《金屬露天礦綠色低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)范》

編制說(shuō)明

一、標(biāo)準(zhǔn)制定的必要性

新時(shí)代全球礦業(yè)發(fā)展將全面進(jìn)入“綠色、低碳、智能、安全、高效”的全新

歷史階段。露天開采是我國(guó)礦產(chǎn)資源開采的重要方式，為解決我國(guó)露天開采面臨

的生態(tài)環(huán)境損害嚴(yán)重、綠色低碳設(shè)計(jì)理論及方法缺失等迫切問(wèn)題，規(guī)范露天礦綠

色低碳設(shè)計(jì)方法，大力發(fā)展露天礦色低碳優(yōu)化技術(shù)，革新露天開采傳統(tǒng)設(shè)計(jì)及生

產(chǎn)模式。

資源開采對(duì)環(huán)境產(chǎn)生強(qiáng)烈的生態(tài)沖擊，尤以露天開采最為嚴(yán)重。雖然人類活

動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響機(jī)制、在不同干擾方式與干擾程度下生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)

構(gòu)與生態(tài)過(guò)程的變化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對(duì)干擾的響應(yīng)特征、生態(tài)調(diào)節(jié)功能與空

間單元的自然環(huán)境條件和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)程之間的關(guān)系等尚不明了，但基于相關(guān)

領(lǐng)域已有的研究成果和積累的數(shù)據(jù)，合理地估算礦山生產(chǎn)的生態(tài)成本并形成規(guī)范

是可能的。

鑒于此，該標(biāo)準(zhǔn)從“為環(huán)境設(shè)計(jì)”理念出發(fā)，以“源頭減量”為目標(biāo)，兼顧

資源綜合利用效率和經(jīng)濟(jì)效益，先后形成了露天礦生態(tài)沖擊和生態(tài)成本量化規(guī)

范、碳排放核算規(guī)范、露天礦開采方案的低碳生態(tài)化優(yōu)化規(guī)范，為我國(guó)露天礦綠

色、低碳、高效開采和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則及依據(jù)

1、按照GB/T1.1－2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)

和起草規(guī)則》要求進(jìn)行編寫。

2、參照相關(guān)法律、法規(guī)和規(guī)定，在編制過(guò)程中著重考慮了科學(xué)性、適用性

和可操作性。

三、項(xiàng)目背景及工作情況

（一）任務(wù)來(lái)源

根據(jù)《中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》的有關(guān)規(guī)

定，經(jīng)中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)及相關(guān)專家技術(shù)審核，批準(zhǔn)《金屬

1

露天礦綠色低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)范》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃，計(jì)劃編號(hào)為：CI2023483。

本標(biāo)準(zhǔn)由東北大學(xué)提出，中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)歸口。

根據(jù)計(jì)劃要求，本標(biāo)準(zhǔn)完成時(shí)限為6個(gè)月。

（二）標(biāo)準(zhǔn)起草單位

本標(biāo)準(zhǔn)的主要起草單位是東北大學(xué)，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)文檔起草及相關(guān)文件的編制

等。顧曉薇，胥孝川，王青，參與起草，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)中重要技術(shù)點(diǎn)的研究和建議，

并參與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的討論。

（三）標(biāo)準(zhǔn)研制過(guò)程及相關(guān)工作計(jì)劃

1）前期準(zhǔn)備提工作

項(xiàng)目立項(xiàng)前，標(biāo)準(zhǔn)編制小組查閱、研讀相關(guān)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，廣泛收露天礦生態(tài)

破壞模式和類型、生態(tài)沖擊和生態(tài)成本量化模型、碳排放和碳成本計(jì)算方法等相

關(guān)材料。同時(shí)，多次開展綠色低碳優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，并與該行業(yè)相關(guān)人員進(jìn)行調(diào)研、

交流，廣泛征求標(biāo)準(zhǔn)制定方面的意見和建議。

2）標(biāo)準(zhǔn)起草過(guò)程

2023年11月20日由中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)向國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委

全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)提交立項(xiàng)，立項(xiàng)編號(hào)為：CI2023483，并向全社會(huì)公示了十五

日。

2023年12月15日由東北大學(xué)以視頻形式組織了第一次起草會(huì)議，分析了

金屬露天礦多要素整體優(yōu)化技術(shù)的市場(chǎng)需求、現(xiàn)有技術(shù)水平、環(huán)保要求等，以確

保標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用性和前瞻性；討論并確定標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容和章節(jié)安排，如程序調(diào)試、

算法建立、魯棒性檢測(cè)等；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的框架，將不同章節(jié)或部分的起草工作分配

給具有相關(guān)專業(yè)知識(shí)的組員，為每個(gè)分工明確編制詳細(xì)的任務(wù)書，包括起草內(nèi)容、

完成時(shí)間節(jié)點(diǎn)、所需資料和參考標(biāo)準(zhǔn)等。

2023年12月25日組織了第二次起草會(huì)議，確定下了標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的草案；

2024年1月10日將標(biāo)準(zhǔn)草案提交中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)，通

過(guò)審核，于3月報(bào)送了全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，并向全社會(huì)公開征求意見30日。

3）征求意見情況

標(biāo)準(zhǔn)編制小組先后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)議、電話、微信等多種形式征集?業(yè)專家相關(guān)

意見和建議。針對(duì)征集的意見，標(biāo)準(zhǔn)編制小組召開了研討會(huì)，將收集到的意見進(jìn)

2

行匯總處理分析，在充分吸納合理意見的基礎(chǔ)上，先后修改和完成標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，于

2024年3月根據(jù)在各單位反饋意見基礎(chǔ)上，形成了標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿并由中國(guó)國(guó)

