第一章緒論及煤礦地質知識

《采煤概論》孫廣義郭忠平主編楊德傳能源學驗安排周數(shù)：第?周（開拓模型）第?周（采煤模型）節(jié)數(shù)：第?節(jié)成績評定考試成績：占80%。平時成績：占20%（其中：出勤率和作業(yè)各占10%）。

2023/2/442023/2/45《采煤概論》

——礦井地質、礦圖、開拓、掘進、支護、采煤方法、礦井通風、露天開采、安全生產(chǎn)、生產(chǎn)系統(tǒng)

——礦壓及圍巖控制2023/2/4621世紀，我國將堅定地向中等發(fā)達國家邁進，其中能源、電力供應是首當其沖要解決的問題。目前我國主要是以煤為主的能源供應體系，我國煤的探明可采儲量為1661億噸，到2020年，煤炭供應量將達到21-29億噸，占一次能源供應總量的60%以上。煤炭仍是未來保證我國能源穩(wěn)定可靠供應的基石。

但是，我國煤炭資源卻存在總量大，利用率低，煤炭生產(chǎn)效率低，成本高，污染嚴重，供求關系常年緊張，無法滿足可持續(xù)發(fā)展要求等問題。

因此專家認為，今后煤炭能源生產(chǎn)一是要不斷地提升機械化、自動化水平，不斷實現(xiàn)和提升高產(chǎn)、高效和低成本的水平，滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需求；另一方面，按循環(huán)經(jīng)濟的規(guī)則發(fā)展以煤氣化為基礎的新一代潔凈煤技術，全面實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)-運輸-利用的全面環(huán)境友好的策略，并使其成為我國煤炭能源科技發(fā)展的戰(zhàn)略重點。

我國能源發(fā)展的現(xiàn)狀及存在問題探討專題講座12023/2/47

中國是一個能源生產(chǎn)和消費大國，能源生產(chǎn)量僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位；基本能源消費占世界總消費量的l/10，僅次于美國，居世界第二位。中國只是一個以煤炭為主要能源的國家，由于沒有很好解決煤炭生產(chǎn)-使用過程中的環(huán)境友好問題，發(fā)展經(jīng)濟和與環(huán)境污染的矛盾比較突出。這就是說中國煤炭工業(yè)的發(fā)展面臨兩方面的巨大的壓力：一方面是國民經(jīng)濟高速發(fā)展，要求煤炭行業(yè)不斷增長煤炭供應量的巨大壓力；另一方面是全球對環(huán)境保護越來越高的要求。煤炭工業(yè)以及它的從業(yè)者如果不能認識和不能同時滿足這兩方面的要求，就將給我國國民經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生嚴重的后果。同時也將給世界經(jīng)濟帶來巨大的振蕩。從另一個角度講，我國煤炭工業(yè)雖然總產(chǎn)量位居世界第一，但總體上看，我國煤炭工業(yè)技術還是十分落后的。開采條件多數(shù)比較困難，機械化水平低，單產(chǎn)低，效率低，相對成本高，煤炭潔凈技術，燃煤潔凈技術落后。面對以上的壓力，形勢是十分嚴峻的。2023/2/48

由于我國迅速增長的對煤炭的需求和煤炭生產(chǎn)技術從總體上說的落后狀態(tài)，以及在消費過程各個環(huán)節(jié)中治理環(huán)境污染措施不力，技術落后。發(fā)展經(jīng)濟和環(huán)境污染的矛盾一直比較突出。這種基本格局就決定了中國煤炭的生產(chǎn)和消費（主要是燃燒）滿足人類進步的要求，必須在兩個方面都要有大幅度的進步。這就是一方面要在總量上滿足發(fā)展的需要，一方面煤炭能源生產(chǎn)和消費的全過程又必須是環(huán)境友好的、污染最小的。滿足總量需求主要是要在煤礦生產(chǎn)過程實現(xiàn)安全高效和低成本。滿足環(huán)境友好的要求則需要在煤炭生產(chǎn)、運輸、加工的各個環(huán)節(jié)都實現(xiàn)和不斷改進各項減少污染的措施。2023/2/49

