第三章--煤矿开采技术VIP

,第三章煤矿开采技术,根据矿床覆存情况和开采技术条件，可采用地下开采或露天开采。露天开采适用于矿床厚度较大、埋藏较浅的条件。我国采用露天开采的煤矿仅仅占国有重点煤矿产量的67。,地下开采的重要特点是地下作业，生产环节多，工序复杂，且生产场所随矿产被采出而不断转移。因此，要以开采为中心，建立地面及井下生产系统，搞好掘进、运输、提升、通风、排水、动力供应及生产技术管理。在一定程度上开采技术是各种技术的综合应用和反映。它的发展对相关技术提出改进要求，又因这些技术的进步而不断发展。,第一节煤矿地质基本知识,无论是新井建设，还是老井扩建，都需要弄清煤炭资源储量的现状以及地质条件、开采技术条件，包括地层赋存状况、构造展布规律、地质灾害(如水、火、瓦斯、煤尘)情况等。随着采煤机械化，自动化的发展，煤炭科学技术日新月异，开采效率越来越高。这就要求对地质条件及地质规律的认识更加明晰，特别是对于地质灾害的预测预报精度要求更高。,一、矿物和岩石,煤层赋存于地壳之中。地壳由岩石组成，岩石是矿物的集合体，矿物由化学元素结合而成。矿物与岩石是地质作用的产物，不同的地质作用形成了不同的矿物和岩石。,岩石圈：包括地壳和地幔的顶部,1、矿物,矿物是天然产出，具有一定的化学成分和有序的原子排列，通常由无机作用所形成的均匀固体。如天然金、方解石、石英等。矿物的化学成分具有相对稳定性，但是由于地质作用的复杂多样性，矿物的化学成分在一定范围内会发生变化。,主要成分为SiO2。纯净的石英无色透明，称为水晶；含杂质时呈各种色调。如含Fe+3呈紫色，称为紫水晶；含有细小分散的气态或液态物质呈乳白色者，称为乳石英。玛瑙也是石英的一种。,主要成分为CaCO3。纯净的方解石无色透明；因含杂质而常呈白、灰、黄、浅红、绿、蓝等色。常分裂为菱面体。,横切面常为六边形；棕褐色或黑色，随含Fe量的增高而变暗。具有珍珠光泽。易撕成薄片，具有弹性。,长石是硅酸盐矿物中分布最广的一类矿物，约占地壳重量的50%。包括三个基本类型：钾长石KAlSi3O8钠长石NaAlSi3O8钙长石CaAlSi3O8,主要成分为Fe2O3，常为致密的块状、鳞片状、豆状或土状集合体，常为暗红色，有的具有金属光泽。不透明。硬度随含铁量的增加而增高。,2、岩石,岩石是天然产出的矿物集合体，具有一定的结构、构造特征，是地质作用的产物。,岩石按照成因分为三大类（1）岩浆岩（2）沉积岩（3）变质岩,成因：,举例：,成因：,举例：,成因：,举例：,岩浆冷却凝固而成,花岗岩、玄武岩,沉积物固结成岩,砾岩、砂岩、页岩、石灰岩,变质作用而成,大理岩、板岩,岩浆,高压,侵入地壳上部或喷出地表,冷却、凝固,岩浆岩,常见岩浆岩,侵入型岩浆岩：花岗岩,喷出型岩浆岩：玄武岩,（1）岩浆岩：由岩浆活动形成的岩石,见图,（2）沉积岩：位于地壳最上部煤层及其顶底板岩石大多属于沉积岩,裸露岩石,沉积岩,外力侵蚀、搬运、堆积,风、流水、冰川、海浪,特点,一层一层的沉积(层理结构),常含有生物化石和结核,常见的沉积岩：砾岩、砂岩、页岩、石灰岩碎屑岩：由机械沉积和火山喷发的各种碎屑物沉积下来后，经压固、胶结形成的岩石。例如：砾岩、角砾岩、砂岩、粉砂岩。粘土岩：由50以上颗粒直径小于0.01mm的粘土矿物组成的岩石。煤层顶板经常由粘土岩组成。例如：粘土、页岩、泥岩。泥岩和页岩一般为隔水层。化学岩和生物化学岩：母岩风化产物中的溶解物呈胶体溶液或真溶液状态被搬运到湖泊中，以化学方式沉淀而形成的岩石属于化学岩，有生物参与，沉淀形成的岩石属于生物化学岩。例如：石灰岩。石灰岩一般为含水层。,（3）变质岩,已成岩石,变质岩,岩浆活动、高温高压,变质作用,举例,石灰岩,大理岩,页岩,板岩,二、煤层的埋藏特点,1、煤层的形态与结构煤层的形态是指煤层在空间上的展布特征，即煤层在空间上的分布状态及变化走势。煤是有古代植物遗体演变而成的。像其他沉积岩一样，煤层在地下也是呈层状埋藏的。层状的煤层其层位有明显的连续性，厚度变化也有一定的规律。但也有似层状和非层状煤层，似层状煤层形状象藕节、串珠或瓜藤等，层位有一定的连续性，厚度变化较大。非层状煤层形状象鸡窝或扁豆等，层位连续性不明显，常有尖灭。,煤层的结构是指煤层中夹矸的数量和分布特征。根据煤层中有无较稳定的夹矸，将煤层分为两类。简单结构煤层：煤层中不含夹矸或夹矸很少的煤层。通常厚度较小的煤层往往是简单结构煤层。复杂结构煤层：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。通常厚度较大的煤层往往是复杂结构煤层。,2、煤层的厚度,煤层厚度是煤层层面间的法线距离。按照对开采技术的影响，分为三类：薄煤层厚度在1.3m以下中厚煤层厚度在1.3-3.5m厚煤层厚度在3.5m以上,3、煤层的顶底板岩石,（1）顶板，根据岩层变形和垮落的难易程度，分为3类伪顶：随采随落直接顶：随回柱放顶垮落的岩层基本顶（老顶）：较难垮落，随这开采面积的增大，发生断裂或缓慢下沉。（2）底板，分为直接底和基本底,三、影响安全生产的地质因素,（一）地质构造原始的煤系地层，一般都是水平或近水平，并在一定范围内连续分布。在地壳运动中，岩层产生变形和变位，形成新的结构成为地质构造。其表现形式是多种多样的。