德国露天煤矿开采技术与装备发展研究

金 磊，李浩然，刘 欣

(1.国能宝日希勒能源有限公司，内蒙古自治区呼伦贝尔市，021000；2.应急管理部信息研究院，北京市朝阳区，100029)

0 前言

德国是世界第四大经济强国，欧盟最大经济体，世界第七大能源市场，也是世界第八大煤炭消费国。德国煤炭资源丰富，露天煤矿开采技术和装备先进。根据英国石油公司《世界能源统计年鉴》统计数据，截至2020年底德国次烟煤和褐煤的已探明储量为359亿t，占世界煤炭总可采储量的3.3%。德国褐煤赋存厚、埋藏浅，适合露天开采。2018年，德国关闭了最后2座硬煤生产矿井后，境内所有褐煤均采用露天开采，褐煤主要用于发电。德国露天煤矿开采主要采用连续工艺，轮斗设备及连续工艺的诞生、发展均源于德国，纵观整个世界应用轮斗设备的国家及地区，德国的应用数量最多、技术最为先进。因此研究德国露天煤矿的发展对指导我国露天煤矿的生产，特别是指导我国露天煤矿连续工艺的使用具有重要意义。

1 德国露天煤炭资源条件

1.1 储量及分布状况

德国煤炭主要分为褐煤和硬煤，主要分布在7个煤田，其中硬煤主要分布在西部，分别为鲁尔煤田、萨尔煤田、亚琛煤田和伊本比伦煤田，褐煤煤田有西部的莱茵煤田和东部的劳齐茨煤田、中部煤田。德国硬煤以烟煤为主，煤质好、低灰、低硫，适合作为动力煤和炼焦煤，但开采条件比较困难，煤层薄、开采深度大，占比很少(占总量的7.8%，约为28亿t)。与硬煤不同，德国褐煤开采条件十分有利，煤层厚、埋藏浅，适合露天开采(占总量的92.2%，约为331亿t)。德国褐煤露天煤矿主要产区如图1所示[1-7]。

图1 德国褐煤主要产区

1.2 资源赋存条件和特点

德国的煤炭资源生成于古生代、中生代和新生代。古生代煤层主要为烟煤及部分无烟煤；中生代煤层主要为次烟煤到无烟煤；新生代主要为次烟煤和褐煤。

德国新生代的褐煤煤矿开采条件十分有利。如莱茵煤田褐煤层厚度达15～100 m，平均厚50 m，主要可采煤层最厚达100 m。有5个煤层埋藏深度为200～300 m，适于露天开采。

德国褐煤的上覆岩层主要为砂砾和黏土，但各地区之间的覆盖物厚度存在差异：莱茵煤田露天煤矿煤层赋存深度为100～456 m，中部煤田露天煤矿煤层赋存深度为80～120 m。

德国褐煤的特点是含水量相对较高(48%～60%)。只有大约35%～50%是可燃材料(纯煤)。高含水量导致其平均发热量仅为9.00 MJ/kg。在德国中部地区开采的老年褐煤发热量最高，约为10.80 MJ/kg[8-16]。

综上所述，德国现阶段的煤炭开采以褐煤为主，其煤层及覆盖物质地较为松软，硬度小或以砂砾为主。除此之外，德国露天煤矿的煤层厚、埋藏浅，煤层发育较为平缓、倾角较小，适用于露天煤矿开采，适宜采用连续工艺进行开采。

1.3 露天煤矿区地形地貌与气候特征

德国的地形多样，从北到南划为五大地形区：北德低地、中等山脉隆起地带、西南部中等山脉梯形地带、南德阿尔卑斯山前沿地带以及巴伐利亚阿尔卑斯山区，如图2所示。

德国北部低地的特征是丘陵起伏的沿海岸高燥地和粘土台地，与草原、泥沼以及中等山脉隆起地带前方向南伸展的黄土地之间有星罗棋布的湖泊。中等山脉隆起地带则将德国分成南北两片。西南部中等山脉梯形地带包括上莱茵低地及其边缘山脉，南部阿尔卑斯山前沿地带包括施瓦本巴伐利亚高原以及在南部的丘陵和湖泊、碎石平原、下巴伐利亚丘陵地区和多瑙洼地。巴伐利亚阿尔卑斯山区包括阿尔高伊的阿尔卑斯山、巴伐利亚的阿尔卑斯山和贝希特斯加登的阿尔卑斯山。

