中國露天采煤發(fā)展現(xiàn)狀與建議

王韶輝，才慶祥，劉福明

(中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭產(chǎn)量占到世界煤炭產(chǎn)量的49.5%，煤炭儲量只占世界煤炭探明儲量的13.3%，煤炭的儲采比只有33(BP能源統(tǒng)計2012)，長期以來中國煤炭的開采方式以井工開采占絕對主體地位，產(chǎn)量始終保持在全面煤炭產(chǎn)量的90%左右，與露天開采相比其生產(chǎn)效率、資源回收率、安全性能都很低，這種中國特有的產(chǎn)能結(jié)構(gòu)造成了嚴重的煤炭資源浪費，嚴重制約了煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此，中國迫切需要露天開采的先進技術(shù)，以擴大露天開采的比例，改善其煤炭生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)，以保證其經(jīng)濟高速發(fā)展對能源的剛性需求。

1 中國露天采煤工業(yè)現(xiàn)狀

同國外露天煤礦和我國煤炭工業(yè)的發(fā)展相比，我國的露天煤礦發(fā)展非常緩慢，主要原因是我國適宜于露天開采的煤炭資源地理位置不佳，離煤炭消費重心較遠，綜合開發(fā)條件較好的很少，大部分煤田埋藏較深，基建工程量大，剝采比大。我國機械制造水平低，過去已有的技術(shù)設(shè)備無法適應(yīng)大型露天煤礦的開發(fā)。

1.1 中國露天開采先天不足

中國露天煤礦分布具有明顯的區(qū)域性，多集中在中西部地區(qū)，以山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆等地為主(圖1)。這些地區(qū)多屬于煤炭輸出區(qū)，自身對煤炭的消費量不大，加上向外運輸條件較差，使得大規(guī)模露天開采受到制約。這些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱，考慮到大規(guī)模露天開采對環(huán)境的破壞后，一是恢復(fù)起來比較難，二是植被破壞后造成沙塵增加，直接影響到我國的中部和東部地區(qū)。另外，在我國可以劃歸露天開采儲量中，煤化程度普遍較低，以氣煤和褐煤為主。

圖1 中國露天礦山分布

1.2 露天開采可持續(xù)發(fā)展能力有限

中國的煤炭資源十分豐富，截至2011年，中國的探明儲量為1145億t，占世界煤炭總儲量的13.3%，是世界第二的煤炭資源大國[2]，但可劃為露天開采的資源量不足5%。雖然近年來中國露天開采有了長足的進步，露天采煤產(chǎn)量已經(jīng)超過國內(nèi)煤炭總產(chǎn)量的10%，但同時暴露出了一個更加嚴重的問題，中國的露天采煤工業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力十分有限[3]。BP能源數(shù)據(jù)顯示，2012年中國的儲采比位為33，位列世界產(chǎn)煤國倒數(shù)第七，如果保持露天開采的強度不變，中國的露天開采的儲采比僅12.4，也就是說中國的大多數(shù)露天煤礦在十年之后都將面臨資源匱乏的問題[4]。

1.3 開采裝備水平滯后

目前中國的大型露天礦所使用的開采裝備基本與國際接軌，斗容55m3以上的采礦挖掘機，載重300t以上的礦用卡車在中國都得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得的很好的經(jīng)濟效益，為中國露天礦大型化、集中化開采做出了重要貢獻[5]。但是，這些先進的開采裝備幾乎全部靠引進國外(表1)，國內(nèi)的裝備制造水平遠遠滯后于露天礦的發(fā)展需要。用戶對引進國外的設(shè)備從能力、性能、可靠性上都十分滿意，但可以設(shè)計生產(chǎn)大型露天開采設(shè)備的專業(yè)設(shè)備廠家在世界范圍內(nèi)只有幾家，處于絕對壟斷地位，價格要高出國產(chǎn)同樣規(guī)格設(shè)備的幾倍之多，而且進口設(shè)備具有采購周期長、維修困難、配件供應(yīng)條件差等弊端。雖然，近年來中國露天開采裝備制造水平有了大幅提高，但是制造設(shè)備規(guī)格與國際先進水平仍有較大差距，而且產(chǎn)品可靠性較差，故障率遠遠超過進口設(shè)備，裝備制造水平落后直接影響煤炭生產(chǎn)成本的有效控制。

