我国露天采矿技术发展趋势及展望

昌正林

（新疆圣雄能源股份有限公司黑山煤矿）

随着我国经济迅速发展，对矿石资源的需求越来越大，成本低、见效快的露天开采技术取得了迅猛的进步。目前我国各类矿石都存在露天开采，且占比较高［1］，国家对矿山的重视程度不断提高，并加大资金及技术的支持力度，促进了该行业的迅速发展［2-3］。

露天开采技术具有许多优点，开采效率高、自动化程度高、工作环境条件优良等。因此在矿产资源开采中，优先考虑露天开采方式［4］。20 世纪50 年代，我国总计建设了18 座大型露天矿，平均年开采量达到1 000万t，为我国提供丰富的矿产资源［5］。

本文对我国露天矿山的发展和现状进行了总结，并对露天矿山的发展提出了见解，以期为我国露天矿山的发展提供支撑。

1 露天采矿技术现状探究

1.1 概述

在过去的几十年里，我国露天开采技术取得了很大的进步，大多关键技术取得了突破性的进展，如陡帮开采工艺、大型深凹露天矿陡坡铁路运输系统、间断—连续开采工艺、高台阶采矿工艺等，不断弥补露天开采技术的缺陷。但是，我国的露天开采技术仍然还存在一些不足，一方面，国内露天矿的开采条件较国外差；另一方面，相比于国外大型露天矿，我国的露天开采在机械化、自动化以及智能化方面存在不足。据统计，全国目前涉及露天开采矿山近19万个，占地面积约2万km2。在京津冀及周边、长三角和汾渭平原等地区的38 个重点地级市，共有露天开采矿山2万余个，占地面积约2 200 km2。改革开放以来，为了支持国家的建设和发展，在露天矿山的技术和装备方面投入很大，对于我国露天开采技术的进步起到了巨大的推动作用［6-8］。宋子岭等［9-10］构建了基于绿色开采技术的生态环境评价体系，用于对露天开采过程的生态环境进行评价。赵浩等［11-12］建立了的绿色开采的技术，为我国类似的露天矿山开采提供了借鉴。随着互联网时代的到来，借助于5GF和5G技术，通过在矿山进行智能化信息技术的改造，可以实现矿山生产的高效性，大力推动企业的经济效益。张瑞新［8］认为对矿山企业进行智能化和信息化改造，可以大幅度提升矿山企业的生产效率，降低企业的成本。伴随着技术的进步和科技的发展，露天矿山深孔台阶爆破技术已经实现了电子化智能化的运用，这对于矿山企业朝着绿色开采理念的发展又近了一步［13-15］。目前我国多数露天矿山已经运用了很多智能化技术，但是部分矿山还是采取一些落后的作业方式，因为技术以及开采观念的落后，导致矿山成为阻碍经济发展、影响生态环保的一大难题。我国露天矿的开采技术随着时代进步也在更新换代，露天开采技术的推进对我国的经济发展具有巨大的推动作用。

1.2 我国露天开采特点

由于矿石必然会被一些岩石以及岩层覆盖，因此选择露天开采技术时，首先需要将覆盖的岩石和岩层剥掉，通过露天运输通道，将矿石运输至露天场地进行开采，目前该方式在金属矿和煤矿中较为常见。由于矿石所在的地形条件和开采条件并不相同，需根据其选择合适的开采方式，露天开采方式有以下特点。

（1）露天开采空间大，工作环境条件优良且安全，可采用大型设备。

（2）机械化、自动化水平较高，劳动生产率高。

（3）开采成本较低，矿石的损失较少，显著提升了矿石的利用率，大规模采场普遍存在。

（4）因需要购买大型开采设备，同时设备裸露在地表上，易受到天气和气候的影响，导致设备损坏或开采效率降低。

（5）在矿石开采过程中，必然会产生大量的粉尘，同时将岩石或岩层爆破后，也会将有害物质扩散至环境中，造成大气、水以及土壤的污染。将矿石裸露地表，需将岩土和岩石运输至制定地点，在运输过程中掉落的残渣也破坏周边的生态环境。

