《采煤学》教材笔记

《采煤学》教材笔记第一章：采煤学概论1.1采煤学的定义与重要性1.1.1采煤学的定义

采煤学是研究煤炭资源开发利用过程中所涉及的基本理论、技术方法、安全环保以及经济管理的综合性学科。它涵盖了煤炭地质、矿井设计、开采技术、通风安全、环境保护等多个方面，旨在实现煤炭资源的高效、安全、环保开采。1.1.2采煤学的重要性

煤炭作为全球重要的能源和化工原料，其开采和利用对于国家经济发展、能源安全以及人民生活水平的提高具有重要意义。采煤学的研究不仅关乎煤炭资源的可持续利用，还直接影响到煤矿企业的安全生产、经济效益以及环境保护。1.2煤炭资源分布与分类1.2.1煤炭资源分布

煤炭资源在全球范围内广泛分布，但主要集中在北半球，特别是亚洲、北美洲和欧洲。中国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，煤炭储量占全球总储量的较大比例。1.2.2煤炭分类

根据煤化程度的不同，煤炭可分为无烟煤、烟煤和褐煤三大类。无烟煤煤化程度最高，含碳量高，挥发分低；烟煤煤化程度中等，挥发分适中，是主要的动力用煤和炼焦用煤；褐煤煤化程度最低，含水分高，发热量低，多用于发电和化工原料。1.3采煤历史与发展趋势1.3.1采煤历史

人类采煤历史悠久，从手工开采到机械化开采，再到智能化开采，经历了漫长的发展过程。随着科学技术的进步，采煤方法和技术不断革新，生产效率和安全水平显著提高。1.3.2发展趋势

未来采煤业将朝着智能化、绿色化、高效化方向发展。智能化开采将利用物联网、大数据、人工智能等技术实现煤矿生产过程的自动化和智能化；绿色化开采将注重环境保护和可持续发展，减少开采过程中的环境污染和生态破坏；高效化开采将提高煤炭资源的回收率和利用效率，降低生产成本。1.4采煤学的学科体系与学习方法1.4.1学科体系

采煤学作为一门综合性学科，其学科体系包括煤炭地质、矿井设计、开采技术、通风安全、环境保护等多个子学科。这些子学科相互关联、相互支撑，共同构成了采煤学的完整知识体系。1.4.2学习方法

学习采煤学需要掌握扎实的理论基础和实践技能。理论方面，要深入学习煤炭地质、矿井设计、开采技术等核心课程；实践方面，要积极参与煤矿实习、实训等活动，了解煤矿生产的实际情况和操作流程。同时，还要注重培养分析问题和解决问题的能力，以及团队协作和创新精神。表1-1煤炭资源分类及特点分类特点主要用途无烟煤高固定碳含量，低挥发分发电、化工原料、高炉喷吹等烟煤中等煤化程度，挥发分适中动力用煤、炼焦用煤、气化用煤等褐煤低煤化程度，高水分、高挥发分发电、化工原料（需经过干燥、提质处理）第二章：煤炭地质基础2.1煤层的形成与沉积环境2.1.1煤层的形成

煤层是由古代植物遗体在特定地质条件下经过生物化学作用和物理化学作用转化而成的。植物遗体在缺氧、还原环境中经过泥炭化、煤化等阶段逐渐形成煤层。2.1.2沉积环境

煤层的形成与沉积环境密切相关。一般来说，煤层多形成于滨海、湖泊或沼泽等沉积环境中，这些环境提供了植物遗体堆积和保存的有利条件。2.2煤田地质构造分析2.2.1煤田地质构造类型

煤田地质构造类型多样，包括褶皱、断裂、节理等。这些构造对煤层的赋存状态、开采条件以及煤矿安全生产具有重要影响。2.2.2地质构造分析方法

地质构造分析主要通过地质勘探、地质测量、地质填图等手段进行。通过对地质构造的详细分析，可以了解煤层的分布规律、厚度变化以及与其他地质体的关系。2.3煤层赋存特征与勘探方法2.3.1煤层赋存特征

