第二章 煤矿生产技术

一、岩石与岩层（2）岩层的产状三要素：走向、倾向、倾角。走向：倾斜岩层的层面与水平面的交线，称为走向线。走向线上各点的高程都相等。走向线两端延伸的方向，称为岩层的走向。走向就是表示倾斜岩层在水平面上的延伸方向。倾向：岩层层面上垂直于走向线，并沿岩层层面倾斜向下引出的直线，叫真倾斜线。真倾斜线在水平面上的投影线所指岩层向下倾斜的方向，就是岩层的倾向。倾角：真倾斜线与其在水平面上的投影线的夹角，叫倾角。岩石是一种或一种以上矿物组成的集合体。根据岩石的成因，岩石可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。岩层是指由两个平行的或近于平行的界面所限制的岩性相同或近似的层状岩石。（1）岩层的产状：岩层在地壳中的空间存在状态，如水平岩层、倾斜岩层、直立岩层和倒转岩层。二、地质构造原始形成的沉积岩层受地壳运动的影响而发生了倾斜、褶皱，有的还发生了断裂，沿断裂面产生了位移。这种由地壳运动而造成的岩层或岩体的原始产状和原始形态的改变，称为地质构造变动。发生构造变动的岩层或岩体，形成了各式各样的构造形态（如褶皱、裂隙、断层），称为地质构造。（一）断裂构造地壳中的岩石（岩层或岩体），特别是脆性较大和靠近地表的岩石，在受力情况下容易产生断裂和错动，总称为断裂构造。（1）节理：几乎所有岩石中都可看到有规律的、纵横交错的裂隙。（2）断层：岩块沿着破裂面有明显位移的断裂构造。二、地质构造（2）断层：岩块沿着破裂面有明显位移的断裂构造。断层的几个要素：断层面、断层线、断盘，如图2\|2所示。根据断层两盘相对位移的关系分类：①正断层：上盘相对下降，下盘相对上升的断层；②逆断层：上盘相对上升，下盘相对下降的断层；③平推断层：断层两盘沿着断层面在水平方向发生相对位移的断层；④枢纽断层：断层运动具有旋转性质，好像上盘围绕着一个轴作旋转运动的断层。二、地质构造（二）褶皱构造岩层在水平方向积压力长期作用下，发生塑性变形而形成波状弯曲，这种构造形态称为褶皱构造。褶皱构造中岩层的一个弯曲，称为褶曲。褶曲的基本形态分为背斜和向斜。背斜：突出的弯曲，两翼岩层从中心向外倾斜。向斜：岩层向下凹陷的弯曲，两翼岩层自两侧向中心倾斜，如图2\|3所示。三、煤层煤层：是指顶、底板岩石之间所夹的一套煤及其矸石层。煤层是煤系的主要组成部分，煤层层数、厚度及其变化是评价煤田经济价值的主要因素。1.煤层顶、底板（1）顶板：煤层上覆的岩层。根据岩性、厚度及采煤过程中的跨落难易程度，顶板分为：伪顶、直接顶和基本顶。（2）底板：位于煤层之下的岩层，分为直接底和基本底两种，如图2\|4所示。2.煤层结构煤层结构是指煤层中是否含有夹石层，分为简单结构和复杂结构和极复杂结构三种。3.煤层的形态煤层赋存的空间几何形态，分为层状煤层、似层状煤层和不规则状煤层三种形态。4.煤层的厚度（1）厚度分类。煤层的厚度是指煤层上下层面之间的垂直距离。①煤层总厚度：包括夹石层在内的煤层全部厚度之和。②煤层有益（纯煤）厚度：所有煤分层厚度的总和。③煤层可采厚度：在现代经济技术条件下适于开采的煤分层的总厚度。（2）煤层厚度等级。薄煤层，≤1.3m;中厚煤层，1.3~3.5m;厚煤层，＞3.5m。一、煤田开发由于煤矿开采的对象是赋存于地下的煤层，受地质条件和生产技术的限制和影响，一个矿井（一套生产系统）所能开采的煤层范围是有限的，往往难以开采整个煤田，在一个井田上进行开采的煤矿一般叫矿井。一、煤田开发煤田的范围差异较大，大的煤田面积可达数千平方千米，储量可达数百亿吨。对于这样大的煤田，如果用一个矿井来开采，无论从技术上、经济上和安全上都是不合理的。因此，在开发一个煤田时，应将煤田划分成若干较小的部分，由若干矿井进行开采。划归一个矿井开采的那部分煤田称为井田。煤田划分为井田后，每个井田的范围仍然很大。井田的走向长度可达数千米甚至数万米，倾斜程度可达数千米，井田的储量可供开采数十年甚至数百年。为了有计划地按照一定的顺序进行开采，需要将井田划分为若干更小的部分。二、矿井开拓矿井开拓方式：指由地表进入煤层而开掘的一系列巷道的布置方式。以井筒形式为主要依据，将矿井开拓方式分为：平硐开拓立井开拓斜井开拓综合开拓一、矿井开拓（一）平硐开拓平硐开拓是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的开拓方式。