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1、露天煤矿高效开采新技术 （653工程培训教材）,才庆祥教授,第一章 绪论 第二章 露天煤矿开采新工艺与新方法 第三章 露天煤矿开采主要设备 第四章 露天煤矿环境保护与安全生产 第五章 智能矿山 第六章 边坡稳定,第一章 绪 论,第一节 世界露天开采技术发展特点,一、高度集中化开采与集约化经营目前，世界最大的露天煤矿年产量已达5060Mt/a，位于德国、美国、哈萨克斯坦等国；年产量20Mt/a以上的露天煤矿则遍及俄罗斯、中国、澳大利亚、波兰、捷克等国。由大型企业集团占有煤炭生产及市场销售的集中化份额，是矿业集中化开发又一重要趋势。2000年国际十大煤炭公司控制着8.5亿t的煤炭年产量。,二、露天
2、采矿工艺发展趋势,1、设备大型化与开采集中化目前单斗电铲勺斗容积已达76.5m3，其装载重量超过100t；与之相匹配的卡车载重量已达363t。单个露天矿的生产能力已逾60Mt/a。2、开采工艺的连续化最具代表性的连续工艺是轮斗挖掘机-带式输送机-排土机，采用这种工艺可以实现高效率、低成本。 近4050年中，露天矿半连续工艺得到了越来越广泛的应用，以适应当地的矿床埋藏条件。,3、生产环节的合并化与开采工艺的简化条件适宜时可采用某种开采设备，实现两个甚至三个生产环节的合并，以简化开采过程并大幅度降低开采成本。巨型拉斗电铲倒堆剥离是一种典型的合并式工艺；铲运机剥离工艺是另一种合并式工艺。 4、开采工
3、艺的综合化随着矿山开采的集中化趋势，单个露天矿的开采范围扩大，开采深度日益增加，开采境界内矿岩赋存条件往往复杂多变。针对这种情况，传统的单一开采工艺方式往往不能与之相适应，使开采效率降低，开采成本提高。近年来，多种开采工艺综合应用已经成为大型露天开采的一种发展模式。,三、矿山企业管理计算机智能化,随着计算机技术的日新月异，计算机已广泛应用到露天开采许多领域，从矿床勘探与地质模型建立到矿山设计计划，从矿区及矿山生产管理到设备故障监测等，计算机已成为提高改善露天矿管理水平与经济效益不可缺少的有力工具。,四、资源开发、生态环境与可持续发展,对于矿山环境保护方面，如复垦造田，三废处理，滑坡防治，煤炭自
4、燃防治等，提出了露天采矿与生态重建一体化等新理论、新方法与新技术问题。合理充分开发与利用矿产资源，实现矿业可持续发展，造福子孙后代，已受到各国普遍关注。,第二节 露天采煤的特点,资源友好回采率高，可以达到95%以上； 安全友好死亡率低，可以连续多年保持零死亡率； 环境友好土地复垦，容易实现露天采矿与生态环境重建一体化； 集中开采生产规模大，吨煤投资与生产成本低； 机械化程度和人均工效高，便于实现现代化管理； 能够突出体现煤炭资源安全、高产高效、高回收率的开发。世界各主要采煤国都优先发展露天采煤，各自国家露天开采产量所占比例如下：德国76.6%，澳大利亚71.2%，印度70.5%，美国67.0%
5、，俄罗斯58.2%，南非52.9%，波兰32.0%。目前我国露天煤矿的产量只占总产量的5.0%左右。,第三节 我国露天采煤发展历史 及现状与前景,一、我国露天采煤发展历史,20世纪5060年代，我国在原苏联援助下，建设了一批露天开采骨干矿山。其中抚顺西露天矿、阜新海州露天矿生产能力皆在3Mt/a以上。全国露天煤矿年生产能力达20Mt。 20世纪70年代改革开放以后，我国决定开发五大露天煤矿，即安太堡露天煤矿、黑岱沟露天煤矿、霍林河南露天煤矿、伊敏河一号露天煤矿、元宝山露天煤矿，其设计总生产能力为52Mt/a。自80年代至90年代，五大露天已经先后建成移交生产。,二、我国露天采煤发展现状与前景,
6、进入21世纪以来，我国露天采煤新高潮正在兴起。煤炭是我国重要的基础能源和原料，在国民经济中具有重要的战略地位。露天煤矿开发与建设，是我国“十一五”期间建设十三个大型煤炭基地的重要组成部分。国家“十一五”煤炭行业发展规划中提出“大型煤炭基地建设将以大型煤炭企业为主体，优先建设大型现代化露天煤矿和矿井”；中国节能技术政策大纲12.3.1中明确指出“新建矿山，在采矿技术和经济条件允许的情况下，优先采用露天开采。大中型露天矿，边坡稳定，岩石坚硬，尽量采用陡帮开采；深凹露天矿，宜采用汽车胶带联合运输方案；露天采矿设备应逐步大型化、配套化。”,我国目前正在改扩建、新建和待建的露天煤矿有胜利东一号露天煤矿、
