高等采矿学.docx
《高等采矿学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高等采矿学.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
高等采矿学
一能源基本知识
1.能源分类
1）按来源分：
（1）来自地球以外天体的能量。
其中，主要的是太阳的辐射能。
其次，其他星球或天体发射到地球上的各种宇宙射线的能量。
人类需要的能量的绝大部分都是直接或间接来源于太阳能。
（2）地球本身蕴藏的能量。
地球内部的热能。
地壳及海洋存有的矿物资源和原子核能。
（3）地球和其他星球相互作用而产生的能量。
潮汐能就是以月球引力为主而产生的。
2）按能源开发和制取方式分类
（1）一次能源：
自然界天然存在的、直接开采可以利用的能源。
如：
煤、石油、天然气、水力等。
（2）二次能源：
由一次能源加工转换成另一种形态的能源产品。
如；焦炭、煤气、电力等。
3）按能源在当代人类社会生活中的地位及利用史
（1）常规能源:
世界上长期应用的五大常规能源。
水力、煤炭、石油、天然气、核裂能。
（2）新能源：
许多古老的能源，若采用先进技术和方法能广泛应用的能源。
太阳能、海洋能、生物质能等。
二国际能源度量单位
1、标准煤（煤当量）：
能源统一计量单位。
凡能产生7000大卡（29.27MJ）低位热量的任何能源均可折算为1kg标准煤。
2、标准油（煤当量）：
凡能产生10000大卡（41.8MJ）低位热量的任何能源均可折算为1kg标准油。
3.能源折算系数E
能源折算系数E为：
如：
原煤发热量为5000大卡，
三人类社会的发展的三个能源时期
1柴草时期：
1875年以前的时期。
2煤炭时期：
18751965年，煤炭占世界能源结构中的62%，世界进入煤炭时期。
3石油时期：
1965年之后，石油超过煤炭，世界进入石油时期。
当前，世界能源面临一个新的转折点向多能源结构过渡。
四能源是人类生存和发展之本
1）柴草时期：
全球人口约8亿
2）煤炭时期：
全球人口约30亿
3）石油时期：
全球人口约44→56亿
4）维持最低生活，需要：
0.4t标准煤/人．年；
5）丰衣足食的现代化生活:
1.2-1.6t标准煤/人．年;
6）高级现代化生活:
2-3t标准煤/人．年。
7）主要国家的人均能耗
8）预计2050年中国一次能源需求超过48亿吨标准煤，其中煤炭需求不会低于50%。
五能源消费弹性系数
当=1国民经济产值增加1%且需能源消费增长率为1%；
当<1能耗少，国民产值高；
>1能耗多，国民产值低。
六我国的煤炭工业
我国开发和使用煤炭可追溯到7000年前，是世界上发现和利用煤炭最早的国家。
不同时期，煤有不同名称：
石涅—春秋战国时期，《山海经》。
石墨—魏、晋时期。
石炭—南北朝。
煤炭—元代至今，宋应星《天工开物》。
储量：
含煤面积约55万km2，1995年探明储量为11450亿t以上，可采500年以上。
产量：
1876年创办基隆煤矿
1878年创办开平煤矿
时间（年）,产量（亿t）
194919792002200320042007
0.32413.25141619.525.23
七煤炭工业三次技术革命
1954年，英国开始采用长壁综合机械化采煤技术；
20世纪80年代开始采用大功率，高可靠性的机电一体化综合机械化采煤技术。
预计21世纪的采煤新技术—无人自动化开采与机器人技术，地下生物气化技术，溶剂溶解法采煤技术，微生物分解法技术等。
德、英、美及欧洲共同体正在不同方面探索，前景难以预料。
八煤矿地下开采的特点
1、地下作业。
开采对象是煤层。
企业的规模、地点及工作条件都取决于煤层赋存条件。
2、边生产边开拓。
采面要随煤层的采出，不断转移到新的开采地点。
必须不断地开掘巷道。
为采煤作准备。
煤矿生产要不断投资，与工厂不同。
3、以开采为中心，综合组织好全矿井巷的掘进及维护，矿井运输、提升、通风、排水、动力供应，通讯监控、安全及组织管理工作。
4、必须同各种自然灾害作斗争。