中國現(xiàn)在是一個高速發(fā)展的國家，主要能源依靠煤炭。從國內(nèi)看，中國煤炭行業(yè)是一個龐大的工業(yè)行業(yè)，也是一個主要的能源供應行業(yè)，它的興衰決定著中國的發(fā)展和中國人的前途命運。它關系到整個中國的技術進步，也關系到龐大的直接和間接的勞動就業(yè)大軍。但中國的煤炭工業(yè)發(fā)展基本上走的是一條高投入、高消耗、多污染為代價的高速發(fā)展道路，給當前煤炭工業(yè)持續(xù)性發(fā)展帶來制約和挑戰(zhàn)，使煤炭工業(yè)發(fā)展陷入困難和被動。中國的煤炭還必須是廉價的，以安全高效、機械化、自動化實現(xiàn)廉價。發(fā)達國家的經(jīng)驗表明：隨著生產(chǎn)發(fā)展和社會進步，產(chǎn)品中工資的構成必將大幅增加。廉價是和提高勞動生產(chǎn)率同步的。我國煤礦工人的主體現(xiàn)在還在采煤工作面，必須把采煤工作面的安全高效、機械化、自動化當成煤炭實現(xiàn)高產(chǎn)高效和廉價的核心。2023/2/410

我國低產(chǎn)的原因有客觀的也有主觀上的。這就是：

1)機械化水平低、工資低、勞動生產(chǎn)率低；

2)大多數(shù)礦井地質條件相對復雜；對于地質條件較好的礦井煤礦的高產(chǎn)、高效、機械化、自動化，必須以回采工作面為中心，同時也要求全礦實行綜合的機械化、自動化。包括：

a、回采技術的機械化、自動化、智能（機器人）化

b、巷道掘進與支護的高度機械化、自動化、智能化；

c、主輔運輸系統(tǒng)的自動化；

d、全礦各主要的和輔助的生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動化、智能化；

e、全礦各生產(chǎn)環(huán)節(jié)實現(xiàn)機器人監(jiān)測、遙控（集中）、無人礦井在條件合適時，應盡量采用最先進的機械化和自動化設備，即要從“頭”趕上世界先進水平。2023/2/411

在煤層埋藏條件很好的大型礦井我國煤礦工作面的單產(chǎn)水平可以達到1000萬噸/年左右，居世界先進水平。但我國大部分煤層埋藏條件和生產(chǎn)條件很差，屬于難采煤層。難采煤層的特點是：

1)煤層厚薄變化大，甚至是雞窩煤；2)斷層多，特別是小斷層多，布置長壁工作面有困難；3)傾角大（包括傾斜和急傾斜）；4)“三軟”煤層，其中尤其是“底軟”煤層的困難大；5)堅硬頂板煤層；6)高瓦斯，有煤及瓦斯突出危險的煤層；7)薄煤層；8)其他如：在“三下”條件下開采，易自燃煤層開采等等。難采煤層要實現(xiàn)充分機械化、高產(chǎn)高效必須有適應具體條件的機械化、自動化的設備。這些任務在很大程度上需要我國自己解決。2023/2/412

煤礦采動必然將對采空區(qū)圍巖造成破壞，這種破壞主要是對地表、地層和地下水（三地）的破壞。對地表的破壞包括對地表建筑物的破壞（這對我國人口眾多、建筑物密集區(qū)影響十分嚴重）；對地表水體（河、湖、水庫等）的破壞；以及對鐵路、高速公路等重要交通的破壞；對地層的破壞包括對采場圍巖的破壞以及有可能引起滑坡或其他地層災害的影響；對地下水的破壞則和地層地表被破壞是密切相關的，大面積的破壞地下水涇流或疏干地下水將給地球和人類水資源鏈造成嚴重災難或擴大城市的缺水。最近提出的一種新一代的充填采礦法有可能從根本上解決或緩解采動影響，并且不引起井上下的環(huán)境污染。2023/2/413

傳統(tǒng)的煤炭開采—利用模式正如前面我們在循環(huán)經(jīng)濟敘說中指出的傳統(tǒng)經(jīng)濟模式是一種單向流動的線性經(jīng)濟。即“資源—生產(chǎn)—消費—廢棄物排放”的模式。線性經(jīng)濟的增長依靠高強度開采和高強度消耗資源。如果我們?nèi)匀话串斍暗哪Ｊ絹頋M足經(jīng)濟對煤炭的需求。那么我們必定會仍然按照“高強度地破壞生態(tài)環(huán)境而得到高速發(fā)展”的模式前進。而按循環(huán)經(jīng)濟3R的原則則必須是：“從源頭上最大限度節(jié)約資源和包括減少破壞環(huán)境在內(nèi)的減少污染的排放（Reduce）”。對于煤炭開采來說，污染源頭主要是“開采”，“利用”和“廢棄物排放”三個方面。

