露天磷矿山大型斜坡箕斗运输工艺研究

李小双 李耀基 王孟来 朱建新

(1.国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南 晋宁 650600；2.云南磷化集团有限公司，云南 晋宁 650600；3.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

露天磷矿山大型斜坡箕斗运输工艺研究

李小双1,2李耀基1,2王孟来1,2朱建新3

(1.国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南 晋宁 650600；2.云南磷化集团有限公司，云南 晋宁 650600；3.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

以云南磷化集团有限公司昆阳磷矿二矿区为工程背景，在进行实地调研其具体地质采矿条件的基础上，通过理论分析、现场实测以及技术经济方案可行性论证等多种研究手段，探讨了露天磷矿山的大型斜坡箕斗运输工艺。结果表明：①与传统的单斗卡车运输工艺相比，大型斜坡箕斗运输工艺具有运输成本低廉、空气与噪音污染小、能耗低的优点，在采场垂直开采深度≥85 m的深凹开采阶段具有较大优势。②大型斜坡箕斗运输工艺初期投资较大，系统相对固定，工艺环节较多，在采场垂直开采深度<85 m的浅部开采阶段具有较大的应用局限性。相关的研究成果可为该矿区或类似条件下的露天采场运输工艺提供理论和技术上的指导和参考。

露天磷矿山 大型斜坡箕斗运输工艺 理论分析 现场实测 方案可行性 技术经济论证

云南磷化集团有限公司作为我国磷资源开发利用行业的六大重点骨干企业之一，在磷矿开采、洗选和磷产品的加工方面一直位于国内领先地位[1-2]。近年来随着矿山浅部资源的逐步枯竭，露天采场的开采深度持续增加，逐步进入深凹露天开采阶段，由于开采条件的急剧变化，传统的汽车运输工艺系统的优势逐步丧失，面临着以下难题。

(1)露天坑作业空间尺寸逐步缩小，新水平准备及开拓运输系统建设困难[3]。

(2)随着采场开采深度的增加，采场矿石与剥离物的运输线路越来越长，运输成本增加明显[4]。

(3)露天矿边坡高度逐步增高，最终帮坡角越来越陡峭，边坡安全投入明显加大，维护与控制的难度逐年增加[5]。

(4)矿山采场生产剥采比持续增加，矿车维修与维护费用、柴油消耗及运营成本逐步增大[6]。

(5)矿车尾气与噪声污染逐步增大，环境保护与工人作业环境维护费用年年攀升[7]。

云南磷化集团有限公司所下属的4大露天磷矿山具有矿体厚度较薄、采场分散、作业面移动频繁、地形条件复杂、矿石剥离物坚硬需要爆破作业且剥离量大、排土场空间以内排为主且转换频次高、空间狭小等基本特点，以大型外排土场为基础，以单斗—移动式破碎站—胶带输送机—移动式胶带排土机为代表的连续作业的采矿工艺系统与单斗—汽车—固定或者半固定式破碎站—胶带输送机—半移动式胶带排土机或者汽车为代表的半连续作业的采矿工艺系统，虽然在煤矿与金属矿山正大规模推广应用，但在公司矿山的应用具有极大的局限性(前期投资大，移动频繁导致的移设费用高，剥离物的破碎成本增加较大，外部固定的大空间排土场很难找到且租赁费高)[8-9]。

由于大型斜坡箕斗露天运输工艺具有成本低廉、输送能力大、安全高效、工艺简单、绿色环保的特点[10-12]，因此在磷化工行业不景气的多重压力下，对该种运输工艺在露天磷矿山的应用可行性进行研究，对云南磷化集团有限公司及类似条件下的露天磷矿山具有重要的经济意义。

1 工程概况

1.1 昆阳磷矿二矿区排土场工程地质条件

昆阳磷矿二矿位于滇池聚磷区南西，东邻昆阳磷矿(一至四采区)，西接肖家营磷矿，北部为海口磷矿，位于晋宁县二街镇境内，距昆明市南西212°方向平距44.5 km，距晋宁县城直线距离9 km。

