煤矿开采简要论述

Click to edit Title Slide,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,第,1,讲 煤矿开采简介,1.1,学科范畴与战略地位,1.2,国内外发展回顾、现状与趋势,1.3,战略目标与优先发展方向,1.1,学科范畴与战略地位,1.1.1,学科定义与研究对象,煤矿开采,(coal mining),是指综合运用煤矿开采学、矿山压力及控制、煤矿地质学、煤矿安全科学与技术等理论，按科学的工程程序，使用一定的机电设备及配套系统采出地下煤炭以及伴生资源的一种工程活动和科学技术。根据煤炭资源赋存情况，煤矿开采分为地下开采和露天开采，其中地下开采在我国占统治地位，其煤炭产量占总产量的,95,以上。世界其他国家地下开采的产量比例有很大差异。,煤矿开采的研究对象为安全、高效、高资源回收率地开采煤炭资源以及伴生的其他矿物资源等。,煤矿开采研究的目的是综合利用现代科学理论与相关工程技术，深入分析、研究煤矿开采复杂多变的客观条件，掌握和利用煤矿开采的基本规律，系统地研究和开发高效、安全、高资源回收率和舒适作业条件的现代化煤矿开采的科学理论与工程技术。,1.1.2,学科方向、基础与相邻学科关系,煤矿开采是一门综合性的科学与面向生产实际的工程技术。它涉及：,采煤方法,矿山压力与围岩控制,机电设备,自动化与通信技术,开采的安全技术,瓦斯等伴生资源开采,地面沉陷保护,露天开采与边坡稳定,矿区生态环境保护与重建,系统工程与信息化技术等多个学科领域。,它的学科基础包括,:,等多个学科门类。目前已形成了许多研究方向。,固体力学,地质力学,煤田地质学,工程地质和水文地质学,岩石力学,流体力学,空气动力学,机电工程,系统科学与工程,电子科学与技术,计算机科学与技术,通信技术,环境保护,材料科学与工程,安全技术与工程,人工智能,(1),开采方法：综合运用采煤学、矿山压力与控制、矿井地质、机电设备与配套、安全工程、系统工程、流体力学、管理科学与工程等理论与技术，研究煤炭及瓦斯等伴生资源的高效、安全、高资源回收率的开采方法、工艺和技术。,(2),矿山压力与围岩控制：以工程地质学、岩石力学、结构力学、断裂力学、弹性力学、塑性力学、材料力学以及非线性科学等为基础，系统研究不同开采方法的采场与井巷的矿山压力显现规律，围岩控制理论与技术，以及研制开发相应监测仪器仪表与围岩控制设备和产品，研究采场与井巷顶板矿压显现规律、冲击矿压、顶板大面积来压等灾害的发生机理、规律与防治理论和技术。,(3),“三下”开采与地面保护：综合运用岩石力学、矿山压力与控制、采煤学等理论与技术，研究水体、建筑物、铁路等下部煤炭开采技术、减少甚至消除地面沉降的理论与技术以及地面建筑物、农田、水系等的保护技术。,(4),深部开采：针对矿井开采水平逐年延伸，深部开采问题逐渐严重的情况，研究深部矿井与高应力开采条件下的冲击矿压、瓦斯突出等动力异常灾害发生机理与防治技术；深部开采条件下，采场与巷道顶板灾害的发生机理与防治理论技术，以及采场与巷道围岩控制理论与技术、矿井顶底板水的防治理论与技术、矿井降温理论与技术。,(5),露天开采：以运筹学、系统科学与工程、露天开采学等为基础，研究内容涉及穿孔、采装、运输、排卸等设备，露天矿开采工艺与生产组织、自动化调度系统、生产计划与过程的优化、设计原理与计算机化、生产爆破技术，以及开拓运输系统和采装系统的设计与优化等的研究与开发，已经形成了机械化、自动化、电子化、计算机化等多学科的交叉研究。,(6),露天矿边坡与排土场稳定：以工程地质学、水文地质学、岩石力学、散体力学、露天开采学、环境科学等为基础，研究露天矿采场与排土场边坡的稳定理论与技术、边坡优化设计、边坡稳定的自动化监测与预警系统开发、边坡破坏的防治理论与技术。,(7),自动化与通信技术：以采矿学、自动化技术、通信技术、信息化技术、机电工程、电子技术等为基础，研究与开发煤矿自动化开采、自动提升与运输、巷道自动化掘进与支护、开采过程自动控制等技术。,(8),计算机应用与信息化技术：以采矿学、运筹学、系统工程、计算机科学与技术等为基础，研究与开发煤矿企业的信息化管理决策系统、计算机辅助设计、煤矿开采的仿真与优化。,(9),安全理论与技术：研究瓦斯爆炸机理，采前与采动过程中瓦斯运移规律、安全开采的瓦斯防治理论与技术，矿井火灾发生机理与防治理论技术，矿井粉尘防治技术，矿井通风系统设计与优化。,(10),煤矿安全监测与预警：综合运用煤矿安全工程与监测原理、电子技术、信息传输与处理技术、计算机技术等开发研制新型、准确、高效的煤矿安全监测与预警系统。其中，涉及瓦斯、水、火、粉尘、顶板、冲击地压等的监测与预警。,(11),与环境协调的开采理论与技术：综合运用采矿工程理论与技术、环境科学与技术、工程地质与水文地质、林业科学与工程、农业科学与工程、资源与环境经济学等，系统研究和建立与环境协调的开采理论与技术体系，保障煤炭资源开采与环境的协调可持续发展。