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浅谈露天矿的优化设计
2011-08-09
优化设计是近几年来矿山企业向设计单位提出来的一个新概念, 目的是希望设计单位 对现有的开采境界或按照一般原则确定的开采境界进行调整, 提高企业的经济效益。优化设计主要 包括两方面的内容: 露天开采境界的调整和生产规模的优化。
矿业快报 Serial No. 434  EXPRESS IN FORMA T ION 总 第 434 期 2005年 8 月 第 8 期 A ugust. 2005 O F M IN IN G INDU STRY 方 试 验 研 究 方 浅 谈 露 天 矿 的 优 化 设 计 王 春 仁刘 景 全 马 钢 集 团 设 计 研 究 院 矿 业 设 计 研 究 所 ) (   摘要 : 优 化 设 计 是 近 几 年 来 矿 山 企 业 向 设 计 单 位 提 出 来 的 一 个 新 概 念 , 目 的 是 希 望 设 计 单 位 对 现 有 的 开 采 境 界 或 按 照 一 般 原 则 确 定 的 开 采 境 界 进 行 调 整 , 提 高 企 业 的 经 济 效 益 。优 化 设 计 主 要 包 括 两 方 面 的 内 容 : 露 天 开 采 境 界 的 调 整 和 生 产 规 模 的 优 化 。 关 键 词 : 露 天 矿 ; 优 化 设 计 ; 边 坡 角 ; 生 产 能 力 ; 台 阶 高 度 ; 开 采 境 界 中 图 分 类 号 : TD 216 文 献 标 识 码 : A文 章 编 号 : 100925683 (2005) 0820009203 Prelim inary D iscussion on Optim ization D esign of Open P it W ang ChunrenL iu J ingquan (R esearch L abo rato ry of M ining D esign, R esearch Institute of D esign, M asteel Group) Abstract: The op tim ization design is a new concep t raised to the design units by the m ine enterp rises in recent years. Its purpo se is to adjust the existing m ining boundary o r the m ining boundary determ ined acco rding to the general p rincip le by the design units, so as to increase the enterp rises’ econom ic benefits. The op tim ization design m ainly consists of two contents: adjustm ent of the m ining boundary of open p it and op tim ization of p roduction scale. Keywords: Open p it; Op tim ization design; Slope angle; P roduction capacity; Bank height; M ining am bits   露 天 矿 山 设 计 的 主 要 内 容 就 是 开 采 境 界 的 圈 质 是 露 天 采 场 境 界 从 H 延 深 到 H + △ H 时 , 所 增 加 的 矿 石 量 △ P 与 岩 石 量 △ V 的 比 值 不 大 于 经 济 合 定 , 开 采 境 界 圈 定 的 基 本 原 则 是 境 界 剥 采 比 ≤ 经 济 合 理 剥 采 比 , 即 在 经 济 合 理 的 前 提 下 , 最 大 限 度 的 提 高 矿 产 资 源 利 用 率 。