基于采場配礦技術的烏龍泉礦露天采場工作面布置優化

劉艷章 潘世華 鄒曉甜 陳小強 張 群 張丙濤

( 武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢430081)

烏龍泉礦隸屬武鋼礦業有限責任公司，是武鋼主要的冶金熔劑大型露天礦山，主要生產礦石為石灰石和白云石，其中石灰石和白云石共同存在的區域為互層礦( 生產中作為白云石處理) ，采場中互層礦分布較多，且其品位較低。由于近期武鋼集團對白云石品位及礦山生產能力要求的提高，部分低品位白云石( 主要為互層礦) 不能直接滿足生產后續加工要求而堆積于采場內部，嚴重影響采場的有序推進及工作面作業效率，十分不利于礦山生產能力的提高。基于對礦石資源充分利用的原則，同時促進烏龍泉礦更加高效、高產的開采及長遠的發展，對烏龍泉礦露天采場內互層礦開采的研究具有重大的意義。礦山常采用配礦技術提高低品級礦石的品位，使其能夠投入生產。配礦按工作形式一般可分為采場內配礦、儲礦堆場配礦和聯合法配礦［1-3］。采場內配礦適用于高低品位礦石共存的采場，該方法簡便易行、配礦成本低;儲礦堆場配礦利于礦石轉運、儲存、分級和配礦，但其費用較高;聯合配礦法是按照實際生產需要及經濟成本在不同生產階段采用其中1 種或者兩種同時采用。典型的配礦控制方法有以供礦點均衡系數計算的配礦法和線性規劃法等［4-6］。供礦點均衡系數計算的配礦法需經常調整供礦點的開采量，線性規劃法計算簡單，且能有效地解決傳統人工配礦盲目性強且效果較差的問題，其應用更為廣泛。

烏龍泉礦露天采場內高低品位礦石共存，礦石分布較為復雜，同時基于配礦成本及占地面積的考慮，選擇采場內配礦方式，并以線性規劃法建立互層礦配礦模型。采場內配礦簡便易行、配礦成本低，但需協調好采場內各品級礦石的調配［7-9］。由于當前烏龍泉礦的工作面布置方式較為簡單，工作面推進過程中沒有考慮不同品級礦石的搭配問題，在開采互層礦時，不能保證其他配礦需要礦石的及時供給，難以實現采場內配礦方案在生產中的應用。

因此，要充分利用并開采互層礦，促進采場有序推進，同時滿足新的生產能力需求，必須對烏龍泉礦露天采場的工作面布置進行優化。本研究基于采場內配礦技術方案對烏龍泉礦露天采場工作面布置進行優化，將采場內配礦技術方案應用在實際生產中，解決烏龍泉礦露天采場互層礦的開采生產問題，促進其采場的有序推進及生產能力的提高。

1 工程概況

烏龍泉礦露天采場東西長約3 150 m，南北長約650 m。烏龍泉礦以22 勘探線為界分為東、西兩區，0～22 勘探線為東區，22 ～44 勘探線為西區，目前東區開采至55 m 水平，且43 m 水平已掘出200 ～300 m開段溝，西區開采至67 m 水平。烏龍泉礦工作線為縱向布置，即沿礦體走向布置工作線，工作線由北向南推進;東區工作面由東向西推進，西區工作面由西向東推進。采場內石灰石平均品位較高，其GaO 平均含量為52.25%，白云石中 MgO 平均含量17.97%，互層礦能夠滿足直接生產的條件為礦石中MgO 含量為10% ～14%，且MgO 和GaO 的合度在52%以上。烏龍泉礦露天采場內礦石種類及其品位、密度參數詳情參見表1。

現階段開采水平的礦體分布及采場內工作面布置如圖1 所示。

表1 烏龍泉礦露天采場內礦石品位、密度Table 1 Grade and density of ores in open pit stope of Wulongquan Mine

根據當前武鋼集團對烏龍泉礦的生產需求，烏龍泉礦逐步將礦石總產量至年產量400 萬t(2015 年為350 萬t) ，其中白云石160 ～180 萬t( 含互層礦50 萬t) ，石灰石180 ～220 萬t。當前，烏龍泉礦露天采場內布置有3 個工作面，每個工作面配備1 臺挖掘機，挖掘機生產能力為100 ～120 萬t/a，其中西區67 m水平工作面和東區43 m 水平工作面正在工作，東區55 m 水平工作面因為互層礦區域難以推進而暫停工作，現階段的工作面布置無法滿足年產量400 萬t 的生產能力新需求。由此可知，要實現采場內互層礦的開采、配礦、運輸同步進行，促進烏龍泉礦露天采場的有序推進，同時提高礦山的生產能力，必須對烏龍泉礦露天采場的工作面布置進行優化。

