莫桑比克6678L 石墨礦露天開(kāi)采境界優(yōu)化

王 政

（河北寰球工程有限公司，河北 涿州 072754）

石墨是一種非常重要的非金屬礦產(chǎn)，不僅廣泛應(yīng)用于鋼鐵等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，也廣泛應(yīng)用于新能源、新材料等新興產(chǎn)業(yè)，被認(rèn)為是支撐未來(lái)高新技術(shù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源[1]。全球石墨礦產(chǎn)分布相對(duì)集中，主要分布在中國(guó)、印度、斯里蘭卡、土耳其、烏克蘭、馬達(dá)加斯加、莫桑比克、坦桑尼亞、巴西。石墨礦床根據(jù)石墨的結(jié)晶程度，可分為晶質(zhì)石墨（鱗片石墨）礦和隱晶質(zhì)石墨礦；根據(jù)地質(zhì)成因可分為區(qū)域變質(zhì)型石墨礦、接觸變質(zhì)型石墨礦、巖漿熱液型石墨礦。多數(shù)國(guó)家只產(chǎn)出某一種類(lèi)型的石墨，只有中國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家各種類(lèi)型的石墨礦都有產(chǎn)出[2]。

晶質(zhì)石墨（鱗片石墨）的晶體呈現(xiàn)鱗片狀，可浮性、潤(rùn)滑性、可塑性均比其他類(lèi)型石墨優(yōu)越，鱗片越大，固定碳含量越高，價(jià)值越高[3]，用于制造高純石墨、氟化石墨、石墨烯。

莫桑比克是非洲地區(qū)石墨資源最為豐富的國(guó)家，北部的含石墨云母片巖和片麻巖被發(fā)現(xiàn)于德?tīng)柤佣沤鞘〔煌臉?gòu)造雜巖體內(nèi)[4]，賦存+0.15 mm 粒級(jí)的優(yōu)質(zhì)大鱗片石墨。由于過(guò)去勘察程度低，針對(duì)莫桑比克石墨資源的成礦規(guī)律、成礦特征、資源勘探、采選工藝的研究很少。隨著大鱗片石墨的應(yīng)用，莫桑比克已成為全球石墨資源勘查開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)，采礦工藝、選礦工藝、大鱗片石墨保護(hù)方面的研究也迫在眉睫。

1 礦山概況

莫桑比克北部德?tīng)柤佣沤鞘?678L 石墨礦，礦區(qū)面積約30 km2，礦區(qū)地表總體平坦，地勢(shì)起伏小，海拔500～550 m，表土覆蓋層厚度約3.93～15.84 m，平均厚度9.39 m，適合采用露天開(kāi)采方式，采用卡車(chē)運(yùn)輸。熱帶草原地貌，有灌木和幼樹(shù)，較大的樹(shù)木分布稀疏。土壤呈紅褐色，由黏土和沙子混合而成，幾乎沒(méi)有礫巖。

6678L 石墨礦處在雜巖體石墨含礦帶中。雜巖體由鎂鐵質(zhì)火成巖和麻粒巖等各類(lèi)變質(zhì)的上地殼巖石組成，存在云母片麻巖及片巖、石英長(zhǎng)石片麻巖、變質(zhì)砂巖、石英巖、大理巖等副片麻巖以及長(zhǎng)英質(zhì)正片麻巖。石墨礦主要賦存于雜巖體的石英片巖中，最常見(jiàn)的巖性包括石墨片巖、片麻巖、薄偉晶巖帶等，硫化物較少見(jiàn)[5]。圍巖由石英片巖、云母片巖和片麻巖組成。礦石中主要礦物有石墨、白云母、石英、長(zhǎng)石等，其他礦物還有黑云母、方解石、石榴石、金紅石、黃鐵礦等。截至2020 年2 月，以8%的邊界品位圈定，探明的（JORC Code 2012 Edition）石墨礦產(chǎn)資源總量為331.0 Mt，總石墨碳含量（Total Graphitic Carbon，TGC）13.4%，含有44.34 Mt 的石墨。根據(jù)莫桑比克《礦業(yè)法》，完成勘探后，礦山可申請(qǐng)25 年的采礦權(quán)。6678L 石墨礦化礦化帶賦存于直立傾伏等斜褶皺構(gòu)造中，傾向西，傾角約60°。目前已完成51個(gè)鉆孔，其中，金剛石鉆孔18 個(gè)，反循環(huán)鉆孔17 個(gè)。

2 邊坡設(shè)計(jì)

2.1 巖石性質(zhì)和礦巖質(zhì)量評(píng)級(jí)

1）巖石性質(zhì)。根據(jù)地質(zhì)資料，6678L 石墨礦礦巖的單軸抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 6678L 石墨礦巖石單軸抗壓強(qiáng)度

