李旭濤，劉志明，張幼振，薛建勇，張世明，張 寧

（1.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077；2.中煤科工集團信息技術有限公司，陜西 西安71000）

露天煤礦開采具備生產規(guī)模大，勞動生產力高、資源采出率高、勞動環(huán)境優(yōu)及安全保證性好等顯著特點。截至2022 年底，露天煤礦開采量占我國煤炭產量的23.75%，我國煤炭開采重心加速不斷向新疆等西部地區(qū)轉移[1-3]。但是隨著碳中和、碳達峰的即將到來，為露天煤礦的安全、綠色、高效開采提出了更高的要求。為此，針對我國露天煤礦開采工藝、開采裝備和未來發(fā)展方向進行詳細闡述，總結歸納先進技術成就，分析存在的主要問題，并對未來發(fā)展趨勢進行展望分析。

1 我國露天煤礦開采工藝

我國露天煤礦開采工藝技術發(fā)展迅速，按照煤炭運輸連續(xù)性將開采工藝分為間斷工藝、半連續(xù)工藝和連續(xù)工藝[4-6]。在我國露天煤礦開采工藝中，半連續(xù)及連續(xù)開采工藝應用較少，單斗＋卡車間斷工藝和單斗＋卡車＋半固定（移動式及半移動式）破碎站半連續(xù)工藝使用最為廣泛。對于中、小型露天煤礦，大部分采用單斗＋卡車間斷開采工藝，大型露天煤礦大多數(shù)采用多種工藝組合的綜合開采工藝。露天礦開采工藝如圖1。

圖1 露天煤礦開采工藝

以中國華能集團伊敏河露天礦為例：針對上部松散土層采剝、排土使用德國蒂森克虜伯公司（ThyssenKrupp）生產的輪斗式挖掘機＋A 型轉載機＋帶式運輸機＋排土機等設備，實現(xiàn)松散土層的全連續(xù)運輸；針對中部巖層，則需使用牙輪鉆機鉆孔爆破，配合單斗＋卡車間斷工藝進行巖石剝離；下部巖石則使用吊斗鏟倒堆工藝進行巖石剝離；對于煤層開采使用單斗＋自移式破碎機半連續(xù)工藝和單斗＋卡車＋半固定破碎站半連續(xù)工藝進行開采。

再以中煤平朔集團平朔東露天煤礦為例：針對上部巖土剝離，采用單斗＋卡車間斷工藝；中部巖石首先采用牙輪鉆機鉆孔爆破，再利用單斗＋自移式破碎機半連續(xù)工藝進行剝離；針對煤層開采，則使用單斗＋卡車＋半固定破碎站半連續(xù)工藝和單斗＋卡車間斷工藝剝離施工。

2 引進國外裝備的應用現(xiàn)狀及存在問題

近年來，國外相關企業(yè)已經展開了大型露天煤礦全連續(xù)開采配套設備的技術研究，主要以德國蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）、FAM 公司、美國卡特彼勒（Caterpillar）、瑞典阿特拉斯（Atlas）等為代表研制的露天采礦裝備為典型代表，具備開采量大、自動化程度高及可靠性好等優(yōu)點。

1）輪斗挖掘機。1993 年，國家能源集團黑岱溝露天煤礦引進我國第1 臺德國克虜伯公司（ThyssenKrupp）C3100ZG 型輪斗挖掘機，1994 年6月輪斗挖掘機開始安裝調試，1996 年10 月和1998年2 月分別進行了夏季和冬季性能考核，并達到了合同規(guī)定的考核指標，之后它成為黑岱溝煤礦剝離作業(yè)的關鍵設備[7-8]。2016 年11 月，中國華能集團伊敏河露天礦引進ThyssenKrupp6600 緊湊型斗輪挖掘機系統(tǒng)。該套技術裝備產自中國，是由蒂森克虜伯的中德團隊攜手提供的1 套全連續(xù)工藝，剝離開采使用的緊湊型斗輪挖掘機系統(tǒng)，它是當前世界上能力最大的緊湊型斗輪挖掘機，同時也是全球作業(yè)在高寒地帶的第1 套斗輪挖掘機。