可分为单斜构造、褶皱构造和断裂构造三种基本类型。,1、煤层的产状要素,煤层在空间的产出状态和方位称为煤层的产状，它反映煤层的存在方位和延展方向，是井下巷道布置的依据。通常用煤层的走向、倾向、倾角来表示，这三个参数称为煤层的产状要素。走向：倾斜层面与水平线的交线称为走向线，代表水平方向的展布。倾向：煤层层面上与走向线垂直向下的倾斜线在水平面的投影，代表地下倾斜延伸的方向。倾角：煤层与水平面之间的锐角，即倾向线与倾斜线的夹角。,AB走向线OD倾斜线OD-倾向线煤层倾角,煤层按照倾角大小可分为三类：缓倾斜煤层倾角在25o以下；在缓倾斜煤层中，一般将倾角在8o以下的煤层称为近水平煤层；倾斜煤层倾角在25o45o；急倾斜煤层倾角在45o以上。,2、褶皱构造,褶皱是岩层受力变形产生的一系列连续的弯曲。褶皱形态多样，规模大小不一，大者延续几十、几百公里。褶皱构造中每一个弯曲为褶曲，它是褶皱构造的基本单元，基本类型是两种：背斜、向斜。背斜：在形态上是岩层向上弯曲，两翼岩层倾向相背，老的岩层在核部（中间），新的岩层在两翼。向斜：在形态上是岩层向下弯曲，两翼岩层倾向相向，新的岩层组成核部，老的岩层组成两翼。,关于背斜、向斜的问题，不能理解为背斜向上拱起一定是高山；向斜向下弯曲一定是低地。若真是如此，在野外判断褶皱就太容易了。背斜上拱、向斜下坳这的确不错，但“拱”和“坳”是指岩层而言，而与地势的高低是两回事。相反，背斜常成低地，向斜常是山岭，这叫地形的倒置。背斜和向斜往往彼此相邻，连续发育，背斜的一翼就是向斜的一翼，中间没有明显的界限。,褶皱对安全生产的影响,大型的轴部顶板压力常有增大的现象，必须加强支护，容易发生局部冒顶、大面积冒顶等事故，给顶板管理带来很大困难。有瓦斯突出的矿井，向斜轴部极易发生煤与瓦斯突出，是突出危险区。背斜轴部容易积聚瓦斯，发生瓦斯超限。,3、断裂构造,物体受力发生变形这是一般性常识。当变形超过岩层的强度极限时，就会发生断裂。岩层受力遭到破坏，失去连续性和完整性的构造形态称为断裂构造。但是断裂的规模（深度、形态、错动大小）不等，差别很大。我们根据这些差别把断裂分为节理和断层两类。断裂面两侧岩层没有发生显著位移，称为节理或裂隙。有明显错断称为断层。断层是岩层断裂面发生显著位移的断裂构造。,（1）断层的分类,断层的分类方法较多，但按形态分类仍然是研究断层的基础。根据断层两盘相对运动的方向分为正断层、逆断层及平移断层。（1）正断层：指上盘下降，下盘相对上升。断层面倾角一般在45以上。这种断层多为张力或重力作用形成。（2）逆断层：指上盘上升，下盘相对下降的断层（3）平移断层：两盘沿断层面走向方向作水平运动的断层。一般这种断层的断层面较陡，是由水平剪切力形成。,断层往往是水和瓦斯的良好通道。采掘工作面接近断层要防止透水事故发生，防止煤与瓦斯事故发生，防止冒顶事故发生。现场断层判别方法：煤、岩层层位对比法；根据巷道已揭露的断层另一盘的煤、岩层层位，结合断层的产状，来判断断层的性质和落差。在划分井田或采区边界时，如有落差大的断层存在，最好以大断层作为它们的边界。尽可能地将较大断层留在各块段之间的煤柱当中。,（二）陷落柱,它是由煤层下的碳酸盐岩等可溶岩层，经地下水长期溶蚀形成空洞，从而引起上覆岩层失稳、塌陷，形成桶状和椎状的柱体。它破坏可采煤层，影响采掘施工，影响生产安全。它可能是水和瓦斯的良好通道。,影响生产的其他地质因素,煤层厚度变化岩浆侵入矿井瓦斯地温矿山压力,四、矿图,为了满足矿井设计、施工和生产管理等工作的需要而绘制的一系列图纸，统称为矿图。矿图是进行矿井设计、科学管理和指挥生产、合理安排生产计划、预防和治理灾害等必备的基础资料。生产矿井必备的基本矿图可分为两大类：矿井测量图，矿井地质图。,常用的矿井测量图有以下八种：(1)井田区域地形图，比例尺为12000或15000；(2)工业广场平面图，比例尺为1500或11000；(3)井底车场平面图，比例尺为1200或1500；(4)采掘工程(分层)平面图，比例尺为11000、12000或15000；(5)主要巷道平面图，比例尺为11000或12000；(6)井上、井下对照图，比例尺为12000或15000；(7)井筒断面图，比例尺为1200或1500；(8)煤层底板等高线图。,（一）地面点位置的表示法,地理坐标：地面上一点的位置，用经纬度表示。平面直角坐标：在小范围，把这区域视为平面，地面上的点用平面直角坐标表示。高斯投影分带发：从首子午线开始，向东每6o划分为一个带，整个地球划为60个带，用160为序号，每个带做一个平面直角坐标，以赤道为Y轴，将每个带中央子午线向西移500km为X轴。高程：空间任意一点至水准面的铅垂距离。绝对高程是空间任意一点到大地水准面（黄海平均海水面）的铅垂距离。相对高程是空间一点到假定水准面的铅垂距离。两点间的高程差叫高差。,（二）方位角和象限角,标准方向：真子午方向：过地球上某点的真子午线的切线方向，也称地理北方向磁子午方向：当在某点上的磁针自由静止，磁针轴线方向为该点的真磁被方向。它与真子午方向间的夹角，称为磁偏角。坐标纵轴方向：每个带中央子午线的切线方向。,2、方位角：从标准方向北端顺时针方向到某直线的水平角称为该直线的方位角。方位角也有三种，真方位角、磁方位角和坐标方位角。