现代采矿技术理论的发展历史及其发展动力分析.docx
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现代采矿技术理论的发展历史及其发展动力分析
现代采矿技术理论的发展历史、及其发展动力分析
现代采矿技术理论的发展历史、发展动力分析及我国煤炭工业在新世纪的发展战略
现代采矿技术的发展与采矿理论的发展是密切相关的,它们相互依存、相互促进、共同发展。
现代采矿理论与系统工程紧密相联,系统工程理论和方法渗透到采矿工程中的各个方面,使采矿理论有了新的进展,更适应现代化的管理和决策。
一、采矿技术及发展过程
我国是世界产煤最多的国家,地域辽阔,煤炭赋存条件各异,有许多种不同类型的采矿方法以与技术,其发展过程具有很强的代表性。
下面就我国的采矿技术进行论述。
1、原始的采煤技术
早在六、七千年前,我国就已开始进行煤炭的矿业开采。
1840年鸦片战争后,我国的采煤方法仍然非常落后,采用原始的穿峒式、残柱式、高落式等采煤方法,采掘等主要工作,仍然依靠工人繁重的体力劳动。
1895年以后,日、英、德帝国主义相继在我国开矿,20世纪30年代,日本帝国主义占领了我国东北,以掠夺中国煤炭资源作为其穷兵黩武的重要政策。
掠夺性的采煤方法日趋严重,滥采滥挖,开采的煤炭资源损失率高达70%~80%以上;矿工的劳动条件极端恶劣,煤矿的安全状况极差,伤亡事故严重。
2、旧中国采煤方法的改造(1949~1957)
新中国成立后,即对旧中国的采煤方法进行改革。
1950年5月,燃料工业部在全国煤矿会议上作出了国营煤矿推行生产方式改革和安全生产的决议,提出要有计划、有步骤地进行生产改革。
首先从改革采煤方法开始,把落后的穿峒式、残柱式、高落式等旧采煤方法,改为新的长壁式采煤方法,有利于提高煤炭资源回收率,保护国家资源。
强调在安全的原则下进行生产,改善矿井通风,改善工人的劳动环境和安全生产条件,通过了《关于全国煤炭全面推行新的采煤方法的决定》,强调指出“采煤方法的改革是煤炭工业的一次革命”。
在缓倾斜薄及中厚煤层中,将穿峒式和残柱式改为单一长壁工作面采煤方法;在缓倾斜、倾斜厚煤层中,将高落式等采煤方法改为倾斜分层下行垮落采煤法,少数特厚煤层改用走向长壁上行水砂充填采煤方法,对急倾斜厚煤层则改用了水平分层下行垮落采煤法。
到1957年,国营煤矿以长壁式为主的新采煤方法的产量比重达到了92.6%,采区回采率提高到70%左右,工人的劳动环境和安全生产条件得到了明显改善。
3、长壁式采煤方法的巩固与发展(1957~1974年)
我国长壁式采煤方法的巩固与发展,是在不断改善顶板管理和提高采煤机械化程度的过程中实现的。
在顶板管理方面,改变了旧采煤方法的无支护状况,采煤工作面从采用各种形式的木支架到推广应用金属摩擦支护和铰接顶梁。
在缓倾斜、倾斜厚及特厚煤层,主要推行和完善倾斜分层下行垮落采煤法,改进人工假顶铺设,采用竹笆假顶、荆条假顶、金属网假顶等代替木板假顶,发展
3、围岩控制及支护的改进是采煤方法改革的重要内容
支护技术是顶板控制的重要手段,矿山压力的研究成果是发展新的支护技术的主要依据。
在回采巷道的支护方面,50年代主要是木支架。
从1960年以后,我国开始研制矿用工字钢支架和U型钢支架,为加大巷道断面和改善巷道维护创造了条件。
使回采巷道的断面由4~5m2加大到8~12m2,巷道维护状态得到改善,维护时间得到加长。
80年代以来,U型钢可缩性金属支架发展到30种规格,并形成了系列产品。
在条件适宜地区,推广采用煤巷锚杆支护,提高了效益。
通过对软弱岩层的巷道破坏及其控制的研究,提出以下三种控制途径进行支护:
采取及时支护的方法,缩短无支护巷道的暴露时间,降低巷道围岩的变形速度和变形量;二是在应力降低区布置巷道,或是在较硬岩层中布置巷道;三是采用高强度支护方法,目前流行的是联合支护,利用锚杆、喷射混凝土、金属网、钢带、锚索、棚架等。
