第２６卷第２期 ２０１７年２月 中 国 矿 业 ＣＨＩＮＡ ＭＩＮＩＮＧ ＭＡＧＡＺＩＮＥ Ｖｏｌ＿２６，Ｎｏ．２ Ｆｅｂ． ２Ｏ１７ 矿山机械低碳环保发展模式及关键技术研究 段 毅 （中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京１０００８３） 摘要：矿山机械是直接用于矿山开采、选矿等作业的机械，在国民经济的发展中扮演着重要角色， 其传统发展方式对环境的负面影响较大。本文构建了一个矿山机械低碳环保发展模式的生命周期图，从 设计制造、使用、维修和回收再制造四个环节来分析矿山机械的低碳环保发展模式，阐述了节能、环保维修 以及再制造三项关键技术。 关键词：矿山机械；碳排放量；环境保护；回收再制造；低碳 中图分类号：ＴＤ４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４ ４０５１（２０１７）０２—０１５２—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｏｆ ｌｏｗ—ｃａｒｂｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｍｉｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ＤＵＡＮ Ｙｉ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅ Ｍｉｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｉｎｅｒａｌｓ ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｔｉｏｎ，ｐｌａｙｓ ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｔｉｏｎａｌ ｅｃｏｎｏｍｙ，ａｎｄ ｔｈｅ Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｍｏｄｅ ｈａｓ ａ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｂｕｉｌｄｓ ｔｈｅ ｌｉｆｅ ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ ｃａｒｂｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｍｏｄｅ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｆｏｕｒ ａｒｅａｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｕｓｉｎｇ， ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｒｅｍａｎｕｆａｅｔｕｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｓｔａｔｅｓ ｔｈｒｅｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ａｎｄ ｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ；ｃａｒｂｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕ— ｒｉｎｇ：１ＯＷ ｃａｒｂｏｎ 矿山机械是直接用于矿物开采和富选等作业的 机械，广义范围包括探矿机械、采矿机械和选矿机 械。矿山机械服务于煤炭、化工、建材、冶金等多个 放量较大，而且对环境污染严重。坚持可持续发展 战略，实现矿山机械低碳环保发展模式已经刻不容 缓。