金 磊，李浩然，劉 欣

(1.國能寶日希勒能源有限公司，內蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，021000；2.應急管理部信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029)

0 前言

德國是世界第四大經濟強國，歐盟最大經濟體，世界第七大能源市場，也是世界第八大煤炭消費國。德國煤炭資源豐富，露天煤礦開采技術和裝備先進。根據(jù)英國石油公司《世界能源統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2020年底德國次煙煤和褐煤的已探明儲量為359億t，占世界煤炭總可采儲量的3.3%。德國褐煤賦存厚、埋藏淺，適合露天開采。2018年，德國關閉了最后2座硬煤生產礦井后，境內所有褐煤均采用露天開采，褐煤主要用于發(fā)電。德國露天煤礦開采主要采用連續(xù)工藝，輪斗設備及連續(xù)工藝的誕生、發(fā)展均源于德國，縱觀整個世界應用輪斗設備的國家及地區(qū)，德國的應用數(shù)量最多、技術最為先進。因此研究德國露天煤礦的發(fā)展對指導我國露天煤礦的生產，特別是指導我國露天煤礦連續(xù)工藝的使用具有重要意義。

1 德國露天煤炭資源條件

1.1 儲量及分布狀況

德國煤炭主要分為褐煤和硬煤，主要分布在7個煤田，其中硬煤主要分布在西部，分別為魯爾煤田、薩爾煤田、亞琛煤田和伊本比倫煤田，褐煤煤田有西部的萊茵煤田和東部的勞齊茨煤田、中部煤田。德國硬煤以煙煤為主，煤質好、低灰、低硫，適合作為動力煤和煉焦煤，但開采條件比較困難，煤層薄、開采深度大，占比很少(占總量的7.8%，約為28億t)。與硬煤不同，德國褐煤開采條件十分有利，煤層厚、埋藏淺，適合露天開采(占總量的92.2%，約為331億t)。德國褐煤露天煤礦主要產區(qū)如圖1所示[1-7]。

圖1 德國褐煤主要產區(qū)

1.2 資源賦存條件和特點

德國的煤炭資源生成于古生代、中生代和新生代。古生代煤層主要為煙煤及部分無煙煤；中生代煤層主要為次煙煤到無煙煤；新生代主要為次煙煤和褐煤。

德國新生代的褐煤煤礦開采條件十分有利。如萊茵煤田褐煤層厚度達15～100 m，平均厚50 m，主要可采煤層最厚達100 m。有5個煤層埋藏深度為200～300 m，適于露天開采。

德國褐煤的上覆巖層主要為砂礫和黏土，但各地區(qū)之間的覆蓋物厚度存在差異：萊茵煤田露天煤礦煤層賦存深度為100～456 m，中部煤田露天煤礦煤層賦存深度為80～120 m。

德國褐煤的特點是含水量相對較高(48%～60%)。只有大約35%～50%是可燃材料(純煤)。高含水量導致其平均發(fā)熱量僅為9.00 MJ/kg。在德國中部地區(qū)開采的老年褐煤發(fā)熱量最高，約為10.80 MJ/kg[8-16]。

綜上所述，德國現(xiàn)階段的煤炭開采以褐煤為主，其煤層及覆蓋物質地較為松軟，硬度小或以砂礫為主。除此之外，德國露天煤礦的煤層厚、埋藏淺，煤層發(fā)育較為平緩、傾角較小，適用于露天煤礦開采，適宜采用連續(xù)工藝進行開采。

1.3 露天煤礦區(qū)地形地貌與氣候特征

德國的地形多樣，從北到南劃為五大地形區(qū)：北德低地、中等山脈隆起地帶、西南部中等山脈梯形地帶、南德阿爾卑斯山前沿地帶以及巴伐利亞阿爾卑斯山區(qū)，如圖2所示。

德國北部低地的特征是丘陵起伏的沿海岸高燥地和粘土臺地，與草原、泥沼以及中等山脈隆起地帶前方向南伸展的黃土地之間有星羅棋布的湖泊。中等山脈隆起地帶則將德國分成南北兩片。西南部中等山脈梯形地帶包括上萊茵低地及其邊緣山脈，南部阿爾卑斯山前沿地帶包括施瓦本巴伐利亞高原以及在南部的丘陵和湖泊、碎石平原、下巴伐利亞丘陵地區(qū)和多瑙洼地。巴伐利亞阿爾卑斯山區(qū)包括阿爾高伊的阿爾卑斯山、巴伐利亞的阿爾卑斯山和貝希特斯加登的阿爾卑斯山。