德国露天煤矿主要分布在其西南部莱茵低地及其边缘山脉(莱茵矿区)、原始北部低地与中等山脉隆起地带(卢萨斯亚矿区)及中部山脉(中部矿区)。所以在莱茵矿区、中部矿区的露天煤矿原始地表以森林和山地为主，比如汉姆巴赫露天煤矿，其采场位置就位于汉姆巴赫森林；卢萨斯亚矿区的露天煤矿原始地表以平原为主，如延希瓦尔德露天煤矿，其采场位于村落田地。

德国处于大西洋和东部大陆性气候之间的凉爽的西风带，温差小，一年四季均有降雨分布。冬季平均温度在1.5 ℃(低地)～6.0 ℃(山区)之间，7月份低地平均温度为18 ℃，南方有屏障的山谷为20 ℃左右。

2 德国露天煤矿生产情况

在过去的几十年中，褐煤一直是德国经济的重要支柱。德国褐煤全部采用露天开采，生产成本低，不需要政府补贴，在市场上具有竞争力。德国是世界上最大的褐煤生产国，根据国际能源署(IEA)的统计，德国2017年的褐煤产量约占全球褐煤总产量的18.7%。

2.1 德国露天煤矿的发展

德国煤炭开采业经历了700多年，主要分为6个主要阶段的发展。

(1)1298-1860年，早期发现起步阶段。农民耕地、采石或挖房屋地基时发现煤层，15世纪中期前以原始的露天方式开采煤炭，15世纪至16世纪末开始利用距离地面几米的平硐或斜井进行开采，1800年鲁尔河两侧的煤矿150处，总产量17万t，1860年煤矿数量增加为281处，总产量0.36亿t。

(2)1861-1945年，逐渐发展阶段。1861年到第二次世界大战(1939年)前，由于动力机械与设备制造工艺的迅速发展，德国煤炭开采业规模不断扩大，1936年煤炭产量达到3.2亿t，露天产量1.6亿t，占比50%；第二次世界大战期间，煤矿遭到严重破坏，1945年煤炭产量下降到0.35亿t。

(3)1945-1985年，煤炭开采进入大发展时期。1948年德国政府制定了《德国煤炭和钢铁工业重组办法》，确定了五年建设计划；1968年政府颁布了《德国煤矿调整法案》，生产集中化程度进一步提高、采煤机械化程度达到100%，到1985年煤炭产量达到最高峰，为5.2亿t，露天煤矿产量4.3亿t，占比为83%。

(4)1986-2000年，煤炭开采业逐渐萎缩时期。政府出台了系列结构转型计划，重新定位区域经济发展方向。随着井工煤矿开采深度加大、成本升高，煤炭在能源系统中的地位逐渐减弱，煤炭产量由5.1亿t降低至2.0亿t，露天煤矿产量由4.3亿t降低至1.6亿t，占比为83%，保持不变。

(5)2001-2018年，井工煤矿退出阶段。根据欧盟竞争法规有关要求，20世纪60年代开始的硬煤开采补贴于2018年结束，2018年德国鲁尔公司的最后2处硬煤矿井关闭，煤炭产量由1.8亿t减少到1.7亿t，露天煤矿产量占比增加至98%；2019年以后露天煤矿产量占比为100%。

(6)2019-2038年，煤矿退出阶段。德国煤炭委员会于2019年1月26日提交了最终报告及相应建议，提出到2038年(可能最早在2035年)逐步淘汰以煤炭为基础的发电项目；2019年，联邦政府通过决议并开始起草《减少和终止燃煤发电法案》草案。按照煤炭委员会提出的方案，德国将逐步关闭褐煤煤矿，淘汰燃煤电厂，煤炭工业将逐步进入最后阶段。1936-2020年德国煤炭总产量、露天煤矿产量和比重变化如图3所示。