瓦斯（CH4）、矿尘、水、火，采动岩体的垮落。
九我国的煤炭资源
我国的煤炭储量是1145亿吨，从煤炭资源的分布区域看，华北地区最多，占全国保有储量的49．25％，其次为西北地区，占全国的30．39％，依次为西南地区，占8．64％，华东地区，占5．7％，中南地区，占3．06％，东北地区，占2．97％。
按省、市、自治区计算，山西、内蒙、陕西、新疆、贵州和宁夏6省区最多，这6省的保有储量约占全国的81．6％。
十我国煤炭开采技术
1、2007年全国有9处煤矿年产量超过千万吨
神华集团神东煤炭分公司补连塔煤矿1751万吨、榆家梁煤矿1626万吨、哈拉沟煤矿1297万吨、上湾煤矿1222万吨、大柳塔矿活鸡兔井1087万吨、保德煤矿1014万吨；神华集团准格尔黑岱沟露天矿1984万吨、中国中煤能源集团平朔公司安太堡露天矿1644万吨、安家岭露天矿1501万吨。
十我国煤炭开采技术
2、全国有3个综采队年产量超过千万吨
神华集团神东煤炭分公司哈拉沟煤矿综采队1064万吨、上湾煤矿综采队1048万吨、补连塔煤矿综采一队1000万吨。
3、神东煤炭公司上湾煤矿综采队刷新综采工作面日产世界纪录
该矿综采队在工作面两次搬家及构造复杂条件下，在10月份生产原煤达到106万吨，其中10月9日在51104工作面生产原煤50944吨，刷新了大柳塔矿保持的47900吨综采工作面日产世界纪录。
十我国煤炭开采技术
4、神东煤炭公司大柳塔矿大柳塔井创世界单井日产原煤最高纪录
该井为一井一面（一个综采队和两个连采队）生产模式，全井在4月23日共生产原煤86900吨，创世界单井日产原煤最高纪录。
5、神东煤炭公司哈拉沟煤矿综采队产量、原煤工效、人均收入分别夺冠。
该矿综采队年产量是全国煤矿里最高的；全矿原煤生产人员仅236人，矿井原煤工效达到197.86吨/工，是全国矿井效率最高的；该矿年人均工资达到83994.83元，也是全国煤矿最高的；矿井人均收入与上年同期相比，提高幅度为25%。
十我国煤炭开采技术
6、神东煤炭公司榆家梁煤矿创国内最高月进尺纪录。
该矿为一井两面（两个综采队和四个连采队）生产模式，两个综采队全年分别生产原煤778.1万吨、613.1万吨，达到世界一流综采队水平。
该矿全年完成掘进进尺63368米，其中月进尺最高达7802米，为全国之冠。
该矿综采工作面长度布置为360米、顺槽长度达到6360米，是国内首个自动化工作面，实现了进刀、割煤、移架、推溜等工序全部自动化。
十我国煤炭开采技术
7、神东煤炭公司补连塔煤矿掘进总进尺夺冠
该矿为一井两面（两个综采队和四个连采队）生产模式，该矿在掘进煤巷中采用4套连续采煤机，全年完成掘进进尺70173米，为全国之冠。
8、神华准格尔公司黑岱沟露天煤矿年产、月产、日产夺冠
该矿是我国生产规模最大的露天煤矿，开采深度109米，剥采比2.98。
全年生产原煤1984.66万吨。
最高月产187万吨；最高日产87191吨（11月6日）。
9、山西焦煤集团汾西矿业公司新峪煤矿高档普采队产量夺冠
该矿高档普采四队在煤层厚度1.6米条件下，全年生产原煤118.29万吨，刷新我国煤炭工业高档普采工作面年产纪录，最高日产达到4657吨，成为我国第一个高档普采百万吨队。
10、山东兖州矿业集团公司东滩煤矿经济效益夺冠
该矿采用综采放顶煤工艺，全年生产原煤753.18万吨，实现利润14.69亿元，经济效益位居全国第一名。
11、安徽淮南矿业集团公司张集煤矿创国产综采设备一次采全高工艺最高生产纪录
该矿全部采用国产综采设备，全年生产原煤702.2万吨，其中综采一队年产原煤363.58万吨，最高日产达到1.49万吨，创我国煤矿国产综采设备一次采全高工艺最高生产纪录。
全矿实现利润11.21亿元，经济效益位居全国第二名。
12、山西潞安环能公司王庄煤矿综采放顶煤产量夺冠
该矿全年生产原煤710.2万吨，其中综放一队采用全套国产综采放顶煤设备，生产原煤608万吨，成为我国2005年度采用综采放顶煤工艺生产的冠军。
13、辽宁铁法煤业公司小青矿刷新刨煤机工作面平均月产、日产最高纪录
