高等采矿学讲稿

高等采矿学讲稿西安科技大学张恩强绪论•所谓“高等采矿学”只是一种称谓，就内容而言与“采矿学”没有本质区别，其区别主要在于认识问题的角度不同、深度不同以及对问题认识的全面和系统性不同。就像高等数学和初等数学一样，区别不仅在于高等数学有极限和微积分的概念和方法，还在于两者看问题的角度一个为仰视、一个为俯视，一个只能解决部分问题，而另一个可解决更多问题。•另外，研究生和本科生的区别在于一个重于学知识，另一个重于探索和研究问题。从这个角度讲，高等采矿学就是站在探索和研究采矿问题的角度上学习采矿知识。•实际上本课程所讲内容并非完全意义上的采矿学的内容，而只是其中的一部分——开采学，但既然已经有人叫了，也就不便和不必更改了，只是对其内涵必须进行澄清，不然就不知道该教（学）什么了。第一讲影响煤炭开采的因素分析•煤炭是古代植物遗骸经过沉积、变质等地质作用而形成的一种固体矿产资源，呈层状分布，因此称煤层。•煤层存在于地壳中，多数埋藏于地下，局部出露于地表（称露头）。根据煤层埋藏深度不同，采用的开采方法有地下开采和露天开采两类。具体的采煤方法因煤层赋存条件和其他条件不同而异。•本课程只介绍地下开采相关内容。一、煤层赋存条件及对开采的影响•（一）煤层赋存条件•煤层赋存条件一般指煤层存在的自然状态，包括煤层状态、顶底板和覆岩状态，煤层、顶底板及覆岩中的含水、瓦斯状态，赋存区的地理和环境状态等，主要包括以下一些因素。•1．煤层厚度•我国根据采煤方法不同，将煤层按照厚度分为三类：薄煤层（1.3m），中厚煤层（1.3～3.5m），厚煤层（3.5m）。煤层的这种分类随采煤方法发展目前已经不够科学。•2．煤层倾角•我国根据采煤方法不同，将煤层按照倾角也分为三类：缓倾斜煤层（25°），倾斜煤层（25°～45°），急倾斜煤层（45°）。煤层的这种分类也随采煤方法发展目前已经不够科学。•3．煤层结构•指煤层中有无夹矸层以及夹矸层的厚度、层数等，按照夹矸情况将煤层分为简单结构和复杂结构两类。•4．煤层的稳定性•指煤层的厚度、煤质（类）、构造、结构等变化情况，按此将煤层分为稳定煤层、较稳定煤层、不稳定煤层和极不稳定煤层四类，《煤、泥炭地质勘探规范（DZ/T0215-2002）》。•5．煤层构造•构造是指地质构造，一般是指对煤层厚度、倾角、煤质等有影响的地质构造，包括断裂构造、褶皱构造、岩浆侵入、陷落柱等。按照构造复杂程度将煤层分为四种类型：简单构造、中等构造、复杂构造、及复杂构造，《煤、泥炭地质勘探规范（DZ/T0215-2002）》。•6．煤层顶、底板条件•煤层顶、底板指煤层顶部和底部一定范围的岩层，顶部称为顶板，底部称为底板。常见的煤层顶板岩层按照其厚度、稳定性和在煤炭开采中的表现有伪顶、直接顶、老顶之分，这些岩层在有些情况下可能会同时存在，而在另外一些情况下可能只有一种、或两种存在。在顶板岩层中一般直接顶和老顶比较重要。按照直接顶的特性（平均初次垮落步距、岩性和结构特征），将直接顶板分为四类（不稳定顶板、中等稳定顶板、稳定顶板、非常稳定顶板）；按照老顶来压当量，将老顶分为四级（老顶来压显现不明显、明显、强烈、非常强烈），老顶和直接顶通常是按照某种组合方式出现的。•顶板对工作面的安全直接有关，也与覆岩与地表的控制有关。•煤层底板也有直接底和老底之分，我国对缓倾斜煤层工作面底板也有一个分类方案。•7．煤层水文地质条件•按照直接充水含水层含水空间特征，把煤矿床水文地质勘查划分为三类：孔隙充水、裂隙充水和岩溶充水（又分顶板进水和底板进水）。•按照直接充水含水层富水性及补给条件，并结合煤层与当地侵蚀基准面的关系等其他因素，将各类矿床划分为三型：水文地质条件简单、水文地质条件中等、水文地质条件复杂。•8．瓦斯•矿井开采中的瓦斯管理按照矿井瓦斯等级不同进行管理，我国《煤矿安全规程》规定：“一个矿井只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井，瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等级进行管理。