3、象限角：以地面上某一点，用通过这一点的子午线和纬线把大地划分为4个象限，象限顺序为顺时针。一直线和标准方向所夹的锐角称为该直线的象限角。读法是以北或南开头，以东或西结尾，范围是0o90o。,（三）地形图,地貌地表面的高低起伏的状态，如山地、平原、丘陵等。地貌在地形图上主要用等高线来表示。等高线地面上高程相等的相邻点所连成的一个闭合曲线。,等高线的特性,同一条等高线上各点的高程相等。等高线必为闭合曲线。一条等高线不能分叉为两条。不同等高线不能相交。在悬崖处虽然相交，必须有两个交点。等高线平距与地面坡度成反比，越密则表示坡度越陡，越稀表示坡度越缓。等高线与山脊线，山谷线正交。,二、基本地形的判读,1、山地：等高线海拔由四周向中心增大，中心的三角形代表山顶2、盆地：等高线海拔由四周向中心减小3、山脊：等高线由海拔较高向海拔较低处凸4、山谷：等高线由海拔较低向海拔较高处凸,山地,盆地,山谷,山脊,五、煤层底板等高线图,煤层底板与具有一定高程的水平面相交，所得到的交线，就是煤层底板等高线。把它用标高投影的方法投影到水平面上所得到的图形就是煤层底板等高线图。煤层底板等高线图是反映煤层空间形态和构造变动的重要地质图件，是煤矿设计、生产、储量计算的基础。,（一）根据煤层底板等高线确定煤层产状,煤层底板等高线的延伸方向就是煤层的走向，可用象限角表示。倾向和走向垂直，并指向标高值低的方向。求煤层倾角：在任意两等高线之间作垂线AB，AB为两等高线之间的平距，过B作AB的垂线BC，取BC等于两登高线的高差，连接AC，则角CAB为煤层倾角。,A,B,C,220,240,（二）地质构造在煤层底板等高线图上表现,1、褶皱构造向斜：登高线凸出方向是标高升高方向。背斜：等高线凸出方向是标高降低方向。2、断层断层在煤层底板等高线图上表现为等高线中断。断层交面线：煤层底板与断层线的交线。一般有两条交面线，即上盘交面线和下盘交面线。一般情况下，正断层表示为等高线中断，逆断层表现为等高线在交面线之间重叠。,断层面走向：交面线上同标高点的连线。断层面倾向：垂直走向线指向低标高值的方向。逆断层正断层,3、穹窿构造和构造盆地等高线为封闭曲线，由里向外标高降低为穹窿构造，由里向外标高升高为构造盆地。,采掘工程平面图,采掘工程平面图是将开采煤层或其分层内的采掘工程和地质情况，采用标高投影的原理，按一定比例尺绘制而成的图纸。按照规定，采掘工程平面图上应绘制以下内容：(1)井田技术边界，保安煤柱及其他边界线，注明名称和批准文号；(2)本煤层以及与开采本煤层有关的巷道(主要巷道应注明名称和月末工作面位置，斜巷应注记倾向和倾角，巷道交叉口、变坡以及平巷等特征点)，在图上每隔50100mm应注记轨面或底板的高程；(3)回采工作面和采空区，注记工作面月末位置、平均采厚、煤层倾角、开采方法、开采年度和煤层小柱状，丢煤应注明丢煤原因和煤量；,(4)永久导线点和水准点，注明点号和高程；临时点要根据需要注记；(5)钻孔、勘探线、煤层露头线、风化带、煤层变薄区、尖灭区、陷落柱和火成岩侵入区、煤厚点、煤样点以及实测的主要地质构造；(6)发火区、积水区、煤和瓦斯突出区、冒流沙区等；(7)井田边界外100m以内的邻矿采掘工程和地质情况，井田范围内的小煤窑及其开采范围；(8)根据图面允许和实际要求，还可加绘煤层底板等高线、地面重要工业建筑、居民区、铁路、重要公路、大的河流和湖泊等。,可分为设计图和测量图两种。设计图主要用于对采掘工程的规划和设计；测量图主要用于实际指挥生产，必须随测随绘，反映采掘工程的现状。采掘工程平面图一般都要求分煤层绘制。,采掘工程平面图是了解矿井采掘工程情况和地质构造情况，进行矿井采掘工程设计和采掘工作地质预报以及指挥矿井生产的重要资料，同时还可利用它来绘制生产计划图、通风系统图、井上下对照图和“三量”计算图等图纸。除此之外，采掘工程平面图还有以下用途。,1用于求巷道的长度和倾角要求巷道AB的实际长度L和倾角。首先用比例尺量取AB两点的水平长度d并利用注记的标高计算出A、B两点间的高差h，再计算L和。2计算煤炭产量要求月煤炭产量,可按下述步骤进行计算：(1)计算四月份回采区域的水平面积S(2)计算实际回采面积S(3)计算回采体积V(4)计算四月份的煤炭产量Q,主要巷道平面图,主要巷道平面图与采掘工程平面图基本相同，不绘制一些次要的巷道，但要加绘水闸门、水闸墙、永久风门、防火门、突水点和抽放水钻孔等信息。反映巷道位置系统及其在空间上的相互关系。用途是了解水平内巷道布置和煤层开采情况，了解煤层沿走向方向变化情况以便于知道巷道的设计和施工，了解本水平内主要断层的分布情况，丈量主要巷道的长度和确定煤层间的水平间距。,井上下对照图,井上下对照图是以井田区域地形图为基础加绘主要巷道综合平面图上一部分信息以及井田开采边界和主要保护煤柱边界绘制而成的。主要用于规划地面建设和地下开采设计，确定由于井下开采所引起的地表移动范围；解决在铁路、水体和建筑物下开采的问题；解决矿井的防、排水问题。,第二节矿井开拓,基本概念,煤田：同一地地质时期形成，并大致连续发育的含煤岩系分布区。面积由几十到数百平方公里。矿区：统一规划和开发的煤田或其一部分。井田：划规一个矿井开采的部分煤田。矿区开发：根据煤层赋存条件、煤炭储量、煤炭要求量、投资环境等情况，确定矿区规模、井田划分、井田开拓方式（矿井或露天）、矿井建设顺序、辅助附属企业的建设，以及外部协作条件等全面规划及其建设过程。