煤矿采掘技术知识
绪论一、采掘的概念采掘是采煤和掘进两项工作的合称，采即采煤，掘即掘进。采煤工作是在采场进行的，是指将煤炭从煤层上破落下来、装载并运出采场的工作，矿井生产的煤炭绝大部分来自采场；掘进工作是在掘进工作面进行的，是指将岩石从岩层上破落下来、装载并运出掘进工作面的工作，掘进工作是为了形成矿井巷道。二、采掘在矿井生产中的地位以及采掘技术发展对矿井生产的影响采、掘是矿井生产的两大中心任务，采掘技术是矿井生产技术的核心。采掘技术的发展不仅关系到矿井的产量、效率、效益，更决定着矿井安全、节能与环保的水平。三、采掘关系在矿井生产中，采煤是目的，掘进是为采煤服务的；掘进工作是按照采煤的要求进行的，采煤工作受掘进工作的制约；采煤产生效益，掘进消耗效益；掘进工作量由巷道系统决定，巷道系统不仅与采煤方法有关，而且直接影响矿井安全。第一部分 矿井开采技术矿井开采技术主要由两部分内容组成，一部分是采煤工艺技术，另一部分是矿井开采系统技术。矿井开采系统根据其服务范围分为采煤系统（回采系统）、准备系统和开拓系统，因为回采系统和采煤工艺密切相关，习惯上将回采系统和采煤工艺合称采煤方法。因此，矿井开采技术也就分为采煤方法和开采系统两部分。第一章 采煤方法及其发展第一节 采煤方法概述 一、采煤方法的概念及分类 （一）采煤方法的概念 采煤方法，简单讲就是从采场采出煤炭的方法。 采煤方法包含两方面内容：一是回采巷道和其中生产系统的布置方式，即所谓采场的采煤系统（回采系统）；一是采场落、装、运、支、处等工序进行的方式和各工序之间在时间、空间上的配合方式，即采煤工艺。 （二）采煤方法分类 就采煤系统而言，目前在世界范围内使用的采煤方法有两大体系，一是长壁体系，一是房柱体系。 就采煤工艺而言，按机械化程度分为“炮采”、“普采”、“综采”，虽然这些概念都来自于长壁体系，但我认为也可以用于房柱体系。 就采空区处理方式而言，采煤方法分为充填法、垮落法、煤柱支撑法。 采煤方法分类远不止这些，采煤工艺和采煤系统是由煤层开采条件决定的。煤层开采条件包括煤层厚度、倾角，煤层结构与构造，煤层稳定性，煤层埋藏深度，煤层顶底板条件，煤层瓦斯、自燃条件，煤尘爆炸性、矿井水文条件、矿区环境（生态）条件等。煤层开采条件不同，采煤方法不同。影响采煤方法的主要因素是煤层厚度和倾角。按煤层厚度和倾角条件，采煤方法有：薄煤层采煤方法、中厚煤层采煤方法、厚
> 煤层采煤方法、缓倾斜煤层采煤方法、倾斜煤层采煤方法、急倾斜煤层采煤方法等。 同一种煤层还有多种采煤方法，如厚煤层有倾斜分层采煤方法，放顶煤采煤方法等。 陕北矿区由于煤层赋存和环境条件特殊，发展了很多新采煤方法。二、采煤工艺 采煤工艺是指在采场内采煤工作（工序）进行的方式和相互之间在时间和空间上的配合方式。 采煤工作是指落煤、装煤、运煤、支护和采空区处理等工作。其中落煤、装煤、运煤为主要工作，支护和采空区处理为辅助工作，过去把这两项工作合起来叫顶板管理，现在这种叫法已经不能完全反映其内涵。 进行采煤工作的场所叫采场，直接采取煤炭的煤壁面叫采煤工作面。 采煤工作是靠采煤装备完成的，这种装备称为采煤工艺装备。采煤工艺装备是采煤技术的核心，它影响和制约着整个采煤技术的发展。 按照采煤工艺装备，采煤工艺分为炮采、普采和综采。 1.炮采 以爆破落煤、人工装煤、可弯曲刮板输送机运煤、单体支架支护顶板的一种采煤工艺。 2.普采 以滚筒采煤机落煤和装煤、可弯曲刮板输送机运煤、单体支架支护顶板的一种采煤工艺。 