際科技促進(jìn)會(huì)提交全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息平臺(tái)公示。

（四）主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）情況分析

以某露天礦為例，基于礦山已有的地質(zhì)數(shù)據(jù)和礦山目前開采現(xiàn)狀，應(yīng)用前面

介紹的理論、算法和模型，在不同成本和價(jià)格上升率條件下分別對(duì)礦山進(jìn)行以下

條件的境界和開采計(jì)劃優(yōu)化：不考慮生態(tài)成本的境界單獨(dú)優(yōu)化和生態(tài)成本內(nèi)生化

的境界單獨(dú)優(yōu)化；在已知境界中進(jìn)行考慮和不考慮生態(tài)成本的開采計(jì)劃優(yōu)化；考

慮和不考慮生態(tài)成本的境界-開采計(jì)劃整體優(yōu)化。對(duì)上述優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較分析，

得出境界-開采計(jì)劃整體優(yōu)化的優(yōu)越性以及生態(tài)成本對(duì)露天礦最終境界以及開采

計(jì)劃的影響。

1礦床數(shù)值模型

該礦山是一個(gè)在采礦山，相關(guān)模型的建立是基于礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀和勘探數(shù)據(jù)。

地表地形模型、礦體線框模型和品位模型是礦山優(yōu)化的基礎(chǔ)模型。

1.1地表地形模型

地表地形模型是把礦區(qū)范圍的平面離散為規(guī)則網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為25m×25m，

每個(gè)網(wǎng)格中心對(duì)應(yīng)一個(gè)地表標(biāo)高，標(biāo)高值的計(jì)算用采場(chǎng)臺(tái)階線和礦區(qū)等高線對(duì)每

一個(gè)網(wǎng)格（地表模塊）進(jìn)行線性插值，如圖1和圖2所示，分別為礦區(qū)地表地形

等高線圖和礦區(qū)地表標(biāo)高模型的三維實(shí)體圖。

圖1礦區(qū)地表地形等高線圖2礦區(qū)地表三維實(shí)體圖

3

1.2礦體及品位模型

該礦床為大型鐵礦床，全長(zhǎng)約3400米，工業(yè)礦段總長(zhǎng)約2900米。由3條礦

體組成，分別命名為Fe1、Fe2和Fe3，其中Fe3為主要礦體，儲(chǔ)量占全區(qū)的82.6%，

礦體走向北西，傾向南西，傾角為40°~55°，礦體品位變化不大，平均品位31%。

采場(chǎng)目前已采到262m水平，現(xiàn)有探明礦石儲(chǔ)量6.8億噸。礦體在274m，193m，

-122m水平的分層平面圖如圖3所示，圖中陰影部分為礦體，其他界線為不同巖

性的巖石。

礦床的品位模型含有2044224個(gè)模塊，模塊在水平面上的尺寸為25m×25m，

其高度等于臺(tái)階高度，238m水平以上的臺(tái)階高度為12m，以下為15m。一般情況

下，模塊的品位應(yīng)該依據(jù)鉆孔取樣進(jìn)行估值，本例中品位模型的模塊品位不是由

估值求得，而是把分層平面圖上的礦體離散為模塊，模塊品位取分層平面圖上礦

體的品位。品位模型如圖4所示，每一小方格為一模塊，陰影部分為礦石模塊，

其他模塊為廢石模塊。剖面線I-I處的品位模型剖面如圖5所示。

2境界優(yōu)化

2.1境界優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

對(duì)于最終幫坡角，MetalMiner軟件提供了靈活的幫坡角表述方式：可以把

礦區(qū)分為幾個(gè)分區(qū)，每一分區(qū)在不同方向上具有不同的幫坡角；可以不分區(qū)，但

在不同方向上具有不同的幫坡角；也可以不分區(qū)并在所有方向上用相同的幫坡

角。本次設(shè)計(jì)采用第二種方式，不同方位對(duì)應(yīng)的幫坡角如表1所示。

表1不同方位幫坡角單位：度

方位角2141.5119200.5225.5291353.5

最終幫坡角34.834.5514248.147.534.8

表中方位角以東為0°，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，即正北方位角為90°。

根據(jù)礦床地質(zhì)報(bào)告，表2給出了不同巖性的礦、巖容重，其中，“其他”是

指在分層平面圖上沒(méi)有圈定礦、巖界線處的缺省巖石。

4

Fe3

274m水平193m水平水平

Fe1-122m

Fe2

圖3水平礦體線框模型

5

I

I

圖4193m水平的品位模型

圖5品位模型I-I剖面

6

表2不同巖性的礦巖容重單位：t·m-3

名稱Fe1Fe2Fe3ppAmLAmAm1Am2TmQQpzd其他

礦/巖礦礦礦巖巖巖巖巖巖巖巖巖

2.6

容重3.393.433.333.332.692.872.872.852.632.62.63

9

境界優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)設(shè)置如表3所示，其中采礦成本、剝巖成本和選礦成

本在后面的生態(tài)成本內(nèi)生化境界優(yōu)化中將會(huì)隨著境界的變化而變化，其余參數(shù)不

變。

表3技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)

項(xiàng)目采礦成本(元·t-1)剝巖成本(元·t-1)選礦成本(元·t-1)精礦售價(jià)(元·t-1)

取值2415135700

項(xiàng)目礦石回采率(%)選礦回收率(%)邊界品位(%)精礦品位(%)

取值95822566

項(xiàng)目廢石混入率(%)廢石品位(%)

取值3.510

2.2不考慮生態(tài)成本的境界優(yōu)化

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置，優(yōu)化級(jí)別選擇三級(jí)，境界優(yōu)化結(jié)果如表4所示。該境界

