中國露天煤礦70 年成就回顧及高質量發展架構體系

才慶祥 ， 陳彥龍

(1.中國礦業大學 礦業工程學院, 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 深地工程智能建造與健康運維全國重點實驗室, 江蘇 徐州 221116)

中國露天煤礦開采起源于1914 年遼寧撫順古城子露天堀(今撫順西露天礦前身)，史稱中國第一露天煤礦，至今已有110 a 的歷史。但露天煤礦真正的大發展始于新中國成立，蓬勃發展始于改革開放[1]。特別是進入21 世紀以來，我國露天煤炭開采產量已超過其他產煤國家，躍居世界第1 位，中國露天煤炭事業形成了跨越式發展的新局面。在這期間，中國露天煤礦事業抒寫了由小到大、從弱到強的壯闊篇章。

綜合新中國成立后露天煤礦70 a 來的建設發展歷程來看，在露天開采理論與技術方面，歷經起步恢復、中西融合交流、西方技術消化吸收再創新再到完全自主知識產權，至今已走在世界的前列；在露天開采工藝方面，完成了從間斷開采工藝到半連續開采工藝、連續開采工藝，再到綜合開采工藝的發展；在露天開采設備方面，實現了由幾立方米斗容、十幾噸裝載量的小型設備到近百立方米斗容、幾百噸裝載量，以及連續采掘配合高速寬膠帶的大型采運設備的跨越；在露天原煤總產量方面，實現了從百萬噸、千萬噸、億噸再到十億噸的飛躍；在露天開發模式方面，逐步實現了由單一煤炭資源開發向可持續循環經濟方向質變發展[2-5]。

2022 年，我國露天煤礦產能與產量首次雙雙突破10 億t，以占比約8%的煤礦數量，貢獻了全國約23%的煤炭產量，開啟了露天煤炭開采事業的新起點[6]。在產量供應能力持續增強的同時，露天煤礦的智能化水平也加速提升，以智能綜合管控平臺、無人駕駛、智能監測預警、智能鉆爆等為代表的智能化應用場景不斷豐富[7]。然而，露天煤炭開采事業蓬勃發展的同時，也面臨著一些問題，如土地挖損壓占、大氣污染、地下水流失等環境問題[8]，開采過程中共伴生資源利用率低以及邊幫滯留資源浪費等問題也亟待解決。

綜上，值此中國露天煤礦事業在曲折中不斷前進、發展、創新、登高之際，筆者首先回顧了新中國成立70 a 來露天煤礦的建設歷史及發展歷程，對各時期露天煤礦產量與數量規模、露天開采理論與技術、露天開采工藝與裝備、資源開發與環境保護等方面取得的突出成就進行了系統總結；然后分析了現階段露天煤礦發展面臨的主要問題；最后根據新時期下露天煤礦建設的總體目標和發展趨勢，提出了我國露天煤礦高質量發展架構體系及實現路徑。以期為推進我國露天煤礦持續、快速、健康、高質量發展提供參考。

1 中國露天煤礦建設歷程

新中國成立之后，伴隨著社會主義建設的前進步伐，中國露天煤礦事業取得了巨大的成就。根據不同時期露天煤礦的數量、產量、開采理論技術及工藝裝備等發展指標，將我國露天煤礦建設歷程自1949 年至今歸納劃分為4 個發展階段：包括起步恢復階段(1949—1979 年)、快速發展階段(1980—1999 年)、綜合發展階段(2000—2020 年)及智能化初級發展階段(2021 年以后)4 個時期。

1.1 起步恢復階段(1949—1979 年)

以阜新海州露天煤礦及稍后的撫順西露天煤礦改擴建為標志，我國露天煤礦建設進入起步恢復期，這一時期劃定在新中國成立后到改革開放前的30 a 間。

新中國成立后，經過3 a 國民經濟恢復建設，國家統籌規劃了第1 個五年計劃(1953—1957 年)?！耙晃濉庇媱澒泊_定3 處露天煤礦項目，分別是阜新海州露天煤礦、撫順西露天煤礦、撫順東露天煤礦[9]。伴隨著“一五”計劃的穩步推進以及原有露天煤礦的恢復生產，1957 年我國露天煤礦年產量高達10.08 Mt，其產量占當年煤炭總產量的6.75%，相較于1949 年露天原煤產量，提高了213%?！耙晃濉庇媱澞┢?，全國共有露天煤礦20 多處，總設計產能10.33 Mt/a，至此，我國露天煤礦事業步入了健康發展的軌道。

基于“一五”計劃的建設成效，“二五”計劃及3年調整期內(1958—1965 年)，國家陸續規劃設計了哈密三道嶺、義馬北、可保、依蘭、平莊西、公烏素、鶴崗嶺北、布沼壩等露天煤礦，同時對海州露天煤礦、撫順西露天煤礦進行了擴建與技術改造。相比于“一五”計劃期間，露天煤礦年產能約增加8 Mt，露天煤礦數量增至30 多處，總設計產能超過17 Mt/a。同時，露天煤礦的分布范圍也從遼寧逐漸擴展至河南、新疆、山東等地。隨著露天煤礦數量與生產能力的提升，1960年我國露天年產量達到24.62 Mt。但由于前期開采導致采剝比失衡，加上當時技術制約，使得“二五”期間全國露天煤炭產量連年降低，至“二五”計劃末期(1965 年)，全國露天產量陷入最低峰，國有重點露天煤礦年產量僅有4.22 Mt，露天產量占全國煤炭總產量比例降至1.8%。

1966—1979 年期間，“三五”“四五”計劃陸續完成，伴隨著平莊西、扎賚諾爾靈泉、云南可保、義馬北、哈密三道嶺、鶴崗嶺北、海勃灣公烏素和石炭井大峰等露天礦的建成投產[10]，全國露天煤炭產量開始回升。1966—1979 年，國有重點露天煤礦年產量從7.6 Mt 增至16.56 Mt，提高118%。

在此階段，中國露天煤炭產量經歷了“起步發展—陷入低谷—逐漸恢復”3 個過程(圖1)，我國的露天煤礦事業也在曲折中發展，在發展中調整，在調整中恢復，在恢復中鞏固，在鞏固中提高，為步入快速發展階段奠定了良好的基礎。

圖1 起步恢復階段露天煤礦年產量及占煤炭總產量比例Fig.1 Annual production of open-pit coal mines and its proportion in total coal production during the start-up rehabilitation stage

1.2 快速發展階段(1980—1999 年)

改革開放后，我國露天煤礦建設進入快速發展階段，以霍林河、伊敏、元寶山、黑岱溝、安太堡五大露天煤礦建設投產為該時期的主要標志，時間集中在1980—1999 年的20 a 間。

在改革春風的催生下，以“優先發展露天煤礦”和“盡量打開大露天”的國家政策為指導方針，我國露天煤礦建設進入快速發展期。通過引進大型露天開采設備、合作設計五大露天煤礦、合作開發運營安太堡露天礦等方式，極大推動了我國露天煤礦的建設進程，有力促進了中西技術與建設理念的融合。這一時期，我國露天煤礦開采在技術上和建設規模上都取得了顯著的成就。

1980 年，全國露天煤礦年產能0.3 Mt 及以上的有18 座，總設計生產能力達21.30 Mt/a，全國露天煤炭產量16.99 Mt，占全國煤炭總產量的2.7%；1985 年全國露天煤礦年產量達到25.32 Mt，占全國煤炭總產量的2.9%，正式超過1960 年露天煤炭產量；1995 年，全國露天煤炭年產量41.53 Mt，占全國煤炭總產量的3.2%(圖2)。在此期間，我國與美國島溪公司合作開發的特大型露天煤礦——平朔安太堡露天煤礦以及我國自主設計、自行施工的年產能5 Mt 以上的黑岱溝、霍林河南露天、小龍潭等8 座大型露天煤礦也陸續投產，總設計年產能高達48 Mt。

圖2 快速發展階段露天煤礦年產量及占煤炭總產量比例Fig.2 Annual production of open-pit coal mines and its proportion in total coal production during the rapid development stage

全國露天煤炭產能、產量大幅度增長的背后離不開開采理論技術與開采工藝的進步?？焖侔l展期內，原有露天煤礦的開拓運輸系統被優化，單斗-卡車間斷工藝逐漸替代了原有的單斗-鐵道間斷工藝并進行了大規模推廣，輪斗連續工藝、半連續工藝與綜合開采工藝也逐漸開始應用[11]。這一時期內，露天大型開采設備主要以國外引進為主，國產設備為輔。同時，露天煤礦的建設和管理模式也逐漸呈現出市場經濟的特點，在兼顧產能的同時，也開始對環境保護以及共伴生資源的有效利用等要素加以關注[12-13]。

1.3 綜合發展階段(2000—2020 年)

進入21 世紀以來，隨著市場經濟和改革開放的深入，國民經濟發展對能源需求激增，使得露天煤礦建設迎來了新的發展機遇。在注重生產安全、建設大型露天礦、提高煤炭資源回采率、綠色開采等政策背景下，我國露天煤礦在產量規模、開采理論、開采工藝等方面均取得了突破性成就，時間集中在2000—2020年的20 a 間。

