第五章煤矿生产知识与新技术x

第一节班组长煤矿地质知识须知第二节矿井开拓方式及生产系统第三节采掘技术第四节机电运输与安全第五节矿井通风第六节煤矿生产新技术综述一、煤层的形态结构1、煤层的形态煤在地下通常是呈层状埋藏的，但由于沉积环境不同以及后期地质作用力的影响，煤层的形态发生了变化，一般有层状煤层、似层状煤层和非层状煤层。如图5-1所示。（1）层状煤层：煤层在一定范围内具有显著的连续性，层位稳定，煤层厚度变化有一定的规律。（2）似层状煤层：煤层有一定的连续性，层位比较稳定，煤层厚度变化较大，形状像藕节或串珠等。（3）非层状煤层：煤层连续性不明显，层位极不稳定，常有分叉现象，形状像鸡窝或扁豆等。2、煤层结构煤层的结构是指煤层中夹矸的数量和分布特征（在多数煤层中，含有厚度较薄且有时不稳定的岩层，称为夹矸）。根据煤层中有无较稳定的夹矸，将煤层分为两类。（1）简单结构煤层：简单结构煤层是指煤层中不含有夹矸或含有夹矸很少的煤层（2）复杂结构煤层:复杂结构煤层是指煤层中含有夹矸较多的煤层，且夹矸层的层数、层位、厚度和岩性变化大，影响采掘工作面机械破煤，同时也会影响煤质，使煤的灰分增高。如图5-2所示。3、煤层厚度煤层的厚度是指煤层顶、底板之间的垂直距离。由于成煤条件的不同，煤层的厚度差异也很大，薄的仅数厘米，厚的可达上百米。煤层太薄时就失去了开采价值。通常把煤层分为3类:薄煤层1.3m中厚煤层1.3~1.5m厚煤层1.5m在实际工作中，习惯上将厚度大于6m的煤层称作特厚煤层。3、煤层的产状要素煤层的产状要素是指煤层的走向、倾向及倾角（简称煤层产状三要素），如图5-3所示：（1）走向：煤层走向线是指煤层层面与水平面相交的线。（2）倾向：煤层层面上与走向线垂直的线叫倾斜线。倾斜线由高向低在水平面投影所指的方向称为倾向。（3）倾角：煤层层面与水平面所夹的最大锐角称为倾角。倾角大小反映煤层在空间的倾斜程度。二、煤层的顶、底板顶板：位于煤层上面的岩层。底板：位于煤层下面的岩层。煤层顶底板一般是由砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、黏土岩或石灰岩等组成。按顶板与煤层相对位置及垮落难易程度，可将煤层顶板分为伪顶、直接顶和老顶（又称基本顶），把底板分为直接底和老底。如图5-4所示。（1）伪顶：伪顶是紧贴在煤层之上，极易垮落的薄岩层。（2）直接顶：由一层或几层厚度不定的泥岩、页岩、粉砂岩等比较容易垮落的岩层所组成，一般能随回柱放顶在采空区及时垮落。（3）老顶：老顶又叫基本顶，一般指位于直接顶之上（有时也直接位于煤层之上）厚而坚硬的岩层。（4）直接底：直接底是指位于煤层之下厚度较薄（约0.2~0.4m）的岩层。（5）老底：老底位于直接底或煤层之下，一般由砂岩或石灰岩等坚固岩层所组成。三、矿井地质构造及分类地质构造可分为单斜构造、褶皱构造和断裂构造三大类型。（一）单斜构造岩（煤）层受地质作用力的影响，产生向一个方向倾斜的形态，这样的构造形态称为单斜构造。（二）褶皱构造岩（煤）层在地质作用力的作用下发生变形，呈现波状弯曲，但仍保持了岩层的连续性和完整性，这种构造形态称为褶皱。1、褶皱的基本形态（1）背斜：在形态上是岩（煤）层向上弯拱的褶曲，其特点是两翼岩层倾向相背，核心部位是老岩层，两翼是新岩层。（2）向斜：在形态上是岩（煤）层向下弯曲，特点是两翼岩层倾向相向，核心部位是新岩层，两翼是老岩层，如图5-5所示。2、褶曲构造的基本类型可分为大型褶曲、中型褶曲和小型褶曲三类。（1）大型褶曲：是指影响井田划分和整个矿井开拓系统的褶曲构造，它是矿井设计考虑的主要问题。（2）中型褶曲：是指影响采区布置的褶曲，它是大型褶曲构造的次一级伴生构造。（3）小型褶曲：是指采面准备过程中在巷道中见到的小褶曲。3.褶曲构造对煤矿生产及安全的影响（1）褶曲构造影响巷道布置。如果掘进巷道在煤层中布置，前方出现褶曲后不能保持巷道的水平状态。