信息技术基础4

第1讲煤矿开采简介1.1学科范畴与战略地位1.2国内外发展回顾、现状与趋势1.3战略目标与优先发展方向1.1学科范畴与战略地位学科定义与研究对象煤矿开采(coalmining)是指综合运用煤矿开采学、矿山压力及控制、煤矿地质学、煤矿安全科学与技术等理论，按科学的工程程序，使用一定的机电设备及配套系统采出地下煤炭以及伴生资源的一种工程活动和科学技术。根据煤炭资源赋存情况，煤矿开采分为地下开采和露天开采，其中地下开采在我国占统治地位，其煤炭产量占总产量的95％以上。世界其他国家地下开采的产量比例有很大差异。煤矿开采的研究对象为安全、高效、高资源回收率地开采煤炭资源以及伴生的其他矿物资源等。煤矿开采研究的目的是综合利用现代科学理论与相关工程技术，深入分析、研究煤矿开采复杂多变的客观条件，掌握和利用煤矿开采的基本规律，系统地研究和开发高效、安全、高资源回收率和舒适作业条件的现代化煤矿开采的科学理论与工程技术。学科方向、基础与相邻学科关系煤矿开采是一门综合性的科学与面向生产实际的工程技术。它涉及：采煤方法矿山压力与围岩控制机电设备自动化与通信技术开采的安全技术瓦斯等伴生资源开采地面沉陷保护露天开采与边坡稳定矿区生态环境保护与重建系统工程与信息化技术等多个学科领域。它的学科基础包括:等多个学科门类。目前已形成了许多研究方向。固体力学地质力学煤田地质学工程地质和水文地质学岩石力学流体力学空气动力学机电工程系统科学与工程电子科学与技术计算机科学与技术通信技术环境保护材料科学与工程安全技术与工程人工智能(1)开采方法：综合运用采煤学、矿山压力与控制、矿井地质、机电设备与配套、安全工程、系统工程、流体力学、管理科学与工程等理论与技术，研究煤炭及瓦斯等伴生资源的高效、安全、高资源回收率的开采方法、工艺和技术。(2)矿山压力与围岩控制：以工程地质学、岩石力学、结构力学、断裂力学、弹性力学、塑性力学、材料力学以及非线性科学等为基础，系统研究不同开采方法的采场与井巷的矿山压力显现规律，围岩控制理论与技术，以及研制开发相应监测仪器仪表与围岩控制设备和产品，研究采场与井巷顶板矿压显现规律、冲击矿压、顶板大面积来压等灾害的发生机理、规律与防治理论和技术。(3)“三下”开采与地面保护：综合运用岩石力学、矿山压力与控制、采煤学等理论与技术，研究水体、建筑物、铁路等下部煤炭开采技术、减少甚至消除地面沉降的理论与技术以及地面建筑物、农田、水系等的保护技术。(4)深部开采：针对矿井开采水平逐年延伸，深部开采问题逐渐严重的情况，研究深部矿井与高应力开采条件下的冲击矿压、瓦斯突出等动力异常灾害发生机理与防治技术；深部开采条件下，采场与巷道顶板灾害的发生机理与防治理论技术，以及采场与巷道围岩控制理论与技术、矿井顶底板水的防治理论与技术、矿井降温理论与技术。(5)露天开采：：以运筹学学、系统科科学与工程程、露天开开采学等为为基础，研研究内容涉涉及穿孔、、采装、运运输、排卸卸等设备，，露天矿开开采工艺与与生产组织织、自动化化调度系统统、生产计计划与过程程的优化、、设计原理理与计算机机化、生产产爆破技术术，以及开开拓运输系系统和采装装系统的设设计与优化化等的研究究与开发，，已经形成成了机械化化、自动化化、电子化化、计算机机化等多学学科的交叉叉研究。(6)露天矿边坡坡与排土场场稳定：以以工程地质质学、水文文地质学、、岩石力学学、散体力力学、露天天开采学、、环境科学学等为基础础，研究露露天矿采场场与排土场场边坡的稳稳定理论与与技术、边边坡优化设设计、边坡坡稳定的自自动化监测测与预警系系统开发、、边坡破坏坏的防治理理论与技术术。(7)自动化与通通信技术：：以采矿学学、自动化化技术、通通信技术、、信息化技技术、机电电工程、电电子技术等等为基础，，研究与开开发煤矿自自动化开采采、自动提提升与运输输、巷道自自动化掘进进与支护、、开采过程程自动控制制等技术。。(8)计算机应用用与信息化化技术：以以采矿学、、运筹学、、系统工程程、计算机机科学与技技术等为基基础，研究究与开发煤煤矿企业的的信息化管管理决策系系统、计算算机辅助设设计、煤矿矿开采的仿仿真与优化化。(9)安全理论与与技术：研研究瓦斯爆爆炸机理，，采前与采采动过程中中瓦斯运移移规律、安安全开采的的瓦斯防治治理论与技技术，矿井井火灾发生生机理与防防治理论技技术，矿井井粉尘防治治技术，矿矿井通风系系统设计与与优化。(10)煤矿安全监监测与预警警：综合运运用煤矿安安全工程与与监测原理理、电子技技术、信息息传输与处处理技术、、计算机技技术等开发发研制新型型、准确、、高效的煤煤矿安全监监测与预警警系统。其其中，涉及及瓦斯、水水、火、粉粉尘、顶板板、冲击地地压等的监监测与预警警。(11)与环境协调调的开采理理论与技术术：综合运运用采矿工工程理论与与技术、环环境科学与与技术、工工程地质与与水文地质质、林业科科学与工程程、农业科科学与工程程、资源与与环境经济济学等，系系统研究和和建立与环环境协调的的开采理论论与技术体体系，保障障煤炭资源源开采与环环境的协调调可持续发发展。学科战略地地位目前，煤炭炭提供世界界一次能源源的27％和世界发发电量的45％，煤炭的的衍生物生生产25000多种消费品品，在世界界经济中占占有重要地地位。煤炭是世界界上储量最最多、分布布最广的常常规能源资资源，其中中90％集中在苏苏联、美国国、中国、、澳大利亚亚、德国、、印度、南南非、波兰兰、英国和和加拿大等等10个国家。