2019年[工学]露天煤矿高效开采新技术.ppt

露天煤矿高效开采新技术 （653工程培训教材）,才庆祥教授,主要内容,第一章 绪论 第二章 露天煤矿开采新工艺与新方法 第三章 露天煤矿开采主要设备 第四章 露天煤矿环境保护与安全生产 第五章 智能矿山 第六章 边坡稳定,第一章 绪 论,第一节 世界露天开采技术发展特点,一、高度集中化开采与集约化经营 目前，世界最大的露天煤矿年产量已达5060Mt/a，位于德国、美国、哈萨克斯坦等国；年产量20Mt/a以上的露天煤矿则遍及俄罗斯、中国、澳大利亚、波兰、捷克等国。 由大型企业集团占有煤炭生产及市场销售的集中化份额，是矿业集中化开发又一重要趋势。2000年国际十大煤炭公司控制着8.5亿t的煤炭年产量。,二、露天采矿工艺发展趋势,1、设备大型化与开采集中化 目前单斗电铲勺斗容积已达76.5m3，其装载重量超过100t；与之相匹配的卡车载重量已达363t。单个露天矿的生产能力已逾60Mt/a。 2、开采工艺的连续化 最具代表性的连续工艺是轮斗挖掘机-带式输送机-排土机，采用这种工艺可以实现高效率、低成本。 近4050年中，露天矿半连续工艺得到了越来越广泛的应用，以适应当地的矿床埋藏条件。,3、生产环节的合并化与开采工艺的简化 条件适宜时可采用某种开采设备，实现两个甚至三个生产环节的合并，以简化开采过程并大幅度降低开采成本。巨型拉斗电铲倒堆剥离是一种典型的合并式工艺；铲运机剥离工艺是另一种合并式工艺。 4、开采工艺的综合化 随着矿山开采的集中化趋势，单个露天矿的开采范围扩大，开采深度日益增加，开采境界内矿岩赋存条件往往复杂多变。针对这种情况，传统的单一开采工艺方式往往不能与之相适应，使开采效率降低，开采成本提高。近年来，多种开采工艺综合应用已经成为大型露天开采的一种发展模式。,三、矿山企业管理计算机智能化,随着计算机技术的日新月异，计算机已广泛应用到露天开采许多领域，从矿床勘探与地质模型建立到矿山设计计划，从矿区及矿山生产管理到设备故障监测等，计算机已成为提高改善露天矿管理水平与经济效益不可缺少的有力工具。,四、资源开发、生态环境与可持续发展,对于矿山环境保护方面，如复垦造田，三废处理，滑坡防治，煤炭自燃防治等，提出了露天采矿与生态重建一体化等新理论、新方法与新技术问题。合理充分开发与利用矿产资源，实现矿业可持续发展，造福子孙后代，已受到各国普遍关注。,第二节 露天采煤的特点,资源友好回采率高，可以达到95%以上； 安全友好死亡率低，可以连续多年保持零死亡率； 环境友好土地复垦，容易实现露天采矿与生态环境重建一体化； 集中开采生产规模大，吨煤投资与生产成本低； 机械化程度和人均工效高，便于实现现代化管理； 能够突出体现煤炭资源安全、高产高效、高回收率的开发。世界各主要采煤国都优先发展露天采煤，各自国家露天开采产量所占比例如下：德国76.6%，澳大利亚71.2%，印度70.5%，美国67.0%，俄罗斯58.2%，南非52.9%，波兰32.0%。目前我国露天煤矿的产量只占总产量的5.0%左右。,第三节 我国露天采煤发展历史 及现状与前景,一、我国露天采煤发展历史,20世纪5060年代，我国在原苏联援助下，建设了一批露天开采骨干矿山。其中抚顺西露天矿、阜新海州露天矿生产能力皆在3Mt/a以上。全国露天煤矿年生产能力达20Mt。 20世纪70年代改革开放以后，我国决定开发五大露天煤矿，即安太堡露天煤矿、黑岱沟露天煤矿、霍林河南露天煤矿、伊敏河一号露天煤矿、元宝山露天煤矿，其设计总生产能力为52Mt/a。自80年代至90年代，五大露天已经先后建成移交生产。,二、我国露天采煤发展现状与前景,进入21世纪以来，我国露天采煤新高潮正在兴起。煤炭是我国重要的基础能源和原料，在国民经济中具有重要的战略地位。露天煤矿开发与建设，是我国“十一五”期间建设十三个大型煤炭基地的重要组成部分。国家“十一五”煤炭行业发展规划中提出“大型煤炭基地建设将以大型煤炭企业为主体，优先建设大型现代化露天煤矿和矿井”；中国节能技术政策大纲12.3.1中明确指出“新建矿山，在采矿技术和经济条件允许的情况下，优先采用露天开采。大中型露天矿，边坡稳定，岩石坚硬，尽量采用陡帮开采；深凹露天矿，宜采用汽车胶带联合运输方案；露天采矿设备应逐步大型化、配套化。”