与 过 去 相 比 , 目 前 拟 用 露 天 方 法 开 发 利 用 的 矿 山 都 存 在 着 矿 床 地 表 条 件 复 杂 、 矿 石 品 位 低 、矿 体 形 态 复 杂 等 特 点 , 在 一 定 程 度 上 影 响 了 露 天 开 采 的 优 越 性 。因 此 , 优 化 设 计 这 一 概 念 越 来 越 引 起 人 们 的 重 视 , 通 过 对 露 天 采 场 细 部 的 调 整 、先 进 工 艺 及 设 备 的 应 用 , 达 到 减 少 剥 岩 量 、扩 大 生 产 规 模 的 目 的 , 用 规 模 效 益 来 弥 补 矿 床 先 天 不 足 的 缺 陷 。 j 理 剥 采 比 njh, 即 n = △ V ö△ P ≤ njh。 满 足 这 一 条 件 , 露 天 开 采 境 界 的 延 深 和 扩 大 在 经 济 上 是 合 理 的 。 但 不 能 保 证 每 一 个 开 采 分 期 的 经 济 合 理 性 。 ( 2) 平 均 剥 采 比 n 质 是 露 天 采 场 境 界 内 的 总 矿 量 与 总 岩 量 之 比 不 大 于 经 济 合 理 剥 采 比 njh, 即 n = V öP ≤ njh。 满 足 这 一 条 p ≤ 经 济 合 理 剥 采 比 njh。 其 实 p 件 , 所 确 定 的 露 天 开 采 境 界 在 整 个 开 采 期 间 经 济 上 是 合 理 的 , 但 不 能 保 证 每 一 生 产 年 度 都 是 盈 利 的 。 ( 3) 生 产 剥 采 比 n s ≤ 经 济 合 理 剥 采 比 njh。 即 露 1 优 化 开 采 境 界 天 矿 在 任 一 生 产 时 期 , 按 正 常 作 业 的 工 作 帮 坡 角 进 行 生 产 时 , 每 年 的 矿 石 量 与 剥 岩 量 之 比 不 大 于 经 济 合 理 剥 采 比 njh, 才 能 较 好 地 反 映 露 天 开 采 的 优 越 性 。 确 定 露 天 开 采 境 界 是 矿 山 设 计 的 第 一 步 , 而 平 露 天 开 采 境 界 的 确 定 , 实 质 上 就 是 剥 采 比 大 小 的 控 制 。随 着 露 天 开 采 境 界 的 延 深 和 扩 大 , 可 采 储 量 增 加 了 , 但 剥 岩 量 也 相 应 地 增 大 。经 济 合 理 的 露 天 开 采 境 界 确 定 的 主 要 原 则 有 以 下 几 条 。 均 剥 采 比 n p 是 在 境 界 圈 定 完 成 后 , 并 只 有 在 计 算 过 只 能 在 圈 ( 1) 境 界 剥 采 比 n j ≤ 经 济 合 理 剥 采 比 njh。 其 实 境 界 内 矿 岩 量 后 才 能 求 得 ; 生 产 剥 采 比 n s 定 了 露 天 开 采 境 界 、 确 定 了 开 拓 运 输 方 式 及 编 制 完   王 春 仁 (1964- ) , 男 , 采 矿 工 程 师 , 243000 安 徽 省 马 鞍 山 市 马 钢 生 产 进 度 计 划 后 才 能 确 定 , 因 此 实 际 设 计 中 (2)、 (3) 集 团 设 计 研 究 院 矿 业 设 计 研 究 所 采 矿 室 。 9 总 第 434 期矿 业 快 报 2005 年 8 月 第 8 期 条 原 则 是 无 法 采 用 的 。第 (1) 条 原 则 就 一 直 成 为 确 定 露 天 开 采 境 界 的 主 要 原 则 , 这 就 是 矿 山 企 业 在 论 证 和 设 计 阶 段 , 觉 得 其 开 采 境 界 方 案 合 理 可 行 , 而 实 际 生 产 的 某 个 时 期 往 往 亏 损 的 原 因 之 一 。 度 和 工 作 线 水 平 推 进 速 度 共 同 决 定 的 。 矿 山 工 程 延 深 速 度 的 提 高 , 依 赖 于 水 平 推 进 速 度 的 加 快 为 其 创 造 足 够 的 空 间 ; 而 矿 山 工 程 延 深 速 度 的 提 高 , 也 对 水 平 推 进 速 度 的 加 快 起 到 推 动 作 用 , 两 者 相 辅 相 成 。 