復(fù)雜山地冶煉廠總圖布局難點(diǎn)解析：以境外某銅廠可研報(bào)告為例

齊 庚

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

縱觀國內(nèi)外的眾多選礦廠，以山地建廠為常見，目的是充分利用地形高差，利用物料的重力實(shí)現(xiàn)自流，最大限度地節(jié)省能耗，從而降低生產(chǎn)成本。山地有色冶煉廠因其工藝的復(fù)雜多變性、運(yùn)輸方式的多樣性、產(chǎn)品的多樣性和場地處理的復(fù)雜性，與山地選礦廠和平地冶煉廠相比，具有銜接問題多、設(shè)計(jì)難度大等特點(diǎn)。本文以境外某銅廠的擴(kuò)建為實(shí)例，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)地考察，對總圖布局中遇到的難題進(jìn)行了分析，并給出了解決方案，可為山地建設(shè)冶煉廠和老廠改造的總圖設(shè)計(jì)提供參考。

1 銅廠基礎(chǔ)條件描述

1.1 項(xiàng)目簡述

境外某冶煉廠(A銅廠)位于該國北部地區(qū)，所處地形以山地為主。在上世紀(jì)60年代初，A銅廠進(jìn)行了設(shè)備改造，采用反射爐+轉(zhuǎn)爐煉銅技術(shù)，粗銅產(chǎn)量1萬t/a。本次可研為舊地拆除新建，處理精礦量為40萬t/a，建設(shè)規(guī)模為10萬t/a陰極銅，工藝路線選用氧氣底吹熔煉+氧氣底吹連續(xù)吹煉+回轉(zhuǎn)式陽極爐精煉+大板不銹鋼陰極電解，熔煉和吹煉煙氣混合制備硫磺。

1.2 區(qū)域交通狀況

A銅廠與周邊地區(qū)的交通較為便利，與其中的兩處銅精礦供應(yīng)地公路距離分別為30 km和320 km。該國境內(nèi)擁有較完善的鐵路貨運(yùn)及客運(yùn)系統(tǒng)，另一處銅精礦供應(yīng)地鐵路運(yùn)輸距離約220 km。該國與鄰國港口鐵路運(yùn)輸距離約為400 km和2 300 km。A銅廠所在城市的國家鐵路客運(yùn)站就位于銅廠東部的邊緣地帶，國家鐵路從A銅廠內(nèi)經(jīng)過。

1.3 銅廠自然地形及工程地質(zhì)條件

A銅廠處于被河流與山地圍合成的“三角形”地帶里，其西部和南部為近似直角的河流分布，流向?yàn)樽员毕蚰?，流?jīng)A銅廠西南端時(shí)有另一條河流自西向東匯入，沿河流與銅廠南邊界之間有公路延伸。A銅廠位于山坡之上，絕對標(biāo)高值在695～795 m之間波動(dòng)，山坡表面平均自然坡度為23.5～29.9°，山坡地勢陡，東部的山體高度在1 200 m左右。A銅廠處于山谷底部，形成了較多臺階，且相對高差大，多數(shù)場地均處于不規(guī)則地帶。因受陡峻地形條件的限制，場地的銜接相對分散，呈現(xiàn)較凌亂的格局。

A銅廠在地質(zhì)上主要包含安山玢巖、凝灰角礫巖等不同種類巖石。中侏羅紀(jì)時(shí)期的安山玢巖分布在分水嶺和斜坡溝壑中，有些地方呈現(xiàn)出很高并陡峭的階地，在覆蓋很廣的范圍內(nèi)有沖積而成的洪積層。

在A銅廠區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖溶和山體滑坡現(xiàn)象，抗震設(shè)防烈度為7度。場地內(nèi)因臺階過多，形成了異常復(fù)雜而紛亂的地形條件，但工程地質(zhì)條件相對穩(wěn)定，現(xiàn)場隨處可見高而陡峭的山坡，巖性穩(wěn)定，場地內(nèi)有擋土墻和護(hù)坡設(shè)置。