场地处于晋宁县二街镇政府所在地北东部，位于由大山—杉松园顶—鹅毛山—老高山—金铜盆山构成的地表分水岭南侧，香条村背斜南翼，场地属中山地貌，最高标高为矿区北部的矿界边缘，标高2 335 m，最低标高为矿区南西部矿界附近冲沟，标高 1 938.7 m，相对高差396.3 m。矿区地形总体北高南低，山岭由南西向北东呈长蛇状延伸，场地范围沟谷较发育，地形坡度总体较缓，为10°～30°，局部较陡，约40°，地貌上总体属构造剥蚀中山地貌。

昆阳磷矿二矿主要位于香条村背斜南翼，为单斜地层，排土场主要利用矿层地表露头以北底板范围的天然沟谷地形和采空区进行堆放。据工程地质调查和钻孔揭露，排土场范围大都为基岩直接出露，仅在局部沟谷底部、坡顶平缓地带和局部缓坡地带覆盖一定厚度的第四系地层。构成场地地基的地层主要为第四系人工堆积(Qml)层、第四系冲洪积(Qal+pl)层、第四系残、坡积(Qel+dl)层、泥盆系中统海口组(D2h)地层和寒武系下统(1)等。

1.2 排土场规划

根据采矿设计， 60线～64线坑底标高为2 000 m，65线～72线坑底标高为+1 880 m。生产第3年实现少量的内排，从采剥进度计划表中及生产第13年年末图中可看出，生产期第13年以前，由于下部采矿，上部排土，排土空间较小，内排容量较小，主要废石外排，排土方式为外排+内排，生产第14年以后全部实现内排。

排土场分成分成4个部分，分别为外排东北部分、外排西北部分、内排北东部分、内排南西部分。二矿和乡二街磷矿统一由昆阳磷矿开采，废石由昆阳磷矿统一进行堆放。依据采剥进度计划及生产年末图计算得：昆阳磷矿二矿共需外排总废石松方量为 14 106万m3，本次设计外排排土场容积14 106万m3；需内排排土量为25 027万m3，本次设计内排排土场容积25 167万m3。

本矿山排土以就近、内排与外排联合排土的原则，并结合采剥进度计划，最终排土计划如下。

依据《云南磷化集团有限公司昆阳磷矿二矿120万t/a露天采矿工程初步设计》，设计开采对象为二矿和乡二街磷矿；设计开采范围为磷都矿业乡二街磷矿矿权内的全部资源量和二矿矿权内适宜采用露天开采的资源量。主要开采范围为59线～73线。矿山首先开采59线～64线区域至坑底，接下来开采64线～73线区域并先开采67线～73线至坑底，最后开采64线～67线至坑底。

基建期、生产第1年和生产第2年废石排至外排排土场东北部分，运距最短。生产第3年和生产第5年废石排至外排排土场西北部分，并且实现少量的内排。在生产第6年废石外排至外排排土场和内排排土场。生产第14年以后，废石全部排至内排土场，先排满内排北东部分，后排内排南西部分。

1.3 排土场设计参数

(1)排土场外排西北部分底面最低标高2 020 m，排土场顶面标高2 320 m，最大堆置高度300 m。本次设计排土场容量为2 951万m3；排土场外排东北部分底面最低标高2 200 m，排土场顶面标高2 380 m，最大堆置高度180 m。本次设计排土场容量为 11 154万m3；排土场内排南西部分底面最低标高 1 880 m，排土场顶面标高2 110 m，最大堆置高度230 m。本次设计排土场容量为14 805万m3；排土场内排北东部分底面最低标高2 015 m，排土场顶面标高 2 320 m，最大堆置高度295 m。本次设计排土场容量为 10 363万m3。

(2)台阶数。排土场外排西北部分11台阶；排土场外排东北部分6个台阶；排土场内排南西部分8个台阶；排土场内排北东部分10个台阶，台阶高度20～30 m，安全平台宽15 m。