,1、储量的分级和分类,储量分级级、级、级、级高级储量（工业储量）：级+级+级远景储量：级,、矿井储量分类,矿井地质储量能利用储量（表内）（B+C+D）尚难利用储量（表外）能利用储量：工业储量一般Zg=（B+C）远景储量（D）工业储量：可采储量设计损失量（开采损失）,工业储量（Zg）能够作为矿井设计和投资的储量一般Zg=A+B+C缺煤地区Zg=A+B+C+0.5D可采储量（Zk）矿井设计的可以采出的储量设计损失（开采损失）设计丢在地下的储量。有的可预知，有的不可预知。Zk=（Zg-P）CP永久煤柱损失；C采区采出率，%。,采区采出率的规定,煤层C薄煤层不小于0.85中煤层不小于0.8厚煤层不小于0.75,二、矿井生产能力A,1、矿井生产能力：矿井设计的年生产能力，万t/a；2、矿井井型：按矿井设计年生产能力大小划分的矿井类型。一般分为：特大型矿井：300、400、500、600万t/a及以上；大型矿井：120、150、180、240万t/a；中型矿井：45、60、90万t/a；小型矿井：30万t/a以下。,3、影响矿井生产能力的因素,矿井地质条件；开采技术水平；国家需煤情况。,4、确定矿井生产能力的方法,1）地质条件及开采技术：矿井开采条件所能保证的原煤生产能力，主要指同时正常生产的采区生产能力之总和。定A的步骤：（1）定采面的单产AF综采：150500万ta普采：100150万ta炮采：2030万ta,（2）定同采工作面数：符合开采程序，确保安全一矿一面、二面、多面、N1采面数（3）定采区生产能力：ACN1AF（4）定矿井同采采区数N2：一个水平保证年产量。矿井AN2ACN1N2AF一矿一面时：N1N21,确定矿井生产能力的方法,2）辅助环节能力：配套运、提能力：（1.31.5）A，不限A。旧井技改环节改造。3）储量基础4）安全保证。5）经济条件吨煤成本最低,确定矿井生产能力的方法,三、矿井服务年限T（servicelife）,lZk一定，矿井的设计生产能力A要和服务年限T在数学上成反比要求A与T相适应：A大T大，A小T小大型矿井投资大，T；配套的企业规模大，T；均衡生产期长，T。我国要求大型矿井的服务年限要大于60年,煤炭工业设计矿井设计规范中储量A与服务年限T的关系,矿井总的生产时间T为：T=t1+t2+t3t1矿井开始生产到达产的产量递增期，a；大型井3a；中型井2a；小型井1at2矿井服务年限（矿井均衡生产的时间）；t3矿井产量递增时间，a。K储量备用系数地方小煤矿K1.3矿井设计K1.4矿区总体设计K1.5,考虑K的原因：,（1）矿井增产（2）意外储量损失i、煤层露头降低；ii、断层影响：只查出落差25m的断层；iii、火成岩侵入；iv、火灾损失；v、小窑开采损失。（3）人为损失采出率达不到要求,二、井田内的划分,井田划分原则1、充分利用自然条件1）利用大的河流、湖泊、国铁、桥梁等；2）地质构造：大的断层、褶曲向、背斜轴线；3）煤层倾角急剧变化地带；4）不同煤质和煤种分布规律，分提分运；5）地形、地物、便于外接国铁；6）层间距。,2、与矿区开发强度相适应的矿井数目和井田范围,矿井储量和开采范围要合理要保证井田要有合理的走向长度小型矿井井田走向1.5km中型矿井井田走向4km大型矿井井田走向715km,3、照顾全局：与相邻井田、生产矿井与建新井、浅部井与深部井、地下矿井与露天矿井4、留有余地：为矿井将来挖潜改造留有余地，留后备区。5、直（折）线原则不受地质条件限制的条件下，人为用直线或折线划分井田边界6、安全经济效果好,1、井田划分为阶段和水平,阶段：沿倾斜方向按一定标高划分的一部分井田。开采水平：运输大巷及井底车场所在的水平位置及所服务的开采范围。开采水平垂高：水平上下边界之间的垂直距离。开采水平划分的意义：影响矿井建设时期的技术经济指标；初期建井工程量；初期建井工期；初期基建投资等；合理的阶段斜长：合理的采区巷道布置及生产系统；合理的区段数；合理的采煤工艺及采面参数；在一定设备条件下，能达到的阶段斜长。,2、阶段内的布置,（1）分区式在阶段范围内，沿走向把阶段划分为若干块断，每一段称为采区。采区有独立的运输和通风系统。通常沿煤层倾斜划分为若干区段，每个区段布置一个采煤工作面。区段的斜长等于工作面长度、运输巷和回风巷与煤柱宽度的总和。近水平煤层沿煤层主要延展方向布置水平大巷，水平大巷两侧布置采掘区，每个采掘区叫一个盘区。分区式布置多采用走向长壁采煤发开采。,（2）分段式,在阶段范围内，沿煤层的倾斜方向将煤层划分为若干走向条带，每个条带布置一个采煤工作面，称为分段。分段的倾斜长度和区段斜长基本相同，分段的走向长度等于井田的走向全长。优点：减少了采区上下山及其硐室的工程量；采煤工作面可以连续推进，减少了搬家次数；采煤工作面数量少，生产系统简单。缺点：容易受地质条件影响。,（3）分带式,在阶段内不划分采区，沿煤层走向划分若干倾斜条带，每个条带布置12个采煤工作面，称为分带。多用倾斜长壁采煤法。优点：巷道布置系统简单，掘进工程量少，投资少，建井周期短，见效快。缺点：倾斜巷道长，掘进比较困难，掘进效率低；下山开采掘进工作面生产环境差；辅助运输困难。