3.综采 以滚筒采煤机落煤和装煤、可弯曲刮板输送机运煤、自移式液压支架支护顶板的一种采煤工艺。综采是一种先进的采煤工艺，发展很快。 三、采煤系统 采煤系统是指直接为采场采煤工作服务的巷道系统和在其中建立的煤炭运输系统、辅助运输系统、通风系统、排水系统等生产系统和生产辅助系统的统称。 目前所使用的采煤系统有两大类：长壁系统和房柱系统。 1.长壁系统 最常见的长壁采煤系统如图1-1所示。巷道系统由采场（切眼）和两条顺槽组成，煤炭运输系统由工作面刮板机和安装在运输顺槽中的运输设备（转载机、可伸缩带式输送机）组成，辅助运输由设在回风顺槽中的辅助运输设备（轨道矿车或非轨道运输设备）担负。
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建国以来，我国的采煤机械化发展大致经历了以下四个阶段： 第一阶段：建国初期至1965年，是开始发展采煤机械、推行长壁采煤阶段 特征： 1.引进并试制成功了苏联的截煤机、顿巴斯联合采煤机、刮板输送机、装煤机、装岩机、抓岩机等采、掘、运设备； 2.改革了采煤方法，推行了长壁采煤方法。 成果： 1. 实现了采用爆破落煤、人工装煤、小功率刮板输送机运煤、木支架支护顶板的炮采长壁采煤工艺，这是一种最原始的炮采工艺； 2.推行了正规循环作业的生产管理方法。 第二阶段：1965～1975年，是发展长壁采煤机械化阶段 特征：以发展滚筒采煤机和可弯曲刮板输送机为主。
成果： 1. 1964年，首次实现了用滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机和M-20型摩擦支柱配套的普通机械化长壁采煤工艺，顺槽运输采用吊挂式胶带输送机。促进了我国采煤机械化的发展；
2. 使采区结构和巷道布置发生了相应变化。 第三阶段：1975年至上世纪末期，是发展长壁综采阶段 特征：以自移式液压支架为主的“综采” 装备的引进和国产化，推广“综采”及大规模矿井技术改造：1973年和1978年我国两次成批引进国外综采设备，后逐步实现了综采设备国产化并形成了一定的配套生产能力，“综采” 得到快速推广。 成果：1990年全国有综采工作面200多个，平均年产量已超过60万t ，有相当一部分工作面年产量超过百万t ，最高年产量已达到200多万t 。 第四阶段：从1996年开始，是发展高产高效（安全高效）及复杂条件综合机械化采煤技术阶段 随着改革开放进一步深入，一些条件好的矿井全面引进西方发达采矿国家的现代化采矿技术装备及管理方法，取得的巨大经济、社会和环境效益，极大地刺激和带动了我国采矿技术的全面发展。在这一时期，国产综采装备发展迅速，发展的主要特点是：设备重型化、能力大型化、运行可靠化、适用条件多样化和复杂化等。不仅使缓倾斜中厚煤层综采装备水平得到全面提升，更重要的是发展了放顶煤综采装备、大倾角综采装备、大采高综采装备等。 进入21世纪，我国采煤技术装备和矿井生产管理的发展已经达到了一个新的水平，一些先进的矿井率先迈入了世界先进行列，成为具有世界一流水平的矿井。这些矿井的建成标志着我国现代化矿井的建设和高速发展的开始。 目前，我国已进入现代化矿井建设与发展阶段。 现代化