(3)排土场边坡。废石自然安息角为35°，排土场堆置最终边坡角为28°。

(4)排土场最终顶面面层结构。设计排土场最终顶面面层采用推土机平整台阶并适当压实，平台不能有较大的凸起或凹陷，在台阶及斜坡坡面铺设表土，表土铺设厚度平台平均不小于80 cm，斜坡平均不小于30 cm，并向内设2%～3%的排水反坡。

(5)排土场最终边坡角。排土场的边坡角小于排弃岩土的自然安息角。本次设计所排弃的岩土主要为采场剥离的废石。排土场最终边坡角为28°。

2 昆阳磷矿二矿区的大型斜坡运输工艺

2.1 大型斜坡箕斗提升整体构想方案

沿矿体走向方向将需要开采的采场划分若干个采区，相邻采区之间留设20～30 m隔离带作为箕斗提升系统用，箕斗提升系统的地基直接建立在矿层底板基岩之上。露天坑采场的剥离废石通过箕斗提升系统运输露天坑上部平路，后转载给矿车，运输至排土场。特别需要说明的是：在箕斗提升系统的上部与下部不需要建立专门的临时储料仓，下部由挖掘机直接将剥离废石装入矿车后，由矿车卸载至箕斗箱，上部由箕斗箱直接卸载给矿车。箕斗箱在设计时需要对其扛撞击、磨损能力提出较高要求，需要用专门的双层锰钢材料。同时挖掘机的铲斗容积与箕斗相匹配，箕斗载质量与单台运输卡车载质量相匹配，要确保1次箕斗载质量刚好与1台卡车的载质量基本相等。此外，要做好箕斗与矿车配比与调度工作，确保生产作业的连续性，避免大量的作业时间浪费在等待环节，如图1所示。

图1 箕斗提升系统示意Fig.1 Schematic diagram of skip hoisting system 1#～4#—箕斗提升系统

2.2 大型斜坡箕斗运输工艺的临界深度分析

单斗挖掘机+大型箕斗运输采矿工艺系统与单斗挖掘机+汽车运输工艺相比，最主要的区别为露天坑剥离矿石运输这一环节。与现有的单斗挖掘机+汽车运输工艺相比，单斗挖掘机+大型箕斗运输采矿工艺系统增加了采场下部矿车向箕斗卸料与采场上部箕斗向矿车卸料2道工序，爬坡阶段由电动力驱动的箕斗替代依靠柴油机械动力的矿车。现有的生产实践表明，在露天采场坑深度较小时，汽车运输是经济合理的。而当露天采坑的开采深度达到一定数值后，完全依靠汽车重车爬坡的方式将不再合理，用大型箕斗取代矿车可以大幅度地降低运输成本。

依据2014年9月—2015年7月昆阳磷矿提供的单斗挖掘机+汽车运输工艺相关成本资料，结合2014年5月对箕斗系统成本考察的相关信息，以昆阳磷矿一采区与昆阳磷矿二矿为例，分别对其箕斗提升系统的经济合理临界深度进行研究，其相应的计算公式为

(1)

其中，H0为箕斗提升系统的经济合理临界深度，km；p1为箕斗运输成本，p1=1.17元/( t·km)；α为箕斗提升角度，与矿层底板倾角相同，昆阳磷矿一采区α=16°，昆阳磷矿二矿区取值15°；β为汽车最大坡度角，β=7°；k为汽车弯道富余系数，k=1.15；su为采场上端箕斗向汽车转载费，sd=0.70元/t；sd为采场底端汽车向箕斗转载费，取值为0.70元/t；p2为矿车运输成本，p2=2.33元/(t·km)。

由式(1)可以计算得出昆阳磷矿一采区与昆阳磷矿二矿箕斗提升系统的经济合理临界深度分别为80.63m、80.14m。因此，对于昆阳磷矿二矿区来讲，当剥离的废石由低向高累计运输垂高分别超过80.63m与80.14m后，汽车综合运输运营成本较大型箕斗运输成本高，可以考虑采用大型箕斗提升系统替代汽车重车爬坡这段运输路线。昆阳磷矿二矿区采用箕斗提升系统的采场临界垂直深度为80～85m。

