【露天開采】金屬礦山露天采礦,爆破,運輸,開采技術集合!
建國以來，我國金屬礦山露天采礦技術取得很大的進展，隨著發展，我國在露天礦陡幫開采、高臺階開采、穿爆技術方面發展迅速并具有一定的技術優勢，基本是跟隨國際研究趨勢，甚至部分技術達到了國際領先。在露天礦山運輸系統、設備大型化、自動化方面已經接近國際先進水平，在數字礦山、開采監控手段現代化以及礦山現代管理等方面較大。
1.中國金屬礦山露天采礦技術進展及發展趨勢
遷困難、費用高的缺點，大型移動破碎機組的研發取得了快速發展。國外大型露天礦諸如澳大利亞的紐曼山鐵礦、加拿大的蘭德瓦利銅礦、美國的西雅里塔銅鉬礦等的間斷—連續開采工藝也多采用可移式破碎站。我國鞍鋼齊大山鐵礦于1997年在國內首次建成了采場內礦、巖可移式破碎膠帶運輸系統，該系統自投產后一直運轉正常，標志著我國深凹露天礦間斷—連續開采工藝達到了世界先進水平。
【1.4 大型深凹露天礦陡坡鐵路運輸系統】露天礦山進入深凹開采階段后，采用30‰以下緩坡度鐵路運輸和緩工作幫開采方式，效率較低。隨著開采深度增加，運輸線路增長，運輸成本急劇上升，已成為制約礦山可持續發展的“瓶頸”。為此，我國在“十五”科技攻關期間，成功開發出大型深凹露天礦陡坡鐵路運輸系統，在我國首次實現了深凹露天礦陡坡鐵路運輸開采，有效解決了陡坡鐵路爬行、機車牽引力不足、網路安全供電的技術難題，成功打破了大型深凹露天礦陡坡鐵路運輸的“瓶頸”。該成果應用到攀鋼集團朱家包包鐵礦，延深鐵路運輸深度45m，多采鐵礦石3000萬噸，減少剝采比0.42噸/噸，鐵運比提高20.72%，延長礦山服務年限15年，開采成本降低25.33%，直接經濟效益7.23億元。成果推廣到本溪鋼鐵集團公司歪頭山露天鐵礦，延深鐵路運輸深度72m，節省投資1.5億元，采礦成本降低30.43%，直接經濟效益5.6億元。
【1.5 大型深凹露天礦安全高效開采技術】大型深凹露天礦安全高效開采技術是“十五”科技攻關成果。該成果針對深凹露天礦邊坡的穩定性以及生產調度信息化管理方面開展了研究，在國內外首次采用基于現代三維數值模擬與三維極限平衡分析相結合的方法對露天邊坡穩定性進行分析優化，為深凹露天礦邊坡設計提供了科學的方法;開發出基于GPS定位的實時自動化生產調度系統和管理平臺，實現了對生產過程中的人員和設備的定位、跟蹤及調度，實現了整個生產系統的全過程控制，并使其始終處于優化和高效運行之中，生產效率大幅度提高。
【1.6 采場無(微)公害爆破技術】采場無(微)公害爆破技術針對礦山爆破的三大主要公害(爆破塵毒、爆破振動和爆破飛石)，自主設計并建立了爆破塵毒收集及測試分析系統，首次研制出新型高效毒氣吸收劑，并確定了合理的微塵毒裝藥結構，實現了礦山爆破無(低)公害化。同時發明出一種水力增壓裝藥結構及合理編排起爆時序和時差、采取緩振軟塞墊層的綜合減振爆破工藝技術，大大降低了粉塵和爆破振動，并明顯改善了爆破效果;首次研制了飛石柔性防護網系統，爆破飛石拋擲距離降低50%，飛石塊度可控制在100mm以內，形成了礦山爆破公害控制成套技術。技術整體上處于國際先進水平。
