矿井“掘、采、治”开采技术新体系.ppt

矿井“掘、采、治”开采技术新体系的研究,中国矿业大学 汪理全 教授,主 要 内 容,1 采矿学内容体系的嬗变 2 采矿学内容新体系 3 结 论,1 采矿学内容体系的嬗变,采矿的对象是矿床。矿床可分为金属矿床，非金属矿床及可燃矿物。金属矿床可分为铁金属、贱金属、贵金属及放射性金属。非金属矿床为工业矿物，如石灰石、大理石、石棉、花岗岩等。可燃矿物有煤、石油、天然气、油页岩、天然气水合物（可燃冰）等。历来，上述三类矿床的开采均称为采矿。,1 采矿学内容体系的嬗变,长期的采矿生产实践逐渐形成了煤炭开采、石油和天然气开采、金属矿开采，建材开采等传统产业。随着科学技术的发展，行业间的生产技术水平及发展水平差异愈来愈大。由此，采矿名词的含义也发生了变化。例如，煤炭开采历史悠久，以开采层状矿床煤层为特征。有时也称采矿，但常称为采煤，并从1936年就分离出来，建立了采矿工程学科。煤、金属及非金属固体床开采在开采技术、方法和装备上大同小异，均称为采矿。但习惯上说采矿往往仅指金属和非金属固体矿床开采，且多以开采脉状矿床为特征。至于石油及天然气的开采，在开采技术及装备上完全不同于固体矿床的开采，并从20世纪40年代就分离出去，称为采石油和天然气。,1 采矿学内容体系的嬗变,当前，国务院学位委员会对学科作了统一划分，即矿业工程学科（一级）包括三个二级学科采矿工程、矿物加工工程、安全及技术工程；石油及天然气工程学科（一级），包括三个二级学科石油开发、油气贮运、油气井。,1 采矿学内容体系的嬗变,采煤学是研究煤炭开采技术及其内部规律性的科学。煤炭开采的地质条件各异、采矿系统的随机性和多变性，以及作业环境的特殊性，使煤炭开采技术及采煤学科体系至今仍在发展之中，且具有与时俱进的特点。采煤方法的不断创新是采煤学科发展的永恒主题。合理的采煤方法是搞好煤矿工作面生产及矿井生产的关键。采煤方法的发展将带动煤矿开采各环节的变革。,1 采矿学内容体系的嬗变,例如，1954年，英国创建了长壁工作面综合机械化采煤工艺，掀起了世界煤炭工业第一次技术革命，促进了煤炭科学技术的发展。20世纪80年代，采煤技术与高新技术相结合，研制和使用了大功率、高强度、高可靠性机电一体化综采设备及监控技术，改进了采煤工艺，促使采煤方法向高产高效、安全及高可靠性方向发展，生产效率大幅度提高。被称之为煤炭工业的第二次技术革命。因此，采煤学课程内容体系嬗变的关键是采煤方法。,1 采矿学内容体系的嬗变,1.1 采煤学传统内容体系之一,该课程内容体系是将矿井开采分为采煤方法和矿井开拓两大部分。 走向长壁采煤法的定义为：“采煤方法包括两项内容：采煤系统和回采工艺。 采煤系统，是指采区巷道的布置方式、掘进及回采工作的顺序安排，以及采区的通风、运输系统。 回采工艺，是指在回采工作面所进行的落煤、装煤、运煤、支护和采空区处理等工作，以及它们的安排和配合方式” 。,1 采矿学内容体系的嬗变,1.1 采煤学传统内容体系之一,倾斜长壁采煤法定义为：“在一个区（分）段范围内，回采工作面沿走向线布置。其推进方向可以沿倾斜向上或沿倾斜向下。与回采的同时，沿走向每隔一定距离维护或开掘一条或两条上山，供回采时运煤或通风用。回采工艺过程与走向长壁式相同” 。该内容体系的关键问题是将采煤方法既定义在采区，又定义在区段范围内。,1 采矿学内容体系的嬗变,1.2 采煤学传统内容体系之二,该课程内容体系是将矿井开采分为: 采煤方法、准备方式和矿井开拓。 走向长壁采煤方法定义为：采煤系统和采煤工艺的综合及其在时间和空间上的相互配合。采煤工艺是采煤工作面内按照一定顺序完成各项工序的方法及其配合。而采煤系统回采巷道的掘进时间一般是超前回采工作进行的。它们之间在时间上的配合以及在空间上的相互位置，称为回采巷道布置系统，即采煤系统。,1 采矿学内容体系的嬗变,1.2 采煤学传统内容体系之二,倾斜长壁采煤法定义为：将井田或阶段划分为分带，在分带内布置回采巷道（分带斜巷、开切眼）。回采工作面呈水平布置，沿倾斜推进，两侧的回采巷道是倾斜的，并通过联络巷直接与大巷相联。回采工作面向上推进称仰斜长壁；向下推进称为俯斜长壁。由上可知，该内容体系的关键问题是将采煤方法定义在区段（或分带）范围内。,1 采矿学内容体系的嬗变,1.3 采煤学传统内容体系存在的问题及其分析,（1）采煤方法定义域不确切 采煤学课程传统内容体系之一是将采煤方法既定义在采区，又定义在区段。