2.3 大型斜坡箕斗运输工艺系统经济可行性分析

依据昆阳磷矿提供的相关参数资料，目前二矿露天坑与露天坑上部水平运输主干线高差为40～60m，而最终闭坑前最大高差将达到180m。参照《云南磷化集团有限公司昆阳磷矿二矿120万t/a露天采矿工程初步设计》的相关排土计划，采场首采块段废石排至2#排土场，生产至第2年时，已按设计容量将2#排土场排满，生产第3年的废石排至1#排土场。生产至第2年时，2#排土场排土总实方量为3 018万m3(松方4 115万m3)。2#排土场排至设计容量后，开始1#排土场和局部内排的排土工作。1#排土场生产至第5年时已按设计容量排满，1#排土场排土量实方为1 441万m3(松方1 965万m3)；生产至第13年，内排总实方量为867万m3(松方1 183万m3)。1#排土场排满后，开始3#排土场的排土工作，生产第5年时，开始将废石排至3#排土场。生产第5—13年，3#排土场共排土7 424万m3，中途考虑成本因素，主要以内排为主，生产第19—25年，继续往3#排土场排土3 917万m3，至3#排土场排满后完全依靠内排解决所有排土量。

经2014年8月—2015年7月在昆阳磷矿二矿现场调研、交流，并参考昆阳磷矿二矿初步设计，一致认为：生产第5年后二矿露天坑与露天坑上部水平运输主干线高差超过80m，在生产第5—13年向3#排土场排土期间(生产第5年二矿露天坑与露天坑上部水平运输主干线高差超过80m)与生产第19—25年向3#排土场排土期间，昆阳昆阳磷矿二矿区具备了采用箕斗提升系统代替目前汽车由坑底运输剥离物至露天坑口上部水平主干运输线这一段汽车运输系统的可能。

依据昆阳磷矿提供的相关数据资料，昆阳磷矿二矿的设计生产能力为120万t/a，平均剥采比为5.75m3/t，年平均剥离量 690万m3(1 766.40万t)，采区的服务总年限为44a，而箕斗系统2个服务期的年限分别为9a、7a。因此，要满足昆阳磷矿二矿的生产能力要求，必须布置4套60t的箕斗提升系统。箕斗提升系统新增投资约3 205万元，具体概算如表1所示。

表1 箕斗提升系统新增投资概算Table 1 New investment budget of skip hoisting system

通过与相关设备厂家沟通，在收集昆阳磷矿二矿相关汽车运输成本的基础上，按照表1投资金额，以运行时间9 a与7 a、年运输量按核定量690万m3(1 766.4万t)的85%计、箕斗运输综合成本单价约为1.17元/(t·km)、汽车运输综合成本单价约为2.33元/(t·km)、箕斗提升角15°、汽车坡度角7°、采场上端箕斗向汽车转载费0.70元/ t、采场底端汽车向箕斗转载费0.70元/t、采坑的平均垂直高差为130 m、汽车弯道富余系数1.15来计算，每年箕斗提升系统比汽车运输在重车上车爬坡阶段节省的费用为 1 306.25万元(箕斗提升成本较矿车成本节省值约为2.23元/ m3)，具体计算见式(2):

(2)

其中,H0为箕斗提升系统的经济合理临界深度，km；ρ为剥离物的密度，ρ=2.56 t/m3；H0为箕斗提升系统的经济合理临界深度，km；φ为剥离物的年平均运输总量，为计划量690万m3的0.85，即φ=586.50万m3。