（2）大型背斜的轴部煤层中瓦斯含量大。（3）大型向斜的轴部顶板压力大，易发生顶板冒落事故。（4）对于矿井水大的矿井，向斜的轴部会积存大量水，不利于安全生产。（5）有煤与瓦斯突出的矿井，向斜的轴部又是煤与瓦斯突出的危险区。（三）断裂构造岩（煤）层受到地质作用力后遭到破坏，在一定部位沿一定的方向产生断裂，这种失去连续性和完整性的构造形态称为断裂构造。根据岩（煤）层断裂后断裂面两侧岩块的显著位移情况，断裂构造可分为裂隙和断层两种基本类型。1、裂隙是指岩（煤）层断裂后断裂面两侧岩块未发生显著位移的断裂构造。它对煤矿安全生产的影响有以下几方面:（1）裂隙影响钻眼与爆破效果；（2）裂隙影响回采效率；（3）裂隙影响顶板管理方法；（4）裂隙影响工作面的布置。2、断层断层是指岩（煤）层断裂后，断裂面两侧岩块发生显著位移的断裂构造。（1）断层要素：包括断层面、断层线、断盘及断距等，如图5-6所示：断距可分为垂直断距（落差）和水平断距，如右图5-7所示：（2）断层分类根据断层两盘相对位移的方向分为三种基本类型，如图5-8所示：正断层:上盘相对下降，下盘相对上升的断层；逆断层:上盘相对上升，下盘相对下降的断层；平移断层:断层两盘岩块沿断层面作水平方向相对移动的断层。根据断层走向与岩层走向关系分为:走向断层:断层走向与岩层走向平行或基本平行的断层。倾向断层:断层走向与岩层走向垂直或基本垂直的断层。斜交断层:断层走向与岩层走向斜交的断层。矿井开拓是指在矿井范围内，从地面向地下开掘一系列巷道，进入煤层，建立矿井提升、运输、通风排水和动力供应等系统。一、矿井开拓方式矿井开拓方式是指为开采煤炭在井田内布置巷道的方式。一般根据井筒形式划分开拓方式，可分为斜井开拓、立井开拓、平硐开拓和综合开拓四类。（一）斜井开拓斜井开拓是我国煤矿广泛采用的一种开拓方式，根据井筒位置及开拓巷道布置方式的不同，斜井开拓又有许多种形式，主要分为片盘斜井开拓和斜井分区开拓。第二节矿井开拓方式及生产系统（1）片盘斜井开拓片盘斜井开拓是斜井开拓的一种最简单的形式，多用于煤田的浅部，井田的范围比较小。它是将整个井田沿倾斜方向划分成若干个阶段,每个阶段倾斜宽度可以布置一个采煤工作面。在井田沿走向的中央地面向下开凿斜井井筒,并以井筒为中心由上而下逐阶段开采。图5-9是一片盘斜井开拓的示例。井田沿倾斜方向分为四个阶段,阶段内工作面按整个阶段布置,即每一阶段斜宽布置一个工作面。开拓程序如下:在井田中央沿煤层倾斜,平行间隔30~40m开掘主斜井及副斜井,每掘进一定距离用联络巷将井筒贯通。当井筒掘到第一片盘边界时,开掘片盘车场,同时自井筒两侧向两翼开掘第一片盘运输巷及回风巷,一直到井田边界上,上、下平巷用开切眼贯通并安装设备,即可从井田边界向井筒方向进行回采。为保证工作面生产的正常接替，在第一片盘采完之前，应按计划延深井筒，开掘第二片盘巷道，依次进行回采。煤炭的运输线路：采煤工作面运输平巷片盘车场主斜井地面。通风线路：主斜井片盘车场运输平巷采煤工作面回风平巷副斜井(为了避免新风与乏风相遇，在主井和回风巷交叉处设置风桥，副井中也要设立风门)地面。特点：系统简单，建井工程量小；投产快，投资少；每一片盘服务年限短，需要经常进行井筒延深工作；而且在遇到地质条件发生变化时，难以保证正常生产。因而在煤田浅部地质构造简单时，可采用这种方式。（2）斜井分区式开拓当井田划分为阶段或盘区时，利用斜井来集中分区式开拓。当井田划分为一个水平时，就叫斜井单水平分区式开拓；当井田划分为多水平时，就叫斜井多水平分区式开拓。图5-10是一典型的斜井单水平分区式开拓方式。井田划分为两个阶段,每个阶段沿走向划分为六个采区。开采水平在上、下两阶段分界面。上山阶段每个采区沿倾斜划分为五个区段,下山阶段分为四个区段。开拓程序如下：在井田中部由地面平行开掘主斜井1和副斜井2(相距30~50m)。主斜井安装输送机提升煤炭,副斜井安装绞车用作辅助提升。斜井井筒掘至开采水平,掘出井底车场3、阶段运输平巷4和辅巷5。