煤层的赋存特征包括煤层的厚度、倾角、埋藏深度以及与其他岩层的接触关系等。这些特征对于矿井设计和开采方法的选择具有重要意义。2.3.2勘探方法

煤炭资源勘探主要采用地质勘探、地球物理勘探和地球化学勘探等方法。地质勘探包括地质填图、地质剖面测量等；地球物理勘探包括地震勘探、电法勘探等；地球化学勘探则通过分析土壤中的微量元素来推测煤炭资源的分布。2.4煤炭资源评价与储量计算2.4.1煤炭资源评价

煤炭资源评价是对煤炭资源的数量、质量、开采条件以及经济价值进行综合评估的过程。通过评价，可以了解煤炭资源的开发利用潜力和市场前景。2.4.2储量计算

储量计算是根据地质勘探资料和开采条件，采用一定的计算方法对煤炭资源的数量进行估算的过程。储量计算的结果对于矿井设计、开采规划以及资源管理等具有重要意义。第三章：矿井开拓与开采设计3.1矿井开拓方式选择3.1.1矿井开拓方式的分类

矿井开拓方式主要分为平硐开拓、斜井开拓、立井开拓以及综合开拓等。不同的开拓方式适用于不同的地质条件和开采条件。3.1.2开拓方式的选择原则

选择矿井开拓方式时，需要考虑地质条件、煤层赋存状态、开采规模、开采方法以及经济效益等因素。同时，还要注重矿井的安全生产和环境保护。3.2井巷布置与支护技术3.2.1井巷布置原则

井巷布置应遵循安全、高效、经济的原则。要确保矿井通风、运输、排水等系统的畅通无阻，同时要考虑矿井的生产能力和开采顺序。3.2.2支护技术

井巷支护技术主要包括锚杆支护、喷射混凝土支护、棚式支护等。支护技术的选择应根据井巷的地质条件、断面尺寸以及使用期限等因素综合考虑。3.3开采水平与阶段划分3.3.1开采水平设置

开采水平是指矿井中开采煤层时所划分的水平层次。开采水平的设置应根据煤层的赋存状态、开采方法以及矿井的生产能力等因素综合考虑。3.3.2阶段划分

阶段划分是指将开采水平进一步划分为若干个开采阶段，以便进行有序的开采活动。阶段划分的合理与否直接影响到矿井的生产效率和资源回收率。3.4开采设计与优化策略3.4.1开采设计原则

开采设计应遵循安全、高效、环保的原则。要确保矿井的通风、运输、排水等系统完善可靠，同时要考虑资源的合理利用和环境保护。3.4.2优化策略

开采设计过程中，应注重采用新技术、新工艺和新设备，提高开采效率和资源回收率。同时，还要加强矿井的安全管理和环境保护工作，确保矿井的安全生产和可持续发展。第四章：采煤方法与工艺4.1采煤方法分类与选择4.1.1采煤方法分类

采煤方法主要分为壁式采煤法和柱式采煤法两大类。壁式采煤法包括走向长壁采煤法、倾斜长壁采煤法等；柱式采煤法包括房式采煤法、房柱式采煤法等。4.1.2采煤方法选择原则

选择采煤方法时，需综合考虑煤层赋存条件、矿井生产能力、开采技术条件、安全条件以及经济效益等因素。同时，还应注重环境保护和可持续发展。4.2壁式采煤法详解4.2.1走向长壁采煤法

4.2.1.1特点

走向长壁采煤法适用于缓倾斜、中倾斜煤层，具有工作面长度大、推进速度快、生产效率高等优点。4.2.1.2工艺流程

包括破煤、装煤、运煤、支护、采空区处理等工序。其中，破煤采用机械或爆破方式，装煤和运煤采用刮板输送机或胶带输送机，支护采用单体液压支柱或液压支架。4.2.2倾斜长壁采煤法

4.2.2.1特点

倾斜长壁采煤法适用于倾斜煤层，具有减少巷道掘进量、简化生产系统、提高资源回收率等优点。4.2.2.2工艺流程

与走向长壁采煤法相似，但需注意倾斜煤层的特殊性和稳定性问题。4.3柱式采煤法及其应用4.3.1房式采煤法

4.3.1.1特点

房式采煤法适用于薄及中厚煤层，具有开采灵活、设备简单、适应性强等优点。4.3.1.2应用

主要用于开采不规则煤层和边角煤。4.3.2房柱式采煤法

4.3.2.1特点

房柱式采煤法是在房式采煤法的基础上，留设一定宽度的煤柱以支撑顶板，形成采空区后，再回收煤柱。具有资源回收率高、开采强度低等优点。4.3.2.2应用

适用于开采厚度较大、顶板稳定的煤层。4.4特殊条件下的采煤技术4.4.1急倾斜煤层采煤技术

急倾斜煤层开采时，需解决工作面稳定性、顶板管理、运煤和通风等难题。可采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法、水平分段放顶煤采煤法等。4.4.2厚煤层采煤技术

