[科普中國]-采煤

簡介

煤礦床呈層狀賦存，分布范圍廣，儲量大，煤質(zhì)脆、易切割破碎,開采時(shí)常伴有水、火、瓦斯等災(zāi)害威脅,與開采其他礦藏相比，采煤技術(shù)有一些不同的特點(diǎn)。開采方式分露天開采、地下開采兩類。通常采用機(jī)械化方法；少數(shù)用水力采煤；煤的地下氣化尚處于試驗(yàn)階段。

自18世紀(jì)以來，隨著大工業(yè)對能源日益增長的需求，煤的生產(chǎn)能力大幅度增長。1770～1850年英國的煤炭年產(chǎn)量從620萬噸猛增到5000萬噸以上,約占當(dāng)時(shí)世界總產(chǎn)量的2/3，到1913年,達(dá)到2.92億噸的歷史最高水平。美國于1900年煤產(chǎn)量為2.45億噸，到1947年躍增到6.24億噸，曾在一個(gè)時(shí)期內(nèi)保持世界領(lǐng)先地位。蘇聯(lián)在1916年煤產(chǎn)量只有3450萬噸，到1940年已近1.7億噸,自1958年以來一直保持世界第一位,從1975年起產(chǎn)量超過了7億噸。中國是發(fā)現(xiàn)和使用煤炭最早的國家之一（見中國古代采煤技術(shù)）。但在1949年以前，除1942年曾達(dá)到6200萬噸最高歷史紀(jì)錄外，一般年產(chǎn)量只有3000萬噸左右。1949年中華人民共和國成立以后,開發(fā)、建設(shè)了大批新井,改造擴(kuò)建了原有礦井，使煤礦生產(chǎn)能力迅速提高，1983年初全國統(tǒng)一分配的煤礦552個(gè),年產(chǎn)1000萬噸以上的礦區(qū)有10個(gè)，原煤產(chǎn)量超過了7億噸。

過程采煤過程無論露天開采還是地下開采，都須首先進(jìn)行地質(zhì)勘探，查明含煤地層的分布范圍、可采層數(shù)、層厚、傾角、儲量，以及地質(zhì)構(gòu)造、自燃傾向、水、瓦斯等賦存狀況和開采條件，然后合理規(guī)劃礦區(qū)的建設(shè)規(guī)模、礦井?dāng)?shù)目、產(chǎn)量和建設(shè)順序。根據(jù)礦區(qū)總體設(shè)計(jì)和礦井設(shè)計(jì)，逐一建設(shè)后移交生產(chǎn)。露天開采包括剝離和采煤作業(yè)。首先剝?nèi)ド细矌r層，使煤層敞露，然后開采(見露天采礦方法)。地下開采則需開鑿一系列井巷（包括巖巷和煤巷），進(jìn)入地下煤層，然后進(jìn)行采煤（見地下采煤方法）。 采區(qū)是井下生產(chǎn)的基本單元，礦山開拓和采區(qū)巷道布置是井下開采的重要組成部分。采區(qū)內(nèi)布置一系列巷道和若干回采工作面，建成從工作面到井下大巷的運(yùn)輸、通風(fēng)、供電、壓氣、煤倉等生產(chǎn)系統(tǒng)。視煤層賦存條件，可在單一煤層中布置采區(qū)，或在幾個(gè)相鄰煤層中聯(lián)合布置采區(qū)。為維持礦井持續(xù)生產(chǎn)，在回采的同時(shí)，需及時(shí)進(jìn)行開拓工作和準(zhǔn)備新采區(qū)，形成新工作面。此外，還要布置聯(lián)通井下各采區(qū)的開拓井巷，形成全礦性的井下生產(chǎn)系統(tǒng)（見采區(qū)巷道布置）。

