第一章绪论及煤矿地质知识

《采煤概论》孙广义郭忠平主编杨德传能源学验安排周数：第?周（开拓模型）第?周（采煤模型）节数：第?节成绩评定考试成绩：占80%。平时成绩：占20%（其中：出勤率和作业各占10%）。

2023/2/442023/2/45《采煤概论》

——矿井地质、矿图、开拓、掘进、支护、采煤方法、矿井通风、露天开采、安全生产、生产系统

——矿压及围岩控制2023/2/4621世纪，我国将坚定地向中等发达国家迈进，其中能源、电力供应是首当其冲要解决的问题。目前我国主要是以煤为主的能源供应体系，我国煤的探明可采储量为1661亿吨，到2020年，煤炭供应量将达到21-29亿吨，占一次能源供应总量的60%以上。煤炭仍是未来保证我国能源稳定可靠供应的基石。

但是，我国煤炭资源却存在总量大，利用率低，煤炭生产效率低，成本高，污染严重，供求关系常年紧张，无法满足可持续发展要求等问题。

因此专家认为，今后煤炭能源生产一是要不断地提升机械化、自动化水平，不断实现和提升高产、高效和低成本的水平，满足国民经济发展的需求；另一方面，按循环经济的规则发展以煤气化为基础的新一代洁净煤技术，全面实现煤炭生产-运输-利用的全面环境友好的策略，并使其成为我国煤炭能源科技发展的战略重点。

我国能源发展的现状及存在问题探讨专题讲座12023/2/47

中国是一个能源生产和消费大国，能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的l/10，仅次于美国，居世界第二位。中国只是一个以煤炭为主要能源的国家，由于没有很好解决煤炭生产-使用过程中的环境友好问题，发展经济和与环境污染的矛盾比较突出。这就是说中国煤炭工业的发展面临两方面的巨大的压力：一方面是国民经济高速发展，要求煤炭行业不断增长煤炭供应量的巨大压力；另一方面是全球对环境保护越来越高的要求。煤炭工业以及它的从业者如果不能认识和不能同时满足这两方面的要求，就将给我国国民经济的发展产生严重的后果。同时也将给世界经济带来巨大的振荡。从另一个角度讲，我国煤炭工业虽然总产量位居世界第一，但总体上看，我国煤炭工业技术还是十分落后的。开采条件多数比较困难，机械化水平低，单产低，效率低，相对成本高，煤炭洁净技术，燃煤洁净技术落后。面对以上的压力，形势是十分严峻的。2023/2/48

由于我国迅速增长的对煤炭的需求和煤炭生产技术从总体上说的落后状态，以及在消费过程各个环节中治理环境污染措施不力，技术落后。发展经济和环境污染的矛盾一直比较突出。这种基本格局就决定了中国煤炭的生产和消费（主要是燃烧）满足人类进步的要求，必须在两个方面都要有大幅度的进步。这就是一方面要在总量上满足发展的需要，一方面煤炭能源生产和消费的全过程又必须是环境友好的、污染最小的。满足总量需求主要是要在煤矿生产过程实现安全高效和低成本。满足环境友好的要求则需要在煤炭生产、运输、加工的各个环节都实现和不断改进各项减少污染的措施。2023/2/49

中国现在是一个高速发展的国家，主要能源依靠煤炭。从国内看，中国煤炭行业是一个庞大的工业行业，也是一个主要的能源供应行业，它的兴衰决定着中国的发展和中国人的前途命运。它关系到整个中国的技术进步，也关系到庞大的直接和间接的劳动就业大军。但中国的煤炭工业发展基本上走的是一条高投入、高消耗、多污染为代价的高速发展道路，给当前煤炭工业持续性发展带来制约和挑战，使煤炭工业发展陷入困难和被动。中国的煤炭还必须是廉价的，以安全高效、机械化、自动化实现廉价。发达国家的经验表明：随着生产发展和社会进步，产品中工资的构成必将大幅增加。廉价是和提高劳动生产率同步的。我国煤矿工人的主体现在还在采煤工作面，必须把采煤工作面的安全高效、机械化、自动化当成煤炭实现高产高效和廉价的核心。2023/2/410

