王 政

（河北寰球工程有限公司，河北 涿州 072754）

石墨是一种非常重要的非金属矿产，不仅广泛应用于钢铁等传统产业，也广泛应用于新能源、新材料等新兴产业，被认为是支撑未来高新技术发展的重要战略资源[1]。全球石墨矿产分布相对集中，主要分布在中国、印度、斯里兰卡、土耳其、乌克兰、马达加斯加、莫桑比克、坦桑尼亚、巴西。石墨矿床根据石墨的结晶程度，可分为晶质石墨（鳞片石墨）矿和隐晶质石墨矿；根据地质成因可分为区域变质型石墨矿、接触变质型石墨矿、岩浆热液型石墨矿。多数国家只产出某一种类型的石墨，只有中国等少数几个国家各种类型的石墨矿都有产出[2]。

晶质石墨（鳞片石墨）的晶体呈现鳞片状，可浮性、润滑性、可塑性均比其他类型石墨优越，鳞片越大，固定碳含量越高，价值越高[3]，用于制造高纯石墨、氟化石墨、石墨烯。

莫桑比克是非洲地区石墨资源最为丰富的国家，北部的含石墨云母片岩和片麻岩被发现于德尔加杜角省不同的构造杂岩体内[4]，赋存+0.15 mm 粒级的优质大鳞片石墨。由于过去勘察程度低，针对莫桑比克石墨资源的成矿规律、成矿特征、资源勘探、采选工艺的研究很少。随着大鳞片石墨的应用，莫桑比克已成为全球石墨资源勘查开发的热点地区，采矿工艺、选矿工艺、大鳞片石墨保护方面的研究也迫在眉睫。

1 矿山概况

莫桑比克北部德尔加杜角省6678L 石墨矿，矿区面积约30 km2，矿区地表总体平坦，地势起伏小，海拔500～550 m，表土覆盖层厚度约3.93～15.84 m，平均厚度9.39 m，适合采用露天开采方式，采用卡车运输。热带草原地貌，有灌木和幼树，较大的树木分布稀疏。土壤呈红褐色，由黏土和沙子混合而成，几乎没有砾岩。

6678L 石墨矿处在杂岩体石墨含矿带中。杂岩体由镁铁质火成岩和麻粒岩等各类变质的上地壳岩石组成，存在云母片麻岩及片岩、石英长石片麻岩、变质砂岩、石英岩、大理岩等副片麻岩以及长英质正片麻岩。石墨矿主要赋存于杂岩体的石英片岩中，最常见的岩性包括石墨片岩、片麻岩、薄伟晶岩带等，硫化物较少见[5]。围岩由石英片岩、云母片岩和片麻岩组成。矿石中主要矿物有石墨、白云母、石英、长石等，其他矿物还有黑云母、方解石、石榴石、金红石、黄铁矿等。截至2020 年2 月，以8%的边界品位圈定，探明的（JORC Code 2012 Edition）石墨矿产资源总量为331.0 Mt，总石墨碳含量（Total Graphitic Carbon，TGC）13.4%，含有44.34 Mt 的石墨。根据莫桑比克《矿业法》，完成勘探后，矿山可申请25 年的采矿权。6678L 石墨矿化矿化带赋存于直立倾伏等斜褶皱构造中，倾向西，倾角约60°。目前已完成51个钻孔，其中，金刚石钻孔18 个，反循环钻孔17 个。

2 边坡设计

2.1 岩石性质和矿岩质量评级

1）岩石性质。根据地质资料，6678L 石墨矿矿岩的单轴抗压强度见表1。

表1 6678L 石墨矿岩石单轴抗压强度

2）矿石质量评级。由于岩土工程数据较少，因此采用Laubscher 的采矿岩体分类系统（Mining Rock Mass Rating，简称MRMR）进行数据采集和矿岩质量评级[6]，6678L 石墨矿不同类型矿岩的MRMR 值见表2。

表2 6678L 石墨矿不同类型矿岩的MRMR 值

2.2 边坡方案

根据建设方案，6678L 石墨矿采用露天开采，采剥工程分3 个阶段进行。第1 阶段主要采剥范围是靠近选矿工业场地的风化程度较高、矿石品位较高的区域，采剥深度40 m；第2 阶段在第1 阶段初始坑的基础上，继续采剥风化的矿岩，采剥深度为60 m；第3 阶段采剥深度为150 m，同时采剥风化的矿岩和原生的矿岩。根据不同阶段采剥的矿岩性质，进行边坡设计。根据露天采场的采剥深度和矿岩的MRMR 值，边坡稳定性安全系数取1.5，参考Haines－Terbrugge 边坡设计经验图[7]，确定第1、第2、第3 阶段的最终帮坡角[8]。6678L 石墨矿最终边坡角见表3。

表3 6678L 石墨矿最终边坡角

终了边坡台阶宽度根据经验公式为：

式中：B 为台阶宽度，m；H 为台阶高度，10 m。

经计算，终了边坡台阶宽度为6.5 m。根据经验类比法，参照其他类似矿山，风化的石墨片岩、风化的片麻岩台阶坡面角确定为55°，原生的石墨片岩、原生的片麻岩台阶坡面角确定为75°。