,我国目前正在改扩建、新建和待建的露天煤矿有胜利东一号露天煤矿、胜利东二号露天煤矿、胜利东三号露天煤矿、胜利西一号露天煤矿、胜利西二号露天煤矿、白音华一号露天煤矿、白音华二号露天煤矿、白音华三号露天煤矿、白音华四号露天煤矿、黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿、安太堡露天煤矿、安家岭露天煤矿、平朔东露天煤矿、霍林河露天煤矿、伊敏河露天煤矿、扎哈诺尔露天煤矿、宝清朝阳露天煤矿、魏家卯露天煤矿、小龙潭露天煤矿、先锋露天煤矿、宝日西勒露天煤矿等。,我国各露天煤矿及主要指标,锡林浩特胜利露天煤矿区矿田划分,第四节 我国露天采煤存在问题和发展建议,一、存在和急需解决的主要问题 我国露天煤矿一般具有近水平矿床、多煤层、厚煤层、厚覆盖层等赋存特点。目前的生产露天煤矿多以单斗挖掘机-卡车间断工艺为主，开采工艺单一，主要设备依赖进口，且长期超期服役；设计理论与手段陈旧；地处生态环境脆弱地区，管理手段落后。,（1）我国露天煤矿（区）的煤层赋存条件、开采工艺、经营与管理模式具有共性。因此，需要加强校企联合，对露天开采设计理论、开采方法及相应的关键技术进行创新性研究，推动我国露天采煤事业整体达到国际先进水平。 （2）对露天开采的特点与优势应有充分认识。特别是露天开采可实现高度集中化开发，我国内蒙、山西、云南等省区适于露天开采的煤炭储量丰富，可兴建一批千万吨级的特大型露天矿，以解决我国能源紧张的问题，并实现高产高效；露天开采安全性高，极少发生人员伤亡事故；露天开采资源回收率达95%以上，远比矿井开采回收率高；露天开采后生态环境可以得到恢复与重建。,（3）对露天开采煤炭资源、新技术发展及其经济效益等缺乏全局性研究、评估与规划。近年探明了一批特大型煤田，如胜利、白音华等矿区煤炭储量皆在百亿吨以上，加上原有十余处特大型煤田，可供露天开采的煤炭储量相当丰富，可以保证本世纪的高强度持续开发。由于煤炭加工与发电技术的进步，褐煤已得到进一步的充分利用，成为我国急需能源及化工产品的重要来源。 露天开采技术近年有了迅速发展，主要产煤国家露天开采比重不断上升，经济效益十分明显。而国内竟出现露天开采应由地下开采所取代的说法，并以个别矿区经验为例，得出不符合实际结论。,（4）露天开采工艺过于单一，限制了经济效益的提高。现有生产矿山开采工艺以单斗电铲-卡车为主，其开采成本居高不下，尤其目前燃油价格飞涨，更应适时改变开采工艺，使之多样化。 （5）对露天开采环境保护方面有认识误区，如对露天开采方法的叙述中，有人提到“对地表和生态环境严重破坏”，提法不当。随着对环境保护及矿区可持续发展的重视，露天开采环境保护已经出现了崭新面貌。如平朔矿区、准格尔矿区、霍林河矿区、伊敏河矿区的排土场和采场复田后已经是绿草成片，绿树成林，沉淀池成为清澈的人工湖，引来群鸟和野生动物栖息。,二、关于发展思路的建议,（1）坚持对优势煤炭资源实行集中化开采，实现大规模生产的经济效益；实行大集团经营战略，实现高度集约化经营。 （2）因地制宜，大胆采用行之有效的各种先进开采工艺，以便在优势煤田实现高度集中化开采，取得高度经济效益。 扩大拉斗铲倒堆剥离的应用范围，强化拉斗铲的利用，辅之以抛掷爆破与大型推土机的有力配合作业。 开采设备大型化是优势资源集中化开采的必然要求，也是简化剥采工程并降低开采成本提高经济效益的重要途径。,（3）有关的体制、规范、制度应该适应新形势的要求，进行修订、完善，以求不断促进露天开采的迅速发展。 （4）通过工程承包，加快露天矿建设，是近年我国露天煤矿建设的一项重要经验。这项措施有待进一步发展，使之更灵活地应用，得到更快更好的矿山建设效果。 （5）矿山设计工作应有先进性与前瞻性。设计成果应充分体现现代矿业科学技术与经营管理的进步；设计思想应有超前意识，预见到可能的技术发展方向，避免在矿山建成时即已落后于时代。 （6）加强露天煤炭企业与高等院校和设计研究单位的联合，协同进行科技攻关，为我国露天采煤事业更好更快的发展提供新的设计理论、开采方法与关键技术支撑。,第二章 露天煤矿开采 新工艺与新方法,第一节 露天煤矿拉斗铲无运输倒堆新工艺,大型拉斗铲无运输倒堆工艺是一种先进的露天开采工艺，它集采掘、运输与排土三项作业于一体，将剥离物直接倒堆排弃于露天矿采空区内，具有设备少，作业效率高，生产成本低，生产能力大，生产可靠性高等显著特点，在国际露天矿山开采中，已成为首选的露天开采工艺。有关资料表明，美国、澳大利亚、俄罗斯、南非、加拿大、印度、巴西、哥伦比亚、墨西哥、土尔其、英国、赞比亚等国都有拉斗铲无运输倒堆工艺应用的实例。