表1 中國最先進的露天礦設(shè)備使用情況

1.4 落后開采工藝導(dǎo)致成本較高

由于我國露天礦具有各不相同的內(nèi)、外部復(fù)雜條件，其各項重大技術(shù)決策具有舉足輕重的作用，正確的設(shè)計決策能為露天礦帶來上千萬元甚至以億元計的經(jīng)濟效益，而錯誤的決策會造成驚人的損失。長期以來，露天煤炭開采設(shè)計缺乏創(chuàng)新，沿用前人，一些煤炭開采技術(shù)問題始終難以解決。而國際上最先進的采煤技術(shù)在中國的應(yīng)用程度很低，例如，德國最先進的輪斗鏟連續(xù)工藝，中國在20世紀90年代引進了國外的設(shè)備和技術(shù)，在個別露天礦進行使用，但發(fā)揮的優(yōu)勢與國外露天礦差距很大；黑岱溝露天礦引進了拉斗鏟倒堆工藝，經(jīng)過十幾年的不斷研究和摸索出了比較高效的開采方式，但是該工藝各種特定限制導(dǎo)致其在中國沒有得到推廣應(yīng)用[7]。

1.5 開采造成嚴重的環(huán)境問題

中國的露天煤礦基本都分布在干旱或半干旱地區(qū)，以草原生態(tài)系統(tǒng)為主，常年蒸發(fā)量大于降水量，生態(tài)系統(tǒng)一旦遭到破壞很難修復(fù)。露天煤礦開采和固體剝離物的排棄直接破壞了地表植被，露天煤礦礦坑及其排棄的剝離物均需占用大量土地，若不及時進行土地恢復(fù)，將在一定程度上影響生態(tài)平衡。中國國露天開采年均破壞土地約3.3萬畝。露天開采引起的年破壞土地面積將以8%～9%的速度遞增，預(yù)計到2020年露天開采破壞土地面積將達228.9萬畝。開采過程中的爆破、采裝、運輸、排卸等作業(yè)產(chǎn)生大量的粉塵和汽車廢氣，廢石場的有害成分在雨水作用下流入江河湖泊和農(nóng)田等，這些都將污染大氣、水域和土壤，危及人民身體健康，影響農(nóng)作物與動植物的生長，破壞生態(tài)環(huán)境。露天采煤業(yè)迅猛發(fā)展的同時，帶來的一系列的礦山環(huán)境問題和生態(tài)破壞，已嚴重影響地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，造成煤炭生產(chǎn)企業(yè)與當?shù)鼐用耜P(guān)系十分緊張，甚至阻礙礦山的正常生產(chǎn)[8]。

1.6 稅費負擔(dān)太重

中國的露天煤炭企業(yè)共承擔(dān)稅費30項。按出臺政策級別分，中央政策10項、省級政策中央批復(fù)或省級根據(jù)中央政策出臺18項、市級政策1項、縣級政策1項； 2010年度煤炭坑口平均含稅銷售價600元，稅費負擔(dān)最低在210元，為含稅銷售單價的35%以上。2010年制造業(yè)綜合稅費負擔(dān)率為7%、服務(wù)業(yè)綜合稅費負擔(dān)率10%，煤炭業(yè)綜合稅費負擔(dān)率是制造業(yè)的5倍、服務(wù)業(yè)的3.5倍[9]。這樣的稅費負擔(dān)直接制約了可供露天開采的煤炭儲量，降低了露天采煤占煤炭總產(chǎn)量的比例。

2 中國露天開采的技術(shù)瓶頸

中國露天開采發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)到了一個轉(zhuǎn)折點，必須從技術(shù)上進行升級換代才能保證其可持續(xù)發(fā)展，否則中國的露天采煤業(yè)的綜合壽命不到15年。因此，中國的露天采煤必須向更大深度、更小厚度、更大剝采比要資源，而恰恰中國的露天行業(yè)欠缺這方面的技術(shù)。

2.1 露天礦深部開采技術(shù)

