露天采礦機(jī)在海外大型鋁土礦開采中的選型

黃毅，張燕

(1.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410014；2.中鋁環(huán)保節(jié)能科技（湖南）有限公司， 湖南 長沙 410014)

鋁土礦是生產(chǎn)金屬鋁的主要礦石來源，在我國國民經(jīng)濟(jì)中起著重要作用[1]。根據(jù)USGS2017年發(fā)布的《2018—2024年中國鋁土礦行業(yè)市場深度調(diào)研及投資前景分析報告》，中國鋁土礦靜態(tài)可采年限僅為14 a，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于全球的102 a。中國鋁土礦儲量約為10億t，僅占世界儲量的3.33%[2]。據(jù)中國海關(guān)統(tǒng)計，2019年中國鋁土礦進(jìn)口量累計1.007億t，2019年中國產(chǎn)鋁土礦約8900萬t，鋁土礦海外依存度約為53%。為滿足我國鋁工業(yè)生產(chǎn)的需求，預(yù)計未來 2～5年，中國鋁土礦對外依存度將增至55%～60%[3]。

因此，開發(fā)利用海外鋁土礦，建設(shè)海外鋁土礦開發(fā)基地是我國企業(yè)滿足自身生存和可持續(xù)發(fā)展的必然之路，同時也是我國鋁工業(yè)持續(xù)發(fā)展和融入踐行“一帶一路”倡議的戰(zhàn)略需要。

1 項目概況

1.1 礦山基本情況

某礦山位于西非臨大西洋某國，礦區(qū)距離海岸線約24 km。沿海地區(qū)為熱帶季風(fēng)氣候，內(nèi)地為熱帶草原氣候，年平均氣溫為24℃～32℃，雨、旱兩季分明，每年的11 月至次年5 月為旱季，6月至10月為雨季，年平均降水量為2212 mm，年平均蒸發(fā)量為1473 mm。該國基礎(chǔ)設(shè)施落后，項目建設(shè)原材料除木頭砂石外，大部分均需依靠進(jìn)口；該國電力嚴(yán)重缺乏，沒有大型國家電網(wǎng)，廠礦企業(yè)需自行建設(shè)發(fā)電廠。

該國鋁土資源儲量為 74 億 t，占世界總儲量的 26.4%，居世界第一，其礦石類型為三水鋁石和一水軟鋁石，特點是高鋁、高硅、中低鋁硅比、低鐵，礦石自然為含水率約 8%。項目礦權(quán)分布面積約1300 km2，礦體平面分布面積約98.55 km2，具有分布面積廣，體積大，埋藏淺，覆蓋層薄，礦體頂?shù)装迤骄彽忍攸c。

礦區(qū)鋁土礦剖面自上而下的巖性特征如下：

（1）表土層，厚度一般小于0.5 m，主要為沙土和粉砂巖；

（2）鐵帽層，厚度一般為 1.5 m，鐵質(zhì)含量較高；

（3）鋁土礦層，厚度約為13 m，分布有高品位鋁土礦和低品位鋁土礦；

（4）下紅土層，厚度一般為 3 m，鐵質(zhì)含量較高；

（5）黏土層。

鉆孔柱狀圖見圖1。

1.2 運回中國礦石要求

圖1 礦區(qū)鋁土礦鉆孔柱狀圖

根據(jù)中國出資方產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，該國開采鋁土礦主要通過礦山開采、汽車運輸、皮帶運輸、碼頭轉(zhuǎn)運、內(nèi)河駁船運輸、海上倒駁和遠(yuǎn)洋海運等環(huán)節(jié)運至中國某沿海港口氧化鋁廠，總運輸距離約20 000 km。綜合考慮以上各環(huán)節(jié)生產(chǎn)及運營成本和氧化鋁市場價格，為確保項目較好的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)測算，運回中國的鋁土礦經(jīng)濟(jì)品位為39%（經(jīng)濟(jì)品位為有效氧化鋁，全鋁Al2O3品位約為42%～43%）。

同時，考慮到海運距離將近12 000 km，為降低海運費用，需對礦石的含水率進(jìn)行嚴(yán)格控制。為滿足國內(nèi)氧化鋁廠供礦需求，礦山開采規(guī)模為1200萬t/a，即年產(chǎn)1200萬t鋁土品位≥39%原礦運回中國。

