现代煤矿开采方法

第二章现代煤矿开采方法煤矿开采（CoalMining）是指综合运用煤矿开采学、矿山压力及控制、煤田地质学、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。煤矿开采研究的是综合利用现代化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。由于煤炭资源的埋藏深度不同，一般相应的采用矿井开采（埋藏较深）和露天开采（埋藏较浅）两种方式。可露天开采的资源量在总资源量中的比重大小，是衡量开采条件优劣的重要指标，我国可露天开采的储量仅占7.5%，美国为32%，澳大利亚为35%；矿井开采条件的好坏与煤矿中含瓦斯的多少成反比，我国煤矿中含瓦斯比例高，高瓦斯和有瓦斯突出的矿井占40%以上。我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开采方式，也有露天开采，如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。提纲2.1开采系统(运输系统、通风系统）2.2开采方法（壁式开采体系、柱式开采体系、露天采煤方法）2.3矿山压力与控制（采场围岩控制、采准巷道围岩控制、无轨运输、大采高、放顶煤采煤法）2.4特殊条件开采（“三下一上”开采、矿区环境问题）2.5矿山灾害防治与治理（水、火、瓦斯、煤尘、顶板灾害）2.6矿井现代化建设（大功率采掘系统、控制、智能系统、现代通讯系统、现代矿井监控系统）2.7现代建井技术（井巷特殊施工技术、TBM掘进技术与装备）2.1开采系统2.1.1通风系统•通风系统（中央式、对角式、混合式和分区式）•通风方式（抽出式、压入式和抽压联合式）•风路系统2.1.2运输系统•轨道，矿车，单轨吊；•无轨胶轮辅助运输系统•矿井、工作面、巷道2.1通风系统矿井通风系统由影响矿井安全生产的主要因素所决定。根据相关因素把矿井通风系统划分为不同类型。根据瓦斯、煤层自燃和高温等影响矿井生产安全的主要因素对矿井通风系统的要求，为了便于管理、设计和检查，把矿井通风系统分为一般型、降温型、防火型、排放瓦斯型、防火及降温型、排放瓦斯及降温型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯与防火及降温型几种，依次为1-8八个等级。矿井通风是矿井安全生产的基本保障。矿井通风指借助于机械或自然风压，向井下各用风点连续输送适量的新鲜空气，供给人员呼吸，稀释并排出各种有害气体和浮尘，以降低环境温度，创造良好的气候条件，并在发生灾变时能够根据撤人救灾的需要调节和控制风流流动路线的作业。2.1.1通风系统煤矿井下为什么要进行通风？不进行通风不行吗？经过实践证明，不进行通风是不行的。因为井下要生产就要有人，人没有氧气就不能生存。其次人们在井下生产过程中不断产生有毒有害气体，如：一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢、沼气等，如果不排除这些气体人们也无法生产。井下由于受地温等因素的影响需要对井下恶劣气候条件进行调节。矿井通风的基本任务是：•（1）供给井下足够的新鲜空气，满足人员对氧气的需要。•（2）冲淡井下有毒有害气体和粉尘，保证安全生产。•（3）调节井下气候，创造良好的工作环境。2.2.2矿井通风系统分类（1）中央式通风中央式通风是指进风井和回风井大致位于井田走向的中央，中央式通风又分为中央并列式和中央边界式两种形式。2.2.2矿井通风系统分类中央并列式适用于煤层倾角较大，走向不长(一般小于4km左右)，投产初期暂未设置边界安全出口，且自然发火不严重的矿井1初期投资少．采区生产集中，并便于管理‘2．节省风井工业场地．占地少．比在井田内打边界风井压煤少；3进出风井之问的漏风较大．风路较长．