露天采煤安全技術發展與展望

1958年後，國家大力發展露天采煤，並著手開始平朔、元寶山、霍林河等大型露天煤礦的籌建工作。為適應露天采煤事業的發展，國家決定加強露天采煤技術的研究力量。1965年科研人員發展到近100人，1985年煤炭科學研究總院撫順分院成立露天采煤安全研究所，並投資裝備了邊坡岩石力學、邊坡岩體變形監測及儀表、輪鬥挖掘破碎機理、爆破震動測試、礦山設備性能測試、計算機信息中心等試驗室。

47年來，露天開采安全研究所在開采工藝、采礦設備更新換代、爆破技術及器材、邊坡穩定性及邊坡變形監測技術、計算機技術在露天礦山的應用、露天礦生產的監控技術、地質災害及環境評價等方麵，進行了大量的研究工作，共完成各類科研課題150餘項，為礦山安全高效生產提供了可靠的技術保證，為我國露天采煤技術的發展做出了貢獻。

尤其是1981年至今，共完成各類課題110餘項，是前24年的2.7倍，其中有32項成果獲得國家、省、部級科技進步獎。

1采礦工藝、裝備、爆破技術及器材的研究

1．1 采礦工藝

20世紀50年代露天開采安全研究所先後完成了撫順西露天礦技術改造方案設計，海州露天礦開拓方式、開采方法的研究，露天水力機械化采煤的研究等。

1963年——1965年會同中國礦業大學、沈陽煤礦設計院等單位踏勘了西部四省的31個礦點，規劃了17個露天煤礦，研究確定了技術發展方向、開拓開采方式和工藝技術等，為80年代我國露天煤礦的建設發展打下了基礎。

60年代中期，進行了平朔礦區開采工藝技術的研究，提出了年產量500~1000萬t的開拓開采方案。方案中包括連續工藝、鐵道運輸工藝、吊鬥電鏟、內部排土等多種聯合工藝，是我國第一次進行特大型露天煤礦開采工藝技術的研究，其技術水平達到了當時的世界水平。

為了配合五大露天煤礦的開發建設，承擔了煤岩切割阻力測試技術、元寶山露天礦地下水疏幹方法、北方嚴寒地區防止剝離物料粘車、粘膠帶的防凍技術的研究。在撫順西露天礦進行的防粘車現場試驗和耐寒運輸膠帶低溫試驗在我國尚屬首次，其成果應用於現場取得了較好的效果。

80年代麵對老露天礦進入深部開采、開拓延深困難的局麵，參加了技術改造的研究。特別是多次參加撫順西露天礦的技術改造設計，最終提出了上部鐵道運輸，深部汽車、膠帶運輸機聯合運輸，內部排土分布區開采的設計方案。為配合這一方案的實施，進行了西區強化開采和西區提前實現內部排土方案的研究。方案已實施多年，取得了很好的經濟效益。

1． 2露天開采裝備技術

1957年完成了“120B電鏟發電機外特性改善研究”，提高電鏟工作效率5%~10%，降低了電氣和機械故障；“露天礦用12t架線式電機車可控矽脈衝調速的研究”，使機車的故障率大大降低，節電約12%。

60年代後研製了Q 2—M64型潛孔鑽機。該鑽機還可以鑽0~30度的傾斜孔；針對中硬岩石研製了LH—200型回轉鑽機，該鑽機可使用切削、牙輪、潛孔等多種鑽具，其效率為衝擊鑽的3~5倍。與吉林重型機械廠聯合研製了ZX—150型旋轉鑽機；1986年研製的KY——150型牙輪鑽機台班效率達到了71.5m，最高178m，是潛孔鑽機的2.54倍，衝擊鑽機的6.9倍；研製的QZ3——150型三翼回轉切削鑽頭，其壽命與美國的三翼鑽頭相同，達到 2500m，其價格僅為美國鑽頭的42%，取代了進口，長期在霍林河露天礦應用。

與杭州重型機器、上海膠帶運輸機械廠、撫順挖掘機械廠共同承擔了我國第一套連續工藝設備的研製和試驗。包括輪鬥挖掘機、膠帶運輸機、PS——1000型排土機、YG——15型膠帶移設機和YR——1組合膠帶接頭硫化機，結束了我國不能生產連續工藝設備的曆史。80年代由杭重和天工所研製了我國第一套中型輪鬥挖掘機。露天開采安全研究所，參加了全部工業試驗和性能測試，完成了成套設備的機械性能測定和生產能力考核，開創了礦山設備性能測試的先河。