截至2020 年，全國共有4 Mt/a 及以上的大型露天煤礦53 處，總產能6.37 億t，其中千萬噸級大型露天煤礦26 處，產能4.93 億t，占全國露天產能的51.9%。產量方面，露天煤礦年產量由2000 年的0.5 億t 增長至2020 年的8 億多t，占全國煤炭總產量的比例由4%增長至21%(圖3)；開采工藝方面，單斗-自移式破碎機-帶式輸送機-排土機工藝得到大力發展，拉斗鏟工藝得到應用[14]；開采理論方面，提出了現代露天煤礦開采設計中確定經濟合理采剝比的方法、建立了露天綠色礦山理論、形成了具有中國特色的露天煤礦綜合評價體系。同時，我國露天煤礦行業在市場化改革、資源整合、安全整治、建設大基地、綠色開采等方面均取得了創新性成就，形成了具有自身特點的露天煤礦技術體系。

圖3 綜合發展階段露天煤礦年產量及占煤炭總產量比例Fig.3 Annual production of open-pit coal mines and its proportion in total coal production during the comprehensive development stage

1.4 智能化初級發展階段(2021 年以后)

2020 年以來，隨著國家發改委、能源局、應急部、煤礦安監局等八部委聯合發布《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》、中國煤炭工業協會發布《煤炭工業“十四五”高質量發展指導意見》、能源局與礦山安監局發布《煤礦智能化建設指南(2021 年版)》等一批煤礦智能化建設法規的出臺[15]，露天煤礦進入了智能化建設的新階段，目標是通過科技創新驅動開采技術、工藝裝備和智能化水平的整體提升，實現露天煤礦安全、綠色、少人、高效發展。

2021 年12 月，國家能源局印發了《智能化示范煤礦驗收管理辦法(試行)》(國能發煤炭規(2021)69 號)，對確定的71 個國家首批智能化示范煤礦的驗收管理工作提供了要求和依據。同年，各煤炭大省(自治區)開始進行智能化煤礦驗收工作，如截至2021 年年底內蒙古自治區已經完成了12 座大型露天煤礦的智能化驗收工作。

目前，我國露天煤礦智能化建設工作主要圍繞5G+多網絡融合、大數據采集與分析、智能綜合管控平臺、邊坡監測、三維地質模型構建、人員車輛安全監控、破碎站智能控制、帶式輸送機智能巡檢、無人駕駛、智能鉆爆、智能運輸、智能裝車、智能分選、固定崗位無人值守等方面為中心建設內容，在這些方向均取得了一定的進展[16]。5 處露天煤礦入選國家首批智能化示范煤礦，約300 臺無人駕駛車輛在30 余處露天煤礦開展試驗[17]。上述一系列成就標志著我國露天煤礦發展逐漸步入智能化建設階段。

雖然露天行業的智能化建設取得了許多成就，但從總體上看，大部分露天煤礦的智能化建設工作重心都集中在信息化、可視化、無人化等方面，且大多露天煤礦智能化工作都未將外委承包施工部分納入建設范疇，而外委承包施工在我國露天煤礦是普遍存在且占有較大比重的。由此可見，智能化與業務系統的融合深度還遠遠不夠，尚停留在展示、輔助、備用階段。與國外一體化、集成化礦山智能化應用相比，我國露天煤礦智能化系統性、綜合性程度相對較低，還處在探索和初級發展階段[18]。

回顧我國露天煤礦建設歷程，從1949—1979 年的起步恢復階段到2021 年以后的智能化初級發展階段，全國露天煤炭產能、產量大幅度增長，整體呈上升趨勢(圖4)。露天煤炭產量從1949 年最初的201.8萬t，增長到2022 年的10.57 億t，提高了520 多倍。露天煤炭開采事業呈跨越式發展，為我國煤炭工業發展乃至中國工業大發展做出了突出貢獻。

圖4 1949—2022 年露天煤礦年產量及占煤炭總產量比例Fig.4 Annual production of open-pit coal mines and its proportion in total coal production from 1949 to 2022

2 露天煤礦70 年發展成就回顧

2.1 露天煤礦產量及數量規模

新中國成立至今，露天煤礦產量及數量規模均不斷發展，在露天煤礦建設歷程不同階段建成的典型露天煤礦分布情況如圖5 所示。

圖5 不同發展階段下典型露天煤礦分布情況Fig.5 Distribution of typical open-pit coal mines at different development stages

在起步恢復階段，經初期調整和恢復原有露天煤礦生產建設，我國露天煤炭工業逐漸進入快速發展軌道。在此期間，代表性的新建及改擴建露天煤礦包括阜新海州露天煤礦、撫順東露天煤礦、哈密三道嶺露天煤礦、撫順西露天煤礦等。到1979 年，國有重點露天煤礦產量為16.56 Mt，是1949 年建國時的8.2 倍。露天工業在國家發展中不斷調整，在調整中產能與產量逐漸增加，相關產業同步穩定發展，為下一時期的快速發展階段奠定了基礎。

在快速發展階段，1980 年全國露天煤礦產量16.99 Mt，占全國煤礦總產量的2.7%。已建成0.3 Mt/a及以上的主要露天煤礦有18 座，設計生產能力為21.3 Mt/a。改革開放以后，我國經濟快速發展，煤炭需求增加，面對煤炭供需緊張、供不應求問題，在原煤炭工業部的“優先發展露天煤礦”和“要盡快打開大露天”的方針指導下，建設了五大露天煤礦：霍林河露天煤礦、元寶山露天煤礦、伊敏露天煤礦、黑岱溝露天煤礦和安太堡露天煤礦[19]。與此同時，也相繼建設了武家塔、馬家塔、寶日希勒等露天煤礦，并對原有的霍林河、小龍潭、布沼壩、海州、撫順西等露天煤礦進行技術升級和改造。其中，中美合資的安太堡露天煤礦設計生產能力為15.33 Mt/a；霍林河南露天煤礦于1981 年9 月開工投產，設計生產能力為3 Mt/a，在1988 年開始進行擴建，在1992 年建成了7 Mt/a 的二期擴建工程；伊敏露天煤礦一采區在1984 年建成，設計生產能力1 Mt/a，1992 年開始擴建，1998 年擴建完成，2000 年達產設計能力5 Mt/a。在快速發展階段期間，露天煤礦產量大幅度提高，單礦設計能力從5 Mt/a以下提高到最大15.33 Mt/a，露天煤礦事業在技術、建造規模和數量上取得了顯著成就。

進入綜合發展階段，隨著經濟的快速發展，我國能源需求不斷增加，對煤炭的需求也呈現出快速增長的趨勢。為了滿足這一需求，國家在煤炭開采領域進行了大量的投資和創新支持，露天煤礦的產量和數量規模不斷擴大，露天煤炭資源產量占全國煤炭總產量的比例越來越高，我國露天煤礦發展也迎來了“黃金十年”，在建設規模和生產產量等取得了顯著性的進步。如平朔東、哈爾烏素、白音華、勝利等一批大型特大型露天煤礦建成投產；2014 年，黑岱溝露天煤礦產能核增至34 Mt/a，哈爾烏素露天煤礦和寶日希勒露天煤礦產能均核增至35 Mt/a。

進入智能化初級發展階段，新疆天池能源有限責任公司南露天煤礦產能核增至40 Mt/a，開創了我國露天煤礦單礦產能新局面。截止到2022 年，我國露天煤礦產量首次突破10 億t，達到10.57 億t，露天煤炭產能和產量比例均已占到全國的20%以上。目前，我國露天煤礦數量達350 余處，產能達11.62 億t；已建成安全高效露天煤礦101 處，千萬噸級露天煤礦超30 處；露天煤礦產能分布全國11 個省區，其中內蒙古、新疆兩地的露天煤礦合計產能占全國露天煤礦的比重達到85%以上。露天煤礦已成為我國煤炭行業不可或缺的重要組成部分，其在我國產能調節過程中的“緩沖倉”地位愈加明顯，對于發揮煤炭在能源中的基礎和兜底保障作用意義重大。

2.2 露天開采理論與技術

2.2.1 露天煤礦地質模型構建

在起步恢復階段，20 世紀60 年代國內露天煤礦開始了地質模型構建的相關研究。最初地質模型基本為信息量單一、功能簡單的等值線模型、多邊形模型和格網模型等可視化程度較低的二維模型。

進入快速發展階段后，一些科研機構和露天煤礦合作開發了適應單一煤層賦存的地質模型，但由于數據更新困難、準確度差、操作界面復雜等原因，模型僅用于科研和生產技術優化，在露天煤礦中的實際應用極少。1986 年，安太堡露天煤礦引入了Morrison 公司開發的Eagles 軟件，地質模型首次被用于露天煤礦生產規劃設計中。此后，國內相關領域科研工作人員結合已有理論實踐，逐步形成了礦床地質模型的構建技術。通過對軟件操作系統的漢化和改進，國外地質建模商用軟件逐漸應用于露天煤礦的生產規劃設計領域。期間安太堡露天煤礦和元寶山露天煤礦引入的VULCAN 軟件是國外商用軟件在國內露天煤礦生產設計應用的典型代表[20]。

進入綜合發展階段后，隨著計算機技術和地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、遙感系統(RS)，以及虛擬現實(VR)組成的空間信息技術的成熟應用和發展，露天煤礦地質模型構建逐步實現了精細化的三維塊體和三維實體可視化。三維地質模型具有精度高、信息量大、功能齊全、運算能力強、可視化程度高等優點，能夠有效實現地形地物、礦床地質資料的高度數字化，實現地質信息、儲量管理、開采設計的可視化，地質預報、測量驗收的精準化，使得礦山的地質、測量、設計、安全和施工管理的信息能夠共享，實現采礦決策總體優化、生產過程優化預控，提高了礦山企業的現代化管理水平。在該階段，國內也開發了多款三維地質建模軟件，如3DMine、DiMine 等。

