地下煤炭生產首先從通道隧道或平坑開始，從地表露頭開採到煤層中。 然而，將煤炭運到地表的運輸方式不當以及蠟燭和其他明火燈點燃甲烷的風險越來越大所造成的問題限制了早期地下礦井的開採深度。
工業革命期間對煤炭需求的增加刺激了豎井掘進以獲得更深的煤炭儲量，到 1970 世紀中葉為止，世界煤炭產量的更大比例來自地下作業。 在 1980 年代和 1990 年代期間，新的露天煤礦產能得到廣泛發展，特別是在美國、南非、澳大利亞和印度等國家。 然而，在 1990 世紀 45 年代，人們對地下採礦的興趣重新燃起，導致在原地表礦山的最深處開發新礦山（例如，在澳大利亞昆士蘭州）。 在 30 世紀 95 年代中期，地下採礦約佔全球硬煤開採總量的 XNUMX%。 實際比例差異很大，從澳大利亞和印度的不到 XNUMX% 到中國的 XNUMX% 左右。 出於經濟原因，褐煤和褐煤很少在地下開採。
地下煤礦主要由三個部分組成：生產區； 煤運至豎井腳下或下降； 以及將煤提升或輸送到地面。 生產還包括允許進入礦山未來生產區域所需的準備工作，因此代表最高級別的個人風險。
礦山開發
進入煤層的最簡單方法是從地表露頭進入煤層，在上覆地形陡峭且煤層相對平坦的地區，這種技術仍在廣泛使用。 一個例子是美國西弗吉尼亞州南部的阿巴拉契亞煤田。 在這一點上，煤層中使用的實際採礦方法並不重要； 重要的因素是可以以低廉的成本和最少的施工工作獲得通道。 平坑也常用於技術含量低的採煤區，平坑開採過程中產生的煤炭可用於抵消其開發成本。
其他通道包括斜坡（或坡道）和豎井。 選擇通常取決於正在開采的煤層的深度：煤層越深，開發車輛或帶式輸送機可以運行的分級斜坡的成本就越高。
豎井開鑿，其中豎井從地表垂直向下開採，既昂貴又耗時，並且從施工開始到開採第一塊煤之間需要更長的準備時間。 在煤層很深的情況下，如在大多數歐洲國家和中國，豎井通常必須穿過覆蓋在煤層上的含水岩石。 在這種情況下，必須使用地面凍結或灌漿等專業技術來防止水流入豎井，然後用鋼圈或澆注混凝土襯砌以提供長期密封。
斜坡通常用於進入對於露天採礦而言太深但仍相對接近地表的煤層。 例如，在南非的 Mpumalanga（德蘭士瓦東部）煤田，可開採煤層的深度不超過 150 米； 在某些地區，它們是從露天開采的，而在另一些地區，則必須進行地下開採，在這種情況下，通常使用斜坡為採礦設備提供通道，並安裝用於將切割的煤運出礦井的皮帶輸送機。
斜坡與平坑的不同之處在於它們通常是在岩石中開挖，而不是煤炭（除非煤層以恆定速率傾斜），並且以恆定的坡度開採以優化車輛和輸送機的通道。 自 1970 年代以來的一項創新是使用在斜坡上運行的帶式輸送機來進行深礦生產，該系統在容量和可靠性方面優於傳統的豎井提升。
採礦方法
地下採煤包括兩種主要方法，其中的許多變化已經發展到解決個別作業中的採礦條件。 房柱法開採涉及在規則網格上開採隧道（或道路），通常會留下大量柱子以長期支撐屋頂。 長壁開採實現了對大部分煤層的完全開採，導致頂板岩石坍塌到採空區。
房柱式採礦
房柱式採煤是最古老的地下採煤系統，也是第一個使用常規頂板支撐概念來保護礦工的系統。 房柱式採礦這個名字來源於留在規則網格上的煤柱，以提供 現場 對屋頂的支持。 它已經發展成為一種高產、機械化的方法，在一些國家，它佔地下總產量的很大一部分。 例如，美國 60% 的地下煤炭產量來自房柱式煤礦。 就規模而言，南非一些礦山的年裝機容量超過 10 萬噸，來自 6 m 厚煤層的多生產段作業。 相比之下，美國的許多房柱式煤礦規模較小，煤層厚度低至 1 米，能夠根據市場情況迅速停止和重啟生產。