黑 色 金 属 矿 山 的 矿 体 赋 存 条 件 尽 管 复 杂 多 样 , 但 按 矿 石 回 采 的 方 式 可 以 分 为 两 大 类 : 一 类 是 急 倾 斜 厚 矿 体 或 水 平 赋 存 的 矿 体 , 这 类 矿 体 一 般 分 层 矿 量 较 大 , 在 开 采 时 主 要 是 以 扩 帮 方 式 回 采 矿 石 的 , 水 平 推 进 速 度 是 开 采 强 度 的 主 要 方 面 。 如 马 钢 集 团 公 司 的 凹 山 采 场 、和 尚 桥 采 场 和 丁 山 采 场 ; 另 一 类 是 缓 倾 斜 矿 体 , 一 般 延 伸 大 、 分 层 矿 量 小 , 在 开 采 时 主 要 是 以 掘 沟 方 式 回 采 矿 石 , 矿 山 工 程 延 伸 速 度 是 开 采 强 度 的 主 要 方 面 。 如 高 村 采 场 、 东 山 采 场 和 姑 山 采 场 。在 验 证 矿 山 生 产 规 模 时 , 应 根 据 矿 体 的 实 际 赋 存 情 况 , 重 点 运 用 开 采 强 度 进 行 论 证 , 这 样 对 采 剥 进 度 计 划 的 编 制 和 矿 山 生 产 才 具 有 指 导 意 义 。 在 长 期 的 研 究 设 计 实 践 中 , 设 计 人 员 发 现 了 一 j 、n p 、n s p s 些 n 分 别 圈 定 露 天 开 采 境 界 的 规 律 及 n 和 n 之 间 的 关 系 。 主 要 有 : ① 用 n ≤ njh 原 则 圈 定 的 露 天 开 采 境 界 , 较 用 n ≤ njh原 则 所 圈 定 的 要 大 , 可 能 引 起 p j 基 建 剥 离 量 大 、 投 资 多 、 基 建 时 间 长 , 还 可 能 使 露 天 开 采 过 程 中 某 一 时 期 生 产 剥 采 比 超 过 允 许 值 , 使 企 s 业 长 期 处 于 亏 损 状 态 ; ② 用 n ≤ njh 原 则 圈 定 的 露 天 开 采 境 界 , 较 用 n ≤ njh原 则 所 圈 定 的 要 大 , 较 n j p ≤ njh 原 则 圈 定 的 露 天 开 采 境 界 要 小 , 能 较 好 地 反 映 露 天 开 采 的 优 越 性 ; ③ 任 何 一 个 露 天 开 采 境 界 , 在 编 制 采 剥 进 度 计 划 时 , 都 会 出 现 剥 离 高 峰 期 , 剥 离 高 峰 期 的 生 产 剥 采 比 n 能 保 证 采 剥 进 度 计 划 的 顺 利 进 行 。 由 n = 1. 5n 关 系 中 可 以 得 到 : ≤ njh、1. 5n ≤ njh。 即 用 n ≤ njh原 则 圈 定 露 天 开 采 境 ≤ njh 原 则 加 以 校 核 , 同 时 n 应 小 于 njh s p 确 定 为 平 均 剥 采 比 n 的 1. 5倍 时 , 就 2 11急 倾 斜 厚 矿 体 或 水 平 赋 存 的 矿 体 j ≤ njh、n s ≤ njh、n s p 和 尚 桥 铁 矿 马 塘 矿 段 属 于 水 平 赋 存 的 矿 体 , 矿 n j p j 体 在 平 面 方 向 分 布 较 大 , 按 12m 段 高 切 割 成 水 平 分 层 后 , 分 层 矿 量 大 于 该 分 层 的 岩 量 , 因 此 , 在 按 开 采 强 度 验 证 生 产 能 力 时 , 按 矿 山 工 程 延 深 速 度 法 基 本 没 有 意 义 , 主 要 取 决 于 工 作 线 水 平 推 进 速 度 。马 塘 矿 段 境 界 内 矿 岩 量 见 表 1。 界 后 , 再 用 n p p 的 1. 5倍 以 上 。 从 露 天 境 界 确 定 的 角 度 , 既 能 够 确 定 露 天 开 采 境 界 的 最 大 开 采 深 度 , 又 能 保 证 矿 山 在 整 个 开 采 期 间 和 各 个 时 期 均 不 出 现 亏 损 。 这 就 是 优 化 开 采 境 界 的 基 本 原 理 。 表 1  马 塘 矿 段 境 界 内 矿 岩 量 表 ( 4) 实 例 。 