【1.7 露天轉地下開采平穩過渡關鍵技術】“露天轉地下開采平穩過渡關鍵技術”是國家“十一五”科技攻關課題，該課題針對露天礦何時向地下礦過渡、礦山開拓系統和露天地下產能怎么平穩銜接、在高陡邊坡下如何實現地下高效采礦、露天轉地下采場如何防突水、如何建立采礦擾動引起的露天邊坡滑坡和地下圍巖崩塌的預警機制等露天轉地下開采過程中采礦與安全的關鍵技術難點展開了研究，并取得了如下的成果:創建了露天轉地下開采界線動態關系函數，發明了露天轉地下開采平穩過渡合理時機的確定方法;為保證露天轉地下崩落法采礦安全，發明了露天轉地下崩落法覆蓋層厚度計算公式，首次提出了礦巖復合覆蓋層形成工藝技術，攻克了露天轉地下崩落采礦法安全技術難題;基于提高露天轉地下井下二步驟回采效能，發明了雙底部結構及其工藝技術，實現了安全高效采礦;針對露天采場匯水瞬間量大且集中的特點，創造性地提出了建造應急中段防范突水災害的新思路，發明了應急水倉建設方法，提高了露天轉地下開采的防突水災害能力;在國內首次建立了國內30通道微震監測網系統，構建了露天轉地下開采過程安全監控和災害預警體系，開發出圍巖損傷劣化評價和巖體質量軟件分析、微震監測數據和三維應力場數據交融、礦山應力場背景的預警預報可視數字化場景、監測數據互聯網遠程傳輸與專家會診和礦井人員定位及應急救援的全新功能，可靠預防了礦山災害。
【1.8 特大型露天安全高效開采技術】該課題是國家“十二五”科技攻關課題，針對我國以及我國在海外擁有的特大型露天鐵礦山礦床賦存特點，從高效、經濟、安全的角度，開發出急傾斜露天礦床剝離洪峰控制動態優化技術、基于經濟動態評估和采剝總量均衡的生產規模優化技術、特大露天礦開采多因素干擾下的礦石損失貧化控制自適應技術、特大型露天礦新水平多區段開拓技術，突破了特大型露天礦山高效、低成本開采關鍵技術難點，建立了特大型露天礦山開采技術經濟體系，技術整體處于國際領先水平。
2.露天采礦技術與國外先進水平比較
我國金屬礦山露天采礦技術己取得顯著成就，在露天礦陡幫開采、高臺階開采、穿爆技術方面發展迅速并具有一定的技術優勢，基本是跟隨國際研究趨勢，甚至部分技術達到了國際領先。但在露天礦山運輸系統、設備大型化、自動化方面已經接近國際先進水平，在數字礦山、開采監控手段現代化以及礦山現代管理等方面差距較大。
【開采工藝連續化，運輸方式多樣化、高效化】陡幫開采方面，我國陡幫開采的工作幫坡角在40°左右，而露天采礦技術較先進的美國、加拿大、俄羅斯工作邊坡角已達45°左右。和國外一樣，我國大部分礦山的間斷—連續開采工藝實現了采場內可移動式礦巖破碎—膠帶運輸;陡坡鐵路可使鐵路運輸延深至露天礦更深的階段，運輸能力提高25%，運輸成本降低20%，我國已實現了陡坡鐵路限坡45‰～50‰。高臺階采礦方面，我國在南芬鐵礦實現了18m的高臺階生產，降低了單位開采成本;在露天開采工藝方面，我國大部分都達到了國際先進水平。
【開采設備大型化】鉆機方面，我國金屬露天礦山的穿孔設備包括牙輪鉆和潛孔鉆，大型礦山主要采用牙輪鉆，鉆孔直徑以250mm、310mm為主，中小型露天礦山主要采用潛孔鉆，鉆孔直徑多數為200mm;國外穿孔設備基本采用牙輪鉆，鉆孔直徑大多為311～381mm、445mm、559mm。鏟裝方面，國外以電動鏟設備占絕對優勢(約占48%)，但液壓電鏟的應用在不斷擴大(約占26%)，斗容以21m3、38m3、43m3為主;國內主要以電鏟為主，目前太原重工已研制出WK－75型礦用電鏟，斗容達到75m3，為世界最大級別的挖掘機。汽車運輸方面，目前國外大型礦山使用的電動輪汽車，其載質量大多為240噸、320噸、150噸，最大可達到363噸，我國大型露天礦用汽車載質量大多數為120噸、170噸。2015年11月，航天重工自主研制了H噸3363兩軸電動輪礦用自卸車，載質量達到363噸，標志著國產露天礦用汽車裝備邁入世界先進水平行列。
