煤矿开采简介

第1讲煤矿开采简介1.1学科范畴与战略地位1.2国内外发展回顾、现状与趋势1.3战略目标与优先发展方向1.1学科范畴与战略地位1.1.1学科定义与研究对象煤矿开采(coalmining)是指综合运用煤矿开采学、矿山压力及控制、煤矿地质学、煤矿安全科学与技术等理论，按科学的工程程序，使用一定的机电设备及配套系统采出地下煤炭以及伴生资源的一种工程活动和科学技术。根据煤炭资源赋存情况，煤矿开采分为地下开采和露天开采，其中地下开采在我国占统治地位，其煤炭产量占总产量的95％以上。世界其他国家地下开采的产量比例有很大差异。煤矿开采的研究对象为安全、高效、高资源回收率地开采煤炭资源以及伴生的其他矿物资源等。煤矿开采研究的目的是综合利用现代科学理论与相关工程技术，深入分析、研究煤矿开采复杂多变的客观条件，掌握和利用煤矿开采的基本规律，系统地研究和开发高效、安全、高资源回收率和舒适作业条件的现代化煤矿开采的科学理论与工程技术。1.1.2学科方向、基础与相邻学科关系煤矿开采是一门综合性的科学与面向生产实际的工程技术。它涉及：采煤方法矿山压力与围岩控制机电设备自动化与通信技术开采的安全技术瓦斯等伴生资源开采地面沉陷保护露天开采与边坡稳定矿区生态环境保护与重建系统工程与信息化技术等多个学科领域。它的学科基础包括:等多个学科门类。目前已形成了许多研究方向。固体力学地质力学煤田地质学工程地质和水文地质学岩石力学流体力学空气动力学机电工程系统科学与工程电子科学与技术计算机科学与技术通信技术环境保护材料科学与工程安全技术与工程人工智能(1)开采方法：综合运用采煤学、矿山压力与控制、矿井地质、机电设备与配套、安全工程、系统工程、流体力学、管理科学与工程等理论与技术，研究煤炭及瓦斯等伴生资源的高效、安全、高资源回收率的开采方法、工艺和技术。(2)矿山压力与围岩控制：以工程地质学、岩石力学、结构力学、断裂力学、弹性力学、塑性力学、材料力学以及非线性科学等为基础，系统研究不同开采方法的采场与井巷的矿山压力显现规律，围岩控制理论与技术，以及研制开发相应监测仪器仪表与围岩控制设备和产品，研究采场与井巷顶板矿压显现规律、冲击矿压、顶板大面积来压等灾害的发生机理、规律与防治理论和技术。(3)“三下”开采与地面保护：综合运用岩石力学、矿山压力与控制、采煤学等理论与技术，研究水体、建筑物、铁路等下部煤炭开采技术、减少甚至消除地面沉降的理论与技术以及地面建筑物、农田、水系等的保护技术。(4)深部开采：针对矿井开采水平逐年延伸，深部开采问题逐渐严重的情况，研究深部矿井与高应力开采条件下的冲击矿压、瓦斯突出等动力异常灾害发生机理与防治技术；深部开采条件下，采场与巷道顶板灾害的发生机理与防治理论技术，以及采场与巷道围岩控制理论与技术、矿井顶底板水的防治理论与技术、矿井降温理论与技术。(5)露天开采：以运筹学、系统科学与工程、露天开采学等为基础，研究内容涉及穿孔、采装、运输、排卸等设备，露天矿开采工艺与生产组织、自动化调度系统、生产计划与过程的优化、设计原理与计算机化、生产爆破技术，以及开拓运输系统和采装系统的设计与优化等的研究与开发，已经形成了机械化、自动化、电子化、计算机化等多学科的交叉研究。(6)露天矿边坡与排土场稳定：以工程地质学、水文地质学、岩石力学、散体力学、露天开采学、环境科学等为基础，研究露天矿采场与排土场边坡的稳定理论与技术、边坡优化设计、边坡稳定的自动化监测与预警系统开发、边坡破坏的防治理论与技术。(7)自动化与通信技术：以采矿学、自动化技术、通信技术、信息化技术、机电工程、电子技术等为基础，研究与开发煤矿自动化开采、自动提升与运输、巷道自动化掘进与支护、开采过程自动控制等技术。(8)计算机应用与信息化技术：以采矿学、运筹学、系统工程、计算机科学与技术等为基础，研究与开发煤矿企业的信息化管理决策系统、计算机辅助设计、煤矿开采的仿真与优化。(9)安全理论与技术：研究瓦斯爆炸机理，采前与采动过程中瓦斯运移规律、安全开采的瓦斯防治理论与技术，矿井火灾发生机理与防治理论技术，矿井粉尘防治技术，矿井通风系统设计与优化。