0 引言

哈萨克斯坦是世界重要的煤炭生产国之一，近20年煤炭产量较为稳定，其煤炭工业以露天煤矿为主，但由于本国采矿技术和装备制造业不强，露天开采一方面延续苏联时期的技术装备，另一方面依靠进口美国、欧洲和日本等国家的先进采矿装备和技术。作为一个露天煤炭生产大国，哈萨克斯坦利用世界各国技术装备去适应自身露天煤矿开采条件的变化和时代发展的需要，并在应用过程中开发出适合本国的独特开采工艺流程，这些经验对我国露天煤矿的开采具有一定的参考价值。

1 露天煤炭资源与生产概况

1.1 露天煤炭资源总体情况

哈萨克斯坦地处中亚造山带，煤炭形成于中晚泥盆世、早石炭世、晚石炭世、二叠纪、侏罗纪和古新世，哈萨克斯坦主要含煤盆地及几个储量巨大矿床形成于早石炭世，构造整体平缓，含煤层系厚、埋藏较浅。哈萨克斯坦煤炭探明储量在30年来波动不大，2023年根据英国能源研究院世界能源统计数据，2020年哈萨克斯坦煤炭总探明储量为256.05亿t，占世界煤炭探明储量的2.4%，为无烟煤和烟煤。哈萨克斯坦优质煤炭资源富集区在中北部地区，共4个煤田：埃基巴斯图兹(Ekibastuz)煤田、卡拉干达(Karaganda)煤田、迈库边(Maikuben)煤田和图尔盖(Turgai)煤田，这4个煤田的煤层赋存条件较好，2/3的煤炭储量埋藏较浅，适合露天开采[1]。4个煤田基本情况[2-3]见表1。

1.2 哈萨克斯坦露天煤矿生产概况

哈萨克斯坦煤炭生产以露天煤矿为主，煤矿产地主要分为三大区域(州)：巴普洛达尔地区、卡拉干达地区、东哈萨克斯坦地区。巴普洛达尔地区主要是露天煤矿，埃基巴斯图兹煤田位于该地区，2022年该地区煤炭产量为68.39 Mt，约占全国煤炭产量(2022年为113.93 Mt)的60.0%；卡拉干达地区拥有哈萨克斯坦主要的井工煤矿和炼焦煤产地，但该地区煤炭产量依然主要来自露天开采，2022年该地区煤炭产量34.28 Mt，约占全国煤炭产量的30.1%[4]。

露天煤矿开采集中在8座大型露天煤矿，巴普洛达尔地区有3座，分别为位于埃基巴斯图兹煤田的勇士(Bogatyr)和北方(Severnyy)露天煤矿，以及位于迈库边煤田南面的迈库边斯基(Maikubensky)露天煤矿；卡拉干达地区分布有4座露天煤矿，分别为莫罗德兹尼(Molodezhny)、舒尔巴科(Shubarkol)、东方(Vostochnyy)和扎林(Zhalyn)露天煤矿；还有一座撒雅达(Saryadyr)露天煤矿在阿克莫拉(Akmola)地区。从产能上看，根据目前哈萨克斯坦公开的规模以上煤矿产能统计数据，这8座露天煤矿总产能为88.1 Mt/a，主要露天煤矿基本情况[5]见表2。

2 露天煤矿开采技术总体发展

2.1 露天煤矿开采技术发展概况

(1)20世纪90年代，哈萨克斯坦处于以苏联的技术装备为主的露天综合开采工艺时期。哈萨克斯坦露天煤矿开采工艺主要延续苏联时期的设计和装备，在这一时期，斗轮挖掘机-铁道连续工艺、单斗挖掘机-铁道间断式开采工艺、单斗挖掘机-卡车-带式输送机半连续工艺、拉斗铲无运输倒堆工艺都有使用[6]。哈萨克斯坦各露天煤矿均采用剥离外排的运输开采系统，并且以铁道运输为主，该国60%的煤炭和75%的剥离物用铁道运输，而16%的煤炭和24%的剥离物采用汽车运输，其余的煤炭(大约2 200万t)则采用带式输送机运输。