1.3 我国传统的露天开采工艺探究

（1）爆破技术是采矿的重要技术之一，无论井下开采还是露天开采都需要将矿石采露出，因此必须确保做好爆破工作。随着矿产开采技术的发展，爆破技术虽然不断优化，但仍然会有新的难题出现。科技力量的提升为爆破技术带来全新的辅助材料和设备，如新型炸药和爆破辅助设备，使爆破的精度显著提升，防止爆破过程中矿井坍塌的问题，也避免生态环境遭受破坏。总体而言，我国爆破技术还仍然处于发展阶段，需不断精进。

（2）陡帮开采技术也是露天采矿工作的关键技术之一，该技术直接与露天采矿量和矿石质量挂钩。自20 世纪50 年代以来，我国亟待解决的问题就是快速发展工业技术，因此采矿工程快速兴起，目前我国采矿以进入了深凹开采阶段。深凹开采使采矿场地的环境进一步恶劣，由于环境因素的影响，造成员工的工作效率日益低下。因此必须高效应用陡帮开采技术，现阶段应提高对该技术的重视程度，将其广泛应用于露天采矿作业中。

（3）高台阶采矿技术。采场的开采效率以及开采质量和台阶高度有很大的关系，适宜的台阶高度对于钻孔效率和运输效率提升具有重要的意义，同时合理利用采场空间，避免空间资源浪费。我国近年来已进行了许多测定台阶高度的试验，促进矿山的开采作业效率提高，当然不同环境和矿石种类的矿场高台阶采矿工艺适宜的高度也不同。

（4）排防水技术。由于在地表进行生产，因此露天采矿易受到气候的影响，必须重视采矿场地的排水和防水问题，以保障采矿效率。露天采矿作业时，一旦下雨，轻则影响采矿效率，重则影响机器设备损坏，造成巨大的经济损失。现阶段，主要利用截水沟、防洪堤坝等措施将地表流水体进行疏导，避免地表水汇入采坑中影响开采作业的安全性，同时也保障矿石的质量。

（5）边坡稳定性技术。边坡问题作为一种地质问题，很早就出现在人类的生活当中，在人们的居住和生产过程中，往往会遇见滑坡泥石流等自然灾害。露天矿边坡包括开挖后端帮形成的岩质边坡，以及排弃物料堆置形成的排土场边坡，对于露天矿边坡来说，其稳定性不仅仅受到自然条件的影响，还受到露天矿开采时的各种采动影响，端帮边坡受到开挖、运输荷载、爆破震动等人为因素影响，而排土场边坡则受到排土、堆置工艺影响。且露天矿边坡往往更加高大，地质条件复杂，对露天矿边坡稳定性的研究对边坡工程的发展起到推动作用。

2 主要存在的问题

2.1 开采智能一体化问题

我国金属矿山行业中应用的技术相比于国外技术而言，遭受着更大的压力，如生态环境、能源紧缺等，因此技术的发展存在一定的难度。虽然我国矿产资源非常丰富，但人均占有量较小，而且浅部易采的矿石已经开采完，而深部的矿石资源由于环境复杂，极为难采，需要大量的资金投入。我国的露天开采技术处于国际前端，但开采智能一体化相比于国际先进水平仍然存在一定的差距，矿山产能较低，无法带来更大的经济效益。为此，需加强采矿专业的研究，通过科学力量和技术的发展，可以减少资源开采过程中的成本，同时提高我国矿石的利用率，减少我国对外采购矿石量。露天采矿技术目前主要存在的问题有机器设备落后，设备自主研发能力、采矿设备产业化制造能力、智能化控制能力较弱，整体一体化技术仍然不足。开采智能一体化矿山的“数字化、自动化、智能化”是循序渐进的，而对于我国露天矿山来说，目前开采智能化仅仅只实现了部分设备的自动化，还未实现真正意义上的智能化，而对于智能化最重要的数字化来说，基本上处于初级阶段。对于构建智能化中央控制平台方面，仅实现数据的共享处理，对于大部分露天矿山来说，还有很长的道路要走。