马 钢 某 铁 矿 床 为 贫 磁 铁 矿 , 矿 石 品 位 台 阶 标 高 öm 6~ 24 矿 石 ö万 岩 石 ö万 矿 岩 总 量 ö万 备 注 t t t 虽 然 低 , 但 储 量 大 、埋 藏 浅 , 易 采 易 选 , 在 目 前 技 术 经 济 条 件 下 有 一 定 的 开 采 价 值 。 在 进 行 项 目 的 可 行 性 研 究 时 , 用 价 格 法 计 算 的 经 济 合 理 剥 采 比 njh = 2töt, 用 面 积 法 计 算 的 境 界 剥 采 比 n = 1. 9töt, 以 此 为 依 j 据 确 定 的 露 天 开 采 深 度 为 - 162m。由 于 矿 体 属 缓 倾 斜 矿 体 , 上 部 在 南 北 方 向 不 连 续 , 因 此 , 开 采 境 界 内 3 2 1 14. 40 392. 95 1501. 6 1451. 30 544. 62 301. 03 258. 96 174. 42 95. 96 14. 40 山 坡 露 天 部 分 392. 95 山 坡 露 天 部 分 1501. 6 山 坡 露 天 部 分 1526. 46 封 闭 圈 以 下 1501. 63 4~ 12 2~ 0 0 - - - - - - - ~ - 12 - 75. 16 957. 01 861. 18 517. 32 371. 02 215. 18 111. 02 77. 56 12~ 24~ 36~ 48~ 60~ 72~ 84~ 24 36 48 60 72 84 96 - 1162. 21 - 776. 28 - 545. 44 的 平 均 剥 采 比 n 的 一 般 原 则 , 该 境 界 同 时 满 足 n 是 合 理 的 开 采 境 界 , 但 后 来 的 排 产 证 明 , 矿 山 基 建 期 较 长 , 生 产 剥 采 比 n > njh的 年 数 较 多 , 表 明 矿 山 在 初 p = 1. 5töt。 按 照 露 天 开 采 境 界 确 定 - 311. 14 j p ≤ njh和 n ≤ njh, 应 该 - 49. 56 160. 58 - 9. 49 87. 05 合 计 3185. 45 4794. 59 7980. 04 s   (1) 按 矿 山 工 程 延 深 速 度 验 证 生 产 能 力 为 : 期 是 亏 损 的 。后 来 按 照 优 化 开 采 境 界 的 基 本 原 理 , 采 用 CAD 辅 助 设 计 的 方 法 对 开 采 境 界 进 行 优 化 处 A = V P Γ(1+ Θ) öH , 理 , 将 平 均 剥 采 比 降 到 1. 27töt。 根 据 n 离 高 峰 期 的 生 产 剥 采 比 为 1. 9töt。 三 种 剥 采 比 均 小 于 经 济 合 理 剥 采 比 njh。 s = 1. 5n p , 剥 式 中 ,A 为 矿 石 生 产 能 力 , 万 töa; V 为 矿 山 工 程 延 深 速 度 , 8m öa; H 为 台 阶 高 度 , 12m; P 为 有 代 表 性 的 分 层 矿 量 , 500 万 t; Γ为 矿 石 平 均 回 采 率 , 95%; Θ为 废 石 混 入 率 , 5%。 2 生 产 规 模 的 优 化 矿 山 生 产 规 模 的 确 定 应 以 技 术 上 可 行 为 前 提 , 将 数 据 代 入 计 算 得 : A = 332. 5万 töa 1 (2) 按 工 作 线 水 平 推 进 速 度 验 证 生 产 能 力 为 : A = UL H ΧN Γö(1- Θ) , 经 济 上 合 理 为 目 标 。 矿 山 生 产 能 力 主 要 取 决 于 露 天 采 场 的 开 采 强 度 , 而 开 采 强 度 是 由 矿 山 工 程 延 深 速 1 0   王 春 仁刘 景 全 : 浅 谈 露 天 矿 的 优 化 设 计 2005 年 8 月 第 8 期 式 中 , U 为 工 作 线 水 平 推 进 速 度 , 70m öa; L 为 采 矿 工 作 线 长 度 , 300m; Χ为 矿 石 平 均 体 重 , 3. 