煤炭开采

煤的开采采煤向来是一项最艰苦的工作，当前正在花较大的力量来改善工作条件。由于煤炭资源的埋藏深度不同，一般相应的采用矿井开采（埋藏较深）和露天开采（埋藏较浅）两种方式。可露天开采的资源量在总资源量中的比重大小，是衡量开采条件优劣的重要指标，我国可露天开采的储量仅占7.5%，美国为32%，澳大利亚为35%；矿井开采条件的好坏与煤矿中含瓦斯的多少成反比，我国煤矿中含瓦斯比例高，高瓦斯和有瓦斯突出的矿井占40%以上。我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开采方式，也有露天开采，如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。露天开采移去煤层上面的表土和岩石（覆盖层），开采显露的煤层。这种采煤方法，习惯上叫剥离法开采，这是因为露出地面的煤已开采殆尽，有必要剥离表土，使煤层显露出来。此法在煤层埋藏不深的地方应用最为合适，许多现代化露天矿使用设备足以剥除厚达60余米的覆盖层。在欧洲，褐煤矿广泛用露天开采，在美国，大部分无烟煤和褐煤亦用此法。露天开采用于地形平坦，矿层作水平延展，能进行大范围剥离的矿区最为经济。当矿床地形起伏或多山时，采用沿等高线剥离法建立台阶，其一侧是山坡，另一侧几乎是垂直的峭壁。露天开采使地面受到损害或彻底的破坏，应采取措施，重新恢复地面。美国有几个州和联邦政府的法律规定了恢复土地的措施，现在许多采掘企业已自愿执行这些规定。矿井开采对埋藏过深不适于用露天开采的煤层，可用3种方法取得通向煤层的通道，即竖井、斜井、平硐。竖井是一种从地面开掘以提供到达某一煤层或某几个煤层通道的垂直井。从一个煤层下掘到另一个煤层的竖井称盲井。在井下，开采出的煤倒入竖井旁侧位于煤层水平以下的煤仓中，再装入竖井箕斗从井下提升上来。斜井是用来开采非水平煤层或是从地面到达某一煤层或多煤层之间的一种倾斜巷道。斜井中装有用来运煤的带式输送机，人员和材料用轨道车辆运输。平硐是一种水平或接近水平的隧道，开掘于水平或倾斜煤层在地表露出处，常随着煤层开掘，它允许采用任何常规方法将煤从工作面连续运输到地面。

根据煤炭资源赋存情况，传统的煤矿开采方法分为露天开采和井工开采(地下开采)。[2]露天煤矿煤层的地表覆盖层较浅，挖开地表层即可进行采煤，危险系数较低。井工煤矿煤层埋藏较深，必须掘进到地层中进行采煤，地下作业，危险系数高。

虽然从政策上看，我国从第一个五年计划开始，就一直非常重视优先发展露天采煤，并将其作为国家的一项技术政策，但我国采煤仍以矿井开采为主，露天采煤发展缓慢。建国以来，露天采煤产量比重一直在10%以下，多数年份在5%以下。而世界上开采条件好的国家，露天开采比重已达50%以上。

露天开采的极限深度，在理论上常用境界剥采比大于经济合理剥采比的原则来确定。但经济合理剥采比是一个随矿产品价格变动的因数。现代科研设计和生产一般采用浮动圆锥法等方法，根据矿产品市场价格确定露天开采极限深度，并随时修改。露天转地下开采矿山，露天开采的极限深度不能用原先单一采用露天开采的方式进行计算和确定，应按露天开采和地下开采每吨矿石时，生产成本相等的原则确定较为合理，此时露天开采的极限深度就与单一采用露天开采的矿山不同。另外，现代社会对土地、环境保护、安全生产等的要求已经成为开采方式选择、确定露天转地下矿山露天开采深度的重要因数。

采煤向来是一项最艰苦的工作，当前正在花较大的力量来改善工作条件。由于煤炭资源的埋藏深度不同，一般相应的采用矿井开采（埋藏较深）和露天开采（埋藏较浅）两种方式。可露天开采的资源量在总资源量中的比重大小，是衡量开采条件优劣的重要指标，我国可露天开采的储量仅占7.5%，美国为32%，澳大利亚为35%；矿井开采条件的好坏与煤矿中含瓦斯的多少成反比，我国煤矿中含瓦斯比例高，高瓦斯和有瓦斯突出的矿井占40%以上。我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开采方式，也有露天开采，如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。

