露天采煤安全技术发展与展望

　　1958年后，国家大力发展露天采煤，并着手开始平朔、元宝山、霍林河等大型露天煤矿的筹建工作。为适应露天采煤事业的发展，国家决定加强露天采煤技术的研究力量。1965年科研人员发展到近100人，1985年煤炭科学研究总院抚顺分院成立露天采煤安全研究所，并投资装备了边坡岩石力学、边坡岩体变形监测及仪表、轮斗挖掘破碎机理、爆破震动测试、矿山设备性能测试、计算机信息中心等试验室。
　　47年来，露天开采安全研究所在开采工艺、采矿设备更新换代、爆破技术及器材、边坡稳定性及边坡变形监测技术、计算机技术在露天矿山的应用、露天矿生产的监控技术、地质灾害及环境评价等方面，进行了大量的研究工作，共完成各类科研课题150余项，为矿山安全高效生产提供了可靠的技术保证，为我国露天采煤技术的发展做出了贡献。
　　尤其是1981年至今，共完成各类课题110余项，是前24年的2.7倍，其中有32项成果获得国家、省、部级科技进步奖。
　　1采矿工艺、装备、爆破技术及器材的研究
　　1．1 采矿工艺
　　20世纪50年代露天开采安全研究所先后完成了抚顺西露天矿技术改造方案设计，海州露天矿开拓方式、开采方法的研究，露天水力机械化采煤的研究等。
　　1963年——1965年会同中国矿业大学、沈阳煤矿设计院等单位踏勘了西部四省的31个矿点，规划了17个露天煤矿，研究确定了技术发展方向、开拓开采方式和工艺技术等，为80年代我国露天煤矿的建设发展打下了基础。
　　60年代中期，进行了平朔矿区开采工艺技术的研究，提出了年产量500~1000万t的开拓开采方案。方案中包括连续工艺、铁道运输工艺、吊斗电铲、内部排土等多种联合工艺，是我国第一次进行特大型露天煤矿开采工艺技术的研究，其技术水平达到了当时的世界水平。 把安全工程师站点加入收藏夹
　　为了配合五大露天煤矿的开发建设，承担了煤岩切割阻力测试技术、元宝山露天矿地下水疏干方法、北方严寒地区防止剥离物料粘车、粘胶带的防冻技术的研究。在抚顺西露天矿进行的防粘车现场试验和耐寒运输胶带低温试验在我国尚属首次，其成果应用于现场取得了较好的效果。
　　80年代面对老露天矿进入深部开采、开拓延深困难的局面，参加了技术改造的研究。特别是多次参加抚顺西露天矿的技术改造设计，最终提出了上部铁道运输，深部汽车、胶带运输机联合运输，内部排土分布区开采的设计方案。为配合这一方案的实施，进行了西区强化开采和西区提前实现内部排土方案的研究。方案已实施多年，取得了很好的经济效益。
　　1．2露天开采装备技术
　　1957年完成了“120B电铲发电机外特性改善研究”，提高电铲工作效率5%~10%，降低了电气和机械故障；“露天矿用12t架线式电机车可控硅脉冲调速的研究”，使机车的故障率大大降低，节电约12%。
　　60年代后研制了Q 2—M64型潜孔钻机。该钻机还可以钻0~30度的倾斜孔；针对中硬岩石研制了LH—200型回转钻机，该钻机可使用切削、牙轮、潜孔等多种钻具，其效率为冲击钻的3~5倍。与吉林重型机械厂联合研制了ZX—150型旋转钻机；1986年研制的KY——150型牙轮钻机台班效率达到了71.5m，最高178m，是潜孔钻机的2.54倍，冲击钻机的6.9倍；研制的QZ3——150型三翼回转切削钻头，其寿命与美国的三翼钻头相同，达到 2500m，其价格仅为美国钻头的42%，取代了进口，长期在霍林河露天矿应用。
　　与杭州重型机器、上海胶带运输机械厂、抚顺挖掘机械厂共同承担了我国第一套连续工艺设备的研制和试验。包括轮斗挖掘机、胶带运输机、PS——1000型排土机、YG——15型胶带移设机和YR——1组合胶带接头硫化机，结束了我国不能生产连续工艺设备的历史。80年代由杭重和天工所研制了我国第一套中型轮斗挖掘机。露天开采安全研究所，参加了全部工业试验和性能测试，完成了成套设备的机械性能测定和生产能力考核，开创了矿山设备性能测试的先河。