我国长期以以来一直以以煤炭作为为主要能源源，并且煤煤炭在我国国一次能源源中的主导导地位在短短期内不会会改变。我国能源资资源赋存现现状决定了了我国能源源开发以煤煤炭为主的的现状在短短期内不会会改变。随随着科学技技术发展，，新能源和和可再生能能源会有一一定增长，，但在相当当长的时间间内还是不不可能取代代化石能源源。显然，经济济的发展对对能源的需需求量将越越来越大，，因此，研研究煤炭的的高效、安安全、高采采出率开采采是十分重重要的问题题。煤炭开采在在我国国民民经济建设设中具有极极其重要的的战略地位位，也是我我国一次能能源的基础础。煤炭开采是是提供煤炭炭能源的根根本方法，，我国的煤煤炭资源总总量居世界界首位，但但人均煤炭炭产量不高高，甚至十十分短缺，，人均煤炭炭产量仅居居世界第8位。因此，研究究和解决煤煤炭开采中中的相关科科学问题，，促进煤炭炭高效、安安全、高资资源采出率率开采和绿绿色开采，，是当前煤煤炭开采中中所面临的的重要问题题，也是重重要的学科科方向。国外重要的的煤矿开采采学术研究究机构1．美国美国的煤炭炭科研工作作主要由政政府机构、、企业研究究与发展机机构、大学学(学院)及民间咨询询机构四部部分组成。。美国较大的的采矿公司司一般都设设有研究与与发展部；；美国有二二十几个大大学设有采采矿系，主主要按政府府合同开展展基础研究究；此外，，还有一支支重要的研研究与开发发力量——民办咨询公公司。国家政府科科研机构主主要有能源源部所属的的联邦能源源研究院（（FEI），此外由由各大学采采矿系联合合组成的矿矿物研究所所也发挥着着重要作用用，如弗吉吉尼亚大学学工业学院院与弗吉尼尼亚州立大大学、宾夕夕法尼亚州州立大学、、明尼苏达达大学等。。2．俄罗斯俄罗斯的煤煤炭科研体体系分为两两类，一类类是煤炭工工业直属科科研院所，，另一类是是矿区科研研所。现在俄联邦邦批准在原原24个部级院所所的基础上上成立5个煤炭科学学中心：①国家矿业业科学中心心；②地质力学学和矿山测测量科学中中心；③俄罗斯煤煤炭工业安安全科学中中心；④库兹巴斯斯采矿工艺艺科学中心心；⑤露天采矿矿工艺科学学中心。3德国德国拥有世世界一流的的煤炭科研研机构，如如埃森采矿矿研究院(Bergbau-ForschungGmbH)、威斯特伐伐伦矿山协协会(WestfalisheBergwerkschaftskasse)矿业研究所所和实验室室矿井公司司等。在矿矿山压力控控制、井下下降温、瓦瓦斯、煤尘尘和火灾防防治、采煤煤技术、井井下运输和和选煤等领领域，德国国都处于世世界领先水水平。德国西部克克劳斯塔尔尔工业大学学和东部弗弗赖堡大学学是德国两两所著名的的矿业大学学，其他大大学如柏林林工业大学学和亚琛大大学设有采采矿系或采采矿专业，，鲁尔大学学设有矿山山建筑专业业。这些大大学除培养养采矿专门门人才外，，还承担重重要的矿业业科研项目目。4．澳澳大大利利亚亚澳大大利利亚亚的的科科研研和和学学术术工工作作主主要要由由联联邦邦科科学学和和工工业业研研究究组组织织(CommonwealthScientificandIndustrialResearchOrganization，CSERO)承担担，，煤煤炭炭科科研研是是该该组组织织中中的的重重要要科科研研部部分分。。此此外外，，维维多多利利亚亚州州的的电电力力委委员员会会建建有有几几个个实实验验室室，，研研究究褐褐煤煤的的开开采采、、储储存存、、运运输输和和发发电电等等。。澳大大利利亚亚很很多多大大学学均均承承担担煤煤炭炭科科研研任任务务，，研研究究水水平平较较高高，，如如悉悉尼尼大大学学、、新新南南威威尔尔士士州州立立大大学学、、墨墨尔尔本本大大学学、、昆昆士士兰兰大大学学、、纽纽卡卡斯斯尔尔大大学学、、伍伍伦伦贡贡大大学学等等，，研研究究的的课课题题包包括括矿矿井井和和露露天天采采煤煤、、岩岩石石力力学学、、地地震震勘勘探探、、瓦瓦斯斯抽抽放放等等。。5．波波兰兰波兰兰从从事事煤煤炭炭科科研研的的主主要要机机构构有有：：采采矿矿研研究究总总院院(GIG)、考考玛玛格格采采矿矿机机械械化化中中心心(KOMAG)和艾艾玛玛格格采采矿矿电电气气化化与与自自动动化化中中心心(EMAG)。波波兰兰的的一一些些大大学学也也从从事事煤煤炭炭科科研研工工作作。。波兰兰在在““三三下下”开采采、、冲冲击击矿矿压压的的理理论论和和应应用用技技术术研研究究方方面面具具有有很很高高的的学学术术水水平平。。6．加加拿拿大大加拿拿大大的的煤煤炭炭科科研研工工作作主主要要由由加加拿拿大大矿矿业业和和能能源源技技术术中中心心(CANMET)和一一些些大大学学负负责责和和开开展展。。CANMET的采采矿矿研研究究所所由由以以下下六六个个研研究究室室组组成成：：①加加拿拿大大易易爆爆气气体体实实验验室室(CEAL)。②加加拿拿大大采采矿矿技技术术实实验验室室(CMTL)。③埃埃利利奥奥特特湖湖实实验验室室(ELL)。④萨德伯伯利回填填实验室室(SBL)。⑤互勒多多矿山实实验室(VDML)。⑥开普布布雷煤炭炭研究实实验室(CBCRL)。7．英国英国煤炭炭科研由由英国贸贸工部直直接管理理，具体体工作则则委托给给英国能能源技术术中心(EISU)。诺丁汉汉大学、、利兹大大学等在在煤矿开开采的学学术研究究方面具具有很高高水平。。近年来在在煤炭开开采方面面的主要要研究目目标是保保持英国国开采技技术的领领先水平平，鼓励励采矿设设备出口口；研究究就地转转化和非非常规开开采技术术，如遥遥控采煤煤和海下下采煤；；完善井井下环境境监控系系统，改改善煤矿矿健康和和安全状状况。