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采礦常識:露天金屬礦采選聯合優化的研究進展

2017-09-04 09:34 [采礦] 來源于:中國礦業114網
導讀:開展采選聯合優化,關鍵是根據采場的地層環境、巖石性質、構造發育情況、炸藥性能等因素,通過調整、優化爆破參數及裝藥結構,使采選的總成本最優。?首次提出了礦業工程包含采礦、選礦及冶煉等三個階段。...

      開展采選聯合優化,關鍵是根據采場的地層環境、巖石性質、構造發育情況、炸藥性能等因素,通過調整、優化爆破參數及裝藥結構,使采選的總成本最優。?首次提出了礦業工程包含采礦、選礦及冶煉等三個階段。?

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   國際上最早關于采礦方面的著作是由Georgius Agricola于1556年所著的《De Re Metallica》,該書首次提出了礦業工程包含采礦、選礦及冶煉等三個階段。在此后的數百年里,上述三個階段的生產技術及工藝流程發生了天翻地覆的變化,各個階段的技術人才也逐漸趨向于專業化,人才培養方面則按照上述三個階段分別設置了采礦工程、選礦工程及冶金工程等三個專業。

  隨著技術及人才的專業化,各階段之間的屏障逐漸加大,彼此之間的交互也逐漸減少。因此,采礦工程師的主要目的演變為用最低的成本獲得選礦所需的礦石塊度,卻并不思考礦石塊度對后續選礦效率及選礦能耗的影響;而選礦工程師則想盡辦法用最低的能耗提取出最多的有用礦物,但卻不會將采礦與選礦進行綜合考慮,提出采選總成本最低的工藝流程及相關控制指標。

  20世紀90年代初,國外率先提出了基于采選總成本的聯合優化理念,并將該理念稱之為Mine to Mill(M2M),即從采礦到磨礦。澳大利亞冶金礦業協會(AusIMM)、澳大利亞優化資源開采合作研究中心(CRC ORE)、昆士蘭大學可持續資源研究所的JKMRC中心,是M2M的主要倡導者。

  一般而言,從礦石到最終可銷售的產品,需要經歷鉆孔、爆破、鏟裝、運輸、破碎、碾磨、提純等多個階段。其中,鉆孔及爆破是上述生產鏈條中的重要環節,爆破后的破裂塊度、爆堆形態、松散度、碎塊內的損傷程度等將直接影響下游各工序的生產效率。因此,開展采選聯合優化,關鍵是根據采場的地層環境、巖石性質、構造發育情況、炸藥性能等因素,通過調整、優化爆破參數及裝藥結構,使采選的總成本最優。

  1采選聯合優化的內涵及發展歷程

  早在1998年由AusIMM組織的M2M會議上,Scott等人便提出了采選聯合優化的思想,并指出統籌設計時需要關注如下幾點:礦體特征、經濟優化、礦石到產品的全鏈條跟蹤、礦石特征對開采效率及破磨效率的影響、現場實驗的重要性及必要性。隨后,Scott等人對M2M進行了較為全面的闡述,并指出M2M涉及從采場礦石破碎過程到最終選礦提純過程的全鏈條優化。

  Adel等人提出了類似的概念,認為M2M是一個對采礦到磨礦進行整體優化設計的方法,它的目的是用最小的能量消耗實現礦物破碎粉化的全過程。McCaffery等人則指出,M2M是一項需要長期堅持的日常工作,需要對采礦工序及破磨工序進行長期記錄,進而掌握礦體性質及采礦參數對破磨產量、生產效率及成本消耗的影響規律。