采取上述措施,改善了软弱层的巷道维护及生产条件。
从上面例证不难看出,围岩控制及支护技术的改进,不仅是采煤方法改革的重要内容,而且推动着采煤方法的发展。
4、安全技术水平的提高是推动采煤方法发展的重要保障
采煤方法的安全性,是评价采煤方法的重要依据。
因此,采煤方法的发展从某种程度讲,将依赖于对防治水、火、瓦斯、煤尘、冒顶和冲击地压的技术水平(目前,还出现了热害、矿震等灾害)。
从安全的角度看,采煤工作面的支架从木支架过渡到金属摩擦支柱、单体液压支柱,从单体液压支柱过渡到自移式液压支架,由较弱的支撑能力到目前达到一个支架就具有1000t的支撑能力,使采煤工作面顶板控制安全技术不断提高,从而保证了采煤工艺向纵深方向发展。
回采巷道支护从刚性木支护到可缩性的金属支架和锚杆支架的发展,从而保证了采区巷道布置改革的顺利进行。
对有煤和瓦斯突出危险的煤层,采用开采解放层、水力冲孔、松动爆破和突出的预测预报等安全技术措施,不仅解放了有煤与瓦斯突出的煤层,而且使这类煤层的采煤方法得到了发展和逐步完善。
在防降尘安全技术方面,煤层注水防尘技术在全国获得较广泛应用,并取得良好降尘效果;煤电钻湿式作业和水炮泥防尘安全技术的应用,兼有降温、降低有害气体的作用,水炮泥还具有熄灭爆焰的功能。
降尘喷雾安全技术已广泛的运用在采煤机、掘进机、输送机、转载机、巷道空气净化等各个方面,取得了良好的降尘效果。
所有这些,不仅保证了采煤机和掘进机得以安全使用,而且进一步使普通机械化采煤工艺和综合机械化采煤工艺得以完善。
三、世界范围采矿技术发展历史及其发展动力分析
(一)采矿技术发展史
1、矿产资源与社会文明
采矿活动与矿物利用推动了人类历史的进步。
每一个历史阶段,人类的生活水平和生产力都较前一个阶段有了很大的提高,一个主要原因就是新的、性能更优越的矿物的开采和利用,为人类提供了效能更高的工具和燃料。
首先,非金属矿产拉开了人类社会文明时代的大门;旧石器时代,随着石灰石、石英岩、砂岩、花岗岩、燧石等。
非金属矿被不断的发现,在新石器时代(10000年前),通过磨制、钻孔、装木柄等工艺制成石斧、石锄、带尖石的枪矛等工具,推动人类社会文明向前进步。
随后,金属矿产资源促进人类社会由初级文明向高级文明的演化:
青铜器时代(7000年前的铜锡合金)、铁器时代(4000年前尼罗河流域的格泽(GERZEH),即匕首、幼发拉底河流域的乌尔(UR),即铁珠)、中国的商代(铁刃青铜)。
矿物能源的工业利用是人类社会文明发展的一个重大里程碑,18世纪末的工业革命使人类开始步入工业文明,也揭开了人类大规模开发、利用矿产资源的新纪元。
工业革命以来短短的200年间,科学技术的飞速进步、生产力的大幅提高和人类财富的快速积累,均是以矿产资源的大规模开发和创造性利用为基础的。
自18世纪中叶英国产业革命开始,煤、石油、天然气、铀等的开发和利用,促进了人类的文明和发展。
现代文明有三大支柱,即能源、材料和信息。
矿产资源则构成了能源和材料两大支柱的主体。
能源结构:
矿物能源(石油、天然气、煤、铀)占95%,非矿物能源(木材、水电、太阳能、风能)占5%。
中国1998年数据:
煤炭占能源量的71.6%,石油仅占19.8%;80%以上的工业原材料及70%以上的农业生产资料(如结构材料、功能材料、工程材料、农用化肥、电子材料、光电材料、超导材料、纳米材料(锗、镓、硅、铌、锆、钛、稀土、石英等))均来自于矿产资源。
2矿产资源与国民经济
矿产资源是社会新财富的一种至关重要的源泉,而这种财富不是依赖提供服务所能创造的,而是通过矿业开发来创造的。
矿产资源开发利用是一个国家提高综合国力的重要途径。
矿业开发为国民经济创造了巨大经济价值。
矿产资源的消费强度和消费特征取决于一个国家所处的工业化阶段和社会经济发展水平。
