中國(guó)露天礦山開采工藝技術(shù)與裝備現(xiàn)狀和未來(lái)
余 斌 吳 鵬
北京礦冶研究總院
改革開放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)步入了快速發(fā)展的軌道，礦業(yè)開發(fā)迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，礦山開采規(guī)模得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。截至目前，我國(guó)已建成了各類金屬礦山達(dá)1.2萬(wàn)余座，建成和即將建成的鐵礦石年生產(chǎn)能力300萬(wàn)t以上的礦山有34座，其中2002年以后在建、新建和改擴(kuò)建礦山就達(dá)16座，其產(chǎn)能近1億t。隨著投資的增加，采礦規(guī)模迅速擴(kuò)大，采礦技術(shù)得到快速發(fā)展，裝備水平逐步提高，有力地促進(jìn)了采礦業(yè)的發(fā)展。
采礦技術(shù)的高效化和實(shí)用化
國(guó)內(nèi)露天礦采剝方法與國(guó)外進(jìn)展大致相同。多為陡幫開采，如組合臺(tái)階開采，高臺(tái)階、傾斜分條開采以及橫采橫擴(kuò)等。同時(shí)采用分期開采、分區(qū)開采，盡可能地縮短建設(shè)周期，提高了礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
采礦工藝連續(xù)化半連續(xù)化。目前國(guó)內(nèi)外已有一部分礦山進(jìn)行連續(xù)或半連續(xù)開采。隨著露天礦開采向深部發(fā)展，該工藝的意義日漸突出。20世紀(jì)80年代開始，我國(guó)先后在大孤山、東鞍山、石人溝及水廠等鐵礦應(yīng)用間斷—連續(xù)開采工藝。1997年，齊大山鐵礦通過(guò)引進(jìn)大型可移動(dòng)式破碎—膠帶運(yùn)輸裝備，建成了采場(chǎng)內(nèi)可移動(dòng)式礦巖破碎—膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)，標(biāo)志著我國(guó)間斷—連續(xù)開采工藝已進(jìn)入世界先進(jìn)水平。目前國(guó)外有些礦山在研究管道輸送，甚至是集裝箱運(yùn)輸。間斷—連續(xù)運(yùn)輸工藝表現(xiàn)了其卓越的優(yōu)勢(shì)。
可移式破碎站。可移式破碎站是汽車、破碎機(jī)和膠帶運(yùn)輸機(jī)組成的間斷連續(xù)運(yùn)輸工藝的核心技術(shù)裝備之一。隨著開采深度的增加，破碎機(jī)組必須隨時(shí)快速移動(dòng)，以保證汽車始終處于最佳運(yùn)距下工作。由于固定式破碎機(jī)組造價(jià)高、建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)、搬遷困難、移動(dòng)拆裝工作量大、費(fèi)用高，難以適應(yīng)采礦下降速度的要求。這些年大型移動(dòng)破碎機(jī)組的研制與開發(fā)取得了迅速發(fā)展。國(guó)外大型露天礦間斷—連續(xù)運(yùn)輸也多采用可移式破碎站，如美國(guó)的西雅里塔銅鉬礦，加拿大的蘭德瓦利銅礦，澳大利亞的紐曼山鐵礦，烏克蘭的中部采選公司1號(hào)露天礦等。我國(guó)鞍鋼齊大山鐵礦在采場(chǎng)內(nèi)建成了1套礦、巖可移式破碎膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)自1997年投產(chǎn)后一直運(yùn)轉(zhuǎn)正常。
陡坡鐵路運(yùn)輸。這種運(yùn)輸方法充分利用現(xiàn)有的鐵路運(yùn)輸設(shè)備，提高鐵路運(yùn)輸線路的坡度，減少鐵路展線長(zhǎng)度，增大鐵路運(yùn)輸可能達(dá)到的采深，提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益。例如：薩爾拜露天礦、索克洛夫露天礦和列別金露天礦成功地應(yīng)用了陡坡鐵路(縱坡達(dá)60‰)運(yùn)輸。薩爾拜露天礦使用著上百臺(tái)粘重達(dá)360t的直流牽引機(jī)組，年運(yùn)量上億噸。薩爾拜露天礦目前的實(shí)際采深已達(dá)
振動(dòng)給礦機(jī)。振動(dòng)給礦機(jī)在深凹露天礦山汽車—鐵路聯(lián)合運(yùn)輸系統(tǒng)中得到較好的應(yīng)用。該設(shè)備已在鞍鋼眼前山鐵礦、本鋼歪頭山鐵礦、馬鋼南山鐵礦等礦山建成投產(chǎn)。2009年，由馬鞍山礦山研究院設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)最大的振動(dòng)給礦機(jī)在本鋼南芬露天礦建成并通過(guò)驗(yàn)收，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1000萬(wàn)t/a。該項(xiàng)技術(shù)不僅解決了我國(guó)冶金深凹露天礦山汽車—鐵路聯(lián)合運(yùn)輸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)載問(wèn)題，而且節(jié)省了礦山基建投資，降低了轉(zhuǎn)載成本，提高了轉(zhuǎn)載能力，減少了污染等。
