劉艷章 潘世華 鄒曉甜 陳小強 張 群 張丙濤

( 武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢430081)

烏龍泉礦隸屬武鋼礦業(yè)有限責任公司，是武鋼主要的冶金熔劑大型露天礦山，主要生產(chǎn)礦石為石灰石和白云石，其中石灰石和白云石共同存在的區(qū)域為互層礦( 生產(chǎn)中作為白云石處理) ，采場中互層礦分布較多，且其品位較低。由于近期武鋼集團對白云石品位及礦山生產(chǎn)能力要求的提高，部分低品位白云石( 主要為互層礦) 不能直接滿足生產(chǎn)后續(xù)加工要求而堆積于采場內(nèi)部，嚴重影響采場的有序推進及工作面作業(yè)效率，十分不利于礦山生產(chǎn)能力的提高?；趯ΦV石資源充分利用的原則，同時促進烏龍泉礦更加高效、高產(chǎn)的開采及長遠的發(fā)展，對烏龍泉礦露天采場內(nèi)互層礦開采的研究具有重大的意義。礦山常采用配礦技術(shù)提高低品級礦石的品位，使其能夠投入生產(chǎn)。配礦按工作形式一般可分為采場內(nèi)配礦、儲礦堆場配礦和聯(lián)合法配礦［1-3］。采場內(nèi)配礦適用于高低品位礦石共存的采場，該方法簡便易行、配礦成本低;儲礦堆場配礦利于礦石轉(zhuǎn)運、儲存、分級和配礦，但其費用較高;聯(lián)合配礦法是按照實際生產(chǎn)需要及經(jīng)濟成本在不同生產(chǎn)階段采用其中1 種或者兩種同時采用。典型的配礦控制方法有以供礦點均衡系數(shù)計算的配礦法和線性規(guī)劃法等［4-6］。供礦點均衡系數(shù)計算的配礦法需經(jīng)常調(diào)整供礦點的開采量，線性規(guī)劃法計算簡單，且能有效地解決傳統(tǒng)人工配礦盲目性強且效果較差的問題，其應用更為廣泛。

烏龍泉礦露天采場內(nèi)高低品位礦石共存，礦石分布較為復雜，同時基于配礦成本及占地面積的考慮，選擇采場內(nèi)配礦方式，并以線性規(guī)劃法建立互層礦配礦模型。采場內(nèi)配礦簡便易行、配礦成本低，但需協(xié)調(diào)好采場內(nèi)各品級礦石的調(diào)配［7-9］。由于當前烏龍泉礦的工作面布置方式較為簡單，工作面推進過程中沒有考慮不同品級礦石的搭配問題，在開采互層礦時，不能保證其他配礦需要礦石的及時供給，難以實現(xiàn)采場內(nèi)配礦方案在生產(chǎn)中的應用。

因此，要充分利用并開采互層礦，促進采場有序推進，同時滿足新的生產(chǎn)能力需求，必須對烏龍泉礦露天采場的工作面布置進行優(yōu)化。本研究基于采場內(nèi)配礦技術(shù)方案對烏龍泉礦露天采場工作面布置進行優(yōu)化，將采場內(nèi)配礦技術(shù)方案應用在實際生產(chǎn)中，解決烏龍泉礦露天采場互層礦的開采生產(chǎn)問題，促進其采場的有序推進及生產(chǎn)能力的提高。

1 工程概況

烏龍泉礦露天采場東西長約3 150 m，南北長約650 m。烏龍泉礦以22 勘探線為界分為東、西兩區(qū)，0～22 勘探線為東區(qū)，22 ～44 勘探線為西區(qū)，目前東區(qū)開采至55 m 水平，且43 m 水平已掘出200 ～300 m開段溝，西區(qū)開采至67 m 水平。烏龍泉礦工作線為縱向布置，即沿礦體走向布置工作線，工作線由北向南推進;東區(qū)工作面由東向西推進，西區(qū)工作面由西向東推進。采場內(nèi)石灰石平均品位較高，其GaO 平均含量為52.25%，白云石中 MgO 平均含量17.97%，互層礦能夠滿足直接生產(chǎn)的條件為礦石中MgO 含量為10% ～14%，且MgO 和GaO 的合度在52%以上。烏龍泉礦露天采場內(nèi)礦石種類及其品位、密度參數(shù)詳情參見表1。

