基于技術(shù)創(chuàng)新的煤礦采掘工藝方法探討

張 拽

（國(guó)家能源集團(tuán)公司準(zhǔn)能黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展增長(zhǎng)以工業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展為支撐，這就使得我國(guó)不可再生資源消耗加快，長(zhǎng)此以往便有可能面臨資源過(guò)度開(kāi)采、不可再生資源枯竭等問(wèn)題。因此，我國(guó)制定了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)能源消耗利用提出了進(jìn)一步要求，相關(guān)工作人員必須要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，尤其是消耗占比較大、污染較為嚴(yán)重的煤礦采掘行業(yè)，更要努力提升采掘工藝方法水平，積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召。

1 露天煤礦采掘工藝基本原則

1.1 安全性原則

安全性原則是煤礦采掘工藝方法的首要原則，也是最基本的原則。在進(jìn)行露天煤礦采掘工作時(shí)，無(wú)論以什么工藝方法進(jìn)行采掘作業(yè)，保障工作人員的人身安全都必須始終擺在第一位，這也是任何工作開(kāi)展進(jìn)行的必要前提。如果工作人員的人身安全不能得到切實(shí)的保障，那么煤礦采掘生產(chǎn)作業(yè)便不能開(kāi)展，否則可能會(huì)出現(xiàn)一些重大安全事故，危及到工作人員的人身安全。

1.2 合理性原則

煤礦采掘還必須要遵守科學(xué)合理性原則，有計(jì)劃、有目標(biāo)地進(jìn)行煤礦的采掘工作，合理采掘長(zhǎng)久利用，積極響應(yīng)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的號(hào)召，減少不可再生資源的浪費(fèi)和消耗。在進(jìn)行煤礦采掘作業(yè)過(guò)程中，相關(guān)管理部門要結(jié)合煤礦當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，根據(jù)具體的采掘工作水平和地質(zhì)環(huán)境條件制定科學(xué)合理的采掘方案計(jì)劃，盡可能降低煤礦采掘的難度、減少煤礦采掘過(guò)程中的問(wèn)題，杜絕重大事故的發(fā)生[1]。

1.3 環(huán)保性原則

現(xiàn)階段環(huán)境友好型的生產(chǎn)發(fā)展模式還要求煤礦采掘工作要始終秉持環(huán)保性原則，盡可能減少采掘工程中對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成的破壞。煤礦采掘工作會(huì)產(chǎn)生粉塵污染、噪聲污染、空氣污染以及廢料污染等，除了要對(duì)相關(guān)采掘工作人員采取必要的保護(hù)措施，還需要積極尋求更為環(huán)保的施工材料技術(shù)、更為科學(xué)新穎的施工工藝方法，最大限度地遵循環(huán)保性原則，為國(guó)家環(huán)境友好型模式的發(fā)展建設(shè)做出貢獻(xiàn)[2]。

2 現(xiàn)階段我國(guó)露天煤礦采掘工藝特點(diǎn)

露天煤礦開(kāi)采工藝的發(fā)展與煤層賦存條件及設(shè)備制造能力有直接關(guān)系。自20 世紀(jì)80 年代至今，我國(guó)的大型露天煤礦開(kāi)采工藝在發(fā)展過(guò)程中主要體現(xiàn)出以下5 個(gè)特點(diǎn)：

（1）剝離工作通常以單斗汽車工藝為主要采掘工藝，包括安太堡、元寶山、伊敏河、霍林河及黑岱溝在內(nèi)的五大露天煤礦均以此工藝進(jìn)行剝離作業(yè)，而后續(xù)建成的露天煤礦也紛紛效仿，運(yùn)用單斗汽車工藝進(jìn)行剝離作業(yè)[3]。

（2）在各方面條件合適的情況下，針對(duì)表土剝離作業(yè)會(huì)采用連續(xù)工藝系統(tǒng)，這一工藝的應(yīng)用以元寶山、布沼壩、黑岱溝及哈爾烏素較為著名，在該工藝的應(yīng)用上較其他露天煤礦有更豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及更完善的處理方法。

（3）半連續(xù)開(kāi)采工藝系統(tǒng)的應(yīng)用具有普遍性，以當(dāng)前我國(guó)露天煤礦開(kāi)采工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，即使是開(kāi)采深度深入地下超過(guò)100 m、生產(chǎn)能力達(dá)百萬(wàn)噸級(jí)以上的露天煤礦，同樣廣泛應(yīng)用了半連續(xù)開(kāi)采工藝。