,1.1.3,学科战略地位,目前，煤炭提供世界一次能源的,27,和世界发电量的,45,，煤炭的衍生物生产,25000,多种消费品，在世界经济中占有重要地位。,煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源资源，其中,90,集中在苏联、美国、中国、澳大利亚、德国、印度、南非、波兰、英国和加拿大等,10,个国家。,我国长期以来一直以煤炭作为主要能源，并且煤炭在我国一次能源中的主导地位在短期内不会改变。,我国能源资源赋存现状决定了我国能源开发以煤炭为主的现状在短期内不会改变。随着科学技术发展，新能源和可再生能源会有一定增长，但在相当长的时间内还是不可能取代化石能源。,显然，经济的发展对能源的需求量将越来越大，因此，研究煤炭的高效、安全、高采出率开采是十分重要的问题。,煤炭开采在我国国民经济建设中具有极其重要的战略地位，也是我国一次能源的基础。,煤炭开采是提供煤炭能源的根本方法，我国的煤炭资源总量居世界首位，但人均煤炭产量不高，甚至十分短缺，人均煤炭产量仅居世界第,8,位。,因此，研究和解决煤炭开采中的相关科学问题，促进煤炭高效、安全、高资源采出率开采和绿色开采，是当前煤炭开采中所面临的重要问题，也是重要的学科方向。,1.1.4,国外重要的煤矿开采学术研究机构,1,美国,美国的煤炭科研工作主要由政府机构、企业研究与发展机构、大学,(,学院,),及民间咨询机构四部分组成。,美国较大的采矿公司一般都设有研究与发展部；美国有二十几个大学设有采矿系，主要按政府合同开展基础研究；此外，还有一支重要的研究与开发力量,民办咨询公司。,国家政府科研机构主要有能源部所属的联邦能源研究院（,FEI,），此外由各大学采矿系联合组成的矿物研究所也发挥着重要作用，如弗吉尼亚大学工业学院与弗吉尼亚州立大学、宾夕法尼亚州立大学、明尼苏达大学等。,2,俄罗斯,俄罗斯的煤炭科研体系分为两类，一类是煤炭工业直属科研院所，另一类是矿区科研所。,现在俄联邦批准在原,24,个部级院所的基础上成立,5,个煤炭科学中心：,国家矿业科学中心；,地质力学和矿山测量科学中心；,俄罗斯煤炭工业安全科学中心；,库兹巴斯采矿工艺科学中心；,露天采矿工艺科学中心。,3,德国,德国拥有世界一流的煤炭科研机构，如埃森采矿研究院,(Bergbau-Forschung GmbH),、威斯特伐伦矿山协会,(Westfalishe Bergwerkschaftskasse),矿业研究所和实验室矿井公司等。在矿山压力控制、井下降温、瓦斯、煤尘和火灾防治、采煤技术、井下运输和选煤等领域，德国都处于世界领先水平。,德国西部克劳斯塔尔工业大学和东部弗赖堡大学是德国两所著名的矿业大学，其他大学如柏林工业大学和亚琛大学设有采矿系或采矿专业，鲁尔大学设有矿山建筑专业。这些大学除培养采矿专门人才外，还承担重要的矿业科研项目。,4,澳大利亚,澳大利亚的科研和学术工作主要由联邦科学和工业研究组织,(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization,，,CSERO),承担，煤炭科研是该组织中的重要科研部分。此外，维多利亚州的电力委员会建有几个实验室，研究褐煤的开采、储存、运输和发电等。,澳大利亚很多大学均承担煤炭科研任务，研究水平较高，如悉尼大学、新南威尔士州立大学、墨尔本大学、昆士兰大学、纽卡斯尔大学、伍伦贡大学等，研究的课题包括矿井和露天采煤、岩石力学、地震勘探、瓦斯抽放等。,5,波兰,波兰从事煤炭科研的主要机构有：采矿研究总院,(GIG),、考玛格采矿机械化中心,(KOMAG),和艾玛格采矿电气化与自动化中心,(EMAG),。波兰的一些大学也从事煤炭科研工作。,波兰在“三下,”,开采、冲击矿压的理论和应用技术研究方面具有很高的学术水平。,6,加拿大,加拿大的煤炭科研工作主要由加拿大矿业和能源技术中心,(CANMET),和一些大学负责和开展。,CANMET,的采矿研究所由以下六个研究室组成：,加拿大易爆气体实验室,(CEAL),。,加拿大采矿技术实验室,(CMTL),。,埃利奥特湖实验室,(ELL),。,萨德伯利回填实验室,(SBL),。,互勒多矿山实验室,(VDML),。,开普布雷煤炭研究实验室,(CBCRL),。,7,英国,英国煤炭科研由英国贸工部直接管理，具体工作则委托给英国能源技术中心,(EISU),。诺丁汉大学、利兹大学等在煤矿开采的学术研究方面具有很高水平。,近年来在煤炭开采方面的主要研究目标是保持英国开采技术的领先水平，鼓励采矿设备出口；研究就地转化和非常规开采技术，如遥控采煤和海下采煤；完善井下环境监控系统，改善煤矿健康和安全状况。,1.2,国内外发展回顾、现状与趋势,1.2.1,煤矿开采学科的形成,人类利用煤炭资源已有数千年历史。我国不仅是当今世界上煤炭产量最多的国家，也是世界最早开采、利用煤炭的国家，有着悠久的煤炭开采历史。在新石器时代，我国就出现了精煤制品饰物。公元前,1,世纪，煤已经成为重要产品，不仅用作生产燃料，而且还用于冶炼，当时已经积累了一些找煤和采煤的基本知识，出现了一定规模的矿井和采煤技术。