  國內關于采選聯合優化的研究主要偏向于地下采礦,并將其稱之為地下采選一體化。地下采選一體化,即通過將采礦過程及選礦過程全部集中于地下,實現礦石的單一提升和廢石在井下的內部轉化,從而達到開采成本與能耗的“雙降”。邵安林對地下采選一體化系統的概念、構成、適用條件、應用案例及未來發展趨勢等進行了詳細論述,孫豁然等則根據本溪某深部鐵礦提出了具體的地下采選一體化實施方案,苑占永等則對地下采選一體化實施過程中采充平衡的臨界品位進行了深入研究。綜上,地下采礦中的采選一體化設計,更偏向于空間位置的一體化,通過在地下設置選礦系統,實現了礦巖混合體的隨采、隨選、隨填,從而提升了采選效率,節省了采選成本。然而,國內關于露天礦采選聯合優化的研究較少,僅有部分學者考慮了爆破對后續機械破磨效率的影響,并提出了“以爆代破”、“以破代磨”等理念,并在一些礦山開展了少量的試驗性研究。

  總體而言,采選聯合優化的發展可以分為三個階段。第一階段(1990-2000)著重采用計算機模擬的方法研究M2M在減少能耗及降低綜合成本方面的潛力。第二階段(2000-2010)以不同類型礦區大量的應用案例為特點,模擬方面則將采礦爆破中的塊度模型納入了M2M。第三階段(2010至今)借助信息技術及物聯網技術,重點關注現場海量地質數據及選礦數據的利用,將所獲得的大量數據納入分析模型中不斷反饋迭代,對M2M的方案進行動態調整,從而指導生產計劃。

  2采選聯合優化中的關鍵技術

  M2M的主要理念是將采礦與選礦進行綜合考慮,達到總成本最優。為了更好地實現這一目的,需要借助一系列的技術及手段。其中,計算機模擬分析技術在爆破的優化設計、爆破效果的評價、破磨過程的控制及礦巖塊度的實時監控等方面發揮著重要的作用,是采選聯合優化中的關鍵技術。

  2.1爆破優化設計軟件

  爆破優化設計軟件是進行爆破設計及爆破方案預演的有效手段;爆破工程師可以借助此類軟件進行復雜地形下的炮孔設計及起爆網絡設計,預先查看爆破參數及起爆網絡的合理性;國外的部分軟件通過與數碼雷管的聯合,可直接實現數字起爆;部分優化設計軟件更兼有爆破過程模擬、爆破震害分析及爆破效果的簡易預測功能。現就國內外比較典型的幾款爆破優化設計軟件進行簡要介紹。

  SHOTPlus是由澳大利亞的澳瑞凱(Orica)公司研發的適用于礦山日常生產設計的爆破優化設計軟件,該軟件目前已經發展到了第5代(SHOTPlus 5)。SHOTPlus 5實現了爆破的全三維設計,用戶可根據需要設置三維爆破區域,指定炮孔尺寸及位置,選擇炸藥類型及裝藥方式,設計起爆網絡及延時分配,通過與電子起爆系統i-kon的關聯,實現數字起爆;此外,SHOTPlus 5還提供了聯網分析爆破振動的功能。

  JKSimBlast是由昆士蘭大學可持續資源研究所研發的一款用于礦山爆破開采設計及信息管理方面的通用軟件。該軟件適用于將爆破工程師日常的爆破作業標準化,并將爆破工程師的爆破經驗定量化。該軟件可為爆破工程師提供爆破輔助設計、起爆過程模擬及爆破效果的簡易預測等功能。該軟件包含了用于臺階爆破的2DBench、用于地下爆破的2DRing、用于隧道爆破的2DFace、用于爆破分析的2DView、用于時間分析的TimeHEx及用于爆破管理的JKBMS等多個模塊。

  BLAST-CODE是由北京科技大學璩世杰教授團隊研發的一款爆破設計軟件,該軟件的主要特點是可以綜合考慮多種復雜因素對爆破效果的影響,并據此進行臺階爆破的計算機自動設計或人機交互設計。該軟件可綜合考慮的復雜因素包括:爆區地形、臺階自由面條件、礦巖物理力學性質、地質結構構造特征、炸藥爆炸性能等。優化設計完畢后,該軟件可自動生成爆破指令書、炮孔布置圖、爆破參數計算表等。

