浅析目前露天采矿技术及采矿设备的发展趋势

付书林

摘要：采矿引发的环境破坏已成为不可忽视的严峻问题, 无废开采技术也因此纳入我国中长期科技发展规划。无废、少废采矿工艺技术的创新及其技术的工程化集成配套,将成为我国矿山技术的主要发展方向。本文探讨了开采新工艺与新技术，阐述了采矿技术的发展趋势。

关键词：露天采矿技术采矿设备新工艺新技术发展趋势

中图分类号：TD43 文献标识码： A 文章编号：

80年代以来, 国内外露天矿山的开采规模一在继续增大, 年采剥总量在1亿吨左右的特大型露天矿山有明显增加。与此相适应, 露天采矿设备的规格也在向大型化发展。但与70年代相比, 其发展速度已明显减缓, 而各设备制造厂家都十分重视改进和完善机械结构, 提高设备的技术水平, 提高监测、控制和调度的综合自动化水平。

随着浅部资源的逐渐消耗, 矿床开采将向低品位、边界品位、深部发展, 安全高效的采矿技术的重要性将日显突出。信息技术的发展将为采矿工艺和技术的发展带来新的突破。数字信息技术在采矿工艺优化、采矿工程设计、生产调度、设备智能化、灾害预报及无人采矿系统等方面的应用将得到长足发展。智能采矿设备将成为21 世纪露天矿山提高劳动生产率和竞争能力所追求的目标。

一、露天采矿新技术

从全球矿石生产产量来看，露天采矿是矿山开采最主要的方式，露天与地下矿石产量之比在2000年前后几年基本稳定在6：1，其中84%为露天开采矿石产量，而16%为地下开采矿石产量，预计随着浅部资源可供开发量的减少，深部资源勘探技术发展获得更多深部可开采资源，这一比例将会呈逐渐减小趋势。

当代露天采矿技术发展趋势是开采工艺的综合化，采剥工艺的选择贵在因地制宜。针对不同开采深度、不同地段、不同开采对象的特点，采用不同开采工艺，并组成综合工艺。将机械化、自动化、通信、计算机及优化理论等多学科交叉应用，通过研究、开发、实现露天开采生产的自动调度，生产计划和过程的优化，开拓运输系统和采装系统的优化将是露天开采常用的计划、生产管理手段，在未来几年，数字矿山技术将会得到普及。

1、胶结充填采矿技术

充填采矿工艺, 尤其是胶结充填采矿工艺, 对于提高矿产资源的回采率和保护地表不受破坏具有十分显著的效果。但如何使充填采矿工艺与矿床开采条件有效匹配,实现高效率、高产能，并且降低采矿成本一直是个难题，随着充填采矿工艺的推广应用，这一难题将逐步予以解决。

（1）盘区高分层充填采矿技术

分层充填采矿工艺应用范围较广, 但分层高度一般在2m～3m 左右，使得分层采矿法的生产能力和生产效率较低。标准盘区的生产能力达到800t/d以上，采后尾砂充填，实现分层充填采矿法集中强化采矿，显著提高了生产能力和生产效率。

（2）分段充填采矿技术

充填采矿法通常采用分层回采方式,但下向分层法的充填成本高,而上向分层法要求矿体稳固性较好。分段充填法将暴露面积较大的分层采场转变为椭圆状多边形断面结构大幅度缩小了采场暴露面积,因而可以在矿体不太稳固的条件下实行高效率充填采矿。该工艺可以实现无矿柱连续开采,可以在难采矿体条件下实现安全、高效、低耗采矿。

（3）高阶段大直径深孔嗣后充填采矿技术

大直径深孔采矿由高效率的落矿技术与阶段嗣后充填工艺相结合,既发挥了充填采矿法的优点, 又能实现高效率、大规模地下采矿。通过铲运机平底出矿,遥控铲运机回收残矿,采空区采用嗣后高浓度尾砂胶结充填等工艺, 使采场综合生产能力大大增强。

2、陡帮开采

目前, 我国大部分大型露天矿已进入深凹开采,采场作业条件逐年劣化,采运设备陈旧老化, 效率降低。因此要想从根本上改变矿山工业面貌,提升整体生产能力,必须依靠科学技术,提高科技贡献率,增强企业活力, 以求得发展。陡帮开采技术具有初期剥离量小,基建工程量少,建设周期短和最终边坡暴露时间短等优点。