平硐一般分为走向平硐、垂直平硐和阶梯平硐。（二）立井开拓立井开拓是利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。它也是我国煤矿广泛采用的开拓方式。（三）斜井开拓斜井开拓是利用倾斜巷道由地面进入地下到达煤层的开拓方式。根据井筒位置及开拓巷道布置方式不同，可以分为片盘斜井开拓和斜井分区开拓等方式。（四）综合开拓综合开拓是指借助于两种或两种以上井硐形式综合开拓井田。综合开拓方式有：立井—斜井、平硐—斜井、立井—平硐及立井—斜井—平硐等。二、矿井巷道根据巷道掘进断面中岩石与煤层所占的比例分为：岩巷、煤巷、半煤岩巷按照井巷和水平面夹角的不同，分为：垂直巷道、水平巷道、倾斜巷道按照作用和服务范围的不同，分为：开拓巷道、准备巷道、回采巷道（二）按巷道服务范围及其用途分类矿井巷道按巷道服务范围及其用途，可分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道。（一）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，主要包括主副井、风井、主运输石门、阶段运输大巷、阶段回风大巷等。(二)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称为准备巷道，主要包括采区上（下）山、采区车场、采区煤仓、区段石门等。（三）回采巷道直接为一个采煤工作面服务的巷道称为回采巷道，主要包括区段运输平巷、区段回风平巷、开切眼等。三、矿井生产系统（一）井下生产系统煤矿井下生产系统主要有采煤系统、掘进系统、运煤系统、通风系统、运料排矸系统、排水系统、动力供应系统等。1.采煤系统采煤系统包括合理的巷道布置和适宜的采煤工艺。2.掘进系统掘进系统就是按照井田开采规划的总体部署和采煤设计要求，开掘各种类型的巷道，合理有序地开采煤炭资源的准备系统。3.运煤系统工作面煤炭25→20→14→12→10→5→4→3→1。4.通风系统新鲜空气从地面→2→3→4→5→11→15→19→20→25；污风→23→17→8→7→6→排出。5.运料排矸系统地面→2→3→4→5→9→11→15→23→25。6.排水系统抽排矿井地下水的系统称为排水系统。7.动力供应系统地面变电所→井下中央变电所→采区变电所→（移动式变电站）→工作面配电点。（二）工业广场及地面生产系统工业广场是布置地面生产系统、建筑物、构筑物和井筒位置的场所。工业广场建筑物最主要的是主井、副井，其他工业建筑的位置取决于主、副井的位置；在工业广场内，有办公楼、修配厂、绞车房、矿灯房、变电站、电车房、材料库、电工房、油库、煤仓、金属支架厂等工业建筑和设施，有食堂、宿舍、招待所、医院等民用建筑和生活设施，还有各种管线、轨道等。工业广场还包括地面煤炭深加工系统（原煤的筛分、破碎、拣选、地面储装运）、地面排矸系统和地面管线系统等。一、采煤方法及工艺（一）有关概念采煤工作面：在矿井内进行采煤作业的场地。采煤工作面的采煤高度称为采高，采煤工作面的煤壁长度称为采煤工作面长度。煤壁：在采煤工作面中，直接进行采掘的煤层暴露面。采煤工艺：在采场内根据煤层的自然赋存条件和采用的采煤机械，按照一定顺序完成采煤工作面各道工序的方法及其相互配合。采煤工作面工序包括破煤、装煤、运煤，支护顶板、采空区处理（放顶）等基本工序及其一些辅助工序。各道工序要求不同，在进行的顺序上、时间和空间必须有规律地进行安排和配合。采煤工作面在一定时间内，按照一定的顺序完成采煤工作各项工序的过程，称为采煤工艺过程。采煤系统：采区内的巷道布置系统,以及为了正常生产而建立的用于运输、通风等目的的生产系统。（二）采煤方法采煤方法就是采煤系统与采煤工艺的综合及其在时间和空间上的相互配合。采煤方法主要分为壁式体系和柱式体系两种。我国大多采用壁式体系采煤法。按照采煤工作面的推进方向与煤层走向的关系，壁式体系采煤法又可分为走向长壁采煤法和倾斜长壁采煤法。（1）走向长壁采煤法，如图2\|9所示，首先将采（盘）区划分为区段，在区段内布置回采巷道（区段平巷、开切眼），采煤工作面呈倾斜布置，沿走向推进，上下回采巷道基本上是水平的，且与采（盘）区上山相联。