露天煤矿安全技术的发展与展望
在过去的47年中，露天采矿安全研究所在采矿技术、采矿设备升级、爆破技术和设备、边坡稳定性和边坡变形监测技术、计算机技术在露天矿山的应用、露天生产监测技术、地质灾害和环境评价等方面做了大量的研究工作。，完成科研项目150多项，为矿山安全高效生产提供了可靠的技术保障，为我国露天采矿技术的发展做出了贡献。
特别是1981以来，完成项目110多项，是前24年的2.7倍，其中32项成果获得国家、省、部级科技进步奖。
1采矿技术、设备、爆破技术与设备的研究
1.1采矿技术
20世纪50年代，露天矿安全研究所先后完成了抚顺西露天矿技术改造方案设计、海州露天矿开拓方式和采矿方法研究、露天水力机械化采煤研究。
1963-1965与中国矿业大学、沈阳煤矿设计院一起，勘测了西部四省31矿井，规划了17露天煤矿，确定了技术发展方向、开采方法和工艺，为80年代我国露天煤矿的建设和发展奠定了基础。
60年代中期，研究了平朔矿区的开采技术，提出了年产500 ~ 10万吨的开拓开采方案。该方案包括连续工艺、铁路运输工艺、斗铲、内排土和其他组合工艺。我国首次研究超大型露天煤矿开采技术，技术水平达到当时世界水平。为配合5个露天煤矿的开发建设，承担了煤炭抗截割测试技术、元宝山露天煤矿地下水疏干方法、北方寒冷地区防止剥离物粘车胶带防冻技术等研究。抚顺西露天矿防粘车现场试验和耐寒输送带低温试验在国内尚属首次，成果已应用于现场并取得良好效果。
20世纪80年代，面对老露天矿深部开采和延深的困难，他参加了技术改造的研究。特别是多次参与抚顺西露天矿的技术改造设计，最终提出了上部铁路运输、深部汽车与带式输送机联合运输、内部排土分布区开采的设计方案。为配合这一方案的实施，研究了加强西部地区开采，提前实现西部地区内排的方案。该方案已实施多年，取得了良好的经济效益。
1.2露天采矿设备技术
1957年完成120B电铲发电机外特性改善研究，提高电铲工作效率5%~10%，减少电气和机械故障。“露天矿用12t架线电机车可控硅脉冲调速研究”大大降低了机车故障率，节电约12%。
Q 2-M64 DTH钻机是60年代后发展起来的。钻机还可以钻0~30度的斜孔；LH-200旋挖钻机是为中硬岩石研制的。这种钻机可以使用切削、牙轮、DTH等多种钻具，效率是冲击钻井的3~5倍。ZX-150旋挖钻机是与吉林重型机械厂联合研制的。1986年研制的KY-150牙轮钻机的变位效率达到71.5m和178m，是DTH钻机的2.54倍，是冲击钻机的6.9倍。研制的QZ3-150三翼旋挖钻头与美制三翼钻头寿命相同，达到2500m，价格仅为美制钻头的42%，替代了进口，在霍林河露天矿长期使用。
与杭州重型机械、上海皮带运输机械厂、抚顺挖掘机械厂共同承担了我国第一套连续工艺装备的研制和试验。包括轮斗挖掘机、带式输送机、PS-1000自卸车、YG-15皮带移位机、YR-1组合式皮带接头硫化机，结束了我国不能生产连续工艺设备的历史。20世纪80年代，杭重和天工所研制出我国第一台中型轮斗挖掘机。露天采矿安全研究所参与了全部工业试验和性能测试，完成了成套设备的机械性能测定和生产能力考核，开创了矿山设备性能测试的先河。
吴宝山、准格尔等大型露天煤矿已部分采用轮斗带连续工艺，并从国外引进大型轮斗挖掘机。为了配合这些单位轮斗挖掘机的设计和设备验收任务，还对煤岩的截割阻力、轮斗挖掘机的截割破碎机理、轮斗工作机构的设计理论、轮斗挖掘的切削力和机械性能试验进行了研究。
