井工煤矿基础知识

一、井工煤矿基本概况

井工煤矿煤层埋藏很深，必须掘进到地层中进行采煤，危险系数高。地下开采目前占世界煤矿生产的60%。我国是世界上发现和利用煤炭最早的国家之一，远在公元前500年左右的春秋战国时期，煤炭就已经成为一种重要产品，称为石涅或浬石。魏晋时期称煤炭称为石墨，唐宋时期称为石炭，明朝始称煤炭。公元前一世纪，煤炭已经用于冶铁和炼铜。17世纪中叶，明末宋应星的《天工开物》一书，系统的记载了我国古代煤炭的开采技术，包括地质、开拓、采煤、支护、通风、提升以及瓦斯排放等技术，说明当时的采煤业已发展到一定的规模了。在相当长的时期内，我国的煤炭开采技术始终停留在手工作业生产的水平上，1949年全国煤炭年产量只有32.40 Mt。新中国成立后，党和政府十分重视煤炭工业的发展，建设了大批新矿井，原煤产置飞速增长。在原煤产量中，国有重点煤炭和地方煤矿产量分别约占40%和60%。特别是改革开放以来，煤炭工业发展取得了更为显著的效果，采煤、掘进、运输等生产环节的机械化和生产集中化程度迅速提高，平均单产工效增长较快，创造了许多新的纪录。

二、开拓方式及开采方法

在一定的井田地质、开采技术条件下，矿井开拓巷道可有多种布置方式，开拓巷道的布置方式通称为开拓方式。合理的开拓方式，一般要在技术可行的多种开拓方式中进行技术经济分析比较后，才能确定。

1、井田开拓方式

井田开拓方式是指用于井田开拓的地下巷道在井田内的布置方式。内容包括井筒（硐）形式、开采水平数目、开采准备方式以及开采水平大巷布置方式等。无论是哪一种井筒（硐）形式，都可能采用单水平或多水平。井田开拓方式种类很多，一般可按下列特征分类。

（1）井筒（硐）形式

开拓方法根据主要开拓巷道的类型分5类：平硐开拓法、立（竖）拓法、斜井开拓法、斜坡道开拓法和联合开拓法。

1）平硐开拓法是利用水平巷道由地面进入，并通过一系列巷道通达煤层的—种开拓方式。具有简便经济、安全可靠、基建时间短的优点。平硐的布置有沿矿体走向和垂直或斜交走向几种形式。

2）立（竖）井开拓法是用垂直井筒由地面进入地下，并通过一系列巷道通达煤层的一种开拓方式。主要是用于开采倾斜、急倾斜矿床和埋藏深度较大的矿床。以主竖井布置在矿床上盘或下盘围岩内可分为上盘竖井开拓和下盘竖井开拓；将主竖井布置在矿床走向一端的开拓方式称为侧翼竖井开拓，此外还有穿过矿床的竖井开拓方式。

3）斜井开拓法是指利用倾斜井筒由地面进入地下，并通过一系列巷道通达煤层的一种开拓方式。适用于缓倾斜和倾斜矿床的开采，特别是埋藏浅、倾角在20°~40°的矿床。该方法具有施工简便、建设工期短的优点。根据倾斜井于矿床的相对位置，可分为下盘倾斜井开拓、矿脉（床）内斜井开拓和多矿层斜井开拓等方式。斜井开拓和立井开拓各有所长和所短。要结合煤层赋存特征、地质条件、地面地形、技术装备和经济因素综合分析和比较来确定最合适的井硐形式。

4）斜坡道开拓法即以斜坡道作为主要开拓巷道来开拓矿床的方法。采用斜坡道开拓法，一般应用无轨运输设备运输矿石。通常用于开采埋藏较浅、范围不大、围岩条件好的矿床。在一些大型矿山，采用胶带运输机运输，也有采用大型内燃机车运输的；在一些小型矿山还有采用拖拉机、手推车甚至人力挑运等方式运送矿石的。

5）联合开拓法即在上述几种方法中，采用两种或两种以上的方法来开拓矿床的方法。主要用于矿床埋藏条件复杂、开采深度较大和地面地貌、地势复杂的条件。

（2）开采水平数目

按开采水平数目可分为：单水平开拓（井田内只设1个开采水平），如立井单水平分带式开拓；多水平开拓（井田内设2个及2个以上开采水平），如立井多水平分区式开拓。因此，立井开拓方式可有立井单水平上、下山式；立井多水平上、下山式;立井多水平上山式；立井多水平上山式及上、下山相结合的方式。

1）立井单水平分带式开拓。这种开拓方式一般适用于煤层倾角小于12°,地质构造简单，煤层埋藏较深的矿井，如图3-13所示，井田划分为两个阶段，阶段内采用分带式布置。

