露天矿的精细开采

时间：2024-07-28

张世雄，张健，任高峰

(1.武汉理工大学，湖北武汉 430070；2.中国建筑材料集团公司，北京 100048)

1 精细生产

汽车工业经历了从粗放生产到精细生产的发展历程，取得巨大成功。采掘业也应该进入这个发展阶段了。

1.1 精细生产的基本含义

精细生产起源于日本。从一般意义上讲，精细生产指对一切资源的占用少，对一切资源的利用率高。资源包括土地、矿产、原料、材料、设备、人员、时间和资金等。精细生产主要包含两个方面的内容：一是合理占用资源，消除一切资源浪费(主要包括物料和劳动力)的可能性；二是优化工序安排，节约制造时间。在生产制造过程中，资源占用的合理安排主要是指原材料最低库存量，在生产正常进行情况下的最低库存；半成品最低闲置量，在生产正常进行情况下，半成品流转速度最快，留滞时间最短；产成品零库存量，实现即产即销。节约制造时间主要指通过优化工序设计和合理布局作业场所，不同性质的工序能够平行作业，工序间合理衔接，使得总制造时间最短，且生产过程中物耗最低、物资占用最低、劳动力投入最合理。

精细的含义还包括质量，因为质量高的产品在消耗同样多的物化劳动和活劳动的条件下，可以提供更好的功能、更可靠的性能和更长的使用寿命[1]。

1.2 精细生产的基本原理

精细生产的基本原理包括消除浪费、持续改进、协同工作和沟通交流。

(1)持续改进

这是精细生产的指导思想。改进就是永远不满足于现状，不断地发现问题，寻找原因，提出改进措施，改变工作方法，使工作质量不断提高。改进是渐进式的进步，是细微的改变，其过程是连续的、日积月累的，必须众人努力。

(2)消除浪费

消除对资源的浪费是精细生产的目标。凡是超出增加产品价值所必需的绝对最少的物料、机器和人力资源的部分，都是浪费。对资源的占用和对资源的利用，只能做出相对比较。对于库存和质量，可以给出绝对的标准：零库存和零缺陷。零在这里表现为一种极限，可以无限接近它，但永远不可能达到，“双零”使得改进永无止境。

(3)协同工作

协同工作是将职业、专长不同的人组织在一起，以小组的形式完成特定任务的工作方式。协同工作使协调简化，可集中不同职业和专长的人的意见，从而提高工作质量和工作效率，使得改进不断进行。操作工人、维修工人、工程师、管理人员协同工作，可使现场出现的问题迅速解决；设计人员、工艺人员、销售人员和管理人员协同工作，才使并行工程得以实现，使新产品开发周期大大缩短。

(4)沟通交流

人员之间、部门之间、本企业与顾客和供应厂之间，都需要沟通，及时传递信息，以便相互了解，协同工作。小组的每个成员，必须了解其他成员的专业和工作内容，有共同的语言，将自己的工作放到全局中考虑，避免片面性。

协力工作和沟通交流是实现精细生产的保证。

1.3 精细生产的主要内容

精细生产的主要内容，包括工厂现场管理、新产品开发、与用户的关系、与供应厂家的关系等方面。

(1)工厂现场管理

工厂现场按准时生产制组织生产，即提供的都是当时需要的东西，通过不断减少库存来暴露管理中的问题，以不断消除浪费，进行持续的改进。它涉及到产品的设计、生产计划的编制、机器的改造、设备的重新布置、工序的同步化、设备的维修、生产组织和劳动组织的调整、人员的再培训等方面的工作。

(2)新产品开发

不断开发新产品是形成竞争优势的一个主要因素，缩短开发周期是成功推出新产品的关键。日本企业的经验是，将市场评估、生产计划、设计、工艺、生产管理各部门的人放在一起，成立开发新产品小组。小组长有很大的权力，虽然成员保持与各自职能部门的联系，但他们的工作完全在小组的负责人的控制下，协同工作、互相沟通，使很多工作并行进行，大大缩短开发周期。