1.2国内外发发展回顾顾、现状状与趋势势煤矿开采采学科的的形成人类利用用煤炭资资源已有有数千年年历史。。我国不不仅是当当今世界界上煤炭炭产量最最多的国国家，也也是世界界最早开开采、利利用煤炭炭的国家家，有着着悠久的的煤炭开开采历史史。在新新石器时时代，我我国就出出现了精精煤制品品饰物。。公元前前1世纪，煤煤已经成成为重要要产品，，不仅用用作生产产燃料，，而且还还用于冶冶炼，当当时已经经积累了了一些找找煤和采采煤的基基本知识识，出现现了一定定规模的的矿井和和采煤技技术。隋隋、唐至至元代，，煤炭开开采更为为普遍，，在地质质、开拓拓、采煤煤、支护护、通风风、提升升以及瓦瓦斯排放放等方面面的技术术都有了了一定发发展。从从明朝到到鸦片战战争以前前，当时时统治者者比较重重视煤炭炭开发，，煤炭开开采技术术得到了了发展，，形成了了丰富多多彩的中中国古代代煤炭开开采技术术。尽管管当时都都是手工工作业的的煤窑，，但因其其开采利利用早于于其他国国家，因因此，17世纪以前前，中国国煤炭开开采技术术和管理理的许多多方面都都处于世世界领先先地位。。煤矿开采采发展现现状与趋趋势在过去的的20多年里，，随着世世界各国国相关科科学技术术的进步步，机、、电、信信息、计计算机等等行业的的迅速发发展，固固体力学学、流体体力学、、数值计计算技术术、非线线性科学学等基础础理论的的发展以以及许多多边缘学学科的兴兴起，极极大地促促进了煤煤矿开采采的理论论和技术术的发展展，导致致了煤矿矿开采的的许多理理论和方方法发生生了重大大变化。。1．采煤方方法采煤方法法是煤矿矿开采的的核心，，它包含含采煤系系统和采采煤工艺艺两项主主要内容容。根据据不同的的矿山地地质及技技术条件件，可有有多种多多样的采采煤方法法。我国国煤层赋赋存条件件复杂多多样，开开采技术术条件各各异，因因而促进进了采煤煤方法的的多样化化发展，，我国是是世界上上采煤方方法种类类最多的的国家。。但总体上上看可以以分为壁壁式体系系采煤法法和房柱柱式体系系采煤法法。目前，世世界各主主要产煤煤国家，，由于煤煤层条件件和采煤煤技术的的延续情情况不同同，所采采用的各各种不同同采煤方方法的比比重也有有所差别别。我国大型型重点煤煤矿壁式式体系采采煤法的的产量占占95％以上；；美国壁式式采煤法法为50％，连续续采煤机机房柱式式开采占占41％；印度壁式式采煤法法小于5％，传统统房柱式式采煤法法占65％，机械械化房柱柱式开采采占30％；俄罗斯壁壁式开采采占86％；澳大利亚亚壁式开开采占85％；南非房柱柱式占66．9％，壁式式占33％；加拿大壁壁式为85％。除地下开开采以外外，对于于埋深较较浅、厚厚度较大大的煤田田采用露露天开采采方法。。随着露天天采装、、运输等等设备的的大型化化，露天天开采的的效率和和能力以以及安全全方面具具有很大大优势。。高效、高高产量、、高煤炭炭采出率率的综合合机械化化采煤工工艺是壁壁式开采采体系的的发展方方向，研研制适应应各种煤煤层条件件的大型型强有力力配套设设备和优优化工作作面布置置是目前前各国主主攻的方方向之一一。(2)放顶煤开开采工艺艺。放顶顶煤开采采工艺是是壁式体体系采煤煤法中的的一种，，这种采采煤方法法最早于于20世纪40年代始于于法国、、东欧等等国。我我国于1984年开始研研制和开开发这种种采煤工工艺，到到20世纪90年代中期期，开始始迅速发发展，已已经成为为我国开开采5m以上厚煤煤层的主主要方法法，并且且工作面面年产达达到了600万t的水平。。我国已经经研制出出了几种种主要型型号液压压支架，，在采煤煤和放顶顶煤工艺艺、矿山山压力与与岩层控控制、瓦瓦斯运移移规律与与抽排措措施、巷巷道与采采空区火火灾的防防治等方方面，取取得了重重要研究究成果。。针对我国国经济基基础较差差、矿井井系统能能力较低低、井型型较小的的实际情情况，我我国又成成功研制制了轻型型放顶煤煤液压支支架(支架重量量≤8.5t)，开发了了轻型支支架的综综合机械械化放顶顶煤开采采技术，，工作面面产量可可实现年年产百万万吨的水水平。我国已将将这项技技术用于于顶板坚坚硬和煤煤层坚硬硬，高瓦瓦斯且有有突出危危险、易易燃、大大倾角(煤层倾角角≥25)等难采厚厚煤层中中，均取取得了显显著的经经济效益益。今后这项项技术发发展方向向：一是条件件适宜厚厚煤层的的高产、、高效、、高采出出率开采采。二是难采采厚煤层层的安全全高效开开采。三是工作作面产量量要求较较低厚煤煤层的高高效、高高采出率率轻放开开采。四是西部部开发区区的巨厚厚(15m以上)煤层的高高效高采采出率开开采。国内正在在基于弹弹塑性力力学、损损伤力学学、散体体力学、、岩石力力学、矿矿山压力力与控制制理论、、流体力力学等深深入系统统地研究究:放顶煤开开采的矿矿山压力力规律与与岩层控控制原理理顶煤破裂裂与垮落落规律散体顶煤煤流动与与放出规规律及提提高采出出率技术术瓦斯运移移规律与与抽放技技术火灾与粉粉尘防治治技术研制新型型放顶煤煤液压支支架放煤的自自动控制制技术等等。(3)柱式体系系采煤法法。柱式式采煤法法以短工工作面采采煤为主主要标志志，其实实质是在在煤层内内开掘一一系列宽宽为5～7m的煤房，，开房时时用短工工作面向向前推进进，煤房房间用联联络巷相相连以构构成生产产系统，，并形成成近似矩矩形的煤煤柱，煤煤柱宽度度由数米米至20m不等。