煤炭开采与安全

1、1煤炭开采与安全赵培勇吉林煤矿安全技术中心2提 纲一、煤炭是我国的主体能源二、煤炭开采的基本知识三、煤炭开采安全状况介绍23煤炭是我国的能源主体14一、煤炭是我国主体能源煤炭曾经的能源主体世界能源结构先后经历了以薪柴为主、以煤为主和以石油为主的时代。自19世纪70年代的产业革命以来，能源主要是以煤炭为主，1920年所占比例曾高达63%。石油于20世纪60年代首次超过煤炭，跃居一次能源的主导地位。现在正在向以天然气为主转变，同时，水能、核能、风能、太阳能也正得到更广泛的利用。51860年至2000年世界能源结构图61986年至2011年世界能源消费结构图7中国“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气

2、和新能源全面发展的能源战略”；85%的发电能力为燃煤发电，年消耗煤炭占煤炭总产量的50%；在相当长的时期内，煤炭作为主导能源不可替代。 中国的能源结构一、煤炭是我国主体能源82011年中、美两国能源消费结构图9一、煤炭是我国主体能源煤炭工业已经形成强大的保障能力 2012年，全球煤炭产量为78.645亿吨。 十个产量超亿吨国产量合计为70.66亿吨占全球产量的91.7%，中国煤炭生产占全球比重为47.5%。 除中国外，其余国家分别是：美国9.22亿吨印度6.06亿吨；澳大利亚4.31亿吨；印度尼西亚3.86亿吨；俄罗斯3.55亿吨；南非2.6亿吨；德国1.96亿吨；波兰1.44亿吨；哈萨克斯坦

3、1.16亿吨。1020022012全国煤炭产量11一、煤炭是我国主体能源煤炭工业已经形成强大的保障能力10个基地煤炭产量超过亿吨，其中神东5.6亿吨，晋北和蒙东超过3亿吨。 年产120万吨及以上的大型煤矿850处，产量占全国的65%；千万吨级煤矿40处，产量5.6亿吨； 2012年, 内蒙、山西的产量分别达到10.6亿吨和9.1亿吨。12煤炭开采的基本知识2131、煤炭资源141、煤炭资源地壳是由岩石组成的，岩石又分为三大类： 岩浆岩（火成岩）、变质岩、沉积岩。沉积岩。由早期形成的岩石和矿物，经风化剥蚀和搬运后，在一定的条件下沉积固结而形成的新岩石。在地表分布最广，占75%左右。许多重要的矿产

4、资源本身就是沉积岩，如煤、油母页岩、盐矿石灰岩等。1516 煤是一种沉积而成的可燃有机岩，是由植物遗体的变化而形成的。煤的形成可划分两个阶段：成煤的第一节阶段：植物遗体在地表湖沼或海湾环境中，经历复杂的生物化学变化形成泥炭或腐泥。（一）腐泥的形成： 在腐泥形成过程中，腐泥若经受进一步的地质作用而形成的煤腐泥煤。（二）泥炭的形成： 由泥炭经过进一步的地质作用而形成的煤腐植煤。在一些湖、沼过渡环境，由高、低等植物形成的混合型的煤腐植腐泥煤。成煤的第二阶段1、褐煤的形成：2、烟煤的形成：1、煤炭资源17煤层1819201、煤炭资源 煤、泥炭地质勘查规范的储量分级分类 2003年3月1日起实行的地质矿

5、产行业标准DZT02152002(煤、泥炭地质勘查规范，对煤炭资源储量分类及类型条件、储量估算等作了新的划分和规定。依照该规范，煤炭储量按可行性评价阶段分为概略研究、预可行性研究和可行性研究储量；从经济意义上分为经济的、边际经济的、次边际经济的、内蕴经济的和经济意义未定的基础储量；从地质可靠程度上分为探明的、控制的、推断的、预测的储量 21矿井开拓221、煤炭资源根据工业要求、开采条件以及储量被查明的程度，矿井的储量分为以下几类： 可采储量 工业储量 能利用的储量 设计损失量矿井地质储量 远景储量 尚难利用的储量231、煤炭资源矿井储量指井田范围内可采煤层的全部储量。矿井地质储量：矿井技术边界