是基于當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)優(yōu)化得到的，即不考慮生態(tài)

成本，為了與后面的各優(yōu)化境界區(qū)別，把該境界稱為經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界。

表4經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界優(yōu)化結(jié)果

項(xiàng)原地礦石量原地巖石量采出礦量剝離巖量礦石平均境界總盈利

目(104t)(104t)(104t)(104t)品位（%）(104元)

取

55546.40192494.9154682.98193358.3330.21982776859.28

值

由于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界是在不考慮生態(tài)成本情況下優(yōu)化得到的，即開采成本是最

小的，所以該境界必定是所有后面考慮生態(tài)成本境界優(yōu)化中最大的（無(wú)論是開采

境界范圍還是采剝量）。圖6和圖7是經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界的三圍實(shí)體圖和等高線圖。

圖中，最低開采水平為-122m。

7

-122m

圖6經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界三維實(shí)體模型

圖7經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界等高線

2.3生態(tài)成本內(nèi)生化的境界優(yōu)化

首先需要得到一個(gè)單位采礦、剝巖和選礦生態(tài)成本為0的初始境界，即前

面優(yōu)化得到的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界，基于該境界優(yōu)化結(jié)果（表4），就可計(jì)算其可能產(chǎn)

生的生態(tài)足跡和生態(tài)成本，并將生態(tài)成本分配到單位采礦、剝巖和選礦成本上。

其中，采出礦石全部送到選礦廠，所以入選礦量為54682.98萬(wàn)噸。

2.3.1生態(tài)足跡計(jì)算

（1）直接足跡計(jì)算

8

礦山直接足跡分為4大部分，其中露天采場(chǎng)的足跡（開采范圍）可以根據(jù)優(yōu)

化結(jié)果，使用軟件在圖中直接圈定，不需要通過(guò)采場(chǎng)足跡計(jì)算公式計(jì)算，經(jīng)濟(jì)最

優(yōu)境界的開采范圍圈定結(jié)果為515.41hm2。對(duì)于一個(gè)給定的礦山，其礦山的礦

山專用道路，選礦廠、辦公區(qū)和專用設(shè)施及場(chǎng)地等的占地面積基本上是一定的，

無(wú)論開采境界如何變化，這些“其他直接足跡”變化不大，并且相對(duì)于采場(chǎng)、排

巖場(chǎng)和尾礦庫(kù)占地面積來(lái)說(shuō)很小，所產(chǎn)生的生態(tài)成本對(duì)各境界的影響較小且基本

一致，因而在計(jì)算中不考慮“其他直接足跡”。

估算排土場(chǎng)足跡、尾礦量以及尾礦庫(kù)的足跡。其中，巖石膨脹系數(shù)為1.25，

排巖場(chǎng)形態(tài)系數(shù)為1.5，巖石平均比重為2.7t·m-3，排巖場(chǎng)高度為200m;回

采率為95%，尾礦品位為8.1%，選礦回收率為82%，尾礦庫(kù)形態(tài)系數(shù)為1.5，尾

礦比重為1.75t·m-3，尾礦庫(kù)深度為100m。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置，得出經(jīng)濟(jì)最

優(yōu)境界剝離的巖石所需排土場(chǎng)的足跡為671.38hm2；選礦產(chǎn)生的尾礦量為

36722.42×104t，尾礦庫(kù)足跡為314.76hm2。因此，直接占地面積(直接足跡)

為1501.56hm2。

（2）間接足跡（能耗足跡）計(jì)算

根據(jù)南芬露天礦實(shí)際生產(chǎn)情況，目前南芬露天礦每萬(wàn)噸采剝量的汽油消耗為

0.041t，柴油消耗為5.664t，單位采剝量耗電量為1.2kwh/t，選礦廠單位選礦

量耗電量為28.5kwh/t。礦山計(jì)劃今后年生產(chǎn)能力達(dá)到1500×104t以上，根據(jù)

表4經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界優(yōu)化結(jié)果，粗略估計(jì)該境界開采壽命為36.5年，年均采剝量

為6795.65×104t。所以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界的汽油年消耗量為278.62t，柴油年消耗

量為3.85×104t，露天采場(chǎng)年耗電量為81.55GWh，選礦廠耗電量為426.98GWh。

估算經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界的一次能源足跡、電能耗足跡以及總能耗足跡。其中，消

費(fèi)的一次化石能源種類數(shù)為2（柴油和汽油），兩種一次化石能源的年消耗量如

上面所述，汽油和柴油的熱值分別為10300kcal/kg和10200kcal/kg，汽油和

柴油的碳排放系數(shù)分別為0.829t·kcal-7和0.852t·kcal-7，碳到二氧化碳

的轉(zhuǎn)換系數(shù)為3.6667，當(dāng)?shù)亓值氐腃O2年吸收能力為10.627t·hm-2·a-1，露

天礦年均用電量如上所述(包括露天采場(chǎng)和選礦廠)，每度電標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量為

0.404kg·kWh-1，火力發(fā)電占總發(fā)電的比例為0.8，標(biāo)準(zhǔn)煤碳排放系數(shù)為1.065

t·kcal-7，單位重量標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為7000kcal·kg-1。根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出經(jīng)

