基于经济合理剥采比的露天矿开采境界优化

张军奎，张雄天，赵钺

(兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

0 引言

露天矿开采境界的优化对矿山的生产年限、生产能力和经济效益起到决定性的作用。影响露天矿开采境界优化设计的因素有很多，主要包括经济因素、技术因素以及地质条件等[1−2]。经济因素主要包括采矿成本、选矿成本以及剥岩成本等，针对经济因素的研究主要集中在成本变化对露天矿境界的影响[3−4]，确定合理的经济剥采比是圈定露天矿开采境界的关键因素[5]。部分学者针对经济合理剥采比的计算进行了研究[6−9]，严体等[10]利用Micromine 软件对大平掌铜矿进行露天境界优化，实现了矿产资源储量和矿山设计与市场紧密结合，做到动态管控。虽然已有学者利用Micromine 软件进行露天矿境界优化，但是他们尚未考虑经济合理剥采比优化对境界优化的影响。因此，本文利用原矿成本比较法、金属成本比较法、储量盈利比较法，结合矿体赋存条件和矿山开采的技术经济指标，对经济合理剥采比进行优化，然后基于经济合理剥采比和最终的边坡角，利用Micromine 软件进行境界优化，为矿山的开采设计和生产提供参考。

1 露天矿开采境界确定方法

1.1 确定露天矿开采境界的基本原则

利用Micromine 软件可及时自动生成探矿工程的取样分布图，实现地质信息、矿石品位和探矿增储的实时统计，为三维地质建模和露天开采境界的优化提供基础数据。利用Micromine 软件建立的矿床三维地质模型，可以用不同颜色显示矿石的品位，进而根据实际需要设定品位区间，根据矿石市场价格的波动迅速进行地质模型的更新和开采境界的优化，快速为矿山的生产管理和决策提供准确可靠的依据。利用Micromine 进行境界优化的基本原则有：

（1）圈定的露天开采境界要保证露天采场内采出的矿石在经济上是合理的；

（2）要充分利用矿产资源，尽可能多的把矿石圈定在露天开采境界内；

（3）圈定的露天采场边坡角小于露天边坡稳定所允许的角度，确保露天采场边坡稳定，避免发生滑坡等事故。

1.2 经济合理剥采比确定

本文采用原矿成本比较法、金属成本比较法和储量盈利比较法3 种方法进行经济合理剥采比的计算，最后比较这3 种方法各自的经济合理剥采比，选择出最合适的经济合理剥采比。原矿成本比较法将原矿的地采成本作为露天开采成本的上限来控制露天开采剥采比，如式（1）所示。

式中，njh为经济合理剥采比，m3/m3；r为矿石容重，t/m3；b为露天开采剥离单位岩石成本，元/m3；CD为地下开采单位原矿成本，元/t；a为露天开采单位原矿成本（不包括剥岩成本），元/t。

金属成本比较法是以选矿或冶炼后的金属量作为对比计算参数，比较露天开采和地下开采经过选矿和冶炼之后得到金属的成本，当这两个成本相等时，得到的剥采比为经济合理剥采比，如式（2）所示。

式中，KL为露天开采每吨矿石的金属产出率，t/t；KD为地下开采每吨矿石的金属产出率，t/t；DD为露天开采每吨矿石需要分摊的采矿、选矿、冶炼生产成本，元/t；DL为地下开采每吨矿石需要分摊的采矿、选矿、冶炼生产成本，元/t。

储量盈利比较法是以矿石的工业储量作为计算参数，比较露天开采和地下开采的矿石盈利，当这两种采矿方法开采矿石的盈利相等时，得到的剥采比为经济合理剥采比，如式（3）所示。

式中，P为金属销售价格，元；和分别为露天和地下开采的视在回收率；DL和DD分别为露天和地下开采的每吨原矿所分摊的采矿、选矿和冶炼生产成本（露天开采不包括剥离成本），元/t。