煤柱可根根据条件件留下不不采，或或在采完完煤房后后再将煤煤柱按要要求尽可可能采出出。前者者也可称称为房式式采煤法法，后者者也可称称为房柱柱式采煤煤法，由由于二者者的巷道道布置基基本相似似，因此此美国将将这两种种方法通通称为房房柱式采采煤工艺艺。(4)露天开采采方法。。露天开开采具有有机械化化程度高高、安全全、效率率高、产产量大等等特点，，但适用用条件受受到埋深深的限制制，同时时对地表表和生态态环境破破坏较大大。世界各国国根据煤煤层赋存存条件不不同以及及技术条条件的差差异，露露天采煤煤的产量量占煤炭炭总产量量的比重重不同，，我国为为5％以内，，美国为为60％，印度度为62.1％，澳大大利亚为为60％，南非非为49.6％，加拿拿大为91.26％，俄罗罗斯为62.1％。运筹学、、系统工工程的理理论和方方法、计计算机技技术等在在露天矿矿开采、、规划、、设计中中得到了了广泛应应用。该该学科目目前以大大型可靠靠设备、、生产过过程中的的自动调调度系统统、计算算机优化化设计、、管理与与决策信信息系统统等的研研制和开开发为主主要研究究方向。。2．矿山压压力与围围岩控制制矿山压力力与围岩岩控制是是煤矿开开采中的的重要应应用基础础研究领领域，其其主要的的目的是是研究煤煤矿开采采后，开开挖空间间围岩应应力和位位移的变变化规律律，围岩岩活动规规律，并并利用和和改善其其活动规规律，对对围岩实实施工程程控制，，保障煤煤矿安全全、经济济地开采采。(1)矿山压力力的理论论研究。。矿山压压力理论论研究主主要是指指针对煤煤矿开采采特点，，利用弹弹性力学学、材料料力学、、塑性力力学、结结构力学学、损伤伤力学、、岩石力力学、能能量理论论、实验验理论以以及非线线性科学学等，研研究煤矿矿开采引引起的力力学现象象的理论论。在近三、、四十年年的时间间里，矿矿山压力力的理论论研究取取得了重重要进展展，除了了继续应应用连续续介质力力学方法法研究与与矿山压压力有关关的问题题外，又又发展了了考虑岩岩石真实实特性的的各种矿矿压理论论研究。。例如，，把岩体体看作是是受各种种性质弱弱面切割割的非连连续介质质的研究究，把岩岩体看作作具有分分数维的的分形几几何研究究，把岩岩体内部部裂隙看看作是微微裂隙演演化的损损伤力学学研究，，将岩体体作为随随机介质质的可靠靠性研究究等。在长壁工工作面上上覆岩层层的结构构研究方方面，20世纪70年代末，，我国学学者先后后提出了了开采后后上覆岩岩层呈““砌体梁梁”和““传递岩岩梁”式式平衡的的结构力力学模型型、岩层层断裂前前后的弹弹性基础础梁力学学模型及及各种不不同支撑撑条件下下的Winker弹性基基础梁梁和Kichhoff板力学学模型型，进进一步步完善善了压压力拱拱和悬悬臂梁梁的力力学模模型。。20世纪90年代中中期，，钱鸣鸣高院院士等等又提提出了了关键键层理理论。。为了有有效地地控制制工作作面围围岩，，确定定液压压支架架合理理架型型和支支护阻阻力等等，我我国进进行了了采场场支架架——围岩关关系研研究和和建立立采场场围岩岩整体体力学学模型型；提提出了了提高高支架架初撑撑力对对于控控制顶顶板事事故具具有重重要作作用的的理论论。针对支支架合合理工工作阻阻力确确定问问题，，国内内除延延续目目前国国际上上广泛泛采用用的按按采高高的数数倍(一般为为5～8倍)岩柱重重量确确定支支架额额定工工作阻阻力外外，也也引入入了一一些弹弹性力力学、、塑性性力学学、损损伤力力学等等理论论进行行深入入分析析和确确定。。在放放顶煤煤开采采中的的工作作阻力力问题题，目目前基基本上上有了了较统统一的的认识识。矿矿山压压力理理论研研究是是煤矿矿开采采中十十分活活跃的的一个个学术术研究究方向向，今今后还还将针针对不不同的的煤层层条件件和采采煤方方法进进行系系统的的研究究，完完善采采场围围岩控控制理理论。。(2)矿山压压力监监测与与研究究方法法。在在采场场矿山山压力力监测测中，，目前前除采采用传传统的的机械械式仪仪器，，如圆圆图自自记仪仪、压压力盒盒、测测杆等等外，，近年年来开开发了了许多多电子子、光光学、、声学学等监监测仪仪器仪仪表，，如支支架工工作阻阻力量量测的的电子子仪表表系统统、顶顶底板板移近近量的的红外外观测测、巷巷道松松动圈圈的超超声探探测等等。采采用电电子仪仪器仪仪表后后实现现了连连续观观测，，使观观测数数据的的采集集和存存储实实现了了自动动化，，并可可直接接与计计算机机通信信，大大大提提高了了数据据处理理的精精度和和效率率；还还开发发了相相应的的监测测仪器器和支支护质质量监监控软软件。。除传传统的的钻孔孔电视视仍在在使用用外，，便携携式的的岩体体内窥窥镜等等可视视化岩岩体质质量监监测仪仪器已已在煤煤矿逐逐步推推广使使用，，三维维地震震探测测技术术也开开始用用于矿矿山压压力监监测与与研究究。矿山压压力研研究方方法方方面，，除采采用传传统的的弹性性力学学、材材料力力学、、结构构力学学、岩岩石力力学外外，断断裂力力学、、损伤伤力学学、可可靠性性理论论、分分形几几何、、突变变理论论等非非线性性科学学的相相关理理论和和原理理也广广泛用用于矿矿山压压力研研究中中。同同时，，广泛泛应用用有限限元、、离散散元、、有限限差分分、DAA法等数数值模模拟技技术，，其中中三维维数值值模拟拟技术术逐步步成为为主体体。数值模模拟计计算过过程中中，考考虑岩岩体的的动态态损伤伤与演演化使使结果果更加加真实实。