隋、唐至元代，煤炭开采更为普遍，在地质、开拓、采煤、支护、通风、提升以及瓦斯排放等方面的技术都有了一定发展。从明朝到鸦片战争以前，当时统治者比较重视煤炭开发，煤炭开采技术得到了发展，形成了丰富多彩的中国古代煤炭开采技术。尽管当时都是手工作业的煤窑，但因其开采利用早于其他国家，因此，,17,世纪以前，中国煤炭开采技术和管理的许多方面都处于世界领先地位。,1.2.2,煤矿开采发展现状与趋势,在过去的,20,多年里，随着世界各国相关科学技术的进步，机、电、信息、计算机等行业的迅速发展，固体力学、流体力学、数值计算技术、非线性科学等基础理论的发展以及许多边缘学科的兴起，极大地促进了煤矿开采的理论和技术的发展，导致了煤矿开采的许多理论和方法发生了重大变化。,1,采煤方法,采煤方法是煤矿开采的核心，它包含采煤系统和采煤工艺两项主要内容。根据不同的矿山地质及技术条件，可有多种多样的采煤方法。我国煤层赋存条件复杂多样，开采技术条件各异，因而促进了采煤方法的多样化发展，我国是世界上采煤方法种类最多的国家。,但总体上看可以分为壁式体系采煤法和房柱式体系采煤法。,目前，世界各主要产煤国家，由于煤层条件和采煤技术的延续情况不同，所采用的各种不同采煤方法的比重也有所差别。,我国大型重点煤矿壁式体系采煤法的产量占,95,以上；,美国壁式采煤法为,50,，连续采煤机房柱式开采占,41,；,印度壁式采煤法小于,5,，传统房柱式采煤法占,65,，机械化房柱式开采占,30,；,俄罗斯壁式开采占,86,；,澳大利亚壁式开采占,85,；,南非房柱式占,66,9,，壁式占,33,；,加拿大壁式为,85,。,除地下开采以外，对于埋深较浅、厚度较大的煤田采用露天开采方法。,随着露天采装、运输等设备的大型化，露天开采的效率和能力以及安全方面具有很大优势。,高效、高产量、高煤炭采出率的综合机械化采煤工艺是壁式开采体系的发展方向，研制适应各种煤层条件的大型强有力配套设备和优化工作面布置是目前各国主攻的方向之一。,(2),放顶煤开采工艺。放顶煤开采工艺是壁式体系采煤法中的一种，这种采煤方法最早于,20,世纪,40,年代始于法国、东欧等国。我国于,1984,年开始研制和开发这种采煤工艺，到,20,世纪,90,年代中期，开始迅速发展，已经成为我国开采,5 m,以上厚煤层的主要方法，并且工作面年产达到了,600,万,t,的水平。,我国已经研制出了几种主要型号液压支架，在采煤和放顶煤工艺、矿山压力与岩层控制、瓦斯运移规律与抽排措施、巷道与采空区火灾的防治等方面，取得了重要研究成果。,针对我国经济基础较差、矿井系统能力较低、井型较小的实际情况，我国又成功研制了轻型放顶煤液压支架,(,支架重量,8.5t),，开发了轻型支架的综合机械化放顶煤开采技术，工作面产量可实现年产百万吨的水平。,我国已将这项技术用于顶板坚硬和煤层坚硬，高瓦斯且有突出危险、易燃、大倾角,(,煤层倾角,25),等难采厚煤层中，均取得了显著的经济效益。,今后这项技术发展方向：,一是条件适宜厚煤层的高产、高效、高采出率开采。,二是难采厚煤层的安全高效开采。,三是工作面产量要求较低厚煤层的高效、高采出率轻放开采。,四是西部开发区的巨厚,(15 m,以上,),煤层的高效高采出率开采。,国内正在基于弹塑性力学、损伤力学、散体力学、岩石力学、矿山压力与控制理论、流体力学等深入系统地研究,:,放顶煤开采的矿山压力规律与岩层控制原理,顶煤破裂与垮落规律,散体顶煤流动与放出规律及提高采出率技术,瓦斯运移规律与抽放技术,火灾与粉尘防治技术,研制新型放顶煤液压支架,放煤的自动控制技术等。,(3),柱式体系采煤法。柱式采煤法以短工作面采煤为主要标志，其实质是在煤层内开掘一系列宽为,5,7 m,的煤房，开房时用短工作面向前推进，煤房间用联络巷相连以构成生产系统，并形成近似矩形的煤柱，煤柱宽度由数米至,20 m,不等。,煤柱可根据条件留下不采，或在采完煤房后再将煤柱按要求尽可能采出。前者也可称为房式采煤法，后者也可称为房柱式采煤法，由于二者的巷道布置基本相似，因此美国将这两种方法通称为房柱式采煤工艺。,(4),露天开采方法。露天开采具有机械化程度高、安全、效率高、产量大等特点，但适用条件受到埋深的限制，同时对地表和生态环境破坏较大。,世界各国根据煤层赋存条件不同以及技术条件的差异，露天采煤的产量占煤炭总产量的比重不同，我国为,5,以内，美国为,60,，印度为,62.1,，澳大利亚为,60,，南非为,49.6,，加拿大为,91.26,，俄罗斯为,62.1,。,运筹学、系统工程的理论和方法、计算机技术等在露天矿开采、规划、设计中得到了广泛应用。该学科目前以大型可靠设备、生产过程中的自动调度系统、计算机优化设计、管理与决策信息系统等的研制和开发为主要研究方向。,2,矿山压力与围岩控制,矿山压力与围岩控制是煤矿开采中的重要应用基础研究领域，其主要的目的是研究煤矿开采后，开挖空间围岩应力和位移的变化规律，围岩活动规律，并利用和改善其活动规律，对围岩实施工程控制，保障煤矿安全、经济地开采。,(1),矿山压力的理论研究。