煤层开采水平设置——黑金刚播报
发布时间：
2025-07-26
前言
在采矿工程领域，阶段、开采水平以及开采水平垂高是极为重要的概念，它们深刻影响着矿井开采的效率、成本与安全性。阶段，指的是沿一定标高划分的一部分井田，宛如将井田这一“大蛋糕” 按特定高度切分成的长条状部分 ，是井田在垂直方向上划分的基本单元。而开采水平，则是运输大巷及井底车场所在的水平位置及所服务的开采范围，它就像是矿井中的一个 “枢纽层”，统筹着该水平位置周边区域的开采作业。开采水平垂高，即开采水平上下边界之间的垂直距离，这一数据直接关联着开采的工程量、成本以及后续的运营管理难度，是衡量开采方案优劣的关键指标之一。这些基础概念构成了矿井开拓设计的基石，只有精准把握它们，才能在后续的开采工作中做到有条不紊，实现资源的高效开采与利用。
（图片来自慕课中国矿业大学 采矿学 屠世浩、方志军、郑西贵、王旭峰、彭洪阁、袁永 )
不同煤层条件下的开采水平设置
近水平煤层
近水平煤层由于其自身垂高不大的特性，在开采规划中存在多种可行的方式。一种常见的做法是不划分阶段，直接将井田分为盘区或带区。这种方式省略了阶段划分的步骤，简化了开采布局，使得开采工作可以更直接地展开，减少了因阶段划分带来的复杂巷道布置和开采衔接问题。例如在一些煤层赋存较为稳定、厚度变化不大的近水平煤层区域，采用这种直接分区的方式，能够快速建立开采系统，提高开采效率。
当煤层不多，且层间距不大时，单水平开拓是一种经济且高效的选择。在这种情况下，一个开采水平就能够覆盖整个开采范围，运输大巷及井底车场所在的这一个水平位置，便能统筹服务于所有相关区域的开采作业，极大地降低了开拓成本，减少了多个水平之间的联络巷道建设以及设备配置。以某矿区为例，该区域煤层仅有两三层，层间距在合理范围内，采用单水平开拓后，不仅缩短了建设周期，还降低了后期的运营管理成本。
然而，若遇到开采煤组较多的情况，为了实现更合理的开采布局和资源利用，就需要按煤组设置开采水平，形成多水平开拓的格局。不同的煤组因其赋存条件、煤质等因素的差异，适合在不同的水平进行开采。此时，开采水平垂高为两个水平间的垂直距离，这一垂高与煤层的斜长没有直接关系，主要取决于煤组之间的相对位置以及开采工艺的要求。通过多水平开拓，可以针对每个煤组的特点制定专属的开采方案，提高煤炭资源的回收率，保障开采的安全性和高效性。
缓倾斜及中斜煤层
（图片来自慕课中国矿业大学 采矿学 屠世浩、方志军、郑西贵、王旭峰、彭洪阁、袁永 )
对于缓倾斜及中斜煤层，开采水平的设置情况较为多样。在常规情况下，当一个开采水平只采一个上山阶段时，阶段垂高就是开采水平垂高。这种模式下，开采作业相对集中在一个阶段内，便于管理和设备的调配，通风、运输等系统的布置也相对简单。例如，在某煤矿的开采实践中，该区域煤层倾角处于缓倾斜范围，采用一个开采水平对应一个上山阶段的方式，使得采煤工作面的推进更加顺畅，生产效率得到了有效保障。
当采用上下山同采时，一个开采水平则服务于上、下山两个阶段开采，此时开采水平高度就是上、下山两个阶段的高度之和。这种方式增加了开采的范围，充分利用了井田内的煤炭资源，但也对开采技术和管理提出了更高的要求。在下山开采部分，由于存在上向运输、排水以及下向通风、掘进等困难，需要配备更强大的提升设备、排水设施以及合理的通风系统设计。不过，通过科学合理的规划和先进技术的应用，这种上下山同采的方式能够显著提高矿井的产量和资源利用率。