(3)与用户的关系

“用户至上”、“用户第一”是公司处理与用户关系的指导思想。采取主动积极的态度，搞“主动销售”，主动上门了解情况、征求意见，开展售前和售后服务。

(4)与供应厂家的关系

供应厂与装配厂是合作关系。在新产品开发初期，供应厂家就可以参加进来，按承担任务的不同，将供应厂家按不同层次组织起来。在决定零部件的价格时，装配厂按市场行情确定汽车的目标价格，然后与供应厂一起考虑合理的利润，推算出各部分的目标成本。为了达到目标成本，双方利用价值工程方法，找出每一个能降低成本的因素。供应厂家能够主动降低成本，是因为降低成本可给它们带来更多利润。

显然，汽车行业精细生产的原理，对采掘业是适用的。

2 精细生产与露天矿开采

过去，国内外露天矿的开采基本上是粗放的，开采工艺中废石的剥离、矿石的开采、矿岩的运输与排放、边坡的维护、废石场的复垦与绿化等几个重要环节多是相对独立的，独立进行设计、施工与管理，指导思想是满足上下工艺环节之间的产能要求并降低成本。

露天矿山开采通常是从一端向另一端连续推进，形成较大范围的岩土体扰动与地面环境破坏。开采过程中形成的最终边坡，可能存在几年甚至几十年，需要进行大量的边坡维护工作，耗费大量资金，还可能出现滑坡等工程地质灾害。对于有废石内排条件的矿山，一般都会开展废石的坑内排放。这种排放主要是考虑节约废石运输成本，依次排放，如图1所示。

图1 露天矿剥离废石的坑内排放示意图

随着科学技术的进步，社会分工越来越精细，专业化程度越来越高，采掘业已面临迈入精细生产时代。

矿山生产与工厂的生产有许多共同的地方，也有一些明显的不同之处。工厂的车间与设备通常是固定的，被加工的物品通过设备进行加工，工艺规范化程度高；矿山的采场是不断推进的，主要采掘设备亦需同步移动，且由于矿床地质条件与开采技术的复杂性，涉及矿床的生产勘探与边界的圈定、岩层稳定性控制与生产安全、工艺的优化与生产合理调度等大量的问题。因此，矿山的精细开采，将涉及更广泛的科学技术与管理问题。

3 露天矿精细开采的指导思想

露天矿精细开采，是要实现露天采矿环境破坏、矿岩运输功、边坡开挖量与维护工作量等的最小化。通过不断改进精细开采的工艺，配合精细生产管理，以获得最好的矿山开采经济效益、环境效益与社会效益。

本文作者提出的专利技术《快速排土护坡与生态恢复的露天矿开采工艺》(专利号：ZL 2006 1 0019707.2)是露天矿精细开采的核心技术之一[2]。同时，需要全面利用矿山系统工程、矿山环境工程、恢复生态学、水土保持工程学、植物学、计算机科学、管理科学等的理论与方法，深入研究露天采矿工艺环节的内在联系，提出新的优化组合工艺，缩短作业循环时间，并尽快恢复生态环境，达到大幅降低生产成本与保护环境的目的。

(1)露天开采系统与工艺研究

露天开采是一个复杂的大系统，它在为人类提供矿产资源的同时，不断地破坏周围的生态环境，造成荒漠化甚至滑坡、泥石流等地质灾害。为此，必须把人类开发矿物资源与环境的保护协调起来。该系统包含了许多相互关联的子系统，必须从系统的观点，运用运筹学理论去研究各个工艺环节，优化它们，缩短作业循环时间，用最低的成本开采矿石，达到最好保护环境的目的。

(2)边坡维护理论与工艺研究

最终边坡形成后，在生产爆破与风化等作用下，边坡的强度与稳定性是随着时间的推移逐渐降低的。因此，研究尽可能缩短最终边坡存续时间的工艺，以适当加陡边坡角，从而减少剥采比与边坡的维护工作量，避免出现地质灾害，降低生产成本。