矿山机械低碳环保发展模式的意义在于：①响 国家基础工业部门，在国民经济的发展中扮演着重 要角色。进入２１世纪，我国矿山机械在取得突飞猛 进的发展的同时，也面临着一些严重的环境问题。 比如，矿山机械在使用过程中，多采用柴油机为其提 供动力，众所周知，柴油机不仅工作噪音很大，而且 应国家节能减排、发展低碳经济的号召，实现经济、 社会与自然环境的和谐发展；②降低企业成本，提升 企业的市场竞争力——矿山机械生产企业通过加工 再制造报废零部件，不但减少了资源消耗，而且降低 了生产投入，有利于企业经济效益的增加和参与行 业竞争；③利用先进的技术和前沿的制造工艺实现 会产生有害排放物，二氧化碳就是其排出气体中最 主要的成分；在矿山机械的维修中，又容易产生废弃 物和电磁辐射；可见，传统的矿山机械发展方式碳排 矿山机械的低碳环保发展，反过来又将对技术和工 艺的向前迈进产生促进作用。 １矿山机械低碳环保发展模式 收稿日期：２０１６－０６—２１ 在传统矿山机械发展模式中，机械的生命周期 包括设计制造、使用、维修以及最终报废。低碳环保 发展模式中矿山机械生命周期与传统模式的最大不 同之处在于，当矿山机械服务期满，面临报废时，将 基金项目：国家重大仪器设备开发专项项目资助（编号： ２Ｏ１２ＹＱ０３０１２６） 第一作者简介：段毅（１９７３一），男，博士后，高级工程师，研究方向为 资源安全管理，Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｙ３７１＠１２６．ｔｏｍ。 第２期 段 毅：矿山机械低碳环保发展模式及关键技术研究 其重新回收，进行再制造加工 。矿山机械低碳环 因，矿山机械生产企业应该积极采取相应的措施：选 择双模数和双压力角齿轮，或者采用双排齿轮；降低 应力幅、振幅；控制能量沿着矿山机械的结构进行流 动传播等等 。除了在噪音产生的源头上采取措施 消除噪音，还可以在噪音隔离以及设计制造消声器 保发展模式的生命周期如图１所示，各周期做出具 体分析如下所述。 矿山机械生命周期 设计制造Ｈ使用Ｈ维修Ｈ回收再制造 等方面进行研究开发。 １．２．２ 防泄漏 霾《 Ｉｌ ＩＩ孽Ｉ Ｉｌ ｌ囊ＩＩ囊ｌ ｌ纂ｌｌ ｌ ｌＩ霪Ｉ重 矿山机械的泄漏一般是指液压系统的泄漏，是 由管道接触点不严丝合缝、密封表面过于粗糙或光 滑、接合部件存在较大空隙、密封圈老化或者质量不 图１ 矿山机械低碳环保发展模式的生命周期图 １．１设计制造环节 ｌ＿１．１可拆卸性 可拆卸性设计是一种使产品易于拆卸并能从材 料回收和零件重新使用中获得最高利润的设计方法 学口］。只有在设计阶段就考虑到可拆卸性，才能保 证在矿山机械服务期满之后，拆卸工程量小，且不会 损伤机械零部件，所拆下的材料有利用价值的，还可 以进行二次加工利用，实现有效率的回收。 １．１－２材料选择 材料是矿山机械的制造基础，矿山机械是否能 够实现低碳环保运转，材料是关键。矿山机械一般 都庞大而复杂，制造中需要利用多种不同材料，这些 材料的选择除了应满足矿山机械的技术功能，还应 该具备以下共性：①无毒无害、对环境的负面影响 小；②易于回收利用或者可降解、可再生；③材料之 间相容性较好。 １．１．３制造工艺 矿山机械的制造过程也有可能对环境造成污染 破坏，因此应该采用绿色制造工艺，高效利用材料和 能源，在制造中尽量控制废弃物的产生，减少二氧化 碳的排放量。在选择环保的制造工具和加工设备的 基础上，改进制造工艺，简化加工程序，例如：采用粉 末冶金、压铸、锻造、干式切削、低温切削、高速磨削、 钻削、无氰电镀等工艺技术 ］。 １．２矿山机械的使用环节 １．２．１低噪音 噪音是矿山机械对环境最恶劣的污染之一，因 为它不仅营造了一个嘈杂的生产环境，更严重影响 着矿山作业工人的身心健康。根据矿山机械噪音产 生的原因，可以将噪音分为以下两类：①由机械部件 振动、相互碰撞或摩擦而产生的机械噪音；②由压力 变化、液体流动造成的流体噪音 ］。