铜矿露天开采境界优化及矿山机械施工技术分析

石常松

摘要：为了优化大型露天矿上的开采境界，实现矿山的最大化经济效益，依托西藏玉龙铜矿，采用L-G法将地质模型转化为经济模型。通过调研玉龙铜矿三个矿区的采矿成本和矿体含量，根据露天边坡稳定性研究推荐的分区边坡角，推荐基准的参数为准，考虑Cu预测价格和技术经济参数变化，最终确定开采境界。同时，针对玉龙铜矿的矿藏资源，分析开采施工时需要的采剥机械、铲装机械和运输机械的功率和数量。

关键词：优化；露天矿山；开采境界；经济参数；施工机械

0   引言

为实现大型露天矿山的最大化经济效益，需要随着开采过程中的地质信息不断变化，完善矿山资源模型，根据产品价格、矿石种类及成本最终确定开采境界。

大型露天矿山的开采时间长，在长达十几年甚至几十年的开采过程中，逐渐揭露围岩特征、矿石品位和形态等，动态优化开采境界[1]。国内外学者在露天矿开采的境界优化已经做了大量的研究，提出了一系列的规划模型，建立了一些优化模型和算法。

学者何晓华等[2]在排土场库容严重短缺条件下，优化开采境界，减少主产品收入，大幅度降低了运输成本和建设成本，从而实现了分期开采。汪峰[3]根据切实可行的剥采比，建立了采场矿岩量的计算模型，通过计算求得矿山的最佳开采范围和深度。毕春杰等[4]利用锥体排除法产生的地质最优开采体，建立了一种动态模型，得到最优开采方案，并成功应用于某矿山中。

随着矿山生产技术水平的提高，人们对安全施工的要求越来越高，员工的环保意识日趋增强，如何有效管控施工机械设备，选购合理的施工设备组合，最大程度提高生产效率，进一步降低开采成本，成为矿山开采中重要的一环。

1   工程背景

玉龙铜矿矿区处在青藏高原东南角的金沙江与澜沧江之间的宁静山脉北段分水岭地带，山脉、山系多呈北西～南东方向排列，地形切割中等至强烈，海拔高程4560～5124m，相对高差在700m以内。矿区地貌上属“青南藏东川西高原区”，地貌类型以高山构造剥蚀地貌类型为主，主要为侵蚀-溶蚀地貌，侵蚀堆积地貌及冰川地貌次之，此外沟谷地带还分布着一定面积的湿地。

西藏玉龙铜矿是一个特大型斑岩和接触交代混合型铜矿床。该矿区共有3个主要矿体，分别为Ⅰ号矿体、Ⅱ号矿体和Ⅴ号矿体。该矿区的矿藏储量大，资源丰富，处于高海拔地区，水文地质条件简单，且矿体的品位也较高。

经论证，玉龙铜矿适合于大规模露天开采的方式。Ⅰ号矿体为矿区的主要矿体，包括斑岩型铜矿和角岩型铜矿，含矿斑岩体形态总体呈“蘑菇”状，短轴近乎东西方向，长轴接近南北方向，角岩型铜钼矿体为Ⅰ号矿体的重要组成部分，围绕斑岩体总体呈环带状展布。Ⅱ号矿体和Ⅴ号矿体呈环状包围Ⅰ号矿体，倾角多在30°以内，相对平缓。以斑岩体为界，在矿区南部将“环状”矿体分割成两部分，东侧标注Ⅱ号矿体，西侧标注Ⅴ号矿体。

2   露天开采境界优化要点

2.1   设计原則

结合玉龙铜矿地处“三江”源头，海拔高、资源量大，矿石性质复杂，外部运输距离远，以及当地经济相对落后等特点，玉龙铜矿设计遵循下列原则：

一是全面规划，统筹兼顾，合理衔接。玉龙铜矿铜金属资源量超过650万t以上，主要包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ三个矿体，矿体矿石类型不同。其中Ⅱ、Ⅴ矿体为矽卡岩型铜矿石，包括氧化矿与硫化矿2种矿石类型。Ⅰ矿体为斑岩型铜矿石，包括原生矿与氧化矿2种矿石类型，总体矿石类型较多，矿石性质复杂，因此必须全面规划，统筹兼顾。