矿山压力理论研究主要是指针对煤矿开采特点，利用弹性力学、材料力学、塑性力学、结构力学、损伤力学、岩石力学、能量理论、实验理论以及非线性科学等，研究煤矿开采引起的力学现象的理论。,在近三、四十年的时间里，矿山压力的理论研究取得了重要进展，除了继续应用连续介质力学方法研究与矿山压力有关的问题外，又发展了考虑岩石真实特性的各种矿压理论研究。例如，把岩体看作是受各种性质弱面切割的非连续介质的研究，把岩体看作具有分数维的分形几何研究，把岩体内部裂隙看作是微裂隙演化的损伤力学研究，将岩体作为随机介质的可靠性研究等。,在长壁工作面上覆岩层的结构研究方面，,20,世纪,70,年代末，我国学者先后提出了开采后上覆岩层呈“砌体梁”和“传递岩梁”式平衡的结构力学模型、岩层断裂前后的弹性基础梁力学模型及各种不同支撑条件下的,Winker,弹性基础梁和,Kichhoff,板力学模型，进一步完善了压力拱和悬臂梁的力学模型。,20,世纪,90,年代中期，钱鸣高院士等又提出了关键层理论。,为了有效地控制工作面围岩，确定液压支架合理架型和支护阻力等，我国进行了采场支架,围岩关系研究和建立采场围岩整体力学模型；提出了提高支架初撑力对于控制顶板事故具有重要作用的理论。,针对支架合理工作阻力确定问题，国内除延续目前国际上广泛采用的按采高的数倍,(,一般为,5,8,倍,),岩柱重量确定支架额定工作阻力外，也引入了一些弹性力学、塑性力学、损伤力学等理论进行深入分析和确定。在放顶煤开采中的工作阻力问题，目前基本上有了较统一的认识。矿山压力理论研究是煤矿开采中十分活跃的一个学术研究方向，今后还将针对不同的煤层条件和采煤方法进行系统的研究，完善采场围岩控制理论。,(2),矿山压力监测与研究方法。在采场矿山压力监测中，目前除采用传统的机械式仪器，如圆图自记仪、压力盒、测杆等外，近年来开发了许多电子、光学、声学等监测仪器仪表，如支架工作阻力量测的电子仪表系统、顶底板移近量的红外观测、巷道松动圈的超声探测等。采用电子仪器仪表后实现了连续观测，使观测数据的采集和存储实现了自动化，并可直接与计算机通信，大大提高了数据处理的精度和效率；还开发了相应的监测仪器和支护质量监控软件。除传统的钻孔电视仍在使用外，便携式的岩体内窥镜等可视化岩体质量监测仪器已在煤矿逐步推广使用，三维地震探测技术也开始用于矿山压力监测与研究。,矿山压力研究方法方面，除采用传统的弹性力学、材料力学、结构力学、岩石力学外，断裂力学、损伤力学、可靠性理论、分形几何、突变理论等非线性科学的相关理论和原理也广泛用于矿山压力研究中。同时，广泛应用有限元、离散元、有限差分、,DAA,法等数值模拟技术，其中三维数值模拟技术逐步成为主体。,数值模拟计算过程中，考虑岩体的动态损伤与演化使结果更加真实。在模拟计算的软件使用上，目前国内外仍以,ANSYS(,有限元,),、,FLAC2D,、,FLAC3D(,有限差分,),、,UDEC2D,、,UDEC3D(,离散元,),为主。国内仍然采用物理相似模拟试验方法研究矿山压力问题。在一些重要问题研究中，均采用三维模拟试验，试验台研制、数据采集和处理方面均有了长足进步。,(3),采场围岩控制。采场围岩控制包含两方面内容，一是利用矿山压力规律，通过正确、合理的采煤方法和工艺实现对采场的岩层控制，如刀柱法、充填法等；二是通过人工支护物，如各种支架等实现对采场围岩的控制。其中通过人工支护物对采场围岩控制是主要的方法。对于长壁工作面，目前自移液压支架具有安全性好、稳定、机械化程度高等优点，与采煤机、刮板输送机等配合使用构成了长壁法的综合机械化采煤工艺。美国、德国等以两柱掩护式液压支架为主，并且逐步提高支护强度；我国则以四柱支撑掩护式支架为主，在支护强度方面投入了较多力量进行优化研究。在柱式体系采煤法中，目前世界各国均发展锚杆支护方法。,在采场围岩控制研究中，首先是研究各种不同采煤方法和工艺的采场矿山压力显现规律，采动影响围岩体的变形、移动、破裂规律，确定采场合理、经济、可行的支护方式，建立支架,围岩关系整体模型，研究确定合理的架型、合理的支护参数，以及支护与采煤工艺的相互配合关系。采场围岩控制是煤矿开采中的重要研究内容之一，随着技术进步，采场的围岩控制技术仍有很大的提升空间。,(4),露天矿边坡。露天矿边坡稳定问题是露天开采遇到的重要岩石力学问题，确定露天矿边坡经济合理边坡角是露天矿边坡研究的核心问题。随着露天开采逐年延深,(,平均以每年,10,20 m,的速度下降,),，国内外相继出现了许多高大边坡，目前国内边坡高度已达,400,余米，而且今后边坡高度会更大，因此边坡问题会更加突出。,露天边坡稳定问题研究是属于岩体力学与露天开采相结合的研究领域，即边坡结构和几何参数既要满足边坡稳定要求，同时又要符合露天开采的工艺与运输等需要。自从,20,世纪,60,年代起，边坡研究中从传统的连续介质力学研究，逐步发展成充分重视岩体中各种裂隙面的非连续介质力学研究。边坡岩体强度测定方面，目前仍以室内试验和现场测试相结合的方法为主。在测试数据处理方面，仍以统计方法为主，其他方法如模糊数学、神经网络等也在采用。