煤礦的開(kāi)采方式簡(jiǎn)介
?。ㄒ唬?井 田 開(kāi) 拓
1. 開(kāi)拓內(nèi)容
首先需開(kāi)挖從地面到地下的通道。一個(gè)煤礦至少有兩個(gè)通道，一稱主井，用以運(yùn)出煤炭；一為副井，用以運(yùn)送人員、設(shè)備、器材及運(yùn)出矸石。此外還需有專門通風(fēng)的風(fēng)井。主井和副井一般建在同一工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)，如采用中央通風(fēng)，風(fēng)井靠近主、副井；如采用對(duì)角式通風(fēng)，風(fēng)井建在井田邊界。
井筒挖至預(yù)定深度后，在此標(biāo)高及其上方，要開(kāi)挖一系列的巷道及峒室，主要包括井底車場(chǎng)、運(yùn)輸巷道、石門，上山及下山、回風(fēng)巷道、聯(lián)絡(luò)巷道、以及井下煤倉(cāng)、水倉(cāng)、水泵房、變電站、壓風(fēng)機(jī)房、庫(kù)房等。這個(gè)標(biāo)高稱為生產(chǎn)水平。這些巷道和峒室在礦井整個(gè)生產(chǎn)期間內(nèi)一直提供服務(wù)。
井下煤層分成若干區(qū)域進(jìn)行開(kāi)采，此區(qū)域即為采區(qū)。根據(jù)產(chǎn)量要求、煤層厚度、采煤方法等，一個(gè)礦井可以用一個(gè)采區(qū)生產(chǎn)，也可以用多個(gè)采區(qū)生產(chǎn)。一個(gè)新建礦井其開(kāi)拓工程已形成全礦的運(yùn)輸和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，并且準(zhǔn)備出與設(shè)計(jì)產(chǎn)量相適應(yīng)的采區(qū)，即可移交生產(chǎn)，稱為投產(chǎn)。在生產(chǎn)采區(qū)內(nèi)為了采煤的需要，還需要開(kāi)挖很多巷道，這些巷道隨采煤隨廢棄，稱為生產(chǎn)掘進(jìn)，不屬于井田開(kāi)拓內(nèi)容。
2. 開(kāi)拓方式
包括立井開(kāi)拓、斜井開(kāi)拓、平垌開(kāi)拓和綜合開(kāi)拓四種。
立井開(kāi)拓由地面至井底車場(chǎng)距離最短，大部分煤礦采用之。立井深度1990年平均為595.8 m，東部地區(qū)還有不少深度超過(guò)千米的立井。井筒直徑根據(jù)煤炭產(chǎn)量確定，一般2～8 m。其中副井兼作進(jìn)風(fēng)井，斷面最大；主井專司提升煤炭，風(fēng)井用于出風(fēng)，斷面可較小。
根據(jù)地層特征，尤其是表土層特征，井筒開(kāi)拓分為普通鑿井法和特殊鑿井法。普通鑿井法即無(wú)需對(duì)地層預(yù)先加固，主要使用鉆眼爆破法。開(kāi)挖一段高度后即行砌筑鋼筋混凝土永久井壁。當(dāng)遇到某些含水巖層段時(shí)，應(yīng)對(duì)其預(yù)先進(jìn)行注漿處理，可以在地面鉆注漿孔，也可從工作面進(jìn)行注漿。當(dāng)井筒穿過(guò)流沙層，普通鑿井法無(wú)法通過(guò)則必須使用特殊鑿井法。在中國(guó)東部，特殊鑿井法的使用相當(dāng)普通。其中包括凍結(jié)法、鉆井法、沉井法和帷幕法。