阻力较大；4工业场地有噪音影响2.2.2矿井通风系统分类中央边界式适用条件及优缺点：适用于煤层惯角小，走向长度不大的矿井•1比中央并列式安全性要好；•2．矿井通风阻风较小，内部漏风少，有利于对瓦斯，自然发火的•管理；•3工业场地没有噪音影响；•4多一个风井场地、压煤较多2.2.2矿井通风系统分类（2）对角式通风。对角式通风是指进风井位于井田中央，回风井分别位于井田浅部走向两翼边界采区的中央，对角式通风又分为两翼对角式和分区对角式两种形式。2.2.2矿井通风系统分类对角式适用条件及优缺点：一般适用于煤层走向长(超过4km)、井田面积大，产量较大的矿井。其优缺点与中央并列式相反．比中央分列式安全性要好，但初期投资大，建井期较长对有瓦斯喷出或有煤与瓦斯突出的矿井．应采用对角式的通风系统2.2.2矿井通风系统分类（3）混合式通风。混合式通风是大型矿井和老矿井进行深部开采时常用的一种通风方式。一般进风井和回风井由3个或3个以上井筒或斜井按（1）、（2）两种方式组合而成，分为中央分列与对角混合式、中央并列与对角混合式、中央并列与中央分列混合式三种形式。2.2.2矿井通风系统分类适用条件及优缺点：•1矿井走向距离很长以及老矿井的政扩建和深部开采；•2多煤层多井筒的矿井。有利于矿井分区分期投产；•3大型矿井井田面积犬，产量大或采用分区开拓的矿井2.2.2矿井通风系统分类分区回风进风井大致位于井田走向的中央，在采区开掘回风井，并分别安设通风机分区抽出。适用条件及优缺点：•适用于煤层距地表较浅，或因地表高低起伏较大，无法开凿浅部的总回风道。在开采第一水平时，只能采用这种分区回风方式。另外矿井走向长，多煤层开采，高温矿井，亦有采用此方式。•对有瓦斯喷出或有煤与瓦斯突出的矿井应采用分区通风系统。•除适用于上述条件外，还适用于高瓦斯矿井和具备一定条件的大型矿井。分区通风各分区有独立的进回风系统。但与中央进风系统大巷没有通风设施隔绝。如陕西的桑树坪矿及大同云岗矿适用条件及优缺点：•1.各分区有独立的通风路线．互不影响是此方式主要优点，便于管理；•2.建井工期短；•3.安全生产好；•4.分区进风井多，需增加风井场地．通风机管理分散2.2.2矿井通风系统分类抽出式是当前通风方式中的主要形式，适应性较广泛，尤其对高瓦斯矿井，更有利于对瓦斯的管理，也适用于矿井走向长，开采面积大的矿井优点：•1井下风流处于负压状态，当主扇因故停止运转时，井下的风流压力提高可能使采空区瓦斯涌出量减少，比较安全；•2漏风量小，通风管理较简单；•3与压人式比，不存在过渡到下水平时期通风系统和风量变化的困难。缺点：当地面有小窑塌陷区并和采区沟通时，抽出式会把小窑积存的有害气体抽到井下使矿井有效风量减少压入式低瓦斯矿的第一水平，矿井地面地形夏杂、高差起伏，无法在高山上设置通风机。总回风巷无法连通或维护困难的条件下优缺点：•1．压人式的优缺点与抽出式相反，能用一部分回风把小窑塌陷区的有害气体压到地面；•2．进风线路漏风大(如：井口棚及翻笼攥仓漏风)管理困难；•3．风阻大、风量调节困难；•4．由第一水平的压人式过渡到探部水平的抽出式有一定困难；•5．通风机使井下风流处于正压状态．当通风机停止运转时，风流压力降低，有可能使采空区瓦斯涌出量增加抽压联合式可产生较大的通风压力，能适应大阻力矿井需要，但通风管理困难．一般新建矿井和高瓦斯矿井不宜采用，只是个别用于老井延深或改建的低瓦斯矿井2.1.2运输系统井下运输设计，应对并下煤炭、矸石、材料、设备及人员等的运输作统筹安排。运输方式与设备的选型，应根据矿井设计生产能力、煤层赋存条件、瓦斯情况、采煤方法等因素确定。采区运输：大、中型矿井的采区，要积极采用连续化运输，发展重载下运带式输送机。辅助运输要采用高效能、适应性能强、单机服务范围广的设备，减少环节逐步发展集装箱运输，要根据条件采用单轨吊车、卡轨车、胶套轮机车、齿轨机车、无轨胶轮车或其他运输设备，逐步实现全矿井辅助运输的机械化、连续化。