進入智能化初級發展階段以后，露天礦山智能開采對地質模型構建提出了新的更高的要求。通過進一步提高勘探精度，建立高精度三維地質模型，進而準確反映煤層賦存地質狀態、地質構造和煤巖特征，提高礦山地質的透明化水平，為建設智能露天礦山提供精準地質保障[21-22]。

2.2.2 露天煤礦規劃與設計

在起步恢復階段之初，新建的海州露天煤礦和撫順西露天煤礦改擴建工程屬于前蘇聯援建工程，設計工作由前蘇聯列寧格勒煤礦設計院完成，采用單斗-鐵道間斷工藝，開拓方式為非工作幫固定折返坑線和工作幫移動折返坑線開拓運輸系統。20 世紀50 年代后期，在掌握了前蘇聯的設計方法的基礎上，國內設計院開始自行完成了一批露天煤礦規劃與設計，如1958 年沈陽設計院完成了中國第1 個露天煤礦工程設計——設計能力3 Mt/a 的平莊西露天煤礦。該階段我國露天煤礦設計能力一直保持在5 Mt/a 以下，開采工藝以單一的單斗-鐵道間斷工藝為主。

進入快速發展階段后，相關設計單位在“五大露天煤礦建設”過程中多方位學習和消化國外技術，露天煤礦設計突破了原有鐵道運輸-走向拉溝-全區開采-外部排土的傳統模式，開始設計分區開采-壓幫內排，并在拉溝方案和開采程序上進一步改進；霍林河、黑岱溝露天煤礦設計突破了千萬噸級規模；單斗-卡車間斷工藝和單斗-卡車-半固定破碎站半連續工藝在安太堡、黑岱溝、伊敏和元寶山等露天煤礦應用；輪斗連續工藝在國內首次被小龍潭和布沼壩露天煤礦三期擴建過程中引進應用。專家學者們進一步創新了露天煤礦的設計理論，如田會[23]提出了適用于煤巖量計算的相交圖形法；張幼蒂和楊榮新[24]總結了現有的各種露天開采境界優化設計方法的共性問題，給出了動態綜合優化露天開采境界的原則和方法；楊榮新[25]分析了基于靜態經濟分析理論的局限性，提出按動態經濟分析確定露天開采境界的理論和方法；姬長生和張幼蒂[26-27]以單位儲量凈現值最大及合理匹配各要素之間相互關系為準則，運用系統工程方法和規模經濟理論建立了露天礦山生產能力綜合優化模型。在此期間，《露天煤礦采礦設計手冊》《露天煤礦工程設計規范》等露天煤礦標準規范的陸續制定，使得我國露天煤礦設計體系得以進一步完善。

進入綜合發展階段后，國內露天煤礦設計理念由注重剝采工程技術、均衡生產向注重資源開發可行性研究轉變，更加關注經濟效益、安全效益和環保效益，呈現出規模大型化、生產集約化和高產高效的特點。露天煤礦開始全面進入20～40 Mt/a 的規模時代。拉斗鏟倒堆工藝、單斗-自移式破碎機半連續工藝分別在黑岱溝露天煤礦、伊敏露天煤礦首次設計并應用。隨著《煤炭工業露天礦工程建設項目可行性研究報告編制標準》《煤炭工業露天礦設計規范》《煤炭工業露天礦工程建設項目設計文件編制標準》《煤炭工業露天礦礦山運輸工程設計標準》《煤炭工業露天礦邊坡工程設計標準》等一系列國家、行業標準規范的編制和實施，國內露天煤礦完整的建設項目設計工作體系逐步建立。

2.2.3 露天煤礦采區劃分與轉向

在起步恢復階段，國內露天煤礦單礦開采面積相對較小，運距對于單斗-鐵道間斷工藝的生產成本影響較小，因此主要采用緩工作幫、全境界開采方式不斷延深露煤。

進入快速發展階段后，單礦開采面積大幅增加，全境界開采方式受到限制。20 世紀80 年代以后，安太堡露天煤礦首次引入分區開采的新理念，快速推動了國內露天煤礦分區開采和轉向技術的發展。分區開采有效降低了初期基建工程量，在優先開采有利區段、降低運距、快速實現內排等方面優勢明顯。工作線長度是露天煤礦采區劃分的基礎和依據，直接影響剝離運距，進而影響煤礦的生產能力和經濟效益。期間于汝綬和習永峰[28]從剝離總費用最小的角度出發推導了露天礦經濟工作線長度的計算公式圖解方法。為解決采區轉向期間造成的運距增加、出現剝離“洪峰”、生產管理復雜、露煤量偏少等問題[29]，才慶祥和姬長生[30]以安家嶺露天煤礦一采區向二采區轉向為例提出了4 種可行的采區轉向方案，通過定量計算與定性分析確定了最佳采區轉向方式，研究方法與結論對其他類似條件的礦山提供了重要指導；顧正洪等[31]分析了間斷式和連續式2 種采區轉向方式的特點，并以霍林河南露天礦為例對不同轉向方式進行了技術經濟分析，對不同條件下露天礦采區轉向方式的選擇提供了參考。

進入綜合發展階段后，專家學者們進一步豐富和優化了采區轉向理論。劉憲權等[32-33]、徐志遠等[34]以安太堡露天煤礦為例分析了采區轉向接續期間存在的作業空間不足與快速延深需求的矛盾、內排土場空間不足、運距增大、原煤生產接續困難和運輸系統復雜化等問題，提出了內排搭橋、反向高段內排及“樹枝形”運輸系統等開采程序優化措施；姬長生[35]總結分析了近水平露天煤礦中直角緩幫、扇形推進和重新拉溝3 種轉向方式的特點；周偉等[36]以安太堡露天煤礦為例提出采用采區間搭橋、反向內排和筑路式組溝開拓運輸系統方式解決大型近水平露天煤礦轉向期間內排空間不均衡、運距過長的問題。

2.2.4 露天煤礦剝采比調節

在起步恢復階段，國內露天煤礦主要采用單斗-鐵道間斷工藝，由于運距對該工藝的生產成本影響不大，因此多采用剝采比均衡法優化剝采計劃，達到均衡生產的目的。但剝采比均衡法以超前剝離為代價，前期投資較大且投資回收期長。陳百玉[37]根據投資經濟效果原則就采用單斗-鐵道工藝的大中型露天煤礦的前期生產剝采比和最大生產剝采比及維持年限進行了討論。

進入快速發展階段后，單斗-卡車間斷工藝和半連續工藝在國內開始大規模應用，采剝運距隨礦山規模發展而不斷增加。但剝采比均衡法無法解決采剝運距增大帶來的生產成本提高的問題，同時剝離“洪峰”過去后采掘與運輸之間存在矛盾[38]。因此，考慮經濟效益的剝采比優化方法開始應用于露天煤礦設計及生產中，但仍然無法解決礦山生產的穩定和剝離“洪峰”削減的現實問題。

進入綜合發展階段后，計算機技術的廣泛應用使得露天煤礦可以基于地質模型模擬優化生產進度，剝采比優化理論進一步革新。于汝綬[39]提出了剝離運輸功均衡法，將剝采比和采剝運距相結合，既考慮了礦山生產的均衡，有效地削減了剝離“洪峰”，又充分發揮了主要設備的效率，改善了礦山的經濟效益。此外，相關學者對于特殊條件下的生產剝采比優化也進行了研究。白潤才等[40]針對元寶山露天煤礦受境界內河流影響引起的剝采比波動問題，提出了采用雙坑配采的方法調節生產剝采比，實現采剝工程的平穩過渡；趙紅澤等[41]分析了近水平轉傾斜煤層煤礦的生產能力約束指標，提出了雙坑動態剝采調節方法。

2.2.5 露天煤礦開拓運輸系統優化

在起步恢復階段，露天煤礦多采用單斗-鐵道間斷工藝，開拓運輸方式主要為非工作幫固定坑線、工作幫移動坑線和聯合坑線方式。如海州露天煤礦采用底板折返固定坑線開拓；撫順西露天煤礦開采初期剝離采用北幫移動坑線系統，中期形成了工作幫直進與折返混合的準軌鐵道移動坑線開拓；平莊西露天煤礦采用底幫固定折返坑線與頂幫移動折返坑線的聯合坑線開拓方式。

進入快速發展階段后，各露天煤礦因地制宜，紛紛探索更適合本礦的開拓方式。同時，由于開采工藝的轉變，鐵道運輸系統逐漸減少，公路開拓運輸系統、帶式輸送機運輸系統在露天煤礦中的比例不斷增大。如安太堡露天煤礦采用單斗-卡車開采工藝和多出入溝-直進回返移動坑線-內排的開拓方式；布沼壩露天煤礦應用了輪斗挖掘機-帶式輸送機-排土機連續開采工藝的剝離系統，采用采剝分離的雙出入溝固定坑線的開拓運輸系統。