1.2.3.1 露天开采主要特点分析

当矿体埋藏较浅或地表有露头时，采用露天开采最为优越(图1-3)。与地下开采相比，露天开采优点是:资源利用充分、回采率高、贫化率低，适于用大型机械施工，建矿快，产量大，劳动生产率高，成本低，劳动条件好，生产安全缺点是:需剥离并排弃大量岩土，尤其较深的露天矿，往往占用较多的农田设备购置费用较高，初期投资较大设备效率及劳动生产率受气候影响较大。

图1-3 煤炭露天开采

随着开采技术的发展，适于露天采矿的范围越来越大，包括开采低品位矿床和某些地下开采过的残矿。对平缓矿床(一般矿层倾角小于12°)采用倒堆、横运或纵运采矿法对于倾斜矿床采用组合台阶、横采掘带或分区分期开采的方法。

纵观世界经济发达国家煤炭工业的发展特点是:依据本国煤田赋存条件，优先发展露天采煤，露天采煤量占总采煤量的比重不断增加。开采条件好的国家露天开采比重均超过50%，其中加拿大88.0%、德国78.3%、印度73.8%、澳大利亚70.0%、印尼70.0%、美国61.5%、俄罗斯56.1%、南非52.9%、波兰33.3%、英国23.6%、日本11.6%。各国逐渐形成了各具特点的露天采煤工艺，其中具有代表性的有美国、澳大利亚、俄罗斯及印度。

经过几十年的发展，随着露天开采现代新技术和新工艺的引入，我国在条件适宜地区的露天开采成本大幅度下降，劳动生产率大幅度提高，获得显著经济效益。同时，露天煤矿产量占全国煤矿产量比重逐渐增加，由2002年的4%左右提高到目前的10%左右。根据《煤炭工业“十一五”发展规划》，全国将重点建设10个千万t级现代化露天煤矿。在这种大的宏观经济和能源供需背景下，我国煤炭露天开采又进入了新的发展阶段。

1.2.3.2 露天开采主要作业内容

露天开采作业主要内容包括:穿孔爆破、采装、运输和排土。这四项工作的好坏及它们之间的配合如何，是露天采矿的关键。

(1)穿孔爆破。是在露天采场矿岩内钻凿一定直径和深度的定向爆破孔，以炸药爆破，对矿岩进行破碎和松动。穿孔设备主要有回转钻机、潜孔钻机和牙轮钻机等，爆破多用铵油炸药、浆状抗水炸药、乳化炸药及粒状乳化炸药。

(2)采装。是用采矿或机械将矿岩装入运输设备，或直接卸到指定地点的作业。常用的设备有单斗挖掘机轮斗挖掘机、拉斗铲与露天采矿机等，最广泛采用的为单斗挖掘机。

(3)运输。是将露天采场的矿、岩分别运送到卸载点(或选矿厂)和排土场，同时把生产人员、设备和材料运送到采矿场。主要运输方式有铁路、公路、输送机、提升机，还有水力运输和用于崎岖山区的索道运输。选择运输方式必须综合考虑地形、地质、气候条件，露天矿生产能力，开采深度，矿石和围岩的物理力学性质等，经过全面技术经济比较后，确定合理的运输方式。

(4)排土。是指从露天采场将剥离覆盖在矿床上部及其周围的表土和岩石，运送到专门设置的排土场进行排弃的作业。排土方法依其排土设备的不同，分为推土犁推土、推土机排土、前装机排土和拖拉铲运机或拉斗铲排土等。排土场优先选用内部排土方式，外土场应选择在尽量靠近采矿场，少占农田的位置，有条件的应放置在山谷、洼地处，利于环境保护和土地复垦。

1.2.3.3 露天开采存在的问题剖析

我国露天煤矿开采技术与国外先进水平相比，仍存在着规模小、产业集中度低、经济效益较低，技术工艺与装备水平、设备制造水平相对落后，自动化程度低，大型成套装备国产化程度低、进程较慢等问题。