2）牙輪鉆機。國外研發(fā)牙輪鉆機的公司主要有：比塞洛斯公司（BE，已被卡特彼勒并購）、英格索蘭（IR，已被阿特拉斯.科普柯公司并購）和P＆H 公司（已被久益國際并購），目前國內引進的牙輪鉆機主要代表廠家是阿特拉斯（Atlas），主要產品有DM－25、DM－45E、DM50E、DM－H 和DM－M 等型號，其特點是全部動作由液壓驅動，整機動力則任選柴油發(fā)動機或電力[9]。20 世紀80 年代初，英格索蘭公司（后被阿特拉斯.科普柯公司并購）推出DM－H 型鉆機，軸壓力500 kN，孔徑為311～381 mm。

3）電鏟。目前，引進國外電鏟主要是美國的哈尼施費格爾公司（P＆H 公司）研制的4100 系列電鏟，該系列電鏟開發(fā)于20 世紀80 年代，1991 年正式推廣使用，主要有4100A，4100A LR，4100 TS，4100 XPB 等多個型號，現(xiàn)在銷售的是4100C，4100C BOSS和4100XPC，以PH41000XPC 型電鏟為例，整機工作質量1 600 t，上下坡行走最大傾角20°，橫向行走最大傾角10°，鏟斗容量58.1 m3，挖掘深度1.9 m，最大卸載高度10.44 m，作業(yè)半徑29.5 m，2011 年該型號電鏟在中煤平朔集團安太堡露天礦和安家?guī)X露天礦相繼投入使用[10-11]。近年來，國內也相繼引進比塞洛斯（Bucyrus）495HR 型電鏟，斗容60.4 m3，與載重326 t 的MT5500 自卸卡車相互配合使用，已在國能集團哈爾烏素露天煤礦進行使用。

4）自卸卡車。20 世紀80 年代，國內相繼引進美國卡特彼勒（Caterpillar）非公路和采礦自卸卡車，也是國內露天礦主流引進自卸卡車廠家之一。目前，國內露天礦應用較多的型號有770G、772G、773G、777G、785D、793F、795FAC、797F 及798AC 等。其中卡特彼勒798AC 電驅式無人駕駛礦用卡車正處于開發(fā)階段，搭載的一系列科技能夠顯著提升物料運輸能力、效率、可靠性和安全性。同時期，國內也相繼引進特雷克斯（Terex）和利勃海爾（Lieherr）2 個廠家的自卸卡車，特雷克斯（Terex）自卸卡車主要型號有MT3700、MT4400、MT5500 及MT6300，已在國能集團哈爾烏素露天煤礦進行使用。引進利勃海爾（Lieherr）自卸卡車主要型號是T284 型，其發(fā)動機功率3 000 kW，額定載荷363 t，滿載總質量600 t。

發(fā)達國家，對于露天采礦設備進行了系統(tǒng)全面的研究，研制的露天礦開采裝備生產效率高、功能全面、工人勞動強度大大降低，具有良好的開采效果[12-14]。但是國外露天礦受地理位置、環(huán)境溫度及巖層硬度影響，與我國露天礦地質條件和環(huán)境溫度具有極大的差別，例如緊湊型輪斗挖掘機僅能開采一些表面松散土層，對于中部巖層和堅硬煤層卻束手無策，而且新疆、內蒙地區(qū)冬季寒冷，地表剝離也較為困難。另外，國外露天礦開采裝備售價高昂、配件供應不及時，導致無法大規(guī)模推廣使用，因此，進一步加快研制適合我國露天礦地質條件的開采裝備迫在眉睫。

3 國內露天開采裝備研制及應用現(xiàn)狀

3.1 輪斗挖掘機

輪斗挖掘機是利用分布在輪緣上的勺斗連續(xù)挖掘完成采挖循環(huán)作業(yè)，具備生產能力高、沖擊載荷小、能量消耗低及連續(xù)作業(yè)等特點。目前，國內只有大連重工通用設備有限公司研制，具備自主知識產權的DWY2000 和DWY3000 2 款產品。以DWY3000型輪斗挖掘機為例，理論額定挖掘能力3 000 m3/h，斗輪直徑7 m，鏟斗數(shù)量18 個（0.4 m3），受料臂長度16 m，回轉角度±360°，排料臂長度30.2 m，回轉角度±360°，受料臂與排料臂相對夾角±120°，膠帶寬度1.4 m，膠帶最大轉速4.3 m/s，設備尺寸（長×寬×高）為48.55 m × 10 m × 11.8 m，質量560 t。2013 年DWY3000 型輪斗挖掘機開始在國投哈密一礦進行現(xiàn)場應用，截止目前該套技術裝備剝采關系正常，系統(tǒng)可靠。目前，中煤科工集團沈陽研究院有限公司也針對露天煤礦連續(xù)開采技術裝備展開了相關研究，與新疆疆納礦業(yè)有限公司簽訂了國內首臺（套）國產輪斗連續(xù)工藝采煤示范項目。

