某大型露天矿运输设备选型研究

齐炎　永学艳　陈振超　匡勇

〔摘 要〕在双碳目标的大背景下，设备大型化、低碳化逐步成为建设现代化数字矿山和绿色矿山的基础，使开采工艺向节能、可持续化发展，实现降本增效的目标。基于某大型露天矿山的运输设备选型，对比了传统燃油宽体车和新能源电动宽体车运输设备配置方案。结果表明，传统燃油宽体车方案在投资上具有明显优势，但在年运营费上高于新能源电动宽体车方案，最终推荐矿山服务期内费用现值较低的新能源电动宽体车作为运输设备，为矿山设备选型提供参考依据。

〔关键词〕露天开采；运输方案；设备选型；费用现值；新能源电动宽体车

中图分类号：TD863   文献标志码：Ｂ文章编号：1004-4345（2023）05-000１-0４

Research on the Selection of Transport Equipment in a Large Open-pit Mine

QI Yan， YONG Xueyan， CHEN Zhenchao， KUANG Yong

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract  Against the backdrop of the dual carbon goal， the large-scale and low-carbon equipment has gradually become the foundation for building modern digital and environment-friendly mines， enabling mining process to develop towards energy conservation and sustainability， and achieving the goal of reducing cost and increasing efficiency. Based on the selection of transport equipment in a large open-pit mine， this paper compares the configuration schemes of traditional fuel-powered wide-bodied vehicles and new energy electric wide-bodied vehicles. The results indicate that the scheme of the traditional fuel-powered wide-bodied vehicle has obvious advantages in capital cost， but has higher annual operating cost than the scheme of the new energy electric wide-bodied vehicle. Finally， the new energy electric wide-bodied vehicles with lower present value of cost during the mine service period is recommended as transport equipment， providing a reference basis for selecting mine equipment.

Keywords  open pit mining; transport scheme; equipment selection; present value of expenses; new energy electric wide-bodied vehicle

在碳达峰、碳中和的大背景下，新能源已成为传统行业转型升级的发展方向。随着国家对矿山开采的环保要求越来越高，大量矿山企业亟需将耗能高、污染大、噪音大的老旧装备逐步淘汰更新。大型化、低碳化的矿山设备能够帮助矿山降本增效，使开采工艺朝着更节能、可持续化发展，是建设现代化数字矿山和绿色露天矿山的基础。

宽体自卸车（以下简称“宽体车”）属于在矿山运输中一种运输设备，该车型比普通后八轮自卸车载重更大，比大吨位刚体矿卡更便宜，因此在露天矿山的矿石运输任务中广泛应用。该设备若使用燃油车型，排放污染严重，能源消耗巨大。近年来，采用动力电池、电机驱动器和电机配套替代燃油动力的纯电动宽体车出现，并已经在高海拔矿区、极寒、重载上下坡、连续运转等惡劣工况下经历了严苛考验，实现了节能减排、降本增效的目标，成为矿山企业实现绿色开采的重要途径之一。然而，当前国内绝大部分矿山以柴油燃料作为矿山运输车辆动力源的现状仍没有发生根本性变化，因此在矿山的现代化、数字化、可持续法化建设进程中，探讨、推广新能源设备在矿山建设中的优势显得尤为重要。

1   项目背景

某露天矿山位于江西省宜春市，属剥蚀低山—丘陵地貌类型，总体北高南低，最高点位于区内北部明凤坛附近，海拔高度为980 m，最低点位于区内南部冲沟，海拔高度380 m，相对高差600 m。区内总资源量约1.25亿t，平均品位w（Al2O3）为15.25%，w（Fe2O3）为0.90%，w（Ti2O）为0.04%，w（Li2O）为0.26%，开采对象是含锂瓷土矿。区内主要矿体位于当地侵蚀基准面以上，部分矿体位于最低自流排泄面标高以下。主要充水含水层为基岩裂隙含水层，富水性弱，透水性差，构造不发育；地下水补给主要为大气降水；第四系覆盖层面积小且薄；水文地质边界条件简单。矿区地形地貌简单，岩性较单一，以半坚硬—坚硬块状结晶岩类为主，少量为软弱碎裂—块状结晶岩类及松散软弱岩组；天然状态下边坡稳固性较好，不易发生矿山工程地质问题。

矿山计划生产矿石9 900 kt/a，总服务年限约11 年，考虑到该矿山60%的资源均在封闭圈以上，矿岩运输多为重载下坡，为降低矿山生产成本，提高企业经济效益，本文拟提出两种运输设备选型方案，综合考虑设备投资、年经营成本和折旧年限等因素后，推荐适合该矿体开采的最优矿岩运输设备。

2   终了境界的确定

本文采用MineSight矿业软件建立相应的矿床地质模型。依据项目拟采用的采选工艺，选取合理的技术及经济参数，按照净现值最大的原则，得出理论上最优的露天开采境界[3]。