根据矿产资源消费生命周期理论,在工业化初期(人均GDP低于1000美元),矿产资源的消耗强度快速增长;在工业化全面发展时期(人均GDP1000~2000美元),矿产资源的消费强度继续增长,进入矿产资源的高消费阶段;在后工业化时期,(人均GDP高于2000美元),矿产资源消耗强度呈下降趋势。
这一由增长到成熟再到衰落的过程,形成了矿产资源消费生命周期的倒“U”字型。
我国是发展中国家,社会经济发展刚刚从工业化初期进入工业化全面发展时期,因此在未来走向发达的相当长的一个时期内,我国将处于矿产资源高消费阶段。
可见,采矿业对我国社会经济发展至关重要。
(二)开采技术发展动力浅析
1、开采技术发展的内部动力
首先是人们对安全生产的渴望:
“五大灾害”控制技术的进步、开拓布置与开采方法的改革;其次是人们对高产高效和高额利润的渴望:
破岩技术与设备的进步、运输技术与设备的进步。
2开采技术发展的外部动力
采矿工业的每次发展和变革在很大程度上依赖于与之相关的科学技术的成就。
这些相关的学科和领域包括:
数学、物理、机械、自动化、化学、材料、经济学、管理学、计算机等科学技术等;建立了矿山地质与测量、矿山岩体力学、岩石破碎及工艺、露天矿开采方法与工艺、地下采矿方法与工艺、特殊采矿方法与工艺、采掘机械、凿岩爆破技术、提升运输、矿山系统工程与管理、采矿安全与卫生工程、矿井通风、矿山环境保护、矿山办公自动化与管理信息系统等一系列专门的知识体系,使采矿真正形成了一门独立的学科。
四、开采技术成果及展望
开采技术的长期发展,就固态矿物而言,在露天开采方面和地下开采方面都取得了显著的研究成果。
露天开采方面分别在开采方法、开采设备、爆破技术与器材、边坡工程、自动调度系统几个方面取得了丰富的经验。
例如,在开采方法上,已形成了两种成熟的基本方法,即台阶式开采和条带剥离式开采,前者主要用于开采金属矿床以及其他硬岩矿床;后者主要用于开采煤炭。
这两种基本露天开采方法几十年来没有根本的变化。
在地下开采方面也取得了丰硕的成果,在矿井开拓与井巷掘进、采矿方法、矿压控制、生产机械化与自动化、采矿设计、管理与办公自动化、采矿安全及环境保护几方面随着时代的前进而飞速发展,自动化技术和计算机及以计算机为核心的信息技术推广应用,使采矿业从开始的机械化步入又一个新的时代,信息时代。
开采技术的发展不断向前步,对其在未来的发展方向主要分为以下几类。
1、在岩体力学方面的发展
矿床开采的工作对象是岩体,开采过程是两个目的相反且相互矛盾的过程,即破坏与反破坏的矛盾统一:
一个是对岩石原始平衡状态的破坏;另一个是对形成的开挖体的稳定性的维护。
要想把有用矿物从地壳中开采出来,这两个行为缺一不可。
解决这对矛盾的学科分支是岩体力学,这是开拓、采矿方法选择和各种设计参数选取的基础,是采矿学的基础学科分支之一。
岩体力学发展非常快,在今后的发展主要在矿山岩体力学与岩层控制方面、岩石非线性本构理论、微观岩石力学与分形、地下工程失稳的分析和混沌研究、岩石计算力学的研究、岩石流变力学、藕合岩石力学、非连续岩体力学等。
2、矿业信息与决策
在工程实践中,人们需要做大大小小的决策,决策过程实际上就是在有限的可利用资源条件下,从多个可供选择的方案中选出最佳方案。
掌握矿业信息对决策有重要影响。
例如在对矿山工程项目的投资效益评价上,要从不同的方案进行评价,进行决策。
3、开采方法创新发展
开采技术在二十一世纪的发展方向是采取选用露天采矿与地下采矿联合的方式进行开采,并且还要发展一些特殊开采技术,例如超深矿井开采技术、煤炭地下汽化与液化、容浸采矿、海洋与月球采矿、生物采矿等。
这些创新是在各门学科发展到一定的程度上提出的,在日新月异的二十一世纪,各门学科都在飞速发展,相信在美好的明天,我们的采矿方法会发展更快,更新。
五、新世纪的煤炭工业
(一)、煤炭——新世纪经济发展的动力
1、煤炭的重要性
1)、煤炭在能源构成中的比重
