露天采矿科学目标的演变与未来发展趋势

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矿产资源作为人类社会发展的基石，因特性复杂，其开发利用始终面临技术挑战。依据埋藏深度和技术条件，固体矿产开采分为露天与地下两种，其中露天开采凭借高效、安全等优势，占据我国矿产资源开发的主导地位。近四十年来，中国露天采矿技术取得显著成就，但随着矿业高质量发展要求的提出，亟需从“技术科学”视角系统性研究露天采矿，特别是在数字化、绿色化新框架下，揭示其规律并科学管控，以应对新的挑战。

近年来，王忠鑫教授团队基于现代科学计量学技术，系统分析了1979至2022年间中国露天采矿领域的相关文献，深入探讨了露天采矿科学目标的演变过程及其致变因素。不仅总结了我国在露天采矿基础理论、关键成套设备研制及爆破工程技术等方面的重大科技成果，还通过客观分析，揭示了该领域的研究重点、热点及学科结构的变化，进而对未来的科学目标进行了预测，并提出了形成系统全面的露天矿安全绿色高效智能开采技术体系的前景展望。

01

中国露天采矿重大科技成果梳理

1.1.1地质空间信息理论

露天采矿活动因地质环境的复杂性而面临诸多挑战，其中真实描述矿山三维空间及实体间动态联系尤为困难。自1983年中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司承担国家科技任务以来，我国在煤炭和冶金领域率先开展了计算机信息技术在露天矿应用的研究。通过提出结构建模与属性建模的混合空间数据模型，解决了矿山三维信息模型构建难题；研发了矿体切割算法和布尔运算算法，解决了采剥工程量计算和三维可视化等难题；研究了复杂地质体的三维精细化建模方法，提高了模型的精度和可靠性；应用地质统计学方法提高了储量估算的科学性和计算精度。为解决模型生成速度慢和建模精度低的瓶颈问题，我国学者提出了多种适用于不同类型矿床和地质条件的露天矿地质模型构建方法，并开发了具有自主知识产权的露天采矿设计软件，推动了露天采矿设计由二维向三维的转型，显著提升了设计的精细化程度和效率。

1.1.2露天采矿最优化理论

露天采矿的技术决策是一个复杂的过程，涉及开采境界、开拓运输系统、开采程序、开采参数、剥采比、生产能力和服务年限等多个技术要素的综合优化。经过几十年的研究和实践，我国已形成了较为系统的露天采矿优化理论体系。这一体系涵盖了从静态经济分析法到考虑多因素的动态境界优化方法，以及采区划分、开采顺序设计、分期开采、开采参数优化、排土工程优化等方面的研究。在开采境界优化方面，动态境界优化方法已成为主流；在开采程序方面，分区开采和分期开采技术得到了广泛应用；在开采参数优化方面，针对台阶高度、平盘宽度、爆破参数等进行了深入研究；在排土工程优化方面，从排土场位置选择到排土场边坡稳定及控制技术等方面都取得了显著成果。此外，针对单一开采要素优化存在的局限性，我国学者还提出了露天开采整体优化理论与方法，并开发了相应的优化软件系统，实现了全局最优化的目标。这些研究成果在多个露天矿的设计和应用中得到了验证和推广，为露天采矿的技术进步和经济效益提升做出了重要贡献。

1.1.3开采扰动效应评价理论

露天采矿活动在资源开采的同时，也对生态环境造成了显著影响。为实现经济效益与环境保护的平衡，学者们进行了大量前沿基础理论研究，形成了两大理论体系：一是生态足迹理论体系，由加拿大William E.Rees教授提出，以生态生产性土地面积衡量矿山资源消耗和废弃物排放，并与矿区生态承载力比较，评估可持续发展程度；二是露天矿开采扰动指数理论体系，由我国学者提出并发展，以开采扰动效应评价理论和控制技术为基础，用开采扰动指数全面揭示露天采矿对外部环境（自然、生态、经济和社会）的扰动机理、程度、趋势及补偿机制，侧重于矿山开采技术的扰动控制效果，旨在减少土地扰动。两者出发点不同，生态足迹理论侧重于生态资源占用视角的可持续发展评价，而开采扰动指数理论则深入研究开采活动对自然环境要素状态改变的机理和规律，量化扰动程度，揭示变化趋势，并研究扰动控制技术，为露天矿绿色开采提供了更具科学性与可行性的技术路径。

