众所周知，煤炭不是直接裸露在地球表面等着人们去开采的，而是埋藏在地表之下，由专业技术人员进行设计和开采。煤炭开采方法有很多，常见的是井工开采和露天开采。所谓煤炭露天开采，就是先移走煤层上面的表土和岩石，使煤炭敞露地表后再进行开采的方法。移去表土和岩石的过程称为剥离，采出煤炭的过程称为采煤。露天采煤通常采用台阶分层、自上而下逐层开采的方式，在空间上形成阶梯状。与井工开采相比，露天开采具有工作条件好、劳动效率高、生产成本低等特点。近年来，我国煤炭总产量中露天开采所占比重逐年增加，露天煤矿正朝着大型化、集约化、绿色化和智能化方向发展。笔者将带您了解露天煤矿的“大矿坑”“巨无霸”“生产作业”和“无人化”。
文章来源：《智能矿山》2024年第6期“露天矿智能化技术创新与实践”特刊“太阳石科普”专栏
第一作者：王金金，高级工程师，主要从事露天煤矿优化设计与智能化研究工作
作者单位：中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司；辽宁工程技术大学；中煤科工开采研究院有限公司
引用格式：王金金，王忠鑫，许永祥，等.科普视角谈煤炭露天开采[J].智能矿山，2024，5（6）：45-50.
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露天煤矿的生产作业空间范围广，主要由采掘场，排土场、地面生产系统、工业场地等4部分组成，占地面积从几平方千米至十几平方千米不等，约为几个至十几个足球场那么大。其中，采掘场是进行土岩剥离和煤炭开采的场所，也就是我们通常说的矿坑；排土场是堆放剥离物的地方；地面生产系统是负责煤炭破碎加工、存储及装车外运的地方，通常布置于采掘场附近，以尽量缩短煤炭运输的距离；工业场地的建筑、设施与矿山所采用的运输方式有关，一般设有机修间、输电线检修间、变电所、锅炉房、仓库和行政福利设施等。
煤炭露天开采示意
（1）露天煤矿产量大
如位于新疆昌吉州吉木萨尔县五彩湾的南露天煤矿，年产煤量4000万t。4000万t煤是多少？如果给全中国14亿人分，平均每人可分得28kg。
露天煤矿鸟瞰图
（2）露天煤矿储量大
如位于山西平朔的安太堡露天煤矿，可采煤层厚度累计约30m，煤炭储量约126亿t，估计再开采200年没问题。126亿t是什么概念？如果一节列车长8m，载重70t，要将126亿t煤炭全装在列车上，列车总长度约等于从地球去月球2个来回。
（3）露天煤矿贡献大
如1960年版的5元人民币上，背面的图案是电铲在露天煤矿作业的场景。这样将一个行业的工作场景设计到人民币图案上，这是新中国钱币史上的一次特例，充分表明了当时煤炭行业对我国经济发展作出的巨大贡献。
1960年版的5元人民币背面图案
（1）轮斗挖掘机
由德国研究制造的巴格尔293轮斗挖掘机，是目前全球最大的轮斗挖掘机。挖掘机长240m、宽49m、高95m、重1.5万t，每个铲斗每次能挖出近15m3的物料，整机挖掘能力达26万m3/天，半天就能挖平一座山，巨大的普通工程车在它面前都显得非常渺小。
（2）矿用自卸卡车
徐州工程机械集团有限公司研制的XDE440型矿用自卸车是目前全球最大吨位的交流电动自卸车。该车长16m，轮胎直径4m（1个轮胎的质量就有5.3t），自重260t，载重400t。车辆发动机的最大功率达3700多马力（1马力≈735kW），一次能拉10辆坦克，若开上公路，会直接把公路压坏。
（3）吊斗铲
吊斗铲又名拉铲，是集采装、运输与排弃作业于一体的巨型单斗挖掘设备。它没有斗杆，动臂较长，靠提升和回拉钢索来控制铲斗的位置和倾角，铲斗靠自身重力切割物料。世界上最大的吊斗铲有22层楼高，一铲可挖300t物料。
露天煤矿大型装备
（1）露天煤矿生产环节