1）在開采過程中如何最大限度節(jié)約資源和包括減少破壞環(huán)境在內(nèi)的減少污染的排放？

2）在煤運輸、加工、燃燒過程中如何最大限度節(jié)約資源和包括減少破壞環(huán)境在內(nèi)的減少污染的排放？

3）在對煤炭開采和利用過程中產(chǎn)生的廢棄物排放時，如何最大限度節(jié)約資源和包括減少破壞環(huán)境在內(nèi)的減少污染的排放？2023/2/414

在開采過程中浪費資源的問題主要表現(xiàn)兩個方面：

1）浪費煤炭資源當前我國煤炭開采總的回采率大體上在50-60%之間，最近一個時期，盲目宣傳國外依靠丟煤提高效率的做法，使我國煤炭、特別是厚煤層的煤炭回采率急劇降低（這也可以說是一個災難。

2）浪費伴生資源，主要是浪費CH4資源我國煤礦每年向大氣排放（浪費）的CH4資源估計大體上相當每年天然氣產(chǎn)量的30-40%。而CH4其破壞臭氧層和造成溫室效應的能力為五大災害氣體之首。何況CH4還是煤礦的重要災害源。因此，一項把煤炭和CH4雙能源同采的雙能源同采礦井的新技術，無疑是具有重大現(xiàn)實意義的。開采CH4能源的方法主要有開采前、開采中（這是主要的）抽取和從礦井（CH4濃度較低）的大氣中分離出CH4。目前有關雙能源同采礦井技術還處在理論探討、方案設計階段。

2023/2/415煤炭是我國的重要能源。占一次能源的67%左右。煤炭除了提供能源，還可以提取各種原料——煤的深加工。煤種齊全，但煤炭灰分普遍較高。煤炭資源豐富，但資源的分布和消費區(qū)分布不協(xié)調(diào)，呈現(xiàn)北多南少，西多東少，人均占用量較低。緒論2023/2/416我國采煤工藝的發(fā)展20世紀50年代初期，在前蘇聯(lián)的幫助下推廣長壁式回采工藝，采用金屬摩擦支柱支護，截煤機掏槽、爆破落煤和人工裝煤的回采工藝方式；50年代末期和60年代初期，機械化開始起步，逐步推廣使用滾筒采煤機、可彎曲刮板輸送機、金屬摩擦支柱與鉸接頂梁，實現(xiàn)了破煤、裝煤和運煤的機械化——普采技術。2023/2/41770年代，開始引進并研制自移式液壓支架、大功率采煤機、強力可彎曲刮板輸送機、可伸縮膠帶輸送機——綜合機械化采煤工藝（綜采）。落煤—裝煤—運煤—支護等工序全部實現(xiàn)機械化。80年代，推廣使用單體液壓支柱支柱代替金屬摩擦支柱支護頂板，使普采技術得到了進一步提高。并開始研究推廣使用的厚煤層放頂煤一次采全高回采工藝技術（放頂煤），處于世界領先水平。90年代，發(fā)展了大采高回采工藝（大采高），并進行高產(chǎn)高效礦井建設工作。目前，研究礦井綠色開采：煤與瓦斯共采、保水開采、矸石充填開采。2023/2/418煤巷由爆破落煤、人工裝煤、木材支護——掘進機掘進、金屬支架和錨桿支護。巖巷由手持式風鉆鉆眼、爆破落巖、人工裝巖——鑿巖機鉆眼爆破、裝巖機裝巖、錨桿噴漿支護、錨索支護等。巷道掘進和支護的發(fā)展2023/2/419耕地破壞——塌陷區(qū)。地下水破壞——廢水排出地面。煤炭燃燒——廢氣。矸石山——廢矸。煤礦開采的環(huán)境效應2023/2/420井筒掘進—巷道掘進—采煤工作面—采空區(qū)的處理；為了保證礦井的正常生產(chǎn)，必須供給井下新鮮空氣，做好防止井下水、火、瓦斯、煤塵、頂板管理、巷道支護等可能發(fā)生的災害的準備工作。煤礦生產(chǎn)的過程2023/2/421淺部煤炭資源的枯竭——向深部拓展；深部開采面臨的問題：地溫、地壓、瓦斯、通風、支護、沖擊地壓等問題。煤礦開采后環(huán)境的治理問題。煤礦當前面臨的問題內(nèi)容：涉及專業(yè)知識眾多，名詞概念多，空間概念強，說理性多。重點把握：名詞概念、識圖及方案對比分析上?！恫擅焊耪摗返谝徽旅旱V地質知識第一節(jié)地殼的組成與地質作用第二節(jié)地質構造第三節(jié)煤的形成與煤層特征第四節(jié)煤田地質勘探與礦井儲量