埃基巴斯图兹煤田87%的煤炭采用切割力较大的斗轮挖掘机开采，其理论生产能力为3 500～5 000 t/h，内部运输主要采用铁道[7]。哈萨克斯坦在20世纪90年代开始开发巴普洛达尔州的迈库边煤田、卡拉干达州的舒巴尔科煤田和谢米巴拉丁斯克州的卡拉瑞尔煤田，以扩大低灰分煤(灰分12%～24%)的产量。这3个煤田的矿山地质条件一般，煤层厚30～35 m，缓倾斜赋存，煤层构造复杂，现行剥采比达2.0～3.0 m3/t(1992年哈萨克斯坦各露天煤矿的实际平均剥采比为0.96 m3/t)，因此在建新露天煤矿时，主要采用生产能力3 500 t/h的斗轮挖掘机对复杂煤层进行选采。

露天煤矿剥离与排土作业以单斗挖掘机-铁道间断式开采工艺为主。1992年哈萨克斯坦共剥离矸石9 200万m3，剥离作业主要采用斗容为5.0～12.5 m3的单斗挖掘机(电铲)，主要使用苏联乌拉尔重型机械厂生产的EKG系列电铲，现母公司为俄罗斯联合重型机械设备制造(OMZ)集团。向排土场排矸则采用斗容为10～14 m3的吊斗铲和单斗电铲。

在这个时期，卡车-铁道和卡车-带式输送机工艺也有使用。在迈库边煤田、舒巴尔科煤田和卡拉瑞尔煤田选采时，为使煤矸分流，采用卡车-带式输送机运输(在工作平台采用载重量为105 t的自卸式汽车)；剥离矸石采用铁道运输，使用粘重为360 t的牵引机组。这一时期主要使用白俄罗斯别拉斯(BelAZ)生产的自卸卡车[8]。

(2)2000年后，在国家对外开放和露天煤矿生产条件变化的情况下，哈萨克斯坦各露天煤矿开采技术与装备开始逐步变革。一方面，20世纪90年代后期，在国家对外开放和制度转型日趋深化的大背景下，哈萨克斯坦露天煤矿吸收了外商投资资金，完成了私有化转型，欧美国家的技术与装备开始在露天煤矿装备使用。另一方面，由于露天煤矿采深不断增加，原有的铁道运输成本日益加大，需采用成本相对低廉的技术装备。哈萨克斯坦本国机械制造业落后于世界先进水平，根据美国商务部的报告，哈萨克斯坦矿业的主要技术和管理依然传承于苏联时期，其超过一半的采矿企业使用落后的设备，几乎全部设备都不环保[9]。因此，除去从俄罗斯进口装备外，哈萨克斯坦露天煤矿开采装备也越来越多从美国、德国、日本等国家进口[10]。

2000年后露天煤矿开始转型发展单斗挖掘机-半固定破碎站-带式输送机半连续开采工艺。埃基巴斯图兹煤田采掘深度以5～10 m/a的速度不断增加，深部水平开采条件不断恶化，如剥采比增加、运输系统更加复杂、铁路运距达15～20 km以上等等。为此，2000年初该煤田各露天煤矿的发展方向是：把勇士露天煤矿的铁路运输改为带式输送机运输，使用的带式输送机运输能力为5 250 t/h；勇士和东方露天煤矿深部水平的剥离将采用由单斗挖掘机、自行式破碎机组、带式输送机和排土机组成的综合机组，即采用半连续工艺生产，生产能力达到8 000 m3/h；改变北方露天煤矿的开采顺序，由外排土改为内排土。

2.2 露天煤矿智能化与环保技术

露天煤矿智能化技术在哈萨克斯坦大型露天煤矿有所应用，但还没有大规模推广。哈萨克斯坦政府重视数字和智能化发展，实施了数字哈萨克斯坦项目，国家的数字和智能化基础设施有一定水平，为露天煤矿智能化发展奠定了基础。根据萨姆鲁克能源公司2018年年报，其下属勇士和北方露天煤矿正在建设“数字煤矿”项目，包括自动监测煤矿运行情况和煤矿运输设备(含运输重量、地点、技术状况、速度、轮胎压力和温度等)、自动化装卸卡车每天工作情况的分析(包括运输次数、装卸次数、发动机时间、公里数、耗油量、自动驾驶、驾驶员的操作分析和相关工作统计信息)。

