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“五环归一” 系统工程管理模式 在紫金山金铜矿等矿山开发中的创新和实践 陈景河 1, 21 (1. 紫金矿业集团股份有限公司, 福建 上杭364200; 2. 低品位难处理黄金资源综合利用国家重点实验室, 福建 上杭364200) 摘要我国的基本金属矿产资源富矿少、 贫矿多, 总体禀赋及开发条件比较差。“五环归一” 工程管理模式以 经济地质理论为基础, 统筹地、 采、 选、 冶及环保5个环节技术与流程, 归结于经济和社会效益最大化; 通过技术和 管理系统创新, 大幅度降低了投资和成本; 在紫金山金铜矿及诸多矿山开发过程中发挥了重要作用, 使低品位资源 取得了高效益。该工程管理模式对我国众多低品位难处理矿产资源的经济有效开发具有重要指导意义。 关键词低品位资源五环归一工程管理模式创新 中图分类号TD-9文献标志码A文章编号1001-1250 (2019) -08-001-06 DOI10.19614/ki.jsks.201908001 Innovation and Practice of the “Five-process Integration” Engineering Management Mode in the Development of Mines Like Zijinshan Gold and Copper Mine Chen Jinghe1, 22 (1. Zijin Mining Group Co., Ltd., Shanghang 364200, China; 2. State Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Low- Grade Refractory Gold Ores, Shanghang 364200, China) AbstractAs basic metal minerals, there are less high-grade resources and more low-grade resources in China, so their overall endowment and development conditions are relatively poor. Based on the theory of economic geology, the management mode of “Five-process integration“ project is to integrate the technology and process of five links of exploration, mining, min- eral processing, metallurgy and environmental protection, which can maximize economic and social benefits; Through the in- novation of technology and management system, the investment and cost have been greatly reduced. It plays an important rule in developing Zijinshan Gold and Copper Mine and many other mines, which makes recovery of low-grade resources more effi- cient. This mode owns a guiding significance for the economic and effective development of many low-grade refractory mineral resources in China. KeywordsLow grade, Resources, Five-process integration, Engineering management mode, Innovation 收稿日期2019-07-05 作者简介陈景河 (1957) , 男, 董事长, 主任, 教授级高级工程师, 高级管理人员工商管理硕士。 