露天开采生态足迹模型框架

露天矿开采扰动效应评价指标体系

1.1.4露天采矿系统工程理论

露天采矿系统工程是露天采矿工程学与系统工程学的交叉学科，通过系统论及数学方法研究和解决采矿工程的综合优化问题，涵盖露天矿采矿设计、生产规划、卡车调度和辅助决策等方面。自20世纪80年代起，我国在该领域的研究初具规模，德兴铜矿等露天矿在生产计划优化设计方面进行了有益探索，并逐步发展出多时段规划优化和多目标规划等算法。在卡车调度方面，从提出理念到实现首次应用，再到智能化建设，理论体系不断完善，研究热点集中在车流动态规划、智能配矿等方面。辅助决策和专家系统方面，从建立专家系统到开发管理软件，再到智能算法的应用，机器学习算法已成为主流，广泛应用于露天矿设备运行状态预测、爆破工程模拟等多个方面。这些重大科技成果的演进，展现了露天采矿系统工程在我国的发展历程和成就。

露天采矿系统工程重大科技成果演进过程

1.1.5露天矿山边坡工程基础理论

边坡安全是露天矿山开采中的核心问题，其保障体系包括稳定性分析、边坡监测、滑坡预警和边坡治理。近40年来，边坡稳定性分析方法已从传统方法发展为综合方法体系，包括三维数值分析法、三维极限平衡法及可靠度分析方法等。边坡监测技术也从人工监测逐步升级为多方法、多系统融合的协同监测体系，显著提升了监测效率和精度。滑坡预警方面，我国学者提出了多种滑坡判据及预警模型，并在多个露天矿得到应用，但各模型均具局限性，未实现普适性。边坡治理方法主要分为水害治理、增大抗滑力、增加岩体强度3类，并随着智能算法的应用，涌现出大量研究成果，为复杂岩体结构的岩质边坡破坏问题提供了新的解决思路。

1.1.6露天矿生态修复与治理

露天矿的开采对生态环境造成长期且复杂的扰动，其生态修复与治理研究聚焦于协调矿山生产与修复的关系、地貌重塑、土壤改良与重构、植被恢复及地下水管理。主流理念转向“采排复一体化”，利用遥感、GPS、RTK、无人机和三维激光扫描等新技术便利高效地获取地貌信息，形成多技术体系的景观规划。土壤重构采用多种材料与方法优化配比，解决表土稀缺难题。植被恢复方面，微生物复垦技术填补了干旱半干旱地区的技术空白。地下水管理则通过新方法如帷幕截水等实现主动控制。此外，“十三五”国家重点研发计划的项目揭示了煤电基地的生态影响并创建了立体保水和一体化修复技术体系。以该项目为代表的一批科技成果的出现，极大推进了我国矿山生态修复工作的进程。

我国矿山生态修复治理面积趋势图

1.2露天开采工艺系统大型成套装备研制

露天开采工艺系统大型成套装备是为开采各类矿物的大型露天矿剥离、采矿和运输提供的成套设备，包括单斗—卡车间断开采工艺及连续、半连续开采工艺系统的成套设备。40年来，通过引进、消化吸收和再创新，我国逐步完成了包含间断和部分半连续开采工艺的成套装备研制。

1.2.1间断开采工艺系统成套装备

自1980年起，我国露天矿开采工艺从单斗-铁道向单斗-卡车工艺转变，通过“七五”期间的重点研发计划，成功研制并推广了多项新型采矿机械与设备，实现了1000万t/a级露天矿单斗-卡车主采设备的国产化替代。大型矿用挖掘机和电传动矿用自卸车也逐步实现了国产化替代，技术性能达到国际先进水平。近年来，随着智能化和新能源技术的发展，我国正在研发智能化单斗挖掘机和无人驾驶、新能源矿用自卸车，多个矿区已开展了无人驾驶系统的研发和试验，并取得了阶段性成果。同时，新能源装备的研发也成为热点，研究主要聚焦在纯电动、油电混合和氢能源卡车等领域。总体来看，我国单斗-卡车间断开采工艺系统成套装备的发展速度较快，装备水平和系统智能化水平已达到国际领先水平。

1.2.2半连续开采工艺系统成套装备

自1979年引入半连续开采工艺以来，中国在该领域取得了显著进展。核心装备如半移动破碎站、自移式破碎站、带式输送机和排土机等均实现了生产设备国产化。1980年代至1990年代，国内多家研究机构和企业成功设计并研制了多种规格的破碎机和排土机，并在实际矿场进行了工业性试验，且达到了预期目标。此后，破碎机技术不断升级，排土机系列产品也相继问世，并在多个露天煤矿得到推广应用。在智能化方面，近年来北方重工等企业实现了设备能耗实时监测、电机节能控制等功能，半移动破碎站和带式输送机也具备了无人值守和智能控制的能力。这些技术进步为露天矿的开采效率、安全性和智能化水平提供了有力支持。