,三、矿井开拓,1、巷道的种类矿井巷道按照井巷和水平面夹角不同，巷道可分为垂直巷道、水平巷道和倾斜巷道等。按照作用和服务范围的不同，巷道分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道等。（1）开拓巷道：为全矿井、一个水平或两个以上采区服务的巷道称为开拓巷道。主要有以下几种：井硐、井底车场、石门、运输大巷、回风大巷。由开拓巷道所圈定的煤量叫开拓煤量。,（2）准备巷道,为一个采区内的一个或几个采煤工作面和掘进工作面服务的巷道和硐室叫准备巷道。包括以下几种：采区上下山、采区车场、采区煤仓、区段石门。由准备巷道所圈定的煤量称为准备煤量。（3）回采巷道直接为一个采煤工作面服务的巷道叫回采巷道。包括以下几种：区段运输平巷、区段回风平巷、切眼由回采巷道圈定的煤量叫回采煤量。,2、开拓方式,在井田范围内，从地面向地下开掘一系列巷道进入煤层，建立生产系统，称为矿井开拓。这些井下巷道的形式、数量、位置及其相互关系称为开拓方式。开拓方式的内容包括：井硐形式、水平数目以及阶段内的布置方式等。通常以井硐形式把井田开拓方式分为平硐开拓、斜井开拓和立井开拓三种。,（1）平硐开拓,在山岭和丘陵地带，可以直接从地表用水平大巷进行开拓，叫平硐开拓。有以下几种：走向平硐、垂直走向平硐、斜交平硐、阶段平硐。最简单的开拓方式，技术经济最有利：（1）煤由平硐直接外运，多用矿车（底卸式、普通箱式）也用胶带，运输环节少，设备少；能力大（2）不设井底车场，水自流，无水仓.,（2）斜井开拓,斜井开拓是利用倾斜巷道从地面进入地下到达煤层的开拓方式。埋藏浅、表土层薄、无流砂层。以斜井（主斜井、副斜井、回风井）进行开拓，装备两个井筒，主井一般用胶带或箕斗提煤，副井一般用矿车辅运、行人、进风等，风井回风。小型斜井的主副斜井可均装备矿车提升设备，或只装备一个斜井，串车提升。双钩或单钩提升。,（3）立井开拓,l埋藏深，表土厚、缓倾斜煤层。以立井（主井、副井有时设回风井）进行开拓，装备两个井筒，主井一般用箕斗提煤，副井一般用罐笼辅运、行人、进风等。小型立井的主副井可均装备罐笼，或只装备一个井筒。l井田沿倾斜划分为阶段，设开采水平，可以单水平、多水平或局部设辅助水平开拓。,（4）综合开拓,综合开拓方式主副井采用不同的井筒（硐）形式进行开拓的方式主斜井副立井开拓方式斜井优点：主斜胶带运输，运输能力大，不受长度限制，缺点：副斜辅提难，线路长，阻力大，通风难，改为副立井：则辅提快、线路短、通风容易。,3、开采顺序,包括井巷的开掘顺序和煤层的开采顺序。井巷开掘顺序一般按照开拓巷道、准备巷道和回采巷道的顺序进行。阶段内的开采顺序：一般采用“采区前进、区内后退”。先采靠近井筒的采区，由近及远；采区内部在采区边界开切眼贯通，向采区上山后退回采。采区内各区段之间的开采顺序一般采用下行式，沿倾斜方向由上而下依次回采。煤层群或厚煤层开采顺序一般采用下行式开采顺序。下一煤层可以在上煤层推进一段距离后开采。,4、矿井生产系统,运输系统通风系统排水系统供电系统课本上举了一个例子，见课本168页,第三节采煤方法,采煤方法包括采煤系统和采煤工艺两部分内容。采煤系统采区内的巷道布置系统以及为了正常生产而必须建立的采区内用于运输、通风等目的的生产系统。采煤工艺采煤工作面各工序所用方法、设备及其在时间上、空间上的进行程序和安排方式。按照工作面长度分为长壁式和短壁式。按照采煤工艺方式和机械化程度不同分为炮采、普采和综采。,二、走向长壁采煤法,（一）单一煤层采区巷道布置采区巷道布置是指在采区布置准备巷道和回采巷道对单一煤层而言，采区巷道布置有以下基本规律：1、采煤工作面必须有两个畅通的安全出口。2、采煤工作面必须按照作业规程规定及时支护，严禁空顶作业。3、采区内至少布置运输上山和轨道上山。4、双巷掘进。5、采区内要设采区车场。,6、巷道间的平面交叉问题。7、在布置两条上山的采区，为避免在采区下部车场安设风门影响运输，常采用轨道上山进风，运输上山回风，如果设回风上山，就不存在这一问题。8、采区内一般设置采区煤仓和采区硐室。9、当煤层厚度较大时，采区服务年限较长，为降低上山及平巷的维护费用，常将上山和区段集中平巷布置在煤层底板岩石中。,1、采区运输石门2、采区回风石门3、采区下部车场4、轨道上山5、运输上山6、上部车场7、中部车场8、10、回风平巷9、运输平巷11、联络巷12、采区煤仓13、采区变电所14、绞车房,（二）区段平巷位置,1、支承压力对区段平巷的影响巷道未开掘以前，地下岩体处于相对平衡的原岩应力状态。巷道开掘以后，就破坏了这种状态，打破了应力平衡，应力重新分布，形成集中应力。这种高于原岩应力的力称为支承压力。工作面前方形成的超前支承压力，由于它随工作面推进而不断向前推移，称为移动支承压力。在工作面采过后，煤体上形成的支承压力不发生明显变化，称为固定支承压力。支承压力深入煤体210m，区段平巷布置在此范围内维护比较困难。,A减压区B增压区C稳压区D塑性区E弹性区,煤层底板支承应力分布,已采区及其两侧煤柱的应力分布冒落带；裂隙带；弯曲下沉带；A原始应力区；B1、B2应力增高区、C应力降低区；D应力稳定区,2.区段平巷布置分析,区段平巷本着围岩稳定、煤岩均匀、避开地质破坏带和高应力区等原则布置。一般采用留煤柱和无煤柱两种布置方式。