基于技术创新的煤矿采掘工艺方法探讨

张 拽

（国家能源集团公司准能黑岱沟露天煤矿，内蒙古鄂尔多斯 010300）

0 引言

经济快速发展增长以工业的生产发展为支撑，这就使得我国不可再生资源消耗加快，长此以往便有可能面临资源过度开采、不可再生资源枯竭等问题。因此，我国制定了可持续发展战略，对能源消耗利用提出了进一步要求，相关工作人员必须要进行技术创新，尤其是消耗占比较大、污染较为严重的煤矿采掘行业，更要努力提升采掘工艺方法水平，积极响应国家号召。

1 露天煤矿采掘工艺基本原则

1.1 安全性原则

安全性原则是煤矿采掘工艺方法的首要原则，也是最基本的原则。在进行露天煤矿采掘工作时，无论以什么工艺方法进行采掘作业，保障工作人员的人身安全都必须始终摆在第一位，这也是任何工作开展进行的必要前提。如果工作人员的人身安全不能得到切实的保障，那么煤矿采掘生产作业便不能开展，否则可能会出现一些重大安全事故，危及到工作人员的人身安全。

1.2 合理性原则

煤矿采掘还必须要遵守科学合理性原则，有计划、有目标地进行煤矿的采掘工作，合理采掘长久利用，积极响应我国可持续发展战略的号召，减少不可再生资源的浪费和消耗。在进行煤矿采掘作业过程中，相关管理部门要结合煤矿当地的实际情况，根据具体的采掘工作水平和地质环境条件制定科学合理的采掘方案计划，尽可能降低煤矿采掘的难度、减少煤矿采掘过程中的问题，杜绝重大事故的发生[1]。

1.3 环保性原则

现阶段环境友好型的生产发展模式还要求煤矿采掘工作要始终秉持环保性原则，尽可能减少采掘工程中对周围生态环境造成的破坏。煤矿采掘工作会产生粉尘污染、噪声污染、空气污染以及废料污染等，除了要对相关采掘工作人员采取必要的保护措施，还需要积极寻求更为环保的施工材料技术、更为科学新颖的施工工艺方法，最大限度地遵循环保性原则，为国家环境友好型模式的发展建设做出贡献[2]。

2 现阶段我国露天煤矿采掘工艺特点

露天煤矿开采工艺的发展与煤层赋存条件及设备制造能力有直接关系。自20 世纪80 年代至今，我国的大型露天煤矿开采工艺在发展过程中主要体现出以下5 个特点：

（1）剥离工作通常以单斗汽车工艺为主要采掘工艺，包括安太堡、元宝山、伊敏河、霍林河及黑岱沟在内的五大露天煤矿均以此工艺进行剥离作业，而后续建成的露天煤矿也纷纷效仿，运用单斗汽车工艺进行剥离作业[3]。

（2）在各方面条件合适的情况下，针对表土剥离作业会采用连续工艺系统，这一工艺的应用以元宝山、布沼坝、黑岱沟及哈尔乌素较为著名，在该工艺的应用上较其他露天煤矿有更丰富的应用经验及更完善的处理方法。

（3）半连续开采工艺系统的应用具有普遍性，以当前我国露天煤矿开采工艺的应用现状来看，即使是开采深度深入地下超过100 m、生产能力达百万吨级以上的露天煤矿，同样广泛应用了半连续开采工艺。

（4）大型矿山在开采工艺上的选择具有综合性特点，即应用了综合开采工艺系统。综合开采工艺系统是指单个矿山应用的开采工艺数量达两个及以上且拥有不通开采工艺同时运行的特点。

（5）一些生产规模更大、生产条件更好且经济效益更高的矿山在开采运输设备的应用上逐渐显露出大型化的趋势，安太堡与黑岱沟分别于2006 年和2007 年引入了斗容达50 m3以上的单斗挖掘机，这与之前应用的斗容只有3～4 m3的单斗挖掘机不可同日而语，运输汽车载重也从20～32 t 提升到最高可达近200 t的水平，在拉斗铲倒堆工艺方面也体现了大型化的发展趋势。

综合而言，即使开采设备及开采工艺系统有所发展，我国露天煤矿年采煤量在全国煤矿年采煤量中所占的比重依然不多，造成这一现象的原因有很多。首先是受地质条件的影响，我国煤层赋存条件相对复杂，可以露天开采的煤矿在全国煤矿赋存情况中占比相对较少。其次，我国在生产制造能力方面也受到了一定限制，这主要体现在开采生产设备的制造能力方面，当前我国露天煤矿应用的大型开采设备中，国家自主研发生产的开采设备并不多，多数还是从国外引入的设备。最后则是开采相关决策方面受到的限制。受之前计划经济时代的影响，我国在煤矿开采政策上对露天煤矿开采的重视度明显不足，决策缺少相应的科学化及民主化。关于决策这方面的缺陷也有过实际案例：改革开放初期我国中部某煤田各方面条件均满足露天开采需求，但由于露天开采不受重视，该煤田被划归为地下开采，最后导致煤田资源被大量浪费。由此可见，开采决策的科学化水平也是影响我国露天煤矿开采的关键因素。

