露天采矿设备的发展趋势及对采矿技术的推进作用_宗玉良

2010年第8期

中

铁十九局集团矿业公司是中铁建系统较早涉足矿山施工领域并逐渐发展壮大的专业

化公司，自1986年承建黑龙江乌拉嘎金矿

以来，承建的矿山项目大部分为露天矿山项目。与地下开采相比，露天开采具有很多优点，如：受开采空间限制小，有利于实现自动化生产；资源回收率高；劳动生产率高；生产成本低；开采条件好，作业场所比较安全；建设速度快，单位矿石基建成本低。目前，大型露天采矿设备正朝着大型化、智能化、人性化、生态化方向迅猛发展，在发展的同时也对露天采矿技术的发展起到了积极的推进作用。

一、露天采矿设备的大型化发展

作为不可再生的资源，随着开采的加剧，矿产资源正在不断地枯竭，品位在不断地下降。为了保证人类对矿产资源的需求和保证矿业公司的经济利益，人们开始逐渐把目光投向边界品位矿体，扩大工作面尺寸，使用大型设备，加大开采规模。近20年来，采矿设备大型化的趋势日趋明显。

⒈露天穿孔设备钻孔直径不断增大。半个多世纪以来，露天采矿的穿孔设备经历了“磕头钻”、喷火钻、冲击（潜孔）钻，直到具有钻孔直径大、穿孔效率高的牙轮钻的发展阶段。世界三大钻机生产公司都集中在美国，其中哈尼希费格公司生产的P ＆H120A 型牙轮钻机的轴压达到68t ，孔径最大达559mm 。我国生产的最大牙轮钻机型号为YZ-55。

2.露天装载设备的斗容不断增大。大型露天矿山装载设

备主要包括：电铲、液压挖掘机和轮式装载机。

电铲一直是大型和特大型露天矿山的主导装载设备，哈尼希费格公司生产的P ＆H5700型电铲的斗容量为53.5m 3，我国太原重机生产的具有自主知识产权的电铲WK-55的斗容量达到55m 3。

液压挖掘机和轮式装载机具有很多优点，如重量轻、机动灵活、作业率高、投资少、设备更新快、易于实现无级调速和控制等。随着科技的进步，液压挖掘机和轮式装载机也在不断推出大斗容的产品，进入大型露天矿山的施工现场。小松公司生产的PC8000挖掘机斗容量达到48m 3，卡特彼勒公司生产的Cat994轮式装载机斗容量最大达到31m 3。

3.露天运输设备的吨位不断增大。汽车具有爬坡能力大、

转弯半径小的优点。汽车运输机动灵活，特别适合需要均衡配矿和多点作业的矿山，成为现代露天矿山的主要运输方式。

为适应露天矿山大型化发展的需要，矿用汽车的有效载重也在不断提高，卡特彼勒公司生产的Cat797矿用汽车有效载重达到326t ，利渤海尔公司生产的T282电动轮矿用汽车有效载重达到327t 。

二、露天采矿设备的智能化发展

在露天采矿设备向大型化发展的同时，随着微电子技术和卫星无线通讯技术的飞速发展，采矿设备在开发和应用上逐步开始了自动化和智能化的发展进程，并取得了实质性的进步。

1.车载监控系统。主要用于监控设备的完好状态和提供

相关的维护信息。现在，大型露天采矿设备的制造商，对设备的主要部件的重要参数都增设了监控和报警功能，可以通过无线通讯与中央计算机连接，对设备进行实时监控，对故障进行报警，及时通知维修人员进行处理。

2.卡车调度系统。主要应用于露天矿山的优化运输生产

中，从最初的应用于运输汽车的调度，发展成为全面提供实时数据和相关生产数据，进行实时设备监控，也是最基本的系统。

3.GPS 定位系统。由于GPS 技术在露天矿开采中应用的主要障碍得到了很好的克服，GPS 系统利用全球卫星定位系统进行卫星定位，精度可达1米以内，还有精度达到厘米