总第 518 期 2019 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 518 August 2019 矿产资源是国民经济建设和社会发展的物质 基础 [1]。现阶段我国95以上的能源、 80以上的 工业原料、 70以上的农业生产资料来源于矿产资 源 [2-3]。矿产资源能否持续稳定供应, 直接影响我国 经济和社会的发展。我国是矿产资源消费和生产大 国, 但资源禀赋差, 基本金属自给率大多低于50。 主要表现在以下几个方面 [4-7]。 (1) 资源总量大, 但人均占有量不足。我国已探 明的矿产资源总量约占世界的12, 仅次于美国和俄 罗斯, 居世界第三位, 但人均占有量只有世界平均水 平的58, 居世界第53位 [8]。 (2)“小金属” 矿产资源丰富, 但大宗矿产资源储 量不足。如钨、 锡、 钼、 锑和稀土等用量不大的 “小金 属” 矿产资源丰富, 储量位居世界前列, 但铁、 铜、 铝、 锰等需求量大的大宗矿产资源储量尤为不足。 (3) 富矿少、 贫矿多, 大矿少、 小矿多。 (4) 单一矿种少, 伴生、 共生矿多, 相当部分为难 选冶, 开发利用难度大。在已开发利用的139个矿种 中, 有87种来源于共生和伴生矿床。 目前, 我国处于工业化发展后期, 主要矿产资源 采矿工程 1 ChaoXing 金属矿山2019年第8期总第518期 消费总体在高位运行, 基本金属消费量占全球的45 左右, 且还将持续一段时间。与此同时, 随着矿产资 源的不断开发, 高品位、 易处理的矿产资源越来越 少, 大量低品位、 难处理矿产资源无法得到经济有效 的开发, 铜、 铝、 铁、 金等重要矿产资源静态保障年限 呈下降态势, 对外依存度日益提高, 矿产资源安全保 障受到严峻挑战。因此, 通过一系列技术与管理创 新, 经济、 高效地开发诸多低品位、 难处理矿产资源, 提升矿业企业核心竞争力, 对缓解我国日趋突出的 矿产资源供需矛盾、 提升矿产资源的保障年限和国 际竞争力具有深远意义。 1 “五环归一” 工程管理模式 1. 1 “五环归一” 工程管理模式的提出 矿业开发的前提和基础是矿产资源, 具有经济 开发价值才是 “矿石” , 而矿石的确认是动态的, 与市 场、 开发各个环节及成本息息相关。矿产资源的开 发过程, 既是一个资源利用过程, 也是一个资源再认 识再发现过程, 资源总量随开发过程诸多因素变化 而不断变化, 导致最终采出资源量也明显变化 [9-11]。 目前, 矿山资源开发具有点多、 线长、 面广, 以及各环 节需要协调和耦合等复杂性特点, 成为矿山高效、 绿 色规模化开发的瓶颈, 主要表现在以下两个方面 一 是缺乏创新意识, 受传统计划经济时代相对固化的 工业指标和 “规范” 影响, 以此完成的可行性研究及 设计一旦核准后就成为必须遵守的 “标准” ; 二是缺 乏经济思维, 强调技术至上, 未认识到技术只是为经 济目的服务的手段。 长期以来, 我国矿山开发工程大都是按照传统 工程理念来进行规划设计和管理, 存在着诸多弊 端 [12] (1) 专业分割的局限性。强调地质、 采矿、 选矿、 冶炼和环境保护各专业的重要性, 重视单个环节的 指标优化, 忽视矿山开发是一个系统工程, 更需关注 的是整体系统的协同和效益。 (2) 不重视矿山综合效益的挖掘。着重眼前的 经济效益, 忽视资源利用效率和对环境的影响, 长远 规划不足, 导致地质边界品位过高, 大量低品位资源 无法利用, 废石和尾矿排放量大, 资源利用率低。 (3) 以静态思维面对市场和矿山内部条件的变 化。矿山开发是一个受产品和原辅材料价格、 资源条 件、 技术及成本等多因素影响的动态过程。