图3 德国煤炭产量情况

2.2 德国露天煤矿生产结构

1885年，德国褐煤开采的经济合理剥采比为1 m3/t，1980年剥采比4 m3/t，2015年剥采比5 m3/t，2020年，德国褐煤露天开采行业移除的覆盖层为7.39×108m3，平均剥采比为5.6 m3/t。西部的莱茵煤田覆盖层厚度10～450 m，煤层厚度30～50 m，倾角一般30°～70°，剥采比为5.4 m3/t，最大开采深度300 m。东部煤田煤层覆盖层厚度一般为100 m，煤层厚度8～30 m，有的达50 m，最大开采深度为120 m。劳齐茨矿区剥采比为5.0 m3/t，而中部矿区剥采比只有2.2 m3/t。1950-2015年褐煤剥采比变化如图4所示。

德国褐煤露天开采主要集中在3个矿区，即位于科隆以西的莱茵矿区、德累斯顿和科特布斯之间的劳齐茨矿区、莱比锡以南的中部矿区。此外，在黑尔姆斯泰特附近也有小规模褐煤露天煤矿，但在2016年以后已停产。

位于西部的莱茵矿区是最大的褐煤开采区，莱茵集团(RWE)共经营了3个露天煤矿，分别是汉姆巴赫煤矿、加兹韦勒露天煤矿和印登煤矿，产量约9 000万t/a，约90%产量直接供应给9个RWE的电厂。东部劳齐茨矿区的劳齐茨能源矿业公司(LEAG)共经营4个露天煤矿，分别为延希瓦尔德煤矿、韦尔佐南煤矿、诺德霍恩煤矿和莱希瓦尔德煤矿，总产量约6 200万t/a，生产的褐煤主要供应延希瓦尔德、施瓦兹尔·普姆班和博克斯贝格3个电厂。

德国中部矿区的德国中部褐煤公司(MIBRAG)经营了2个露天煤矿，分别为普罗芬煤矿和费来尼希泰·舒连海恩煤矿，产量合计约为1 800万t/a，生产的褐煤主要供应什科帕乌和利朋多夫2个电厂。

德国现有的褐煤由3家公司的9座露天煤矿提供。德国现存所有露天煤矿规模平均超过400万t/a，其中，德国大型露天煤矿以较少的煤矿数量生产了超过1.7亿t的褐煤，平均每座大型露天煤矿的产量达到了1 800万t/a；其中产能2 000万t/a及以上的露天煤矿产量和数量占比分别为61.50%和33.33%，不到1/3的露天煤矿生产了一半以上的煤炭产量。特别是位于莱茵煤田的汉姆巴赫露天煤矿煤炭产量达到4 000万t/a，占比达到23.59%，产能就接近了整个劳齐茨能源矿业公司的产能。

2.3 德国露天煤矿生产指标及效率

截至2020年底，德国有9个露天开采煤矿，均为私营企业。莱茵煤田露天煤矿、劳齐茨矿区露天煤矿主要生产指标分别见表1和表2。

表1 莱茵煤田露天煤矿主要生产指标

表2 劳齐茨矿区露天煤矿主要生产指标

表3 德国及德国不同矿区人员效率情况

从1990年起，褐煤企业职工逐步减少，但其褐煤生产企业的工人效率却保持较高水平，莱茵矿区员工的平均效率达到了15 833.33 t/(工·a)，加兹韦勒二世露天煤矿工人的效率甚至达到了25 000.00 t/(工·a)，其次是中部矿区的两座露天煤矿，平均效率为6 875.00 t/(工·a)，最后是东部劳齐茨矿区工人效率为5 375.00 t/(工·a)，德国褐煤生产企业的平均工人效率为9 420.73 t/(工·a)。

从1990年至今，东部地区的就业职工人数降幅达到93%。从数字上看，虽然褐煤企业职工人数的降幅比硬煤职工降幅显著，但是由于德国政府对硬煤褐煤采区的政策不完全一致和同步，褐煤企业职工减少的步伐比硬煤企业缓慢。