哈萨克斯坦环境保护法律法规不断加强对露天开采环保技术的要求。1997年7月颁布的《环境保护法》和2007年更新的《环境法典》规定，煤矿作为矿物资源，是环境保护的对象之一，应对煤炭开采进行环境影响评估，同时，对矿物生产与消费的废弃物应进行有毒和无毒分类与分级，允许无水害的地下煤矿设置有毒废弃物存储点。2010年修订的《地下资源及地下资源利用法》，在原有基础上进一步加强了环境保护的要求，主要体现在矿产开发终止时，要对矿产利用对象进行清除和密封等。2021年初哈萨克斯坦颁布最新的环保法案，要求年产量10万t以上的和褐煤年产量20万t以上的露天煤矿安装煤炭(硬煤和褐煤)处理设施，并强制执行环境影响审查。全球碳中和情景下，哈萨克斯坦大型煤矿将应用更加环保的技术装备，比如勇士煤矿公司出于对碳排放和环境保护的考虑，制定了2060年实现碳中和的目标，正在安装从德国进口的连续采煤系统。

3 典型露天煤矿开采工艺与装备应用

3.1 勇士与北方露天煤矿

勇士煤矿公司是哈萨克斯坦最大的露天煤矿公司，隶属于萨姆鲁克能源公司，目前煤炭总产能42 Mt/a，其中32 Mt/a煤炭产能来自勇士煤矿，另外的10 Mt/a煤炭产能来自北方煤矿，2个露天煤矿相邻而建。勇士煤矿公司2022煤炭产量为42.47 Mt，占埃基巴斯图兹煤田产量的62.1%，约占当年全国煤炭产量的37.3%[4]。勇士煤矿公司拥有员工6 500人，2022年劳动生产率约6 534 t/(人·a)。勇士和北方露天煤矿根据不同的生产条件，采用综合开采工艺。

(1)连续开采工艺。勇士和北方露天煤矿长期采用斗轮挖掘机-铁道连续采煤工艺，如图1所示，目前主要使用德国塔克拉夫公司(TAKRAF)生产的斗轮挖掘机，主要型号为TAKRAF SRs(K)2000(我国内蒙古扎哈淖尔露天煤矿也在使用)，理论剥离能力6 600 m3/h。1998年，勇士露天煤矿首次装备德国TAKRAF SBF-R-(k)-1800.25 桥式转载机，采用斗轮挖掘机将物料装卸到带式输送机上。

(2)转型半连续开采工艺。自2005年至今，勇士与北方露天煤矿开始发展卡车与带式输送机/铁道半连续工艺。2005-2008年是开采工艺改革的第一阶段，勇士与北方露天矿开始使用单斗挖掘机、自卸卡车、斗轮挖掘机和铁道系统。2006年，勇士露天煤矿联合德国和哈萨克斯坦本国设计院进行了卡车与带式输送机半连续工艺系统项目的可行性研究。先采用常规的单斗挖掘机-卡车采煤工艺，如图2所示，采煤后自卸卡车将煤炭从矿坑运输到露天矿地表的堆煤处，斗轮挖掘机再将堆煤处的煤炭装卸到铁道。2008-2010年勇士煤矿投资重建运输系统，在5、6、9、10号采区新建前端循环技术运输系统，平均煤矿运输距离从2006年的16.2 km 降低到2010年的12.9 km，减少了煤矿铁轨长度19.4 km和铁轨转辙器128个。这项技术的使用可以更合理分配煤矿存储，使运煤敞车的替换率降低2.5倍，提高装货精度且不用断开运煤敞车摘钩，从而提高煤炭产量。2014年，煤矿岩石和内部剥离物被存放于5号采区的永久矿坑存放点。

