【正文】 第 1講 煤礦開采簡介、現(xiàn)狀與趨勢國內(nèi)外發(fā)展回顧、現(xiàn)狀與趨勢 學(xué)科定義與研究對象煤礦開采煤礦開采 (coal mining)是指綜合運用煤礦開采學(xué)是指綜合運用煤礦開采學(xué)、礦山壓力及控制、煤礦地質(zhì)學(xué)、煤礦安全科學(xué)、礦山壓力及控制、煤礦地質(zhì)學(xué)、煤礦安全科學(xué)與技術(shù)等理論，按科學(xué)的工程程序，使用一定的與技術(shù)等理論，按科學(xué)的工程程序，使用一定的機電設(shè)備及配套系統(tǒng)采出地下煤炭以及伴生資源機電設(shè)備及配套系統(tǒng)采出地下煤炭以及伴生資源的一種工程活動和科學(xué)技術(shù)。根據(jù)煤炭資源賦存的一種工程活動和科學(xué)技術(shù)。根據(jù)煤炭資源賦存情況，煤礦開采分為地下開采和露天開采，其中情況，煤礦開采分為地下開采和露天開采，其中地下開采在我國占統(tǒng)治地位，其煤炭產(chǎn)量占總產(chǎn)地下開采在我國占統(tǒng)治地位，其煤炭產(chǎn)量占總產(chǎn)量的量的 95％以上。世界其他國家地下開采的產(chǎn)量比％以上。世界其他國家地下開采的產(chǎn)量比例有很大差異。例有很大差異。煤礦開采的研究對象為安全、高效、高資源回收煤礦開采的研究對象為安全、高效、高資源回收率地開采煤炭資源以及伴生的其他礦物資源等。率地開采煤炭資源以及伴生的其他礦物資源等。煤礦開采研究的目的是綜合利用現(xiàn)代科學(xué)理論與煤礦開采研究的目的是綜合利用現(xiàn)代科學(xué)理論與相關(guān)工程技術(shù)，深入分析、研究煤礦開采復(fù)雜多相關(guān)工程技術(shù)，深入分析、研究煤礦開采復(fù)雜多變的客觀條件，掌握和利用煤礦開采的基本規(guī)律變的客觀條件，掌握和利用煤礦開采的基本規(guī)律，系統(tǒng)地研究和開發(fā)高效、安全、高資源回收率，系統(tǒng)地研究和開發(fā)高效、安全、高資源回收率和舒適作業(yè)條件的現(xiàn)代化煤礦開采的科學(xué)理論與和舒適作業(yè)條件的現(xiàn)代化煤礦開采的科學(xué)理論與工程技術(shù)。工程技術(shù)。、基礎(chǔ)與相鄰學(xué)科關(guān)系煤礦開采是一門綜合性的科學(xué)與面向生產(chǎn)實際的煤礦開采是一門綜合性的科學(xué)與面向生產(chǎn)實際的工程技術(shù)。它涉及：工程技術(shù)。它涉及：采煤方法采煤方法礦山壓力與圍巖控制礦山壓力與圍巖控制機電設(shè)備機電設(shè)備自動化與通信技術(shù)自動化與通信技術(shù)開采的安全技術(shù)開采的安全技術(shù)瓦斯等伴生資源開采瓦斯等伴生資源開采地面沉陷保護(hù)地面沉陷保護(hù)露天開采與邊坡穩(wěn)定露天開采與邊坡穩(wěn)定礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與重建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與重建系統(tǒng)工程與信息化技術(shù)等多個學(xué)科領(lǐng)域。系統(tǒng)工程與信息化技術(shù)等多個學(xué)科領(lǐng)域。它的學(xué)科基礎(chǔ)包括它的學(xué)科基礎(chǔ)包括 :等多個學(xué)科門類。目前已形成了許多研究方向。等多個學(xué)科門類。目前已形成了許多研究方向。固體力學(xué)固體力學(xué)地質(zhì)力學(xué)地質(zhì)力學(xué)煤田地質(zhì)學(xué)煤田地質(zhì)學(xué)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)學(xué)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)學(xué)巖石力學(xué)巖石力學(xué)流體力學(xué)流體力學(xué)空氣動力學(xué)空氣動力學(xué)機電工程機電工程系統(tǒng)科學(xué)與工程系統(tǒng)科學(xué)與工程電子科學(xué)與技術(shù)電子科學(xué)與技術(shù)計算機科學(xué)與技術(shù)計算機科學(xué)與技術(shù)通信技術(shù)通信技術(shù)環(huán)境保護(hù)環(huán)境保護(hù)材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程安全技術(shù)與工程安全技術(shù)與工程人工智能人工智能 (1)開采方法：綜合運用采煤學(xué)、礦山壓力與控制開采方法：綜合運用采煤學(xué)、礦山壓力與控制、礦井地質(zhì)、機電設(shè)備與配套、安全工程、系統(tǒng)、礦井地質(zhì)、機電設(shè)備與配套、安全工程、系統(tǒng)工程、流體力學(xué)、管理科學(xué)與工程等理論與技術(shù)工程、流體力學(xué)、管理科學(xué)與工程等理論與技術(shù)，研究煤炭及瓦斯等伴生資源的高效、安全、高，研究煤炭及瓦斯等伴生資源的高效、安全、高資源回收率的開采方法、工藝和技術(shù)。資源回收率的開采方法、工藝和技術(shù)。(2)礦山壓力與圍巖控制：以工程地質(zhì)學(xué)、巖石力礦山壓力與圍巖控制：以工程地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、材料力學(xué)以及非線性科學(xué)等為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究、材料力學(xué)以及非線性科學(xué)等為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究不同開采方法的采場與井巷的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律不同開采方法的采場與井巷的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，圍巖控制理論與技術(shù)，以及研制開發(fā)相應(yīng)監(jiān)測，圍巖控制理論與技術(shù)，以及研制開發(fā)相應(yīng)監(jiān)測儀器儀表與圍巖控制設(shè)備和產(chǎn)品，研究采場與井儀器儀表與圍巖控制設(shè)備和產(chǎn)品，研究采場與井巷頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、沖擊礦壓、頂板大面積來巷頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、沖擊礦壓、頂板大面積來壓等災(zāi)害的發(fā)生機理、規(guī)律與防治理論和技術(shù)。壓等災(zāi)害的發(fā)生機理、規(guī)律與防治理論和技術(shù)。(3)“三下三下 ”開采與地面保護(hù)：綜合運用巖石力學(xué)、開采與地面保護(hù)：綜合運用巖石力學(xué)、礦山壓力與控制、采煤學(xué)等理論與技術(shù)，研究水礦山壓力與控制、采煤學(xué)等理論與技術(shù)，研究水體、建筑物、鐵路等下部煤炭開采技術(shù)、減少甚體、建筑物、鐵路等下部煤炭開采技術(shù)、減少甚至消除地面沉降的理論與技術(shù)以及地面建筑物、至消除地面沉降的理論與技術(shù)以及地面建筑物、農(nóng)田、水系等的保護(hù)技術(shù)。農(nóng)田、水系等的保護(hù)技術(shù)。(4)深部開采：針對礦井開采水平逐年延伸，深部深部開采：針對礦井開采水平逐年延伸，深部開采問題逐漸嚴(yán)重的情況，研究深部礦井與高應(yīng)開采問題逐漸嚴(yán)重的情況，研究深部礦井與高應(yīng)力開采條件下的沖擊礦壓、瓦斯突出等動力異常力開采條件下的沖擊礦壓、瓦斯突出等動力異常災(zāi)害發(fā)生機理與防治技術(shù)；深部開采條件下，采災(zāi)害發(fā)生機理與防治技術(shù)；深部開采條件下，采場與巷道頂板災(zāi)害的發(fā)生機理與防治理論技術(shù)，場與巷道頂板災(zāi)害的發(fā)生機理與防治理論技術(shù)，以及采場與巷道圍巖控制理論與技術(shù)、礦井頂?shù)滓约安蓤雠c巷道圍巖控制理論與技術(shù)、礦井頂?shù)装逅姆乐卫碚撆c技術(shù)、礦井降溫理論與技術(shù)。板水的防治理論與技術(shù)、礦井降溫理論與技術(shù)。