當礦體埋藏較淺或地表有露頭時,露天開采最為優越(圖1-3)。與地下開采相比,露天開采具有資源利用充分、回收率高、貧化率低、適合大型機械化施工、建礦速度快、產量大、勞動生產率高、成本低、勞動條件好、生產安全等優點;缺點是:需要剝離廢棄大量的巖石和土壤,尤其是深凹露天礦,往往占用較多的耕地;設備購置費高,初期投資大;設備效率和勞動生產率受氣候影響很大。
圖1-3煤炭露天開采
隨著采礦技術的發展,越來越適合露天開采,包括開采低品位礦床和壹些地下開采的殘礦。對於平緩礦床(壹般煤層傾角小於12),采用傾倒、橫向運輸或縱向運輸的采礦方法;對於傾斜礦床,采用臺階、水平采區或分區、階段聯合開采的方法。
縱觀世界,發達國家煤炭工業的發展特點是:根據國內煤田的賦存條件,優先發展露天煤礦開采,露天煤礦開采占煤炭開采總量的比重越來越大。開采條件好的國家露天開采比例超過50%,其中加拿大88.0%,德國78.3%,印度73.8%,澳大利亞70.0%,印度尼西亞70.0%,美國61.5%,俄羅斯56.1%,南非52.9%,波蘭33.3%,英國23.3%。各國逐漸形成了各自特色的露天采煤技術,其中以美國、澳大利亞、俄羅斯和印度為代表。
經過幾十年的發展,隨著現代新技術和露天開采新工藝的引進,我國有條件的地區露天開采成本大大降低,勞動生產率大大提高,取得了顯著的經濟效益。與此同時,露天煤礦產量在全國煤礦產量中的比重也逐漸上升,從2002年的4%左右上升到目前的10%左右。根據煤炭工業“十壹五”發展規劃,全國將建設10座千萬噸級現代化露天煤礦。在宏觀經濟和能源供需背景下,我國煤炭露天開采進入了壹個新的發展階段。
1.2.3.2露天開采主要作業內容
露天采礦作業的主要內容包括:穿孔爆破、開采與裝載、運輸與排土。這四項任務的質量及其協調是露天開采的關鍵。
(1)射孔爆破。在露天礦的礦巖中鉆出壹定直徑和深度的定向爆破孔,用炸藥爆破使礦巖破碎松動。沖孔設備主要包括旋挖鉆機、潛孔鉆機和牙輪鉆機等。、銨油炸藥、漿狀耐水炸藥、乳化炸藥、粒狀乳化炸藥多用於爆破。
(2)采裝。是用采礦或機械將礦石、巖石裝入運輸設備,或直接卸到指定地點的作業。常用設備包括單鬥挖掘機、輪鬥挖掘機、鬥鏟和露天采礦機等。應用最廣泛的是單鬥挖掘機。
(3)交通運輸。它是將露天礦的礦石和巖石分別運送到卸料點(或選礦廠)和排土場,同時將生產人員、設備和材料運送到采礦場。主要運輸方式有鐵路、公路、輸送機和提升機,以及在崎嶇山區使用的水力運輸和索道運輸。運輸方式的選擇必須綜合考慮地形、地質和氣候條件、露天礦的生產能力、開采深度、礦石和圍巖的物理力學性質等因素。,並經過綜合技術經濟比較後確定合理的運輸方式。
(4)傾倒泥土。將剝離並覆蓋在礦床上部及其周圍的表土和巖石從露天礦運輸到專門設置的垃圾場進行處理的作業。根據傾卸設備的不同,傾卸方式可分為推土機、推土機、正面裝載機、鏟運機或鏟鬥鏟等。排土場首選內部排土方式,外部排土場盡量靠近采礦場,少占農田。如果可能的話,應該放在山谷和窪地,有利於環境保護和土地復墾。
1.2.3.3露天開采存在的問題分析
與國外先進水平相比,我國露天煤礦開采技術還存在規模小、產業集中度低、經濟效益低、技術裝備水平相對落後、裝備制造水平低、自動化程度低、大型成套設備國產化程度低、進展緩慢等問題。
(1)我國露天開采技術發展緩慢。