3 露天开采境界优化

6678L 石墨矿的矿床是一个大型的、地表出露石墨的矿床，最大开采深度180 m。根据钻孔数据生成包含块体的x、y、z 坐标、矿岩密度、TGC 品位、岩石类型、风化剖面等数据的矿体模型。

3.1 建设规模

为选择适合的生产规模，主要考虑以下因素的影响：①可采出矿石量和可能的服务年限与申请的采矿权是否匹配；②建设投资数额和筹集资金的难度；③项目价值（净现值NPV、内部收益率IRR 是否能够满足要求）；④石墨精矿的销售渠道。

为了确定不同生产规模条件下的的服务年限、建设投资、项目价值，利用露天矿山境界优化软件，选择0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 Mt/a 等6 种生产规模进行了综合技术经济比较，建设规模技术经济比较见表4，各生产规模的净现值和内部收益率如图1。

表4 建设规模技术经济比较

图1 各生产规模的净现值和内部收益率

由表4 和图1 可以看出，建设规模为1.0 Mt/a时，项目内部收益率最大，但净现值随规模增大继续增大。当生产规模继续变大，净现值的增长速率趋于缓慢。可见预见，虽然净现值在3.0 Mt/a 时没有达到峰值，但继续增大年产量其峰值会出现，一般说来，净现值最大的方案对应的规模为最优规模[9]。年产量3.0 Mt 时服务年限为14 年，若年产量超过3.0 Mt，则服务年限过短导致项目投资回报较低。因此，仅考虑净现金流量和净现值，上述建设规模中，以年产量3.0 Mt 为最优。但是，综合考虑生产规模的资金投入、市场情况、石墨精矿的销售情况以及可申请的采矿权限，年产量为1.5 Mt 时，服务年限接近采矿证权限，内部收益率也接近峰值，净现值超87 亿元，因此确定建设规模为1.5 Mt/a。

3.2 露天开采境界优化

进行境界优化前，根据矿体赋存条件、当地物价水平、采选工艺、矿石销售价格等因素确定露天开采境界优化所采用的采矿成本、选矿成本、技术指标、经济指标等技术经济指标。

6678L 石墨矿矿体埋藏较浅，地形较为平坦，采用露天开采、卡车运输方案。浅部表土层、强风化层、部分风化层矿岩采用非爆破方式开采，采用铲装、运输、排土的间断生产工艺，经测算开采成本为18.9元/t。部分风化层、深部矿岩采用爆破方式开采，采用穿孔、爆破、铲装、运输、排土的间断生产工艺，开采成本25.9 元/t。露天采场生产台阶高度10 m，每采深10 m 成本增加0.49 元/t。矿岩用3.8 m3液压挖掘机装车，矿石装入35 t 自卸汽车经矿山公路运至选矿厂，岩土用35 t 自卸汽车运到排土场，采用59 kW 履带式推土机推排。采矿贫化率5%、损失率5%，石墨回收率85%。

选矿厂原矿处理量150 万t/a，采用2 次粗选、4段再磨和6 次精选的浮选流程，年产石墨精矿16.79万t，其中年产粒径≥0.18 mm 的大鳞片石墨10.29万t，选矿成本296 元/t。根据大鳞片的产出率，精矿价格6 000～8 100 元/t。

莫桑比克石墨矿的资源权利金为3.00%，财务评价的折现系数为10%。

确定建设规模之后，将上述技术经济指标输入露天矿山境界优化软件，以步长为0.2、动态优化的方式，对矿体模型在0.55～1.35 的收入系数下进行评价，生成了一系列露天开采境界优化结果[10]。露天开采境界优化结果见表5，各境界采剥总量与净现值关系如图2。

图2 各境界采剥总量与NPV 关系

表5 露天开采境界优化结果

由于矿体的性质，除了最初形成的境界外，其他的境界采出矿石量、剥离废石量并没有较大幅度的增加，在整个模型中，由于较低的剥采比和品位分布的一致性导致模型中的矿石开采受收益因素影响较低。采用露天矿山境界优化软件进行境界优化，考虑了资金的时间价值，对确定最优境界和实现矿山经济效益的最大化具有指导意义[11]。净现值NPV 是资金进行其他投资的潜在收益，一般以项目最关心的收益为衡量标准来确定露天开采的最佳境界[12]。通过露天开采境界优化结果可以看出，3 号露天开采境界是6678L 石墨矿生成最大净现值的境界。

通过对境界的优化，6678L 石墨矿露天开采境界由1 个露天坑组成，露天采场南北长725 m，东西宽560 m，最大深度175 m，需要剥离废石35.27 Mt，可以采出矿石30.84 Mt，剥采比1.1 t/t，服务年限20.6 年。

4 结语

莫桑比克已成为全球石墨资源勘查开发的热点地区，但由于6678L 石墨矿勘察程度很低，提交的矿体模型仅包含有限的工程岩土数据。为了确定经济合理的露天开采境界，在单轴抗压强度的基础上，采用MRMR 采矿岩体分类系统和Haines-Terbrugge 边坡设计经验图确定了露天采场的最终边坡角，进行合理的边坡设计；然后根据测算的技术经济指标，利用露天矿山境界优化软件，进行了矿山建设规模比选和露天开采境界优化，确定了经济合理的露天开采境界。