©《金属矿山》

摘要

随着智能化开采技术的不断发展,矿山开采模式需要不断革新,目前我国露天矿智能化建设存在不少问题亟待解决,传统的采矿设计和工艺已不能适应无人驾驶、新能源等智能装备的发展,“双碳”背景下对原有的生产模式和装备提出了新的挑战。通过回顾露天矿智能化建设的现状,重点围绕“双碳”背景下露天矿低碳智能开采转型升级问题,探索了一种低碳、连续、高效、安全的露天矿智能化建设新模式——CDEC采矿模式。该模式内涵包含4个方面,即清洁能源开发及碳封存与利用（Carbon）、露天矿开采设计的新理念（Design）、新能源智能装备定制化方案（Equipment）以及露天矿无人连续生产工艺（Continuous）。随后分别从构建多能互补的可再生能源系统、探索露天矿山低碳连续生产工艺、开发碳封存与生态碳汇技术体系3个方面探讨了该模式的技术路径。最终实现“可再生能源利用+新能源装备+碳封存与利用”的绿色能源供给利用方式,形成“移动缓冲装载机（可选）+无人驾驶+破碎系统+皮带运输或升降装置”的无人连续生产工艺,为“双碳”背景下露天矿智能化建设提供指导。

作者及单位

顾清华1,2， 李学现2,3， 卢才武1,2， 阮顺领1,2， 江松1,2

1.西安建筑科技大学资源工程学院；2.西安市智慧工业感知计算与决策重点实验室；3.西安建筑科技大学管理学院

引用格式

顾清华，李学现，卢才武，等. “双碳”背景下露天矿智能化建设新模式的技术路径[J]. 金属矿山, 2023(5):1-13.【原文阅读】

正文

随着智能化开采技术的不断发展,全球矿业正在经历一场新的技术革命,矿山开采模式需要不断革新,新时期矿业发展将全面进入安全、高效、绿色、智能的全新历史阶段。矿山的绿色开采、智能开采是21世纪矿业领域发展的重要方向和前瞻性目标,是实现矿业转型升级、提质增效、提升竞争力的重要途径,也是实现资源—经济—环境相协调可持续发展的重要手段。近年来,国家各部委陆续发布了一系列关于支持绿色智能矿山建设的政策和举措。2016年,国家发展和改革委员会、国家能源局在《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》中指出,到2050年全面建成安全、绿色、高效、智能的矿山技术体系。

矿业是国民经济发展的重要支柱产业,但也是典型的高能耗、高碳排放工业,是我国实现“双碳”目标的主战场之一。据统计,2020年,我国钢铁行业碳排放量为18 亿t,约占全国碳排放总量的15%,有色金属行业碳排放量约6.6 亿t,占全国总排放量的4.7%,其中直接用能排放是主要来源。目前,国际上以煤炭、石油为主要燃料的国家,化石燃料储量减少和环境污染的双重危机日益加深,碳排放问题严重制约了经济发展。根据统计,矿山运输每年消耗原油约2 000万t,产生二氧化碳排放6 000万t。随着浅层地表资源日益减少,露天矿已从浅层开采逐步转向深部开采,随之而来的是卡车运距逐渐加大,进而造成燃油消耗、轮胎磨损、设备维修等方面的费用增加。大多数露天矿运输仍以传统的柴油卡车为主,采用机械传动的传统矿车在传动效率、耗油量、碳排放方面仍存在不少问题。因此,开发利用清洁的、可再生能源已成为矿山行业可持续发展战略的重要组成部分,探索矿产资源低碳、智能开采模式是实现绿色矿山建设的关键环节,也是实现采矿行业可持续发展的重要途径。

本研究通过分析当前露天矿智能化建设中存在的问题,提出了一种露天矿智能化建设新模式,该模式从低碳、无人、连续等多个角度对露天矿智能化建设方向进行了全新阐释。之后分别从构建多能互补的可再生能源系统、探索露天矿山低碳连续生产工艺、开发碳封存与生态碳汇技术体系3 个方向,探讨了“双碳”背景下露天矿智能化建设新模式的技术路径,为实现露天矿低碳智能开采提供可行的解决方案。

1 “双碳”背景下露天矿智能化建设现状

目前,我国露天矿智能化建设工作仍处于初级阶段,整体建设水平不高,特别是在低碳智能化建设方面还需要更多关注和研究。主要体现在以下几个方面:

(1)露天矿区低碳开采潜力尚未有效开发。矿山开采在获取矿产资源的同时也衍生出一系列的生态环境问题,在“双碳”目标和生态文明建设的背景下,矿山生态修复成为当前亟待解决的问题。现阶段,我国矿山开采生态修复率仍低于国际平均水平,生态修复整体情况不容乐观。矿区低碳开采与生态修复是相辅相成的关系,探索低碳开采的措施有利于促进矿区生态修复。露天矿山低碳开采的潜力仍有待进一步开发:一方面,开发可再生能源是矿区实现低碳开采的重要途径之一。利用矿区废弃场地发展生物质能与太阳能等可再生能源,既能够起到节约化石能源、降低成本的作用,又能减少碳排放、保护矿区生态环境。另一方面,利用碳捕集、利用与封存技术进行降碳增汇,可有效开发矿区生物碳汇的潜力,以及探索不同形式的矿化封存技术,实现低碳或零碳开采。

