煤矿的建设与开采

玩主

                             煤矿的建设与开采

　煤矿建设具有一定的工作顺序和工作阶段，主要包括：


　　1. 项目建议书


　　根据国民经济和煤炭工业发展规划，对矿区建设提出一个轮廓设想，从宏观上观察该项目建设的必要性。大中型项目建议书经国家批准后立项。


　　2. 可行性研究


　　从煤炭市场需求预测开始，通过多方案比较，论证建设项目的规模，井田划分，配套设施，技术方案，产品方案，运输、销售、原材料及动力消耗，成本和盈亏，企业经济效益和社会效益，提出项目建设可行或不可行的结论。该项论证应包括矿区内所有的煤矿，以及辅助设施和配套项目。


　　3. 矿区总体设计


　　为可行性研究批准后的一个工作阶段，包括矿井建设顺序，辅助及附属企业布局，铁路、电厂、炼焦、煤化工以及共生伴生矿产综合开发利用等。主要是针对煤矿建设的复杂性而进行的对各项工程的统筹安排，还要提出控制基建投资的投资估算。


　　4. 单项工程设计


　　根据总体设计确定的规模和技术决定编制单项工程设计，同时编写建设工程概(预)算。一般分为初步设计和施工图设计两个阶段，通常的作法是一次设计，分阶段提供施工图。


　　5. 施工


　　主要内容有：征购土地，确定施工单位和工程监理单位，编制施工组织设计，施工现场的“四通一平”(水、电、路、讯及场地平整)，器材采购及设备订货等。


　　6. 验收


　　建设完成后进行试生产，验收合格后交付生产使用。



(二) 井 田 开 拓


　　1. 开拓内容


　　首先需开挖从地面到地下的通道。一个煤矿至少有两个通道，一称主井，用以运出煤炭；一为副井，用以运送人员、设备、器材及运出矸石。此外还需有专门通风的风井。主井和副井一般建在同一工业广场内，如采用中央通风，风井靠近主、副井；如采用对角式通风，风井建在井田边界。
　　井筒挖至预定深度后，在此标高及其上方，要开挖一系列的巷道及峒室，主要包括井底车场、运输巷道、石门，上山及下山、回风巷道、联络巷道、以及井下煤仓、水仓、水泵房、变电站、压风机房、库房等。这个标高称为生产水平。这些巷道和峒室在矿井整个生产期间内一直提供服务。
　　井下煤层分成若干区域进行开采，此区域即为采区。根据产量要求、煤层厚度、采煤方法等，一个矿井可以用一个采区生产，也可以用多个采区生产。一个新建矿井其开拓工程已形成全矿的运输和通风网络，并且准备出与设计产量相适应的采区，即可移交生产，称为投产。在生产采区内为了采煤的需要，还需要开挖很多巷道，这些巷道随采煤随废弃，称为生产掘进，不属于井田开拓内容。