　　无宝山、准格尔等大型露天煤矿都部分采用了轮斗一胶带连续工艺，并从国外引进了大型轮斗挖掘机。为配合这些单位的轮斗挖掘机设计和设备验收任务，又进行了煤岩切割阻力、轮斗挖掘机切割破碎机理、轮斗工作机构设计理论、轮斗挖掘切割力和机械性能测试等方面的研究。
　　通过对元宝山、抚顺、小龙潭、昭通、霍林河、准格尔、伊敏等露天矿的煤岩切割阻力进行的研究和测定，提出了我国煤岩切割阻力理论和切割阻力及轮斗挖掘机切割力的测定方法，填补了我国在这一领域的空白，达到国际水平。其成果获煤炭工业部科技进步二等奖。并用上述理论和测试技术完成了准格尔和元宝山两露天矿连续工艺系统的机械性能测试和生产能力考核，为矿山把好了进口设备关。
　　在此期间露天开采安全研究所建成了世界上最大的斗轮挖掘机试验装置，斗轮直径达0.95m。通过该装置可模拟不同岩性的切割阻力和挖掘机切割力测定，研究斗轮挖掘机的合理工作参数。如：斗齿受力状态、斗齿形状、斗齿排列方式、切割速度、回转速度、刨片尺寸、斗齿材料的耐磨性等。所研制的单斗电铲斗齿的寿命为普通斗齿睥2.5~3.0倍。
　　1．3爆破技术及器材
　　为解决抚顺西露天矿高段采掘的爆破质量问题，1956年开展了高段爆破技术的研究。
　　1972年——1973年在海州露天矿采用了压碴爆破方法，1985年完成了“提高海州矿块煤率爆破方法的研究”，采用爆速为2700~3200m/s的低威力炸药、空气柱充填、优化布孔参数、微差延期爆破技术，减少了压碎区，降低了断裂、碰撞、摩擦破碎，使块煤率提高2.83%，1992年进行了“大型露天煤矿爆破技术优化”的研究，通过安太堡露天矿的试验，使该矿的炸药定额由0.45kg/m3.降低到0.319 kg/m3.，综合成本约1053.6万元，剥离量增加20%以上。
　　此外还与沈阳部队工程兵合作研制成功了B2、B3液体炸药、液体炸药混药车、四路起爆器等，并完成了安太堡、准格尔、霍林河、抚顺西露天等矿的爆破震动测试和减震技术的研究。
　　2 边坡稳定性和监测技术研究
　　2．1 边坡稳定性研究
　　边坡稳定技术的研究始于20世纪50年代中期。1953年海州露天煤矿投产，抚顺西露天煤矿完成改造后，不久在非工作帮就多次出现边坡滑落现象，严重影响正常生产和设备安全。针对上述2矿的滑坡开始了边坡稳定性研究工作，主要研究内容为非工作帮的工程地质条件、岩石物理力学性质、滑坡形成的条件和稳定性分析方法、确定边坡失稳的范围及防治措施。
　　1961年抚顺西露天矿发生了4次百万立方米的大滑坡，其中3号滑坡体危及西大巷提升煤道的安全。我所科研人员参加多部组成的治理工作组，完成了削坡、减重、疏干、加固等措施的设计和施工，确保了提升系统的正常生产。
　　经过这一阶段的研究工作，建立了一套露天矿边坡稳定性研究理论及工作方法，培养了一支科研队伍，并建立了岩石力学试验室。边坡工程研究已成为露天开采安全研究所的主导专业，也是国内最早开展边坡工程研究的专业单位之一。并多次参加非煤露天矿山和长江三峡滑坡的治理论证。随着我国露天采煤的发展，先后承担了国家、煤炭部的重大研究课题，完成了抚顺、阜新、平庄、安太堡、准格尔、小龙潭、义马等露天煤矿的边坡稳定性研究和滑坡防治工作。至今共完成各类科研课题共60余项，其中12项成果分别获得省、部及国家一、二、三等奖。
　　2．1．1 基础研究
　　（1） 工程地质勘察技术。地质构造和岩层赋存条件，特别是软弱岩层的状况是形成滑坡的内在因素，查清地质构造是确定滑坡体的规模、滑动模式、稳定分析和防治措施的依据。常规的方法是地表地质结构调查、钻探、巷探。
