王韶辉，才庆祥，刘福明

(中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭产量占到世界煤炭产量的49.5%，煤炭储量只占世界煤炭探明储量的13.3%，煤炭的储采比只有33(BP能源统计2012)，长期以来中国煤炭的开采方式以井工开采占绝对主体地位，产量始终保持在全面煤炭产量的90%左右，与露天开采相比其生产效率、资源回收率、安全性能都很低，这种中国特有的产能结构造成了严重的煤炭资源浪费，严重制约了煤炭工业的可持续发展[1]。因此，中国迫切需要露天开采的先进技术，以扩大露天开采的比例，改善其煤炭生产的结构，以保证其经济高速发展对能源的刚性需求。

1 中国露天采煤工业现状

同国外露天煤矿和我国煤炭工业的发展相比，我国的露天煤矿发展非常缓慢，主要原因是我国适宜于露天开采的煤炭资源地理位置不佳，离煤炭消费重心较远，综合开发条件较好的很少，大部分煤田埋藏较深，基建工程量大，剥采比大。我国机械制造水平低，过去已有的技术设备无法适应大型露天煤矿的开发。

1.1 中国露天开采先天不足

中国露天煤矿分布具有明显的区域性，多集中在中西部地区，以山西、内蒙古、陕西、新疆等地为主(图1)。这些地区多属于煤炭输出区，自身对煤炭的消费量不大，加上向外运输条件较差，使得大规模露天开采受到制约。这些地区生态系统比较脆弱，考虑到大规模露天开采对环境的破坏后，一是恢复起来比较难，二是植被破坏后造成沙尘增加，直接影响到我国的中部和东部地区。另外，在我国可以划归露天开采储量中，煤化程度普遍较低，以气煤和褐煤为主。

图1 中国露天矿山分布

1.2 露天开采可持续发展能力有限

中国的煤炭资源十分丰富，截至2011年，中国的探明储量为1145亿t，占世界煤炭总储量的13.3%，是世界第二的煤炭资源大国[2]，但可划为露天开采的资源量不足5%。虽然近年来中国露天开采有了长足的进步，露天采煤产量已经超过国内煤炭总产量的10%，但同时暴露出了一个更加严重的问题，中国的露天采煤工业可持续发展能力十分有限[3]。BP能源数据显示，2012年中国的储采比位为33，位列世界产煤国倒数第七，如果保持露天开采的强度不变，中国的露天开采的储采比仅12.4，也就是说中国的大多数露天煤矿在十年之后都将面临资源匮乏的问题[4]。

1.3 开采装备水平滞后

目前中国的大型露天矿所使用的开采装备基本与国际接轨，斗容55m3以上的采矿挖掘机，载重300t以上的矿用卡车在中国都得到了广泛的应用，并且取得的很好的经济效益，为中国露天矿大型化、集中化开采做出了重要贡献[5]。但是，这些先进的开采装备几乎全部靠引进国外(表1)，国内的装备制造水平远远滞后于露天矿的发展需要。用户对引进国外的设备从能力、性能、可靠性上都十分满意，但可以设计生产大型露天开采设备的专业设备厂家在世界范围内只有几家，处于绝对垄断地位，价格要高出国产同样规格设备的几倍之多，而且进口设备具有采购周期长、维修困难、配件供应条件差等弊端。虽然，近年来中国露天开采装备制造水平有了大幅提高，但是制造设备规格与国际先进水平仍有较大差距，而且产品可靠性较差，故障率远远超过进口设备，装备制造水平落后直接影响煤炭生产成本的有效控制。

表1 中国最先进的露天矿设备使用情况

1.4 落后开采工艺导致成本较高

由于我国露天矿具有各不相同的内、外部复杂条件，其各项重大技术决策具有举足轻重的作用，正确的设计决策能为露天矿带来上千万元甚至以亿元计的经济效益，而错误的决策会造成惊人的损失。长期以来，露天煤炭开采设计缺乏创新，沿用前人，一些煤炭开采技术问题始终难以解决。而国际上最先进的采煤技术在中国的应用程度很低，例如，德国最先进的轮斗铲连续工艺，中国在20世纪90年代引进了国外的设备和技术，在个别露天矿进行使用，但发挥的优势与国外露天矿差距很大；黑岱沟露天矿引进了拉斗铲倒堆工艺，经过十几年的不断研究和摸索出了比较高效的开采方式，但是该工艺各种特定限制导致其在中国没有得到推广应用[7]。

