时间：2022-04-07 10:01:49 所属分类：矿业工程 浏览量:
露天开采具有开采规模大、基建时间短、机械化程度高、生产效率高和作业条件好等优点，在矿产资源开发中，只要矿床赋存条件适合，一般优先采用露天开采方式。建国以来，我国先后建成了矿石年产量 300 万 t 以上的金属露天 矿 18 座，其 中 年 产 量 达 1 000万 t 的金属
露天开采具有开采规模大、基建时间短、机械化程度高、生产效率高和作业条件好等优点，在矿产资源开发中，只要矿床赋存条件适合，一般优先采用露天开采方式。建国以来，我国先后建成了矿石年产量 300 万 t 以上的金属露天 矿 18 座，其 中 年 产 量 达 1 000万 t 的金属露天矿有德兴铜矿、白云鄂博铁矿、齐大山铁矿、水厂铁矿等[1-2]。目前我国铁矿年产量露天开采占 77% ，有色金属矿年产量露天开采占 52% ，化工矿山露天开采占 70% ，建 材 矿 山 几 乎 100% 为露天开采( 如图 1) 。近 40 a 来，我国在金属露天采矿技术和装备方面，开展了多项科技攻关研究，使我国金属露天采矿技术水平得到了显著提高，有力地促进了采矿科学技术的进步。
1 露天采矿技术所取得的成就
经过几十年的开采历程，我国露天开采技术取得了丰硕成果，一大批关键技术攻关取得突破: 陡帮开采工艺、高台阶采矿工艺、间断—连续开采工艺、大型深凹露天矿陡坡铁路运输系统、深凹露天矿安全高效开采技术、露天转地下开采和露天-地下联合开采技术、矿山数字化技术、采场无( 微) 公害爆破技术、特大型露天安全高效开采技术等[3-7]。露天采矿技术所取得的成就主要表现在以下几方面。
1. 1 陡帮开采新工艺露天矿单台阶缓帮开采，所有台阶齐头并进往外推，工作帮坡角 8° ～ 12°，前期剥岩量大、采矿强度低，严重制约矿山产能。陡帮开采几个台阶只有 1 个宽平台，所有台阶自上而下逐台阶往外推，工作帮坡角大于 16°，该技术可以大幅度减少前期剥岩量，增加采出矿石量，减少基建工程量、缩短基建周期以及最终边坡暴露时间。我国自上世纪 70 年代以来，开始进行陡帮开采工艺的试验研究。在“六五”和“七五”期间，陡帮开采被列入国家科技攻关项目，以本钢南芬铁矿作为工程依托开展了大量的工业试验研究，全面揭示了陡帮开采的技术特点和各工艺间的协调关系，研究出了陡帮工作帮坡角与结构参数的关联规律，不同开采深度的工作帮坡角及其参数的确定方法，确定了陡帮开采工艺参数设计原则，使南芬露天矿前期剥采比降低 20% 以上，采矿强度提高 30% 以上。现陡帮开采工艺已在我国矿山设计建设、生产中普遍应用，产生了巨大的经济效益。
1. 2 高台阶采矿工艺[9]台阶高度是露天采场的主要结构参数，露天矿台阶高度的增加有利于提高钻孔效率，简化和缩短运输线路，释放采场空间，提高作业的连续性。我国在 “八五”国家科技攻关期间，在南芬铁矿开展了高台阶开采工艺参数优化研究，通过 18 m 高台阶开采工业试验，确定了合理的高台阶开采参数，使台阶高度适应矿山设备大型化的发展。南芬铁矿下盘扩帮 18 m 高台阶工业试验结果表明，与 12 m 台阶相比，18 m 高台阶开采的单位成本可降低 5. 76% ～ 6. 12% ，动态效益预期每年可节省 1 052 ～ 1 162 万元。这为高台阶采矿工艺的生产实践提供了一定的经验。
1. 3 间断—连续开采工艺[9-11]从上世纪 80 年代开始，我国部分金属露天矿 ( 如东鞍山铁矿、大孤山铁矿、德兴铜矿等) 先后开始采用间断—连续开采运输工艺。该工艺在采场工作面通过铲运机装载矿岩至汽车，经汽车运输至采场内的破碎站破碎后，由胶带运输机将矿岩运出采场。此工艺综合了汽车运输机动灵活和胶带运输机输送能力大、成本低等优点，尤其适合于深凹露天矿开采。可移动式破碎站是间断—连续开采工艺的核心技术装备之一。随着开采深度的增加，为了使汽车运输始终保持最佳运距，破碎机组必须随时快速移动。近些年针对固定式破碎机组建设时间长、造价高、移动拆装工作量大、搬迁困难、费用高的缺点，大型移动破碎机组的研发取得了快速发展。国外大型露天矿诸如澳大利亚的纽曼山铁矿、加拿大的兰德瓦利铜矿、美国的西雅里塔铜钼矿等的间断—连续开采工艺也多采用可移式破碎站。我国鞍钢齐大山铁矿于 1997 年在国内首次建成了采场内矿、岩可移式破碎胶带运输系统，该系统自投产后一直运转正常，标志着我国深凹露天矿间断—连续开采工艺达到了世界先进水平。