该矿采用引进刨煤机，在1.7米煤层厚度条件下，平均月产达到20.9万吨、最高日产达到9188吨，刷新我国刨煤机工作面平均月产、日产纪录。
该套装备到2005年底，累计使用9个工作面，共生产原煤382万吨。
14、山西大同煤矿集团公司晋华宫矿创造薄煤层滚筒采煤机工作面年产、月产、日产最高纪录
该矿综采三队采用全套国产综采设备（MG200型滚筒采煤机），在薄煤层1.3米条件下，全年生产原煤104.24万吨、平均月产9.95万吨、最高月产13.45万吨、最高日产7166吨，分别创造我国薄煤层工作面（滚筒采煤机）年产、月产、日产最高纪录；该矿综采四队采用引进刨煤机，在煤层厚度1.2米条件下，全年生产原煤73.43万吨、平均月产达到8.78万吨、最高日产达到6185吨。
15、甘肃华亭煤电股份公司砚北煤矿开采大倾角煤层产量夺冠
该矿开采大倾角煤层，全年生产原煤435.2万吨。
其中综采一队、综采二队分别在工作面倾角43°、35°条件下，采用综采放顶煤工艺，分别生产原煤254.4万吨、167.3万吨，分别夺取我国大倾角煤层综采放顶煤工作面年产量的冠亚军。
16、甘肃华亭煤电股份公司华亭煤矿在大倾角煤层开采中再创佳绩
该矿开采大倾角煤层，全年生产原煤401万吨。
其中综采二队、综采一队均在工作面倾角45°条件下，采用综采放顶煤工艺，分别生产原煤113.52万吨、100.8万吨，分别夺得我国大倾角煤层综采放顶煤工作面年产量的第三、第四名。
十一煤矿安全
2005年煤矿安全生产情况
全国煤矿企业共发生伤亡事故3341起，死亡5986人，同比减少300起、41人，分别下降8.2%和0.7%。
百万吨死亡率为2.836，同比减少0.245，下降7.9%。
其中一次死亡3－9人重大事故210起，死亡886人，同比减少39起、204人，分别下降15.7%和18.7%。
全国18个产煤地区百万吨死亡率同比下降。
十一煤矿安全
2006年煤矿安全生产情况
煤矿事故死亡4746人，实现了历史性的突破。
煤矿百万吨死亡率为2.041，达到了历史最好水平。
全国煤矿共发生瓦斯事故327起，死亡1319人，同比减少87起、852人，分别下降21.0%和39.2%。
其中发生一次死亡10人以上特大瓦斯事故26起，死亡490人，同比减少15起、841人，分别下降36.6%和63.2%。
十一煤矿安全
2007年煤矿安全生产情况
全国煤矿事故死亡人数2007年、2006年分别同比下降20.2%和20.1%。
2007年全国煤矿事故死亡人数降至3786人。
2007年，全国煤矿事故起数和死亡人数同比分别下降17.8%和20.2%。
其中重特大事故起数和死亡人数，同比分别下降28.2%和23.0%。
2007年，全国煤矿瓦斯事故起数和死亡人数，同比分别下降16.8%和17.8%，其中重特大瓦斯事故起数和死亡人数，同比分别下降15.4%和6.1%。
煤炭生产的安全问题
百万吨死亡率:
国有煤矿0.997人/mt
（2000年）地方煤矿3.5人/mt
乡镇煤矿11-17人/mt
1997年乡镇煤矿死亡5000人,占总数的73.2%
美国9.8亿吨/年连续3年死亡人数均在30人/年以下，百万吨死亡率为0.03以下，2004年为27人。
俄罗斯2.8亿吨/年平均130人/年（02~04年）
波兰2亿吨/年平均40多人/年
南非2.1亿吨/年平均40多人/年
我国煤炭生产效率
中国年产12亿吨煤需660万工人,每产200吨煤需一个工人
美国年产9.8亿吨煤需不足10万工人,每产9800多吨煤炭需一个工人
全员效率中美相差45倍
吨煤成本中工资为:
中国4.2美元/吨
美国3.8美元/吨
南非2.9美元/吨
十二“十一五”期间对科技进步提出以下五个方面奋斗目标
（一）矿井抗灾能力全面提升。
到2010年，煤矿瓦斯重大事故防治技术取得重大突破，煤尘、自燃、冲击地压、高温、水害等灾害防治技术基本成熟，煤矿职业病防治取得明显成效。
（二）是煤层气开发和煤炭转化取得明显进展。