在极少数情况下，一个开采水平还可能服务于两个上山阶段开采，此时除需要设置辅助水平外，水平高度为总垂高。这种复杂的开采布局通常是由于特殊的地质条件或资源分布情况所决定的。设置辅助水平可以帮助解决不同阶段之间的运输、通风和开采衔接问题，确保整个开采过程的顺利进行。但同时，这种方式也会增加巷道掘进工程量、设备投入以及管理的复杂性，需要综合考虑各方面因素后谨慎采用。
影响开采水平设置的关键因素
煤层赋存条件
煤层赋存条件是影响开采水平设置的基础因素，其中煤层厚度、倾角、稳定性起着关键作用。煤层厚度直接关系到煤炭储量以及开采的经济效益。较厚的煤层通常能够提供更丰富的煤炭资源，使得在设置开采水平时，可以考虑更大的开采范围和更高的生产能力。例如，一些厚煤层区域，在开采水平设置时，可以采用更大型的开采设备和更高效的开采工艺，以充分挖掘煤层的潜力。而对于薄煤层，由于煤炭储量相对较少，开采难度较大，在开采水平设置时，可能需要更加注重开采的精细化和高效性，以降低开采成本。
煤层倾角对开采水平的设置也有着重要影响。不同倾角的煤层，适用的开采方法和设备不同，进而影响开采水平的划分。对于近水平煤层，由于其倾角较小，开采过程中的运输、通风等系统相对简单，可以采用较为灵活的开采布局，如前文提到的直接分为盘区或带区。而随着煤层倾角的增大，开采难度逐渐增加，在设置开采水平时，需要更加谨慎地考虑运输方式、巷道布置以及设备的选型等问题。例如，对于急倾斜煤层，在开采水平设置时，可能需要设置更多的辅助巷道和设备，以解决煤炭运输和人员通行的问题。
煤层的稳定性同样不容忽视。稳定的煤层在开采过程中，开采条件相对一致，有利于采用标准化的开采工艺和设备，从而简化开采水平的设置。而不稳定的煤层，如存在断层、褶皱等地质构造，会导致煤层厚度、倾角等参数发生变化，增加开采的不确定性和难度。在这种情况下，开采水平的设置需要更加灵活，可能需要根据煤层的变化情况，设置多个开采水平或辅助水平，以确保煤炭的安全开采。
地质条件
地质条件是影响开采水平划分的重要因素，其中断层、褶皱、瓦斯含量等地质因素都有着显著的影响。断层的存在会破坏煤层的连续性，使得开采工作变得复杂。当断层落差较大时，可能会导致煤层在断层两侧的位置发生较大变化，从而影响开采水平的布置。例如，在遇到断层时，可能需要重新规划巷道的走向，甚至需要设置辅助水平来连接断层两侧的开采区域。此外，断层处的岩石破碎，容易引发顶板垮落等安全事故，因此在开采水平设置时，需要充分考虑断层的位置和性质，采取相应的支护和安全措施。
褶皱构造会使煤层的形态发生改变，形成背斜和向斜。在背斜部位，煤层相对较薄，顶板压力较大；而在向斜部位，煤层相对较厚，但可能存在积水等问题。因此，在设置开采水平时，需要根据褶皱的形态和煤层的变化情况，合理选择开采区域和布置巷道，以确保开采的安全和高效。例如，在向斜区域开采时，需要加强排水设施的建设，防止积水对开采工作造成影响。
瓦斯含量也是影响开采水平设置的关键因素之一。高瓦斯含量的煤层，在开采过程中存在瓦斯爆炸、瓦斯突出等安全风险，因此需要采取更加严格的通风和瓦斯治理措施。在设置开采水平时，需要考虑瓦斯的分布情况，合理划分通风区域，确保瓦斯能够及时排出。例如，对于瓦斯含量较高的区域，可以设置专门的瓦斯抽采系统和通风巷道，以降低瓦斯浓度，保障开采安全。此外，还需要配备先进的瓦斯监测设备和预警系统，实时监测瓦斯浓度的变化，及时采取措施应对突发情况。
开采技术与装备水平
开采技术与装备水平的高低，对开采水平设置起着关键作用。随着科技的不断进步，先进的开采技术和装备不断涌现，为开采水平的优化设置提供了有力支持。自动化开采技术的应用，极大地提高了开采效率和安全性。通过自动化控制系统，采煤机、掘进机等设备可以实现远程操作和自动控制，减少了人工干预，降低了劳动强度和安全风险。在设置开采水平时，自动化开采技术使得开采范围可以更加灵活地确定，能够适应更复杂的地质条件。例如，在一些大型煤矿中，采用自动化开采技术后，可以实现一个开采水平服务于更大的区域，减少了开采水平的数量，降低了建设成本和运营成本。