> 矿井与高产高效矿井的不同在于对安全、环境保护、节能等指标有更高更全面的要求。第二章 矿井开采系统及其发展第一节 矿井开采系统 所谓矿井开采系统是指矿井巷道系统和以此为基础，在其中建立的为开采服务的各种系统的总称。 矿井巷道系统——由各种巷道组成的由地表到达矿体的通道。 矿井生产系统——煤炭运输系统、辅助运输系统、通风系统、行人系统、排水系统、供电系统、供水系统、通信系统、安全保障系统等。 一、 井田划分井田划分是建立矿井开采系统的前提。井田划分是为了便于开采，即便于布置采煤工作面和建立开采系统，因此井田划分以采煤方法和开采系统为依据。 （一）几个概念 煤层单元——为了便于开采，需要将煤层进行逐级划分，形成不同大小的煤层范围，将所划出的一定范围内的煤层叫煤层单元。 煤田——在同一地质年代形成的大面积含煤地带。煤田内煤层是最大的煤层单元。 井田——在煤田内，划归一个矿井开采的部分。 矿井开采是在井田范围内进行的，井田是矿井开采的最大煤层单元，矿井开采设计是从井田划分开始的。 （二）井田划分方式 根据煤层赋存条件，井田划分方式一般有以下两种： （1）井田划分为阶段 （2）井田划分为盘区 （三）井田划分为阶段 （1）划分程序。井田-阶段-采区-区段或井田-阶段-条带 （2）几个概念 阶段——在井田范围内按一定标高将煤层划分为若干走向长条，每个长条为一阶段。 采区——在阶段内沿走向将煤层划分成若干块段，每一块段为一个采区。 区段——在采区范围内沿倾斜将煤层划分为若干走向长条，每个长条为一区段。区段是最小的煤层单元，在区段内可以布置工作面进行开采，所以也叫回采单元。 条带——在阶段内沿走向将煤层划分成若倾斜长条部分，每一部分为一个条带。在条带内也可以布置工作面进行开采，所以也叫回采单元。 （四）井田划分为盘区 （1）划分程序。井田-盘区-区段（条带） （2）盘区的概念 在井田内划分的相当于采区大小的一个区域。就划分程序而言，盘区与采区有大的区别，就单元功能讲，盘区与采区完全相同。或者说盘区与采区的内涵相同，但外延不同。 二、矿井开采系统 进行井田划分是为了便于开采，而要有计划的将井田内煤层采出，使划分具有实质意义，必须建立完善的矿井开采系统。 矿井开采系统是矿井巷道系统与在其中建立的生产及生产辅助系统的统称。 1.矿井巷道系统 是由不同类型的巷道组成的。 1）巷道分类 按倾角分为垂直巷道、倾斜巷道、水平巷道 按服务范围分为开拓巷道、准备巷道、回采巷道 按围岩特性分为煤层巷道、岩石巷道、半煤岩巷道 2）巷道命名 按用途命名 按装备命名 按倾角命名 3）巷道布置要求 巷道设计包括断面形状和尺寸、角度（坡度）、方位等 巷道布置必须满足生产系统布置的要求。主要是煤炭运输、辅助运输和通风的要求。 2.煤炭运输系统 煤炭运输系统是矿井生产最重要的系统。 常用的煤炭运输系统有两大类： 1）轨道（
> 窄轨）运输 主要设备：轨道、电机车（绞车）、矿车 轨道：600mm、900mm 电机车：架线电机车、蓄电池电机车 特点：可以担负全部运输任务，系统复杂，间断运输 2）胶带运输 主要设备：胶带输送机 特点：连续运输，运输能力大。 3.辅助运输系统 辅助运输一般包括设备运输、材料运输、矸石运输、人员运输等。 常用的辅助运输系统有以下几类： 1）轨道运输 2）无轨运输 3）其他运输 4.通风系统 是由风机和通风设施组成的。风机提供通风动力，保证风流正常流动；通风设施保证风流按设计风量和线路分配和流动。第二节 矿井开采系统的发展 一、巷道系统的发展 岩石巷道——煤层巷道 二、煤炭运输系统发展 由轨道运输——胶带运输 三、辅助运输系统发展 窄轨（道）运输——非窄轨（道）运输 非窄轨（道）运输指无轨运输和其他运输 其他运输指单轨吊运输、齿轨车运输、套胶轮运输、卡规车运输等。 