進入綜合發展階段后，為適應各種開采條件和不同的開采深度，聯合開拓運輸方式得到廣泛應用，專家學者們也提出了不同條件下開拓運輸系統的優化方法。如尚濤等[42]分析了近水平露天煤礦分區開采過渡期間開拓運輸系統的特點、問題和解決途徑，提出了該時期開拓運輸系統優化的思路和方法；車兆學和才慶祥[43-44]針對傳統開拓運輸系統將內排運輸道路布置于端幫造成的運距增加及端幫壓煤問題創新性地提出了中間邁步式搭橋開拓運輸系統。劉福明等[45]進一步給出了露天煤礦中間搭橋的適用條件，確定了中間搭橋的高度和寬度等關鍵參數。劉光偉等[46]建立了基于選線道路費用成本最優化的數值計算模型，優化后的線路費用成本更低，能快速、有效地解決礦山運輸系統定線問題。

2.2.6 露天煤礦安全開采保障

在起步恢復階段伊始，黨中央國務院就高度重視煤礦的安全生產工作。1949 年第1 次全國煤礦工作會議提出了“煤礦生產，安全第一”的方針，多級安全監察機構相繼成立，并陸續制定和發布了大量的煤礦安全生產行政法規、規程和規章。到1952 年底，全國煤礦安全生產管理體系初步形成，保障了露天煤礦的安全發展。1961 年，黨中央重申“安全為了生產，生產必須安全”，并提出了“調整、鞏固、充實、提高”的8字方針?？傮w來看，在此時期內我國露天煤礦安全管理處于傳統的被動管理模式。

進入快速發展階段后，原煤炭工業部相繼發布了《煤礦安全工作試行條例》《煤礦安全監察試行條例》《煤礦安全規程》等安全政策方針，并提出了執行“安全第一”方針的10 條標準，露天煤礦安全生產狀況逐漸改觀。1993 年2 月3 日原能源部頒布了我國歷史上第1 部露天煤礦安全技術法規——《煤礦安全規程(露天煤礦)》，為提升露天煤炭企業安全管理水平提供了重要保障。與此同時，學者們對露天煤礦安全開采中最重要問題之一的邊坡穩定性開展了研究。如白占平和郭增濤[47]采用有限元方法分析了五龍礦井工開采對海州露天煤礦西南幫應力與位移的影響；周昌壽[48]分析了露天煤礦內排土場的主要變形類型以及穩定性影響因素，提出了保證內排土場穩定的措施；曹蘭柱等[49-50]采用離散單元法和模型試驗分析了海州露天煤礦南幫隨露天開挖的應力變化和巖移特征，揭示了邊坡巖移機理和潛在滑坡模式；芮勇勤等[51]根據老化理論提出了露天煤礦邊坡中軟弱夾層的一般流變方程，建立了長期抗剪強度與應力作用時間變化的關系，為蠕動邊坡動態穩定性分析提供了理論依據?？傮w來看，在此時期，露天煤礦安全管理整體仍處于“被動安全”向“主動安全”過渡階段。

進入綜合發展階段后，以《安全生產法》和《煤礦安全監察條例》為主體的煤礦安全生產法律法規體系基本形成。各露天煤礦以“安全第一、預防為主、綜合治理”為安全生產方針，從安全質量標準化入手，總結煤礦法律法規和安全生產管理經驗，建立和完善了安全管理制度化管理體系。同時，露天煤礦邊坡穩定性理論研究進一步豐富。舒繼森等[52-53]通過理論分析和物理相似模型試驗改進了使用極限平衡法計算巖體邊坡平面滑動時的水壓分布假設；才慶祥等[54]提出了露天礦時效邊坡理論，以邊坡的暴露時間作為邊坡時效性評價的指標，為露天煤礦實現靠幫開采提供了安全保證；楊天鴻等[55]建立了基于微震監測信息反演的邊坡巖體內部損傷演化模型；王東等[56]研究了斷層位置對露天礦順傾層狀邊坡穩定性的影響；陳彥龍等[57-58]考慮了大型運輸設備作業對邊坡覆巖的循環加卸載效應和爆破沖擊動載作用，研究了邊坡煤巖體的動態力學特性；韓流等[59]提出了平面和圓弧兩種失穩模式的時效穩定系數計算方法，建立了邊坡時效穩定分析的理論模型；劉福明等[60]研究了壓實區與非壓實區滲透速率不同的內在原因，提出了提高露天礦排土場邊坡穩定性的建議。目前隨著露天煤礦智能化建設和安全避險系統等進一步的研發，露天煤礦已經向全面實現“主動安全”方向發展。

在我國露天煤礦過去70 a 的發展建設歷程中，在開采理論與技術發展方面，我國露天煤礦在地質模型構建、規劃與設計、采區劃分與轉向、剝采比調節、開拓運輸系統優化以及安全開采保障等領域均獲得了長足的發展，各領域隨露天煤礦發展階段的不同特征及發展趨勢總結如圖6 所示。

圖6 露天煤礦開采理論與技術發展趨勢Fig.6 Development trends in theory and technology of open-pit coal mining

2.3 露天開采工藝及裝備

在起步恢復階段，受國內設備制造能力和開采技術的限制，單斗-鐵道工藝是國內露天煤礦的主要工藝。如撫順西、海州、平莊西、三道嶺等露天煤礦均采用單斗-鐵道開采工藝。彭世濟等[61-62]研究總結了單斗-鐵道工藝中采運環節之間的聯系與配合問題，確定了車鏟比的合理值；駱中洲和王世輝[63-64]研究了電子計算機模擬露天礦生產系統的步驟與方法，用于匹配設備數量及列車的調度。在此階段，國內露天煤礦開采設備主要依賴于從前蘇聯進口，1954 年撫順挖掘機廠成功研制斗容為0.5 m3的挖掘機，標志著我國露天煤礦開采裝備由進口向自主研發的轉變。之后，4 m3電鏟、80～150 t 電機車和蒸汽機車等國產裝備逐漸應用到露天開采作業中，自主研發的裝備制造體系逐漸完善。

進入快速發展階段后，金智求[65]總結了國內外露天開采的經驗，指出應大力開展新工藝、新技術及相應的開拓開采等課題的研究工作，各露天煤礦應根據具體條件發展綜合工藝系統。習永峰等[66]建立了卡車重車、空車的多目標規劃模型，推導出“最小比值方差”調車準則；彭世濟等[67]討論了露天煤礦連續工藝系統可靠性的計算方法，可估計出系統的年有效工作小時數，為輪斗系統中設備規格的選取提供依據。

在此期間，安太堡露天煤礦從美國引進了單斗-卡車開采工藝及成套裝備，隨后單斗-卡車開采工藝開始在伊敏、霍林河、黑岱溝等露天煤礦陸續應用。1983 年5 月，國務院討論通過了《關于抓緊研制重大技術裝備的決定》，確定了年產千萬噸級的大型露天煤礦成套設備為國家重點建設項目，包括年產1 000萬t 級和2 000 萬t 級露天煤礦單斗-卡車開采工藝及連續、半連續開采工藝的成套設備。1984 年，撫順西露天煤礦投入使用了第1 套單斗-卡車-半固定破碎站-帶式輸送機半連續開采工藝系統，標志著我國露天煤礦正式進入半連續工藝發展階段。1986 年7 月，云南小龍潭露天煤礦剝離首先采用小型輪斗挖掘機連續生產工藝，擴建后采用中型輪斗挖掘機連續開采工藝。隨后，元寶山、黑岱溝露天煤礦等輪斗連續工藝系統相繼投產，為我國連續開采工藝的應用打開局面。1987 年，年產1 000 萬t 級露天煤礦單斗-卡車開采工藝成套設備完全實現國產化，在霍林河露天煤礦等投入應用。同時，國外技術與國內技術的聯合應用催生了大量具有重大意義的產品，如年產2 000 萬t級的露天煤礦單斗-卡車開采工藝成套設備、23 m3單斗挖掘機及154 t 電動輪自卸車在平朔礦區應用。

進入綜合發展階段后，張幼蒂[68-70]、尚濤[71]、李克民等[72]圍繞拉斗鏟倒堆工藝，分析了我國大型煤田采用倒堆剝離方法的有利條件及應用前景，提出了拉斗鏟選擇的基本思路與方法，指出了運煤系統的優化選擇關鍵在于運煤通道的設置，并給出了拋擲爆破與剝離臺階的開采參數。車兆學等[73-75]提出了一種新型輪式軟巖破碎機，與單斗挖掘機和帶式輸送機組成了新式露天煤礦表土剝離半連續開采工藝系統，填補露天采礦工藝的一項空白。2007 年，黑岱溝露天煤礦引進了國內第1 臺拉斗鏟，采用拉斗鏟無運輸倒堆開采工藝配合拋擲爆破技術，年剝離能力達2 000 萬m3。同年，伊敏露天煤礦投入了國內第1 套自移式破碎機半連續工藝裝備用于采煤，帶動了我國露天煤礦單斗-自移式破碎機-帶式輸送機半連續工藝的繁榮發展。至此，世界主要先進露天采煤工藝在我國都得以應用。