1.2.3连续开采工艺系统成套装备

1979年，沈阳煤矿设计院（现中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司）开始对连续开采工艺进行系统研究，该工艺系统主要由轮斗挖掘机、转载机、受料车、带式输送机和排土机等设备构成。自1976年我国自主研制的WUD400/700型轮斗挖掘机在小龙潭露天煤矿成功应用以来，虽然经历了研制进展缓慢的阶段，但至2020年，中煤科工集团沈阳设计研究院已针对我国露天矿实际需求，研发出具有完全自主知识产权的大切割力紧凑型轮斗挖掘机，并配套开发了智能管控平台、斗齿健康监测、无人化作业、运行状态预警等智能化系统，以及设备群精准定位、多机联动协同和智能控制等功能，极大提升了我国露天采矿重型装备的技术水平。

1.3露天矿山爆破工程技术

露天矿山爆破工程作为开采的首要环节，其效果对后续作业效率至关重要，但受多种因素影响，常难以达到预期效果。爆破技术发展历程经历了控制爆破、精细爆破、数字爆破至智能爆破四个阶段。自20世纪80年代起，国内科研单位开始研究露天矿控制爆破技术，并在不同爆破应用场景进行了推广应用。2000年以后，随着新装备技术的发展，爆破技术进入精细化阶段，显著提高了岩石破碎效率并降低了振动影响。2010年以后，虽然数字化技术在矿山爆破信息化方面得到应用，但存在功能单一、信息孤岛等问题。为解决这些问题，学者们通过钻机实时采集岩性及位置数据，远程传输至设计平台进行更精细的数字爆破设计。2020年以来，随着智能矿山建设的推进，针对爆破过程中的诸多瓶颈问题，学者们进行了系统性研究，基于新一代信息技术以及我国爆破行业的发展趋势，提出了的“智能爆破”概念。学者们，旨在进一步提高爆破施工精度和效率。

露天矿山爆破工程技术发展历程

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露天开采科学目标的演变过程与预测

尽管我国露天采矿历史悠久，但系统性科学研究始于20世纪80年代，且随着行业发展研究内容不断深化。面对庞大的文献数量，以阅读、归纳法进行分析必然存在一定的局限性、主观性和片面性，也不利于准确把握学科发展的历史规律和未来趋势。因此，本研究采用CiteSpace V6.1.R3软件，对1979-2022年中国露天采矿文献进行多元动态分析，通过聚类分析、时间切片和关键词突显等手段，揭示研究主题的演变特征与发展趋势，为领域内的科研、技术开发与行业进步提供指导。

2.2数据来源

本文选用CNKI中国学术期刊网络出版总库，遵循“优先保证查全率，兼顾查准率”的原则，制定了检索策略。数据来源包括两部分：一是中文核心期刊和CSSCI来源期刊数据库，经检索并剔除无效数据后，获得4212篇有效文献；二是针对露天采矿领域的三本重要非核心期刊（《露天采矿技术》、《露天采矿》、《矿业工程》），另行制定检索策略并剔除无效数据，获得2909篇有效文献。两部分数据合并后，本文研究的样本数据来源文献共计7128篇。

2.3研究热点分析

本文采用关键词聚类分析法，基于7128篇有效样本数据文献，运用CiteSpace V6.1.R3绘制了露天采矿研究成果的关键词聚类知识网络图谱。图谱中共有879个节点和1790条网络连线，网络共现密度为0.0046。通过计算，聚类模块值Q达到0.5713，聚类平均轮廓值S高达0.8569，表明聚类分析结果具有较高的可靠性和可信度。图谱揭示了1979-2022年间中国露天采矿领域的研究热点，主要包括露天矿、优化、爆破参数、露天煤矿、土地复垦、数值分析和智能化等主题，聚焦于采矿优化、爆破工程、生态恢复、边坡稳定及智能矿山等方向。然而，为更深入地理解这些研究热点在近40年间的演进过程和规律，本文进一步分析了主要聚类的关键词网络时间线知识图谱。