因此, 研 究和创新矿产资源开发的工程管理模式, 对提高矿产 资源的回收率和利用率, 都具有非常重要的意义。 资源的高效、 绿色开发需要在 “自然科学 技术工程产业经济社会” 的知识链和知识 网络中, 认识和把握工程发展规律, 指导矿冶工程 实践 [13]。与传统的工程相比, 矿山开发工程涉及的 内容更广, 流程性更复杂, 而且时刻都处在动态变化 过程中。因此, 必须突破传统局限思维, 充分认识地 质勘察、 采矿工程、 选矿工程、 冶炼工程和环境保护 等环节及子项工程之间的相互影响, 深化整体协同、 创新驱动、 不断挖潜、 持续优化的管理思维, 由此产 生了 “五环归一” 工程管理模式。 1. 2 “五环归一” 工程管理模式的含义 “五环归一” 工程管理模式是用系统工程理念, 以创新思维, 统筹地、 采、 选、 冶和环境保护5个环节 经济指标和技术路线, 归结于实现经济社会效益最 大化, 如图1所示。 由图1可知, 金属矿山开发工程中, 矿产资源是 前提和基础, 经过采矿使矿石与自然状态分离, 通过 选矿富集有价值矿物, 冶炼则从有价值矿物质中提 取金属, 在开发过程中注重环境保护和环境治理, 使 有价金属被高效、 绿色提取的同时矿山环境生态得 到同步恢复。其5个环节相互依存、 互为转化, 某一 环节变化, 都会引起整个系统变化。“五环归一” 工程 管理模式的本质是打破常规思维, 统筹矿山开发5个 主要环节的整体协同, 通过创新驱动, 不断根据市场 情况, 从矿山实际情况出发, 不断挖掘资源潜力, 选 择最适合的开发方案, 并不断优化, 控制投资, 降低 矿山综合生产成本, 提高资源综合利用效率和矿山 整体效益, 归根到底就是要实现矿山全生命周期经 济社会效益最大化。 “五环归一” 工程管理模式运作如图2所示。由 图2可知, 矿山开发的地质、 采矿、 选矿、 冶炼和环境 保护各环节工程通过体制、 科技和管理方面的创新 驱动, 从矿山的实际情况出发, 持续对各工程进行创 新优化, 同时带动其子工程的创新优化, 最终实现最 佳的矿山整体效益, 使低品位、 难处理矿产资源得到 2 ChaoXing 陈景河“五环归一” 系统工程管理模式在紫金山金铜矿等矿山开发中的创新和实践2019年第8期 高效、 绿色开发, 为我国矿产资源稳定供应提供重要保障。 2 “五环归一” 工程管理模式在矿山开发中的 创新与实践 2. 1紫金山金铜矿开发的创新与实践 福建上杭紫金山地区有数十平方公里的铜、 金、 砷、 锌和铅等高值地球化学异常, 围岩蚀变非常强 烈, 位于东南沿海陆相火山岩地区西带。二十世纪 50至70年代均进行了一定规模的地质找矿工作, 但 都没有获得实质性突破。同时, 由于金矿品位低、 当 时所探明矿床规模小、 矿体变化大、 开发条件恶劣, 没有企业愿意投资, 只好由上杭县政府组织其直属 的矿产公司 (紫金矿业前身) 进行开发。 2. 1. 1以技术创新实现关键环节点突破 创新性不足, 导致工艺和设备缺少优化, 技术经 济指标较差, 是我国众多低品位、 难处理矿产资源未 得到经济、 有效开发的主要原因之一。紫金山金铜 矿通过实施 “创新是普遍科学原理与客观实际的良 好结合, 创新就是不断否定自我的过程” 这一朴实有 效的创新理念, 持续开展创新, 不断否定自我, 从而 在地质、 采矿、 选矿、 冶炼和环境保护各环节取得一 系列的创新成果并成功应用。 (1) 地质 创新经济地质理论, 实现地勘大幅增 储。在市场经济条件下, 能够创造经济和社会效益 的才是 “矿” , 工业指标应该根据矿山开发的全流程, 通过投资和成本的核算以及实践检验得到并应该根 据市场和矿山环境变化不断做出调整和完善。露天 矿山开发一般根据总成本确定矿石边界品位。实际 上还存在一种 “中性矿石” , 其品位低于边界品位, 通 常被划分为废石。在露采过程中, 在境界内不管是 矿石还是废石, 都必须采出。如果在评估这部分 “中 性矿石” 时剔除采矿成本, 就有可能成为可利用资 源, 从而增加可利用资源量。紫金山金铜矿开发过 程中, 打破过去传统僵化的工业指标和评价方法, 创 新性地形成了以上经济地质理论。