  2.2爆破效果分析預測技術

  數值模擬是開展爆破效果分析的主要手段,國內外的專家學者對數值模擬技術在爆破工程中的應用開展了大量的研究,取得了豐碩的成果。其中,比較典型的可用于露天礦爆破分析的數值模擬方法及軟件包括來自澳大利亞澳瑞凱公司的MBM及DMC軟件,來自美國ITASCA公司的Blo_Up軟件,以及來自中國科學院力學研究所的CDEM軟件。

  MBM(Mechanistic Blasting Model)是有限元與塊體離散元相結合的數值模擬軟件,目前該軟件僅能計算二維問題。該軟件的主要功能包括爆破誘發巖體損傷、破裂、破碎過程的分析,爆破塊度的分析,拋擲過程分析,以及爆堆形成過程的分析等。該軟件的第一版由Minchinton、Lynch在ICI公司研發(Minchinton等,1997)。

  DMC(Distinct Motion Code)是基于顆粒離散元的露天礦爆破效果數值模擬軟件,目前該軟件可以計算二維及三維爆破問題。DMC的主要功能包括:模擬拋擲、堆積過程,給出爆堆形狀,預測礦巖分選爆破的效果等。該軟件的早期版本來自美國Sandia實驗室,由Taylor及Preece在1989年完成了二維代碼的開發;Preece后來就職于Orica,研發形成了三維DMC代碼,并于2015年成功應用于拋擲爆破的模擬。

  Blo_Up(Blast Layout Optimization Using PFC3D)主要由ITASCA公司進行研發,是HSBM(Hybrid Stress Blast Model)項目研究成果的集中體現。HSBM是一個工程爆破全過程的數值模擬框架,可以對爆破破巖的全過程進行三維全尺度的模擬。它將理想/非理想爆轟模型與巖土力學模型相耦合,早期的力學模型采用顆粒流(PFC3D),后期采用格子模型(Lattice model)。HSBM項目起始于2001年,項目成員包括ITASCA軟件公司、昆士蘭大學、帝國理工大學、劍橋大學等,項目的贊助商包括De Beers、AEL、Codelco及Dyno Nobel等。

  CDEM(Continuum Discontinuum Element Method)是中國科學院力學研究所李世海研究團隊自主研發的連續-非連續數值模擬軟件。該軟件將連續介質模型與非連續介質模型進行有機結合,通過朗道點火爆炸模型及JWL點火爆炸模型,實現了爆炸載荷的精確施加;通過塊體邊界及塊體內部的斷裂,實現了爆破載荷下巖體破裂破碎過程的精確模擬;通過半彈簧-接觸邊模型,實現了破碎塊體間碰撞過程及堆積過程的快速計算;通過基于CUDA的GPU并行及基于OpenMP/MPI的CPU并行,實現了爆炸破巖過程的高效模擬。目前,CDEM軟件已成功模擬了不同炸藥單耗、孔網參數、起爆順序下的爆破效果,給出了不同爆破參數下的礦巖塊度分布情況及爆破振動情況。

  2.3機械破磨過程的分析及控制技術

  選礦過程中一般涉及到礦巖的初破、中碎、細碎及碾磨等階段,為了保證破磨過程的順利進行,需要對各工序的設備投入量、各工序的銜接過程等進行優化設計,并需要在生產過程中根據塊度及巖性對各類設備的工作狀態進行動態調整。目前,較為經典的破磨過程分析控制軟件是由昆士蘭大學可持續資源研究所研發的JKSimmet。

  JKSimmet可以滿足選礦廠和冶金工作者的各種需要,設計工程師們可以利用JKSimmet對選礦的各個過程進行準確模擬,以便對各類選礦廠的設計進行科學評價。該軟件可以對圓錐破碎機、旋回破碎機、顎式破碎機、棒磨機、球磨機、自磨/半自磨、單層篩、DSM篩、水力旋流器、耙式分級機、螺旋分級機、分礦器、礦漿泵池、礦堆、礦倉等單元模型進行有效的模擬。

  MinOOCad由Herbst及Pate等人開發,主要用于破磨流程的設計及生產效率的預測。該軟件的特點是根據實時監測數據動態調整各階段的預測模型,并通過內置的過程控制系統實現在線決策。