在露天开采装备上，勇士煤矿公司主要采用俄罗斯、美国和德国生产的设备。2个露天矿单斗挖掘机主要使用俄罗斯生产的EKG-15和EKG-18大型矿用挖掘机(电铲)，2019年5月，勇士煤矿采购了俄罗斯生产的EKG-20型电铲，该矿用挖掘机的主要参数与我国太原重工生产的WK-20矿用挖掘机类似，铲斗标准容量20 m3，斗容范围16～24 m3，铲斗额定载荷40 t，用于剥离表层土壤和采装经爆破崩落的矿区土石方；煤炭运输自卸卡车主要使用进口自美国卡特彼勒公司和白俄罗斯的别拉斯公司，主要吨位为90、130、140 t；其他辅助设备上，勇士露天煤矿装备了我国徐州工程机械集团生产的LW300F型装载机，吨位为2 t，用于煤炭装载综合设施(RCC)的输送机下方收集堆积物，以及砾石、沙子等；另外，勇士露天煤矿装备了美国卡特彼勒公司生产的D9N8和D-10推土机和16H平地机。

勇士露天煤矿最新建成坑内煤炭破碎与运输系统(IPCC)。2014年底，勇士露天煤矿启动了坑内煤炭破碎与运输系统建设项目，该项目由德国的蒂森克虏伯(Thyssen Krupp Mining Technologies)公司提供技术设备。根据萨姆鲁克能源公司2022年年报，2022年该套系统主体框架结构已经装配完成，目前正在装配调试系统的堆料机、破碎机、装载机、提升带式输送机和取料机等设备。这套系统不仅可以降低运行成本，而且可以显著减少粉尘和CO2排放。这套系统的另一个特点是提供了在线煤炭质量监测系统，确保煤炭质量稳定，采用放射性方法监测和分析破碎后的煤炭质量，然后通过4个独立的破碎传送系统将煤炭运输到收集系统，煤炭在此过程中再次通过PGNAA感应器收集数据并分析，随后煤炭被运输到几公里外的装车站，回收符合质量要求的煤炭，最后煤炭被传送到火车装运系统[11]。根据萨姆鲁克能源公司2020年报，这套连续循环采矿装备可以开采200 m埋深以下的煤炭，可提高煤炭年产量至40 Mt。

3.2 舒巴尔科(Shubarkol)露天煤矿

舒巴尔科煤炭股份有限公司(Shubarkol Komir JSC)的母公司为欧亚资源集团(Eurasian Resources Group)，2022年拥有员工3 000人、产煤12.54 Mt，煤炭生产效率约4 180 t/(人·a)。截至2021年，该公司已经开采2亿t煤炭。公司拥有2个相邻的露天煤矿：舒巴尔科中部煤矿(Shubarkol Centralny Coal Mine)与舒巴尔科西部煤矿(Shubarkol Zapadny Coal Mine)，中部煤矿产能7 Mt/a，西部煤矿产能6 Mt/a。2座露天矿位于舒巴尔科煤田，地处卡拉干达地区的努拉(Nura)区域，煤田长15.0 km、宽6.5 km，煤层厚度30～100 m，煤田总储量约9.68亿t，其中西部煤矿4.64亿t，中部煤矿5.04亿t。

舒巴尔科2座露天煤矿采用综合工艺开采煤炭。在20世纪90年代主要采用斗轮挖掘机-铁道/带式输送机的连续工艺。采用带式输送机把剥离、开采、运输和排土组合成一体的全连续开采系统，运煤则采用生产能力为2 500～5 250 t/h的带式输送机，生产能力为5 000 m3/h。

2000年后，舒巴尔科露天煤矿加强了单斗-卡车间断工艺的应用。煤炭和上覆岩石的剥采主要由日本日立公司生产的矿用挖掘机完成，包括4台超大型挖掘机，分别是1台 EX1900-6、1台EX3600-6和2台 EX3600E-6s。矿区运输主要采用日立公司和卡特彼勒公司生产的矿用卡车，把覆盖物或煤炭运到带式输送机上然后通过铁路发送给客户，或者是送到临时排土场。2015年，公司采购了4台日立EH1100-5s和2台EH3500ACIIs，拥有6台EH1100-3和2台EH3500ACII 矿用自卸卡车[12]。2016年拥有日立公司生产的装备包括14辆装卸卡车和4台挖掘机。2019年，公司购置了11辆卡特彼勒公司的777E自卸卡车、2台日立EX1900-6(LD)液压挖掘机和日立EX3500-6大型矿用挖掘机(斗容为21～23 m3)。对于埋深30～100 m的大型煤层，舒巴尔科露天煤矿的剥采比为3 m3/t。