(2)传统采矿设计已无法适应智能装备的发展。在智能矿山建设背景下,各种智能化采矿装备不断涌现,这些智能装备在减人增效的同时,也带来了一些新的问题,例如道路设计、工艺优化、充电设施布置等。传统的采矿设计和工艺亟需进行革新,以适应智能装备的发展要求。在道路设计方面,相比于有人驾驶卡车,无人驾驶卡车对于露天矿道路设计的要求更高,应从提高无人驾驶安全性和效率出发进行道路参数设计。对于新能源纯电动矿卡来说,还应该考虑如何设计道路坡度以达到最佳的电池能量回收利用率。在工艺优化方面,运输系统优化设计、关键基础设施布设等都要与智能装备相适应,如要使新能源矿卡在露天矿区具备可行性,运输系统的设计应尽可能符合“空载上坡、重载下坡”运输工况,电动卡车充换电站选址应考虑动力电池容量、运输里程等因素。

(3)新能源智能装备无法进行定制化配置。新能源矿用卡车运输是实现露天矿节能、环保、低碳发展的重要途径。目前,新能源纯电动卡车由于续航里程短、充电时间长、充换电基础设施不完善等因素制约了其大规模应用。动力电池作为新能源卡车的核心部件,决定着卡车的最大生产能力。但由于露天矿运输环境复杂多变,电动卡车的能耗受到运输里程、荷载变化、道路状况等多种因素影响。续航和载重是动力电池设计的两个关键影响因素,两者之间相互矛盾。续航里程越长,电能消耗越多,则需要更大容量的电池;而电池容量越大,卡车自重就越大,成本越高,装载能力就会受到影响。因此,电动卡车的最佳电池容量应该根据矿山的具体情况进行定制化设计,尽可能降低电池成本,提升卡车的有效荷载。

2 露天矿CDEC 低碳智能开采新模式

针对现阶段露天矿智能化建设存在的问题,本研究提出了一种露天矿低碳智能开采新模式——CDEC采矿模式,该模式对露天矿智能化建设进行了全新阐释。其内涵主要包括:清洁能源开发及碳封存与利用(Carbon)、露天矿开采设计的新理念(Design)、新能源智能装备定制化方案(Equipment)以及露天矿无人连续生产工艺(Continuous)。

(1)清洁能源及碳封存与利用。在露天矿能源供给方面,提出了“可再生能源利用+新能源装备+碳封存与利用”的绿色能源供给利用方式。通过开发不同形式的可再生能源项目,获取清洁的电能为矿区用电设施及新能源纯电动卡车进行供能;在设备用能端,通过道路优化设计、基础设施选址等措施,建立电动卡车“重载下坡、空载上坡”运输工况,有效发挥车载能量回收系统的优势,延长车辆续航里程,减少能源消耗;最后在碳封存与利用方面,研发矿区生物碳汇和CO2矿化封存技术,将捕集的CO2用于矿区复绿和植被保护等方面,实现矿区碳资源循环利用。

(2)露天矿开采设计的新理念。在露天矿采矿生产方面,依据露天矿区装—运—卸矿石流的运输工艺,利用新能源智能装备“重载下坡回收电量、轻车上坡使用电量”的能耗特性,根据移动式缓冲装载机、矿用升降机、矿区连续作业皮带等装备的特点,以提高运输系统的整体生产效率为目标,运用采矿系统工程的相关理论及技术,对露天矿区新能源智能装备、开拓布线、道路设计以及破碎站选址、皮带运输进行露天矿生产工艺整体设计,优化革新传统的露天矿生产模式,构建“新能源无人驾驶+皮带或升降机”的联合无人连续开采工艺新模式。

(3)新能源智能装备定制方案。根据不同矿山在地质条件、生产情况、智能化建设等方面的差异,提出了“一矿一策”的按需定制方式配置智能化装备。由于无人驾驶等智能装备效率的差异性,首先根据生产任务和无人驾驶等智能装备的生产效率,进行智能装备的配置优化。然后以新能源纯电动卡车为例,可设计背负式、侧置式、架线式等多种供能方式,以满足矿山的不同需求。架线辅助供电技术可以极大提升电动卡车的发动机功率,在重载上坡时可以提高运输速度加快工作循环,同时可以降低卡车的维修保养成本,延长工作寿命。如采用车载式电动卡车,则根据矿山的生产量、运输里程、道路状况等关键因素,确定电动卡车所需的最佳电池容量,定制化配置卡车的动力电池组。