在矿山开发的同 时, 大力开展补充勘查, 新发现的矿体规模大幅度超 过了原控制的矿体, 并通过自主创新技术大幅降低 资源入选品位, 矿山资源量实现质的裂变, 最终确 认紫金山资源储量金316 t (平均金品位0.60 g/t) 、 铜 242万t (平均铜含量0.43) , 远景铜资源储量超过 500万t, 使原认为的小矿一跃成为中国第一个超大 型金 (铜) 矿床。 (2) 采矿 实施 “露天陡帮开采高位天井溜矿- 平硐” 采运新模式, 显著降低作业成本。针对露天采 矿场面积大的特点, 采、 剥作业采用组合台阶陡帮工 艺, 大幅度减少了早期剥离费用和生产投资。在矿 山开发初期, 矿石采运采取工程外包方式, 解决了设 备投资和人才资源不足的问题。随着矿山的开发, 自有工程队伍参与采运作业, 有效控制了工程单价 和开采成本。在平均约2.5 km运距条件下, 采剥全成 本 (外包) 吨矿岩约8.4元, 具有很强的竞争力。针对 紫金山地形陡峭、 相对高差900多m、 且在高标高部 分基本上没有工业场地的现状, 充分利用矿山地形, 创造性地在露天采矿场打通天井, 矿石借自重沿高 位天井 (200~500 m) 下溜, 再从天井底部通过平硐有 轨电机车、 皮带、 自卸车辆将矿石输送到各选矿厂处 理, 有效解决了大规模露天矿山的运输问题, 每年近 亿吨的采剥总量实现安全平稳运输, 极大地降低了 矿石运输成本。 (3) 选矿 独创 “破碎洗矿筛分粗粒级堆浸 细粒级重选炭浸” 联合工艺, 提高资源利用效 率。针对金矿氧化程度高、 含泥量大和金解离程度 高等特性, 经过持续技术攻关, 突破常规思维, 在中 国南方潮湿多雨的环境下开创了大规模露天堆浸提 金技术, 创造性地开发出 “矿石破碎洗矿筛分” 3 ChaoXing 金属矿山2019年第8期总第518期 技术, 筛下细粒矿泥先通过重选回收颗粒金, 再进入 炭浸系统, 粗粒部分进行堆浸, 有效解决了颗粒金回 收和渗透性问题, 使金选矿回收率从 68提高到 82, 边界品位下降到0.15 g/t, 实现了低品位金矿及 含金废石的综合利用, 新增价值50亿元以上。同时 研究开发堆浸贵液大型流态化床逆流静态吸附、 载 金炭高温高压无氰解吸电积系列技术和装备, 溶 液吸附量从每天几百m3到超过10万m3, 金矿年采选 规模最大达3 750万t, 年产金18 t。 (4) 冶炼 开发低品位硫化铜矿资源生物冶金成 套技术, 实现低品位高效益。根据含铜矿物大部分 为蓝辉铜矿等次生硫化铜矿的特点, 从2001 年起, 利 用973 和863 等多项重大国家课题平台, 研究开发了 生物提铜技术。通过生物、 物理、 化学多因素匹配不 断优化生物冶金流程中关键技术参数, 攻克微生物 种群全过程监测与定量调控及酸、 铁、 水等多尺度平 衡工程技术难题并进行工程化应用, 并建成国内首 个超万吨级生物提铜冶炼厂, 露采铜矿石边界品位 由0.25降为0.15, 资源储量和资源价值大幅增加。 (5) 环保 提高废弃物综合利用和生态恢复水 平, 解决环保效益矛盾。紫金山金矿采取含氰溶液 闭路循环工艺, 有效降低了药剂成本, 实现含氰废液 零排放, 同时采取一系列有效的防护措施, 在下游持 续不间断监测, 20多年来从未发现过任何氰化物异 常。同时充分发挥现场优势条件, 对含金废石进行 综合利用, 截至 2018 年 6 月, 累计处理含金废石 925.52万t, 回收金金属量1.91 t, 新增产值4.77亿元, 新增利税3.21亿元。排土场中的含铜废石会产生大 量含铜酸性废水, 采用传统的中和工艺处理不仅成 本高, 而且无法回收铜。经过技术攻关, 紫金山根据 排土场和矿坑含铜酸性水水质差异, 将循环利用、 深 度萃取、 选择沉淀、 膜传质与分离等技术进行耦合, 在废水环保处理的同时资源化回收铜, 实现环保和 经济效益的高度统一。截至2018年底, 累计从酸性 矿废水中回收铜2.7万t, 新增利税3.23亿元。