由上述分析可知，虽然采用箕斗提升系统后，需要新增投资3 205万元，但是箕斗提升系统每年比汽车运输在重车上车爬坡阶段节省的费用为1 306.25万元(箕斗提升成本较矿车成本节省值约为2.23元/ m3)，新增的投资可在2.5 a的时候收回，其余6.5 a与4.5 a均为盈利年(成本降低)。即使考虑到设备的更换与维修问题，极端情况下，每7.5 a更换整个箕斗提升系统，箕斗系统新增投资为6 410万元，对于第1个9 a服务期间新增的投资可在5 a的时候收回，其余4 a均为盈利年(成本降低)，而第2个7 a服务期间不需要更换箕斗提升系统。总之，通过理论计算分析，在生产第5—13年向3#排土场排土期间(生产第5年二矿露天坑与露天坑上部水平运输主干线高差超过80 m)与生产第19—25年向3#排土场排土期间，昆阳磷矿二矿采用箕斗提升系统在经济上完全可行。为了稳妥起见，可以先上1套60 t的箕斗提升系统,在生产第5—13年向3#排土场排土期间进行工业验证试验。

3 结 论

(1)当剥离的废石由低向高累计运输垂高分别超过80.63 m与80.14 m后，汽车综合运输运营成本较大型箕斗运输成本高，可以考虑采用大型箕斗提升系统替代汽车重车爬坡这段运输路线。昆阳磷矿二矿区采用箕斗提升系统的采场临界垂直深度为80～85 m。

(2)通过现场调研、理论分析计算得出：要满足昆阳磷矿二矿的生产能力要求，必须布置4套60 t的箕斗提升系统。箕斗提升系统新增投资约3 205万元，箕斗提升系统每年比汽车运输在重车上车爬坡阶段节省的费用为1 306.25万元(箕斗提升成本较矿车成本节省值约为2.23元/ m3)，新增的投资可在2.5 a的时候收回，其余6.5 a与4.5 a均为盈利年(成本降低)。在生产第5年至生产第13年向3#排土场排土期间(生产第5年二矿露天坑与露天坑上部水平运输主干线高差超过80 m)与生产第19年至生产第25年向3#排土场排土期间，昆阳磷矿二矿采用箕斗提升系统在经济上完全可行。

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(责任编辑 徐志宏)

Study on the Transport Process of Large Slope Skip in Phosphorus Open Pit Mine

Li Xiaoshuang1,2Li Yaoji1,2Wang Menglai1,2Zhu Jianxin3

(1.NationalEngineeringResearchCenterofPhosphateResourcesDevelopmentandUtilization，Jinning650600，China;2.YunnanPhosphateChemicalGroupCo.，Ltd.，Jinning650600，China；3.ChinaSino-CoalInternationalEngineeringGroupShenyangDesignandResearchInstitute，Shenyang110015，China)

Taking the N0.2 mining area of Kunyang phosphate mine of Yunnan Phosphate Chemical Group Co.，Ltd (YPC) as engineering background，the transport process of large slope skip in the open pit phosphorus mine was studied by various research methods such as theoretical analysis，field measurement and feasibility demonstration of technical and economic scheme，according to the field research of the specific geological and mining conditions.The results showed that:①Comparing with the traditional single bucket truck transport process，the large slope skip the transport process has the following advantages，including lower cost，less air pollution and noise pollution and lower maintenance cost.And it has a large advantage in deep concave mining stage that the stope mining vertical depth is greater than or equal to 85 m.②The large slope skip the transport process also has the following inferiors，such as larger initial investment，relatively fixed system and more complicated procedure etc..And it has a large application limitation in shallow mining stage that the stope mining vertical depth is less than 85 m.The relevant research results can provide theoretical and technical guidance and advice for the open pit transportation technology of this mining area or mining area with similar conditions.

Open pit phosphorus mine，Transport process of large slope skip，Theoretical analysis，Actual measurement，Feasibility demonstration of scheme，Technical and economic demonstration

2015-09-07

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2011BAB08B01， 2013BAB07B06)，云南省科技领军人才计划项目(编号：2014HA014)。

李小双(1983—)，男，高级工程师，博士。

TD871

A

1001-1250(2015)-11-017-05