矿山机械噪音 产生的根源是振动筛和破碎机。针对噪音产生的原 达标，油温过高等问题导致的油料泄漏。油料泄漏 不但影响矿山机械的正常工作，浪费油料资源，同时 也会对矿山机械使用区的环境造成负面影响，而且 不可生物降解液压油可能引发火灾。因此，防泄漏 是矿山机械低碳环保发展模式的重要环节。要防治 油料泄漏，首先必须从密封方面着手，利用先进的科 学技术和优良的制造工艺增强设备的密封性能，努 力使油料泄漏减少到最低＿６］。然而，由于泄漏的原 因并不是唯一的，当前的密封技术水平也存在一些 局限，因此，当矿山机械的密封性能提高到一定程度 时，还是可能会由于出现突发问题而产生泄漏。如 果希望矿山机械完全做到环保清洁，则应该大力推 广水液压传动和植物油等可生物降解液压液的应 用。水液压传动主要是以包括淡水和海水在内的天 然水作为液压工作介质［７］，它可以有效地节约能源， 而且即使有一些泄漏也不会对环境造成太大污染。 可生物降解液压液的组成基础是植物油、聚乙二醇 和合成酯，它不仅可以维持矿山机械液压系统的正 常运转，而且它的耗损产物是清洁无污染的。 １．２．３少粉尘 矿山机械作业中不可避免地会排放大量的粉 尘，飞扬的粉尘不但污染矿山机械操作工地的环境， 而且，工人吸人粉尘还会对人体造成危害。因此，矿 山机械要低碳环保发展，就必须采取有效地方式控 制粉尘排放，营造清洁绿色的操作环境。防治粉尘 的一般设备是：脉冲布袋除尘器和旋风式除尘器，利 用它们可以显著减小粉尘密度。同时，还可以采用 水雾除尘和静电除尘的技术，它们的除尘效率高，一 次可以净化更多的气量，而且结构简单，能量消耗比 较低。另外，因为是粉尘飘飞造成污染，若用水雾将 粉尘沾湿，则可以在很大程度上降低污染，按照这一 思路，我们可以在矿山机械的废弃物排放结构处安 装水道，专门用于湿化粉尘。可见，虽然粉尘是现阶 段矿山机械作业无法规避的伴生物，无法从源头彻 底杜绝，但也可以采用多种方法最大程度地减轻其 ｌ５４ 中国矿业 第２６卷 对环境的污染破坏［６］。 １．３矿山机械的维修环节 矿山机械在运行工作中，由于操作不当或者设 备本身的原因，或多或少都会出现故障。传统的设 备维修，一般会产生固体废弃物，并带来电磁辐射等 污染，不但破坏环境，更可能对维修人员的身体健康 造成不良影响。低碳环保的维修过程应该以提高资 源综合利用效率和对环境污染程度最低为出发点， 在满足节能、减排、降耗的条件下，使矿山机械恢复 正常运转。 １．３．１废弃物处置 矿山机械维修中产生的废弃物是指报废的零 件，切割、削磨过程中产生的碎屑，以及一些废料垃 圾。传统的废弃物处置方式是直接对其进行焚烧， 这就会产生大量的碳排放。从低碳环保的角度，对 废弃物的处置措施包括：①对维修中产生的固体废 弃物按照种类的不同分开存放，这有利于对废弃物 的分类处理，例如，针对有害废弃物应进行无害化处 理，对于无害废弃物，进行一般化处理即可；②加快 废弃物处置的产业化，大力推进废弃物经过科学的 处理转化为可用资源，减少不必要的焚烧。 １．３．２ 防电磁辐射 对矿山机械表面修复的现代工艺是：高频感应 加热、等离子喷涂以及超声波焊接等等。这些维修 工艺的优点是可以迅速有效地修复设备，缺点是存 在电磁辐射污染。电磁辐射是电磁波的一种，相互 垂直的磁场和电场根据时间的不同而释放能量。人 类作为生物体，包含许多的生物电活动，这些生物电 很容易对吸收到的电磁波做出反应，可见，电磁辐射 会对维修人员的身体健康造成较大危害 ８ 。对此， 维修过程必须采取以下防治辐射的措施：①利用金 属屏蔽辐射，将电磁辐射的作用控制在一定的空间 范围内，并将屏蔽金属体接地，以避免二次辐射，提 高屏蔽效率；②将可吸收电磁辐射的材料置于辐射 区域内，降低辐射污染；③研究远程遥控维修工艺技 术，实现维修人员远离辐射场所也可以完成维修作 业。 １．４回收再制造环节 矿山机械回收再制造实际上是矿山机械环保维 修更深程度的发展。