2 烏龍泉礦采場工作面布置優化

根據烏龍泉礦開采水平現狀、礦體分布的特點及近期開采需求，此次研究主要針對西區67 m 水平、西區55 m 水平、東區55 m 水平以及東區43 m 水平階段進行分析。采用采場內配礦的形式對不能直接滿足生產需求的互層礦進行配礦理論研究，利用線性規劃法提出一套適合于當前烏龍泉礦露天采場的配礦技術方案，基于配礦技術方案優化采礦工作面，促進烏龍泉礦露天采場的有序推進及礦山生產能力的提高，使其滿足武鋼集團新的生產需求。

2.1 配礦技術方案

烏龍泉礦露天采場內互層礦能滿足直接生產的條件為礦石中MgO 含量為10% ～14%，且MgO 和GaO 的合度在52%以上。石灰石參與配礦的目的是:若互層礦與白云石配比后合度仍達不到52%，此時可用一定量CaO 含量較高的的石灰石配礦以滿足合度要求。故配礦方案主要是針對礦石中MgO 含量進行配比研究。烏龍泉礦白云石中MgO 含量一般為16.44% ～18.80%，互層礦中MgO 含量一般為2.00% ～14.00%。根據生產需求，只需對MgO 含量低于10%的互層礦進行配比即可。

利用線性規劃數學模型一般可求出配礦問題的精確解，但其要求調度時進行準確計量，然而在實際生產過程中，現實約束條件使配礦不能按理論精確進行，這里采用一種簡化理論建立配礦模型。根據地質報告及現場調研數據分析，應用配礦模型確定石灰石、白云石及互層礦中各組分變化。分析表明: 在白云石MgO 品位一定條件下，所需白云石和互層礦質量配比( m2∶ m3) 與互層礦MgO 品位呈負相關;在互層礦MgO 品位一定條件下，所需白云石和互層礦質量配比( m2∶ m3) 與白云石MgO 品位呈負相關。結合烏龍泉礦露天采場內各品級礦石參數，將各參數輸入已建立的Excel 計算模型中進行求解，得到滿足配礦需求的最優解。計算得到烏龍泉礦露天采場互層礦配礦技術方案總結如表2 所示。

表2 烏龍泉礦露天采場互層礦配礦技術方案總結Table 2 Ores blending schemes of interbedded ore in open pit stope

表2 給出了MgO 含量低于10%的互層礦與MgO含量在16.44% ～18.80%的白云石的配比關系，且將配比換算為配礦車比。在開采過程中，根據工作面正在開采的互層礦和白云石的品位，對照表2 查看其配礦車比，可快速完成互層礦的配礦工作，并將其運出采場，有利于工作面及采場按開采計劃推進。

2.2 工作面布置優化

烏龍泉礦是一個已投入生產多年的大型露天礦山，其整個生產系統不宜重新規劃，故烏龍泉礦露天采場工作面的布置方案應在現有工作面布置的基礎上進行優化。由圖1 可知:西區礦體分布主要為石灰石;東區主要礦體為白云石和石灰石，互層礦主要分布在白云石和石灰石交接處。生產過程中，要保證采場的有序推進及礦石運輸，不允許采場中和卸礦平臺處有大量的礦石堆積，在開采互層礦時，需通過配礦使其滿足生產需求并及時運出采場。同時東、西區開采水平相差近2 個臺階，不利于采場設備的調配即長遠的發展。因此，工作面的布置原則為: ①滿足烏龍泉礦年產量的需求;②保證配礦時各類礦石的及時供給;③有利于縮小東西區的水平高差。其中，要保證配礦時各類礦石的及時供給，必須確保在開采互層礦時至少有3 個不同的采裝工作面同時工作:1 個采掘石灰石，1 個采掘白云石，1 個采掘互層礦。

根據烏龍泉礦采場現狀及工作面的布置原則，得到工作面布置優化方案為:①工作線布置方式及工作面推進方式不變;②工作面布置總數為5 個，每個工作面配備1 臺挖掘機，挖掘機可以根據生產需求相互調配，可以滿足新的生產需求; ③3 種礦石分布區域均需布置至少1 個工作面，可以保證配礦時各類礦石的及時供給;④西區布置2 個工作面，有利于縮小東西區的水平高差。優化后的工作面布置如圖2 所示。