凍結(jié)法是將井筒周圍含水層用人工制冷法凍結(jié)，成為具一定厚度的封閉的圓筒形凍結(jié)壁，然后在壁的保護(hù)下開(kāi)挖井筒。包括打凍結(jié)孔、冷凍和開(kāi)挖三個(gè)工序：打凍結(jié)孔是在井筒直徑以外的適當(dāng)距離沿四周施工幾十個(gè)等距離的鉆孔，將封底的無(wú)縫鋼管送下固定住，然后地層和冷凍站的熱交換就通過(guò)無(wú)縫鋼管進(jìn)行。冷凍用氨壓縮機(jī)，通過(guò)不斷循環(huán)的鹽水完成。將幾百米厚的地層冷凍成凍土墻，需要建造大型冷凍站，經(jīng)數(shù)月之久方能完成，開(kāi)挖后冷凍工作仍應(yīng)繼續(xù)，直至井筒完全建成。井筒開(kāi)挖和普通施工方法一樣，一般多用風(fēng)鎬挖土，如需使用鉆眼爆破法，炸藥劑量也應(yīng)較少，以防震壞凍結(jié)管。開(kāi)挖過(guò)程的支護(hù)由于凍土墻在解凍過(guò)程中會(huì)發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變影響支護(hù)效果，因此當(dāng)全井挖完后還需從下而上進(jìn)行第二次永久性支護(hù)。
鉆井法是用大口徑鉆機(jī)開(kāi)挖井筒的方法，包括鉆進(jìn)和懸浮下沉井壁兩個(gè)工序。為了保證井筒的垂直，采用減壓鉆進(jìn)方式，鉆頭處于半懸吊狀態(tài)，由于井筒直徑大需采用多級(jí)鉆頭，經(jīng)過(guò)多次鉆進(jìn)方能達(dá)到所要求的直徑。在鉆進(jìn)的同時(shí)，將鋼筋混凝土或鋼板混凝土復(fù)合井壁在地面預(yù)制，在井口逐節(jié)接進(jìn)，整體懸浮下沉到預(yù)定深度，然后再以水泥漿充填空間。
沉井法是把在地面灌注的鋼筋混凝土井筒利用自重或自重加附加力強(qiáng)迫下沉。為了減少下沉阻力，在井筒底部一段作成比外徑稍大的臺(tái)階和刃角，臺(tái)階以上的環(huán)形空間用觸變泥漿支護(hù)。此法技術(shù)難度大，且要求井筒穿過(guò)的土層質(zhì)地均勻，以免偏斜。
帷幕法是在井筒四周修筑一圈隔水和有足夠強(qiáng)度的混凝土墻，形成帷幕，然后在其保護(hù)下用普通施工方法挖掘及支護(hù)。墻厚一般0.8～1 m。
另外一種井田開(kāi)拓方式是斜井，即由地面傾斜開(kāi)挖的井筒，包括主斜井、副斜井和斜風(fēng)井。斜井角度一般為15°～25°。主斜井用于提升煤炭，用礦車提升的能力較小，用皮帶運(yùn)輸機(jī)提升能力較大。副斜井用于人員及物料輸送，兼作進(jìn)風(fēng)井。和立井比較，從井口到井底車場(chǎng)的長(zhǎng)度要多幾倍，但開(kāi)挖成本低，方法也簡(jiǎn)單很多。
平峒是最簡(jiǎn)單的開(kāi)拓方式，但只適用于山區(qū)，對(duì)開(kāi)拓水平以下的煤層尚需由暗斜井或暗井開(kāi)拓至新水平。
?。ǘ?井 下 采 煤
1. 開(kāi)采順序和方法
對(duì)于傾角10°以上的煤層一般分水平開(kāi)采，每一水平又分為若干采區(qū)，先在第一水平依次開(kāi)采各采區(qū)煤層，采完后再轉(zhuǎn)移至下一水平。開(kāi)采近水平煤層時(shí)，先將煤層劃分為幾個(gè)盤(pán)區(qū)，立井于井田中心到達(dá)煤層后，先采靠近井筒的盤(pán)區(qū)，再采較遠(yuǎn)的盤(pán)區(qū)。如有兩層或兩層以上煤層，先采第一水平最上面煤層，再自上而下采另外煤層，采完后向第二水平轉(zhuǎn)移。
按落煤技術(shù)方法，地下采煤有機(jī)械落煤、爆破落煤和水力落煤三種，前二者稱為旱采，后者稱為水采，我國(guó)水采礦井僅占1.57%。旱采包括壁式采煤法和柱式采煤法，以前者為主。壁式采煤法工作面長(zhǎng)，一般100～200 m，可以容納功率大，生產(chǎn)能力高的采煤機(jī)械，因而產(chǎn)量大，效率高。柱式采煤法工作面短，一般6～30 m，由于工作面短，頂板易維護(hù)，從而減少了支護(hù)費(fèi)用，主要缺點(diǎn)是回采率低。
2. 生產(chǎn)系統(tǒng)
包括采煤系統(tǒng)、掘進(jìn)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、輔助運(yùn)輸系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等。