9

濟(jì)最優(yōu)境界的一次能源足跡中汽油的能耗足跡為82.09hm2，柴油的能耗足跡為

11541.41hm2；電能耗的足跡中露天開采電能耗足跡為6779.48hm2，選礦廠電

能耗足跡為35496.7hm2；總能耗足跡（每年）為53899.67hm2。

2.3.2礦山生態(tài)成本計(jì)算

（1）直接經(jīng)濟(jì)損失

直接經(jīng)濟(jì)損失是由于直接足跡占用所造成的?？紤]到該露天礦占用土地類型

以林地為主，所以征地單元都以林地處理，即征地單元數(shù)為1。根據(jù)礦山調(diào)研知，

礦區(qū)的征地價(jià)格約為240×104元·hm-2，境界的直接足跡如前所述為1501.56

hm2?？梢缘贸鰧?duì)應(yīng)于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界的直接經(jīng)濟(jì)損失(征地成本)為36.04×108

元。

（2）復(fù)墾成本

復(fù)墾對(duì)象主要針對(duì)采場(chǎng)、排土場(chǎng)和尾礦庫(kù)，即礦山占用的直接足跡。根據(jù)前

面所述，礦山主要占用的是林地，所以這里研究的復(fù)墾也主要考慮進(jìn)行林地復(fù)墾。

根據(jù)已有礦山林地復(fù)墾經(jīng)驗(yàn)知，復(fù)墾成本約為40×104元·hm-2，可以得出，經(jīng)

濟(jì)最優(yōu)境界的復(fù)墾成本為6.01×108元。

（3）外生生態(tài)價(jià)值損失

林地外生生態(tài)價(jià)值的損失是由于礦山直接足跡的占用所造成的林地生態(tài)功能的

損失，不同的林種其自身的生態(tài)功能存在一定的差異。所研究的礦山所處地區(qū)的

林種為溫帶常綠針葉林和落葉闊葉林，所以其凈初級(jí)生產(chǎn)力取兩種林地的平均

值，為6.56t·hm-2·a-1；CO2固定系數(shù)為1.62，二氧化碳處理成本為441元·t-1，

林地?fù)p毀面積為1501.56hm2(直接足跡)；釋氧系數(shù)為1.2，氧氣成本取氧氣的

工業(yè)成本701.4元·t-1；區(qū)域年平均降雨量800mm，產(chǎn)生徑流降雨量占降雨總

量的比例為0.4(北方約0.4，南方約0.6)，與裸地(或皆伐跡地)比較林地減少

徑流的系數(shù)為0.26，水源蓄水成本取1.25元·m-3；土壤保持能力為60.2915

t·hm-2·a-1，林地保持的土壤轉(zhuǎn)換為農(nóng)田的單位面積收益估計(jì)為22655.56

元·hm-2，農(nóng)田的土壤厚度取0.6m，土壤容重取1.3t·m-3；SO2吸收能力為

0.1521t·hm-2·a-1，SO2處理成本為1116.1767元·t-1；NOX吸收能力為0.38

t·hm-2·a-1，NOX的處理成本根據(jù)汽車尾氣脫氮處理成本為1.6×104元；林

地的滯塵能力為21.655t·hm-2·a-1，除塵成本為316.25元·t-1；P到P2O5

10

的轉(zhuǎn)換系數(shù)為2.2903，林地凈初級(jí)生產(chǎn)量中的氮、磷、鉀元素含量分別為0.0033、

0.00036、0.00231，氮肥、磷肥(P2O5)、鉀肥的價(jià)格分別為2200元·t-1、650

元·t-1、2259元·t-1；林地的殺菌素分泌能力為10.95t?hm-2·a-1，殺菌素

市場(chǎng)價(jià)格為150元?t-1；根據(jù)植物的生長(zhǎng)周期假設(shè)露天開采結(jié)束后5年時(shí)間恢復(fù)

生態(tài)能力，經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界總共開采36.5年，即生態(tài)功能損失一直要延續(xù)到第41

年才能恢復(fù)。

基于以上參數(shù)設(shè)置可以得出對(duì)應(yīng)于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界的年均固碳價(jià)值為703.72×

104元，釋氧價(jià)值為829.07×104元，涵養(yǎng)水價(jià)值為156.16×104元，土壤保持

價(jià)值為26.30×104元，SO2凈化價(jià)值為25.49×104元，NOX凈化價(jià)值為912.95

×104元，滯塵價(jià)值為1028.33×104元，養(yǎng)分循環(huán)價(jià)值為12.82×104元，林地

滅菌價(jià)值為246.63×104元；年均總的外生生態(tài)價(jià)值損失為3941.46×104元；

境界從時(shí)間0點(diǎn)開始一直到礦區(qū)生態(tài)功能回復(fù)這段時(shí)間（41年），外生生態(tài)價(jià)

值損失的總額為16.36×108元。

（4）能耗生態(tài)成本計(jì)算

根據(jù)能耗足跡計(jì)算使用到的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得到，經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界露天采場(chǎng)總的電

能耗產(chǎn)生的二氧化碳量為262.97×104t，汽油能耗產(chǎn)生二氧化碳量為3.18×

104t，柴油能耗產(chǎn)生的二氧化碳量為447.68×104t，選礦廠電能耗產(chǎn)生的二氧

化碳量為1376.87×104t。當(dāng)前二氧化碳捕捉成本每噸大概在35~75美元之間，

這里取碳捕捉成本為441元·t-1，得到露天采場(chǎng)總的能耗生態(tài)成本為31.48×

108元，選礦廠總的能耗生態(tài)成本為60.72×108元。

2.3.3生態(tài)成本分配

得到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界總的生態(tài)成本后（直接經(jīng)濟(jì)損失、復(fù)墾成本、外生生態(tài)價(jià)值損

失和能耗生態(tài)成本），將上述計(jì)算得到的直接經(jīng)濟(jì)損失、復(fù)墾成本、外生生態(tài)價(jià)