露天煤礦采用單一開采工藝模式限制了生產規模和經濟效益的提高，根據露天煤礦煤層賦存條件，同時使用2 種或以上工藝的綜合開采工藝能夠獲得高生產效率和最佳經濟效益[76]。為了進一步明確開采工藝對不同場景的應用效果，各學者針對各種開采工藝的適用條件、參數優化等進行了大量研究。車兆學等[77]提出了破碎站移設步距的確定過程及方法，給出了確定破碎站移設步距的原則及計算公式。李克民等[78]采用理論計算結合拉斗鏟剝離倒堆工藝應用實踐，進一步改進與完善了拋擲爆破參數；宋子嶺[79]建立了露天開采工藝系統適應性評價指標體系和各種常用露天開采工藝系統的適用條件模型；尚濤等[80]優化了自移式破碎機半連續工藝系統工作面參數；姬長生等[81]分析了半連續工藝系統的生產能力，建立了半連續工藝應用邊界條件模型；陳樹召[82]建立了以系統生產成本最低為目標的卡車優化模型、破碎站位置與移設優化模型、半連續工藝服務范圍模型、組合臺階開采模型和采掘帶寬度優化模型；馬力[83]構建了拋擲爆破效果綜合評價模型，分析了拋擲爆破在露天煤礦的應用條件及與后續剝離工藝間的匹配關系。在該階段，配套的露天開采裝備制造水平也進入了新高度，自主研制的75 m3礦用電鏟、400 t 級礦用自卸卡車、大型自移式破碎機、全液壓輪斗挖掘機、大功率推土機等相繼投入使用或試運行。我國露天煤礦裝備實現了從依賴進口到國內自主生產的大跨越。

進入智能化初級發展階段后，露天煤礦無人運輸項目開始實地測試。2020 年，天池能源南露天煤礦已投放近百臺百噸級新能源無人駕駛礦卡；2021 年9 月，寶日希勒露天煤礦運行了世界首個極寒(-40℃以下)環境無人礦卡編組；2022 年，勝利一號露天煤礦完成7 臺220 t 級礦用自卸卡車的無人化改裝，并連續開展7×24 三班編組無安全員運輸作業，創造了無安全員運輸效率的新紀錄；2023 年3 月，準能集團完成了首臺NTE330 型礦用卡車無人駕駛改造，開辟了國內載質量最大330 t 礦卡無人駕駛新紀元。

可以看出，我國露天煤礦開采工藝從最初單一的單斗-鐵道工藝發展到目前單斗-卡車間斷工藝、單斗-卡車-半固定破碎站半連續工藝、輪斗連續工藝、單斗-自移式破碎機半連續工藝、拉斗鏟倒堆工藝等多工藝綜合應用的局面，整體上呈現出從單一化向連續化、綜合化的發展趨勢。開采裝備伴隨著開采工藝的變革，向著大型化、國產化、智能化的方向發展，如圖7 所示。

圖7 露天煤礦不同發展階段代表性開采工藝及開采裝備Fig.7 Representative mining techniques and equipment at different development stages of open-pit coal mines

2.4 資源開發與環境保護

露天煤炭資源大規模開發的同時，也帶來了一系列的環境問題，開采和剝離物的外排會挖損和壓占大量土地，破壞地表土壤和植被[84-85]，同時伴隨著水和溶質的運移，造成土壤肥力流失和重金屬積累[86-87]。此外，鉆爆、采裝、運輸、排土等各環節均會產生大量的粉塵，造成大氣污染[88-89]等?；仡欉^往的70 a，我國露天煤炭資源開發與環境保護主要經歷了重開發輕治理、先開發后治理再到邊開發邊治理3 個階段，如圖8 所示。

圖8 露天煤礦資源開發與環境保護發展階段Fig.8 Development stages in resource development and environmental protection of open-pit coal mines

(1)起步恢復階段的重開發輕治理。

在起步恢復階段，由于當時歷史條件、開采工藝和技術手段等方面的限制，這一時期的露天開采對環境造成的損害尚未得到重視，為了追求更高的經濟效益，往往重開發輕治理。在這種開采模式下，露天煤炭開采對土地造成了嚴重的挖損和壓占。統計數據顯示，我國露天煤礦正常生產后每開采萬噸煤需要挖損土地約0.08 hm2，每萬噸煤排土場壓占土地約0.16 hm2[1,90]。大量土地被剝離、壓占，礦區地表生態遭到嚴重破壞；同時，礦區土壤大量剝離以及采動影響，也導致了地下水資源流失，間接引起了土地鹽堿化、沙化和貧瘠化等問題，嚴重破壞了露天礦區的生態環境。

(2)快速發展階段的先開發后治理。

在快速發展階段，國內露天煤礦開采工藝和技術迅猛發展，開采強度逐年增加，對環境的負面影響日趨嚴峻。1988 年我國頒布了《土地復墾規定》，正式拉開了我國露天礦山生態治理的序幕。安太堡、伊敏、準格爾等大型露天礦區率先響應政策號召，在建礦初就按照生態環保理念設計并實施土地復墾方案。同時學者們也開展了大量的露天礦生態保護的相關研究，胡振琪[91]運用地質統計學方法分析了露天煤礦復墾土壤物理特性的空間變異性，指出土壤空間變異性與采礦方向密切相關，土壤剖面內的空間變異呈明顯的規律性；何書金等[92]指出了煤礦區土地復墾的原則、方向、程序模式以及相應的主要技術措施；白中科等[93]分析了安太堡露天煤礦不同區域的水土流失特征，并提出了排土場水土保持綜合治理措施。

在此時期，露天礦生態治理手段仍較為單一，強化內排、土地復墾是該階段對露天礦生態恢復的主要措施。這一階段露天煤礦在資源開發后通過礦山公園改造，生物改良等措施對礦區生態進行了修復，但尚未根據整個礦區的條件，按照生態學、經濟學等原理，科學合理的進行多業、綜合、協調的生態恢復研究，也沒有將露天開采和生態重建形成一體化體系，其環境保護與治理也未貫穿露天煤礦開發規劃、設計、生產全過程[94]，致使生態環境改善不明顯，生態恢復未帶來明顯的環境效益。

(3)綜合發展階段之后的邊開發邊治理。

進入綜合發展階段后，隨著國家對環境保護的重視，以及可持續發展理念的普及，資源開發與生態恢復一體化理念逐步成為共識。錢鳴高院士[95-97]率先提出了煤礦綠色開采的概念，分析了研究煤炭資源綠色開采的必要性和意義，闡述了資源與環境協調開采技術體系；白中科等[98]指出礦區生態重建應在開采之前就預測可能發生的環境問題，在開采中盡量避免或減少開采對環境的破壞；卞正富等[99]認為礦山生態建設需進行采前的規劃和開采過程中的生態保護，礦山生態建設需要以系統工程的方法貫穿于采礦全過程。

2008 年，國務院頒布的《全國礦產資源規劃(2008—2015 年)》提出了發展綠色礦業、建設綠色礦山的要求?；诰G色礦山建設理念，資源開發與生態恢復一體化的治理理念開始被提出。才慶祥等[100]研究了露天煤礦表土層剝離與土地復墾一體化作業方法及相關參數，提出采用線性規劃對表土資源的流量和流向進行優化控制；宋子嶺等[101-102]提出了露天煤礦綠色度評價方法，建立了礦區生態環境評價指標體系；田會和王忠鑫[103]提出了“擾動系數”的概念和技術方法，用于量化露天開采對環境的綜合擾動程度；李全生等[8,104-105]提出了露天煤礦源頭減損-過程控制-末端治理的生態修復理念，研發了立體儲水及聯合調用、開采節地減損、物料跨時空調配儲用和“生態窗口期”協同修復等技術，創建了露天煤礦生態型開采理論與技術體系；畢銀麗等[106]提出干旱半干旱露天礦排土場近地表高效低成本的表土生態層-涵水層-隔水層的3 層土層重構結構模型，研發物探檢測成套技術與裝備，監測礦坑水來源、排土場土層結構與含水率，保證生態工程水資源有效利用。

現階段，隨著智能化開采技術的不斷發展，傳統的采礦設計和工藝已不能適應無人駕駛、新能源等智能裝備的發展,“雙碳”背景下對原有的生產模式提出了新的挑戰。謝和平院士[107]科學研判碳達峰碳中和目標下我國能源消費結構和煤炭消費演變趨勢，提出了實現碳達峰碳中和與能源安全穩定供應雙重目標的路徑。顧清華等[108]提出低碳、連續、高效、安全的露天礦智能化建設新模式，從構建多能互補的可再生能源系統、探索露天礦山低碳連續生產工藝、開發碳封存與生態碳匯技術體系3 個方面探討了該模式的技術路徑。目前邊開發邊治理的模式取得了明顯成效，依托礦區豐富的土地資源，創新發展出適合不同礦區的土地復墾和生態重建技術體系；同時，也逐步完善了適合不同露天礦特色的循環產業經濟體系，充分利用了煤炭開采過程中伴生資源、地下水資源、矸石等固體廢棄物，讓環境保護和生態修復產生了良好的經濟與社會效益。

3 露天煤礦現階段存在的主要問題

我國露天煤礦歷經70 a 的發展取得了一系列突出成就的同時，現階段仍存在發展布局不均衡、可持續發展面臨瓶頸、關鍵技術難題需深入攻關、人才短缺培養機制不完善4 個方面的問題，如圖9 所示。

