0  引  言

中国磷矿资源禀赋差，贫矿多富矿少，不能直接利用的资源储量高达110亿吨；同时中国又是世界上第一大磷肥生产国家，每年消耗磷矿7000万吨以上。其结果是在磷矿开采行业中的多数中小磷矿企业，势必采用见效快的“采富弃贫”开发模式。我国磷矿大型矿山企业占开采企业总数的3.85％，中型矿山企业占15％，形成“小、多、散”局面。大多数矿山企业技术进步缓慢，生产装置落后，劳动生产率低^[1-3]。

随着开采强度提高，富矿资源急剧减少，资源开发进入了从直接利用高品位原矿向利用中低品位磷资源快速过度期。富矿供应趋紧，剩余富矿仅能维持十年左右的时间，中低品位矿开发利用将成主流。由于“采富弃贫”，每年损失的中低品位磷矿石达1.5亿吨；这不仅造成磷矿资源极大的浪费，而且开采中诱发的地表开裂、崩塌、滑坡、地压、不均匀沉降与流动等灾变危害频繁发生，矿山生态环境破坏也日趋严重。因此，加强磷矿高效安全开采、特别是绿色采矿工艺技术的研究，是实现磷矿业可持续健康发展的需要^[4,5]。

本文我国最大的露天磷矿开采企业云南磷化集团有限公司为工程背景，依据露天开采具体的地质采矿条件，依据露天采矿工艺发展历程，在参考国内外露天矿山采矿工艺发展的基础上，对未来我国露天磷矿山开采过程中可能出现的采矿工艺及发展方向进行研究。以达到最低事故率、最少损失和最优的安全投资效益的目的，相关结论可为云南磷化集团有限公司所属矿山及类似条件的磷矿山露天开采工程项目的顺利建设和安全生产提供科学依据，以利于提高我国露天开采工程项目的经济效益与安全程度，最终实现磷矿资源的安全高效开采。

1  露天磷矿露天开采工艺系统现状

固体矿物开采方式分为露天开采和地下开采两种方法。露天开采因其具有作业安全、劳动条件好、作业空间不受限制、规模大、自动化程度高、劳动生产率高、开采成本低、投资少、资源利用率高、机械化、自动化水平高等诸多优点，世界各类矿物总量之中，约有80%采用露天开采方式，而决定露天开采经济、技术、环保水平的则是露天采矿工艺。

我国磷矿开采方式分为露天和地下开采两大类。露天开采出矿量约占磷矿总产量的40%，云南、贵州、湖北等省的几个大型露天磷矿（云磷、瓮福、大裕口）的开采技术已达到或接近世界同类矿山的先进水平，矿石回收率能达到95%左右。但大部分露天中小型矿山技术较落后，矿石回收率不到70%，有的小型矿山采富弃贫，其回收率甚至不到30%。

露天采矿工艺系统主要包含穿孔爆破、采掘与装载、运输、排土以及复垦植被等环节。由于地形、矿床复层情况不同，要根据具体的情况研究采矿工艺方案，选择采矿工艺形式，才能使露天采矿取得最佳的经济效果。从我国露天开采的发展历史来看，经历了人工采掘—机械化采掘工艺—大型机械化采掘工艺—半连续化采掘工艺—半连续化采掘工艺等五个发展阶段。露天开采的发展历史取决于采矿工艺的现代化，采矿工艺占有主要地位^[6,7]。不同的采矿工艺含有不同的采、运、排设备的配套。随着机械化、自动化水平的提高，今后还会有新的采矿工艺不断出现。

2 露天磷矿山现有采矿工艺评估

爆破—单斗—火车工艺、爆破—单斗一汽车工艺、爆破—单斗一汽车—胶带输送机工艺、爆破—箕斗工艺、爆破—索道工艺、爆破—单斗一汽车—固定破碎站—胶带输送机工艺、爆破—单斗一汽车—半固定破碎站—胶带输送机工艺、爆破—单斗一汽车—移动定破碎站—胶带输送机工艺为当今世界上露天磷矿山的几种主要采矿工艺^[8,9]。随着采矿业的迅速持续发展，采用两种或两种以上生产工艺进行资源日发的露天矿山已经不再鲜见，综合生产工艺以其广泛的适应性保证了各个单一采矿工艺在条件适宜的情况下发挥各自的优点并以其逐渐稳固的可靠性和带来经济效益日益得到国内众多露天矿山的青睐。

总体来讲，露天磷矿山的各类采矿工艺具有以下优缺点^[8,9]：

① 间断式采矿工艺

间断式采矿工艺如：爆破—单斗—火车工艺、爆破—单斗一汽车工艺、爆破—索道工艺、爆破—箕斗工艺存在着劳动生产率低、产能小、消耗高、运营费用高、机械化与自动化程度低等缺点，特别是；爆破—索道工艺、爆破—箕斗工艺、爆破—单斗—火车工艺基本上只能在小型矿山使用，大中型矿山基本淘汰。但间断式采矿工艺具有适应复杂地形能力强、灵活多变、工序简单、操作能力强的特点，在国有大中型矿山中依旧在大量使用，特别是爆破—单斗一汽车工艺以及其改进后的爆破—单斗—索道（箕斗）一汽车工艺在磷矿厚度不大、排土场空间变化频率高、狭长、地形复杂的山坡露天磷矿依旧具有广括的应用空间。