房柱式採礦通常用於較淺的煤層，在這種情況下，上覆岩石對支撐柱施加的壓力不會過大。 與長壁開採相比，該系統有兩個主要優勢：靈活性和固有安全性。 它的主要缺點是煤炭資源的回收只是部分的，精確的量取決於地表以下煤層的深度和厚度等因素。 高達 60% 的回收率是可能的。 如果在提取過程的第二階段將柱子開采出來，那麼 XNUMX% 的回收率是可能的。
該系統還能夠實現各種複雜程度的技術，從勞動密集型技術（如“籃式採礦”，其中包括煤炭運輸在內的大部分採礦階段都是人工進行的）到高度機械化的技術。 可以使用炸藥或連續採煤機從隧道掌子麵挖掘煤炭。 車輛或移動帶式輸送機提供機械化煤炭運輸。 屋頂螺栓和金屬或木材捆紮帶用於支撐車行道屋頂和開闊跨度較大的車行道之間的交叉點。
一台連採機包含一個切割頭和安裝在履帶上的煤炭裝載系統，重量通常為 50 至 100 噸，具體重量取決於其設計的工作高度、裝機功率和所需的切割寬度。 有些配備了車載錨桿安裝機，在採煤的同時提供頂板支撐； 在其他情況下，順序使用單獨的連採機和錨桿機。
運煤船可以通過臍帶電纜供電，也可以由電池或柴油發動機供電。 後者提供了更大的靈活性。 煤從連續採煤機的後部裝入車輛，然後車輛將有效載荷（通常為 5 至 20 噸）運送到主皮帶輸送機系統的進料斗很短的距離。 破碎機可以包含在料斗進料器中，以破碎可能阻塞滑槽或進一步損壞輸送系統沿線的傳送帶的超大煤或岩石。
車輛運輸的替代方案是連續運輸系統，這是一種安裝在履帶上的柔性分段輸送機，可將切煤直接從連續採煤機運輸到料斗。 這些在人員安全和生產能力方面具有優勢，出於同樣的原因，它們的使用正在擴展到長壁通道開發系統。
巷道被開採到 6.0 m 的寬度，通常是煤層的全高。 支柱尺寸取決於表面以下的深度； 在 15.0 m 中心上的 21.0 m 方形支柱將代表淺層低煤層礦井的支柱設計。
長壁採礦
長壁採礦被廣泛認為是二十世紀的發展； 然而，這個概念實際上被認為是在 200 多年前就已經開發出來的。 主要進步是早期的作業主要是人工操作，而自 1950 年代以來，機械化水平已提高到現在長壁工作面已成為一種高生產率裝置的階段，只需極少數工人即可操作。
與房柱式開採相比，長壁開採有一個壓倒一切的優勢：它可以一次實現面板的完全提取，並在總煤炭資源中回收更高的比例。 然而，由於開發和裝備現代長壁工作面涉及的資本成本很高（在某些情況下超過 20 萬美元），該方法相對不靈活，需要大量可開採資源和有保證的銷售才能實現。
雖然過去單個礦山經常同時經營多個長壁工作面（在波蘭等國家/地區，在許多情況下每個礦山超過 XNUMX 個），但目前的趨勢是將採礦能力整合到更少的重型設備中。 這樣做的好處是減少了勞動力需求以及對地下基礎設施開發和維護的需求減少。
在長壁開採中，隨著煤層被采出，頂板被故意塌陷； 只有主要的地下通道受到支撐柱的保護。 通過雙腿或四腿液壓支架在長壁工作面上提供頂板控制，這些液壓支架承受上覆頂板的直接載荷，允許其部分分佈到未開採工作面和麵板兩側的支柱，並保護工作面設備和人員從支持線後面倒塌的屋頂。 採煤機由電動採煤機切割，通常配備兩個採煤滾筒，每次通過工作面可采出厚度達 1.1 米的煤條。 採煤機運行並將切割的煤裝載到裝甲輸送機上，該輸送機在每次切割後通過工作面支撐的順序移動向前蛇行。