拉斗铲无运输倒堆工艺适用于近水平或缓倾斜煤层，对剥离物的物理力学性质和气候条件等无严格要求，我国正在开发和规划开发的多个大型露天矿区具备应用拉斗铲无运输倒堆工艺的基本条件。,一、拉斗铲无运输倒堆工艺特点分析,固体矿物资源露天开发有两种基本方式：矿坑式开采是指将覆盖物从矿层上剥离并移运到相对较远的外排土场，如图所示：,矿坑式开采工艺,倒堆开采是指将覆盖物从矿层上剥离并直接倒堆排弃于采空区，一次只暴露一小部分矿石，然后不断重复这一过程，如图所示。拉斗铲是当今最主要的倒堆开采设备。,拉斗铲倒堆开采工艺,拉斗铲无运输倒堆工艺评价,拉斗铲设备规格大，生产能力大且生产作业不容易受到如坑底积水等不利条件的干扰，对物料性质、气候条件的和资源条件变化的适应能力强。虽然拉斗铲无运输倒堆工艺具有单台设备投资高、设备订货时间长、辅助设备工程量大、管理水平要求高等劣势，但当资源条件适合时，采用该工艺开采的成本远低于其他工艺的，因此其应用前景十分广阔。,二、拉斗铲应用概况,1、应用概况 自上世纪初第一台拉斗铲问世以来，世界上共生产出七百余台各种型号的拉斗铲，用户遍及数十个国家。下表所示为世界主要产煤国家应用大型拉斗铲基本情况。,世界主要产煤国家应用大型拉斗铲概况,美国是世界第二大产煤国，同时是最大的拉斗铲使用国，拉斗铲倒堆剥离生产的煤量占全美煤炭产量的57%以上。在美国西部各州、海湾诸州、波德河煤田等地区拉斗铲无运输倒堆工艺皆占主导地位。,美国露天煤矿应用拉斗铲概况,2、设备制造 按行走装置分拉斗铲有三种类型：轨道走行式、履带走行式和迈步式。轨道走行式拉斗铲生产能力较小，并且走行困难，因此现在很少采用。除俄罗斯以外，目前拉斗铲制造厂商仅美国的BI公司（Bucyrus International，比塞洛斯国际公司，即原B-E公司）及P&H公司两家。其中BI公司所占市场份额约为90%，P&H公司占10%左右。俄罗斯的主要生产厂家为乌拉尔重型机械厂，主要占据东欧及中北亚市场，大型拉斗铲铲斗容积也已突破了100m3。拉斗铲现已有系列规格产品推出，但拉斗铲为矿山专用设备，属定制设备，已有规 格型号主要供设备选型优化时参考之用。,3、设备寿命 实践证明，拉斗铲可保持很长的使用寿命，这有利于露天矿生产成本的降低。大部分拉斗铲尚未达到使用寿命就因为露天矿的资源开采结束或有新的更大规格的拉斗铲投入使用而提前退役了。我国规划采用拉斗铲无运输倒堆工艺的露天煤矿服务年限均在50a以上，有利于拉斗铲使用寿命的延长。 4、我国应用前景 拉斗铲无运输倒堆工艺普遍适用于近水平或缓倾斜煤层的露天矿，一般下部煤层厚度小于40m时应优先考虑采用。我国已经或将要开发的10多个适宜露天开采的大型、特大型煤田及矿区，大部分具有采用拉斗铲剥离的有利条件，见下表。,我国露天矿田资源赋存概况,可以看出我国露天矿田具有如下特点： （1）煤层埋藏倾角多数在10°以下，属近水平或缓倾斜煤层，这是采用拉斗铲无运输倒堆工艺最必要的也是最重要的赋存条件； （2）煤层数目不多，主采煤层多为1-3层，煤层结构不复杂，煤层厚度不过大，不致成为限制采用拉斗铲无运输倒堆工艺的因素； （3）剥离物岩性多在中硬度以下，岩层厚度各煤田大小不一，各自具备全部或部分剥离物采用拉斗铲倒堆剥离的条件； （4）多数煤田面积广大，储量丰富，可有足够空间安排必要的工作线长度并充分发挥拉斗铲生产能力。 综合看来，我国有相当多的大型煤田具备采用拉斗铲无运输倒堆工艺的基本条件，有望建设一批采用这种先进剥离方法的高产高效露天矿，从而为加快露天采煤的发展，大幅度提高矿山经济效益，提供了新的技术道路。,第二节 露天煤矿表土剥离半连续新工艺,实现露天矿表土松软剥离物采用半连续开采工艺的关键技术是破碎转载设备。由于表土物料具有很大的粘结性，当其进入传统破碎机后，极易对设备造成粘结和堵塞，导致设备无法正常工作。 轮式软岩破碎机正是根据这一需要提出来的，通过单斗挖掘机-（汽车）轮式软岩破碎站-带式输送机组成的半连续工艺系统，可以替代或替补轮斗挖掘机作业，实现用带式输送机取代汽车运输。由此组成的采矿系统，可以兼顾连续及间断工艺的优点。,露天采场的表土剥离作业具有如下特点：岩性松软，一般不需爆破，电铲即可直接采装，物料性质适合带式输送机；处于采场上部，工作线长度大，内排时运距远。 露天矿建设初期一般都需建设外部排土场排弃剥离物，当采用带式输送机运输后，半连续工艺系统所排弃的剥离物可堆排至排土场较远的区域，而汽车运输的剥离物可堆排至排土场较近的区域，以最大限度地发挥胶带运输和汽车运输的各自优点。