6、范围内的全部煤炭储量。 能利用的储量：在目前经济技术条件下能够开采的储量，。 尚难利用的储量：目前经济技术条件下尚不能够开采的储量，平衡表外储量。 工业储量：工业储量中预计可以采出来的煤量为可采储量，预计不可以采出来的煤量为设计损失量。 远景储量：因勘探程度不够，不能作为矿井设计的依据。241、煤炭资源据测算，我国煤炭资源总量5.57万亿t，其中埋深在1000米以下的为2.95万亿t,占煤炭资源总量的53%。仅少于美国和俄罗斯。252、矿井开拓井田 经过地质勘探掌握了煤层赋存的地质特征后，即可根据国民经济发展和市场的需求，进行煤田开发。当一个煤田的范围较大时，必须把煤田划分为若干较小的部分，每

7、一部分由一个矿井来开采。划归一个矿井来开采的那一部分煤田称为井田。262、矿井开拓矿井的生产能力露天矿生产能力1、大型：4、5、610、12Mt/a2、中型：1、2、3Mt/a井工矿生产能力。1、大型：1.2、1.5、1.8、2.4、3.0Mt/a及以上。2、中型：0.45、0.60、0.90Mt/a。3、小型：0.09、0.15、0.21、0.30Mt/a。2728293、露天开采露天采矿。优点是资源利用充分、回采率高、贫化率低，适于用大型机械施工，建矿快，产量大，劳动生产率高，成本低，劳动条件好，生产安全。我国丰富的煤炭资源中，适合于露天开采的煤炭储量达到了641亿吨。过去,我国露天煤矿产

8、量占总产量的比重一直维持在3%4%。近些年来露天煤矿开采比例从2002年的4%,发展到了2010年的9.93%。303、露天开采露天开采建国初期建设的抚顺西露天矿和海州露天矿。20世纪60年代建设的平庄、义马、哈密等露天矿。80年代大规模建设的伊敏、霍林河、准格尔、安太堡等几大露天矿。目前已建成或正在改扩建的千万吨露天煤矿有准格尔黑岱沟露天煤矿（30.0Mta），宝日希勒一号露天煤矿(20.0Mta)、魏家峁露天煤矿(一期6.0Mta，二期12.0Mt)、白音华三号露天煤矿(14.0Mta)、锡林浩特胜利东二号露天煤矿(10.0Mta)、神华新疆准东露天煤矿(20.0Mta) 等。31年产30

9、00万的露天煤矿建成投产32自重203吨,载重360吨,功率为3650马力33大型挖掘机高23米，重2000吨，一次挖掘135吨34354、井工开采矿井开拓方式（一）立井开拓（二）斜井开拓（三）平硐开拓（四）综合开拓36（一）立井开拓 立井开拓适用条件 当煤系地层上部的表土层厚度较大，有时含有流砂层或煤层埋藏深度较大时，一般采用立井开拓。如辽源龙家堡矿、金宝屯矿、通化八宝矿、营城立井、珲春局八连城矿等。37（二）斜井开拓方式 斜井开拓适用条件 当煤层埋藏较浅，地质构造比较简单的井田，一般可采用斜井开拓。在吉林的省煤矿中，斜井占矿井数的50以上。38（二）斜井开拓方式39（三）平硐开拓方式平硐开

10、拓适用条件平硐开拓是一种最简单的开拓方式，只要地形地质条件允许，应首先考虑采用这种开拓方式。它具有生产系统简单，通过能力大，排水设备少，井口设施少，装备简单，施工容易，工期短，出煤快，初期基本建设投资少。40（三）平硐开拓方式41（四）综合开拓方式在某些条件下，如为了充分利用地形，或考虑煤层埋藏深浅等特点避免大量投资，或单纯用一种开拓方式在技术上和经济上不够合理时，可采用综合开拓方式。如：平硐一斜井，平硐立井；斜井一立井等。 42（四）综合开拓方式43矿井巷道示意图444、井工开采五、开采顺序开采顺序包括井巷的开掘顺序和煤层的开采顺序。一般按照开拓巷道、准备巷道和回采巷道的顺序进行开掘。（一）