3.2 牙輪鉆機

我國從20 世紀60 年代起開始研制牙輪鉆機，到80 年代研制成功并投入市場，還在生產和使用的有KY 和YZ 2 大系列。主要研制單位有洛陽礦山機械工程設計研究院、南昌凱馬有限公司和中鋼衡重公司等。

南昌凱馬KY 系列牙輪鉆機主要有KY－250 型和KY－310 型及其派生產品。洛陽礦山機械工程設計研究院和南昌凱馬合作開發(fā)的KY－250A 型鉆機在寶鋼白云鄂博鐵礦f16～f20 的礦巖上穿孔，日穿孔效率為128～199.5 m/（臺·d），最高為644 m/（臺·d），超過了比塞洛斯公司45－R 在該礦日最高進尺570 m的紀錄。中鋼衡重公司主要生產YZ－35 型和YZ－5型及其派生產品。YZ－35 型鉆機也是獲得國家金質獎的產品，YZ－55 型鉆機是我國生產的最大型號的牙輪鉆機，已應用于首鋼秘魯鐵礦。

3.3 電 鏟

目前，國內電鏟研制企業(yè)主要有太原重工機械廠和撫順挖掘機廠，但是在改革開放和市場經濟影響下，國內電鏟市場已被太原重工機械廠全部占領，其產品從WK10 到WK75 共6 大產品系列，已被國內30 余家露天煤礦使用。WK10 型電鏟斗容10 m3，額定負載21.6 t，最大挖掘高度13.5 m，最大卸載高度8.6 m，卡車配車范圍55～108 t。WK75 型電鏟斗容46～100 m3，額定負載135 t，最大挖掘高度19.2 m，最大卸載高度10.6 m，WK75 礦用挖掘機與292～363 t 礦用卡車配套使用，也適用于9 000 t/h 及以上自移式破碎站，用于2 000 萬t/a 以上規(guī)模大型露天煤礦、鐵礦及有色金屬礦山的剝離和采裝作業(yè)。

3.4 自卸卡車

21 世紀初，國內采礦相關企業(yè)開展了相關露天礦自卸卡車的研制，代表廠家有：徐工集團、三一重工、同力重工及鄭州宇通等。以徐工集團自卸卡車為例，主要型號有：XDR100、XDE130、XDE240、XDE320、XDE320、XDE440 及XDR80TE。其中XDE440 于2022年3 月15 日成功下線，擁有60 余項發(fā)明專利，是全球最大后驅剛性礦車，整車總質量660 t，額定載重400 t，整備質量260 t，額定功率2 800 kW，最大扭矩12 920 N·m，最高車速64 km/h。徐工XDR80TE屬于充電型自卸卡車，共有充電型、側換電型及上換電型3 款類型。三一重工研制的SKT90E 純電動寬體自卸車，適用于露天礦山開采及石料、水利及建筑等行業(yè)物料運輸，具備零排放、高安全性、高經濟性、高能量回收、高動力性能、高出勤率、低運營費、低維護費等優(yōu)點，適宜載下坡或平坡工況使用。

3.5 轉載機及排土機

近年來隨著露天礦開采數(shù)量和規(guī)模的不斷擴大，用于連續(xù)或半連續(xù)的散料運輸裝備制造企業(yè)主要有：華電重工股份有限公司、大連重工通用設備有限公司和北方重工集團有限公司。露天礦半連續(xù)開采系統(tǒng)是華電重工股份有限公司部分業(yè)務板塊，主要用于露天礦（包括煤礦、冶金）剝采，產品包括A型轉載機、B 型轉載機、排土機、移置式帶式輸送機及卸料車等相關產品。大連重工通用設備有限公司也是針對露天礦散料運輸研制了相關裝備，主要有斗輪挖掘機、履帶式排土機及堆料機等。北方重工集團有限公司也研制了相關散料機械，主要有：斗輪挖掘機、排土機、轉載機、自移式破碎站及履帶式運輸車。

3.6 移動式破碎站

移動式破碎站主要用于大塊物料的粗碎設備，可根據使用需求調整出料力度，因其技術含量低和設備成本低等原因，國內相關制造企業(yè)相對較多，如：三一重工股份有限公司、北方重工集團有限公司和洛陽大華重工科技股份有限公司。以洛陽大華重工科技股份有限公司生產的CMC 系列移動式破碎站為例，給料倉喂料能力最大可達350 t/h，額定功率268 kW，額定轉速1 800 r/min，整機質量66 t，設備尺寸（長×寬×高）＝14.9 m × 3.1 m × 3.7 m。