1.3 礦區(qū)及首采區(qū)資源情況

礦山含南北2個礦區(qū)，礦山資源圈定采用的工業(yè)指標(biāo)為邊界品位35%（比全鋁Al2O3品位低4個百分點），最小可采厚度為1 m，夾石剔除厚度為1 m。經(jīng)資源圈定，南北礦區(qū)設(shè)計利用礦量總資源量為17.5億t，有效鋁平均品位AAl2O339.13%，RSiO2（可反應(yīng)硅）1.12%。其中外運回國的高品位礦（AAl2O3≥39%）設(shè)計利用礦量為7.6億t，平均品位AAl2O341.57%，RSiO21.06%；低品位礦（35%≤AAl2O3≤39%）設(shè)計利用礦量為9.9億t，平均品位AAl2O337.23%，RSiO21.16%。

根據(jù)南北礦區(qū)建設(shè)條件，設(shè)計選擇南礦區(qū) 38號礦體作為首采區(qū)。首采區(qū)設(shè)計利用資源量約為1.43億t，其中高品位礦約7400萬t，平均品位AAl2O342.14%，RSiO21.28%；低品位礦約6900萬t，平均品位AAl2O337.25%，RSiO21.41%。首采區(qū)排產(chǎn)服務(wù)年限為7 a。

1.4 開采對象及工藝要求

根據(jù)國內(nèi)氧化鋁廠對礦石品質(zhì)的需求和礦體賦存條件，設(shè)計開采對象為賦存在中部的高品位礦，其上部還有表土、鐵帽及低品位礦，故設(shè)計上部表土、鐵帽及低品位礦均計入剝離并分開堆存，其中表土用于采后礦區(qū)復(fù)墾，鐵帽用于礦區(qū)道路修建，低品位礦堆存于低品位堆場供后期建設(shè)的當(dāng)?shù)匮趸X廠使用。

因此，在開采工藝設(shè)計上應(yīng)對不同品質(zhì)礦石進(jìn)行分采和分裝分運，并加強(qiáng)在開采過程中系統(tǒng)除塵對礦石含水的控制，以確保外運高品位礦石的經(jīng)濟(jì)性。同時考慮到采場內(nèi)汽車運輸及汽車卸礦至礦倉后轉(zhuǎn)越野皮帶運輸，開采礦石塊度要求小于 350 mm，以減少在卸礦或轉(zhuǎn)運過程中造成堵料或皮帶損傷。

2 開采工藝選擇

根據(jù)礦床的開采技術(shù)條件，開采范圍內(nèi)的礦體埋藏淺，部分礦體出露地表，表土覆蓋層薄，適用露天開采方式。根據(jù)其賦存狀況，該類型的礦體露天開采時存在2種開采工藝：常規(guī)爆破開采工藝和非爆破（露天采礦機(jī)）開采工藝。

2.1 常規(guī)爆破開采工藝

采用露天鉆機(jī)穿孔+松動爆破+液壓挖掘鏟裝+汽車運輸采礦工藝，該工藝最小工作平臺寬度為20 m～30 m，為提高挖掘機(jī)效率，采場內(nèi)遇到堅硬巖體時，采用露天穿孔鉆機(jī)穿孔進(jìn)行松動爆破，液壓挖掘機(jī)在工作平臺上進(jìn)行采挖、裝載，采挖后卸至運礦汽車?yán)锩?，運至破碎站進(jìn)行初碎，經(jīng)初碎后再用汽車轉(zhuǎn)運至礦山堆場或卸礦倉。選用孔徑 Φ100 mm穿孔鉆機(jī)鉆鑿3 m×3 m梅花孔、7 m3液壓挖掘機(jī)（配移動式破碎錘）、60 t雙后橋自卸汽車和CR810/12-20對輥破碎機(jī)。

2.2 非爆破開采工藝

非爆破開采工藝主要利用的露天采礦機(jī)是一種采用分層銑削方法開采的連續(xù)式采礦設(shè)備[4]，具有強(qiáng)大的切削能力，相對于常規(guī)爆破開采及鏟裝運輸方式，其具有以下特點：非爆破綠色開采，避免了爆破震動及飛石帶來的不利影響；采出礦石塊度≤150 mm占90%以上，塊度小且均勻，易于汽車及皮帶運輸，也易于裝船和倒駁；不同類型采礦機(jī)采深在0～1.5 m之間，采幅寬度在2～4.5 m之間，能夠較好地分采不同品質(zhì)的礦石和剝離表土，具有較好的分采性能；采礦機(jī)作業(yè)最大可適應(yīng)縱向坡度為20%，橫向坡度為8%的地形，外部工作條件的適應(yīng)力強(qiáng)；可連續(xù)作業(yè)，生產(chǎn)能力大[5]。