1979-2022年中国露天采矿关键词聚类知识图谱

2.4研究热点的变迁及科学目标演变分析

基于筛选得到的7128篇样本数据文献，分析绘制了1979-2022年中国露天采矿领域研究成果的关键词时间线聚类知识图谱。图谱揭示了数值模拟、优化、爆破参数、土地复垦和智能化等五个主题在不同时期成为研究重点，并分别在不同的时期出现了研究热度的峰值区间和重大成果。这些主题分别关联到露天矿的安全开采（如数值模拟对边坡稳定的研究）、开采技术优化、安全与高效并重的爆破参数研究、绿色矿山的土地复垦以及露天矿智能化的研究趋势。接下来，本文将深入讨论各个主题的演变趋势，试图分析露天开采安全、高效、绿色、智能这几个研究目标的动态变化。

1979-2022年中国露天采矿关键词时间线聚类图谱

2.4.1 “数值模拟”主题时间线聚类

运用CiteSpace V6.1.R3绘制的“数值模拟”主题时间线聚类知识图谱显示，1979-2022年间，“数值模拟”主要聚焦于露天矿边坡稳定的研究，经历了两个研究高热度区间：1990-2000年和2003-2010年。第一阶段侧重边坡稳定系数与稳定性分析评价方法的初步探索；第二阶段研究内容多元化，涵盖高陡边坡、极限平衡理论等，基础理论和技术快速发展。2010年后，研究重点转向滑坡治理和边坡监测，以应对深部开采带来的边坡失稳挑战。整体来看，露天边坡研究保持高活跃度，安全始终是露天采矿的重要科学目标，但标志性成果数量逐渐下降，高热度主要集中于2010年前，峰值出现在1994-1996年。

1979-2022年中国露天采矿领域“数值模拟”主题时间线聚类图谱

2.4.2 “优化”主题时间线聚类

运用CiteSpace V6.1.R3绘制的“优化”主题的时间线聚类知识图谱细节图显示，1979-2022年间，露天采矿优化研究主要集中在两个高热度区间：1986-1996年和2001-2007年。第一阶段聚焦于生产能力、剥采比均衡、开采工艺等基础性技术优化，解决了我国早期露天煤矿和金属矿山面临的技术难题；第二阶段则关注抛掷爆破技术、拉斗铲倒堆工艺等新技术应用，以及开拓运输系统、开采境界、设备选型等全面优化，伴随开采工艺从铁道向汽车和带式输送机运输的转变，采区划分和开采程序成为研究热点。2007年以后，研究转向破碎站移设、陡帮开采、开采参数等精细化高效开采方面。综合来看，优化研究热度逐渐下降，但始终围绕“新工艺和新设备的科学合理应用”及“精细化高效开采”的科学目标展开。

1979-2022年中国露天采矿领域“优化”主题时间线聚类图谱

2.4.3 “爆破参数”主题时间线聚类

1979-2022年间，“爆破参数”的研究主要围绕露天矿穿孔、爆破等方面展开，高热度区间集中在1987-2004年。此期间 ，研究重点包括爆破台阶、孔网、装药参数的优化，爆破效果的分析预测与评价，以及爆破振动有害效应等，标志性成果多源自“七五”和“八五”期间的国家重点科技攻关项目，如南芬露天铁矿的台阶参数与高台阶爆破研究。2000年前后，黑岱沟露天煤矿对抛掷爆破-拉斗铲倒堆工艺的探讨进一步推动了相关爆破技术的研究。此后，研究成果数量显著减少，研究热度逐渐下降，高热度区间主要集中在1987-2004年期间，该区间相关研究的科学目标可总结为“安全精准爆破”。

1979-2022年中国露天采矿领域“爆破参数”主题时间线聚类图谱

2.4.4 “土地复垦”主题时间线聚类

运用CiteSpace V6.1.R3绘制的“土地复垦”主题知识图谱显示，该领域研究经历了从“土地复垦”到“生态恢复”，再到“绿色开采”和“绿色矿山”的演化路径。2000年左右，研究聚焦于土地复垦和生态重建，依托国家项目进行了大量研究。2015年以来，随着绿色矿山建设的推进，研究热点转向绿色开采和生态恢复技术。图谱显示，自2013年起绿色矿山研究成果增多，2015年和2018年形成高热度节点，这与国家政策的推动紧密相关。整体而言，土地复垦领域研究热度持续上升，高热度区间集中在2000年和2015年以后，这两个期间相关研究的科学目标可分别概况为“土地复垦的最佳模式”和“全面建设绿色化矿山”。