通过对元宝山、抚顺、小龙潭、昭通、霍林河、准格尔、伊敏等露天矿煤岩截割阻力的研究和测定，提出了我国煤岩截割阻力理论和截割阻力及轮斗挖掘机的测定方法，填补了我国在该领域的空白，达到国际水平。其成果获煤炭工业部科技进步二等奖。利用上述理论和测试技术，完成了准格尔和元宝山露天矿连续工艺系统的机械性能测试和生产能力评估，为矿山进口设备提供了保障。
在此期间，露天采矿安全研究所建造了世界上最大的斗轮挖掘机试验装置，斗轮直径为0.95米..通过该装置可以模拟不同岩性的切削阻力和挖掘机切削力的确定，研究斗轮挖掘机的合理工作参数。如:斗齿的受力状态、斗齿的形状、斗齿的排列、切削速度、转速、刨床的大小、斗齿材料的耐磨性等。研制的单斗电动斗齿的使用寿命是普通斗齿的2.5~3.0倍。
1.3爆破技术与设备
为解决抚顺西露天矿高阶段开采的爆破质量问题，在1956进行了高阶段爆破技术研究。
海州露天矿在1972-1973期间，采用的是道碴爆破法。1985完成“海州矿提高块煤率爆破方法研究”，采用爆速2700~3200m/s的低威力炸药、空气柱充填、优化布孔参数和毫秒延时爆破技术，减少了炮孔数量。块煤率提高2.83%，大型露天煤矿爆破技术优化研究1992。通过安太堡露天煤矿试验，该矿炸药定额由0.45kg/m3降至0.319 kg/m3，综合成本约10536万元，增加剥离量20053.6万元。
此外，我们还与沈阳军工兵团合作成功开发了B2、B3液体炸药、液体炸药混装车、四通起爆器，完成了安太堡、准格尔、霍林河、抚顺西露天矿等矿山的爆破震动测试和减震技术研究。
2边坡稳定性及监测技术研究
2.1边坡稳定性研究
边坡稳定技术的研究始于20世纪50年代中期。海州露天煤矿于1953年投产。抚顺西露天煤矿改造后不久，边坡在非工作面多次发生滑坡，严重影响了正常生产和设备安全。针对上述两个矿山的滑坡，启动了边坡稳定性研究工作。主要研究内容是非工作边坡的工程地质条件，岩石的物理力学性质，滑坡形成的条件和稳定性分析方法，边坡失稳范围的确定和防治措施。
1961年，抚顺西露天矿发生了4次百万立方米的大型滑坡，其中3号滑坡危及西大巷提煤巷道的安全。我院科研人员参与多部门组成的治理工作组，完成了削坡、减重、降水、加固等措施的设计和施工，保证了提升系统的正常生产。
经过这一阶段的研究工作，建立了一套露天矿边坡稳定性研究的理论和工作方法，培养了一支科研队伍，建立了岩石力学实验室。边坡工程研究已成为露天采矿安全研究所的主导专业，也是国内最早开展边坡工程研究的专业单位之一。还多次参加非煤露天矿山论证和长江三峡滑坡。随着我国露天煤矿的发展，先后承担了国家和煤炭部的重大科研项目，完成了抚顺、阜新、平庄、安太堡、准格尔、小龙潭、义马露天煤矿的边坡稳定性研究和滑坡防治工作。截至目前，已完成科研项目60余项，其中12项成果分别获得省、部、国家一、二、三等奖。
2.1.1基础研究
(1)工程地质勘察技术。岩层的地质构造和赋存条件，特别是软弱岩层的条件，是滑坡形成的内在因素。查明地质构造是确定滑坡规模、滑动方式、稳定性分析和防治措施的基础。常规方法是地表地质构造调查、钻探和隧道勘探。
随着雷达探测技术和地震波探测技术的发展，实现了地层和地质构造的无钻孔勘探。在1993抚顺西露天矿西南帮稳定性研究项目中，利用浅层地质雷达仪器成功地确定了影响该区边坡稳定性的软凝灰岩的赋存状态和分布规律。
在岩体结构分析方面，根据岩体裂隙的特征，采用随机模拟、计算机数字模拟和QD分类法确定岩体的完整性，从而计算岩体结构对边坡稳定性的影响。