圖9 露天煤礦現階段存在的主要問題Fig.9 Main problems currently existing in open-pit coal mines

3.1 露天煤礦發展布局不均衡

(1)生產規模不均衡，特大型、大型露天煤礦在數量上占比低，且主要集中于生態脆弱區，而中小型露天煤礦占比高、分布廣。根據中國煤炭工業協會發布的數據，截至2022 年底，全國共有露天煤礦350 余處，產能達11.62 億t，其中特大型、大型露天煤礦有60余處，產能約8.6 億t，即特大型、大型露天煤礦以約17%的露天煤礦數量貢獻了70%以上的露天煤礦產能。而特大型、大型露天煤礦主要集中分布于新疆、內蒙古、山西等干旱少雨戈壁區、高寒易沙化草原區及水土流失嚴重的黃土高原區等北方生態脆弱地區。同時，產能在100 萬t 以下的小型露天煤礦多達170余處，占全國露天煤礦總數的比例高達50%，并且廣泛分布于內蒙古、新疆、山西、云南、陜西、黑龍江、遼寧、吉林、寧夏、貴州等多個省區。

(2)開采工藝不均衡，單斗-卡車間斷工藝仍占主導，綜合工藝推廣不足。由于中小型露天煤礦數量上占比高，因此我國約2/3 的露天礦采用單一的單斗-卡車間斷工藝，采用外包生產經營模式，面臨設備能力小、數量多、油耗大的突出問題，導致作業人員多、安全隱患大、管理難度高。我國特大型、大型露天煤礦經多年實踐，探索出了與礦區地質條件相適應的綜合工藝，具有良好的示范效應，剝離采用單斗-卡車間斷工藝、單斗-卡車-半固定破碎站/單斗-自移式破碎機半連續工藝、輪斗連續工藝、拉斗鏟倒堆工藝中的2種及以上組合而成；采煤采用單斗-卡車-半固定破碎站半連續工藝為主。但從全國露天煤礦來看，綜合工藝的推廣范圍還遠遠不足。

(3)裝備水平不均衡，部分裝備或核心配件的國產化亟待突破，高端、智能化裝備的產能有待提升。雖然我國露天煤礦的裝備制造水平一直處于穩步發展的進程中，然而，總體來看，我國露天煤礦裝備制造業的發展卻始終落后于露天工藝系統的變革與發展，趕超世界先進制造水平仍是艱巨的任務。特別是電鏟、輪斗、吊斗鏟、礦卡、破碎機等大型設備或核心配件的國產化亟待突破。此外，厚煤層的全連續分層開采裝備，寒區露天煤礦的凍土、硬巖采剝裝備，大傾角帶式輸送機裝備、邊幫采煤機裝備等高端、智能化裝備的產能還有待提升。

(4)相關規程標準修訂速度不平衡?！睹旱V安全規程》露天部分的一些條款不全不細，不能覆蓋全國的各種礦山情況，對于近年出現的露天采礦機、端幫采煤機、端幫巷道輸煤、無人駕駛等均未包括；煤礦安全生產標準化管理體系中露天部分的一些條款還不具體，很多條款都是要求“有設計”“符合設計”“不符合要求不得分”，但對設計的內容未做要求，應符合哪些要求也未予明確。其根源還是在于露天礦規范標準太少，標準化的各項條款沒有支撐、沒有依據。GB50197—2015《煤炭工業露天礦設計規范》發布至今已8 a 多，近年來對綠色礦山、智能礦山建設的新要求，均未涉及，設計理念陳舊，亟待修訂。目前涉及露天煤礦的國家標準、行業標準不到30 項，多為設計標準，生產技術、安全管理方面的標準規范太少，嚴重制約著露天煤礦高質量安全發展[109]。

3.2 礦山可持續發展面臨瓶頸

(1)高強度開采導致服務年限顯著縮短。近年來，在煤炭市場供需偏緊、煤炭價格高位波動的背景下，部分露天煤礦盲目追求產能核增，持續高強度開采，不但造成露天煤礦生產接續緊張、剩余服務年限嚴重不足，還會導致災害治理不到位，安全風險不斷累積加劇，為礦山中后期持續建設增加難度，給露天礦的安全生產帶來巨大的隱患。同時，高強度開采也會造成礦區生態壞境破壞，直接影響到露天煤礦的可持續發展。

(2)采深增加加劇高邊坡失穩風險。隨著露天煤礦產量增加，開采深度日益增加，目前在產的露天煤礦平均采深近200 m，勝利東二號露天煤礦采深最深達623 m，為世界露天煤礦開采深度之最。隨著開采深度加深，露天煤礦邊坡高度不斷加大，易形成高陡邊坡，一旦暴露時間過長，會導致巖層強度進一步降低，不利于邊坡的穩定性。同時，開采深度也限制了跟蹤內排的進度，不僅提高了外排的運輸成本，也延緩了內排壓幫護坡。

(3)征地用地困難限制礦山發展。近些年露天煤礦產能得以快速釋放，導致露天礦征地用地規模也隨之迅速增長，但現行的用地征地政策未及時做出相應調整。因采礦用地屬于建設用地范疇，煤礦需要辦理征、轉等手續，但建設用地指標是每年統一分配、逐級下發，用地指標嚴重不足。與此同時，在國家綠色發展、生態環保及守住耕地紅線等硬要求下，企業必須嚴格辦理草原征占用、土地復墾等手續，手續辦理需要多個部門審批，程序復雜且周期較長。部分特大型、大型露天煤礦出現無地可用而被迫減產、停產的情況，嚴重影響礦山的長期發展。

(4)環保政策約束下礦區生態治理難度大。在國家環保政策逐步完善和“雙碳”背景下，我國露天煤礦正加速向綠色低碳方向發展，故露天煤礦生態治理需求迫切。但生態治理是一項多學科、多專業交叉的系統工程，目前仍缺乏大量的專業工程研究機構和專業人員，且礦山生態修復技術尚不完善。此外，盡管有《土地復墾規定》《中華人民共和國土地管理法》《中華人民共和國煤炭法》等法律法規，對復墾工作起到了一定的作用，但我國露天煤礦土地復墾率低，甚至復墾速度趕不上損毀速度。除此之外，大量歷史遺留的礦山存在生態破壞問題，導致生態治理工程量巨大，修復周期長，短時間內難以滿足生態環保要求。此外，礦山生態修復施工審批程序繁瑣、審批難、且辦理耗時過長，導致施工難，這些都大大增加了礦區生態治理的難度。

(5)廢棄露天礦坑治理模式仍需探索。在經歷大規模的礦產資源開采活動后，我國產生了大量資源枯竭型露天礦區[110-111]。廢棄露天礦坑會帶來安全隱患、空間資源浪費以及能源儲備安全等問題。對于露天煤礦開采后造成的廢棄礦坑，最簡單直接的做法是填土掩埋，但是填土掩埋存在著回填物難以獲取，且工程量巨大、耗時長、成本高等問題[112-113]。國內對于廢棄露天礦坑的治理工作主要采取了生態修復和景觀設計等手段[114]，如呼倫貝爾扎賚諾爾國家礦山公園，阜新海州露天礦國家礦山公園等。但目前廢棄露天礦坑的治理手段較為單一，改造利用模式仍局限于生態修復方面，經濟效益不明顯，礦坑利用價值未充分發掘，治理模式需進一步探索和創新。

3.3 關鍵技術難題需深入攻關

(1)高大邊坡變形監測及滑坡預警技術。伴隨著露天礦山開采深度的增加，高大邊坡的變形監測和滑坡預警對滑坡地質災害防控具有重要意義。大型露天礦山的邊坡高、坡度陡、落差大，影響因素眾多，并且具有復雜、隱蔽、多尺度、多階段和大變形等特征[115]，給高大邊坡變形監測及滑坡預警技術帶來諸多困難。伴隨著現代測繪科學與技術的不斷發展，各種新型監測預警手段不斷涌現，如滑坡GPS 自動化監測預警系統、GNSS 監測、微震監測、基于北斗系統的滑坡監測、雷達差分干涉測量(D-InSAR)、無線傳感在線監測系統、遠距離三維激光掃描(TLS)等[116-120]。邊坡及滑坡監測預警正逐漸從傳統的點式監測向面式、體式監測發展。但是，不同監測方法均因各自的固有缺陷而有不同的適用性和局限性?，F階段邊坡及滑坡監測預警模型主要建立在歷史數據統計和分析基礎上，通過對邊坡監測數據的分析和研判進而對邊坡穩定性進行預警[121]。針對現有滑坡預警技術存在的失敗率高、預警錯誤、局限性大等問題，滑坡預警模型發展需綜合考慮邊坡地質特征、演化過程、滑坡機理等關鍵特性，與邊坡穩定性分析方法相結合，構建多平臺、多手段聯合的空-天-地-深協同式智能監測預警方法與技術體系，提高滑坡預警準確性與普適性。因而，進一步明晰高大邊坡巖石力學參數隨時間變化規律及滑坡蠕變機理，實現對高大露天礦山重點區域、關鍵環節重大滑坡風險的識別監測和精準研判，推動露天礦山滑坡監測預警向遠程化、可視化、智能化方式轉變，成為當前亟需解決的關鍵技術問題。