3 露天煤矿开采技术特点

德国露天煤矿全部使用采用连续工艺，但连续工艺的组合和工作方式也由于煤层赋存形态的不同有所不同。莱茵矿区是以轮斗挖掘机-带式输送机-集中分流站-排土机为主要形式的连续工艺，中部矿区是以轮斗挖掘机/链斗挖掘机-运输排土桥为主要形式的连续工艺系统，东部矿区是以轮斗挖掘机-排土机为主要形式的连续工艺。

3.1 轮斗挖掘机-带式输送机-集中分流站-排土机连续工艺

斗轮是轮斗挖掘机切割物料的机构，也是连续工艺中最重要的采掘设备，在斗轮轮周上装有铲斗，挖掘机工作时，铲斗随斗轮体同时旋转，在旋转中切割物料。工作面上煤岩(物料)被斗轮切割后，经斗轮臂上胶带、机体内部、转入装载臂，装载到工作面胶带上，经分流站分流，进入带式输送机，最后将物料运输到排土机或选煤厂，轮斗挖掘机作业效果如图5所示。

分流设备：物料由于用途和流向的不同，带式输送机从工作面运来的物料，必须根据不同流向进行分流。分流设备有以下几种形式：回转式分流转载机，利用可回转悬臂进行多点分流的设备；伸缩机头式分流站，用于固定分流站，物料分流通过卸载机头伸缩实现。

排土设备：主要是悬臂排土机和排土桥，物料由工作面带式输送机经过胶带卸料车、排土机受料臂，通过排料臂回转排土。悬臂排土机可以用在外排土场和内排土场。排土机横跨于采掘与排土台阶之间。当煤层呈近水平或缓斜埋藏时，悬臂排土机与轮斗挖掘机配合，形成横向内排土。排土机作业效果如图6所示。

图6 汉姆巴赫露天煤矿排土机作业效果

3.2 轮斗挖掘机/链斗挖掘机-运输排土桥

排土桥工艺在使用条件适宜时是最有效的剥离工艺，德国主要发展和应用了3种基本类型的排士桥，所有排土桥的共同特点是它支承在剥离工作平盘和超前排土场上。

德国目前已有采高34、45、60 m剥离排土桥成套设备系列，可应用于不同的采矿技术条件。F34型剥离排土桥应用于剥离厚度较小的情况，目前有9台正在生产中应用，分布在5个露天煤矿中，当这些露天煤矿采完后转移到其他露天煤矿。

为了使排土桥能适应各种不同的地质条件，优化了排土桥的原始结构，采高提高到了42 m，从而扩大了排土桥的应用范围。在剥离排土桥F45型上采取了提高生产能力的各种措施，使它的采高从45 m提高到53 m，并且生产能力提高到60 Mm3/a以上。

1972年F60型排土桥首次投产运行，其生产能力超过1.18亿m3/a，成为迄今为止世界上最大生产能力的采掘设备。F60设备组主要包含给料桥、链斗挖掘机和链斗挖掘机以及传送带桥，其以几乎700 m的全长横跨在露天煤矿上空，生产能力为35 000 m3/h，运行方式通过计算机控制，调整带速为9 m/s的物料流、以保证物料分配在各个排土台阶上。F60设备组如图7所示。

图7 F60排土桥设备组作业效果

3.3 轮斗挖掘机-排土机

用轮斗挖掘机-排土机工艺同样能够经济地排弃剥离物，此时排土机的悬臂横跨露天煤矿矿坑。用这种工艺的优点是轮斗挖掘机能够适应特殊的条件进行分层选采，并能适应煤田条件的变化。与排土桥相反，它能自己开挖开拓沟堑，并能在采完一个煤田后较简单地进行转移。目前德国应用了一套直接捣堆式机器，其由一台SRs800型轮斗挖掘机和一台ARs400型排土机组成，排土机的悬臂长度为140 m，这套设备的采高为20 m，生产能力约800万m3/a。它能够经济地开采比较小的覆盖层较薄的露天煤田，如图8所示。