3、高台阶采矿

随着露天开采设备大型化的发展, 国外一些矿山研究并采用高台阶开采工艺。我国对高台阶开采技术的研究起步较晚采用高台阶开采的露天矿不多,台阶高度最大也只有14m～15m。近几年来,我国大型露天铁矿装备水平有了很大提高,采10m3以上的大型挖掘设备逐渐增多, 为高台阶开采新工艺的实施提供了有利的技术保证。

4、装备大型化

随着高新技术特别是微电子技术的进一步扩大应用, 大功率柴油机和大规格轮胎相继研制成功, 为装载设备大型化发展创造了条件。在21 世纪必将会有采用先进技术特别是高科技微电子控制系统的、更加灵活可靠的、造价较低的更大型装载设备登上露天开采的舞台。

（1）钻机

国内重点冶金矿山穿孔设备是潜孔钻与牙轮钻共存,牙轮钻比例较高(占88%),钻孔直径以250、310mm 为主,中型矿山以潜孔钻为主,钻孔直径以200mm 为主;国外普遍采用牙轮钻, 直径大多为3 1 0 m m ～380mm,有的达559mm,孔深可达73m。

（2）矿用电铲

国外液压电铲的应用在不断扩大( 占26%),电动铲仍占绝对优势(占48%)。斗容以16.8、21、30、38、43m3 为主。国内重点露天矿主要以电铲为主,斗容最大为16.8m3。

（3）露天矿用汽车

目前国外大型矿山, 无论是液力机械传动的、还是交流驱动的电动轮汽车, 其载重量大多为240t、320t、150t。我国大型露天矿山汽车的最大载重量也达到120t、170t。

（4）矿用电机车

目前国外露天采矿场使用电机车运输的国家主要是原独联体的一些国家, 这些国家深凹露天矿电机车一般是直流电机或交流电机驱动的联动机组,粘重一般为300t以上,最大粘重为480t。国内电机车一般为直流电机驱动,粘重一般为150t。

（5）大倾角运输机

大倾角运输技术在露天矿山运输中具有明显的优越性。美国、前苏联、瑞典德国、英国等都进行了这方面的研究, 如美国大陆公司研制了由2 条胶带组成的夹持式大倾角运输机瑞典斯维特拉公司研制了带横隔板的波浪挡边大倾角运输机和由2 条胶带牵引的袋式大倾角运输机英国休伍德公司研制了链板与胶带组合的大倾角运输机等。这些运输机都实现了>30°的大倾角连续运输。前南斯拉夫麦依丹佩克铜矿因采用了大陆公司的大倾角运输系统,使采场内的汽车用量减少3倍,运距缩短4km,其中35km 是连续陡坡,大幅度降低了运输成本,每年可节省1200 万美元。

5、爆破技术

（1）微差爆破

露天矿目前采用塑料导爆管非电起爆系统大区微差爆破技术，大区微差爆破一般一星期只需爆破一次，可满足采矿和剥离的需要，但受作业条件的限制，平时只搞小规模爆破，满足一台电铲2-3天的采剥量即可。

（2）二次爆破

采用YT-25型和7655型凿岩机打眼，2#岩石炸药爆破，由于该矿大块产出率小，所以一般实行集中二次破碎，8#电雷管瞬发引爆。

（3）预裂爆破

为了减轻爆破震动对边坡的影响，并保证每个台阶坡面平整，临近边坡采用预裂爆破。用现有的牙轮钻机在每个平盘的境界线的坡底打垂直孔孔深为台阶高度，孔距2.5m-3.5m，空气间隔不偶合袋装乳化炸药，导爆索捆扎药卷同段微差导爆管起爆。