当露天矿矿山工程发展到可实现内部排土时，则需将原设置的带式输送机系统重新拆铺，从而对露天矿生产造成一定影响。,为了克服由此带来的不足，表土剥离半连续工艺系统的设置时间也可从内排土场建立之后设置。无论是从矿建初期开始设置还是从内排时期开始设置，电铲与带式输送机间可以有不同的配置方式，即在工作面上设置移动式破碎转载站或在端帮设置半固定式破碎转载站。若在工作面上配置移动式破碎转载站，则电铲采装的剥离物就可直接装入转载装置，然后卸入工作面带式输送机。 但由于工作面带式输送机需要有相对平整的平面，从而减少了整个系统所能承担的表土剥离量。而若在露天采场的端帮配置半固定式破碎转载站，则工作面仍需配置汽车，即将电铲采掘的表土首先装入汽车，然后由汽车将剥离物运至半固定式破碎转载站，卸入端帮带式输送机运至排土场。这样可使不同台阶、不同部位的表土最大限度地进入带式输送机系统，使半连续工艺系统所承担的表土剥离量增加。,试验证明，所制造的轮式软岩破碎机能够破碎大粘土块、均匀物料流、克服冲击载荷等，试验过程中没有发生设备粘结和堵塞现象。试验过程见图。,a.工作装置情况,b.前装机装载红粘土情况,c.现场测试及试验情况,d.与工作面生产系统连接情况,e.前装机装汽车情况,f.汽车转载情况,轮式软岩破碎站现场测试及试验情况,第三节 大型近水平露天煤矿端帮靠帮 开采新方法,一、靠帮开采的一般方法 靠帮开采的核心是提高端帮的帮坡角，但是对于生产矿山和设计矿山，靠帮开采的具体方法是不同的： （1）生产矿山采用的靠帮开采方式应为上部境界不动，下部境界向外推进，如图（a）所示。为达到这一目的，采用的手段是取消现存于端帮的运输道路。这种开采方式增加了生产露天矿的煤炭采出量，达到了降低生产剥采比、提高经济效益和煤炭资源回收率的目的。为表述方便，以下称这种做法为第一种靠帮开采方式。,（a）,（2）设计矿山采用的靠帮开采方式应为下部境界不动，上部境界向内缩进，如图（b）所示。为达到这一目的，在矿山设计阶段就不能考虑在端帮布置运输道路。这种开采方式在保证煤炭采出量基本不变的情况下，减少了剥离量（即减少端帮补充扩帮量），达到了与（1）相同的目的。为表述方便，以下称这种做法为第二种靠帮开采方式。,（b）,二、靠帮开采剥采比,1、基本概念,靠帮开采剥采比是指在实施靠帮开采过程中采出的剥离物体积与原煤重量之比。,确定靠帮开采剥采比，就必须在所确定的区域范围内，得出原煤和剥离物体积,则靠帮开采剥采比：,式中：n- 靠帮开采剥采比，m3/t；,K- 原煤容重，t/m3；,-剥离物体积，m3；,-原煤体积，m3。,由于煤层形成是长期复杂的地质过程，经常会出现断层、侵蚀、煤层分岔以及煤层厚度的变化，同时上覆岩层的厚度也是随区域不同而变化的。因此，在实际生产过程中往往遇到的是靠帮开采的剥采比随着区域的变化而不同，需要建立一套预测体系对靠帮开采剥采比进行预测，做出合理的生产计划，用以指导靠帮开采生产。,2、单一煤层条件下的靠帮开采剥采比,1)设预测区域钻孔资料中煤和上覆岩层厚度分别为hc1, hc2hcn和 ht1, ht2htn，由于每年的推进度对于一个露天矿来说是比较短的，煤层和上覆岩层的变异程度是比较小 的，因此可以将其平均厚度看作随机变量，从而得到,靠帮开采剥采比的计算示意图,此时，可以按上述假设煤层为等厚的,有ABCADE，设计的端帮帮坡角为，靠帮开采设计的端帮帮坡角为，下面分两种情况讨论：,(1)当采用上部境界不动(如图 (a)时,其靠帮开采剥采比为:,式中：n1- 第一种靠帮方式开采剥采比，m3/t；,n1越小，则经济效益越好。因为小即意味着生产中为回收一定量的端帮煤所发生的剥离量少。,(2)当采用下部境界不动(如图 (b)时，此时的靠帮开采剥采比为:,式中：n2- 第二种靠帮方式开采剥采比，m3/t；,根据第二种开采方式,n2越大,靠帮开采的经济效益越好。因为n2大即意味着将来的生产中可省去的扩帮剥离量多。,当煤层为复合煤层时,需要对每一层煤进行预测,利用对单一煤层的预测得到从上往下各个岩层和煤层平均厚度的预测值:H1、h1、H2、h2Hn、hn。为此,需要从上往下绘出煤岩示意图,从而计算得靠帮剥采比nm,3、复合煤层条件下的靠帮开采剥采比,断面图中所有岩石面积之和；,断面图中所有煤面积之和。,为了选择合理的靠帮开采方式，需要有相应的判别准则。 在前面计算这两种方式下的剥采比时我们曾经提到：越小或越大，则靠帮开采效益越好。