2.2 边坡稳定性问题

在露天矿山的开采过程中，由于开采工艺的原因，裸露的端帮以及开采后废弃的剥离物料堆置，形成了很多边坡，而这些边坡的稳定性是保证露天矿山安全生产的重要因素。露天矿采场端帮边坡由构成边坡的各个岩体组成，露天矿排土场边坡由排弃物料以及下方的基底组成，还受到地下水、断层、节理等地质构造影响。

排土场稳定性是露天矿山不可避免的问题，如果排土场的安全问题不能得到重视，那么整个露天矿山的后续工作都会受到巨大的影响。排土场的正常运行对于露天矿山的生产运营安全以及经济效益有着重要的意义。对排弃物稳定性分析的需求不仅仅局限于露天矿，在各种废料、物料的堆置过程中，如垃圾场、石料场等都涉及到边坡稳定性问题，物料的堆置坏境、地质条件不同，对稳定性分析方法要求也不同。我国大部分地区的地质条件偏复杂，随着社会经济的发展，在复杂地质条件下进行的物料排弃工作不断增加，对排弃物料边坡的稳定性计算以及滑坡灾害的防治提出了新的要求。2023 年2 月23日，内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善左旗一露天煤矿发生大面积坍塌事故，该事件表明，我国部分地区露天矿山边坡的稳定性问题一直存在，要加强对露天边坡的稳定性控制。

3 露天采矿技术发展建议

3.1 融入5G新技术

随着社会的进步，信息技术和科技技术在我们的日常生活中广泛应用，为露天矿山生产提供优良的设备基础，同时也能优化采矿工艺环节，缩短采矿周期。如自动控制技术、数字化技术等使露天采矿工作高度智能，降低人工成本，同时也提高工作的安全性，减少了工作量。

露天采矿未来的发展必然是朝着自动化、高度智能的方向发展，实现脱离人工进行作业。由于采矿作业的工艺较为复杂，需要应用诸多的采矿设备和技术，因此需合理选择采矿设备，促使每个工艺能完美衔接。此外，随着5G 技术的普及，5G 技术与智能采矿相结合的技术必然会对露天采矿业产生翻天覆地的变化，借助于5G 技术可以使露天采矿实现数据传输及时化、现场作业可视化、信息预警瞬时化等，将会极大地提高生产力。在5G 通信网络的基础上，构建数字矿山向智能矿山转型的数据传输快速通道，可实现采矿设计、计划、生产配矿、调度和决策等过程的智能化。同时，和5G技术一样，露天采矿技术的发展需要理念先行，紧跟时代的潮流，随着时代而进步。

3.2 推进高效化、智能化发展

由于露天开采技术水平快速提升，露天开采作业的矿岩爆破方式已经发生巨大的改变，同时运输模式和运输设备也发生了变化，由铲装设备装载运输变为集约化开采运输。采矿设备数量较大，且大多都为大型设备，因此矿场需要具有较大的载荷量以便所有设备能够正常运行和使用，此外开采设备也有待更换，采用更加智能化的设备，不仅缩短了运输周期，也增加了运输量。