6、排土技术

排土技术是露天采矿过程中必不可少的生产工序，它不仅关系生产规模的扩大，而且体现着运输和排土的技术经济效果。排土方式取决于开拓运输方式，而排土场的稳定性及病害治理则是排土场能否长久使用的关键，采用汽车-推土机排土方式具有机动灵活、爬坡能力大等优点，适用于任何地形条件，可堆置山坡形和平原形排土场，且排土线路建设快、投资少、容易维护，其排土工艺与土场技术管理也比较简单。在排土过程中，有单台阶排土，高差达60米以上的，也有多台阶分层排土，每层10m-20m不等，露天矿排土技术与排土场治理一是采用高效率的排土工艺，提高排土强度；二是增加单位面积的排土容量，提高堆置高度，减少排土场占地；三是排土场复垦或剥离与土地复垦一体化作业，目前露天矿的土地复垦工作，主要是对到界的排土场或对其中到界的某一部分进行一般的复垦绿化，剥离与复垦一体化作业是将复垦作业和采剥作业溶为一体，在进行采剥作业的同时，将采场和排土场可用作复垦的表土单独采集和存放，待采场或排土场出现到界区域并可进行复垦时，再将这些表土运运至待复垦点排弃和复垦，这样不仅能取得一定的经济效益，而且还能化解一些工农争地矛盾，减少环境污染。

二、露天采矿设备的发展趋势

我国采矿技术取得了显著成就, 但总体水平仍然较低, 在以后一定时期内采矿技术的主要发展方向为：

1、设备逐步趋向大型化。为了满足人们对矿产资源的需求和矿业公司的经济利益，人们开始逐渐把目光投向边界品位矿体，扩大工作面尺寸，使用大型设备，加大开采规模。近20年采矿设备大型化的趋势日趋明显，主要表现在一是露天穿孔设备钻孔直径不断增大；二是露天装载设备的斗容量不断增大，电铲一直是大型和特大型露天矿山的主导装载设备，液压挖掘机和轮式装载机具有很多优点，如重量轻、机动灵活、作业率高、投资少、设备更新快、易于实现无级调速和控制等；三是露天运输设备的吨位不断增大，汽车具有爬坡能力大、转弯半径小的优点，汽车运输机动灵活，特别适合需要均衡配矿和多点作业的矿山，成为现代露天矿山的主要运输设备。

2、设备逐步向智能化方向发展。随着微电子技术和卫星无线通讯技术的飞速发展，采矿设备在开发和应用上逐步开始了自动化和智能化的发展进程，并取得了实质的进步，主要表现在一是车载监控系统，主要用于监控设备的完好状态和提供相关的维护信息；二是卡车调度系统，主要应用于露天矿山的优化运输生产中，从最初的应用于运输汽车的调度，发展成为全面提供实时数据和相关生产数据，进行实时设备监控；三是卫星定位系统，利用全球卫星定位系统进行卫星定位，精度可控制在厘米级，在露天矿山的应用领域越来越广。

3、设备更体现人性化。露天采矿设备在设计中贯彻“以人为本”的原则，充分考虑操作者、设备和环境的协调，采取先进有效的技术措施，增加设备操作的安全性。降低振动与噪声改善作业环境，提高操作者舒适性，主要体现在一是设备的安全性，设备的安全功能和相应安全功能的可靠性，是露天矿山安全生产与工作人员生命安全的保证；二是设备的舒适性，露天采矿设备的生产单位，在设计研发阶段要运用人机工程学设计原理，改善司机的工作环境，注重驾驶员与操作界面的协调，缓解疲劳，提高作业效率；三是设备的外观造型，露天采矿设备的生产单位要注重设备外观美学和机体本身的流线型设计，达到机械与环境的和谐，给人以视觉上的美感，是功能、材料、结构、人机关系以及生产工艺等因素的综合表现；四是设备的环保性，露天采矿设备是污染的源头，为降低能耗、污染，尽量采用低环境负荷材料，采用能再生利用的材料和资源，降低整机的振动与噪声，减轻对周围环境的污染。

科技的不断进步，推动露天采矿技术和设备不断更新进步，提高矿山的生产力，节约投资，降低成本，对我国低品位、边界品位露天矿的开发有了乐观的开发前景。在不远的将来，我们甚至可以通过建立模拟采矿系统进行经济比较， 向虚拟采矿方向发展。随着微电子技术和卫星定位系统的扩大应用，为无人驾驶矿用汽车的研发和投产，创造了有利的条件。

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