中国露天煤矿70年成就回顾及高质量发展架构体系

露天煤矿作为我国煤炭工业的重要组成部分,具有生产能力大、开采成本低、安全条件好等优势,近年来在建设规模、生产总量、开采工艺及技术装备等多方面均取得了跨越式的发展,有力保障了煤炭作为国家能源安全稳定供应的“压舱石”地位。首先回顾了新中国成立后我国露天煤矿70年来的发展历程,将其划分为起步恢复阶段(1949—1979年)、快速发展阶段(1980—1999年)、综合发展阶段(2000—2020年)和智能化初级发展阶段(2021年以后)4个时期;系统总结了每个时期的产量与数量规模、开采理论与技术、开采工艺与装备、资源开发与环境保护方面取得的突出成就。然后,探讨了现阶段露天煤矿发展面临的4个方面的主要问题,包括发展布局不均衡、可持续发展面临瓶颈、关键技术难题需深入攻关、人才短缺培养机制不完善。最后,提出构建以“安全、高效、绿色、低碳、智能”为总体目标的全链条、全周期、全要素露天煤矿高质量发展架构体系,其内涵特征包括以时效边坡理论、开采扰动指数理论、绿色开采理论、生态型开采理论、零碳负碳开采理论、智能化开采理论6种学术思想为理论基础,以灾害安全监测防控、复杂条件协同保障、生态源头减损开采、节能减污清洁利用、数字-自动-智能同建5类技术体系为核心支撑,以透明地质模型动态重构、边坡蠕滑全程精准预测、深大孔低扰动控制爆破、采空区超前探测与处置、粉尘抑制及煤自燃防治等30项关键技术为重点突破,以设计理念先进化、安全保障标准化、建设规模大型化、生产工艺综合化、开采装备智能化、核心制造国产化、矿区生态绿色化、煤炭利用清洁化、组织管理科学化、人才队伍国际化的“十化型”露天矿山为建设任务;同时给出了以规划引领为基础,以科技创新为驱动,以人才培育为保障的露天煤矿高质量发展实现路径。最终为推动我国露天煤矿向持续健康高质量方向发展提供指导。

露天煤矿安全-绿色-高效-低碳协同开采技术体系

露天煤矿安全绿色高效低碳开采是全球露天煤矿发展的共识性目标。我国露天煤矿资源开发强度与生态承载力呈现逆向发展特征,我国西北部生态环境脆弱区已成为露天煤炭的主产区,使得露天煤矿开采与生态环境保护成为亟需解决的重要科学问题、生态问题和发展问题。基于我国露天煤矿发展概况、自然条件及主要影响因素,阐释了实现露天煤矿安全-绿色-高效-低碳开采内涵特征与总体架构,针对露天煤矿采前-采中-采后全生命开采周期特点,从安全开采技术、绿色开采技术、高效开采技术、低碳开采技术4个层次,归纳总结了时效边坡控制技术、智能预警决策技术、运输环节新模式、矿区生态建设、相邻矿山协调开采、智能采矿设计、电动矿卡应用以及采矿源头生态减损8项关键技术,明确了露天煤矿安全-绿色-高效-低碳协同开采研究重点工作和方向。在安全-绿色-高效-低碳协同发展措施方面,从强化顶层设计、加快分布实施、深化科研攻关、提升人才培养以及完善标准规范5个方面,提出2025年、2030年、2035年不同阶段需要完成的目标任务。新时期露天煤矿要坚定不移走安全-绿色-高效-低碳发展路径,实现露天煤矿在新时期、新格局下的高质量发展目标。