①矿井开拓程序：在井田中央从地面开凿主井和副井，当掘至开采水平标高后，开掘井底车场、主要运输大巷、回风石门、回风大巷，当阶段运输大巷向两翼开掘一定距离后，即可由大巷掘行人进风斜巷、运料斜巷进入煤层,并沿煤层掘分带运输巷、煤仓、分带回风巷，最后沿煤层走向掘进开切眼即可进行回采。

②矿井生产系统：由工作面采出的煤装入刮板输送机运至分带运输巷；经转载机至胶带输送机运至煤仓在运输大巷装车,由电机车牵引至井底车场，通过主井提至地面。工作面所需物料及设备经副井下放至井底车场，由电机车牵引至分带材料车场,经斜巷由绞车提开至分带回风巷，然后运至采煤工作面。

新鲜风流自地面经副井、井底车场、运输大巷、行人进风斜巷，从分带运输巷分两股进入两个工作面。清洗采煤工作面后的污风，由各自的分带回风巷至总回风巷，再经回风石门经主井排出地面。

这种开拓方式的生产系统比较简单，运输环节少，建井速度快，投产早，但其上山阶段的分带风巷是下行风，应采取措施，防止分带回风巷中瓦斯积聚，保证安全生产。另外，示例中没有单独开凿回风井，而采用箕斗井兼作回风井。根据《煤矿安全规程》规定，箕斗提升井兼作回风井时，井上下装卸载装置及井塔必须采取密闭措施，并加强管理，漏风率不得超过15%,并应有可靠的降尘设施。箕斗提升井若兼作进风井时，箕斗提升井的风速不得超过6 m/s,并应有可靠的降尘措施，保证粉尘浓度符合工业卫生标准。目前国内很少应用箕斗井进风。

2）立井多水平分区式开拓。图3-14为立井多水平分区式开拓意图，可适应各种水平划分方式和阶段内布置形式。该井田有两层可采煤层m1和m2,两层煤间距不大，采用联合开采的方式，在m2煤层底板岩石中布置阶段运输大巷和回风大巷，为两层煤所共用。井田内设两个开米水平。采区内巷道布置与斜井分区式开拓相同。

两层煤间的开采顺序应保证相互不受采动影响。对多水平开拓，一定要注意水平间的接替，在上水平采完以前，要将下水平开拓准备完毕。同时也要注意采区间、区段间的接替，以保证矿井稳定生产。

立井开拓的优点是井筒长度短、提升速度快、提升能力大及管线敷设短、通风阻力小、维护容易。此外，立井对地质条件适应性强，不受煤层倾角、厚度、沼气等条件限制。立井开拓的缺点是井筒掘进施工技术要求高，开凿井筒所需设备和井筒装备复杂，井筒掘进速度慢，基建投资大等。

（3）开采准备方式

按开采准备方式可分为上山式、上下山式及混合式。

1）上山式开采。开采水平只开采上山阶段，阶段内一般采用采区式准备。

2）上下山式开采。开采水平分別开采上山阶段及下山阶段，阶段内采用采区式准备或带区式准备；近水平煤层，开采水平分别开采井田上山部分及下山部分，采用盘区式或带区式准备。

3）上山及上下山混合式开米。上述方式的结合应用。

（4）开采水平大巷布置方式

1）分煤层大巷，即在每个煤层设大巷；

2）集中大巷，在煤层群集中设置大巷，通过米区石门与各煤层联系；

3）分组集中大巷，即对煤层群分组，分组中设集中大巷。

斜井开拓和立井开拓各有所长和所短。要结合煤层赋存特征、地质条件、地面地形、技术装备和经济因素综合分析和比较来确定最合适的井筒（硐）形式。

2、采煤方法

是采煤工艺与采煤系统在时间上、空间上相互配合的总称，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。

采煤方法种类很多，通常按采煤工艺、矿压控制特点，首先将采煤方法分为壁式体系和柱式体系两大类，如图3 - 15所示。

壁式采煤法的特点：煤壁较长、工作面的两端巷道分别作为入风和回风、运煤和运料用，采出的煤炭平行于煤壁方向运出工作面，我国的煤矿多采用壁式采煤法开采煤层。

柱式采煤法的特点：煤壁短呈方柱形，同时开采的工作面数较多，采出的煤炭垂直于工作面方向运出。

（1）壁式体系采煤方法

又称长壁体系采煤方法，以长工作而采煤为主要标志。壁式体系采煤法按所采煤层倾角，分为缓斜、倾斜煤层采煤法和急斜煤层采煤法；按煤层厚度，可分为薄煤层采煤法、中厚煤层采煤法和厚煤层采煤法；按采用的采煤工艺不同，可分为爆破采煤法、普通机械化采煤法和综合机械化采煤法；按采空区处理方法不同，可分为垮落采煤法、刀柱（煤柱支撑）采煤法、充填采煤法；按采煤工作面布置及推进方向的不同，可分为走向长壁采煤法和倾斜长壁采煤法。按工作而向仰斜或倾斜推进的方向不同，倾斜长壁又有仰斜长壁和俯斜长壁之分。

