水力採煤法
正文
在井下用水射流擊碎煤體或兼用水力運輸提升，簡稱水采。1935年蘇聯穆奇尼克創議試驗井下水力採煤。1939年在頓巴斯礦區建成了世界上第一座工業試驗水採礦井。1952年後，又有一批水採礦井相繼投產。近年蘇聯水力採煤年總產量達1000萬噸以上。1957年中國在開灤和萍鄉試用水采成功，以後逐步推廣。70年代，中國在發展綜采（見煤回採工藝）的同時，繼續在急傾斜煤層和地質條件多變的不規則煤層中發展水采。目前，中國已積累了較完整的水采技術經驗，並研製了系列設備。1980年後水力採煤年總產量約為500萬噸。水力採煤法用水射流進行落煤運煤，人員無需進入工作面，從而發展了柱式採煤法的優點，消除了工作面支護、頂板管理和裝運作業工序，使採煤作業工序簡化。同時，水力運、提可使礦井裝、運、提升作業實現集中化，簡化礦井生產環節。水采方法的主要優點是：機械化程度較高且較易於自動化；空氣的含塵量低，生產比較安全可靠，事故率和傷亡率較旱採礦井低；一套生產系統的能力較大，常達30～75萬噸／年以上，其成本和效率指標也較旱採為優；一套水採區生產系統的初期投資低於綜采採區；對地質構造的適應能力較強，和地面洗煤系統配套生產，效果較好。缺點是：通風系統不完善；回採率低，只有60％左右；僅適用於中等穩定以上的直接頂板，範圍較窄；巷道掘進率高，準備工作量大；噸煤電耗和粉煤率較高、輔助運輸的機械化程度較低。當前水力採煤法的主要適用條件為：煤層厚 1～8m，傾角超過6°～8°、頂底板較好、瓦斯不大的軟或中硬煤層。在大傾角或不規則煤層中水采的效果優於傳統採煤方法。
水采同綜采一樣，受到各國重視。除中、蘇外，日本、聯邦德國、加拿大、波蘭等國均已試用，美國也正籌劃試用。當前各國主要致力於試驗液壓遙控式、程式自控式和高壓脈衝式等新型自移水槍和大直徑水力鑽機；試驗超高壓細射流與綜采相結合的採煤工藝；以及研究水采地壓規律和改進水力採煤方法（見礦井自動化）。
水采生產系統 LW型水槍是最常用的水力落煤工具，水槍由高壓泵供水。水槍噴出的高速射流衝擊並破碎煤體。碎落的煤體與水混合成煤漿回流入巷道中的溜槽，並匯集於採區或礦井的煤水倉。煤漿用煤水泵或其他方式輸送到地面脫水車間或選煤廠，經處理後,煤外運,水澄清復用。水槍靠人力或液控系統操縱，槍筒可作垂直和水平鏇轉，使射流衝擊指定地點。
水槍工作壓力 水槍噴嘴出口處的水壓。工作壓力必須超過一定的數值,才能使射流有明顯的破煤效果。煤質愈軟,愈脆,裂隙愈發育，所需的工作壓力也愈低。低於30kgf/cm2的低壓射流只能沖運鬆軟的煤或砂土;30～500kgf/cm2的中高壓射流可以破碎煤和較軟弱的頁岩。高於500kgf/cm2的超高壓射流則可在煤岩中截縫或鑽孔。目前水力採煤所用的工作壓力一般為60～150kgf/cm2。
水槍射程 噴嘴至煤壁的距離。射程超過一定值後，衝擊壓力和射流破煤能力（也稱水槍生產能力）均隨射程的增大而衰減；噴嘴直徑愈大，衰減愈緩慢。射流破煤能力與工作壓力、射程、噴嘴直徑、煤質軟硬的關係見圖1。射流破煤能力開始急劇降低時的射程稱有效射程。現用水槍的有效射程一般為 15～20m。水槍的最大實際工作射程應小於有效射程。提高水壓，增大噴嘴直徑，能增大有效射程。中國常使供水泵集中向一個噴嘴供水，以求儘量增大噴嘴直徑，改善落煤效果。但噴嘴直徑過大將使水泵的工作狀況點不合理而造成不利後果。中國常用噴嘴直徑為19～30mm(加拿大為38mm)。水采的供水泵通常為分級離心泵。中國現用GZ、GD泵的額定流量為270～300m3/h，泵壓為42～120kgf/cm2；串聯時最高泵壓可達210kgf/cm2，性能優良。
水力採煤法
水力採煤法走向短柱式 在區段中由分段上山開掘坡度為5～7%、間距為 10～18m的回採巷；然後用設於回採巷中的水槍分垛後退，回採其上幫的采垛。巷道支護、移槍、回收支架等與上法相似。新鮮風流清洗工作面後，經採空區竄流到迴風巷排走。如竄風量不足，可增設局扇。區段內通常布置有2～3個生產工作面；交錯採煤，只保持單台水槍進行沖采工作。生產工作面間的錯距，視安全條件和地壓情況而異,一般為15～30m。地壓大、巷道維護困難時，可縮小為6～12m。