  2.4礦巖塊度監控分析技術

  為了精確掌握不同階段的礦巖塊度分布情況,需要采用視頻/照相技術及圖像處理技術對爆堆表面的塊度進行統計分析,并利用視頻監控分析技術實時分析出鏟裝、破磨等不同工序下的礦巖塊度。

  Split-Desktop及Split-Online是由Split Engineering公司開發的兩套監控分析集成軟件系統。Split-Desktop主要用于爆破后爆堆表面塊度的統計分析,軟件可對爆堆圖像進行自動校正,提取出巖塊信息,并最終給出塊度分布曲線。Split-Online則偏重于實時監控,通過在破磨工序的關鍵點上布設相應的視頻監控設備,實時捕獲不同關鍵節點上的塊度分布情況,從而提升對整個破磨流程的控制。

  3降低采選總成本的關鍵因素

  眾所周知,在采礦工程中,爆破是實現礦巖破碎的第一步。澳大利亞每年用于巖石破碎的炸藥量高達100萬t,美國的炸藥用量為300萬t,中國每年的炸藥用量在400萬t左右,上述炸藥用量中的85%用于采礦工程。爆破作為礦巖粉碎過程的第一道工序,在巖石破碎及碾磨的能量消耗中起著重要的作用。顯而易見,提供給初破機的爆破碎塊尺寸越小,則后續機械破磨的能耗就越小;單個碎塊內的可見裂縫及微損傷越多,則后續破磨的能量消耗也會減小。

  因此,Brent等提出了超高強度爆破(ultra-high intensity blasting,UHIB)的概念,通過數倍于傳統爆破的炸藥單耗,達到獲得較小塊度及較大塊內損傷的效果。為了減小高單耗爆破時產生的振動及飛石,Brent等通過在爆區的特定位置設置一定深度的若干半截孔并先行起爆,造成具有一定厚度的破碎層,而后進行主孔網絡的起爆,從而保證主孔爆破產生的能量被松散墊層均勻地吸收。Hawke等提出了高單耗下提升爆破安全性的預條件法,通過將本次爆破的鉆孔超深增大至填塞長度,為下一次的爆破提供預處理的破碎層。

  澳大利亞礦業行業研究協會的Ziemski指出,當爆破能量提升4-5倍,機械粉碎的能量將減少25%以上,整個選礦的成本將節省20%以上,粉碎設備的生產效率將提升25%以上。

  Gaunt等對老撾Ban Houayxai金銀礦的采選聯合優化開展了大量的研究。結果表明,大單耗及高臺階,將有助于減少爆破塊度,提升碾磨效率;炸藥單耗從0.8kg/m3增加至1.4kg/m3(單耗提升75%),硬質原生礦的平均碾磨效率可提高46%;臺階高度從5m增加至10m,平均研磨效率可提升24%。相關實驗還表明,炮孔直徑越小,可以獲得更均勻的爆破塊度。

  伊朗Gol-e-Gohar鐵礦傳統爆破開采時的間排距為5m×6m,Kerman大學的Hakami等采用4m×5m的間排距進行了9次實驗,發現當炸藥單耗從0.11kg/m3增加到0.16kg/m3時(單耗提升約45%),自動及半自動碾磨機的碾磨效率增加了5%到30%,且能量消耗減小了4%到21%。

  Gold Fields公司在秘魯的Cerro Corona銅金礦采用美卓的工藝技術和創新方法(PTI),開展了爆破、破碎及碾磨的聯合優化研究;結果表明,炸藥單耗從0.67kg/m3增加至1.6kg/m3(單耗提升約139%),特定礦石的破磨效率可提升19.4%,所有礦石的平均效率可提升5.7%。

