【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是指綜合運用煤礦開采學、礦山壓力及控制、煤礦地質(zhì)學、煤礦安全科學、礦山壓力及控制、煤礦地質(zhì)學、煤礦安全科學與技術(shù)等理論，按科學的工程程序，使用一定的與技術(shù)等理論，按科學的工程程序，使用一定的機電設備及配套系統(tǒng)采出地下煤炭以及伴生資源機電設備及配套系統(tǒng)采出地下煤炭以及伴生資源的一種工程活動和科學技術(shù)。根據(jù)煤炭資源賦存的一種工程活動和科學技術(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)代科學理論與煤礦開采研究的目的是綜合利用現(xiàn)代科學理論與相關(guān)工程技術(shù)，深入分析、研究煤礦開采復雜多相關(guān)工程技術(shù)，深入分析、研究煤礦開采復雜多變的客觀條件，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理論與和舒適作業(yè)條件的現(xiàn)代化煤礦開采的科學理論與工程技術(shù)。工程技術(shù)。、基礎與相鄰學科關(guān)系煤礦開采是一門綜合性的科學與面向生產(chǎn)實際的煤礦開采是一門綜合性的科學與面向生產(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備機電設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地面沉陷保護露天開采與邊坡穩(wěn)定露天開采與邊坡穩(wěn)定礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與重建礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與重建系統(tǒng)工程與信息化技術(shù)等多個學科領(lǐng)域。系統(tǒng)工程與信息化技術(shù)等多個學科領(lǐng)域。它的學科基礎包括它的學科基礎包括 :等多個學科門類。目前已形成了許多研究方向。等多個學科門類。目前已形成了許多研究方向。固體力學固體力學地質(zhì)力學地質(zhì)力學煤田地質(zhì)學煤田地質(zhì)學工程地質(zhì)和水文地質(zhì)學工程地質(zhì)和水文地質(zhì)學巖石力學巖石力學流體力學流體力學空氣動力學空氣動力學機電工程機電工程系統(tǒng)科學與工程系統(tǒng)科學與工程電子科學與技術(shù)電子科學與技術(shù)計算機科學與技術(shù)計算機科學與技術(shù)通信技術(shù)通信技術(shù)環(huán)境保護環(huán)境保護材料科學與工程材料科學與工程安全技術(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、礦山壓力與控制開采方法：綜合運用采煤學、礦山壓力與控制、礦井地質(zhì)、機電設備與配套、安全工程、系統(tǒng)、礦井地質(zhì)、機電設備與配套、安全工程、系統(tǒng)工程、流體力學、管理科學與工程等理論與技術(shù)工程、流體力學、管理科學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、巖石力礦山壓力與圍巖控制：以工程地質(zhì)學、巖石力學、結(jié)構(gòu)力學、斷裂力學、彈性力學、塑性力學學、結(jié)構(gòu)力學、斷裂力學、彈性力學、塑性力學、材料力學以及非線性科學等為基礎，系統(tǒng)研究、材料力學以及非線性科學等為基礎，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)相應監(jiān)測，圍巖控制理論與技術(shù)，以及研制開發(fā)相應監(jiān)測儀器儀表與圍巖控制設備和產(chǎn)品，研究采場與井儀器儀表與圍巖控制設備和產(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害的發(fā)生機理、規(guī)律與防治理論和技術(shù)。壓等災害的發(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：綜合運用巖石力學、開采與地面保護：綜合運用巖石力學、礦山壓力與控制、采煤學等理論與技術(shù)，研究水礦山壓力與控制、采煤學等理論與技術(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、水系等的保護技術(shù)。農(nóng)田、水系等的保護技術(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重的情況，研究深部礦井與高應開采問題逐漸嚴重的情況，研究深部礦井與高應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害發(fā)生機理與防治技術(shù)；深部開采條件下，采災害發(fā)生機理與防治技術(shù)；深部開采條件下，采場與巷道頂板災害的發(fā)生機理與防治理論技術(shù)，場與巷道頂板災害的發(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、系統(tǒng)科學與工程、露天露天開采：以運籌學、系統(tǒng)科學與工程、露天開采學等為基礎，研究內(nèi)容涉及穿孔、采裝、運開采學等為基礎，研究內(nèi)容涉及穿孔、采裝、運輸、排卸等設備，露天礦開采工藝與生產(chǎn)組織、輸、排卸等設備，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、設計自動化調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)計劃與過程的優(yōu)化、設計原理與計算機化、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)的設計與優(yōu)化等的研究與開發(fā)，系統(tǒng)和采裝系統(tǒng)的設計與優(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、計算機化等多學科的交叉研究。等多學科的交叉研究。