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煤矿生产技术基础知识

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第一章煤矿地质基础知识

第一节地质作用与岩石分类

地壳是煤及各种矿产资源形成和赋存的地方，各种矿产资源的形成和赋存与地壳的物质运动及演化有着密切的关系。

组成地壳的物质――岩石，是地质作用的直接产物。

一、地质作用

地球在不停地转动，组成地壳的物质也在不停地运动着。

在漫长的地质年代中，由于自然动力引起地壳物质组成、内部构造和地表形态变化与发展的作用，称为地质作用。

1.内力地质作用

由地球内部能量引起的地壳物质成分、内部构造、地表形态发生变化的地质作用，叫内力地质作用。

它包括地壳运动、岩浆活动、变质作用和地震作用等。

（1）.地壳运动

（2）.岩浆活动

（3）.变质作用

（4）.地震作用

2.外力地质作用

主要是由地球以外的太阳辐射能、日月引力能等引起。

（1）风化和剥蚀。

（2）搬运和沉积。

（3）固结成岩。

二、岩石分类

岩石按照生成原因，可以划分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。

1、岩浆岩

2、变质岩

3、沉积岩

三．沉积岩的特征

沉积岩在地壳表层分布最广，是最常见的一类岩石。

它覆盖的面积约占地表总面积的75%。

煤矿生产中所遇见的岩石90%以上都是沉积岩。

1、层状构造及层理

岩层两个层面间更细微的成层现象，称为层理。

2、层面构造

（1）波痕。

（2）泥裂。

四、沉积岩分类和主要沉积岩

沉积岩按物质成分和成因可分为碎屑岩类、粘土岩类、化学岩类和生物化学岩类四大类。

矿区常见的沉积岩有以下几种。

（1）角砾岩。

（2）砾岩。

（3）砂岩。

（4）粉砂岩。

（5）泥岩及页岩。

（6）石灰岩。

第二节煤的形成及煤系

一、煤的形成

煤是由地质历史上植物遗体演变而形成的。

在地质历史上成煤时期，地球上气候温暖而潮湿，植物生长茂盛，特别是湖泊沼泽地带密布着茂密的森林或水生植物。

死去的植物遗体堆积在湖泊沼泽底部，随着地壳缓慢下沉逐渐被水覆盖与空气隔绝。

在细菌参与的生物化学作用下，植物遗体开始腐烂分解，有的变成气体跑掉，有的变成液体失散，保留下来的部分变成泥炭层。

植物遗体演变成为泥炭的过程称为泥炭化阶段。

随着时间推移，地壳继续缓慢下沉，泥炭层被水携带来的泥砂等物质覆盖，并且覆盖层逐渐加厚。

在压力和温度的作用下，泥炭层逐渐失去水分而变得致密，这时泥炭就变成了褐煤。

随着地壳继续下沉，覆盖层不断加厚，褐煤在地下深处受到高温和高压的作用，含碳物质进一步富集，氧和水分的含量进一步地减少，比重增大，颜色变深，硬度增加，逐渐地变成了烟煤。