在工作面端，切下的煤被轉移到皮帶輸送機上，以便運輸到地面。 在前進工作面中，隨著距工作面起點距離的增加，傳送帶必須有規律地延伸，而在後退-長壁開採中則相反。
在過去的 40 年裡，開采的長壁工作面的長度和單個長壁面板（工作面通過的煤塊）的長度都有顯著增加。 例如，在美國，平均長壁工作面長度從 150 年的 1980 m 增加到 227 年的 1993 m。在德國，1990 年代中期的平均工作面長度為 270 m，並且正在計劃工作面長度超過 300 m。 在英國和波蘭，採掘面長達 300 m。 面板長度在很大程度上取決於地質條件，例如斷層或礦山邊界，但現在在良好條件下始終超過 2.5 公里。 美國正在討論長達 6.7 公里的面板的可能性。
後退採礦正在成為行業標準，儘管在長壁開採開始之前，它涉及到巷道開發中更高的初始資本支出，以達到每個面板的最大範圍。 在可能的情況下，現在使用連續採礦機在煤層內開採巷道，用錨桿支撐代替以前使用的鋼拱和桁架，以便為上覆的岩石提供積極的支撐，而不是對岩石運動的被動反應。 然而，它的適用性僅限於合格的屋頂岩石。
安全注意事項
國際勞工組織 (ILO) 的統計數據 (1994) 表明，採煤業的死亡率存在很大的地域差異，儘管這些數據必須考慮到採礦的複雜程度和各國就業工人的數量。 許多工業化國家的情況有所改善。
隨著工程標準的提高，以及地下使用的傳送帶和液壓油等材料中加入了耐火性，重大採礦事故現在相對較少發生。 儘管如此，發生能夠造成人身或結構損壞的事件的可能性仍然存在。 儘管大大改善了通風措施，但甲烷氣體和煤塵爆炸仍然時有發生，而屋頂墜落是世界範圍內嚴重事故的主要原因。 火災，無論是在設備上還是由於自燃而發生，都代表著一種特殊的危險。
考慮到勞動密集型和高度機械化採礦這兩個極端，事故發生率和事故類型也存在很大差異。 在小型手工礦山工作的工人更有可能因從巷道頂板或側壁掉落的岩石或煤炭而受傷。 如果通風系統不足，他們還會面臨更多暴露於灰塵和易燃氣體的風險。
房柱式採礦和提供長壁板通道的道路開發都需要對頂板和側壁岩石進行支撐。 支撐的類型和密度根據煤層厚度、上覆岩石的能力和煤層深度等因素而變化。 任何礦山中最危險的地方是在沒有支撐的屋頂下，大多數國家/地區對安裝支撐之前可能開發的巷道長度施加了嚴格的立法限制。 房柱式操作中的柱子恢復會因屋頂突然倒塌的可能性而帶來特定的危險，必須仔細安排以防止增加工人的風險。
現代高生產率長壁工作面需要一個由 XNUMX 到 XNUMX 名操作員組成的團隊，因此暴露在潛在危險中的人數顯著減少。 長壁採煤機產生的粉塵是一個主要問題。 因此，採煤有時僅限於沿工作面的一個方向，以利用通風氣流將灰塵帶離採煤機操作員。 工作面範圍內越來越強大的電機產生的熱量也對工作面工人產生潛在的有害影響，尤其是在地雷越來越深的情況下。
採煤機沿工作面的工作速度也在增加。 在 45 年代後期，人們積極考慮高達 1990 m/min 的切削速度。 工人是否有能力跟上採煤機在 300 米長的工作面重複移動以進行整個工作班次的能力值得懷疑，因此提高采煤機速度是更廣泛引入自動化系統的主要動機，礦工們將採取行動作為監視器而不是實際操作員。
面部設備的回收及其轉移到新工地會給工人帶來獨特的危害。 已開發出用於固定長壁頂板和工作面煤的創新方法，以最大限度地降低轉運過程中落石的風險。 然而，單個機械項目非常重（大工作面支撐超過 20 噸，採煤機重得多），儘管使用了定制設計的運輸車，但在長壁打撈過程中仍然存在人身擠壓或提升受傷的風險.