　　2. 开拓方式


　　包括立井开拓、斜井开拓、平垌开拓和综合开拓四种。

立井开拓由地面至井底车场距离最短，大部分煤矿采用之。立井深度1990年平均为595.8 m，东部地区还有不少深度超过千米的立井。井筒直径根据煤炭产量确定，一般2～8 m。其中副井兼作进风井，断面最大；主井专司提升煤炭，风井用于出风，断面可较小。
　　根据地层特征，尤其是表土层特征，井筒开拓分为普通凿井法和特殊凿井法。普通凿井法即无需对地层预先加固，主要使用钻眼爆破法。开挖一段高度后即行砌筑钢筋混凝土永久井壁。当遇到某些含水岩层段时，应对其预先进行注浆处理，可以在地面钻注浆孔，也可从工作面进行注浆。当井筒穿过流沙层，普通凿井法无法通过则必须使用特殊凿井法。在中国东部，特殊凿井法的使用相当普通。其中包括冻结法、钻井法、沉井法和帷幕法。
　　冻结法是将井筒周围含水层用人工制冷法冻结，成为具一定厚度的封闭的圆筒形冻结壁，然后在壁的保护下开挖井筒。包括打冻结孔、冷冻和开挖三个工序：打冻结孔是在井筒直径以外的适当距离沿四周施工几十个等距离的钻孔，将封底的无缝钢管送下固定住，然后地层和冷冻站的热交换就通过无缝钢管进行。冷冻用氨压缩机，通过不断循环的盐水完成。将几百米厚的地层冷冻成冻土墙，需要建造大型冷冻站，经数月之久方能完成，开挖后冷冻工作仍应继续，直至井筒完全建成。井筒开挖和普通施工方法一样，一般多用风镐挖土，如需使用钻眼爆破法，炸药剂量也应较少，以防震坏冻结管。开挖过程的支护由于冻土墙在解冻过程中会发生应力应变影响支护效果，因此当全井挖完后还需从下而上进行第二次永久性支护。
　　钻井法是用大口径钻机开挖井筒的方法，包括钻进和悬浮下沉井壁两个工序。为了保证井筒的垂直，采用减压钻进方式，钻头处于半悬吊状态，由于井筒直径大需采用多级钻头，经过多次钻进方能达到所要求的直径。在钻进的同时，将钢筋混凝土或钢板混凝土复合井壁在地面预制，在井口逐节接进，整体悬浮下沉到预定深度，然后再以水泥浆充填空间。
　　沉井法是把在地面灌注的钢筋混凝土井筒利用自重或自重加附加力强迫下沉。为了减少下沉阻力，在井筒底部一段作成比外径稍大的台阶和刃角，台阶以上的环形空间用触变泥浆支护。此法技术难度大，且要求井筒穿过的土层质地均匀，以免偏斜。
　　帷幕法是在井筒四周修筑一圈隔水和有足够强度的混凝土墙，形成帷幕，然后在其保护下用普通施工方法挖掘及支护。墙厚一般0.8～1 m。
　　另外一种井田开拓方式是斜井，即由地面倾斜开挖的井筒，包括主斜井、副斜井和斜风井。斜井角度一般为15°～25°。主斜井用于提升煤炭，用矿车提升的能力较小，用皮带运输机提升能力较大。副斜井用于人员及物料输送，兼作进风井。和立井比较，从井口到井底车场的长度要多几倍，但开挖成本低，方法也简单很多。
　　平峒是最简单的开拓方式，但只适用于山区，对开拓水平以下的煤层尚需由暗斜井或暗井开拓至新水平。



(三) 井 下 采 煤


　　1. 开采顺序和方法


　　对于倾角10°以上的煤层一般分水平开采，每一水平又分为若干采区，先在第一水平依次开采各采区煤层，采完后再转移至下一水平。开采近水平煤层时，先将煤层划分为几个盘区，立井于井田中心到达煤层后，先采靠近井筒的盘区，再采较远的盘区。如有两层或两层以上煤层，先采第一水平最上面煤层，再自上而下采另外煤层，采完后向第二水平转移。
　　按落煤技术方法，地下采煤有机械落煤、爆破落煤和水力落煤三种，前二者称为旱采，后者称为水采，我国水采矿井仅占1.57%。旱采包括壁式采煤法和柱式采煤法，以前者为主。壁式采煤法工作面长，一般100～200 m，可以容纳功率大，生产能力高的采煤机械，因而产量大，效率高。柱式采煤法工作面短，一般6～30 m，由于工作面短，顶板易维护，从而减少了支护费用，主要缺点是回采率低。


　　2. 生产系统


　　包括采煤系统、掘进系统、通风系统、排水系统、供电系统、辅助运输系统和安全系统等。
　　采煤系统包括工作面的落煤、装煤，将煤由工作面运往井底车场，直到提升至地面。主要井巷包括采煤工作面，采区顺槽、采区上山、水平运输大巷、石门等。主要设备有采煤机、运输机械，支护设备及提升机等。
　　掘进系统是为了保证生产的持续进行，即在当前生产同时，要开掘出新的工作面、采区及生产水平以备接替。其包括掘进工作面、矸石运至井底车场由副井提升后送至堆放地。主要设备包括掘进、支护、运输、提升等所用的设备以及风动凿岩机、空气压缩机及其管路等。
　　通风系统由进风井巷、回风井巷、通风机和井下通风设施如风桥、风门等构成。
　　排水系统由巷道中的水沟、水仓、水泵峒室、水泵及排水管路组成。
　　供电系统要求不得中断、以保安全，因此供电电流为双回路，同时进入采区和回风道的电器设备都必须采用矿用防爆型，防止瓦斯爆炸。
　　辅助运输系统包括人员上下和材料，设备的运输。
　　安全系统包括预防瓦斯爆炸、瓦斯突出，以及井下火灾和水灾所需要的救治设备、设施、器材、仪表和监测系统。


