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矿井开采技术

一、基本概念
1. 采场和采煤工作面
用来直接大量采取煤炭的场所，称为采场。在采场内进行采煤的煤壁称为采煤工作面。在实际工作中，采煤工作面与采场是同义语。
2. 采煤工作
在采场内，为了采取煤炭所进行的一系列工作，称为采煤工作。采煤工作可分为基本工序和辅助工序。把煤从整体煤层中破落下来，称为煤的破落，简称破煤。把破落下来的煤炭装入采场中的运输工具内，称为装煤。煤炭运出采场的工序，称为运煤。煤的破、装、运是采煤工作中的基本工序。为了使基本工序顺利进行, 必须保持采场内有足够的工作空间，这就要用支架来维护采场，这项工序称为工作面支护。煤炭采出后，被废弃的空间，称为采空区。为了减轻矿山压力对采场的作用，以保证采煤工作顺利进行, 在大多数情况下，必须处理采空区的顶板，这项工作称为采空区处理。此外，通常还需进行移置运输及采煤设备等工序。除了基本工序以外的这些工序，统称为辅助工序。
3. 采煤工艺
由于煤层的自然条件和采用的机械设备不同，完成这些工序的方法也就不同，并且在进行的顺序上、时间和空间上，必须有规律地加以安排和配合。这种按照一定顺序完成破煤、装煤、运煤、工作面支护、采空区处理等各项工序的方法及其配合，称为采煤工艺或回采工艺。
我国目前普遍采用的采煤工艺有：爆破采煤工艺、普通机械化采煤工艺、综合机械化采煤工艺、综采放顶煤采煤工艺。
4. 采煤系统
采煤巷道的掘进一般是超前于采煤工作进行的。它们之间在时间上的配合以及在空间上的相互位置关系，称为采煤巷道布置系统，也称为采煤系统。
5. 采煤方法
根据不同的矿山地质及技术条件，可有不同的采煤系统与采煤工艺相配合，从而构成多种多样的采煤方法。总起来认为：采煤方法就是采煤系统与采煤工艺的综合及其在时间和空间上的相互配合。采煤方法主要分为壁式和柱式体系两种。我国大多采用壁式体系采煤法。
二、壁式体系采煤法
璧式体系采煤法是指回采工作面长度较长(一般为 80～250m左右)，工作面两端各有一条巷道，用于通风及运输，采落的煤炭沿着平行于煤壁的方向运出工作面，随着回采工作面推进要求及时和有计划地处理采空区的采煤方法。
由于煤层厚度及倾角的不同，开采技术和采煤方法会有所区别。对于薄及中厚煤层，一般都是按煤层全厚一次采出，即整层开采；对于厚煤层，可把它分为若干中等厚度（2～3m) 的分层进行开采，即分层开采，也可采用放顶煤整层开采。无论整层开采或分层开采， 依据不同倾角、按采煤工作面推进方向，又可分为走向长壁开采和倾斜长壁开采两种类型。
1. 薄及中厚煤层单一长壁采煤方法
图2-3-1(a) 所示为单一走向长壁垮落采煤法示意图。所谓“单一”，即表示整层开采；“垮落”表示采空区处理是采用垮落的方法。由于绝大多数单一长壁采煤法均用垮落法处理采空区，故一般可简称为单一走向长壁采煤法。首先将采（盘）区划分为区段，在区段内布置回采巷道（区段平巷、开切眼），采煤工作面呈倾斜布置，沿走向推进，上下回采巷道基本上是水平的，且与采（盘）区上山相联。

图2-3-1单一长壁采煤法示意图
(a)走向长壁 (b)倾斜长壁(仰斜) (c)倾斜长壁(俯斜)
1,2——区段运输和回风平巷；3——采煤工作面；4,5——分带运输和回风斜巷

对于倾斜长壁采煤法，首先将井田或阶段划分为带区及分带，在分带内布置回采巷道 (分带斜巷、开切眼) ，采煤工作面呈水平布置，沿倾向推进，两侧的回采巷道是倾斜的，并通过联络巷直接与大巷相联。采煤工作面向上推进称仰斜长壁〔图2-3-1 (b )〕；向下推进称俯斜长壁〔图2-3-1 (c )。为了便于顺利开采，煤层倾角不宜超过12°。
当煤层顶板极为坚硬时，若采用强制放顶(或注水软化顶板)垮落法处理采空区有困难, 有时可采用煤柱支撑法(刀柱法)，称单一长壁刀柱式采煤法，如图2-3-2所示。采煤工作面每推进一定距离，留下一定宽度的煤柱(即刀柱)支撑顶板。但这种方法工作面搬迁频繁，不利于机械化采煤，资源的采出率较低，是在特定条件下的一种采煤方法。
当开采急倾斜煤层时，为了便于生产和安全，工作面可俯伪斜布置，仍沿走向推进，则称为单一伪斜走向长壁采煤法。另外，近十年来在缓斜厚煤层(﹤5 m)中成功采用大采高一次采全厚的采煤法，也属于单一长壁采煤法的一种。
单一长壁采煤法是我国采用最为普遍的一种采煤方法，其产量比重占国有重点煤矿60%左右。

