摘要
瑞木镍钴矿属于红土型沉积淋滤矿床，位于巴布亚新几内亚马当省境内。本文依据矿区水文地质、工程地质和环境地质特征，分析矿床的开采技术条件。结合机械开采和水力开采工艺在瑞木矿山的生产实践，分析两种工艺的适用特点和制约因素，提出合理优化机采与水采的产能占比，实现矿山的提能扩产、降本增效。
Abstract
Ramu laterite nickel mine located in Madang Province， Papua New Guinea. It belongs to lateritic sedimentary leaching deposit. Based on the characteristics of hydraulic， engineering and environmental geology of the mining area， this paper analyzes the mining technical conditions of the deposit. Combined with the production practice of mechanical and hydraulic mining technology in Ramu mine， the application characteristics and constraints of the two technologies are analyzed， and the reasonable optimization of the production capacity ratio of mechanical and hydraulic mining is put forward to realize the mine's energy expansion， cost reduction and efficiency increase.
0 引言
瑞木镍钴矿属于典型的“湿型”红土矿（高明权和赵少儒，2010），富含 Ni、Co 的矿床分布在近地表的风化壳残积层中，具有储量大、埋藏浅、夹石少、品位低的特点。根据钻探工程揭露地层中存在6个层位，自上而下为腐殖层、红色褐铁矿层、黄色褐铁矿层、残积层、含砾残积层和基岩层（位哲和高智令，2021）。其中腐殖层是矿区的覆盖层，红色褐铁矿层 Ni 品位相对较低，但因钪含量相对较高，因此划分为矿区的次要含矿层。黄色褐铁矿层、残积层以及含砾残积层是矿床的主要含矿层。由于矿体大部分赋存在地表之上，且矿床覆盖层较薄、剥采比小，适于山坡露天开采方式。露天开采工艺一般有机械开采、水力开采和堆浸开采3种工艺。
据了解，在金属镍产能过剩及市场价格下行的大环境下，瑞木矿山一直在研究降低单位生产成本的有效方法，特别是近年来随着矿山开采范围的不断外延，常规机械开采工艺受到矿体地形变化大、水工环地质条件差异明显，加之经济运距对单斗— 卡车工艺的显著影响，矿山开采活动往往出现效率下降、产能波动等突出问题，面对如何解决或有效预防这些问题，瑞木矿山原创性开展了机械开采与水力开采的混合工艺生产实践。本文通过详细的地质勘查了解矿区具体的地质构造，分析矿山水文地质、工程地质和环境地质特征对资源开采的影响，探究2种采矿工艺的适用特点及制约因素，为矿山资源开采工作提供可靠的地质数据支撑与安全保障，并为国内外类似矿山的生产实践提供参考。
1 水工环地质勘查对矿山开采的重要性
如今矿山水工环地质勘查技术广泛运用 GPS、 RS、GIS等数据技术相结合，主要对矿区中各种数据信息进行集中归类、整理，并在此基础上进行综合分析，实现矿区地质特征数据模型构建（师弘， 2023）。通过对模型进行针对性分析并制定预处理方案，达到了解开采区域全部地质特征数据信息的目的，从而确保矿山各类资源合理充分利用和开采工艺的安全经济性。
1.1 提高资源利用的合理性