11、开拓巷道：为全井、一个水平或两个以上采区服务的巷道称为开拓巷道。（二）准备巷道：为一个采区内的一个或多个采煤工作面和峒室称为准备巷道。（三）直接为一个采煤工作面服务的巷道称为回采巷道。454、井工开采 开采顺序一般采用“采区前进、区内后退”，即先采靠近井筒的采区，然后由近及远逐步推进；煤层群或厚煤层分层开采顺序一般采用由上而下进行开采，即下行式开采顺序。 465、巷道掘进与支护一、巷道断面1巷道断面形状的选择巷道断面的形状，主要是根据巷道的服务年限结合所穿过岩、煤层的性质和选择的支护材料来决定 。常用的巷道断面形状有拱形、梯形、矩形和圆形 。47常用的巷道断面形状48巷道断面2巷道断面尺寸的决

12、定巷道断面尺寸主要依据用途来决定，并用所需通过风量来校正。巷道高度以人员通过安全、方便为原则。一般情况下开拓巷道不得低于20 m，准备巷道不得低于18 m，回采巷道不得低于16 m。在人车停车地点的巷道上下人侧，从巷道道碴面起16 m的高度内，必须留有宽1 m以上的人行道，管道吊挂高度不得低于18 m。 495、巷道掘进与支护二、破岩破岩的方法有两种：钻爆法和机械破岩。1、机械破岩。多使用掘进机，使用掘进机掘进应遵守规程的有关规定。机械破岩的优点是掘进速度快，效率高。现已在新集刘庄矿创出断面20平方米,硬度F5,月进1560米的纪录.50515、巷道掘进与支护2、钻爆破岩。目前，如何提高光面爆

13、破技术，是提高钻爆法巷道掘进进度和质量的重要保证。 光面爆破。是通过合理选择爆破参数，使爆破后的巷道成型规整，减少超挖和欠挖，最大限度的保持了围岩的自身强度，从而增强了围岩的自承能力。525、巷道掘进与支护三、 巷道支护(一)巷道支护的基本原理巷道未开掘以前，地下岩体处于相对平衡的原岩应力状态。巷道开掘以后，就破坏了这种原岩应力状态，打破了原有的应力平衡，应力重新分布，形成了集中应力，岩体受三向压缩转变为双向压缩。巷道周边围岩是否破坏取决于：集中应力的大小和围岩的强度。要使得巷道易于维护，就是要合理选择巷道位置；减少对巷道围岩的震动与破坏；及时支护，提高巷道围岩强度，防止松动岩石脱落。只有提高

14、支架的初撑力和强度，及时支护，才能够发挥支护的作用。 53545、巷道掘进与支护(二)巷道支护的类型1支撑式支架支撑式支架是直接支撑岩体的支护方式。这种支护方式分为棚式支架和石材整体式支架。金属支架是用旧钢轨、工字钢或槽钢，制成梁和柱支设的棚子。钢腿可由两节组成，有一定的可缩量。拱形金属支架用特型钢由几段组合成拱形支架，接点处可以移动，可在动压较大的巷道中使用。55巷道支护56金属可缩性支架57巷道支护石材整体式支架是指用料石、混凝土或钢筋混凝土砌筑成的连续整体式支架。一般称这种支架为砌碹，主要应用于围岩十分破碎、有大面积涌水和化学腐蚀、巷道服务年限长的地方。58巷道支护2补强式支架补强式支架

15、是补强岩体，利用围岩本身强度来维护巷道的支护方式。这种支护方式主要有锚杆支护、喷射混凝土支护、喷浆支护和锚索、锚喷支护等。59巷道支护(1)锚杆支护 巷道掘出后，向围岩中打锚杆眼，然后将锚杆安设在锚杆眼内，对巷道围岩予以人工加固，提高围岩自身的强度，以维护巷道的稳定。 锚杆支护是当今世界巷道支护技术的主要发展方向。锚杆支护原理 (1)锚固作用： (2)悬吊作用： (3)承载环作用：60巷道锚杆支护61悬吊机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。适用条件：锚杆