露天煤矿排土场边坡植被恢复群落稳定性研究

为了揭示露天煤矿排土场边坡植被恢复群落稳定性的动态特征和变化模式,以内蒙古北电胜利露天煤矿4个排土场为研究对象,选取Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数和Simpson优势度指数、植被盖度、植被高度、地上和地下生物量8个指标,构建了基于群落结构稳定性与群落功能稳定性的排土场边坡植被恢复群落稳定性评价体系,采用综合评价法对处于人工植被恢复中的内排土场和恢复年限分别为4 a、5 a、8 a的沿帮排土场、南排土场和北排土场的南、北方向边坡植被恢复群落稳定性进行综合评估,并对群落稳定性因子与土壤含水量、有机质、全氮、全磷、全钾等环境因子间关系进行分析,探究影响排土场边坡群落稳定性的影响因素。结果表明:(1)随着恢复年限的增加,边坡植被群落稳定性整体呈稳步上升趋势,但与草原站背景值相比,其综合评价指数处于较不稳定或不稳定状态。(2)随着恢复年限的增加,排土场边坡群落稳定性由结构稳定性主导转向功能稳定性主导。恢复初期受人工影响,物种多样性提高,结构稳定性较高,随着时间的推移,结构稳定性波动下降,功能稳定性上升,其中地下生物量增长迅速,生物量向地下转移,进而形成矿区特有的植物群落结构稳定与功能稳定转变特征。(3)从坡向来看,随着恢复年限的增加,边坡群落稳定性逐渐由南坡优于北坡转变为北坡优于南坡。(4)南坡的结构稳定性与环境因子的相关性较高,而北坡的功能稳定性与环境因子相关性较高,表明不同坡向的群落采用了不同的响应策略以适应环境的变化,丰富的有机质和全氮含量对排土场边坡群落功能性稳定性会产生积极影响。

基于土壤肥力恢复力模型的河曲露天煤矿复垦治理效果评价

以河曲旧县露天煤矿排土场为研究对象,采用模糊层次分析法(FAHP)和专家评分理论法建立了露天煤矿排土场土壤肥力综合评价模型,获得土壤结构稳定性、土壤保水能力、土壤保肥能力及土壤生物活性4项准则和25个因素,利用YAAHP计算软件确定了排土场土壤肥力恢复力各影响因素的权重。结果表明,评价体系准则层中土壤保肥能力权重最大(0.5477),其次分别是土壤保水能力(0.1980)、土壤生物活性(0.1408)和土壤结构稳定性(0.1135),因素层有机质F1权重最高(0.1162);根据现场抽样,已复垦区的土壤质量水平要高于未复垦区的土壤质量水平,整体来看土壤质量水平均处于中等偏下和较差水平,土壤恢复力的主要因素是土壤保肥能力,特别是土壤有机质含量。土壤肥力恢复力模型为提高排土场土壤质量、加快土壤重构、促进土壤生态系统恢复提供治理思路。

露天矿顺倾软岩边坡内排追踪压帮治理工程——以贺斯格乌拉南露天煤矿首采区南帮为例

软岩露天煤矿实现安全高效开采的重点是边坡稳定。为解决露天矿顺倾软岩边坡稳定性治理难题,在分析边坡稳定性主控因素的基础上,提出了露天矿顺倾软岩边坡内排追踪压帮治理工程。以贺斯格乌拉南露天煤矿首采区南帮为工程背景,兼顾采场与内排土场边坡稳定性,采用极限平衡法和数值模拟相结合的手段,设计了采场边坡的空间形态,提出了采场与内排土场边坡协同治理方案,可最大限度地安全回收边坡压覆煤炭资源。研究结果表明:弱层暴露长度是露天矿顺倾软岩边坡稳定性的主控因素,控制采场与内排土场间的追踪距离是改善边坡稳定性的有效途径;随着追踪距离的增加,边坡破坏模式从以圆弧为侧界面、弱层为底界面的切层-顺层-剪出滑动逐渐过渡为以圆弧为侧界面、弱层为底界面的切层-顺层滑动,边坡稳定性逐渐下降;内排土场及其与采场构成的复合边坡稳定性随破坏底板弱层回填岩石范围的增大呈指数函数规律提高;贺斯格乌拉南露天煤矿首采区南帮浅部边坡留设40 m运输平盘、15 m保安平盘,底帮深部边坡角29°,追踪距离控制在50 m之内时可满足安全要求;内排土场基底弱层完全破坏并回填岩石倾向长度60 m时可满足安全要求。研究成果为软岩露天煤矿边坡稳定性治理提供了新思路。

