煤炭开采与安全

1赵培勇吉林煤矿安全技术中心2提纲一、煤炭是我国的主体能源二、煤炭开采的基本知识三、煤炭开采安全状况介绍23煤炭是我国的能源主体14一、煤炭是我国主体能源煤炭曾经的能源主体世界能源结构先后经历了以薪柴为主、以煤为主和以石油为主的时代。自19世纪70年代的产业革命以来，能源主要是以煤炭为主，1920年所占比例曾高达63%。石油于20世纪60年代首次超过煤炭，跃居一次能源的主导地位。现在正在向以天然气为主转变，同时，水能、核能、风能、太阳能也正得到更广泛的利用。51860年至2000年世界能源结构图61986年至2011年世界能源消费结构图7中国“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”；85%的发电能力为燃煤发电，年消耗煤炭占煤炭总产量的50%；在相当长的时期内，煤炭作为主导能源不可替代。煤炭76.90%石油11.90%天然气3.50%核电、水电7.70%能源生产结构图煤炭69.30%石油20.40%天然气3.10%核电、水电7.20%能源消费结构图中国的能源结构一、煤炭是我国主体能源82011年中、美两国能源消费结构图9一、煤炭是我国主体能源煤炭工业已经形成强大的保障能力2012年，全球煤炭产量为78.645亿吨。十个产量超亿吨国产量合计为70.66亿吨占全球产量的91.7%，中国煤炭生产占全球比重为47.5%。除中国外，其余国家分别是：美国9.22亿吨印度6.06亿吨；澳大利亚4.31亿吨；印度尼西亚3.86亿吨；俄罗斯3.55亿吨；南非2.6亿吨；德国1.96亿吨；波兰1.44亿吨；哈萨克斯坦1.16亿吨。1014.617.219.921.923.325.227.229.532.535.236.7200220032004200520062007200820092010201120122002～2012全国煤炭产量11一、煤炭是我国主体能源煤炭工业已经形成强大的保障能力10个基地煤炭产量超过亿吨，其中神东5.6亿吨，晋北和蒙东超过3亿吨。年产120万吨及以上的大型煤矿850处，产量占全国的65%；；千万吨级煤矿40处，产量5.6亿吨；2012年,内蒙、山西的产量分别达到10.6亿吨和9.1亿吨。12煤炭开采的基本知识2131、煤炭资源141、煤炭资源地壳是由岩石组成的，岩石又分为三大类：岩浆岩（火成岩）、变质岩、沉积岩。沉积岩。由早期形成的岩石和矿物，经风化剥蚀和搬运后，在一定的条件下沉积固结而形成的新岩石。在地表分布最广，占75%左右。许多重要的矿产资源本身就是沉积岩，如煤、油母页岩、盐矿石灰岩等。1516煤是一种沉积而成的可燃有机岩，是由植物遗体的变化而形成的。煤的形成可划分两个阶段：成煤的第一节阶段：植物遗体在地表湖沼或海湾环境中，经历复杂的生物化学变化形成泥炭或腐泥。（一）腐泥的形成：在腐泥形成过程中，腐泥若经受进一步的地质作用而形成的煤—腐泥煤。（二）泥炭的形成：由泥炭经过进一步的地质作用而形成的煤—腐植煤。在一些湖、沼过渡环境，由高、低等植物形成的混合型的煤—腐植腐泥煤。成煤的第二阶段1、褐煤的形成：2、烟煤的形成：1、煤炭资源17煤层1819201、煤炭资源《煤、泥炭地质勘查规范》的储量分级分类2003年3月1日起实行的地质矿产行业标准DZ／T0215—2002((煤、泥炭地质勘查规范》，对煤炭资源／储量分类及类型条件、储量估算等作了新的划分和规定。依照该规范，煤炭储量按可行性评价阶段分为概略研究、预可行性研究和可行性研究储量；从经济意义上分为经济的、边际经济的、次边际经济的、内蕴经济的和经济意义未定的基础储量；从地质可靠程度上分为探明的、控制的、推断的、预测的储量21矿井开拓221、煤炭资源根据工业要求、开采条件以及储量被查明的程度，矿井的储量分为以下几类：可采储量工业储量能利用的储量设计损失量矿井地质储量远景储量尚难利用的储量231、煤炭资源矿井储量指井田范围内可采煤层的全部储量。