大型露天矿山高效化、智能化的开采是未来露天采矿的发展趋势，相比于传统的移动式运输，露天开采生产智能化与矿山工程的一体化管控有利于露天开采的进行，通过建立矿石开采、装载、破碎、运输一体化系统，实现矿石产业集约化发展。在开采矿石时，运用信息技术和互联网技术实现采矿设备集约化控制，为矿山开采作业的科学化管理和智能化管理奠定基础。同时，借助于智能化的实时监控技术，通过自主开采技术和监控设备，实时监测采矿设备，以便工作人员采取相关的防护工作，同时也能及时处理故障设备，保障矿山的开采效率，减轻工人的劳动强度，推进采矿的智能化。人是整个露天开采过程的核心，要保证露天开采的顺利进行，人是永远不可忽视的重要因素。在推进露天开采高效化、智能化发展的过程中，增强人工工效是所有工作之中的重中之重。要在保证人的生命安全和职业健康安全的基础上，实现人机效应最优化，实现工人作业过程的最大舒适感。高效化、智能化的发展必然会带来人工成本的降低，以及对人力资源需求的降低，在大力推进露天采矿技术高效化、智能化发展的同时，也不能忽视了人在智能化发展中的核心地位，兼顾人力的同时，合理推进发展。

3.3 推进绿色化、环保化发展

众所周知，矿山开采后必然会对矿区和周边的环境造成一定的危害。而露天开采对周边环境的危害最为严重，不仅造成矿坑内粉尘污染，还扩散至周边的环境，随大气、水快速传播，因此矿山企业也必须更加注重环保，这也是该行业亟待解决的问题之一。

为促使露天开采满足可持续发展战略，朝向环境友好型的露天矿山发展，从降低开采成本和减少粉尘污染等方向突破，从多个角度响应国家策略的号召，需要在开采全过程中加强环境保护工作，恢复被污染的土地。选用节能且环保的采矿设备，严格遵守国家颁发的相关法律法规，降低矿场的污染指标，同时实时监测开采场地周边的环境破坏程度。在露天矿山开采过程中，不断地融入低碳和生态保护理念，才能更好地实现绿色开采，才能在最合理的范围内实现整个产业的可持续发展；保持露天开采从设计—施工—开采—销售—最终闭矿的全过程的绿色开采，为减少碳排放、节能减排、循环发展做出贡献；摒弃传统矿山粗犷的发展模式，不以牺牲环境来带动经济的发展。

3.4 实现固废边坡综合防治，减少自然灾害发生

矿山开采过程中会产生一定数量的废石和尾矿等废弃物，必须进行相关的处置，否则不仅造成采场环境污染，还可能造成泥石流等自然灾害。一方面，矿山开采的过程中，必须对场地进行全过程处理，实现矿山开采过程中的边开采边恢复，保证边坡全过程安全；另一方面，要加大对露天开采过程中边坡的在线监测，同时对危险边坡进行评估，保证露天开采过程中的绝对安全。防患于未然，实现边坡在线监测与5G 技术的融合，实现全天候监测、灾害智能预警，保证人民的生命财产安全。

4 展 望

科技的发展为金属矿山采矿技术提供发展基础，随着5G技术及智能化技术的发展，建设了以物联网、地理信息系统、虚拟模拟技术为核心的智能可视化控制平台，5G 通信、智能传感、全球和定位等方法共同构建智能矿山，结合大数据的分析和处理方法，实现矿山生产和安全智能化集中控制。随着我国工业和科技的发展，以工业4.0 视角和互联网+的角度，露天矿山必须走向矿山工业4.0 和矿山互联网+的模式，增强矿山的工业竞争力，跟上互联网+的时代，推动矿业可持续发展。

伴随着碳达峰、碳中和在全国的推广，我国露天矿山行业要积极跟进，实现低碳的任务，实现采矿源头低碳绿色生态减损，为我国的绿色低碳可持续发展贡献一份力量。大力推进露天矿山绿色开采技术，充分利用一切可以利用的资源，防止或尽可能减轻露天采矿对土地、空气、水以及地质灾害的不良影响，使露天矿山实现高效率、低能耗、低污染、低排放。

最后，要继续加强露天开采技术基础理论研究，实现基础理论研究先行，让基础理论成为推进露天开采技术飞跃发展的重要推力。