2010年煤转化、包括煤制油、煤制气产品产量力争达到500万吨，煤层气开发和利用实现产业化，低透气性煤田煤层气开采技术取得突破，煤制气、地下气化技术力争完成工业化试验。
（三）煤炭综合利用得到较快发展。
2010年全国原煤入选率提高到50％以上；与煤相关产业技术水平达到同行业平均水平，与资源相匹配的煤炭产业链基本形成，煤炭附加值大幅度提高。
（四）环境友好型社会建设全面启动。
2010年大中型煤矿采区资源回收率达到国家标准，矿井水利用、土地恢复、煤矸石综合利用水平大幅度提高，矿区生态环境保护取得实质性进展。
（五）人才队伍建设取得成效。
高等院校煤炭相关专业招生规模不断扩大，煤矿人才选拔、培养和使用机制基本形成，煤炭科技队伍不断加强，大中型煤矿人才结构进一步优化，人才素质显著提高。
十三环境保护问题
煤炭开采对我国环境造成严重破坏；
地表沉陷破坏土地2万公顷/年,万吨煤沉陷4亩；
排放矸石1.5~2亿吨/年；
排放瓦斯47亿立方米/年,加剧温室效应。
排漏水0.88立方米/吨,10.56亿立方米/年
山西省共有1300km2采空区,占全省面积的1%
每生产1吨煤对环境造成的破坏损失约9元
十四目前煤矿开采的主要研究内容
1）.高产高效集中化生产技术
2）.三下采煤技术
全国”三下”压煤137.64亿吨,兖州”三下”压煤占40.5%
3）.深部开采问题
每年加深20米,800米以上立井占17%
4）.瓦斯,煤尘,顶板事故的防治
5）.提高工作面设备可靠性的技术
6）.软岩巷道支护技术
7）.地下气化技术
8）.煤层气的开采技术
9）.洁净煤技术及煤燃烧技术
十五难采煤层的开采
难采煤层的概念
迄今并没有一个确切的“难采煤层”的定义，从开采效果看，“难采”是指那些难以实现高产高效的煤层，而且“难采与否”是个“与时俱进”的概念。
“难采”主要是从煤层客观赋存条件考虑的。
随着技术条件的变化、设备的进步，现在难采，将来并不见得难采。
高产高效标准的概念，也是个与时俱进的概念。
前l0年，l00万吨/年就是高产，今年也许就要300万吨/年才算高产。
凡是很难实现高产目标的都可以认为是“难采”。
。
目前大约以下的一些情况可以认为是难采煤层：
1）“三软煤层”
2）“两硬厚煤层”，薄及中厚煤层不属于难采
3）“三下”煤层开采
4）高瓦斯煤层开采，主要是较难实现高产
5）在合适的工作面长度内，煤层厚度局部变化大，小断层多
6）被地质构造或其他原因切割后、往往是不规整的小块段
7）其它实现高产困难的煤层或其块段。
1.“三软煤层”开采的技术关键
影响“三软煤层”工作面实现高产的主要原因：
1、“三软煤层”煤壁片帮和端面顶板冒顶是实现高产高效最主要的影响因素。
进一步分析，我们认为煤体强度和改善支架的4种参数，对这两种现象可能会产生影响，这些参数是：
①煤的强度bpPH
②支架垂直工作阻力
③端面距PV
④支架水平工作阻力
⑤端面支撑力
改变这些参数，用有限元计算在不同参数作用下，端面顶板和煤壁不同的力学参数，再用聚类分析方法对比这些参数影响的权值，并将其列入表中可见：
聚类分析权值可列表如下，从表中可以看出除了煤体强度：
1）端面支撑力大小对煤壁的垂直应力、有效剪应力、水平应力、水平位移都有较大的影响权；
2）端面距大小对端面垂直位移及其位移梯度和煤壁水年应力都有影响权，但对端面的影响更大一些；
3）支架水平工作阻力对5类参数有影响，尽管权数并不是很高；
4）支架垂直工作阻力除对端面垂直位移有一定影响外，其他的影响权值都较小。
2、“三软煤层”底板强度、特别是底板是否易吸水膨胀的性质对工作面是否能实现高产高效也有十分重要的关系。
底板吸水膨胀松软后，支架底座极易陷入底板，为了解决此难题，从上世纪70-80年代起，就为此进行了大量研究，出国“取经”多次，学习到的采用整体底座、加宽底座宽度、提高后柱支撑力使支架支撑合力作用点后移等措施均有一定效果。
但有的效果不明显。
如底座过桥压底板千斤顶方案，在底板并不松软时，提底座效果很好，但下井后对付极软底板则效果不好。
抬底座方案是中国工人在实践中创造的，尽管很不好看，速度也慢，但却有效。
