第5講露天開采及煤炭地下氣化

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《采煤概論》第16章露天開采2/1/20231本章主要內(nèi)容第16章露天開采第一節(jié)概述第二節(jié)露天開采的主要工藝過程第三節(jié)露天開采程序及開拓運輸系統(tǒng)第四節(jié)露天礦生產(chǎn)能力2/1/20232第一節(jié)概述

一、生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)露天開采工藝環(huán)節(jié)分主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)和輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)兩類。(一)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)

(1)煤巖預先松碎采掘設備的切割力是有限度的，除軟巖可以直接采掘外，對中硬以上的煤巖必須進行預先松碎后方能采掘。

(2)采裝利用采掘設備將工作面煤巖鏟挖出來，并裝人運輸設備(汽車、鐵道、車輛、輸送機)的過程。

(3)運輸采掘設備將煤巖裝入運輸設備后，煤被運至卸煤站或選煤廠，土巖運往指定的排土場；

(4)排土和卸煤土巖按一定程序有計劃地排棄在規(guī)定的排土場內(nèi)，煤被卸至選煤廠或卸煤站。(二)輛助環(huán)節(jié)輔助環(huán)節(jié)包括；動力供應；疏干及防排水；設備維修：線路修筑、移設和維修；滑坡清理及防治等。2/1/20233第一節(jié)概述二、露天開采的采場要素及開采工藝分類1.臺階在開采過程中，露天礦往往被劃分為若干具有一定高度的水平分層，這種分層被稱為“臺階”。臺階要素包括：臺階上部水平面，即上盤、下盤；朝向采空區(qū)的傾斜面，即坡面和臺階高度h，臺階坡面角α等。2.露天礦場要素（1）露天開采境界（2）邊幫（3）邊幫角3.開拓與開采要素出入溝：建立采場與地表運輸通道的露天溝道。開段溝：開掘某標高采掘工作面的溝道。開采程序：采場內(nèi)土巖的剝離和采煤工程，在空間和時間上合理配合的發(fā)展順序。2/1/20234第一節(jié)概述圖21-1礦場劃分為臺階圖21-2臺階要素圖1—上盤;2—下盤;3—坡面;4—臺階坡頂線;5—臺階坡底線圖21-3露天采場構(gòu)成要素非工作幫AG、BF工作邊幫角φ最終邊幫角β、γ2/1/20235第一節(jié)概述三、露天開采的優(yōu)缺點

(1)礦山生產(chǎn)規(guī)模大山西平朔安太堡露天礦年產(chǎn)原煤15.00Mt。黑岱溝、霍林河、元寶山和伊敏河露天煤礦計劃規(guī)模為5.00—12.00Mt/a。國外已有規(guī)模達50.00Mt/a的露天煤礦，年剝離量可達1億到3億m3。

(2)勞動效率高1996年霍林河南露天煤礦原煤全員效率達19t/工；平朔安太堡露天煤礦全員效率36.6t/工。

(3)生產(chǎn)成本低露天開采成本的高低與所選擇的工藝、煤巖運距、開采單位煤量所需剝離的土巖數(shù)量等有關。但與地采相比是低的。世界露天采煤成本約為地下開采采煤成本的二分之一。