1979-2022年中国露天采矿领域“土地复垦”主题时间线聚类图谱

2.4.5 “智能化”主题时间线聚类

运用CiteSpace V6.1.R3绘制的“智能化”主题时间线聚类图谱显示，智能化研究始于1992年的卡车调度系统，受海湾战争GPS应用启发，后发展为1997年的专家系统和智能决策系统，融合了运筹学和人工智能技术。2006年起，国家项目支持推动了数字矿山研究。至2019年，新一代信息技术发展促使智能矿山成为新热点，涵盖无人驾驶、大数据等技术。整体看，1992-1997年和2019年后为两大高热度区间，分别聚焦于运筹学和系统工程理论在采矿的应用和信息技术与采矿技术的融合。

1979-2022年中国露天采矿领域“智能化”主题时间线聚类图谱

2.4.6科学目标预测

未来露天采矿领域的研究前沿将聚焦于绿色开采和智能开采。通过CiteSpace分析1985-2022年文献，发现研究热点突现词集中在三个时期，每个时期分别关注开采技术要素和关键技术参数优化、边坡稳定和隐蔽采空区研究，以及绿色与智能开采。然而，过去40年间热点主题交叉融合不足。因此，未来科学目标为形成系统全面的露天矿安全绿色高效智能开采技术体系，需强化露天采矿工艺系统、重大装备与现有热点主题的深度交叉融合，促进多主题间的实质性协同创新。

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露天开采重大基础理论与技术创新方向

未来露天矿山规划设计理论将向能源和生态视角转变，强调“土地复垦”、“新能源”与“露天开采”三条主线的交叉融合。这包括三方面：新能源应用推动露天开采向绿电和清洁能源转变，影响规划设计原理、技术标准、工程优化及生产组织模式；科学利用露天矿占用的大量土地，将其转变为多类型能源供应综合体，开发绿色电能；基于系统工程理论，以最小扰动系数为最优目标进行矿区开发规划，控制环境扰动，实现露天矿与环境的和谐共存，矿业权设置和矿区规划均应遵循此原则。

3.2易自燃特厚煤层安全高效开采技术

随着我国煤炭资源开发重心西移，新疆成为露天煤矿开发重点，但面临生态脆弱、水资源匮乏及易自燃特厚煤层开采等挑战。该地区煤炭资源大规模高效开采与生态保护间的矛盾日益凸显，亟待技术变革与创新。主要难题包括：生态脆弱环境下的粉尘沙尘控制难、煤层自燃频发且灭火监控技术缺失、开采工艺装备水平低且能耗高排放大、开采深度大边坡稳定控制难、以及压覆资源安全高效回收缺乏系统理论和技术体系。这些难题的研究深度交叉融合了“露天采矿”、“设计优化”、“边坡工程”、“土地复垦”与“智能化”等主题。

3.3智能采矿设计原理

露天采矿设计原理除了研究剥离和采矿在时间和空间上的关系外，还要研究它们之间的数值的制约关系，并把矿山与经济效益结合起来，以求得最佳设计。在智能化开采场景下，设计发生根本性变化，主要研究智能化技术对设计技术要素（如台阶高度、运输系统布局等）及设计过程（如建立三维作业场景、全业务流程协同设计机制）的影响，确保智能采剥系统安全高效运行，同时实现设计、施工一体化贯通，优化总图布置及辅助设施，促进露天矿开采的智能化与高效化。

3.4智能集群调度理论

调度问题是露天矿智能化研究中的热点问题，当问题规模扩大至矿山全局级别的智能集群调度时，几乎很难找到最优解。集群调度系统架构设计、调度模型实时构建以及大规模调度问题的快速求解是智能集群调度理论的主要研究内容。

（1）集群调度系统架构是大规模移动设备调度的基础。区别于传统卡车调度，移动设备集群调度考虑了推土机、洒水车、加油车、装载机、平路机、换点卡车等不同类型和用途的设备，调度业务更加复杂。调度系统架构设计的目标是实现多类型大规模设备作业的高协同与低耦合。

（2）优化的前提是建模，而数据驱动的调度模型的实时构建是保证调度顺利开展的有效手段。但调度所需数据来源广泛、数据结构各异、数据精度不高且一致性差，有效的数据融合十分困难。再者，露天矿山的数据多为设备层或部件层数据，难以直接指导工艺层调度的开展，建立设备数据到生产工艺的映射十分关键。最后调度模型建立的效果又限制了优化调度模型的求解策略与求解速度。

（3）大规模调度问题的求解是智能调度理论能否落地的关键。首先，由于调度问题的复杂性，调度模型并不能保证自身的可求解性，局部极小值甚至是无解问题都有可能出现；其次，调度问题对于模型的求解效率有很高的要求，若在最佳执行时机之后才给出调度决策，则调度的意义将不复存在。

