我國露天采礦技術(shù)發(fā)展趨勢及展望

昌正林

（新疆圣雄能源股份有限公司黑山煤礦）

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，對礦石資源的需求越來越大，成本低、見效快的露天開采技術(shù)取得了迅猛的進(jìn)步。目前我國各類礦石都存在露天開采，且占比較高［1］，國家對礦山的重視程度不斷提高，并加大資金及技術(shù)的支持力度，促進(jìn)了該行業(yè)的迅速發(fā)展［2-3］。

露天開采技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，開采效率高、自動(dòng)化程度高、工作環(huán)境條件優(yōu)良等。因此在礦產(chǎn)資源開采中，優(yōu)先考慮露天開采方式［4］。20 世紀(jì)50 年代，我國總計(jì)建設(shè)了18 座大型露天礦，平均年開采量達(dá)到1 000萬t，為我國提供豐富的礦產(chǎn)資源［5］。

本文對我國露天礦山的發(fā)展和現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對露天礦山的發(fā)展提出了見解，以期為我國露天礦山的發(fā)展提供支撐。

1 露天采礦技術(shù)現(xiàn)狀探究

1.1 概述

在過去的幾十年里，我國露天開采技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，大多關(guān)鍵技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，如陡幫開采工藝、大型深凹露天礦陡坡鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)、間斷—連續(xù)開采工藝、高臺階采礦工藝等，不斷彌補(bǔ)露天開采技術(shù)的缺陷。但是，我國的露天開采技術(shù)仍然還存在一些不足，一方面，國內(nèi)露天礦的開采條件較國外差；另一方面，相比于國外大型露天礦，我國的露天開采在機(jī)械化、自動(dòng)化以及智能化方面存在不足。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國目前涉及露天開采礦山近19萬個(gè)，占地面積約2萬km2。在京津冀及周邊、長三角和汾渭平原等地區(qū)的38 個(gè)重點(diǎn)地級市，共有露天開采礦山2萬余個(gè)，占地面積約2 200 km2。改革開放以來，為了支持國家的建設(shè)和發(fā)展，在露天礦山的技術(shù)和裝備方面投入很大，對于我國露天開采技術(shù)的進(jìn)步起到了巨大的推動(dòng)作用［6-8］。宋子嶺等［9-10］構(gòu)建了基于綠色開采技術(shù)的生態(tài)環(huán)境評價(jià)體系，用于對露天開采過程的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評價(jià)。趙浩等［11-12］建立了的綠色開采的技術(shù)，為我國類似的露天礦山開采提供了借鑒。隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，借助于5GF和5G技術(shù)，通過在礦山進(jìn)行智能化信息技術(shù)的改造，可以實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)的高效性，大力推動(dòng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。張瑞新［8］認(rèn)為對礦山企業(yè)進(jìn)行智能化和信息化改造，可以大幅度提升礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低企業(yè)的成本。伴隨著技術(shù)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，露天礦山深孔臺階爆破技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電子化智能化的運(yùn)用，這對于礦山企業(yè)朝著綠色開采理念的發(fā)展又近了一步［13-15］。目前我國多數(shù)露天礦山已經(jīng)運(yùn)用了很多智能化技術(shù)，但是部分礦山還是采取一些落后的作業(yè)方式，因?yàn)榧夹g(shù)以及開采觀念的落后，導(dǎo)致礦山成為阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展、影響生態(tài)環(huán)保的一大難題。我國露天礦的開采技術(shù)隨著時(shí)代進(jìn)步也在更新?lián)Q代，露天開采技術(shù)的推進(jìn)對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用。

1.2 我國露天開采特點(diǎn)

由于礦石必然會(huì)被一些巖石以及巖層覆蓋，因此選擇露天開采技術(shù)時(shí)，首先需要將覆蓋的巖石和巖層剝掉，通過露天運(yùn)輸通道，將礦石運(yùn)輸至露天場地進(jìn)行開采，目前該方式在金屬礦和煤礦中較為常見。由于礦石所在的地形條件和開采條件并不相同，需根據(jù)其選擇合適的開采方式，露天開采方式有以下特點(diǎn)。