在环境 保护的基础上, 筛选耐受性强乡土植物、 利用中和渣 改造土壤, 解决强酸性矿山生态恢复中植被成活率 低的问题, 有效解决了强酸性矿山生态恢复问题, 实 现矿山的绿色开发和发展。 2. 1. 2以工程管理推动流程环节线协同 紫金山金铜矿是一个典型的上金下铜、 金矿床 和铜矿床均达到特大型规模的斑岩型矿床。金矿主 要产于600~1 100 m标高的氧化带内, 为次生富集氧 化矿石; 铜矿产于600~700 m标高以下的原生带中, 为硫化铜矿石。紫金山金铜矿因地制宜制定了 “金 铜联合开采、 金铜分选回收、 环保与生态修复” 的 “五 环归一” 工程管理与流程组织模式。 (1) 金铜联合开采、 露采和地采组合。在金矿大 规模开采为下部铜矿体的露天开采打下了较好基础 上, 根据矿体分布, 采取金铜联合露采和部分铜矿地 下开采, 对各区域矿体的合理规划、 协同开发。通过 持续挖潜、 技改和扩能, 不断提高技术指标和降低成 本, 实现金铜高效规模化开采, 从而为紫金山金铜矿 高效益规模化开发奠定坚实的基础。 (2) 金铜分选回收、 选矿和冶金联合。根据紫金 山金铜矿矿体和矿石性质特点, 因地制宜, 对各环节 进行组合创新管理, 实现各环节间协同优化。金矿 选矿采用炭浸、 重选和堆浸组合创新工艺, 实现低品 位金矿大规模、 低成本开发。铜矿采用浮选与生物 堆浸联合工艺处理, 成功开发了S/Cu比高的低品位 铜矿 (<0.25) 及半自磨筛上超低品位矿石 (0.16) 开路生物堆浸技术 (筛下浮选) , 提高了铜矿资源的 综合利用效率, 有效降低了铜矿入选品位, 露天采坑 边界品位从0.25降低到0.15, 实现了含铜废石的 高效利用, 显著增加可利用的铜矿资源量, 低品位资 源实现高效益。 (3) 绿色矿山建设, 实现经济、 环境和社会效益 的统一。创新性地从资源化利用角度, 针对不同浓 度的含铜酸性废水, 充分结合采矿、 选矿、 冶金及环 保工艺进行耦合回用, 最大限度地实现有价金属高 效回收利用, 取得了良好的经济、 环境和社会效益。 根据矿山开发进程, 及时对旧堆场和边坡进行生态 修复, 并结合生产流程因地制宜建设世界矿山地质 公园, 大力开发工业生态旅游, 实现了矿山开发与自 然的和谐统一。紫金山因此获得 “全国工业旅游示 范点” 、“国家级矿山公园” 和 “循环经济示范企业” 等 多项荣誉。 2. 1. 3以整体协同优化矿区生产全面提升 “五环归一” 管理对矿山开发的地质勘查、 采矿、 选矿、 冶炼和环境保护5个主要环节进行整体协同创 新和优化, 实现技术经济指标的全面提升, 资源利用 率不断提高。 紫金山金铜矿在持续推动地、 采、 选、 冶和环保 环节创新的基础上, 将信息化和传统技术创新和管 理创新深度融合, 进行全流程智能化联动管理。运 用三维矿业软件、 物联网等技术, 打造地测采三维协 同平台和生产执行等信息系统, 并通过数据采集系 统和数据中心建设实现信息系统与露采卡车智能调 度、 井下电机车无人驾驶、 地采远程智能铲运等自动 化系统的纵向拉通和横向集成, 逐步完善矿山时空 4 ChaoXing 大数据, 大力推进数字化矿山和智慧矿山建设, 分 步、 分级构建综合管理平台, 将人、 矿石 (金属) 、 物料 和设备等要素集中统筹管理, 实现地、 采、 选、 冶和环 境保护5个环节全流程智能化联动管理, 显著提高生 产效率并降低生产成本, 实现资源绿色、 高效利用。 通过对 “五环归一” 工程管理模式总结、 应用和 深化, 紫金山金矿的可利用资源从5.45 t增加到316 t, 成为中国可利用资源最大、 产金量最大、 采选规模 最大、 入选品位最低、 单位矿石成本最低、 经济效益 最好、 发展速度最快的单体黄金矿山, 被授予 “中国 第一大金矿” 称号。至2018年累计产金207 t, 产铜 40.6 万 t, 创造经济效益 225 亿元, 取得了巨大的经 济、 环境和社会效益。同时, 铜金属资源量由69万t 增加到242万t, 资源价值增加600亿元以上。开创了 我国乃至世界超大型、 低品位金铜矿绿色高效联合 开发的典范。 2. 