它采用先进科学技术，将报废 机械具备回收价值的零部件作为原材料，进行二次 加工改造提升。回收再制造的工艺流程包括：首先 将报废的矿山机械拆解、清洗，然后对零部件进行检 测，筛选出有剩余利用价值的设备零件，对于一些可 以直接进行二次利用的零部件，如螺钉，清洗后分类 放置，方便以后直接利用；对于另一部分需要加工修 复方可再次投入使用的零部件，如箱体、轴体等，进 行一定的处理，或改造或修复，并经过检测，质量合 格后再重新使用。对报废矿山机械的传统处理方式 通常是将机械部件回炉炼钢，回收再制造的方式不 但节约了回炉燃烧所需的能源，还充分利用了报废 机械的剩余价值，最重要的是降低了碳排放量，避免 了回炉冶炼对大气造成的污染。此外，据统计，以报 废矿山机械的零部件为基础，进行再制造，其能源消 耗是“从零开始”完全进行新产品制造的能源消耗的 ５０ ，原材料消耗仅是新产品制造的三分之一，劳动 力消耗为６０ ｌ＿ｇ］。可见，矿山机械的回收再制造正 是顺应低碳经济和可持续发展潮流的。 ２矿山机械低碳环保的关键技术 矿山机械低碳环保发展模式的实现同样需要先 进的科学技术作支撑。为最大限度地减少能源消 耗，减少碳，特别是二氧化碳的排放量，减轻矿山机 械对生态环境的污染和破坏，矿山机械生产企业应 该掌握如下关键技术。 ２．１节能技术 矿山机械作为矿山开发的主要设备，运转需要 消耗大量能源，而能源的消耗必将导致大气中温室 气体的增加。因此，节能技术是矿山机械低碳发展 的必然选择。矿山机械的主要设备包括制砂设备、 磨粉设备和破碎设备等。节约能源、控制有害气体 排放就应该从这三个设备着手。采用冲击式破碎 机，它的优点是在同等产量的条件下，能量消耗较 低，而且破碎效率高；运用ＭＴＷ系列欧式梯形磨 粉机，该设备不但自动化程度很高，而且十分节省电 力资源；选择履带移动式破碎站，它综合了受料、破 碎和传送的设备，是一条完整的破碎作业流水线，在 高效完成作业任务的同时，燃油节省率高达２５ 。 除了以节约能源的方式来控制二氧化碳的排放，我 们还可以考虑研发使用清洁能源。 ２．２环保维修技术 维修是矿山机械生命周期的必经环节，环保维 修技术主要包括以下几方面。①热喷涂新技术。这 项技术通过对矿山机械磨损的零部件进行喷涂修 复，以使报废的零部件能够重新投入使用，有利于资 源节约。②虚拟维修技术。它不同于传统的现场维 修方式，是一种采用计算机软件，远程操作来解决矿 山机械故障的维修手段。它的优点在于远程控制， 不但便捷高效，而且有利于避免维修人员吸收维修 中产生的电磁辐射。③绿色切削技术。该技术主要 （下转第１６８页） １６８ ３ 结 论 中国矿业 参考文献 第２６卷 １）在采用煤气化粗渣和细渣分别作为充填的粗 集料和细集料时，用水泥代替细渣可以提高料浆的 流动性强度。 ２）由于煤气化细渣较细，适当提高其含量，可提 高料浆的稳定性。 ［１］ 缪协兴，巨峰，黄艳利，等．充填采煤理论与技术的新进展及展 望［Ｊ］．中国矿业大学学报，２０１５，４４（３）：３９卜３９９，４２９． ［２］ 刘建功，赵利涛．基于充填采煤的保水开采理论与实践应用 ＥＪ］．煤炭学报，２０１４，３９（８）：１５４５—１５５１． ［３］ 宋振骐，崔增娣，夏洪春，等．无煤柱矸石充填绿色安全高效开 采模式及其工程理论基础研究［Ｊ］．煤炭学报，２０１０，３５（５）： ７Ｏ５—７１０． ３）采用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，在其含 量为６ 时即可配制得到料浆流动性好、脱水率低、 充填体强度满足要求的充填材料。 ４）采用煤气化废渣作充填材料，不仅性能良好， 而且成本低廉。 ｍ ［４］ 杨宝贵，杨捷．煤矿充填技术发展趋势与选用方法［Ｊ］．矿业研 究与开发，２０１５，３５（５）：１１－１５． ［５］ 孙文标，孙恒虎，刘建庄，等．似膏体充填料浆配合比的实验研 究［Ｊ］．