高效的运输设备和通风系统，也是影响开采水平设置的重要因素。先进的皮带运输系统可以实现煤炭的快速、连续运输，提高了运输效率，使得开采水平的煤炭运输能力得到提升。而强大的通风系统则能够确保井下空气质量良好，为开采人员提供安全的工作环境。在设置开采水平时，高效的运输和通风设备可以支持更大规模的开采，使得开采水平的服务范围得以扩大。例如，在一些深部矿井中，采用大功率的通风机和高效的通风网络，可以有效地解决深部开采的通风难题，为开采水平的合理设置提供了保障。
此外，先进的探测技术和信息化管理系统，也为开采水平设置提供了重要依据。通过地质雷达、瞬变电磁等探测技术，可以更加准确地掌握煤层的赋存状态和地质构造情况，为开采水平的划分提供科学依据。而信息化管理系统则可以实时监控开采过程中的各项数据，实现对开采水平的动态管理和优化调整。例如，利用信息化管理系统，可以根据开采进度和煤炭储量的变化，及时调整开采水平的开采计划，提高资源利用率。
资源 / 储量和生产能力
资源储量大小和生产能力高低与开采水平设置密切相关。丰富的资源储量是设置合理开采水平的基础，它决定了开采水平的服务年限和开采规模。当资源储量较大时，在设置开采水平时，可以考虑采用较大的开采水平垂高和较长的服务年限，以减少开采水平的建设次数，降低成本。例如，在一些大型煤田，由于煤炭储量丰富，采用了较大的开采水平垂高，一个开采水平可以服务几十年甚至上百年，实现了煤炭资源的长期稳定开采。
生产能力则直接影响着开采水平的设置和运营。较高的生产能力要求开采水平具备高效的开采系统和运输能力。在设置开采水平时，需要根据矿井的生产能力目标，合理规划采煤工作面的数量、规模以及运输系统的配置。例如，对于生产能力较大的矿井，可能需要设置多个采煤工作面，并且配备大运量的运输设备，以确保煤炭能够及时采出并运输到地面。同时，生产能力的高低也会影响开采水平的接替规划，为了保证矿井的持续稳定生产，需要在当前开采水平的生产能力下降之前，及时规划和建设新的开采水平。
资源储量和生产能力之间也存在着相互制约的关系。如果资源储量有限，而生产能力过高，可能会导致资源过早枯竭，影响矿井的可持续发展；反之，如果生产能力过低，而资源储量丰富，则会造成资源的浪费和开采成本的增加。因此，在设置开采水平时，需要综合考虑资源储量和生产能力，实现两者的优化匹配，以达到最佳的经济效益和资源利用效率。
小结
煤层开采水平设置是一项复杂而系统的工程，需要综合考虑煤层赋存条件、地质条件、开采技术与装备水平以及资源 / 储量和生产能力等多方面因素。对于近水平煤层，垂高不大时可直接分为盘区或带区，煤层不多且层间距不大宜采用单水平，煤组多则需按煤组设置多水平开拓 ；缓倾斜及中斜煤层，一个开采水平可采一个上山阶段、上下山同采或极少数情况下采两个上山阶段，但每种方式都有其特定的适用条件和技术要求。煤层赋存条件中的厚度、倾角、稳定性，地质条件里的断层、褶皱、瓦斯含量，开采技术与装备水平中的自动化技术、运输通风设备以及探测和管理系统，还有资源 / 储量和生产能力的相互关系，都在不同程度上左右着开采水平的设置决策。
（文章参考了 慕课中国矿业大学 采矿学 屠世浩、方志军、郑西贵、王旭峰、彭洪阁、袁永的课件 )
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