德國露天煤礦主要分布在其西南部萊茵低地及其邊緣山脈(萊茵礦區(qū))、原始北部低地與中等山脈隆起地帶(盧薩斯亞礦區(qū))及中部山脈(中部礦區(qū))。所以在萊茵礦區(qū)、中部礦區(qū)的露天煤礦原始地表以森林和山地為主，比如漢姆巴赫露天煤礦，其采場位置就位于漢姆巴赫森林；盧薩斯亞礦區(qū)的露天煤礦原始地表以平原為主，如延希瓦爾德露天煤礦，其采場位于村落田地。

德國處于大西洋和東部大陸性氣候之間的涼爽的西風帶，溫差小，一年四季均有降雨分布。冬季平均溫度在1.5 ℃(低地)～6.0 ℃(山區(qū))之間，7月份低地平均溫度為18 ℃，南方有屏障的山谷為20 ℃左右。

2 德國露天煤礦生產情況

在過去的幾十年中，褐煤一直是德國經濟的重要支柱。德國褐煤全部采用露天開采，生產成本低，不需要政府補貼，在市場上具有競爭力。德國是世界上最大的褐煤生產國，根據(jù)國際能源署(IEA)的統(tǒng)計，德國2017年的褐煤產量約占全球褐煤總產量的18.7%。

2.1 德國露天煤礦的發(fā)展

德國煤炭開采業(yè)經歷了700多年，主要分為6個主要階段的發(fā)展。

(1)1298-1860年，早期發(fā)現(xiàn)起步階段。農民耕地、采石或挖房屋地基時發(fā)現(xiàn)煤層，15世紀中期前以原始的露天方式開采煤炭，15世紀至16世紀末開始利用距離地面幾米的平硐或斜井進行開采，1800年魯爾河兩側的煤礦150處，總產量17萬t，1860年煤礦數(shù)量增加為281處，總產量0.36億t。

(2)1861-1945年，逐漸發(fā)展階段。1861年到第二次世界大戰(zhàn)(1939年)前，由于動力機械與設備制造工藝的迅速發(fā)展，德國煤炭開采業(yè)規(guī)模不斷擴大，1936年煤炭產量達到3.2億t，露天產量1.6億t，占比50%；第二次世界大戰(zhàn)期間，煤礦遭到嚴重破壞，1945年煤炭產量下降到0.35億t。

(3)1945-1985年，煤炭開采進入大發(fā)展時期。1948年德國政府制定了《德國煤炭和鋼鐵工業(yè)重組辦法》，確定了五年建設計劃；1968年政府頒布了《德國煤礦調整法案》，生產集中化程度進一步提高、采煤機械化程度達到100%，到1985年煤炭產量達到最高峰，為5.2億t，露天煤礦產量4.3億t，占比為83%。

(4)1986-2000年，煤炭開采業(yè)逐漸萎縮時期。政府出臺了系列結構轉型計劃，重新定位區(qū)域經濟發(fā)展方向。隨著井工煤礦開采深度加大、成本升高，煤炭在能源系統(tǒng)中的地位逐漸減弱，煤炭產量由5.1億t降低至2.0億t，露天煤礦產量由4.3億t降低至1.6億t，占比為83%，保持不變。

(5)2001-2018年，井工煤礦退出階段。根據(jù)歐盟競爭法規(guī)有關要求，20世紀60年代開始的硬煤開采補貼于2018年結束，2018年德國魯爾公司的最后2處硬煤礦井關閉，煤炭產量由1.8億t減少到1.7億t，露天煤礦產量占比增加至98%；2019年以后露天煤礦產量占比為100%。

(6)2019-2038年，煤礦退出階段。德國煤炭委員會于2019年1月26日提交了最終報告及相應建議，提出到2038年(可能最早在2035年)逐步淘汰以煤炭為基礎的發(fā)電項目；2019年，聯(lián)邦政府通過決議并開始起草《減少和終止燃煤發(fā)電法案》草案。按照煤炭委員會提出的方案，德國將逐步關閉褐煤煤礦，淘汰燃煤電廠，煤炭工業(yè)將逐步進入最后階段。1936-2020年德國煤炭總產量、露天煤礦產量和比重變化如圖3所示。

