分期分区陡帮开采工艺在SICOMINES铜钴矿的应用

文振明 王 鹏

(中冶北方工程技术有限公司，辽宁 大连 116000)

0 引言

SICOMINES铜钴矿项目位于非洲刚果(金)加丹加省，矿石储量2.5 亿t，铜品位3.47%，钴品位0.213%，铜金属量868 万t，钴金属量54 万t。矿石储量巨大，矿石品位高，是世界级特大铜钴矿山[1]。整个项目囊括了露天矿山开采、选矿厂和冶炼厂建设三大项目。最终将形成铜矿石采矿、选矿生产矿石总规模为910 万t/a，冶炼生产阴极铜25 万t/a、粗制氢氧化钴5 180 t/a综合冶炼生产能力。

矿山虽然矿石质量好、品位高，但是开采条件复杂、难度高，矿体倾角较缓、不属于厚大矿体，矿体埋藏深，覆盖层厚，且矿山处于河道内，矿区水文地质条件及工程地质条件极为复杂。在多种不利因素的情况下，矿山按传统的全境界缓帮工艺开采，存在矿山前期基建时间过长、投入巨大，资金风险较高等问题。

针对矿山所存在的问题，本文提出以优化采矿工艺为重点，解决前期剥岩量过高、投资过大问题的总体设计思路和方针，采用分期建设、分步实施、滚动发展的策略，对SICOMINES铜钴矿采用分期、分区、倾斜分条陡帮开采工艺。

1 SICOMINES铜钴矿概况

1.1 矿山概况

由中国中铁、中国电建等组成的中方企业集团与刚果(金)政府按照“资源财政化合作模式”，双方共同成立合资公司。SICOMINES铜钴矿是该公司开发矿山资源的核心和基础。矿区位于刚果(金)加丹加省科卢韦齐市西南方向20 km，SICOMINES铜钴矿为已采矿山，从上世纪70年代初由欧美矿业公司开采，开采20年后至上世纪90年代中期又被迫停产，区内已形成两个大型采坑并积水，两采坑总水量近1.2 亿m3[2,3]。

1.2 矿山地质

SICOMINES铜钴矿区位于非洲中部，刚果盆地南部外侧与加丹加高原接壤部位，属于加丹加西部的“外部褶皱推覆构造带”北缘 。区域内古老基底为加丹加岩系，是闻名于世的刚果(金)-赞比亚铜钴矿带。

SICOMINES铜钴矿区出露地层比较简单，属于多成因多重控制的层状特大型铜钴矿床。

矿区范围内圈定出主铜矿体2条，其他较小铜矿体83条、钴矿体117条。其中Cu1、Cu2号矿体是主矿体，Cu1、Cu2号矿体的铜资源/储量之和占总资源/储量的约95%。矿体产状为沿南北方向，受向斜构造控制，沿东西向上呈波浪状起伏，倾角变化于10°～55°，局部近于直立。矿体连续性好，矿体东西向宽约2 700 m，南北向宽约2 000 m，矿体平均厚度35 m。SICOMINES铜钴矿保有铜矿石121b+122b+333矿石量2.5 亿t[4]，铜品位3.47%，钴品位0.215%，铜金属量860 万t，钴金属量53.7 万t。

矿体形态较为规整、资源储量较大，且矿石品位高。但是矿体赋存较缓为缓倾斜、中厚矿体，不属于厚大矿体，矿体埋藏深，上部覆盖层厚，中间部位矿石覆盖层最厚达300 m。矿体典型剖面图，见图1。

图1 矿体地质剖面图

1.3 开采技术条件

1.3.1 矿区水文地质

矿区处Luilu旧河道内，含水层为多层结构，透水性不均一。地下水补给主要为大气降水渗入补给、区域地下水侧向补给和地表水渗漏补给。矿区内以往开采形成的露天采场切穿主要含水层并大量集水，采场积水增加矿山疏干排水难度。综上所述，矿区水文地质条件复杂。

1.3.2 矿床工程地质

矿区位于科卢韦齐(Kolwezi)推覆体中，原岩为白云岩、页岩、粘土岩、砂岩等。由于母岩的成分及变质程度不同，导致岩层软硬不同。当白云质和硅质含量多时，岩石较硬，当泥质、砂质含量较多时岩石较软。当岩石变质较深时则较硬，当变质较浅时则较软。地层在褶皱过程中，应力会在软层集中，造成软层更加破碎，同时有层间错动现象产生。DIKULUWE倾伏斜是一个像牛角，带有弧形，因此断层也很发育，不包括层向错动，已发现的断层有10多条。III级IV级结构面也很发育。从地质条件的复杂程度对边坡分类，该矿区属复杂-很复杂型。