1.4 銅廠區(qū)域氣象條件

根據(jù)該國國家氣象局提供的文字?jǐn)?shù)據(jù)顯示：當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)儆跍貛駶櫄夂?。氣候溫涼，日溫差較大，且垂直變化明顯。A銅廠區(qū)域多年平均氣溫12.3 ℃，當(dāng)?shù)刈顭嵩缕骄鶜鉁?2.9 ℃，最冷月平均氣溫1.8 ℃，極端最高氣溫37 ℃，極端最低氣溫-17 ℃；平均相對濕度70%；多年平均降雨量488 mm，日最大降水量61 mm。近幾年來，當(dāng)?shù)貧夂螂S著全球氣候變暖，呈現(xiàn)雨、雪增多趨勢。當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速為20 m/s，年平均風(fēng)速1.4 m/s。根據(jù)氣象局提供的風(fēng)向和無風(fēng)重復(fù)率顯示，當(dāng)?shù)厝曛鲗?dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，全年平均靜風(fēng)率為38%。

1.5 現(xiàn)狀總圖概述

依據(jù)對現(xiàn)有A銅廠的實(shí)地考察和相關(guān)情況的掌握，國家鐵路從A銅廠的偏南部橫貫而過，銅廠的鐵路站場與國鐵線路相鄰。鐵路站場將A銅廠分為南、北兩部分，銅廠用地形狀為近似“直角三角形”，兩個(gè)“直角邊”沿河流展布。A銅廠總平面布局見圖1。

A銅廠銅精礦采取鐵路運(yùn)輸，精礦倉位于鐵路的南側(cè)，鐵路線路進(jìn)入廠房內(nèi)。占地范圍較大的配料工序位于精礦倉的西側(cè)。電解車間(已停產(chǎn)并廢棄、用于堆渣)處于精礦倉的東南側(cè)，與沿河公路鄰接。電解車間北側(cè)設(shè)有陽極庫、變電站，西側(cè)有尾泥工序、實(shí)驗(yàn)室、中心材料庫等，沿河公路邊為硫酸銅車間、消防站、食堂及浴室。

鐵路北側(cè)設(shè)有熔劑庫，由配料工序向北跨越鐵路、通過膠帶機(jī)通廊為熔煉系統(tǒng)的反射爐上料，東側(cè)為轉(zhuǎn)爐和陽極爐工序。在熔煉系統(tǒng)東端緊鄰造球車間和鋼球廠房，是A銅廠新近改造的設(shè)施，為企業(yè)選礦廠提供自產(chǎn)鋼球。以此向東，與之高差分別為20 m和30 m的兩個(gè)臺階之上為A銅廠的110 kV和35 kV變電站。熔煉系統(tǒng)的東北端約100 m處為鍋爐房。在熔煉系統(tǒng)北側(cè)是收塵系統(tǒng)、電爐及煅燒系統(tǒng)。收塵系統(tǒng)西側(cè)銜接洗滌工序和過濾，向北為干燥吸附工序和硫酸車間。

在A銅廠的東北角的山坡上，集中布置了高位水池、循環(huán)水設(shè)施、水凈化設(shè)施以及重油庫等。酸庫位于A銅廠東端。

因A銅廠所處區(qū)域地勢低，原建高度100 m煙囪在靜風(fēng)率高達(dá)38%的情況下，無法將冶煉煙氣排除，形成了典型的“山谷窩風(fēng)”。A銅廠于2015年興建了長度920 m的煙道，向東北延伸至山頂，將冶煉煙氣排出冶煉廠及市區(qū)。

在A銅廠西北側(cè)200 m、350 m的兩處區(qū)域均為選礦廠的設(shè)施。目前A銅廠除熔煉系統(tǒng)在維持生產(chǎn)之外，硫酸系統(tǒng)、選礦廠已停產(chǎn)多年。A銅廠(除廠前區(qū))建筑物大致為南北朝向，布局緊湊，沿山坡地表敷設(shè)的各種管線較多。

廠前區(qū)位于工廠的西側(cè)，基本是東西朝向、沿河流由南向北布局，以文化中心、辦公區(qū)為主要建筑，在其南側(cè)與橋梁相對的位置是銅廠大門，為主要人流出入口。沿廠前區(qū)附近的河流兩岸成片的綠地和其中藝術(shù)石雕的點(diǎn)綴，在幾座具有當(dāng)?shù)貪庥舻慕ㄖL(fēng)格的建筑背景映襯之下，烘托出A銅廠悠久的歷史文化氛圍。

1.6 現(xiàn)狀豎向格局介紹

A銅廠所處的山地條件過于復(fù)雜，以廠大門為參照點(diǎn)，標(biāo)高為711.08 m,各種生產(chǎn)及輔助設(shè)施所處場地標(biāo)高見表1。