基于圈定境界的参数，确定了最终开采境界。露天开采终了境界采出矿石9 694.38 万t（探明+控制级别资源利用系数为100%，推断级别资源利用系数为75%），平均地质品位w（Li2O）为0.260%，w（Al2O3）为15.26%，w（Ti2O）为0.038%，w（Fe2O3）为0.90%。境界内剥离量为4 692.2万t，平均剥采比为0.48 t/t。露天境界三维视图如图1所示。

矿石量主要集中分布在414～618 m台阶间，矿石量约为7 186.65万t（平均台阶矿石量约400万t，台阶数为18个），占采出矿石总量的74%。采场内矿石平均运距约为1.41 km，废石运距约为1.49 km。在矿石出入沟498 m以上的矿石量为57 714.33 万t，占采出矿石总量的60%；在废石出入沟582 m以上的废石量为1 966.55 万t，占废石总量的42%，重载下坡工况下的矿岩运输量占境界内采剥总量的54%。因此，结合境界内的采剥量和矿岩分布规律，选择运输设备时，主要对燃油宽体车和纯电动宽体车进行选型。

3   开拓运输方案的选择

本矿区地形起伏大，沟谷发育，区内北部和东北部高，境界最高开采点标高+740 m，境界西部地形低，西端最低点标高为+406 m 。终了境界呈东西向—南北向的倒“L”型。拟定的选厂位于采场东南侧，与采场出入沟口直线距离为6 km，拟定的废石场位置紧邻采场东北部，运距较近。矿石出入沟口位于采场东南侧，标高为+498 m，废石出入沟口位于采场东侧中部，标高为+582 m。采场（+498 m标高）与选厂间（+160 m标高）地形崎岖，绝对高差约340 m，其间地势起伏较大，需穿过标高为100 m低凹段。采场与选厂间有永久耕地和林地及其他矿权，开拓运输系统的布置受用地条件制约严重。境界内矿、废石平均运距都在3 km内。

结合矿石、废石开拓运输条件，初步可考虑的矿石开拓运输方案如下：方案Ⅰ（公路开拓+全汽车方案），修筑从采场至选厂运输道路，矿石由汽车运至选厂；方案Ⅱ（采场公路+汽车+粗碎+胶带运输方式），采场内采用公路开拓，矿石由汽车运至采场外破碎站粗碎后，再由胶带运至选厂；方案Ⅲ（采场公路+汽车+粗碎+溜井+胶带运输），采场内采用公路开拓，矿石由汽车运至采场外破碎站粗碎后卸入溜井，再由胶带运至选厂。

按照投资、运营費用低，建设期短，报批简易等方案选择原则进行分析：

1）由于采场与选厂运距较远，如采用方案Ⅰ，初步估计运距在10 km以上，远远大于汽车经济合理运距（3 km），且汽车运输的运营费明显高于胶带运输，所以该方案不予推荐。

2）本项目年矿石运量大（990万t/a），运距较远，且运输高差大，所以非常适合采用胶带运输。因此采用方案Ⅱ，运营成本低、效率高、安全性好，建设时间相对短，胶带运输的优势随运量和运距的增加越发凸显。目前拟定矿石破碎站位于采场出入沟口东侧，距离约0.2 km，所以矿石运出采场后即可卸矿，提高项目经济效益。根据胶带布置的总体线路，部分胶带下行可利用矿石势能发电，进一步提升胶带运输的经济优势。所以推荐采用方案Ⅱ的运输方式。

3）尽管方案Ⅲ能发挥胶带运输的优点，但存在井巷工程量大、建设周期长、井巷工程位于矿权区外、用地报批难等弊端，与本项目快速建成的指导思想相悖，所以也不予考虑。

4   运输设备方案比较

综合分析方案Ⅱ的运输方式与终了境界内矿岩量分布、出入沟口位置等条件，在确定宽体车额定载重量的前提下，考虑燃油宽体车和纯电动宽体车两种不同的运输设备方案。

4.1  载重型号的确定

根据本项目建设特点，结合生产进度计划，以生产第6年为计算年。当年的废石剥离量为采矿量的６０％，因此采矿量和剥离量差别不大，可以运输设备以及匹配的铲装设备都可以采用同型号。设备选型遵循选用适度先进的设备以提高生产效率的原则，推荐选用额定载质量60 t的自卸汽车运输矿石和废石。

根据编制的采剥进度计划，矿山计算年采矿量为990万t，剥离量为570万t。采用公式（1），按不均匀系数为1.1，每班有效作业时间为6.5 h，运输道路行车密度为60辆/h，选用的二级矿山道路通过能力足以满足要求，选择载质量60 t级自卸汽车是合理的。

式中：N为道路单向车辆行车密度，辆/h；Q为通过某区段的年运量，t；K为运输不均匀系数；S为班工作小时数，h；C为每天工作班数； H为年工作天数，d；G为自卸汽车额定载质量，t；K1为汽车载重利用系数；K2为时间利用系数。