厚煤层开采时，需解决煤层厚度大、开采强度高等问题。可采用分层开采、大采高综采、放顶煤开采等技术。4.4.3薄煤层采煤技术

薄煤层开采时，需解决设备选型、工作面布置、开采效率等问题。可采用刨煤机采煤、滚筒采煤机配薄煤层液压支架等技术。第五章：矿井通风与安全5.1矿井通风原理与系统5.1.1矿井通风原理

矿井通风是利用自然风压或机械风压，将新鲜空气送入井下，稀释并排出有害气体和粉尘，保持矿井空气新鲜、流通良好的过程。5.1.2矿井通风系统

矿井通风系统包括进风井、回风井、通风网络、通风设施等。根据矿井的实际情况，可采用中央并列式、对角式、混合式等通风系统。5.2通风阻力与风量调节5.2.1通风阻力

通风阻力是风流在井巷中流动时所遇到的阻力，包括摩擦阻力和局部阻力。摩擦阻力与井巷的长度、断面、风速等因素有关；局部阻力与井巷的转弯、变径、分支等局部结构有关。5.2.2风量调节

风量调节是通过改变通风网络中的风阻、风压或风机转速等方式，调节矿井各用风地点的风量，以满足生产需要和安全要求。5.3矿井瓦斯防治5.3.1瓦斯来源与性质

瓦斯是矿井中主要有害气体之一，来源于煤层和岩层中的瓦斯赋存。瓦斯具有易燃易爆性，对矿井安全生产构成严重威胁。5.3.2瓦斯防治措施

瓦斯防治措施包括抽放瓦斯、加强通风、监测监控、火源管理等。抽放瓦斯是降低煤层瓦斯含量的有效手段；加强通风可稀释并排出瓦斯；监测监控可及时发现瓦斯超限情况；火源管理可防止瓦斯爆炸事故的发生。5.4火灾、水灾及粉尘灾害预防5.4.1火灾预防

火灾是矿井主要灾害之一，预防措施包括加强火源管理、采用不燃性材料支护、设置消防设施和灭火器材等。5.4.2水灾预防

水灾是矿井另一主要灾害，预防措施包括完善矿井排水系统、加强水文地质勘探、留设防水煤柱等。5.4.3粉尘灾害预防

粉尘是矿井主要职业病危害因素之一，预防措施包括湿式凿岩、喷雾降尘、个体防护等。第六章：矿井提升与运输6.1矿井提升系统概述6.1.1提升系统组成

矿井提升系统由提升机、井架、天轮、钢丝绳、提升容器（如罐笼、箕斗）等组成。6.1.2提升系统作用

提升系统主要用于提升煤炭、矸石、人员、材料、设备等，是矿井生产的重要运输设备。6.2井下运输方式与设备6.2.1刮板输送机

刮板输送机是井下常用的运输设备之一，具有结构简单、适应性强、易于维护等优点。主要用于运输煤炭和矸石。6.2.2胶带输送机

胶带输送机具有运输距离长、运输量大、运行平稳等优点。主要用于长距离运输煤炭和材料。6.2.3轨道运输

轨道运输包括电机车运输和绞车运输。电机车运输适用于平巷和倾斜巷道的运输；绞车运输适用于倾斜巷道和竖井的运输。6.3物料装卸与转运技术6.3.1物料装卸

物料装卸是指将物料从运输设备上卸下或装上运输设备的过程。装卸设备包括装载机、卸载站、翻车机等。6.3.2物料转运

物料转运是指将物料从一个运输系统转运到另一个运输系统的过程。转运设备包括转运站、皮带机搭接等。6.4运输系统自动化与智能化6.4.1自动化技术应用

自动化技术在矿井运输系统中的应用包括自动控制系统、远程监控系统等。这些技术的应用可提高运输系统的安全性和效率。6.4.2智能化发展趋势

随着物联网、大数据、人工智能等技术的发展，矿井运输系统正朝着智能化方向发展。智能化运输系统可实现设备的远程监控、故障预警、智能调度等功能，提高运输系统的可靠性和效率。第七章：矿井水文地质与防治水技术7.1矿井水文地质基础7.1.1水文地质概念