圖3 德國煤炭產量情況

2.2 德國露天煤礦生產結構

1885年，德國褐煤開采的經濟合理剝采比為1 m3/t，1980年剝采比4 m3/t，2015年剝采比5 m3/t，2020年，德國褐煤露天開采行業(yè)移除的覆蓋層為7.39×108m3，平均剝采比為5.6 m3/t。西部的萊茵煤田覆蓋層厚度10～450 m，煤層厚度30～50 m，傾角一般30°～70°，剝采比為5.4 m3/t，最大開采深度300 m。東部煤田煤層覆蓋層厚度一般為100 m，煤層厚度8～30 m，有的達50 m，最大開采深度為120 m。勞齊茨礦區(qū)剝采比為5.0 m3/t，而中部礦區(qū)剝采比只有2.2 m3/t。1950-2015年褐煤剝采比變化如圖4所示。

德國褐煤露天開采主要集中在3個礦區(qū)，即位于科隆以西的萊茵礦區(qū)、德累斯頓和科特布斯之間的勞齊茨礦區(qū)、萊比錫以南的中部礦區(qū)。此外，在黑爾姆斯泰特附近也有小規(guī)模褐煤露天煤礦，但在2016年以后已停產。

位于西部的萊茵礦區(qū)是最大的褐煤開采區(qū)，萊茵集團(RWE)共經營了3個露天煤礦，分別是漢姆巴赫煤礦、加茲韋勒露天煤礦和印登煤礦，產量約9 000萬t/a，約90%產量直接供應給9個RWE的電廠。東部勞齊茨礦區(qū)的勞齊茨能源礦業(yè)公司(LEAG)共經營4個露天煤礦，分別為延希瓦爾德煤礦、韋爾佐南煤礦、諾德霍恩煤礦和萊希瓦爾德煤礦，總產量約6 200萬t/a，生產的褐煤主要供應延希瓦爾德、施瓦茲爾·普姆班和博克斯貝格3個電廠。

德國中部礦區(qū)的德國中部褐煤公司(MIBRAG)經營了2個露天煤礦，分別為普羅芬煤礦和費來尼希泰·舒連海恩煤礦，產量合計約為1 800萬t/a，生產的褐煤主要供應什科帕烏和利朋多夫2個電廠。

德國現(xiàn)有的褐煤由3家公司的9座露天煤礦提供。德國現(xiàn)存所有露天煤礦規(guī)模平均超過400萬t/a，其中，德國大型露天煤礦以較少的煤礦數(shù)量生產了超過1.7億t的褐煤，平均每座大型露天煤礦的產量達到了1 800萬t/a；其中產能2 000萬t/a及以上的露天煤礦產量和數(shù)量占比分別為61.50%和33.33%，不到1/3的露天煤礦生產了一半以上的煤炭產量。特別是位于萊茵煤田的漢姆巴赫露天煤礦煤炭產量達到4 000萬t/a，占比達到23.59%，產能就接近了整個勞齊茨能源礦業(yè)公司的產能。

2.3 德國露天煤礦生產指標及效率

截至2020年底，德國有9個露天開采煤礦，均為私營企業(yè)。萊茵煤田露天煤礦、勞齊茨礦區(qū)露天煤礦主要生產指標分別見表1和表2。

表1 萊茵煤田露天煤礦主要生產指標

表2 勞齊茨礦區(qū)露天煤礦主要生產指標

表3 德國及德國不同礦區(qū)人員效率情況

從1990年起，褐煤企業(yè)職工逐步減少，但其褐煤生產企業(yè)的工人效率卻保持較高水平，萊茵礦區(qū)員工的平均效率達到了15 833.33 t/(工·a)，加茲韋勒二世露天煤礦工人的效率甚至達到了25 000.00 t/(工·a)，其次是中部礦區(qū)的兩座露天煤礦，平均效率為6 875.00 t/(工·a)，最后是東部勞齊茨礦區(qū)工人效率為5 375.00 t/(工·a)，德國褐煤生產企業(yè)的平均工人效率為9 420.73 t/(工·a)。

從1990年至今，東部地區(qū)的就業(yè)職工人數(shù)降幅達到93%。從數(shù)字上看，雖然褐煤企業(yè)職工人數(shù)的降幅比硬煤職工降幅顯著，但是由于德國政府對硬煤褐煤采區(qū)的政策不完全一致和同步，褐煤企業(yè)職工減少的步伐比硬煤企業(yè)緩慢。

3 露天煤礦開采技術特點

德國露天煤礦全部使用采用連續(xù)工藝，但連續(xù)工藝的組合和工作方式也由于煤層賦存形態(tài)的不同有所不同。萊茵礦區(qū)是以輪斗挖掘機-帶式輸送機-集中分流站-排土機為主要形式的連續(xù)工藝，中部礦區(qū)是以輪斗挖掘機/鏈斗挖掘機-運輸排土橋為主要形式的連續(xù)工藝系統(tǒng)，東部礦區(qū)是以輪斗挖掘機-排土機為主要形式的連續(xù)工藝。

