第七章 矿山安全技术
第一节 矿山安全基础知识
一、概述
矿山是开采矿石或生产矿物原料的场所。一般包括一个或几个露天采场、地下矿山和坑口．以及保证生产所需要的各种附属设施(包括选矿厂、尾矿库和排土场等)。
按开采矿种的不同，矿山分为煤矿和金属非金属矿山。煤矿是生产煤炭的矿山，而金属非金属矿山则是开采金属矿石、放射性矿石、建筑材料、辅助原料、耐火材料及其他非金属矿物(煤炭除外)的矿山。按照开采方式的不同．矿山分为露天矿山和地下矿山及两者联合开采矿山。露天矿山是指在地表开挖区通过剥离围岩、表土等，采出矿物的采矿场及其附属设施；地下矿山(井工矿)则是以平硐、斜井、竖井等作为出入口，采出矿物的采矿场及其附属设施。按矿山规模大小，矿山可分为大型矿山．中型矿山和小型矿山。
二、矿山开采技术
矿床开拓就是指按照一定的方式和程序．建立地面与采矿场各工作水平之间的运输通道，以保证矿场正常生产的运输联系，并借助这些通道，及时准备出新的生产水平。露天矿床开拓主要分为铁路运输开拓、公路运输开拓和平硐溜井开拓；地下矿山矿床开拓方法大致可分为单一开拓和联合开拓两大类。
(一)露天开采
用一定的开采工艺，按一定的开采顺序，剥离岩石、采出矿石的方法。即在露天条件下，将埋藏较浅的矿石，从矿坑露天矿、山坡露天矿或剥离露天矿进行开采。包括挖掘一系列顺序的沟槽。
露天开采工艺．按作业的连续性，分间断式、连续式和半连续式。间断式开采工艺适用于各种地质矿岩条件；连续式工艺劳动效率高，易实现生产过程自动化，但只能用于松软矿岩；半连续式工艺兼有以上两者的特点，但在硬岩中，需增加机械破碎岩石的环节。
(二)地下开采矿山
1.井巷掘进的施工方法
根据施工方法及地层赋存条件的不同，井筒(或巷道)施工分为普通凿井法与特殊凿井法。普通凿井法是在稳定或含水较少的地层中采用钻眼爆破或其他常规手段凿井的方法。特殊凿井法是在不稳定或含水量很大的地层中，采用非钻爆法的特殊技术与工艺的凿井方法。通常采用的有冻结法凿井、钻井法凿井、注浆凿井法凿井。
1．普通凿井法
普通凿井法一般采用钻眼爆破的方法。在岩体上钻凿一定直径、一定深度及数量的炮眼，并在炮眼装入炸药，靠炸药爆炸的力量破碎岩体，从而达到井巷掘进的目的。它的优点是操作简单，易于掌握，设备简单，安全可靠，可以根据要求，在岩体中钻爆出不同形状，不同深度的井筒或巷道。
根据炮眼深度与直径的不同，我国将钻爆法分为浅孔爆破法、中深孔爆破法和深孔爆破法。炮眼直径小于50mm，深度小于2m时称为浅孔爆破，多用于井巷工程；炮眼直径小于50mm，深度2—4m称为中深孔爆破，多用于井筒及大断面硐室掘进；炮眼直径大于50mm、深度大于5m则称为深孔爆破，主要用于立井井筒及溜煤眼、大断面硐室以及露天开采的台阶爆破。
2．特殊凿井法
特殊凿井法是当井筒(或巷道)穿过不稳定含水地层时，一般是第四系和第三系，用普通凿井法无法通过时采用的特殊施工方法。通常指冻结法、钻井法、注浆法。
2.采矿方法
(1)井工采煤方法
井工煤矿采煤方法虽然种类较多，但归纳起来，基本上可以分为壁式、柱式两大体系。
1)壁式体系采煤法
根据煤层厚度不同，对于薄及中厚煤层，一般采用一次采全厚的单一长壁采煤法；对于厚煤层，一般是将其分成若干中等厚度的分层，采用分层长壁采煤法。按照回采工作面的推进方向与煤层走向的关系，壁式采煤法又可分为走向长壁采煤法和倾斜长壁采煤法两种类型。
(1)缓倾斜及倾斜煤层单一长壁采煤法。缓倾斜及倾斜煤层采用单一长壁采煤法所采用的回采工艺主要有炮采、普通机械化采煤(高档普采)和综合机械化采煤3种类型。在选择回采工艺方式时，应结合矿山地质条件、设备供应状况、技术条件以及技术管理水平和采煤系统统一考虑。