（4）大型礦山在開(kāi)采工藝上的選擇具有綜合性特點(diǎn)，即應(yīng)用了綜合開(kāi)采工藝系統(tǒng)。綜合開(kāi)采工藝系統(tǒng)是指單個(gè)礦山應(yīng)用的開(kāi)采工藝數(shù)量達(dá)兩個(gè)及以上且擁有不通開(kāi)采工藝同時(shí)運(yùn)行的特點(diǎn)。

（5）一些生產(chǎn)規(guī)模更大、生產(chǎn)條件更好且經(jīng)濟(jì)效益更高的礦山在開(kāi)采運(yùn)輸設(shè)備的應(yīng)用上逐漸顯露出大型化的趨勢(shì)，安太堡與黑岱溝分別于2006 年和2007 年引入了斗容達(dá)50 m3以上的單斗挖掘機(jī)，這與之前應(yīng)用的斗容只有3～4 m3的單斗挖掘機(jī)不可同日而語(yǔ)，運(yùn)輸汽車載重也從20～32 t 提升到最高可達(dá)近200 t的水平，在拉斗鏟倒堆工藝方面也體現(xiàn)了大型化的發(fā)展趨勢(shì)。

綜合而言，即使開(kāi)采設(shè)備及開(kāi)采工藝系統(tǒng)有所發(fā)展，我國(guó)露天煤礦年采煤量在全國(guó)煤礦年采煤量中所占的比重依然不多，造成這一現(xiàn)象的原因有很多。首先是受地質(zhì)條件的影響，我國(guó)煤層賦存條件相對(duì)復(fù)雜，可以露天開(kāi)采的煤礦在全國(guó)煤礦賦存情況中占比相對(duì)較少。其次，我國(guó)在生產(chǎn)制造能力方面也受到了一定限制，這主要體現(xiàn)在開(kāi)采生產(chǎn)設(shè)備的制造能力方面，當(dāng)前我國(guó)露天煤礦應(yīng)用的大型開(kāi)采設(shè)備中，國(guó)家自主研發(fā)生產(chǎn)的開(kāi)采設(shè)備并不多，多數(shù)還是從國(guó)外引入的設(shè)備。最后則是開(kāi)采相關(guān)決策方面受到的限制。受之前計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代的影響，我國(guó)在煤礦開(kāi)采政策上對(duì)露天煤礦開(kāi)采的重視度明顯不足，決策缺少相應(yīng)的科學(xué)化及民主化。關(guān)于決策這方面的缺陷也有過(guò)實(shí)際案例：改革開(kāi)放初期我國(guó)中部某煤田各方面條件均滿足露天開(kāi)采需求，但由于露天開(kāi)采不受重視，該煤田被劃歸為地下開(kāi)采，最后導(dǎo)致煤田資源被大量浪費(fèi)。由此可見(jiàn)，開(kāi)采決策的科學(xué)化水平也是影響我國(guó)露天煤礦開(kāi)采的關(guān)鍵因素。

通過(guò)對(duì)我國(guó)煤礦賦存實(shí)際情況的調(diào)查來(lái)看，已探明適用于露天開(kāi)采的煤礦儲(chǔ)量已達(dá)400 億噸以上。為使這部分資源得到充分利用，提升我國(guó)煤礦資源的利用率，露天煤礦開(kāi)采的重視程度及建設(shè)速度理應(yīng)得到加強(qiáng)，尤其是在我國(guó)人口基數(shù)眾多、人均資源占有量遠(yuǎn)低于世界平均水平的國(guó)情下，露天煤礦的建設(shè)對(duì)提升我國(guó)的綜合國(guó)力更有至關(guān)重要的意義[4]。

3 基于技術(shù)創(chuàng)新的露天煤礦采掘工藝

露天煤礦尤其是大型露天煤礦，年煤礦開(kāi)采量需要達(dá)到一個(gè)極高的水準(zhǔn)，然而煤礦開(kāi)采的同時(shí)也會(huì)開(kāi)挖出數(shù)千萬(wàn)立方米的土石方，對(duì)土石方的開(kāi)挖勢(shì)必會(huì)占用煤礦生產(chǎn)的時(shí)間，從而導(dǎo)致煤礦開(kāi)采效率下降。因此，露天煤礦采掘工藝必然需要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)還要合理安排采礦作業(yè)、銜接好工程之間的關(guān)系，并確保采礦計(jì)劃及方案的合理性，以切實(shí)提升露天煤礦的開(kāi)采效率。近年來(lái)隨著露天煤礦企業(yè)的發(fā)展，在采掘工藝上的技術(shù)革新也獲得了一定成效，主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。