我国低产的原因有客观的也有主观上的。这就是：

1)机械化水平低、工资低、劳动生产率低；

2)大多数矿井地质条件相对复杂；对于地质条件较好的矿井煤矿的高产、高效、机械化、自动化，必须以回采工作面为中心，同时也要求全矿实行综合的机械化、自动化。包括：

a、回采技术的机械化、自动化、智能（机器人）化

b、巷道掘进与支护的高度机械化、自动化、智能化；

c、主辅运输系统的自动化；

d、全矿各主要的和辅助的生产环节自动化、智能化；

e、全矿各生产环节实现机器人监测、遥控（集中）、无人矿井在条件合适时，应尽量采用最先进的机械化和自动化设备，即要从“头”赶上世界先进水平。2023/2/411

在煤层埋藏条件很好的大型矿井我国煤矿工作面的单产水平可以达到1000万吨/年左右，居世界先进水平。但我国大部分煤层埋藏条件和生产条件很差，属于难采煤层。难采煤层的特点是：

1)煤层厚薄变化大，甚至是鸡窝煤；2)断层多，特别是小断层多，布置长壁工作面有困难；3)倾角大（包括倾斜和急倾斜）；4)“三软”煤层，其中尤其是“底软”煤层的困难大；5)坚硬顶板煤层；6)高瓦斯，有煤及瓦斯突出危险的煤层；7)薄煤层；8)其他如：在“三下”条件下开采，易自燃煤层开采等等。难采煤层要实现充分机械化、高产高效必须有适应具体条件的机械化、自动化的设备。这些任务在很大程度上需要我国自己解决。2023/2/412

煤矿采动必然将对采空区围岩造成破坏，这种破坏主要是对地表、地层和地下水（三地）的破坏。对地表的破坏包括对地表建筑物的破坏（这对我国人口众多、建筑物密集区影响十分严重）；对地表水体（河、湖、水库等）的破坏；以及对铁路、高速公路等重要交通的破坏；对地层的破坏包括对采场围岩的破坏以及有可能引起滑坡或其他地层灾害的影响；对地下水的破坏则和地层地表被破坏是密切相关的，大面积的破坏地下水泾流或疏干地下水将给地球和人类水资源链造成严重灾难或扩大城市的缺水。最近提出的一种新一代的充填采矿法有可能从根本上解决或缓解采动影响，并且不引起井上下的环境污染。2023/2/413

传统的煤炭开采—利用模式正如前面我们在循环经济叙说中指出的传统经济模式是一种单向流动的线性经济。即“资源—生产—消费—废弃物排放”的模式。线性经济的增长依靠高强度开采和高强度消耗资源。如果我们仍然按当前的模式来满足经济对煤炭的需求。那么我们必定会仍然按照“高强度地破坏生态环境而得到高速发展”的模式前进。而按循环经济3R的原则则必须是：“从源头上最大限度节约资源和包括减少破坏环境在内的减少污染的排放（Reduce）”。对于煤炭开采来说，污染源头主要是“开采”，“利用”和“废弃物排放”三个方面。

1）在开采过程中如何最大限度节约资源和包括减少破坏环境在内的减少污染的排放？

2）在煤运输、加工、燃烧过程中如何最大限度节约资源和包括减少破坏环境在内的减少污染的排放？

3）在对煤炭开采和利用过程中产生的废弃物排放时，如何最大限度节约资源和包括减少破坏环境在内的减少污染的排放？2023/2/414

在开采过程中浪费资源的问题主要表现两个方面：

1）浪费煤炭资源当前我国煤炭开采总的回采率大体上在50-60%之间，最近一个时期，盲目宣传国外依靠丢煤提高效率的做法，使我国煤炭、特别是厚煤层的煤炭回采率急剧降低（这也可以说是一个灾难。

2）浪费伴生资源，主要是浪费CH4资源我国煤矿每年向大气排放（浪费）的CH4资源估计大体上相当每年天然气产量的30-40%。而CH4其破坏臭氧层和造成温室效应的能力为五大灾害气体之首。何况CH4还是煤矿的重要灾害源。因此，一项把煤炭和CH4双能源同采的双能源同采矿井的新技术，无疑是具有重大现实意义的。开采CH4能源的方法主要有开采前、开采中（这是主要的）抽取和从矿井（CH4浓度较低）的大气中分离出CH4。目前有关双能源同采矿井技术还处在理论探讨、方案设计阶段。