(2)邊幫滯留煤安全高效開采技術。據相關統計，在我國40 個露天礦區中，邊幫壓煤數量達到50 Mt 以上的礦區達到一半以上[122]，全國露天煤礦邊幫滯留煤總量高達100 億t 以上，約占露天礦總資源量的10%。邊幫滯留煤的棄采不僅造成大量優質煤炭資源的巨大浪費，還留下煤層自燃、邊坡失穩等重大安全隱患。針對邊幫滯留煤開采，許多露天煤礦都進行了開采技術的實踐。① 露井聯采技術[123-129]?；诮矫簩拥馁x存條件，通過合理科學安排開采空間距離與次序，使得井工平巷開采與露天開采同時進行的開采技術。② 靠幫開采技術[54,130-132]?；诜謪^開采采場的時空變化特征，利用端幫暴露時間及服務周期，提出了時效邊坡理論和靠幫開采技術。在短時間暴露對整體邊坡穩定性影響較小的情況下，提高端幫邊坡角，將煤炭資源通過快速開采、內排壓幫的方式采出。③ 相鄰露天礦協調開采技術[133-135]。對于同一礦權內的相鄰露天煤礦邊幫壓煤通過貫通采場、排土場，構筑采場至排土場臨時運輸排土橋，技術參數優化及工程位置協調控制等協調開采技術實現邊幫滯留煤的回收。④ 端幫采煤機開采技術[136-139]。當露天開采剝采比達到所規定的經濟閾值后，將端幫采煤機布置在滯留煤層的一側，對露天煤礦端幫剩余煤炭資源進行遠程探入式開采，采硐間形成了支撐煤柱用于支撐上覆巖層，防止發生滑坡等災害。雖然部分露天煤礦對不同滯留煤資源開采技術進行了成功應用，但隨著安全高效開采理念的不斷深入，對開采過程中厚煤層采出率以及強擾動下邊坡穩定性的控制都有了更高的要求，同時，也需要對多工藝間時空配合方式及與既有露天采排生產規劃間的時空協調機制進行持續深入研究。

(3)智能礦山建設技術。我國露天煤礦智能化發展起步較晚、建設時間較短，但已經取得了一系列的成就。① 鉆爆環節智能化。應用鉆機自動導航鉆孔技術，實現鉆機狀態自動檢測、鉆機自動導航及鉆進控制、地層巖性識別等功能；應用5G、人工智能、大數據、云計算等新一代信息技術，實現爆破環節信息深度感知、精準控制自執行等功能。② 采裝及運輸環節智能化?；袅趾幽下短烀旱V遠程操作智能化電鏟項目完成交付，西灣露天煤礦、平朔東露天煤礦、伊敏露天煤礦等實現了5G+礦卡無人駕駛常態化運行，各特大型、大型露天煤礦逐步進行了采裝與運輸環節智能化的探索。③ 地面生產系統智能化?；诖髷祿c人工智能技術，勝利能源露天礦實現了基于機器人的智慧運維新模式，科學的完成了高低壓停送電任務，實現了配電室智慧化無人值守。五彩灣一號露天煤礦搭建了智慧物流平臺，精準控制進出礦區社會車輛信息，地面生產系統智能化正式拉開序幕。雖然，我國露天煤礦智能化取得了許多成果，但目前露天煤礦智能化建設多體現在“單一部件、單一設備、單一環節”上，在跨設備、跨工藝環節、跨工藝系統、跨業務范疇的信息共通共享、高效利用上仍有欠缺[140]。同時，行業對露天礦山智能化建設的路徑認知不足，露天礦山智能化建設涉及的規劃內容、實施途徑等尚未體系化以及露天礦山智能化建設評價體系標準和智能化建設標準不統一等問題也需要通過科學、合理的規劃去解決。

(4)共伴生資源及廢棄物資源化利用技術。針對煤系共伴生資源的綜合性利用問題，許多露天礦進行了探索。① 煤系金屬礦產資源綜合利用技術?；诿合到饘倨肺?，選擇具有回收價值的原煤，針對不同金屬種類，選擇不同工藝提煉鍺、鎵、鋁伴生金屬元素。② 煤系非金屬礦產綜合利用技術。根據煤系非金屬礦產的種類不同，選取不同處理工藝對非金屬礦產進行處理，如煤矸石發電技術，通過粉碎、分選、喂料、燃燒、發電等工藝，將煤矸石中的可燃物質轉化為電能，顯著提高了煤矸石的綜合利用水平。③ 煤系能源礦產綜合利用技術。針對鈾等能源礦產，通過選礦分離、灰化、煤灰浸出和浸出液提取鈾等工藝完成對原煤中鈾元素的提煉與利用，目前較為少見。雖然部分露天礦對煤系伴生資源進行了回收利用，但煤中鍺、硫鐵礦、鈾礦等煤系共伴生礦產資源開采仍然存在開采理論水平較低、開采技術落后等現象。因此，需要突破傳統的單一煤炭資源開發利用模式，著力解決開采混亂、技術落后等短板，延伸煤系產業鏈，提高對煤系共伴生礦產資源的綜合勘查開發利用水平，促進煤系伴生資源利用產業化、工業化發展[141]。

3.4 人才短缺培養機制不完善

(1)露天開采專業人才供給不足。隨著信息化和智能化技術的快速發展，露天專業人才匱乏的問題愈發凸顯。在高等人才培養層面，在本科生培養階段，開設露天采礦專業的高校僅有中國礦業大學與遼寧工程技術大學等極少數高校；在研究生培養階段，開設露天開采專業方向的高校也不足10 所。每年畢業的應屆本科與研究生總人數不超過百人，導致露天采礦專業人才供給嚴重不足。同時，行業發展急需的領軍型人才和智能礦山建設等高端領域的專業人才也極其匱乏，了解現代企業管理、資本運作、技術轉化、風險管控等高級管理人才以及高技能人才缺口更大。

(2)人才培養機制不完善。目前露天開采專業人才主要通過高等院校、職業院校及培訓機構培養，但高等院校對企業人才需求了解不充分，關于露天煤礦企業人才缺口較大的智能化建設、礦區生態修復等領域的學科體系還不完整；職業院校及培訓機構與露天煤礦企業在專業人才培養方案制定、專業實踐等合作培養環節未完全打通。同時，露天煤礦企業對人才培訓的主體作用不明顯，培訓體系不完善，在職員工知識更新和技能培訓的途徑少?？偟膩砜?，人才隊伍建設機制存在欠缺，高素質綜合型企業管理人才及行業內“高精尖人才稀缺”，技能型人才培養未被重視；人才評價機制尚不完善，行業內職業資格和職稱資格尚未貫通，跨區域跨企業職稱互認工作存在壁壘，人才考核評價體系尚不健全。

4 我國露天煤礦高質量發展展望

4.1 露天煤礦高質量發展架構體系

在不同歷史階段，露天煤礦建設的主要目標一直伴隨國家經濟建設的發展而不斷變化。在起步恢復階段(1949—1979 年)，國家經濟處于復蘇和穩步發展階段，露天煤礦建設的主要目標為“產能恢復”；在快速發展階段(1980—1999 年)，國家經濟處于快速增長時期，露天煤礦建設的主要目標也逐漸轉化為“高產高效開采”；在綜合發展階段(2000—2020 年)，隨著國家對環保的重視程度越來越高，露天煤礦建設的主要目標也逐漸轉化為“安全、高效、環?！?；進入智能化初級發展階段(2021 年以后)以來，在國家“雙碳”戰略的指引下，煤炭作為我國主體能源，按照綠色低碳的發展方向，對標實現碳達峰、碳中和目標任務，推進煤炭消費轉型升級。同時，隨著露天煤礦建設的持續推進，預計到“十四五末”，露天煤礦總產量占全國煤炭總產量的比例將超過25%，到“十五五末”，將達到30%以上[16]。因此，在創新、協調、綠色、開放、共享的國家新發展理念下，我國露天煤礦也應積極構建以“安全、高效、綠色、低碳、智能”為總體目標的全鏈條、全周期、全要素高質量發展新體系。

(1)堅守底線思維，推動露天煤礦全鏈條安全高效發展。經多年發展，我國露天煤礦企業的安全保障能力有了顯著提升，2022 年度命名的101 處安全高效露天煤礦，全部實現安全生產“零死亡”。但同時也面臨著安全生產理念不牢固、安全管理體系不完善、安全技術措施不健全等現實問題。隨著賦存條件趨于復雜、多重災害并存與安全生產作為首要位置的矛盾凸顯，需按強化露天煤礦安全監測預警，提高防災減災救災能力；嚴格落實露天煤礦安全生產規定，有效防范和化解生產過程中的滑坡、土地破壞、水體污染、大氣污染、地質災害等生態環境風險；強化煤礦開采全鏈條中的安全生產和風險管控，加強環境安全和地質災害治理，切實提高煤礦安全保障能力。

(2)促進生態文明，踐行露天煤礦全周期綠色低碳發展。加強“采剝、運輸、排棄、復墾”一體化科學優化設計，完善礦區生態補償機制，從規劃設計、開發利用、閉坑轉型等全生命周期系統抓好生態治理，重點抓好生態脆弱區和黃河流域等重要生態功能區的生態治理。加快推動煤炭清潔高效發展，實現高碳能源低碳化利用。要立足我國煤炭消費結構實際情況，推動煤炭洗選加工和分級分質梯級利用，加強商品煤全過程質量跟蹤檢測與管理，加強煤炭利用與轉化效率研究。貫徹新發展理念，堅持降碳、減污、擴綠、增長協同推進。完善礦區的節能減排標準，鼓勵開發綜合利用余熱、余壓、節水、節電等綜合利用節能項目，加強生產和生活區域的綠色化改造，探討制定能耗預算管理制度。