2新疆阿舍勒铜矿的高效开发实践 阿舍勒铜矿是我国西北边陲发现的块状硫化物 铜 (锌) 矿, 原方案总投资5亿元, 采选规模3 000 t/d。 紫金矿业获得该矿控制权后, 进行系统研究, 推广自 紫金山金铜矿总结出来的 “五环归一” 工程管理思 想, 对其开发方案进行重要调整, 将采选规模增加到 4 000 t/d, 增加斜坡道工程, 使大型井下设备可以直 接进入, 以提升采矿能力和安全性; 提高一期工程建 设标高, 从0 m提到400 m, 避免了400~800 m标高的 矿石下放到0 m再往上提升, 建设时间缩短了1 a; 实 施长距离的自流供水工程, 代替200多m的下游取水 方案。该矿山建设是紫金矿业自紫金山金铜矿外、 面向全国发展的第一个大型矿业项目, 来自紫金矿 业的一批创业者们, 在 “五环归一” 工程管理思想的 指导下, 大胆创新系统工程理念, 管理好每一个工程 环节, 在非常困难情况下, 在中国最西北地区创造了 优异业绩, 不仅项目生产能力提高33, 而且投资比 预算减少20, 建设期缩短1 a, 使用大量地下机械化 工程装备, 使矿山生产很快达产达标。同时, 在矿山 建立技术中心, 解决选矿技术难题, 铜选矿回收率从 初始的70提高到93, 原不能利用的共生锌也得到 有效回收。实施尾矿水全闭路利用工艺, 避免因废 水排放而可能产生的污染。与原建设方案同口径比 对, 企业经济效益实现翻番提升, 至2018年底, 已经 实现利税169亿元。全面加强地质勘查工作, 新增铜 资源储量64万t。根据资源情况实施进一步开展技 术改造, 现采选规模提高到6 000 t/d。 2. 3刚果 (金) 科卢韦齐铜矿的开发实践 刚果 (金) 科卢韦齐铜矿的开发是 “五环归一” 工 程管理思想在海外矿山推广的又一成功典范。紫金 矿业收购该铜矿公司72股份后, 在地质、 采矿、 选 矿、 冶金和环境保护5个环节进行系统研究和优化, 取得一系列成果。根据实际情况调整原可行性研究 的建设方案, 一期工程费用仅为原可行性投资的 50。经过2.5 a的建设, 即实现原设计6万t/a铜金 属的产能。鉴于钴的新发现, 建设二期湿法系统, 仅 用9个月就完成项目建设并实现投料试车, 在非洲创 造了新的 “紫金速度” 。项目新增铜资源94.75万t, 新 发现钴金属9万t, 投产1 a即实现1亿美元的税前利 润。目前, 年产10万t铜、 3 000 t钴的现代大型矿山 屹立在中部非洲大地上, 得到了政府、 社区和员工的 高度认同。 3结论 (1) 中国是全球最大最重要的矿产品消费市场, 同时是矿业大国, 但不是矿业强国, 基本金属对外依 存度日益增加, 在全球配置资源非常必要, 中国矿业 企业必须要具有全球竞争力, 才具有话语权, 才能在 竞争中立于不败之地。作为矿业市场的后来者, 技 术和创新能力是中国企业必须掌握的基本功。 (2) 创新是矿业企业的核心竞争力。矿业工程 与传统制造业具有较大的差异, 每个矿山都不相同, 都要进行独立设计。在一定程度上, 矿业工程也是 一个 “艺术创作” 过程, 能否成为杰作, 关键看其创新 能力和水平。 (3) 在经济目标指导下的技术创新和管理创新 可以获得良好的创新成果, 技术是为经济目的服务 的手段, 要有系统工程思想和经济思维, 克服各环节 技术至上的思维局限。 (4)“五环归一” 工程管理模式是紫金矿业25年 来大量矿业工程实践理念的总结, 其核心是归一, 就 是非常明确要以经济和社会效益最大化为出发点和 目标, 以系统工程和创新思维, 从地质、 采矿、 选矿、 冶炼和环境保护5个主要环节进行综合研究, 5个环 节互为依存、 互为影响、 互为转化, 结合市场和其他 外部环境因素, 选择最适合工艺技术路线和开发方 案, 并全面、 持续地创新和优化, 形成比较优势, 达成 预期目标。 参 考 文 献 王贵成, 朱琳. 我国矿业可持续发展的研究现状 [J] . 科技信 息, 2011,(7) 594. 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