2023/2/415煤炭是我国的重要能源。占一次能源的67%左右。煤炭除了提供能源，还可以提取各种原料——煤的深加工。煤种齐全，但煤炭灰分普遍较高。煤炭资源丰富，但资源的分布和消费区分布不协调，呈现北多南少，西多东少，人均占用量较低。绪论2023/2/416我国采煤工艺的发展20世纪50年代初期，在前苏联的帮助下推广长壁式回采工艺，采用金属摩擦支柱支护，截煤机掏槽、爆破落煤和人工装煤的回采工艺方式；50年代末期和60年代初期，机械化开始起步，逐步推广使用滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机、金属摩擦支柱与铰接顶梁，实现了破煤、装煤和运煤的机械化——普采技术。2023/2/41770年代，开始引进并研制自移式液压支架、大功率采煤机、强力可弯曲刮板输送机、可伸缩胶带输送机——综合机械化采煤工艺（综采）。落煤—装煤—运煤—支护等工序全部实现机械化。80年代，推广使用单体液压支柱支柱代替金属摩擦支柱支护顶板，使普采技术得到了进一步提高。并开始研究推广使用的厚煤层放顶煤一次采全高回采工艺技术（放顶煤），处于世界领先水平。90年代，发展了大采高回采工艺（大采高），并进行高产高效矿井建设工作。目前，研究矿井绿色开采：煤与瓦斯共采、保水开采、矸石充填开采。2023/2/418煤巷由爆破落煤、人工装煤、木材支护——掘进机掘进、金属支架和锚杆支护。岩巷由手持式风钻钻眼、爆破落岩、人工装岩——凿岩机钻眼爆破、装岩机装岩、锚杆喷浆支护、锚索支护等。巷道掘进和支护的发展2023/2/419耕地破坏——塌陷区。地下水破坏——废水排出地面。煤炭燃烧——废气。矸石山——废矸。煤矿开采的环境效应2023/2/420井筒掘进—巷道掘进—采煤工作面—采空区的处理；为了保证矿井的正常生产，必须供给井下新鲜空气，做好防止井下水、火、瓦斯、煤尘、顶板管理、巷道支护等可能发生的灾害的准备工作。煤矿生产的过程2023/2/421浅部煤炭资源的枯竭——向深部拓展；深部开采面临的问题：地温、地压、瓦斯、通风、支护、冲击地压等问题。煤矿开采后环境的治理问题。煤矿当前面临的问题内容：涉及专业知识众多，名词概念多，空间概念强，说理性多。重点把握：名词概念、识图及方案对比分析上。《采煤概论》第一章煤矿地质知识第一节地壳的组成与地质作用第二节地质构造第三节煤的形成与煤层特征第四节煤田地质勘探与矿井储量

2023/2/424一、地壳的物质组成组成地壳的是岩石，岩石是一些矿物颗粒的集合体。组成地壳的岩石种类繁多，按照生成原因，可以将岩石划为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类别。沉积岩分布最广，地表约75%的面积都覆盖有沉积岩，有许多重要的矿产如煤、油页岩、岩盐等本身就是沉积岩。煤矿生产中遇到的几乎全是沉积岩。局部地带会遇到岩浆岩的侵入。第一节地壳的组成及地质作用2023/2/425第一节地壳的组成及地质作用

埋藏在地下的煤和其他矿产资源，都是地壳物质运动和各种地质作用的产物。

二、地质作用1.内力地质作用由地球内部能量引起的地壳物质成分、内部构造、地表形态发生变化的地质作用，它包括地壳运动、岩浆活动、变质作用和地震作用等。2.外力地质作用它作用在地壳表层，主要是由地球以外的太阳辐射能、日月引力能等引起。按其作用方式可分为：风化和剥蚀、搬运和沉积、固结成岩。2023/2/426岩石变形或变位的产物称为地质构造1.水平构造未经构造变动的沉积岩层，其形成时期的原始产状是水平的，先沉积的老岩层在下部，后沉积的新岩层在上部，称为水平构造。第二节地质构造2023/2/4272.单斜构造原来水平的岩层在受到地壳运动的影响后，产状发生变化。其中最简单的一种形式就是岩层向同一个方向倾斜，形成单斜构造。单斜构造往往是褶曲的一翼、断层的一盘或者是局部地层的不均匀上升或下降引起。第二节地质构造2023/2/428单斜构造2023/2/429岩层的产状要素3.岩层产状：岩层在空间的位置描述煤（岩）层的空间形态，通常用产状要素:走向、倾向及倾角

