智慧矿山
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实现运营成本的阶越式变革

矿山行业在发展过程中有时会出现阶越式变革。

矿业与人类文明一样古老。在石器时代,手工开采燧石来制作工具。到青铜时代,为了追求石材和金属的美艳,矿业得到了较大的发展。锡和铜熔制成青铜,用于制作武器;大理石用于建筑,而银和金一度被大量用于商业和贸易,虽然开采量前所未有,但依旧是手工开采。矿业得以有组织地发展是通过投入大量人力,有些矿山使用了成千上万的奴隶[1]。然而,早在一世纪,出现了一次阶跃式的转变:罗马人发明了利用水力的大规模采矿方法。这种技术被称为冲刷找矿法,即用水冲洗掉覆盖层,以暴露出金属矿脉。然后,淬冷加热的石头,通过冷热冲击使之碎裂。十七世纪,黑火药的发现终于迎来了爆破采矿的时代[2]

直到二十世纪初,废石和矿石运输仍然采用双手、水、手推车、马车和轨道矿车。内燃机的发明带来了矿业的又一次重大变革,即我们今天所知的运输卡车的发展。

运输的有机发展

近100年来,运输卡车一直是矿业的支柱。从上世纪20年代的6吨级卡车[3]已发展到如今400多吨级的巨无霸。这些卡车具有令人难以置信的灵活性和庞大体积。我们都是伴随着沙坑中的Tonka卡车玩具和卧室中的LEGO®自卸卡车玩具长大成人的。大学教我们如何设计和规划使用卡车。

但是卡车也非常低效,其一半的工作时间为空载,100吨自重消耗燃油,并且需要人工驾驶。曾几何时,轮胎比谚语中母鸡的牙齿更稀缺;而且当油价达到每桶100美元时,我们华丽的卡车开始失去光芒。传统的卡车运输占到采矿运营成本的50-60%。燃油不会永远停留在今天的低价格,且卡车轮胎限制了运输距离或能力。卡车运输正在并将愈发昂贵。

下一场变革

近年来,矿山行业的商品价值呈现明显的负增长趋势。采坑越来越深、矿石品位越来越低,投入成本不断增加。因此,行业正在探索新的低成本采矿方法,寻找新的设备系统、方法和技术。传统的卡车运输在许多矿山正陷入困境。

现在,有一种应对这些“大趋势”挑战的解决方案:减少对作为主要运输方式的卡车的依赖。利用皮带输送机运输矿物或废石可实现显著节省,约达15-35%,有时会更多[4]。这主要得益于运输能效的提高以及维护保养和劳动力成本的降低。

例证

让我们以一个年矿石运输量为1000万立方米的矿山为例,运输距离为3公里,即往返6公里,约需20分钟。完成这一工作,可能需要利用两台350吨挖掘机和12辆140吨卡车,每年运行5800小时。此外,还需要多台洒水车和平地机维护道路,以及一些推土机来维护卸料和清理矿坑。

如果该矿山采用全移动式解决方案和同规格挖掘机,来运输相同体积的物料,这个系统可以包含1台2000tph移动式破碎机/双齿辊,例如美卓LT160E(两侧各配1台挖掘机),将其连接于1台Lokolink铰接式移动输送机,以将物料转运至一台可移动的皮带输送机。1台斜皮带输送机将来自第二个工作面的输送机和可移动输送机的物料转运出矿坑。2公里长距离输送机将物料运输至废料堆,然后利用1公里长移动式输送机将物料喂入堆料机。此外,还需要推土机和其他设备,以移动输送机和进行清理。考虑到输送机移动所需的额外时间,这个方案假设每年运行5200小时。

比较这两个方案,以亚洲国家的典型能源和劳动力成本计算,采场内破碎与输送(IPCC)解决方案可节省运行成本约20%或每吨运行成本低0.25欧元,包括7年内利率为7%的融资成本。对于投入成本较高的国家,IPCC甚至更具成本效益。

这是一笔巨大的成本节约。

图1所示为这两个方案的成本比较。尽管有破碎或筛选物料的额外成本,但是与运输上节省的金额相比就不在话下了。IPCC方案的公用设施成本也更低,特别是用于道路维护保费用的降低。

 

 图1:废料输送的传统卡车运输(CTH)与全移动式(IPCC)解决方案的比较(按工作类别绘制)。

每座矿山的成本投入、采场几何形状、物料特性、岩性、设备和采矿目标均不相同,但本例着重介绍IPCC在实现运营成本重大变革方面的潜力。

变化与挑战

输送机并非一个新发明。1892年Thomas Robins[5]就开发出了用于输送煤和矿石的皮带输送机,这比首台运输卡车还要早。利用挖掘机装载输送机也不是一个新想法,早在上世纪初就已在采矿和建筑行业中出现[6]

介于石材的相对一致性和微薄的利润,采石行业一直是移动式IPCC方法的重要用户。然而,矿山行业在IPCC应用方面却迟缓得多。这也许是有充分的理由。卡车可提供选择性开采所需的灵活性,以适应市场条件的变化和任何资源固有的不确定性。此外,还具有在不确定时期确保达成目标的可扩展性和冗余度。

IPCC的另一个挑战是缺乏现场经验。直到最近,大学才开始讲授IPCC采矿方法和矿坑设计[7],且矿业软件公司正在慢慢将IPCC概念引入自己的设计工具。

然而,正如蒸汽机代替马拉车一样,也有从卡车到输送机运输的两全其美的方法,即半移动式解决方案。

重大变革不是一夜之间就能完成的。罗马人的冲刷找矿法发展了几个世纪,而钻孔和爆破最近才从一种艺术形式转变为科学。由于运输成本的原因,矿山和探明资源的开采越来越无以为继,IPCC可能是现代社会所需的显著降低成本和持续生产的唯一方法。

IPCC解决方案还有一系列其他益处:粉尘少、环境污染排放小、水和能源消耗低、噪音小,同时也为矿山自动化和预富集技术打开了新的机会之门。

现在,正是启用下一代矿山输送系统的好时机。


关键词

智慧矿山

博主

Dr Erik Isokangas

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