3.1 輪斗挖掘機-帶式輸送機-集中分流站-排土機連續(xù)工藝

斗輪是輪斗挖掘機切割物料的機構，也是連續(xù)工藝中最重要的采掘設備，在斗輪輪周上裝有鏟斗，挖掘機工作時，鏟斗隨斗輪體同時旋轉，在旋轉中切割物料。工作面上煤巖(物料)被斗輪切割后，經斗輪臂上膠帶、機體內部、轉入裝載臂，裝載到工作面膠帶上，經分流站分流，進入帶式輸送機，最后將物料運輸?shù)脚磐翙C或選煤廠，輪斗挖掘機作業(yè)效果如圖5所示。

分流設備：物料由于用途和流向的不同，帶式輸送機從工作面運來的物料，必須根據(jù)不同流向進行分流。分流設備有以下幾種形式：回轉式分流轉載機，利用可回轉懸臂進行多點分流的設備；伸縮機頭式分流站，用于固定分流站，物料分流通過卸載機頭伸縮實現(xiàn)。

排土設備：主要是懸臂排土機和排土橋，物料由工作面帶式輸送機經過膠帶卸料車、排土機受料臂，通過排料臂回轉排土。懸臂排土機可以用在外排土場和內排土場。排土機橫跨于采掘與排土臺階之間。當煤層呈近水平或緩斜埋藏時，懸臂排土機與輪斗挖掘機配合，形成橫向內排土。排土機作業(yè)效果如圖6所示。

圖6 漢姆巴赫露天煤礦排土機作業(yè)效果

3.2 輪斗挖掘機/鏈斗挖掘機-運輸排土橋

排土橋工藝在使用條件適宜時是最有效的剝離工藝，德國主要發(fā)展和應用了3種基本類型的排士橋，所有排土橋的共同特點是它支承在剝離工作平盤和超前排土場上。

德國目前已有采高34、45、60 m剝離排土橋成套設備系列，可應用于不同的采礦技術條件。F34型剝離排土橋應用于剝離厚度較小的情況，目前有9臺正在生產中應用，分布在5個露天煤礦中，當這些露天煤礦采完后轉移到其他露天煤礦。

為了使排土橋能適應各種不同的地質條件，優(yōu)化了排土橋的原始結構，采高提高到了42 m，從而擴大了排土橋的應用范圍。在剝離排土橋F45型上采取了提高生產能力的各種措施，使它的采高從45 m提高到53 m，并且生產能力提高到60 Mm3/a以上。

1972年F60型排土橋首次投產運行，其生產能力超過1.18億m3/a，成為迄今為止世界上最大生產能力的采掘設備。F60設備組主要包含給料橋、鏈斗挖掘機和鏈斗挖掘機以及傳送帶橋，其以幾乎700 m的全長橫跨在露天煤礦上空，生產能力為35 000 m3/h，運行方式通過計算機控制，調整帶速為9 m/s的物料流、以保證物料分配在各個排土臺階上。F60設備組如圖7所示。

圖7 F60排土橋設備組作業(yè)效果

3.3 輪斗挖掘機-排土機

用輪斗挖掘機-排土機工藝同樣能夠經濟地排棄剝離物，此時排土機的懸臂橫跨露天煤礦礦坑。用這種工藝的優(yōu)點是輪斗挖掘機能夠適應特殊的條件進行分層選采，并能適應煤田條件的變化。與排土橋相反，它能自己開挖開拓溝塹，并能在采完一個煤田后較簡單地進行轉移。目前德國應用了一套直接搗堆式機器，其由一臺SRs800型輪斗挖掘機和一臺ARs400型排土機組成，排土機的懸臂長度為140 m，這套設備的采高為20 m，生產能力約800萬m3/a。它能夠經濟地開采比較小的覆蓋層較薄的露天煤田，如圖8所示。

圖8 普羅芬露天煤礦的輪斗挖掘機

4 典型開采工藝與裝備應用特點

1916年，德國貝格威茨褐煤露天煤礦首次應用了輪斗挖掘機，該設備由德國科隆洪堡機械廠生產。輪斗設備及工藝的誕生、發(fā)展均源于德國，縱觀整個世界應用輪斗設備的國家及地區(qū)，輪斗設備在德國的應用數(shù)量最多，故輪斗工藝通常被稱為德國工藝。在德國褐煤露天煤礦開采過程當中，輪斗挖掘機-帶式輸送機-排土機的連續(xù)工藝被廣泛應用。