1. 4 大型深凹露天矿陡坡铁路运输系统露天矿山进入深凹开采阶段后，采用 30‰以下缓坡度铁路运输和缓工作帮开采方式，效率较低。随着开采深度增加，运输线路增长，运输成本急剧上升，已成为制约矿山可持续发展的“瓶颈”。为此，我国在“十五”科技攻关期间，成功开发出大型深凹露天矿陡坡铁路运输系统，在我国首次实现了深凹露天矿陡坡铁路运输开采，有效解决了陡坡铁路爬行、机车牵引力不足、网路安全供电的技术难题，成功打破了大型深凹露天矿陡坡铁路运输的“瓶颈”。该成果应用到攀钢集团朱家包包铁矿，延深铁路运输深度 45 m，多采铁矿石 3 000 万 t，减少剥采比 0. 42 t /t，铁运比提高 20. 72% ，延长矿山服务年限 15 a，开采成本降低 25. 33% ，直接经济效益 7. 23 亿元。成果推广到本溪钢铁集团公司歪头山露天铁矿，延深铁路运输深度 72 m，节 省 投 资 1. 5 亿 元，采 矿 成 本 降 低 30. 43% ，直接经济效益 5. 6 亿元。
1. 5 大型深凹露天矿安全高效开采技术[12]大型深凹露天矿安全高效开采技术是“十五”科技攻关成果。该成果针对深凹露天矿边坡的稳定性以及生产调度信息化管理方面开展了研究，在国内外首次采用基于现代三维数值模拟与三维极限平衡分析相结合的方法对露天边坡稳定性进行分析优化，为深凹露天矿边坡设计提供了科学的方法; 开发出基于 GPS 定位的实时自动化生产调度系统和管理平台，实现了对生产过程中的人员和设备的定位、跟踪及调度，实现了整个生产系统的全过程控制，并使其始终处于优化和高效运行之中，生产效率大幅度提高。
2 露天采矿技术与国外先进水平比较
我国金属矿山露天采矿技术己取得显著成就，在露天矿陡帮开采、高台阶开采、穿爆技术方面发展迅速并具有一定的技术优势，基本是跟随国际研究趋势，甚至部分技术达到了国际领先。但在露天矿山运输系统、设备大型化、自动化方面已经接近国际先进水平，在数字矿山、开采监控手段现代化以及矿山现代管理等方面差距较大。
( 1) 开采工艺连续化，运输方式多样化、高效化。陡帮开采方面，我国陡帮开采的工作帮坡角在 40°左右，而露天采矿技术较先进的美国、加拿大、俄罗斯工作边坡角已达 45°左右。和国外一样，我国大部分矿山的间断—连续开采工艺实现了采场内可移动式矿岩破碎—胶带运输; 陡坡铁路可使铁路运输延深至露天矿更深的阶段，运输能力提高 25% ，运输成本降低 20% ，我国已实现了陡坡铁路限坡 45‰ ～ 50‰。高台阶采矿方面，我国在南芬铁矿实现了 18 m 的高台阶生产，降低了单位开采成本; 在露天开采工艺方面，我国大部分都达到了国际先进水平。
( 2) 开采设备大型化。钻机方面，我国金属露天矿山的穿孔设备包括牙轮钻和潜孔钻，大型矿山主要采用牙轮钻，钻孔直径以 250 mm、310 mm 为主，中小型露天矿山主要采用潜孔钻，钻孔直径多数为 200 mm; 国外穿孔设备基本采用牙轮钻，钻孔直径大多为 311 ～ 381 mm、445 mm、559 mm。铲装方面，国外以电动铲设备占绝对优势( 约占 48% ) ，但液压电铲的应用在不断扩大( 约占 26% ) ，斗容以 21 m3 、38 m3 、 43 m3 为主; 国内主要以电铲为主，目前太原重工已研制出 WK-75 型矿用电铲，斗容达到 75 m3 ，为世界最大级别的挖掘机。汽车运输方面，目前国外大型矿山使用的电动轮汽车，其载质量大多为 240 t、320 t、 150 t，最大可达到 363 t，我国大型露天矿用汽车载质量大多数为 120 t、170 t。2015 年 11 月，航天重工自主研制了 HT3363 两轴电动轮矿用自卸车，载质量达到 363 t，标志着国产露天矿用汽车装备迈入世界先进水平行列。
( 3) 爆破技术。国外露天矿广泛采用大区多排微差爆破技术，以增加每次爆破的矿岩量，减少爆破次数，提高设备利用率，改善爆破质量，这已是一般通用的形式。新型炸药以及爆破器材不断问世对提高爆破精度、改善爆破质量、加强爆破安全等都有重大的影响。
3 露天采矿技术发展主要方向
今后一个时期，露天矿山开采技术发展趋势主要表现在以下几方面。
( 1) 开采工艺向连续化、集约化发展。传统的露天开采是矿岩爆破后，在工作面用铲装设备装载到运输工具( 汽车或铁路) ，然后运输到目的地。几十年来，露天开采技术不断发展，开采装备日趋大型化，国内露天矿山的挖掘设备斗容达到 15 m3 以上，大型运输设备———电动轮汽车载重吨位达到 154 t 以上，极大提高了矿山产能，但是，随着石油等主要原材料价格的不断上涨和 CPI 物价指数的高攀，矿山开采成本直线上升; 随着露天矿山深凹开采条件日益恶化，矿山运输距离增加，运输效率降低，运输能耗加大，矿场内环境污染加剧等诸多问题制约着我国露天开采技术的发展。因此，需要从露天采矿工艺源头探寻新型采矿技术方法与配套装备，解决矿山高成本、高污染、高能耗问题。大型露天矿集约化、连续化开采技术将转变矿山运输理念，摈弃移动式运输工具传统观念，发展露天开采传输式物流新观念，创新露天开采技术理论，实践建立露天采场工作面矿石装载—破碎—输送的集中化开采系统。这将是一个全面提高矿山开采技术水平，实现高效、环保、节能目标的新型露天采矿方法，是未来大型露天矿山技术发展的趋势。