  礦業巨頭英美資源集團(Anglo American)在巴西戈亞斯(Goiás)的磷酸鹽礦開展了爆破-碾磨聯合優化的研究,利用軟件及現場測量探討了爆破參數對爆破塊度的影響規律,并對礦山進行爆破分區;對于含有硅酸鹽的硬質礦石,當鉆孔間排距從3.0m×3.8m減小到2.0m×2.6m,爆破塊度分布中的P80指標可降低40%左右(從459mm到278mm);對于沒有硅酸鹽的硬質礦石,當鉆孔間排距從3.0m×3.8m減小到2.6m×3.2m,P80減少了25%(從270mm到204mm);此外,當鉆孔間排距減小時,用于破碎及碾磨的能耗也將明顯降低。

  Asgari等在伊朗Sungun露天銅礦的7個臺階開展了炸藥單耗與碾磨能量消耗的對應關系研究。研究結果表明,當炸藥單耗增加20%,爆破成本將會增加0.04美元/噸,而碾磨的耗電量將減小0.096美元/噸。

  Lam等對巴布亞新幾內亞的Porgera露天金礦進行了研究,炸藥單耗從0.24kg/t增加至0.38kg/t(單耗增加約58%),半自動碾磨機(SAG)的產量從673t/h增加至774t/h,產量提高了15%。

  澳大利亞的Fimiston金礦,炸藥單耗從0.58kg/t增加至0.96kg/t(單耗增加約66%),乳化炸藥的爆速從4550m/s增加至6000m/s,半自動碾磨機(SAG)的產量從1100t/h增加至1300t/h,產量提升了18%。

  國內關于M2M的工程實踐較少,僅齊大山鐵礦于1992年進行了“以爆代破”的初步嘗試,通過優化爆破設計,當炸藥單耗增加20%-30%,電鏟裝車時間縮短了6.9%,粗破碎的小時處理量提高了3.9%,中破碎的小時處理量提高了3.9%。9個月的實驗過程中,采選系統的直接經濟效益210萬元。

  總體而言,增大炸藥單耗可在很大程度上提高后續機械破磨的生產效率,并降低生產能耗;當炸藥單耗提升1-3倍,破磨生產效率可提升20%以上,能量損耗可減少20%以上。

  4采選聯合優化的發展趨勢

  筆者認為,未來露天金屬礦的采選聯合優化設計,主要是借助計算機模擬技術、現場實時監測技術及無線通訊技術,通過監測數據與計算機模擬的耦合反饋,將采礦過程與選礦過程進行統籌優化,從而達到采選總成本最優的目的。

  具體地,即是將現場實時獲得的各類信息(如打鉆信息、爆破信息、鏟裝信息、運輸信息、破碎信息、碾磨信息等)通過無線通訊技術傳輸至計算中心;計算中心的高性能計算機對海量的監測數據進行快速處理及深度分析,并利用采選聯合優化智能分析控制軟件系統(包括數據識別、圖像分析、爆破優化設計、爆破效果預測、機械破磨流程控制等多個模塊)開展優化模擬,給出各工序的最佳工作指標建議,并預測出各環節的能量消耗及成本消耗;軟件將相關控制參數通過無線網絡分發給各類采選設備,而采選設備按照新的工作參數開展作業。

  5結語

  (1)采選聯合優化的理念是將采礦與選礦進行綜合考慮,達到總成本最優。開展采選聯合優化,關鍵是根據采場的地層環境、巖石性質、構造發育情況、炸藥性能等因素,通過調整、優化爆破參數及裝藥結構,降低采選的總成本。

  (2)計算機模擬分析技術在爆破的優化設計、爆破效果的評價、破磨過程的控制及礦巖塊度的實時監控等方面發揮著重要的作用,是采選聯合優化中的關鍵技術。

  (3)大量的模擬結果及實踐經驗表面,增大炸藥單耗可在很大程度上提高后續機械破磨的生產效率,并降低生產能耗;當炸藥單耗提升1-3倍,破磨生產效率可提升20%以上,能量損耗可減少20%以上。相關研究還表明,高臺階及高爆速也將有助于礦巖的破碎,并提升后續機械破磨的效率。

  (4)基于監測數據及計算機模擬的采選聯合動態優化模式將是未來的發展趨勢,物聯網技術及海量數據的深度分析技術將是實現采選智能調控的關鍵。

 

(編輯:wlgc0812)

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