上述三方面研究内容紧密交织，深度融合了 “露天采矿”、“设计优化”、“智能化”与“露天采矿装备”等主题，形成了一个相互关联、不可或缺的有机整体。其中，调度架构设计的核心在于合理分解调度业务，旨在实现大规模设备的协同作业；调度模型构建则旨在通过数据精确描述这些分解后的问题；而大规模优化问题的快速求解则是解决调度难题、提升整体效率的关键所在。

移动设备智能集群调度关键技术

3.5高大边坡稳定性控制技术

随着露天矿开采深度增加，边坡工程也面临更大的挑战。实现高大边坡稳定控制在稳定性演化规律、边坡监测数据融合、滑坡预警模型、边坡治理技术等方面有待开展更加深入的研究。

（1）极限平衡理论在应对岩石边坡的非均质、非连续及渐进破坏特性时存在局限，需深化边坡长期演化、破坏机理及影响因素的研究，并融合多学科知识提出更全面的稳定性分析方法。针对复杂条件下露天矿边坡，如特殊几何形态、特殊结构及极端环境边坡，开展针对性研究是确保边坡稳定控制的关键。

（2）随着矿山监测信息化智能化多元化的发展，需对边坡监测信息多维度有机融合，通过边坡监测信息反演边坡特性及实时演化状态将为滑坡预警和边坡加固设计提供重要信息及关键支撑。

（3）现阶段滑坡预警模型主要建立在历史数据统计和分析基础上，通过对边坡监测数据的分析和研判对边坡稳定性进行预报。针对现有滑坡预警技术存在的失败率高、预警错误、局限性大等问题，滑坡预警模型发展需综合考虑边坡地质特征、演化过程、滑坡机理等关键特性，与稳定性分析方法相结合，提高滑坡预警准确性与普适性。

（4）边坡治理是边坡安全的最后防线，露天矿山工程边坡治理应因地制宜，针对开采工艺、边坡地质结构、破坏机理、露天矿环境等特征采用经济合理的边坡治理手段，提高露天矿的经济性与安全性。

3.6复杂工况带式输送机高效运输技术

带式输送机是一种绿色高效的散料输送设备，在露天矿生产系统中广泛应用。随着露天矿带式输送机应用场景多元化、工况条件复杂化、运行操作简单化、系统控制智能化等新趋势和新需求的出现，露天矿带式输送机亟待突破一系列技术难题以满足露天矿大规模散料连续输送的新需求。这些技术包括：

（1）移置式、半固定带式输送机性能提升。剥离运输系统对移置式与半固定带式输送机的性能要求日益增高，现有最大带宽2400mm的输送机已难以满足每年3000万立方米产能下20000t/h以上的输送需求。因此，急需开发大运量、大带宽的输送机及其关键部件，如机头站、机尾站、滚筒、托辊和输送带等。同时，针对半固定带式输送机在工作面移设时需频繁延长或缩短的问题，研发大容量储带装置并与机头站或机尾站集成，实现不断带延长，以降低耗时耗力并减少断带风险，成为露天矿用半固定带式输送机发展的重要趋势。

（2）工作面带式输送机快速移设。工作面带式输送机在露天矿连续、半连续工艺系统中与采掘、排土设备紧密配合，但其移设速度较慢，成为制约工作面设备移设效率的关键因素。为实现同步快速移设，增设履带以实现自主横移成为必然趋势。然而，长距离（1.5km~2km）的输送机需设置多组履带，面临路径规划、位姿检测调整及行走误差调整等技术难题。同时，履带行走受多种因素影响，位置精度难以控制，易导致机身变形损坏。因此，必须解决桁架与履带、桁架间的连接与约束释放问题，吸收行走误差，保障移设安全。

（3）特种带式输送机应用于露天矿生产。露天矿边坡角度大，普通带式输送机难以满足深部矿物运输需求。特种带式输送机，如压带带式输送机和悬索带式输送机，通过增加摩擦力和提高输送角度，可沿任意角度端帮布置，实现短距离或长跨度连续运输。压带带式输送机适用于短距离运输，而悬索带式输送机跨度大，不影响端帮稳定性和运输。这些特种带式输送机在露天矿的应用可打通深部矿物与地面连续运输系统，成为未来露天矿带式输送机技术的重要发展方向。