(4)露天矿无人连续生产工艺。大多数的露天矿山主要采用单斗—卡车系统进行生产作业,这种间断运输方式虽然运输灵活性较高,但是存在车铲协同困难、效率低、运行维护工作量大等问题。为了有效提高露天矿运输效率,解决当前露天矿无人驾驶存在的成本高、效率低、装卸难以完全无人化的问题,充分利用新能源无人驾驶矿卡、移动缓冲装载机、升降机、矿用皮带等装备的特点,提出构建“移动缓冲装载机(可选)+新能源无人驾驶+破碎系统+皮带运输或升降装置”的无人连续生产工艺,可有效解决新能源矿卡在深凹露天矿难以实现大规模应用的难题,大幅提高露天矿运输智能化水平。

3 露天矿智能化建设新模式的技术路径

本研究从构建多能互补的可再生能源系统、探索露天矿山低碳连续生产工艺、开发碳封存与生态碳汇技术体系3 个方面,探讨了“双碳”背景下露天矿智能化建设新模式的技术路径,如图1所示。首先,通过合理评估矿区可再生能源的开发潜力和投资成本,建立多种能源互相补充的混合能源系统,为矿区基础设施和电动矿卡提供能源;其次,通过合理设计新能源装备、破碎传送系统、新能源充电站等运输系统关键环节,形成露天矿无人连续生产新工艺;最后,针对矿区排放的二氧化碳,开发碳捕捉利用与封存以及生物碳汇技术,实现矿区碳资源的循环利用。

3.1构建多能互补的可再生能源系统

开发矿区可再生能源具有极大的经济效益和生态效益,在我国北方矿区如内蒙古、青海、新疆等地,太阳能和风能资源丰富,利用矿区开发可再生能源,在修复生态破坏的同时,也可起到节约化石能源和减少碳排放的作用,同时可为新能源纯电动卡车提供能量来源。露天矿混合光伏—风能可再生能源系统概况如图2所示。本节主要从矿区可再生能源利用潜力、可再生能源投资成本、混合系统及储能技术3 个方面论述开发露天矿可再生能源的可行性,并提出构建多能互补的矿区可再生能源系统。

图2 混合光伏—风能可再生能源系统

3.1.1 矿区可再生能源利用潜力

目前,国内部分学者从技术经济分析、开发利用模式、不同应用场景等方面探讨了矿区可再生能源利用的潜力。霍冉等对国外废弃矿井可再生能源的开采利用现状进行了综述,包括太阳能、风能、矿井水蓄热、抽水蓄能和压缩空气储能,为我国矿山可再生能源开发利用提供了借鉴和示范。全师渺等探讨了矿山废弃地开发可再生能源的潜力,并评估了矿区可再生能源替代化石能源的能力,对于矿区碳减排和生态修复具有重要意义。梁喆等为了优化矿山能源利用效率,提出了一种“光—储—气—废弃矿井抽蓄”多能互补的矿山综合能源系统。青海夏日哈木镍钴矿区地处偏远高寒高海拔地区,实现矿区电网供电十分困难,对此李鹏等通过引入孤网光伏+储能的方式,通过建设充电桩对纯电动矿卡进行供能,实现了矿区光伏能源的有效利用。以上研究为开发露天矿可再生能源提供了有益借鉴。

在矿区可开发的可再生能源中,太阳能和风能是最常见的化石燃料替代品,太阳能光伏发电过程清洁无污染,是最优质的绿色能源之一。在矿区建立光伏发电系统具有显著的经济效益和生态效益。光伏发电的等效电价只有0.38 元/(kW·h),若采用新能源纯电动卡车进行矿石运输,按照每台卡车日均耗电量1 000 kW·h 计算,每天的运输成本只有几百元;相比之下,燃油卡车日均油耗约800 L,运输成本将高达几千元,约为纯电动卡车的10 倍。因此,光伏发电将大幅降低矿山的成本支出,同时采用光伏发电可有效减少二氧化碳的排放量。现阶段,光伏发电技术应用的制约因素有初期投资成本大、与其配合的储能成本投资仍较大等,可采用新能源矿卡动力电池组进行联合储能,尽可能降低投资成本。据统计,在我国平均日照条件下,每1 kW·h 的光伏发电系统,可有效减少约1 t 的二氧化碳排放量。目前,西藏华泰龙矿区、内蒙古白云鄂博矿区、辽宁抚顺矿区、宁夏宁东能源化工基地等多家矿山已建设了光伏发电项目。

另外,风力发电是新能源开发技术最为成熟、最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式,也是实现矿区可持续发展的重要举措。目前,国内已经有多家矿区实现了风力发电项目的投产应用,如玉门黑崖子风电场总装机容量5 万kW,安装2 MW 风电机组25 台,项目年发电1.54 亿kW·h,年可节约标煤5.39 万t,减排二氧化碳16 万t。青海锡铁山矿区三期风电项目总装机容量10 万kW,每年可为电网提供清洁电能2.3 亿kW·h,可节约标准煤约7 万t,减少二氧化碳排放量约20 万t。

