第3章 煤矿开采基本知识

第三章煤矿开采基本知识第一节矿井地质基本知识第二节矿井开采基本知识第三节矿井通风基本知识复习思考题第一节矿井地质基本知识一、煤层的赋存特征1.煤层的形成在成煤的古地质年代，大量的植物死亡后，堆积在停滞水体中的植物遗体经泥炭化作用，转变成泥炭或腐泥；泥炭或腐泥被埋藏后，由于盆地基底下降而沉埋至地下深部，经成岩作用而转变成褐煤；温度和压力逐渐增高，再经变质作用后转变成烟煤至无烟煤。成煤以后被上覆岩层埋在地下。第一节矿井地质基本知识2.煤层的形态与结构煤在地下通常是呈层状埋藏的，煤层在空间的展布特征，称为煤层形态。根据煤层在空间的连续情况，可分为层状、似层状、不规则状、马尾状等煤层形态。第一节矿井地质基本知识煤层结构是指煤层中夹矸的数量和分布特征。按是否含有夹矸层，常将煤层分为以下2种：（1）简单结构煤层，是指不含夹矸的煤层。（2）复杂结构煤层，是指含有夹矸的煤层。第一节矿井地质基本知识3.煤层的顶板与底板（1）顶板。正常层序的含煤地层中覆盖在煤层上面的岩层称为顶板。根据岩层相对于煤层的位置和垮落性能、强度等特征的不同，顶板可分为伪顶、直接顶和基本顶3种。在采煤过程中，直接顶是顶板管理的重要部位。第一节矿井地质基本知识伪顶是指位于煤层之上，随采随落的极不稳定岩层。其厚度一般在0.5m以下，多由页岩、碳质页岩组成，不易支护。直接顶是指位于煤层或伪顶之上，具有一定的稳定性，移架或回柱后能自行垮落的岩层。其厚度一般为1～2m，多由页岩、泥岩、粉砂岩及少量的石灰岩组成。第一节矿井地质基本知识基本顶是指位于直接顶或煤层之上，通常厚度及岩石强度较大且难以垮落的岩层。基本顶一般只发生缓慢下沉，在采空区上方悬露一段时间，达到相当面积之后才垮落一次。其岩性多为砂岩、砾岩和石灰岩等坚硬岩石。第一节矿井地质基本知识（2）底板。正常层序的含煤地层中赋存于煤层之下的岩层称为底板。底板可分为直接底和基本底2直接底是指位于煤层之下硬度较低的岩层，厚度一般几十厘米至几米左右，通常为泥岩、页岩或基本底是指位于直接底或煤层之下较硬岩层，通常为厚层砂岩、石灰岩等。第一节矿井地质基本知识4.煤层的厚度煤层厚度是指煤层顶、底板之间的垂直距离，又称为真厚度。根据矿井开采的技术特点，煤层厚度可大致分为以下3类：第一节矿井地质基本知识（1）薄煤层，是指厚度为1.3m以下的煤层。（2）中厚煤层，是指厚度为1.3～3.5m的煤层。（3）厚煤层，是指厚度为3.5m以上的煤层。第一节矿井地质基本知识在实际工作中，习惯上把厚度大于8m的煤层称为特厚煤层。在复杂结构的煤层中，煤层厚度可分为总厚度和有益厚度。总厚度是指包括夹矸在内的全厚度；有益厚度是指除去夹矸的纯煤厚度。ab—走向线；cd—倾向线；ce—倾斜线；α—煤层倾角；1—煤层层面；2—水平面第一节矿井地质基本知识5.煤（岩）层的产状煤层产状是指煤层在空间的位置及特征。煤层产状要素有走向、倾向和倾角，如图（煤层产状）。（1）走向。煤层走向线是指煤层层面与水平面相交的线。走向线两端所指的方向称为走向。走向代表煤层在水平面中的延伸方向。第一节矿井地质基本知识（2）倾向。煤层层面上与走向垂直的线称为倾斜线。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。第一节矿井地质基本知识根据矿井开采技术的特点，煤层按倾角大致可分为4类：①近水平煤层，是指倾角为8°以下的煤层。②缓倾斜煤层，是指倾角为8°～25°的煤层。③倾斜煤层，是指倾角为25°～45°的煤层。④急倾斜煤层，是指倾角为45°以上的煤层。第一节矿井地质基本知识二、地质构造地质构造是指煤岩体在地壳运动作用下发生变化留下的形态或迹象。矿井地质构造包括井田范围内的褶皱、断层、节理和层间滑动等。矿井地质构造是影响煤矿生产和安全最重要的地质条件，也是岩体失稳的重要地质因素。1—背斜；2—向斜第一节矿井地质基本知识（一）常见的构造形态1.褶皱构造岩层或煤层在地应力作用下形成一系列连续的弯曲形态称为褶皱构造。