（4）带式输送机系统智能化进一步深入。随着传感器技术、大数据、物联网、人工智能等在露天矿山的应用深化，带式输送机在智能控制、在线检测、自动维检、智能管控等方面取得显著进展。将实现煤流自适应启动控制、调速及多级设备协同控制，提升关键部件在线检测与故障预测准确率，实现维护机器人的无人干预智能维护，以及构建高度智能化的带式输送机运输系统智能管控平台，推动露天矿山运输系统的智能化升级。

3.7智能露天矿山系统工程

露天矿开采工艺系统复杂多样，涵盖间断、半连续、连续及倒堆等多种工艺，且各工艺在同一矿场可能组合应用，涉及穿孔、爆破、采装、运输、排土等多个环节。随着智能化建设的加速，露天矿已部署多个智能化子系统，如卡车无人驾驶、设备远程操控、带式输送机无人巡检及信息管理系统等。然而，智能化露天矿山系统工程面临新的挑战，需科学有序推进，并解决新的基础理论问题和关键技术难题。

露天矿山系统工程未来发展方向及关键技术

（1）鉴于露天矿多开采工艺并存，如黑岱沟露天煤矿的综合开采工艺，对其的分析、优化及评价需跨越单一工艺，实现全工艺全流程的优化决策，关键在于设计适应露天矿优化问题的多目标决策变量，并有效构建精确的多目标模型。

（2）随着露天煤矿智能化场景的不断丰富，露天矿从单一信息化向多系统融合智能化方向发展，从而形成大量多源异构数据，需要进行大数据挖掘分析，构建多维度多数据决策优化。如何有效处理众多变量和约束条件，提高优化模型规模和速度需要进一步研究。

（3）露天矿是随时间变化而动态发展的，不能只是单时段的分段优化和局部优化，需要进行露天矿全生命周期的整体优化。如何依据历史数据准确预测未来数据和模型参数取值，解决收敛速度慢、提高算法鲁棒性是今后需要重点解决的问题。

（4）矿山设计是露天矿智能化建设的重要组成部分，采矿设计需要实现智能设计决策，解决生产中存在的随机事件等问题。针对露天矿生产过程的不确定性，需要提高深度学习技术和模型的适用性和泛化能力。

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露天开采装备的发展方向

改革开放以来，我国大型露天矿开采设备及工艺取得显著进展，但仍面临诸多问题：单斗-卡车工艺占比高且设备规格小、数量多；半连续、连续开采工艺占比小，国产化程度低；破碎站移动性差，连续工艺系统中的轮斗挖掘机适用条件严苛；重型装备智能化、可靠性及稳定性待提升。受环境和成本约束及人口老龄化影响，矿山企业需同步变革工艺技术与装备，向大能力半连续、连续开采工艺及大型化、智能化核心装备发展。

4.1高效率移动式破碎设备

移动式破碎设备因其灵活性显著提升了半连续开采工艺的效率，但系统高效运行的核心在于设备可靠性，尤其是自移式破碎机的稳定性和可靠性。未来研发高效率移动式破碎设备需聚焦解决其关键技术难题：

（1）机动灵活移动技术。自移式破碎站集受料、给料、破碎、转载、行走等多种功能于一体，由于其具有伴随电铲等采装设备灵活移动的功能，使得其诸多方面都由于半移动式破碎站半连续开采工艺，但是如何实现受料斗高度、破碎站旋转角度、行进方向、排料带式输送机的回转等可以根据实际生产需要灵活调整，是装备研制过程中需要解决的难题。

（2）运行过程中承受的载荷复杂、随机、多变。破碎站各部件在运行中承受的电铲卸载物料冲击力、破碎物料过程中的冲击力、刮板机和皮带机运行冲击载荷、运动中工作面不平整对设备的冲击载荷等多种动载荷都将传递到自移式破碎站，再加上设备所受的无规律交变风载荷，如此复杂的载荷作用下设备的稳定性和靠靠性是巨大挑战。

（3）设备机械结构设计和关键元部件研发方面，须重点攻克大扭矩、低转速重载传动技术，高强度破碎齿耐磨材料和热加工成形技术，复杂地形条件下大型挠性机体轻量化及自平衡设计技术，重载底盘行走转向控制技术，卸料臂机电液一体化的多自由度调节技术等。

（4）针对自移式破碎站运行、维护等全生命周期中的智能化运行和管理问题，重点突破全面感知、数据实时传输与深度治理、高精度运动控制、故障诊断与预测、无人化运行维护等关键技术，实现单机设备的机器人化。