矿井瓦斯等级，根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为：低瓦斯矿井（矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min）、高瓦斯矿井（矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min）、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。•9．煤的自燃趋势（自燃倾向性）•煤的自燃倾斜性分为容易自燃、自燃、不易自燃三类。煤的自然发火对矿井开采的影响与自燃发火期有关。•10．煤尘爆炸性•按照煤尘的爆炸性鉴定结果，将煤层分为有爆炸危险煤尘和无爆炸危险煤尘。矿井中只要有一个煤层的煤尘有爆炸危险，该矿井应该定为有煤尘爆炸危险的矿井。•11．煤层埋藏深度•煤层埋藏深度对矿压、地温、瓦斯等有关，同时会影响矿井的提升方式等，因此矿井开采设计与生产管理必须注意煤层埋藏深度。•12．覆岩岩性、力学特性及组成关系•覆岩可以理解为煤层之上的岩层，也可以理解为顶板之上的岩层，这里是指顶板以上的岩层。覆岩的特性及组成既对顶板安全有影响，又直接关系到覆岩与地表的控制。•13．矿区其他条件•主要是生态环境条件、资源条件（水资源、土地资源、森林资源、草地资源）等•（二）煤层赋存条件对矿井开采的影响•1．影响采煤方法（采煤系统布置和采煤工艺选择）•2．影响矿井开采系统布置•3．决定矿井生产技术面貌•4．决定矿井生产规模和主要技术经济指标•5．影响矿井安全生产•6．增加开采困难•二、其他条件对矿井开采的影响•其他条件是指人工条件，如地表村庄、建筑物、道路、管道、古墓及其他文物古迹等人工设施。人工设施一般存在于地表或地层浅表，属于保护对象。•对于人工设施，有一个建设时限问题，现有法律和规程规定如下：•《中华人民共和国矿产资源法》第三十三条规定：在建设铁路、工厂、水库、输油管道、输电线路和各种大型建筑物或者建筑群之前，建设单位必须向所在省、自治区、直辖市地质矿产主管部门了解拟建工程所在地区的矿产资源分布和开采情况。非经国务院授权的部门批准，不得压覆重要矿床。•《中华人民共和国煤炭法》第六十条规定：未经煤矿企业同意，任何单位或者个人不得在煤矿企业依法取得土地使用权有效期间内在该土地上种植、养殖、取土或者修建建筑物、构筑物。•《中华人民共和国煤炭法》第六十二条规定：在煤矿范围内需要建设公用工程或者其他工程的，有关单位应当事先与煤矿企业协商并达成协议后，方可施工。•《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第7条规定：根据《中华人民共和国煤炭法》、《中华人民共和国矿产资源法》规定，……。否则，煤矿不负责赔偿。•上述法律和规程条款对在矿区内修建人工设施作了一些规定，但对一些关键点规定不够明确。•因为法律规定不够明确，就有人钻空子，如在矿区村庄拆迁前，突击建设，造成巨大浪费。•这些人工设施的存在，会对矿井开采带来如下影响：•1.影响采煤方法•主要是采煤参数和采煤工艺。•2．影响开采部署•主要是井田划分参数。•3．使采煤难度和成本增加•4．煤炭采出率受到影响第一章采煤方法及其发展第一节采煤方法概述一、采煤方法的概念及分类•（一）采煤方法的概念•采煤方法，简单讲就是大量采出煤炭的方法。•采煤方法包含两方面内容：一是回采巷道和其中生产系统的布置方式，即所谓工作面采煤系统（回采系统）；一是采煤工作面落、装、运、支、处等工序进行的方式和各工序之间在时间、空间上的配合方式，即采煤工艺。•（二）采煤方法分类•就采煤系统而言，目前在世界范围内使用的采煤方法有两大体系，一是长壁体系，一是房柱体系。•就采煤工艺而言，按机械化程度分为“炮采”、“普采”、“综采”，虽然这些概念都来自于长壁体系，但我认为也可以用于房柱体系。•就采空区处理方式而言，采煤方法分为充填法、垮落法、煤柱支撑法。采煤方法分类远不止这些，采煤工艺和采煤系统是由煤层开采条件决定的。