16、可以锚固到顶板坚硬稳定岩层62组合梁63组合拱64巷道支护 锚杆的种类。 锚杆支护分集中锚固和全长锚固两种。 （1）集中锚固：通过眼底端的锚头和另一端的紧固部分，使锚杆受张拉而抑制围岩的变形与松动。集中锚固类有楔缝式锚杆、涨壳式锚杆、树脂锚杆和预应力锚索等。 （2）全长锚固：通过杆体与孔壁间的胶结材料，使锚杆在全长范围内与岩石粘结在一起对岩体产生锚固作用。全长锚固类有砂浆锚杆、树脂锚杆等。 65巷道支护 锚杆支护的优点锚杆支护与其它支护方式相比，其优点是：坚固、耐用、安全、可靠；巷道维护量少、施工工程简单、劳动强度低；可紧跟掘进工作面，便于组织掘进，支护平行作业和一次成巷；有利于实现快速掘进和

17、支护机械化；可缩小巷道掘进断面约20，节省大量建筑材料，掘进费用低。66巷道支护（2）喷浆(或喷射混凝土)支护 喷射混凝土是将一定比例的水泥、沙、石的拌合料通过混凝土喷射机，用压缩空气作动力沿着管路送到喷嘴处与水混合后，以较高的速度(100 ms)喷射在岩面上凝结硬化而成的一种支护形式。从混合料及施工工艺上大体可以分为干式喷射法、潮式喷射法和湿式喷射法。 67巷道支护喷射混凝土和喷浆支护的作用原理：结构作用(加固、组合)。喷层具有良好的物理力学性能，抗压强度较高，因此能起到结构支撑作用。同时由于喷层具有一定的柔性，可以产生一定变形。封闭作用。喷层封闭了围岩表面，完全隔绝了空气、水与围岩的接触，

18、有效地防止风化作用所造成的围岩破坏和剥落。充填作用。喷射混凝土以很高的速度射入岩体张开的节理裂隙，把松动的岩块粘结、充填起来，产生粘结作用，大大提高了围岩的整体性和强度。685、巷道掘进与支护（三）巷道施工的安全管理1、平巷施工特点 1）水平岩石巷道施工水平岩石巷道的掘进目前还是以钻爆法为主，包括钻眼、爆破、装岩、运输和支护等主要工序以及工作面通风、排水、砌水沟和测量等辅助工序。除钻眼爆破和工作面通风外，正确解决好装岩和调车、工作面临时支护等问题，才能保证水平岩巷掘进的安全、高效。69巷道施工的安全管理(1)装岩平巷掘进中装运岩石工作，是掘进作业中最繁重而又耗费工时的工序。一般情况下，这项工序

19、要占掘进循环总时问的3550。装岩机械目前主要有耙斗装岩机或铲斗装岩机、蟹爪式装岩机。(2)临时支护掘进巷道时，从掘进到架设永久支架前，为了防止岩块坠落，工作面应该预先架设临时支架，或前探梁。 (3)排水巷道一侧要设置排水沟，以便泄出井下涌水，掘进巷道在穿透老空之前，必须坚持“有疑必探，先探后掘”的探放水原则，。70巷道施工的安全管理2）煤巷施工。(1)煤层比岩层的坚固性小，可以采用效率较高的多种掘进机或掘进装岩机。(2)煤层内多含有瓦斯，爆破后又有大量煤尘飞扬，故爆破时要喷雾洒水，使用水炮泥。71巷道施工的安全管理2、倾斜巷道施工特点1）上山施工掘进上山时应特别注意通风排瓦斯工作。由于瓦斯的

