銅礦露天開采境界優化及礦山機械施工技術分析

石常松

摘要：為了優化大型露天礦上的開采境界，實現礦山的最大化經濟效益，依托西藏玉龍銅礦，采用L-G法將地質模型轉化為經濟模型。通過調研玉龍銅礦三個礦區的采礦成本和礦體含量，根據露天邊坡穩定性研究推薦的分區邊坡角，推薦基準的參數為準，考慮Cu預測價格和技術經濟參數變化，最終確定開采境界。同時，針對玉龍銅礦的礦藏資源，分析開采施工時需要的采剝機械、鏟裝機械和運輸機械的功率和數量。

關鍵詞：優化；露天礦山；開采境界；經濟參數；施工機械

0? ?引言

為實現大型露天礦山的最大化經濟效益，需要隨著開采過程中的地質信息不斷變化，完善礦山資源模型，根據產品價格、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間長，在長達十幾年甚至幾十年的開采過程中，逐漸揭露圍巖特征、礦石品位和形態等，動態優化開采境界[1]。國內外學者在露天礦開采的境界優化已經做了大量的研究，提出了一系列的規劃模型，建立了一些優化模型和算法。

學者何曉華等[2]在排土場庫容嚴重短缺條件下，優化開采境界，減少主產品收入，大幅度降低了運輸成本和建設成本，從而實現了分期開采。汪峰[3]根據切實可行的剝采比，建立了采場礦巖量的計算模型，通過計算求得礦山的最佳開采范圍和深度。畢春杰等[4]利用錐體排除法產生的地質最優開采體，建立了一種動態模型，得到最優開采方案，并成功應用于某礦山中。

隨著礦山生產技術水平的提高，人們對安全施工的要求越來越高，員工的環保意識日趨增強，如何有效管控施工機械設備，選購合理的施工設備組合，最大程度提高生產效率，進一步降低開采成本，成為礦山開采中重要的一環。

1? ?工程背景

玉龍銅礦礦區處在青藏高原東南角的金沙江與瀾滄江之間的寧靜山脈北段分水嶺地帶，山脈、山系多呈北西～南東方向排列，地形切割中等至強烈，海拔高程4560～5124m，相對高差在700m以內。礦區地貌上屬“青南藏東川西高原區”，地貌類型以高山構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特大型斑巖和接觸交代混合型銅礦床。該礦區共有3個主要礦體，分別為Ⅰ號礦體、Ⅱ號礦體和Ⅴ號礦體。該礦區的礦藏儲量大，資源豐富，處于高海拔地區，水文地質條件簡單，且礦體的品位也較高。

經論證，玉龍銅礦適合于大規模露天開采的方式。Ⅰ號礦體為礦區的主要礦體，包括斑巖型銅礦和角巖型銅礦，含礦斑巖體形態總體呈“蘑菇”狀，短軸近乎東西方向，長軸接近南北方向，角巖型銅鉬礦體為Ⅰ號礦體的重要組成部分，圍繞斑巖體總體呈環帶狀展布。Ⅱ號礦體和Ⅴ號礦體呈環狀包圍Ⅰ號礦體，傾角多在30°以內，相對平緩。以斑巖體為界，在礦區南部將“環狀”礦體分割成兩部分，東側標注Ⅱ號礦體，西側標注Ⅴ號礦體。

2? ?露天開采境界優化要點

2.1? ?設計原則

結合玉龍銅礦地處“三江”源頭，海拔高、資源量大，礦石性質復雜，外部運輸距離遠，以及當地經濟相對落后等特點，玉龍銅礦設計遵循下列原則：

一是全面規劃，統籌兼顧，合理銜接。玉龍銅礦銅金屬資源量超過650萬t以上，主要包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ三個礦體，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，礦石性質復雜，因此必須全面規劃，統籌兼顧。

二是以效益為中心，選擇成熟、可靠的技術。選擇大型化、高效化設備，注重可靠、實用，技術及裝備達到國內同行業領先水平。玉龍銅礦規模大、海拔高，設計選用的技術及設備必須考慮適應當地的自然環境，并合理設置管理措施，提高管理效率。

三是合理利用資源，開發和保護相結合。對I礦體中Mo單獨產出精礦予以回收，鑒于Au、Ag未達到單獨回收的工業品位，在生產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濟礦，暫時無法利用，為保護這些資源，便于今后利用，全部單獨集中堆存。

四是高度重視環保、水土保持。礦區地處“三江”源頭，又是生態較為脆弱的牧區，各項工程須把環保放在首位。工藝過程中的廢氣、廢水、廢物全部進行處理，確保其達到排放標準。加強回水利用，尾礦庫水不外排，搞好水土保持，以便建設環境友好型綠色礦山。

2.2? ?境界確定方法

采用礦業領域內具有領先水平的采礦技術軟件Datamine，對露天開采境界進行優化。該露天境界優化三維軟件采用目前經優化的一種主流方法——L-G法[5]。

L-G法的原理是將地質、礦井及地球物理資料綜合分析，將得到的模型轉化為經濟模型，并進一步將上述轉化后的模型轉為加權矢量圖。矢量圖的頂點用來表示塊段，每個結點表征一個塊段。再用弧約束塊段，用一組弧表示露天開采礦山的幾何約束。

經此計算和處理，塊段中的礦巖凈值則可以通過一一對應的頂點權重表示，即可得到每個塊段的經濟值。最優化的露天礦山境界等同于圖論問題，然后在圖上找到加權矢量圖里面最大的權重閉集合。簡單地說，找到一組塊段，當同步開挖這些塊段時，形成可開采的露天礦上境界，即可得到最優的經濟附加值。