通过对我国煤矿赋存实际情况的调查来看，已探明适用于露天开采的煤矿储量已达400 亿吨以上。为使这部分资源得到充分利用，提升我国煤矿资源的利用率，露天煤矿开采的重视程度及建设速度理应得到加强，尤其是在我国人口基数众多、人均资源占有量远低于世界平均水平的国情下，露天煤矿的建设对提升我国的综合国力更有至关重要的意义[4]。

3 基于技术创新的露天煤矿采掘工艺

露天煤矿尤其是大型露天煤矿，年煤矿开采量需要达到一个极高的水准，然而煤矿开采的同时也会开挖出数千万立方米的土石方，对土石方的开挖势必会占用煤矿生产的时间，从而导致煤矿开采效率下降。因此，露天煤矿采掘工艺必然需要进行技术创新，同时还要合理安排采矿作业、衔接好工程之间的关系，并确保采矿计划及方案的合理性，以切实提升露天煤矿的开采效率。近年来随着露天煤矿企业的发展，在采掘工艺上的技术革新也获得了一定成效，主要体现在以下3 个方面。

3.1 运用组合台阶开采工艺

组合台阶开采工艺的创新与运用，是在连续工艺系统的基础上被开发出来的。该技术的优势之一在于有效增加了轮斗挖掘机的采掘量，在开挖露天煤矿上部覆盖的黄土时就用到了轮斗挖掘机，并辅以胶带运输机形成挖掘—输送的连续工艺。这种工艺在运用到剥离作业中之后取得了较为显著的效果，原本煤矿上方土层采用的是单斗—卡车的剥离工艺，而该工艺在施工过程中具有间断性，且近年来煤矿上方土层受煤炭销售情况、采场推进速度的影响，整体数量并不多，如果以电铲采掘上方土层，不仅需要重新架设运输道路，其作业成本也更高，在经济方面会为采场造成严重负担[5]。因此，矿场提出以轮斗直接剥离上方土层的构想，并配备了两台皮带车，从而实现了组合台阶开采，由轮斗挖掘机采掘上方土层的组合台阶开采方式，不仅有效提升了轮斗的开采量，还减小了单斗剥离的负担。在此基础上，还可根据实际情况增减胶带移设步距，从而提升生产效率。

3.2 进一步优化采排关系

采排关系的优化是露天煤矿采掘工艺技术创新的又一个方向。要优化采排关系，通常需要考虑到不同阶段采掘剥离量的综合调整，以及排土运距的长短。排土运距越长，露天矿的剥离成本就越高；不同阶段剥离量的差异越大，则施工难度及工作量就越大。采排关系优化的关键是不能拘泥于原有的设计原则，应根据采掘深度的增加重新调整排土机的下排高度，使之能够符合生产及作业需求，但需要建立在技术及安全性能够得到可靠保障的前提下[6]。

运距是指采场到排土场的运输距离，作为优化采排关系中的重要内容，运距的合理调整能够有效节省剥离运输成本，还能缩短运输时间，从而提升生产效率。原则上运距的数值越短，生产成本的控制及生产效率的提升效果就越明显，但随着露天矿场开采量的增加，剥离量也会逐渐上升，因此采场与排土场的运距应有一个尽量详细的设置及控制，保证排土场不会影响采场的开采，而运距的控制也要在此基础上进行。

3.3 以抛掷爆破技术结合吊斗铲倒堆工艺改扩建露天矿

抛掷爆破技术是指形成抛掷漏斗的爆破，也有扬弃爆破的说法。在进行爆破时，被破碎的岩石因爆破造成位移从而爆破漏斗，该技术是由国外引进的，在与吊斗铲倒堆工艺进行结合后能将大量的剥离物填入采空区，这就可以大幅削减剥离量，从而实现剥离成本的大幅下降。此外，抛掷爆破技术具有大幅缩短工期的优势，因而能够加快工程进度。在对露天矿进行改扩建时有效应用该技术，能使露天矿改扩建的成本大幅降低，如1956 年甘肃白银场露天矿利用1.5 万吨炸药进行的大爆破，就属于抛掷爆破技术的应用典范。在应用抛掷爆破技术时需要控制炮制方向、爆堆形状、大小、密集程度及抛掷块度组成等因素，对施工技术有很高要求。而且抛掷爆破技术属于爆破技术的一种，具有较高程度的危险性，因此需要进行详细设计，并做好相应的安全保护措施。一旦抛掷爆破技术应用得当，再加上与吊斗铲倒堆技术的配合，就能够大幅提升露天矿的采掘量。