無寶山、準格爾等大型露天煤礦都部分采用了輪鬥一膠帶連續工藝，並從國外引進了大型輪鬥挖掘機。為配合這些單位的輪鬥挖掘機設計和設備驗收任務，又進行了煤岩切割阻力、輪鬥挖掘機切割破碎機理、輪鬥工作機構設計理論、輪鬥挖掘切割力和機械性能測試等方麵的研究。

通過對元寶山、撫順、小龍潭、昭通、霍林河、準格爾、伊敏等露天礦的煤岩切割阻力進行的研究和測定，提出了我國煤岩切割阻力理論和切割阻力及輪鬥挖掘機切割力的測定方法，填補了我國在這一領域的空白，達到國際水平。其成果獲煤炭工業部科技進步二等獎。並用上述理論和測試技術完成了準格爾和元寶山兩露天礦連續工藝係統的機械性能測試和生產能力考核，為礦山把好了進口設備關。

在此期間露天開采安全研究所建成了世界上最大的鬥輪挖掘機試驗裝置，鬥輪直徑達0.95m。通過該裝置可模擬不同岩性的切割阻力和挖掘機切割力測定，研究鬥輪挖掘機的合理工作參數。如：鬥齒受力狀態、鬥齒形狀、鬥齒排列方式、切割速度、回轉速度、刨片尺寸、鬥齒材料的耐磨性等。所研製的單鬥電鏟鬥齒的壽命為普通鬥齒睥2.5~3.0倍。

1． 3爆破技術及器材

為解決撫順西露天礦高段采掘的爆破質量問題，1956年開展了高段爆破技術的研究。

1972年——1973年在海州露天礦采用了壓碴爆破方法，1985年完成了“提高海州礦塊煤率爆破方法的研究”，采用爆速為2700~3200m/s的低威力炸藥、空氣柱充填、優化布孔參數、微差延期爆破技術，減少了壓碎區，降低了斷裂、碰撞、摩擦破碎，使塊煤率提高2.83%，1992年進行了“大型露天煤礦爆破技術優化”的研究，通過安太堡露天礦的試驗，使該礦的炸藥定額由0.45kg/m3.降低到0.319 kg/m3.，綜合成本約1053.6萬元，剝離量增加20%以上。

此外還與沈陽部隊工程兵合作研製成功了B2、B3液體炸藥、液體炸藥混藥車、四路起爆器等，並完成了安太堡、準格爾、霍林河、撫順西露天等礦的爆破震動測試和減震技術的研究。

2 邊坡穩定性和監測技術研究

2．1 邊坡穩定性研究

邊坡穩定技術的研究始於20世紀50年代中期。1953年海州露天煤礦投產，撫順西露天煤礦完成改造後，不久在非工作幫就多次出現邊坡滑落現象，嚴重影響正常生產和設備安全。針對上述2礦的滑坡開始了邊坡穩定性研究工作，主要研究內容為非工作幫的工程地質條件、岩石物理力學性質、滑坡形成的條件和穩定性03manbetx 方法、確定邊坡失穩的範圍及防治措施。

1961年撫順西露天礦發生了4次百萬立方米的大滑坡，其中3號滑坡體危及西大巷提升煤道的安全。我所科研人員參加多部組成的治理工作組，完成了削坡、減重、疏幹、加固等措施的設計和施工，確保了提升係統的正常生產。

經過這一階段的研究工作，建立了一套露天礦邊坡穩定性研究理論及工作方法，培養了一支科研隊伍，並建立了岩石力學試驗室。邊坡工程研究已成為露天開采安全研究所的主導專業，也是國內最早開展邊坡工程研究的專業單位之一。並多次參加非煤露天礦山和長江三峽滑坡的治理論證。隨著我國露天采煤的發展，先後承擔了國家、煤炭部的重大研究課題，完成了撫順、阜新、平莊、安太堡、準格爾、小龍潭、義馬等露天煤礦的邊坡穩定性研究和滑坡防治工作。至今共完成各類科研課題共60餘項，其中12項成果分別獲得省、部及國家一、二、三等獎。

2．1．1 基礎研究

（1） 工程地質勘察技術。地質構造和岩層賦存條件，特別是軟弱岩層的狀況是形成滑坡的內在因素，查清地質構造是確定滑坡體的規模、滑動模式、穩定03manbetx 和防治措施的依據。常規的方法是地表地質結構調查、鑽探、巷探。

隨著雷達探測技術和地震波探測技術的發展，無鑽勘察地層及地質構造的目標得以實現。1993年在研究撫順西露天礦西南幫邊坡穩定項目中，用淺層地質雷達儀成功地確定了影響該地區邊坡穩定的軟質凝灰岩的賦存狀態及分布規律。