與國外露天煤礦發展相比,我國露天煤礦發展緩慢。主要原因是我國適合露天開采的煤炭資源地理位置不好,遠離煤炭消費中心,綜合開發條件少。大部分煤田埋藏深,基建工程量大,剝采比大。同時,我國機械制造水平較低,現有技術裝備不能適應大型露天煤礦的發展。
20世紀80年代,我國煤炭部提出“露天開采優先”的方針,規劃建設霍林河、伊敏、平朔、準格爾、元寶山等五個露天煤礦,把露天開采作為煤炭工業持續、穩定、健康發展的重要戰略方針[4]。但由於我國煤炭工業長期建設以地下開采為主,露天開采在煤炭工業中並未被置於應有的重要地位,而且在我國可分類的露天開采儲量中,煤化程度普遍較低,最高的是氣煤,最多的是褐煤。
我國露天煤礦開采發展緩慢的另壹個原因是露天煤礦的分布具有明顯的地域性,多集中在中西部地區,主要集中在山西、內蒙古、陜西和新疆。這些地區大多屬於煤炭輸出地區,自身耗煤量並不大,再加上運輸條件差,制約了大規模露天開采。這些地區的生態系統相對脆弱。考慮到大規模露天開采造成的環境破壞,難以恢復,植被破壞造成的揚塵增加直接影響到我國中東部地區。此外,這些地區經濟欠發達,大型露天煤礦開采前期投資高,這也是露天煤礦開采比例壹直較低的壹個原因。
(2)露天采煤新技術研發投入不足。
壹方面,我國露天礦山內外部復雜條件不同,其重大技術決策起決定性作用。正確的設計決策可以為露天礦帶來幾千萬甚至上億的經濟效益,而錯誤的決策則會造成驚人的損失。長期以來,露天采煤設計缺乏創新,壹些采煤技術問題始終難以解決。例如,露天煤礦絕大多數埋藏在近水平煤層中,分區開采,汽車端坡回路開拓運輸系統采用靜態分析,造成端坡角小、端坡煤壓大、運輸成本高等問題。
另壹方面,除了傳統技術的開發和研究,未來露天煤礦開采技術——數字化技術、自動化技術、無人化技術的研究投入不夠。到目前為止,采礦業還未能實現采礦系統全自動和無人操作的目標。如果成功,這將大大提高生產效率,大大降低生產成本,大大提高作業的安全水平。在中國,還沒有對煤礦開采作業的自動化和機器人化進行深入研究。
(3)露天采煤引起的環境問題
世界各產煤國都將優先發展露天開采作為增加煤炭產量的主要途徑,並努力實現集中開采,以提高勞動生產率,降低成本。然而,隨著露天煤礦業的快速發展,也帶來了壹系列礦山環境問題和生態破壞,嚴重影響了該地區的生態環境質量和經濟可持續發展。過去,傳統的地質、采礦和管理學科沒有或很少將礦山環境勘查、評價、預測、管理、立法和執法與露天煤礦勘查、露天煤礦建設、設計、生產和閉坑有機地結合起來。比如露天開采,追求剝采最少,采煤最多。只要不發生滑坡,坡度越陡越好。很少考慮閉坑後的地面變形或災害,也很少把綜合的、長遠的經濟效益、社會效益和環境效益作為研究追求的出發點。露天煤礦開采形成的礦坑,由於地質構造、邊坡巖體、地表水和地下水等原因。誘發滑坡、崩塌、水土流失、泥石流等壹系列地質災害。,並引起地面變形,危及周邊地區工業企業和居民住宅的安全,造成巨大的經濟損失,破壞原有的生態地質環境。
中國露天煤礦開采的環境問題是復雜、多樣、特殊和敏感的。由於特定歷史因素的影響,礦業城市的地質環境和生態環境受到極大的影響和破壞。露天煤礦開采的環境問題基本上是人類采礦工程活動改變或惡化了環境。這就要求決策者、管理者和生產者具有可持續發展的眼光,發展科學、先進、環保的采煤技術,從事露天采煤,積極主動地利用采礦項目改善和美化周圍環境,化害為利,化不利為有利,實現資源開發與環境保護的協調發展。發展露天采煤技術解決環境問題是非常必要的。