2.1.1 深部開采的邊坡穩(wěn)定

進入深部開采后，邊坡高度增大，地下水危害加劇，開采深度增大導(dǎo)致了露天礦整體的推進降低，邊坡的暴露時間延長，上部土巖的賦存條件更加復(fù)雜多變，對露天礦邊坡的穩(wěn)定設(shè)計和維護提出很大的挑戰(zhàn)，同時開采深度的增加提高了邊坡角對剝采比和煤炭回采率的敏感性，邊坡角每增加一度剝離量和回采率的變化十分顯著。另外，深部開采露天礦的邊坡條件直接關(guān)系到運輸工藝的選擇和運輸系統(tǒng)的布置，邊坡的構(gòu)成和穩(wěn)定性決定了露天礦的運輸工藝和運輸線路，而運輸系統(tǒng)的載荷又會影響邊坡的穩(wěn)定性。同時布置運輸系統(tǒng)的邊坡的設(shè)計級別要提高。因此，深部露天礦的邊坡穩(wěn)定工程是完全區(qū)別于淺部露天礦的，需要更加先進的理論和技術(shù)支持才能找到技術(shù)、經(jīng)濟、安全的合理結(jié)合點。

2.1.2 深部開采的通風(fēng)

隨著露天礦開采深度增大，礦坑底部的自然通風(fēng)難度也隨之加大。當開采深度達到一定程度且坑底面積較小時，一方面，露天礦生產(chǎn)所產(chǎn)生的大氣污染物擴散難度增大，可能威脅設(shè)備和人員安全；另一方面，受空氣中氧氣濃度降低的影響，一些耗氧設(shè)備(如柴油機等)的出力狀態(tài)和功率曲線將發(fā)生變化，影響露天礦生產(chǎn)效率。

2.1.3 礦區(qū)剝離物流優(yōu)化

剝離物均為外排，且均為山坡排土場。從經(jīng)濟角度考慮，提升高程和外排運距大，成本高；從安全角度考慮，山坡外排土場給地區(qū)生產(chǎn)安全和道路交通帶來了一定壓力。因此，研究將綜合考慮外排運費、資源回收、產(chǎn)能接續(xù)、土地占用、社會影響等因素，進行礦區(qū)剝離物流優(yōu)化。

2.2 資源回收技術(shù)

2.2.1 薄煤層選采

中國的薄煤層資源比較豐富，幾乎所有露天礦都有需要選采的煤層(表2)，但往往由于技術(shù)欠缺或礦山對高產(chǎn)量的片面追求，采取放棄選采或局部選采的處理方式，造成了中國薄煤層的資源回收率很低的結(jié)果。中國露天煤礦復(fù)合薄煤層、傾斜煤層的主要選采工藝為單斗-卡車工藝，采用電鏟選采時，設(shè)計確定小于1m夾矸混入，大于1m夾矸剔除，頂?shù)装甯鲹p失厚0.2m，同時需要推土機輔助作業(yè)，實際生產(chǎn)時很難達到這個標準，回收資源的數(shù)量和品質(zhì)都不理想，對應(yīng)需要爆破的露天礦薄煤層選采的效果會更差，由于分爆分采技術(shù)尚不成熟，爆破沖擊造成煤巖層位錯動和煤巖混雜，很難實現(xiàn)高效的選采。

表2 我國主要煤礦的煤層開采情況

2.2.2 端幫煤回收技術(shù)

中國的露天煤礦主要以大型近水平露天礦為主，煤層較厚，靜態(tài)的邊坡角設(shè)計比較保守，導(dǎo)致在露天礦開采過程中端幫下大量的資源殘留。目前，中國對端幫下壓煤的開采沒有硬性的規(guī)定以及成熟的技術(shù)支持。國外的端幫開采設(shè)備和技術(shù)已經(jīng)十分成熟，回收大量的煤炭資源，據(jù)統(tǒng)計美國靠螺旋鉆端幫采煤技術(shù)每年采出的煤量占全國總產(chǎn)量的7%。基于煤炭資源儲量十分緊張的現(xiàn)狀，中國應(yīng)該加強技術(shù)和設(shè)備的引進，以最快的速度將其轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力，因為露天礦的端幫煤隨著內(nèi)排的跟進將以大于300m/a的速度被掩埋，一旦形成內(nèi)排，端幫下的煤炭資源將再無回收價值，將是中國有限煤炭資源的永久性浪費。

2.2.3 資源綜合利用技術(shù)