(6)露天礦邊坡與排土場穩(wěn)定：以工程地質(zhì)學、水露天礦邊坡與排土場穩(wěn)定：以工程地質(zhì)學、水文地質(zhì)學、巖石力學、散體力學、露天開采學、文地質(zhì)學、巖石力學、散體力學、露天開采學、環(huán)境科學等為基礎，研究露天礦采場與排土場邊環(huán)境科學等為基礎，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)化設計、邊坡穩(wěn)定坡的穩(wěn)定理論與技術(shù)、邊坡優(yōu)化設計、邊坡穩(wěn)定的自動化監(jiān)測與預警系統(tǒng)開發(fā)、邊坡破壞的防治的自動化監(jiān)測與預警系統(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、自動化技術(shù)、自動化與通信技術(shù)：以采礦學、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，研究與開發(fā)煤礦自動化開采、自動提升為基礎，研究與開發(fā)煤礦自動化開采、自動提升與運輸、巷道自動化掘進與支護、開采過程自動與運輸、巷道自動化掘進與支護、開采過程自動控制等技術(shù)。控制等技術(shù)。(8)計算機應用與信息化技術(shù)：以采礦學、運籌學計算機應用與信息化技術(shù)：以采礦學、運籌學、系統(tǒng)工程、計算機科學與技術(shù)等為基礎，研究、系統(tǒng)工程、計算機科學與技術(shù)等為基礎，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)、計算機輔助設計、煤礦開采的仿真與優(yōu)化。輔助設計、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)，礦井火災發(fā)生機理與防治理論技術(shù)理論與技術(shù)，礦井火災發(fā)生機理與防治理論技術(shù)，礦井粉塵防治技術(shù)，礦井通風系統(tǒng)設計與優(yōu)化，礦井粉塵防治技術(shù)，礦井通風系統(tǒng)設計與優(yōu)化。(10)煤礦安全監(jiān)測與預警：綜合運用煤礦安全工煤礦安全監(jiān)測與預警：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、準確、高效的煤、計算機技術(shù)等開發(fā)研制新型、準確、高效的煤礦安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)。其中，涉及瓦斯、水、礦安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)。其中，涉及瓦斯、水、火、粉塵、頂板、沖擊地壓等的監(jiān)測與預警。火、粉塵、頂板、沖擊地壓等的監(jiān)測與預警。(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)境科學與技術(shù)、工程地質(zhì)礦工程理論與技術(shù)、環(huán)境科學與技術(shù)、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、林業(yè)科學與工程、農(nóng)業(yè)科學與工程與水文地質(zhì)、林業(yè)科學與工程、農(nóng)業(yè)科學與工程、資源與環(huán)境經(jīng)濟學等，系統(tǒng)研究和建立與環(huán)境、資源與環(huán)境經(jīng)濟學等，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地位在短期內(nèi)不會改炭在我國一次能源中的主導地位在短期內(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，但在相當長的時間能源和可再生能源會有一定增長，但在相當長的時間內(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)濟建設中具有極其重要的煤炭開采在我國國民經(jīng)濟建設中具有極其重要的戰(zhàn)略地位，也是我國一次能源的基礎。戰(zhàn)略地位，也是我國一次能源的基礎。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)科學問題，因此，研究和解決煤炭開采中的相關(guān)科學問題，促進煤炭高效、安全、高資源采出率開采和綠色促進煤炭高效、安全、高資源采出率開采和綠色開采，是當前煤炭開采中所面臨的重要問題，也開采，是當前煤炭開采中所面臨的重要問題，也是重要的學科方向。是重要的學科方向。 國外重要的煤礦開采學術(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)、大學展機構(gòu)、大學 (學院學院 )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有研究與發(fā)展部；美國美國較大的采礦公司一般都設有研究與發(fā)展部；美國有二十幾個大學設有采礦系，主要按政府合同開展基有二十幾個大學設有采礦系，主要按政府合同開展基礎研究；此外，還有一支重要的研究與開發(fā)力量礎研究；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），此外由各大學采礦系聯(lián)合組成的礦物研究），此外由各大學采礦系聯(lián)合組成的礦物研究所也發(fā)揮著重要作用，如弗吉尼亞大學工業(yè)學院與弗所也發(fā)揮著重要作用，如弗吉尼亞大學工業(yè)學院與弗吉尼亞州立大學、賓夕法尼亞州立大學、明尼蘇達大吉尼亞州立大學、賓夕法尼亞州立大學、明尼蘇達大學等。學等。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)邦批準在原現(xiàn)在俄聯(lián)邦批準在原 24個部級院所的基礎上成立個部級院所的基礎上成立 5個個煤炭科學中心：煤炭科學中心：①① 國家礦業(yè)科學中心；國家礦業(yè)科學中心；②② 地質(zhì)力學和礦山測量科學中心；地質(zhì)力學和礦山測量科學中心；③③ 俄羅斯煤炭工業(yè)安全科學中心；俄羅斯煤炭工業(yè)安全科學中心；④④ 庫茲巴斯采礦工藝科學中心；庫茲巴斯采礦工藝科學中心；⑤⑤ 露天采礦工藝科學中心。露天采礦工藝科學中心。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、煤塵和火災防治、采煤技術(shù)、井下運輸和選煤瓦斯、煤塵和火災防治、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