A銅廠鐵路以南區(qū)域的高差相對較小，從精礦倉以西至東側(cè)壓縮車間高差為9.3 m。鐵路以北的區(qū)域處于山坡之上，從廠前區(qū)大門至山上高位水池高差為80 m，劃分出三十多個(gè)臺階，過于凌亂。各臺階之間以擋土墻和邊坡的形式銜接。各場地均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)數(shù)十年。

因臺階高差過高，絕大多數(shù)臺階不能互通?；鸱t子系統(tǒng)處于一個(gè)臺階，濕法的過濾、濃密、洗滌等工序是以臺階形式布置，實(shí)現(xiàn)了物料自流。

A銅廠的場地雨水排除采取明溝與自然散排相結(jié)合的方式，山坡雨水匯集后通過穿越鐵路涵洞流入南側(cè)河流。

表1 A銅廠生產(chǎn)及輔助設(shè)施所處場地標(biāo)高

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1.7 現(xiàn)狀物流及道路系統(tǒng)梳理

A銅廠的銅精礦運(yùn)輸全部依靠鐵路，熔劑運(yùn)輸為公路和鐵路兩種運(yùn)輸方式相結(jié)合。成品為粗銅，目前采用公路運(yùn)輸。銅精礦經(jīng)配料后通過膠帶機(jī)廊跨越鐵路為反射爐供料。

由于鐵路貫穿A銅廠南部，鐵路以南的物料運(yùn)輸是依靠與沿河公路的銜接得以實(shí)現(xiàn)。但精礦倉無法與廠外道路相通。

鐵路以北因山地條件異常復(fù)雜，致使銅廠內(nèi)的絕大部分區(qū)域沒有道路通達(dá)。從廠大門進(jìn)入廠區(qū)，道路向東延伸后再向北、向西延伸，有道路通達(dá)的區(qū)域包括：爐子廠房南側(cè)，酸庫，110 kV、35 kV變電站，鍋爐房，濃密機(jī)和過濾機(jī)，廠區(qū)北側(cè)爐子工序，北部高位水池及循環(huán)水、水凈化設(shè)施。為了克服高差道路縱坡度較大，并設(shè)置多處回頭彎。通往循環(huán)水、高位水池和重油庫等區(qū)域的道路展線至選礦廠北端、再沿山坡底部向高處展線。廠內(nèi)道路曲折，多為簡易碎石路面，面臨邊坡的一側(cè)未設(shè)置安全圍欄。

廠前區(qū)及北部選廠有沿河流道路銜接，交通比較通暢。

2 擴(kuò)建總圖難點(diǎn)分析

2.1 有待解決的物流運(yùn)輸問題

1)擴(kuò)建銅廠的銅精礦運(yùn)輸問題。在延續(xù)目前鐵路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)上，打破之前“只有鐵路運(yùn)輸銅精礦”的歷史，增加公路運(yùn)輸系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)汽車進(jìn)入銅精礦倉卸礦。

2)銅精礦經(jīng)過配料之后，與熔煉車間的銜接問題。由于精礦倉所處標(biāo)高大致在703.00 m，需要跨越的國家鐵路標(biāo)高為707.23 m，精礦運(yùn)輸皮帶機(jī)通廊與鐵路的凈空高度應(yīng)滿足5.5～6.0 m。精礦皮帶機(jī)進(jìn)入熔煉車間的相對標(biāo)高為29 m，因場地的狹小，如何滿足精礦皮帶機(jī)在傾角大約為14°的情況下上升至29 m(相對于熔煉車間±0.00 m標(biāo)高)的高度，成為了一個(gè)難題。

3)熔煉車間的定位。熔煉車間是冶煉廠的核心，它的位置決定著熱渣和陽極板的走向，熱渣運(yùn)輸通道分別與熔煉車間底吹爐和連吹爐的熱渣運(yùn)輸銜接。

4)熔煉車間和電解車間之間的運(yùn)輸成本問題。電解車間是陽極板最終運(yùn)達(dá)的車間，要實(shí)現(xiàn)成品鐵路外運(yùn)，電解車間、成品庫必須設(shè)在鐵路站場內(nèi)，在熔煉車間和電解車間之間的陽極板和殘極運(yùn)輸被鐵路阻隔，兩種貨物的運(yùn)輸量合計(jì)14萬t/a，如果遵循常規(guī)設(shè)計(jì)思路采用汽車或叉車運(yùn)輸，距離為1 km，運(yùn)輸路線需要從銅廠大門出去、過橋、從沿河公路繞行到電解車間，運(yùn)距過長，運(yùn)營費(fèi)用提高，使得銅廠生產(chǎn)成本將相應(yīng)增加。