4.2模块式半固定破碎设备

针对不适于自移式破碎站的露天矿，常采用单斗-卡车-半移动破碎站半连续开采工艺。传统移设方式拆装工作量大、耗时长，影响复产速度。为提高效率，引入模块化理念，将半移动破碎站划分为模块整体移设成为未来发展方向。同时，破碎站挡墙形式发展出了混凝土挡墙、钢结构挡墙、无挡墙（卸车栈桥式）以及自然料斗等多种结构形式，但后三种形式的应用不多，主要面临安全性、轻量化、卸载效率等方面的问题需要进一步解决。此外，半移动破碎站还面临复杂载荷、大能力机械结构设计、单机设备机器人化等挑战。

4.3连续开采工艺系统成套装备

研制适合我国蒙东及新疆露天煤矿的全系列、标准化轮斗挖掘机成套装备是重要科技攻关任务。轮斗挖掘机作为连续运输系统核心，在国外应用广泛，但现有装备切割力有限，难以适应我国露天矿煤岩特性，亟需发展大切割力紧凑型机型。同时，斗齿磨损快、易断裂等问题需通过研发高强度耐磨材料解决。此外，随着煤矿智能化发展，攻克智能化关键技术，实现轮斗挖掘机智能自主采掘是未来必然趋势。

4.4大倾角运输装备

露天矿矿石运输主要以卡车运输为主，卡车沿帮折返运输运距长、污染大、运输成本高的问题十分突出，亟待研制实现沿边帮“点对点直线式连续运输”的大倾角运输成套装备。主要有两个研究方向：一是大倾角带式输送机研制，二是大倾角卡车提升系统研制，两种方案的技术发展方向分析如下。

（1）我国露天矿端帮角度大，普通带式输送机难以满足直接提升至地面的需求。针对此，研发了大倾角带式输送机，如压带、深槽、波纹挡边等类型，以适应不同角度的矿石运输。对于具备内部排土条件的露天矿，大倾角带式输送机需能随工作面推进实时移动，且需解决多履带协同行走精准控制、适应端帮形态变化和自适应位姿调整等难题，以满足露天矿深部矿石出坑运输的高效与安全要求，这也是大倾角带式输送机的重要发展方向。

（2）大倾角卡车提升系统研制方面，在适应边坡角度、灵活移设、边坡形态变化、姿态自适应调整等方面与带式输送机的要求基本一致。除此之外，还要研究提升机结构设计、大吨位整车提升、与单斗-卡车间断工艺的高效协同等难题。特别是要综合考虑电铲装车、卡车提升、重车卸载及空中车路段行驶等时间分布，计算卡车数量、系统的运行效率等的综合优化和协同调度问题。

4.5大型排土机

随着露天矿剥采比增大和产能提升，剥离量总量持续增长，国内露天煤矿年最大剥离量已超2亿m³/a，现有剥离半连续系统排土机单机排土能力已难以满足需求。因此，排土机大型化成为必然趋势，预计单机排土能力将突破20000 t/h。为此，需重点攻克以下技术难题：：（1）研究排土能力20000 t/h的大型排土机结构形式，实现对整体结构布置的优化；（2）研究排土机不同工况条件下位姿变化规律，监测排土机重心变化，补偿排土机的重心偏移，实现精确控制重心的位置，提高整机的稳定性；（3）设计合理的履带行走机构，解决多履带协同移动技术问题；（4）解决履带式卸料车与工作面输送机的精准对中问题。同时，排土机的单机智能化方面，同样要在具备过载保护、重心监测调整、卸料车自动纠偏调整等智能化功能的基础上，实现单机设备机器人化。

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结论

（2）近40年来，CNKI数据库中关于露天采矿的文献关键词聚类分析显示，我国露天采矿领域1979-2022年期间露天采矿科学和技术的研究主要聚焦于采矿优化、爆破工程、生态恢复、边坡稳定、智能矿山等5个方向。近40年来，我国露天采矿领域研究热点随大型矿建设和科技项目支持而发展，但交叉融合不足。未来目标是构建安全绿色高效智能开采技术体系，需强化热点与工艺系统及装备的深度融合，实现协同创新。

（3）结合我国露天采矿的实际，研究认为未来的重大基础理论与技术创新方向主要聚焦于基于能源和扰动视角的矿山规划理论、易自燃特厚煤层安全高效开采技术、智能采矿设计原理、智能集群调度理论、高大深陡边坡稳定控制技术、复杂工况带式输送机高效运输技术、智能化矿山系统工程以及符合我国露天矿山需求的系列智能化成套装备研发等。