值損失以及能耗生態(tài)成本分配到單位采礦、剝巖以及選礦成本上，得到單位采礦

生態(tài)成本為1.953元·t-1，單位剝巖生態(tài)成本為3.463元·t-1，單位選礦生態(tài)

成本為13.343元·t-1。

2.3.4生態(tài)成本內(nèi)生化的境界迭代優(yōu)化

將上述經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界的單位采、剝、選生態(tài)成本分別加到基準(zhǔn)開采成本（采礦成

本24元·t-1，剝巖成本15元·t-1，選礦成本135元·t-1）上，其他技術(shù)經(jīng)

11

濟(jì)參數(shù)不變，進(jìn)行新一輪境界優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化得到的新境界的輸出數(shù)據(jù)再次計(jì)算

新境界的生態(tài)成本并按生態(tài)成本分配原理分配到單位采、剝、選上，這樣反復(fù)迭

代優(yōu)化，直到算法收斂。迭代優(yōu)化結(jié)果如表5所示，表中給出了不同境界的單位

采礦、剝巖、選礦生態(tài)成本和基準(zhǔn)成本，以及在該成本下得到新境界的礦巖量和

利潤(rùn)值。

表5境界迭代優(yōu)化結(jié)果

采礦成本剝巖成本選礦成本直接占

采出礦剝離巖

（元·t-1）（元·t-1）（元·t-1）利潤(rùn)值地面積

境界石量石量

(108元)（hm2

(104t)(104t)

基準(zhǔn)生態(tài)基準(zhǔn)生態(tài)基準(zhǔn)生態(tài)）

經(jīng)濟(jì)

54682.9193358.31501.5

最優(yōu)2401501350277.69

境界836

境界1.953.4613.3441948.7109559.41046.4

2415135169.92

1333698

境界2.143.6213.2142037.7110485.71048.9

2415135166.90

2866665

境界2.133.6113.2142406.8112293.11064.8

2415135166.91

3956265

境界2.143.6213.2242338.6111965.41060.6

2415135166.81

4440293

境界2.143.6113.2142191.0111138.61055.9

2415135167.15

5089607

境界2.143.6213.2142191.0111138.61055.9

2415135167.12

6317607

從表中可以看出，從經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界到境界1的礦石量和巖石量減幅很大，之后礦

巖量變化幅度逐漸減小，當(dāng)進(jìn)行完第7次境界（即得到境界6）優(yōu)化后，境界6

內(nèi)的礦巖量與境界5的礦巖量完全相同，即生態(tài)成本內(nèi)生化的境界優(yōu)化收斂于境

界5，所以境界5可看做是迭代優(yōu)化的收斂境界，將境界5作為考慮生態(tài)成本的

最優(yōu)境界（為了方便說(shuō)明，該境界在后面統(tǒng)稱生態(tài)最優(yōu)境界）。相對(duì)于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)

境界，生態(tài)最優(yōu)境界采出礦石量減少22.84%，排棄廢石量減少42.52%，二者總

和減少38.18%，采區(qū)總占地面積（采場(chǎng)、排土場(chǎng)、尾礦庫(kù)）減小29.68%。生態(tài)

最優(yōu)境界的生態(tài)成本分?jǐn)偟讲傻V、剝巖和選礦的單位成本分別為2.14元·t-1、

3.618元·t-1和13.219元·t-1，占基準(zhǔn)采礦、剝巖和選礦單位成本的8.93%、

24.14%和9.79%。生態(tài)最優(yōu)境界的總盈利比經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界（不考慮生態(tài)成本）的

總盈利下降了39.82%。可見，如果政策要求礦山經(jīng)營(yíng)者以某種方式支付本研究

12

估算的全部生態(tài)成本，境界的大小和礦山項(xiàng)目的盈利能力都將顯著下降。這有助

于保護(hù)臨界資源，即支付生態(tài)成本后不再帶來(lái)盈利的那部分資源。

實(shí)際上，先不考慮生態(tài)成本優(yōu)化得到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界，并根據(jù)其優(yōu)化結(jié)果計(jì)算出總

的生態(tài)成本，屬于“末端治理”，按照這種礦山設(shè)計(jì)思想，礦山最終盈利為127.08

×108元（經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界總的生態(tài)成本為150.61×108元）；而在境界優(yōu)化過(guò)程

中考慮生態(tài)成本屬于“源頭減量”，最終盈利為167.15×108元，比“末端治理”

高出31.53%。即“源頭減量”（生態(tài)成本內(nèi)生化境界優(yōu)化）要優(yōu)于“末端治理”。

圖8和圖9為生態(tài)最優(yōu)境界的三維實(shí)體圖和等高線圖。圖中，境界最低開采水平

為-107m。

-107m

圖8生態(tài)最優(yōu)境界三維實(shí)體圖

圖9生態(tài)最優(yōu)境界等高線圖

13

圖10為經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界（虛線）與生態(tài)最優(yōu)境界（實(shí)線）在不同水平的最終開采

范圍，陰影部分為礦體。從圖10可以看出，生態(tài)最優(yōu)境界上盤境界線相對(duì)于經(jīng)

濟(jì)最優(yōu)境界縮進(jìn)了180m左右，下盤縮進(jìn)20m左右。從178m開始生態(tài)最優(yōu)境界有

掛幫礦，經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界則在73m水平開始形成掛幫礦。

3已知境界中開采計(jì)劃優(yōu)化

完成境界設(shè)計(jì)后，露天礦設(shè)計(jì)的下一步就是在已知境界中進(jìn)行開采計(jì)劃優(yōu)化。對(duì)