但是对于应小到什么程度或者应大到什么程度靠帮开采才是有利可图的这一问题并没有给出明确的答案，此处以经济合理剥采比作为判断的基准，给出如下判别准则：,4 、靠帮开采方式的判别准则,采用第一种靠帮开采方式；,当,当,采用第二种靠帮开采方式。,这个准则与圈定境界的常用原则： （境界剥采比小于 等于经济合理剥采比）非常相似。,三、端帮靠帮开采条件下的开拓运输系统,露天矿开拓是指开辟从地面到各个开采台阶的矿、岩运输通道，以建立采矿场与受矿站、排土场及工业场地的运输联系，以满足一定开采程序不同时期的矿岩运输的需要。靠帮开采由于暂时切断了通往内排土场的端帮道路或彻底取消了 端帮道路，所以必须重新考虑内排运输通道的设置问题。 依据是否在采空区中部设置连接排土场与采场的运输土桥， 可考虑以下开拓运输系统形式。,1、掏槽开采再回填贯通内排； 2、采空区中部双桥内排； 3、采空区中部单桥与端帮回填贯通相结合内排 。,第四节反向内排和树枝状运输系统,1、反向内排,反向内排是指内排土场发展方向与正常情况下内排土场的发展方向相反，即与采场的推进方向相反。正常生产情况下内排土场发展方向与反向内排土场发展方向如图所示。反向内排为一段时期内的临时措施，可以在短时期内（采区转向后期）大幅度缩短剥离物的内排运距，并对采区转向后新采区的正常生产产生有利的影响，使新采区剥离物内排运距合理化，该方法对于内排空间富余所产生的其它两类不利影响无法起到缓解作用。另外该方法也可应用于扇形推进连续转向和部分采用间断转向方式的露天矿，实现缩短剥离物内排运距的目的，间接地增加剥离物的内排量，减少富余内排空间。,反向内排土场发展方向示意图,2、反向内排布置要素,反向内排布置要素主要包括反向内排土场位置、剥离物运输通道、反向内排开始与结束时间、反向内排土场台阶高度、反向内排土场高度等。,3、反向内排对采区正常生产的影响,露天矿采区转向期间布置反向内排土场，虽然可以达到缩短剥离物内排运距的目的，但同时会对采区正常生产产生影响，包括旧采区的到界靠帮工作和新采区的缓帮工作均会受到反向内排土场布置和缓帮剥离物运输通道设置的影响，主要体现在以下方面：,（1）反向内排土场布置在采区工作帮到界后形成的靠近采区的采空区内。为给反向内排土场建设准备空间，需加速部分工作帮推进和滞后相应部分排土场跟进。如果采区剥离物仍然全部内排的话，则正常推进工作帮部分存在采场生产空间紧张问题； （2）采区到界工作帮上留设缓帮剥离物运输通道，会在一定程度上增加该采区的剥离量或降低原煤采出量； （3）从反向内排开始时间看，由于采区缓帮工作从上而下进行，为增大内排量反向内排初期需将缓帮剥离物下运，因而运输成本增高；,（4）从反向内排结束时间看，反向内排结束时间即为采区缓帮工作结束、剥离物逐步转入本采区正常内排时间。但由于反向内排台阶高度和正常生产时期内排台阶高度的确定原则不同，得到的合理内排台阶高度也不相同，因而在进行内排土场转换时需对内排台阶进行调整； （5）设置反向内排土场须使部分工作帮先到界，因而缩短了正常生产的采区工作线长度，不利于保证工作面煤量储备、生产稳定。,第三章 露 天 矿主要设 备,单斗液压挖掘机 单斗机械挖掘机 拉斗铲 矿用大型自卸汽车 破碎机,主要内容：,单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械。它是在机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是目前挖掘机械中重要的品种。 单斗液压挖掘机的作业过程是以铲斗的切削刃（通常装有斗齿）切削土壤并将土转入斗内，斗装满后提升、回转至卸土位置进行卸载，而后铲斗再转回进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移位，以便继续工作。,一、单斗液压挖掘机,液压挖掘机重量轻、行走速度快、机动灵活、作业率高；售价低、投资少、更新快；传动系统简单、平稳可靠；操作省力、工作环境好等，比机械挖掘机有更多的优点。目前在露天开采中，已取代了中 小型机械挖掘机。,二、单斗机械挖掘机,机械挖掘机，也称电铲，工作可靠、使用寿命长、生产效率高、操作费用低。在液压挖掘机、轮式装载机迅猛发展的今天，大型电铲仍为露天矿山的主 要装载设备。 机械式单斗挖掘机是用一个铲斗以间歇重复工作循环进行工作的， 即由挖掘、满斗回转、卸载， 空斗回转四个工序构成一个工作循环。