3.1 運(yùn)用組合臺(tái)階開(kāi)采工藝

組合臺(tái)階開(kāi)采工藝的創(chuàng)新與運(yùn)用，是在連續(xù)工藝系統(tǒng)的基礎(chǔ)上被開(kāi)發(fā)出來(lái)的。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一在于有效增加了輪斗挖掘機(jī)的采掘量，在開(kāi)挖露天煤礦上部覆蓋的黃土?xí)r就用到了輪斗挖掘機(jī)，并輔以膠帶運(yùn)輸機(jī)形成挖掘—輸送的連續(xù)工藝。這種工藝在運(yùn)用到剝離作業(yè)中之后取得了較為顯著的效果，原本煤礦上方土層采用的是單斗—卡車的剝離工藝，而該工藝在施工過(guò)程中具有間斷性，且近年來(lái)煤礦上方土層受煤炭銷售情況、采場(chǎng)推進(jìn)速度的影響，整體數(shù)量并不多，如果以電鏟采掘上方土層，不僅需要重新架設(shè)運(yùn)輸?shù)缆罚渥鳂I(yè)成本也更高，在經(jīng)濟(jì)方面會(huì)為采場(chǎng)造成嚴(yán)重負(fù)擔(dān)[5]。因此，礦場(chǎng)提出以輪斗直接剝離上方土層的構(gòu)想，并配備了兩臺(tái)皮帶車，從而實(shí)現(xiàn)了組合臺(tái)階開(kāi)采，由輪斗挖掘機(jī)采掘上方土層的組合臺(tái)階開(kāi)采方式，不僅有效提升了輪斗的開(kāi)采量，還減小了單斗剝離的負(fù)擔(dān)。在此基礎(chǔ)上，還可根據(jù)實(shí)際情況增減膠帶移設(shè)步距，從而提升生產(chǎn)效率。

3.2 進(jìn)一步優(yōu)化采排關(guān)系

采排關(guān)系的優(yōu)化是露天煤礦采掘工藝技術(shù)創(chuàng)新的又一個(gè)方向。要優(yōu)化采排關(guān)系，通常需要考慮到不同階段采掘剝離量的綜合調(diào)整，以及排土運(yùn)距的長(zhǎng)短。排土運(yùn)距越長(zhǎng)，露天礦的剝離成本就越高；不同階段剝離量的差異越大，則施工難度及工作量就越大。采排關(guān)系優(yōu)化的關(guān)鍵是不能拘泥于原有的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)根據(jù)采掘深度的增加重新調(diào)整排土機(jī)的下排高度，使之能夠符合生產(chǎn)及作業(yè)需求，但需要建立在技術(shù)及安全性能夠得到可靠保障的前提下[6]。

運(yùn)距是指采場(chǎng)到排土場(chǎng)的運(yùn)輸距離，作為優(yōu)化采排關(guān)系中的重要內(nèi)容，運(yùn)距的合理調(diào)整能夠有效節(jié)省剝離運(yùn)輸成本，還能縮短運(yùn)輸時(shí)間，從而提升生產(chǎn)效率。原則上運(yùn)距的數(shù)值越短，生產(chǎn)成本的控制及生產(chǎn)效率的提升效果就越明顯，但隨著露天礦場(chǎng)開(kāi)采量的增加，剝離量也會(huì)逐漸上升，因此采場(chǎng)與排土場(chǎng)的運(yùn)距應(yīng)有一個(gè)盡量詳細(xì)的設(shè)置及控制，保證排土場(chǎng)不會(huì)影響采場(chǎng)的開(kāi)采，而運(yùn)距的控制也要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3.3 以拋擲爆破技術(shù)結(jié)合吊斗鏟倒堆工藝改擴(kuò)建露天礦