炮采工作面回采工序包括：破煤、装煤、运煤、推移输送机、工作面支护和顶板控制六大工序。
普通机械化采煤是用浅截式滚筒采煤机落煤、装煤，利用可弯曲刮板输送机运煤，使用单体液压支柱(或摩擦金属支柱)和铰接顶梁组成的悬臂式支架支护的采煤方法。
综合机械化采煤是指采煤的全部生产过程，包括落煤、装煤、运煤、支护、顶板控制以及回采巷道运输等全部实现机械化的采煤方法。
综合机械化放顶煤开采技术。我国放顶煤开采主要是指长壁综合机械化放顶煤开采(以下简称综放开采)。综放开采的实质是沿煤层底部布置一个长壁工作面，用综合机械化方式进行回采，同时充分利用矿山压力作用(特殊情况下辅以人工松动方法)，使工作面上方的顶煤破碎，并在支架后方(或上方)放落、运出工作面的一种井工开采方式。
2)柱式体系采煤法
柱式体系采煤法分为3种类型：房式、房柱式及巷柱式。房式及房柱式采煤法的实质是在煤层内开掘一些煤房，煤房与煤房之间以联络巷相通。回采在煤房中进行，煤柱可留下不采；或在煤房采完后，再回采煤柱。前者称为房式采煤法，后者称为房柱式采煤法。
2．金属非金属地下矿山采矿方法
根据矿石回采过程中采场管理方法的不同，金属非金属矿山地下采矿方法可分为空场采矿法、充填采矿法和崩落采矿法等。
1)空场采矿法
空场采矿法在回采过程中，采空区主要依靠暂留或永久残留的矿柱进行支撑，采空区始终是空着的，一般在矿石和围岩很稳固时采用。根据回采时矿块结构的不同与回采作业特点，空场采矿法又可分为全面采矿法、房柱采矿法、留矿采矿活、分段矿房法和阶段矿房法等。
(1)全面采矿法。在薄和中厚的矿石和围岩均稳固的缓倾斜(倾角一般小于30‘)矿体中，应用全面采矿法。该方法的特点是：工作面沿矿体走向或倾向全面推进，在回采过程中将矿体中的夹石或贫矿留下，呈不规则的矿柱以维护采空区，这些矿柱一般作永久损失，不进行回采。
(2)房柱采矿法。房柱采矿法用于开采水平和倾斜的矿体，在矿块或采空区矿房和矿柱交替布置，回采矿房时，留连续的或间断的规则矿柱，以维护顶块岩石。它比全面采矿法适用范围广，不仅能回采薄矿体，而且可以回采厚和极厚矿体。矿石和围岩均稳固的水平和缓倾斜矿体，是这种采矿方法应用的基本条件。
(3)留矿采矿法。工人直接在矿房暴露面下的留矿堆上作业，自下而上分层回采，每次采下的矿石靠自重放出1／3左右，其余暂留在矿房中作为继续上采的工作台。矿房全部回采后，暂留在矿房中的矿石再行大量放出，即大量放矿。这种采矿方法适用于开采矿石和围岩稳固、矿石无自燃性、破碎后不结块的急倾斜矿床。
(4)分阶段矿房法。分阶段矿房法是按矿块的垂直方向，再划分为若干分段；在每个分段水平布置矿房和矿柱，中分段采下的矿石分别从各分段的出矿巷道运出。分段矿房回采结束后，可立即回采本分段的矿柱并同时处理采空区。
(5)阶段矿房法。阶段矿房法是用深孔回采矿房的空场采矿法。根据落矿方式的不同又可分为水平深孔阶段矿房法和垂直深孔阶段矿房法。前者要求在矿房底部进行拉底，后者除拉底外，有的还需在矿房的全高开出垂直切割槽。
2)崩落采矿法
崩落采矿法是以崩落围岩来实现地压管理的采矿方法，即随着崩落矿石，强制(或自然)崩落围岩充填采空区，以控制和管理地压。主要包括单层崩落法、分层崩落法、分段崩落法、阶段崩落法。
(1)单层崩落法。单层崩落法主要用来开采顶板岩石不稳固、厚度一般小于3m的缓倾斜矿层。将阶段矿层划分成矿块，矿块回采工作按矿体全厚沿走向推进。当回采工作面推进一定距离后，除保留回采工作所需的空间外，有计划地回收支柱并崩落采空区的顶板，用崩落顶板岩石充填采空区，以控制顶板压力。按工作面形式可分为长壁式崩落法、短壁式崩落法和进路式崩落法。