二是以效益为中心，选择成熟、可靠的技术。选择大型化、高效化设备，注重可靠、实用，技术及装备达到国内同行业领先水平。玉龙铜矿规模大、海拔高，设计选用的技术及设备必须考虑适应当地的自然环境，并合理设置管理措施，提高管理效率。

三是合理利用资源，开发和保护相结合。对I矿体中Mo单独产出精矿予以回收，鉴于Au、Ag未达到单独回收的工业品位，在生产工艺中采用合适的药剂制度，尽可能的回收到铜精矿和钼精矿中。Ⅱ、Ⅴ矿体中的低品位氧化矿和次边际经济矿，暂时无法利用，为保护这些资源，便于今后利用，全部单独集中堆存。

四是高度重视环保、水土保持。矿区地处“三江”源头，又是生态较为脆弱的牧区，各项工程须把环保放在首位。工艺过程中的废气、废水、废物全部进行处理，确保其达到排放标准。加强回水利用，尾矿库水不外排，搞好水土保持，以便建设环境友好型绿色矿山。

2.2   境界确定方法

采用矿业领域内具有领先水平的采矿技术软件Datamine，对露天开采境界进行优化。该露天境界优化三维软件采用目前经优化的一种主流方法——L-G法[5]。

L-G法的原理是将地质、矿井及地球物理资料综合分析，将得到的模型转化为经济模型，并进一步将上述转化后的模型转为加权矢量图。矢量图的顶点用来表示块段，每个结点表征一个块段。再用弧约束块段，用一组弧表示露天开采矿山的几何约束。

经此计算和处理，块段中的矿岩净值则可以通过一一对应的顶点权重表示，即可得到每个块段的经济值。最优化的露天矿山境界等同于图论问题，然后在图上找到加权矢量图里面最大的权重闭集合。简单地说，找到一组块段，当同步开挖这些块段时，形成可开采的露天矿上境界，即可得到最优的经济附加值。

2.3   境界优化经济参数

对比国内外矿山安全系数，根据玉龙铜矿改扩建工程露天边坡实际情况，边坡稳定性分析中，综合选取边坡稳定安全系数应不小于1.20[6]。根据本工程设计文件提供的露天边坡稳定性研究推荐的分区边坡角，确定露天采场最终边坡角如图1所示。露天开采最终境界边坡参数如表1所示。

3   最终境界优化结果分析

最终境界优化过程中，考虑到最终境界受到的主要影响因素是金属Cu预测价格以及技术经济参数变化，故最终境界的变化可以以推荐基准的参数为基础，结合Cu的价格变化以及浮动边界品位的变化来确定。边界品位变化最终境界矿岩量变化如图2所示。铜价变化时最终境界内矿岩量变化如图3所示。

玉龙铜矿的主元素是金属Cu，其他元素含量较少。在三个开采矿区中，主矿体是Ⅰ号，本次案例中以基准Cu的价格为基础，在最终边坡角恒定和金属Cu不变的情况下，并且只以考虑主矿体边界品位为变量，可以得出以下结论：伴随边界品位的提高，境界的矿岩含量逐步降低，从约21万t逐渐减少到14万t；剥采比逐渐增大，从1.6增加到2.4左右。

另外，主矿体的原生矿产量不断减少，但金属Cu平均品位增大，虽然该变化并不明显。总之，最终开采境界内矿石量变化有波折，但变化并不大。其余Ⅱ、Ⅴ號矿体的矿量变化也非常小，Ⅰ号矿体铜品位变化对最终开采境界影响较小。

同时考虑铜价的上下浮动，Ⅰ号矿体Cu边界品位取0.3%和最终边坡角不变情况下，开采境界内的矿岩量随着Cu价格的增加，境界内矿岩量逐渐增加，剥采比增大，平均品位Cu降低，金属量增加。由此可见，铜价对露天开采最终境界影响很大。因此在生产过程中，若铜价比本次设计的价格高，业主可根据铜价的变化适时扩大开采境界，以便最大化回收资源量。