　　随着雷达探测技术和地震波探测技术的发展，无钻勘察地层及地质构造的目标得以实现。1993年在研究抚顺西露天矿西南帮边坡稳定项目中，用浅层地质雷达仪成功地确定了影响该地区边坡稳定的软质凝灰岩的赋存状态及分布规律。
　　在岩体结构分析方面，根据岩体裂隙性的特点，应用了随机模拟，计算机数字模拟方法，以及用岩体质量指标及QD分级来确定岩体的完整性，从而计算岩体结构对边坡稳定的影响。
　　（2） 水文地质及地下水监测。边坡岩体中地下水的存在不仅弱化岩石强度，特别是降低了弱层的抗剪强度，使边坡沿弱层滑落。而且随着地下水位的升高，浮托力增大降低了边坡体的抗滑能力。因此地下水的勘察多采用地表调查和钻水文孔，通过取岩样测定岩石的含水量，作分层注水试验，确定岩层的含水规律和水力联系，建立水力模型。
　　在“七五”国家科技攻关项目“边坡安全监测系统的研制”课题中研制了压阻式地下水监测系统，可随时测得地下水的压力，具有精度高、分辨率高、输出信号大、可实现集中控制、自动记录等特点，提高了地下水的监测水平。
　　（3） 岩石力学性质。边坡岩体物理力学性质的研究和指标测试，是为边坡设计、稳定性评价与治理提供科学依据了。从60年代开始采用了巷道内和平盘上的原位试验方法。为了配合原位试验设计研制了专用压力盒和千斤顶等推力装置。并用这种方法完成了抚顺、阜新等露天矿各种软岩的力学指标测定，为边坡稳定性评价和治理提供了可靠依据。
　　从70年代后加强了岩石力学试验室的建设，先后购置了DJY——4四联等应变直剪仪、GJY——2高压等应变直剪仪、SJ——IA三轴剪力仪、XD——1点荷载仪、JQ——200岩石剪切流变仪、土壤流变仪等试验装置，以及物理指标测定仪表。为了模拟岩石在自然状态下的流变强度，建立了恒温、恒湿的流变试验室。
　　测定排土场排弃的散体物料的力学指标，对排土场边坡设计和稳定性评价至关重要。1988年购置了SZ-30-2A土大三轴剪力仪，建立了散体物料力学试验室。试样是用散体物料按一定的颗料比例制成。这套装置先后完成安太堡、准格尔、无宝山、抚顺、伊敏河等露天矿土场物料的力学指标测定，为排土场边坡稳定性评价提供了参数。正是在三轴试验中发现了黄土基底含水层孔隙水压消散速度与重力和加载速度之间的关系，揭示了在高速排土条件下排土场滑坡的原因。
　　（4） 滑坡模式与模拟技术。露天煤矿的滑坡模式具有沉积岩层的特征，主要受软弱岩层所控制。层理、节理、断层是控制滑坡模式的主要因素。
　　1984年我所建成了国内最大的底面摩擦模拟试验装置，可无级自动调速。底面摩擦法是二维物理模型，适用于节理化岩体的组合相似材料，可以改变模型的形状以代替开采工程活动，预测未来边坡的变形规律及滑坡模式。
　　在“七五”国家攻关项目“抚顺西露天矿北帮边坡稳定性研究”课题中用离散单元法成功地模拟了倾倒滑体的形成条件、变形过程和规律、应力分布和变形范围。从计算机数学模型中清楚地看到边坡上部F1断层以北的岩体作为主动推力段推压F1以南的向斜构造的北翼（向斜构造北翼倾角大，南翼平缓）而倾倒，进而推动南翼滑行，形成倾倒滑移滑坡模式。
　　（5） 边坡稳定分析方法。在抚顺西露天矿北帮边坡稳定分析中，针对曲面楔体滑坡和倾倒滑移变形，提出了曲面楔体、倾倒滑移体稳定分析理论和计算方法。达到世界先进水平。
　　Sarma边坡稳定性评价方法是极限平衡分析方法的新发展。其特点是：它可用来确定具有各种形状滑动面的边坡稳定性，诸如平面滑坡、楔体滑坡、圆弧滑坡的非圆弧滑坡等各种复杂滑动面的岩土边坡均可用之分析：它无须条块侧边垂直，可任意分块，从而可以分析各种特殊工程地质结构的边坡；允许不同的条块侧边和底面被赋予不同的强度参数；它考虑了地下水压和地震因素对边坡稳定的影响。露天开采安全研究所率先将此方法引入国内。在抚顺西露天矿边坡分析中作了具体说明，编制了适用于HP41CV型可编程序计算器的汇编语言程序。并将此分析方法推广到国内其他行业，使该方法得到普遍的应用。