1.5 开采造成严重的环境问题

中国的露天煤矿基本都分布在干旱或半干旱地区，以草原生态系统为主，常年蒸发量大于降水量，生态系统一旦遭到破坏很难修复。露天煤矿开采和固体剥离物的排弃直接破坏了地表植被，露天煤矿矿坑及其排弃的剥离物均需占用大量土地，若不及时进行土地恢复，将在一定程度上影响生态平衡。中国国露天开采年均破坏土地约3.3万亩。露天开采引起的年破坏土地面积将以8%～9%的速度递增，预计到2020年露天开采破坏土地面积将达228.9万亩。开采过程中的爆破、采装、运输、排卸等作业产生大量的粉尘和汽车废气，废石场的有害成分在雨水作用下流入江河湖泊和农田等，这些都将污染大气、水域和土壤，危及人民身体健康，影响农作物与动植物的生长，破坏生态环境。露天采煤业迅猛发展的同时，带来的一系列的矿山环境问题和生态破坏，已严重影响地区的生态环境质量和经济持续发展，造成煤炭生产企业与当地居民关系十分紧张，甚至阻碍矿山的正常生产[8]。

1.6 税费负担太重

中国的露天煤炭企业共承担税费30项。按出台政策级别分，中央政策10项、省级政策中央批复或省级根据中央政策出台18项、市级政策1项、县级政策1项； 2010年度煤炭坑口平均含税销售价600元，税费负担最低在210元，为含税销售单价的35%以上。2010年制造业综合税费负担率为7%、服务业综合税费负担率10%，煤炭业综合税费负担率是制造业的5倍、服务业的3.5倍[9]。这样的税费负担直接制约了可供露天开采的煤炭储量，降低了露天采煤占煤炭总产量的比例。

2 中国露天开采的技术瓶颈

中国露天开采发展到现在已经到了一个转折点，必须从技术上进行升级换代才能保证其可持续发展，否则中国的露天采煤业的综合寿命不到15年。因此，中国的露天采煤必须向更大深度、更小厚度、更大剥采比要资源，而恰恰中国的露天行业欠缺这方面的技术。

2.1 露天矿深部开采技术

2.1.1 深部开采的边坡稳定

进入深部开采后，边坡高度增大，地下水危害加剧，开采深度增大导致了露天矿整体的推进降低，边坡的暴露时间延长，上部土岩的赋存条件更加复杂多变，对露天矿边坡的稳定设计和维护提出很大的挑战，同时开采深度的增加提高了边坡角对剥采比和煤炭回采率的敏感性，边坡角每增加一度剥离量和回采率的变化十分显著。另外，深部开采露天矿的边坡条件直接关系到运输工艺的选择和运输系统的布置，边坡的构成和稳定性决定了露天矿的运输工艺和运输线路，而运输系统的载荷又会影响边坡的稳定性。同时布置运输系统的边坡的设计级别要提高。因此，深部露天矿的边坡稳定工程是完全区别于浅部露天矿的，需要更加先进的理论和技术支持才能找到技术、经济、安全的合理结合点。

2.1.2 深部开采的通风

随着露天矿开采深度增大，矿坑底部的自然通风难度也随之加大。当开采深度达到一定程度且坑底面积较小时，一方面，露天矿生产所产生的大气污染物扩散难度增大，可能威胁设备和人员安全；另一方面，受空气中氧气浓度降低的影响，一些耗氧设备(如柴油机等)的出力状态和功率曲线将发生变化，影响露天矿生产效率。

2.1.3 矿区剥离物流优化

剥离物均为外排，且均为山坡排土场。从经济角度考虑，提升高程和外排运距大，成本高；从安全角度考虑，山坡外排土场给地区生产安全和道路交通带来了一定压力。因此，研究将综合考虑外排运费、资源回收、产能接续、土地占用、社会影响等因素，进行矿区剥离物流优化。