( 2) 装备水平向大型化、智能化发展[13]。回顾采矿历史，露天采矿的发展主要就是通过采矿设备的进步而实现的，在过去的 20 多年里，采矿设备大型化的趋势十分明显，特别是没有作业空间限制的露天矿设备，工作质量达数百上千吨乃至数千吨的设备种类繁多。采矿装备水平的快速发展，极大地改变了采矿方法和工艺，推动了采矿技术的发展。国外大型露天矿最高年产矿石量已达到 4 000 万 t ～ 5 000 万 t，普遍采用 10 m3 以上斗容的电铲和载重 170 t 以上的卡车，最大电铲斗容达到 43 m3 ，卡车载重已达 240 t，爆破炮孔直径目前已普遍向 400 ～ 440 mm 发展，每次爆破规模保持在 60 万 t ～ 100 万 t; 台阶高度普遍达到 15 m 以上，个别达到 20 m。而我国最大的露天矿 ( 单一采场) 年产仅为 800 万 t ～ 1 200 万 t 铁矿石，电铲斗容多数为 4 ～ 10 m3 ，卡车载重大多在 25 ～ 75 t。实践证明，应用大型装备实现大规模的矿山生产，必然会给企业带来高的效益。
( 3) 大型极深部露天矿山开采技术将得到发展。目前，我国已有部分露天矿山进入极深部开采阶段，取得了一定经验，也存在一定问题: ①进行极深露天开采时，开采成本增加、运距增加，运输条件恶化，生产产量进入衰减期; ②露天矿进入极深部开采时为解决高陡边坡稳定性和深层水对边坡影响问题，投资巨大; ③对进入极深露天矿开采的矿山，由于采场爆破等有害气体的扩散缓慢，造成开采效率下降和环境污染问题。未来 10 a 内，国内大部分露天矿山都将陆续进入深部、极深部开采阶段，解决好极深部露天矿开采的特殊技术问题，以较小的投资、较短的时间、安全地实现矿山稳产增产，对实现矿山可持续发展具有重要理论价值和实用意义，是我国金属采掘业发展面临的迫切需要解决的综合性技术问题，具有广阔的应用前景。
4 主要存在问题
同世界技术先进国家相比，我国金属矿山行业的发展长期面临着资源、能源紧缺和生态环境恶化的多重压力，粗放型经济增长的模式没有发生根本转变。我国是铁矿石资源人均占有量较低的国家，且贫矿多，富矿少，浅部易采铁矿床开采殆尽，大量深部贫铁矿床与复杂难采矿床投入开采。目前，我国露天采矿工艺整体处于国际先进水平，但采矿装备整体技术的适应性同国际先进水平相比还有较大差距，采选一体化节能降耗研究薄弱，致使矿山产能低，经济效益差。因此，加强采矿专业科学基础研究，依靠科技进步提高采矿技术与装备水平，低成本高效率开发利用有限资源，降低铁矿石对外依赖度，成为冶金矿山求生存、谋发展的现实需要和保障我国钢铁行业安全运行亟待解决的重大问题。露天采矿方向重大科学问题和技术难题归结为采矿装备、采矿自动控制及信息管理技术问题: 我国大型矿山装备仍以引进、消化吸收再创新为主，新设备的自主研发、大型化与系统集成能力差，产业化制造力量弱。我国露天采矿在凿、爆、转、运整个生产过程自动控制及信息管理方面与发达国家仍有明显的差距。
参 考 文 献
[1] 周爱民. 我国金属矿采矿技术主要成就与评价[J]. 采矿技术， 2001( 6) : 1-5. Zhou Aimin. The main achievements and evaluation of metal mining technology in China[J]. Mining Technology，2001( 6) : 1-5.
[2] 周爱民. 建国以来我国金属矿采矿技术的进展与未来展望[J].矿业研究与开发，1999( 8) : 1-4. Zhou Aimin. Advances on mining technologies in China ' s metal mines since the establishing of PRC and their future prospects[J]Mining Research and Development，1999( 8) : 1-4.
《我国金属矿山露天采矿技术进展及发展趋势》来源：《金属矿山》，作者：章 林1，2，3
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