通過井下運(yùn)輸系統(tǒng),將采出的煤和矸石運(yùn)到地面,把人員、材料、裝備從地面運(yùn)到井下工作地點(diǎn)。礦井通風(fēng)系統(tǒng)不斷供給井下新鮮空氣,利用各種通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)施,迫使風(fēng)流到達(dá)井下每個(gè)作業(yè)點(diǎn)，供井下人員呼吸、降溫及稀釋瓦斯等有害氣體；乏風(fēng)通過回風(fēng)井巷排出地面（見礦井通風(fēng)、礦內(nèi)空氣、礦井熱害）。井下各工作地點(diǎn)所需的電力、壓氣動(dòng)力、防塵等安全措施及用水，分別以專用管線，從地面變電站、壓風(fēng)機(jī)房以及貯水池輸送到井下去（見礦山動(dòng)力供應(yīng)、礦山供電系統(tǒng)）；井下涌水則需在井底設(shè)集中水倉、水泵房，通過排水管排到地面(見礦山排水)；充填、井下防火等特需的充填材料、泥漿須另設(shè)專用的設(shè)備和輸送系統(tǒng)。露天開采須增設(shè)剝離、排土、堆土裝備，以及相應(yīng)容量的排土場；采深不大時(shí)，無需通風(fēng)措施。1

采煤機(jī)械從國內(nèi)煤機(jī)競爭態(tài)勢來看，我國煤機(jī)制造企業(yè)受計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代影響發(fā)展緩慢，不僅技術(shù)水平較低，而且產(chǎn)品單一。雖然近年技術(shù)提升很快，但是與國外煤機(jī)巨頭相比，我國煤機(jī)裝備整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性仍然不強(qiáng)，缺乏行業(yè)的頂尖品牌，在資金實(shí)力和技術(shù)研發(fā)能力上與國際先進(jìn)水平還有一段差距，在露天煤礦采掘設(shè)備的生產(chǎn)方面與國外差距較大，大而不強(qiáng)是我國煤機(jī)行業(yè)當(dāng)前的真實(shí)寫照。這就加重了我們采煤的成本，以及加大采煤中存在的風(fēng)險(xiǎn)2。

國內(nèi)煤機(jī)行業(yè)的兼并重組對于采煤行業(yè)還是有一定意義的，國內(nèi)采煤機(jī)械的發(fā)展對提高采煤行業(yè)的效率有重要意義。

技術(shù)發(fā)展地下采煤 生產(chǎn)的發(fā)展，推動(dòng)了采煤技術(shù)的進(jìn)步，18世紀(jì)以來，地下采煤技術(shù)經(jīng)歷過兩個(gè)發(fā)展階段：

①第一個(gè)發(fā)展階段 18世紀(jì)肇始于英國，使采煤從手工生產(chǎn)過渡到單一生產(chǎn)工序的機(jī)械化生產(chǎn)。首先以蒸汽為動(dòng)力的提升絞車、水泵、扇風(fēng)機(jī)，取代了轆轤提升、水斗戽水和自然通風(fēng)。20世紀(jì)初到40年代后期，陸續(xù)出現(xiàn)了風(fēng)鎬、電鉆、 鑿巖機(jī)、 鏈板輸送機(jī)、氣動(dòng)裝巖機(jī)、電動(dòng)裝載機(jī)、帶式輸送機(jī)、自動(dòng)卸載礦車等采掘設(shè)備和大功率的電動(dòng)絞車、水泵、扇風(fēng)機(jī)等技術(shù)裝備，但采掘工作面仍以使用電鉆的爆破落煤技術(shù)和鑿巖機(jī)為主。中國自1875年起，相繼建立了基隆、開平兩個(gè)煤礦，實(shí)現(xiàn)了礦井提升、礦井通風(fēng)、排水等幾個(gè)主要輔助生產(chǎn)工序的機(jī)械化作業(yè)，這是中國近代采煤工業(yè)的開始。