4 露天煤矿采掘工艺技术创新的方向

结合上述内容及国内露天煤矿实际生产情况来看，露天煤矿采掘技术的创新应明确创新的方向，而方向的确定具体包括以下3 方面的内容。

4.1 圈定开采程度

开采程度的圈定是技术创新的理念基础。对于煤矿而言，其赋存条件、开采深度应作为圈定开采程度的主要参考依据，有的煤田很可能存在部分储量适合露天开采，另一部分储量适合井下开采的情况（不满足露天开采条件的一般都适用井下开采），因而需要对煤矿赋存成分进行划分。当前普遍认为露天开采在技术要求、开采成本及安全系数上均优于井下开采，因此在圈定开采程度时，应优先进行露天开采程度的确定。然而开采程度的圈定并不是一成不变的，如果开采的深入及市场的变化使得露天煤矿部分开采成本下降，那么就可以按照比例扩大露天开采的程度，为给后期开采程度的提升创造基础条件，对地面设施及排土场的布置应将露天采掘程度扩大的可能性作为考虑条件之一[7]。

4.2 深入研究采掘工艺

露天矿的采掘工艺主要包含剥离、采煤两方面，因此采掘工艺的研究也需针对这两方面进行。露天矿采掘工艺会在很大程度上影响到煤矿企业的经济效益，所以对采掘工艺的研究与优化应当引起企业的重视。通常对采掘工艺的研究主要围绕以下几点开展：工艺与煤层赋存条件是否匹配；工艺技术难度；主要开采设备的动力支持；运输系统能否充分优化；开采、运输、排土设备的选型；主要设备与气候之间的适应性及新工艺所带来的性价比等。这些特点最终将体现在矿场的运营费用及总成本方面。采掘工艺应当具有灵活性，能够随露天煤矿的开采而加以调整，以适应不同开采阶段的不同要求。

4.3 运输系统的调整

运输系统的调整及优化需要在确定采掘工艺之后进行，不同运输系统具有不同的特点及适应性，如单斗—汽车的间断式运输系统就具有较强的适应性与可塑性，但在效率上并不是最突出的；而运用运输胶带机系统效率更高，但是否选用又取决于运输距离、移设的方便程度（随着采掘深入，采场剥离作业运输地点也会发生变化）。总之，需要根据露天矿场实际需求及经济性等因素，综合考量运输系统的选用，使之在保证生产效率的同时尽可能降低矿场整体运营成本。

5 提高露天煤矿采掘工艺方法的建议

5.1 加强煤矿开采技术创新

科技是第一发展力，在以后的煤矿采掘工作中，相关技术研发人员要积极努力进行新工艺方法的创新，有针对性地解决煤矿采掘工作中遇到的难题，不断提高我国煤矿采掘行业的效率和水平，从而减少不可再生能源在开采过程中由工艺技术原因造成的损耗和浪费，促进我国煤矿能源行业稳定长久的发展。

5.2 提升工作人员综合素质

相关煤矿采掘工作人员作为主要采掘工作的执行者，其综合素质的高低直接决定着煤矿采掘效率的快慢。因此，必须加强煤矿采掘工作人员的培训，提升其综合素质和专业能力，使采掘工作人员掌握相应的知识和技法，快速高效地进行煤矿挖掘工作。同时，提升煤矿采掘人员的综合素质，有助于使其在具体工作过程中规范作业、安全生产，减少问题的出现，杜绝事故的发生。

5.3 进行合理有效的施工监管

此外，在实际的劳动生产过程中，煤矿采掘工作强度较大、工作内容机械重复，很容易会使煤矿采掘相关工作人员滋生反感厌工情绪，也会有些自制力不强的工作人员偷懒懈怠，不进行安全规范的生产作业。这时候就需要相关管理部门进行合理有效的施工监管，一方面要严格遵守煤矿采掘生产工作原则，坚决不能松懈偷懒，严格规范作业，杜绝安全事故的发生；另一方面，管理人员也需要站在煤矿采掘工作者的角度看待问题，尽可能科学合理地安排工作时常和工作内容，使相关采掘工作人员能够劳逸结合，始终以饱满的工作状态投入工作生产中。

6 结语

煤炭资源的开采和利用关系着我国经济发展建设和人民群众的日常生活，是我国不可或缺的重要能源物质。所以，为保障国家能源供应，助力我国走上可持续发展道路，煤矿相关单位企业必须要积极创新采掘工艺方法并尽快推广应用，以便于提高国内资源开采利用效率，维持国家能源供应稳定，从而增强我国生态效益、经济效益和社会效益，推动我国煤矿行业健康、可持续的发展。