(5)露天開采：以運籌學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)與工程、露天露天開采：以運籌學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)與工程、露天開采學(xué)等為基礎(chǔ)，研究內(nèi)容涉及穿孔、采裝、運開采學(xué)等為基礎(chǔ)，研究內(nèi)容涉及穿孔、采裝、運輸、排卸等設(shè)備，露天礦開采工藝與生產(chǎn)組織、輸、排卸等設(shè)備，露天礦開采工藝與生產(chǎn)組織、自動化調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)計劃與過程的優(yōu)化、設(shè)計自動化調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)計劃與過程的優(yōu)化、設(shè)計原理與計算機化、生產(chǎn)爆破技術(shù)，以及開拓運輸原理與計算機化、生產(chǎn)爆破技術(shù)，以及開拓運輸系統(tǒng)和采裝系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化等的研究與開發(fā)，系統(tǒng)和采裝系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化等的研究與開發(fā)，已經(jīng)形成了機械化、自動化、電子化、計算機化已經(jīng)形成了機械化、自動化、電子化、計算機化等多學(xué)科的交叉研究。等多學(xué)科的交叉研究。(6)露天礦邊坡與排土場穩(wěn)定：以工程地質(zhì)學(xué)、水露天礦邊坡與排土場穩(wěn)定：以工程地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、散體力學(xué)、露天開采學(xué)、文地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、散體力學(xué)、露天開采學(xué)、環(huán)境科學(xué)等為基礎(chǔ)，研究露天礦采場與排土場邊環(huán)境科學(xué)等為基礎(chǔ)，研究露天礦采場與排土場邊坡的穩(wěn)定理論與技術(shù)、邊坡優(yōu)化設(shè)計、邊坡穩(wěn)定坡的穩(wěn)定理論與技術(shù)、邊坡優(yōu)化設(shè)計、邊坡穩(wěn)定的自動化監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)、邊坡破壞的防治的自動化監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)、邊坡破壞的防治理論與技術(shù)。理論與技術(shù)。(7)自動化與通信技術(shù)：以采礦學(xué)、自動化技術(shù)、自動化與通信技術(shù)：以采礦學(xué)、自動化技術(shù)、通信技術(shù)、信息化技術(shù)、機電工程、電子技術(shù)等通信技術(shù)、信息化技術(shù)、機電工程、電子技術(shù)等為基礎(chǔ)，研究與開發(fā)煤礦自動化開采、自動提升為基礎(chǔ)，研究與開發(fā)煤礦自動化開采、自動提升與運輸、巷道自動化掘進(jìn)與支護(hù)、開采過程自動與運輸、巷道自動化掘進(jìn)與支護(hù)、開采過程自動控制等技術(shù)?？刂频燃夹g(shù)。(8)計算機應(yīng)用與信息化技術(shù)：以采礦學(xué)、運籌學(xué)計算機應(yīng)用與信息化技術(shù)：以采礦學(xué)、運籌學(xué)、系統(tǒng)工程、計算機科學(xué)與技術(shù)等為基礎(chǔ)，研究、系統(tǒng)工程、計算機科學(xué)與技術(shù)等為基礎(chǔ)，研究與開發(fā)煤礦企業(yè)的信息化管理決策系統(tǒng)、計算機與開發(fā)煤礦企業(yè)的信息化管理決策系統(tǒng)、計算機輔助設(shè)計、煤礦開采的仿真與優(yōu)化。輔助設(shè)計、煤礦開采的仿真與優(yōu)化。(9)安全理論與技術(shù)：研究瓦斯爆炸機理，采前與安全理論與技術(shù)：研究瓦斯爆炸機理，采前與采動過程中瓦斯運移規(guī)律、安全開采的瓦斯防治采動過程中瓦斯運移規(guī)律、安全開采的瓦斯防治理論與技術(shù)，礦井火災(zāi)發(fā)生機理與防治理論技術(shù)理論與技術(shù)，礦井火災(zāi)發(fā)生機理與防治理論技術(shù)，礦井粉塵防治技術(shù)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化，礦井粉塵防治技術(shù)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化。