每个单独的弯曲称为褶曲。岩层向上凸起，并且核部是老地层、两侧为新地层者称为背斜；岩层向下凹陷，并且核部是新地层、两侧为老地层者称为向斜，如图（背斜和向斜）。第一节矿井地质基本知识2.断裂构造煤（岩）层受力后发生断裂，出现断裂面，失去了连续完整性的构造形态称为断裂。断裂面两侧煤（岩）层没有发生明显位移的断裂构造称为裂隙或节理；断裂面两侧煤（岩）层产生明显位移的断裂构造称为断层。α—倾角；ab—走向；cd—倾向；1—断层面；2—上盘；3—下盘第一节矿井地质基本知识断层要素包括断层面、断层线、上盘、下盘和断距等，如图（断层要素）。第一节矿井地质基本知识根据断层上、下盘相对运动的方向，断层可分为正断层、逆断层和平推断层。正断层（1）正断层，是指上盘相对下降，下盘相对上升的断层，如图（正断层）。平推断层逆断层第一节矿井地质基本知识（2）逆断层，是指上盘相对上升，下盘相对下降的断层，如图（逆断层）。（3）平推断层，是指两盘沿断层面作水平方向相对位移的断层，如图（平推断层）。（a）冲蚀；（b）冲刷包裹体第一节矿井地质基本知识3.（1）冲蚀，是指成煤后水流侵蚀了煤层、顶板甚至底板，而过后又被砂石充填的现象，又称冲刷带。有的还在煤层内形成包裹体，如图（冲蚀和冲刷包裹体）。第一节矿井地质基本知识（2）陷落柱，是指煤系地层下部可溶性岩石在地下水溶蚀和重力作用下产生的坍塌现象。由于坍塌呈圆形或不甚规则的椭圆形柱状体，所以称为“陷落柱”，如图。岩溶陷落柱第一节矿井地质基本知识陷落柱内有大小不等的煤块、岩块和其他杂质胶结在一起，不坚硬，有的有积水、瓦斯等。在水文地质复杂的矿井中，陷落柱常是地下水的良好通道。陷落柱顶板难于管理。岩溶陷落柱第一节矿井地质基本知识（3）岩浆侵入体。含煤区域内的岩浆活动，无论是侵入、穿插或接触煤层，均可导致煤层的破坏和煤的变质，有的岩浆岩体还直接破坏煤层顶底板，使顶底板失去均一性，如图。煤层受岩浆侵入破坏1—顶板；2—煤层；3—岩浆岩；4—底板第一节矿井地质基本知识岩浆侵入体的存在，是影响煤矿正常生产和安全的地质因素之一。煤层受岩浆侵入破坏1—顶板；2—煤层；3—岩浆岩；4—底板第一节矿井地质基本知识（二）地质构造对煤矿安全生产的影响1.褶皱的影响大型背、向斜轴部附近顶板压力常有增大现象，必须加强支护，否则容易发生冒顶事故，给顶板管理带来困难。有瓦斯突出倾向的矿井，向斜附近往往是瓦斯突出易发区域。第一节矿井地质基本知识2.断层的影响（1）断层带岩石破碎，裂隙发育，易冒落，顶板管理困难。（2）较大的断层破碎带充满水后，可形成一个较大的储水构造；同时，断层破碎带还可以沟通若干个含水层，形成导水构造。当施工至这类含水构造时，容易造成水灾。第一节矿井地质基本知识（3）断层破碎带透气性能较好，在高瓦斯矿井中，瓦斯极易在此积聚，可能会造成瓦斯突出，给安全生产带来威胁。断层的开放性、封闭性对附近瓦斯涌出形式有较大影响。（4）断层破坏了煤层的连续性，给采区划分、工作面布置带来难度。较大断层可形成较宽的无煤带，即损失宝贵的煤炭资源，又使采煤工艺复杂化，给煤矿安全生产带来不利影响。第二节矿井开采基本知识一、矿井开拓方式开拓巷道在井田内的总体布置方式，称为矿井开拓方式。由这些井巷构成的生产系统称为矿井开拓系统。第二节矿井开采基本知识通常按井筒形式将矿井开拓划分立井开拓、斜井开拓、平硐开拓和综合开拓4种方式，如图所示。开拓系统1—平硐；2—立井；3—斜井；4—上山第二节矿井开采基本知识1.立井开拓立井开拓是指利用垂直巷道由地面进入地下，并通过一系列巷道通达矿体（煤层）的开拓方式。立井开拓是广泛应用的一种开拓方式。第二节矿井开采基本知识2.斜井开拓斜井开拓是指利用倾斜巷道由地面进入地下，并通过一系列巷道通达矿体（煤层）的一种开拓方式。当井田划分为阶段或盘区时，利用斜井来集中开拓，称为斜井分区式开拓（或集中斜井开拓）。当井田划分为一个水平开采时，称为斜井单水平分区式开拓；划分为多水平时，则称为斜井多水平分区式开拓。