图2-3-2刀柱式采煤法示意图
2. 厚煤层分层开采的采煤方法
开采厚煤层及特厚煤层时，采用整层采煤法开采将会遇到困难，在技术上较复杂。煤层厚度超过5m，采场空间支护技术和装备目前尚无法合理解决。因此，为了克服整层开采的困难，可把厚煤层分为若干中等厚度的分层来开采。根据煤层赋存条件及开采技术不同，分层采煤法又可以分为倾斜分层、水平分层、斜切分层三种，分别如图2-4-3 ( a)( b)( c)所示。

图2-3-3厚煤层开采分层方法
(a)倾斜分层 (b)水平分层 (c)斜切分层
1——顶板;2——底板;α——煤层倾角; β——分层与水平夹角

倾斜分层——将煤层划分成若干个与煤层层面相平行的分层，见图2-4-3 (a)。工作面沿走向或倾向推进。
水平分层——将煤层划分成若干个与水平面相平行的分层，见图2-4-3 ( b)。工作面一般沿走向推进。
斜切分层——将煤层划分成若干个与水平面成一定角度的分层，见图2-4-3 ( c)。工作面沿走向推进。
各分层的回采有下行式和上行式两种顺序。先采上部分层，然后依次回采下部分层的 方式称为下行式；先回采最下分层，然后依次回采上部分层的方式称为上行式。
回采顺序与处理采空区的方法有极为密切的关系。当用下行式回采顺序时，可采用垮 落或充填法来处理采空区；采用上行式回采顺序时，则一般采用充填法。
不同的分层方法、回采顺序以及采空区处理方法的综合应用，可以演变出各式各样的分 层采煤方法。但是，在实际工作中一般采用的主要有下列三种：①倾斜分层下行垮落采煤法；②倾斜分层上行充填采煤法；③水平或斜切分层下行垮落采煤法。
分层采煤法是当前我国在厚煤层中采用的主要采煤方法，最常用的是倾斜分层。顶板管理主要采用垮落法，充填法采用较少。分层方法多用于开采缓斜、倾斜厚及特厚煤层，有时也可用于倾角较小的急斜厚煤层；开采急斜厚煤层时，过去常用的水平(或斜切)分层采煤法已部分为掩护支架采煤法所替代，采用较少。急斜特厚煤层条件下，近几年来已在水平分层采煤法基础上成功地采用了水平分段综采放顶煤采煤法，煤厚一般25m以上，分段高度可为 10~ 12m，分段底部采高约3m，放顶煤高度7~9m。
3. 厚煤层整层开采的采煤方法
随着生产技术的发展，在厚煤层开采中整层开采有了较大发展。近几年来，由于综合机械化采煤技术装备的发展、大采高支架的应用，为5m以下的缓斜厚煤层采用大采高一次采全厚的单一长壁采煤法创造了条件，并已得到较好的发展。
在缓倾斜、厚度为5.0m以上的厚煤层条件下，特别是厚度变化较大的特厚煤层，采用 了综采放顶煤采煤法。