在岩體結構03manbetx 方麵，根據岩體裂隙性的特點，應用了隨機模擬，計算機數字模擬方法，以及用岩體質量指標及QD分級來確定岩體的完整性，從而計算岩體結構對邊坡穩定的影響。

（2） 水文地質及地下水監測。邊坡岩體中地下水的存在不僅弱化岩石強度，特別是降低了弱層的抗剪強度，使邊坡沿弱層滑落。而且隨著地下水位的升高，浮托力增大降低了邊坡體的抗滑能力。因此地下水的勘察多采用地表調查和鑽水文孔，通過取岩樣測定岩石的含水量，作分層注水試驗，確定岩層的含水規律和水力聯係，建立水力模型。

在“七五”國家科技攻關項目“邊坡安全監測係統的研製”課題中研製了壓阻式地下水監測係統，可隨時測得地下水的壓力，具有精度高、分辨率高、輸出信號大、可實現集中控製、自動記錄等特點，提高了地下水的監測水平。

（3） 岩石力學性質。邊坡岩體物理力學性質的研究和指標測試，是為邊坡設計、穩定性評價與治理提供科學依據了。從60年代開始采用了巷道內和平盤上的原位試驗方法。為了配合原位試驗設計研製了專用壓力盒和千斤頂等推力裝置。並用這種方法完成了撫順、阜新等露天礦各種軟岩的力學指標測定，為邊坡穩定性評價和治理提供了可靠依據。

從70年代後加強了岩石力學試驗室的建設，先後購置了DJY——4四聯等應變直剪儀、GJY——2高壓等應變直剪儀、SJ——IA三軸剪力儀、XD——1點荷載儀、JQ——200岩石剪切流變儀、土壤流變儀等試驗裝置，以及物理指標測定儀表。為了模擬岩石在自然狀態下的流變強度，建立了恒溫、恒濕的流變試驗室。

測定排土場排棄的散體物料的力學指標，對排土場邊坡設計和穩定性評價至關重要。1988年購置了SZ-30-2A土大三軸剪力儀，建立了散體物料力學試驗室。試樣是用散體物料按一定的顆料比例製成。這套裝置先後完成安太堡、準格爾、無寶山、撫順、伊敏河等露天礦土場物料的力學指標測定，為排土場邊坡穩定性評價提供了參數。正是在三軸試驗中發現了黃土基底含水層孔隙水壓消散速度與重力和加載速度之間的關係，揭示了在高速排土條件下排土場滑坡的原因。

（4） 滑坡模式與模擬技術。露天煤礦的滑坡模式具有沉積岩層的特征，主要受軟弱岩層所控製。層理、節理、斷層是控製滑坡模式的主要因素。

1984年我所建成了國內最大的底麵摩擦模擬試驗裝置，可無級自動調速。底麵摩擦法是二維物理模型，適用於節理化岩體的組合相似材料，可以改變模型的形狀以代替開采工程活動，預測未來邊坡的變形規律及滑坡模式。

在“七五”國家攻關項目“撫順西露天礦北幫邊坡穩定性研究”課題中用離散單元法成功地模擬了傾倒滑體的形成條件、變形過程和規律、應力分布和變形範圍。從計算機數學模型中清楚地看到邊坡上部F1斷層以北的岩體作為主動推力段推壓F1以南的向斜構造的北翼（向斜構造北翼傾角大，南翼平緩）而傾倒，進而推動南翼滑行，形成傾倒滑移滑坡模式。

（5） 邊坡穩定03manbetx 方法。在撫順西露天礦北幫邊坡穩定分析中，針對曲麵楔體滑坡和傾倒滑移變形，提出了曲麵楔體、傾倒滑移體穩定分析理論和計算方法。達到世界先進水平。

Sarma邊坡穩定性評價方法是極限平衡分析方法的新發展。其特點是：它可用來確定具有各種形狀滑動麵的邊坡穩定性，諸如平麵滑坡、楔體滑坡、圓弧滑坡的非圓弧滑坡等各種複雜滑動麵的岩土邊坡均可用之分析：它無須條塊側邊垂直，可任意分塊，從而可以分析各種特殊工程地質結構的邊坡；允許不同的條塊側邊和底麵被賦予不同的強度參數；它考慮了地下水壓和地震因素對邊坡穩定的影響。露天開采安全研究所率先將此方法引入國內。在撫順西露天礦邊坡分析中作了具體說明，編製了適用於HP41CV型可編程序計算器的彙編語言程序。並將此分析方法推廣到國內其他行業，使該方法得到普遍的應用。