按是否将煤层全厚进行一次开采，可分为整层采煤法和分层采煤法。薄煤层、厚度小于3 m的中厚煤层采用整层采煤法；厚度较大的中厚煤层、厚煤层既可采用整层也可采用分层采煤法

1）薄煤层及中厚煤层单一长壁采煤方法。图3-16a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。

倾斜长壁采煤法，首先将井田或阶段划分为带区，在带区内布置回采巷道（分带斜巷、开切眼），采煤主作面呈水平布置，沿倾斜推进，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3-16b);向下推进称俯斜长壁（图3-16c)。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3-17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，资源的采出率低。

当开采急斜煤层时，为了便于生产及安全，工作面可呈俯伪斜布置，仍沿走向推进，则称为单一俯伪斜走向长壁采煤法。

2）厚煤层开采的采煤方法。对厚煤层开采可以采用分层开采及整层开采。分层开采如图3 - 18所示。在缓斜厚煤层(煤厚3. 5〜5.0 m)条件下，随着综采的发展，成功地采用了大采高一次采全厚的单一长壁采煤法。

（2）柱式体系采煤方法

以房柱间隔进行采煤为主要标志。一般特点：

1）在煤层内布置一系列宽为5〜7 m的煤房，采煤房时形成窄（短）工作面成组向前推进。房与房之间留设煤柱，煤柱宽数米至二三十米不等，每隔一定距离用联络巷贯通，构成生产系统，并形成条状或块状煤柱，支撑顶板。

2）采房时矿山压力显现较和缓，用锚杆支护工作空间，支护较简单。

3）采煤用爆破或连续采煤机配套设备。采煤在一组房内交替作业。

4）采掘合一，掘进准备也是采煤过程，回收房间煤柱时,也使用同一种类型的采煤配套设备。

高度机械化的柱式体系采煤方法，一般只分为房式采煤法和房柱式采煤法两类，房柱式采煤法示意图如图3 -19所示。

（3）爆破采煤工艺

爆破采煤工艺（又称炮采工艺），其工艺过程包括打眼、爆破落煤和装煤、人工装煤、刮板输送机运煤、移置输送机、人工支架和回柱放顶等主要工序。爆破落煤由打眼、装药、填炮泥、联炮线及爆破等工序组成。装煤与运煤有爆破装煤、人工装煤、机械装煤。

目前，我国煤矿正规炮采工作面都采用金属支柱和铰接顶梁支护，并正在推广单体液压支柱，采用全部垮落法处理采空区简单可靠，费用少。所以，凡是条件合适吋应尽可能采用这种方法，我国开采薄及中厚煤层和大部分厚煤层，几乎都是采用全窗垮落法。

（4）普通机械化采煤工艺

普采面的生产以采煤机为中心，采煤机割煤以及与其他工序的合理配合，称为采煤机割煤方式。采煤机割煤方式选择是否合理，直接关系到工作面产量和效率的提高。具体形式有：双向割煤，往返一刀，“∞”字形割煤，往返一刀、单向割煤，往返一刀、双向割煤、往返二刀（穿梭割煤）。

普采面单体支架布置应与煤层赋存条件、顶底板性质相适应，并符合采煤机割煤特点，除确保回采空间作业安全外，还要力求减少支护工作量。支架布置方式如图3-20所示。齐梁直线柱布置特点是悬梁端沿煤壁方向相齐，支柱排成直线。根据截深与顶梁长度的关系，又可分梁长等于截深和梁长等于截深的2倍。

（5）综合机械化采煤工艺

综采面采煤机的割煤方式是综合考虑顶板控制、移架与进刀方式、端头支护等因素确定的，主要有如下几种：往返一次割两刀，这种割煤方式也叫“穿梭割煤”，多用于煤层赋存稳定，倾角较缓的综采面，工作面为端部进刀；往返一次割一刀，即单向割煤，工作面中间或端部进刀。

我国采用较多综采面液压支架的移架方式有三种：①单架依次顺序式，又称单架连续式；②分组间隔交错式；③成组整体依次顺序式。

综采面割煤、移架、推移输送机三个主要工序，按照不同顺序有两种配合方式，即及时支护方式和滞后支护方式。

（6）放顶煤采煤法

放顶煤采煤法是沿煤层底板或煤层某一厚度范围内的底部布置一个采煤工作面，利用矿山压力将工作面顶部煤层在工作面推进过后破碎冒落，并将冒落顶煤予以回收的一种采煤方法。放顶煤采煤法通常有以下四种：预采顶分层放顶煤采煤法（如图3 -21所示）、预采中分层放顶煤采煤法（如图3-22所示）、整层开采放顶煤采煤法和分段放顶煤采煤法。