(4)資源采出率高一般可達90％以上，還可對伴生礦產(chǎn)綜合開發(fā)。

(5)作業(yè)空間不受限制露天礦由于開采后形成的是敞露空間，可以選用大型或特大型的設備，因而開采強度較大。

(6)木材、電力消耗少。

(7)建設速度快，產(chǎn)量有保證，生產(chǎn)安全，勞動條件較好。

(8)占用土地多，污染環(huán)境露大開采后的復田作業(yè)需花費相當數(shù)量的時間與資金。

(9)受氣候影響大嚴寒、風雪、酷暑、暴雨等會影響生產(chǎn)。

(10)對礦床賦存條件要求嚴格露天開采范圍受到經(jīng)濟條件限制，因此覆蓋層太厚或埋藏較深的煤層尚不能用露天開采法。2/1/20236第二節(jié)露天開采的主要工藝過程露天開采工藝方法，根據(jù)采掘、運輸、排土三個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)所采用的開采機械設備的工作特點，可以劃分為三種類型：間斷式開采工藝、連續(xù)式開采工藝、半連續(xù)式開采工藝。下面重點介紹我國露天煤礦采用較多的間斷作業(yè)工藝方式。2/1/20237第二節(jié)露天開采的主要工藝過程一、煤巖預先破碎露天礦廣泛采用的預先松碎方法是穿孔爆破。即選用合適的穿孔設備，按一定規(guī)格打出孔眼。再進行裝藥爆破，爆破后使煤巖松散成一定規(guī)格的塊度，便于采裝。(一)穿孔穿孔用穿孔機完成，穿孔機有沖擊式和回轉(zhuǎn)式兩類1、鋼繩沖擊式鉆機2、潛孔鉆機3、牙輪鉆機(二)爆破爆破工作是將煤巖從整體中分離下來，并按一定塊度和工程要求堆積成一定的幾何形體。爆破用炸藥主要應用以硝酸銨為主加適量可燃劑組成的干爆炸劑和以硝酸銨水溶液為主加敏化劑等組成的含水炸藥。如銨梯炸藥、銨油炸藥和銨瀝蠟炸藥。起爆方法可分為電起爆和非電起爆兩類。電起爆有電雷管和起爆器兩種，非電起爆有火力起爆和導爆索起爆。2/1/20238沖擊式穿孔機工作原理圖

1—鉆具;2—鋼繩;3—天輪;4—壓輪;5—后繩輪;6—卷筒;7—主動齒輪;8—沖擊輪;9—連桿;10—桅架2/1/20239KQ-200型潛孔鉆機示意圖KY-310型牙輪鉆機2/1/202310第二節(jié)露天開采的主要工藝過程二、采裝工作采裝工作就是將軟巖或預先松碎了的煤巖，通過機械設備采挖并裝入運輸設備中，或倒卸在指定地點。廣泛得到應用的間斷式采裝設備有：單斗挖掘機、前裝機和鏟運機等幾種形式。(一)單斗挖掘機單斗挖掘機按其工作裝置可分如下幾種：正鏟、反鏟、刨土鏟、拉鏟和抓斗鏟。（如圖）1.正鏟1)正鏟的組成2.液壓鏟(二)前裝機該機將采裝、短距離運輸、排棄和輔助作業(yè)集于一個設備。它靈活機動，運行速度高，爬坡作業(yè)性能好，維護費用低。前裝機多是輪胎式的，運輸距離一般不超過150m。2/1/202311第二節(jié)露天開采的主要工藝過程圖21-7各種工作裝置的單斗鏟挖掘機示意圖a—正鏟;b—反鏟;c—刨土鏟;d—拉鏟;e—抓斗鏟2/1/202312第二節(jié)露天開采的主要工藝過程三、運輸1.鐵路運輸鐵路運輸適宜長距離、較大運量、采場尺寸也較大的礦山。

2.公路運輸公路運輸主要設備是自卸汽車，它具有較高的機動靈活性，爬坡能力比鐵路列車大，曲線半徑小，建設速度快，基建投資低等均是其優(yōu)點。3．聯(lián)合運輸除鐵道、汽車運輸外，還有箕斗運輸、斜坡卷揚串車運輸、重力運輸（溜井）等。2/1/202313第二節(jié)露天開采的主要工藝過程四、排土露天開采為了采煤而必須剝離的土巖，經(jīng)運輸設備運至一定地點排棄，這個排棄的場所稱排土場。排土場可選擇在開采范圍以外稱外排土場，也可利用已開采的空間進行排棄，稱為內(nèi)排土場。(一)排土場位置選擇位置選擇首先應考慮近距離排土，少占或不占農(nóng)田，盡可能減少對環(huán)境的污染。為此，在近水平和緩斜煤層條件下，從開采設計上應盡可能采用采場內(nèi)采空區(qū)排土；在傾斜與急斜煤層條件下，可利用分區(qū)開采實現(xiàn)內(nèi)排，或?qū)冸x物排至已采盡的采空區(qū)，這些均為內(nèi)排土。內(nèi)排時，采掘工作面和排土工作面間應留一定的安全距離。(二)排土設備及排棄方式1．鐵道運輸2．汽車運輸2/1/202314第三節(jié)露天開采程序及開拓運輸系統(tǒng)