(3)激發創新動力，驅動露天煤礦全要素智能發展。露天煤礦當前處于智能化初級發展階段，以無人駕駛礦用卡車為代表的智能裝備發展迅速，但仍處于技術探索和試點試驗階段，未能形成規?；瘧?。未來應繼續加大科研投入，加強技術創新，進一步豐富智能化應用場景。同時智能礦山建設方面還處于獨立的模塊智能化，礦山智能化運行缺乏系統性。智能化作為新興的專業交叉領域，缺乏針對礦業特殊場景下業務關聯信息以及缺乏礦業、計算機、自動化等交叉專業學科領域經驗共享的知識體系。

進一步地，筆者提出露天煤礦高質量發展架構體系，如圖10 所示。該架構體系的內涵特征是以時效邊坡理論[54]、開采擾動指數理論[103]、綠色開采理論[96-97]、生態型開采理論[8]、零碳負碳開采理論[142-143]、智能化開采理論[144]6 種學術思想為理論基礎，以災害安全監測防控、復雜條件協同保障、生態源頭減損開采、節能減污清潔利用、數字-自動-智能同建5 類技術體系為核心支撐，以透明地質模型動態重構、邊坡蠕滑全程精準預測、深大孔低擾動控制爆破、采空區超前探測與處置、粉塵抑制及煤自燃防治等30 項關鍵技術為重點突破，以設計理念先進化、安全保障標準化、建設規模大型化、生產工藝綜合化、開采裝備智能化、核心制造國產化、礦區生態綠色化、煤炭利用清潔化、組織管理科學化、人才隊伍國際化的“十化型”露天礦山為建設任務。

圖10 露天煤礦高質量發展架構體系Fig.10 High-quality development architecture system of open-pit coal mines

4.2 露天煤礦高質量發展實現路徑

4.2.1 規劃引領是露天煤礦高質量發展的基礎

我國露天煤炭資源稟賦條件相對復雜，發展不平衡、布局不合理等問題相對突出，必須強化規劃引領與頂層設計，這是露天煤礦高質量發展的基礎。

(1)優化露天煤礦建設布局，加強產業頂層設計。統籌考慮國家礦區布局規劃、基礎設施建設、相關產業發展布局等，明確各地區的露天礦區開發重點和發展方向；基于不同地區煤炭需求與資源分布情況，優化礦權設置布局，合理分配礦權，減少因人為劃界造成的煤炭資源損失，確保露天煤炭資源的高效利用；圍繞建設優質產能和淘汰落后產能兩大任務，進行減量置換和優化布局，嚴格控制新建煤礦的準入，優先建設特大型、大型露天煤礦，加大淘汰落后產能的力度，支持資源枯竭露天煤礦有序退出；深入了解露天煤炭資源的分布、質量和開采條件，科學評估露天煤炭資源的可采儲量，明確大型露天礦區的生產潛力。根據市場需求變化調整生產計劃，調控露天煤礦開采產能，建立露天煤礦彈性生產機制，確保煤炭資源彈性供給、市場供需平衡。

(2)調整露天煤礦產業結構，深化煤礦企業改革。加快露天煤礦產業結構優化升級、提升優質先進產能比重。充分發揮煤炭資源優勢，聚焦煤電、煤化工、煤基新材料等領域，深度推動露天煤炭產業強鏈、補鏈、延鏈，提高露天煤炭產業鏈條的發展水平，實現露天煤炭產業的全面升級；鼓勵露天煤礦企業主體加強合資合作或兼并重組，促進資源整合和優勢互補，提高企業的市場競爭力和效益水平；繼續深化國有煤炭企業改革，積極支持企業做大做強做精做優，增強企業的創新能力和適應能力，拓展露天煤礦企業內涵式增長的質量效益。

(3)完善露天煤礦規程標準，規范行業健康發展。對照露天煤礦從初步設計、開工建設、生產運行、直至閉坑退出的各環節要素，全面評估當前露天煤礦建設的相關規程標準，厘清存在的問題和不足，對比分析國內外露天煤礦規程標準的差異，借鑒先進的理念和技術，明確完善規程標準的方向和重點；通過對露天煤礦相關規程標準的修訂與完善，實現規程標準在露天煤礦建設全生命周期的全覆蓋；在規程標準的實施過程中，要持續跟蹤監測實際效果，及時進行調整和改進，確保規程標準的適用性和有效性；同時持續關注露天煤礦行業的動態變化和新技術發展，及時對標準規范進行調整和優化，以適應不斷變化的市場需求和行業發展趨勢。

4.2.2 科技創新是露天煤礦高質量發展的驅動

煤炭工業低碳轉型和高質量發展的雙重壓力對露天行業的科技創新工作提出了更高要求，加強以信息化、大數據、綠色化、智能化等為特征的原始科技創新是露天煤礦高質量發展的驅動。

(1)完善科技創新機制體系，構建科技創新的制度氛圍。強化科技創新的市場導向機制，建立以解決露天煤礦企業實際生產需求為導向的產學研用深度融合的科技創新體系；優化科技創新決策機制，充分發揮科學家主導創新的決策作用；完善科研項目管理機制，積極探索適合露天行業健康發展的“揭榜掛帥”等新型科研項目管理模式。

(2)發揮企業創新主體作用，加大科研投入力度。露天企業需建立以科技創新為導向的發展機制，不斷加強自身創新能力建設，主動開展全球性的產業創新布局，在企業發展過程中，將科研創新作為重要的資產進行管理；改變創新模式，從單一的技術創新模式向模仿創新和自主創新的協同共用模式轉變。同時，露天煤礦企業還應加大科研經費投入力度，持續加強科研平臺建設和運行經費支持，建立長期穩定支持原創性基礎研究、應用基礎研究、產業化前期研究、技術標準制修訂研究等研發方向的專項資金投入機制。

(3)加強行業創新協調聯動，加快關鍵核心技術攻關。聚焦露天開采中的重大災害防控、高效智能開采、核心裝備制造、綠色低碳發展等領域的重大基礎理論、應用基礎理論和關鍵核心技術的迫切需求，充分加強露天行業內的創新協調聯動，科學布局重點攻關方向，全方位加大對重點攻關方向的政策、資金、人才、設施等方面的支持力度，重點實施一批具有原始創新和戰略前瞻性的長周期、高風險、非共識、顛覆性的重大基礎研究項目，圈定基礎研究團隊，打造原創技術策源地。

4.2.3 人才培育是露天煤礦高質量發展的保障

針對目前露天行業人才短缺、人才質量不高及發展不均衡等問題，擴大培養規模、創新培養模式、完善培養機制是實現露天行業高質量發展的必要保障。

(1)擴大培養規模，增加露天專業技術人才數量。從國家層面，應加大對露天采礦相關專業高等教育的支持力度，同步加強師資力量及教學平臺建設；從教育主管部門層面，應深化教育體制改革，重視多學科交叉融合發展，優化調整露天煤礦相關專業設置，擴大招生規模，增加本科及研究生等高層次專業人才的招生數量；從社會層面，應該積極進行引導，廣泛宣傳露天煤礦行業優秀人才典型和先進事跡，打造高度重視人才的良好氛圍，吸引更多優秀人才加入露天行業。

(2)創新培養模式，提高專業技術人才質量。增強高校創新人才的培養功能，鼓勵高等院校充分了解露天煤礦企業的人才需求，以新工科建設為載體，進一步做好學科建設工作，推動校企共同制定人才培養方案，強化產教研融合，創新培養模式，建設校企合作協同育人平臺和運行機制；增強職業院校和培訓機構技能人才的培養功能，充分調動職業院校和培訓機構等資源，服務露天煤礦人才培養；增強企業實用人才的培養功能，推動露天煤礦企業完善培訓體系，依托企業創新培訓模式，通過多種途徑進行在職人員知識更新、專業技能和實用技能培訓，提升人才培訓質量。

(3)完善培養機制，促進行業高層次人才可持續發展。完善露天煤礦行業人才評價標準體系建設，推動跨區域跨企業職稱互認、職業和職稱資格貫通，建立各類人才能力素質標準，分層分類建立各類人才考核評價辦法，推動優化人才薪酬分配和激勵機制，引導企業形成行之有效的激勵措施，激發人才動力、釋放人才活力；露天全行業要強化高層次人才培養意識，積極響應國家重大科技人才實施計劃，充分落實對國家人才的配套支持政策，培養一批具有國際影響力的露天行業領軍型人才，從而帶動整個行業的人才隊伍建設，為露天煤礦高質量發展提供有力的人才保障。

5 結 論

(1)回顧了新中國成立后我國露天煤礦的建設歷程，即起步恢復階段(1949—1979 年)、快速發展階段(1980—1999 年)、綜合發展階段(2000—2020 年)及智能化初級發展階段(2021 年以后)。

(2)從露天煤礦產量及數量規模、露天開采理論與技術、露天開采工藝及裝備、資源開發與環境保護4 個方面系統總結了我國露天煤礦70 a 來發展取得的突出成就。

(3)提出了現階段露天煤礦發展面臨的4 個方面的主要問題，包括露天煤礦發展布局不均衡、礦山可持續發展面臨瓶頸、關鍵技術難題需深入攻關、人才短缺培養機制不完善。

(4)提出構建以“安全、高效、綠色、低碳、智能”為總體目標的全鏈條、全周期、全要素露天煤礦高質量發展架構體系，概括了該架構體系的內涵特征，闡釋了規劃引領、科技創新、人才培育分別是露天煤礦高質量發展的基礎、驅動和保障。