中國的露天煤礦在開采過程中有各種伴生礦產(chǎn)資源，往往由于資源的價值較低、賦存不穩(wěn)定或開采過程影響煤炭的正常開采等原因被露天礦放棄回收，造成資源的極大浪費。通過開采理論創(chuàng)新，發(fā)展伴生資源特定的開采技術(shù)，建立伴生資源與煤炭資源開采的高效配合，從而提升伴生資源開采的經(jīng)濟性。伴生資源的開采是在煤層開采的同時進行的，除資源的開采和運輸成本之外，基本無需其他投入，而伴生資源的銷售可以提高煤礦的經(jīng)濟效益，因此，如果有成熟的伴生資源回采技術(shù)，伴生資源的回收可以提高煤炭資源的經(jīng)濟剝采比，增加中國露天開采資源的儲量。

2.3 大剝采比開采技術(shù)

中國可供露天開采的煤炭資源十分有限，按2012年全國露天開采的煤炭產(chǎn)量計算，中國露天開采的儲采比只有12.4，與其他主要采煤國家相比可持續(xù)發(fā)展能力非常低。除了與中國特定的煤炭賦存條件有密切關(guān)系外，與露天開采資源劃分的剝采比標準有重要關(guān)系。中國的《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》規(guī)定褐煤、非焦煤和焦煤的經(jīng)濟剝采比分別為6m3/t、10m3/t、15m3/t，制約經(jīng)濟剝采比的因素只有生產(chǎn)成本和煤炭售價，通過對露天煤礦的生產(chǎn)成本的構(gòu)成分析可知中國露天煤礦的生產(chǎn)成本還有很大的下降空間。

2.3.1 開采工藝

高效的開采工藝技術(shù)是降低成本的關(guān)鍵，目前中國急需研究的技術(shù)課題包括：綜合工藝開采參數(shù)的動態(tài)調(diào)整；綜合工藝與開采程序、開拓運輸系統(tǒng)的優(yōu)化；綜合工藝各單一工藝使用效率對綜合工藝的影響；基于綜合工藝的參數(shù)動態(tài)調(diào)整規(guī)律的綜合工藝效率最大化的措施。含自移式破碎機半連續(xù)工藝應(yīng)用技術(shù)綜合工藝應(yīng)用技術(shù)。含自移式破碎機半連續(xù)工藝的綜合工藝應(yīng)用條件；各單一工藝服務(wù)范圍及相互配合模式；自移式破碎機半連續(xù)工藝工作面參數(shù)優(yōu)化以及工作面短距離控制爆破技術(shù)，煤層厚度變化下各單一開采工藝開采參數(shù)的動態(tài)調(diào)整規(guī)律[10]。

2.3.2 煤質(zhì)提升技術(shù)

通過先進的開采技術(shù)改善原煤的品質(zhì)來提高產(chǎn)品的銷售價格是增大經(jīng)濟剝采比的重要途徑。先進的精確爆破技術(shù)，工作面分層開采技術(shù)，都是繼續(xù)解決的科學(xué)難題，如果可以克服這些難題，可以有效降低工作面的煤巖混雜，降低煤炭的貧化率和損失率，降低原煤的混矸率和灰分，提高煤炭的發(fā)熱量，可有效提高煤炭的銷售價格，從而增大煤炭開采的經(jīng)濟剝采比。

2.4 露天煤清潔生產(chǎn)技術(shù)

2.4.1 生態(tài)重建技術(shù)

中國大型露天煤礦的生產(chǎn)已經(jīng)對當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)和環(huán)境造成了嚴重的破壞，露天煤礦的開采必須將環(huán)境問題放到與經(jīng)濟效益放到同等重要的位置，建立露天煤礦采礦與生態(tài)重建一體化理論，將采礦工藝的優(yōu)化設(shè)計和生態(tài)重建有機結(jié)合起來，通過優(yōu)化采場與排土場的時空演化過程，借鑒植物學(xué)和生態(tài)學(xué)的先進技術(shù)，對生態(tài)重建形成有效的人工干預(yù)，加快生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的速度，最大限度減少水土流失和水資源破壞等永久性環(huán)境破壞。

2.4.2 防塵降塵技術(shù)

粉塵污染是露天礦的重要污染源之一，目前，中國露天煤礦主要的降塵手段是灑水降塵，其降塵效果十分有限，受季節(jié)的影響明顯。從根本上解決粉塵污染還需要理論的創(chuàng)新，通過現(xiàn)場實測、實驗室模擬以及數(shù)值模擬等手段對主要塵源的起塵原理、粉塵的運移規(guī)律、采場內(nèi)粉塵的分布規(guī)律進行分析，根據(jù)理論規(guī)律確定相應(yīng)的防塵、降塵技術(shù)措施。