2023/2/424一、地殼的物質組成組成地殼的是巖石，巖石是一些礦物顆粒的集合體。組成地殼的巖石種類繁多，按照生成原因，可以將巖石劃為巖漿巖、沉積巖、變質巖三大類別。沉積巖分布最廣，地表約75%的面積都覆蓋有沉積巖，有許多重要的礦產(chǎn)如煤、油頁巖、巖鹽等本身就是沉積巖。煤礦生產(chǎn)中遇到的幾乎全是沉積巖。局部地帶會遇到巖漿巖的侵入。第一節(jié)地殼的組成及地質作用2023/2/425第一節(jié)地殼的組成及地質作用

埋藏在地下的煤和其他礦產(chǎn)資源，都是地殼物質運動和各種地質作用的產(chǎn)物。

二、地質作用1.內(nèi)力地質作用由地球內(nèi)部能量引起的地殼物質成分、內(nèi)部構造、地表形態(tài)發(fā)生變化的地質作用，它包括地殼運動、巖漿活動、變質作用和地震作用等。2.外力地質作用它作用在地殼表層，主要是由地球以外的太陽輻射能、日月引力能等引起。按其作用方式可分為：風化和剝蝕、搬運和沉積、固結成巖。2023/2/426巖石變形或變位的產(chǎn)物稱為地質構造1.水平構造未經(jīng)構造變動的沉積巖層，其形成時期的原始產(chǎn)狀是水平的，先沉積的老巖層在下部，后沉積的新巖層在上部，稱為水平構造。第二節(jié)地質構造2023/2/4272.單斜構造原來水平的巖層在受到地殼運動的影響后，產(chǎn)狀發(fā)生變化。其中最簡單的一種形式就是巖層向同一個方向傾斜，形成單斜構造。單斜構造往往是褶曲的一翼、斷層的一盤或者是局部地層的不均勻上升或下降引起。第二節(jié)地質構造2023/2/428單斜構造2023/2/429巖層的產(chǎn)狀要素3.巖層產(chǎn)狀：巖層在空間的位置描述煤（巖）層的空間形態(tài)，通常用產(chǎn)狀要素:走向、傾向及傾角

第二節(jié)地質構造2023/2/4304.褶皺構造：巖層在空間的位置組成地殼的巖層受構造應力的強烈作用，使巖層形成一系列波狀彎曲而未喪失其連續(xù)性的構造，稱為褶皺構造。是巖層產(chǎn)生的塑性變形。第二節(jié)地質構造2023/2/4314.褶皺構造：巖層在空間的位置有背斜和向斜褶曲。第二節(jié)地質構造背斜褶曲：是巖層向上拱起的彎曲。向斜褶曲：是巖層向下凹的彎曲。2023/2/432第二節(jié)地質構造5、斷裂構造當自然界中巖層受力后，當作用力超過其強度時就產(chǎn)生斷裂，使其連續(xù)性和完整性遭到破壞，這種巖層脆性變形的產(chǎn)物稱為斷裂構造。斷裂構造有節(jié)理和斷層兩類。斷裂面兩側巖石沒有顯著的相對位移——節(jié)理或裂隙。斷裂面兩側的巖石有明顯的相對位移——斷層。2023/2/433第二節(jié)地質構造斷層要素：斷盤：指斷層面兩側有相對位移的巖塊。上盤：位于斷層面上方的巖塊。下盤：位于斷層面下方的巖塊。2023/2/434第二節(jié)地質構造斷層的基本類型：正斷層：上盤相對下降，下盤相對上升。逆斷層：上盤相對上升，下盤相對下降。平推斷層：兩盤沿斷層面發(fā)生相對水平位移的斷層。2023/2/435第二節(jié)地質構造斷層的分類：根據(jù)斷層走向與所切割巖層走向的關系，分為：