拋擲爆破技術(shù)是指形成拋擲漏斗的爆破，也有揚(yáng)棄爆破的說(shuō)法。在進(jìn)行爆破時(shí)，被破碎的巖石因爆破造成位移從而爆破漏斗，該技術(shù)是由國(guó)外引進(jìn)的，在與吊斗鏟倒堆工藝進(jìn)行結(jié)合后能將大量的剝離物填入采空區(qū)，這就可以大幅削減剝離量，從而實(shí)現(xiàn)剝離成本的大幅下降。此外，拋擲爆破技術(shù)具有大幅縮短工期的優(yōu)勢(shì)，因而能夠加快工程進(jìn)度。在對(duì)露天礦進(jìn)行改擴(kuò)建時(shí)有效應(yīng)用該技術(shù)，能使露天礦改擴(kuò)建的成本大幅降低，如1956 年甘肅白銀場(chǎng)露天礦利用1.5 萬(wàn)噸炸藥進(jìn)行的大爆破，就屬于拋擲爆破技術(shù)的應(yīng)用典范。在應(yīng)用拋擲爆破技術(shù)時(shí)需要控制炮制方向、爆堆形狀、大小、密集程度及拋擲塊度組成等因素，對(duì)施工技術(shù)有很高要求。而且拋擲爆破技術(shù)屬于爆破技術(shù)的一種，具有較高程度的危險(xiǎn)性，因此需要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并做好相應(yīng)的安全保護(hù)措施。一旦拋擲爆破技術(shù)應(yīng)用得當(dāng)，再加上與吊斗鏟倒堆技術(shù)的配合，就能夠大幅提升露天礦的采掘量。

4 露天煤礦采掘工藝技術(shù)創(chuàng)新的方向

結(jié)合上述內(nèi)容及國(guó)內(nèi)露天煤礦實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)看，露天煤礦采掘技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)明確創(chuàng)新的方向，而方向的確定具體包括以下3 方面的內(nèi)容。

4.1 圈定開(kāi)采程度

開(kāi)采程度的圈定是技術(shù)創(chuàng)新的理念基礎(chǔ)。對(duì)于煤礦而言，其賦存條件、開(kāi)采深度應(yīng)作為圈定開(kāi)采程度的主要參考依據(jù)，有的煤田很可能存在部分儲(chǔ)量適合露天開(kāi)采，另一部分儲(chǔ)量適合井下開(kāi)采的情況（不滿足露天開(kāi)采條件的一般都適用井下開(kāi)采），因而需要對(duì)煤礦賦存成分進(jìn)行劃分。當(dāng)前普遍認(rèn)為露天開(kāi)采在技術(shù)要求、開(kāi)采成本及安全系數(shù)上均優(yōu)于井下開(kāi)采，因此在圈定開(kāi)采程度時(shí)，應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行露天開(kāi)采程度的確定。然而開(kāi)采程度的圈定并不是一成不變的，如果開(kāi)采的深入及市場(chǎng)的變化使得露天煤礦部分開(kāi)采成本下降，那么就可以按照比例擴(kuò)大露天開(kāi)采的程度，為給后期開(kāi)采程度的提升創(chuàng)造基礎(chǔ)條件，對(duì)地面設(shè)施及排土場(chǎng)的布置應(yīng)將露天采掘程度擴(kuò)大的可能性作為考慮條件之一[7]。

4.2 深入研究采掘工藝

露天礦的采掘工藝主要包含剝離、采煤兩方面，因此采掘工藝的研究也需針對(duì)這兩方面進(jìn)行。露天礦采掘工藝會(huì)在很大程度上影響到煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，所以對(duì)采掘工藝的研究與優(yōu)化應(yīng)當(dāng)引起企業(yè)的重視。通常對(duì)采掘工藝的研究主要圍繞以下幾點(diǎn)開(kāi)展：工藝與煤層賦存條件是否匹配；工藝技術(shù)難度；主要開(kāi)采設(shè)備的動(dòng)力支持；運(yùn)輸系統(tǒng)能否充分優(yōu)化；開(kāi)采、運(yùn)輸、排土設(shè)備的選型；主要設(shè)備與氣候之間的適應(yīng)性及新工藝所帶來(lái)的性價(jià)比等。這些特點(diǎn)最終將體現(xiàn)在礦場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用及總成本方面。采掘工藝應(yīng)當(dāng)具有靈活性，能夠隨露天煤礦的開(kāi)采而加以調(diào)整，以適應(yīng)不同開(kāi)采階段的不同要求。