現(xiàn)階段開采水平的礦體分布及采場內(nèi)工作面布置如圖1 所示。

表1 烏龍泉礦露天采場內(nèi)礦石品位、密度Table 1 Grade and density of ores in open pit stope of Wulongquan Mine

根據(jù)當前武鋼集團對烏龍泉礦的生產(chǎn)需求，烏龍泉礦逐步將礦石總產(chǎn)量至年產(chǎn)量400 萬t(2015 年為350 萬t) ，其中白云石160 ～180 萬t( 含互層礦50 萬t) ，石灰石180 ～220 萬t。當前，烏龍泉礦露天采場內(nèi)布置有3 個工作面，每個工作面配備1 臺挖掘機，挖掘機生產(chǎn)能力為100 ～120 萬t/a，其中西區(qū)67 m水平工作面和東區(qū)43 m 水平工作面正在工作，東區(qū)55 m 水平工作面因為互層礦區(qū)域難以推進而暫停工作，現(xiàn)階段的工作面布置無法滿足年產(chǎn)量400 萬t 的生產(chǎn)能力新需求。由此可知，要實現(xiàn)采場內(nèi)互層礦的開采、配礦、運輸同步進行，促進烏龍泉礦露天采場的有序推進，同時提高礦山的生產(chǎn)能力，必須對烏龍泉礦露天采場的工作面布置進行優(yōu)化。

2 烏龍泉礦采場工作面布置優(yōu)化

根據(jù)烏龍泉礦開采水平現(xiàn)狀、礦體分布的特點及近期開采需求，此次研究主要針對西區(qū)67 m 水平、西區(qū)55 m 水平、東區(qū)55 m 水平以及東區(qū)43 m 水平階段進行分析。采用采場內(nèi)配礦的形式對不能直接滿足生產(chǎn)需求的互層礦進行配礦理論研究，利用線性規(guī)劃法提出一套適合于當前烏龍泉礦露天采場的配礦技術(shù)方案，基于配礦技術(shù)方案優(yōu)化采礦工作面，促進烏龍泉礦露天采場的有序推進及礦山生產(chǎn)能力的提高，使其滿足武鋼集團新的生產(chǎn)需求。

2.1 配礦技術(shù)方案

烏龍泉礦露天采場內(nèi)互層礦能滿足直接生產(chǎn)的條件為礦石中MgO 含量為10% ～14%，且MgO 和GaO 的合度在52%以上。石灰石參與配礦的目的是:若互層礦與白云石配比后合度仍達不到52%，此時可用一定量CaO 含量較高的的石灰石配礦以滿足合度要求。故配礦方案主要是針對礦石中MgO 含量進行配比研究。烏龍泉礦白云石中MgO 含量一般為16.44% ～18.80%，互層礦中MgO 含量一般為2.00% ～14.00%。根據(jù)生產(chǎn)需求，只需對MgO 含量低于10%的互層礦進行配比即可。

利用線性規(guī)劃數(shù)學模型一般可求出配礦問題的精確解，但其要求調(diào)度時進行準確計量，然而在實際生產(chǎn)過程中，現(xiàn)實約束條件使配礦不能按理論精確進行，這里采用一種簡化理論建立配礦模型。根據(jù)地質(zhì)報告及現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)分析，應用配礦模型確定石灰石、白云石及互層礦中各組分變化。分析表明: 在白云石MgO 品位一定條件下，所需白云石和互層礦質(zhì)量配比( m2∶ m3) 與互層礦MgO 品位呈負相關(guān);在互層礦MgO 品位一定條件下，所需白云石和互層礦質(zhì)量配比( m2∶ m3) 與白云石MgO 品位呈負相關(guān)。結(jié)合烏龍泉礦露天采場內(nèi)各品級礦石參數(shù)，將各參數(shù)輸入已建立的Excel 計算模型中進行求解，得到滿足配礦需求的最優(yōu)解。計算得到烏龍泉礦露天采場互層礦配礦技術(shù)方案總結(jié)如表2 所示。