在在模拟拟计算算的软软件使使用上上，目目前国国内外外仍以以ANSYS(有限元元)、FLAC2D、FLAC3D(有限差差分)、UDEC2D、UDEC3D(离散元元)为主。。国内内仍然然采用用物理理相似似模拟拟试验验方法法研究究矿山山压力力问题题。在在一些些重要要问题题研究究中，，均采采用三三维模模拟试试验，，试验验台研研制、、数据据采集集和处处理方方面均均有了了长足足进步步。(3)采场围围岩控控制。。采场场围岩岩控制制包含含两方方面内内容，，一是是利用用矿山山压力力规律律，通通过正正确、、合理理的采采煤方方法和和工艺艺实现现对采采场的的岩层层控制制，如如刀柱柱法、、充填填法等等；二二是通通过人人工支支护物物，如如各种种支架架等实实现对对采场场围岩岩的控控制。。其中中通过过人工工支护护物对对采场场围岩岩控制制是主主要的的方法法。对对于长长壁工工作面面，目目前自自移液液压支支架具具有安安全性性好、、稳定定、机机械化化程度度高等等优点点，与与采煤煤机、、刮板板输送送机等等配合合使用用构成成了长长壁法法的综综合机机械化化采煤煤工艺艺。美美国、、德国国等以以两柱柱掩护护式液液压支支架为为主，，并且且逐步步提高高支护护强度度；我我国则则以四四柱支支撑掩掩护式式支架架为主主，在在支护护强度度方面面投入入了较较多力力量进进行优优化研研究。。在柱柱式体体系采采煤法法中，，目前前世界界各国国均发发展锚锚杆支支护方方法。。在采场场围岩岩控制制研究究中，，首先先是研研究各各种不不同采采煤方方法和和工艺艺的采采场矿矿山压压力显显现规规律，，采动动影响响围岩岩体的的变形形、移移动、、破裂裂规律律，确确定采采场合合理、、经济济、可可行的的支护护方式式，建建立支支架——围岩关关系整整体模模型，，研究究确定定合理理的架架型、、合理理的支支护参参数，，以及及支护护与采采煤工工艺的的相互互配合合关系系。采采场围围岩控控制是是煤矿矿开采采中的的重要要研究究内容容之一一，随随着技技术进进步，，采场场的围围岩控控制技技术仍仍有很很大的的提升升空间间。(4)露天矿矿边坡坡。露露天矿矿边坡坡稳定定问题题是露露天开开采遇遇到的的重要要岩石石力学学问题题，确确定露露天矿矿边坡坡经济济合理理边坡坡角是是露天天矿边边坡研研究的的核心心问题题。随随着露露天开开采逐逐年延延深(平均以以每年年10～20m的速度度下降降)，国内内外相相继出出现了了许多多高大大边坡坡，目目前国国内边边坡高高度已已达400余米，，而且且今后后边坡坡高度度会更更大，，因此此边坡坡问题题会更更加突突出。。露天边边坡稳稳定问问题研研究是是属于于岩体体力学学与露露天开开采相相结合合的研研究领领域，，即边边坡结结构和和几何何参数数既要要满足足边坡坡稳定定要求求，同同时又又要符符合露露天开开采的的工艺艺与运运输等等需要要。自自从20世纪60年代起起，边边坡研研究中中从传传统的的连续续介质质力学学研究究，逐逐步发发展成成充分分重视视岩体体中各各种裂裂隙面面的非非连续续介质质力学学研究究。边边坡岩岩体强强度测测定方方面，，目前前仍以以室内内试验验和现现场测测试相相结合合的方方法为为主。。在测测试数数据处处理方方面，，仍以以统计计方法法为主主，其其他方方法如如模糊糊数学学、神神经网网络等等也在在采用用。在在边坡坡破坏坏模式式和临临界破破坏面面确定定方面面主要要是基基于边边坡岩岩体的的优势势结构构面分分布和和相似似模拟拟试验验方法法。边边坡的的稳定定计算算与分分析中中，仍仍以二二维极极限平平衡方方法为为主。。国内外外有些些学者者已经经提出出了一一些三三维极极限平平衡方方法，，在露露天矿矿边坡坡研究究中有有所应应用。。有限限元、、边界界元、、离散散元等等数值值模拟拟方法法在边边坡分分析中中广泛泛应用用，同同时基基于岩岩体介介质非非连续续性，，利用用最小小位能能原理理发展展起来来的DDA方法、、界面面元法法等也也在应应用。。考虑虑到边边坡岩岩体的的强度度等参参数、、边界界载荷荷等的的不确确定性性，边边坡工工程可可靠性性分析析方法法也得得到广广泛应应用。。边坡坡工程程的系系统分分析原原理和和非线线性动动力学学理论论、模模糊综综合评评价法法、人人工神神经网网络分分析法法在近近年来来得到到了一一定发发展。。在滑滑坡预预测预预报方方面，，分形形几何何理论论、灰灰色系系统理理论、、分岔岔与突突变理理论、、流变变学理理论等等有了了一定定发展展。边坡的的工程程技术术方面面，靠靠帮边边坡的的控制制爆破破技术术、危危险滑滑坡区区域的的加固固技术术、地地表水水拦截截与疏疏干、、地下下水排排水、、靠帮帮边坡坡并段段等已已经广广泛采采用。。边坡坡稳定定监测测中，，已经经采用用红外外测距距技术术和GPS系统等等。3．巷道道围岩岩控制制近10多年来，煤煤矿巷道围围岩控制技技术取得很很大成就，，如掌握利利用巷道矿矿压显现规规律推进巷巷道布置的的改革，推推进无煤柱柱护巷技术术，运用卸卸压护巷方方法，研究究和掌握了了巷道支架架与围岩关关系，研制制适应不同同条件的巷巷道金属支支架的架型型，发展锚锚喷支护技技术，改善善软岩支护护效果，进进行巷道支支护质量及及顶板动态态监测，完完善巷道围围岩控制测测试手段和和装备等。。近些年来，，国内外都都在大力发发展和推广广锚杆支护护理论与技技术，尤其其是煤巷、、半煤巷、、软岩巷道道的锚杆支支护技术。。美国、澳澳大利亚由由于煤层条条件好，加加之锚杆支支护技术的的日益成熟熟，煤矿巷巷道锚杆支支护的比重重达100％。