4.3 運(yùn)輸系統(tǒng)的調(diào)整

運(yùn)輸系統(tǒng)的調(diào)整及優(yōu)化需要在確定采掘工藝之后進(jìn)行，不同運(yùn)輸系統(tǒng)具有不同的特點(diǎn)及適應(yīng)性，如單斗—汽車的間斷式運(yùn)輸系統(tǒng)就具有較強(qiáng)的適應(yīng)性與可塑性，但在效率上并不是最突出的；而運(yùn)用運(yùn)輸膠帶機(jī)系統(tǒng)效率更高，但是否選用又取決于運(yùn)輸距離、移設(shè)的方便程度（隨著采掘深入，采場(chǎng)剝離作業(yè)運(yùn)輸?shù)攸c(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化）?？傊?，需要根據(jù)露天礦場(chǎng)實(shí)際需求及經(jīng)濟(jì)性等因素，綜合考量運(yùn)輸系統(tǒng)的選用，使之在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)盡可能降低礦場(chǎng)整體運(yùn)營(yíng)成本。

5 提高露天煤礦采掘工藝方法的建議

5.1 加強(qiáng)煤礦開(kāi)采技術(shù)創(chuàng)新

科技是第一發(fā)展力，在以后的煤礦采掘工作中，相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員要積極努力進(jìn)行新工藝方法的創(chuàng)新，有針對(duì)性地解決煤礦采掘工作中遇到的難題，不斷提高我國(guó)煤礦采掘行業(yè)的效率和水平，從而減少不可再生能源在開(kāi)采過(guò)程中由工藝技術(shù)原因造成的損耗和浪費(fèi)，促進(jìn)我國(guó)煤礦能源行業(yè)穩(wěn)定長(zhǎng)久的發(fā)展。

5.2 提升工作人員綜合素質(zhì)

相關(guān)煤礦采掘工作人員作為主要采掘工作的執(zhí)行者，其綜合素質(zhì)的高低直接決定著煤礦采掘效率的快慢。因此，必須加強(qiáng)煤礦采掘工作人員的培訓(xùn)，提升其綜合素質(zhì)和專業(yè)能力，使采掘工作人員掌握相應(yīng)的知識(shí)和技法，快速高效地進(jìn)行煤礦挖掘工作。同時(shí)，提升煤礦采掘人員的綜合素質(zhì)，有助于使其在具體工作過(guò)程中規(guī)范作業(yè)、安全生產(chǎn)，減少問(wèn)題的出現(xiàn)，杜絕事故的發(fā)生。

5.3 進(jìn)行合理有效的施工監(jiān)管

此外，在實(shí)際的勞動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程中，煤礦采掘工作強(qiáng)度較大、工作內(nèi)容機(jī)械重復(fù)，很容易會(huì)使煤礦采掘相關(guān)工作人員滋生反感厭工情緒，也會(huì)有些自制力不強(qiáng)的工作人員偷懶懈怠，不進(jìn)行安全規(guī)范的生產(chǎn)作業(yè)。這時(shí)候就需要相關(guān)管理部門進(jìn)行合理有效的施工監(jiān)管，一方面要嚴(yán)格遵守煤礦采掘生產(chǎn)工作原則，堅(jiān)決不能松懈偷懶，嚴(yán)格規(guī)范作業(yè)，杜絕安全事故的發(fā)生；另一方面，管理人員也需要站在煤礦采掘工作者的角度看待問(wèn)題，盡可能科學(xué)合理地安排工作時(shí)常和工作內(nèi)容，使相關(guān)采掘工作人員能夠勞逸結(jié)合，始終以飽滿的工作狀態(tài)投入工作生產(chǎn)中。

6 結(jié)語(yǔ)

煤炭資源的開(kāi)采和利用關(guān)系著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)和人民群眾的日常生活，是我國(guó)不可或缺的重要能源物質(zhì)。所以，為保障國(guó)家能源供應(yīng)，助力我國(guó)走上可持續(xù)發(fā)展道路，煤礦相關(guān)單位企業(yè)必須要積極創(chuàng)新采掘工藝方法并盡快推廣應(yīng)用，以便于提高國(guó)內(nèi)資源開(kāi)采利用效率，維持國(guó)家能源供應(yīng)穩(wěn)定，從而增強(qiáng)我國(guó)生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推動(dòng)我國(guó)煤礦行業(yè)健康、可持續(xù)的發(fā)展。