综合机械化放顶煤工艺是综合机械化壁式 (长壁或短壁)采煤工艺与放顶煤工艺有机结合的综合采煤技术，是厚煤层采煤方法的新发展，其实质是沿煤层 (或分段)底部首先采出一个分层厚度，分层上方的顶煤靠矿山压力的作用破碎成散体状态，然后靠重力落煤， 通过支架放煤口放出，人为控制顶煤开采的一种采煤方法。其工艺流程为：采煤机割煤→拉移支架→推移前部刮板输送机→放煤→拉移后部刮板输送机，放出的顶煤经过后部刮板输送机运出工作面。综采放顶煤采煤法主要有以下几类：
⑴ 预采顶分层放顶煤采煤法。 其方法为沿煤层顶板布置一个长壁工作面进行预采。在采煤过程中，沿底板铺设金属网。相隔一段距离和时间后，再沿底板布置一个综采放顶煤工作面进行开采，并将上、下工作面之间的煤层放落，利用放顶煤工作面后部输送机，将放落的煤运出。该方法适用于特厚煤层开采。
⑵ 预采中分层放顶煤采煤法（图2-3-4）。该方法也用于特厚煤层开采。采用这种方法时，先在距煤层底板约3m处布置一个工作面进行预采；尔后再沿底板布置一个放顶煤工作面，采出沿底板的煤层并回收采空区破碎了的顶煤。这种方法易于回收顶煤，适用于特厚煤层开采。由于顶煤预先受到破坏，对易于自燃发火煤层，容易导致采空区煤的自然，且放顶煤时煤尘较大，采用较少。
⑶ 整层开采放顶煤采煤法（图2-3-5）。沿底板布置一个放顶工作面，一次回收完顶煤。该方法采用的较多，兖州矿区综采矿井普遍采用这种方法。
⑷ 分段放顶煤采煤法（图2-3-6）。当煤层厚度超过二十米乃至几十米甚至上百米时，可以将煤层分为10～12m的若干段。上下分段前后保持一定距离，同时采两个分段，或者逐段下行采煤。这种方法适用于特厚煤层开采。

图2-3-4 预采中分层放顶煤采煤法 图2-3-5 整层开采放顶煤采煤法

图2-3-6 分段放顶煤采煤法

从总的情况来看，目前厚煤层整层开采所占比重比分层开采小。
壁式体系采煤法为机械化采煤创造了条件。按工艺方式不同，长壁工作面可有综合机械化采煤、普通机械化采煤和爆破采煤三种工艺方式。壁式体系采煤法一般具有下列主要特点：
①通常具有较长的采煤工作面长度，我国一般为120～180m，但也有较短的——180～120m，或更长的——180～240m；
②在采煤工作面两端至少各有一条巷道，用于通风和运输；
③随采煤工作面推进，应有计划地处理采空区；
④采下的煤沿平行于采煤工作面的方向运出采场。
我国、原苏联、波兰、德国、英国、法国和日本等广泛采用壁式体系采煤法；美国、澳大利亚等近年来也在发展壁式体系采煤法。
三、柱式体系采煤法
柱式体系采煤法有两种基本类型，即房式采煤法和房柱式采煤法。根据地质和技术条件的不同，每类采煤法又有很多变化。
柱式体系采煤法的实质是在煤层内开掘一系列宽为5～7m左右的煤房，煤房间用联络巷相连，形成近似于长条形或块状的煤柱，煤柱宽度由数米至二十多米不等。采煤在煤房中进行。煤柱可根据条件留下不采，或在煤房采完后，再将煤柱按要求尽可能采出。留下煤柱不采的称为房式采煤法，既采煤房又采煤柱的称为房柱式采煤法。
1. 房式采煤法
这种采煤方法的特点是只采煤房不回收煤柱，用房间煤柱支承上覆岩层。房式采煤法根据煤柱尺寸和形状还可分为很多种形式，如长条式、切块式等。但其基本布置方式相似。房式采煤法主要适用于顶板稳定、坚硬的条件，根据顶板性质来确定房和柱的尺寸，采出率可达50%～60% 。
2. 房柱式采煤法
这种方法的特点是房间留设不同形状的煤柱，采完煤房后有计划地回收这些煤柱。图2-4-7为切块式房桂式采煤法。该方法通常把4～5个以上煤房组成一组同时掘进，煤房宽5～6m，煤房中心距为20～30m，每隔一定距离用联络巷贯通，形成方块或矩形煤柱。煤房掘进到预定长度后，即可回收煤柱。

图2-3-7 房柱式采煤法示意图
1—房；2—煤柱；3—采柱
柱式体系采煤法在美国、澳大利亚、加拿大、印度和南非等国广泛应用。目前在美国部的地下开采中，这种采煤方法的产量约占50%。澳大利亚使用房柱式采煤法所占的比重也较大。我国有一部分煤田的地质条件较适合采用柱式体系采煤法，特别在平铜开拓的中小型矿井中，应用较为有利。一些矿井出于“三下”严重压煤的实际情况，如条件适宜，可以采用柱式采煤法。兖州矿区南屯煤矿曾采用过房柱式采煤法开采。但采用柱式体系采煤法，必须解决相应的配套设备并改进巷道布置，尽量提高采出率。