在边坡破坏模式和临界破坏面确定方面主要是基于边坡岩体的优势结构面分布和相似模拟试验方法。边坡的稳定计算与分析中，仍以二维极限平衡方法为主。,国内外有些学者已经提出了一些三维极限平衡方法，在露天矿边坡研究中有所应用。有限元、边界元、离散元等数值模拟方法在边坡分析中广泛应用，同时基于岩体介质非连续性，利用最小位能原理发展起来的,DDA,方法、界面元法等也在应用。考虑到边坡岩体的强度等参数、边界载荷等的不确定性，边坡工程可靠性分析方法也得到广泛应用。边坡工程的系统分析原理和非线性动力学理论、模糊综合评价法、人工神经网络分析法在近年来得到了一定发展。在滑坡预测预报方面，分形几何理论、灰色系统理论、分岔与突变理论、流变学理论等有了一定发展。,边坡的工程技术方面，靠帮边坡的控制爆破技术、危险滑坡区域的加固技术、地表水拦截与疏干、地下水排水、靠帮边坡并段等已经广泛采用。边坡稳定监测中，已经采用红外测距技术和,GPS,系统等。,3,巷道围岩控制,近,10,多年来，煤矿巷道围岩控制技术取得很大成就，如掌握利用巷道矿压显现规律推进巷道布置的改革，推进无煤柱护巷技术，运用卸压护巷方法，研究和掌握了巷道支架与围岩关系，研制适应不同条件的巷道金属支架的架型，发展锚喷支护技术，改善软岩支护效果，进行巷道支护质量及顶板动态监测，完善巷道围岩控制测试手段和装备等。,近些年来，国内外都在大力发展和推广锚杆支护理论与技术，尤其是煤巷、半煤巷、软岩巷道的锚杆支护技术。美国、澳大利亚由于煤层条件好，加之锚杆支护技术的日益成熟，煤矿巷道锚杆支护的比重达,100,。西欧、中欧一些主要产煤国家，也在积极发展锚杆支护，逐步取代金属支架。英国在,1987,年从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术，目前煤矿巷道中锚杆支护已达,90,以上。德国、法国、俄罗斯目前煤矿巷道支护中均以锚杆为主。我国近年来锚杆支护技术发展迅速，其中国有重点煤矿中煤巷锚杆支护在,40,以上，目前正在积极推广。,巷道锚杆支护的理论方面，传统理论有：悬吊理论、组合梁理论、组合拱,(,压缩拱,),理论，近年来又发展了最大水平应力理论、围岩强度强化理论。最大水平应力理论是澳大利亚学者盖尔,(W,J,Gale),提出的，论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护所起的作用。我国学者在分析已有研究成果基础上，提出了巷道锚杆支护围岩强度强化理论，认为巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构，锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，锚固体的峰值强度及残余强度均能得到强化。目前虽然在锚杆支护理论方面有所发展，但尚需逐渐发展新的理论，系统化已有研究成果，以解释和指导目前越来越广泛的锚杆应用技术。,锚杆材料与机具方面，国内外在发展破断强度为,200,400 kN,的高强度锚杆和树脂锚固剂。在工作面巷帮则采用玻璃钢、尼龙、塑料等制成的可切割锚杆。锚杆钻机方面，国外多采用掘锚联合机组，其中以澳大利亚的技术较为先进，国内多采用单体钻机。,4,“三下”开采与地表沉陷,煤矿地下开采引起的地表沉陷是煤矿开采中面临的重大开采与环境问题。经过几十年的研究与实践，在矿山地表沉陷监测与数据处理、矿山地表沉陷的预测预报、矿山开采沉陷控制以及“三下”采煤等领域取得了大量研究成果。,(1),沉陷监测与数据处理方面，采用精密水准测量、全站仪及卫星定位系统等进行周期性监测，获得了沉陷预计的必要参数，完善了不规则观测站和不完整观测站的数据处理方法。,(2),沉陷预测预报。通过对沉陷现象的观测分析，基于连续介质力学、非连续介质力学、随机介质理论、块体理论、关键层理论、数值分析、物理模拟、时间序列、灰色系统，以及引入分形、突变、协同学、自组织等非线性科学，建立了多种预测预报方法。,(3),建立了多种方法相结合的沉陷控制技术，如：以煤柱支撑为核心的开采技术，以充填为核心的岩层控制技术，以多工作面协调开采为核心的变形控制技术，以强化建筑物自身结构为核心的防护技术。,(4),进行了大量“三下”开采实践。在未来发展与研究中，利用现代测绘技术,(RS,、,GPS,、,DInSAR,、,GIS),，在沉陷监测、数据处理与分析、沉陷控制措施决策中的应用基础研究；充分考虑地质采矿条件、含水层失水固结的地表动态移动变形过程的预计理论和方法研究；地表非连续变形机理与预测预报技术研究；处于矿井环境中的各类煤柱长期稳定性设计理论和加固方法研究；矿山压力、围岩控制和地表沉陷统一模型的理论研究；废弃矿井诱发大面积沉陷灾害的机理、条件与规律研究。,5,自动化开采,随着技术进步，实现煤矿开采的高效集中化、信息化与现代化是必然的趋势。在长壁工作面生产自动化方面，近,20,年来，国内外都在致力于液压支架电液控制系统研制与应用，即采用机电一体化对液压支架的液压回路进行控制，其目的是实现综采工作面液压支架操作自动化。