5)渣選廠內(nèi)部物流的銜接問題。因?yàn)槭軋龅睾偷匦螚l件的限制，渣選廠無法實(shí)現(xiàn)集中布置和管理，需要解決從磨浮車間到銅精礦濃密機(jī)、尾礦濃密機(jī)和過濾車間的運(yùn)輸銜接，還有22萬t/a渣尾礦的外運(yùn)和銅精礦與精礦倉的運(yùn)輸銜接。

2.2 擴(kuò)建銅廠用地問題

銅廠目前占地面積為30.6 hm2,其中位于銅廠西北端邊緣630 m以外的選礦廠用地面積為2.4 hm2,與銅廠處于相對分散的狀態(tài)，設(shè)施間的聯(lián)絡(luò)不方便。實(shí)際擴(kuò)建銅廠用地僅為28.2 hm2,其中冶煉廠用地面積為26.4 hm2,鐵路占地1.8 hm2,按國內(nèi)銅冶煉行業(yè)準(zhǔn)入條件(2013)中規(guī)定，單系統(tǒng)冶煉能力在10萬t/a及以上，設(shè)計(jì)新建銅冶煉企業(yè)占地面積低于4 m2/t銅，新建銅廠占地面積宜為40 hm2左右。但是，建設(shè)場地高差相對較大，臺階多，場地間邊坡和擋墻隨處可見，實(shí)際能用于建筑物布局的有效用地過于狹小。

2.3 豎向設(shè)計(jì)的問題

山地建冶煉廠難度在于豎向設(shè)計(jì)，使各場地間有機(jī)銜接，以滿足各種工藝環(huán)節(jié)的要求。場地高差相對較大，臺階多，加之用地面積十分有限，使得銅廠擴(kuò)建的難度更加突出。在業(yè)主提供的地形圖中，粗略地進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，銅廠的臺階在36個(gè)以上。臺階過于瑣碎，使各場地間的銜接困難，有些臺階車輛無法到達(dá)，生產(chǎn)過程中的維檢十分不便。由于臺階眾多，車間之間的埋地管線和綜合橋架的敷設(shè)尤為困難。

3 擴(kuò)建銅廠總圖布局應(yīng)遵循的原則

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)地考察，針對業(yè)主做出的初步總體規(guī)劃進(jìn)行了仔細(xì)分析，確定了銅廠擴(kuò)建總圖原則：①盡量與業(yè)主方所做冶煉廠的總體規(guī)劃相協(xié)調(diào)；②保證生產(chǎn)工藝流程的順捷；③利用風(fēng)向減少相互干擾，改善廠區(qū)環(huán)境；④節(jié)約用地，最大限度地合并建筑物；⑤采用有效的運(yùn)輸方式，合理布置運(yùn)輸線路；⑥減少動(dòng)力損失，盡量靠近主要負(fù)荷中心；⑦滿足各種防護(hù)距離的要求；⑧尊重當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)文化、習(xí)俗，創(chuàng)造良好的企業(yè)環(huán)境，樹立優(yōu)秀的企業(yè)形象。

4 銅廠布局難點(diǎn)突破

改建后該銅廠的總平面布局見圖2。

4.1 圍繞工藝要求解決運(yùn)輸問題

1)在業(yè)主的總體規(guī)劃中，精礦倉、電解、凈液和成品庫的位置是圍繞銅廠鐵路站場進(jìn)行規(guī)劃的，精礦倉及配料的設(shè)計(jì)位置基本坐落在已有精礦倉的位置上，因規(guī)模擴(kuò)大，故庫容加大，廠房體量加大。熔煉車間的位置處于鐵路站場的北側(cè)，精礦配料之后通過轉(zhuǎn)運(yùn)站、膠帶運(yùn)輸機(jī)與熔煉車間銜接，膠帶運(yùn)輸機(jī)呈61°平面夾角斜向接入。膠帶運(yùn)輸機(jī)長度約80 m，經(jīng)計(jì)算，膠帶運(yùn)輸機(jī)跨鐵路的凈空高度、進(jìn)熔煉車間的高度均滿足要求。在精礦倉的南側(cè)增設(shè)一條運(yùn)輸通道，以滿足公路運(yùn)輸要求，從位于河流拐彎處的橋梁東端向西，平行于精礦倉設(shè)置運(yùn)礦道路。