　　（6） 滑坡防治技术。①削坡减重，采用自上而下的清理缓坡措施。缓坡起到了稳定边坡的作用。②抗滑桩加固，采用钢筋混凝土桩加固边坡。③控制地下水压变化，地下水是影响边坡稳定的重要因素，多数边坡失稳破坏都是由于地下水的失控所造成。因此，大量采用了水平放水孔和疏干巷道等方法，降低地下水位，防治边坡滑落。为此，建立一套水平放水孔设计方法和计算机地下水网络模型及地下水压监测系统。
　　2．1．2 黄土基底排土场边坡稳定性研究
　　1991年10月29日0：10，安太堡露天矿南排土场发生了大型高速滑坡，一瞬间滑体滑出近300m。滑坡体积约1000~1300万m3，是我国露天煤矿发生的最大滑坡。滑坡破坏了平朔公路、矿区公路、洗车间、排水沟等设施，损失巨大。我所承担了滑坡研究和治理工程设计。查清了黄土基底坐落式高速滑坡的机理，提出了清理、削坡减重、治水、局部支挡等综合治理措施。经过治理，边坡达到了稳定，恢复了平朔公路和矿区公路，仅不绕线恢复平朔公路就节约资金1亿多元。
　　在研究以黄土为基底的排土场滑坡中提出了高荷载作用下基底土层演化弱层的概念，并研究了它的形成机理，建立了相应的微观结构模型。建立了相应的稳定性评价方法和工程治理方法。在安太堡矿西排土场和准格尔黑岱沟露天矿北排土场边坡稳定性研究中，应用上述理论进行评价和治理，使排土场的排弃高度增高，排弃容量增大。其中西排土场增高30m，容量增加17%。
　　2．1．3 深入边坡稳定性研究
　　进入80年代，抚顺、阜新、平庄等露天煤矿相继进入深部开采，边坡高达300m左右，复杂的地质条件和开采活动，使边坡出现多次滑落。
　　针对这一问题，从1982年以来，相继开展了“抚顺西露天矿西北帮到界边坡稳定性研究”（部重点题）和国家“七五”攻关课题“抚顺西露天矿北帮边坡稳定性研究”，总结出了座落式滑移、倾倒滑移变形以及曲机楔体三维分析等计算方法。提出了部分区段适当压煤减缓到界边坡境界；水平放水孔和疏干巷道联合疏干法降低边坡内部的水压；局部采用灌浆加固，长锚杆加固和抗滑桩加固工程；加强西区开采实现内部排土等边坡整治措施，确保边坡稳定。
　　1995年完成了“深大露天边坡工程评价计算机系统的研究”，编制了包括工程地质、水文地质、岩石力学、边坡变形报考、稳定分析、工程设计CAD软件。为露天矿实时评价边坡稳定状态提供了科学依据和手段，实现了边坡管理现代化。
　　2．2 边坡变形监测技术及仪器
　　常规的监测方法是地表岩移观测法。该方法只能了解边坡岩体变形发展到地表位移后的变化，而无法了解岩层深部的早期变形规律，以及滑面的位置、变形模式及范围、变形发展趋势等。特别是了解边坡早期变形的规律，将为滑坡治理赢得宝贵时间。我所从1978年开始研究体内部变形观测方法及仪表，经过在阜新海州矿、焦坪露天矿和义马北露天矿的反复试验，于1982年研制出应变式滑坡位移传感器。
　　1983年在应变式滑坡位移传感器的基础上，研制成了KS——1型高精度应变式倾斜仪，它既可观测岩体内部变形，又实现了便携带、移动式，一机多用。
　　在“七五”国家攻关项目“边坡安全监测系统的研制”中，于1989年由我所主持研制了PSH型双向伺服加速度计式测斜仪监测系统。其中测斜仪是用伺服加速度计（原用于航空设备监测）作为测斜元件，在测斜仪中放置两个相差90。角的加速度计，这样同一个测斜仪就可以同时测量两个垂直平面的倾斜，完成双向测斜。该测斜仪配以地面智能测录仪，记录测斜仪所测数据。
　　PSH型测斜仪研制成功以来，先后完成了抚顺西露天矿工作帮边坡、阜新海州矿非工作帮滑坡、安太堡南排土场滑坡、安家岭排土场边坡、小龙潭布昭矿西北帮边坡的边坡监测工作，为边坡稳定分析和滑坡治理提供了可靠的数据，近几年来又研制了测斜仪无缆测试系统和方位仪，进一步完善了PSH型双向伺服加速度计式测斜仪系统，使测量工作更方便、数据更精确。