四、煤层开采单元划分 煤层单元参数由小——大——适当 煤层单元参数由工作面参数决定，工作面参数由工作面采煤工艺装备决定。 煤层单元参数也受矿井开采系统装备制约，主要是煤炭运输装备和辅助运输装备。强力胶带运输和非窄轨运输装备的发展是提高煤层单元参数的保证。 煤层单元参数增加会带来很多好处，如减少煤柱量，提高煤炭回收率；减少工作面、采区、开采水平接续的频度等。 煤层单元参数增加也会带来一些不利影响，如增加巷道维护工程量，增加工作辅助时间等。 理性考虑煤层单元参数应该有一个合理值，这个合理值需要进行研究。 煤层单元参数确定也受自然条件限制，主要是煤层倾角，构造和瓦斯、水、自然发火等。第三章 长壁综采技术第一节 综采面采煤工艺 一、综采的概念 1．综采的定义 综采是综合机械化采煤工艺的简称，因依靠采煤机、可弯曲刮板输送机和自移液压支架三种机械装备有机配合来完成工作面落煤、装煤、运煤、支护和（采空区处理）五项工作（工序），实现了采煤工作的完全机械化而得名。具体说综采就是利用采煤机落煤和装煤，利用可弯曲刮板输送机运煤，利用自移液压支架进行支护和采空区处理的一种采煤工艺。 综采是在炮采、普采的基础上逐步发展而来的，炮采、普采、综采是长壁采煤由运煤机械化，落、装、运机械化到全部工作机械化发展所经历的三个重要阶段，目前在我国炮采、普采和综采三种工艺并行，分别用于不同煤层条件、不同经济条件和不同规模的矿井。综采是长壁采煤方法中机械化程度最高的一种采煤工艺。 2．综采面主要装备及布置 我国使用最多、效果最好的综采装备是由双滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机和自移式液压支架组成的配套装备。最常见的综采面布置形式如图3-1所示。 3．综采面采煤工作 （1）落煤与装煤。沿工作面往复行走的采煤机在行走和摇臂的摆动中，依靠前后两个滚筒的旋转、截齿不断切入煤体而破煤；破落的煤炭依靠采煤机滚筒的旋转，在与滚筒同轴的弧形挡煤板配合下将其沿滚筒上的螺旋沟槽顺滚筒轴线方向向外推出，装入可弯曲刮板输送机上。 （2）运煤。沿工作面布置的可弯曲刮板输送机将采煤机破落并装入其上的煤炭沿工作面运至端头，并装入运输顺槽中的运输装备上。
> （3）支护与回收支架。沿工作面全长布置的自移式液压支架，依靠液压系统实现升降和移动，完成支架支设——回收——重新支设的周期性工作，将支护与回收支架合二为一，实现机械化。 4．综采面采煤工艺过程 综采面落煤与装煤作业都由采煤机完成，简称为割煤；煤炭运输作业由刮板机完成，刮板机既是运煤装备，又是采煤机的支撑和行走机构的组成部分，为了保证采煤机能够连续正常割煤，刮板机必须及时移至煤壁，移动刮板机的作业简称为移溜；支护与支架回收作业均由液压支架完成，简称为移架。可见综采面的五项采煤工作被简化为割煤、移溜和移架三项作业。这三项作业按一定顺序进行就形成了综采面的采煤工艺过程。常见的采煤工艺过程有以下两种安排方式： （1）按照割煤→移架→移溜的顺序安排。 （2）按照割煤→移溜→移架的顺序安排。 二、综采面采煤工艺技术 1．双滚筒采煤机割煤方式 通常把采煤机沿工作面将煤层全厚割完一次称为进一刀。将一刀割煤的深度称为截深。把采煤机在工作面往返行走时的状态和进刀数相结合称为割煤方式。双滚筒采煤机在正常工作时，一般前滚筒沿顶板割煤，后滚筒沿底板割煤（如图3-2所示），行走一趟就可完成一刀割煤任务。如果采煤机在往返中都在割煤，那么一个往返就可以完成两刀割煤任务，这种割煤方式称为双向割煤往返进两刀。如果采煤机在往返中只有一趟在割煤，一趟空行，那么一个往返就只能完成一刀割煤任务，这种割煤方式称为单向割煤往返进一刀。