(10)煤礦安全監(jiān)測與預(yù)警：綜合運用煤礦安全工煤礦安全監(jiān)測與預(yù)警：綜合運用煤礦安全工程與監(jiān)測原理、電子技術(shù)、信息傳輸與處理技術(shù)程與監(jiān)測原理、電子技術(shù)、信息傳輸與處理技術(shù)、計算機技術(shù)等開發(fā)研制新型、準(zhǔn)確、高效的煤、計算機技術(shù)等開發(fā)研制新型、準(zhǔn)確、高效的煤礦安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。其中，涉及瓦斯、水、礦安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。其中，涉及瓦斯、水、火、粉塵、頂板、沖擊地壓等的監(jiān)測與預(yù)警?；?、粉塵、頂板、沖擊地壓等的監(jiān)測與預(yù)警。(11)與環(huán)境協(xié)調(diào)的開采理論與技術(shù)：綜合運用采與環(huán)境協(xié)調(diào)的開采理論與技術(shù)：綜合運用采礦工程理論與技術(shù)、環(huán)境科學(xué)與技術(shù)、工程地質(zhì)礦工程理論與技術(shù)、環(huán)境科學(xué)與技術(shù)、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、林業(yè)科學(xué)與工程、農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程與水文地質(zhì)、林業(yè)科學(xué)與工程、農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程、資源與環(huán)境經(jīng)濟學(xué)等，系統(tǒng)研究和建立與環(huán)境、資源與環(huán)境經(jīng)濟學(xué)等，系統(tǒng)研究和建立與環(huán)境協(xié)調(diào)的開采理論與技術(shù)體系，保障煤炭資源開采協(xié)調(diào)的開采理論與技術(shù)體系，保障煤炭資源開采與環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。與環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。目前，煤炭提供世界一次能源的目前，煤炭提供世界一次能源的 27％和世界發(fā)電％和世界發(fā)電量的量的 45％，煤炭的衍生物生產(chǎn)％，煤炭的衍生物生產(chǎn) 25000多種消費品多種消費品，在世界經(jīng)濟中占有重要地位。，在世界經(jīng)濟中占有重要地位。煤炭是世界上儲量最多、分布最廣的常規(guī)能源資煤炭是世界上儲量最多、分布最廣的常規(guī)能源資源，其中源，其中 90％集中在蘇聯(lián)、美國、中國、澳大利％集中在蘇聯(lián)、美國、中國、澳大利亞、德國、印度、南非、波蘭、英國和加拿大等亞、德國、印度、南非、波蘭、英國和加拿大等10個國家。個國家。我國長期以來一直以煤炭作為主要能源，并且煤我國長期以來一直以煤炭作為主要能源，并且煤炭在我國一次能源中的主導(dǎo)地位在短期內(nèi)不會改炭在我國一次能源中的主導(dǎo)地位在短期內(nèi)不會改變。變。我國能源資源賦存現(xiàn)狀決定了我國能源開發(fā)以煤炭為我國能源資源賦存現(xiàn)狀決定了我國能源開發(fā)以煤炭為主的現(xiàn)狀在短期內(nèi)不會改變。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，新主的現(xiàn)狀在短期內(nèi)不會改變。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，新能源和可再生能源會有一定增長，但在相當(dāng)長的時間能源和可再生能源會有一定增長，但在相當(dāng)長的時間內(nèi)還是不可能取代化石能源。內(nèi)還是不可能取代化石能源。顯然，經(jīng)濟的發(fā)展對能源的需求量將越來越大，因此顯然，經(jīng)濟的發(fā)展對能源的需求量將越來越大，因此，研究煤炭的高效、安全、高采出率開采是十分重要，研究煤炭的高效、安全、高采出率開采是十分重要的問題。的問題。