20、相对密度小，常常积聚在上山掘进工作面附近，如果不采取措施，有可能发生瓦斯爆炸。规程中规定：由下向上掘进25。以上的倾斜巷道时，必须将溜煤(矸)道与人行道分开，防止煤(矸)滑落伤人。人行道应设扶手、梯子和信号装置。 72巷道施工的安全管理2）下山(斜井)施工掘进下山时，因瓦斯可沿巷道上升，故通风比较容易。然而，运输和排水较为复杂。 下山掘进的安全问题主要是防跑车。 斜井(巷)施工期间兼作行人道时，必须每隔40 m设置躲避硐并设红灯。设有躲避硐的一侧必须有畅通的人行道。上下人员必须走人行道。行车时红灯亮，行人立即进入躲避硐，红灯熄灭后，方可行走。736、采煤方法一、采煤方法的概念和分类采煤方法主要

21、由采区内的采煤系统和采煤工艺两部分内容组成。采煤系统是指采区内的巷道布置系统以及为了正常生产而必须建立的采区内用于运输、通风等目的的生产系统。采煤工艺是指采煤工作面内破煤、装煤、运煤、支护和采空区处理等工序在时问和空间上的进行程序和安排方式。74采煤方法的概念和分类长壁式采煤法按照采煤工作面推进方向可分为走向长壁采煤法和倾斜长壁采煤法两类。按照采煤工艺方式和机械化程度不同，采煤方法可分为炮采、普采、综采等。 75水采柱式体系整层开采倾斜短壁式倾斜长壁式旱采房柱式房式单一长壁放顶煤掩护支架水平分段放顶煤斜切分层水平分层倾斜分层倾斜长壁走向长壁走向长壁倾斜长壁垮落刀柱下行垮落上行充填整层开采分层开

22、采壁式体系柱式体系整层开采采煤方法分类图76走向长壁采煤法巷道布置采区巷道布置1采煤工作面必须有两个畅通的安全出口，一条通向回风巷，一条通向进风巷；2采区内至少要布置两条上山，一条为运输上山，一条为轨道上山。3采区内要设采区车场。 4采区内一般设采区煤仓和采区硐室。77走向长壁采煤法巷道布置78倾斜长壁采煤法巷道布置倾斜长壁采煤法的实质是工作面沿走向布置，沿仰斜向上推进或沿俯斜向下推进。倾斜长壁采煤法巷道布置的优点：(1)取消了采区上下山，简化了井下巷道系统。 (2)综采面长度可以保持不变，工作面产量大，提高了矿井生产集中化程度。(3)减少了巷道掘进、维修和运输工作量。(4)可采用双工作面布置

23、，工作面长度成倍增加。 (5)对地质条件适应性强。存在的问题：倾斜长壁只适用于倾角小于12。7980倾斜长壁采煤法巷道布置81长壁采煤法的采煤工艺回采工艺是指采煤工作面内破煤、装煤、运煤、支护和采空区处理等工序在时间和空间上的进行程序和安排方式。前三项是为了把煤采下来，运出去，简称为采煤；后两项是为了控制顶板压力，为采煤创造安全的工作条件，通常称为顶板管理。82长壁采煤法的采煤工艺1炮采工艺 (1)爆破。主要由打眼、装药、封泥、联线和起爆等工序组成。当工作面较长时可采用分段爆破方式完成。 (2)装煤。通常由爆破装煤和人工装煤共同完成。 (3)运煤。当工作面倾角在20以下时，一般应用可弯曲刮板运

24、输机运煤，倾角在2025时，可采用塘瓷溜槽运煤，倾角大于25可采用铁溜槽运煤。 (4)支护。目前，炮采工作面使用的支护装备主要有抗炮崩的单体液压支柱与铰接顶梁组成的悬臂梁支架和木支架两种。 (5)采空区处理。目前主要采用全部垮落法。 藏分布83长壁采煤法的采煤工艺 2普通机械化采煤工艺普采面的回采工艺过程包括工作面内破煤、装煤、运煤、支护和采空区处理等工序，落煤和装煤是利用采煤机来完成。普采面配套设备有：单摇臂滚筒采煤机或双摇臂滚筒采煤机、刮板输送机，液压支柱，可配金属铰接顶梁。沿工作面每6 m设一移溜器推移输送机， 84普采工作面设备布置l一单滚筒采煤机；2一可弯曲刮板输送机；3一单体液压支