中部斜切进刀的特点是：刮板机的弯曲段在工作面中部，左半段割煤时，右半段移溜；右半段割煤时，左半段移溜。与端部斜切进刀相比，中部斜切进刀可减少进刀作业时间，但只能用于单向割煤，且工程质量不易保证。 3．液压支架的支护方式 在综采面，把移架与移溜操作的配合方式叫支护方式。一般综采面的移架和移溜是通过在支架底座与刮板机
> 之间的液压千斤顶的伸缩来实现的。支架与刮板机在移动时互为支点。 如果在采煤机正常割煤时千斤顶处于完全伸出状态，在支架底座前端与刮板机之间有一个相当于千斤顶一个行程的距离，在割完煤后，可以先进行移架，完成移架后，再进行移溜。由于这种配合方式能够保证在采煤后对暴露的顶板进行及时支护，因此称为及时支护。及时支护适用于煤层顶板条件较差的工作面。 相反，如果在采煤机正常割煤时千斤顶处于完全收缩状态，支架底座前端与刮板机之间无间隙，则只能先移溜，移好溜后再移架，这种配合方式称为滞后支护。滞后支护适用于煤层顶板条件较好的工作面。 4．移架方式 按同时移动的液压支架数目和顺序，液压支架的移架方式可分为依次顺序式、分组交错式和成组整体顺序式三种方式。 （1）依次顺序式。按顺序依次移动支架，每次移动一台。这种方式操作简单，质量容易保证，但移架速度慢，适用于采煤机割煤速度慢的工作面。 （2）分组交错式。将3～5台支架分为一组，组内支架按顺序移动，组间平行前移。这种移架方式速度快，适应于顶板较稳定的高产工作面。 （3）成组整体顺序式。将2～3台支架分为一组，组内支架同时前移，组间顺序前移。这种方式移架速度快，对移架技术要求高，适用于顶底板条件好的工作面。 5．端头支护 工作面端头是指工作面与顺槽连接处附近的区域，这个区域是人员与设备出入工作面的出入口。一般端头设备和人员集中、控顶面积大、矿山压力复杂，而且随工作面推进，需要不断在这里拆除和更新顺槽中的支护，作业量大。端头支护即指这个区域的支护。端头支护是工作面顶板管理的重要内容之一，对工作面安全生产和设备能力的发挥有很大影响。常用的综采工作面端头支护方式有以下三种： （1）用单体支柱与长钢梁组成迈步抬棚支护。 （2）用专用的自移式端头液压支架支护。 （3）用与工作面相同的液压支架支护。第二节 走向长壁综采面采煤系统 一、采煤系统的构成 采煤工作面的采煤系统由直接为工作面服务的巷道系统、煤炭运输系统、辅助运输系统、通风系统、排水系统、供电系统、行人系统等组成。图5所示为一基本的走向长壁综采面采煤系统。
> 1.作业方式 工作面采煤工作与准备工作的配合方式叫作业方式。作业方式与劳动制度有关。合理确定作业方式是为了保证采煤设备的正常使用和能力的最大发挥。常用的作业方式如下： （1）“三八”制：“两采一准”，“三班采煤，边采变准”。 （2）“四六”制：“三采一准”。 （3）“八二七七”，“八八六二”。 2.劳动组织 劳动组织是指按照各项工作的工作量进行的人数安排，劳动组织的原则是各尽所能、满负荷工作，目的是提高工作效率。 在不断提高工人素质和技术熟练程度的基础上，积极推行兼职兼岗，为工作面减人增效创造了条件。 一般一个工作面生产班配9个人，其中采煤机司机、溜子工、三机司机个2人，电工、班长、队长各一人。检修班15人，一个采煤队出勤人数42人。神东公司千万t面劳动组织见表3-1。