（1）留煤柱维护区段平巷煤柱尺寸取决煤层厚度和岩性，一般为815m。厚煤层分层开采，有以下三种布置方式：倾斜式布置：内错式、外错式；水平式布置垂直式布置,（2）无煤柱护巷采用留煤柱时，巷道往往在高应力区，不利于巷道维护。根据支承压力的显现规律，与采空区相邻的煤体存在一个应力比原岩应力低的卸载带，在这里掘进和维护巷道可以减轻巷道受压，达到维护巷道的目的沿空留巷：在上区段工作面采过后，将运输平巷平巷保留，做下区段的回风平巷。沿空送巷：在上区段工作面采过后，等采空区上覆岩层稳定后，紧贴废弃巷道，在煤体边缘重新掘进巷道，作为本区段的运输或回风平巷。,（三）多煤层采区联合布置,1、基本概念生产矿井大多开采两个以上煤层。如果每一个煤层都布置生产系统，称为采区分层布置。如果几个煤层共用一套采区上山、硐室甚至区段平巷，就形成采区联合布置。优点：扩大采区储量、延长采区服务年限、减少采区搬家次数、减少掘进量以及维护量，降低掘进率，提高回采率。2、联系方式由于公用上山和区段平巷，所以必须将各煤层与公用上山和区段平巷联系起来。,联系方式有3种。（1）石门联系：开掘与走向斜交的水平巷道与煤层联系一起。优点：掘进施工方便，采用轨道运输时，运输方便，环节少，利于通风。缺点：当倾角小时，石门较长，如作为运输巷道，增加了运输设备和运输环节。（2）斜巷联系：当煤层倾角小时，掘进长度短，当作运输巷时，可以利用自溜运煤，不必安装运输设备。（3）立眼联系：一般作为运输巷。,1、运输大巷；2、回风大巷；3、采区下部车场；4、运输上山；5、轨道上山；6、中部车场；7、上部车场；8、采区回风石门；9、区段运输石门；10、区段轨道石门；11、m1区段运输平巷；12、m1区段回风平巷；13、m2区段岩石集中运输平巷；14、溜煤眼；15、采区煤仓；16、联络斜巷；17、联络小石门,三、倾斜长壁采煤法,倾斜长壁采煤法回采工作面沿煤层走向布置，沿倾斜（仰斜或俯斜）推进采煤。优点：1、取消上下山，简化井下巷道系统。运输环节少，系统简单，通风线路短，风阻小。2、综采面长度保持不便，工作面产量大，提高矿井生产集中化程度。3、减少巷道掘进、维护和运输工作量。4、可采用双工作面布置，工作面长度成倍增加。5、对地质条件适应性强。如果瓦斯大，采用俯斜开采，瓦斯逸散到采空区，水大，可以仰斜开采，水流到采空区。缺点：只适用于倾角小于12o的不存在走向断层的煤层，辅助运输比较困难。,1、水平运输巷2、水平回风大巷3、采煤工作面4、工作面运输斜巷5、工作面回风斜巷6、煤仓7、进风、行人斜巷,四、长壁采煤法的采煤工艺,回采工艺是指采煤工作面内破煤、装煤、运煤、支护和采空区处理等工序在时间和空间上的进行程序和安排方式。前三项为采煤，后面两项为顶板管理,炮采工艺方式主要包括爆破方法破煤、爆破及人工装煤、输送机运煤、推移输送机、顶板支护和回柱放顶的采煤工艺等工序。炮采工艺标志是爆破破煤爆破落煤：包括打眼、装药、填炮泥、连线和爆破等工序。,（一）炮采工艺方式,爆破连线方式有串联、并联和混连等几种。串联网路是把相邻电雷管脚线彼此(手拉手)连接起来，然后再把两端脚线通过端线与母线连接起来，母线接到电源上。串联的连线方式要在工作中灵活掌握，使得有利于脚线的连接。并联是把各个雷管的两根脚线分别连到两根母线上。混连是并联和串联的结合，适用于巷道断面大、炮眼数目多的掘进断面。并联要求的电流大，在井下使用的不多。,1工作面连线方式,2工作面炮眼布置,爆破落煤时要求保证进度，工作面平直，不留顶底煤，不破坏顶板，不崩倒支柱，也不能崩翻输送机，尽量降低雷管和炸药的消耗。因此，要根据煤层的硬度、厚度、节理裂隙以及顶板状况，正确地确定钻眼爆破的参数。爆破参数是爆破说明书里的主要内容。单排眼用于1m以下的薄煤层或煤质松软、节理发育的煤层中，或事先已掏底槽的工作面中；双排眼包括有对眼、三花眼及三角眼，一般用于中厚煤层及煤质中硬的工作面中；三排眼三排眼也叫五花眼，用于煤层较厚和采高较大的工作面中。,炮眼与煤壁的水平夹角一般为5080。，软煤取大值，硬煤取小值。为了不崩落支架，应使水平方向的最小抵抗线朝向两柱之间的空档。顶眼在垂直面上向顶板方向仰起510。顶眼距顶板0105m，其值视煤质软硬和粘顶情况而定，应保证不破坏顶板的完整性。底眼在垂直面上向底板方向保持1020。的俯角，眼底接近底板，以不丢底煤为原则。,炮眼角度满足下列要求,钻眼设备：煤电钻、麻花钎子炮眼深度根据每次的进度而定。一般有浅进度和深进度两种。浅进度的方式主要是配合金属支架和铰接顶梁、可弯曲输送机和爆破装煤，每次进度为0812m；深进度每次进度达2.0m左右。每个炮眼的装药量根据煤质软硬、炮眼位置和深度以及爆破次序而定。