2）礦石質(zhì)量評(píng)級(jí)。由于巖土工程數(shù)據(jù)較少，因此采用Laubscher 的采礦巖體分類(lèi)系統(tǒng)（Mining Rock Mass Rating，簡(jiǎn)稱(chēng)MRMR）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和礦巖質(zhì)量評(píng)級(jí)[6]，6678L 石墨礦不同類(lèi)型礦巖的MRMR 值見(jiàn)表2。

表2 6678L 石墨礦不同類(lèi)型礦巖的MRMR 值

2.2 邊坡方案

根據(jù)建設(shè)方案，6678L 石墨礦采用露天開(kāi)采，采剝工程分3 個(gè)階段進(jìn)行。第1 階段主要采剝范圍是靠近選礦工業(yè)場(chǎng)地的風(fēng)化程度較高、礦石品位較高的區(qū)域，采剝深度40 m；第2 階段在第1 階段初始坑的基礎(chǔ)上，繼續(xù)采剝風(fēng)化的礦巖，采剝深度為60 m；第3 階段采剝深度為150 m，同時(shí)采剝風(fēng)化的礦巖和原生的礦巖。根據(jù)不同階段采剝的礦巖性質(zhì)，進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)。根據(jù)露天采場(chǎng)的采剝深度和礦巖的MRMR 值，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)取1.5，參考Haines－Terbrugge 邊坡設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)圖[7]，確定第1、第2、第3 階段的最終幫坡角[8]。6678L 石墨礦最終邊坡角見(jiàn)表3。

表3 6678L 石墨礦最終邊坡角

終了邊坡臺(tái)階寬度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：B 為臺(tái)階寬度，m；H 為臺(tái)階高度，10 m。

經(jīng)計(jì)算，終了邊坡臺(tái)階寬度為6.5 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法，參照其他類(lèi)似礦山，風(fēng)化的石墨片巖、風(fēng)化的片麻巖臺(tái)階坡面角確定為55°，原生的石墨片巖、原生的片麻巖臺(tái)階坡面角確定為75°。

3 露天開(kāi)采境界優(yōu)化

6678L 石墨礦的礦床是一個(gè)大型的、地表出露石墨的礦床，最大開(kāi)采深度180 m。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)生成包含塊體的x、y、z 坐標(biāo)、礦巖密度、TGC 品位、巖石類(lèi)型、風(fēng)化剖面等數(shù)據(jù)的礦體模型。

3.1 建設(shè)規(guī)模

為選擇適合的生產(chǎn)規(guī)模，主要考慮以下因素的影響：①可采出礦石量和可能的服務(wù)年限與申請(qǐng)的采礦權(quán)是否匹配；②建設(shè)投資數(shù)額和籌集資金的難度；③項(xiàng)目?jī)r(jià)值（凈現(xiàn)值NPV、內(nèi)部收益率IRR 是否能夠滿(mǎn)足要求）；④石墨精礦的銷(xiāo)售渠道。

為了確定不同生產(chǎn)規(guī)模條件下的的服務(wù)年限、建設(shè)投資、項(xiàng)目?jī)r(jià)值，利用露天礦山境界優(yōu)化軟件，選擇0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 Mt/a 等6 種生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行了綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，建設(shè)規(guī)模技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表4，各生產(chǎn)規(guī)模的凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率如圖1。

表4 建設(shè)規(guī)模技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

圖1 各生產(chǎn)規(guī)模的凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率

由表4 和圖1 可以看出，建設(shè)規(guī)模為1.0 Mt/a時(shí)，項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率最大，但凈現(xiàn)值隨規(guī)模增大繼續(xù)增大。當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模繼續(xù)變大，凈現(xiàn)值的增長(zhǎng)速率趨于緩慢?？梢?jiàn)預(yù)見(jiàn)，雖然凈現(xiàn)值在3.0 Mt/a 時(shí)沒(méi)有達(dá)到峰值，但繼續(xù)增大年產(chǎn)量其峰值會(huì)出現(xiàn)，一般說(shuō)來(lái)，凈現(xiàn)值最大的方案對(duì)應(yīng)的規(guī)模為最優(yōu)規(guī)模[9]。年產(chǎn)量3.0 Mt 時(shí)服務(wù)年限為14 年，若年產(chǎn)量超過(guò)3.0 Mt，則服務(wù)年限過(guò)短導(dǎo)致項(xiàng)目投資回報(bào)較低。因此，僅考慮凈現(xiàn)金流量和凈現(xiàn)值，上述建設(shè)規(guī)模中，以年產(chǎn)量3.0 Mt 為最優(yōu)。但是，綜合考慮生產(chǎn)規(guī)模的資金投入、市場(chǎng)情況、石墨精礦的銷(xiāo)售情況以及可申請(qǐng)的采礦權(quán)限，年產(chǎn)量為1.5 Mt 時(shí)，服務(wù)年限接近采礦證權(quán)限，內(nèi)部收益率也接近峰值，凈現(xiàn)值超87 億元，因此確定建設(shè)規(guī)模為1.5 Mt/a。