7、胜利东二号露天煤矿、胜利东三号露天煤矿、胜利西一号露天煤矿、胜利西二号露天煤矿、白音华一号露天煤矿、白音华二号露天煤矿、白音华三号露天煤矿、白音华四号露天煤矿、黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿、安太堡露天煤矿、安家岭露天煤矿、平朔东露天煤矿、霍林河露天煤矿、伊敏河露天煤矿、扎哈诺尔露天煤矿、宝清朝阳露天煤矿、魏家卯露天煤矿、小龙潭露天煤矿、先锋露天煤矿、宝日西勒露天煤矿等。,我国各露天煤矿及主要指标,锡林浩特胜利露天煤矿区矿田划分,第四节 我国露天采煤存在问题和发展建议,一、存在和急需解决的主要问题我国露天煤矿一般具有近水平矿床、多煤层、厚煤层、厚覆盖层等赋存特点。目前的生产露天煤矿多以单斗挖
8、掘机-卡车间断工艺为主，开采工艺单一，主要设备依赖进口，且长期超期服役；设计理论与手段陈旧；地处生态环境脆弱地区，管理手段落后。,（1）我国露天煤矿（区）的煤层赋存条件、开采工艺、经营与管理模式具有共性。因此，需要加强校企联合，对露天开采设计理论、开采方法及相应的关键技术进行创新性研究，推动我国露天采煤事业整体达到国际先进水平。 （2）对露天开采的特点与优势应有充分认识。特别是露天开采可实现高度集中化开发，我国内蒙、山西、云南等省区适于露天开采的煤炭储量丰富，可兴建一批千万吨级的特大型露天矿，以解决我国能源紧张的问题，并实现高产高效；露天开采安全性高，极少发生人员伤亡事故；露天开采资源回收率达
9、95%以上，远比矿井开采回收率高；露天开采后生态环境可以得到恢复与重建。,（3）对露天开采煤炭资源、新技术发展及其经济效益等缺乏全局性研究、评估与规划。近年探明了一批特大型煤田，如胜利、白音华等矿区煤炭储量皆在百亿吨以上，加上原有十余处特大型煤田，可供露天开采的煤炭储量相当丰富，可以保证本世纪的高强度持续开发。由于煤炭加工与发电技术的进步，褐煤已得到进一步的充分利用，成为我国急需能源及化工产品的重要来源。 露天开采技术近年有了迅速发展，主要产煤国家露天开采比重不断上升，经济效益十分明显。而国内竟出现露天开采应由地下开采所取代的说法，并以个别矿区经验为例，得出不符合实际结论。,（4）露天开采工艺
10、过于单一，限制了经济效益的提高。现有生产矿山开采工艺以单斗电铲-卡车为主，其开采成本居高不下，尤其目前燃油价格飞涨，更应适时改变开采工艺，使之多样化。 （5）对露天开采环境保护方面有认识误区，如对露天开采方法的叙述中，有人提到“对地表和生态环境严重破坏”，提法不当。随着对环境保护及矿区可持续发展的重视，露天开采环境保护已经出现了崭新面貌。如平朔矿区、准格尔矿区、霍林河矿区、伊敏河矿区的排土场和采场复田后已经是绿草成片，绿树成林，沉淀池成为清澈的人工湖，引来群鸟和野生动物栖息。,二、关于发展思路的建议,（1）坚持对优势煤炭资源实行集中化开采，实现大规模生产的经济效益；实行大集团经营战略，实现高度
11、集约化经营。 （2）因地制宜，大胆采用行之有效的各种先进开采工艺，以便在优势煤田实现高度集中化开采，取得高度经济效益。 扩大拉斗铲倒堆剥离的应用范围，强化拉斗铲的利用，辅之以抛掷爆破与大型推土机的有力配合作业。 开采设备大型化是优势资源集中化开采的必然要求，也是简化剥采工程并降低开采成本提高经济效益的重要途径。,（3）有关的体制、规范、制度应该适应新形势的要求，进行修订、完善，以求不断促进露天开采的迅速发展。 （4）通过工程承包，加快露天矿建设，是近年我国露天煤矿建设的一项重要经验。这项措施有待进一步发展，使之更灵活地应用，得到更快更好的矿山建设效果。 （5）矿山设计工作应有先进性与前瞻性。设