(3)护坡材料与方法研究

传统的露天矿不稳定边坡的治理方法很多，常用的有削坡顶与压坡脚等。对于具有在露天坑内采空区排放剥离废石条件的矿山，利用废石作为护坡材料，以内排废石压坡作为主要的护坡方法，把传统的“压坡脚”发展到“压腰”、“压胸”甚至“压脸”，尽快消除临空最终边坡滑塌的可能性，迅速达到永久治理边坡的目的。

(4)露天矿开采地层扰动破坏最小化研究

改变传统大范围推进的剥离与采矿方式，在满足生产工艺要求的前提下，使剥离与采矿在尽可能小的范围内进行。一旦该范围的采矿结束，迅速对该范围进行复垦与环境治理，恢复环境生态。

(5)物料运输功最小化研究

露天矿开采的废石与矿石运输量很大，尽可能多地实现剥离废石的坑内排放，用于就近排土压坡，运用运筹学等方法使矿岩的总运输功最小化。

4 露天矿精细开采工艺

露天矿精细开采工艺为：在具有内排剥离废石条件的矿山，在露天矿的一端或中部用常规的方法进行初始剥离与开采；一旦完成初始剥离和开采后，在矿床开采推进的方向上，将开采工作面划分为左帮区、中区与右帮区，并进一步将它们划分为若干较小的分段；以分段为开采单元，逐单元渐进开展剥离、采矿、压坡回填、复垦绿化或混凝土覆盖；以剥离废石就近排放压坡作为主要的最终边坡永久治理手段，降低生产成本，并迅速恢复生态。

该工艺的步骤为：

①在矿体的一端或中部用常规的方法进行废石剥离，把废石排放到外排土场，开采剥离出的矿体，形成满足工艺要求最小尺寸的初始采剥工作面(图2)。②在采剥推进方向上，把采剥范围划分为左帮区、中区和右帮区(图3)，在满足采剥作业要求最小尺寸且技术经济指标最优的条件下，把每个区划分为若干个分段。③首先进行左、右两帮区第一分段的剥离与采矿，中区第一分段的剥离与采矿适度跟进，剥离的废石在矿坑采空区内部排放，用于露天矿后部边坡及两帮部分边坡的压坡，从坡脚一直压到坡顶，尽快完成后部边坡的永久护坡治理。④对于每个完成最终边坡永久治理的分段，立即复垦绿化或覆盖混凝土，恢复生态。⑤第二步是进行左、右帮区第二分段的剥离与开采，剥离的废石用于第一分段边坡的护坡回填，中区剥离与采矿适度跟进，剥离废石用于其后方采空区的就近回填，回填到位的分段立即复垦绿化或覆盖混凝土，恢复生态。⑥从第二步起，进入正常的生产循环，如此分段推进，直至矿山开采完毕，生态恢复也进行完毕。

对于从矿床中部形成初始采剥工作面的矿山，可以形成两个采剥工作面，采用上述工艺，反向推进。

图2 露天矿初始采剥工作面形成示意图

图3 露天矿剥离废石的快速排土扩坡与复垦生态恢复示意图

5 露天矿精细生产工艺的优点

废石排放运输距离短、运输成本低；最终边坡临空存在时间短，从而可加陡最终边坡角以减少废石剥离量；把排土压坡作为边坡治理的主要手段，把排土与最终边坡的迅速、最终的治理结合起来，边坡治理成本低，可尽快避免边坡地质灾害的发生；把露天矿大范围的岩体开挖对地表环境的破坏，缩小为小分段的局部破坏，达到环境影响范围最小化的目的；快速恢复生态环境，达到环境影响时间最短化的目的，最大限度实现露天矿的低成本环保绿色开采。

显然，精细开采的理论与技术，不但适用与露天开采，同样适用于地下开采、露天与地下联合开采和特殊开采。