在矿山开采过程中，经常导致矿区内部生态环境受到直接破坏，无法保障各类资源的合理利用。为了应对这类问题，需要在项目初期开采之前，采用科学合理的水工环地质勘查技术完成开采前的准备工作。以瑞木矿区为例，在2012年投产后的前 5 年，没有深入认识到腐殖土层和洗矿碎石在采空区复垦方面的重要作用，在道路修筑时使用过量的碎石作为基底层，腐殖土随意堆存造成大量流失，导致在生态复垦时腐殖土作为复垦工艺最重要的资源环节却远远达不到当地监管要求。水资源是矿山生产过程中不可或缺的，瑞木矿区使用的清水是在矿区周边河流建立水源地泵站抽取供应的，清水的使用成本一直较高。
1.2 提升矿山开采效率
在多数矿山所处的自然环境都比较恶劣的情况下，地质灾害隐患较大，盲目开采可能会引起众多现场安全问题，从而对矿山开采活动造成较大影响。通过对水工环地质勘查技术的合理应用，可以对矿床地层结构、地基承载力、岩土强度、稳定性等指标做出清晰判断，这样就可以对开采过程中所采用的移动设备做出合理选择。瑞木矿区生产初期，在液压挖掘机设备选型时，对矿区工程地质没有充分了解，导致忽略了接地比压指标，新购的大型履带设备在现场作业时经常发生沉陷事故，极大影响了开采效率。
1.3 降低风险发生几率
矿山开采在本质上是一种高风险作业，如果对矿区现场的水工环地质条件了解不全面，可能会导致安全防护措施不到位，例如瑞木矿区所在地属于多雨多雷多震地区，防雷防震的安全举措必须在项目基建期都要完善，针对采区高陡边坡、排土场易发生滑坡塌方的问题，要结合工程地质做好排土场和边坡位移监测，从而提高开采作业的安全性和稳定性。
2 瑞木矿区水工环地质特征
2.1 水文地质
2.1.1 水文气象
矿床位于海拔 654～810 m 的 Kurumbukari 地区，处于Ramu河的二级分水岭地带，矿区范围内无任何水体，水系以山溪、冲沟为主，对矿山开采影响极小。当地属热带海洋性气候，5—10 月为旱季， 11—4 月为雨季，年平均降雨量 5945 mm，其中旱季平均降雨量为1239 mm，雨季降雨量为4909 mm（图1、图2），雨季占全年总降雨量的80%左右（段棋凡， 2021）。降雨时间多集中在傍晚和晚上，每年强降雨基本集中在 1—3 月，全年小时降雨量强度大于 30 mm/h 累计超过 20 h（王晓军，2018）。受季风影响，雨季主要风向为西风，旱季主要风向为南风，平均风速为1.45 km/h。
图1瑞木矿区月降雨量图
图2瑞木矿区雨季与旱季平均降雨量图
2.1.2 地下水
矿床地下水极不发育，由于黏土层含水率较高、透水性较差，水的存在形式为吸着水而非重力水。基岩强风化带裂隙潜水主要接受大气降水的下渗补给，沿裂隙发育带呈带状向冲沟方向径流，排泄于低处，矿区范围内未见到地下水的天然露头。
2.1.3 供水与排水
矿山开采时生产和生活用水均从 GAGAIYO 河抽取。由于矿体位于当地侵蚀基准面以上，不存在地表水体对采场的威胁，在露天开采过程中一般可以利用自然地形排出，但对于形成的沟底深坑，在集中降雨时容易造成采坑积水，需要准备足够的排水设备。
2.2 工程地质
2.2.1 含矿层的工程地质特征
矿床范围内分布的岩土层自上而下为：腐殖土层、黏土层、含砾残积层和纯橄榄岩层。其工程地质特征叙述如下：
（1）腐殖土层结构松散，含较多植物根系及腐殖质，厚度薄，在矿床开采时需全部剥离。
（2）黏土层为主要矿层，包括红色褐铁矿层、黄色褐铁矿层、残积层，厚度相对较大，最大埋深30 m 左右，平均湿度 40% 左右，湿密度 1.60 g/cm3 左右，压缩模量平均值为3.72 MPa，说明该土层具有含水率高、孔隙比大、压缩性高的特性。
（3）含砾残积层为碎石、块石与黏土、粉质黏土的混合土，是纯橄榄岩强风化的产物，最大埋深 40 m 左右，根据重型圆锥动力触探试验，标准击数为 6.7击，说明该土层的工程地质性能较好，地基承载力和边坡稳定性均较好。