煤层开采条件包括煤层厚度、倾角，煤层结构与构造，煤层稳定性，煤层埋藏深度，煤层顶底板条件，煤层瓦斯、自燃条件，煤尘爆炸性、矿井水文条件、矿区环境（生态）条件等。煤层开采条件不同，采煤方法不同。按煤层厚度和倾角条件，采煤方法有：薄煤层采煤方法、中厚煤层采煤方法、厚煤层采煤方法、缓倾斜煤层采煤方法、倾斜煤层采煤方法、急倾斜煤层采煤方法等。同一种煤层还有多种采煤方法，如厚煤层有倾斜分层采煤方法，放顶煤采煤方法等。陕北矿区由于煤层赋存和环境条件特殊，发展了很多新采煤方法。二、采煤工艺•采煤工艺是指采煤工作面采煤工作（工序）进行的方式和相互之间在时间和空间上的配合方式。•采煤工作是指落煤、装煤、运煤、支护和采空区处理等工作。其中落煤、装煤、运煤为主要工作，支护和采空区处理为辅助工作，过去把这两项工作合起来叫顶板管理，现在这种叫法已经不能完全反映其内涵。•进行采煤工作的场所叫采场，直接采取煤炭的煤壁面叫采煤工作面。•采煤工作是靠采煤装备完成的，这种装备称为采煤工艺装备。采煤工艺装备是采煤技术的核心，它影响和制约着整个采煤技术的发展。•按照采煤工艺装备，采煤工艺分为炮采、普采和综采。•1.炮采•以爆破落煤、人工装煤、可弯曲刮板输送机运煤、单体支架支护顶板的一种采煤工艺。•2.普采•以滚筒采煤机落煤和装煤、可弯曲刮板输送机运煤、单体支架支护顶板的一种采煤工艺。•3.综采•以滚筒采煤机落煤和装煤、可弯曲刮板输送机运煤、自移式液压支架支护顶板的一种采煤工艺。综采是一种先进的采煤工艺，发展很快。•三、采煤系统•采煤系统是指直接为采煤工作服务的巷道系统和在其中建立的煤炭运输系统、辅助运输系统、通风系统、排水系统等生产系统和生产辅助系统。•目前所使用的采煤系统有两大类：长壁系统和房柱系统。•1.长壁系统•最常见的长壁采煤系统如图所示：巷道系统由工作面和两条顺槽组成，煤炭运输系统由工作面刮板机和顺槽运输设备组成，辅助运输由设在一个顺槽中的辅助运输设备担负。•特点：采煤工作面有完整的生产系统，采煤工作只要在时间和空间上相互配合，可以平行作业、连续工作；•工作面生产的煤炭平行于工作面运输；•煤柱少、掘进量小、通风效果好、效率高。图1.1.5走向长壁综采面采煤系统图1—绞车房回风斜巷；2—采区回风石门；3—绞车房；4—采区上部车场；5—采区中部车场；6—联络巷；7—区段运输顺槽；8，10—区段回风顺槽；9—开切眼•2.房柱采煤系统•图示为一连续采煤机房柱采煤系统，是一典型的房柱系统。•特点：采煤工作面空间有限，采煤工作不能平行作业、连续工作；•工作面生产的煤炭垂直于工作面运输；•掘进量大、煤柱多、通风效果不好、效率不高。图17连续采煤机房柱采煤系统及采煤工艺过程图1－连续采煤机；2－锚杆机；3－转车点；4－纵向风障；5－运煤车；6－风帘；7－铲车；8－给料破碎机；9－防火帘；10－移动变电站；11－永久风墙；12－带式输送机•四、采空区处理方式•采矿空间不可能连续不断、永久的用指护装备支撑下去，有两个原因：一是没有那么多的设备，也投资不起；二是即便想这么做，也达不到预期的效果。•采空区处理的目的是为了：保证开采的安全；满足环境保护的要求。•采空区处理的方式有三大类：垮落法、煤柱支撑法和充填法。•1.垮落法•分全部垮落法和部分垮落法•2.煤柱法•煤柱的留法很多，煤柱支撑有临时支撑，如房柱采煤法中的房柱法中的煤柱；也有永久支撑，如“三下”开采中的条带煤柱。•3.充填法•有全部充填和部分充填之分。•实际上煤柱法和充填法与垮落法相互有关联的，决定了垮落的多少，而垮落的多少是由顶板条件和环境保护要求决定的。第二节采煤方法的发展概况矿井开采技术的发展以采掘工艺装备机械化发展为龙头和主要标志。建国以来，我国的采掘机械化发展大致经历了以下四个阶段：第一阶段为建国初期至1965年，是开始发展采煤机械、推行长壁采煤阶段•特征：•1.引进并试制成功了苏联的截煤机、顿巴斯联合采煤机、刮板输送机、装煤机、装岩机、抓岩机等采、掘、运设备；•2.改革了采煤方法，推行了长壁采煤方法•成果：•1.实现了采用爆破落煤、人工装煤、小功率刮板输送机运煤、木支架支护顶板炮采长壁采煤工艺；•2.推行了