4   矿山机械施工技术分析

4.1   采剥机械

根据矿岩的物理力学性质，设计采用凿岩爆破方式，以利矿岩铲装作业。选用牙轮钻机，其穿孔直径为Φ250mm，孔网参数为8m×7m。台阶爆破采用垂直孔，孔深17～17.5m，其中超深2～2.5m，采用矩形或梅花形布孔。为了改善爆破质量，提高爆破效果，减少爆破次数，采用大区微差爆破，非电导爆系统起爆。爆破采用乳化炸药，用现场炸药混装车装药。

以生产前20年最大采剥总量计算，结合牙轮钻机效率及生产需要，确定牙轮钻机台数为10台。穿孔作业需要辅助设备，需另增配2台潜孔钻机，用来边坡清理、边坡残矿收集、预留爆破后危石和除金属Cu以外其他矿石的开采。

按开采经验，矿岩的最大处理块度约为1200mm，大块率取值1%，爆破后的岩石直接送渣土场，不破碎，少量的大块石二次进行破碎。在排土场将大块石集中堆放，用机械法进行二次破碎。为了完成破碎任务，需配2m3液压反铲挖掘机3台，且要改装破碎器。

4.2   铲装机械

经过比较，确定采用钢丝绳挖掘机进行矿岩的铲装工作。在本矿山中挖掘机的斗容为12m3。对于Ⅱ、Ⅴ号矿体，为提高生产设备效率，需要额外配备一部分辅助生产设备，用于清理散落岩块、清扫工作面、道路维护等[7]。

辅助设备主要包括2台580马力的推土机、1台轮胎式平地机、4台335马力推土机、1台钢轮压路机、2台装材料运输车（载重5t）、2台水箱容积80t的洒水车，另配备3台指挥车。

为保证运输效率，另配专业的道路管护队，专门负责矿区道路维护。设备工作区域为高原地区，因此配备高原型采矿设备。铲装作业要尽可能让台阶保持平整，并将爆堆清理干净，以便为后续穿孔工作创造有利条件，提高穿孔设备效率。

4.3   运输机械

采矿按外委考虑，运输采用91t级矿用自卸汽车。采用选别式开采，矿石、低品位矿，Ⅱ、Ⅴ号矿体低品位氧化矿、含铜铁矿、铜硫矿及废石分采、分运，分别堆放。矿石运到矿石粗碎站，经破碎后由胶带运至选厂。低品位矿石及Ⅱ、Ⅴ号矿体低品位氧化矿、含铜铁矿、铜硫矿等，运到堆放区域堆存。废石直运或运往破碎站，破碎后用胶带运输机运往排土场排弃。运岩汽车需要44台，运矿汽车需要27台。以生产前20年最大采剥总量计算，Ⅱ、Ⅴ号矿体运输采用20t级的运输车运输，需要6台运输车。

5   结束语

本文将地质模型转为经济模型，并将经济模型转化为加权矢量图，通过调研矿体的采矿成本、矿藏资源、管理成本等经济参数，优化露天开采优化境界边坡参数。研究结果表明，铜价对露天开采最终境界影响很大，因此在生产过程中，可根据铜价的变化适时扩大开采境界，最大回收资源量。利用境界优化程序，考虑到铜价的变化，可以为扩大开采境界提供理论依据。此外，本文还对各种施工机械的数量和型号进行了分析，提出了不同矿体开采所需要的设备。

参考文献

[1] 冯胜利，雷丁丁，李广泽，等.米拉多铜矿露天开采境界优

化研究[J].现代矿业，2023，39（8）：63-66+78.

[2] 何晓华，汪勇，毛荐新.凤凰山铜矿露天采场境界优化研究

设计[J].矿业快报，2002（6）：3-4.

[3] 汪峰.凤凰山铜矿露天采场开采境界优化探讨[J].金属矿

山，2004（3）：15-16+69.

[4] 毕春杰，戴晓江，宋小美.某露天铜矿全境界开采规划优化

[J].金属矿山，2015，10）：33-36.

[5] 万昌林，刘亮明，高祥等.大型露天矿山资源估算与开采境

界优化研究：以西藏驱龙铜矿为例[J].金属矿山，2010（1）：

41-44.

[6] 蒋胡灿.某铜矿露天开采境界优化[J].采矿技术，2016，16

（2）：32-33+39.

[7] 张海军.矿山工程施工中矿用机械开挖工艺及技术应用研

究[J].世界有色金属，2022（16）：208-210.