某铝土矿露天开采工艺比选探讨

张名中

(中铁十局集团有限公司北京矿业工程分公司， 北京 100010)

0 引言

西非某国资源丰富，有“地质奇迹”之称。铝矾土储量约为400亿t，已探明储量为290多亿t，占世界已探明储量的30%，居世界第一位，其品位高达58%～62%。积极开发利用海外铝土矿，是我国铝工业持续发展和“一带一路”倡议的需要，而大型铝土矿山开采过程中，采矿工艺的选择是矿山设计工作的核心，一经确定，将直接影响矿山的投资和生产，进而影响矿山企业效益[1]。

近年来，相关学者针对露天采矿机工艺展开了详细研究。黄毅等[2]根据某铝土矿的赋存特性，对比研究了常规爆破和非爆破露天采矿机开采工艺特点，并对S、L、T型3种露天采矿机工艺进行经济比选，对我国露天铝土矿开采具有参考意义；昌珺等[3]根据某红土型露天铝土矿条件，提出了推土机、穿孔爆破、露天采矿机以及组合开采工艺，并从技术和经济两方面分析优选了开采工艺方案，进而确定开采程序；高亚飞等[4]对露天采矿机不同的集料和装载方式进行了详细比较分析，探讨了3种装料方式的优缺点，并对澳大利亚以及几内亚矿山实际采用的装料方式进行调研分析，得出了科学实用的结论；范正祥[5]分析了露天采矿工艺在露天煤矿中的应用，并与选定的单斗卡车工艺进行经济分析，结果表明，露天采矿机工艺具有简化生产管理，经济效益的优势，为露天煤矿开采工艺选择提供了新思路。

本文根据某大型铝土矿山的地质资料分析，综合国内外此类矿山实际生产经验，提出了3种科学可行的开采工艺，在此基础上进行了优缺点分析，得到了适合该矿山的最优方案，并确定了开采工艺设备和开采程序。

1 工程概况

某大型铝土矿山位于西非某国西部沿海丘陵区，矿区范围为东西长约15 km、南北宽约10 km的规则区块，总面积约160 km2。矿区属热带季风气候，一年分为雨季和旱季两季，6月下旬至10月上旬为雨季，其中8月份降雨量最大。矿区内最高海拔标高为460 m，最低海拔标高为170 m，最大相对高差290 m，地形坡度小于20°，一般在5°～10°之间。矿区内共有4个矿体，矿体间沟壑深度为100～160 m，有利于大气降水的径流与排泄。矿区内有大面积的平坦地形，坡度一般小于5°，有利于露天开采。

该国基础设施建设落后，除砂子、碎石、一般木材可从当地自采取得外，需自备发电机组，就地打深井供水，自行建设油库及加油站以及自建机修汽修设施。矿区地层自上而下分别为表土层、铁帽层、铝土矿层、下红土层和黏土层。矿石品位地表往下由低到高，呈层状分布。

2 工艺选择

2.1 原则

开采工艺选择一是要遵循市场经济原则，力求投资少、成本低、效益好，尤其要突出初期的经济效益；二是要与露天矿建设规模相适应，并兼顾长远发展；三是要结合本矿的开采技术条件，并具有较强的适应性和灵活性；四是要具有先进性，能实现高产、高效，以赢得最佳的经济效益；五是要适应本地区的夏季酷热气候条件以及所开采的铝土矿岩物理力学性质。该矿采矿规模15.0 Mt/a，属于大型露采矿山，针对该矿具体的矿层赋存条件和外部生产条件，采用机动灵活的采剥工艺，提出了单斗卡车间断开采工艺、露天采矿机开采工艺以及地平王开采工艺3种技术可行的开采工艺进行比较。

2.2 开采工艺比较

2.2.1 单斗卡车开采工艺

该工艺（见图1）属于传统开采工艺，具有拉沟长度短，基建工程量小，建设速度快的特点；工作线长度短，易于分区开采，初期生产剥采比小，投资低；运输设备爬坡能力大，机动灵活，适合复杂地形的矿山开采，矿山生产系统简单；生产设备性能可靠，具有成熟的矿山管理经验；容易向其他工艺过渡和发展，可以随时增加投入设备而扩大规模。其缺点是：需爆破后液压挖掘机才能采装，增加了穿爆环节，增加开采成本。

图1 单斗卡车

2.2.2 露天采矿机开采工艺

该工艺（见图2）集切削、破碎及装载于一体，整个过程一次性完成，简化了采矿工艺。与传统采矿工艺相比，投资更低，提高工作效率，降低施工成本，减少穿爆环节，避免了穿爆作业对周边环境的影响；其中露天采矿机最低可采厚度为10 cm，提高资源回收率，剔除更多矸石，提高矿石品位；物料粒度均匀，粒度基本在60 cm以下，无需初级破碎，可直接采用输送带运输；可直接切削出平整或有坡度的工作面或者路面；卸料方式多样，分皮带卸料方式、堆料带方式及料带方式，便于与下一道装载或运输方式衔接。其缺点主要有：要求施工场地长而宽且平整，要求施工场地长、宽必须大于2倍的设备转弯半径，施工前，必须清除表层土、大块松散的石头、杂树及树根、坑凹、鼓包及高于40 cm的台肩；在施工末端，约有3倍转弯半径大的区域开采不到，需其他辅助设备后续开采；在有纵横坡度的工作面切削，不仅影响机器的稳定性，还会降低机器的产量。采用料带方式卸料时，能够在坡度约8%的横坡上施工；当横坡度超过8%，需采用水平开采或小角度开采方式，施工区域应该以台阶式开采施工。