露天煤矿采矿全生命周期规划及决策平台研发与应用

为有效改善外部因素扰动导致的进度计划动态修正效率低的问题,笔者团队基于三角格网动态编辑及可视化技术,结合煤矿剥采工艺特性,提出了采矿模型的概念,设计研发了采矿全生命周期规划及决策平台,衍生出采矿模型建模体系方法、基于开采模板的剥采工程快速设计、基于运输功的动态规划模型建模与求解等几项关键技术,大幅降低了物料流规划约束条件,提升了动态规划模型的求解效率。该技术在国能宝日希勒露天矿进行实践应用,取得了良好应用效果。中长远排产推演5次平均可靠性可达82.37%,一次求解平均时间可从7 min压缩至2 min内完成。此项实践改善了原有规划设计的修正效率,提升了全生命周期范围内剥采进度计划的现场指导作用。

黑岱沟露天煤矿安全培训管理平台的设计构建

为了解决工学矛盾,减少传统安全培训方式对人力和物力造成的浪费,进一步提高安全培训的组织效率,提升安全培训效果;分析了我国相关法律法规对露天煤矿安全培训的要求,基于互联化+安全培训的模式构建了安全培训管理平台;安全培训管理平台实现了对培训计划、项目开展与档案管理情况的全过程管理,提升了教育培训和人才评价工作质量,更好地服务了高素质专业化人才队伍建设。

印在人民币上的企业——新中国第一座大型露天煤矿的诞生

在1962年发行的1960年版面值5元的人民币背面,描绘的是阜新海州露天煤矿电镐作业的场景。将一个企业的工作场面设计到人民币图案上,这在新中国钱币史上是绝无仅有的一次特例。遥想当年,阜新海州露天煤矿曾是亚洲第一、世界闻名的现代化大型露天煤矿,为新中国的经济建设作出了重要贡献。

锡林郭勒盟大型露天煤矿区地质环境时空演化评价

内蒙古锡林郭勒盟大型露天煤矿区经过20多年的开发,产生了一系列矿山地质环境问题,矿区地质环境在一定程度上遭到破坏,因此,开展大型露天煤矿区地质环境时空演化评价可为矿区生态地质环境修复提供参考。本文对锡林郭勒盟3个大型矿区进行地质环境时空演化评价。首先通过现场调查,明确了研究区主要的矿山地质环境问题,包括植被覆盖度下降、土地压占(排土场和工业场地)、地形地貌景观破坏(露天采坑)和含水层破坏等4类;其次利用遥感影像定量获取了2000—2020年之间的矿山地质环境问题信息,并建立了矿山地质环境评价指标体系;然后应用层次分析法确定了矿山地质环境评价指标的权重,并通过基于GIS的影响指数模型对矿山地质环境影响进行了评价和区划,探讨了矿山地质环境时空演化规律。研究结果表明:(1)3个大型矿区植被覆盖度下降区域的面积、排土场压占土地面积和露天采坑破坏地形地貌景观面积随时间不断增加;(2)大型矿区采矿对地质环境的影响划分为无影响区、轻微影响区、一般影响区、较强影响区和强烈影响区5个等级分区;(3)3个大型矿区地质环境时空演化规律基本相同,不同影响区的空间分布特征和面积随时间变化的规律不同。

露天煤矿厢式变电站智能化改造实践

在露天煤矿采区供电中,通常采用箱式变电站来满足重型移动机械化设备大容量、高电压的供电需求,箱式变电站布置在露天煤矿采区的各个角落,人工日常巡视和操作工作量繁重。通过对厢式变电站进行智能化升级改造,将箱式变电站监控数据接入露天煤矿一体化监控平台,实现对箱式变电站内开关柜状态远程巡视和监控功能,从而降低劳动强度,提高工作效率。