3.1.2 可再生能源投资成本分析

在世界范围内,可再生能源几乎是所有国家最经济的发电类型之一。可再生能源系统投资成本主要包括两部分,一是资本性支出(Capital Expenditure,CAPEX),二是日常运营成本(Operating Expense,OPEX)。其中,资本性支出是可再生能源项目投资的重要组成部分,直接决定着项目能否成功实施。与采用传统的化石能源相比,在矿区部署可再生能源系统具有较高的前期投资成本,而且这些投资在短时间内难以得到回报。但是随着项目生命周期的不断增长,两种能源的投资成本会达到盈亏平衡点。

随着可再生能源技术不断发展,每单位发电量的成本逐渐下降。国际上一般采用平准化度电成本(Levelized Cost of Energy,LCOE)计算电力行业的发电成本,它是项目生命周期内的总成本现值与总发电量现值的比值。全球近20 a(2000—2021)几种代表性可再生能源技术的LCOE 值变化趋势如图3所示。由图3可知:太阳能光伏和太阳能聚光发电的LCOE值呈现出大幅下降趋势,2010—2021年,光伏发电成本从0.42 美元/(kW·h)下降至0.05 美元/(kW·h),太阳能聚光发电成本从0.36 美元/(kW·h)下降至0.11 美元/(kW·h)。截至2021年,几种可再生能源的LCOE 值均达到或接近化石燃料的最低成本,且呈现继续下降的趋势。

图3 全球可再生能源2000—2021年LCOE变化趋势

①—生物能;②—地热能;③—海上风电;④—太阳能光伏;⑤—太阳能聚光;⑥—水力发电;⑦—陆上风电

国外部分学者通过量化投资成本评估了矿区可再生能源项目的可行性,如BARNARD 等通过南非某矿山的案例分析比较了太阳能光伏发电厂与传统采购电力的成本与收益,结果表明:实施54 MW 太阳能光伏发电的电厂可节省10%的电力成本;POLLACK 等基于平准化度电成本提出了一种数学模型用于评估柴油发电、光伏+柴油发电、天然气组合循环发电以及光伏+天然气组合循环发电4 种能源系统的可行性,为矿区实施可再生能源项目提供了有效的决策工具;ZHARAN 等考虑了矿山生命周期阶段以及LCOE 值的不同,提出了一种可再生能源项目动态决策方法,基于现金流对采矿作业中集成光伏项目的成本进行了分析。因此,综合以上分析,在实施矿区可再生能源项目之前,需要根据矿山项目的生命周期以及LCOE 值的动态变化情况对可再生能源技术进行合理的经济评估,以确定最佳的项目实施决策。

3.1.3 混合系统及储能技术开发

采矿作业是一个连续的生产过程,需要大量不间断的能源供应,但是由于可再生能源具有不稳定性、利用率低等特点,难以满足矿山连续工作的生产需求。目前,可再生能源在矿区应用较少,为了顺利实现传统化石能源向可再生能源的过渡,需要根据项目特点结合不同可再生能源的优势,建立多种能源互补的混合可再生能源系统(Hybrid Renewable Energy System,HRES),以实现持续稳定的能源供应。混合系统与单一系统的能源相比,具有更高的可靠性和经济性。不同组合的能源还可提高系统效率,减少能源储存需求。常见的混合可再生能源系统可分为混合光伏系统、混合风能系统、混合光伏—风能系统等。

国外部分地处偏远的矿山没有与电力基础设施连接,用能主要依赖于独立的柴油发电机组,这些矿山属于离网型(off-grid)矿山。由于受到燃料运输成本和价格波动的影响,矿业公司尝试采用传统燃料与可再生能源组合的方式解决供能问题。近年来,部分学者在此方面开展了相关研究,例如ANSONG 等为解决某离网型矿山的用能需求,考虑了太阳能光伏、燃料电池系统以及柴油发电机组组合3种不同的混合能源系统,并基于净现值、运营成本、LCOE 等多种标准,评估了不同方案的技术经济性;KALANTARI等比较了6种不同的可再生能源—多储能解决方案,并通过全面的技术和经济分析,评估了偏远矿区实施可再生能源项目的可行性;ELLABBAN 等提出了一种矿区混合微电网最佳规模和盈利能力评估框架,该框架优化了混合系统组合中每种能源的规模,以实现所需的经济目标,同时保持技术约束要求。因此,根据矿山的实际情况开发最佳的混合能源系统对于降低生产成本、保障生产稳定具有重要意义。

另外,在矿区推广可再生能源离不开储能系统的研发,对于太阳能和风能等不稳定能源的大力开发,亟需大规模储能并高效发电的技术和设施。目前,矿山常用的储能方式主要有电池储能、抽水蓄能、氢能储能等。通常电池储能系统的成本高、寿命短,占独立系统总成本的相当大一部分,需要在整个矿山生命周期内进行更换,但是如能充分利用新能源纯电卡车的电池组进行储能,当卡车闲置时进行储能可有效降低电池储能成本。抽水蓄能通过利用地势高差将电能转化为水的势能,从而将能量进行存储,是电力系统中最可靠、最经济、寿命周期长、容量大、技术最成熟的规模储能装置。抽水蓄能电站建设需要合理评估多种因素的影响,例如地形地貌特点、水资源分布、技术经济性等,现有的大量研究主要关注废弃矿井抽水蓄能的开发利用潜力。氢储能技术具有清洁高效、能量密度大、大容量存储、利用率高等特点,是非常理想的化石燃料替代品,并且具有极大的储能潜力。但是,氢储能目前也面临着系统效率低、建设成本高等挑战。因此,建设矿区可再生能源系统需要进行技术、经济和环境的多因素评估,并结合矿山特点选择最佳的储能技术。