2.3? ?境界優化經濟參數

對比國內外礦山安全系數，根據玉龍銅礦改擴建工程露天邊坡實際情況，邊坡穩定性分析中，綜合選取邊坡穩定安全系數應不小于1.20[6]。根據本工程設計文件提供的露天邊坡穩定性研究推薦的分區邊坡角，確定露天采場最終邊坡角如圖1所示。露天開采最終境界邊坡參數如表1所示。

3? ?最終境界優化結果分析

最終境界優化過程中，考慮到最終境界受到的主要影響因素是金屬Cu預測價格以及技術經濟參數變化，故最終境界的變化可以以推薦基準的參數為基礎，結合Cu的價格變化以及浮動邊界品位的變化來確定。邊界品位變化最終境界礦巖量變化如圖2所示。銅價變化時最終境界內礦巖量變化如圖3所示。

玉龍銅礦的主元素是金屬Cu，其他元素含量較少。在三個開采礦區中，主礦體是Ⅰ號，本次案例中以基準Cu的價格為基礎，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t逐漸減少到14萬t；剝采比逐漸增大，從1.6增加到2.4左右。

另外，主礦體的原生礦產量不斷減少，但金屬Cu平均品位增大，雖然該變化并不明顯。總之，最終開采境界內礦石量變化有波折，但變化并不大。其余Ⅱ、Ⅴ號礦體的礦量變化也非常小，Ⅰ號礦體銅品位變化對最終開采境界影響較小。

同時考慮銅價的上下浮動，Ⅰ號礦體Cu邊界品位取0.3%和最終邊坡角不變情況下，開采境界內的礦巖量隨著Cu價格的增加，境界內礦巖量逐漸增加，剝采比增大，平均品位Cu降低，金屬量增加。由此可見，銅價對露天開采最終境界影響很大。因此在生產過程中，若銅價比本次設計的價格高，業主可根據銅價的變化適時擴大開采境界，以便最大化回收資源量。

4? ?礦山機械施工技術分析

4.1? ?采剝機械

根據礦巖的物理力學性質，設計采用鑿巖爆破方式，以利礦巖鏟裝作業。選用牙輪鉆機，其穿孔直徑為Φ250mm，孔網參數為8m×7m。臺階爆破采用垂直孔，孔深17～17.5m，其中超深2～2.5m，采用矩形或梅花形布孔。為了改善爆破質量，提高爆破效果，減少爆破次數，采用大區微差爆破，非電導爆系統起爆。爆破采用乳化炸藥，用現場炸藥混裝車裝藥。

以生產前20年最大采剝總量計算，結合牙輪鉆機效率及生產需要，確定牙輪鉆機臺數為10臺。穿孔作業需要輔助設備，需另增配2臺潛孔鉆機，用來邊坡清理、邊坡殘礦收集、預留爆破后危石和除金屬Cu以外其他礦石的開采。

按開采經驗，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，不破碎，少量的大塊石二次進行破碎。在排土場將大塊石集中堆放，用機械法進行二次破碎。為了完成破碎任務，需配2m3液壓反鏟挖掘機3臺，且要改裝破碎器。

4.2? ?鏟裝機械

經過比較，確定采用鋼絲繩挖掘機進行礦巖的鏟裝工作。在本礦山中挖掘機的斗容為12m3。對于Ⅱ、Ⅴ號礦體，為提高生產設備效率，需要額外配備一部分輔助生產設備，用于清理散落巖塊、清掃工作面、道路維護等[7]。

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

為保證運輸效率，另配專業的道路管護隊，專門負責礦區道路維護。設備工作區域為高原地區，因此配備高原型采礦設備。鏟裝作業要盡可能讓臺階保持平整，并將爆堆清理干凈，以便為后續穿孔工作創造有利條件，提高穿孔設備效率。

4.3? ?運輸機械

采礦按外委考慮，運輸采用91t級礦用自卸汽車。采用選別式開采，礦石、低品位礦，Ⅱ、Ⅴ號礦體低品位氧化礦、含銅鐵礦、銅硫礦及廢石分采、分運，分別堆放。礦石運到礦石粗碎站，經破碎后由膠帶運至選廠。低品位礦石及Ⅱ、Ⅴ號礦體低品位氧化礦、含銅鐵礦、銅硫礦等，運到堆放區域堆存。廢石直運或運往破碎站，破碎后用膠帶運輸機運往排土場排棄。運巖汽車需要44臺，運礦汽車需要27臺。以生產前20年最大采剝總量計算，Ⅱ、Ⅴ號礦體運輸采用20t級的運輸車運輸，需要6臺運輸車。

5? ?結束語

本文將地質模型轉為經濟模型，并將經濟模型轉化為加權矢量圖，通過調研礦體的采礦成本、礦藏資源、管理成本等經濟參數，優化露天開采優化境界邊坡參數。研究結果表明，銅價對露天開采最終境界影響很大，因此在生產過程中，可根據銅價的變化適時擴大開采境界，最大回收資源量。利用境界優化程序，考慮到銅價的變化，可以為擴大開采境界提供理論依據。此外，本文還對各種施工機械的數量和型號進行了分析，提出了不同礦體開采所需要的設備。

參考文獻

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[4] 畢春杰，戴曉江，宋小美.某露天銅礦全境界開采規劃優化

[J].金屬礦山，2015，10）：33-36.

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界優化研究：以西藏驅龍銅礦為例[J].金屬礦山，2010（1）：

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