2.4.3 低碳技術(shù)

針對露天煤礦生產(chǎn)特點，提出相應(yīng)的節(jié)能減排技術(shù)，實現(xiàn)露天煤礦高效低碳開發(fā)。開展節(jié)能工藝、節(jié)能工程技術(shù)研究，通過降低露天煤礦能耗實現(xiàn)碳減排；根據(jù)煤炭資源露天開采工藝性評價系統(tǒng)和露天開采工藝的碳排放計量系統(tǒng)，選擇適合的低碳開采工藝，結(jié)合生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)和選采技術(shù)，實現(xiàn)露天煤礦碳減排；結(jié)合時效邊坡和露天礦生產(chǎn)與生態(tài)重建一體化等技術(shù)，減少資源開發(fā)的土地擾動影響范圍，提高復(fù)墾土地的固碳能力。

3 中國露天采煤發(fā)展建議

3.1 高效綠色開采技術(shù)

鑒于中國露天開采工藝發(fā)展緩慢，薄煤層回收技術(shù)和端幫煤回收技術(shù)比較落后，綜合工藝匹配理論比較欠缺的現(xiàn)狀，吸納國內(nèi)的優(yōu)勢科研資源，研發(fā)出適合中國露天礦煤層賦存條件的規(guī)?；_采的新工藝，確定新工藝的合理開采參數(shù)、組合模式，完善拉斗鏟倒堆工藝、半連續(xù)工藝等。

3.2 大型露天開采裝備國產(chǎn)化

中國露天煤礦是大型露天開采設(shè)備的重要市場，國產(chǎn)采礦裝備制造業(yè)的崛起可以大幅降低露天礦的設(shè)備投資和運營費用，同時是對中國工業(yè)體系的一個重要補充。通過吸納全社會的優(yōu)勢科技資源共同參與研究和示范，選擇國內(nèi)研究最高水平的大型科研單位和最強研究和制造能力的大型煤炭機械制造企業(yè)、大型煤炭生產(chǎn)企業(yè)，形成“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合攻關(guān)隊伍。針對中國露天礦用設(shè)備的制造現(xiàn)狀，完善大型礦用設(shè)備的設(shè)計理論體系，研發(fā)產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠性、高智能性，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型露天礦用設(shè)備的成套技術(shù)，提高國際競爭力，在滿足國內(nèi)礦山需求的前下可以開拓國際市場，包括：75m3露天礦用挖掘機研制、300t級礦用卡車研制、自移式破碎機半連續(xù)成套裝備研制、薄煤層連續(xù)開采技術(shù)和設(shè)備研制、大型露天礦綜合工藝設(shè)計理論研究。

3.3 適當?shù)恼咧С致短觳擅?/h3>

實行市場經(jīng)濟體制的國家普遍認為礦業(yè)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)地位，對礦業(yè)開采活動相應(yīng)給予多項優(yōu)惠政策。世界各主要產(chǎn)煤國家均設(shè)有所得稅率，但在實際計征方法上對礦業(yè)企業(yè)均有一系列優(yōu)惠政策，實際征收率比法定稅率的多。另外，在投資、環(huán)保、鼓勵潔凈煤技術(shù)等方面給予支持政策。為了中國露天采煤業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，政府應(yīng)當理清煤炭行業(yè)的稅費制度，提高稅費的鼓勵作用，將煤炭行業(yè)的稅費負擔(dān)率回歸到合理水平，以促進煤炭企業(yè)的綠色高效可持續(xù)發(fā)展。

3.4 加強國際交流和合作

我國露天采煤業(yè)與國外相比還是有不小的差距，我們要發(fā)揚“拿來主義”，向國外的露天同行們學(xué)習(xí)先進的露天采煤經(jīng)驗，為我國露天開采服務(wù)。將強國家交流合作：世界現(xiàn)在已經(jīng)進入了高科技發(fā)展的時代，先進的科學(xué)技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，推動了生產(chǎn)力的發(fā)展。國際上的先進技術(shù)可以通過學(xué)習(xí)與交流用以促進我國露天采礦技術(shù)的水平的提高。因此，繼續(xù)加強與國外的交流，依然會是今后露天采煤業(yè)的發(fā)展方向。

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