煤的这种变质过程称为煤化阶段。

随着变质程度的进一步增高，烟煤会变成无烟煤。

详见下图：

高等植物低等植物　

　　　　　　　　　　泥炭化作用

　　　　　　　　　　（腐泥化作用）

泥炭腐泥

　　　　　　　　　　　　　成岩作用

褐煤

　长焰煤　成　煤　　　变　腐　　

　不粘煤　　　　　　　　　　　　　　　泥

烟　弱粘煤　煤　化　　　　质　煤

煤　气煤

　　　肥　煤　作　作　　　　作　　

　　　焦　煤　

瘦　煤　用　用　　　　用

贫　煤　

　无烟煤

图1——5成煤过程示意图

第三节煤层结构及埋藏特征

一、煤层的厚度、结构与分类

1、煤层厚度

煤层厚度是指煤层顶底板岩层之间的垂直距离，也称为真厚度。

2、煤层结构

煤层结构是指煤层中是否含有夹矸层。

（1）简单结构煤层：

煤层中一般没有夹矸或偶有1~2层稳定夹矸。

（2）复杂结构煤层：

煤层中夹矸层数较多或很多，层数、层位、厚度及岩性变化大。

一、煤层分类

（1）按煤层厚度分类。

极薄煤层0.3m~0.5m

薄煤层0.5m~1.3m

中厚煤层1.3m~3.5m

厚煤层3.5m~6.0m

特厚煤层>6.0m

（2）按煤层倾角分类：

近水平煤层<5~8

缓斜煤层8~25

倾斜煤层25~45

急斜煤层>450

煤层倾角变化在0~90之间，倾角越大，开采难度越大。

（3）按煤层稳定性分类

可分为稳定、较稳定、不稳定和极不稳定煤层四类。

三.煤层的埋藏特征

1、煤层的顶底板

（1）伪顶：

是紧贴煤层之上的，极易随煤炭的采出而同时垮落的较薄岩层，厚度一般为0.3m~0.5m，多由页岩、碳岩页岩等组成。

（2）直接顶：

是直接位于伪顶或煤层（如无伪顶）之上的岩层，常随着回撤支架而垮落。

厚度一般为1m~2m，多由泥岩、页岩、粉砂岩等较易垮落的岩石组成。

（3）基本顶（老顶）：

是位于直接顶之上或直接位于煤层之上的厚而坚硬的岩层。

通常由砂岩、砾岩、石灰岩等坚硬岩石组成。

（4）伪底：

直接位于煤层之下的薄层软弱岩层，多为炭质页岩或泥岩，厚度一般为0.2m~0.3m。

（5）直接底：

直接位于煤层之下硬度较低的岩层，厚度一般由几十厘米至1m左右，通常为泥岩、页岩或粘土岩。

（6）老底：

指位于直接底下面比较坚硬的岩层，多为砂岩、石灰岩等。

第四节地质构造

一、单斜构造

在一定范围内、煤层或岩层大致向一个方向倾斜，这样的构造形态称为单斜构造。

1、走向就是同一层面上等高两点的连线，走向线延伸的方向即为岩层的走向。

2、倾向在岩层层面上与走向线相垂直并沿斜面向下的一条线叫倾斜线。

倾斜线在水平面上的投影所指方向即为倾向。

3、倾角倾斜线与它在水平面上投影的夹角称为倾角。

二、褶皱构造

（1）　背斜：

在形态上一般是一个中间向上凸起的弯曲，岩层自中心向两侧倾斜。

（2）　向斜：

在青石形态上一般是一个中间向下凹陷的弯曲，岩层自两侧向中心倾斜。

三、断裂构造

岩层受力后遭到破坏，形成断裂，失去了连续性和完整性的构造形态叫断裂构造。

第二章井田开拓

第一节煤田的划分

1、使矿井有合理的开采技术条件

2、尽可能充分利用自然条件划分井田

3、划分井田要统筹兼顾，全面规划

4、人为划分井田

第二节矿井储量、生产能力和服务年限

一、矿井储量

矿井储量是指井田范围内煤炭的埋藏量。

矿井储量有远景储量和工业储量两种。

其中工业储量是矿井建设、设计的重要依据。

矿井的生产能力、服务年限都必须以经批准的精查地质报告提出的工业储量为依据确定。

矿井工业储量中只有一部分能够采出，这部分储量叫做可采储量。

二、矿井生产能力

矿井生产能力系指矿井一年内能生产煤炭的数量，又称矿井年产量或井型。

大型矿井120、150、180、240、300、400及以上万ｔ／ａ

中型矿井45、60、90万ｔ／ａ

小型矿井69、15、21、30万ｔ／ａ