级的高精度系统，在露天矿山的应用领域越来越广。

⑴露天矿山地表测量。采用GPS 系统可以完全取代传统

的测量手段来进行露天矿地表测量工作，可以大大提高测量效率，主要表现在：①仪器安装方面。传统的测量仪器安装时间取决于地形、能见度和测量人员的工作熟练程度，而采用

GPS 系统只需简单打开设备，测量定位很快就会完成。②应用方面。GPS 系统不受传统测量仪器在良好通视条件下才能

正常工作的限制，不受气候和光线条件的限制，在大多数气候条件下都能工作。③灵活性。使用GPS 系统进行测量，测量人员不需要步行到测量区把仪器安置在固定点上，可以在排土场、车辆上进行满足精度的测量。④可利用性。传统的测量仪器不仅结构不够紧凑，带有大量活动附件，而且时间久了容易损坏，维修也不方便，费时费力。GPS 系统没有活动部件，是一个固定的整体，不易损坏。

⑵露天开采设备作业优化和控制。①钻机精确定位与作

业控制。可以实现钻机的精确定位，大幅度减少现场测量工作量，炮孔布置精度高、时间短，大幅减少超钻和欠钻现象，为制定出更好的爆破设计方案创造了更好的条件。②装载设备作业优化控制。通过无线传输系统，工程技术人员可以把生产计划从控制中心发送到装载设备上的GPS 系统，系统可以实时记录装载设备的工作进程，及时把信息反馈给控制中心，进行存储和分析。由于操作人员可以通过机载显示屏清楚地了解装载设备周围障碍物的位置，大大减少了发生各种危险的可能性，可以在恶劣天气下工作，还可以与卡车实现良好地配合，提高生产效率。③卡车跟踪系统与优化调度。露

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天矿运输作业成本约占总成本60%，大型露天矿中电铲和汽车调度是矿山管理的重要内容，通过GPS 卫星定位和多频道无线电通信，可以实现车-铲-调度室之间的信息传递。露天矿运输卡车上安装的GPS 系统在获得卡车的定位信息以后，将信息通过无线电通信系统发送到矿山控制中心的计算机上，控制中心优化确定每台卡车的卸载点和下一个装载地点，为卡车设计最佳运输线路，并将信息发送到卡车，实现对卡车的跟踪和调度，确保卡车运输废石和矿石的准确。系统自动记录卡车的运行速度、堵塞地点、循环时间、装载点和卸载点，通过分析数据来确定最佳调度方案，以提高运输效率。系统还可以把运输途中的路况信息反馈给控制中心，以便进行路况改进。④推土机优化作业控制。安装在推土机上的机载系统能够准确跟踪推土机的精确位置和所处地点的高程，向操作人员显示出需要推掉和填平的高程，以达到设计要求。GPS 系统还可以为推土机提供需要维护的道路的信息，提高道路维修质量。

⑶露天矿卡车运输安全预警。GPS 系统能够自动实现对

卡车进行定位跟踪，在卡车接近公路边缘或卸矿场、排土场的边缘时，以及卡车相互靠近到危险距离时，能及时地发出预警信号。

⑷露天矿高边坡位移监测。基于GPS 系统的高边坡自动

监测技术具有独特的优越性，这是一套基于无线数据通讯的系统，能够连续收集边坡移动的数据，输送到采场办公室的计算机进行数据存储和运算，根据数据分析可以得知采场各处边坡的稳定情况，并及时进行报警，克服了传统测量方法的诸多缺陷。

3.露天采矿设备的人性化发展。露天采矿设备的人性化

发展，主要体现在设备的设计和研发阶段。露天采矿设备在设计中贯彻“以人为本”的原则，充分考虑操作者、设备和环境的协调，采取先进有效的技术措施，增加设备操作的安全性，降低振动与噪声，改善作业环境，提高操纵者舒适性。

⑴设备的安全性。露天采矿设备的安全性，主要体现在

设备的安全功能和相应安全功能的可靠性，是露天矿山安全生产与工作人员生命安全的保证。只有露天采矿设备具有齐全的安全功能与较高的安全可靠性，才能确保矿山生产正常进行，避免安全事故的发生。