煤炭開采在我國國民經(jīng)濟建設(shè)中具有極其重要的煤炭開采在我國國民經(jīng)濟建設(shè)中具有極其重要的戰(zhàn)略地位，也是我國一次能源的基礎(chǔ)。戰(zhàn)略地位，也是我國一次能源的基礎(chǔ)。煤炭開采是提供煤炭能源的根本方法，我國的煤煤炭開采是提供煤炭能源的根本方法，我國的煤炭資源總量居世界首位，但人均煤炭產(chǎn)量不高，炭資源總量居世界首位，但人均煤炭產(chǎn)量不高，甚至十分短缺，人均煤炭產(chǎn)量僅居世界第甚至十分短缺，人均煤炭產(chǎn)量僅居世界第 8位。位。因此，研究和解決煤炭開采中的相關(guān)科學(xué)問題，因此，研究和解決煤炭開采中的相關(guān)科學(xué)問題，促進(jìn)煤炭高效、安全、高資源采出率開采和綠色促進(jìn)煤炭高效、安全、高資源采出率開采和綠色開采，是當(dāng)前煤炭開采中所面臨的重要問題，也開采，是當(dāng)前煤炭開采中所面臨的重要問題，也是重要的學(xué)科方向。是重要的學(xué)科方向。 國外重要的煤礦開采學(xué)術(shù)研究機構(gòu)1．美國．美國美國的煤炭科研工作主要由政府機構(gòu)、企業(yè)研究與發(fā)美國的煤炭科研工作主要由政府機構(gòu)、企業(yè)研究與發(fā)展機構(gòu)、大學(xué)展機構(gòu)、大學(xué) (學(xué)院學(xué)院 )及民間咨詢機構(gòu)四部分組成。及民間咨詢機構(gòu)四部分組成。美國較大的采礦公司一般都設(shè)有研究與發(fā)展部；美國美國較大的采礦公司一般都設(shè)有研究與發(fā)展部；美國有二十幾個大學(xué)設(shè)有采礦系，主要按政府合同開展基有二十幾個大學(xué)設(shè)有采礦系，主要按政府合同開展基礎(chǔ)研究；此外，還有一支重要的研究與開發(fā)力量礎(chǔ)研究；此外，還有一支重要的研究與開發(fā)力量 ————民辦咨詢公司。民辦咨詢公司。國家政府科研機構(gòu)主要有能源部所屬的聯(lián)邦能源研究國家政府科研機構(gòu)主要有能源部所屬的聯(lián)邦能源研究院（院（ FEI），此外由各大學(xué)采礦系聯(lián)合組成的礦物研究），此外由各大學(xué)采礦系聯(lián)合組成的礦物研究所也發(fā)揮著重要作用，如弗吉尼亞大學(xué)工業(yè)學(xué)院與弗所也發(fā)揮著重要作用，如弗吉尼亞大學(xué)工業(yè)學(xué)院與弗吉尼亞州立大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)、明尼蘇達(dá)大吉尼亞州立大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)、明尼蘇達(dá)大學(xué)等。學(xué)等。2．俄羅斯．俄羅斯俄羅斯的煤炭科研體系分為兩類，一類是煤炭工業(yè)直俄羅斯的煤炭科研體系分為兩類，一類是煤炭工業(yè)直屬科研院所，另一類是礦區(qū)科研所。屬科研院所，另一類是礦區(qū)科研所。現(xiàn)在俄聯(lián)邦批準(zhǔn)在原現(xiàn)在俄聯(lián)邦批準(zhǔn)在原 24個部級院所的基礎(chǔ)上成立個部級院所的基礎(chǔ)上成立 5個個煤炭科學(xué)中心：煤炭科學(xué)中心：①① 國家礦業(yè)科學(xué)中心；國家礦業(yè)科學(xué)中心；②② 地質(zhì)力學(xué)和礦山測量科學(xué)中心；地質(zhì)力學(xué)和礦山測量科學(xué)中心；③③ 俄羅斯煤炭工業(yè)安全科學(xué)中心；俄羅斯煤炭工業(yè)安全科學(xué)中心；④④ 庫茲巴斯采礦工藝科學(xué)中心；庫茲巴斯采礦工藝科學(xué)中心；⑤⑤ 露天采礦工藝科學(xué)中心。露天采礦工藝科學(xué)中心。3德國德國德國擁有世界一流的煤炭科研機構(gòu)，如埃森采礦研究德國擁有世界一流的煤炭科研機構(gòu)，如埃森采礦研究院院 (BergbauForschung GmbH)、威斯特伐倫礦山協(xié)、威斯特伐倫礦山協(xié)會會 (Westfalishe Bergwerkschaftskasse)礦業(yè)研究所礦業(yè)研究所和實驗室礦井公司等。在礦山壓力控制、井下降溫、和實驗室礦井公司等。在礦山壓力控制、井下降溫、瓦斯、煤塵和火災(zāi)防治、采煤技術(shù)、井下運輸和選煤瓦斯、煤塵和火災(zāi)防治、采煤技術(shù)、井下運輸和選煤等領(lǐng)域，德國都處于世界領(lǐng)先水平。等領(lǐng)域，德國都處于