1.4 露天开采境界

1)露天开采境界的确定。设计采用SURPAC建立了SICOMINES矿区三维数字模型，并依据现状图作为设计境界优化的基础，利用Whittle-4X境界优化软件圈定了一组35个境界方案，得到由35个不同的境界组成的境界序列。通过对上述境界进行分析，综合分析经济效益及服务年限等因素，选择第27号境界为开采的一次境界，并结合采场现状图，采用人机对话的方式，对局部境界进行修整，布置矿岩开拓运输系统，最终形成露天开采终了境界。

2)露天开采终了境界内矿石量1.65 亿t，岩石量15.2 亿t，平均剥采比9.21 t/t。露天境界由西至东形成2个露天底，西部露天底标高为990 m，东部露天底标高为1 100 m，见图2。

图2 露天开采最终境界图

2 分期、分区开采

2.1 分期、分区开采的必要性

SICOMINES铜钴矿最终开采境界内矿石量较大，开采年限也较长，通过对最终开采境界分层矿岩量表进行分析(最终开采境界内矿岩量累计统计见图3)，1 275 m以上矿石累计只有777.2 万t，占境界内矿石总量4.7%，而1 275 m以上岩石累计7.37 亿t，占境界内岩石总量48.6%。因此境界内岩量主要集中在上部，如采用全境界开采，势必造成矿山初期基建剥离量大、生产剥采比高，投、达产时间长。且矿区水文地质条件极其复杂，矿区岩石力学性质一般，岩石稳定性差，工程地质条件复杂，矿山当地电力供应紧缺。采用分期、分区开采可减少初期基建剥离量，降低初期投资，以解决建设资金暂时短缺问题和投资风险，特别对SICOMINES铜钴矿在国外投资的矿山项目分期、分区开采是十分必要的。

图3 终了境界内台阶矿岩量累计统计图

2.2 分区、分期开采在SICOMINES铜钴矿的应用

SICOMINES铜钴矿分区、分期开采，选择矿体赋存条件好，上覆岩层厚度小，品位高的部位作为首采区，将矿山分为两期建设，一期规模455 万t/a，后期逐步扩建至910 万t/a的二期规模。一方面减少前期投资，另一方面通过优化采矿工艺，早见矿，早达产，实现“以矿养矿”目标，降低项目风险。

1)分期境界选择原则

矿山前期基建剥离量小、基建投资少；投产、达产快，可尽快把资源优势转化为经济优势；首采区境界内矿量满足矿山一定服务年限的同时，能够保证首采区境界与最终境界顺利过渡。

2)分区、分期境界选择

Whittle-4X境界优化软件根据不同售价系数圈定35个境界方案最外轮廓线如图4，其中27号境界为选定的最终境界。通过对境界优化结果的分析，11号境界相对10号境界矿量大幅增加，但岩量增加幅度更大，境界内平均剥采比也急剧增加。考虑到10号境界矿岩平均剥采比低，且境界内矿量能满足一期开采服务年限在15年左右，设计确定以10号境界为基础，并考虑矿、岩运输系统布置，形成露天开采一期境界(分东、西两个露天开采境界)。相对于露天开采最终境界，将最终境界北部和东、西两个境界之间岩石覆盖层较厚的区域留待后期开采，尽量减少一期境界内岩石量。

图4 不同系数境界外轮廓图

按选定的边坡、境界参数设计一期开采境界，分为东、西两个境界。西区境界最低标高为1 110 m，最高标高1 440 m，境界上口尺寸为1 950 m×1 040 m，平均剥采比为8.15 t/t。东区境界最低标高为1 230 m，最高标高1 440 m，境界上口尺寸为1 200 m×1 000 m，平均剥采比为7.92 t/t。一期露天开采西区和东区境界内矿石量合计5 085 万 t，岩石量合计40 280 万t，平均剥采比7.92 t/t，与终了境界相比，平均剥采比降低了1.29 t/t。