3.2 露天開(kāi)采境界優(yōu)化

進(jìn)行境界優(yōu)化前，根據(jù)礦體賦存條件、當(dāng)?shù)匚飪r(jià)水平、采選工藝、礦石銷(xiāo)售價(jià)格等因素確定露天開(kāi)采境界優(yōu)化所采用的采礦成本、選礦成本、技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

6678L 石墨礦礦體埋藏較淺，地形較為平坦，采用露天開(kāi)采、卡車(chē)運(yùn)輸方案。淺部表土層、強(qiáng)風(fēng)化層、部分風(fēng)化層礦巖采用非爆破方式開(kāi)采，采用鏟裝、運(yùn)輸、排土的間斷生產(chǎn)工藝，經(jīng)測(cè)算開(kāi)采成本為18.9元/t。部分風(fēng)化層、深部礦巖采用爆破方式開(kāi)采，采用穿孔、爆破、鏟裝、運(yùn)輸、排土的間斷生產(chǎn)工藝，開(kāi)采成本25.9 元/t。露天采場(chǎng)生產(chǎn)臺(tái)階高度10 m，每采深10 m 成本增加0.49 元/t。礦巖用3.8 m3液壓挖掘機(jī)裝車(chē)，礦石裝入35 t 自卸汽車(chē)經(jīng)礦山公路運(yùn)至選礦廠，巖土用35 t 自卸汽車(chē)運(yùn)到排土場(chǎng)，采用59 kW 履帶式推土機(jī)推排。采礦貧化率5%、損失率5%，石墨回收率85%。

選礦廠原礦處理量150 萬(wàn)t/a，采用2 次粗選、4段再磨和6 次精選的浮選流程，年產(chǎn)石墨精礦16.79萬(wàn)t，其中年產(chǎn)粒徑≥0.18 mm 的大鱗片石墨10.29萬(wàn)t，選礦成本296 元/t。根據(jù)大鱗片的產(chǎn)出率，精礦價(jià)格6 000～8 100 元/t。

莫桑比克石墨礦的資源權(quán)利金為3.00%，財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)的折現(xiàn)系數(shù)為10%。

確定建設(shè)規(guī)模之后，將上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)輸入露天礦山境界優(yōu)化軟件，以步長(zhǎng)為0.2、動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方式，對(duì)礦體模型在0.55～1.35 的收入系數(shù)下進(jìn)行評(píng)價(jià)，生成了一系列露天開(kāi)采境界優(yōu)化結(jié)果[10]。露天開(kāi)采境界優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表5，各境界采剝總量與凈現(xiàn)值關(guān)系如圖2。

圖2 各境界采剝總量與NPV 關(guān)系

表5 露天開(kāi)采境界優(yōu)化結(jié)果

由于礦體的性質(zhì)，除了最初形成的境界外，其他的境界采出礦石量、剝離廢石量并沒(méi)有較大幅度的增加，在整個(gè)模型中，由于較低的剝采比和品位分布的一致性導(dǎo)致模型中的礦石開(kāi)采受收益因素影響較低。采用露天礦山境界優(yōu)化軟件進(jìn)行境界優(yōu)化，考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，對(duì)確定最優(yōu)境界和實(shí)現(xiàn)礦山經(jīng)濟(jì)效益的最大化具有指導(dǎo)意義[11]。凈現(xiàn)值NPV 是資金進(jìn)行其他投資的潛在收益，一般以項(xiàng)目最關(guān)心的收益為衡量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定露天開(kāi)采的最佳境界[12]。通過(guò)露天開(kāi)采境界優(yōu)化結(jié)果可以看出，3 號(hào)露天開(kāi)采境界是6678L 石墨礦生成最大凈現(xiàn)值的境界。

通過(guò)對(duì)境界的優(yōu)化，6678L 石墨礦露天開(kāi)采境界由1 個(gè)露天坑組成，露天采場(chǎng)南北長(zhǎng)725 m，東西寬560 m，最大深度175 m，需要?jiǎng)冸x廢石35.27 Mt，可以采出礦石30.84 Mt，剝采比1.1 t/t，服務(wù)年限20.6 年。

4 結(jié)語(yǔ)

莫桑比克已成為全球石墨資源勘查開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)，但由于6678L 石墨礦勘察程度很低，提交的礦體模型僅包含有限的工程巖土數(shù)據(jù)。為了確定經(jīng)濟(jì)合理的露天開(kāi)采境界，在單軸抗壓強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采用MRMR 采礦巖體分類(lèi)系統(tǒng)和Haines-Terbrugge 邊坡設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)圖確定了露天采場(chǎng)的最終邊坡角，進(jìn)行合理的邊坡設(shè)計(jì)；然后根據(jù)測(cè)算的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，利用露天礦山境界優(yōu)化軟件，進(jìn)行了礦山建設(shè)規(guī)模比選和露天開(kāi)采境界優(yōu)化，確定了經(jīng)濟(jì)合理的露天開(kāi)采境界。