第二节地质构造2023/2/4304.褶皱构造：岩层在空间的位置组成地壳的岩层受构造应力的强烈作用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造，称为褶皱构造。是岩层产生的塑性变形。第二节地质构造2023/2/4314.褶皱构造：岩层在空间的位置有背斜和向斜褶曲。第二节地质构造背斜褶曲：是岩层向上拱起的弯曲。向斜褶曲：是岩层向下凹的弯曲。2023/2/432第二节地质构造5、断裂构造当自然界中岩层受力后，当作用力超过其强度时就产生断裂，使其连续性和完整性遭到破坏，这种岩层脆性变形的产物称为断裂构造。断裂构造有节理和断层两类。断裂面两侧岩石没有显著的相对位移——节理或裂隙。断裂面两侧的岩石有明显的相对位移——断层。2023/2/433第二节地质构造断层要素：断盘：指断层面两侧有相对位移的岩块。上盘：位于断层面上方的岩块。下盘：位于断层面下方的岩块。2023/2/434第二节地质构造断层的基本类型：正断层：上盘相对下降，下盘相对上升。逆断层：上盘相对上升，下盘相对下降。平推断层：两盘沿断层面发生相对水平位移的断层。2023/2/435第二节地质构造断层的分类：根据断层走向与所切割岩层走向的关系，分为：

走向断层：断层走向与所切割岩层的走向基本一致。

倾向断层：断层走向与所切割岩层的倾向基本一致。

斜交断层：断层走向与所切割岩层走向明显斜交的断层。2023/2/436第二节地质构造断层的组合：地堑、地垒、阶梯状构造、叠瓦状构造。2023/2/437第二节地质构造

在煤矿生产过程中遇到的断层多为正断层和逆断层，断裂面往往成组发育而形成断层破碎带。断层破碎带常常与地下水相连通，或聚集大量瓦斯，因此，断层对煤矿生产有较大的影响，在地质工作中必须特别注意查清断层的确切位置和产状。2023/2/438第二节地质构造地面勘探线、钻孔、与煤层断层的关系示意图2023/2/439第三节煤的形成及煤层特征一、煤的形成煤层的形成受古植物、古气候、古地理及古构造等条件的控制。我国最主要的三个聚煤时期为：石炭二迭纪、侏罗纪和第三纪。古植物从死亡、堆积到转化为煤的演化过程，称为成煤作用。第一阶段：泥炭化阶段，以生物化学降解作用为主。第二阶段：煤化阶段，以物理化学变化为主。2023/2/440

烟煤、无烟煤变质作用煤化作用褐煤成岩作用成煤作用泥炭（或腐泥）泥炭化作用（或泥化作用）成煤原始物质2023/2/441成煤的必要条件第一、温暖潮湿的气候；第二、大量植物生长、死亡；第三、大面积沼泽；第四、地壳运动配合2023/2/442三、煤的工业分类1．常用的煤质指标评价煤质的主要指标包括：水分W、灰分A、挥发分V、胶质层厚度Y、发热量Q、硫S和磷P的含量以及含矸率等。2．煤的工业分类我国现行的工业分类，是以炼焦煤为主的分类方案，分类指标主要用挥发分和胶质层的最大厚度y(mm)为指标划分煤的种类，从无烟煤到褐煤分为十大煤种，即无烟煤、烟煤（贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、气煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤）、褐煤。二、煤系的概念煤系是指含有煤层的沉积岩系，它们彼此间大致连续沉积，并在成因上有密切联系。

2023/2/443四、煤层特征1)煤层结构简单结构煤层：煤层不含夹层。复杂结构煤层：煤层中含有夹层。2）煤层的厚度薄煤层煤层厚度从最小可采厚度至1.3m中厚煤层煤层厚度1.3m至3.5m厚煤层煤层厚度3.5m以上3）煤层的稳定性稳定煤层、较稳定煤层、不稳定的煤层、极不稳定煤层。4）煤层的倾角缓斜煤层0°～25°倾斜煤层25°～45°急斜煤层45°～90°通常又把8°以下的煤层称为近水平煤层。2023/2/444

顶板:

赋存在煤层之上的邻近岩层。

底板:赋存在煤层之下的邻近岩层。伪顶直接顶基本顶伪底直接底老底划分依据：岩层相对于煤层的位置及垮落性能

煤层的顶、底板2023/2/445第四节煤田地质勘探及矿井储量一、煤田地质勘探的任务了解矿井资源/储量、井田地质条件、煤层赋存条件、水文地质条件、开采技术条件、煤种煤质等矿井的资源条件。三、矿井储量矿井储量分为：矿井地质资源量、矿井工业储量、矿井设计储量、矿井设计可采储量。2023/2/446二、煤田地质勘探阶段1.煤田普查：煤田普查可分为找煤和普查勘探。找煤——为寻找煤炭资源，并对工作地区有无进一步工作价值作出评价所进行的地质调查工作。煤田普查——为煤炭工业的远景规划和详查提供必要资料所进行的地质工作。2.矿区详查：在普查的基础上进行。根据国家建设需要和普查结果，选择资源条件好、开发条件有利的矿区进一步查明资