> 叫巷道施工，是指形成矿井巷道系统的工作。巷道掘进技术是指巷道施工以及与之相关的技术。从施工考虑，按照围岩条件，巷道分为岩巷、煤巷和半煤岩巷；按照巷道倾角分为垂直巷道、倾斜巷道和水平巷道，不同类型的巷道掘进技术不同。在所有巷道中，立井施工难度最大，技术最为复杂，通常需要专用的施工装备，由更为专门的队伍施工，因此这里不讲立井施工。巷道施工包含破岩、装岩、运输、支护等工作，破岩的岩壁叫掘进工作面，俗称掌子面，通常这一概念也被用于表示掘进的场所。为了保证掘进工作面安全和有良好的环境，需要进行通风、排水等工作。巷道施工根据破岩的方式有爆破施工和机械施工两种方法。目前这两种方法在我国煤矿都有使用。第四章 爆破掘进技术爆破是破岩的最基本的方法之一，以爆破为破岩方式的巷道掘进技术称为爆破掘进技术，爆破掘进可以用于各类各种条件的巷道。第一节 破岩原理与爆破技术一、在爆破作用下的岩石破碎机理如果将一个球形或立方体形炸药包(爆破上称之为集中药包)埋入岩石中，岩石与空气相接的表面叫自由面，药包中心到自由面的垂直距离叫最小抵抗线。
当最小抵抗线很大时(图4-1a的W1)，自由面对爆破不产生影响。药包起爆后，药包附近的岩石受爆轰波和爆生气流的冲击，产生粉碎性的破碎或被压缩成一个空洞。这个区域称为粉碎(或压缩)区。虽然爆轰压力超过岩石的抗压强度很多倍，但一则岩石本身在短暂的冲击下的强度比静压时的强度要高得多，二则在岩石中传播的应力波因能量消耗于粉碎岩石而很快衰减，所以粉碎区的范围并不大。粉碎区外面是裂隙区，产生纵横交错的径向裂隙和环向裂隙。它们是由压缩应力波在传播时衍生的拉应力而产生，又因爆生气体的充入而扩大所形成的破坏区。裂隙区外面由于应力波继续衰减，以致连裂隙也不能产生，只能使岩石产生震动故称为震动区。在这种炸药量小、抵抗线大的情况下，由爆破作用而破坏的范围比较小。
最小抵抗线小一些时(图4-1b的W2)，应力波传到自由面衰减的程度还不大，就在自由面处产生反射。反射波可以看作是与入射的应力波大小相等、方向相反的拉伸波，而岩石的抗拉强度又远远小于抗压强度，因此就产生从自由面向药包层层剥落的拉伸破坏，这个破坏区域叫做拉断(或片落)区。
最小抵抗线再小一些时(图4-1c的W3)，拉断区和裂隙区连接起来，爆生气体又沿这些裂隙冲出，使裂隙扩大、岩石移动，于是靠近自由面一侧的岩石便完全破坏而形成漏斗状的坑。如岩石只产生松动叫做松动漏斗，不但松动而且将岩石抛掷出去叫做抛掷漏斗(图4-1d)。通常把漏斗坑半径r与最小抵抗线W的比值叫做爆破作用指数n。即
(4-1)
当n＝1时形成的漏斗坑称为标准抛掷漏斗；3＞n＞1时，叫做加强抛掷漏斗(n>3破坏岩石很少，无使用价值)；0.75＜n＜1时，叫减弱抛掷漏斗；n＝0.75时，岩石只产生松动，不产生抛掷叫做松动漏斗。 n＜0.75时，漏斗坑将不能形成，一般认为n＝1时形成的漏斗坑体积最大，爆破作用最好：但n略大于l(约1.3～1.4)时，可减少清理坑内岩石的工作，而n略小于1(约为0.8）时，岩石不致飞散过远，使装岩容易进行。可见爆破作用指数应按爆破要求来选用。井巷掘进的爆破作用指数一般选用在0.8～1.0之间，掏槽眼可以稍大于1。
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