采煤系統(tǒng)包括工作面的落煤、裝煤，將煤由工作面運(yùn)往井底車場(chǎng)，直到提升至地面。主要井巷包括采煤工作面，采區(qū)順槽、采區(qū)上山、水平運(yùn)輸大巷、石門等。主要設(shè)備有采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械，支護(hù)設(shè)備及提升機(jī)等。
掘進(jìn)系統(tǒng)是為了保證生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，即在當(dāng)前生產(chǎn)同時(shí)，要開(kāi)掘出新的工作面、采區(qū)及生產(chǎn)水平以備接替。其包括掘進(jìn)工作面、矸石運(yùn)至井底車場(chǎng)由副井提升后送至堆放地。主要設(shè)備包括掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸、提升等所用的設(shè)備以及風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、空氣壓縮機(jī)及其管路等。
通風(fēng)系統(tǒng)由進(jìn)風(fēng)井巷、回風(fēng)井巷、通風(fēng)機(jī)和井下通風(fēng)設(shè)施如風(fēng)橋、風(fēng)門等構(gòu)成。
排水系統(tǒng)由巷道中的水溝、水倉(cāng)、水泵峒室、水泵及排水管路組成。
供電系統(tǒng)要求不得中斷、以保安全，因此供電電流為雙回路，同時(shí)進(jìn)入采區(qū)和回風(fēng)道的電器設(shè)備都必須采用礦用防爆型，防止瓦斯爆炸。
輔助運(yùn)輸系統(tǒng)包括人員上下和材料，設(shè)備的運(yùn)輸。
安全系統(tǒng)包括預(yù)防瓦斯爆炸、瓦斯突出，以及井下火災(zāi)和水災(zāi)所需要的救治設(shè)備、設(shè)施、器材、儀表和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
3. 采掘工作面
采煤工作面是地下采煤的工作場(chǎng)所，隨著采煤的進(jìn)行，工作面不斷向前推進(jìn)，原來(lái)的采場(chǎng)即成為采空區(qū)。長(zhǎng)壁工作面采煤的工序?yàn)槠泼?、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)及控頂?shù)任屙?xiàng)；短壁工作面只有前四個(gè)工序。以滾筒式采煤機(jī)為主，組成長(zhǎng)壁工作面綜合機(jī)械化設(shè)備，可以完成五個(gè)主要工序，稱為綜合機(jī)械化采煤，簡(jiǎn)稱綜采，此工作面稱綜采工作面。
掘進(jìn)工作面是井巷掘進(jìn)的工作場(chǎng)所，分為巖巷、煤巷和半煤巖巷三種。掘進(jìn)工序分破巖、裝運(yùn)和支護(hù)三項(xiàng)。掘進(jìn)方法分兩種，一為鉆爆法，二為使用掘進(jìn)機(jī)。前者應(yīng)用范圍廣但機(jī)械化程度低，后者包括全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)及懸臂式掘進(jìn)機(jī)兩種。煤礦一般廣泛使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)，包括掘進(jìn)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和支護(hù)設(shè)備共同組成掘進(jìn)綜合機(jī)械化，完成三道主要工序，稱為綜掘。