3.2 探索露天矿山低碳连续生产新工艺

在当前我国“双碳”战略和智能矿山建设背景下,露天矿亟需变革传统的生产作业方式。通过在新型低碳智能装备研发、破碎传送系统优化设计、卡车充换电站和破碎站布设选址等方面开展研究工作,探索建立露天矿无人连续低碳智能的开采模式,以提高能源利用效率,降低生产成本和碳排放。

3.2.1 新型低碳智能装备研发

智能装备是露天矿智能化建设的重要内容之一,当前露天矿山装备系统智能化建设仅实现了部分环节的自动化、无人化,整体尚处于较为初级的阶段。因此,亟需推动我国露天开采装备变革,加快新能源无人驾驶卡车、新型连续生产工艺装备等的研发与应用。

3.2.1.1 新能源无人驾驶智能装备

新能源矿用卡车主要分为纯电动、油电混动和氢能源动力3种,目前对于新能源纯电动卡车的研究较多集中在电力传动系统设计、制动能量回收技术等方面,对于油电混动、氢能源矿用卡车方面的研究较薄弱,仍处于实验室研发阶段。电动车制动能量回收技术,又称为回馈制动或再生制动,是新能源装备得以推广应用的优势之一。如图4所示,其工作原理是在车辆减速或制动过程中,利用驱动电机进行发电,从而将车辆的部分动能转化为电能储存于电池中。目前,已有部分学者对能量回收技术在露天矿卡的应用进行了研究,如李洪亮等结合超级电容和蓄电池技术,通过重新设计蓄电池的拓扑结构,用于电动轮矿车的能量回馈系统中;吴阳杰等研究了超级电容与蓄电池混合储能的制动能量回收原理,开发了一种大型矿车制动能量回收与利用管理系统,实现了对能量系统的控制、调试和维护。

图4 车载能量回收系统原理

——充电过程徨；-----放电过程循环

露天矿运输工况复杂,矿用卡车的载重非常大,一般自重可达几十吨甚至上百吨,卡车在运输矿石的过程中需要经过多条上坡或者下坡路段,尤其在重载下坡的过程中消耗了大量的重力势能,将这部分能量进行回收利用将大幅提高能源利用效率,降低运输成本。考虑露天矿运输工况,搭载电池能量回收系统的矿用卡车在上坡时,电能转化为动能用于驱动卡车前进;当卡车下坡时将重力势能转化为电能进行存储,从而形成“重载下坡回收电量、空载上坡使用电量”的运输工况,如图5所示。该能量回收系统可将运输过程中由摩擦消耗的能量进行回收,从而大幅减少能量消耗,延长设备作业时间,达到能量利用率的最大化。但能量回收系统与矿卡配置的储能电池进行匹配可能额外增加成本,减少卡车的有效载重。有研究表明:对于车载储能系统来说,采用不同的技术和尺寸会对能耗和运输效率带来一定程度的影响。因此,需要根据矿山的实际工况最优化选择储能电池的容量、尺寸以及所采用的技术,从而实现车载能量回收系统的定制化配置。

图5 “空车上坡、重车下坡”运输工况

3.2.1.2 新型半连续生产工艺装备

单斗—卡车间断式生产工艺具有适应性强、灵活性强、费用较低等特点。近年来出现了多种新型装备与单斗—卡车系统的组合,以进一步提高系统作业的连续性,降低卡车运输成本,比较典型的有移动式缓冲装载机、露天矿用卡车升降机等。

(1)移动式缓冲装载机。英国矿山机械公司MMD 设计了一种新型装载设备——缓冲装载机(Surge Loader)作为电铲和卡车之间的储料仓,从而将电铲和卡车的间断工艺转变为连续生产工艺。如图6所示,缓冲装载机将电铲—卡车循环分为两个独立作业的部分。该装载方式不仅减少了电铲等待卡车的闲置时间,消除了装载区域复杂的换向操作,而且降低了冲击载荷和操作人员的疲劳度,极大地提高了装载作业的连续性和安全性。另外,缓冲装载机还可通过输送带上的传感器自动测量物料的体积和质量,并监测大块矿石是否会对装载产生影响,从而精准控制卡车的装载系数。相关研究表明:全移动式缓冲装载机有潜力使卡车和铲车系统性能提升40%,铲车利用率提升至95%,平均目标有效负载提升至98%。在安全性方面,缓冲装载机通过视觉和传感技术精确引导卡车定位,解决了无人驾驶卡车装载作业的车铲难以自动匹配的难题,避免了设备之间的相互作用,降低了装载环节的安全风险。

