caimei
采煤 
coal mining

   煤矿床呈层状赋存，分布范围广，储量大，煤质脆、易切割破碎,开采时常伴有水、火、瓦斯等灾害威胁,与开采其他矿藏相比，采煤技术有一些不同的特点。开采方式分露天开采、地下开采两类。通常采用机械化方法；少数用水力采煤；煤的地下气化尚处于试验阶段。
   自18世纪以来，随着大工业对能源日益增长的需求，煤的生产能力大幅度增长。1770～1850年英国的煤炭年产量从620万吨猛增到5000万吨以上,约占当时世界总产量的2/3，到1913年,达到2.92亿吨的历史最高水平。美国于1900年煤产量为2.45亿吨，到1947年跃增到6.24亿吨，曾在一个时期内保持世界领先地位。苏联在1916年煤产量只有3450万吨，到1940年已近1.7亿吨,自1958年以来一直保持世界第一位,从1975年起产量超过了7亿吨。中国是发现和使用煤炭最早的国家之一（见中国古代采煤技术）。但在1949年以前，除1942年曾达到6200万吨最高历史纪录外，一般年产量只有3000万吨左右。1949年中华人民共和国成立以后,开发、建设了大批新井,改造扩建了原有矿井，使煤矿生产能力迅速提高，1983年初全国统一分配的煤矿552个,年产1000万吨以上的矿区有10个，原煤产量超过了7亿吨。
   技术发展  地下采煤  生产的发展，推动了采煤技术的进步，18世纪以来，地下采煤技术经历过两个发展阶段：
   ①第一个发展阶段  18世纪肇始于英国，使采煤从手工生产过渡到单一生产工序的机械化生产。首先以蒸汽为动力的提升绞车、水泵、扇风机，取代了辘轳提升、水斗戽水和自然通风。20世纪初到40年代后期，陆续出现了风镐、电钻、 凿岩机、 链板输送机、气动装岩机、电动装载机、带式输送机、自动卸载矿车等采掘设备和大功率的电动绞车、水泵、扇风机等技术装备，但采掘工作面仍以使用电钻的爆破落煤技术和凿岩机为主。中国自1875年起，相继建立了基隆、开平两个煤矿，实现了矿井提升、矿井通风、排水等几个主要辅助生产工序的机械化作业，这是中国近代采煤工业的开始。
   ②第二个发展阶段  采掘工作面从单一生产工序的机械化，发展为全部工序的综合机械化。20世纪40年代后期至50年代，英国、苏联分别研制出用于地下长壁工作面的联合采煤机，可同时完成落煤、装煤两道繁重工序的作业。与摩擦式或液压式单体支柱，以及稍后研制出的可弯曲输送机一起，构成了配套的普通机械化采煤设备（即普通采煤机组）。至60年代初，液压自移支架取代了单体支柱，构成了综合采煤机组，从而使工作面生产的采煤、装煤、运煤、支护、采空区处理等所有工序,实现了连续、协调一致的综合机械化。到1982年,采煤综合机械化程度：联邦德国为98％，英国为92％，苏联为67％，波兰为77.8％。
   矿井生产的日趋集中,生产规模的日益扩大,推动了矿井运输、矿井提升等环节的进一步技术改造。一些装备正朝着大型、强力、高速的方向发展。已出现了2000吨／时的钢芯强力带式输送机，35吨的提升罐笼，有效载重达50吨的箕斗，以及每秒供风量为300米的扇风机等。
   在地下采煤方法方面，世界上大多数产煤国家采用长壁工作面采煤法（见壁式采煤法）。美国由于煤层平缓，顶板坚硬，适宜用连续采煤机开采，主要用工作面短的房柱法采煤（见柱式采煤法），效率高，但煤炭损失多。
   露天采煤  19世纪70年代，出现了勺斗容积为3～4米的动力铲和以铁道或汽车配合使用的采装、运设备，20世纪30年代，在软岩露天矿发展了能力大、效率高的连续开采新工艺，50年代得到推广。60年代以来，露天采煤规模、技术装备发展迅速，各种工艺方式都已形成配套的设备组合和系列，单机设备能力不断提高，并陆续出现了容量更大、生产能力更高的超重型装备：斗容137米、卸载半径近100米的机械铲;斗容168米、卸载半径为180米，并已用电子计算机监控的吊斗铲;日产20余万米的轮斗铲;载重达200～350吨系列的自翻车和自卸汽车；以及带宽3.6米，最长作业线98.65公里，最大生产能力每小时达48000米的带式输送机等。系统工程和电子计算技术开始用于露天矿的单机控制、系统监控、全矿以至全公司的组织管理，使全世界露天采煤占全部煤产量的百分比，由60年代的30％提高到1980年的40％，苏联为32.6％，美国达55.3％，中国也正在大力发展露天采煤。
           [《天工开物》中的采煤图]