12、计成果应充分体现现代矿业科学技术与经营管理的进步；设计思想应有超前意识，预见到可能的技术发展方向，避免在矿山建成时即已落后于时代。 （6）加强露天煤炭企业与高等院校和设计研究单位的联合，协同进行科技攻关，为我国露天采煤事业更好更快的发展提供新的设计理论、开采方法与关键技术支撑。,第二章 露天煤矿开采 新工艺与新方法,第一节 露天煤矿拉斗铲无运输倒堆新工艺,大型拉斗铲无运输倒堆工艺是一种先进的露天开采工艺，它集采掘、运输与排土三项作业于一体，将剥离物直接倒堆排弃于露天矿采空区内，具有设备少，作业效率高，生产成本低，生产能力大，生产可靠性高等显著特点，在国际露天矿山开采中，已成为首选的露天开采工艺
13、。有关资料表明，美国、澳大利亚、俄罗斯、南非、加拿大、印度、巴西、哥伦比亚、墨西哥、土尔其、英国、赞比亚等国都有拉斗铲无运输倒堆工艺应用的实例。拉斗铲无运输倒堆工艺适用于近水平或缓倾斜煤层，对剥离物的物理力学性质和气候条件等无严格要求，我国正在开发和规划开发的多个大型露天矿区具备应用拉斗铲无运输倒堆工艺的基本条件。,一、拉斗铲无运输倒堆工艺特点分析,固体矿物资源露天开发有两种基本方式：矿坑式开采是指将覆盖物从矿层上剥离并移运到相对较远的外排土场，如图所示：,矿坑式开采工艺,倒堆开采是指将覆盖物从矿层上剥离并直接倒堆排弃于采空区，一次只暴露一小部分矿石，然后不断重复这一过程，如图所示。拉斗铲是当
14、今最主要的倒堆开采设备。,拉斗铲倒堆开采工艺,拉斗铲无运输倒堆工艺评价,拉斗铲设备规格大，生产能力大且生产作业不容易受到如坑底积水等不利条件的干扰，对物料性质、气候条件的和资源条件变化的适应能力强。虽然拉斗铲无运输倒堆工艺具有单台设备投资高、设备订货时间长、辅助设备工程量大、管理水平要求高等劣势，但当资源条件适合时，采用该工艺开采的成本远低于其他工艺的，因此其应用前景十分广阔。,二、拉斗铲应用概况,1、应用概况 自上世纪初第一台拉斗铲问世以来，世界上共生产出七百余台各种型号的拉斗铲，用户遍及数十个国家。下表所示为世界主要产煤国家应用大型拉斗铲基本情况。,世界主要产煤国家应用大型拉斗铲概况,美国
15、是世界第二大产煤国，同时是最大的拉斗铲使用国，拉斗铲倒堆剥离生产的煤量占全美煤炭产量的57%以上。在美国西部各州、海湾诸州、波德河煤田等地区拉斗铲无运输倒堆工艺皆占主导地位。,美国露天煤矿应用拉斗铲概况,2、设备制造 按行走装置分拉斗铲有三种类型：轨道走行式、履带走行式和迈步式。轨道走行式拉斗铲生产能力较小，并且走行困难，因此现在很少采用。除俄罗斯以外，目前拉斗铲制造厂商仅美国的BI公司（Bucyrus International，比塞洛斯国际公司，即原B-E公司）及P&H公司两家。其中BI公司所占市场份额约为90%，P&H公司占10%左右。俄罗斯的主要生产厂家为乌拉尔重型机械厂，主要占据东欧
16、及中北亚市场，大型拉斗铲铲斗容积也已突破了100m3。拉斗铲现已有系列规格产品推出，但拉斗铲为矿山专用设备，属定制设备，已有规格型号主要供设备选型优化时参考之用。,3、设备寿命 实践证明，拉斗铲可保持很长的使用寿命，这有利于露天矿生产成本的降低。大部分拉斗铲尚未达到使用寿命就因为露天矿的资源开采结束或有新的更大规格的拉斗铲投入使用而提前退役了。我国规划采用拉斗铲无运输倒堆工艺的露天煤矿服务年限均在50a以上，有利于拉斗铲使用寿命的延长。4、我国应用前景 拉斗铲无运输倒堆工艺普遍适用于近水平或缓倾斜煤层的露天矿，一般下部煤层厚度小于40m时应优先考虑采用。我国已经或将要开发的10多个适宜露天开采
17、的大型、特大型煤田及矿区，大部分具有采用拉斗铲剥离的有利条件，见下表。,我国露天矿田资源赋存概况,可以看出我国露天矿田具有如下特点： （1）煤层埋藏倾角多数在10以下，属近水平或缓倾斜煤层，这是采用拉斗铲无运输倒堆工艺最必要的也是最重要的赋存条件； （2）煤层数目不多，主采煤层多为1-3层，煤层结构不复杂，煤层厚度不过大，不致成为限制采用拉斗铲无运输倒堆工艺的因素； （3）剥离物岩性多在中硬度以下，岩层厚度各煤田大小不一，各自具备全部或部分剥离物采用拉斗铲倒堆剥离的条件； （4）多数煤田面积广大，储量丰富，可有足够空间安排必要的工作线长度并充分发挥拉斗铲生产能力。综合看来，我国有相当多的大型煤田具备采用拉斗铲无运输倒堆工艺的基本条件，有望建设一批采用这种先进剥离方法的高产高效露天矿，从而为加快露天采煤的发展，大幅度提高矿山经济效益，提供了新的技术道路。,