（4）纯橄榄岩层岩石坚硬、岩性均一，断裂构造不发育，一般表现为节理和裂隙。据取样测试结果，强风化纯橄榄岩与中风化纯橄榄岩的饱和单轴抗压强度值 38.17～95.21 MPa，标准值为 56.21 MPa，软化系数为 0.884～0.955，属于较硬岩、坚硬岩，说明其地基承载力很高，地基稳定性良好。
2.2.2 边坡及围岩稳定性
在矿山开采的围岩和边坡稳定性方面，黏土层上部的褐铁矿层土质均匀，土体稳定性好，下部的残积层土质湿软，含水率很高，呈软塑—流塑状，抗剪强度低，稳定性差，易发生坍塌。因此在采高超过8 m时，应该划分台阶开采，黏土层上部的边坡放坡率采用 1∶0.5～1∶0.35，黏土层下部的边坡放坡率采用 1∶0.75～1∶0.5。矿层底板围岩为纯橄榄岩，其稳定性良好。
2.3 环境地质
2.3.1 矿区地形地貌
矿区地形属于中低山区，呈北东—南西走向，相对高差较小，以宽缓山脊和 U 形谷为特征。山顶较宽缓平展，山沟狭窄修长，谷坡较陡，一般坡度 15°～30°，局部可达到 60°左右。沟谷全为干沟，仅在雨后有短暂地表径流。矿区处于分水岭地带，地形陡峭，由于当地降雨量大且集中，矿床开采容易导致水土流失对下游水体造成污染，应该通过采场生态复垦、修筑截洪沟和雨水沉淀池等措施减少甚至消除其危害。
2.3.2 矿区稳定性评价
矿区在勘探范围及深度内，未发现泥石流、危岩、岩溶、采空区等不良地质现象，亦未发现隐蔽的暗河、暗沟等对开采不利的因素，矿区的整体稳定性良好。由于矿床剥离层的含水率较高、透水性差，在剥离排土作业过程中应严格控制排土场高度。巴布亚新几内亚是地震多发国家，考虑到矿床是露天开采，地震对矿床本身的破坏很小，但在开采过程中注意防范滑坡、崩塌等次生灾害。
2.3.3 环境污染
目前矿区自然环境良好，基本处于原始森林状态。由于矿区处于分水岭地带，地形陡峭，降雨量大且集中，露天开采必然导致植被覆盖率急剧降低，同时对附近下游河流造成污染，但可以通过采场复垦、修筑排水沟等措施减少乃至消除其危害。生活垃圾采用挖坑填埋和防渗的方法处理，不会对环境产生危害。
综上所述，本矿床范围内地表水体较少，地下水极不发育，水文地质条件简单；矿区的整体稳定性和矿体围岩的稳定性均较好；矿山开采对矿区环境的污染有限，故认为本矿床水文地质、工程地质、环境地质条件均为良好，适宜露天开采。
3 瑞木矿山两种采矿工艺分析
3.1 机械开采与水力开采工艺简述
机械开采与水力开采都是常规的矿山采矿方法，前人详述的相关文献已经很多，本文依据瑞木矿山的开采实践，对两种工艺做简要概述。机械开采就是简单的单斗—卡车工艺，利用液压反铲挖掘机和铰接式卡车完成采装运输，通过原矿仓卸料筛分和洗矿厂的洗矿造浆，然后矿浆经过选铬厂后输送至冶炼厂（李丹，2019）。水力开采（图3、图4）是借助于水的能量将含矿层冲击崩落，使矿石粉碎分离出来的方法（刘诚等，2014），冲采形成的矿浆经过集浆沟汇流至集浆池，经过沉淀和过滤，降低大量的铬铁矿和漂浮杂物，通过泵站直接将矿浆输送至选铬厂。
图3瑞木红土镍矿水力开采工艺流程图
3.2 水工环地质特征对两种开采工艺的影响分析
3.2.1 水资源的影响
机械开采工艺下游的洗矿造浆和选铬浓密两道生产环节都必须要消耗清水资源，浓密环节将矿浆浓度从10%提高至21%左右，这一过程中产生的大量回水经处理后外排，在一定程度上造成水资源的极大浪费，间接增加了矿山生产成本。水力开采工艺可以使用回水进行冲采，同时针对当地降雨多、渗流慢的特点，可以充分利用矿区集水坑汇集的雨水作为水采回水利用的补充，极大降低了清水消耗量。
图4瑞木红土镍矿水力开采现场图
3.2.2 地形地貌的影响
对于相对高差较小的低矮平缓矿体，一般矿体厚度大、品位变化较大，部分甚至需要深凹开采，水力开采无法发挥优势，需要使用机械开采。对于相对高差较大的高陡矿体，一般矿体厚度较小、品位低，使用水力开采会节省大量筑路工程量，同时该类矿体下含砾层的岩石表面镍金属品位奇高，机械开采受限于砾石尺寸需要控制在 1 m 以下，往往会选择舍弃这部分的高品位矿石，但水力开采只需要多遍翻倒、反复冲洗即可回采。
3.2.3 环境的影响