汽車—提升機(jī)運(yùn)輸。爆破后的礦巖經(jīng)采裝設(shè)備裝載到運(yùn)輸設(shè)備(汽車或其他運(yùn)輸設(shè)備)上，借助外加提升力，經(jīng)過(guò)工作面道路和斜坡提升線路將其提升到地面(或卸礦點(diǎn)，或排土場(chǎng))，實(shí)現(xiàn)了短距離運(yùn)輸。德國(guó)西馬格·特蘭斯普蘭公司應(yīng)用了該項(xiàng)成果。該技術(shù)特別適合短深型露天礦。
環(huán)保問(wèn)題應(yīng)得到重視。露天礦山向深凹發(fā)展，坑內(nèi)空氣質(zhì)量將越來(lái)越差。國(guó)外企業(yè)已開展深部采場(chǎng)通風(fēng)機(jī)的研究工作，提出了軸流通風(fēng)機(jī)、水平通風(fēng)機(jī)，甚至采用直升飛機(jī)螺旋漿式的通風(fēng)方案。露天礦其他的環(huán)保問(wèn)題也將逐步提到日程上來(lái)，并有望得到較好的解決方案。
設(shè)備大型化、高效化
我國(guó)礦山裝備這些年來(lái)也發(fā)展很快，“十五”、“十一五”計(jì)劃期間，國(guó)家千萬(wàn)噸級(jí)設(shè)備的攻關(guān)取得了很大成果，自行開發(fā)和合作生產(chǎn)的設(shè)備得到推廣應(yīng)用；國(guó)外不少先進(jìn)設(shè)備，如電鏟、汽車及間斷—連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)得到應(yīng)用，大大縮小了我國(guó)與世界上先進(jìn)水平的差距。
穿孔設(shè)備
穿孔直徑越來(lái)越大，穿孔深度逐漸加深。國(guó)內(nèi)大型礦山穿孔設(shè)備是潛孔鉆與牙輪鉆共存，牙輪鉆比例較高(占88%)，鉆孔直徑以250、310mm為主，中型礦山以潛孔鉆為主，鉆孔直徑以200mm為主；國(guó)外普遍采用牙輪鉆，直徑大多為310?380mm，有的達(dá)559mm，孔深可達(dá)73m。圖1為用于水廠鐵礦、南芬鐵礦、齊大山鐵礦等大型露天鐵礦的YZ55型牙輪鉆機(jī)，鉆孔直徑310mm。
裝載設(shè)備
斗容量不斷增加。國(guó)外液壓電鏟的應(yīng)用不斷擴(kuò)大(占26%)，機(jī)械電動(dòng)鏟仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(占48%)。斗容量以
運(yùn)輸設(shè)備
露天礦用汽車。露天礦用汽車的噸位不斷增加。目前國(guó)外大型礦山，無(wú)論是液力機(jī)械傳動(dòng)的、還是交流驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)輪汽車，其載重量大多為150t、240t、320t，小松、利勃海爾與卡特公司目前已研制出裝載質(zhì)量360t的汽車。我國(guó)大型露天礦山汽車的最大裝載質(zhì)量也達(dá)到120t、170t。首鋼重型汽車制造廠生產(chǎn)的裝載質(zhì)量170t的電動(dòng)輪汽車已在水廠鐵礦投入現(xiàn)場(chǎng)試用，并在繼續(xù)研制220t以及以上級(jí)別電動(dòng)輪汽車。湘電集團(tuán)有限公司新研制的220t電動(dòng)輪汽車已經(jīng)下線，同時(shí)正在研制交流傳動(dòng)的大噸位電動(dòng)輪汽車。利勃海爾采礦設(shè)備公司于1998年月成功地研制出T282型兩軸式柴油—電力交流傳動(dòng)的運(yùn)輸汽車，其有效載質(zhì)量為327t。圖4為湘電集團(tuán)研制SF33900型220t電動(dòng)輪汽車，圖5為利勃海爾公司生產(chǎn)T282型327t電動(dòng)輪汽車。
礦用電機(jī)車。目前國(guó)外露天采礦場(chǎng)使用電機(jī)車運(yùn)輸?shù)膰?guó)家主要是原獨(dú)聯(lián)體的一些國(guó)家，這些國(guó)家深凹露天礦電機(jī)車一般是直流電機(jī)或交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)機(jī)組，粘重一般為300t以上，最大粘重為480t。國(guó)內(nèi)電機(jī)車一般為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，粘重一般為150t。2001年湘潭電機(jī)廠為攀鋼礦業(yè)公司生產(chǎn)了1臺(tái)粘重224t電機(jī)車，目前運(yùn)行情況良好，圖6為湘電集團(tuán)生產(chǎn)的粘重224t電機(jī)車。
大傾角運(yùn)輸機(jī)。大傾角運(yùn)輸技術(shù)在露天礦山運(yùn)輸中具有明顯的優(yōu)越性。美國(guó)、前蘇聯(lián)、瑞典、德國(guó)及英國(guó)等都進(jìn)行了這方面的研究，如美國(guó)大陸公司研制了由2條膠帶組成的夾持式大傾角運(yùn)輸機(jī)，瑞典斯維特拉公司研制了帶橫隔板的波浪擋邊大傾角運(yùn)輸機(jī)和由2條膠帶牽引的袋式大傾角運(yùn)輸機(jī)，英國(guó)休伍德公司研制了鏈板與膠帶組合的大傾角運(yùn)輸機(jī)等。這些運(yùn)輸機(jī)都實(shí)現(xiàn)了大于30°的大傾角連續(xù)運(yùn)輸。前南斯拉夫麥依丹佩克銅礦因采用了大陸公司的大傾角運(yùn)輸系統(tǒng)，使采場(chǎng)內(nèi)的汽車用量減少2/3，運(yùn)距縮短