【爆破技術】國外露天礦廣泛采用大區多排微差爆破技術，以增加每次爆破的礦巖量，減少爆破次數，提高設備利用率，改善爆破質量，這已是一般通用的形式。新型炸藥以及爆破器材不斷問世對提高爆破精度、改善爆破質量、加強爆破安全等都有重大的影響。
【生產管理自動化】國外金屬露天礦在生產管理自動化、計算機在線控制和設計應用等方面，開發出多款軟件平臺，如Gemcom公司的surpac、mineshed、whi噸噸le，Micromine公司的micromine、fieldmarshal、gbis等已取得顯著成就。這些軟件平臺可以進行露天礦境界優化、設計，生產進度計劃編制，露天礦開發戰略性規劃，生產模擬分析，評價開拓運輸系統與選擇裝運設備，編制汽車調度系統，實現采裝運設備維修計劃管理，計劃備品配件存儲和供應控制，模擬主要生產過程和優化工作參數，進行財務分析等。我國近年來也自主研發了相關軟件平臺，如中南大學數字礦山研究中心自主研發的dimine軟件、北京3DMINE礦業軟件公司研發的3Dmine軟件，但總體自動化管理程度不高，需要經一步加強。
【露天轉地下開采工藝】國外露天轉地下礦山，大多采用露天采場內外聯合開拓系統銜接方式，在露天采場深部不設運輸系統，統一利用地下巷道運輸，共同使用井下破碎站和提升系統，這樣減少了露天剝離和地下開采的基建投資，如瑞典基魯納礦、芬蘭皮哈薩爾米礦;而我國不少露天轉地下開采的礦山大多采用的是露天采場外開拓，較少考慮露天與地下開采工藝系統的結合和相互利用問題，造成了地下井巷工程量大，投資高，基建時間長的問題。“十一五”科技攻關期間，國內有許多科研機構針對國內露天轉地下開采的技術要求及今后的發展趨勢，進行了大量的研究，并取得了重要進展。如中鋼集團馬鞍山礦山研究院開發出的露天轉地下開采平穩過渡技術在河北石人溝、馬鋼姑山等露天礦山進行了設計研究，取得了很好的應用效果，為國內露天轉地下開采的礦山提供了理論依據和實際經驗。
3.露天采礦技術發展主要方向
今后一個時期，露天礦山開采技術發展趨勢主要表現在以下幾方面。
【開采工藝向連續化、集約化發展】傳統的露天開采是礦巖爆破后，在工作面用鏟裝設備裝載到運輸工具(汽車或鐵路)，然后運輸到目的地。幾十年來，露天開采技術不斷發展，開采裝備日趨大型化，國內露天礦山的挖掘設備斗容達到15m3以上，大型運輸設備—電動輪汽車載重噸位達到154噸以上，極大提高了礦山產能，但是，隨著石油等主要原材料價格的不斷上漲和CPI物價指數的高攀，礦山開采成本直線上升;隨著露天礦山深凹開采條件日益惡化，礦山運輸距離增加，運輸效率降低，運輸能耗加大，礦場內環境污染加劇等諸多問題制約著我國露天開采技術的發展。因此，需要從露天采礦工藝源頭探尋新型采礦技術方法與配套裝備，解決礦山高成本、高污染、高能耗問題。大型露天礦集約化、連續化開采技術將轉變礦山運輸理念，擯棄移動式運輸工具傳統觀念，發展露天開采傳輸式物流新觀念，創新露天開采技術理論，實踐建立露天采場工作面礦石裝載—破碎—輸送的集中化開采系統。這將是一個全面提高礦山開采技術水平，實現高效、環保、節能目標的新型露天采礦方法，是未來大型露天礦山技術發展的趨勢。