第二节矿井开采基本知识3.平硐开拓平硐开拓是指利用水平巷道从地面进入地下并通过一系列巷道通达矿体（煤层）的开拓方式。平硐开拓一般设主、副平硐或阶梯平硐。当受到地形限制时，也可以只设一个平硐供煤炭运输及辅助运输用，而在浅部露头另设通风平硐或通风小井，作为回风和安全出口。第二节矿井开采基本知识4.综合开拓综合开拓是指借助于2种或2种以上井筒形式从地面进入地下，并通过一系列巷道通达矿体（煤层）的开拓方式。第二节矿井开采基本知识二、采煤工艺在采煤工作面内按照一定顺序完成各项工序及其配合，称为采煤工艺。采煤工艺与回采巷道布置及其在时间上、空间上的相互配合总称为采煤方法。我国常见的采煤工艺有爆破采煤（简称炮采）、普通机械化采煤（简称普采）、综合机械化采煤（简称综采）、综采放顶煤等。第二节矿井开采基本知识1.爆破采煤工作面采煤工艺炮采工艺的主要特点是采用爆破落煤。（1）落煤。用钻眼爆破的方法把煤从煤壁上崩落下来，称为爆破落煤，它包括钻眼、装药、连线和爆破等工序。第二节矿井开采基本知识（2）装煤、运煤。装煤一般采用爆破抛掷装煤和人工装煤2种方式。运煤方式主要有自重运输和刮板输送机运输2种。刮板输送机可分为拆移式和可弯曲式2种。可弯曲式刮板输送机采用液压千斤顶或其他类型的千斤顶移置。（3）工作面支护。工作面的支护方式一般采用单体液压支柱和铰接顶梁支护，使得液压支柱在倾斜方向上呈直线状。第二节矿井开采基本知识（4）采空区处理。采煤工作面控顶距以外的空间称为采空区。采空区的处理方法有全部垮落法、充填法、煤柱支撑法和缓慢下沉法等。爆破采煤工作面采空区处理一般采用全部垮落法。第二节矿井开采基本知识2.普通机械化采煤工作面采煤工艺普采工艺的主要特点是用采煤机落煤。采煤机主要有刨煤机和滚筒采煤机2类。滚筒采煤机主要有单滚筒和双滚筒2种。（1）落煤、装煤。普采工作面的落煤与装煤由采煤机完成。第二节矿井开采基本知识（2）运煤。普采工作面运煤采用可弯曲刮板输送机。推移输送机时，利用液压千斤顶将输送机移到目的地，并使输送机平、直，符合要求。第二节矿井开采基本知识（3）支护。普采工作面使用单体液压支柱与（4）采空区处理。采空区处理与炮采工艺相同，一般采用全部垮落法。对极坚硬的顶板，可以利用深孔爆破方法强制放顶以保证工作面的安全生产。第二节矿井开采基本知识3.综合机械化采煤工作面采煤工艺综采工艺的主要特点是采用采煤机落煤，用整体自移式液压支架支护顶板，落煤、装煤、运煤、支护全部工序实现了机械化。综采工作面设备的配套很关键，尤其应使采煤机、刮板输送机和液压支架这三大设备均符合工作面的条件，并在生产能力、设备强度、空间尺寸等方面配套。第二节矿井开采基本知识（1）割煤、运煤。综采工作面主要采用双向割煤，往返一次进两刀，斜切式进刀。采用可弯曲刮板输送机运煤。（2）支护。综采工作面支护主要采用自移式液压支架，工作面两端一般采用端头支架支护。按支架与围岩的相互作用方式，支架可分为支撑式、掩护式及支撑掩护式3种基本类型。第二节矿井开采基本知识（3）刮板输送机和支架的移动。支架的形式不同则移架和移刮板输送机的方式也不同。整体式支架、移架和推移刮板输送机共用一个液压千斤顶连接支架底座和刮板输送机槽，互为支点、进行推、拉刮板输送机和支架。第二节矿井开采基本知识迈步式自移支架的移动，依靠本身两框架互为支点，用一千斤顶推拉两框架分别前移，另用一千斤顶推移刮板输送机。（4）采空区处理。综采工作面主要用垮落法处理采空区。第二节矿井开采基本知识4.综采放顶煤采煤工艺综采放顶煤工艺的主要特点是采用采煤机割煤和放顶煤。综采放顶煤工艺是在厚煤层中沿煤层底板布置采煤工作面，煤壁采用采煤机割煤，顶煤从支架后部放煤口放煤，用前后2个刮板输送机运煤的采煤工艺。第二节矿井开采基本知识综采放顶煤与综采工艺基本相似，只是综采放顶煤适用于厚煤层开采，且多一道放煤工序。放煤是利用矿山压力将工作面顶部煤在工作面推进过后破碎，在支架掩护梁上的放煤窗口