煤炭开采

采煤向来是一项最艰苦的工作，当前正在花较大的力量来改善工作条件。由于煤炭资源的埋藏深度不同，一般相应的采用矿井开采（埋藏较深）和露天开采（埋藏较浅）两种方式。可露天开采的资源量在总资源量中的比重大小，是衡量开采条件优劣的重要指标，我国可露天开采的储量仅占7.5%，美国为32%，澳大利亚为35%；矿井开采条件的好坏与煤矿中含瓦斯的多少成反比，我国煤矿中含瓦斯比例高，高瓦斯和有瓦斯突出的矿井占40%以上。我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开采方式，也有露天开采，如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。

1.概述

煤炭是远古植物残骸没入水中经过生物化学作用，然后被地层覆盖并经过物理化学与化学作用而形成的有机生物岩。它的主要用途是作为工业的动力燃料的化工产业原材料。

煤炭是地球上蕴藏量最丰富分布地域最广的化石燃料。据世界能源委员会的评估，世界煤炭可采资源量达4．84104亿t标准煤，占世界化石燃料可采资源量的66.8％。据《1997世界能源统计评论》统计，至1996年底，世界煤炭探明的可采储量为1.03161104亿t，储采比为224年，其中七位储量最大的国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非和波兰。

中国煤炭资源分布面广，除上海市外，全国30个省、市、自治区都有不同数量的煤炭资源。

欧佩克的统计显示，截至2003年底，全球已探明的石油储量为11376亿桶，比2002年增加1％，其中欧佩克和非欧佩克国家分别占78．3％和21．7％。从各地区来看，北美的储量为272亿桶，拉美为1164亿桶，东欧为883亿桶，西欧为184亿桶，中东为7359亿桶，非洲为1055亿桶，亚太地区为459亿桶。探明储量最高的5个国家依次为：沙特阿拉伯，2627亿桶；伊朗，1333亿桶；伊拉克，1150亿桶；科威特，990亿桶；阿拉伯联合酋长国，978亿桶。

一般而言凡是探明的煤炭和石油都是可以开采的，只是对于某些埋藏特别深的，由于技术条件还不太成熟。将来技术条件成熟了，都是可以开采的。

我国是一个多煤少油的国家，已探明的煤炭储量占世里煤炭储量的33.8%，可采量位居第二，产量位居世界第一位，出口量仅次于澳大利亚而居于第二位，我国煤炭1000米以浅保有储量约1万亿吨，其中探明可采储量1145亿吨。煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。煤炭被人们誉为黑色的金子，工业的食粮，它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一，进入二十一世纪以来，虽然煤炭的价值大不如从前，但毕竟很长的一段时间之内煤炭还是我们人类的生产生活必不可缺的能量来源之一，煤炭的供应也关系到我国的工业乃至整个社会方方面面的发展的稳定，煤炭的供应安全问题也是我国能源安全中最重要的一环。

煤炭从地下挖出来，一个方法是煤炭是从地面向下挖竖井，把煤炭开采出来，然后再运到井上；另一个方法是从地面比较大面积的挖开，成为露天煤矿，然后把煤挖出来，这是浅层的煤矿挖煤的方法。

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

柱式采煤法的特点：是煤壁短呈方柱形，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。

我国当前常用的采煤方法主要有：

1、走向长壁采煤法：长壁工作面沿走向推进的采煤方法。

2、倾斜长壁采煤法：长壁工作面沿倾斜推进的采煤方法

3、倾斜分层采煤法：厚煤层沿倾斜面划分分层的采煤方法。

4、长壁放顶煤采煤法：开采6米以上缓斜后缓斜厚煤层时，先采出煤层底部长壁工作面的煤，随即放采上部顶煤的采煤方法。

5、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。

6、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。

7、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。

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

9、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。

10、斜切分层采煤法：急斜厚煤层中沿与水平面成25度至30度的斜面划分分层的采煤方法。

11、房柱式采煤法：沿巷道每隔一定距离先采煤房直至边界，再后退采出煤房之间煤柱的采煤方法。

12、房式采煤法：沿巷道每隔一定距离开采煤房，在煤房之间保留煤柱以支撑顶板的采煤方法。

13、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。

1.2.3.1 露天开采主要特点分析

当矿体埋藏较浅或地表有露头时，采用露天开采最为优越(图1-3)。与地下开采相比，露天开采优点是:资源利用充分、回采率高、贫化率低，适于用大型机械施工，建矿快，产量大，劳动生产率高，成本低，劳动条件好，生产安全缺点是:需剥离并排弃大量岩土，尤其较深的露天矿，往往占用较多的农田设备购置费用较高，初期投资较大设备效率及劳动生产率受气候影响较大。

