创新采矿设计经济安全环保降风险

曹太彬

四川宏达技术中心，中国·四川 德阳 618400

中资企业在国际投资面临较大的风险。M 煤矿位于非洲T 国N 省L 县。三层主采煤层平均厚度均在3.5m 以下，剥采比超过7.51m3/t，T 国的炸药、机械费以及柴油都比中国贵，采用传统的穿爆工艺成本高于井工煤矿。为了降低开采成本主要从碎岩石和运输成本方式进行变革，用硬岩露天采矿机免爆工艺和用皮带运输机降低岩石矿物运输成本的问题。通过计算采矿机加管状皮带运输的成本，成本只是传统的井工开采成本的62%。随着经济成本的降低，开采底部境界可以从原来的+950m 扩大到+850m，可供露天开采的资源量从1360 万吨增加到4600 万吨，降低了投资风险。从下往上开采，采空区及时回填露天剥离废石，不但可以阻止边坡崩塌，覆土后还可以开展生态建设。

创新采矿设计；经济；安全；环保；降投资风险

1 风险控制

在2011年，中资某企业中标，与非洲T 国的国家开发公司NDC 联合开发N 省L 县的煤电钢项目。建设60 万/年露天煤矿和240 万吨/年的井工煤矿、4x150MV 的火电机组和100 万吨/年钢材，投资30 亿美元，合同规定期限20年。中资控股80%，NDC 以资源入股占20%。某公司经过勘探，证实不是炼钢用的焦煤，进行了几千次的实验，掌握了提钛的技术。T 国的国家意志是要降低电价，上网电价和优惠政策谈判了多年，当局至今优惠政策没有公布。电价为10.7 美分。通过计算，其水电电价不到人民币7 分钱。随着“尼雷尔”2100MW 水电站和300Mw 风力发电站的建设，减少柴油发电。即使将来国家发电成本在5 美分以下，但还面临水风火之争的问题。

中资企业在国际投资面临较大风险。有政权更迭风险、反对党与执政党拿中资企业撕逼的风险、民粹主义薅羊毛的风险、法律风险、文化冲突的的风险、工会势力强大的风险、种族歧视风险、各国势力在非洲争斗的风险、技术标准风险、以及井工煤矿自身具有的高危风险，甚至还有因为当地人因为偷矿石处理不当被当局吊销投资者《采矿许可证》的风险。面对风险，除了采取金融工具，笔者认为扩大露天矿的生产规模，不建设井工煤矿，降低投资风险。通过采用硬岩采矿机和皮带输送，降低生产成本，融入该国经济发展的血脉。

2 煤层基本情况

M 煤矿位于非洲T 国N 省L 县。M 煤矿煤层赋存像一个破碎的碗，在碗的中心是个小山丘，煤层埋深0～600m。主要可采煤层有三层。其中M8煤层厚度为0～6.00m，平均厚度为3.32m；M9煤层厚度为0～4.55m，平均厚度为2.2m；M11煤层厚度为0～7.41m，平均厚度为3.14m。还有4 层薄煤与矸石互层的“五花肉”煤层。主采煤层厚度均在3.5m 以下，对露天煤层划分而言，属于薄煤层。煤层倾角6～8°，是个凹陷型露天矿[1]。可以在4.3km 外施工一 放水平硐，减少凹陷型露天矿山开采后的积水，对更深部的井工开采渗漏和安全威胁问题。

煤炭出露于地表+1030m 高程。在矿井的北部即碗边上，可以进行露天开采。《地质报告》和x 煤炭院认为采用传统的设计，采到+950m，剥采比7.51m3/t，再往下采就不经济了，计算了可供露天开采的资源量1360 万吨。因此设想的是建设60 万吨/年的露天煤矿和240 万吨/年的井工煤矿。

3 传统的设计方式及露天开采成本

3.1 计算依据和过程

3.1.1 计算依据

传统的穿爆采装汽车运输工艺，采用钻机钻孔，装炸药起爆，用挖掘机采装。爆破会产生大块岩石，采用矿用汽车运输。《M 矿可行性研究报告》[2]，采取的是KQ150 潜孔钻机和炸药穿爆，台阶高度H=10m，采用4m3的斗容和32 吨的汽车采装，用汽车运输外排。非洲T 国没有工业基础，没有生产炸药的能力。进口的炸药，不低于2500 美元/T。爆炸辅材按照比中国高1 倍估算。

根据地质报告，岩石的天然抗压强度值最大为54.9Mpa，即岩石的坚固性系f ≦5.49。见表1《岩石单轴抗压强度实验》。

人工工资。中国的人工工资定额为55 元。非洲国家的技术工人劳动素质普遍比中国低，按照80%计算，定为44 元。

机械费。中国的工程机械，全世界单价最低。运到施工工地，钻杆、钻头等钢材考虑海运、关税、大陆960km 的陆运，按照增加30%计算；安装费，机械费中的折旧、维修、保养、燃料动力也分别上调30%到0 不等。