2 露天开采境界优化

2.1 工程概况

某金矿矿区第4 系覆盖较大，出露地层为三叠系下统隆务河组（TL），金矿体赋存于三叠系下统隆务河组长石石英变砂岩夹粉砂质板岩岩性段内。该金矿床位于索拉贡玛—格里那金成矿亚带上，是力士山复背斜与纳合迪南向斜的过渡带，褶皱、断裂构造非常发育。矿体分布于300～500 m 宽的北西向F1 区域大断裂带内，呈雁行状、羽状分布。

在该金矿床共圈出金矿体357 条，其中主矿体17 条，分别为Au4-2、Au6-3、Au12-1、Au14-2、Au15-1、Au16-3、Au18-3、Au24-5、Au26-4、Au29-2、Au31-5、Au33、Au38-8、Au40-1、Au42-4、Au45-3、Au51-5，其余为小矿体；共圈出锑矿体47 条，规模均较小。矿体赋矿岩性为角砾岩、砂岩、板岩，围岩主要为板岩和砂岩。

2.2 露天开采技术经济参数的确定

根据黄金市场预测价格，参考国内类似矿山和现场生产实际指标，初步选定的露天境界优化技术经济参数见表1。

表1 露天开采境界优化技术经济参数

2.3 露天开采境界最终边坡角的确定

露天采场最终边坡角是否合理，关系到矿山生产安全以及矿山投资能否获得最大经济效益。根据矿山地质报告提供的工程地质条件和矿岩物理力学性质，在进行岩石力学分析研究的基础上，参考类似矿山的参数（见表2），初定某金矿露天开采境界最终边坡角为42°～50°。

表2 国内外部分露天矿边坡角

2.4 经济合理剥采比

根据某金矿矿体埋藏条件、矿石价值，对上部埋藏较浅的矿体进行露天开采与地下开采对比，采用原矿成本比较法、金属成本比较法和储量盈利比较法计算露天开采的经济合理剥采比。经济合理剥采比计算使用到的参数见表3，利用式（1）计算得到原矿成本比较法的经济合理剥采比为10.07；利用式（2）计算得到金属成本比较法的经济合理剥采比为11.69；利用式（3）计算得到储量盈利比较法的经济合理剥采比为13.79。对比这3 种方法计算得到的经济合理剥采比可知，使用储量盈利比较法得到的经济合理剥采比最大，开采范围越大，资源利用率越高。

表3 经济合理剥采比分析计算

结合 Micromine 软件圈定露天境界，采用Lerchs-Grossmann 图论法进行露天最终境界的优化，最终得到平均剥采比为9.88，小于经济合理剥采比，确定上部埋藏较浅的矿体采用露天开采，下部埋藏较深的矿体采用地下开采。

2.5 最终境界圈定结果

依据露天境界优化结果和相关参数，利用Micromine 及Surpac 软件在三维可视化环境下圈定的露天境界：确定分层台阶高度为10 m，开采到最终边帮时两个台阶并为一个阶段，阶段高度为20 m；采场上口长806 m，宽528 m；采场下口长186 m，宽85 m；最高标高为3327.5 m，底标高为3050 m；边坡高度为277.5 m；安全清扫平台宽度为8 m；每两个台阶并段，不设安全平台。运输道路宽度为12 m，缓坡段长度为60 m。露天开采最终境界内分层矿岩量见表4，露天开采终了境界三维视图见图1。

按照表4 和图1 确定的露天境界，达产年平均销售收入为57 525.57 万元，年平均利润总额为6168.06 万元，税后年平均利润为4626.04 万元，动态投资回收期为5.79 a（含露天基建期1.0 a），项目整体盈利能力较强。

表4 露天开采最终境界内分层矿岩量

图1 露天境界三维视图

3 结论

根据矿体埋藏条件和矿石价值，采用原矿成本比较法、金属成本比较法和储量盈利比较法计算露天开采的经济合理剥采比分别为10.07，11.69 和13.79，储量盈利比较法计算得到的经济合理剥采比最优。基于最优经济合理剥采比，利用Micromine中Lerchs-Grossmann 图论法进行露天最终境界的优化，得到平均剥采比为9.88。利用Micromine 及Surpac 软件在三维可视化环境下圈定最终露天境界，最低标高为3050 m，边坡高度为277.5 m，境界内矿石量为2 450 750 m3，岩石量为24 204 093 m3，年平均利润达到6000 万元。