西欧、、中欧一些些主要产煤煤国家，也也在积极发发展锚杆支支护，逐步步取代金属属支架。英英国在1987年从澳大利利亚引进了了成套的锚锚杆支护技技术，目前前煤矿巷道道中锚杆支支护已达90％以上。德德国、法国国、俄罗斯斯目前煤矿矿巷道支护护中均以锚锚杆为主。。我国近年年来锚杆支支护技术发发展迅速，，其中国有有重点煤矿矿中煤巷锚锚杆支护在在40％以上，目目前正在积积极推广。。巷道锚杆支支护的理论论方面，传传统理论有有：悬吊理理论、组合合梁理论、、组合拱(压缩拱)理论，近年年来又发展展了最大水水平应力理理论、围岩岩强度强化化理论。最最大水平应应力理论是是澳大利亚亚学者盖尔尔(W．J．Gale)提出的，论论述了巷道道围岩水平平应力对巷巷道稳定性性的影响以以及锚杆支支护所起的的作用。我我国学者在在分析已有有研究成果果基础上，，提出了巷巷道锚杆支支护围岩强强度强化理理论，认为为巷道锚杆杆支护的实实质是锚杆杆和锚固区区域的岩体体相互作用用而组成锚锚固体，形形成统一的的承载结构构，锚杆支支护可以提提高锚固体体的力学参参数，锚固固体的峰值值强度及残残余强度均均能得到强强化。目前前虽然在锚锚杆支护理理论方面有有所发展，，但尚需逐逐渐发展新新的理论，，系统化已已有研究成成果，以解解释和指导导目前越来来越广泛的的锚杆应用用技术。锚杆材料与与机具方面面，国内外外在发展破破断强度为为200～400kN的高强度锚锚杆和树脂脂锚固剂。。在工作面面巷帮则采采用玻璃钢钢、尼龙、、塑料等制制成的可切切割锚杆。。锚杆钻机机方面，国国外多采用用掘锚联合合机组，其其中以澳大大利亚的技技术较为先先进，国内内多采用单单体钻机。。4．“三下””开采与地地表沉陷煤矿地下开开采引起的的地表沉陷陷是煤矿开开采中面临临的重大开开采与环境境问题。经经过几十年年的研究与与实践，在在矿山地表表沉陷监测测与数据处处理、矿山山地表沉陷陷的预测预预报、矿山山开采沉陷陷控制以及及“三下””采煤等领领域取得了了大量研究究成果。(1)沉陷监测与与数据处理理方面，采采用精密水水准测量、、全站仪及及卫星定位位系统等进进行周期性性监测，获获得了沉陷陷预计的必必要参数，，完善了不不规则观测测站和不完完整观测站站的数据处处理方法。。(2)沉陷预测预预报。通过过对沉陷现现象的观测测分析，基基于连续介介质力学、、非连续介介质力学、、随机介质质理论、块块体理论、、关键层理理论、数值值分析、物物理模拟、、时间序列列、灰色系系统，以及及引入分形形、突变、、协同学、、自组织等等非线性科科学，建立立了多种预预测预报方方法。(3)建立了多种种方法相结结合的沉陷陷控制技术术，如：以以煤柱支撑撑为核心的的开采技术术，以充填填为核心的的岩层控制制技术，以以多工作面面协调开采采为核心的的变形控制制技术，以以强化建筑筑物自身结结构为核心心的防护技技术。(4)进行了大量量“三下””开采实践践。在未来来发展与研研究中，利利用现代测测绘技术(RS、GPS、DInSAR、GIS)，在沉陷监监测、数据据处理与分分析、沉陷陷控制措施施决策中的的应用基础础研究；充充分考虑地地质采矿条条件、含水水层失水固固结的地表表动态移动动变形过程程的预计理理论和方法法研究；地地表非连续续变形机理理与预测预预报技术研研究；处于于矿井环境境中的各类类煤柱长期期稳定性设设计理论和和加固方法法研究；矿矿山压力、、围岩控制制和地表沉沉陷统一模模型的理论论研究；废废弃矿井诱诱发大面积积沉陷灾害害的机理、、条件与规规律研究。。5．自动化开开采随着技术进进步，实现现煤矿开采采的高效集集中化、信信息化与现现代化是必必然的趋势势。在长壁壁工作面生生产自动化化方面，近近20年来，国内内外都在致致力于液压压支架电液液控制系统统研制与应应用，即采采用机电一一体化对液液压支架的的液压回路路进行控制制，其目的的是实现综综采工作面面液压支架架操作自动动化。它综综合应用了了计算机技技术、通信信技术、传传感技术、、机电一体体化技术等等，将液压压支架的降降架、升架架、推移前前部输送机机、拉后部部输送机、、收伸侧护护板、喷雾雾洒水及放放顶煤等动动作由原来来的手工操操作改为电电液自动控控制、程序序化操作，，可以有效效地减少工工作面的工工人数量，，最终实现现井下无人人开采自动动化工作面面。20世纪70年代中期期，英国国首先提提出了研研制电子子控制液液压支架架计划。。1981年澳大利利亚的科科里曼尔尔煤矿长长壁工作作面首先先使用电电子控制制的液压压支架。。1983年底原英英国道梯梯公司又又为美国国坎赛尔尔煤矿制制造了两两按钮微微处理机机控制的的液压支支架。1982年开始，，德国MARCO公司和当当时的Westfalia公司合作作进行““液压支支架电液液自动化化控制系系统”研研发，研研制出了了PMl和PM2型(1987年)产品化的的系列。。后又研研发了PM4、PM3和PM31系列(1998年)。到20世纪90年代，液液压支架架电液自自动化控控制技术术在国外外已成熟熟。美国国、澳大大利亚、、德国等等的液压压支架普普遍使用用了电液液控制系系统。我国从20世纪80年代中期期开始液液压支架架电液控控制系统统的研究究工作。。1991年研制出出了我国国第一套套液压支支架电液液控制系系统BMJ-1，后来又又研制出出了BMJ-II，DYZK-1，DYZK-2等型号。。由于产产品的技技术不够够成熟，，整个系系统的可可靠性低低、抗干干扰能力力差，致致使在2000年前，国国内研发发的液压压支架控控制系统统没有得得到推广广应用。。