4. 采煤機(jī)械化分級(jí)
按中國(guó)煤礦的地質(zhì)情況及實(shí)際生產(chǎn)狀況，將機(jī)械化分為三級(jí)：
普通機(jī)械化采煤，簡(jiǎn)稱普采，采煤工作面裝有采煤機(jī)、可彎曲鏈板輸送機(jī)和摩擦式金屬支柱、金屬頂梁設(shè)備，可完成前三工序機(jī)械化，但功率較小，一般工作面年產(chǎn)量15～20萬(wàn)t。
高檔普通機(jī)械化采煤，簡(jiǎn)稱高檔普采。采煤工作面裝有采煤機(jī)，可彎曲鏈板輸送機(jī)，液壓支柱和金屬頂梁，可使前三工序機(jī)械化。由于有液壓支柱，因此頂板維護(hù)狀況良好，支護(hù)和控頂雖為手工操作，但勞動(dòng)強(qiáng)度大為減輕，功率亦較大，年產(chǎn)量為20～30萬(wàn)t。
綜合機(jī)械化采煤，簡(jiǎn)稱綜采。可完成五個(gè)工序的機(jī)械化。當(dāng)前性能不斷改進(jìn)，能力不斷增大，操作日益簡(jiǎn)化，應(yīng)用范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大。最高記錄為山西潞安礦務(wù)局王莊礦綜采一隊(duì)工作面，年產(chǎn)量達(dá)253萬(wàn)t。
?。ㄈ?露 天 采 煤
移走煤層上覆的巖石及覆蓋物，使煤敞露地表而進(jìn)行開(kāi)采稱為露天開(kāi)采，其中移去土巖的過(guò)程稱為剝離，采出煤炭的過(guò)程稱為采煤。露天采煤通常將井田劃分為若干水平分層，自上而下逐層開(kāi)采，在空間上形成階梯狀。
1. 主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)
首先用穿孔爆破并用機(jī)械將巖煤預(yù)先松動(dòng)破碎，然后用采掘設(shè)備將巖煤由整體中采出，并裝入運(yùn)輸設(shè)備，運(yùn)往指定地點(diǎn)，將運(yùn)輸設(shè)備中的剝離物按程序排放于堆放場(chǎng)；將煤炭卸在洗煤廠或其他卸礦點(diǎn)。
2. 主要優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)為生產(chǎn)空間不受限制，可采用大型機(jī)械設(shè)備，礦山規(guī)模大，勞動(dòng)效率高，生產(chǎn)成本低，建設(shè)速度快。另外，資源回采率可達(dá)90%以上，資源利用合理，而且勞動(dòng)條件好，安全有保證，死亡率僅為地下采煤的1/30左右。
主要缺點(diǎn)是占用土地多，會(huì)造成一定的環(huán)境污染，而且生產(chǎn)過(guò)程需受地形及氣候條件的制約。在資源方面，對(duì)煤賦存條件要求較嚴(yán)，只宜在埋藏淺，煤層厚度大的礦區(qū)采用。
3. 中國(guó)露天開(kāi)采煤概況
中國(guó)最早的露天礦為撫順西露天，建于1914年。新中國(guó)成立后至今已建成露天礦共78處，總設(shè)計(jì)規(guī)模5 085萬(wàn)t/a，其中最大的為安太堡露天礦，規(guī)模1 533萬(wàn)t/a，其次為霍林河礦，規(guī)模1 000萬(wàn)t/a。正在建設(shè)的大型露天礦還有準(zhǔn)噶爾黑岱溝，規(guī)模1 200萬(wàn)t/a，元寶山規(guī)模500萬(wàn)t/a，伊敏規(guī)模500萬(wàn)t/a等。露天礦產(chǎn)量約占煤炭年產(chǎn)量的5%左右，比例偏低，隨著大型露天采掘設(shè)備的研制，預(yù)計(jì)2000年露天礦年產(chǎn)量可望達(dá)到1億t。
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