2.2 资源回收技术

2.2.1 薄煤层选采

中国的薄煤层资源比较丰富，几乎所有露天矿都有需要选采的煤层(表2)，但往往由于技术欠缺或矿山对高产量的片面追求，采取放弃选采或局部选采的处理方式，造成了中国薄煤层的资源回收率很低的结果。中国露天煤矿复合薄煤层、倾斜煤层的主要选采工艺为单斗-卡车工艺，采用电铲选采时，设计确定小于1m夹矸混入，大于1m夹矸剔除，顶底板各损失厚0.2m，同时需要推土机辅助作业，实际生产时很难达到这个标准，回收资源的数量和品质都不理想，对应需要爆破的露天矿薄煤层选采的效果会更差，由于分爆分采技术尚不成熟，爆破冲击造成煤岩层位错动和煤岩混杂，很难实现高效的选采。

表2 我国主要煤矿的煤层开采情况

2.2.2 端帮煤回收技术

中国的露天煤矿主要以大型近水平露天矿为主，煤层较厚，静态的边坡角设计比较保守，导致在露天矿开采过程中端帮下大量的资源残留。目前，中国对端帮下压煤的开采没有硬性的规定以及成熟的技术支持。国外的端帮开采设备和技术已经十分成熟，回收大量的煤炭资源，据统计美国靠螺旋钻端帮采煤技术每年采出的煤量占全国总产量的7%。基于煤炭资源储量十分紧张的现状，中国应该加强技术和设备的引进，以最快的速度将其转化为实际生产力，因为露天矿的端帮煤随着内排的跟进将以大于300m/a的速度被掩埋，一旦形成内排，端帮下的煤炭资源将再无回收价值，将是中国有限煤炭资源的永久性浪费。

2.2.3 资源综合利用技术

中国的露天煤矿在开采过程中有各种伴生矿产资源，往往由于资源的价值较低、赋存不稳定或开采过程影响煤炭的正常开采等原因被露天矿放弃回收，造成资源的极大浪费。通过开采理论创新，发展伴生资源特定的开采技术，建立伴生资源与煤炭资源开采的高效配合，从而提升伴生资源开采的经济性。伴生资源的开采是在煤层开采的同时进行的，除资源的开采和运输成本之外，基本无需其他投入，而伴生资源的销售可以提高煤矿的经济效益，因此，如果有成熟的伴生资源回采技术，伴生资源的回收可以提高煤炭资源的经济剥采比，增加中国露天开采资源的储量。

2.3 大剥采比开采技术

中国可供露天开采的煤炭资源十分有限，按2012年全国露天开采的煤炭产量计算，中国露天开采的储采比只有12.4，与其他主要采煤国家相比可持续发展能力非常低。除了与中国特定的煤炭赋存条件有密切关系外，与露天开采资源划分的剥采比标准有重要关系。中国的《煤炭工业露天矿设计规范》规定褐煤、非焦煤和焦煤的经济剥采比分别为6m3/t、10m3/t、15m3/t，制约经济剥采比的因素只有生产成本和煤炭售价，通过对露天煤矿的生产成本的构成分析可知中国露天煤矿的生产成本还有很大的下降空间。

2.3.1 开采工艺

高效的开采工艺技术是降低成本的关键，目前中国急需研究的技术课题包括：综合工艺开采参数的动态调整；综合工艺与开采程序、开拓运输系统的优化；综合工艺各单一工艺使用效率对综合工艺的影响；基于综合工艺的参数动态调整规律的综合工艺效率最大化的措施。含自移式破碎机半连续工艺应用技术综合工艺应用技术。含自移式破碎机半连续工艺的综合工艺应用条件；各单一工艺服务范围及相互配合模式；自移式破碎机半连续工艺工作面参数优化以及工作面短距离控制爆破技术，煤层厚度变化下各单一开采工艺开采参数的动态调整规律[10]。

2.3.2 煤质提升技术

通过先进的开采技术改善原煤的品质来提高产品的销售价格是增大经济剥采比的重要途径。先进的精确爆破技术，工作面分层开采技术，都是继续解决的科学难题，如果可以克服这些难题，可以有效降低工作面的煤岩混杂，降低煤炭的贫化率和损失率，降低原煤的混矸率和灰分，提高煤炭的发热量，可有效提高煤炭的销售价格，从而增大煤炭开采的经济剥采比。