近代煤炭工业起始于18世纪60年代的产业革命。
从世界范围来看,煤炭从产业革命至上世纪60年代中期,一直占据着世界一次能源的首位,作为近代欧美各国工业化的燃料动力基础,对世界经济和社会发展起了举足轻重的作用。
1913年世界煤炭产量为13.2亿t,占世界一次能源总产量的92.2%。
从上世纪20年代开始,世界能源结构逐步由煤炭转向石油,特别是第二次世界大战之后,石油工业进一步崛起,因以其廉价、高效、低污染的特点,更能满足现代经济发展的需要,并于本世纪60年代中期在世界一次能源的生产与消费结构中超过了煤炭,居于首位,煤炭退居第二位,见表1。
尽管如此,煤炭仍然是世界一次能源的重要组成部分。
战后60多年来,煤炭始终保持着稳步发展的态势,总产量从50年代的18.2亿t增长到80年代末的48.66亿t,增长1.67倍,年平均增长率为2.55%。
90年代之后虽然有所下降,但发展仍呈回升趋势(表2)。
近30年来,煤炭在世界一次能源消费中的比重大体在30%左右变化,对一些国家来说仍是主要的能源(表3)。
表1世界一次能源生产结构变化
年份
项目
1950
1960
1970
1980
1990
生产总量(Mtce)
2560.3
4243.0
7150.3
9291.8
10875.5
构成(%)
煤炭
石油
天然气
水电及核电
总计
57.9
30.8
9.6
1.7
100.0
46.5
37.4
14.1
2.0
100.0
31.6
47.9
18.3
2.2
100.0
28.2
48.3
20.2
3.3
100.0
30.5
41.8
22.9
4.8
100.0
表2世界煤炭产量单位:
Mt
年份
硬煤
褐煤
合计
1950
1436.82
381.40
1818.22
1960
1936.85
634.70
2571.55
1970
2138.59
854.31
2992.90
1980
2728.00
1042.00
3770.00
1989
3584.00
1282.00
4866.00
1990
3517.00
1212.00
4729.00
1991
3453.00
1180.00
4633.00
1992
3529.00
972.00
4501.00
1993
3638.00
943.00
4581.00
1994(1—6)月
1874.00
495.00
2369.00
表31994年10个国家一次能源消费结构
国家
消费量
(Mtce)
消费结构(%)
石油
天然气
煤炭
核电
水电
美国
俄罗斯
中国
德国
英国
加拿大
印度
南非
波兰
日本
2898.0
949.63
1227.37
476.0
311.14
317.86
303.43
136.0
135.14
683.57
39.8
23.1
17.4
40.6
37.7
35.7
31.8
19.8
15.5
56.2
26.3
49.3
1.9
18.3
28.2
28.5
7.4
0
8.6
11.3
24.3
21.0
75.0
28.9
23.2
11.2
57.3
71.2
75.6
17.1
8.6
4.5
—
11.7
10.6
12.5
0.6
2.7
0
14.1
1.0
2.1
5.7
0.5
0.3
12.1
2.8
0.2
0.2
1.3
世界总计
11319.71
40.1
23.0
27.2
7.2
2.5
2)、煤炭的贡献
我们可以从以下几个方面来说明:
(1)、目前,世界电力45%左右来自燃煤电站,1991年,美国国家用于发电的煤占煤炭总产量的87%,英国为78.3%,加拿大为96.6%,德国为63.5%,法国为43.4%,日本为23.9%;
(2)、钢铁、建材、化工等行业对煤炭的需求连年上升;
(3)、煤炭出口创汇,一些产煤国家把煤炭出口作为重要的创汇来源。