(2)分层崩落法。分层崩落法按分层由上向下回采矿块，每个分层矿石采出之后，上面覆盖的崩落岩石下移充填采矿区。分层回采是在人工假顶保护下进行的，将矿石与崩落岩石隔开，从而保证了矿石损失和贫化的最小化。
(3)有底柱分段崩落法。此法也称有底部结构的分段崩落法，其主要特征是：按分段逐个进行回采；在每个分段下部设有出矿专用的底部结构。分段回采由上向下逐分段依次进行。该采矿方法又可分为水平深孔落矿有底柱分段崩落法与垂直深孔落矿有底柱分段崩落法。
(4)无底柱分段崩落法。无底柱分段崩落法中分段下部未设有专用出矿巷道所构成的底部结构；分段的凿岩、崩矿和出矿等工作均在回采巷道中进行。
(5)阶段崩落法。其基本特征是回采高度等于阶段全高。可分为阶段强制崩落法与阶段自然崩落法。阶段强制崩落法又可分为设有补偿空间的阶段强制崩落法和连续回采的阶段强制崩落法。
3)充填采矿法
随着回采工作面的推进，逐步用充填料充填采空区的采矿方法叫充填采矿法。有时还用支架与充填料相配合，以维护采空区。充填采空区的目的，主要是利用所形成的充填体进行地压管理，以控制围岩崩落和地表下沉，并为回采创造安全和便利的条件。有时还用来预防有自燃矿石的内因火灾。按矿块结构和回采工作面推进方向充填采矿法又可分为单层充填采矿法、上向分层充填采矿法、下向分层充填采矿法和分采充填采矿法。按采用的充填料和输出方式不同，又可分为干式充填采矿法、水力充填采矿法、胶结充填采矿法。
(1)单层充填采矿法。此法适用于缓倾斜薄矿体，在矿块倾斜全长的壁式回采面沿走向方向、一次按矿体全厚回采，随工作面的推进、有计划地用水力或胶结充填采空区，以控制顶板崩落。
(2)上向水平分层充填采矿法。此法一般将矿块划分为矿房和矿柱，第一步骤回采矿房，第二步骤回采矿柱。回采矿房时，自下向上水平分层进行，随着工作面向上推进，逐层充填采空区，并留出继续上采的工作空间。充填体维护两帮围岩，并作为上采的工作平台。崩落的矿石落在充填体的表面上，用机械方法将矿石运至溜井中。矿房采到最上面分层时，进行接顶充填。矿柱则在采完若干矿房或全阶段采空后，再进行回采。矿房的充填方法，可用干式充填、水力充填或胶结充填。
(3)上向倾斜分层充填采矿法。这种方法与上向水平分层充填法的区别是，用倾斜分层回采，在采场内矿石和充填料的动搬主要靠重力。这种方法只能用干式充填。
(4)下向分层充填采矿法。这种方法适用于开采矿石很不稳固或矿石和围岩均很不稳固，矿石品位很高或价值很高的有色金属或稀有金属矿体。这种采矿方法的实质是从上往下分层回采和逐层充填，每一分层的回采工作是在上一分层人工假顶的保护下进行。回采分层水平或与水平成4°～10°或10°～15°倾角。倾斜分层主要是为了充填直接顶，同时也有利于矿石运搬，但凿岩和支护作业不如水平分层方便。
(5)分采充填采矿法。当矿脉厚度小于0．3～0．4m时，只采矿石工人无法在其中工作，必须分别回采矿石和围岩，使其采空区达到允许工作的最小厚度(0．8～0．9m)，采下的矿石运出采场，而采掘的围岩充填采空区，为继续上采创造条件，这种采矿法就为分采充填法。
(6)方框支架充填采矿法。开采薄矿脉过去多采用横撑支柱或木棚支架采矿法。在矿体厚度较大，矿石和围岩极不稳固，矿体形态极其复杂，矿石贵重等条件下，这种采矿方法是开采薄矿脉的有效方法。
3.液体开采
又称特殊采矿法。是从天然卤水里、湖里、海洋里或地下水中提取有用的物质；将有用矿物加以溶解(或热水融化)，再将溶液抽至地面后进行提取；用热水驱、气驱或燃烧，把矿物质从一个井孔驱至另一井孔中采出。大多数液体采矿是用钻井法进行的。
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