表2 烏龍泉礦露天采場互層礦配礦技術(shù)方案總結(jié)Table 2 Ores blending schemes of interbedded ore in open pit stope

表2 給出了MgO 含量低于10%的互層礦與MgO含量在16.44% ～18.80%的白云石的配比關(guān)系，且將配比換算為配礦車比。在開采過程中，根據(jù)工作面正在開采的互層礦和白云石的品位，對照表2 查看其配礦車比，可快速完成互層礦的配礦工作，并將其運出采場，有利于工作面及采場按開采計劃推進。

2.2 工作面布置優(yōu)化

烏龍泉礦是一個已投入生產(chǎn)多年的大型露天礦山，其整個生產(chǎn)系統(tǒng)不宜重新規(guī)劃，故烏龍泉礦露天采場工作面的布置方案應在現(xiàn)有工作面布置的基礎上進行優(yōu)化。由圖1 可知:西區(qū)礦體分布主要為石灰石;東區(qū)主要礦體為白云石和石灰石，互層礦主要分布在白云石和石灰石交接處。生產(chǎn)過程中，要保證采場的有序推進及礦石運輸，不允許采場中和卸礦平臺處有大量的礦石堆積，在開采互層礦時，需通過配礦使其滿足生產(chǎn)需求并及時運出采場。同時東、西區(qū)開采水平相差近2 個臺階，不利于采場設備的調(diào)配即長遠的發(fā)展。因此，工作面的布置原則為: ①滿足烏龍泉礦年產(chǎn)量的需求;②保證配礦時各類礦石的及時供給;③有利于縮小東西區(qū)的水平高差。其中，要保證配礦時各類礦石的及時供給，必須確保在開采互層礦時至少有3 個不同的采裝工作面同時工作:1 個采掘石灰石，1 個采掘白云石，1 個采掘互層礦。

根據(jù)烏龍泉礦采場現(xiàn)狀及工作面的布置原則，得到工作面布置優(yōu)化方案為:①工作線布置方式及工作面推進方式不變;②工作面布置總數(shù)為5 個，每個工作面配備1 臺挖掘機，挖掘機可以根據(jù)生產(chǎn)需求相互調(diào)配，可以滿足新的生產(chǎn)需求; ③3 種礦石分布區(qū)域均需布置至少1 個工作面，可以保證配礦時各類礦石的及時供給;④西區(qū)布置2 個工作面，有利于縮小東西區(qū)的水平高差。優(yōu)化后的工作面布置如圖2 所示。

圖2 中，1#工作面為西區(qū)67 m 階段水平的采裝工作面，主要開采石灰石;2#工作面為西區(qū)43 m 水平的采裝工作面，主要開采白云石;3#工作面為東西43 m 階段水平的采裝工作面，該工作面開采區(qū)域礦石分布較為復雜，且其中互層礦較多; 4#工作面為東區(qū)55m 水平的采裝工作面，該工作面繼續(xù)推進55 m 水平平臺，該區(qū)域礦石主要為石灰石和互層礦;5#工作面為西區(qū)55 m 階段水平的采裝工作面，5#工作面需在1#工作面推進一定平臺寬度后，待西區(qū)55 m 開段溝掘出部分才能開始工作。

由礦石分布可知，互層礦主要分布在東區(qū)，在近期的開采中，3#工作面和4#工作面在推進過程中會開采到互層礦。若開采時互層礦不能夠直接生產(chǎn)，則需要配礦處理。3#工作面和4#工作面采掘互層礦時，配礦需要的白云石主要由2#工作面生產(chǎn)，石灰石主要由1#工作面生產(chǎn)，并需要幾個工作面同時工作。同時，烏龍泉礦露天采場東區(qū)平臺長度約是西區(qū)的2倍，東區(qū)布置有3 個工作面，西區(qū)布置有2 個工作面，該工作面布置形式有利于東西開采水平高差的縮小。