美国全国煤炭协会1990年提供的资料,煤炭工业对美国经济的直接贡献为每年210亿美元,加上间接贡献,共达每年810亿美元。
(4)、煤炭的其它作用,每一个煤炭工业工作岗位可为其它部门提供7个就业机会(90年资料)。
煤炭的衍生物可生产25000多种消费品和工业品,在世界经济中占有重要地位。
2、地球可利用能源构成及利用
21世纪中,煤炭在能源和经济发展中的地位和作用如何,是否会退出历史舞台,这是人们十分关心的问题。
煤炭能否进一步发展,主要取决于三个因素,即:
①替代煤炭的可再生能源或新能源开发与应用的程度;②煤炭与其它矿物燃料资源的优劣对比态势;③煤炭开发利用与环境保护能否协调发展。
1)、构成:
(1)、非再生能源,包括煤炭、石油、天然气,铀等;
(2)、再生能源包括水能、风能、太阳能等。
世界拥有能源的总资源量是十分巨大的。
根据前苏联专家测算,非再生能源为77×109万亿t标准燃料,再生能源为每年10×1012万亿t标准燃料,见表4。
1973年中东战争触发的第一次石油危机,标志着世界能源结构进入一个新的转变时期,即以石油为主的能源系统转向以可再生能源为基础的持久能源系统。
然而这一转变是一个相当漫长的过程。
表4世界能源总量单位:
万亿tce(标准燃料)
项目
非再生能源
再生能源(每年)
矿物燃料(煤、石油、天然气、油页岩、铀等)
19.1
—
水能
—
0.7
太阳能(到达地球表面及大气上层的辐射能)
—
9×1012
泥炭和柴薪
0.5
—
地热能
1.1×109
—
风能
—
2
受控热核聚变的重氢
75×109
—
其它能源(尚难确定)
—
8×1011
总计
77×109
10×1012
2)、开发新能源
再生能源中最为丰富的是太阳能。
尽管太阳能的利用在世界范围内已取得成效,如美国加利福尼亚州莫哈韦沙漠太阳能电站的总装机容量已达354MW(35.4万千瓦),成为世界之最,但作为大规模工业化的能源还为时过早。
又如在非再生能源中,受控热核聚变反应的能量十分巨大,科学家曾誉为这将是人类最理想的能源,是人类能源的根本出路。
因为其原料丰富,价格低廉。
海水中的氘经聚变反应放出的能量足够人类使用几十亿年,且运行安全可靠,放射性废物少,无核扩散危险。
但聚变能目前尚处于研究阶段,离实用还有相当距离,科学家们预言至少在50年内难以实现。
此外,一种新能源在能源市场上所占的份额由1%上升到50%,约需上百年的时间。
因此,在可以预期的将来,能够大规模开发利用的能源仍主要是目前占世界一次能源消费90%以上的矿物燃料。
(月球上的一种物质,氦-3,据说是一种非常好的能源,无核危害且利于时间长,效率高)
3)、矿物燃料
在矿物燃料资源中煤炭是最丰富、最稳定和最可靠的资源。
根据英国石油公司1995年出版的《世界能源统计评论》提供的最新资料,1994年世界煤炭探明储量为10438亿t,按目前的生产水平,可满足200多年的消费需要。
我国已探明的煤炭储量(较新的数据)56000亿吨,按目前的生产水平,可满足700多年的消费需要。
世界的石油与天然气的储量则仅能满足40余年和60余年的消费需要,我国也仅几十年。
煤炭在世界上具有可采储量的国家有84个,而石油与天然气具有可采储量的国家分别为53个和42个。
据有关专家估算,采用热中子堆技术的铀也只能供应世界半个世纪左右的需要。
因此,煤炭在矿物燃料资源中的优势是无可比拟的。
3、社会发展需求预测
1)、煤炭开发利用存在的问题
目前,煤炭开发利用所面临的最大问题是全球环境问题。
80年代以来,首先在美国兴起的洁净煤技术,目前已发展为一种国际潮流,成为世界各国解决环境问题的主导技术。
美国研究开发的几十项洁净煤技术,绝大部分可望在本世纪前10年得到商业性应用,其它国家发展的洁净煤技术有相当一批业已成熟,美国预测,到2010年全世界洁净煤技术市场总值将达到达2700亿美元左右。