輔助設(shè)備
推土機(jī)的推土板容積加大。小松公司推出的標(biāo)準(zhǔn)推土犁板的容積為34.4m3，而新型45m3超級(jí)犁板可提高推土效率達(dá)15%。
露天礦山發(fā)展趨勢(shì)展望
從我國(guó)礦山現(xiàn)狀來(lái)看，已經(jīng)到來(lái)的21世紀(jì)主要還是老礦山的擴(kuò)建和技術(shù)改造，由于我國(guó)露天礦山大部分已進(jìn)入凹陷或深凹開采，礦山規(guī)模也不大。雖然我國(guó)礦山的采裝設(shè)備與世界礦山大型露天礦山比較規(guī)格較小，勞動(dòng)生產(chǎn)率偏低，但要通過(guò)大批淘汰已有的設(shè)備，向大型化發(fā)展也是不現(xiàn)實(shí)的。
以高技術(shù)、新工藝、新材料、大型設(shè)備來(lái)裝備礦山是我國(guó)露天礦山發(fā)展的大趨勢(shì)。露天礦采礦設(shè)備的主要發(fā)展方向是研制采用先進(jìn)技術(shù)特別是電子控制系統(tǒng)、更加靈巧可靠、造價(jià)較低的設(shè)備。自控技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用于大型設(shè)備、成套設(shè)備來(lái)控制、監(jiān)測(cè)、管理礦山生產(chǎn)已成必然。同時(shí)，一些雖算不上高新技術(shù)，但卻很適用的、能給礦山帶來(lái)更好效益的技術(shù)也將會(huì)受到礦山的歡迎。
總體來(lái)看，我國(guó)采礦技術(shù)已經(jīng)接近或達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。差距主要體現(xiàn)在設(shè)備方面，這是制約我國(guó)采礦進(jìn)步的關(guān)鍵技術(shù)因素?？s小這方面的差距，一方面要通過(guò)“引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新、提高”來(lái)發(fā)展我國(guó)的礦山設(shè)備；另一方面，要加大科技投入，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，努力創(chuàng)造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新設(shè)備、新產(chǎn)品，著力于自身創(chuàng)新能力的增強(qiáng)，充分利用后發(fā)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)礦山行業(yè)跨越式發(fā)展。
科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，以高新技術(shù)為基礎(chǔ)，以技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、制度創(chuàng)新為手段，推動(dòng)礦山科技進(jìn)步，是礦山企業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著全球工業(yè)化和經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展，采礦技術(shù)的發(fā)展不斷趨向生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單化，生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)化，采礦作業(yè)集中化，采礦設(shè)備大型化，以致作業(yè)過(guò)程的數(shù)字化、智能化與無(wú)人化。我們一方面要順應(yīng)這種科技發(fā)展趨勢(shì)，大力發(fā)展新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料。同時(shí)，要努力研發(fā)一些簡(jiǎn)單、適用、有效的實(shí)用技術(shù)，并加以推廣應(yīng)用，保證礦山企業(yè)的快速、持續(xù)、健康的發(fā)展。
信息技術(shù)為我國(guó)露天礦山帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。如果將礦山企業(yè)信息化改造與生產(chǎn)技術(shù)的改造相結(jié)合，將信息技術(shù)直接嵌人采礦生產(chǎn)工藝中，對(duì)傳統(tǒng)的采礦業(yè)在管理模式、組織結(jié)構(gòu)、采礦工藝、決策方式等方面進(jìn)行改革，就有可能在未來(lái)不久的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)礦產(chǎn)資源開采利用的跨越式發(fā)展。
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