　　3. 采掘工作面


　　采煤工作面是地下采煤的工作场所，随着采煤的进行，工作面不断向前推进，原来的采场即成为采空区。长壁工作面采煤的工序为破煤、装煤、运煤、支护及控顶等五项；短壁工作面只有前四个工序。以滚筒式采煤机为主，组成长壁工作面综合机械化设备，可以完成五个主要工序，称为综合机械化采煤，简称综采，此工作面称综采工作面。
　　掘进工作面是井巷掘进的工作场所，分为岩巷、煤巷和半煤岩巷三种。掘进工序分破岩、装运和支护三项。掘进方法分两种，一为钻爆法，二为使用掘进机。前者应用范围广但机械化程度低，后者包括全断面岩巷掘进机及悬臂式掘进机两种。煤矿一般广泛使用悬臂式掘进机，包括掘进机、转载机、运输机和支护设备共同组成掘进综合机械化，完成三道主要工序，称为综掘。


　　4. 采煤机械化分级


　　按中国煤矿的地质情况及实际生产状况，将机械化分为三级：
　　普通机械化采煤，简称普采，采煤工作面装有采煤机、可弯曲链板输送机和摩擦式金属支柱、金属顶梁设备，可完成前三工序机械化，但功率较小，一般工作面年产量15～20万t。
　　高档普通机械化采煤，简称高档普采。采煤工作面装有采煤机，可弯曲链板输送机，液压支柱和金属顶梁，可使前三工序机械化。由于有液压支柱，因此顶板维护状况良好，支护和控顶虽为手工操作，但劳动强度大为减轻，功率亦较大，年产量为20～30万t。
　　综合机械化采煤，简称综采。可完成五个工序的机械化。当前性能不断改进，能力不断增大，操作日益简化，应用范围也进一步扩大。最高记录为山西潞安矿务局王庄矿综采一队工作面，年产量达253万t。



(四) 露 天 采 煤


　　移走煤层上覆的岩石及覆盖物，使煤敞露地表而进行开采称为露天开采，其中移去土岩的过程称为剥离，采出煤炭的过程称为采煤。露天采煤通常将井田划分为若干水平分层，自上而下逐层开采，在空间上形成阶梯状。


　　1. 主要生产环节


　　首先用穿孔爆破并用机械将岩煤预先松动破碎，然后用采掘设备将岩煤由整体中采出，并装入运输设备，运往指定地点，将运输设备中的剥离物按程序排放于堆放场；将煤炭卸在洗煤厂或其他卸矿点。


　　2. 主要优缺点


　　优点为生产空间不受限制，可采用大型机械设备，矿山规模大，劳动效率高，生产成本低，建设速度快。另外，资源回采率可达90%以上，资源利用合理，而且劳动条件好，安全有保证，死亡率仅为地下采煤的1/30左右。
　　主要缺点是占用土地多，会造成一定的环境污染，而且生产过程需受地形及气候条件的制约。在资源方面，对煤赋存条件要求较严，只宜在埋藏浅，煤层厚度大的矿区采用。


　　3. 中国露天开采煤概况


　　中国最早的露天矿为抚顺西露天，建于1914年。新中国成立后至今已建成露天矿共78处，总设计规模5 085万t/a，其中最大的为安太堡露天矿，规模1 533万t/a，其次为霍林河矿，规模1 000万t/a。正在建设的大型露天矿还有准噶尔黑岱沟，规模1 200万t/a，元宝山规模500万t/a，伊敏规模500万t/a等。露天矿产量约占煤炭年产量的5%左右，比例偏低，随着大型露天采掘设备的研制，预计2000年露天矿年产量可望达到1亿t。