輸成本線性關系圖，見圖1，對應參數值見表2。自變量(全汽車運距)從1 km開始以0.2 km步距遞增。變量1(全汽車單價)與運距相對應，全汽車運輸成本范圍2.0～3.92元/t。變量2(半連續(xù)運輸單價)按照0.7元/(t·km)價格計算，把建設膠帶機投資的財務成本考慮進來，半連續(xù)運輸成本范圍為2.8～3.07元/t。從圖1可見，這2組圖線是交叉的，交叉點處全汽車運輸運距在1.8 km，即為半連續(xù)和全汽車2種運輸方式的界限點。礦山目前的礦巖平均汽車運距為1.9 km，已經超過全汽車運輸的成本界限點，把汽車運輸改造成半連續(xù)運輸時機已到。

圖1 汽車運輸與皮帶機運輸噸礦成本線性關系

表2 圖1對應參數值

4 破碎站合理移設步距的確定

采場可移式破碎站建成后，從采場工作面到破碎站的汽車運距隨著采場降深而增加，汽車運費也相應增加，當汽車運距增加到一定程度后，如果不及時移動破碎站位置，會造成汽車運費過大而不經濟。如果僅從縮短汽車運距出發(fā)，破碎站在每個開采臺階都接近礦巖重心位置為最佳，每下降1個臺階就移設1次或多次，這樣頻繁移設會造成破碎站服務時間過短，破碎設備需要多次拆裝和移植重建，經濟上也不合理。根據國內外一些大型礦山的生產實踐，破碎站垂直移設步距60～70 m，即5～6個臺階，平均1次移設服務5 a左右[5]。但礦山生產條件不同，經驗可以借鑒而不能照搬，需針對實際情況具體分析。半連續(xù)總運費為汽車運費、膠帶機運費和破碎站移設費3項之和，把各項費用均攤到噸礦運輸成本中，采用運輸成本單價最小值法進行分析，建立運輸成本與移設步距的函數關系，計算結果見表3。

表3 總運輸費用構成計算

半連續(xù)總運費包含的3項費用都跟移設步距存在函數關系。破碎站移設過頻，汽車運費可控制在一個合理范圍內，但移設費用和膠帶機運費要相應增加；破碎站移設滯后，移設費用和膠帶機運費相應降低，但汽車運費將過大而不經濟。把尋求最佳移設步距問題簡化為線性規(guī)劃求最優(yōu)解的問題，即求出目標函數(半連續(xù)總運費)取得極值時的最優(yōu)解[6]。半連續(xù)總運費取得最小值時，作為變量的破碎站移設步距取得最優(yōu)值。通過建立線性模型，用圖解法定量求解，詳見圖2，圖2對應參數值見表4。從圖2中可以看出，破碎站移設步距為4個臺階時，礦石總運輸單價達到最小值4.12元/t，所以破碎站的經濟合理移設步距為4個臺階，即破碎站平均每隔4個臺階移設一次，采場生產平均年下降速度為15.78 m，即破碎站平均每隔3年移設1次是最經濟合理的。

圖2 噸礦總運費單價折線圖

表4 圖2對應參數值

5 結 論

據測算，采場可移式破碎半連續(xù)系統(tǒng)建成后，前4年節(jié)省的運費即可收回改建系統(tǒng)增加的投資，至第5年當年可節(jié)省運營費用380萬元，至第10年當年可以節(jié)省運營費用1 200萬元，長期運輸成本優(yōu)勢更加顯著，對提高企業(yè)經濟效益具有現實意義。

[1] 李寶祥.金屬礦山露天開采[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1982. Li Baoxiang.Open-pit Mining of Metal Mines [M].Beijing:Metallurgical Industry Press，1982.

[2] 張達賢，張幼蒂.露天采礦新工藝[M].北京:中國礦業(yè)大學出版社，1992. Zhang Daxian，Zhang Youdi.New Techniques of Open-pit Mining [M].Beijing:China University of Mining and Technology Press，1992.

[3] 白 俊.露天礦山破碎站的分類及應用實例[J].中國礦業(yè)，2009,18(12):102-105. Bai Jun.The application and classification of crusher station in open-pit mine [J].China Mining Magazine，2009，18(12):102-105.

[4] 云慶夏.采礦系統(tǒng)工程[M].西安：陜西科學技術出版社，1992. Yun Qingxia.Mining System Engineering[M].Xi'an:Shaanxi Science and Technology Press，1992.

[5] 劉勝富，蘇 靖.間斷—連續(xù)工藝破碎站移設步距與周期研究[J].中國礦業(yè)，1997，6(1):33-36. Liu Shengfu，Su Jing.Determination of moving increment and period of crusher using in cyclic-flow technology [J].China Mining Magazine，1997，6(1):33-36.

[6] 桂中岳.礦業(yè)運籌學 [M].北京：冶金工業(yè)出版社，1978. Gui Zhongyue.Mining Operations Research [M].Beijing:Metallurgical Industry Press，1978.

(責任編輯 石海林)

OptimalResearchandDesignofDevelopmentHaulageinOpenMiningofHongdaIronMine

Mu Chuanwei1Zhang Guosheng2Fan Zhiguo2Wang Kunju2Liu Cong2

(1.MCCShenkanQinhuangdaoEngineeringTechnologyCo.，Ltd.，Qinhuangdao066001，China;2.InnerMongoliaHongdaMiningCo.，Ltd.，Chifeng024222，China)

Different forms of development haulage in mines were investigated considering the production situation of Hongda Iron Mine，and four key issues in optimal design of development haulage were solved.Proper development haulage was firstly selected by comparison with truck and semi-continuous haulage.Secondly，reasonable crushing station was chosen by comparing four kinds of stations which are full movable，movable，semi-fixed and fixed respectively.Subsequently threshold point between truck and semi-continuous haulage was decided by using graphic method and through regression analysis of haulage costs.The moving step distance of crushing station was found by obtaining the optimal solution with quantitative solution and linear model.At last，a set of cost-effective semi-continuous haulage system composed of truck，movable crushing and belt conveyor was recommended to save haulage cost.It plays a significant role in increasing economic efficiency for the mine.

Development haulage，Movable crushing，Semi-fixed crushing，Semi-continuous Hauling，Belt conveyor

2014-08-04

母傳偉(1970—)，男，總工程師，教授級高級工程師。

TD854

A

1001-1250(2014)-12-026-04