回採巷間距和移槍步距直接決定著采垛面積和水槍最大工作射程。確定采垛參數時應使最大工作射程不超過有效射程，並且力求使采垛面積小於其頂板允許懸露面積。水采方法的回採巷處於采動的疊加應力區，一般較難維護。適當增大回採巷的間距有利於減少掘進和維護的工作量。因此，常用移槍步距為3～6m,回採巷的間距則擴大為12～20m以上。另外,在開採周期來壓（見長壁工作面地壓）明顯，回採巷道不易維護的煤層時，常採用幾個採區交替作業。
和走向短柱式相比，傾斜短柱式的掘進率較低，落煤效果較好；但煤層厚，傾角大時，有自採空區下竄矸石的危險，回採巷中煤水也易濺出溜槽傷人。此外該法對地質變化的適應能力不如走向短柱式。一般限用於傾角小於15°～25°,層厚為1.5～4.5m的煤層。其他煤層用走向短柱式。
走向短柱式在開掘回採巷時需同時保證其坡度和間距。如煤層傾角較小,回採巷較長或遇有地質變化時,往往難以保證其合理間距。採用增開間距為60～100m的分段上山，可解決此困難，並可有助於改善採掘接續。
水力運輸、提升 指通過輸送固體和水的混合液來完成碎煤的運、提工作，一般包括混合、輸送和脫水三個環節。混合液流中的固體顆粒受到水流紊動力的推攜，流速愈高，紊動力愈大。流速超過一定值時，其推攜力超過固體顆粒的運動阻力，並使固體隨水流動。此速度稱為臨界流速。固體的粒度和比重愈大，淹沒體積比愈小，輸送通道愈粗糙，所需臨界流速愈高。混合液通過通道的能耗習稱阻力損失。選擇合理的流速、濃度、粒度級配以及改善管路的狀況是改善水力運輸提升經濟效益的主要途徑。
水力運提的優點是：運輸連續、能力大、占地少、基建投資較省、環節少、管理集中、易於自動化以及無飛揚的煤塵。缺點是：增加了混合和脫水作業、用水量大、細粒的脫水和廢水的澄清處理比較複雜、水運設備的效率較低、經營費有時較高。視混合液在輸送通道中是否直接與大氣相通，可分為明流運輸和承壓運輸兩類。
明流運輸 混合液多靠自然或人為坡度沿明槽向下流運。其流速主要取決於溜槽的坡度。保證溜槽水力運煤所需的最小坡度為2～5％。由於水力採煤時其煤漿濃度、煤矸塊度和煤漿流量的變化頗大，採用最小坡度的溜槽易發生淤塞。為減少淤塞幾率,聯邦德國、加拿大等常使破碎機緊跟水槍，中國常把溜槽坡度加大為5～7％以上。
明流運輸可節約動力和設備、費用低、需人少、輸送能力較大,對輸送粒度的限制也較寬,較適於水采使用。但明流運輸只能使貨載下運，且其巷道坡度較大，給掘進、運料和開採工作帶來一定困難。流運距離愈長，則不利性愈顯著，只限用於採區或礦井的翼長短於千米的條件。
承壓運輸 一般靠壓差來驅動混合液，分為下列數類：
① 管路自流運輸 混合液靠自然壓差沿封閉管道向下流運。流運中其部分勢能差可轉化為壓能，驅動混合液通過後續的水平或上升管路。此法多用於水砂充填或急傾斜水採礦井。
② 煤水泵運提 用煤水泵使全部煤漿升壓，靠其與出口端的壓差驅動煤漿。受煤水泵葉輪口徑的限制，其最大容許排煤粒度一般為30～50mm。目前尚無確定合理經濟流速的可靠方法，中國經驗認為以2.5m/s左右為好。
煤水泵的排量比較穩定。為適應水采來漿量的波動，需設有一定容量的煤水倉。按倉中液面高於或低於煤水泵，分為壓入式與吸入式兩類。吸入式煤水倉結構較簡單，投資較省，為蘇聯等國採用。但是其水力運提的平均煤水比較低，一般小於1:5～1:6；經濟效益較差。中國多採用壓入式煤水倉，其平均煤水比一般為 1:3左右，如再輔以定量給煤機,甚至可高達1:1左右。另外中國還成功地套用了閉路循環式煤水倉。
普通的煤水泵和煤水管路易於磨損，壽命較短，中、蘇等國現採用改進泵的設計和在泵殼及煤水管中加耐磨襯套等措施來解決。
③ 餵煤機提升 塊煤不通過泵體，而是以一定方式直接混入承壓輸送液流。餵煤機的種類很多，目前實際套用的有中國製造FS－25型定倉式餵煤機和管式餵煤機。其排煤過程為:用原煤或塊煤裝滿倉或管,關倉、管通入承壓水流或煤泥水,排走倉、管中貯煤,再次開倉、管裝煤。裝倉、管時外溢的溢流水中挾有大量煤泥需加以處理。餵煤機通常以數倉、數管交替進行裝排作業。
此外，還有輕液提升，也稱壓氣提升，是把壓氣輸入排煤管路，靠氣泡的上升膨脹推力驅動煤漿。重液提升，是把煤直接壓送到配製成的比重較煤略大的重液中使煤自行浮升。輕、重液提升尚處於試驗階段。