它综合应用了计算机技术、通信技术、传感技术、机电一体化技术等，将液压支架的降架、升架、推移前部输送机、拉后部输送机、收伸侧护板、喷雾洒水及放顶煤等动作由原来的手工操作改为电液自动控制、程序化操作，可以有效地减少工作面的工人数量，最终实现井下无人开采自动化工作面。,20,世纪,70,年代中期，英国首先提出了研制电子控制液压支架计划。,1981,年澳大利亚的科里曼尔煤矿长壁工作面首先使用电子控制的液压支架。,1983,年底原英国道梯公司又为美国坎赛尔煤矿制造了两按钮微处理机控制的液压支架。,1982,年开始，德国,MARCO,公司和当时的,Westfalia,公司合作进行“液压支架电液自动化控制系统”研发，研制出了,PMl,和,PM2,型,(1987,年,),产品化的系列。后又研发了,PM4,、,PM3,和,PM31,系列,(1998,年,),。到,20,世纪,90,年代，液压支架电液自动化控制技术在国外已成熟。美国、澳大利亚、德国等的液压支架普遍使用了电液控制系统。,我国从,20,世纪,80,年代中期开始液压支架电液控制系统的研究工作。,1991,年研制出了我国第一套液压支架电液控制系统,BMJ-1,，后来又研制出了,BMJ-II,，,DYZK-1,，,DYZK-2,等型号。由于产品的技术不够成熟，整个系统的可靠性低、抗干扰能力差，致使在,2000,年前，国内研发的液压支架控制系统没有得到推广应用。,2000,年后我国的煤矿开采科研单位与德国,MARCO,公司合作，于,2001,年成功开发了首套放顶煤工作面电液控制系统，应用效果良好。,液压支架的电液控制系统今后主要发展趋势是：操作软件智能化；通信系统向国际标准现场总线靠拢；与工作面其他设备之间实现接口，实现互动、联动，使工作面实现少人自动化、无人自动化：控制器操作的操作遥控化；电液系统智能化。,6,煤层气,(,瓦斯,),开采,据国际能源机构,(IEA),估计，全世界煤层气资源量达,260,万亿,m3,，其中俄罗斯、加拿大、中国、美国和澳大利亚的煤层气资源量均超过,lO,万亿,m3,，中国为,30,35,万亿,m3,。目前，全世界每年因采煤向大气排放的煤层气达,315,540,亿,m3,，既是能源的极大浪费，又对全球环境造成严重破坏。,世界主要产煤国都十分重视开发煤层气。井下打长孔抽放瓦斯是常规技术，也是控制煤矿瓦斯事故的有效措施。但由于受井下条件限制，井下瓦斯抽放一般规模较小，几十年技术上没有新的进展。,20,世纪,80,年代初，美国开始试验应用常规油气井,(,即地面钻井,),开采煤层气，并获得成功。主要产煤国在继续改进井下抽放技术的同时，大力推广地面钻井技术开采煤层气。,澳大利亚的煤层气资源主要分布在悉尼煤田和鲍恩煤田。在悉尼煤田，一些矿井已广泛应用水平钻孔、斜交钻孔和地面采空区垂直钻孔抽放技术，阿莫科澳大利亚石油公司采用航空磁测和地震勘探，以确定钻井的最佳位置。,英国的一些高瓦斯煤矿井下煤层气抽放也有很长历史，但煤层气开发重点也转入地面开发。德国主要采用井下长孔抽放煤层气。波兰有,18,座地下煤矿拥有瓦斯抽放系统。在开采前、开采中和开采后，用地面钻井和井下钻孔相结合的方法回收煤层气。俄罗斯和乌克兰十分重视煤层气资源的开发。,20,世纪,80,年代末，我国开始引进美国煤层气开发技术，开始了煤层气开采的系统研究与应用。目前我国的煤炭、石油、地矿系统等在,20,多个矿区打了,80,多口煤层气勘探和生产试验井。,7,矿区的环境问题与重建,我国目前累计工矿破坏土地约,400,万,hm2,，其中采煤破坏土地的数量最大。我国目前矿区土地复垦率仅为,12,，每年因采矿破坏的土地仍以,3.33,万,4.67,万,hm2,的速度递增。此外，矿区产生的大量废气、废水、废渣严重污染了矿区的空气和水系。,美国矿区的土地复垦率平均为,80,。德国矿区的土地复垦率在,70,以上。我国开始矿区土地复垦与生态重建工作仅,10,多年时间。,在土地复垦方面，主要集中于复垦规划与设计、工程复垦技术和生物复垦技术的研究。学术研究方面，目前国内外重点研究的领域是：,(1),采矿对环境的影响及其演变，含演变的监测和演变机理与规律。利用,3S,等技术动态监测矿区环境演变的方法；揭示主要环境影响的时空变化规律以及影响程度的综合评价；深入揭示采矿对环境的影响机理，特别是对景观格局与地表覆盖、耕地生产力等方面的影响机制。,(2),绿色开采及矿区环境保护与可持续发展的对策。主要探讨在采矿的同时用保护生态环境的先进采矿与环境恢复一体化工艺、绿色开采技术，以及矿区环境保护与可持续发展的管理办法和管理模式。,(3),矿区土地复垦与生态重建的理论与技术。复垦土壤重构的原理与方法、复垦土地景观重构与水土保持技术、快速恢复植被技术、复垦土地土壤改良与植物群落重建技术。,(4),矿区大气、水、土壤等污染的防治技术。矿区固体废弃物的处理与利用、矿区固体废弃物的堆置技术与设计要点、矿区固体废弃物的综合利用技术、矿区固体废弃物场的绿化技术。,8,煤炭地下气化,煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭直接进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程。