（1）露天開采空間大，工作環(huán)境條件優(yōu)良且安全，可采用大型設(shè)備。

（2）機(jī)械化、自動(dòng)化水平較高，勞動(dòng)生產(chǎn)率高。

（3）開采成本較低，礦石的損失較少，顯著提升了礦石的利用率，大規(guī)模采場普遍存在。

（4）因需要購買大型開采設(shè)備，同時(shí)設(shè)備裸露在地表上，易受到天氣和氣候的影響，導(dǎo)致設(shè)備損壞或開采效率降低。

（5）在礦石開采過程中，必然會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，同時(shí)將巖石或巖層爆破后，也會(huì)將有害物質(zhì)擴(kuò)散至環(huán)境中，造成大氣、水以及土壤的污染。將礦石裸露地表，需將巖土和巖石運(yùn)輸至制定地點(diǎn)，在運(yùn)輸過程中掉落的殘?jiān)财茐闹苓叺纳鷳B(tài)環(huán)境。

1.3 我國傳統(tǒng)的露天開采工藝探究

（1）爆破技術(shù)是采礦的重要技術(shù)之一，無論井下開采還是露天開采都需要將礦石采露出，因此必須確保做好爆破工作。隨著礦產(chǎn)開采技術(shù)的發(fā)展，爆破技術(shù)雖然不斷優(yōu)化，但仍然會(huì)有新的難題出現(xiàn)。科技力量的提升為爆破技術(shù)帶來全新的輔助材料和設(shè)備，如新型炸藥和爆破輔助設(shè)備，使爆破的精度顯著提升，防止爆破過程中礦井坍塌的問題，也避免生態(tài)環(huán)境遭受破壞。總體而言，我國爆破技術(shù)還仍然處于發(fā)展階段，需不斷精進(jìn)。

（2）陡幫開采技術(shù)也是露天采礦工作的關(guān)鍵技術(shù)之一，該技術(shù)直接與露天采礦量和礦石質(zhì)量掛鉤。自20 世紀(jì)50 年代以來，我國亟待解決的問題就是快速發(fā)展工業(yè)技術(shù)，因此采礦工程快速興起，目前我國采礦以進(jìn)入了深凹開采階段。深凹開采使采礦場地的環(huán)境進(jìn)一步惡劣，由于環(huán)境因素的影響，造成員工的工作效率日益低下。因此必須高效應(yīng)用陡幫開采技術(shù)，現(xiàn)階段應(yīng)提高對該技術(shù)的重視程度，將其廣泛應(yīng)用于露天采礦作業(yè)中。

（3）高臺階采礦技術(shù)。采場的開采效率以及開采質(zhì)量和臺階高度有很大的關(guān)系，適宜的臺階高度對于鉆孔效率和運(yùn)輸效率提升具有重要的意義，同時(shí)合理利用采場空間，避免空間資源浪費(fèi)。我國近年來已進(jìn)行了許多測定臺階高度的試驗(yàn)，促進(jìn)礦山的開采作業(yè)效率提高，當(dāng)然不同環(huán)境和礦石種類的礦場高臺階采礦工藝適宜的高度也不同。

（4）排防水技術(shù)。由于在地表進(jìn)行生產(chǎn)，因此露天采礦易受到氣候的影響，必須重視采礦場地的排水和防水問題，以保障采礦效率。露天采礦作業(yè)時(shí)，一旦下雨，輕則影響采礦效率，重則影響機(jī)器設(shè)備損壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)階段，主要利用截水溝、防洪堤壩等措施將地表流水體進(jìn)行疏導(dǎo)，避免地表水匯入采坑中影響開采作業(yè)的安全性，同時(shí)也保障礦石的質(zhì)量。