已知境界做開采計(jì)劃優(yōu)化，就是在已圈定好的境界中確定每一年的最佳采剝量

(生產(chǎn)能力)以及采剝位置（開采順序），使凈現(xiàn)值最大。這里分別以不考慮生態(tài)

成本時(shí)得到的最優(yōu)境界（經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界）以及考慮生態(tài)成本（生態(tài)成本內(nèi)生化）

時(shí)得到的最優(yōu)境界（生態(tài)最優(yōu)境界）為已知境界，進(jìn)行開采計(jì)劃優(yōu)化。

3.1經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界開采計(jì)劃優(yōu)化

根據(jù)前面闡述的開采計(jì)劃優(yōu)化模型與算法，首先需要在已知經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界中產(chǎn)生

一系列地質(zhì)最優(yōu)開采體，然后對(duì)開采體序列進(jìn)行動(dòng)態(tài)排序，使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法從所

有滿足要求的路徑中找出NPV最大的開采路徑，該路徑上每一年的采剝量即為最

佳采剝量，對(duì)應(yīng)的開采體即為年最佳采剝位置，所對(duì)應(yīng)的開采時(shí)間即為礦山開采

壽命。

14

生態(tài)最優(yōu)境界

經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界

180m

250m水平178m水平73m水平-62m水平

圖10生態(tài)最優(yōu)境界和經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界在不同水平的對(duì)比

15

產(chǎn)生地質(zhì)最優(yōu)開采體序列的控制參數(shù)如表6所示。

表6產(chǎn)生地質(zhì)開采體序列的控制參數(shù)

年采礦量分辨率

工作幫坡角(°)年采礦量上限(104t)年采礦量下限(104t)

(104t)

2518001400120

基于以上參數(shù)設(shè)置，經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界中共產(chǎn)生開采體序列461個(gè)，最小開采體（開

采體1）礦石量為109.7×104t，相鄰開采體之間礦石增量基本保持在120×104t，

第461個(gè)開采體即為最大開采體（經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界）。各開采體對(duì)應(yīng)的礦巖量如圖

11示。

圖11經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界中開采體序列對(duì)應(yīng)的礦巖量

開采計(jì)劃優(yōu)化過(guò)程中相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)設(shè)置如表7所示。表中成本、價(jià)格上升率

取0表示礦山從開采初期一直到開采結(jié)束，成本、價(jià)格不隨時(shí)間的變化而變化，

用（0%，0%）表示，即每年的經(jīng)濟(jì)參數(shù)均取時(shí)間零點(diǎn)的值。假設(shè)礦山年礦石生產(chǎn)

能力為1500×104t，生產(chǎn)能力波動(dòng)范圍控制在1400×104t—1600×104t，年采

剝總量上限為20000×104t，閉坑期設(shè)置為1年。

表7開采計(jì)劃優(yōu)化參數(shù)

項(xiàng)目采礦成本(元·t-1)剝巖成本(元·t-1)選礦成本(元·t-1)精礦售價(jià)(元·t-1)

取值2415135700

項(xiàng)目礦石回采率(%)選礦回收率(%)邊界品位(%)精礦品位(%)

取值95822566

項(xiàng)目廢石混入率(%)廢石品位(%)成本上升率(%)價(jià)格上升率(%)

取值3.51000

基于以上參數(shù)設(shè)置以及條件假設(shè)，對(duì)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界進(jìn)行以下開采計(jì)劃優(yōu)化。

16

優(yōu)化結(jié)果如表8所示。

表8經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界開采計(jì)劃優(yōu)化結(jié)果

原地礦原地品原地巖入選礦入選品排巖石量精礦產(chǎn)年利潤(rùn)值年凈現(xiàn)值開采體

年

量(104t)位(%)量(104t)量(104t)位(%)(104t)量(104t)(104元)(104元)序號(hào)