近年来，随着开采技术的不断发展，煤矿井型有不断扩大的趋势，出现了500万ｔ／ａ以上甚至1000万ｔ／ａ的矿井。

三、矿井服务年限

T=Z／AK

式中T――矿井设计服务年限，ａ；

Z――矿井可采储量，ｔ；

A――矿井设计生产能力，ｔ／ａ；

K――储量备用系数。

储量备用系数一般为1.2~1.4。

第四节井田内开采顺序

一、煤层沿倾斜的开采顺序

由于煤层在地下大多为倾斜赋存，对同一层煤，一般都是由上而下（由浅入深）地逐步开采。

下行开采顺序可以减少初期建井工程量和初期投资，建井快、出煤早。

在开采近水平煤层时，上、下行开采顺序区别不大，均可采用。

当煤层顶板涌水量较大时，为了避免上区段采区涌水给下区段生产造成影响，有时在区段间采用上行开采顺序。

这样，可以利用下部区段采空区疏泄上部区段的顶板水，减轻顶板水的影响。

一般地，首先考虑使用下行开采顺序。

二、煤层沿走向的开采顺序

煤层沿走向的开采顺序有前进式和后退式

第五节巷道分类

一、按空间特征分类

1、垂直巷道

2、水平巷道

（1）平硐：

有出口直接通到地面的水平巷道，是进入煤体的方式之一。

（2）平巷：

没有出口直接通到地面，与岩层走向开掘的水平巷道。

（3）石门：

没有出口直接通到地面，与岩层走向垂直或斜交的水平岩石巷道。

（4）煤门：

与煤层走向垂直或斜交的煤层平巷。

3、倾斜巷道

（1）斜井：

有出口直接能到地面的倾斜巷道，也是进入煤体的方式之一。

（2）暗斜井：

没有出口直接通到地面，用来联系上、下两个水平并担负提升任务的斜巷。

（3）上山：

没有出口直接通到地面，位于开采水平之上，连接阶段运输平巷和回风平巷的倾斜巷道。

二、按用途分类

（1）开拓巷道：

为全矿井、一个开采水平或阶段服务的巷道，如井筒、井底车场、阶段（或水平）运输大巷和回风大巷等。

（2）准备巷道：

为整个采区服务的巷道，如采区上（下）山、采区上（下）车场、采区石门等。

（3）采煤巷道：

为工作面采煤直接服务的巷道，如区段平巷和开切眼等。

第三章矿井开拓方式

第一节斜井开拓

一、片盘斜井开拓（见第37页

图3—1片盘斜井开拓示意图）

二、斜井单水平分区式开拓（见第39页图3—2斜井单水平分区式开拓示意图）

第二节平硐开拓

在山岭和丘陵地区，往往在矿井地面工业场地标高以上埋藏有相当储量的煤炭。

开采这部分煤炭最简单、经济的开拓方式就是平硐开拓，如图3-4所示。

平硐开拓，以一条主平硐担负运煤、运料、出矸、行人、排水、进风和敷设管线等任务。

在井田上部回风水平开回风平硐或回风井担负回风任务。

在选择平硐硐口时，要考虑以下因素：

（1）硐口地势平缓，有足够的面积布置工业场地；

（2）硐口交通要便利，以利于煤炭外运和设备、材料运输；

（3）硐口要安全，不受洪水、滑坡、雪崩等威胁。

第五节井田开拓中的几个主要问题

一、井田位置及数目的确定

一般地，一个矿井至少应有一主一副两个井筒。

1、地面因素

2、地下因素

3、技术经济因素

二、开采水平的确定

三、阶段大巷的布置

第六章采煤方法

第一节基本概念

一、采场和采煤工作面

用来直接大量采取煤炭的场所，称为采场。

在采场内进行采煤的煤壁，称为采煤工作面

二、采煤工作

在采场内，为了采取煤炭所进行的一系列工作，称为采煤工作。

破煤装煤运煤的破、装、运是采煤工作中的基本工序。

工作面支护处理采空区的顶板，采空区处理还需进行移置运输、采煤设备等工序。

除了基本工序以外的这些工序，统称为辅助工序。

三、采煤工艺

按照一定顺序完成各项工作的方法及其配合，称为采煤工艺。

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。

采煤巷道的掘进一般是超前于采煤工作进行的。

它们之间在时间上的配合以及在空间上的相互位置关系，称为采煤巷道布置系统，也称为采煤系统。

第二节爆破采煤工艺