（6） 滑坡防治技術。①削坡減重，采用自上而下的清理緩坡措施。緩坡起到了穩定邊坡的作用。②抗滑樁加固，采用鋼筋混凝土樁加固邊坡。③控製地下水壓變化，地下水是影響邊坡穩定的重要因素，多數邊坡失穩破壞都是由於地下水的失控所造成。因此，大量采用了水平放水孔和疏幹巷道等方法，降低地下水位，防治邊坡滑落。為此，建立一套水平放水孔設計方法和計算機地下水網絡模型及地下水壓監測係統。

2．1．2 黃土基底排土場邊坡穩定性研究

1991年10月29日0：10，安太堡露天礦南排土場發生了大型高速滑坡，一瞬間滑體滑出近300m。滑坡體積約1000~1300萬m3，是我國露天煤礦發生的最大滑坡。滑坡破壞了平朔公路、礦區公路、洗車間、排水溝等設施，損失巨大。我所承擔了滑坡研究和治理工程設計。查清了黃土基底坐落式高速滑坡的機理，提出了清理、削坡減重、治水、局部支擋等綜合治理措施。經過治理，邊坡達到了穩定，恢複了平朔公路和礦區公路，僅不繞線恢複平朔公路就節約資金1億多元。

在研究以黃土為基底的排土場滑坡中提出了高荷載作用下基底土層演化弱層的概念，並研究了它的形成機理，建立了相應的微觀結構模型。建立了相應的穩定性評價方法和工程治理方法。在安太堡礦西排土場和準格爾黑岱溝露天礦北排土場邊坡穩定性研究中，應用上述理論進行評價和治理，使排土場的排棄高度增高，排棄容量增大。其中西排土場增高30m，容量增加17%。

2．1．3 深入邊坡穩定性研究

進入80年代，撫順、阜新、平莊等露天煤礦相繼進入深部開采，邊坡高達300m左右，複雜的地質條件和開采活動，使邊坡出現多次滑落。

針對這一問題，從1982年以來，相繼開展了“撫順西露天礦西北幫到界邊坡穩定性研究”（部重點題）和國家“七五”攻關課題“撫順西露天礦北幫邊坡穩定性研究”，總結出了座落式滑移、傾倒滑移變形以及曲機楔體三維分析等計算方法。提出了部分區段適當壓煤減緩到界邊坡境界；水平放水孔和疏幹巷道聯合疏幹法降低邊坡內部的水壓；局部采用灌漿加固，長錨杆加固和抗滑樁加固工程；加強西區開采實現內部排土等邊坡整治措施，確保邊坡穩定。

1995年完成了“深大露天邊坡工程評價計算機係統的研究”，編製了包括工程地質、水文地質、岩石力學、邊坡變形動態、穩定分析、工程設計CAD軟件。為露天礦實時評價邊坡穩定狀態提供了科學依據和手段，實現了邊坡管理現代化。

2．2 邊坡變形監測技術及儀器

常規的監測方法是地表岩移觀測法。該方法隻能了解邊坡岩體變形發展到地表位移後的變化，而無法了解岩層深部的早期變形規律，以及滑麵的位置、變形模式及範圍、變形發展趨勢等。特別是了解邊坡早期變形的規律，將為滑坡治理贏得寶貴時間。我所從1978年開始研究體內部變形觀測方法及儀表，經過在阜新海州礦、焦坪露天礦和義馬北露天礦的反複試驗，於1982年研製出應變式滑坡位移傳感器。

1983年在應變式滑坡位移傳感器的基礎上，研製成了KS——1型高精度應變式傾斜儀，它既可觀測岩體內部變形，又實現了便攜帶、移動式，一機多用。

在“七五”國家攻關項目“邊坡安全監測係統的研製”中，於1989年由我所主持研製了PSH型雙向伺服加速度計式測斜儀監測係統。其中測斜儀是用伺服加速度計（原用於航空設備監測）作為測斜元件，在測斜儀中放置兩個相差90。角的加速度計，這樣同一個測斜儀就可以同時測量兩個垂直平麵的傾斜，完成雙向測斜。該測斜儀配以地麵智能測錄儀，記錄測斜儀所測數據。

PSH型測斜儀研製成功以來，先後完成了撫順西露天礦工作幫邊坡、阜新海州礦非工作幫滑坡、安太堡南排土場滑坡、安家嶺排土場邊坡、小龍潭布昭礦西北幫邊坡的邊坡監測工作，為邊坡穩定分析和滑坡治理提供了可靠的數據，近幾年來又研製了測斜儀無纜測試係統和方位儀，進一步完善了PSH型雙向伺服加速度計式測斜儀係統，使測量工作更方便、數據更精確。