（5）邊坡穩(wěn)定性技術(shù)。邊坡問題作為一種地質(zhì)問題，很早就出現(xiàn)在人類的生活當(dāng)中，在人們的居住和生產(chǎn)過程中，往往會(huì)遇見滑坡泥石流等自然災(zāi)害。露天礦邊坡包括開挖后端幫形成的巖質(zhì)邊坡，以及排棄物料堆置形成的排土場邊坡，對于露天礦邊坡來說，其穩(wěn)定性不僅僅受到自然條件的影響，還受到露天礦開采時(shí)的各種采動(dòng)影響，端幫邊坡受到開挖、運(yùn)輸荷載、爆破震動(dòng)等人為因素影響，而排土場邊坡則受到排土、堆置工藝影響。且露天礦邊坡往往更加高大，地質(zhì)條件復(fù)雜，對露天礦邊坡穩(wěn)定性的研究對邊坡工程的發(fā)展起到推動(dòng)作用。

2 主要存在的問題

2.1 開采智能一體化問題

我國金屬礦山行業(yè)中應(yīng)用的技術(shù)相比于國外技術(shù)而言，遭受著更大的壓力，如生態(tài)環(huán)境、能源緊缺等，因此技術(shù)的發(fā)展存在一定的難度。雖然我國礦產(chǎn)資源非常豐富，但人均占有量較小，而且淺部易采的礦石已經(jīng)開采完，而深部的礦石資源由于環(huán)境復(fù)雜，極為難采，需要大量的資金投入。我國的露天開采技術(shù)處于國際前端，但開采智能一體化相比于國際先進(jìn)水平仍然存在一定的差距，礦山產(chǎn)能較低，無法帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。為此，需加強(qiáng)采礦專業(yè)的研究，通過科學(xué)力量和技術(shù)的發(fā)展，可以減少資源開采過程中的成本，同時(shí)提高我國礦石的利用率，減少我國對外采購礦石量。露天采礦技術(shù)目前主要存在的問題有機(jī)器設(shè)備落后，設(shè)備自主研發(fā)能力、采礦設(shè)備產(chǎn)業(yè)化制造能力、智能化控制能力較弱，整體一體化技術(shù)仍然不足。開采智能一體化礦山的“數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化”是循序漸進(jìn)的，而對于我國露天礦山來說，目前開采智能化僅僅只實(shí)現(xiàn)了部分設(shè)備的自動(dòng)化，還未實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化，而對于智能化最重要的數(shù)字化來說，基本上處于初級階段。對于構(gòu)建智能化中央控制平臺方面，僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享處理，對于大部分露天礦山來說，還有很長的道路要走。

2.2 邊坡穩(wěn)定性問題

在露天礦山的開采過程中，由于開采工藝的原因，裸露的端幫以及開采后廢棄的剝離物料堆置，形成了很多邊坡，而這些邊坡的穩(wěn)定性是保證露天礦山安全生產(chǎn)的重要因素。露天礦采場端幫邊坡由構(gòu)成邊坡的各個(gè)巖體組成，露天礦排土場邊坡由排棄物料以及下方的基底組成，還受到地下水、斷層、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造影響。

排土場穩(wěn)定性是露天礦山不可避免的問題，如果排土場的安全問題不能得到重視，那么整個(gè)露天礦山的后續(xù)工作都會(huì)受到巨大的影響。排土場的正常運(yùn)行對于露天礦山的生產(chǎn)運(yùn)營安全以及經(jīng)濟(jì)效益有著重要的意義。對排棄物穩(wěn)定性分析的需求不僅僅局限于露天礦，在各種廢料、物料的堆置過程中，如垃圾場、石料場等都涉及到邊坡穩(wěn)定性問題，物料的堆置壞境、地質(zhì)條件不同，對穩(wěn)定性分析方法要求也不同。我國大部分地區(qū)的地質(zhì)條件偏復(fù)雜，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行的物料排棄工作不斷增加，對排棄物料邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算以及滑坡災(zāi)害的防治提出了新的要求。2023 年2 月23日，內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟阿拉善左旗一露天煤礦發(fā)生大面積坍塌事故，該事件表明，我國部分地區(qū)露天礦山邊坡的穩(wěn)定性問題一直存在，要加強(qiáng)對露天邊坡的穩(wěn)定性控制。