在作业过程中， 由于斗杆可以伸缩， 挖掘机是不移动的，直到将将一次停机范围内的物料挖完， 挖掘机才移动 到新的作业点。,国外挖掘机的发展以美国为最快。在美国，制造大型单斗机械挖掘机主要有三大厂商：P&H公司；比赛洛斯-伊利公司，简称B-E公司；马力昂（Mario）动力铲 公司。,在我国国内，目前已有十余个厂家生产单斗挖掘机，主要生产厂家是太原重型机械集团有限公司、衡阳有色冶金机械厂、抚顺挖掘机制造有限责任公司、杭州重型机械有限公司、四川邦立有限责任公司等。,1-动臂；2-斗柄； 3-铲斗；4-推压轴,主要工作装置的组成,三 拉斗铲,拉斗铲（英文名称dragline，中文名称亦有索斗铲、拉铲、钢丝绳斗铲等）属于单斗挖掘机类，它是一种铲斗与悬臂间用钢丝绳挠性连接的用于特大型露天矿覆盖物剥离或挖掘的单斗刨铲式采装设备。 拉斗铲的种类按驱动动力方式分有电力驱动、柴油驱动和柴油电力混合驱动等三种，现代大型拉斗铲一般均采用电力驱动；按行走装置类型拉斗铲可分为迈步式、履带式和轮胎式三种，履带式和轮胎式一般用于小斗容的拉斗铲，而大型拉斗铲由于自重量大，所以其行走方式一般采用迈步式。,拉斗铲的主要特点是：斗容量大，最大可达168m3，悬臂长，最长可达160m，作业范围大，功率及机重大，驱动总功率最大可达37300kW，设备自重最大可达12200kg。,从机构上划分迈步式拉斗铲可分为7个基本部分：底座、回转平台、回转机构、提升与牵引机构、行走机构、铲斗及其钢丝绳和传动机构、前端部件；,拉斗铲基本结构： 2-支撑钢丝绳； 3-提升钢丝绳； 4-排放钢丝绳； 5-铲斗总成；6-悬臂； 7-中间支撑钢丝绳； 8-三角结构；9-A型托架； 10-安全钢丝绳； 12-导缆孔；13-机房外罩； 14-牵引钢丝绳；15-司机室；16-底座；18-行走靴；19-回转平台,四 矿用大型自卸汽车,矿用自卸汽车是在矿山或大型土建工地的专用道路上作短距离运输的专用自卸汽车，简称矿用汽车。初期的矿用汽车与公路上行驶的自卸汽车并无很大区别，但随着矿山生产规模的增加，为了提高汽车生产效率，矿用汽车逐步发展成具有自己的结构特点、载重吨位显著加大、需要专门设计的一类汽车。 我国矿用汽车的使用主要集中在冶金、煤炭、化工、建材等露天矿山和水利、铁路等大型土建工地。 。,由于大型煤矿、铜矿以及油砂矿的规模在不断增大，迫切需要更大型的矿用汽车。这也表明汽车大型化还会有新发展，有可能出现有效载重高达400t，500t，600t级的矿用汽车，有人甚至预测20年后，会出现有效载重高达1000t的矿用汽车。其布置方式可能还是双轴6轮、单发动机、电力或机械后驱动；也有可能是双轴8轮、前后驱动的。这种汽车能否出现，要取决于矿山是否能发展到那么大。,发展趋势： 大型化、自动化、智能化（无人驾驶）,五 破 碎 机,世界上移动式破碎技术和设备的生产主要为前联邦德国所垄断，主要由Krupper、O&K和PHB三家公司控制，1988年初O&K兼并PHB以后市场大致为Krupper和O&K平分。,大型露天矿山移动式和半移动式破碎机的应用正在不断扩大，它已成为当前露天矿山采运技术进步的一个重要特点。,采用工作面自移式破碎机可实现硬岩的连续运输，提高单斗挖掘机的生产效率和能力，降低运输成本。 我国伊敏一号露天矿在二期扩建改造中设计部分采用单斗自移式破碎机带式输送机半连续工艺。伊敏一号露天矿于1983 年末开工建设, 建设规模为年产原煤1Mt/ a，采用单斗卡车工艺，1984 年末达产；为满足电厂用煤需要，露天矿一期规模由1Mt/ a 增加到5Mt/ a，1998 年5 月建成投产, 2000 年达到设计能力；2003 年伊敏煤电公司决定 进行二期扩建，露天矿年设计能力11.10Mt。 伊敏一号露天矿引进德国Krupper公司生产的破碎机组，系统由破碎机和两台转载车组成，系统设计生 产能力3000t/h。,第四章 露天煤矿环境保护,第一节 矿山生产对生态环境的影响,一、对土地的直接影响 主要表现为对土地的挖损、占压、塌陷。 二、对土地的间接影响 主要表现为： 1）土壤的酸化、盐碱化和盐渍化，因为塌陷区易形成封闭式湖泊、固体排弃物中有害元素与物质析出造成的，越往深层表现越甚。 2）土地沙化和土壤贫瘠化。剥离物排弃使潜层沙土表面化，其它辅助作业也可以使土地沙化。 3）水土流失。水土流失主要是由风力和水力侵蚀造成的。