走向斷層：斷層走向與所切割巖層的走向基本一致。

傾向斷層：斷層走向與所切割巖層的傾向基本一致。

斜交斷層：斷層走向與所切割巖層走向明顯斜交的斷層。2023/2/436第二節(jié)地質構造斷層的組合：地塹、地壘、階梯狀構造、疊瓦狀構造。2023/2/437第二節(jié)地質構造

在煤礦生產(chǎn)過程中遇到的斷層多為正斷層和逆斷層，斷裂面往往成組發(fā)育而形成斷層破碎帶。斷層破碎帶常常與地下水相連通，或聚集大量瓦斯，因此，斷層對煤礦生產(chǎn)有較大的影響，在地質工作中必須特別注意查清斷層的確切位置和產(chǎn)狀。2023/2/438第二節(jié)地質構造地面勘探線、鉆孔、與煤層斷層的關系示意圖2023/2/439第三節(jié)煤的形成及煤層特征一、煤的形成煤層的形成受古植物、古氣候、古地理及古構造等條件的控制。我國最主要的三個聚煤時期為：石炭二迭紀、侏羅紀和第三紀。古植物從死亡、堆積到轉化為煤的演化過程，稱為成煤作用。第一階段：泥炭化階段，以生物化學降解作用為主。第二階段：煤化階段，以物理化學變化為主。2023/2/440

煙煤、無煙煤變質作用煤化作用褐煤成巖作用成煤作用泥炭（或腐泥）泥炭化作用（或泥化作用）成煤原始物質2023/2/441成煤的必要條件第一、溫暖潮濕的氣候；第二、大量植物生長、死亡；第三、大面積沼澤；第四、地殼運動配合2023/2/442三、煤的工業(yè)分類1．常用的煤質指標評價煤質的主要指標包括：水分W、灰分A、揮發(fā)分V、膠質層厚度Y、發(fā)熱量Q、硫S和磷P的含量以及含矸率等。2．煤的工業(yè)分類我國現(xiàn)行的工業(yè)分類，是以煉焦煤為主的分類方案，分類指標主要用揮發(fā)分和膠質層的最大厚度y(mm)為指標劃分煤的種類，從無煙煤到褐煤分為十大煤種，即無煙煤、煙煤（貧煤、瘦煤、焦煤、肥煤、氣煤、弱粘煤、不粘煤、長焰煤）、褐煤。二、煤系的概念煤系是指含有煤層的沉積巖系，它們彼此間大致連續(xù)沉積，并在成因上有密切聯(lián)系。

2023/2/443四、煤層特征1)煤層結構簡單結構煤層：煤層不含夾層。復雜結構煤層：煤層中含有夾層。2）煤層的厚度薄煤層煤層厚度從最小可采厚度至1.3m中厚煤層煤層厚度1.3m至3.5m厚煤層煤層厚度3.5m以上3）煤層的穩(wěn)定性穩(wěn)定煤層、較穩(wěn)定煤層、不穩(wěn)定的煤層、極不穩(wěn)定煤層。4）煤層的傾角緩斜煤層0°～25°傾斜煤層25°～45°急斜煤層45°～90°通常又把8°以下的煤層稱為近水平煤層。2023/2/444

頂板:

賦存在煤層之上的鄰近巖層。

底板:賦存在煤層之下的鄰近巖層。偽頂直接頂基本頂偽底直接底老底劃分依據(jù)：巖層相對于煤層的位置及垮落性能

煤層的頂、底板2023/2/445第四節(jié)煤田地質勘探及礦井儲量一、煤田地質勘探的任務了解礦井資源/儲量、井田地質條件、煤層賦存條件、水文地質條件、開采技術條件、煤種煤質等礦井的資源條件。三、礦井儲量礦井儲量分為：礦井地質資源量、礦井工業(yè)儲量、礦井設計儲量、礦井設計可采儲量。2023/2/446二、煤田地質勘探階段1.煤田普查：煤田普查可分為找煤和普查勘探。找煤——為尋找煤炭資源，并對工作地區(qū)有無進一步工作價值作出評價所進行的地質調(diào)查工作。煤田普查——為煤炭工業(yè)的遠景規(guī)劃和詳查提供必要資料所進行的地質工作。2.礦區(qū)詳查：在普查的基礎上進行。根據(jù)國家建設需要和普查結果，選擇資源條件好、開發(fā)條件有利的礦區(qū)進一步查明資