图2 露天采矿机

2.2.3 地平王开采工艺

该工艺（见图3）的特点与露天采矿机开采工艺基本一致，此外，其优点为：地平王切入深度为0～60 cm，提高了资源回收率，能剔除更多矸石，提高了矿石品位；物料粒度均匀，所用切入深度为30 cm，可最大限度提高生产速度、减小切削齿和齿座的磨损，所得物料粒度均为20 cm以下；机器操作性能好，重心低，机动灵活，设备原地转弯时间不超过30 s，可在20°坡面上有效作业，并且没有死角；提供定制服务，根据岩石硬度、研磨系数、岩石类型及容重等指标，工程人员通过计算软件分析，可得到每小时固定和可变费用值，包括了购买价格，维护保养费用以及运行成本，还可以得到每方或每吨成本。其主要缺点有：装载及工作面整平环节，需要装载机配合，增加装车成本。

图3 地平王

2.3 工艺选择

对3种开采工艺进行优缺点分析可知，单斗卡车、露天采矿机及地平王3种开采工艺的技术都可行，其中，露天采矿机-卡车开采工艺和地平王-装载机-卡车开采工艺是目前国内露天矿新引进的开采工艺，露天采矿机-卡车开采工艺对场地的要求比较严格，需要平坦及宽敞的作业面，但设备使用效率高，不需要推土机聚堆作业。整体上，该工艺不需钻孔和爆破，简化生产环节，效率更高，所产生的噪音、灰尘和振动也显著减少，对环境更友好，同时减少了现场作业设备和人员，投资更少，运营成本低，另外，该工艺回采率高，且能精确切削平整的坡面和表面，安全性更高。通过该国类似矿区的设计和使用经验，露天采矿机开采工艺比单斗卡车和地平王开采工艺具有更大的优越性，无需爆破和破碎。

针对该铝土矿建设规模、生产条件及开采工艺，综合比较各方案生产设备投入费用、运营成本费用及投资合计，开采经济对比见表1。

表1 各开采工艺经济比较 元

由表1可知，方案1总投资最高，方案2总投资最小，运营成本方案2最小，方案3最大。总体经济效果方案2最优，方案3次之，方案1最差。因此，从经济性比较方案2露天采矿机开采工艺最优。

针对该矿山地质情况以及类似矿山生产经验，通过技术经济比较，推荐采用露天采矿机开采工艺。露天采矿机开采工艺设计选用采剥工程设备维特根露天采矿机2500SM，履带推土机580HP，前装机5 m3，运输设备为50 t自卸卡车，排土设备为轮式推土机220HP，除此之外，还配有压路机、洒水车、平路机、加油车以及液压挖掘机等辅助设备。

3 开采程序及开采方法

3.1 开采程序

开采范围内要求采出的矿体Al2O3品位在40%以上，同时品位在35%～40%的低品位矿石也应尽量采出，堆置在开采结束后的采空区，便于以后需要时再开采。开采时，剥离超前采矿距离至少大于50 m。上部地表植被、腐殖土及第四系由推土机清理，单独堆放。下部剥离物及矿石由露天采矿机切削、前装机装车及自卸卡车运输，无爆破作业。露天采矿机工作时采用逐层开采的方式，每层采剥厚度约为0.4～0.5 m，在采区一侧合适位置沿直线拉沟，向另一侧扩帮，留出一定宽度后，在下一分层拉沟、扩帮，以此类推，先剥离上覆铁帽，再开采低品位矿石（40%以下），最后开采高品位矿石（40%以上）直至开采至高品位矿底板，而后不断向另一侧水平推进，直到采区到界，进行下一采区开采。

3.2 开采方法

根据生产地质勘探钻孔或探井，提前取样化验，做好采区边界控制，掌握开采区域范围内高低品位矿层赋存情况，指导生产组织、剔除夹石和掺配高低品位矿石。采用露天采矿机采剥，露天采矿机最低可采厚度为10 cm，回采更多资源，剔除更多矸石，提高矿石品位。废石剥离物采用露天采矿机剥离出的铁帽层和夹石由自卸卡车运至排土场排弃。外排土场选择在邻近地势较低的山谷处，位于矿体范围以外。具备内排后，废石剥离物排弃至采空区。露天采矿机采出的低品位矿由自卸卡车运输堆放在矿体范围内或采空区，便于以后需要时再行开采。露天采矿机采出的高品位矿运往港口堆场，在堆场进行配矿后，装船外运。

4 结论

（1）针对露天矿区开采技术条件，提出了 3种开采工艺，并对各工艺特点和经济进行了对比分析，结合类似矿区生产经验，推荐采用露天采矿机开采工艺方案。

（2）基于优选开采工艺，确定了露天开采工艺配套主要采剥运设备选用2500SM露天采矿机履带推土机、5 m3前装机和50 t自卸卡车580HP以及辅助设备。

（3）确定了露天采矿机工艺的开采程序和开采方法，包括每层采剥厚度、拉沟方式以及开采顺序，并确定了剥离物和矿石的使用设备和堆放方式。