炸药与装药量：炸药矿用硝氨炸药，底眼150600g顶眼200g,钻眼深度、装药,串联联线电雷管引爆（毫秒延期电雷管）起爆器起爆detonator，cap毫秒爆破delayelectricdetonator130ms内全部起爆，避免延期引爆瓦斯延期起爆：底眼，中间眼，顶眼增加了自由面提高了爆破效率爆破产生的波相互干扰，有利于减少顶板震动,5）联线与起爆,爆破后可装煤3040%余下的多数为人工装，大铁锹刮板输送机的铲煤板可装一部分，炮采面多用SGW40或SGW44型可弯曲刮板输送机倾角加大后自溜北宿矿炮采机装,二、装煤与运煤,视顶板情况分：点柱，棚子，多用棚子木支柱单体摩擦支柱单体液压支柱铰接顶梁国营重点煤矿用：单体液压支柱+金属绞接顶梁正悬臂齐梁直线线柱正悬臂错梁三角柱控顶排数34排35排特种支护：丛柱、密集、木垛、斜撑,四、支护,丛柱、密集、木垛、斜撑,推移输送机千斤顶正常段6m一个，机头机尾各三个，弯曲段长度等于或大于15m,三、推移输送机,通常采用垮落法回柱放顶撤除支架，让顶板垮落,四、处理采空区,专业工种钻眼放炮、装药、机电维修综合工种装煤、支柱、回柱放顶专业工种一般在全工作面长度内工作综合工种一般在工作面的一段长度内工作采煤循环采煤工作面完成落煤、装煤运煤、支护和处理采空区的周而复始的过程。炮采工作面循环的标志放顶,五、劳动组织,循环方式循环进度与昼夜循环数的总称,六、循环方式,作业方式采煤工作面一昼夜内采煤班和准备班的配合方式准备班工作回柱、检修刮板输送机、缩短运输平巷中的刮板输送机、超前工作面加强支护两采一准，三八制三采三准（三班采煤，边采边准备），三八制，三采一准四六制，两班半采煤，半班准备三八制，四班交叉,七、作业方式,采煤技术员要编采煤工作面作业规程规程中要有：正规循环作业图劳动组织表技术经济指标表正规循环在规定的时间内保质保量地完成了循环作业图中规定任务的循环,八、循环作业图表,炮采面四班交叉循环作业图,面长100m，四班交叉，每班交叉2小时，、班采煤班，、班以准备为主，采煤班装煤、支柱。准备班运料、回柱放顶、钻眼、放炮、移输送机、少量装煤、支柱。工作面放两次炮，支两排支架，放一次顶，一天一个循环,装煤:装煤劳动量大，尽可能爆破装煤。安全:先支护，后装煤先敲帮问顶，清除危石处理瞎炮回柱:由下向上由采空区侧向煤壁侧近水平煤层回柱可以分段,九、炮采工作面的基本点,炮采工作面机械化水平低人工劳动强度大产量和效率低但对地质条件适应性强,十、炮采工艺的特点,普采工艺方式用机械化方法破煤、装煤、输送机运煤和单体支柱支护顶板的采煤工艺普采面的回采工艺过程包括工作面内破煤、装煤、运煤、支护和采空区处理等工序，落煤和装煤是利用采煤机或刨煤机来完成。普采面配套设备有：单摇臂滚筒采煤机或双摇臂滚筒采煤机、刮板输送机，金属寒擦支柱或液压支柱，可配金属铰接顶梁。沿工作面每6m设一移溜器推移输送机，液压移溜器可用设置在平巷内的乳化液泵通过管路进行集中供液控制，也可使用手动的液压式移溜器。,第二节普采工艺方式,一、设备及布置,1MDY-150采煤机；2SGB-630/150可弯曲刮板输送机；3DZ-22单体液压支柱；4HDJA-1000铰接顶梁5推移输送机千斤顶；6运输平巷中的输送机。,(1)基本概念支架是平衡采煤工作面顶板压力的一种构筑物，必须具备两个特性：良好的支撑性能和一定的可缩性。这种特性可以从支柱的特性曲线上表现出来。支柱对顶板的主动作用力称为支柱的撑力，支柱支设时对顶板的作用力称为支柱的初撑力。始动阻力：在顶板压力作用下，活柱开始下缩的瞬间支柱上反映出来的力。工作阻力：支柱受顶板压力作用能够承受的负荷。支柱开始工作的力称为初工作阻力，支柱能够承受的最大工作负荷称为最大工作阻力。,1采煤工作面单体支架的布置及架设,急增阻式：支柱开始支设时，有一个较小的初撑力，当支柱在顶板压力作用下，活柱开始下缩时变形成了始动阻力，后随活柱的下缩；支柱的工作阻力呈直线型急剧增加。这种支柱可缩量较小，其特性曲线如图所示。,支柱的工作特性主要有以下几种：,微增阻式：支柱开始少量下缩时，工作阻力增长极快。当达到初工作阻力Pl后，随着活柱的继续下缩工作阻力增长比较缓慢，直到支柱的最大可缩量，及支柱的最大工作阻力为止。这种支柱的可缩量比急增支柱要大，其特性如图所示。,恒阻式：当支柱支设后，随着活柱下缩，支柱很快达到额定工作阻力，支柱工作阻力保持不变活柱继续下缩，直到支柱设计可缩量耗尽为止，其特性曲线如图所示。从支柱的工作阻力和有利于支护顶板考虑，恒阻式支柱较为有利，急阻式比较差。但恒阻式的结构比较复杂，成本较高。,(2)单体支柱的性能,木支柱：木材是一种各向异性材料，沿纹理方向加压时，支柱的阻力增长快，可缩性要比垂直纹理方向加压时小得多。加垫木后，可缩性增加，阻力增长缓慢，开始阶段只是体现出垫木的力学特性。但木支柱加工方便，压裂和折断时有声响，因而在处理事故时可以使用。单体液压支柱：典型的恒阻性能支架，按其注油方式可分为内注式和外注式两种。规程规定：单体液压支柱的初撑力，柱径为lOOmm不得小于90kN，柱径为80mm不得小于60kN。,摩擦式金属支柱：我国使用比较多的摩擦式金属支柱有急增阻式(HZIA)和微增阻式(HZWA)，它由活柱、底柱与柱锁三个主要部分组成。支柱的特性主要是由柱锁部分决定。HZJA型支柱活柱下缩量在50lOOmm之间，HZWA型支柱可缩量为400mm。原先使用液压升柱器时初撑力为2030kN，不用液压升柱器时初撑力仅为lOkN左右。规程规定：使用摩擦式金属支柱时，必须使用液压升柱器架设，初撑力不得小于50kN。,(3)单体支架布置方式,单体支架常用的有戴帽点柱、棚子支护、悬臂支架支护三种形式，其作用是减缓顶板下沉，维护控顶距内顶板的完整，保证工作空间的安全。悬臂支架由单体支柱和交接顶梁组成。悬臂支架的主要特点：及时支护新暴露的顶板；每列支架连在一起整体性强；挂梁与打柱工序可分开，互不影响。