,三、对景观和植被的影响 1）所有挖损、占压、塌陷和其它一切对地表的人为扰动，都会影响原有的自然景观和生态植被；2）煤炭赋存的自然位置，使人们很难顾及地表自然景观和生态植被；3）采矿对自然景观和生态植被的影响有时是毁灭性的、不可逆的；4）采矿对空气、土壤的污染，地下水域水土流失都会对自然景观和生态 植被造成不良影响。 四、对永久性建筑与设施的影响 不均匀沉降，地表开裂，岩层移动或滑动，泥石流与岩体崩塌等。,五、噪声与振动 噪声与振动源主要有以下类型： 1）空气动力源。如风机、风扇、跳汰机和风阀等； 2）机械动力源。如振动筛、溜槽、各种采运设备； 3）电磁动力源。如电机、电焊机、电器设备等； 4）人工动力源。如爆破、人力施工等。 六、烟尘与粉尘及有害气体 1）烟尘排放； 2）煤及煤矸石自燃产生的烟尘； 3）矿区粉尘； 4）煤层气排放。,七、对地表水和地下水系的影响与地下水流失 1）采场挖损面积多达十几平方公里、采深多达800m， 影响地表水系和地下水系，降低地下水位，地下水严 重流失。 2）排土场占地面积多达十几平方公里、排弃高度达100m 以上，影响地表水系和地下水系，抬高地下水位。 3）采场内泵站排水、采场内和采场外钻孔与巷道疏干排水，是地下水流失的主要方式；排水沟和防洪沟， 改变地表水汇流与径流系统。 4）污染水系和水源。 5）井工采煤对地下水的影响。 6）井工采煤对地表水的影响。,八、岩土边坡的影响 1）滑坡、塌陷、水土流失、泥石流等环境灾害，危及周边地区的工业企业和居民建筑的安全。 2）坑内和外排土场排放的含煤矸石会形成大面积自燃，严重地污染周边的大气环境。 3）排弃物及与煤相伴生的多种常见有害元素例如重金属等通过地表水、地下水渗透，造成水质污染。 4）矿坑、排土场裸露的岩体、边坡产生大量的扬尘及有害气体，影响空气质量，危害市民健康，对生 态环境相当有害。 5）露天煤矿中，岩土边坡占有相当大的比重，而且维护非常困难，常出现反复现象，对安全生产的影 响非常严重。 6）露天与井工联合开采。 九、矿区“三废”的排放：废气、废水和废渣。,第二节 露天煤矿环境保护基本方法与对策,一、露天煤矿生产与矿区生态环境重建一体化 露天煤矿生产与矿区生态环境重建一体化，是指综合运用采矿工程和环境工程等相关专业知识与技术，对矿山工程和生态环境重建进行统一的评价、规划与设计，使得矿山工程与生态环境重建在工艺、工序和时空关系上协调发展的有序动态过程。 注意：露天煤矿生产与矿区生态环境重建在评价、规划与设计上的同步性，在工艺配置上的趋同性，在工序安排上的协调性，在时空关系上的前瞻性。,1）实现露天煤矿生产与矿区生态环境重建一体化，是煤矿企业自身和国民经济可持续发展的必然要求与必然结果。 2）煤炭能源的开发是我国国民经济发展的重要基础，而土地资源，生态环境，又是人类赖以生存的最重要条件，在两者必须同时兼备的情况下，其中最关键的问题是使被破坏的生态环境尽快恢复其生态功能，以促进矿区的可持续发展。 3）改善工农关系，缓解人多地少的矛盾。,二、露天煤矿生产与生态重建一体化 系统模型,1、系统模型 根据露天煤矿不同开采时期的特点，生产与生态重建一体化模型主要包括5 个子模型。 1) 人口模型 2) 经济模型 3) 生态系统模型 4) 景观模型 5) 基础模型：由土壤性质子模型、大气环境污染子模型和水文地质子模型组成。,2、系统模型的优化 针对生态重建目标变动性的特点，采用系统动力学模型优化的次优化理论和方法；针对目标长期性的特点，采用系统动力学的系统思考原理，创立学习型组织，并利用共性结构、系统基型等模拟分析工具，创造出一个结构和功能更加合理、协调和更富有活力，具有更加优越的整体性与一体性的新系统针对系统振荡性的特点，按照系统动力学原理，系统之宏观行为源自其微观结构。为减少系统的振荡行为，达到系统优化的目的，对露天煤矿生态重建系统的内部结构进行了重点分析。,3、系统模型的结构分析,采用系统动力学的因果关系描述露天矿生产与生态重建一体化系统模型的结构。 其中人口的增加将使景观模型中建筑住宅用地量增加，二者变化方向一致。人口增加将加大对粮食的需求，进而导致对农业用地量需求的增加，即人口与农业用地量的变化方向一致(用“+ ”号表示)。 工业用地量(开采量) 的增加将加剧土壤的退化，降低土壤肥力， 即工业用地量与土壤性质改善的变化方向相反(用“- ”号表示) 。,三、露天矿剥离与土地复垦一体化作业优化研究,1、表土剥离与土地复垦一体化作业模式与参数设计 待复垦土地所需表土量： 其中：S 为待复垦的土地面积，m2 ；h 为表土铺设厚度，m。