② 半连续采矿工艺

半连续采矿工艺如：爆破—单斗一汽车—胶带输送机工艺、爆破—单斗一汽车—固定破碎站—胶带输送机工艺、爆破—单斗一汽车—半固定破碎站—胶带输送机工艺、爆破—单斗一汽车—移动定破碎站—胶带输送机工艺，具有劳动生产高、产能大、消耗低、运营费用低、机械化与自动化程度高、适应能力强等优点，在国有的大型、特大型露天磷矿山中正逐步广泛推广应用；但半连续采矿工艺存在着工序复杂、工人操作能力弱、对复杂地形适应能力差的特点，在国内众多中小型露天磷矿采矿中仍旧未能推广应用。

③ 连续采矿工艺

连续采矿工艺如：单斗—移动式破碎站一移动式胶带输送机工艺、单斗—移动式破碎站一移动式架空索道—移动式胶带输送机工艺，具有劳动生产高、产能大、消耗低、运营费用低、机械化与自动化程度高、安全程度高等优点，在国外以及国内大型露天煤矿中应用广泛，但存在对于复杂地形适应能力差，特别是采场与排土场空间频繁变动情况下，搬迁费用成本过高，在国内部分大型露天矿山以及众多中小型露天磷矿采矿中仍旧未能推广应用。

1.3露天磷矿山采矿工艺未来发展方向^[10,11]

① 联合采矿工艺

露天磷矿山进入深凹开采阶段后，其地形条件将更为复杂，软覆盖层、中等坚硬顶板岩层、坚硬顶板岩层、软弱矿石、中等坚硬矿石、坚硬矿石、辅助人员、机械与物料等均会采用不同的采矿工艺，以单斗电铲采掘—移动式破碎—胶带运输机运输—排土机排土为代表的半连续工艺得到了越来越广泛的应用；箕斗、索道、汽车等间断式采矿工艺将作为辅助采矿工艺环节发挥重要作用。

② 以露天采矿机为核心的新型采矿工艺^[10,11]

为避免大型设备难以选采的缺点，根据公路施工和井下连续采矿机组作业原理，在 20 世纪七八十年代的露天采矿工程中出现了一类连续作业的采掘设备—露天采矿机（也称露天刨矿机），它是一种新型露天采矿设备，具有连续开采、选采、合并穿爆甚至破碎环节等优点，从而大幅度提高劳动生产率，增强矿山生产能力。露天采矿机采用水平逐幅逐层开采的工作方式，从而能够实现精确、稳定的选择性开采。因其良好的性能，在美国、澳大利亚、加拿大、南斯拉夫和德国等许多国家的褐煤、石灰石矿、铝土矿、磷矿石、白云石矿、油页岩矿、石

膏矿、粘土等中等硬度矿产资源的开采中露天采矿机得到了广泛应用。作为一种连续开采设备——轮斗挖掘机能够连续的采掘物料，但是受自身结构的限制，采掘物料的硬度一般小于 10MPa，这就大大的限制了露天矿连续工艺的应用范围。而露天采矿机的有效切割强度可达 80~100MPa，将露天矿连续工艺的应用范围从10Mpa提高到了80Mpa，从而实现了坚硬物料的连续式开采。

露天采矿机在我国露天矿使用处于起步阶段，主要应用于煤矿、石灰石矿。2009年第一家吃螃蟹的应用单位：神华北电胜利能源有限公司购置有一台维特根2200／3800SM型露天采矿机，用于破碎硬度较大的6#煤层和5#煤层选采。根据现场使用的情况看，露天采矿机可以大大简化传统的采矿工艺环节，提高资源回采率，降低生产成本，经济效益非常显著。

针对目前露天磷矿在开采过程中存在的各种问题，采用新兴露天矿开采设备露天采剥机可实现连续化或半连续化开采，可明显提高露天采剥效率，若将高压水射流技术应用于露天采剥机可使其开采矿石硬度进一步增大，采用汽车、大倾角胶带运输机组成的运输系统与之配合使用，既可发挥汽车机动灵活的特点，又可发挥大倾角胶带机运输能力大，费用低等优点，可大大提高矿山的生产效益，从而达到节约成本，高效开采的目的。露天采剥机半连续或连续开采技术在石灰石矿山的应用可推动我国磷矿开采技术的快速发展，可为在石灰石矿以外的其他中硬岩及软岩露天矿山推广使用提供借鉴。