（2）倾斜长壁采煤法如图2\|10所示，首先将井田或阶段划分为带区及分带，在分带内布置回采巷道（分带斜巷、开切眼），采煤工作面呈水平布置，沿倾向推进，两侧的回采巷道是倾斜的，并通过联络巷直接与大巷相联。采煤工作面可分别用爆破、滚筒式采煤机或刨煤机破煤、装煤，用支架支护空间，用垮落法或充填法处理采空区。1.爆破采煤工艺爆破采煤工艺是一种落后的采煤工艺，在山西省、陕西等省份已经明确禁止使用。2.普通机械化采煤工艺普通机械化采煤工作面布置如图2\|11所示，普通机械化采煤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两类。滚筒采煤机主要有单滚筒和双滚筒两种。（三）采煤工艺（1）落煤、装煤。普采工作面的落煤与装煤由采煤机完成。（2）运煤。普采工作面的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。（3）支护。普采工作面使用单体液压支柱与铰接顶梁组成的悬臂支架支护顶板。（4）采空区处理。采空区处理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。单滚筒采煤机普采工作面布置3.综合机械化采煤（1）落煤、装煤。由采煤机完成。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。（2）运煤。采用可弯曲刮板输送机运煤。（3）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。支架的形式不同则移架和推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。迈步式自移支架的移动，依靠本身两框架互为支点，用一个千斤顶推拉两框架分别前移，用另一个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。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，前后两个刮板输送机运煤的采煤工艺。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放落，并将冒落顶煤通过后部刮板输送机运出。放顶煤综采机械由采煤机、自移式液压支架及两部刮板输送机组成。其中，放顶煤液压支架与普通支架有所不同，即在掩护梁上具有一个液控落煤窗口，在掩护梁下安装第2台刮板输送机。放顶煤液压支架4.综采放顶煤采煤工艺二、巷道掘进与支护井巷工程施工方法包括钻眼爆破法和机械化掘进法，两者的主要差别在于破岩方法不同。井巷工程施工方法的主要工序有破岩、装岩、运岩和支护等。（一）破岩1.钻爆破岩法钻爆破岩法是指利用电钻或风钻等进行打眼、装药爆破的方法。为了提高打眼的速度可以使用专门的钻眼机械打眼，如风动凿岩机等。钻爆破岩法推广光面爆破。光面爆破是指在钻眼爆破过程中，通过采取一定的措施，使爆破后的巷道断面形状、尺寸基本符合设计要求，并尽量使巷道轮廓以外的围岩不受破坏的一种破岩方法。目前国内煤矿煤巷掘进以机械化掘进为主，岩巷掘进以钻爆破岩法为主。2.机械化破岩法机械化破岩法是指利用综掘机对煤岩体进行切割和破碎的方法。该方法具有掘进速度快、效率高、巷道成形好、施工质量好等优点，在煤巷掘进中得到了广泛应用。采用综合机械化掘进机。可与自卸车、梭车、带式输送机等配套，实现掘进、运输连续作业，实现全自动凿岩机一次成巷施工。（二）装岩与运岩装运煤岩有人工装运和机械装运两种方法。常用的装岩机有耙斗式、铲斗式、蟹爪式等。运输普遍采用矿车，用人或电机车调车。掘进煤巷时可以直接用刮板输送机或带式输送机运煤，综掘设备本身连接有装煤运煤设施。（三）巷道支护维持巷道的有效断面，保持巷道安全使用空间的工作称为巷道支护，其目的是阻止围岩变形和垮落，防止顶板事故发生。巷道支护材料有水泥、石料、混凝土、木材和金属材料（如轻便钢轨、矿用工字钢、特殊工字钢、矿用特殊型钢等）。支护形式有架棚支护（金属拱形支护、木支护）、锚杆支护、锚喷支护、砌碹支护等。按支护存在的时间，分为临时支护和永久支护，锚喷支护和砌碹支护属于巷道永久支护，服务年限较长。1.架棚支护架棚支护按棚式支架的材料构成，可分为木支架、