矿井水文地质主要研究矿井地下水的分布、运动规律及其对矿井开采的影响。7.1.2矿井充水水源

主要包括大气降水、地表水、含水层水、老空水等。这些水源在不同条件下可能对矿井构成威胁。7.2矿井水文地质调查与评价7.2.1调查内容

包括地质构造、含水层特性、隔水层特性、地表水体与矿井的关系等。7.2.2评价方法

采用水文地质比拟法、解析法、数值模拟等方法对矿井水文地质条件进行评价，预测矿井涌水量。7.3矿井防治水技术7.3.1防治水原则

坚持“预防为主，综合治理”的方针，采取“探、放、堵、截、排”等综合措施。7.3.2探放水技术

7.3.2.1探水方法

包括超前钻探、电法勘探、瞬变电磁法等，用于探测前方含水层、断层、陷落柱等导水构造。7.3.2.2放水措施

在探明水源后，采取钻孔放水、巷道放水等措施，降低水压，减少矿井涌水量。7.3.3注浆堵水技术

利用水泥、水玻璃等注浆材料，通过钻孔向含水层或导水通道注浆，形成隔水帷幕，隔绝水源。7.4矿井突水预警与应急处理7.4.1突水预警系统

建立矿井突水预警系统，实时监测矿井水文地质参数，预测突水风险。7.4.2应急处理措施

制定突水应急预案，明确应急响应程序、撤离路线、抢险救援措施等，确保人员安全。表7-1矿井水文地质条件评价表评价项目评价内容评价标准地质构造断层、褶皱等发育情况简单：断层少，褶皱平缓中等：断层较多，褶皱较复杂复杂：断层密集，褶皱强烈含水层特性富水性、渗透性等弱富水：含水层薄，透水性差中等富水：含水层中等厚度，透水性一般强富水：含水层厚，透水性强隔水层特性厚度、岩性等稳定隔水：隔水层厚，岩性致密不稳定隔水：隔水层薄，岩性疏松地表水体与矿井关系远离：地表水体与矿井无直接联系接近：地表水体与矿井距离较近，存在潜在威胁直接联系：地表水体与矿井直接相通第八章：矿井开采沉陷与土地复垦8.1矿井开采沉陷原理8.1.1沉陷机制