根据运输量，拟选用28台载质量60 t级矿用自卸汽车运输矿岩。以下在此基础上，对燃油宽体车和新能源纯电动宽体车进行技术经济综合比选。不同方案中，辅助设备按统一型号、数量进行配备，为不可比项。

4.2  燃油及纯电动车型方案比选

1）燃油宽体车方案。燃油宽体车市场运行时间长，工艺稳定，适应性强，设备购置费低。燃料来源主要为石油，储量丰富且易获取，因此能源来源相对稳定，续航时间长。但燃油宽体车易发生故障，燃油、刹车损耗和轮维修保养费用较大，运营费用高，运营成本易受油价的波动影响。在深凹露天矿中燃油宽体车的尾气也会造成露天采场的大气污染。

2）纯电动宽体车方案。纯电动宽体车为新能源类设备，市场运行时间短，电池续航受极端天气影响大，电池寿命短，设备购置费高，电动宽体车目前依然处于产业化前期。但随着国家大力倡导环境保护，纯电动宽体车也具有广阔的运用前景，是未来发展的主流趋势。且电动车行驶过程不产生尾气，对矿山环境更加友好，对改善空气质量和减缓气候变化具有积极作用。另外，相比传统的燃油宽体车，纯电动宽体车电动驱动系统工作噪音低，具有电反馈制动功能，对车辆的轮胎、刹车损耗小，重载下坡工况甚至可以实现连续工作不充电，没有发动机维修保养费用，电能价格稳定运营费用低。

通过对燃油宽体车方案和纯电动宽体车方案进行定性比较，可以得出以下结论：燃油宽体车方案设备投资相对较小，即购买和安装燃油引擎的成本较低。然而，在生产和运营过程中，燃油宽体车方案的成本较高。燃油宽体车需要购买燃油，这可能会受到燃油价格波动的影响，增加运营成本。此外，燃油宽体车通常需要进行维护和保养，这也会增加运营成本。纯电动宽体车方案则存在不同的优势和劣势。首先，纯电动宽体车可以利用重载下坡的工况实现能量回收，降低能耗，提高能源利用效率。这意味着在适当的条件下，纯电动宽体车的能耗可能相对较低。然而，纯电动宽体车的设备投资较高，即购买和安装电池和电动机的成本较高。此外，电动车的充电基础设施也需要投入建设成本。

综上所述，燃油宽体车方案在设备投资方面较为经济，但在运营成本方面较高。纯电动宽体车方案则具有能量回收和较低能耗的优势，但设备投资较高。两种方案各自都有可选条件，需要根据实际情况进行综合考量，以选择最适合的方案。两种方案的投资、运营和技术经济比较结果如表1所示。

由表1可知，与方案Ⅰ相比，方案Ⅱ的可比费用现值较低，故方案Ⅱ在经济上较优。

本文认为，在矿岩运输属重载下坡工况下，新能源电动宽体自卸车能充分发挥其在环境友好、能源高效利用和低运营成本等方面的优势，因此推荐采用纯电动宽体自卸車作为运输设备。

5   结论

本文通过运输设备选型比较研究，认为纯电动宽体车运营成本少、费用现值费用低、综合效益较优，符合新形势下的环保、安全等政策要求，能为矿山绿色、安全、高效、节能开采提供了有力的支撑[4-5]。虽然，纯电动宽体自卸车存在极端天气下续航里程受限、充电基础设施建设还不完善以及充电时间较长等缺点，一定程度上限制了该类车型的推广与应用。但是随着关键技术的攻关、电池技术的不断发展、基础设施建设的不断完善，在双碳战略及国家新能源政策的推进下，纯电动宽体车必将逐渐取代燃油宽体车必然成为未来矿山的发展趋势。

参考文献

[1] 李鹏，欧东，孟航晔. 光伏储能绿电供能纯电动矿卡在夏日哈木镍钴矿山的应用研究[J]. 世界有色金属，2021（14）：136-137.

[2] 陈印，吕林洪，周晓超，等. 滇西某贵金属矿露天开采设备大型化方案的选择[J]. 有色金属设计，2021，48（2）：9-12.

[3] 齐炎，陈振超，蔡序淦，等. 基于MineSight软件的露天钨钼矿境界优化及应用[J].有色冶金设计与研究，2021，42（4）：1-3.

[4] 司芗，张应红，刘立，等. 新时代我国绿色矿山建设与发展的思考[J].中国矿业，2020，29（2）：59-64.

[5] 永学艳，齐炎，陈振超.某大型多金属露天矿开采规划研究[J].铜业工程，2022（３）：１９－２３.

收稿日期：2023-01-16

资助项目：国家自然科学基金重点资助项目（编号：52034001）；江西省重点研发计划项目（编号：20202BBG73001）

通信作者：齐炎（1995—），男，工程师，主要从事有色金属矿山开采设计与研究等工作。