   采煤过程  无论露天开采还是地下开采，都须首先进行地质勘探，查明含煤地层的分布范围、可采层数、层厚、倾角、储量，以及地质构造、自燃倾向、水、瓦斯等赋存状况和开采条件，然后合理规划矿区的建设规模、矿井数目、产量和建设顺序。根据矿区总体设计和矿井设计，逐一建设后移交生产。露天开采包括剥离和采煤作业。首先剥去上覆岩层，使煤层敞露，然后开采(见露天采矿方法)。地下开采则需开凿一系列井巷（包括岩巷和煤巷），进入地下煤层，然后进行采煤（见地下采煤方法）。
   采区是井下生产的基本单元，矿山开拓和采区巷道布置是井下开采的重要组成部分。采区内布置一系列巷道和若干回采工作面，建成从工作面到井下大巷的运输、通风、供电、压气、煤仓等生产系统。视煤层赋存条件，可在单一煤层中布置采区，或在几个相邻煤层中联合布置采区。为维持矿井持续生产，在回采的同时，需及时进行开拓工作和准备新采区，形成新工作面。此外，还要布置联通井下各采区的开拓井巷，形成全矿性的井下生产系统（见采区巷道布置）。
   通过井下运输系统,将采出的煤和矸石运到地面,把人员、材料、装备从地面运到井下工作地点。矿井通风系统不断供给井下新鲜空气,利用各种通风结构设施,迫使风流到达井下每个作业点，供井下人员呼吸、降温及稀释瓦斯等有害气体；乏风通过回风井巷排出地面（见矿井通风、矿内空气、矿井热害）。井下各工作地点所需的电力、压气动力、防尘等安全措施及用水，分别以专用管线，从地面变电站、压风机房以及贮水池输送到井下去（见矿山动力供应、矿山供电系统）；井下涌水则需在井底设集中水仓、水泵房，通过排水管排到地面(见矿山排水)；充填、井下防火等特需的充填材料、泥浆须另设专用的设备和输送系统。露天开采须增设剥离、排土、堆土装备，以及相应容量的排土场；采深不大时，无需通风措施。
   基础理论  岩石力学  和地压控制理论一起，是指导采煤生产的重要理论基础。随着开采引起的围岩岩体中应力重新分布，使围岩、煤体和各种人工支撑物产生变形、塌落、破坏、地表发生沉降等力学现象，直接影响井下巷道和地表建筑物的稳定与作业安全。19世纪后期，已有人试图运用简单的力学定理,建立各种假说,来解释一些地压现象。20世纪30年代开始了以连续介质力学为理论基础的研究。随后，又开展了视岩体为连续介质各向异性体的研究，50年代后，开展了视岩体为非连续介质的弱面体研究、有限元法研究和极限平衡条件研究等。与此同时，相似材料模拟、光弹性模拟、数学模拟等各种研究方法和声、光、电学仪器设备等实验手段也获得了显著进展（见地压观测）。这些研究工作为更好地解决工作面支架设计、巷道维护、三下采煤以及具有冲击地压、煤、岩与瓦斯突出危险煤层的开采等各种实际问题，提供了理论基础。
   系统工程学  在煤矿开采应用方面的研究也取得显著进展。首先在露天开采中应用，目前已扩展到地下开采，但都还处于初期阶段。煤炭生产是个复杂的大系统，它是由采煤、掘进、运输、提升、通风、排水、动力供应、地面生产系统等许多生产环节组成的，各环节间具有独立性，在工艺技术上、材料上、动力上、信息上又具有相关性，在整体上互相依存又互相制约。运用运筹学、电子计算机等工具,对大系统的要素组织结构、信息交换和反馈控制等进行分析研究，达到最优设计、最优控制和最优管理的目标,保证产量或成本费用最低,技术经济指标最好（见计算机在采矿工业中的应用）。
   矿山地压及其控制,系统工程在采煤中的应用,以及其他有关学科理论研究上的进展，已促使煤矿设计、生产管理更好地和现代科学技术相结合，采煤学科的内容和体系进入了大幅度更新期。
   展望  煤矿开采技术，无论露天或地下，在目前已达到的高度机械化基础上，正朝着生产过程的遥控、自动化方向发展。通过改进综采设备的设计、选型、材质、制造工艺、检验方法和维修制度，将提高其生产能力和设备利用率。同时，在矿井提升、 运输、 排水、通风、瓦斯监控等许多环节，将实现自动化、遥控。地下和露天煤矿都将实现电子计算机集中自动管理监控。有的国家已将机器人试用于井下回采工作面。水力采煤法如能在资源回收、煤泥处理、辅助运输、通风系统等技术环节上，进一步改进和完善，也将是一种有发展前途的开采技术。
   参考书目
中国矿业学院等院校编：《采煤学》，煤炭工业出版社，北京，1979。
R. Peele : Minin Enineers' Handbook, 3rd ed.,John Wiley and Sons Inc.,New York,1941.
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