(1)我国露天开采技术发展缓慢

同国外露天煤矿的发展相比，我国的露天煤矿发展缓慢。主要原因是我国适宜于露天开采的煤炭资源地理位置不佳，离煤炭消费重心较远，综合开发条件较好的很少，大部分煤田埋藏较深，基建工程量大，剥采比大。同时，我国机械制造水平低，过去已有的技术设备无法适应大型露天煤矿的开发。

20世纪80年代，我国煤炭部提出了“优先发展露天开采”的方针，规划建设霍林河、伊敏河、平朔、准格尔、元宝山等5大露天矿，把露天开采作为持续稳定、健康发展煤炭工业的一项重要战略方针[4]。可是，由于我国煤炭工业建设长期以井工开采为主，露天开采在煤炭工业中没有放在应有的重要地位，而且在我国可以划归的露天开采储量中，煤化程度普遍较低，最高为气煤，最多是褐煤。

我国露天采煤发展缓慢还有一个原因是露天煤矿分布具有明显的区域性，多集中在中西部地区，以山西、内蒙古、陕西、新疆等地为主。这些地区多属于煤炭输出区，自身对煤炭的消费量不大，加上向外运输条件较差，使得大规模露天开采受到制约。这些地区生态系统比较脆弱，考虑到大规模露天开采对环境的破坏，一是恢复起来比较难，二是植被破坏后造成沙尘增加，直接影响到我国的中部和东部地区。另外，这些地区经济欠发达，而大规模露天采煤前期投入较高，地方无力承担，这也是煤炭露天开采比重一直较低的一个原因。

(2)露天煤炭开采新技术研发投入不足

一方面，我国露天矿具有各不相同的内、外部复杂条件，其各项重大技术决策具有举足轻重的作用，正确的设计决策能为露天矿带来上千万元甚至以亿元计的经济效益，而错误的决策会造成惊人的损失。长期以来，露天煤炭开采设计缺乏创新，一些煤炭开采技术问题始终难以解决。如:绝大多数露天煤矿为近水平煤层埋藏、分区开采、汽车端帮环线开拓运输系统压帮内排、端帮边坡设计采用静态分析，造成端帮边坡角偏小、端帮压煤、运输成本高等问题。

另一方面，除了传统的技术开发研究，未来的露天煤炭开采技术——数字化技术、自动化技术、无人化技术研究投入不够。矿业界迄今尚未能达到实现开采系统完全自动化、无人化操作的目标。如获成功，这将可大大提高生产效率，大大降低生产成本，大大提高作业安全水平。我国尚没有对煤炭开采作业的自动化和机器人化的深入研究。

(3)露天煤炭开采造成的环境问题

世界各采煤国家都将优先发展露天采煤作为增加煤产量的主要途径，尽量实现集中开采，以提高劳动生产率，降低成本。但是露天采煤业迅猛发展的同时，也带来了一系列的矿山环境问题和生态破坏，严重影响地区的生态环境质量和经济持续发展。以往传统的地质、采矿及管理学科没有或很少将矿山环境勘查、评价、预测、管理、立法、执法与露天煤矿勘查、露天煤矿建设、设计、生产、闭坑有机地结合起来。如露天采矿学就追求剥离最少，采煤最多，只要不滑坡，边坡越陡越好，很少考虑地面变形或闭坑后灾害，很少以综合的、长远的经济效益、社会效益和环境效益作为研究追求的出发点。露天采煤形成的凹坑，由于地质构造、边坡岩体、地表水地下水作用等原因，诱发滑坡、塌陷、水土流失、泥石流等一系列地质灾害，又引起地面变形而危及周边地区的工业企业和居民建筑的安全，既造成巨大的经济损失又破坏了原来的生态地质环境。

我国露天煤矿开采环境问题复杂、多样、特殊、敏感，由于特定历史因素影响，对矿业城市地质环境和生态环境的影响和破坏巨大。露天煤矿开采环境问题根本上说是人类采矿工程活动使环境发生变化或恶化。这就需要决策者、管理者、生产者有可持续发展的眼光，开发科学、先进、环保的煤炭开采技术，从事露天煤矿开采，主动地、积极地利用开采工程改善、美化周边环境，变有害为无害，变不利为有利，实现资源开发和环境保护的协调发展。发展露天煤炭开采技术解决环境问题是非常必要的。