煤炭露天开采的本质是土石方的大规模时空运移，生产工序多、工艺复杂，设备类型多、规格大，是一项复杂的系统工程。简而言之，露天煤矿生产环节分为矿岩准备、采装和运输、排卸3部分。
矿岩准备主要包括穿孔和爆破2项工序，是露天煤矿生产的首要环节。首先在矿岩上面钻凿一定直径和深度的爆破孔，然后把炸药装进去，通过炸药爆炸瞬间释放的巨大能量和产生的强力冲击，对矿岩进行破碎和松动。
采装和运输是露天煤矿生产的核心环节。采装是利用挖掘设备将矿岩从整体或者爆堆中采出并装入运输设备或者直接卸载到指定地点的过程；运输是指将采出来的煤炭运送到破碎站、储矿场等地方，把剥离出来的土岩运送到排土场的过程。排卸是衔接运输终端的作业环节。将剥离出来的土岩按照一定程序排弃到规定的排土场；将采出的煤炭按照存储或洗选计划卸载到规定的储煤场或选煤厂。
露天煤矿生产环节
（2）露天煤矿开采工艺系统
露天煤矿开采工艺系统是对不同生产作业环节的不同生产设备的有序组合，根据各个生产环节所采用设备的工作特点，露天煤矿开采工艺系统一般分为间断、连续、半连续及无运输倒堆4种。间断开采工艺系统是指在采装、运输及排卸3大主要生产环节中，物料的输送都是间断的。其中，最为典型和常见的是单斗−卡车间断开采工艺。连续开采工艺系统是指在采装、运输及排卸3大主要生产环节中，物料的输送都是连续的。其中，最为典型和常见的是轮斗挖掘机−带式输送机−排土机连续开采工艺。
半连续开采工艺系统是指在采装、运输及排卸3大主要生产环节中，物料的输送是部分间断、部分连续的。其中，最为典型和常见的有单斗−自移式破碎机+转载机−带式输送机半连续开采工艺和单斗−工作面卡车+半移动破碎站−带式输送机半连续开采工艺2种。
露天煤矿综合开采工艺示意
无运输倒堆开采工艺系统是指用挖掘设备铲挖剥离物并直接堆放于旁侧的排土场，从而揭露出煤层的开采工艺，是一种合并式开采工艺。其中，最为典型和常见的是吊斗铲倒堆开采工艺。我国的露天煤矿基本都采用2种或2种以上开采工艺系统相结合的综合开采工艺系统，其适用于采掘场平面尺寸大或开采深度大、生产规模大的露天矿。
（1）空天地一体化全面感知——全息映射
利用卫星定位系统（GPS、北斗等）、无人机巡航及地面通信系统等设备与技术，全面感知矿山要素；采用无人矿用卡车携带着多种感知传感设施（雷达、摄像头、防碰撞系统等），感知周围环境。空、天、地一体化全面感知助力露天煤矿精准定位与通信交互，助力构建数字化、一体化的煤矿数字孪生模型。
露天煤矿空天地一体化全面感知
（2）一体化智能综合管控平台——运筹帷幄
基于数字孪生模型的一体化智能综合管控平台是露天煤矿智能化系统的“总指挥部”，是一个多领域、多学科、多技术相融合的复杂的系统平台，包含了高精度地图采集与三维显示系统、云端智能调度与监管系统、多设备协同作业管理系统等。
露天煤矿一体化智能综合管控平台
（3）坑下无人、地面少人——自主运行
露天煤矿坑下的“巨无霸”和其他智能设备以及机器人，在一体化智能综合管控平台“总指挥部”的指挥下，可自主决策、协同运行，不知疲倦地工作。地面办公楼里的工作人员只需通过远程实时视频画面来监管生产过程、巡查智能设备和机器人是否“健康”工作。
露天煤矿开采设备自主决策和协调运行
露天开采是我国煤炭生产体系的重要组成部分，长期以来为我国能源发展作出了重要的贡献。我国露天煤矿大多地处偏远地区，存在气候恶劣，劳动强度大、招工用人难等问题。为实现露天煤矿智能化和无人化，众多科研人员和工程人员长期奋战在实验室和生产一线，以5G专网为基础，将物联网、大数据、人工智能、数字孪生等新一代信息通信技术与传统的露天开采工艺融合，致力于实现基于数据驱动的一体化智能综合管控，借助现代科技的力量降低劳动强度、提升安全水平、缩减用人规模、提高工作效率，从而实现露天煤矿绿色安全、高效节能、少人无人化发展。