图6 两种生产工艺对比

(2)露天矿用卡车升降机。目前国内除了大多水泥、砂石露天矿具备适宜于新能源矿卡的“重载下坡、轻车上坡”运输条件外,大多数露天矿逐渐转向深部开采,卡车的运输距离和道路坡度逐渐增大,运输成本急剧增加,给新能源卡车应用带来了极大挑战。矿卡在运输矿石重载上坡过程中,能量消耗、机械磨损、产生废气等问题都极为突出。为了有效缓解这种局面,改变大多数情况下卡车“空载下坡,重载上坡”的运输工况,本研究提出了一种新能源矿卡与矿用整车提升或皮带的联合运输方式,其中矿用整车提升技术早在20世纪40年代就已提出,但后续未得到大规模推广应用,主要原因是未形成技术经济优势。露天矿用卡车升降机可实现卡车的垂直升降,克服卡车因提升自重以及摩擦阻力产生的能源消耗,有效解决重载运输能源消耗量大、有害气体排放量大、车辆维修保养成本高等问题。将新能源纯电矿用卡车和矿用升降机或皮带联合使用,可改变露天矿传统的运输模式,为开拓运输系统优化设计提供了新的解决思路。

3.2.2 破碎传送系统优化设计

目前,露天矿所采用的破碎系统主要分为固定式、半固定式和移动式,各有其优缺点和不同的适用场景。破碎站作为运输破碎的重要环节,合理确定破碎站的型式、布置方式及其移设步距,是充分发挥系统综合能力及降低开采成本的重要途径。

3.2.2.1 固定式破碎站选址与移设

采用单斗—卡车生产工艺时,破碎站的选址位置直接决定着卡车运距大小,从而影响着矿石的运输成本。在露天矿开采初期,破碎站一般被设置在境界边缘,此时物料运输全部依靠自卸式卡车完成。这一时期卡车运距较短、运输费用不高,并且具有较大的灵活性。但是随着开采深度不断加大,卡车往返于出矿点和破碎站的运距逐渐变大,特别是卡车重载上坡现象变得尤为明显。此时需要对破碎站的位置进行移设,以缩短卡车运距,降低运输成本。破碎站选址问题的实质是使得移设费用得到补偿,并且移设后总运输费用达到最小。国内学者针对此问题进行了大量研究,提出的方法主要有移设费用补偿法、单位成本最小法、总成本最小法、期望值补偿法等。但大部分研究将破碎站移设问题孤立地进行考虑,忽略了与生产计划之间的相互影响。喻鸿等认为破碎站移设要与生产计划相关联,应该以矿石的总运输功最小化为目标,使破碎站尽量靠近被采矿体的质心点。本研究课题组利用微分的思想将整个矿床模型离散化,构建了露天矿矿体空间微分模型,并进一步以最小总运输功为目标构建了破碎站选址优化模型。破碎站选址前后的位置对比如图7所示,经过优化大幅降低了卡车的运输距离。由此可见,破碎站选址并不是一个孤立的问题,而应该将其作为运输系统的一环进行整体优化。

图7 破碎站选址前后位置对比(单位:m)

破碎站作为运输系统的关键环节,与露天矿道路设计联系密切,破碎站的选址位置直接决定着开拓布线的布局和走向。另外,由于矿山环境因素复杂多变,不同等级、坡度、路面质量的道路对卡车的行驶消耗影响非常大,特别是当卡车重载上坡时,道路状况对于做功消耗的影响尤为明显。露天矿特殊的运输条件,以及破碎站不合理的选址位置,就会产生“重载上坡、空载下坡”运输工况,造成了卡车运输的不经济性。因此,通过破碎站选址和道路优化设计,形成“空载上坡、重载下坡”的卡车运输工况,不仅能够大幅缩短运输距离,而且可有效利用新能源卡车的能量回收系统,使得下山能量回馈与上山消耗的能量相互补偿,从而延长整车使用时间及续航里程。

3.2.2.2 移动式破碎传送系统设计

随着露天矿开采深度不断加大,已从浅层开采逐渐转向深部开采,单一卡车运输方式的经济性正在不断下降。有研究表明:当矿坑开采深度超过150 m时,每向下延深100 m,单一卡车运输费用增加约50%,相比之下,皮带运输费用只增加5%～6%。不同于传统的卡车—电铲系统的间断运输工艺,坑内移动式破碎传送系统(In-Pit Crushing and Conveying,IPCC)将矿石破碎与传送结合为一体,大幅提高了矿石的运输效率,是结合单一卡车运输方式的最佳选择。

关于两种运输系统的适用性问题,国外学者对此进行了大量研究。比较有代表性的有:NEHRING等对不同类型的露天矿实施IPCC 系统的适用性进行了研究,并与传统的卡车运输系统进行了比较,结果表明:IPCC 系统的使用可提高资源综合回收率。PARICHEH 等研究了IPCC 系统替代单一卡车运输系统的最优时间问题,发现IPCC 系统更适合寿命期较长、特别是在运距较大的露天矿山。NUNES等探讨了在矿山项目的早期阶段,采用半移动式坑内破碎与传送(SMIPCC)系统的潜力。实例应用表明:该系统可有效降低矿石的单位运输成本,同时减少了58%的碳排放量。通过以上研究发现,选择最佳的运输方式对于矿山生产设计来说具有重要意义。