11558.2131.65425.201533.9830.55449.42588.76161488.58134526.6313

21554.4031.301600.201530.2430.211624.36580.97139005.30105046.8626

31567.0131.232895.301542.6430.142919.66584.25119897.5681354.1439

41565.3131.184431.501540.9730.094455.83582.7996100.7556661.0952

51566.9030.936698.801542.5429.856723.16578.6658951.6924757.6365

61565.7131.196085.701541.3630.106110.04583.1171452.8131905.7578

71567.9131.017006.801543.5329.937031.17580.5655501.5619267.5091

81568.1230.878601.601543.7229.798625.98578.0429788.752066.00104

11337.8

91565.6530.711541.3629.6411362.13574.23-13547.13-23189.38117

0

13538.3

101567.8030.91543.4329.8213562.67578.48-43909.13-38293.06130

0

11066.9

111567.6130.871543.2329.7911091.27577.80-7286.00-17154.69143

0

121566.6030.827457.101542.2529.757481.45576.6546213.639409.91156

131566.7630.835874.801542.4529.765899.15576.9170098.0019393.97169

141566.5530.905564.001542.2529.825588.35578.0175566.5020373.41182

151564.6630.925815.101540.3829.845839.42577.7771928.8117634.09195

161567.2030.926306.401542.8429.856330.76578.7364840.8113895.47208

171566.2131.016554.201541.8629.926578.55579.7161965.7511997.34221

181569.4030.946637.091545.0129.866661.48579.8660325.7510691.13234

191567.8230.866524.601543.4329.786548.98577.7260762.1310149.88247

201569.2130.925998.101544.8129.846022.49579.4269630.2511916.47260

211566.2030.915366.701541.8629.835391.05578.1678691.7513493.41273

221566.2530.994921.011541.9629.914945.34579.6886422.1314460.91286

231568.5130.904579.301544.1229.824603.67578.7990582.6314463.13299

241568.0630.944283.411543.7229.864307.78579.3895496.6314547.81312

251567.9230.914068.301543.5329.834092.67578.7798327.7514159.75325

261566.5130.854059.801542.1529.784084.16577.1897562.6313105.81338

271566.4130.923811.411542.0529.853835.75578.45102194.8813036.06351

281566.6030.813587.891542.2529.733612.23576.39104069.5012500.13364

291567.0730.773492.611542.6429.693516.97575.77105007.7511827.69377

301567.3530.873060.301543.0429.803084.67577.88112904.0012150.31390

311565.0530.813740.091540.6729.733764.41575.74101582.509881.06403

321567.4530.705830.701543.1429.635855.08574.7069107.255253.38416

331568.0530.755074.591543.6329.685098.97575.8181146.506285.25429

341565.4130.943759.911541.0729.863784.23578.40103087.258214.13442

351568.2131.191752.081543.8330.101776.38583.96136661.0011016.00455

17

36722.3131.26687.41711.0730.17698.64269.5665155.254946.44461

合

55546.4030.95192494.9154682.9830.22193358.3320531.102776775.75681751.38461

計(jì)

從表8可以看出，礦山開采壽命為36年，每年采出礦石量（即表8中的入

選礦石量）基本上保持在1540×104t（優(yōu)化參數(shù)設(shè)置中，生產(chǎn)能力范圍是1400

×104t-1600×104t），除最后1年為閉坑期，采出礦石量不足1000×104t；

巖石剝離高峰發(fā)生在9-11年，年剝離量均達(dá)到了1×108t以上，其中第10年的

剝離量達(dá)到1.3×108t以上；表中最后一列開采體序號(hào)表示對(duì)應(yīng)年份采場(chǎng)推進(jìn)的

位置。凈現(xiàn)值為68.18×108億。

3.2生態(tài)最優(yōu)境界開采計(jì)劃優(yōu)化

在生態(tài)最優(yōu)境界中優(yōu)化開采計(jì)劃的方法同在經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界中一樣，首先根據(jù)

表6中的參數(shù)設(shè)置，在生態(tài)最優(yōu)境界中共產(chǎn)生開采體356個(gè)，其中最小開采體原

地礦石量為80.5×104t，相鄰開采體之間礦石增量基本保持在120×104t，第

356個(gè)開采體即為最大開采體（生態(tài)最優(yōu)境界），原地礦石量為42857.2×104t，

原地巖石量為110472.4×104t。各開采體對(duì)應(yīng)的礦巖量如圖12所示。

圖12生態(tài)最優(yōu)境界中開采體序列對(duì)應(yīng)的各采場(chǎng)礦巖量

在生態(tài)最優(yōu)境界進(jìn)行生態(tài)成本內(nèi)生化的開采計(jì)劃優(yōu)化，不同時(shí)間點(diǎn)以及不同

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工藝環(huán)節(jié)上的生態(tài)成本動(dòng)態(tài)分布如下：

征地時(shí)間、征地面積和征地資金確定。根據(jù)征地成本的時(shí)間分布及作用對(duì)象

分析，礦山的征地包括采場(chǎng)、排土場(chǎng)和尾礦庫(kù)征地，征地面積和征地時(shí)間受礦區(qū)

地理地質(zhì)條件、開采境界范圍、境界礦巖量以及開采計(jì)劃等影響。采場(chǎng)的征地面

積，即經(jīng)濟(jì)最優(yōu)境界的境界大小，可以通過(guò)軟件直接在圖上量取，假設(shè)采場(chǎng)不分

期征地，那么采場(chǎng)在時(shí)間0點(diǎn)一次性完成全部征地。假設(shè)礦山只有一個(gè)排土場(chǎng)，

根據(jù)境界內(nèi)巖石量可以計(jì)算排土場(chǎng)總面積，如果排土場(chǎng)不分期征地，則在時(shí)間0

點(diǎn)一次性完成排土場(chǎng)的全部征地。假設(shè)礦山只有一個(gè)尾礦庫(kù)，根據(jù)尾礦庫(kù)建庫(kù)特

點(diǎn)，尾礦庫(kù)需要一次性完成征地，征地時(shí)間發(fā)生在時(shí)間0點(diǎn)，尾礦庫(kù)面積根據(jù)境

界內(nèi)礦石量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)上述對(duì)采場(chǎng)、排土場(chǎng)和尾礦庫(kù)在不同時(shí)間征地面積的

計(jì)算，結(jié)合礦山當(dāng)?shù)氐膯挝幻娣e征地成本（240×104元·hm-2），就可以計(jì)算

出礦山直接經(jīng)濟(jì)損失。

外生生態(tài)價(jià)值損失時(shí)空動(dòng)態(tài)分配。根據(jù)外生生態(tài)價(jià)值損失的時(shí)間分布及作用

對(duì)象分析，采場(chǎng)的外生生態(tài)價(jià)值損失與采場(chǎng)每年推進(jìn)位置（開采體的地表面積）

有關(guān)，考慮到礦山目前采場(chǎng)的開采范圍已經(jīng)擴(kuò)展到300hm2以上，即境界內(nèi)植被

破壞面積已達(dá)300hm2，所以在計(jì)算采場(chǎng)外生生態(tài)價(jià)值損失時(shí)，當(dāng)開采體地表面

積小于300hm2時(shí)，按照每年土地?fù)p毀面積為300hm2計(jì)算，當(dāng)某年對(duì)應(yīng)開采體

的地表面積大于300hm2時(shí)，按開采體地表面積計(jì)算。如果排土場(chǎng)近似為梯臺(tái)體，

排土場(chǎng)幫坡角為20°，形態(tài)系數(shù)為1.5，并假設(shè)排土場(chǎng)初期建設(shè)用地可以容納境

界內(nèi)巖石總量的十分之一，則可根據(jù)梯臺(tái)體（排土場(chǎng)）幾何關(guān)系計(jì)算出排土場(chǎng)初

期的土地平整面積以及初期堆置高度，那么在累計(jì)排土總量未達(dá)到排土場(chǎng)初期容

量之前，排土場(chǎng)每年的外部生態(tài)價(jià)值損失根據(jù)排土場(chǎng)初期土地?fù)p毀面積進(jìn)行計(jì)