②第二個(gè)發(fā)展階段 采掘工作面從單一生產(chǎn)工序的機(jī)械化，發(fā)展為全部工序的綜合機(jī)械化。20世紀(jì)40年代后期至50年代，英國、蘇聯(lián)分別研制出用于地下長壁工作面的聯(lián)合采煤機(jī)，可同時(shí)完成落煤、裝煤兩道繁重工序的作業(yè)。與摩擦式或液壓式單體支柱，以及稍后研制出的可彎曲輸送機(jī)一起，構(gòu)成了配套的普通機(jī)械化采煤設(shè)備（即普通采煤機(jī)組）。至60年代初，液壓自移支架取代了單體支柱，構(gòu)成了綜合采煤機(jī)組，從而使工作面生產(chǎn)的采煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)、采空區(qū)處理等所有工序,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、協(xié)調(diào)一致的綜合機(jī)械化。到1982年,采煤綜合機(jī)械化程度：聯(lián)邦德國為98%，英國為92%，蘇聯(lián)為67%，波蘭為77.8%。

礦井生產(chǎn)的日趨集中,生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大,推動(dòng)了礦井運(yùn)輸、礦井提升等環(huán)節(jié)的進(jìn)一步技術(shù)改造。一些裝備正朝著大型、強(qiáng)力、高速的方向發(fā)展。已出現(xiàn)了2000噸/時(shí)的鋼芯強(qiáng)力帶式輸送機(jī)，35噸的提升罐籠，有效載重達(dá)50噸的箕斗，以及每秒供風(fēng)量為300米3的扇風(fēng)機(jī)等。 在地下采煤方法方面，世界上大多數(shù)產(chǎn)煤國家采用長壁工作面采煤法（見壁式采煤法）。美國由于煤層平緩，頂板堅(jiān)硬，適宜用連續(xù)采煤機(jī)開采，主要用工作面短的房柱法采煤（見柱式采煤法），效率高，但煤炭損失多。

露天采煤 19世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了勺斗容積為3～4米3的動(dòng)力鏟和以鐵道或汽車配合使用的采、裝、運(yùn)設(shè)備，20世紀(jì)30年代，在軟巖露天礦發(fā)展了能力大、效率高的連續(xù)開采新工藝，50年代得到推廣。60年代以來，露天采煤規(guī)模、技術(shù)裝備發(fā)展迅速，各種工藝方式都已形成配套的設(shè)備組合和系列，單機(jī)設(shè)備能力不斷提高，并陸續(xù)出現(xiàn)了容量更大、生產(chǎn)能力更高的超重型裝備：斗容137米3、卸載半徑近100米的機(jī)械鏟;斗容168米3、卸載半徑為180米，并已用電子計(jì)算機(jī)監(jiān)控的吊斗鏟;日產(chǎn)20余萬米3的輪斗鏟;載重達(dá)200～350噸系列的自翻車和自卸汽車；以及帶寬3.6米，最長作業(yè)線98.65公里，最大生產(chǎn)能力每小時(shí)達(dá)48000米3的帶式輸送機(jī)等。系統(tǒng)工程和電子計(jì)算技術(shù)開始用于露天礦的單機(jī)控制、系統(tǒng)監(jiān)控、全礦以至全公司的組織管理，使全世界露天采煤占全部煤產(chǎn)量的百分比，由60年代的30%提高到1980年的40%，蘇聯(lián)為32.6%，美國達(dá)55.3%，中國也正在大力發(fā)展露天采煤。 采

采煤力學(xué)理論巖石力學(xué) 和地壓控制理論一起，是指導(dǎo)采煤生產(chǎn)的重要理論基礎(chǔ)。隨著開采引起的圍巖巖體中應(yīng)力重新分布，使圍巖、煤體和各種人工支撐物產(chǎn)生變形、塌落、破壞、地表發(fā)生沉降等力學(xué)現(xiàn)象，直接影響井下巷道和地表建筑物的穩(wěn)定與作業(yè)安全。19世紀(jì)后期，已有人試圖運(yùn)用簡單的力學(xué)定理，建立各種假說，來解釋一些地壓現(xiàn)象。