2.4 露天煤清洁生产技术

2.4.1 生态重建技术

中国大型露天煤矿的生产已经对当地的生态系统和环境造成了严重的破坏，露天煤矿的开采必须将环境问题放到与经济效益放到同等重要的位置，建立露天煤矿采矿与生态重建一体化理论，将采矿工艺的优化设计和生态重建有机结合起来，通过优化采场与排土场的时空演化过程，借鉴植物学和生态学的先进技术，对生态重建形成有效的人工干预，加快生态系统修复的速度，最大限度减少水土流失和水资源破坏等永久性环境破坏。

2.4.2 防尘降尘技术

粉尘污染是露天矿的重要污染源之一，目前，中国露天煤矿主要的降尘手段是洒水降尘，其降尘效果十分有限，受季节的影响明显。从根本上解决粉尘污染还需要理论的创新，通过现场实测、实验室模拟以及数值模拟等手段对主要尘源的起尘原理、粉尘的运移规律、采场内粉尘的分布规律进行分析，根据理论规律确定相应的防尘、降尘技术措施。

2.4.3 低碳技术

针对露天煤矿生产特点，提出相应的节能减排技术，实现露天煤矿高效低碳开发。开展节能工艺、节能工程技术研究，通过降低露天煤矿能耗实现碳减排；根据煤炭资源露天开采工艺性评价系统和露天开采工艺的碳排放计量系统，选择适合的低碳开采工艺，结合生产调度系统和选采技术，实现露天煤矿碳减排；结合时效边坡和露天矿生产与生态重建一体化等技术，减少资源开发的土地扰动影响范围，提高复垦土地的固碳能力。

3 中国露天采煤发展建议

3.1 高效绿色开采技术

鉴于中国露天开采工艺发展缓慢，薄煤层回收技术和端帮煤回收技术比较落后，综合工艺匹配理论比较欠缺的现状，吸纳国内的优势科研资源，研发出适合中国露天矿煤层赋存条件的规模化开采的新工艺，确定新工艺的合理开采参数、组合模式，完善拉斗铲倒堆工艺、半连续工艺等。

3.2 大型露天开采装备国产化

中国露天煤矿是大型露天开采设备的重要市场，国产采矿装备制造业的崛起可以大幅降低露天矿的设备投资和运营费用，同时是对中国工业体系的一个重要补充。通过吸纳全社会的优势科技资源共同参与研究和示范，选择国内研究最高水平的大型科研单位和最强研究和制造能力的大型煤炭机械制造企业、大型煤炭生产企业，形成“产学研”联合攻关队伍。针对中国露天矿用设备的制造现状，完善大型矿用设备的设计理论体系，研发产品设计和制造工艺的关键技术，实现产品的高可靠性、高智能性，形成具有自主知识产权的大型露天矿用设备的成套技术，提高国际竞争力，在满足国内矿山需求的前下可以开拓国际市场，包括：75m3露天矿用挖掘机研制、300t级矿用卡车研制、自移式破碎机半连续成套装备研制、薄煤层连续开采技术和设备研制、大型露天矿综合工艺设计理论研究。

3.3 适当的政策支持露天采煤

实行市场经济体制的国家普遍认为矿业的基础性产业地位，对矿业开采活动相应给予多项优惠政策。世界各主要产煤国家均设有所得税率，但在实际计征方法上对矿业企业均有一系列优惠政策，实际征收率比法定税率的多。另外，在投资、环保、鼓励洁净煤技术等方面给予支持政策。为了中国露天采煤业的可持续发展，政府应当理清煤炭行业的税费制度，提高税费的鼓励作用，将煤炭行业的税费负担率回归到合理水平，以促进煤炭企业的绿色高效可持续发展。

3.4 加强国际交流和合作

我国露天采煤业与国外相比还是有不小的差距，我们要发扬“拿来主义”，向国外的露天同行们学习先进的露天采煤经验，为我国露天开采服务。将强国家交流合作：世界现在已经进入了高科技发展的时代，先进的科学技术不断涌现出来，推动了生产力的发展。国际上的先进技术可以通过学习与交流用以促进我国露天采矿技术的水平的提高。因此，继续加强与国外的交流，依然会是今后露天采煤业的发展方向。

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