,采场表土采集厚度： 其中：h2：为采场表土平均厚度，m ；k：为表土损失系数，k = 0.1050.110；为表土的松散系数，= 1.1081.125；S1 ：为采场当前可供采集的表土面积，m2。 复垦台阶最小工作平盘宽度组成 B2：复垦台阶最小工作平盘宽度，m；c：安全距离，m；b：复垦设备作业宽度，m；：复垦台阶坡面角，,2、表土资源流优化模型,目标函数 ： 其中，Z 为复垦作业费用，万元；C 为卡车运费，元/ (m3·km) ；Lij为从i 表土采集点(存土场) 到j 复垦点(存土场) 的运距，km； Xij为从i 表土采集点(存土场) 到j 复垦点(存土场) 的表土量，万m3 ；q为采装表土的费用，元/ m3； p为表土的铺设平场费，元/m3 ；d为堆存表土的费用，元/m3；m 为表土采集点数； n 为复垦点数。,(1) 采集点表土采集量约束,采集点表土的采集量等于运往复垦点的表土量， 即 其中，Bi 为i 表土采集点采集的表土量，万m3 式中， Aj 为复垦点j 所需要的表土量，万m3 ；B为存土场存土量，万m3； Bm + 1为需要从存土场采集的表土量，万m3。,(2) 复垦点表土铺设量约束,复垦点所需的表土量小于等于采集点运往复垦点的表土量， 即: 式中， An + 1为存土场所需要的表土量，万m3。,(3) 非负约束,Xij 0 ( i = 1，2，m + 1；j = 1，2，n + 1) 该模型是一个二维线性规划模型，模型中存土场具有表土采集点和复垦点的二重性，当i = m + 1 时存土场可视为虚拟采集点；当j = n + 1 时存土场可视为虚拟复垦点。模型具有通用性，充分考虑了表土资源量充足与否的各种情况，并将存土场纳入 了表土资源的规划之中。,第三节 景观生态评价方法,一、景观的分类及评价 景观分为自然景观、经营景观和人工景观。自然景观分为原始景观和轻度人为活动干扰的自然景观。如某些自然保护区。经营景观分为人工自然景观和人工经营景观，如农耕景观。人工景观是一种自然界原先不存在的景观，完全是人类活动所创造。如 矿山景观等。 景观的宜人性主要评价适于人类生存，走向生态文明的人居环境，因子包括：景观的通达性（位置、区位、交通条件易于到达）、生态的稳定性、环境的清洁度（洁净的大气、水、土壤环境，）、空间的拥挤度（单位空间的建筑密度和人口密度）及景色优美度 （景观美学质量得度量，含文化特征，景 观视域，绿色覆盖）。,二、矿区景观特点,露天矿区的斑块主要包括露天矿的采掘场、外排土场等矿山生产区及工业场地，如办公楼、储煤场、破碎站等。廊道主要为矿山运输道路、供电线路、铁路专用线等矿区线性工程，对于胜利露天矿区来说，其基质是草地。 露天开采和排土工程，不仅改变了原有地貌，而且加重了该地区的土壤侵蚀，对周边居住点及草场存在潜在威胁。可能导致草原植被破坏，生态环境质量下降，动、植物资源及种类减少。,三、矿区景观生态评价指标选取的原则,1)系统全面性原则。既要对生态、经济、社会和景观等各方面进行评价，又要将它们协调起来，进行综合评价； 2)景观生态原则。景观生态评价是以景观为研究对象，评选的指标应具有一定的景观生态学特征； 3)动态性原则。大型露天煤矿开采的周期时间较长，矿区景观格局时空会不断变化，评价指标应具有时间概念。 4)相对独立性原则。各指标之间应具有一定的相对独立性，不能重复使用； 5)可操作性原则。评价的关键在于评价方法是否可以操作，指标最好能量化，资料可以容易获取。,四、生态评价指标体系,第五章 智能矿山,目前，世界上出现的智能矿山管理系统，以Mining Modular System公司所开发的Intellimine为代表，是以计算机为基础，为矿山的生产提供完整的解决方案。Intellimine包括DISPATCH、ProVision高精度GPS系统、开放式报表系（FORMS）、Web报表以 及最新的MasterLink（无线电通讯系统）。 智能矿山核心软件是由许多标准化、模块化组成的实时多用户计算机监控系统组成，系统根据用户实际需要可灵活的生成标准用户软件，满足用户的需求。,1、卡车和电铲的调度,系统捕捉到所需的数据，然后通过线性规划计算，使卡车的排队时间和电铲的待装时间减少。这种设备利用率的提高是在考虑到混矿要求和生产限制条件的情况下实现的。通过统计挖掘速率，卡车停车到位时间，卡车排队时间，和操作延误时间，对造成延误和效率损失的原因进行分类和数量的统计，开发有关增产的策略，解决生