圖2 中，1#工作面為西區67 m 階段水平的采裝工作面，主要開采石灰石;2#工作面為西區43 m 水平的采裝工作面，主要開采白云石;3#工作面為東西43 m 階段水平的采裝工作面，該工作面開采區域礦石分布較為復雜，且其中互層礦較多; 4#工作面為東區55m 水平的采裝工作面，該工作面繼續推進55 m 水平平臺，該區域礦石主要為石灰石和互層礦;5#工作面為西區55 m 階段水平的采裝工作面，5#工作面需在1#工作面推進一定平臺寬度后，待西區55 m 開段溝掘出部分才能開始工作。

由礦石分布可知，互層礦主要分布在東區，在近期的開采中，3#工作面和4#工作面在推進過程中會開采到互層礦。若開采時互層礦不能夠直接生產，則需要配礦處理。3#工作面和4#工作面采掘互層礦時，配礦需要的白云石主要由2#工作面生產，石灰石主要由1#工作面生產，并需要幾個工作面同時工作。同時，烏龍泉礦露天采場東區平臺長度約是西區的2倍，東區布置有3 個工作面，西區布置有2 個工作面，該工作面布置形式有利于東西開采水平高差的縮小。

2.3 基于優化方案的露天采場規劃

針對烏龍泉礦近期的開采計劃，結合互層礦的配礦技術方案，將優化后的工作面布置方式應用于烏龍泉礦露天采場的實際生產計劃中，對露天采場進行規劃。烏龍泉礦近期年產量要求為400 萬t(2015 年為350 萬t) ，其中石灰石240 萬t，白云石160 萬t( 含互層礦50 萬t) 。根據工作面布置優化方案( 如圖2 所示) ，烏龍泉礦露天采場內一共布置有5 個采礦工作面，每個工作面配1 臺挖掘機，1#工作面、2#工作面、3#工作面、4#工作面、5#工作面的挖掘機編號分別為N1、N2、N3、N4、N5，挖掘機可以根據生產需求相互調用。每臺挖掘機的生產能力為100 ～120 萬t/a，考慮到一定的廢石剝離量，每臺挖掘機開采礦石的生產能力約為90 萬t/a。根據優化后的烏龍泉礦露天采場的布置形式，對烏龍泉礦近3 a 的生產計劃做出安排，其中，每臺挖掘機近3 a 的生產能力如表3 所示。

表3 近3 a 各挖掘機生產能力安排Table 3 Production capacity arrangements of excavators in recent years 104 t

根據礦體分布及工作面布置方式( 見圖2) 可知，單個工作面所在區域有足夠的礦石資源，可以滿足各個挖掘機的年生產能力的安排。由表3 可知，應用上述工作面布置優化方案，烏龍泉礦露天采場2015 年礦石產量為350 萬t，其中石灰石190 萬t，白云石160萬t( 含互層礦50 萬t) ;2016 年礦石產量為410 萬t，其中石灰石250 萬t，白云石160 萬t( 含互層礦50 萬噸) ;2015 年礦石產量為350 萬t，其中石灰石250 萬t，白云石160 萬t( 含互層礦50 萬t) 。由上述生產計劃可知，優化后的露天采場規劃較為合理，可以滿足烏龍泉礦新的生產需求。

3 結 論

(1) 選擇采場內配礦的工作形式，采用線性規劃法構建了適用于當前烏龍泉礦互層礦生產的配礦技術方案;采場內配礦的技術方案從理論上解決了不能直接滿足生產需求的互層礦的開采問題，提高了低品級礦石( 互層礦) 的利用率，且其充分利用了采場內部礦石參與配礦，配礦成本較低。

(2) 基于配礦技術方案，對烏龍泉礦露天采場工作面的布置進行優化，實現了配礦技術方案在生產中的應用，優化后的工作面布置方案能有效地提高礦山的生產能力及作業效率，在滿足新的生產需求的同時，促進采場的有序推進，有利于縮小東西區開采水平高差。

(3) 結合互層礦的配礦技術方案，將優化后的工作面布置方式應用于烏龍泉礦露天采場的實際生產計劃中，重新對露天采場進行規劃，規劃結果表明優化后的工作面布置能夠滿足烏龍泉礦近期的生產需求，可以達到預期的效果。

(4) 基于采場配礦技術的工作面布置優化方法解決了烏龍泉礦互層礦的開采問題，該工作面布置優化方法可以應用于類似于烏龍泉礦( 采場內多品級礦石共存、有配礦需求) 的露天礦山。

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