按生产的矿岩物料流的性质，露天矿生产工艺可分为连续的、半连续的和间断的。针对不同的矿山开采条件，选用不同的露天矿山机械，可与露天采剥机配合组成连续和半连续工艺系统。

（l）连续开采工艺系统

连续式开采工艺流程，其系统的组成为：露天采剥机一胶带输送机一排土机（或堆取料机）。为了减少工作面胶带机的移设次数，扩大采剥机的作业范围，可在工作胶带机与采矿机之间设转载机。露天采剥机连续工艺系统与由轮斗电铲组成的连续工艺系统有基本相同的特点和适用条件，但露天采剥机具有挖掘中硬(普氏硬度系数f=5~8)矿岩的优点。这就意味着露天采剥机的应用扩大了连续开采工艺的应用范围。

（2）半连续开采工艺系统

在露天矿生产中，半连续开采是近三四十年来兴起的一种适应性强、优点突出、比较先进的开采工艺。由连续工艺和间断工艺两种开采工艺基础上发展起来的半连续开采工艺系统，同时具有连续工艺和间断工艺的优势，能解决中硬、硬矿岩的开采，适应性强，能连续运输矿岩，扩大生产规模和降低生产成本，因此被公认为国际采矿界“最有生命力”的采矿工艺。

目前国内外常用的半连续露天采矿工艺有：单斗—卡车—半固定式破碎站—带式输送机；单斗—移动式定式破碎站—带式输送机。露天采矿机采出的矿岩块度在300mm以下，完全可以满足胶带输送机的要求，从而可以取消半连续采矿工艺中的破碎站，形成如下工艺系统：露天采矿机—(装载机)—汽车—（带式输送机）—排土机（或堆取料机）。这一采矿工艺既可发挥采剥机连续作业的高效率，又可发挥汽车短运距机动灵活的优点，效率高、成本低、组织管理简单。因此，它是矿体赋存条件复杂，选采或分采要求较高的矿山的理想工艺方式。

③ 机械化、自动化、智能化采矿工艺

采矿设备发展的总趋势是大型化、智能化。目前国际特大型露天矿山主流铲车设备系列已达到：单斗电铲：斗容40-60m³，自卸卡车：载重量280-360吨。国外矿山已广泛推广应用无轨化采矿技术，铲运机的载重能力大，整机性能、可靠性、生产效率、舒适度和自动化程度都很高。

信息技术应用，用数字化、仿真虚拟技术再现矿床模型；矿山高度信息化、自动化，并实现高效、安全采矿，以至遥控采矿和无人采矿。

高效安全开采技术，采用统计分析法、模糊评判法、主成分分析法、神经网络法、信息量法、GIS分析法等定性方法和定量方法，对大规模采矿活动诱发诸如滑坡、崩塌、地面塌陷、废石堆（尾矿坝）失稳和地压等矿山环境地质灾害进行评价；利用数字信息化技术建立灾害防治-自动监控-应急预警一体化系统。

3  结  论

以我国最大的露天磷矿开采企业云南磷化集团

有限公司为工程背景，在参考国内外露天矿山采矿工艺发展的基础上，对未来我国露天磷矿山开采过程中可能出现的采矿工艺及发展方向进行研究。相关结论可为我国磷矿山露天开采工程项目的顺利建设和安全生产提供科学依据。

参考文献(References)：

[1] 李小双，李耀基. 我国磷矿资源开采现状及其展望[C]// 2012年中国矿业科技大会. 济南：[s.n.], 2012：20-23 .

[2] 云南磷化集团有限公司科技发展处. 国家磷资源开发利用工程技术研究中心可行性论证报告[R]. 昆明：云南磷化集团有限公司，2010.

[3] 李耀基，李小双，张东明. 磷矿山深部矿体地下开采技术 [M]. 北京：冶金工业出版社，2013.

[4]李耀基，李小双，黄滚. 大型露天磷矿山露天转地下开采技术研究 [M]. 重庆：重庆大学出版社，2011..

[5] 中国化学矿业协会土地调研组. 我国重要化工矿产国土资源调查评价需求分析研究 [R]. 北京：中国化学矿业协会, 2010.

[6] 张秋伟. 无爆破连续采矿法在露天磷矿的开采实践 [J]. 化工矿物与加工, 2012，41（6）：36-37.

[7] 郝文玉. 基于露天采矿机的工艺系统设计理论与应用研究 [D]. 徐州：中国矿业大学，2010.

[8] 张幼蒂，张达贤，杨树才等. 露天矿半连续运煤系统及其在我国应用前景[J]. 中国矿业, 1995，18（2）：31-34.

[9] 北京中经企研投资咨询有限公司调研组. 2011年-2015年中国磷矿及磷化工行业研究报告 [R]. 北京：北京中经企研投资咨询有限公司, 2010.

[10] 张达贤，张幼蒂. 露天采矿新工艺 [M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1992.

[11] 李志成，夏阳. 露天开采[M]. 昆明：云南大学出版社，2009.