03töm ; N 定 的 边 坡 角 并 不 是 开 采 境 界 的 实 际 边 坡 角 , 存 在 一 定 的 安 全 隐 患 , 应 引 起 设 计 单 位 和 建 设 单 位 重 视 。 (2) 台 阶 高 度 问 题 。 目 前 国 内 大 中 型 露 天 矿 山 多 采 用 12m 和 15m 段 高 。 一 般 来 说 , 缓 倾 斜 的 矿 体 采 用 低 段 高 , 有 利 于 降 低 矿 石 的 损 失 贫 化 , 急 倾 斜 和 水 平 赋 存 的 矿 山 可 采 用 较 高 的 段 高 。 3 为 同 时 采 矿 台 阶 数 , 2 个 。 经 计 算 可 达 到 的 生 产 能 力 为 152. 71万 töa。 从 以 上 验 证 可 以 看 出 , 按 矿 山 工 程 延 伸 速 度 确 定 的 生 产 能 力 远 大 于 按 水 平 推 进 速 度 确 定 的 生 产 能 力 。 说 明 水 平 推 进 速 度 是 该 类 矿 床 开 采 强 度 的 主 要 矛 盾 方 面 , 是 设 计 中 应 重 视 的 主 要 问 题 。对 于 这 类 矿 山 , 在 优 化 设 计 时 只 用 水 平 推 进 速 度 法 分 台 阶 进 行 详 细 验 证 , 指 出 矿 山 达 产 和 稳 产 的 区 间 。 因 此 , 设 计 中 台 阶 高 度 的 选 择 应 以 保 证 采 装 设 备 的 安 全 和 减 少 矿 石 的 损 失 贫 化 为 目 的 。 (3) 矿 山 服 务 年 限 。 矿 山 的 服 务 年 限 是 根 据 采 场 内 的 工 业 矿 石 储 量 和 设 计 的 建 设 规 模 来 确 定 的 。 为 使 矿 山 的 服 务 年 限 与 采 场 主 要 设 备 的 寿 命 周 期 相 匹 配 , 以 往 的 设 计 手 册 规 定 特 大 型 矿 山 的 服 务 年 限 应 大 于 30a, 大 型 的 应 大 于 25a, 中 型 的 应 大 于 20a。同 时 要 求 达 到 矿 山 设 计 规 模 的 年 限 要 超 过 总 服 务 年 限 的 2ö3 以 上 。 如 果 一 个 矿 山 只 有 一 个 露 天 采 场 , 按 照 上 述 的 服 务 年 限 进 行 设 计 , 对 矿 山 的 经 济 合 理 性 是 有 好 处 的 。但 随 着 市 场 经 济 的 不 断 发 展 , 矿 山 的 生 产 规 模 如 果 能 够 适 应 市 场 的 需 要 , 将 会 取 得 更 好 的 经 济 效 益 。因 此 , 对 于 同 属 一 个 企 业 且 相 距 很 近 的 几 个 露 天 采 场 , 在 满 足 企 业 生 产 能 力 的 条 件 下 , 可 采 取 扩 大 某 个 采 场 生 产 能 力 的 办 法 , 集 中 强 化 开 采 , 减 少 同 时 生 产 的 采 场 数 , 虽 然 缩 短 了 某 个 采 场 的 服 务 年 限 , 但 对 整 个 矿 区 有 以 下 好 处 : ① 露 天 开 采 特 别 是 剥 采 比 大 的 露 天 矿 , 需 占 大 量 土 地 , 且 加 重 了 环 境 污 染 。 采 用 集 中 强 化 开 采 , 采 完 的 露 天 坑 作 为 废 石 场 , 将 其 他 采 场 剥 离 的 岩 石 排 卸 至 废 坑 内 , 既 减 少 占 地 , 又 减 轻 污 染 ; ② 几 个 采 场 同 时 开 采 时 , 管 理 复 杂 。 集 中 开 采 , 有 利 于 生 产 管 理 和 充 分 使 用 设 备 , 提 高 生 产 率 ; 2 12缓 倾 斜 矿 体 高 村 采 场 属 于 缓 倾 斜 矿 体 , 其 特 点 是 倾 角 较 小 、 延 伸 较 大 、 水 平 厚 度 不 大 , 按 12m 段 高 切 割 水 平 分 层 后 , 境 界 内 各 分 层 的 矿 体 面 积 小 于 岩 体 面 积 。矿 山 进 入 正 常 开 采 后 , 主 要 是 以 掘 沟 方 式 出 矿 (新 水 平 的 出 矿 量 占 年 产 量 的 1ö3 以 上 ) , 以 扩 帮 方 式 剥 离 。 