1992年完成了邊坡岩體沉降監測裝置的研究，實現了岩體內部垂直變形的監測。通過測斜儀和沉降儀，使露天礦邊坡監測實現了三維動態觀測。1995年研製了滑坡中、後期大位移量固定式位移傳感器，實現了邊坡變形中、後期大位移量的監測，從而使邊坡地下位移監測係統更完善。

3智能技術的應用研究

3．1計算機技術在露天礦山的應用

我所於80年代初成立了計算機中心，開始了計算機技術在露天煤礦應用的研究。承擔並完成了“霍林河礦區75B汽車配件計算機管理係統”、“準格爾煤炭工業公司一期工程（包括煤、電、運）管理係統的可行性研究總體規劃與係統分析總體設計”、“層狀礦床地質模型建立方法及黑岱溝露天礦礦床地質模型建立”、“露天礦CAD測量驗收係統”等課題。成果應用於礦山後大大提高了管理水平。特別是“CAD測量驗收係統”應用後節省了大量現場測量和計算工作，提高了算量的精度和減少了勞動強度。

從1993年開始研究露天電鏟卡車優化調度係統，與中國運載火箭研究院北京長征航信衛星導航技術有限責任公司聯合開發研製了COTOD（科通達）露天礦卡車電鏟優化調度係統。該係統於1997年在伊敏華能東電煤電有限公司一露天礦投入運行，1998年通過國家鑒定。

係統通過對車鏟位置、狀態、速度、運行方向、時間等信息的采集，實現對車鏟工作位置與狀態的實時跟蹤、顯示，優化調度車隊運行；及時準確地查詢統計當前生產情況；起到優化調度、準確執行生產計劃、提高設備效率和經濟效益的作用。

COTOD係統在伊敏露天煤礦使用以來，使生產效率提高了8%。該係統性能價格比明顯優於國外同類產品，填補了國內自主開發露天礦優化調度係統的空白。

3．2 設備性能測試與生產監控技術

礦山測控技術包括采礦設備的測試和生產過程的監控。

80年代各大型露天煤礦引進了大量的大型載重汽車和國產汽車。為測試大型載重汽車的性能和對礦山條件的適應性，我所從日本、瑞士、德國等購置了先進測試儀表，組建了礦用汽車性能測試試驗室。承擔了國務院重大裝備辦公室下達的大型自卸汽車性能對比測試、108T礦用自卸汽車性能測試、SF——3103耐寒型108t電動輪自卸汽車測試。對汽車基本性能、燃油消耗、振動平順性、在礦山道上運行的適用性等測試近100項。

近年來又把生產過程的監控作為研究重點。伊敏河露天礦卡車電鏟優化調度係統研製成功，實現了露天礦電鏟卡車運行狀態的實時監控和調度。最近研製成功的GL——6kV高壓供電保護櫃，主要用於煤礦高壓電動設備6kV中性點不接地供電係統的供電及漏電、過流、短路保護。通過遙測、遙控係統實時監測高壓電動設備的電流、電壓值。在伊敏露天礦用該保護櫃實現了多台電鏟供電狀態的集中控製。

4展望

46年成就碩果累累，令人欣慰，使人振奮。展望未來，擺在我們麵前的任務仍十分艱巨。隨著平朔煤炭工業公司安家嶺露天礦、平朔三礦、伊敏煤電公司露天礦二期工程籌建、勝利煤田的開發和準格爾黑岱溝露天煤礦擴建，將使我國露天采煤業再上一個新台階。為此，我們將繼續改革科研體製，攻克技術難關研究出適合我國大型露天煤礦生產發展和管理水平的先進技術。要研究適合各種地質條件下的開采工藝，特別是無運輸開采工藝；要繼續深入地進行計算機在露天礦山的應用研究，實現大型露天煤礦生產計劃的計算機設計，生產過程的監控和優化調度，提高現代化露天礦的管理水平；將電鏟卡車優化調度係統進一步完善，做好推廣工作；研究硬岩、高段條件下的爆破技術，提高爆破效果，充分發揮采掘設備的效率；加強邊坡穩定性研究和邊坡變形監測新型儀表的研製；深入開展礦山地質災害和環境的評價，研究廢棄礦山的綜合利用；加強檢測、監測手段與技術的研究；重視實驗手段的建設、更新；在積極開展技術開發服務的基礎上，加大基礎研究的投入，重視人才培養。