基于三元DEM的露天煤矿封闭壳状包络体素建模研究

传统地质模型受自身结构性质和布尔运算效率的局限,限制了采矿模型的生成,无法满足露天矿大规模物料规划问题的需求。针对上述问题,对开采体块段模型及采矿模型进行了定义,并提出了一种基于三元DEM的露天煤矿封闭壳状包络体素快速建模方法,即煤岩模型的顶面、底面和侧面DEM建模,三元DEM经固化后即可生成煤岩体对应的封闭壳状包络体素模型。该模型介于实体模型和块体模型之间,能够保障算量精度,同时具有较高的布尔运算效率,可以现实定点、定向的尺寸和结构剖切,在传统算量地模的基础上,通过特定的结构定义,丰富剥采程序和工艺参数等技术指标属性,定制专属的采矿模型,更好地服务于露天矿物料流规划、采剥生产计划动态优化等问题。

张大银露天煤矿项目管理研究

建设工程管理的涉及面很广,包括工程质量、工程进度、工程技术、工程规划、工程投标、管理组织及工程投资等诸多方面,对企业规划功能不尽相同,对企业的运营趋向及贡献相辅相成。随着企业产值规模逐年上升,产值利润率大幅度下降,高产值低效益的现象很多,为改变这一现象,促进企业高效发展,应从建设工程项目管理入手,合理调配各个流程、工序,实现安全生产、节支降耗、提效增利。

露天煤矿环境下基于LiDAR/IMU的紧耦合SLAM算法研究

随着人工智能和无人驾驶等相关学科的快速发展,煤矿装备的智能化和无人化成为了新的趋势。智能设备的应用将大幅提高煤矿作业的生产力以及人员安全性。露天煤矿地形复杂,与城市环境相比无明显的几何特征,具有分段相似性,利用现有以激光雷达为主的同时定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)方案在该环境下易出现定位漂移和建图误差较大等现象。针对上述问题,提出了一种基于激光雷达(Light Detection and Ranging,LiDAR)和惯导(Inertial Measurement Unit,IMU)紧耦合的SLAM算法,该算法使用LiDAR和IMU两种传感器作为数据输入,对数据进行预处理,前端利用迭代扩展卡尔曼滤波器将预处理后的LiDAR特征点与IMU数据相融合,并使用后向传播来矫正雷达运动畸变,后端利用雷达相对位姿因子将LiDAR帧间配准结果作为约束因子与回环因子共同完成全局因子图优化。利用开源数据集和露天煤矿实地数据集验证了算法的鲁棒性和精确性。试验结果表明在城市结构化环境中文中所提算法与当前激光SLAM算法精度保持一致,而针对长达两千多米的露天煤矿实地环境,所提算法较FAST-LIO2、LIO-SAM紧耦合算法在定位精度上分别提高了46.00%和23.15%,且具有更高的鲁棒性。

露天煤矿排土场长时序植被碳汇分级方法构建及分析

植被碳汇是露天煤矿生态环境评价的重要指标,精确反演植被碳汇并进行准确分级对探索矿区生态修复至关重要。为此,提出一种基于粒子群优化算法的露天煤矿植被碳汇分级方法。基于Landsat遥感影像和气象数据,采用光能利用率模型,反演出内蒙古胜利一号露天煤矿区2005-2020年间排土场的植被碳汇时空分布;通过构建目标函数并迭代计算,获取了该区植被理想光能利用率、最佳气温和降水条件,量化并建立了植被碳汇分级标准;对不同时期各个排土场的植被碳汇结果进行分级,并对分级面积和占比的时空变化进行分析。结果表明:(1)2005-2020年间研究区植被固碳能力呈上升趋势,年均增长值和增长率分别为1.43gC/(m^(2)·a)和6.97%。(2)各排土场生态修复后,植被碳汇值大幅提高,极高和高植被碳汇区面积不断扩大。(3)排土场生态修复效果存在差异,南北排土场表现最佳,沿帮次之,内排土场相对较差。到2020年南、北排土场极高植被碳汇区面积分别达0.94和0.92km2,占比为92%和94%;沿帮排土场极高和高植被碳汇区面积达3.64km2,占比66%;内排土场极高植被碳汇区面积增长至1.22km2,占比达31%;2020年南、北和沿帮排土场已不存在极低植被碳汇区。研究成果不仅为露天煤矿生态环境评估提供了重要的数据支持,也为矿区生态修复策略制定提供了科学依据。