此 类 矿 山 的 新 水 平 任 务 : 一 是 创 造 多 台 阶 同 时 工 作 的 条 件 , 确 保 足 够 的 两 级 保 有 矿 量 ; 二 是 保 证 矿 山 的 持 续 稳 产 。这 类 矿 山 按 矿 山 工 程 延 伸 速 度 验 证 时 , 由 于 代 表 性 的 分 层 矿 量 比 较 笼 统 , 取 的 不 好 反 而 没 有 代 表 性 , 分 台 阶 计 算 , 既 能 反 映 矿 山 分 层 矿 量 的 实 际 情 况 , 又 能 指 明 矿 山 达 产 和 稳 产 的 大 致 区 间 , 对 编 制 生 产 进 度 计 划 有 一 定 的 指 导 意 义 。 从 表 2 中 可 以 看 出 , 矿 山 达 到 600 万 töa以 上 规 模 的 区 间 在 6~ - 114m 水 平 , 这 一 结 果 与 采 剥 进 度 计 划 的 编 制 基 本 是 一 致 的 。 表 2  采 场 区 间 生 产 能 力 表 开 采 阶 段 öm 分 层 矿 量 ö万 矿 山 生 产 规 模 - 1 备 注 t ö万 t方 a 640 6~ - 6 779. 81 871. 11 922. 01 1013. 15 1060. 14 1077. 25 1074. 81 1036. 27 940. 08 837. 32 695. 55 - - - - - - - - - - 6~ - 18 30 720 ③ 集 中 强 化 开 采 , 可 缩 短 一 个 露 天 采 场 的 服 务 年 18~ 30~ 42~ 54~ 66~ 78~ 90~ - - - - - - - 760 限 , 有 利 于 露 天 矿 最 终 边 坡 角 及 减 少 边 坡 维 护 费 用 , 一 次 的 基 建 投 资 少 。 42 54 66 78 90 102 840 回 采 率 均 为 9 5% , 840 废 石 混 入 率 均 为 5% , 延 伸 速 度 均 10m öa。 890 4结 语 890 为 露 天 矿 优 化 设 计 的 实 质 就 是 对 常 规 方 式 确 定 的 开 采 境 界 , 利 用 地 质 生 产 勘 探 的 最 新 成 果 和 采 矿 设 计 的 新 技 术 进 行 调 整 , 对 矿 山 的 生 产 规 模 根 据 市 场 需 求 进 行 论 证 , 达 到 提 高 矿 山 企 业 经 济 效 益 的 目 的 。 但 露 天 开 采 境 界 的 调 整 、 采 场 构 成 要 素 的 确 定 要 以 确 保 安 全 生 产 为 前 提 。 生 产 规 模 与 服 务 年 限 是 一 对 矛 盾 , 在 市 场 经 济 体 制 下 , 矿 山 的 生 产 规 模 应 以 满 足 市 场 需 求 为 原 则 , 服 务 年 限 短 的 问 题 , 可 以 通 过 开 发 接 替 矿 山 等 方 式 来 解 决 。 优 化 设 计 的 最 终 目 的 就 是 追 求 企 业 经 济 效 益 的 最 大 化 。 860 780 102~ 114~ - - 114 126 690 580 3 优 化 设 计 中 应 注 意 的 几 个 问 题 (1) 露 天 采 场 最 终 边 坡 角 。 优 化 设 计 的 一 个 重 要 手 段 就 是 对 初 步 确 定 的 开 采 境 界 进 行 调 整 , 最 大 限 度 的 减 少 剥 离 量 , 同 时 使 境 界 内 的 矿 量 不 减 少 或 有 所 增 加 。露 天 采 场 最 终 边 坡 角 是 采 场 的 主 要 参 数 , 对 确 保 安 全 生 产 起 着 重 要 作 用 , 因 此 无 论 怎 样 调 整 开 采 境 界 , 露 天 采 场 的 最 终 边 坡 角 都 不 能 超 过 安 全 角 度 的 范 围 。工 作 帮 坡 角 不 是 最 终 边 坡 角 , 设 计 中 确 (收 稿 日 期 2005205227) 1 1
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