放顶煤工作多从下部向上部，也可以从上部向下部，逐架或隔一架或隔数架依次进行。一般放顶煤沿工作面全长一次进行完毕即一轮放完，如顶煤较厚，也可以两轮放完。在放煤过程中，如有片帮预兆，宜停止放煤。当放煤口出现矸石时，应关闭放煤口。

放顶煤采煤法有以下优点：在工作面采高不大的情况下，可大大增加一次开采的厚度，用于特厚煤层的开采；简化巷道布置，减少巷道掘进工作量；提高采煤工效；降低吨煤生产费用。

放顶煤采煤法适用于煤层厚度5 ~ 20 m或更厚的煤层；煤层

倾角由缓斜到倾斜或急倾斜厚煤层；煤质比较松软易冒落，冒落块度不大；顶板容易垮落。使用该方法时应采取措施提高煤炭采出率，防止煤的自燃和瓦斯爆炸事故的发生，继续完善控制顶媒下放的技术措施。

（7）其他采煤方法

1）掩护支架采煤法：在急斜煤层，沿走向布置采煤工作面，用掩护支架将采空区和工作空间隔开，向俯斜推进的采煤方法。

2）伪倾斜柔性掩护支架采煤法：在急斜煤层中，伪倾斜布置采煤工作面，用柔性掩护支架将采空区和工作空间隔开沿走向推进的采煤方法。

3）倒台阶采煤方法：在急斜煤层的阶段或区段内，布置下部超前的台阶形工作面，并沿走向推进的采煤方法。

4）正台阶采煤法：在急斜煤层的阶段或区段内，沿伪倾斜方向布置成上部超前的台阶工作面，并沿走向推进的采煤方法。

5）水平分层采煤法：急斜厚煤层沿水平面划分分层的采煤方法。

6）斜切分层采煤法：急斜厚煤层中沿与水平面成25°~30°的斜面划分分层的采煤方法。

7）仓储采煤法：急斜煤层中将落采的煤暂存于已采空间中，待仓房内的煤体采完后，再依次放出存煤的采煤方法：

三、生产系统

煤矿生产系统主要有采煤系统、运煤系统、通风系统、运料排矸系统、排水系统、供电系统等。

（1）采煤系统

采煤巷道的掘进一般是超前于回采工作面工作进行的，它们之间在时间上的配合以及在空间上的相互位置，称为采煤巷道的布置系统，也即采煤系统。实际生产过程中，有时在采煤系统内会出现一些诸如采掘接续紧张、生产与施工相互干扰的问题，应在矿井设计阶段或者掘进工程施工前统筹考虑解决。

（2）运煤系统

运煤系统实际上就是把煤炭从采场内运出，并通过一些关联的巷道、井硐最后运到地面的提升运输路线和手段。各种矿井开拓方式和不同的采煤方法都有其独特和完善的运输方法。

（3）通风系统

通风系统包括通风方法、通风方式和通风网络。矿井通风方法指矿井主风机的工作方法，包括抽出式、压入式和混合式三种。矿井通风方式是指矿井进风并和冋风井布置方式，有中央式、对角式和混合式三种。通风网络沾对通风系统的抽象描述，包括串联风网、并联风网、角联风网。

（4）运料排矸系统

煤矿井下掘进、采煤等场所所需要的材料、设备一般都是从地面从副井经由井底车场、大巷等运输的；而采煤工作面回收的材料、设备和掘进工作面运出的矸石又要由相反的方向运出地面，这就形成了运料矸石的运输系统。

（5）排水系统

为保证井下的安全生产，井下的自然涌水、工程废水等都必须排出井外。由排水沟、井底水仓、排水泵、排水管路等形成的系统，其作用就是储水、排水，防止发生矿井水灾事故。一般情况下，水仓的容量、水泵的排水量等等，只比正常的涌水量略大一些，如何合理的配备备用设施应根据具体的水文地质确定，既不要长期闲置，又要能应对中小型的突发涌水。

（6）供电系统

煤矿正常生产需要许许多多的相关辅助系统。矿井供电是非,常重要的一个系统。它是采煤、运煤、通风、排水等系统各种机械、设备运转时不可缺少的动力源网络系统。为了确保矿井生产的安全，一般采用双回路的供电方式，在一条供电线路发生故障的时候能够及时切换到另一条线路进行供电，对于供电要求严格的矿井，还可以采取双电源双回路的供电方式。

矿井的生产系统既各自独立运行又相互关联，要搞好煤矿的安全生产，提高经济效益，必须协调的有效的使各生产系统都保持正常运作。