一、開采程序（一）采剝工程臺階劃分及臺階開采程序露天礦場開采程序系指在露天開采范圍內(nèi)采煤、剝巖的順序。開采程序的選擇與煤巖賦存條件、露天礦場的尺寸和幾何形狀、工藝類型、開拓方式以及煤產(chǎn)量、質(zhì)量、投產(chǎn)時間、達產(chǎn)時間等有關。根據(jù)煤巖賦存條件和礦場尺寸，可以考慮臺階劃分及臺階高度、設備的選型、開拓運輸系統(tǒng)及第一個溝位的確定。決定方案時，應擬多個方案從中擇優(yōu)。（二）工作幫及其推進1、開段溝初始位置確定2、工作幫構(gòu)成3、工作幫推進2/1/202315第三節(jié)露天開采程序及開拓運輸系統(tǒng)二、礦床開拓礦床開拓指開掘礦山坑道(或修筑通路)以開辟從地表至礦床或自礦床的某一開采部分至另一部分的運輸通路，并為開掘開段溝和開掘礦山坑道(溝道或井巷)的工作創(chuàng)造條件。礦床開拓包括確定礦體開采順序、開拓方法、臺階高度及坑線布置等項內(nèi)容。露天礦按有無坑道把開拓方法分為有溝、無溝、地下井巷和混合開拓四類；按運輸方式分為鐵路運輸、公路運輸、斜坡卷揚和平硐溜井開拓四類。2/1/202316第三節(jié)露天開采程序及開拓運輸系統(tǒng)上部水平改為螺旋坑線示意圖2/1/202317第三節(jié)露天開采程序及開拓運輸系統(tǒng)移動坑線示意圖2/1/202318第四節(jié)露天礦生產(chǎn)能力一、露天開采境界露天開采境界系指露天礦場開采終了時形成的空間輪廓。它由礦場的地表境界、底部境界和四周幫坡組成。1、影響露天開采境界的因素(1)自然因素包括煤層埋藏條件，如：賦存狀態(tài)、厚度、傾角、煤質(zhì)、圍巖巖性、地形地貌、工程和水文地質(zhì)條件等。(2)技術(shù)組織因素包括開采技術(shù)水平、裝備水平、地面主要建筑物、城市、廠房等。(3)經(jīng)濟因素包括基建投資、基建期和達產(chǎn)時間、煤炭的開采成本及銷售價格中煤炭的貧化損失、設備供應情況及國民經(jīng)濟發(fā)展水平等。2、合理開采深度的確定原則當一個煤田或煤田的—部分被確定用露天法開采時，首先必須確定以什么原則圈定其合理的開采范圍。2/1/202319第四節(jié)露天礦生產(chǎn)能力二、剝采比所謂剝采比即是開采單位煤量所須剝離的巖石量。

1、平均剝采比np露天開采境界內(nèi)，全部巖石量與采出煤量之比。2、境界剝采比nk當露天開采境界做少量變化（擴大或減少?h）所引起的巖土量與煤量變化之比值。3、生產(chǎn)剝采比ns露天礦某一生產(chǎn)時期剝離的巖土量與采出煤量之比。4、經(jīng)濟合理剝采比nj指分攤到單位煤量上的最大允許的剝離量，該值為一系列經(jīng)濟因素所決定。主要的計算方法有：（1）露天、地下開采單位煤量成本相等；（2）露天開采法采出煤的成本與其售價相等；2/1/202320第四節(jié)露天礦生產(chǎn)能力三、露天礦生產(chǎn)能力露天礦生產(chǎn)總能力應為年采煤和剝離兩個量之和，亦即年采剝總量為A=Ap+Av=Ap+nsAp=Ap（1+ns）（21-12）式中Ap——年采煤量，t（m3）/a；Av——年剝巖量，m3（t）／s；ns——生產(chǎn)剝采比，m3（t）/m3（t）。從上式可以看出露天礦的煤巖生產(chǎn)能力A，除受到煤層的生產(chǎn)能力影響外，還受到生產(chǎn)剝采比ns的影響。它還決定著煤炭開采成本、工效、設備數(shù)量、人員、投資的多少等。2/1/202321第四節(jié)露天礦生產(chǎn)能力1.按技術(shù)條件確定生產(chǎn)能力技術(shù)條件主要是可能布置的挖掘機工作面數(shù)目，礦山工程延深速度，運輸線路的通過能力等。2.按經(jīng)濟條件確定生產(chǎn)能力按經(jīng)濟條件確定煤炭生產(chǎn)能力包括：合適的礦山服務年限．可能的投資額和經(jīng)濟效果最優(yōu)來確定。3.按需求量確定生產(chǎn)能力按需求煤量確定生產(chǎn)能力時，必須對市場的需求量進行預測。首先要對國內(nèi)外歷年煤炭供求情況做一統(tǒng)計分析，其次對今后若干時間的需煤前景做一估計，在此基礎上預測未來的供求關系及風險，從而確定生產(chǎn)能力。2/1/202322思考題1．露天開采的特點？2．露天開采的采場構(gòu)成要素有哪些，其含義是什么？3．簡述幾種主要穿孔設備，穿孔原理及其特征？4．單斗挖掘機按其工作裝置可分為哪幾種？正鏟的工作規(guī)格、工作面及其參數(shù)、生產(chǎn)能力如何確定？5．露天開采排土場的位置如何確定，常用的排土設備和排土方式有哪些。6．何謂露天礦開采程序？影響開采程序的因素有哪些？7．開段溝初始位置是按什么原則確定的？工作幫推進方式有哪幾種？8．鐵路運輸開拓運輸系統(tǒng)坑線布置形式，坑線固定性與否的依據(jù)是什么？9．何謂露天開采境界，影響開采境界的因素有哪些？10．露天礦合理開采深度確定的原則是什么？11．何謂平均剝采比、境界剝采比、生產(chǎn)剝采比、經(jīng)濟合理剝采比？12．露天礦生產(chǎn)能力如何計算？2/1/202323