经过改进定型后可以推广。
3、“三软煤层”工作面上下端头顶板，由于暴露面积大，暴露时间长，顶板破碎。
端头移架困难多、耗时长，往往严重影响工作面推进。
端头移架困难的根本原因在于工作面上下两巷维护状况很差，改善端头顶板状况主要应改善工作面上下两巷的维护。
2.回收边角、小块段煤
回收边角小块段煤不仅关系到延长矿井寿命的问题，而且从总体讲、从“循环经济”出发，它还是节约资源的重要一环。
当前，边角、小块段煤层开采时，机械化程度低，单产低、工效低，劳动笨重，安全性差。
边角煤赋存的特点是：
1）边角形状不整齐，多为三角或梯形煤柱，不能布置正规长壁工作面，常规综采设备不适应；
2）多数受邻近工作面开采的支承压力影响，煤体、顶板和底板都较破碎；
3）一般距离矿井主要运输系统较远，运输沿程巷道长而往往年久失修，断面小，弯道多，运送设备和煤炭都比较困难。
4）邻近己采区，受已采区有害气体的威胁较大。
边角小块段煤提高机械化程度、提高产量和效率关键的是应有一整套轻型的、体积较小的、功能完善的、适应性强的采矿设备。
3.急倾斜煤层开采
我国急倾斜煤层较少（占总储量4%左右）。
由于急倾斜煤层的煤层生产率低，机械化投入高，回报少，设备生产批量小，不被重视。
因而急倾斜煤层机械化水平长期得不到提高。
急倾斜走向长壁工作面开采是实现高产高效的有效途径。
倾向推进工作面无论是上行充填还是下行分层（陷落或崩落）或不分层掩护支架（盾盖Shield）如右图所示
采用急倾斜走向长壁采煤法，
工序简单，沿工作面无须运输设
备，易实现机械化、自动化。
工作面支架工作阻力低、重量轻、
稳定性也容易解决，容易
实现无人工作面。
急倾斜薄及中厚煤层走向长壁
工作面可以有两种伪倾斜布置方式（如图）
工作面支架排列方式要与工作面伪斜角度一致。
为保证工作面上部滚落的煤矸或其他物品不伤及支架，在支架一侧或两侧要设计保护装置。
6、高瓦斯煤层双能源同采矿井的创意
1）双能源开采矿井的必要性
双能源开采矿井是将传统的煤炭单一能源开采矿井改变为同时开采煤炭及CH4的双能源开采矿井，双能源开采矿井概念的提出和实施是为我国能源开采，特别是新的燃气能源开发提出和确立了一个重要领域，它将在新能源开采、煤矿安全、环境保护及提高能源经济效益4个方面对国民经济发展有重大意义。
（1）本概念的建立将为我国开采煤层伴生新能源—煤层气（CH4）的技术提供最重要的理论支持，而这种新能源可在很大程度上补充我国石油、天然气能源资源不足的缺陷。
（2）本概念的建立原则上能保证双能源矿井从根本上解决煤矿瓦斯爆炸事故频繁发生的安全灾害问题。
（3）从理论上阐明和提出一种方法，以保证双能源矿井可以有效缓解在煤炭生产的同时排出的CH4,对大气环境造成严重污染和破坏的问题。
（4）双能源开采矿井为我国能源多元化开辟了一种新的能源开采模式，在矿井投资增加较少的条件下，多生产一种能源产品，增加矿井效益，也可借原有煤炭生产系统发展起来，减少新能源开发的投入。
2）对瓦斯的形成、储存及析出规律的认识和思考
20世纪80年代以来，独立于矿井之外的煤层气开发技术有了长足发展，其中特别是美国，由于煤层气埋藏条件优越，煤层气工业得到迅速发展，据不完全1995年抽出275亿m3。
中国有丰富的煤层气资源，20世纪90年代中期，掀起了大规模的开发投资热潮，除极少数煤层透气较好的区域，能收到较好效果外，大部分由地面打钻建立的煤层气开采企业收效不高。
石油行业曾经采用天然气开采的“压裂”、“注水、注砂”……等技术方法抽取煤层气，但由于煤层CH4的析出和运移规律与常规天然气有较大不同，石油行业煤层气开采效果不明显。
解决煤层气开采需要解决以下的认识问题：
（1）研究CH4生成机理和煤与CH4共生机理，创建新的煤层气析出规律理论。
（2）提出对CH4从煤体析出及运移规律的认识及其对井下CH4开采的意义。
（3）解释从矿井大气或抽出瓦斯中浓缩CH4的意义和方法。
7、承压水上采煤
一）底板岩体位移变化规律
十四厚煤层一次采全高技术
十五大倾角煤层开采技术
十六“三下采煤”技术
升级会员 