　　1992年完成了边坡岩体沉降监测装置的研究，实现了岩体内部垂直变形的监测。通过测斜仪和沉降仪，使露天矿边坡监测实现了三维报考观测。1995年研制了滑坡中、后期大位移量固定式位移传感器，实现了边坡变形中、后期大位移量的监测，从而使边坡地下位移监测系统更完善。
　　3智能技术的应用研究
　　3．1计算机技术在露天矿山的应用
　　我所于80年代初成立了计算机中心，开始了计算机技术在露天煤矿应用的研究。承担并完成了“霍林河矿区75B汽车配件计算机管理系统”、“准格尔煤炭工业公司一期工程（包括煤、电、运）管理系统的可行性研究总体规划与系统分析总体设计”、“层状矿床地质模型建立方法及黑岱沟露天矿矿床地质模型建立”、“露天矿CAD测量验收系统”等课题。成果应用于矿山后大大提高了管理水平。特别是“CAD测量验收系统”应用后节省了大量现场测量和计算工作，提高了算量的精度和减少了劳动强度。
　　从1993年开始研究露天电铲卡车优化调度系统，与中国运载火箭研究院北京长征航信卫星导航技术有限责任公司联合开发研制了COTOD（科通达）露天矿卡车电铲优化调度系统。该系统于1997年在伊敏华能东电煤电有限公司一露天矿投入运行，1998年通过国家鉴定。
　　系统通过对车铲位置、状态、速度、运行方向、时间等信息的采集，实现对车铲工作位置与状态的实时跟踪、显示，优化调度车队运行；及时准确地查询统计当前生产情况；起到优化调度、准确执行生产计划、提高设备效率和经济效益的作用。
　　COTOD系统在伊敏露天煤矿使用以来，使生产效率提高了8%。该系统性能价格比明显优于国外同类产品，填补了国内自主开发露天矿优化调度系统的空白。
　　3．2 设备性能测试与生产监控技术
　　矿山测控技术包括采矿设备的测试和生产过程的监控。
　　80年代各大型露天煤矿引进了大量的大型载重汽车和国产汽车。为测试大型载重汽车的性能和对矿山条件的适应性，我所从日本、瑞士、德国等购置了先进测试仪表，组建了矿用汽车性能测试试验室。承担了国务
　　院重大装备办公室下达的大型自卸汽车性能对比测试、108T矿用自卸汽车性能测试、SF——3103耐寒型108t电动轮自卸汽车测试。对汽车基本性能、燃油消耗、振动平顺性、在矿山道上运行的适用性等测试近100项。
　　近年来又把生产过程的监控作为研究重点。伊敏河露天矿卡车电铲优化调度系统研制成功，实现了露天矿电铲卡车运行状态的实时监控和调度。最近研制成功的GL——6kV高压供电保护柜，主要用于煤矿高压电动设备6kV中性点不接地供电系统的供电及漏电、过流、短路保护。通过遥测、遥控系统实时监测高压电动设备的电流、电压值。在伊敏露天矿用该保护柜实现了多台电铲供电状态的集中控制。
　　4展望 46年成就硕果累累，令人欣慰，使人振奋。展望未来，摆在我们面前的任务仍十分艰巨。随着平朔煤炭工业公司安家岭露天矿、平朔三矿、伊敏煤电公司露天矿二期工程筹建、胜利煤田的开发和准格尔黑岱沟露天煤矿扩建，将使我国露天采煤业再上一个新台阶。为此，我们将继续改革科研体制，攻克技术难关研究出适合我国大型露天煤矿生产发展和管理水平的先进技术。要研究适合各种地质条件下的开采工艺，特别是无运输开采工艺；要继续深入地进行计算机在露天矿山的应用研究，实现大型露天煤矿生产计划的计算机设计，生产过程的监控和优化调度，提高现代化露天矿的管理水平；将电铲卡车优化调度系统进一步完善，做好推广工作；研究硬岩、高段条件下的爆破技术，提高爆破效果，充分发挥采掘设备的效率；加强边坡稳定性研究和边坡变形监测新型仪表的研制；深入开展矿山地质灾害和环境的评价，研究废弃矿山的综合利用；加强检测、监测手段与技术的研究；重视实验手段的建设、更新；在积极开展技术开发服务的基础上，加大基础研究的投入，重视人才培养。