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《采煤概論》第17章煤炭地下氣化2/1/202324本章主要內(nèi)容第17章煤炭地下氣化第一節(jié)煤炭地下氣化原理第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)第三節(jié)煤炭地下氣化的適用條件及發(fā)展方向2/1/202325第一節(jié)煤炭地下氣化原理煤炭地下氣化是開采煤炭的一種新工藝。其特點是將埋藏在地下的煤炭直接變?yōu)槊簹?，通過管道把煤氣供給工廠、電廠等各類用戶，使現(xiàn)有礦井的地下作業(yè)改為采氣作業(yè)。煤炭地下氣化的實質(zhì)是將傳統(tǒng)的物理開采方法變?yōu)榛瘜W開采方法。煤炭地下氣化因具有安全、高效、低污染等優(yōu)點，所以世界各國對此都非常重視。我國于1958年在幾個礦區(qū)曾進行過地下氣化的實驗，最近又在馬莊礦、新河礦進行了試驗，取得了一些經(jīng)驗。2/1/202326第一節(jié)煤炭地下氣化原理煤炭地下氣化的原理（如圖）。首先從地表沿煤層開掘兩條傾斜的巷道1和2，然后在煤層中靠下部用一條水平巷道將兩條傾斜巷道連接起來，被巷道所包圍的整個煤體，就是將要氣化的區(qū)域，稱之為氣化盤區(qū)，或稱地下發(fā)生爐。最初，在水平巷道中用可燃物質(zhì)將煤引燃，并在該巷形成燃煤工作面。這時從鼓風巷道1吹入空氣，在燃燒工作面與煤產(chǎn)生一系列的化學反應后，生成的煤氣從另一條傾斜的巷道即排氣巷道2排出地面。隨著煤層的燃燒，燃燒工作面逐漸向上移動，而工作面下方的采空區(qū)被燒剩的煤灰和頂板垮落的巖石所充填，但塌落的頂板巖石通常不會完全堵死通道而仍會保留一個不大的空間供氣流通過，只需利用鼓風機的風壓就可使氣流順利通過通道。2/1/202327第一節(jié)煤炭地下氣化原理煤炭地下氣化原理1——鼓風巷道；2——排氣巷道；3——灰渣；4——燃燒工作面；I——氧化帶；II——還原帶；III，IV——干餾-干燥帶2/1/202328第一節(jié)煤炭地下氣化原理這種有氣流通過的氣化工作面被稱為氣化通道，整個氣化通道因反應溫度不同，一般分為氣化帶、還原帶和干餾-干燥帶三個帶。1.氣化帶在氣化通道的起始段長度內(nèi)，煤中的碳和氫與空氣中的氧化合燃燒，生成二氧化碳和水蒸氣：C+O2→CO2；2H2+O2→2H2O。在化學反應過程中同時產(chǎn)生大量熱能，溫度達1200℃到l400℃，致使附近煤層熾熱。2/1/202329第一節(jié)煤炭地下氣化原理2.還原帶氣流沿氣化通道繼續(xù)向前流動，當氣流中的氧已基本耗盡而溫度仍在800～l000℃以上時，二氧化碳與赤熱的煤相遇，吸熱并還原為一氧化碳CO2+C→2CO。同時空氣中的水蒸氣與煤里的碳起反應，生成一氧化碳和氫氣以及少量的烷族氣體：4C+3H2O→CH4+3CO+H2，這就是還原區(qū)。2/1/202330第一節(jié)煤炭地下氣化原理3.干餾-干燥帶在還原反應過程中，要吸收一部分熱量，因此氣流的溫度就要逐漸降低到700～400℃，以致還原作用停止。此時燃燒中的碳就不再進行氧化，而只進行干餾，放出許多揮發(fā)性的混合氣體，有氫氣、瓦斯和其他碳氫化合物。這段稱為干燥帶的干餾部分。在干餾之后是脫水干燥。混合氣體此時仍有很高的溫度可氣化其中的水分，混合氣體干燥后，最后可得到：CO2，CO，O2，H2，CH4，H2S和N2的混合氣體，其中CO，H2，CH4等是可燃氣體，它們的混合物就是煤氣。2/1/202331第一節(jié)煤炭地下氣化原理國家地點氣化劑出口煤氣主要成分/%熱值CH4H2COCO2N2O2kJ/m3前蘇聯(lián)安格蘭空氣1.8～1.917.6～17.94.5～7.517.2～2042.7～580.3～0.43192～3570前蘇聯(lián)莫斯科近郊富氧65%1.935.015.328.116.20.26728.4美國佳懷明北空氣0.420101650——3780～5460中國頭山礦空氣0.3～6.36.4～14.34.6～18.53.9～16.445.5～652.3～4.83251～5515中國馬莊礦空氣3.0～9.010～2010～2520～3540～600.0～0.24200～5250中國實驗室空氣+水蒸氣0.9～2.010.6～21.712.2～54.14.6～12.829.5～57.20～1.194943～85832/1/202332第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)一、煤炭地下氣化方法氣化方法通常可分為有井式和無井式兩種。。