2.3 矿山一期向二期扩帮过渡

1)扩帮时机

SICOMINES铜钴矿项目开展时，受当时银行资金提供条件和刚果(金)当地供电制约，按照原有规划当一期露天境界服务到第8年时，安排矿山开始由一期向二期(矿石规模910 万t/a)扩帮过渡开采。但鉴于市场铜价格走势较好，一期矿山效益较好，业主资金充沛，且水电站项目已经提前开工建设，水电站投入使用后二期采、选、冶生产将不再受电力制约。

因此二期设计从第6年开始由一期向二期扩帮过渡，尽快达到二期910 万t/a的规模，实现矿山的规模效益。

2)扩帮首采区域的选择

通过对地质分层平面图进行分析，一期境界外赋存标高较高的矿量主要存在于一期境界两个采坑之间南部部位，为此设计安排将两个采坑中间部位及南部区域作为扩帮首采区域，一方面可通过扩帮早日见矿，尽快过渡到910 万t/a规模；其次该部位开采能尽早将两个采坑合并到一个境界内，便于矿山生产管理，同时为整个矿山矿岩开拓运输系统布置创造有利条件。

2.4 陡帮开采工艺

矿山生产首先在一期两个境界内进行，依然存在矿量主要赋存在下部、岩量主要集中在境界上部的问题，对两个露天境界采用倾斜分条陡帮开采方式进行开采。

应用陡帮开采工艺，将SICOMINES铜钴矿一期境界分为上部剥离区和下部采矿区。采矿区在采场下部，以较宽工作平台缓帮进行采矿。剥岩区则在采场上部。最小工作平台宽度60 m，工作台阶坡面角65°，主要采矿台阶数为2～3个。

3 分期、分区、陡帮开采评价

3.1 分期、分区、陡帮开采的主要优点

1)当覆盖岩层较厚时，分期开采可以减少矿山初期基建剥离量，降低初期投资，缩短建设周期，实现早投产、早达产[5]；

2)实行由小规模到大规模的分期开采，而后逐步扩大生产规模，可以使资源优势尽早转化为经济优势，实现“以矿养矿”的模式，降低投资风险[6]；

3)可推迟大量岩石的剥离，降低矿山生产剥采比，特别是前期生产剥采比，有利于生产剥采比的均衡，有利于调节剥离洪峰；

4)分期开采前期在临时境界内开采，后期再形成最终境界。可以有效推迟最终边坡的形成时间，有利于最终边坡的稳定。同时可推迟边坡形成，利于边坡调整和最终边坡角的优化；

5)各分区相互独立，可调节生产能力,特别是对于需要分采分运，且具有不同的选冶工艺的有色矿山，多工作面采矿利于配矿；

6)采用陡帮开采可灵活调节各分区间的分期关系，分区开采可以尽快实现内排，减少外排土场占地；

7)当矿床储量规模很大，矿山服务年限长，最终境界几十年以后才能形成，采用分期开采，可根据产品市场价格的情况调整开采方案，从而降低经济损失；

8)可实现矿山总体净现值增加，获得好的经济效益，特别是矿山初期的经济效益更好。

3.2 分期、分区、陡帮开采的注意事项

1)开拓工艺布置困难，需要兼顾一期、二期不同部位不同标高，不同时期的矿岩运输；

2)要求设备选择适合陡帮分区开采，要求设备行走调动方便；

3)需要提前做好向二期过渡技术和设备资源的准备工作，避免过渡期生产能力的降低，如果扩帮过渡工作滞后，会导致采场总生产能力下降，影响后续采选实际生产能力，造成规模效益的损失；

4)对现场生产管理要求更高。分期、分区、陡帮开采时，实际生产在编制月度计划时，不但要均衡矿石的量，而且要考虑出矿和剥岩部位的均衡。实际生产要严格按照安排的扩帮过渡时间执行。

4 结语

按分期、分区、陡帮开采分区工艺，对SICOMINES 铜钴矿重新进行开采规划，前5年剥岩量合计减少2.3 亿t，少带矿只有30 万t。基建剥岩直接投资一项就减少约5 亿美元。生产剥采比由原13.6 t/t降低至12 t/t，每年减少剥岩量1 456 万t，降低了露天开采前期生产剥采比，剥采比相对较均衡。矿山2015年一期工程投产，2016年一期达产并实现净利润8 449 万美元，2017年净利润突破20 亿元人民币。2017年，一期工程获评中国中铁“十大海外典范工程”荣誉称号，同年获评中国建设工程鲁班奖(境外工程)。分期分区陡帮开采是较为适合SICOMINES 铜钴矿的开采技术，也是今后国内外露天开采技术的发展趋势。