IPCC 系统具有较高的初始投资,但是后期的运营费用增长缓慢。与之相比,卡车系统初始投资较低,但是后期的燃料和维修费用增长较快。从经济性角度出发,两种系统的累计折现成本曲线存在一个交叉点,此时对应着最佳的系统更换时间。因此,在最佳的时期对运输系统进行调整,对于提高运输效率和降低运输成本具有重要意义。通过累计折现成本计算可以得到最佳的运输系统更换期,此时以IPCC 系统的破碎站为纽带连接起无人矿卡间断运输与皮带连续运输,形成“无人驾驶+皮带运输”的半连续生产工艺,可大幅提高生产效率,降低运输成本。

3.2.3 卡车充换电站布设选址

随着矿用电动卡车在矿区不断应用,与其相配套的基础设施也亟需完善。矿用电动卡车因其具有绿色无污染、运输成本低等优点而被大力推广,但同时也存在着续航里程短、充电时间久等问题,矿区低下的运输效率与亟需提高的生产效益之间形成了较大矛盾。因此,在兼顾成本和效率的基础上,电动矿卡充电站/换电站的合理设计和选址成为了解决这些问题的关键。

电动矿卡充电站选址问题涉及的影响因素众多,主要有充电规划、电网规划、交通规划以及建设规划4 大类,如图8所示。其中的关键影响因素为:坡度引起的势能变化、电网安全和负荷参数、电动矿卡充电模式、充电距离和充电功率以及充电站建设综合成本。① 坡度引起的势能变化,露天矿运输道路复杂多变、上下坡度变化大,这会对电动矿卡的能量消耗产生较大影响。卡车载重也会影响电量的使用速率,在重载上坡情况下尤为明显。② 电网安全和负荷参数,电网的功率和负荷参数都是不能被忽略的重要系数,通过设置电动矿卡的荷电状态、充放电功率范围约束条件,满足电网的充电安全性,最大限度地延长电池使用寿命,降低经济成本。③ 电动矿卡充电模式,充电功率的不同会导致电动矿卡的充电需求紧迫性、充电时间、充电站建设成本、电网要求等客观因素都有所差异,尤其需要注意的是充分利用地方电网的波峰波谷电价可大幅降低充电成本。④ 充电距离和充电功率,充电站的选址位置要考虑服务半径以达到最大的服务面积,满足采场不同位置卡车的充电需求。⑤ 充电站建设综合成本,综合成本需要综合考虑充电站的建设成本、充电时间成本、排队时间成本、电池损耗成本等方面,在全生命周期内进行综合评估。

图8 露天矿新能源充电站选址影响因素

矿用电动卡车采用充电式补充电能,单次充电时间较长,导致设备生产延误率较高,有效作业时间较短,不能充分发挥生产效率。针对此问题,目前有学者研究了采用换电站替代充电站的方案,如赵映等研究了可移动式矿用卡车换电站的设计问题,包括换电站供配电系统、监控系统的设计等,换电系统采用全自动化设计,具有电能补充速度快、充电管理方便等优点。相比充电式可显著缩短矿用电动卡车的能源补充时间,提高生产效率。

3.3 开发碳封存与生态碳汇技术体系

为了有效实现露天矿区减碳的目标,可分别从碳捕集、利用与封存技术和矿区生态修复与生物碳汇两个方面进行分析,在矿区可利用CCUS 技术实现对CO2的捕获,利用捕获的CO2实现矿区生态修复等。

3.3.1 碳捕集、封存与利用技术

碳捕集、利用与封存技术(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)是实现减碳目标的最显著方式之一。通过在矿区利用CCUS 技术实现对CO2 的捕获、运输、封存和利用,最终实现节能降碳和CO2的循环利用。目前该技术在国内还处于起步阶段,工业中的应用主要涉及石油行业,利用二氧化碳进行驱油,以提高油田采收率。具体到矿山行业中还没有相关应用成果落地,但是却蕴藏着极大的利用价值。如利用捕捉的二氧化碳合成燃料电池、新型材料等,用于新能源无人矿卡的电池制备;在生态农业和林业中合成生物质肥料,可用于实现废弃矿山复垦复绿和植被保护;还可以应用于煤化工、制氧、生物发电等领域。因此,在矿山生产过程中有效地进行碳捕捉,并进一步服务于采矿生产,实现矿山碳循环回收利用,具有广阔的应用前景。