图1-3 煤炭露天开采

随着开采技术的发展，适于露天采矿的范围越来越大，包括开采低品位矿床和某些地下开采过的残矿。对平缓矿床(一般矿层倾角小于12°)采用倒堆、横运或纵运采矿法对于倾斜矿床采用组合台阶、横采掘带或分区分期开采的方法。

纵观世界经济发达国家煤炭工业的发展特点是:依据本国煤田赋存条件，优先发展露天采煤，露天采煤量占总采煤量的比重不断增加。开采条件好的国家露天开采比重均超过50%，其中加拿大88.0%、德国78.3%、印度73.8%、澳大利亚70.0%、印尼70.0%、美国61.5%、俄罗斯56.1%、南非52.9%、波兰33.3%、英国23.6%、日本11.6%。各国逐渐形成了各具特点的露天采煤工艺，其中具有代表性的有美国、澳大利亚、俄罗斯及印度。

经过几十年的发展，随着露天开采现代新技术和新工艺的引入，我国在条件适宜地区的露天开采成本大幅度下降，劳动生产率大幅度提高，获得显著经济效益。同时，露天煤矿产量占全国煤矿产量比重逐渐增加，由2002年的4%左右提高到目前的10%左右。根据《煤炭工业“十一五”发展规划》，全国将重点建设10个千万t级现代化露天煤矿。在这种大的宏观经济和能源供需背景下，我国煤炭露天开采又进入了新的发展阶段。

1.2.3.2 露天开采主要作业内容

露天开采作业主要内容包括:穿孔爆破、采装、运输和排土。这四项工作的好坏及它们之间的配合如何，是露天采矿的关键。

(1)穿孔爆破。是在露天采场矿岩内钻凿一定直径和深度的定向爆破孔，以炸药爆破，对矿岩进行破碎和松动。穿孔设备主要有回转钻机、潜孔钻机和牙轮钻机等，爆破多用铵油炸药、浆状抗水炸药、乳化炸药及粒状乳化炸药。

(2)采装。是用采矿或机械将矿岩装入运输设备，或直接卸到指定地点的作业。常用的设备有单斗挖掘机轮斗挖掘机、拉斗铲与露天采矿机等，最广泛采用的为单斗挖掘机。

(3)运输。是将露天采场的矿、岩分别运送到卸载点(或选矿厂)和排土场，同时把生产人员、设备和材料运送到采矿场。主要运输方式有铁路、公路、输送机、提升机，还有水力运输和用于崎岖山区的索道运输。选择运输方式必须综合考虑地形、地质、气候条件，露天矿生产能力，开采深度，矿石和围岩的物理力学性质等，经过全面技术经济比较后，确定合理的运输方式。

(4)排土。是指从露天采场将剥离覆盖在矿床上部及其周围的表土和岩石，运送到专门设置的排土场进行排弃的作业。排土方法依其排土设备的不同，分为推土犁推土、推土机排土、前装机排土和拖拉铲运机或拉斗铲排土等。排土场优先选用内部排土方式，外土场应选择在尽量靠近采矿场，少占农田的位置，有条件的应放置在山谷、洼地处，利于环境保护和土地复垦。

1.2.3.3 露天开采存在的问题剖析

我国露天煤矿开采技术与国外先进水平相比，仍存在着规模小、产业集中度低、经济效益较低，技术工艺与装备水平、设备制造水平相对落后，自动化程度低，大型成套装备国产化程度低、进程较慢等问题。