机械开采在生产过程中由于无法做到集中回采、就近复垦，需要布置大量防排水工程，然而在当地雨季部分极端暴雨天气下，防排水工程效果不佳，导致大量水土流失造成矿区下游环境破坏大，引起周边社区地方关系紧张，对矿山正常生产活动造成影响。水力开采在采空区复垦方面有极大优势，可以有效管控因水土流失造成的生态环境破坏。
3.3 机械开采适用特点及制约因素
机械开采具有前期一次性投入不高且产能稳定可靠的特点，适用于相对高差低和缓倾斜、倾斜矿体，对矿体厚度、底板形态、风化程度和品位分布等方面也没有过高要求，可以全天候作业受天气影响较小，同时采准工程量小可以边开采边剥离。然而，机械开采移动设备多、现场风险隐患多，对于安全管控要求高，对卡车运距有较高要求，在运距大于2.5 km时运输效率较低，同时采空区复垦和防排水工程量大、砾石二次倒运量大、开采贫化率高、筑路标准高，洗矿造浆过程消耗清水量大，这些都是制约机采生产的复杂因素。
3.4 水力开采适用特点及制约因素
水力开采适用于相对高差较高和急倾斜矿体，由于省去了铲装运、矿仓卸料及洗矿造浆过程，对道路质量的要求标准不高，同时采场位置不受运距增加的影响，后期新增设备投入较少，产能提升潜力巨大，可以集中回采就近复垦，防排水工程布置简单工程量较小。然而水采无法开采低洼处矿床，前期一次性投入较大、采准工程量大、矿石损失大回采率低，同时受天气影响较大，在中雨及以上强度时需要停止作业，以防雷电天气对作业人员造成伤害。
3.5 两种开采工艺的经济效益评价
3.5.1 生产能力方面
在2015年矿山未投入水力开采工艺之前，矿山产能虽然逐年提高，但常规机械开采的生产能力提升乏力，2015 年矿山产能仅为设计能力的 86%，在 2016 年矿山开始正式应用水力开采工艺，9 月首次实现矿山突破设计产能达产率为 103%，此后连续 5 个月达产率稳步提升至 118%，矿山生产开始进入超产稳定期（表1）。
表1矿山2016年9月—2017年1月产能统计
3.5.2 品位控制方面
机械开采由于下含砾残积层含砾石较多而不进行开采，但其砾石表面的 Ni 品位极高，有的甚至达到 2% 以上，但采用水采时，一般安排 3 把水枪冲洗褐铁矿、残积层，一把水枪冲洗含砾层，同时在矿浆池里安排一把水枪进行搅拌，这样一方面保证了水采浓度，另一方面保证了水采品位的稳定均衡性。
3.5.3 成本控制方面
水力开采工艺在设备投入方面减少了大量的移动设备，在日常备品备件方面仅有水枪、渣浆泵、清水泵等少量固定设备的配件的更换，而机械开采需要挖机、铰卡、推土机等大量的移动设备的备件，这些备件基本采用进口原厂件，采购价格较高。与此同时随着采场范围的外延，机采运输距离将超过经济开采距离，水采成本优势将越来越大（表2）。
表2矿山2016年9月—2017年1月机采、水采生产成本对比
4 结论与建议
4.1 结论
（1）在矿山项目前期积极开展矿山水工环地质勘查工作，可以持续优化开采工艺，提升资源的开采效率与开采质量。
（2）瑞木矿床开发条件较好，水文地质、工程地质属简单类型，矿体大部分赋存在地表之上，矿床的覆盖层较薄，剥采比小，适于山坡露天开采。
（3）瑞木红土镍矿属于沉积淋滤矿床，在生产实践过程中，水力开采工艺相比于常规的机械开采，具有开采成本低、产能提升潜力大、防排水工程简单以及采空区复垦快等特点。
4.2 建议
笔者认为全球红土型镍矿资源丰富约有 4100 万 t 镍金属，对于伴随湿法冶炼技术逐步成熟而来的红土型镍矿在未来势必会大规模开采（贾露萍， 2018），在矿区水文地质、工程地质、环境地质条件均属简单的条件下，不必完全生搬硬套其他成熟露天矿的开采经验，应在矿山项目初步设计阶段依据矿区水工环地质特征，并结合现场实际条件，充分优化矿山开采生产工艺，可以考虑在投产前期以机械开采为主，同时要为水力开采做好开拓、剥离等准备工作，随着采矿生产阶段的推进，合理优化机采与水采的产能占比，最终使用水力开采逐步替代机械开采，实现矿山企业提能扩产、降本增效。