黔西南露天煤矿废弃地重金属污染特征研究

以黔西南某典型露天煤矿为研究对象,采集弃渣区、覆土区、植物修复区及矿区周边对照区的土壤样品,测定土壤pH值、重金属含量及其形态,采用静置淋溶方法分析重金属污染扩散过程。结果表明:废弃地弃渣区、覆土区和植物修复区土壤的pH值分别为2.86、3.49和4.90,均小于未开采对照区(6.48),废弃地土壤严重酸化;弃渣区土壤重金属Cu和Cd含量分别超过贵州省土壤背景值的4.57倍和3倍,超过土壤污染风险筛选值的1.86倍和0.73倍,弃渣区重金属Cr含量超过贵州省土壤背景值的1.14倍,超过土壤污染风险筛选值的0.37倍。弃渣区重金属Cu和Cd达中度及以上污染,重金属Cr和Pb为中度污染,植物修复区Pb、Zn、Cr污染程度与对照区无显著差异;内梅罗污染指数、土壤污染负荷指数、土壤综合潜在生态危害指数表明植物修复区、覆土区污染等级为轻度污染,弃渣区为重度污染;弃渣区、覆土区土壤Cu、Cr和Cd弱酸可提取态占比明显高于植物修复区和对照区;弃渣区土壤重金属淋溶释放速率及释放量均高于其他区域。土壤pH值与重金属Cr、Cu和Pb形态特征存在显著相关性,pH值降低显著提升了重金属弱酸可提取态占比,土壤酸化明显促进了重金属元素的迁移释放及生物有效性的提升,淋溶加剧了土壤酸化及重金属污染的扩散。

基于HA-RF-SHAP的露天煤矿粉尘浓度预测模型

为了有效预测和控制煤矿粉尘浓度,保障煤矿工人健康及环境安全,以宝日希勒露天煤矿现场粉尘监测数据为基础,使用随机森林对粉尘浓度进行预测,提出了4种启发式智能优化算法优化随机森林超参数的方法,通过RMSE、MAE和皮尔逊相关系数R对模型进行评价,采用SHAP可解释模型分析影响露天煤矿粉尘浓度的因素。结果表明:PM2.5、PM10、TSP的最优模型分别为GWO-RF、WOA-RF和HHO-RF;超参数调整使模型整体RMSE指标提升约为1~3,MAE提升约为1~2.5,R提升约4%~6%;PM2.5的预测表现最好,训练集与测试集共同作用时,R为0.9463,MAE为3.059,RMSE为4.919,其次是PM10、TSP;单因素作用时,湿度对于该矿粉尘浓度影响最大,双因素同时影响下湿度和气压对粉尘浓度变化影响最大。研究提供了一个有效的粉尘浓度预测方法,可准确预测粉尘浓度并确定粉尘最影响因素,对矿山粉尘管控具有重要参考价值。

露天煤矿隐患数量分布规律研究

基于某露天煤矿年度隐患排查数据,采用统计分析方法,进行一定时间维度以及重点月度各类隐患数量分析,探索隐患数量分布规律,旨在为露天煤矿隐患排查治理工作提供借鉴指导。结果表明:隐患最多的月份为2月,2月隐患数量最多的类型与年度隐患数量最多的类型一致,隐患最少的类型与年度隐患最少的类型基本一致。隐患减少明显的月份依次为11月、12月、3月、7月,机电设备、运输隐患均出现在隐患数量减少最多的类型中;隐患增加明显的月份依次为10月、4月,机电设备隐患均出现在隐患数量增加最多的类型中。机电设备、运输两种隐患在年度隐患数量中占据重要比例,应作为隐患排查治理工作的重点。