2000年后我国国的煤矿矿开采科科研单位位与德国国MARCO公司合作作，于2001年成功开开发了首首套放顶顶煤工作作面电液液控制系系统，应应用效果果良好。。液压支架架的电液液控制系系统今后后主要发发展趋势势是：操操作软件件智能化化；通信信系统向向国际标标准现场场总线靠靠拢；与与工作面面其他设设备之间间实现接接口，实实现互动动、联动动，使工工作面实实现少人人自动化化、无人人自动化化：控制制器操作作的操作作遥控化化；电液液系统智智能化。。6．煤层气气(瓦斯)开采据国际能能源机构构(IEA)估计，全全世界煤煤层气资资源量达达260万亿m3，其中俄俄罗斯、、加拿大大、中国国、美国国和澳大大利亚的的煤层气气资源量量均超过过lO万亿m3，中国为为30～35万亿m3。目前，，全世界界每年因因采煤向向大气排排放的煤煤层气达达315～540亿m3，既是能能源的极极大浪费费，又对对全球环环境造成成严重破破坏。世界主要要产煤国国都十分分重视开开发煤层层气。井井下打长长孔抽放放瓦斯是是常规技技术，也也是控制制煤矿瓦瓦斯事故故的有效效措施。。但由于于受井下下条件限限制，井井下瓦斯斯抽放一一般规模模较小，，几十年年技术上上没有新新的进展展。20世纪80年代初，，美国开开始试验验应用常常规油气气井(即地面钻钻井)开采煤层层气，并并获得成成功。主主要产煤煤国在继继续改进进井下抽抽放技术术的同时时，大力力推广地地面钻井井技术开开采煤层层气。澳大利亚亚的煤层层气资源源主要分分布在悉悉尼煤田田和鲍恩恩煤田。。在悉尼尼煤田，，一些矿矿井已广广泛应用用水平钻钻孔、斜斜交钻孔孔和地面面采空区区垂直钻钻孔抽放放技术，，阿莫科科澳大利利亚石油油公司采采用航空空磁测和和地震勘勘探，以以确定钻钻井的最最佳位置置。英国的一一些高瓦瓦斯煤矿矿井下煤煤层气抽抽放也有有很长历历史，但但煤层气气开发重重点也转转入地面面开发。。德国主主要采用用井下长长孔抽放放煤层气气。波兰兰有18座地下煤煤矿拥有有瓦斯抽抽放系统统。在开开采前、、开采中中和开采采后，用用地面钻钻井和井井下钻孔孔相结合合的方法法回收煤煤层气。。俄罗斯斯和乌克克兰十分分重视煤煤层气资资源的开开发。20世纪80年代末，，我国开开始引进进美国煤煤层气开开发技术术，开始始了煤层层气开采采的系统统研究与与应用。。目前我我国的煤煤炭、石石油、地地矿系统统等在20多个矿区区打了80多口煤层层气勘探探和生产产试验井井。7．矿区的的环境问问题与重重建我国目前前累计工工矿破坏坏土地约约400万hm2，其中采采煤破坏坏土地的的数量最最大。我我国目前前矿区土土地复垦垦率仅为为12％，每年年因采矿矿破坏的的土地仍仍以3.33万～4.67万hm2的速度递递增。此此外，矿矿区产生生的大量量废气、、废水、、废渣严严重污染染了矿区区的空气气和水系系。美国矿区区的土地地复垦率率平均为为80％。德国国矿区的的土地复复垦率在在70％以上。。我国开开始矿区区土地复复垦与生生态重建建工作仅仅10多年时间间。在土地复复垦方面面，主要要集中于于复垦规规划与设设计、工工程复垦垦技术和和生物复复垦技术术的研究究。学术术研究方方面，目目前国内内外重点点研究的的领域是是：(1)采矿对环环境的影影响及其其演变，，含演变变的监测测和演变变机理与与规律。。利用3S等技术动动态监测测矿区环环境演变变的方法法；揭示示主要环环境影响响的时空空变化规规律以及及影响程程度的综综合评价价；深入入揭示采采矿对环环境的影影响机理理，特别别是对景景观格局局与地表表覆盖、、耕地生生产力等等方面的的影响机机制。(2)绿色开采采及矿区区环境保保护与可可持续发发展的对对策。主主要探讨讨在采矿矿的同时时用保护护生态环环境的先先进采矿矿与环境境恢复一一体化工工艺、绿绿色开采采技术，，以及矿矿区环境境保护与与可持续续发展的的管理办办法和管管理模式式。(3)矿区土地地复垦与与生态重重建的理理论与技技术。复复垦土壤壤重构的的原理与与方法、、复垦土土地景观观重构与与水土保保持技术术、快速速恢复植植被技术术、复垦垦土地土土壤改良良与植物物群落重重建技术术。(4)矿区大气气、水、、土壤等等污染的的防治技技术。矿矿区固体体废弃物物的处理理与利用用、矿区区固体废废弃物的的堆置技技术与设设计要点点、矿区区固体废废弃物的的综合利利用技术术、矿区区固体废废弃物场场的绿化化技术。。8．煤炭地地下气化化煤炭地下下气化就就是将处处于地下下的煤炭炭直接进进行有控控制地燃燃烧，通通过对煤煤的热作作用及化化学作用用产生可可燃气体体的过程程。该过过程集建建井、采采煤、地地面气化化三大工工艺为一一体，把把煤的开开采和转转化相结结合，变变物理采采煤为化化学采煤煤，省去去了庞大大的煤炭炭开采、、运输、、洗选、、气化等等工艺和和设备，，深受世世界各国国的重视视，被誉誉为第二二代采煤煤方法。。煤炭地下下气化主主要用于于老矿井井遗弃的的煤炭资资源、开开采的安安全性和和经济性性差的薄薄煤层、、深部煤煤层、““三下””压煤，，以及高高硫、高高灰、高高瓦斯煤煤层等。。目前煤煤炭地下下气化的的基本方方式有三三种：一一是无井井式，全全部通过过钻孔建建立地下下气化炉炉，利用用钻孔送送入气化化剂和输输出煤气气，并在在孔底贯贯通形成成气化通通道；二二是有井井式，就就是利用用井巷通通道建造造地下气气化炉；；三是综综合式，，使用钻钻孔与井井巷相结结合建造造地下气气化炉。。这三种种方式各各有优缺缺点。