图8 普罗芬露天煤矿的轮斗挖掘机

4 典型开采工艺与装备应用特点

1916年，德国贝格威茨褐煤露天煤矿首次应用了轮斗挖掘机，该设备由德国科隆洪堡机械厂生产。轮斗设备及工艺的诞生、发展均源于德国，纵观整个世界应用轮斗设备的国家及地区，轮斗设备在德国的应用数量最多，故轮斗工艺通常被称为德国工艺。在德国褐煤露天煤矿开采过程当中，轮斗挖掘机-带式输送机-排土机的连续工艺被广泛应用。

T塔克拉夫是一家位于莱比锡的全球性德国工业公司，是露天采矿、散装材料处理和矿物加工设备和系统的制造商和供应商，以其巨大的轮斗挖掘机、半移动式破碎站、输送机和堆浸系统而闻名。

以汉姆巴赫露天煤矿为例，由于汉姆巴赫露天煤矿产量规模巨大，且剥采比高，故应采用最大能力的设备使开采费用趋于最小。据此该矿使用了24万m3/d等级的设备。达产时，该矿使用8台轮斗铲、8台排土机和大约120 km带式输送机。输送机带宽2.8 m，带速为7.5 m/s。德国RWE电力公司应用的部分轮斗挖掘机数据见表4。

表4 德国RWE电力公司应用的部分轮斗挖掘机数据

汉姆巴赫露天煤矿的轮斗挖掘机为蒂森克虏伯公司生产的Bagger 293型号，拥有斗容为8.6 m3的挖掘斗20个，整机质量为14 210 t，在剥离密质硬岩或冻土时实际生产能力也能达到24万m3/d，尤其挖掘松方的能力达到了30万m3/d。为使连续工艺系统能力可以相配套，除一台巨型轮斗挖掘机、一条高速带式输送机外，汉姆巴赫露天煤矿还有克虏伯制造的RB292剥离系统的排土机，其中型号为Absetzer760的排土机能力为30万m3/d，为全球最大。其工作运行效果如图9所示。

图9 Absetzer760 轮斗挖掘机

5 经验与启示

德国经济的高速发展持续运行离不开其对能源的高效利用。特别是19世纪至今，德国对煤炭资源的开发和使用一直是世界各国采煤工业的典范。其中采用连续工艺进行露天煤炭开采对世界具有深远的影响意义。纵观德国的煤炭开采历史，有许多决策可以为我国煤炭开采进行指导。主要包括以下2个方面。

(1)我国煤矿应优先采用露天开采。露天开采作为一种安全可靠、生产成本低、生产效率高的开采方式，在德国乃至世界范围内广泛被使用，为世界煤炭工业的发展、能源的供应做出了巨大贡献。对于符合露天开采的煤层优先采用露天开采，也是世界范围的广泛共识，但近些年，由于露天煤矿相关环保问题的出现，对我国露天开采事业的发展造成了一定的阻碍。研究发现，德国的露天煤矿大多开在森林(莱茵矿区)、山地(中部矿区)、平原(东部矿区)，其生态环境不仅没有遭受到巨大破坏，反而因露天煤矿的开采对其周边的生态环境进行了有效的恢复。

(2)探索适用于我国露天煤矿情况的开采工艺。德国自20世纪初以来不断对连续工艺的开发和使用，积累了宝贵的经验。也正是因为连续工艺的出现，使其煤炭的采出率得到了较大的提升。其连续工艺的多样化，也为其适应性、经济性提供了有力的保障，我国在接下来的煤炭开发利用中，要对适合使用连续开采工艺的露天煤矿进行尝试，提高煤炭开发水平。

(3)提高矿山设备的国产化率。德国露天煤矿装备制造水平为德国露天煤矿生产提供坚实保障，矿山设备国产化率的提高有利于降低对进口设备的依赖，使国家在矿业领域更加独立和安全；降低矿产开发成本、国产矿山设备的研发和制造可以推动技术创新，以满足国内市场的需求，这有助于提高设备的性能、效率和可持续性，进而实现我国露天煤矿的高质量发展。如果国内矿山设备制造商能够生产高质量、创新性和具有竞争力的设备，那么他们还可以在国际市场上获得竞争优势。