煤炭成为一种高效、洁净的能源已指日可待,彻底实现与环境的协调发展已为期不远,如水煤浆技术。
表52020年世界能源供需预测
能源种类
加速经济发展方案
重视环境方案
10亿tce
%
10亿tce
%
煤炭
石油
天然气
核能
水电
新能源
传统可再生能源
4.8
4.6
3.5
1.0
1.2
0.8
1.2
28.1
26.9
20.5
5.8
7.0
4.7
7.0
2.1
2.7
2.3
0.7
0.9
1.5
1.0
18.9
24.1
20.5
6.2
8.0
13.4
8.9
总计
17.1
100.0
11.2
100.0
2)、需求预测
基于上述原因,煤炭在世界一次能源中的重要地位将继续保持下去,仍将是新世纪世界经济发展的动力。
根据世界能源委员会1992年预测(表5),在加速经济发展条件下,到2020年煤炭占世界一次能源的比重将超过石油,重新成为第一能源。
4、中国的情况介绍
1)、概况
我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一,是世界上最大的煤炭生产国和消费国。
1994年煤炭产量达1239.9Mt,占世界总产量的27.9%,消费量1285.3Mt,占世界总消费量的26.6%;在国内占一次能源总产量的74.6%,占一次能源消费量的75.0%。
2)、储量与开采
我国是煤炭资源比较丰富、石油与天然气资源相对短缺的国家。
1500m深度内煤炭的总资源量约56000亿t,其中1000m深度内可靠和比较可靠的资源量约20000亿t。
据1993年全国油气资源评价结果,石油资源量88.8Gt,天然气资源量39000Gm3,探明程度分别只占总资源量的20%和3%。
在我国探明的矿物资源中,煤炭占到95%以上。
这就决定了我国在今后相当长的时期内必须以煤炭作为主要能源。
3)、用煤的情况
煤炭是我国工业化的燃料动力基础。
1994年用于生产建设的煤炭达1154.85Mt,占全国煤炭总消费量的89.85%。
其中发电用煤达400.53Mt,占煤炭总消费量的31.16%,为全国提供了76%的发电能源;炼焦用煤139.48Mt,占煤炭总消费量的10.85%;其它工业用煤542.8Mt,占煤炭总消费量的42.23%。
今后发电用煤将大幅度增长,预计2010年将达到960Mt。
煤炭是我国化学工业的主要原料。
1990年化学工业能源总消费量为89.56Mtce,其中煤和焦炭为49.66Mtce,煤电19.32Mtce,两项合计煤炭占化工能源总消费量的77.0%。
用作化工原料的能源为37.80Mtce,占化学工业能源总消费量的42.2%,其中煤炭和焦炭26.39Mtce,占化工原料总消费量的69.8%。
我国化工能源消费量的58%用于氮肥生产,而氮肥原料的2/3是煤。
煤炭是生产碳素制品、磺化煤、活性炭的主要原料。
另外,煤炭的衍生物可以生产农药、合成树脂、合成纤维、塑料、染料、化学药品等许多化工产品。
煤炭是我国主要的民用燃料。
1994年全国民用煤消费量为130.47Mt,占民用商品能源总消费量的60.5%。
今后,城镇民用能源直接烧煤的数量和所占比例将逐步减少,但间接用煤,如用电、煤气等还会增加,而且广大农村的民用能源正由生物质转向商品能源,民用煤的总量将继续增加。
煤炭正成为我国重要的出口商品。
1994年出口煤炭24.2Mt,占全国煤炭产量的1.95%,世界煤炭贸易量的5.9%;1995年煤炭出口量达到26Mt。
我国动力煤在国际市场特别是亚太市场具有竞争优势,2000年出口量超过了50Mt,成为世界第四大煤炭出口国。
十分清楚,煤炭在我国经济发展和社会发展中的地位与作用是显而易见的。
根据国民经济发展对能源需要的预测,我国煤炭最低的需求量2010年为3000M
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