【裝備水平向大型化、智能化發展】回顧采礦歷史，露天采礦的發展主要就是通過采礦設備的進步而實現的，在過去的20多年里，采礦設備大型化的趨勢十分明顯，特別是沒有作業空間限制的露天礦設備，工作質量達數百上千噸乃至數千噸的設備種類繁多。采礦裝備水平的快速發展，極大地改變了采礦方法和工藝，推動了采礦技術的發展。國外大型露天礦最高年產礦石量已達到4000萬噸～5000萬噸，普遍采用10m3以上斗容的電鏟和載重170噸以上的卡車，最大電鏟斗容達到43m3，卡車載重已達240噸，爆破炮孔直徑目前已普遍向400～440mm發展，每次爆破規模保持在60萬噸～100萬噸;臺階高度普遍達到15m以上，個別達到20m。而我國最大的露天礦(單一采場)年產僅為800萬噸～1200萬噸鐵礦石，電鏟斗容多數為4～10m3，卡車載重大多在25～75噸。實踐證明，應用大型裝備實現大規模的礦山生產，必然會給企業帶來高的效益。
【大型極深部露天礦山開采技術將得到發展】目前，我國已有部分露天礦山進入極深部開采階段，取得了一定經驗，也存在一定問題:①進行極深露天開采時，開采成本增加、運距增加，運輸條件惡化，生產產量進入衰減期;②露天礦進入極深部開采時為解決高陡邊坡穩定性和深層水對邊坡影響問題，投資巨大;③對進入極深露天礦開采的礦山，由于采場爆破等有害氣體的擴散緩慢，造成開采效率下降和環境污染問題。未來10年內，國內大部分露天礦山都將陸續進入深部、極深部開采階段，解決好極深部露天礦開采的特殊技術問題，以較小的投資、較短的時間、安全地實現礦山穩產增產，對實現礦山可持續發展具有重要理論價值和實用意義，是我國金屬采掘業發展面臨的迫切需要解決的綜合性技術問題，具有廣闊的應用前景。
【露天數字化礦山技術將改變礦山傳統開采技術和工藝，實現礦山作業的自動控制和科學管理自動化】我國露天數字化礦山技術在“十一五”及“十二五”國家科技計劃項目的支持下，已取得了一定成就，但總體而言，我國礦山采礦生產的信息化和智能化水平與國外礦業發達國家相比仍然存在巨大差距，我國礦山的技術裝備水平、勞動生產效率和安全保障能力遠低于國外先進水平，亟需進一步發展自主的智能開采技術與裝備，并促進其產業化。其中，包括礦山虛擬現實平臺、礦山開采過程智能化管控平臺、智能開采軟件、礦山生產智能化系統、礦山物聯網關鍵技術、礦山開采過程智能化實時監測與控制技術、智能開采裝備及其智能操控技術、智能開采標準體系、采礦環境監測監控技術等。數字化礦山技術將從根本上提高我國礦山的本質安全性，增強我國礦業行業的核心競爭能力，使我國從礦業大國真正走向礦業強國，同時，將有力促進智能礦山儀器與裝備這一新興產業的興起與發展。
【重視環境保護的研究和成果的應用，是未來10年建設現代化露天礦山不可缺少的】21世紀是以環境保護為前提的工業發展的新時期。露天礦是一個破壞生態環境的行業，為實現環境友好型的礦山企業發展前景，必須對礦山的開采中和開采后的地質環境進行綜合治理，土地復墾。