,按照顶梁的悬伸方向不同，悬臂支架分为正悬臂支架和倒悬臂支架两种。悬臂伸向煤壁的支架称为正悬臂支架；悬臂伸向采空区的支架称为倒悬臂支架。正悬臂支架的特点：轨道有悬臂支护，比较安全；采空区一侧悬臂短，切顶性好，顶不易折损；如果提前挂，需掏较深的梁窝。倒悬臂支架的特点：采空区一侧悬臂长，回柱容易，比较安全；顶梁易折损；机道上方空顶面积大。,常用的悬臂式支架的布置方式有齐梁式和错梁式两种。齐梁式支护及顶梁悬臂端与工作面相齐，如果支柱排成直线状，则称为齐梁直线柱。齐梁直线柱的截深与顶梁长度关系：(1)截深等于顶梁长度。采煤机每进一刀挂一次梁打一次柱。(2)截深等于顶梁长度的一半。采煤机每进两刀，挂梁打柱一次。齐梁直线柱多采用正悬臂支护。它的特点是质量容易掌握，切顶效果好，便于行人运料，但挂梁和打柱工作量比较集中。,错梁式支护即顶梁悬臂端相错，梁端呈三角形。如果交错使用正倒悬臂支架，即一列为正悬臂另一列为倒悬臂，支架呈直线状，称为错梁直线柱，采煤机截深是顶梁长度的一半。错梁直线柱的特点是采煤机每进一刀，隔一架棚挂一根梁，顶梁交错向前。顶板悬露时间较短，可得到及时支护，挂梁打柱工作均匀，进机速度快，支柱排列整齐，便于行人和运料，倒悬臂易折损。如果全部使用正悬臂支架，梁端呈三角形，支柱也呈三角形布置，称为错梁三角柱，采煤机截深是顶梁长度的一半。由于不利于行人和运料，使用较少。,2采空区处理,采空区处理方法有缓慢下沉法、全部垮落法、充填法和刀柱法一般采用全部垮落法。每当工作面推进一定距离，及时回柱放顶使顶板岩层垮落下来，以减轻顶板对支架的压力。每次放顶的宽度称为放顶距。放顶距应当同支柱的排距相适应，以保持一定的工作面宽度范围。采煤工作面允许的最大宽度称为最大控顶距，允许的最小宽度称为最小控顶距。通常说的“三、五排控顶。见五回二”就是最大控顶距为五排，最小控顶距为三排，每到五排的时候就簧准备回柱放顶工作。,规程的有关规定：采煤工作面必须经常存有一定效量的备用支护材料。使用摩擦式金属支柱或单体液压支柱的工作面必须备有坑木，其数量、规格、存放地点和管理方法必须在作业规程中规定。采煤工作面严禁使用折损的坑木、损坏的金属顶槊、失效的摩擦式金属支柱和失效的单体液压支柱。在同一采煤工作面中，不得使用不同类型和不同性能的支柱。在地质条件复杂的采煤工作面中必须使用不同类型的支柱时，必须制定安全措施。摩擦式金属支柱和单体液压支柱入井前必须逐根进行压力试验。对摩擦式金属支柱、金属顶粱和单体液压支柱，在采煤工作面回采结束后或使用时间超过8个月后必须进行检修。检修好日的支柱，还必须进行压力试验，合格后方可使用。,采煤工作面必须按作业规程的规定及时支护，严禁空顶作业。所有支架必须架设牢固，并有防倒柱措施。严禁在浮煤或浮矸上架设支架。使用摩擦式金属支柱时必须使用液压升柱器架设，初撑力不得小于50kN；单体液压支柱的初撑力柱径为100mm的不得小于90kN，柱径为80mm的不得小于60kN。严禁在控顶区域内提前摘柱。碰倒或损坏、失效的支柱，必须立即恢复或更换。移动输送机机头、机尾需要拆除附近的支架时，必须先架好临时支架。采煤工作面遇顶底板松软或破碎、过断层、过老空、过煤柱或冒顶区以及托伪顶开采时必须制定安全措施。严格执行敲帮问顶制度。开工前，班组长必须对工作面安全情况进行全面检查，确认无危险后，方准人员进入工作面。,1、单向割煤方式单滚筒采煤机，滚筒直径小于采高割顶煤挂顶梁割底煤，清理浮煤推移输送机（滞后采煤机1015m）采煤机往返一次进一刀煤壁推进了一个截深,采煤机的割煤方式,煤层较薄，单滚筒采煤机，滚筒直径接近煤层层厚煤层较厚，双滚筒采煤机上行：割煤，挂梁，推移输送机（滞后1015m）铲装浮煤，支柱下行：割煤，挂梁，推移输送机铲装浮煤，支柱往返一次进两刀,2、双向割煤方式,采煤机滚筒向垂直于煤壁方向推进，进入下一截深的切割作业进刀方式的实质采煤机运行与推移输送机的关系。1、端头斜切进刀2、中部斜切进刀字形割煤往返一次进一刀工艺方式上半段割煤下半段推输送机上半段推输送机下半段割煤,采煤机的进刀方式,端头斜切进刀,中部斜切进刀,字形割煤往返一次进一刀工艺方式上半段割煤下半段推输送机上半段推输送机下半段割煤,两采一准，一昼夜一循环单向割煤三五排控顶,普采循环作业图,加强机道支护，防止机道冒顶预掏梁窝，临时支护提高初撑力和支护刚度破碎顶板或网下用成对型钢梁，迈步前移加强放顶线支护的稳定性斜撑、木垛、双排柱、丛柱主要是针对水平推力,普采工艺基本要点,端头支护端头平巷与工作面的交会处，控顶面积大，设备大且多，人员集中，进出口双钩双楔梁，抬棚四对八梁四对八梁，十字绞接顶梁要保证支护质量，初撑力,端头支护，双钩双楔梁,4输送机;6木垛;7双钩双楔梁;8绞车,3m,端头支护，四对八梁,2抬棚长梁;4输送机,端头支护，四对八梁，十字绞接顶梁,1基本支架;2抬棚长梁;3转载机;4输送机;5十字绞接顶梁;,1采煤机；2刮板输送机；3液压支架；4下端头支架；5上端头支架；6转载机；7可伸缩胶带输送机；8配电箱；9移动变电站；10设备列车；11泵站；12喷雾泵站；13绞车；14集中控制台,（三）综采工艺方式,设备及布置,综合机械化采煤(简称“综采”)，采煤工作面的落煤、装煤、运煤、支护、采空区处理等主要工序全部实