3.3 东方露天煤矿

东方(Vostochny)露天煤矿位于埃基巴斯图兹煤田，隶属于欧亚能源公司，母公司为欧亚资源集团。根据欧亚资源集团资料，东方露天煤矿于1985年投产，员工超过3 000人，至今已生产5.18亿t煤炭，目前每年产煤约18 Mt，劳动生产率约6 000 t/(人·a)。东方煤矿生产的动力煤约占哈萨克斯坦动力煤总产量的20%。2010年，东方露天煤矿引入了连续工艺进行剥离，其在超过35 a的煤炭开采时间里已经剥离了10亿m3的岩体。

东方露天煤矿煤炭开采以连续工艺为主。在苏联时期，东方露天煤矿是第一个用斗轮挖掘机-带式输送机连续工艺开采硬煤的露天煤矿，设计能力30 Mt/a，1985年9月投产，1988年生产煤炭14 Mt。该煤层倾角10°～20°，煤层结构复杂，煤和岩层硬度较大，斗轮铲开采前需松动爆破。东方露天煤矿于1988年成功地使用了1套生产能力3 000万t/a的混匀装载机组。该机组包括生产能力6 000 t/h的堆料机，生产能力4 000 t/h的滚筒式混匀机，生产能力4 000～6 000 t/h 的带式输送机和生产能力4 000 t/h的固定式装载点。1992年该矿用机组共混匀煤炭2 200万t。目前东方露天煤矿采用4套连续开采机组进行煤炭开采，每套开采机组包括斗轮挖掘机、转载机、装载机等。

2009年投入使用TAKRAF BSM-KS-4250型半移动破碎站如图3所示，主要用于破碎剥离物，破碎能力为4 250 t/h；2012年购置了德国泛玛(FAM)公司的4108SR(K)2000型斗轮挖掘机。

3.4 迈库边斯基(Maikubensky)露天煤矿

迈库边斯基露天煤矿位于迈库边煤田，由迈库边-韦斯特有限公司(Maikuben-West LLP)运营。迈库边斯基露天煤矿划分为5个产区：东方、中央、西方、东部储备、西部保护区，采矿作业主要在东方和中央2个地区进行。煤层赋存的开采和地质条件决定了东方地区剖面的最小剥采比为3.73 m3/t，中部地区剥采比为3.92 m3/t。迈库边斯基露天煤矿的煤炭开采始于1987年11月。截至2013年11月1日，露天煤矿沿煤层走向长度6.50 km；平均宽度0.67 km，采矿作业深度达70 m(地平线为+220 m)。迈库边斯基露天煤矿主要生产褐煤，年产量为25 Mt。

露天煤炭开采及上覆岩石剥离采用钻探方式进行爆破作业，爆破作业采用钻孔充注法。钻孔采用SBR-160A-24、3SBSH-200-60和DM 45-LP钻机。剥离作业炸药消耗量为0.153 kg/m3，进行采矿作业时为0.112 kg/m3。

剥离作业主要采用单斗挖掘机-卡车-铁道及斗轮挖掘机-铁道综合工艺。斗轮挖掘机主要型号为TAKRAF SRs(K)-470和ER-1250D，用于表土覆盖层的剥离作业。1999年使用单斗铲式挖掘机(如 EKG-10、EKG-5A、EKG-4U)进行覆盖层工作台的作业，覆盖层通过铁路和公路运输运送到垃圾场。覆盖层采用白俄罗斯BelAZ-75131(130t)自卸卡车装运，台阶实际高度为10～22 m，剥采工程有效长度为6.5 km，覆岩台阶平均年移动26 m。剥离物储存在东方产区和南部产区(Yuzhny)的内部公路和铁道排土场。东方产区部分的内部铁道排土场由1台 EKG-10 铲式挖掘机进行作业。排土场接受推土机(型号为 T-170、DET-250、T-35)倾倒。堆垛层的高度为20～40 m。在外部铁路堆垛上，南部产区编队使用高达30 m的ESH-11.75吊斗铲进行作业。