20世紀(jì)30年代開始了以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為理論基礎(chǔ)的研究。隨后，又開展了視巖體為連續(xù)介質(zhì)各向異性體的研究，50年代后，開展了視巖體為非連續(xù)介質(zhì)的弱面體研究、有限元法研究和極限平衡條件研究等。與此同時(shí)，相似材料模擬、光彈性模擬、數(shù)學(xué)模擬等各種研究方法和聲、光、電學(xué)儀器設(shè)備等實(shí)驗(yàn)手段也獲得了顯著進(jìn)展（見地壓觀測）。這些研究工作為更好地解決工作面支架設(shè)計(jì)、巷道維護(hù)、三下采煤以及具有沖擊地壓、煤、巖與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層的開采等各種實(shí)際問題，提供了理論基礎(chǔ)。

系統(tǒng)工程學(xué) 在煤礦開采應(yīng)用方面的研究也取得顯著進(jìn)展。首先在露天開采中應(yīng)用，目前已擴(kuò)展到地下開采，但都還處于初期階段。煤炭生產(chǎn)是個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，它是由采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、提升、通風(fēng)、排水、動(dòng)力供應(yīng)、地面生產(chǎn)系統(tǒng)等許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)組成的，各環(huán)節(jié)間具有獨(dú)立性，在工藝技術(shù)上、材料上、動(dòng)力上、信息上又具有相關(guān)性，在整體上互相依存又互相制約。運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)、電子計(jì)算機(jī)等工具,對大系統(tǒng)的要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和反饋控制等進(jìn)行分析研究，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目標(biāo),保證產(chǎn)量或成本費(fèi)用最低,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最好（見計(jì)算機(jī)在采礦工業(yè)中的應(yīng)用）。

礦山地壓及其控制,系統(tǒng)工程在采煤中的應(yīng)用,以及其他有關(guān)學(xué)科理論研究上的進(jìn)展，已促使煤礦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理更好地和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，采煤學(xué)科的內(nèi)容和體系進(jìn)入了大幅度更新期。

前景展望煤礦開采技術(shù)，無論露天或地下，在目前已達(dá)到的高度機(jī)械化基礎(chǔ)上，正朝著生產(chǎn)過程的遙控、自動(dòng)化方向發(fā)展。通過改進(jìn)綜采設(shè)備的設(shè)計(jì)、選型、材質(zhì)、制造工藝、檢驗(yàn)方法和維修制度，將提高其生產(chǎn)能力和設(shè)備利用率。同時(shí)，在礦井提升、 運(yùn)輸、 排水、通風(fēng)、瓦斯監(jiān)控等許多環(huán)節(jié)，將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、遙控。地下和露天煤礦都將實(shí)現(xiàn)電子計(jì)算機(jī)集中自動(dòng)管理監(jiān)控。有的國家已將機(jī)器人試用于井下回采工作面。水力采煤法如能在資源回收、煤泥處理、輔助運(yùn)輸、通風(fēng)系統(tǒng)等技術(shù)環(huán)節(jié)上，進(jìn)一步改進(jìn)和完善，也將是一種有發(fā)展前途的開采技術(shù)。

采煤相關(guān)民謠無農(nóng)不穩(wěn)，無工不富。窮奔礦山，富奔口岸。

山上煤山路角彎，煤山流水響潺潺。

荒山野鳥般般叫，叫得窮人心膽寒。

人窮別把煤礦奔，到了煤礦死山間。

礦主不養(yǎng)爺，自有養(yǎng)爺處，實(shí)在沒活路，爺去當(dāng)八路。

不立規(guī)矩不成方圓，不守規(guī)章不保安全。

采煤有保證，掘進(jìn)必先行。

若要出煤炭，抓好風(fēng)、運(yùn)、電。

井下的風(fēng)，礦工的命。

采厚丟薄要不得， 厚薄開采要搭配。

不怕生產(chǎn)任務(wù)重，就怕采掘不均衡。

割煤先灑水，濕潤無煤塵。

打眼放炮甩大鍬，不如綜機(jī)割一刀。

敲幫問頂查險(xiǎn)情，安全作業(yè)有保證。