3 露天采礦技術(shù)發(fā)展建議

3.1 融入5G新技術(shù)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，信息技術(shù)和科技技術(shù)在我們的日常生活中廣泛應(yīng)用，為露天礦山生產(chǎn)提供優(yōu)良的設(shè)備基礎(chǔ)，同時(shí)也能優(yōu)化采礦工藝環(huán)節(jié)，縮短采礦周期。如自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等使露天采礦工作高度智能，降低人工成本，同時(shí)也提高工作的安全性，減少了工作量。

露天采礦未來的發(fā)展必然是朝著自動(dòng)化、高度智能的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)脫離人工進(jìn)行作業(yè)。由于采礦作業(yè)的工藝較為復(fù)雜，需要應(yīng)用諸多的采礦設(shè)備和技術(shù)，因此需合理選擇采礦設(shè)備，促使每個(gè)工藝能完美銜接。此外，隨著5G 技術(shù)的普及，5G 技術(shù)與智能采礦相結(jié)合的技術(shù)必然會(huì)對露天采礦業(yè)產(chǎn)生翻天覆地的變化，借助于5G 技術(shù)可以使露天采礦實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)化、現(xiàn)場作業(yè)可視化、信息預(yù)警瞬時(shí)化等，將會(huì)極大地提高生產(chǎn)力。在5G 通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)字礦山向智能礦山轉(zhuǎn)型的數(shù)據(jù)傳輸快速通道，可實(shí)現(xiàn)采礦設(shè)計(jì)、計(jì)劃、生產(chǎn)配礦、調(diào)度和決策等過程的智能化。同時(shí)，和5G技術(shù)一樣，露天采礦技術(shù)的發(fā)展需要理念先行，緊跟時(shí)代的潮流，隨著時(shí)代而進(jìn)步。

3.2 推進(jìn)高效化、智能化發(fā)展

由于露天開采技術(shù)水平快速提升，露天開采作業(yè)的礦巖爆破方式已經(jīng)發(fā)生巨大的改變，同時(shí)運(yùn)輸模式和運(yùn)輸設(shè)備也發(fā)生了變化，由鏟裝設(shè)備裝載運(yùn)輸變?yōu)榧s化開采運(yùn)輸。采礦設(shè)備數(shù)量較大，且大多都為大型設(shè)備，因此礦場需要具有較大的載荷量以便所有設(shè)備能夠正常運(yùn)行和使用，此外開采設(shè)備也有待更換，采用更加智能化的設(shè)備，不僅縮短了運(yùn)輸周期，也增加了運(yùn)輸量。

大型露天礦山高效化、智能化的開采是未來露天采礦的發(fā)展趨勢，相比于傳統(tǒng)的移動(dòng)式運(yùn)輸，露天開采生產(chǎn)智能化與礦山工程的一體化管控有利于露天開采的進(jìn)行，通過建立礦石開采、裝載、破碎、運(yùn)輸一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦石產(chǎn)業(yè)集約化發(fā)展。在開采礦石時(shí)，運(yùn)用信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)采礦設(shè)備集約化控制，為礦山開采作業(yè)的科學(xué)化管理和智能化管理奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，借助于智能化的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，通過自主開采技術(shù)和監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測采礦設(shè)備，以便工作人員采取相關(guān)的防護(hù)工作，同時(shí)也能及時(shí)處理故障設(shè)備，保障礦山的開采效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，推進(jìn)采礦的智能化。人是整個(gè)露天開采過程的核心，要保證露天開采的順利進(jìn)行，人是永遠(yuǎn)不可忽視的重要因素。在推進(jìn)露天開采高效化、智能化發(fā)展的過程中，增強(qiáng)人工工效是所有工作之中的重中之重。要在保證人的生命安全和職業(yè)健康安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)效應(yīng)最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)工人作業(yè)過程的最大舒適感。高效化、智能化的發(fā)展必然會(huì)帶來人工成本的降低，以及對人力資源需求的降低，在大力推進(jìn)露天采礦技術(shù)高效化、智能化發(fā)展的同時(shí)，也不能忽視了人在智能化發(fā)展中的核心地位，兼顧人力的同時(shí)，合理推進(jìn)發(fā)展。

