基于采场配矿技术的乌龙泉矿露天采场工作面布置优化

刘艳章 潘世华 邹晓甜 陈小强 张 群 张丙涛

( 武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉430081)

乌龙泉矿隶属武钢矿业有限责任公司，是武钢主要的冶金熔剂大型露天矿山，主要生产矿石为石灰石和白云石，其中石灰石和白云石共同存在的区域为互层矿( 生产中作为白云石处理) ，采场中互层矿分布较多，且其品位较低。由于近期武钢集团对白云石品位及矿山生产能力要求的提高，部分低品位白云石( 主要为互层矿) 不能直接满足生产后续加工要求而堆积于采场内部，严重影响采场的有序推进及工作面作业效率，十分不利于矿山生产能力的提高。基于对矿石资源充分利用的原则，同时促进乌龙泉矿更加高效、高产的开采及长远的发展，对乌龙泉矿露天采场内互层矿开采的研究具有重大的意义。矿山常采用配矿技术提高低品级矿石的品位，使其能够投入生产。配矿按工作形式一般可分为采场内配矿、储矿堆场配矿和联合法配矿［1-3］。采场内配矿适用于高低品位矿石共存的采场，该方法简便易行、配矿成本低;储矿堆场配矿利于矿石转运、储存、分级和配矿，但其费用较高;联合配矿法是按照实际生产需要及经济成本在不同生产阶段采用其中1 种或者两种同时采用。典型的配矿控制方法有以供矿点均衡系数计算的配矿法和线性规划法等［4-6］。供矿点均衡系数计算的配矿法需经常调整供矿点的开采量，线性规划法计算简单，且能有效地解决传统人工配矿盲目性强且效果较差的问题，其应用更为广泛。

乌龙泉矿露天采场内高低品位矿石共存，矿石分布较为复杂，同时基于配矿成本及占地面积的考虑，选择采场内配矿方式，并以线性规划法建立互层矿配矿模型。采场内配矿简便易行、配矿成本低，但需协调好采场内各品级矿石的调配［7-9］。由于当前乌龙泉矿的工作面布置方式较为简单，工作面推进过程中没有考虑不同品级矿石的搭配问题，在开采互层矿时，不能保证其他配矿需要矿石的及时供给，难以实现采场内配矿方案在生产中的应用。

因此，要充分利用并开采互层矿，促进采场有序推进，同时满足新的生产能力需求，必须对乌龙泉矿露天采场的工作面布置进行优化。本研究基于采场内配矿技术方案对乌龙泉矿露天采场工作面布置进行优化，将采场内配矿技术方案应用在实际生产中，解决乌龙泉矿露天采场互层矿的开采生产问题，促进其采场的有序推进及生产能力的提高。

1 工程概况

乌龙泉矿露天采场东西长约3 150 m，南北长约650 m。乌龙泉矿以22 勘探线为界分为东、西两区，0～22 勘探线为东区，22 ～44 勘探线为西区，目前东区开采至55 m 水平，且43 m 水平已掘出200 ～300 m开段沟，西区开采至67 m 水平。乌龙泉矿工作线为纵向布置，即沿矿体走向布置工作线，工作线由北向南推进;东区工作面由东向西推进，西区工作面由西向东推进。采场内石灰石平均品位较高，其GaO 平均含量为52.25%，白云石中 MgO 平均含量17.97%，互层矿能够满足直接生产的条件为矿石中MgO 含量为10% ～14%，且MgO 和GaO 的合度在52%以上。乌龙泉矿露天采场内矿石种类及其品位、密度参数详情参见表1。

现阶段开采水平的矿体分布及采场内工作面布置如图1 所示。

表1 乌龙泉矿露天采场内矿石品位、密度Table 1 Grade and density of ores in open pit stope of Wulongquan Mine

根据当前武钢集团对乌龙泉矿的生产需求，乌龙泉矿逐步将矿石总产量至年产量400 万t(2015 年为350 万t) ，其中白云石160 ～180 万t( 含互层矿50 万t) ，石灰石180 ～220 万t。当前，乌龙泉矿露天采场内布置有3 个工作面，每个工作面配备1 台挖掘机，挖掘机生产能力为100 ～120 万t/a，其中西区67 m水平工作面和东区43 m 水平工作面正在工作，东区55 m 水平工作面因为互层矿区域难以推进而暂停工作，现阶段的工作面布置无法满足年产量400 万t 的生产能力新需求。由此可知，要实现采场内互层矿的开采、配矿、运输同步进行，促进乌龙泉矿露天采场的有序推进，同时提高矿山的生产能力，必须对乌龙泉矿露天采场的工作面布置进行优化。