(1)我国露天开采技术发展缓慢

同国外露天煤矿的发展相比，我国的露天煤矿发展缓慢。主要原因是我国适宜于露天开采的煤炭资源地理位置不佳，离煤炭消费重心较远，综合开发条件较好的很少，大部分煤田埋藏较深，基建工程量大，剥采比大。同时，我国机械制造水平低，过去已有的技术设备无法适应大型露天煤矿的开发。

20世纪80年代，我国煤炭部提出了“优先发展露天开采”的方针，规划建设霍林河、伊敏河、平朔、准格尔、元宝山等5大露天矿，把露天开采作为持续稳定、健康发展煤炭工业的一项重要战略方针[4]。可是，由于我国煤炭工业建设长期以井工开采为主，露天开采在煤炭工业中没有放在应有的重要地位，而且在我国可以划归的露天开采储量中，煤化程度普遍较低，最高为气煤，最多是褐煤。

我国露天采煤发展缓慢还有一个原因是露天煤矿分布具有明显的区域性，多集中在中西部地区，以山西、内蒙古、陕西、新疆等地为主。这些地区多属于煤炭输出区，自身对煤炭的消费量不大，加上向外运输条件较差，使得大规模露天开采受到制约。这些地区生态系统比较脆弱，考虑到大规模露天开采对环境的破坏，一是恢复起来比较难，二是植被破坏后造成沙尘增加，直接影响到我国的中部和东部地区。另外，这些地区经济欠发达，而大规模露天采煤前期投入较高，地方无力承担，这也是煤炭露天开采比重一直较低的一个原因。

(2)露天煤炭开采新技术研发投入不足

一方面，我国露天矿具有各不相同的内、外部复杂条件，其各项重大技术决策具有举足轻重的作用，正确的设计决策能为露天矿带来上千万元甚至以亿元计的经济效益，而错误的决策会造成惊人的损失。长期以来，露天煤炭开采设计缺乏创新，一些煤炭开采技术问题始终难以解决。如:绝大多数露天煤矿为近水平煤层埋藏、分区开采、汽车端帮环线开拓运输系统压帮内排、端帮边坡设计采用静态分析，造成端帮边坡角偏小、端帮压煤、运输成本高等问题。

另一方面，除了传统的技术开发研究，未来的露天煤炭开采技术——数字化技术、自动化技术、无人化技术研究投入不够。矿业界迄今尚未能达到实现开采系统完全自动化、无人化操作的目标。如获成功，这将可大大提高生产效率，大大降低生产成本，大大提高作业安全水平。我国尚没有对煤炭开采作业的自动化和机器人化的深入研究。

(3)露天煤炭开采造成的环境问题

世界各采煤国家都将优先发展露天采煤作为增加煤产量的主要途径，尽量实现集中开采，以提高劳动生产率，降低成本。但是露天采煤业迅猛发展的同时，也带来了一系列的矿山环境问题和生态破坏，严重影响地区的生态环境质量和经济持续发展。以往传统的地质、采矿及管理学科没有或很少将矿山环境勘查、评价、预测、管理、立法、执法与露天煤矿勘查、露天煤矿建设、设计、生产、闭坑有机地结合起来。如露天采矿学就追求剥离最少，采煤最多，只要不滑坡，边坡越陡越好，很少考虑地面变形或闭坑后灾害，很少以综合的、长远的经济效益、社会效益和环境效益作为研究追求的出发点。露天采煤形成的凹坑，由于地质构造、边坡岩体、地表水地下水作用等原因，诱发滑坡、塌陷、水土流失、泥石流等一系列地质灾害，又引起地面变形而危及周边地区的工业企业和居民建筑的安全，既造成巨大的经济损失又破坏了原来的生态地质环境。

我国露天煤矿开采环境问题复杂、多样、特殊、敏感，由于特定历史因素影响，对矿业城市地质环境和生态环境的影响和破坏巨大。露天煤矿开采环境问题根本上说是人类采矿工程活动使环境发生变化或恶化。这就需要决策者、管理者、生产者有可持续发展的眼光，开发科学、先进、环保的煤炭开采技术，从事露天煤矿开采，主动地、积极地利用开采工程改善、美化周边环境，变有害为无害，变不利为有利，实现资源开发和环境保护的协调发展。发展露天煤炭开采技术解决环境问题是非常必要的。