中国矿业，２００５，１４（８）：７０—７１． 米米米米米米米米米米米米米米米米米柴米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米 （上接第１３２页） 影响较大，而当超过这一深厚比后，开采深度对窑洞 沉降量无明显影响。 析［Ｊ］．黄金，２０１３，３４（３）：３１—３４． ［２］ 马榕，李凤明，吴德儒，等．采煤引起窑洞破坏的原因及其对策 ＥＪ］．煤矿开采，１９９９，３６（３）：１３－ｌ５． ４）窑洞沉降量及其变化率随着工作面推进度的 增加而增大，在煤矿开采时，应结合矿区建筑物的具 体要求，合理安排掘进深度。 ５）窑洞处于采空区边界上方时，虽然沉降量较 小，但不均匀沉降更加明显，这会对窑洞稳定性造成 严重影响，应尽量避免将建筑物建在与采空区边界 相交的区域。 ［３］ 刘永，张志军，贺桂成，等．某矿山地下采空区对地表稳定性的 影响研究Ｉ－Ｊ］．中国矿业，２０１２，２１（９）：１１８－１２１． ［４］ 井征博，路世豹，蔡文进，等．采动引起的地表变形对框架结构 的影响［Ｊ］．青岛理工大学学报，２０１１，３２（２）：２７ ３２． ［５］ ，王佳玲，李志明，等．构造措施对采空区砌体结构抗变形 的影响分析口］．中国矿业，２０１２，２１（９）：１０６ １１０． ［６］ 贺丽萍，于永江．采空区建筑物地基稳定性影响因素分析ＥＪ］． 辽宁工程技术大学学报：自然科学版，２０１１，３０（６）：８１４—８１７． ［７］ 童丽萍，韩翠萍．黄土窑居自支撑结构体系的研究［Ｊ］．四川建 筑科学研究，２００９，３５（２）：７１ ７３． ６）煤矿开采后及时填充，可利于提高窑洞稳定 性，使其沉降值明显减小。即采空区充填可有效解 决地表建筑物的沉降变形问题。 参考文献 ［１］张海波，宋卫东．基于ＦＩ ＡＣ３Ｄ数值模拟的采空区稳定性分 一 ［８］ 孙超，薄景山，刘红帅，等．采空区地表沉降影响因素研究［Ｊ］． ｒ 吉林大学学报：地球科学版，２００９，３９（３）：４９８—５０２． 陈莉粉．黄土地区窑洞建筑中结构稳定性的研究［Ｄ］．西安： 西安科技大学，２０１２． ９］ 米米米米米米米米米米米米米米米米米米米柴米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米 （上接第１５４页） 针对需要滚齿、铣削的矿山机械零部件维修加工。 ［２］ 张艳．矿山机械的绿色设计分析［Ｊ］．机械设计与制造，２００５ （９）：１６７－１６８． 它最显著的特点是能够将有附加值的废弃物回收再 利用，将有害废弃物进行无害化处理。 ２．３再制造技术 ［３］ 方明烨．矿山机械的绿色技术及应用［Ｊ］．矿山机械，２００２ （６）：６－８． ［４］ 彭佑多．环境友好型矿山机械内涵及研究现状［Ｊ］．煤炭学 报，２００９，３４（４）：５６０—５７１． 报废矿山机械的加工再制造依赖于先进的科学 技术，主要是通过以下关键技术实现对废旧产品性 能的改造和提升：①高速电弧喷涂技术；②纳米电刷 镀技术；③激光表面熔覆技术。采用前两种技术修 复的矿山机械产品，其耐磨性优越，采用后一种方法 加工再制造的产品成品率高，性能良好。 参考文献 基于绿色理念的矿山机械修复 ［１］李燕，黄伟华，黄亦扬，等． ３６（１６）：５５－５８． 再利用ＥＪ］．矿山机械，２００８， ［５］ 李俊生．对矿山机械若干问题的思考ＥＪ］．科学之友，２００８ （２３）：１５－１６． ［６］ 管荣根，顾玲，陈静．矿山机械环保问题的探讨［Ｊ］．矿山机 械，２００１（８）：６－９． ［７］ 杨曙东，李壮云．水压传动的发展及其关键基础技术［Ｊ］．机 床与液压，２０００（１０）：６－９，２６． ｍｕｍ ［８］ 田铖，赵建民．矿山机械绿色维修的探讨［Ｊ］．矿山机械，２００５。３３（１０）：８１－８３． ［９］ 张德权．基于节能减排的矿山机械再制造技术应用［Ｊ］．中国 新技术新产品，２０１２（２Ｏ）：８０．