(10)煤矿安全监测与预警：综合运用煤矿安全工程与监测原理、电子技术、信息传输与处理技术、计算机技术等开发研制新型、准确、高效的煤矿安全监测与预警系统。其中，涉及瓦斯、水、火、粉尘、顶板、冲击地压等的监测与预警。(11)与环境协调的开采理论与技术：综合运用采矿工程理论与技术、环境科学与技术、工程地质与水文地质、林业科学与工程、农业科学与工程、资源与环境经济学等，系统研究和建立与环境协调的开采理论与技术体系，保障煤炭资源开采与环境的协调可持续发展。1.1.3学科战略地位目前，煤炭提供世界一次能源的27％和世界发电量的45％，煤炭的衍生物生产25000多种消费品，在世界经济中占有重要地位。煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源资源，其中90％集中在苏联、美国、中国、澳大利亚、德国、印度、南非、波兰、英国和加拿大等10个国家。我国长期以来一直以煤炭作为主要能源，并且煤炭在我国一次能源中的主导地位在短期内不会改变。我国能源资源赋存现状决定了我国能源开发以煤炭为主的现状在短期内不会改变。随着科学技术发展，新能源和可再生能源会有一定增长，但在相当长的时间内还是不可能取代化石能源。显然，经济的发展对能源的需求量将越来越大，因此，研究煤炭的高效、安全、高采出率开采是十分重要的问题。煤炭开采在我国国民经济建设中具有极其重要的战略地位，也是我国一次能源的基础。煤炭开采是提供煤炭能源的根本方法，我国的煤炭资源总量居世界首位，但人均煤炭产量不高，甚至十分短缺，人均煤炭产量仅居世界第8位。因此，研究和解决煤炭开采中的相关科学问题，促进煤炭高效、安全、高资源采出率开采和绿色开采，是当前煤炭开采中所面临的重要问题，也是重要的学科方向。1.1.4国外重要的煤矿开采学术研究机构1．美国美国的煤炭科研工作主要由政府机构、企业研究与发展机构、大学(学院)及民间咨询机构四部分组成。美国较大的采矿公司一般都设有研究与发展部；美国有二十几个大学设有采矿系，主要按政府合同开展基础研究；此外，还有一支重要的研究与开发力量——民办咨询公司。国家政府科研机构主要有能源部所属的联邦能源研究院（FEI），此外由各大学采矿系联合组成的矿物研究所也发挥着重要作用，如弗吉尼亚大学工业学院与弗吉尼亚州立大学、宾夕法尼亚州立大学、明尼苏达大学等。2．俄罗斯俄罗斯的煤炭科研体系分为两类，一类是煤炭工业直属科研院所，另一类是矿区科研所。现在俄联邦批准在原24个部级院所的基础上成立5个煤炭科学中心：①国家矿业科学中心；②地质力学和矿山测量科学中心；③俄罗斯煤炭工业安全科学中心；④库兹巴斯采矿工艺科学中心；⑤露天采矿工艺科学中心。3德国德国拥有世界一流的煤炭科研机构，如埃森采矿研究院(Bergbau-ForschungGmbH)、威斯特伐伦矿山协会(WestfalisheBergwerkschaftskasse)矿业研究所和实验室矿井公司等。在矿山压力控制、井下降温、瓦斯、煤尘和火灾防治、采煤技术、井下运输和选煤等领域，德国都处于世界领先水平。德国西部克劳斯塔尔工业大学和东部弗赖堡大学是德国两所著名的矿业大学，其他大学如柏林工业大学和亚琛大学设有采矿系或采矿专业，鲁尔大学设有矿山建筑专业。这些大学除培养采矿专门人才外，还承担重要的矿业科研项目。4．澳大利亚澳大利亚的科研和学术工作主要由联邦科学和工业研究组织(CommonwealthScientificandIndustrialResearchOrganization，CSERO)承担，煤炭科研是该组织中的重要科研部分。此外，维多利亚州的电力委员会建有几个实验室，研究褐煤的开采、储存、运输和发电等。澳大利亚很多大学均承担煤炭科研任务，研究水平较高，如悉尼大学、新南威尔士州立大学、墨尔本大学、昆士兰大学、纽卡斯尔大学、伍伦贡大学等，研究的课题包括矿井和露天采煤、岩石力学、地震勘探、瓦斯抽放等。