苏联、美美国、德德国、日日本等都都在20世纪中叶叶以前就就进行了了煤炭地地下气化化试验与与研究，，我国于于1958年开始先先后在抚抚顺、大大同、皖皖南、徐徐州、唐唐山、山山东新汶汶、黑龙龙江依兰兰等地进进行了煤煤炭地下下气化试试验。研研究煤炭炭地下气气化过程程及实现现气化过过程的稳稳定仍然然是目前前的主要要方向，，其中重重点研究究三个方方面的内内容：(1)开展理论论研究，，研究地地下气化化过程中中温度场场、浓度度场、流流动场、、气化空空间扩展展规律，，并确定定其影响响因素，，建立数数学模型型。(2)研究不同同的气化化炉结构构，适应应不同的的煤层条条件，研研究实时时工艺控控制方法法，以实实现对气气化工作作面的控控制。(3)研究地下下气化过过程控制制技术，，对气化化状态参参数进行行及时测测量、分分析、调调解，并并进行反反馈控制制。1.3战略目标与优优先发展方向向能源是国民经经济的基础，，煤炭是能源源的主体，尤尤其在我国，，煤炭在一次次能源中的主主导地位短期期内不会改变变。煤矿开采是提提供煤炭能源源的根本途径径，随着社会会进步和科技技发展，对煤煤矿开采的要要求也越来越越高，既要能能够为经济建建设提供大量量的煤炭产品品，又要求安安全、高效、、高采出率、、舒适地进行行开采作业，，因此也就要要求煤矿开采采持续不断地地进行基础理理论研究和科科技创新。虽然煤矿开采采已有数千年年的历史，但但是真正大规规模开采是从从欧洲的产业业革命以后开开始的，真正正建立了现代代煤矿开采的的科学理论与与技术是近几几十年的事情情。可以说从从20世纪50年代开始，世世界范围内的的煤矿开采才才进入了大规规模的机械化化、半自动化化阶段。然而近些年来来，随着环保保等要求的日日益提高和资资源问题日益益突出，煤矿矿开采也将向向新的目标发发展，因此煤煤矿开采科技技发展的战略略目标是实现现煤炭及伴生生资源的安全全、高效、高高采出率、舒舒适的绿色环环保开采，为为国家经济建建设提供煤炭炭能源及伴生生资源。煤矿开采发展展面临的挑战战1．煤矿的安全全开采煤矿的安全开开采一直是我我国科研、高高校和煤炭等等部门重点研研究和解决的的重要课题。。近十余年来来，煤矿安全全状况有了很很大改善，但但仍然是安全全隐患最大的的部门。随着着采矿工业的的发展，也给给矿山带来新新的突出问题题，特别是煤煤矿安全问题题尤为突出。。煤矿事故的的死亡人数约约占全国工矿矿企业死亡人人数的51％，事故居全全国各行业的的首位，百万万吨死亡率和和死亡人数都都远远高于世世界发达国家家。近十年来来，我国国有有重点煤矿的的百万吨死亡亡率一直徘徊徊在1人的水平上，，而美国为0.03人。煤矿的安安全问题涉及及瓦斯、火灾灾、煤尘、水水灾、冲击地地压、顶板事事故、机电事事故、安全爆爆破等多个方方面。煤矿重重大和特大安安全事故的不不断发生，已已经严重制约约了煤矿开采采的健康发展展，对国民经经济和社会发发展造成了恶恶劣的影响。。2．机械化与自自动化开采煤矿开采的根根本出路在于于机械化和自自动化。我国国煤矿开采技技术水平参差差不齐，既有有处于世界先先进水平的矿矿井，也有手手工作业的小小煤窑。但总总体水平上，，我国煤矿开开采的技术水水平比较落后后。全国国有有重点煤矿的的机械化程度度不足70%，综合机械化化程度不足50％，而国有重重点煤矿的煤煤炭产量不到到全国总产量量的一半，地地方煤矿的机机械化程度更更低。世界采采煤发达国家家的综合机械械化程度达到到80％～100％。我国煤矿矿开采综合机机械化程度低低带来了用人人多、安全条条件差、效率率低、经济效效益不好、采采出率低等一一系列问题。。世界上最大大的露天矿年年产量己达5000万t/a以上，高度集集中化开采与与集约化经营营、设备大型型化、开采工工艺多样化，，这些都是露露天开采的优优势，也是对对我国露天开开采的挑战。。自动化开采技技术在我国刚刚刚起步，而而且目前还没没有形成具有有我国独立自自主知识产权权的、性能稳稳定的系列产产品，同时在在煤矿机电产产品、电子产产品、自动控控制系统以及及软件开发方方面尚存在许许多不足。现现代的遥控自自动化开采是是解决煤矿安安全问题、改改善作业条件件、提高开采采效益的有效效途径之一。。3．开采的环境境保护与生态态重建据统计，全国国重点煤矿平平均每开采1万t煤炭要破坏0.2km2的土地。据此此推算，全国国各类煤矿矿矿井开采造成成的土地沉陷陷与破坏的面面积十分巨大大。除此以外外，还有大量量的矿井矸石石山、露天矿矿坑、露天废废石场等。开开采导致的地地面建筑物与与构筑物的破破坏、地表与与地下水流失失、植被破坏坏、土地沙化化、泥石流、、酸雨、井下下有害气体排排放污染大气气、矿雾等环环境问题。在在环保问题日日益突出的今今天，煤矿开开采如何面对对环境保护与与生态重建的的压力，如何何通过自身的的开采技术改改革以及与相相关学科协作作实现煤矿的的绿色环保开开采，是本世世纪所面临的的重要课题。。4．基础理论体体系的形成和和完善虽然经过长时时间的研究和和实践，煤矿矿开采的基础础理论已经形形成了比较完完整的体系，，对开采的一一些基本规律律认识清楚，，但是随着科科学技术进步步，开采方法法与规模的变变化，以及国国家、社会对对煤矿开采的的要求日益提提高，煤矿开开采的基础理理论研究会遇遇到许多新的的问题，如围围岩控制理论论、常见灾害害防治理论、、高效开采理理论、机电一一体化与自动动化开采的理理论、煤与瓦瓦斯和水资源源等的共采理理论等都面临临着现代科学学技术条件下下的完善和