(2)水文地质和地下水监测。边坡岩体中地下水的存在不仅削弱了岩石强度，特别是降低了软弱层的抗剪强度，使边坡沿软弱层滑动。此外，随着地下水位的升高，上举力降低了边坡的抗滑能力。因此，地下水勘探多采用地表调查和钻水文孔。采取岩样测量岩石含水量，进行分层注水试验，确定岩层含水规律和水力联系，建立水力模型。
七五国家科技攻关项目“边坡安全监测系统研制”中研制了压阻式地下水监测系统，可随时测量地下水压力，具有高精度、高分辨率、输出信号大、集中控制、自动记录等特点，提高了地下水的监测水平。
(3)岩石的力学性质。边坡岩体物理力学性质的研究和指标测试为边坡设计、稳定性评价和治理提供了科学依据。自20世纪60年代以来，一直采用巷道和平板原位测试方法。为了配合现场试验设计，研制了专用压力箱和千斤顶。利用该方法测定了抚顺和阜新露天矿各种软岩的力学指标，为边坡稳定性评价和治理提供了可靠的依据。
自20世纪70年代以来，岩石力学实验室建设得到加强，先后购置了Djy-4四重等应变直剪仪、GJY-2高压等应变直剪仪、SJ-IA三轴剪切仪、XD-1点荷载仪、JQ—200岩石剪切流变仪、土流变仪等试验设备，以及物性指标测量仪器。为了模拟自然状态下岩石的流变强度，建立了恒温恒湿流变实验室。
确定排土场散体材料的力学指标对排土场边坡设计和稳定性评价非常重要。1988年，购置了SZ-30-2A三轴剪切仪，建立了颗粒材料力学实验室。样品由散装材料按一定比例的颗粒制成。该装置先后完成了安太堡、准格尔、吴宝山、富顺、伊敏河等露天矿物料力学指标的测定，为排土场边坡稳定性评价提供了参数。正是在三轴试验中，找到了黄土基底含水层孔隙水压力消散速度与重力和加载速度的关系，揭示了高速倾倒条件下排土场滑坡的原因。
(4)滑坡模型与模拟技术。露天煤矿滑坡模式具有沉积岩层特征，主要受软弱岩层控制。层理、节理和断层是控制滑坡模式的主要因素。
1984我院建成了国产底摩擦模拟试验装置，可自动无级调速。底摩擦法是一种二维物理模型，适用于节理岩体相似材料的组合。它可以代替采矿工程活动改变模型的形状，预测未来边坡的变形规律和滑坡模式。
在“七五”国家重点项目“抚顺西露天矿北帮稳定性研究”中，用离散元法成功地模拟了倾倒滑体的形成条件、变形过程和规律、应力分布和变形范围。从计算机数学模型中可以清楚地看到，以斜坡上部F1断层以北的岩体为主要逆冲段，推动F1以南的向斜构造北翼(向斜构造北翼倾角大，南翼平缓)发生倾倒，从而推动南翼滑动，形成倾倒滑动滑坡模式。
(5)边坡稳定性分析方法。在抚顺西露天矿北帮边坡稳定性分析中，针对弯曲楔形体的滑坡和倾倒滑移变形，提出了弯曲楔形体和倾倒滑移的稳定性分析理论和计算方法。达到世界先进水平。
Sarma边坡稳定性评价方法是极限平衡分析法的新发展。其特点是:可用于确定平面滑坡、楔形滑坡、弧形滑坡和非弧形滑坡等各种滑动面边坡的稳定性，可用于分析各种复杂滑动面的岩土边坡。允许条带的不同侧边和底面被赋予不同的强度参数；它考虑了地下水压力和地震因素对边坡稳定性的影响。露天采矿安全研究所率先将这种方法引入中国。详细说明了抚顺西露天矿边坡分析，并编制了适用于HP41CV可编程计算器的汇编语言程序。并将这种分析方法推广到国内其他行业，使这种方法得到广泛应用。
(6)滑坡防治技术。①削坡减重，采用自上而下的措施清理缓坡。缓坡起到稳定边坡的作用。(2)抗滑桩加固，采用钢筋混凝土桩加固边坡。③控制地下水压力的变化，地下水是影响边坡稳定性的重要因素，大多数边坡失稳破坏都是由于地下水失控造成的。因此，大量采用水平排水孔、巷道排水等方法降低地下水位，防止边坡滑动。为此，建立了一套水平排水孔设计方法、计算机地下水网络模型和地下水压力监测系统。