2 乌龙泉矿采场工作面布置优化

根据乌龙泉矿开采水平现状、矿体分布的特点及近期开采需求，此次研究主要针对西区67 m 水平、西区55 m 水平、东区55 m 水平以及东区43 m 水平阶段进行分析。采用采场内配矿的形式对不能直接满足生产需求的互层矿进行配矿理论研究，利用线性规划法提出一套适合于当前乌龙泉矿露天采场的配矿技术方案，基于配矿技术方案优化采矿工作面，促进乌龙泉矿露天采场的有序推进及矿山生产能力的提高，使其满足武钢集团新的生产需求。

2.1 配矿技术方案

乌龙泉矿露天采场内互层矿能满足直接生产的条件为矿石中MgO 含量为10% ～14%，且MgO 和GaO 的合度在52%以上。石灰石参与配矿的目的是:若互层矿与白云石配比后合度仍达不到52%，此时可用一定量CaO 含量较高的的石灰石配矿以满足合度要求。故配矿方案主要是针对矿石中MgO 含量进行配比研究。乌龙泉矿白云石中MgO 含量一般为16.44% ～18.80%，互层矿中MgO 含量一般为2.00% ～14.00%。根据生产需求，只需对MgO 含量低于10%的互层矿进行配比即可。

利用线性规划数学模型一般可求出配矿问题的精确解，但其要求调度时进行准确计量，然而在实际生产过程中，现实约束条件使配矿不能按理论精确进行，这里采用一种简化理论建立配矿模型。根据地质报告及现场调研数据分析，应用配矿模型确定石灰石、白云石及互层矿中各组分变化。分析表明: 在白云石MgO 品位一定条件下，所需白云石和互层矿质量配比( m2∶ m3) 与互层矿MgO 品位呈负相关;在互层矿MgO 品位一定条件下，所需白云石和互层矿质量配比( m2∶ m3) 与白云石MgO 品位呈负相关。结合乌龙泉矿露天采场内各品级矿石参数，将各参数输入已建立的Excel 计算模型中进行求解，得到满足配矿需求的最优解。计算得到乌龙泉矿露天采场互层矿配矿技术方案总结如表2 所示。

表2 乌龙泉矿露天采场互层矿配矿技术方案总结Table 2 Ores blending schemes of interbedded ore in open pit stope

表2 给出了MgO 含量低于10%的互层矿与MgO含量在16.44% ～18.80%的白云石的配比关系，且将配比换算为配矿车比。在开采过程中，根据工作面正在开采的互层矿和白云石的品位，对照表2 查看其配矿车比，可快速完成互层矿的配矿工作，并将其运出采场，有利于工作面及采场按开采计划推进。

2.2 工作面布置优化

乌龙泉矿是一个已投入生产多年的大型露天矿山，其整个生产系统不宜重新规划，故乌龙泉矿露天采场工作面的布置方案应在现有工作面布置的基础上进行优化。由图1 可知:西区矿体分布主要为石灰石;东区主要矿体为白云石和石灰石，互层矿主要分布在白云石和石灰石交接处。生产过程中，要保证采场的有序推进及矿石运输，不允许采场中和卸矿平台处有大量的矿石堆积，在开采互层矿时，需通过配矿使其满足生产需求并及时运出采场。同时东、西区开采水平相差近2 个台阶，不利于采场设备的调配即长远的发展。因此，工作面的布置原则为: ①满足乌龙泉矿年产量的需求;②保证配矿时各类矿石的及时供给;③有利于缩小东西区的水平高差。其中，要保证配矿时各类矿石的及时供给，必须确保在开采互层矿时至少有3 个不同的采装工作面同时工作:1 个采掘石灰石，1 个采掘白云石，1 个采掘互层矿。

根据乌龙泉矿采场现状及工作面的布置原则，得到工作面布置优化方案为:①工作线布置方式及工作面推进方式不变;②工作面布置总数为5 个，每个工作面配备1 台挖掘机，挖掘机可以根据生产需求相互调配，可以满足新的生产需求; ③3 种矿石分布区域均需布置至少1 个工作面，可以保证配矿时各类矿石的及时供给;④西区布置2 个工作面，有利于缩小东西区的水平高差。优化后的工作面布置如图2 所示。