开采过程中，煤层被采出后，上覆岩层失去支撑，产生移动和变形，最终导致地表沉陷。8.1.2沉陷影响因素

包括煤层厚度、开采深度、开采方法、地质构造等。8.2沉陷预测与监测8.2.1预测方法

采用概率积分法、影响函数法、数值模拟等方法预测地表沉陷范围、深度和形态。8.2.2监测技术

利用水准测量、GPS测量、InSAR测量等技术手段，对地表沉陷进行实时监测。8.3沉陷区土地复垦技术8.3.1复垦原则

坚持“因地制宜，综合利用”的原则，根据沉陷区地形、地貌、土壤等条件，选择合适的复垦方式。8.3.2复垦方法

8.3.2.1工程复垦

通过平整土地、修建排水设施、改良土壤等措施，恢复土地的使用功能。8.3.2.2生态复垦

采用植树造林、种草养畜等方式，改善沉陷区生态环境，提高土地生态价值。8.3.3复垦效果评价

建立复垦效果评价体系，对复垦后的土地利用状况、生态环境质量等进行综合评价。8.4沉陷区综合治理与可持续发展8.4.1综合治理措施

结合沉陷区实际情况，采取工程措施、生态措施、管理措施等综合手段，实现沉陷区的综合治理。8.4.2可持续发展策略

将沉陷区治理与区域经济发展、生态环境保护相结合，推动沉陷区的可持续发展。第九章：矿井智能化开采技术9.1智能化开采技术概述9.1.1智能化开采概念

智能化开采是指利用现代信息技术、人工智能技术等手段，实现矿井开采过程的自动化、智能化和远程化。9.1.2智能化开采意义

提高矿井开采效率、降低生产成本、保障人员安全、促进煤炭行业转型升级。9.2智能化开采关键技术9.2.1精确导航与定位技术

利用惯性导航系统、UWB定位系统等手段，实现采煤机、掘进机等设备的精确定位和导航。9.2.2智能感知与监测技术

采用光纤传感、雷达监测、视频识别等技术，实时监测矿井开采过程中的设备状态、地质条件等信息。9.2.3远程控制与智能决策技术

建立远程控制中心，实现矿井开采设备的远程操控和智能决策。利用大数据分析、机器学习等手段，优化开采方案，提高开采效率。9.3智能化开采系统构建9.3.1系统架构

智能化开采系统包括感知层、网络层、平台层和应用层四个层次。感知层负责采集矿井开采过程中的各类信息；网络层负责信息的传输和交换；平台层负责信息的处理和分析；应用层负责智能化开采方案的制定和执行。9.3.2系统功能

智能化开采系统具备远程监控、智能导航、自动采煤、故障诊断、数据分析等功能，能够实现对矿井开采过程的全面智能化管理。9.4智能化开采技术发展趋势9.4.1技术融合与创新

随着信息技术的不断发展，智能化开采技术将与物联网、云计算、5G通信等技术深度融合，推动矿井开采技术的持续创新。9.4.2标准化与规范化

建立智能化开采技术的标准和规范体系，推动矿井开采技术的标准化和规范化发展。9.4.3人才培养与队伍建设

加强智能化开采技术的人才培养和队伍建设，提高矿井开采人员的专业素质和技能水平。第十章：矿井通风系统设计与优化10.1矿井通风基础理论10.1.1通风目的与原则

矿井通风的主要目的是为井下提供足够的新鲜空气，稀释并排除有害气体和粉尘，保证矿井作业环境的安全和健康。通风设计应遵循安全、经济、高效的原则。10.1.2通风动力与阻力

通风动力主要来源于主扇风机，其产生的风量需克服巷道中的通风阻力。通风阻力包括摩擦阻力和局部阻力，与巷道断面、长度、风速及巷道表面粗糙度等因素有关。10.2矿井通风系统类型10.2.1中央式通风

分为中央并列式和中央分列式，前者进风井和回风井均位于井田中央，后者进风井在井田中央，回风井在井田边界。10.2.2对角式通风

包括单对角式和双对角式，进风井和回风井分别位于井田的两翼，通风路线较长，但通风效果好。10.2.3混合式通风

结合上述两种或多种通风方式，以适应复杂地质条件的矿井。表10-1矿井通风系统类型对比表通风系统类型特点适用条件中央并列式通风设施简单，管理方便井田走向长度较短，煤层赋存条件稳定中央分列式通风阻力较小，通风效果好煤层倾角大，瓦斯含量高，需分区通风单对角式通风路线长，通风阻力大，但风压分布均匀井田面积大，走向长，通风需求高双对角式通风效果好，但建设和维护成本高井田面积大，地质条件复杂，需高风量通风10.3通风系统设计与优化10.3.1设计原则

确保风量充足，风流稳定，通风阻力小，易于管理和维护。10.3.2优化方法

采用数值模拟软件进行通风网络模拟，分析风流分布，优化巷道布局，减少通风阻力，提高通风效率。10.3.3通风设备选型

根据矿井通风需求，选择合适的主扇风机型号和数量，确保风量、风压满足要求。10.4通风系统监测与管理10.4.1监测内容

包括风量、风速、风压、瓦斯浓度、粉尘浓度等关键参数。10.4.2监测手段

采用风速传感器、瓦斯传感器、粉尘传感器等实时监测设备，结合通风管理软件，实现通风系统的智能化监测和管理。第十一章：矿井瓦斯防治技术11.1瓦斯性质与危害11.1.1瓦斯成分与性质

瓦斯主要由甲烷组成，具有易燃易爆性，是矿井主要灾害源之一。11.1.2瓦斯危害

瓦斯爆炸、瓦斯突出等灾害严重威胁矿井安全生产，造成人员伤亡和财产损失。11.2瓦斯预测与监测11.2.1预测方法

采用地质勘探、统计分析、数值模拟等方法