5．波兰波兰从事煤炭科研的主要机构有：采矿研究总院(GIG)、考玛格采矿机械化中心(KOMAG)和艾玛格采矿电气化与自动化中心(EMAG)。波兰的一些大学也从事煤炭科研工作。波兰在“三下”开采、冲击矿压的理论和应用技术研究方面具有很高的学术水平。6．加拿大加拿大的煤炭科研工作主要由加拿大矿业和能源技术中心(CANMET)和一些大学负责和开展。CANMET的采矿研究所由以下六个研究室组成：①加拿大易爆气体实验室(CEAL)。②加拿大采矿技术实验室(CMTL)。③埃利奥特湖实验室(ELL)。④萨德伯利回填实验室(SBL)。⑤互勒多矿山实验室(VDML)。⑥开普布雷煤炭研究实验室(CBCRL)。7．英国英国煤炭科研由英国贸工部直接管理，具体工作则委托给英国能源技术中心(EISU)。诺丁汉大学、利兹大学等在煤矿开采的学术研究方面具有很高水平。近年来在煤炭开采方面的主要研究目标是保持英国开采技术的领先水平，鼓励采矿设备出口；研究就地转化和非常规开采技术，如遥控采煤和海下采煤；完善井下环境监控系统，改善煤矿健康和安全状况。1.2国内外发展回顾、现状与趋势1.2.1煤矿开采学科的形成人类利用煤炭资源已有数千年历史。我国不仅是当今世界上煤炭产量最多的国家，也是世界最早开采、利用煤炭的国家，有着悠久的煤炭开采历史。在新石器时代，我国就出现了精煤制品饰物。公元前1世纪，煤已经成为重要产品，不仅用作生产燃料，而且还用于冶炼，当时已经积累了一些找煤和采煤的基本知识，出现了一定规模的矿井和采煤技术。隋、唐至元代，煤炭开采更为普遍，在地质、开拓、采煤、支护、通风、提升以及瓦斯排放等方面的技术都有了一定发展。从明朝到鸦片战争以前，当时统治者比较重视煤炭开发，煤炭开采技术得到了发展，形成了丰富多彩的中国古代煤炭开采技术。尽管当时都是手工作业的煤窑，但因其开采利用早于其他国家，因此，17世纪以前，中国煤炭开采技术和管理的许多方面都处于世界领先地位。1.2.2煤矿开采发展现状与趋势在过去的20多年里，随着世界各国相关科学技术的进步，机、电、信息、计算机等行业的迅速发展，固体力学、流体力学、数值计算技术、非线性科学等基础理论的发展以及许多边缘学科的兴起，极大地促进了煤矿开采的理论和技术的发展，导致了煤矿开采的许多理论和方法发生了重大变化。1．采煤方法采煤方法是煤矿开采的核心，它包含采煤系统和采煤工艺两项主要内容。根据不同的矿山地质及技术条件，可有多种多样的采煤方法。我国煤层赋存条件复杂多样，开采技术条件各异，因而促进了采煤方法的多样化发展，我国是世界上采煤方法种类最多的国家。但总体上看可以分为壁式体系采煤法和房柱式体系采煤法。目前，世界各主要产煤国家，由于煤层条件和采煤技术的延续情况不同，所采用的各种不同采煤方法的比重也有所差别。我国大型重点煤矿壁式体系采煤法的产量占95％以上；美国壁式采煤法为50％，连续采煤机房柱式开采占41％；印度壁式采煤法小于5％，传统房柱式采煤法占65％，机械化房柱式开采占30％；俄罗斯壁式开采占86％；澳大利亚壁式开采占85％；南非房柱式占66．9％，壁式占33％；加拿大壁式为85％。除地下开采以外，对于埋深较浅、厚度较大的煤田采用露天开采方法。随着露天采装、运输等设备的大型化，露天开采的效率和能力以及安全方面具有很大优势。高效、高产量、高煤炭采出率的综合机械化采煤工艺是壁式开采体系的发展方向，研制适应各种煤层条件的大型强有力配套设备和优化工作面布置是目前各国主攻的方向之一。(2)放顶煤开采工艺。放顶煤开采工艺是壁式体系采煤法中的一种，这种采煤方法最早于20世纪40年代始于法国、东欧等国。我国于1984年开始研制和开发这种采煤工艺，到20世纪90年代中期，开始迅速发展，已经成为我国开采5m以上厚煤层的主要方法，并且工作面年产达到了600万t的水平。我国已经研制出了几种主要型号液压支架，在采煤和放顶煤工艺、矿山压力与岩层控制、瓦斯运移规律与抽排措施、巷道与采空区火灾的防治等方面，取得了重要研