到达采区中部位置后，在采区下部车场开掘采区运输上山6和轨道上山7，当采用中央分列式通风时，在主副斜井施工同时，在井田浅部中央开掘回风井口至上山阶段上部车场、区段运输平巷和回风平巷，并掘进开切眼布置工作面回采。第二阶段为下山开采，由水平运输大巷在采区中部布置采区上部车场并沿煤层向下做采区运输下山13和轨道下山14，然后在采区内掘区段平巷，构成采煤工作面。煤炭运输线路：采煤工作面区段运输平巷8采区运输上山6采区下部煤仓阶段运输平巷4井底煤仓斜井地面。下山采区工作面出煤运输线路：下山采区工作面区段运输平巷采区运输下山13采区煤仓井底车场地面。通风线路：新鲜风由主、副斜井井底车场水平运输平巷采区下部车场运输上山采煤工作面区段回风平巷水平回风大巷地面。下山采区通风线路：新鲜风由采区上部车场采区轨道下山区段运输平巷工作面回风平巷采区运输下山水平辅巷水平回风大巷地面。特点：斜井的井筒掘进技术和施工设备相对简单，掘进速度快，一般无需大型提升设备，因而初期投资较少，建井期较短；在多水平开采时，掘进石门的工程量和沿石门的运输量较少；延深斜井井筒的施工比较方便，对生产的干扰少。（二）立井开拓立井开拓是采用垂直巷道由地面进入地下，并通过一系列巷道到达煤层的一种开拓方式。立井开拓除井筒形式与斜井开拓不同外，其他基本都与斜井开拓相同。如在井田和阶段的再划分、阶段内的巷道布置和开采方式以及矿井生产系统等方面，都没有明显的差别。由于开采水平设置的不同，立井又可分为立井单水平上、下山开拓和立井多水平分区式开拓。1、立井单水平上、下山开拓井田采用立井开拓，沿倾斜划分两个阶段，在两个阶段之间设置一个开采水平，为整个井田的两个阶段服务,在水平以上的阶段称为上山阶段，水平以下的阶段称为下山阶段。开拓程序如下:在井田中央，平行间隔30~40m向下开掘立井及副立井，到达设计深度的水平时，开掘井底车场、运输大巷，运输大巷掘过中央采区上山50~100m后，从运输大巷向上开掘采区运输上山的轨道上山,直到井田的上部边界与风井贯通，构成通风系统,即可开掘其他巷道准备采煤工作面。在井底车场的水平面上，除运输大巷以外，还有为生产服务的各种硐室和联络各个煤层的石门。它们担负着整个矿井的运输、提升、通风、排水动力和材料供应、指挥调度等任务,是井下的生产中心。这种开拓方式多用于在煤层倾角较小或近水平煤层中。当煤层倾角较大时,要用多水平开拓。2、立井多水平分区式开拓立井多水平开拓是用两个或两个以上的水平开拓整个井田，按开采水平服务的阶段布置方式不同，可分为立井多水平上山开拓、立井多水平上、下山开拓及立井多水平混合式开拓等。（1）立井多水平上山开拓即将井田分为多个水平，每个阶段的煤炭均向下运到相应的水平，通过主井提到地面。这种方式，每一水平只为一个阶段服务，具有上山开拓的优点。当第一个水平尚未采完，即可延深主、副井到下一个水平，为下一个水平的开拓和采区作准备。这种方式的井巷工程量较大,只适用于较大倾角的煤层。特别是急倾斜煤层。（2）立井多水平上、下山开拓每一个水平均为上、下山服务。与上山开拓方式相比，相应减少了水平数目和井巷工程量。但这种方式增加了下山开采，下山采区的排水、通风及采区辅助提升较为困难。这种方式适用于斜长较大且倾角较小的井田。（3）立井多水平混合开拓即在整个井田中，上面的某几个水平只开采上山阶段，而最下一个水平采用上、下山的布置的方式。这种方式既发挥了单一阶段布置方式的特点，又适当减少了开拓工程量和运输工程量。总之，立井开拓可以适应各种水平的划分方式和阶段内的布置形式。立井开拓的优点是：井筒短、提升速度快、提升能力大、管线敷设短、通风阻力小、维护较容易。此外，立井开拓对地质条件适应性强，不受煤层倾角、厚度、瓦斯等条件的限制。立井开拓的缺点是：井筒掘进施工技术要求高，开凿井筒所需设备和井筒装备复杂，井筒掘进速度慢,基建投资大，等等。（三）平硐开拓平硐开拓是利用水平巷道由地面进入地下，并通过一系列巷道通达矿体的一种开