表1 《岩石单轴抗压强度实验》

2019年5月，T 国的柴油价格是2146.53 先令/L，运到M 矿工地960 公里柴油密度按照柴油0.835kg/L，按照1 元1 吨公里的运费计算。1 美元兑换7 元人民币，兑换2300 先令，2410 先令，计算批发价优惠8%，也需要2217 先令，也要2217x7/2300=6.74 元/L。而中国定额就5.44 元/L，超过中国24%。各种规费如下表2所示。

表2 工程费用基本费率表

2016年8月16日，煤炭行业颁布《煤炭建设露天剥离工程综合消耗量定额》（2015 基价）[3]。以此进行计算进行计算。经比较，采用ky200 型牙轮钻机最经济，效率最高，穿爆成本最低。

3.1.2 计算过程

（1）岩石穿爆定额如表3所示。

表3 岩石穿爆定额

（2）采装定额如表4所示。

表4 岩石采装定额

（3）汽车运输价格如表5所示。

表5 汽车运输价格定额

（4）排弃费用如表6所示。

表6 岩石排弃定额

（5）煤炭开采定额如表7所示。

表7 煤炭穿爆定额

（6）煤炭采装定额如表8所示。

表8 煤炭采装定额

（7）煤炭运输如表9所示。

表9 煤炭运输定额

（8）煤炭排弃费用按照1400 元钱/1000m3，即1 元/吨。

3.2 煤炭定额汇总

从表5～表8可知，根据1m3煤密度1.4 换算成吨。

表10 煤炭生产定额汇总

3.3 剥采比与资源量

根据《地质报告》，对矿井北部的资源量计算，分别计算到+900m、+850m 高程，计算的资源量和剥采比如下表11所示。

表11 M 矿露天采区剥采比与资源量表

中国的露天煤矿一般都开采中厚至巨厚煤层.因而爆破炸飞混入废渣的煤一般在5%.回收率一般在95%.对于薄煤层，中国矿大与神华集团的研究结果，如果采用爆破工艺，回收率在76%。所以，根据剥采比调整除以0.76。

3.4 计算结果

通过以上的计算，如果采用传统爆破工艺，当开采到+950m 的时候，煤炭开采成本453.91/ 吨元；当开采到+900m 的时候，煤炭开采成本522.88 元/吨；当开采到+850m 的时候，煤炭开采成本556.65 元/吨。根据《可研报告》井工煤矿的生产成本为70 美元/吨，按照美元兑换人民币1：7，也就是420 元/吨。成本高于井工开采。这个成本作为炼钢可以接受。同时也说明可以将露天开采的下部境界扩大到+850m。这样就有4600 万吨煤可供露天开采。经营成本如表12所示。

既然高于井工开采成本，表现出不经济，还不如井工开采。可是，火电厂、钢铁厂急需煤炭供应。井工煤矿属于高危行业，投资大、风险大，建设工期长、资本回报率低。需要寻找新的采矿方式[3]。

表12 非洲T 国露天开采传统设计单位成本估算表

教科书式的采矿基本原理，就是露天煤矿的最终开采境界对应的开采成本与井工煤矿相等。笔者突破固有思维，计算到+900m 和+850m 时的资源量和剥采比。

4 采矿设计思维的创新

4.1 采用硬岩采矿机免爆工艺

由于非洲T 国的炸药成本是中国的三倍，首先想到采用采矿机免爆工艺。据有关资料介绍，在澳大利亚甚至用其开采铁矿石.意大利用“碎岩金刚”采矿机石灰石.2008年印度露天煤炭产量的1 亿1 千万吨采用维特根采矿机工艺，全印度约50%露天采煤产量由51 台套不同规格的维特根采矿机开采出。在昆明长水机场旁边的石灰矿用威猛地平王。露天采矿机消耗的是柴油，而不是在T 国昂贵的炸药。柴油的单价世界上都差不多。选用柴油做动力，跟穿爆定额差不多。“与传统的爆破方式相比，笔者们的工时减少了，而且，每开采1m3的石灰矿石，还可以节约1 美元的成本”[4]。

在露天采矿机中，威猛地平王，滚筒以‘自上而下’的旋转方式，巧妙地借助了其自重，以更强劲的冲击力截碎岩石，从而使岩石适用范围更广，地平王可用于最高至200Mpa硬度的岩石切削作业。根据《地质报告》，岩石的坚固性系f ≦5.49。威猛地平王实现了真正的无爆破、精益开采的效果。它具有的自上而下的切削技术，使刀齿在不损害设备牵引力的前提下获得切削力。对于露天采矿机的开采成本有4～10 元/吨，主要是与岩石的裂隙有关。裂隙多，成本就低。本处按照平均7.6 元/吨。岩石密度取2.4。

对于个别岩石裂隙少完整性好的岩石，可以采用松动爆破，或者采用岩石劈裂机。小型劈裂机单机劈裂力度可到880吨。大型机载式分裂机主要用于各大矿山的开采大理石、花岗岩、砂岩等名贵采石场的荒料开采、大坝、水电站水工建筑、桥墩等或者是其他用途中对工作效率要求比较高的地方。岩石/混凝土破碎劈裂机特点：分裂过程中无振动，无冲击，无噪音，无粉尘，数秒内即可完成分裂任务。