2.3 基于優(yōu)化方案的露天采場規(guī)劃

針對烏龍泉礦近期的開采計劃，結(jié)合互層礦的配礦技術(shù)方案，將優(yōu)化后的工作面布置方式應用于烏龍泉礦露天采場的實際生產(chǎn)計劃中，對露天采場進行規(guī)劃。烏龍泉礦近期年產(chǎn)量要求為400 萬t(2015 年為350 萬t) ，其中石灰石240 萬t，白云石160 萬t( 含互層礦50 萬t) 。根據(jù)工作面布置優(yōu)化方案( 如圖2 所示) ，烏龍泉礦露天采場內(nèi)一共布置有5 個采礦工作面，每個工作面配1 臺挖掘機，1#工作面、2#工作面、3#工作面、4#工作面、5#工作面的挖掘機編號分別為N1、N2、N3、N4、N5，挖掘機可以根據(jù)生產(chǎn)需求相互調(diào)用。每臺挖掘機的生產(chǎn)能力為100 ～120 萬t/a，考慮到一定的廢石剝離量，每臺挖掘機開采礦石的生產(chǎn)能力約為90 萬t/a。根據(jù)優(yōu)化后的烏龍泉礦露天采場的布置形式，對烏龍泉礦近3 a 的生產(chǎn)計劃做出安排，其中，每臺挖掘機近3 a 的生產(chǎn)能力如表3 所示。

表3 近3 a 各挖掘機生產(chǎn)能力安排Table 3 Production capacity arrangements of excavators in recent years 104 t

根據(jù)礦體分布及工作面布置方式( 見圖2) 可知，單個工作面所在區(qū)域有足夠的礦石資源，可以滿足各個挖掘機的年生產(chǎn)能力的安排。由表3 可知，應用上述工作面布置優(yōu)化方案，烏龍泉礦露天采場2015 年礦石產(chǎn)量為350 萬t，其中石灰石190 萬t，白云石160萬t( 含互層礦50 萬t) ;2016 年礦石產(chǎn)量為410 萬t，其中石灰石250 萬t，白云石160 萬t( 含互層礦50 萬噸) ;2015 年礦石產(chǎn)量為350 萬t，其中石灰石250 萬t，白云石160 萬t( 含互層礦50 萬t) 。由上述生產(chǎn)計劃可知，優(yōu)化后的露天采場規(guī)劃較為合理，可以滿足烏龍泉礦新的生產(chǎn)需求。

3 結(jié) 論

(1) 選擇采場內(nèi)配礦的工作形式，采用線性規(guī)劃法構(gòu)建了適用于當前烏龍泉礦互層礦生產(chǎn)的配礦技術(shù)方案;采場內(nèi)配礦的技術(shù)方案從理論上解決了不能直接滿足生產(chǎn)需求的互層礦的開采問題，提高了低品級礦石( 互層礦) 的利用率，且其充分利用了采場內(nèi)部礦石參與配礦，配礦成本較低。

(2) 基于配礦技術(shù)方案，對烏龍泉礦露天采場工作面的布置進行優(yōu)化，實現(xiàn)了配礦技術(shù)方案在生產(chǎn)中的應用，優(yōu)化后的工作面布置方案能有效地提高礦山的生產(chǎn)能力及作業(yè)效率，在滿足新的生產(chǎn)需求的同時，促進采場的有序推進，有利于縮小東西區(qū)開采水平高差。

(3) 結(jié)合互層礦的配礦技術(shù)方案，將優(yōu)化后的工作面布置方式應用于烏龍泉礦露天采場的實際生產(chǎn)計劃中，重新對露天采場進行規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果表明優(yōu)化后的工作面布置能夠滿足烏龍泉礦近期的生產(chǎn)需求，可以達到預期的效果。

(4) 基于采場配礦技術(shù)的工作面布置優(yōu)化方法解決了烏龍泉礦互層礦的開采問題，該工作面布置優(yōu)化方法可以應用于類似于烏龍泉礦( 采場內(nèi)多品級礦石共存、有配礦需求) 的露天礦山。

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