3.7 移置式帶式輸送機

移置式帶式輸送機主要應用于露天采礦場和排土工作面，根據作業(yè)需要可移設的帶式輸送設備，一般根據采場工作面的推移作側向移置、延伸及縮短其長度。移置式帶式輸送機的移設分平行移設、扇形移設和聯(lián)合移設，一般在中間機架分帶鋼軌和不帶鋼軌2 種。國內研制移置式帶式輸送機的廠家較多，有代表性的主要有：北方重工集團有限公司、寧夏天地西北煤機有限公司和華電重工股份有限公司。以寧夏天地西北煤機有限公司研制的DTL180/900/3×1400型移置式帶式輸送機為例，其運量9 000 t/h、運距1 785 m，帶寬1 800 mm，帶速5.6 m/s、電機功率3×1 400 kW。

4 我國露天煤礦開采工藝及裝備發(fā)展趨勢

1）開發(fā)露天煤礦從采剝、排土、煤層截割、轉載、運輸?shù)教嵘娜B續(xù)生產工藝。針對露天煤礦現(xiàn)役間斷工藝、半連續(xù)工藝及輪斗開采工藝存在非連續(xù)生產、生產效率低及運輸成本高等難題，急需開發(fā)露天煤礦從采剝、排土、煤層截割、轉載、運輸?shù)教嵘娜B續(xù)生產工藝[15]，提高煤炭開采效率、降低開采能耗和提高施工人員的安全性，主要包括松散土層、中部巖層和下部巖層全連續(xù)剝離和轉載排土，以及中、厚煤層從煤層截割、轉載、運輸及提升的全連續(xù)分層開采工藝技術。

2）搭建露天煤礦網絡信息化平臺?；?G＋露天礦山可靠無線網絡，搭建露天煤礦網絡信息化平臺，解決數(shù)據超級上行、基站高頻移設難題，提升變配供電設備運行狀態(tài)智能感知、安全監(jiān)測，實現(xiàn)供電系統(tǒng)的無人值守＋集中監(jiān)控，在剝、排、采、轉、運、提工藝全面實現(xiàn)智能化。工作場所實現(xiàn)5G 全覆蓋，設備實現(xiàn)遠程操控。

3）基于信息化網絡平臺，研制高端智能化技術裝備。露天煤礦高端智能化裝備及核心部件主要依賴進口，嚴重制約露天煤礦智能化進展?；谛畔⒒W絡平臺，研制高端智能化技術裝備，主要包括采剝、排土全連續(xù)智能化裝備，具備硬巖和凍土層切割能力，實現(xiàn)松散土層、中部巖層和下部巖層自主導航、自主定位和自主截割。研制智能化露天采煤機、轉載機、移置式帶式輸送機及大傾角提升等裝備，實現(xiàn)煤層的全連續(xù)切割、轉載、運輸?shù)教嵘?。隨著物聯(lián)網、互聯(lián)網、大數(shù)據、人工智能及云計算的信息快速發(fā)展，為智能化開采提供自動感知、識別、分析、決策和控制，將現(xiàn)代化信息技術與開采工藝涉及的剝排采轉運提等裝備進行整合，實現(xiàn)少人化無人化開采模式，提高生產效率。

5 結語

總的來說，國內露天開采工藝技術與裝備還處于發(fā)展階段，智能化全連續(xù)開采工藝技術與裝備是未來露天煤礦發(fā)展的主要方向，因此對于該技術與裝備需分階段攻關研究。①針對中、厚煤層，開發(fā)全連續(xù)分層開采工藝技術，實現(xiàn)露天煤礦從采剝、排土、煤層截割、轉載、運輸?shù)教嵘娜B續(xù)施工作業(yè)；②針對內蒙古、寧夏及新疆等極寒地區(qū)大型露天煤礦，并結合全連續(xù)開采工藝技術，開發(fā)硬巖采剝裝備、轉載運輸裝備及坑底提升裝備，滿足露天煤礦從剝離、采煤到提升運輸?shù)娜B續(xù)施工；③露天開采與井工開采最大的區(qū)別是開采裝備無需安全標志，因此露天開采裝備可借鑒地面已有工業(yè)用元器件，并結合5G 網絡信息化平臺，將剝排采轉運提等裝備進行聯(lián)網，一個平臺控制的智能開采模式。