2.1.2黄土基底排土场边坡稳定性研究
1991年10 10月29日0时10分，安太堡露天矿南排土场发生大规模高速滑坡，滑体瞬间滑出近300m米。滑坡体积约1000 ~ 13万m3，为我国露天煤矿滑坡。滑坡冲毁了平朔公路、矿区公路、洗矿车间、排水沟等设施，造成巨大损失。我承担了滑坡研究和治理工程设计。查明了黄土基底上坐式高速滑坡的机理，提出了清理、削坡减重、治水和局部支护等综合治理措施。经过治理，边坡已达到稳定，平朔公路和矿区公路已恢复。仅恢复平朔公路不蜿蜒就可节约6543.8亿元以上。
在以黄土为基底的排土场滑坡研究中，提出了高荷载下基底土体演化软弱层的概念，并对其形成机理进行了研究，建立了相应的微结构模型。建立了相应的稳定性评价方法和工程治理方法。在安太堡矿西排土场和准格尔黑岱沟露天矿北排土场边坡稳定性研究中，应用上述理论进行评价和治理，使排土场高度和容量都有所提高。其中西排土场增加30m，容量增加17%。
2.1.3边坡稳定性研究
20世纪80年代，抚顺、阜新、平庄等露天煤矿相继进入深部开采，边坡高达300m左右，复杂的地质条件和开采活动导致边坡多次滑动。
为了解决这一问题，自1982以来，先后开展了抚顺西露天矿西北帮边坡稳定性研究和国家“七五”重点项目，总结出坐滑、倾倒滑移变形和折弯机楔形体三维分析等计算方法。提出部分区段适当的煤压应减缓至边界边坡边界；水平排水孔和排水巷道相结合的排水方式降低了边坡内部的水压力；局部采用注浆加固、长锚杆加固、抗滑桩加固工程；加强西区开采，实现内部排土等边坡治理措施，确保边坡稳定。
1995完成了“深凹露天矿边坡工程评价计算机系统研究”，编制了包括工程地质、水文地质、岩石力学、边坡变形动力学、稳定性分析、工程设计等CAD软件。为露天矿边坡稳定性的实时评价提供了科学依据和手段，实现了边坡管理的现代化。
2.2边坡变形监测技术及仪器
常规的监测方法是地表岩移观测。这种方法只能了解地表位移后边坡岩体变形的变化，不能了解深部岩体的早期变形规律，以及位置、变形方式和范围、变形发展趋势等。尤其是了解边坡的早期变形规律，将为滑坡治理赢得宝贵的时间。从1978开始，我院开始研究内部变形观测方法和仪器。经过在海州矿、焦坪露天矿和阜新一马北露天矿的反复试验，在1982研制了应变式滑坡位移传感器。
1983年，在应变式滑坡位移传感器的基础上研制了KS-1高精度应变测斜仪，不仅可以观测岩体内部变形，还可以实现轻便、机动、一机多用。
在“七五”国家重点项目“边坡安全监测系统的研制”中，我院于1989研制了PSH型双向伺服加速度计测斜仪监测系统。其中，测斜仪采用伺服加速度计(原用于航空设备监测)作为测斜仪元件，测斜仪中放置两个相差90°的测斜仪。角度加速度计，使同一个测斜仪可以同时测量两个垂直面的倾斜度，完成双向测斜仪。测斜仪配有地面智能记录仪，记录测斜仪测得的数据。
PSH测斜仪研制成功后，先后完成了抚顺西露天矿工作边坡、阜新海州矿非工作边坡、安太堡南排土场边坡、安家岭排土场边坡和小龙潭布沼矿边坡的监测，为边坡稳定性分析和滑坡治理提供了可靠的数据。近年来，研制了测斜仪的无缆测试系统和方位仪，进一步完善了PSH双向伺服加速度计测斜仪系统，使测量工作更加精确。