4.2 采用管状皮带运输

机器行走和滚筒方向一致，滚筒刀齿作用于矿料表面，从接触开始，刀齿自上而下的运动轨迹就会切削出均匀尺寸的一切物料。自上而下的切削方式对于硬岩切削效果更佳显著，优于其他设备自下而上的切削方式。切削深度可以通过GPS 或激光系统来完成，从而形成一个平整的工作面，提高了物料装在和运输的效率。“威猛地平王采用独一无二的‘自顶向下’切割技术，能一步到位地将物料截割成152～203mm，矿料粒度可由调整滚筒切削来控制。相比穿孔，爆破而言，矿料处理更为高效，大幅降低了对初级破碎的要求。非常适合使用管状皮带运输”。采用免爆破工艺，不会因放炮而破坏。能实现柔性布置设计，可以实现小半径三维空间转弯，避免了中间转运站的设立和相应辅助设备的投资和维护费用。特别适合于空间比较狭小或者有障碍物等复杂环境下的输送线路建设，缩短了输送距离，从而降低工程的总造价。能实现大倾角输送，普通槽形带式输送机提升角度最大只能达到18°左右，而圆管带式输送机由于输送带将物料围包在管内输送，增大了物料与输送带之间的摩擦力，输送角度可以进一步提高。目前已投入应用的圆管带式输送机最大可以达到30°倾斜输送。管状皮带机的运输能力大，皮带机的运输成本只是汽车运输成本的1/3 是不争的事实。

4.3 从下往上采解决环保问题

这是一个凹陷型露天矿，煤层倾角6-8 度。采矿工艺采用露天采矿机碎岩石、铲运机跟随采矿机分别装运碎石和煤炭运到管状皮带机的尾部装载口卸入。经皮带遇到地面排土场。从地表最终境界露头1（+1030m）向+850m 标高的煤富集区，坡度6～8°和3（+1000m）以30°的坡度向境地边界2 施工开拓沟。采用露头1 处和底部2 处同时开采的方式，利于开采成本的均衡。1 处废石就近向4 排土场外排，覆土后成可耕地；2 处的废石向排土场5 外排。当2 处形成内排空间，废石就近填平采空区。坑口火电厂及炼钢厂用不完的废渣，填入采空区，覆土后也成为可耕地。采空区的回填，对边坡起到支撑的作用，阻止了边帮的崩塌危险。利用采矿机碎岩成本低和管状皮带运输成本的的特点进一步扩大开采范围。

4.4 扩大开采范围

《地质报告》表明，露采区探明111b+122b+333 类资源/储量1367 万吨，占总量的3%（计算至+950m）。中国的露天煤矿一般都开采中厚至巨厚煤层.因而爆破炸飞混入废渣的煤一般在5%.回收率一般在95%.对于薄煤层，中国矿大与神华集团的研究结果如果采用爆破工艺，回收率在76%，则露天开采区域可以采出1367*0.76=1038.92 万吨，按照120 万吨/年的规模，考虑1.2 的备用系数，可以服务1038.92/（120*1.2）=7.2年。意味着7.2年后需要有个年产300 万吨的井工煤矿接续[5]。

通过以上的论证，可以把露天开采范围扩大从+950m扩大到+850m，资源量从1360 万吨扩大到4600 万吨。按照180 万吨/年的规模，可以生产20年。

4.5 其他优点

4.5.1 分采分选和提高矿石质量

当煤层中存在0.3～1 米的矸石时，爆破工艺将岩石混入煤层中，降低了产品质量，增加了对废石的无效运输。采用露天采矿机，能够以0.2～0.65 米的可调采高对煤炭和岩石进行截割，就相当于刨子.截割下的料通过采矿机上的皮带直接输入跟随的汽车.采到煤炭就装入煤炭车，采到岩石就装入岩石渣车。

4.5.2 大大增强了安全可靠性.

炸药是危险性物质，爆破的飞石，爆破对边帮岩石的损坏，导致采场滑坡崩落，给人员及设备造成威胁。边坡没有受到爆破的震动，增强了安全性。采用露天采矿机开采的边坡，没有受到爆破震动，边坡比较完整。

4.5.3 便于管理

由于不再购买钻机、挖掘机，大大减少矿用汽车，人员大量减少。特别是不允许放炮，便于安全管理。采矿机从筑路机发展而来，因而还可以修路。

5 结语

通过以上的论述，采用传统的爆破+汽车运输工艺，开采成本高于井工煤矿，而采用硬岩采矿机的免爆+皮带运输机开采工艺，成本只是传统爆破工艺的62%，低于井工煤矿开采成本。因而可以扩大露天开采范围，满足合同规定的20年期限所需煤量。可以避免建井工煤矿。井工煤矿投资大、建设工期长、安全风险大，投资回报率低。《可研报告》计算的矿井项目总投资635450.26 千美元，按美元兑换人民币1：6.5 计算，41.3 亿元。如果采用免爆+管状皮带机工艺，吨煤投资300 元，按照180 万吨/年的规模，投资5.4 亿元。节省投资35.9 人民币亿元。降低投资风险，降低运营成本，环保又安全。