據某礦統計，由于大氣嚴重污染而被迫停產時間達10%～12%，即年累計1個月以上。為了改善作業環境，礦山應用了固定式、移動式除塵裝置及自動控制系統，以及各種有效的單機抑塵防護措施和綜合防塵方法，有效地控制了毒塵危害。我國露天礦的通風防塵，隨著深凹露天礦的出現，已經引起重視，露天礦鉆機防塵、爆破降塵，路面防塵已取得了良好效果。
國外一些礦業發達國家十分注重土地復墾技術的研究開發與應用。前蘇聯列別金采選聯合公司露天礦占用最肥沃的黑土地，投產以來已剝離巖石和土10億m3，破壞的土地超過4000hm2，9個排土場、尾礦庫、露天采場、工業場地、水庫和其他建筑物總計占地1萬hm2，其中55%為可耕地，在國家有關部門指導下，吸收科技力量共同治理，進行復田或種樹，投產以來累計復墾面積也達到1萬hm2，成績顯著。我國露天礦山排土場是礦山土地復墾的最主要對象。例如:大冶鐵礦解放后近40年共采出鐵礦石8000萬噸，采剝總量達3.9億噸，同時由于采掘挖損、壓占、塌陷廢棄共占用土地達1121hm2(16815畝)。經過幾年的研究開發和綜合治理使硬巖排土場的復墾已成為現實，但速度較慢。可以看出，我國與國外相比還有一定差距，當務之急是如何將國內外已有的先進環保技術與裝備工程化，在礦山推廣應用，盡快改善礦山環保存在的種種問題。
【無(低)廢開采技術將得到發展】在采礦過程中，礦山不僅獲得了所需要的有用物質，同時也產生大量的廢棄物和形成災害，如廢石、尾礦在地表的堆置，地表塌陷和邊坡破壞等。廢石、尾礦堆置在地表，不僅占用大量寶貴的土地，而且產生嚴重的大氣與水體污染，同時也為形成泥石流、滑坡和尾礦壩垮塌事故提供了條件，地表塌陷、邊坡滑塌給人們的生命和財產造成了巨大損失。因此，國外近20年來對減廢開采技術進行了大量研究。實現無廢開采的途徑，一是采用產生廢棄物少的采礦方法和工藝技術，二是將采礦產生的廢棄物再返回到露天坑，即露天礦內排。
要實現無廢采礦，不僅要在觀念上充分認識其重要性，而且更要在采礦工程布置、開采工藝技術、集運裝備技術等方面進行系統的研究。
4.主要存在問題
同世界技術先進國家相比，我國金屬礦山行業的發展長期面臨著資源、能源緊缺和生態環境惡化的多重壓力，粗放型經濟增長的模式沒有發生根本轉變。我國是鐵礦石資源人均占有量較低的國家，且貧礦多，富礦少，淺部易采鐵礦床開采殆盡，大量深部貧鐵礦床與復雜難采礦床投入開采。目前，我國露天采礦工藝整體處于國際先進水平，但采礦裝備整體技術的適應性同國際先進水平相比還有較大差距，采選一體化節能降耗研究薄弱，致使礦山產能低，經濟效益差。因此，加強采礦專業科學基礎研究，依靠科技進步提高采礦技術與裝備水平，低成本高效率開發利用有限資源，降低鐵礦石對外依賴度，成為冶金礦山求生存、謀發展的現實需要和保障我國鋼鐵行業安全運行亟待解決的重大問題。露天采礦方向重大科學問題和技術難題歸結為采礦裝備、采礦自動控制及信息管理技術問題:我國大型礦山裝備仍以引進、消化吸收再創新為主，新設備的自主研發、大型化與系統集成能力差，產業化制造力量弱。我國露天采礦在鑿、爆、轉、運整個生產過程自動控制及信息管理方面與發達國家仍有明顯的差距
來源：振動機械微信公眾平臺
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