基于无人机影像的露天煤矿短期生产计划可视化编制

为提高露天煤矿短期(日、周)生产计划编制效率、快速分析设备计划完成情况以及可视化设计和直观性表达的效果,提出基于无人机影像数据进行短期生产计划快速编制,利用C++语言开发了基于无人机影像的露天煤矿短期生产计划可视化软件系统(Intelligent Mining Design Software System),简称“IMDS”软件。结果表明:①采用无人机影像数据进行短期计划的编制可视化视觉效果增强;②采用无人机影像数据进行局部1500 m×1500 m范围的露天煤矿采场台阶线自动生成,用时为17.392 s,而人工绘图需要5 min;③利用软件平台编制周计划、日计划,降低采矿人员需要反复去现场查验的频率以及突破传统采矿实体、块体算量的复杂性,内部预设设备能力分析模块,直接分析出短期计划内设备完成情况信息;④基于影像数据进行斜坡道快速绘制,自动计算坡道填挖土方量,实现运输道路修筑的精准性;⑤“IMDS”软件提供十大功能模块,235个子功能,可实现对无人机影像数据短期计划编制和基于三维地质实体模块的月度、年度计划快速工程量和工程位置精准确定的编制;⑥短期生产计划编制后,可通过数据发布的方式将短期生产计划发布至露天煤矿综合管控平台,实现计划数据直观展示,实现数据一数一源,保证了数据的准确性和安全性。该系统软件的开发,有助于促进智能化采矿设计软件系统的进一步发展。

锡林浩特露天煤矿排土场不同恢复措施植被群落特征分析

有效的排土场植被重建会有利于矿区及周边生态功能的恢复,不同措施植被恢复效果不同。以锡林郭勒盟胜利煤田西二号露天煤矿外排土场为研究对象,于2007年开始进行修复工作,本研究对排土场恢复第13年3种不同恢复措施下的植物群落进行调查。其中,3种不同措施分别为生物笆覆盖措施(简称SW)、沙障覆盖措施(简称SZ)和人工条播措施(简称RT)。不同措施坡面同时分为坡上(PS)、坡中(PZ)、坡下(PX)和平台(PT)4个高度。结果表明:(1)覆盖措施恢复效果明显,物种多样性显著高于RT措施,其中SW措施效果较好。(2)同一措施下各高度中,PT恢复效果最好,坡度对于植物生长存在一定影响。(3)一年生草本植物芸薹(Brassica rapa var.oleifera),多年生草本植物披碱草(Elymus dahuricus),灌木植物小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、柠条锦鸡儿(C.korshinskii)对于胜利煤田矿区排土场生态环境适应性较好。

露天煤矿碳排放核算及碳中和实现路径:以魏家峁煤矿为例

厘清露天煤矿碳排放特征是实现露天煤矿“双碳”目标的前提和基础。在分析识别露天煤矿碳排放源的基础上,基于煤炭开发碳排放源清单分析方法构建了露天煤矿碳排放核算模型。以魏家峁煤矿为例,分析了不同排放源的碳排放特征,并提出了露天煤矿碳中和实现路径。研究结果表明:露天煤矿碳排放源包括直接碳排放源(能源消耗(以燃油和炸药为主)、逃逸和非受控燃烧)和间接碳排放源(电力消耗和水消耗)两类。2022年,魏家峁煤矿的碳排放总量为112785.978t,其中,直接碳排放量为79874.508t,间接碳排放量为32911.470t。燃油消耗为魏家峁煤矿碳排放的主要贡献者,由其产生的碳排放量占煤矿碳排放总量的47.152%。基于碳排放特征,魏家峁煤矿可采取四大路径实现低碳发展:优化煤矿生产系统和能源利用模式,减少能源消耗带来的碳排放;综合利用矿山智能化和物联网技术,降低不必要的设备损耗和能源消耗;促进传统能源和新能源的耦合利用,降低能源消耗的碳排放系数;通过生态恢复,增强矿区生态系统的固碳增汇效益。研究结果可为露天煤矿碳排放核算和减排策略制定提供参考。