迈库边斯基露天煤矿主要采用单斗-卡车-破碎站的半连续工艺和斗轮挖掘机-铁道连续工艺开采。工作台的实际高度为10～20 m，采矿作业的实际长度为6.2 km。斗轮挖掘机采用德国TAKRAF SRs(K)。单斗挖掘机主要型号有日立EX 2600E-6，俄罗斯EKG-10、EKG-5A、EKG-5V、EKG-4U，美国卡特彼勒CAT-5130。然后通过自卸卡车将煤炭运送到坑内煤仓和一个破碎和分拣综合设施(DSK)。煤炭装载自卸卡车主要有白俄罗斯别拉斯公司生产的BelAZ-75131(130 t)、BelAZ-7547(45 t)自卸卡车。

4 结论与启示

(1)哈萨克斯坦露天煤矿总体上采用综合开采技术，在剥离作业上主要为单斗卡车-铁道间断工艺为主，在采煤及运输排土作业上以斗轮挖掘机-铁道/带式输送机的连续工艺为主，近10年随着露天煤矿采深的增加和节能低碳要求的提高，部分大型露天煤矿在向单斗卡车-移动/半移动破碎站-带式输送机的半连续开采工艺转型。

(2)哈萨克斯坦本国装备制造业实力不强，一方面仍然依靠苏联时期的露天开采技术与装备，并继续和俄罗斯、白俄罗斯等国家合作；另一方面，加强与欧美日等发达国家的合作，引进相关技术与装备。哈萨克斯坦露天煤矿技术装备总体上依据煤矿开采条件变化逐步换代升级。

(3)可加大中哈两国露天采矿装备合作。哈萨克斯坦露天煤矿生产依靠引进国外先进装备与技术，但是并不依赖于某一个国家。哈萨克斯坦是中国“丝绸之路”的门户和连接欧洲的主要交通走廊，是中国的全面战略合作伙伴和上海合作组织的重要成员国，徐工集团等我国企业的矿用装备已经进入哈萨克斯坦市场，随着我国装备制造业科技含量的进一步提高，我国与哈萨克斯坦在装备设备领域应有更多的合作空间和机会。

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Development overview on the mining technology and equipment of open-pit coal mine in Kazakhstan

DU Zhiyong1, YANG Hualiu2, ZHANG Zhouai1, BAI Tong1, JIN Lei1, DU Yongzhi1, LI Xinpeng1, BEI Ruonan1, ZHOU Zhiwei1

(1.China Energy Baorixile Energy Co., Ltd., Hulun Buir, Inner Mongolia 021000, China;2.Information Institute of Ministry of Emergency Management of PRC, Chaoyang, Beijing 100029, China)

Abstract This paper introduces the general situation of open-pit coal resources and open-pit coal mines production in Kazakhstan, and comprehensively expounds the development of open-pit coal mining technology, intelligent and environmental protection technology in this country, as well as the specific application of typical open-pit coal mining technology and equipment in such open-pit mines as Bogatyr Coal Mine Company, Severnyy Open-pit Coal Mine and Shubarkol Coal Co., Ltd.. Research has shown that open-pit coal mining in Kazakhstan is transitioning from using bucket-wheel excavator, railway and single-bucket excavator and railway processes to a semi-continuous process of single-bucket excavator, semi-mobile crushing station and belt conveyor; Kazakhstan's open-pit coal mining technology and equipment have gradually transitioned from relying mainly on the Soviet Union/Russia to diversified development. It is believed that with the further improvement of technological content in China's equipment manufacturing industry, there are broad cooperation spaces and opportunities for China and Kazakhstan in the field of open-pit mining equipment.

Keywords Kazakhstan; open-pit coal mine; open-pit mining technology and equipment; intelligent equipment

中图分类号 TD98

文献标志码 A

引用格式：杜志勇，杨骅骝，张周爱，等. 哈萨克斯坦露天煤矿开采技术与装备发展综述[J]. 中国煤炭，2023，49(8)：85-91. DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2023.08.013

DU Zhiyong，YANG Hualiu，ZHANG Zhouai，et al.Development overview on the mining technology and equipment of open-pit coal mine in Kazakhstan[J]. China Coal，2023，49(8)：85-91. DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2023.08.013

作者简介：杜志勇(1982-)，男，内蒙古锡林郭勒盟人，工程硕士，高级工程师，主要从事煤矿机电设备管理及智能化建设方面的研究工作。E-mail：158142152@qq.com

(责任编辑 郭东芝)