T塔克拉夫是一家位于萊比錫的全球性德國工業(yè)公司，是露天采礦、散裝材料處理和礦物加工設備和系統(tǒng)的制造商和供應商，以其巨大的輪斗挖掘機、半移動式破碎站、輸送機和堆浸系統(tǒng)而聞名。

以漢姆巴赫露天煤礦為例，由于漢姆巴赫露天煤礦產量規(guī)模巨大，且剝采比高，故應采用最大能力的設備使開采費用趨于最小。據(jù)此該礦使用了24萬m3/d等級的設備。達產時，該礦使用8臺輪斗鏟、8臺排土機和大約120 km帶式輸送機。輸送機帶寬2.8 m，帶速為7.5 m/s。德國RWE電力公司應用的部分輪斗挖掘機數(shù)據(jù)見表4。

表4 德國RWE電力公司應用的部分輪斗挖掘機數(shù)據(jù)

漢姆巴赫露天煤礦的輪斗挖掘機為蒂森克虜伯公司生產的Bagger 293型號，擁有斗容為8.6 m3的挖掘斗20個，整機質量為14 210 t，在剝離密質硬巖或凍土時實際生產能力也能達到24萬m3/d，尤其挖掘松方的能力達到了30萬m3/d。為使連續(xù)工藝系統(tǒng)能力可以相配套，除一臺巨型輪斗挖掘機、一條高速帶式輸送機外，漢姆巴赫露天煤礦還有克虜伯制造的RB292剝離系統(tǒng)的排土機，其中型號為Absetzer760的排土機能力為30萬m3/d，為全球最大。其工作運行效果如圖9所示。

圖9 Absetzer760 輪斗挖掘機

5 經驗與啟示

德國經濟的高速發(fā)展持續(xù)運行離不開其對能源的高效利用。特別是19世紀至今，德國對煤炭資源的開發(fā)和使用一直是世界各國采煤工業(yè)的典范。其中采用連續(xù)工藝進行露天煤炭開采對世界具有深遠的影響意義?？v觀德國的煤炭開采歷史，有許多決策可以為我國煤炭開采進行指導。主要包括以下2個方面。

(1)我國煤礦應優(yōu)先采用露天開采。露天開采作為一種安全可靠、生產成本低、生產效率高的開采方式，在德國乃至世界范圍內廣泛被使用，為世界煤炭工業(yè)的發(fā)展、能源的供應做出了巨大貢獻。對于符合露天開采的煤層優(yōu)先采用露天開采，也是世界范圍的廣泛共識，但近些年，由于露天煤礦相關環(huán)保問題的出現(xiàn)，對我國露天開采事業(yè)的發(fā)展造成了一定的阻礙。研究發(fā)現(xiàn)，德國的露天煤礦大多開在森林(萊茵礦區(qū))、山地(中部礦區(qū))、平原(東部礦區(qū))，其生態(tài)環(huán)境不僅沒有遭受到巨大破壞，反而因露天煤礦的開采對其周邊的生態(tài)環(huán)境進行了有效的恢復。

(2)探索適用于我國露天煤礦情況的開采工藝。德國自20世紀初以來不斷對連續(xù)工藝的開發(fā)和使用，積累了寶貴的經驗。也正是因為連續(xù)工藝的出現(xiàn)，使其煤炭的采出率得到了較大的提升。其連續(xù)工藝的多樣化，也為其適應性、經濟性提供了有力的保障，我國在接下來的煤炭開發(fā)利用中，要對適合使用連續(xù)開采工藝的露天煤礦進行嘗試，提高煤炭開發(fā)水平。

(3)提高礦山設備的國產化率。德國露天煤礦裝備制造水平為德國露天煤礦生產提供堅實保障，礦山設備國產化率的提高有利于降低對進口設備的依賴，使國家在礦業(yè)領域更加獨立和安全；降低礦產開發(fā)成本、國產礦山設備的研發(fā)和制造可以推動技術創(chuàng)新，以滿足國內市場的需求，這有助于提高設備的性能、效率和可持續(xù)性，進而實現(xiàn)我國露天煤礦的高質量發(fā)展。如果國內礦山設備制造商能夠生產高質量、創(chuàng)新性和具有競爭力的設備，那么他們還可以在國際市場上獲得競爭優(yōu)勢。