3.3 推進(jìn)綠色化、環(huán)?；l(fā)展

眾所周知，礦山開采后必然會(huì)對礦區(qū)和周邊的環(huán)境造成一定的危害。而露天開采對周邊環(huán)境的危害最為嚴(yán)重，不僅造成礦坑內(nèi)粉塵污染，還擴(kuò)散至周邊的環(huán)境，隨大氣、水快速傳播，因此礦山企業(yè)也必須更加注重環(huán)保，這也是該行業(yè)亟待解決的問題之一。

為促使露天開采滿足可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，朝向環(huán)境友好型的露天礦山發(fā)展，從降低開采成本和減少粉塵污染等方向突破，從多個(gè)角度響應(yīng)國家策略的號召，需要在開采全過程中加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)工作，恢復(fù)被污染的土地。選用節(jié)能且環(huán)保的采礦設(shè)備，嚴(yán)格遵守國家頒發(fā)的相關(guān)法律法規(guī)，降低礦場的污染指標(biāo)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測開采場地周邊的環(huán)境破壞程度。在露天礦山開采過程中，不斷地融入低碳和生態(tài)保護(hù)理念，才能更好地實(shí)現(xiàn)綠色開采，才能在最合理的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；保持露天開采從設(shè)計(jì)—施工—開采—銷售—最終閉礦的全過程的綠色開采，為減少碳排放、節(jié)能減排、循環(huán)發(fā)展做出貢獻(xiàn)；摒棄傳統(tǒng)礦山粗獷的發(fā)展模式，不以犧牲環(huán)境來帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3.4 實(shí)現(xiàn)固廢邊坡綜合防治，減少自然災(zāi)害發(fā)生

礦山開采過程中會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的廢石和尾礦等廢棄物，必須進(jìn)行相關(guān)的處置，否則不僅造成采場環(huán)境污染，還可能造成泥石流等自然災(zāi)害。一方面，礦山開采的過程中，必須對場地進(jìn)行全過程處理，實(shí)現(xiàn)礦山開采過程中的邊開采邊恢復(fù)，保證邊坡全過程安全；另一方面，要加大對露天開采過程中邊坡的在線監(jiān)測，同時(shí)對危險(xiǎn)邊坡進(jìn)行評估，保證露天開采過程中的絕對安全。防患于未然，實(shí)現(xiàn)邊坡在線監(jiān)測與5G 技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測、災(zāi)害智能預(yù)警，保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

4 展 望

科技的發(fā)展為金屬礦山采礦技術(shù)提供發(fā)展基礎(chǔ)，隨著5G技術(shù)及智能化技術(shù)的發(fā)展，建設(shè)了以物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)、虛擬模擬技術(shù)為核心的智能可視化控制平臺，5G 通信、智能傳感、全球和定位等方法共同構(gòu)建智能礦山，結(jié)合大數(shù)據(jù)的分析和處理方法，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)和安全智能化集中控制。隨著我國工業(yè)和科技的發(fā)展，以工業(yè)4.0 視角和互聯(lián)網(wǎng)+的角度，露天礦山必須走向礦山工業(yè)4.0 和礦山互聯(lián)網(wǎng)+的模式，增強(qiáng)礦山的工業(yè)競爭力，跟上互聯(lián)網(wǎng)+的時(shí)代，推動(dòng)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

伴隨著碳達(dá)峰、碳中和在全國的推廣，我國露天礦山行業(yè)要積極跟進(jìn)，實(shí)現(xiàn)低碳的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)采礦源頭低碳綠色生態(tài)減損，為我國的綠色低碳可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。大力推進(jìn)露天礦山綠色開采技術(shù)，充分利用一切可以利用的資源，防止或盡可能減輕露天采礦對土地、空氣、水以及地質(zhì)災(zāi)害的不良影響，使露天礦山實(shí)現(xiàn)高效率、低能耗、低污染、低排放。

最后，要繼續(xù)加強(qiáng)露天開采技術(shù)基礎(chǔ)理論研究，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論研究先行，讓基礎(chǔ)理論成為推進(jìn)露天開采技術(shù)飛躍發(fā)展的重要推力。