矿井地质储量：矿井技术边界范围内的全部煤炭储量。能利用的储量：在目前经济技术条件下能够开采的储量，。尚难利用的储量：目前经济技术条件下尚不能够开采的储量，平衡表外储量。工业储量：工业储量中预计可以采出来的煤量为可采储量，预计不可以采出来的煤量为设计损失量。远景储量：因勘探程度不够，不能作为矿井设计的依据。241、煤炭资源据测算，我国煤炭资源总量5.57万亿t，其中埋深在1000米以下的为2.95万亿t,占煤炭资源总量的53%。仅少于美国和俄罗斯。252、矿井开拓井田经过地质勘探掌握了煤层赋存的地质特征后，即可根据国民经济发展和市场的需求，进行煤田开发。当一个煤田的范围较大时，必须把煤田划分为若干较小的部分，每一部分由一个矿井来开采。划归一个矿井来开采的那一部分煤田称为井田。262、矿井开拓矿井的生产能力露天矿生产能力1、大型：4、5、6…10、12Mt/a2、中型：1、2、3Mt/a井工矿生产能力。1、大型：1.2、1.5、1.8、2.4、3.0Mt/a及以上。2、中型：0.45、0.60、0.90Mt/a。3、小型：0.09、0.15、0.21、0.30Mt/a。2728293、露天开采露天采矿。优点是资源利用充分、回采率高、贫化率低，适于用大型机械施工，建矿快，产量大，劳动生产率高，成本低，劳动条件好，生产安全。我国丰富的煤炭资源中，适合于露天开采的煤炭储量达到了641亿吨。过去,我国露天煤矿产量占总产量的比重一直维持在3%～4%。近些年来露天煤矿开采比例从2002年的4%,发展到了2010年的9.93%。303、露天开采露天开采建国初期建设的抚顺西露天矿和海州露天矿。20世纪60年代建设的平庄、义马、哈密等露天矿。80年代大规模建设的伊敏、霍林河、准格尔、安太堡等几大露天矿。目前已建成或正在改扩建的千万吨露天煤矿有准格尔黑岱沟露天煤矿（30.0Mt／a），宝日希勒一号露天煤矿(20.0Mt／a)、魏家峁露天煤矿(一期6.0Mt／a，二期12.0Mt)、白音华三号露天煤矿(14.0Mt／a)、锡林浩特胜利东二号露天煤矿(10.0Mt／a)、神华新疆准东露天煤矿(20.0Mt／a)等。31年产3000万的露天煤矿建成投产32自重203吨,载重360吨,功率为3650马力33大型挖掘机高23米，重2000吨，一次挖掘135吨34354、井工开采矿井开拓方式（一）立井开拓（二）斜井开拓（三）平硐开拓（四）综合开拓36（一）立井开拓立井开拓适用条件当煤系地层上部的表土层厚度较大，有时含有流砂层或煤层埋藏深度较大时，一般采用立井开拓。如辽源龙家堡矿、金宝屯矿、通化八宝矿、营城立井、珲春局八连城矿等。37（二）斜井开拓方式斜井开拓适用条件当煤层埋藏较浅，地质构造比较简单的井田，一般可采用斜井开拓。在吉林的省煤矿中，斜井占矿井数的50％以上。38（二）斜井开拓方式39（三）平硐开拓方式平硐开拓适用条件平硐开拓是一种最简单的开拓方式，只要地形地质条件允许，应首先考虑采用这种开拓方式。它具有生产系统简单，通过能力大，排水设备少，井口设施少，装备简单，施工容易，工期短，出煤快，初期基本建设投资少。40（三）平硐开拓方式41（四）综合开拓方式在某些条件下，如为了充分利用地形，或考虑煤层埋藏深浅等特点避免大量投资，或单纯用一种开拓方式在技术上和经济上不够合理时，可采用综合开拓方式。如：平硐一斜井，平硐—立井；斜井一立井等。42（四）综合开拓方式43矿井巷道示意图444、井工开采五、开采顺序开采顺序包括井巷的开掘顺序和煤层的开采顺序。一般按照开拓巷道、准备巷道和回采巷道的顺序进行开掘。（一）开拓巷道：为全井、一个水平或两个以上采区服务的巷道称为开拓巷道。（二）准备巷道：为一个采区内的一个或多个采煤工作面和峒室称为准备巷道。（三）直接为一个采煤工作面服务的巷道称为回采巷道。