1992完成了边坡岩体沉降监测装置的研究，实现了岩体内部垂直变形的监测。通过测斜仪和沉降仪，露天矿边坡监测实现了三维动态观测。1995研制了滑坡中后期大位移固定式位移传感器，实现了边坡变形中后期大位移的监测，使边坡地下位移监测体系更加完善。
3智能技术的应用研究
3.1计算机技术在露天矿的应用
我院于80年代初成立了计算机中心，开始了计算机技术在露天煤矿的应用研究。承担并完成了“霍林河矿区75B汽车配件计算机管理系统”、“准格尔煤业公司一期工程(含煤、电、运)可行性研究管理系统总体规划及系统分析”、“层状矿床地质模型建立方法及黑岱沟露天矿地质模型建立”、“露天矿CAD测量验收系统”等项目。该成果在矿山的应用大大提高了管理水平。特别是“CAD测量验收系统”应用后，节省了大量的外业测量和计算工作，提高了计算精度，降低了劳动强度。
自1993开始研究露天矿电铲车优化调度系统，与中国运载火箭研究院北京常征航信卫星导航技术有限公司联合开发了COTOD(科通达)露天矿电铲车优化调度系统。该系统于65438-0997在伊敏华能东部煤电有限公司某露天矿投入运行，并于65438-0998通过国家鉴定。
该系统通过采集铲运机位置、状态、速度、运行方向、时间等信息，实现对铲运机工作位置和状态的实时跟踪和显示，优化调度车队运行。及时准确地查询和统计当前的生产情况；它在优化调度、准确执行生产计划、提高设备效率和经济效益等方面发挥作用。
伊敏露天煤矿采用COTOD系统后，生产效率提高了8%。该系统的性价比明显优于国外同类产品，填补了国内自主开发露天矿优化调度系统的空白。
3.2设备性能测试和生产监控技术
矿山测控技术包括采矿设备的测试和生产过程的监控。
上世纪80年代，大型露天煤矿大量引进大型卡车和国产汽车。为了测试大型卡车的性能及其对矿井条件的适应性，我院从日本、瑞士、德国购买了先进的测试仪器，并成立了矿用卡车性能测试实验室。承担国家事务
大型自卸汽车性能对比试验，108T矿用自卸汽车和SF-3103t耐寒型108t电动轮自卸汽车性能试验由该院重大装备处出具。有近100的基本性能、油耗、振动乘坐舒适性、矿道运行适用性测试。
近年来，生产过程的监控成为研究的热点。何益民露天矿卡车电铲优化调度系统开发成功，实现了露天矿卡车运行状态的实时监控和调度。最新研制的GL—6kV高压电源保护柜主要用于煤矿高压电气设备6kV中性点不接地供电系统的供电和漏电、过流、短路保护。遥测遥控系统实时监测高压电气设备的电流和电压值。在伊敏露天矿，利用该保护柜实现了对多台电铲供电状态的集中控制。
展望46年硕果累累，可喜可贺，催人奋进。展望未来，我们面临的任务仍然十分艰巨。随着平朔煤业公司安家岭露天煤矿二期、平朔三矿、伊敏露天煤矿的筹建，胜利煤田的开发，准格尔黑岱沟露天煤矿的扩建，我国露天采煤业将迈上新台阶。为此，我们将继续改革科研体制，攻克技术难关，开发适合我国大型露天煤矿生产发展和管理水平的先进技术。要研究适合各种地质条件的开采技术，特别是不用运输的开采技术；要继续深入研究计算机在露天矿山的应用，实现大型露天煤矿生产计划的计算机设计，监控和优化生产过程的调度，提高现代化露天矿山的管理水平；进一步完善电铲车优化调度系统，做好推广工作；研究硬岩高断面条件下的爆破技术，提高爆破效果，充分发挥采掘设备的效能；加强边坡稳定性研究和新型边坡变形监测仪器的开发；开展矿山地质灾害与环境深入评价，研究废弃矿山综合利用；加强检测监控手段和技术的研究；注重实验手段的建设和更新；在积极发展技术开发服务的基础上，加大基础研究投入，重视人才培养。