爆破采煤工艺（又称炮采工艺），其工艺过程包括打眼、放炮落煤和装煤、人工装煤、刮板输送机运煤、移置输送机、人工支架和回柱放顶等主要工序。

一、爆破落煤

一般常用的炮眼布置有以下三种：

（1）单排眼

（2）双排眼

（3）三排眼炮眼角度应满足的要求是：

①炮眼与煤壁的水平夹角一般为50~80度，软煤取大值，硬煤取小值。

为了不崩倒支架，应使水平方向的最小抵抗线朝向两柱之间

②顶眼在垂直面上向顶板方向仰起5~10度，要视煤质软硬和粘顶情况而定，应保证不破坏顶板的完整性

③底眼在垂直面上向底板方向保持10~20度的俯角，眼底接近底板，以不丢底煤和不崩翻输送机为原则。

炮眼深度应根据每次的进度而定，一般每次进度有0.8m、1.0m、1.2m三种，通常为150g~600g。

爆破通常采用串联法联线。

第七章急倾斜煤层开采

第二节急倾斜煤层开采的方法

一、倒台阶采煤法

倒台阶采煤法的工作面沿倾斜方向呈倒台阶布置，目的在于充分利用工作面长度，使工人在各个台阶阶檐的保护下，多点同时作业，如图7－3所示，工作面落煤一般用镐采或炮采，采用顺板棚子，多用全部跨落法处理采空区。

倒台阶采煤法的优点：

巷道系统简单、掘进率底、采出率高、通风方便等。

倒台阶采煤方法缺点：

具有生产工艺复杂、工作面支护和顶板管理工作量大、操作不便，以及坑木消耗大、安全条件差、工作面难以实现机械化等缺点。

适用条件：

当煤层不适宜用掩护支架开采时，厚度2m以下的煤层可采用倒台阶采煤法。

二、正台阶采煤法

正台阶采煤法是将一个在上下区段平巷之间的伪斜长壁工作面分为若干个短壁工作面，短壁工作面呈正台阶状布置。

每个短壁工作面沿倾斜长5m左右，沿层面与走向线30度夹角的伪斜方向间距为15m~20m。

短壁工作面沿走向推进，始终保持沿倾斜方向的短壁工作面沿30度伪斜方向推进，如图7-4所示。

正台阶采煤方法的优点：

①工作面位于采空区下方，不会积聚瓦斯，为采空区抽放瓦斯创造了条件；

②工作面浮煤少，采出率高，减少了采空区自然发火的隐患

③对煤层厚度和倾角多变化、瓦斯含量大等地质条件适应性较强；

④巷道布置简单、掘进率低。

正台阶采煤方法的缺点：

①短壁工作面多，溜煤相互干扰，工作面利用率低；

②伪斜小巷断面小，煤尘大；

③落煤方法、支护设备有待改进；

④片帮滑底事故仍未能完全杜绝。

适用条件：

可用于煤厚、倾角有变化或有小构造、厚度在2.4m以下，不宜使用伪斜柔性掩护支架采煤法的急斜煤层。

三、水平分层采煤法

水平分层采煤法就是把煤层沿水平面划分成若干分层，并在每个分层中布置准备巷道及采煤工作面，然后顺次进行采煤，采煤工作面一般沿走向推进（见图7-5）。

水平分层采煤分层间的开采顺序及采空区处理方法，有下行垮落法和上行（下行）充填法。

我国煤矿都采用的是下行垮落法。

水平分层采煤法的主要优点：

对煤层地质条件适应性强，能适应煤层倾角和厚度的变化，采出率较高。

水平分层采煤法的主要缺点：

巷道布置和通风系统复杂，巷道掘进量大，采煤工序多，通风、运料困难，工作面劳动强度大，特别是水平分层工作面，人工攉煤繁重，产量、效率较低，材料消耗较多。

适用条件：

厚度大于2m的急倾角煤层，由于倾角、煤厚变化而不能采用伪斜柔性掩护支架采煤法时，可以采用水平分层采煤法；而斜切分层采煤法则适用于更厚的急倾斜煤层。

四、伪倾斜柔性掩护支架采煤法

伪倾斜柔性掩护支架采煤方法的特点是：

采煤工作面呈直线形，按伪倾斜方向布置，沿走向推进；用柔性掩护支架隔离采空区与采煤空间，工作人员在掩护支架的保护下进行采煤工作。

伪斜柔性掩护支架采煤法优点：

具有产量高、效率高、工序简单、操作方便、生产安全、掘进率低等。

伪斜柔性掩护支架采煤法的主要缺点：

掩护支架的宽度不能自动调节，难以适应煤层厚度的变化。

适用条件：

当煤层厚度为1.5m~6.0m，倾角大于55℃，在一个条带内煤层比较稳定的条件下，应优先选用伪倾斜柔性掩护支架采煤法。