454、井工开采开采顺序一般采用“采区前进、区内后退”，即先采靠近井筒的采区，然后由近及远逐步推进；煤层群或厚煤层分层开采顺序一般采用由上而下进行开采，即下行式开采顺序。465、巷道掘进与支护一、巷道断面1．巷道断面形状的选择巷道断面的形状，主要是根据巷道的服务年限结合所穿过岩、煤层的性质和选择的支护材料来决定。常用的巷道断面形状有拱形、梯形、矩形和圆形。47常用的巷道断面形状48巷道断面2．巷道断面尺寸的决定巷道断面尺寸主要依据用途来决定，并用所需通过风量来校正。巷道高度以人员通过安全、方便为原则。一般情况下开拓巷道不得低于2．0m，准备巷道不得低于1．8m，回采巷道不得低于1．6m。在人车停车地点的巷道上下人侧，从巷道道碴面起1．6m的高度内，必须留有宽1m以上的人行道，管道吊挂高度不得低于1．8m。495、巷道掘进与支护二、破岩破岩的方法有两种：钻爆法和机械破岩。1、机械破岩。多使用掘进机，使用掘进机掘进应遵守规程的有关规定。机械破岩的优点是掘进速度快，效率高。现已在新集刘庄矿创出断面20平方米,硬度F5,月进1560米的纪录.50515、巷道掘进与支护2、钻爆破岩。目前，如何提高光面爆破技术，是提高钻爆法巷道掘进进度和质量的重要保证。光面爆破。是通过合理选择爆破参数，使爆破后的巷道成型规整，减少超挖和欠挖，最大限度的保持了围岩的自身强度，从而增强了围岩的自承能力。525、巷道掘进与支护三、巷道支护(一)巷道支护的基本原理巷道未开掘以前，地下岩体处于相对平衡的原岩应力状态。巷道开掘以后，就破坏了这种原岩应力状态，打破了原有的应力平衡，应力重新分布，形成了集中应力，岩体受三向压缩转变为双向压缩。巷道周边围岩是否破坏取决于：集中应力的大小和围岩的强度。要使得巷道易于维护，就是要合理选择巷道位置；减少对巷道围岩的震动与破坏；及时支护，提高巷道围岩强度，防止松动岩石脱落。只有提高支架的初撑力和强度，及时支护，才能够发挥支护的作用。53545、巷道掘进与支护(二)巷道支护的类型1．支撑式支架支撑式支架是直接支撑岩体的支护方式。这种支护方式分为棚式支架和石材整体式支架。金属支架是用旧钢轨、工字钢或槽钢，制成梁和柱支设的棚子。钢腿可由两节组成，有一定的可缩量。拱形金属支架用特型钢由几段组合成拱形支架，接点处可以移动，可在动压较大的巷道中使用。55巷道支护56金属可缩性支架57巷道支护石材整体式支架是指用料石、混凝土或钢筋混凝土砌筑成的连续整体式支架。一般称这种支架为砌碹，主要应用于围岩十分破碎、有大面积涌水和化学腐蚀、巷道服务年限长的地方。58巷道支护2．补强式支架补强式支架是补强岩体，利用围岩本身强度来维护巷道的支护方式。这种支护方式主要有锚杆支护、喷射混凝土支护、喷浆支护和锚索、锚喷支护等。59巷道支护(1)锚杆支护巷道掘出后，向围岩中打锚杆眼，然后将锚杆安设在锚杆眼内，对巷道围岩予以人工加固，提高围岩自身的强度，以维护巷道的稳定。锚杆支护是当今世界巷道支护技术的主要发展方向。锚杆支护原理(1)锚固作用：(2)悬吊作用：(3)承载环作用：60巷道锚杆支护61悬吊机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。适用条件：锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层62组合梁63组合拱64巷道支护锚杆的种类。锚杆支护分集中锚固和全长锚固两种。（1）集中锚固：通过眼底端的锚头和另一端的紧固部分，使锚杆受张拉而抑制围岩的变形与松动。集中锚固类有楔缝式锚杆、涨壳式锚杆、树脂锚杆和预应力锚索等。（2）全长锚固：通过杆体与孔壁间的胶结材料，使锚杆在全长范围内与岩石粘结在一起对岩体产生锚固作用。全长锚固类有砂浆锚杆、树脂锚杆等。65巷道支护锚杆支护的优点锚杆支护与其它支护方式相比，其优点是：坚固、耐用、安全、可靠；巷道维护量少、施工工程简单、劳动强度低；可紧跟掘进工作面，便于组织掘进，支护平行作业和一次成巷；