25、柱：4一推移千斤项；5一乳化液泵站；6一工作面运输巷运输机；7一回柱绞车8586长壁采煤法的采煤工艺3、综合机械化采煤工艺综合机械化采煤(简称“综采”)，采煤工作面的落煤（破）、装煤（装）、运煤（运）、支护（支）、采空区处理（空）等主要工序全部实现了机械化，形成连续作业。综采工作面由于使用了自移式液压支架使工作面推进速度加快，产量和效率均有显著提高，成本显著降低，生产更加安全，工人的劳动强度也大为降低，而且生产集中，减少了辅助人员，综采是采煤工作面装备的发展方向。8788我国综采的一些先进指标 补连塔煤矿7米大采高综采工作面长度301米，推进长度4971米，煤层平均厚度7.55米。装备的是世界

26、首套7米大采高液压支架；支架宽度增加到2.05米。设备总重量12000余吨。工作面每刀可割煤2600吨，原煤生产效率142.6吨/工，回采工作面原煤生产效率890.9吨/工。 89采高达7米，滚筒直径为3.5米，装机总功率2590千瓦，自重138吨是世界上最大的采煤机907米高的综采支架缸径50CM工作阻力16800KN914、综采放顶煤采煤工艺 综采放顶煤技术主要有以下几种类型： （1）一次采全高放顶煤技术，它是在煤层下部沿着底板布置采煤工作面，在采煤过程中有步骤地放落顶煤。 （2）急倾斜特厚煤层分段放顶煤技术。按一定的标高自上而下分段，在每个分段里布置采煤工作面进行放顶煤开采。我省梅河煤矿

27、采用此法进行采煤工作，获得了高产、高效、高效益的成果。（3）预采顶分层的放顶煤技术。它适用于直接顶坚硬不易冒落或煤层中瓦斯含量大，需要预先排放瓦斯，厚度在10 rn以上的煤层。929394综采放顶煤采煤工艺综采放顶煤采煤法的优缺点(1)综采放顶煤技术容易实现高产。(2)放顶煤综采巷道掘进率低。(3)工作面搬家次数少。(4) 是利用地压破煤、依靠自重放煤的，因此是一种能源动力消耗最少的机械化回采工艺。 (5)综采放顶煤技术适应性强，可以在条件比较复杂的断层、边缘地带三角区、残余煤柱区使用。存在的五大问题：如果丢煤较多，采空区煤炭易自燃；工作面产量增加，瓦斯浓度易超限；煤尘浓度大；工作面回采率难以

28、控制，工作面两端煤难以放落，回采率低； 955、急倾斜煤层开采(一)急倾斜煤层的开采特点(1)急倾斜煤层埋藏的地质条件比较复杂，断层和褶曲多，煤层倾角和厚度变化大，煤层和围岩的节理发育，性脆易冒落。(2)由于煤层倾角大，岩块会自动地向下滑落，这就简化了采场内的装运工作。(3)急倾斜煤层在采煤后，采空区中不仅顶板岩石要发生下沉和垮落，底板岩石也会发生移动和塌落，但顶底板移动和垮落的范围都比缓斜煤层小得多。(4)在急倾斜煤层中，在采区中可开掘采区溜煤眼来代替缓倾斜煤层中的运输上山。(5)开采急倾斜煤层，采区的倾斜长度较小，采区及工作面生产能力、机械化程度和效率都比缓倾斜煤层要低。(6) 开采急倾斜

29、煤层的矿图，一般采用立面投影图、水平切面图及其他剖面图等图件表示。96979899煤炭开采安全状况介绍310020122012年0.37410130353713842012197620121022012年主要产煤省的产量和安全状况山西、陕西、内蒙古煤炭产量为245000万吨，占全国产量的66.8%。 其中： 产量（万吨） 死亡人数 百万吨死率内蒙古108000 33 0.031山西省 91000 87 0.096陕西省46000 49 0.11河南省15000 12 0.08 1032010-11-12年各省煤矿事故死亡人数 北京 8 0 2 河北 62 5338 山西1447487 内蒙 49 5033辽宁556365 吉林 603859 龙江 94 9481江苏10 4 7 安徽 36 4035 福建 4 8 10江西 58 3630山东 114