该过程集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体，把煤的开采和转化相结合，变物理采煤为化学采煤，省去了庞大的煤炭开采、运输、洗选、气化等工艺和设备，深受世界各国的重视，被誉为第二代采煤方法。,煤炭地下气化主要用于老矿井遗弃的煤炭资源、开采的安全性和经济性差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤，以及高硫、高灰、高瓦斯煤层等。目前煤炭地下气化的基本方式有三种：一是无井式，全部通过钻孔建立地下气化炉，利用钻孔送入气化剂和输出煤气，并在孔底贯通形成气化通道；二是有井式，就是利用井巷通道建造地下气化炉；三是综合式，使用钻孔与井巷相结合建造地下气化炉。这三种方式各有优缺点。,苏联、美国、德国、日本等都在,20,世纪中叶以前就进行了煤炭地下气化试验与研究，我国于,1958,年开始先后在抚顺、大同、皖南、徐州、唐山、山东新汶、黑龙江依兰等地进行了煤炭地下气化试验。研究煤炭地下气化过程及实现气化过程的稳定仍然是目前的主要方向，其中重点研究三个方面的内容：,(1),开展理论研究，研究地下气化过程中温度场、浓度场、流动场、气化空间扩展规律，并确定其影响因素，建立数学模型。,(2),研究不同的气化炉结构，适应不同的煤层条件，研究实时工艺控制方法，以实现对气化工作面的控制。,(3),研究地下气化过程控制技术，对气化状态参数进行及时测量、分析、调解，并进行反馈控制。,1.3,战略目标与优先发展方向,能源是国民经济的基础，煤炭是能源的主体，尤其在我国，煤炭在一次能源中的主导地位短期内不会改变。,煤矿开采是提供煤炭能源的根本途径，随着社会进步和科技发展，对煤矿开采的要求也越来越高，既要能够为经济建设提供大量的煤炭产品，又要求安全、高效、高采出率、舒适地进行开采作业，因此也就要求煤矿开采持续不断地进行基础理论研究和科技创新。,虽然煤矿开采已有数千年的历史，但是真正大规模开采是从欧洲的产业革命以后开始的，真正建立了现代煤矿开采的科学理论与技术是近几十年的事情。可以说从,20,世纪,50,年代开始，世界范围内的煤矿开采才进入了大规模的机械化、半自动化阶段。,然而近些年来，随着环保等要求的日益提高和资源问题日益突出，煤矿开采也将向新的目标发展，因此煤矿开采科技发展的战略目标是实现煤炭及伴生资源的安全、高效、高采出率、舒适的绿色环保开采，为国家经济建设提供煤炭能源及伴生资源。,1.3.1,煤矿开采发展面临的挑战,1,煤矿的安全开采,煤矿的安全开采一直是我国科研、高校和煤炭等部门重点研究和解决的重要课题。近十余年来，煤矿安全状况有了很大改善，但仍然是安全隐患最大的部门。随着采矿工业的发展，也给矿山带来新的突出问题，特别是煤矿安全问题尤为突出。煤矿事故的死亡人数约占全国工矿企业死亡人数的,51,，事故居全国各行业的首位，百万吨死亡率和死亡人数都远远高于世界发达国家。近十年来，我国国有重点煤矿的百万吨死亡率一直徘徊在,1,人的水平上，而美国为,0.03,人。煤矿的安全问题涉及瓦斯、火灾、煤尘、水灾、冲击地压、顶板事故、机电事故、安全爆破等多个方面。煤矿重大和特大安全事故的不断发生，已经严重制约了煤矿开采的健康发展，对国民经济和社会发展造成了恶劣的影响。,2,机械化与自动化开采,煤矿开采的根本出路在于机械化和自动化。我国煤矿开采技术水平参差不齐，既有处于世界先进水平的矿井，也有手工作业的小煤窑。但总体水平上，我国煤矿开采的技术水平比较落后。全国国有重点煤矿的机械化程度不足,70%,，综合机械化程度不足,50,，而国有重点煤矿的煤炭产量不到全国总产量的一半，地方煤矿的机械化程度更低。世界采煤发达国家的综合机械化程度达到,80,100,。我国煤矿开采综合机械化程度低带来了用人多、安全条件差、效率低、经济效益不好、采出率低等一系列问题。世界上最大的露天矿年产量己达,5000,万,t/a,以上，高度集中化开采与集约化经营、设备大型化、开采工艺多样化，这些都是露天开采的优势，也是对我国露天开采的挑战。,自动化开采技术在我国刚刚起步，而且目前还没有形成具有我国独立自主知识产权的、性能稳定的系列产品，同时在煤矿机电产品、电子产品、自动控制系统以及软件开发方面尚存在许多不足。现代的遥控自动化开采是解决煤矿安全问题、改善作业条件、提高开采效益的有效途径之一。,3,开采的环境保护与生态重建,据统计，全国重点煤矿平均每开采,1,万,t,煤炭要破坏,0.2km2,的土地。据此推算，全国各类煤矿矿井开采造成的土地沉陷与破坏的面积十分巨大。除此以外，还有大量的矿井矸石山、露天矿坑、露天废石场等。开采导致的地面建筑物与构筑物的破坏、地表与地下水流失、植被破坏、土地沙化、泥石流、酸雨、井下有害气体排放污染大气、矿雾等环境问题。在环保问题日益突出的今天，煤矿开采如何面对环境保护与生态重建的压力，如何通过自身的开采技术改革以及与相关学科协作实现煤矿的绿色环保开采，是本世纪所面临的重要课题。