無井式地下氣化是應用定向鉆進技術(shù)，由地面鉆出進、排氣孔和煤層中的氣化通道，構(gòu)成地下氣化發(fā)生爐。避免了井下作業(yè)和有井式氣化的其它問題，使煤炭地下氣化技術(shù)有了很大提高。目前它己在世界上被廣泛采用。有井式氣化法需要預先開掘井筒和平巷等，其準備工程量大、成本高，坑道不易密閉，漏風量大，氣化過程難于控制，而且在建地下氣化發(fā)生爐期間，仍然避免不了要在地下進行工作。2/1/202333第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)無井式地下氣化法2/1/202334第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)二、無井式地下氣化法的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)無井式氣化法的準備工作包括兩部分：即從地面向煤層打鉆孔和在煤層中準備出氣化通道。從地面向煤層打鉆孔可以采用三種形式的鉆孔：垂直鉆孔、傾斜鉆孔和曲線鉆孔。根據(jù)煤層賦存條件的不同，其生產(chǎn)工藝系統(tǒng)也有差異。對于近水平煤層和緩斜煤層，在規(guī)定的氣化盤區(qū)內(nèi)，先打好幾排鉆孔。鉆孔采用正方形或矩形布置方式，孔距20～30m。鉆孔沿煤層傾向成排地布置，每排鉆孔的數(shù)目取決于氣化站所需的生產(chǎn)能力。2/1/202335第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)按作業(yè)方式的不同，生產(chǎn)工藝系統(tǒng)可分為兩種，即逆流火力作業(yè)方式和順流火力作業(yè)方式。(1)逆流火力作業(yè)方式首先貫通第一排鉆孔，形成一條點燃線。然后將第二排鉆孔與此點燃線貫通，貫通后即可進行氣化。這種燃燒方式的特點是兩個鉆孔都按照下列順序起三種作用：貫通、鼓風和排出煤氣。這種方式煤層的氣化方向與鼓風和煤氣的運動方向相反，所以稱為逆流式火力作業(yè)方式。（2）順流火力作業(yè)方式2/1/202336第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)逆流火力作業(yè)方式2/1/202337第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)順流火力作業(yè)方式2/1/202338第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)三、地下氣化效果的主要影響因素1、供氧量實驗表明，供風量越大，氣化劑含氧量越高，煤氣的熱值就越高。2、溫度與含水量保持高溫是提高地下氣化強度的必要條件之—。3、其他因素氣化通道的長度是影響氣化的另一個重要因素。2/1/202339第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)氣化劑種類生成氣體所占體積/%熱值/kJ·m-3H2CH4COCO2O2N2空氣14.01.816.210.20.257.64229富氧空氣（O2，37%）21.02.522.115.50.238.75987富氧空氣（O2，48%）28.23.526.115.40.326.576452/1/202340第三節(jié)煤炭地下氣化的適用條件及發(fā)展方向煤炭地下氣化可以使埋藏過深或過淺不宜用井工開采的煤層得到開發(fā)，它不但改善了礦工的勞動條件，而且氣化對地表破壞較小，沒有廢矸，還有利于防止