这就导致煤炭生产中将准备巷道与回采巷道混为一谈，不能准确计算矿井的“三量”（开拓、准备及回采煤量），这不利于生产接替及管理。,1 采矿学内容体系的嬗变,1.3 采煤学传统内容体系存在的问题及其分析,（2）采煤方法定义域的通用性问题 传统的内容体系不能说明壁式体系所属采煤方法的科学内容。例如，走向长壁与倾斜长壁采煤法同属壁式体系采煤法。但走向长壁采煤法的定义域既在采区，又在区段。而倾斜长壁采煤法的定义域又定在分带内。二者的定义域不同。倾斜长壁开采无“采区”的概念。由此可知，传统的采煤方法定义域缺乏通用性。,1 采矿学内容体系的嬗变,1.3 采煤学传统内容体系存在的问题及其分析,（3）关于“带区”问题 传统内容体系之二是将矿井开采分为采煤方法、准备方式和矿井开拓。但倾斜长壁开采原来没有“采区”的概念。最初，倾斜长壁开采是取消了采区，在大巷两侧直接布置分带（采面），且每个分带（条带）设一个煤仓；回采巷道与大巷相联的运料、通风巷道及硐室仍然必须开掘，导致准备巷道工程量增大。于是，将相邻的若干分带共用一个煤仓、用煤巷直接将煤运往煤仓。这样，若干个相邻分带共用一个煤仓，且具有独立生产系统的开采块段，称为“带区”，与采区对应。既可减少准备巷道工程量，生产系统又合理集中。,1 采矿学内容体系的嬗变,1.3 采煤学传统内容体系存在的问题及其分析,（4）采煤队的管理范围问题 一个采煤队管理采煤工作面的工艺及与采煤紧密相联的回采巷道的维修等方便合理。若将采煤队的业务范围拓宽到采区的准备巷道，势必造成采煤队对采煤工作面的采煤工作管理不力，不利于安全生产。,1 采矿学内容体系的嬗变,1.3 采煤学传统内容体系存在的问题及其分析,（5）忽视采动环境的保护 采煤学传统的内容体系是自地表凿井，掘进开拓、准备和回采巷道之后，安装设备试运转后采煤。一般采用垮落法处理采空区。我们将开凿井筒，掘进开拓、准备和回采巷道的工作简称为“掘”，将采煤简称为“采”。于是，矿井开采可归纳为“掘、采”二元开采技术体系。二元开采技术体系的主要问题是忽视采动影响对环境及资源的损害。如造成地表沉陷，破坏水体，矸石侵占土地，污染环境及大气等，有悖于可持续发展的规律。,2 采矿学内容新体系,采煤学内容新体系包括的基本内容有：矿井开拓、采区（盘区、带区）准备、采煤方法、采动治理。由此创建矿井“掘、采、治”三元开采技术体系。,2 采矿学内容新体系,2.1 矿井开拓,由地表进入煤层为开采水平服务所进行的井巷布置和开掘工程称为矿井开拓。在某一井田范围内，按井巷的作用和服务范围，可将矿井井巷分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道。为井田开拓而开掘的基本巷道称为开拓巷道，即为全矿井、开采水平或若干采区服务的井巷，如主井、副井、井底车场、主石门、运输大巷、回风大巷、回风石门、风井等。开拓巷道是从地表进入采（盘、带）区的通道。用开拓巷道建立的矿井运输、提升、通风、排水及动力供应等生产系统,称为开拓系统。开拓巷道在井田内的布置方式称为井田开拓方式。因此，矿井开拓的定义域是从地表进入采（盘、带）区的通道及其服务的范围。,2 采矿学内容新体系,2.2 准备方式,为准备采（盘、带）区而掘进的巷道，称为准备巷道。如采（盘）区上山、下山、车场、区段集中巷、区段石门、采（盘、带）区硐室（煤仓、绞车房、变电所）等。准备巷道是在采（盘、带）区范围内，从已开掘好的开拓巷道起，通达区段（分带）的通路，这些巷道在一定时期内为采（盘、带）区服务。准备巷道的主要作用是准备新采区以构成采（盘、带）区的生产系统。准备巷道的布置方式称为准备方式。准备方式的定义域为采（盘、带）区。,2 采矿学内容新体系,2.3 采煤方法,采煤方法是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。采煤工艺是采煤工作面各工序所用方法、设备及其在时间、空间上的相互配合。回采巷道是形成采煤工作面及为其服务的巷道。如开切眼、工作面运输巷、工作面回风巷等。回采巷道的作用主要是切割出新的采煤工作面并进行生产。因此，采煤方法的定义域在区段（分带）。,2 采矿学内容新体系,2.4 采动治理,采矿的基本特点是具有采动影响。采动影响是地下采矿工程中大面积开采引起的围岩（顶板直至地表、底板及所采矿层本身）位移和变形及其造成的种种损害的统称。