⑵设备的舒适性。露天采矿设备的生产单位，在设计研

发阶段要运用人机工程学设计原理，改善司机的工作环境，注重驾驶员与操作界面的协调，缓解疲劳，提高作业效率。采用省力便捷的电子化控制技术，只需通过很少量的手臂的动作就可以精确地操纵负载，用手指尖就可以操作所有重要的操作部件，减轻了司机的负担。驾驶室采用隔热、隔音全封闭结构，座椅采用可调节的油气悬架系统，引入电子监控仪表盘、声光信号报警等人性化的设计理念，为操纵人员创造安全舒适的作业环境。

⑶设备的外观造型。露天采矿设备的生产单位，要注重

设备外观美学和机体本身的流线型设计，达到机械与环境的和谐，给人以视觉上的美感，是功能、材料、结构、人机关系以及生产工艺等因素的综合表现。在进行设备造型设计时，一

方面需要运用艺术手段和美学法则，使得采用了现代技术的产品具有符合人们审美要求的造型美感；另一方面为了有效地发挥产品的功能，产品的结构和形态又必须更加合理化。

⑷设备的环保设计。露天采矿设备是消耗资源和能源的

大户、污染的源头。面对日趋严峻的资源和环境约束，紧密围绕4R 的产品全生命周期设计和管理是降低能耗、污染，实现可持续发展战略的重要手段。具体措施为：①采用长寿命、低能耗及减轻重量的设计原则。延长露天采矿设备的寿命，可减少设备的生产量和降低其报废量；降低产品能耗，可减少对环境的污染；而轻量化和高效率可减少材料和资源的消耗。②尽量采用低环境负荷材料，尽可能不使用氟利昂（空调）、含氯橡胶、树脂及石棉等有害材料，使废弃零、部件处理的污染最小化及综合成本最优化；③采用能再生利用的材料和资源，特别是结构件的设计应尽可能采用比较容易装配和分解的大模块化结构和无毒材料，提高设备材料的再生率；

④降低整机的振动与噪声，减轻对周围环境的污染。

三、露天采矿设备的不断发展进步对采矿技术的推进作用

随着露天采矿设备向着大型化和智能化的方向不断发展，对新的采矿技术的更新和既有矿山的运输系统改造起到了巨大的推进作用。

1.采用大区域微差爆破。随着大型智能化钻机不断在大

型露天矿山投入使用，使钻孔效率、精度不断提高，大区域微差爆破技术得到广泛应用，大大提高了生产效率。

2.应用深凹露天矿高效开发技术建设新矿山。加大露天

矿的最终边坡角，采用并段或多级并段的靠帮工艺，采用高台阶或竖分条开采以提高工作帮的坡角，降低生产剥采比，节约建设成本。

3.改造既有凹陷矿山的运输系统。根据既有矿山的实际，

充分发挥既有矿山铁路的优势，对铁路和机车车辆进行改造，使用汽车———铁路联合运输、汽车———胶带运输系统、汽车———提升机运输系统，降低生产成本，可以加大凹陷矿山的经济合理开采深度，甚至可以使用到露天开采的后期。

4.增加露天矿山开采的安全性。大量的大型露天采矿设

备的投入和使用，大大减少了设备的投入总量，降低采场内的设备密度，减少操作人员，人工费降低20%以上。同时，随着设备的安全功能和相应安全功能的可靠性的不断改善，使采场开采的安全性不断提高。

科技的不断进步，推动露天采矿设备向着大型化、智能化和人性化方向迅猛发展，同时又积极推进采矿技术的更新进步，提高了矿山的生产力，节约了投资，降低了成本，对我国低品位、边界品位大型露天矿的开发有了乐观的开发前景。在不远的将来，我们甚至可以在新矿山开发建设之前，通过建立模拟采矿系统进行经济比较，向虚拟采矿方向发展。随着微电子技术和GPS 的扩大应用，为无人驾驶矿用汽车的研发和投产，创造了有利的条件。

（作者单位：中铁十九局集团有限公司矿业工程公司）

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