矿山行业在碳封存方面具有巨大的应用潜力,可以利用地壳深部沉积地层、废弃油气层、不可开采煤层等实现CO2的大规模封存。但是该方法存在一定的风险因素,例如容易造成泄漏、引发地震、生态破坏等。后来有学者提出了利用矿物碳化反应对CO2进行封存的技术,原理是以CO2与碱土金属氧化物反应,可生成稳定的碳酸盐产物,从而实现CO2 的永久封存。CO2矿化利用技术被认为是高效的封存技术之一,该方法优势为:① 天然碱性硅酸盐岩储量丰富,可实现大规模的CO2处理;② 矿物碳化的生成物为稳定的碳酸盐,环境污染小且能够永久封存CO2;③ 矿物碳化为放热反应,具有一定的商业化应用潜力。然而,由于目前的工艺仍面临着成本高昂的问题,难以实现良好的经济效益。因此需要对相关技术的大规模工业应用进行经济可行性和全生命周期的能耗评估,并开发流程简单、低成本的CO2封存技术。目前,有矿业公司正在研究利用矿山固体废弃物封存CO2的商业化技术。研究表明,钻石矿每年可存储二氧化碳1.75亿t,其他超碱性矿山,例如铝、铁和水泥,每年可储存CO2达3.01亿t。由此可见,CO2封存技术在矿山行业具有广阔的应用前景和显著的生态效益。

3.3.2 矿区生态修复与生物碳汇

“碳中和”的关键是增加碳汇,露天矿区生态修复正是增汇的重要技术手段。传统的矿山生态修复多注重于生态系统功能恢复和土地利用结构变化,较少关注节能、减排、增汇的目标。因此,研究如何从碳中和的角度开展矿区生态修复,既有利于矿山生态文明建设和可持续发展,又有利于固碳增汇,实现矿区碳资源的有效利用。经过生态修复后的矿区拥有巨大的生态固碳资源,如土壤资源、动植物资源、微生物资源等,恢复土壤和植被的碳储存和固碳能力,还可发展矿区生态农业和畜牧业养殖等产业。

目前,已经有部分学者开展了相关的研究工作,主要集中在碳中和目标下生态修复的机遇与挑战、固碳增汇关键技术、矿山环境正效应资源化利用、矿区生态碳汇体系构建等方面。胡振琪等认为矿区土地复垦和生态修复具有双重增汇属性,不仅可以抑制受损土地产生碳排放,而且恢复的植被可以增加碳汇功能,并从碳中和视角分析了矿山生态修复的机遇与挑战。陈浮等在矿区生态修复中碳汇关键过程的基础上,分析了黄土高原矿区生态修复的增汇潜力,并提出了固碳增汇的关键技术。王根锁等从“矿山环境正效应资源化”视角分析了生态资源、可再生资源等对于削减废弃矿区碳源、增加生态碳汇以及推动碳减排的潜在优势。刘祥宏等提出了矿区生态碳汇的3种主要类别分别为土壤碳汇、植被碳汇、湿地碳汇,并从矿区生态碳汇规划、碳汇监测调查、碳汇功能提升等8 个方面探讨了矿区生态碳汇的体系框架,为进一步深入研究矿区生态碳汇提供了方向指导。由此可见:通过开展以减排增汇为目标的矿区生态修复,一方面可以减少采矿活动产生的碳排放,助力实现“双碳”目标下的矿山低碳化建设;另一方面可以增加矿区的碳汇资源,实现碳资源的循环利用,有利于矿山生态系统的可持续发展。

4 结 论

随着绿色矿山、智能矿山建设步伐的有序推进,以及无人驾驶技术的不断落地,新能源纯电动无人矿卡将成为露天矿未来低碳运输的主要方式之一。本研究以新能源装备和新生产工艺为出发点,探索了一种低碳、连续、高效、安全的露天矿智能化建设新模式——CDEC 采矿模式,并从构建多能互补的可再生能源系统、探索露天矿山低碳连续生产工艺、开发碳封存与生态碳汇技术体系3 个方面探讨了“双碳”背景下该模式的技术路径。所得结论如下:

(1)开发矿区可再生能源具有极大的经济效益和生态效益,特别是在太阳能和风能丰富的西北偏远地区的露天矿。考虑到可再生能源的不稳定性,通过构建矿区多能互补的能源系统,可以直接作为新能源装备和基础设施的能量来源,可有效解决火力发电成本高的问题,降低矿区用电成本和运输成本,并从根本上减少碳排放的产生。

(2)考虑到新能源无人驾驶装备以及皮带运输的优势,通过对道路优化设计、破碎系统选址,形成“空载上坡,重载下坡”的卡车运输工况,有效发挥车载能量回收系统的巨大潜力,从而建立“新能源无人驾驶+皮带运输或升降装置”的低碳、连续运输方式,有效提高运输系统的能源利用效率,降低碳排放和运输成本。

(3)碳捕集、利用与封存以及生态碳汇技术是实现碳中和目标的重要途径,在矿山行业具有广阔的应用前景。在矿山生产过程中有效地进行碳捕捉,并进一步服务于采矿生产,可以实现碳能源的有效回收利用。以碳中和为目标的矿区生态修复,推动矿区生态系统逐步从“碳源”向“碳汇”转变,有利于矿山生态系统的可持续发展。

参考文献（略）