对所采煤（矿）层，顶板及底板产生的采动影响可以用“三带”理论描述；而对于地表沉陷及其过程的现象和规律可用地表移动盆地来描述。,2 采矿学内容新体系,2.4 采动治理,“三带”包括顶三带、底三带及边三带。在采煤（矿）工作面上覆顶板岩层内产生的采动影响，谓之“顶三带”。即垮落带、断裂带及弯曲下沉带。在采面边界外侧的煤（矿）层内可形成松弛带、塑性变形带和弹性变形带。在采面边界内侧则可形成矸石堆积带、重新压缩带及矸石压实带。在煤层底板岩层内产生的采动影响称为“底三带”，即鼓胀带、微裂隙带及应力变化带。若根据承压含水层上采煤的技术要求，采场底板岩层自上而下分为破坏带、保护层带及承压水导升带。采动“三带”的影响范围及程度与采深、开采方法、煤（矿）层及岩层的力学性质等有关。,2 采矿学内容新体系,2.4 采动治理,采煤（矿）引起采场上覆岩层移动波及到地表，使地表产生移动,变形和破坏，并在采空区上方形成一个比采空区大的移动范围，称为地表移动盆地。其下沉与变形的规律可用下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形等指标描述。,2 采矿学内容新体系,2.4 采动治理,采动影响造成的独具矿业特色的生态环境问题有： （1）破坏土地。据不完全统计，全国煤矿地下开采造成的地表沉陷累计已达40余万ha，平均每年沉陷2万ha，平均每采1万t煤炭沉陷农田0.2ha。矸石侵占土地。当前全国大中型煤矿有矸石山1500座（不包括乡填小煤矿），矸石堆放量达30亿t以上，侵占土地约65000ha。如平顶山矿区，矸石堆积达3900万t，31座矸石山，占土地98ha。露天开采对表土剥离和排土场破坏土地已达1.76万ha。预计到2010年，矸石排放量将每年增加2亿t，年新增占土地约667ha。这显然加剧了我国土地资源短缺的局面。,2 采矿学内容新体系,2.4 采动治理,（2）破坏和污染水体。煤矿开采造成采场覆岩大面积沉陷的同时，也破坏了水体，矿井疏排水造成地下水位下降。平均每采1t煤需排水2t。焦作矿区每采1t煤排水量高达49t华北地区开采每吨煤平均破坏水资源约10t。全国重点煤矿每年矿井排放废水2.2Gt，其中部分为酸性、高盐或高悬浮物矿井水；选煤废水28Mt，其他工业废水30Mt，生活污水4亿t。这些废水严重污染了环境。,2 采矿学内容新体系,2.4 采动治理,（3）污染大气环境。矿井每年排放的瓦斯超过70亿m3。1999年我国SO2排放总量为1857万t，烟尘排放总量为1159万t，其中75%与燃煤有关。以SO2污染导致的酸雨覆盖面积已达国土总面积的30%以上。,2 采矿学内容新体系,2.4 采动治理,综上所述，矿区生态环境的污染已相当严重。这将影响经济建设、社会发展及人类生存环境。 就煤炭开采技术而言，必须用高新技术来改造传统的煤炭产业，创新少污染的开采技术体系，中国21世纪议程中称少污染的煤炭开采技术体系的基本要点是：综合防治煤矿开采过程中对环境和其他资源的破坏及污染；并将其技术持续地应用于煤炭开采的全过程中，最大限度地减轻或消除煤炭开采对生态环境及其他资源造成的损害。目标是寻求最佳经济效益和社会效益。,2 采矿学内容新体系,2.4 采动治理,图1 少污染开采技术体系,3 结 论,（1）采矿学课程内容新体系一般为矿井开拓、准备方式、采煤方法及采动影响及其治理四部份构成。由此建立矿井的“掘、采、治”三元开采技术体系。 （2）采煤方法是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。形成采煤工作面并为其服务的巷道称为回采巷道。采煤方法的定义域在区段（分带或分段）。为准备采（盘、带）区而掘进的巷道称为准备巷道。准备方式的定义域为采（盘、带）区。 为矿井开拓而开掘的基本巷道称为开拓巷道。矿井开拓的定义域是从地表进入采（盘区、带）区的通路及其服务的范围。,3 结 论,（3）少污染的开采技术，针对减少地表沉陷，可采用条带、充填、条带置还、离层区注浆、房柱式、等综合减沉技术；针对水体的破坏及污染，可采用保水开采、矿井水分类排放及循环使用；为减少废物排放，可采用煤层气与煤共采、矸石井下处理、全煤巷及煤炭地下气化等，尽可能减少对环境和其他资源的破坏。,参考文献,1、北京矿业学院等. 采煤学. 北京：煤炭工业出版社， 1959-9 2、 四川矿业学院采煤方法教