算。由于尾礦庫(kù)是一次建成，所以尾礦庫(kù)的外生生態(tài)價(jià)值損失從時(shí)間0點(diǎn)開始每

年都按照尾礦庫(kù)總占地面積進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)外生生態(tài)價(jià)值損失計(jì)算參數(shù)設(shè)置，每

公頃土地外生生態(tài)價(jià)值為2.63×104元，結(jié)合采場(chǎng)、排土場(chǎng)和尾礦庫(kù)每年總的土

地?fù)p毀面積，就可得到每一年的外生生態(tài)價(jià)值損失。假設(shè)礦山是在開采結(jié)束后才

進(jìn)行復(fù)墾，且需要5年的時(shí)間才能完全恢復(fù)礦區(qū)損毀土地的生態(tài)功能，那么礦山

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的外生生態(tài)價(jià)值損失一直持續(xù)到礦山開采結(jié)束后5年，這5年時(shí)間的外生生態(tài)價(jià)

值損失均按照采場(chǎng)、排土場(chǎng)和尾礦庫(kù)總面積計(jì)算。

能耗生態(tài)成本確定。根據(jù)礦山目前生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗情況看，每萬(wàn)噸采

剝量的汽油消耗為0.041t，柴油消耗為5.664t，露天礦單位采剝量耗電量為

1.2kwh·t-1，選礦廠單位選礦量耗電量為28.5kwh·t-1。對(duì)于處理能源消耗

排放的二氧化碳最有效的辦法就是進(jìn)行碳捕捉和碳儲(chǔ)存，分別得出采出1t礦石

的能源生態(tài)成本和剝離1t巖石的能耗生態(tài)成本均為1.269元，選礦能耗生態(tài)成

本為11.104元·t-1。

復(fù)墾成本確定。假設(shè)礦山在開采結(jié)束后進(jìn)行復(fù)墾，復(fù)墾時(shí)間為3年，復(fù)墾年

金為40×104元·hm-2，每年的復(fù)墾面積相等，即需要復(fù)墾土地總面積（采場(chǎng)、

排土場(chǎng)和尾礦庫(kù)）除以復(fù)墾時(shí)間（3年）。

開采計(jì)劃優(yōu)化過(guò)程中，成本均發(fā)生在年初，即在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)計(jì)算的時(shí)候，無(wú)論

是表7中的各項(xiàng)開采成本，還是上面提到的礦山開采造成的各項(xiàng)生態(tài)成本，均認(rèn)

為是在每一年的年初產(chǎn)生，而精礦銷售產(chǎn)生的利潤(rùn)發(fā)生在每年的年末。其他參數(shù)

設(shè)置參考表7，生態(tài)成本內(nèi)生化的開采計(jì)劃優(yōu)化結(jié)果如表9所示。

表9生態(tài)最優(yōu)境界開采計(jì)劃優(yōu)化結(jié)果

原地礦原地品原地巖入選礦入選品排巖石量精礦產(chǎn)年利潤(rùn)值年凈現(xiàn)值開采體

年

量(104t)位(%)量(104t)量(104t)位(%)(104t)量(104t)(104元)(104元)序號(hào)

11526.1031.64409.401502.3830.54433.12576.47136687.84110288.7613

21536.2031.372964.901512.3230.282988.78575.4192660.9161972.4826

31567.8030.793955.201543.4329.723979.57576.5071975.3939806.9939

41566.7030.892349.601542.3529.812373.95577.8999254.4859418.7252

51567.7030.902881.401543.3329.822905.77578.4190770.3049040.7065

61568.5030.942042.301544.1229.862066.68579.43104960.1755916.4878

71567.0031.172198.701542.6430.092223.06583.29105337.6152391.9291

81567.3031.142804.201542.9430.062828.56582.8595085.1742592.25104

91568.0031.123428.401543.6330.043452.77582.6784636.1733729.23117

101567.6030.993984.201543.2329.904008.57580.0273716.2325648.97130

111567.2030.814582.401542.8429.734606.76576.5961556.6117869.50143

121567.6030.865022.301543.2329.795046.67577.7755077.9213596.88156

131569.1030.875769.501544.7129.795793.89578.4143045.557351.75169

141569.3030.805822.901544.9129.725847.29577.1941234.176142.32182

151564.5030.904992.201540.1829.825016.52577.2855570.5511298.86195

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表9生態(tài)最優(yōu)境界開采計(jì)劃優(yōu)化結(jié)果

原地礦原地品原地巖入選礦入選品排巖石量精礦產(chǎn)年利潤(rùn)值年凈現(xiàn)值開采體

年

量(104t)位(%)量(104t)量(104t)位(%)(104t)量(104t)(104元)(104元)序號(hào)

161568.0030.874600.901543.6329.794625.27577.9861796.6712804.64208

171566.7030.883978.101542.3529.814002.45577.7971983.9215420.60221

181568.0031.014134.101543.6329.934158.48580.6771197.6714121.14234

191567.5030.984709.801543.1329.904734.16579.8261263.1710269.57247