大巷运输：主要运输大巷的运输方式应根据运量、运距和技术经济效果优化确定。凡井型较大、采区生产集中、条件适合的矿井，可采用带式输送机，实现全矿井的连续运输。采用轨道运输的矿井，要发展底卸式或侧卸式矿车。要研制改造与底卸式矿车配套的双轨同步牵引电机车，大功率电机车和防爆柴油机车。采区运输、大巷运输、矿井提升和地面储、装、运生产系统，要发展自动化集中控制，配备先进可靠的保护装置。大巷运输新型辅助运输设备种类及使用或试用地点设备类型设备名称使用或试用地点绳牵引单轨吊晋城局古书院矿、平顶山局十二矿、新密局裴沟矿柴油机单轨吊潞安局漳村矿、潞安局常村矿、汾西局水峪矿、竟州局南屯矿、开滦局唐山矿、开滦局荆各庄矿单轨吊蓄电池单轨吊平顶山局一矿、平顶山局七矿绳牵引卡轨车潞安局石圪节矿、潞安局常村矿、霍州局自龙矿．竞州局兴隆庄矿，兖州局南屯矿、邢台局东庞矿、峰峰局万年矿、大屯公司姚桥矿卡轨车柴油机卡轨车齿轨卡轨车柴油机齿轨卡轨车(可带胶套轮)潞安局王庄矿、潞安局石圪节矿、晋城局风凰山矿、兖州局鲍店矿、兖州局济宁二号井、平顶山局一矿柴油机胶套轮机车兖州局北宿矿胶套轮机车蓄电池胶套轮机车柴油机无轨胶轮车神府公司大柳塔矿、鸡西局小恒山矿，兖州局济宁三号井、大同局云岗矿、潞安局漳村矿无轨胶轮车蓄电池无轨胶轮车2.2开采方法2.2开采方法分类按照煤层厚度和倾角，并结合工艺特点及装备水平，我国目前地下开采实际采用的采煤方法主要分为长壁垮落采煤法，放顶煤采煤法，急倾斜采煤法，充填采煤法，水力采煤法以及连续采煤机房柱式采煤法等。采煤方法的选择，应根据煤层赋存情况、开采技术条件、地面保护要求、设备供应状况及安全、产量、效率、成本和煤的回收率等因素，经综合技术经济比较后确定。二、长壁采煤工艺特征及适用条件我国采煤方法及其工艺的发展，大体经历了三个阶段：•第一阶段是解放初期，改革采煤方法，推行长壁工作面，回采工作面采用刮板输送机；•第二阶段是60年代，改革煤的破、装、运等回采工序，实现了落煤、装煤、运煤的机械化；•第三阶段是70年代，推行综合机械化采煤，实现了落煤、装煤、运煤、支护及放顶煤的综合机械化。壁式采煤法特点是：回采工作面长度较长；工作面两端有可供运输、通风和行人的巷道；回采工作面向前推进时，必须不断支护；采空区要随工作面推进按一定方法及时处理；回采工作面内煤的运输方向与工作面煤壁平行。壁式采煤法有多种分类。①按煤层厚薄不同，薄及中厚煤层，通常按煤层全厚一次开采，称整层(单一)开采；厚煤层,一般分为若干中等厚度的分层进行开采,称分层开采。②按工作面推进方向不同，可分为走向长壁采煤法和倾斜长壁采煤法。在分层开采中，由于分层的回采顺序和顶板管理方法不同，可分为下行垮落法和上行充填法等。在中国，开采倾斜和缓倾斜煤层时常用单一（整层）走向长壁采煤法、单一(整层)倾斜长壁采煤法、倾斜分层走向长壁下行垮落采煤法、倾斜分层倾斜长壁下行垮落采煤法、倾斜分层走向长壁上行充填采煤法和倾斜分层Ｖ型倾斜长壁充填采煤法和开采坚硬顶板煤层的刀柱采煤法等。开采急倾斜煤层时，有水平分层采煤法、倒台阶采煤法、仓贮采煤法和掩护支架采煤法，这些都属于壁式采煤法。20世纪初，刮板输送机开始使用，壁式采煤法随之有很大发展，目前已成为各国的主要采煤方法。除美国和澳大利亚等国外，在苏联、英国、联邦德国、波兰等国壁式采煤法占矿井总产量的90％；中国煤矿自50年代开始采用壁式采煤法，1980年占统配煤矿总产量的90％左右，随着采煤机械化程度不断提高，壁式采煤法的使用范围将日益扩大。壁式采煤法单一走向长壁采煤法也称整层走向长壁采煤法，特点是回采工作面沿煤层倾斜方向布置，沿走向方向推进;工作面长度较长,一般为100～150m，短的有30～40m，长的超过200m。在回采工作面的上方和下方沿走向分别布置回风平巷和运输平巷，构成回采工作面和采区巷道之间的通风、运输和行人的通道。根据煤回采工艺不同，每一循环的推进度一般为0.6～1.2m（图1）