2)熔煉車間采用“三連爐”的布局，車間內(nèi)高差為6.0 m，根據(jù)銅廠區(qū)域氣象資料，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，渣緩冷場地和渣破碎布置在熔煉車間的西側(cè)，熔煉和吹煉熱渣出口向西，陽極板出口向東，這樣渣緩冷場的水霧對熔煉車間沒有影響。

場地標(biāo)高北高南低，充分利用現(xiàn)有的高差優(yōu)勢，由熔煉車間向東的道路與電解車間之間設(shè)置跨鐵路陽極板運(yùn)輸棧橋，棧橋上配備電動(dòng)平板車，運(yùn)輸陽極板和殘極。在電解車間的端部布置陽極板堆存場地，吊車配合將陽極板卸到堆存場地上。陽極板運(yùn)輸棧橋的簡捷、巧妙設(shè)置，有效地縮短了長距離運(yùn)輸陽極板的環(huán)節(jié)[1]。

3)粗碎站從渣破碎場地的西側(cè)向北經(jīng)膠帶運(yùn)輸機(jī)銜接粗礦倉，呈“一字型”向北經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)站轉(zhuǎn)向接至磨浮車間，利用場地約20 m的高差設(shè)置管道，實(shí)現(xiàn)礦漿自流[2]；銅精礦、尾礦濃密機(jī)以及尾礦過濾廠房設(shè)置在沿河公路邊，尾渣外運(yùn)十分方便；在精礦倉的端部設(shè)置渣精礦過濾。

4.2 有效控制用地

擴(kuò)建的難點(diǎn)是在現(xiàn)有1萬t/a規(guī)模的狹小而瑣碎，僅有26.4 hm2的場地上，擴(kuò)建成10萬t/a的銅廠。在火法工藝“短小精干”配置的基礎(chǔ)上，要解決銅廠用地問題，相對有效的途徑有以下兩方面。

1)合并建筑物。相同或相近功能的車間集中布置[3]，將空壓機(jī)房、10 kV配電站與余熱發(fā)電合并，突破以往“一字型”合并的方式，在充分利用地形條件的基礎(chǔ)上，呈“凸字型”貼建。澆鑄機(jī)循環(huán)水與熔煉循環(huán)水合并；氧氣站、空壓機(jī)、余熱發(fā)電循環(huán)水合并；廢酸處理站、含酸污水處理站與生產(chǎn)廢水處理站合并；電解、凈液與成品庫合并。

2)增加運(yùn)輸設(shè)備，將渣緩冷場地縮小。在渣緩冷場地設(shè)置龍門吊，渣包全部集中放置，渣包車不進(jìn)入渣包放置區(qū)域內(nèi)。渣緩冷場地由設(shè)計(jì)之初的28 100 m2縮小為9 160 m2。

4.3 豎向格局的利用和改變

平面布置和豎向布置相關(guān)聯(lián)，工藝和運(yùn)輸決定道路的布置，對于復(fù)雜山地的工廠，豎向格局直接影響著運(yùn)輸。銅廠擴(kuò)建的豎向格局因規(guī)模的擴(kuò)大，大型的裝備已無法適應(yīng)零碎臺階的狀況，只有在契合工藝布置的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有零碎臺階進(jìn)行整合，采取“化零為整”的方式減少臺階，利用已有臺階，通過適度挖方及少量填方、增加放坡和支擋設(shè)施，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大臺階的面積[4]。利用已形成的蜿蜒道路，連通到各個(gè)整治的臺階，滿足運(yùn)輸、設(shè)備安裝和檢修要求。整合之后的臺階數(shù)量為16個(gè)，具體臺階劃分及設(shè)施對照見表2。

表2 A銅廠整合后生產(chǎn)及輔助設(shè)施所處場地標(biāo)高 m

5 結(jié)語

復(fù)雜山地老廠改造項(xiàng)目的總圖布局必須在充分了解地形、切合實(shí)際的基礎(chǔ)上有針對性地進(jìn)行，努力創(chuàng)造條件滿足工藝的多種要求，變不利條件為有利條件，并關(guān)注工藝環(huán)節(jié)的運(yùn)輸生產(chǎn)操作過程，利用地形高差簡化運(yùn)輸環(huán)節(jié)，節(jié)能降耗，使其真正具備可實(shí)現(xiàn)性。本設(shè)計(jì)通過改造和利用地形，使布局自然和諧、工藝精巧流暢，可為類似改擴(kuò)建項(xiàng)目提供參考。