,4,基础理论体系的形成和完善,虽然经过长时间的研究和实践，煤矿开采的基础理论已经形成了比较完整的体系，对开采的一些基本规律认识清楚，但是随着科学技术进步，开采方法与规模的变化，以及国家、社会对煤矿开采的要求日益提高，煤矿开采的基础理论研究会遇到许多新的问题，如围岩控制理论、常见灾害防治理论、高效开采理论、机电一体化与自动化开采的理论、煤与瓦斯和水资源等的共采理论等都面临着现代科学技术条件下的完善和重建。同时还需建立新的理论体系以适应现代化煤矿开采需要，指导煤矿开采的健康发展。,1.3.2,战略目标,根据国内外煤矿开采学科的发展趋势，针对我国煤矿开采的科技现状和煤层赋存的特点，围绕煤炭开发可持续发展和国民经济的需要，煤矿开采科技发展的战略目标是：,(1),综合运用采煤学、力学、电子、机电、信息、通信、系统科学等理论与技术，开展高效、安全、高资源采出率的煤炭开采理论研究与综合开采技术开发。实现煤矿开采的综合机械化、半自动化、自动化，提高开采效益和煤炭资源采出率，根本改善工人作业安全条件和工作环境。,(2),建立绿色开采理论与技术体系。结合固体煤炭开采的理论与技术，综合开采煤炭及瓦斯气体与水等伴生资源，减少或消除煤矿开采引起的地表沉陷、矸石山占地、植被破坏等破坏环境与生态的状况，加强地下与露天开采矿区生态环境的重建工作，使煤矿生产做到与矿区环境协调发展。,(3),加强基础理论研究与高新技术开发应用。在已有煤矿开采理论体系基础上，为适应现代煤矿开采的需要，加强相关基础理论的研究，推动理论、技术等方面的创新，注重边缘交叉学科的发展和应用，运用现代相关理论与技术，开发煤矿安全开采的新技术。,1.3.3,优先发展方向,1,自动化开采的基础研究,自动化无人工作面开采是煤矿开采的重要发展方向，也是保障工作面安全开采的有效途径之一。综合运用煤矿开采学、矿山压力理论、电子科学、机电工程、自动化技术、通信技术、计算机科学与技术等，进行自动化无人工作面开采的基础理论研究和开发新技术、新装备。,2,绿色开采体系的基础研究,开采煤与瓦斯等伴生资源，最大限度地回收地下煤炭及伴生资源，促进开采与环境协调发展是绿色开采体系的研究主题。,(1),煤与瓦斯共采的基础理论研究。,(2),地下煤炭资源开采与环境保护研究、矿区生态重建基础研究。,(3),高产、高效、高资源采出率的开采理论与技术研究。,3,岩层破裂与移动的一体化基础研究,开采引起上覆岩层的破裂与移动，对工作面产生矿山压力，同时引起地表岩层的下沉移动等。为了加强工作面围岩破裂移动与地表岩层下沉移动的一体化研究，宜开展如下研究工作：,(1),不同开采方法的工作面岩层破坏和移动规律研究。,(2),垮落带以上岩层的裂隙发展与演化规律研究。,(3),地表沉陷规律、预测新方法与控制技术的研究。,4,矿山压力与围岩控制的基础研究,工作面围岩控制是安全有效开采的基础，根据采煤方法和岩层条件的不同，进行工作面矿山压力以及围岩控制技术的基础研究。,(1),不同开采方法和围岩条件下，工作面矿山压力显现规律的研究。,(2),开采中顶板、冲击矿压等灾害防治的基础研究。,(3),工作面围岩控制的人工支护与开采工艺系统的综合研究。,(4),软岩巷道变形的力学机制与围岩控制的基础研究。,5,深部开采基础研究,随着煤矿开采的延深，我国逐渐出现一些深度大于,600 m,的矿井，而且现在最大开采深度已经超过,1000 m,，深部开采的高应力、高地温等带来了一些深部开采的特有问题。,(1),深部开采的矿山压力及采场与巷道空间围岩控制研究。,(2),深部开采冲击矿压、煤与瓦斯突出等灾害发生机理与防治技术研究。,(3),深部开采的热害问题研究。,(4),深部开采的采掘技术、通风与降温等基础研究。,6,高陡边坡稳定性基础研究,(1),露天矿高大岩体边坡稳定与破坏防治技术的基础研究。,(2),地下矿与露天矿废石场的稳定与泥石流研究。,7,计算机仿真与信息系统研究,(1),开采过程计算机仿真与优化开采基础研究。,(2),煤矿开采现代管理信息系统与决策系统的开发。,(3),计算机在煤矿开采中的应用研究。,(4),矿井、矿区可持续发展评价预警决策系统研究。,8,煤层气,(,瓦斯,),开采,(1),大规模地面开采煤层气的基础研究。,(2),大规模井下开采煤层气的基础研究。,(3),低渗透煤层本煤层及邻近层瓦斯强化开采的理论与技术基础研究。,(4),煤炭开采过程中抽排瓦斯的提纯与利用的基础研究。,9,煤炭地下气化的基础理论与实施技术研究,(1),地下气化采场围岩稳定、传热传质耦合作用基础研究。,(2),煤炭地下气化反应流场、温度场及气化过程控制基础研究。,10,煤炭地下液化与原位制油的基础理论研究,(1),煤炭加氢液化的热、力、化学反应耦合作用下固体孔隙裂隙衍生规律。,(2),煤层原位加氢液化条件下，孔隙裂隙衍生与固体变形、传热、液化流体扩散与传输理论及煤层原位加氢液化的工程基础研究。,11,露天采矿系统的基础研究,(1),大型露天矿区开发决策要素优化研究。,(2),露天开采先进工艺研究。,