图2 中，1#工作面为西区67 m 阶段水平的采装工作面，主要开采石灰石;2#工作面为西区43 m 水平的采装工作面，主要开采白云石;3#工作面为东西43 m 阶段水平的采装工作面，该工作面开采区域矿石分布较为复杂，且其中互层矿较多; 4#工作面为东区55m 水平的采装工作面，该工作面继续推进55 m 水平平台，该区域矿石主要为石灰石和互层矿;5#工作面为西区55 m 阶段水平的采装工作面，5#工作面需在1#工作面推进一定平台宽度后，待西区55 m 开段沟掘出部分才能开始工作。

由矿石分布可知，互层矿主要分布在东区，在近期的开采中，3#工作面和4#工作面在推进过程中会开采到互层矿。若开采时互层矿不能够直接生产，则需要配矿处理。3#工作面和4#工作面采掘互层矿时，配矿需要的白云石主要由2#工作面生产，石灰石主要由1#工作面生产，并需要几个工作面同时工作。同时，乌龙泉矿露天采场东区平台长度约是西区的2倍，东区布置有3 个工作面，西区布置有2 个工作面，该工作面布置形式有利于东西开采水平高差的缩小。

2.3 基于优化方案的露天采场规划

针对乌龙泉矿近期的开采计划，结合互层矿的配矿技术方案，将优化后的工作面布置方式应用于乌龙泉矿露天采场的实际生产计划中，对露天采场进行规划。乌龙泉矿近期年产量要求为400 万t(2015 年为350 万t) ，其中石灰石240 万t，白云石160 万t( 含互层矿50 万t) 。根据工作面布置优化方案( 如图2 所示) ，乌龙泉矿露天采场内一共布置有5 个采矿工作面，每个工作面配1 台挖掘机，1#工作面、2#工作面、3#工作面、4#工作面、5#工作面的挖掘机编号分别为N1、N2、N3、N4、N5，挖掘机可以根据生产需求相互调用。每台挖掘机的生产能力为100 ～120 万t/a，考虑到一定的废石剥离量，每台挖掘机开采矿石的生产能力约为90 万t/a。根据优化后的乌龙泉矿露天采场的布置形式，对乌龙泉矿近3 a 的生产计划做出安排，其中，每台挖掘机近3 a 的生产能力如表3 所示。

表3 近3 a 各挖掘机生产能力安排Table 3 Production capacity arrangements of excavators in recent years 104 t

根据矿体分布及工作面布置方式( 见图2) 可知，单个工作面所在区域有足够的矿石资源，可以满足各个挖掘机的年生产能力的安排。由表3 可知，应用上述工作面布置优化方案，乌龙泉矿露天采场2015 年矿石产量为350 万t，其中石灰石190 万t，白云石160万t( 含互层矿50 万t) ;2016 年矿石产量为410 万t，其中石灰石250 万t，白云石160 万t( 含互层矿50 万吨) ;2015 年矿石产量为350 万t，其中石灰石250 万t，白云石160 万t( 含互层矿50 万t) 。由上述生产计划可知，优化后的露天采场规划较为合理，可以满足乌龙泉矿新的生产需求。

3 结 论

(1) 选择采场内配矿的工作形式，采用线性规划法构建了适用于当前乌龙泉矿互层矿生产的配矿技术方案;采场内配矿的技术方案从理论上解决了不能直接满足生产需求的互层矿的开采问题，提高了低品级矿石( 互层矿) 的利用率，且其充分利用了采场内部矿石参与配矿，配矿成本较低。

(2) 基于配矿技术方案，对乌龙泉矿露天采场工作面的布置进行优化，实现了配矿技术方案在生产中的应用，优化后的工作面布置方案能有效地提高矿山的生产能力及作业效率，在满足新的生产需求的同时，促进采场的有序推进，有利于缩小东西区开采水平高差。

(3) 结合互层矿的配矿技术方案，将优化后的工作面布置方式应用于乌龙泉矿露天采场的实际生产计划中，重新对露天采场进行规划，规划结果表明优化后的工作面布置能够满足乌龙泉矿近期的生产需求，可以达到预期的效果。

(4) 基于采场配矿技术的工作面布置优化方法解决了乌龙泉矿互层矿的开采问题，该工作面布置优化方法可以应用于类似于乌龙泉矿( 采场内多品级矿石共存、有配矿需求) 的露天矿山。

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