3 露天采礦機(jī)開采工藝

3.1 S型露天采礦機(jī)工藝

S型露天采礦機(jī)在該國鋁土礦開采中使用較廣，該露天采礦機(jī)在自身切削形成的平臺上進(jìn)行采剝作業(yè)，多個工作平臺最終形成一個采場，采挖破碎后的細(xì)料通過皮帶直接卸至運礦汽車?yán)锩?。其最大工作平臺寬度為2.3 m～2.5 m，切削深度最大為0.6 m，采礦機(jī)上的卸料皮帶具有后卸料和側(cè)甩料功能（采礦機(jī)作業(yè)示意如圖 2所示）。結(jié)合本礦礦巖性質(zhì)，S型采礦機(jī)生產(chǎn)能力約為550 t/h～600 t/h。

圖2 S型露天采礦機(jī)工作示意

3.2 L型露天采礦機(jī)工藝

該工藝露天采礦工作平臺寬度為3.74 m，最大切割深度為0.68 m，設(shè)計切割深度為0.4 m，多個工作平臺最終形成一個采場，采礦機(jī)在平臺上進(jìn)行開挖，開采出來的松散礦體自然堆存在采礦機(jī)后方，經(jīng)推土機(jī)集礦后直接通過裝載機(jī)轉(zhuǎn)運至自卸汽車。其動力傳動為液壓傳動+鏈條式的液壓傳動方式。經(jīng)計算及類似項目經(jīng)驗，L型采礦機(jī)生產(chǎn)能力約為600 t/h。

3.3 T型露天采礦機(jī)工藝

該系列采礦機(jī)工作原理和L型采礦機(jī)類似，開采后的松散礦體經(jīng)推土機(jī)集礦或直接通過裝載機(jī)轉(zhuǎn)運至運礦自卸汽車。不同的是其動力傳動為機(jī)械傳動+鏈條式的機(jī)械傳動方式。其最大切割深度可達(dá)1.1 m。采礦機(jī)生產(chǎn)能力約為800 t/h。

3.4 不同工藝經(jīng)濟(jì)比較

針對該海外大型鋁土礦山，根據(jù)上述不同開采工藝、不同類型采礦機(jī)的作業(yè)模式，綜合考慮其生產(chǎn)能力、油料消耗、道具消耗、人員配備、開采出來的礦石塊度要求及其與汽車運輸和皮帶運輸?shù)钠ヅ涞纫蛩兀瑢Ω鏖_采工藝方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較（見表 1）。

表1 各開采工藝方案經(jīng)濟(jì)對比

4 結(jié)論

（1）爆破開采雖工藝較為成熟，但其總投資均明顯高于露天采礦機(jī)開采工藝。3種露天采礦機(jī)方案總投資相差不大，但綜合考慮該西非地區(qū)其他鋁土礦山的使用情況，認(rèn)為S型露天采礦機(jī)開采是較高效成熟的工藝，這種低粉塵、低噪音、無飛石的環(huán)境友好型采礦工藝與L型和T型露天采礦機(jī)工藝相比，集采裝于一體，工藝環(huán)節(jié)少、設(shè)備數(shù)量少、設(shè)備定員少，對環(huán)境影響小，具有明顯優(yōu)勢。

（2）根據(jù)對類似礦山采礦機(jī)考察情況，S型露天采礦機(jī)具有切削深度大，前進(jìn)速度快，生產(chǎn)能力大，配套設(shè)備數(shù)量少，易于管理和調(diào)度等優(yōu)點，是一種開采能力大，能較好地適用于大型露天平面分布型鋁土礦的開采。

（3）鑒于國內(nèi)露天礦山開采越來越高的環(huán)保要求，同時考慮該類型鋁土礦與國內(nèi)大型煤礦的礦巖性質(zhì)和礦體分布特性類似，S型露天采礦機(jī)在國內(nèi)大型露天煤礦開采有較高的推廣應(yīng)用價值。