煤矿开采技术条件与采掘工艺探讨

引言：我国煤炭资源储量丰富，但开采条件复杂，地质构造多变、瓦斯突出、水害威胁等问题长期存在。随着浅部资源逐渐枯竭，深部开采成为必然趋势，对技术条件与工艺选择提出更高要求。传统粗放式开采模式已难以满足安全、环保与经济效益的平衡需求，亟需通过技术革新与工艺优化实现产业升级[1]。

一、煤矿开采技术条件分析

（一）地质条件复杂性

煤矿赋存状态受地层结构、煤层厚度、倾角及围岩稳定性影响显著。例如，急倾斜煤层开采易引发冒顶事故，需采用柔性掩护支架等专用工艺；而薄煤层开采则受限于作业空间，需发展小型化设备与自动化技术。此外，水文地质条件复杂区域需强化探放水措施，避免突水灾害[2]。

（二）设备技术水平

机械化、智能化装备的应用水平直接决定开采效率。我国已形成以液压支架、采煤机、刮板输送机为核心的综采成套装备体系，但在深部高地应力、高温环境下的设备可靠性仍需提升。智能开采技术的推广（如 5G+无人工作面）对传感器精度、数据传输稳定性提出更高要求[3]。

（三）工艺适应性要求

不同矿井需根据资源条件选择匹配工艺。例如，长壁开采适用于煤层稳定、地质构造简单的矿井，而短壁开采则更适合边角煤回收或地质异常区。此外，绿色开采工艺（如保水开采、充填开采）的普及需兼顾技术可行性与经济成本。

二、主流采掘工艺对比与优化方向

（一）长壁开采工艺

作为占我国产量 85% 以上的主导工艺，长壁综采面临三大核心挑战：端头三角区支护因设备交错形成应力叠加（实测支护阻力达工作面中部的1.8 倍），需采用十字顶梁 + 单元支架组合支护，配合超前液压支柱控制顶板离层；煤壁片帮防控在采高 >6m 时尤为突出，研究发现当煤层节理发育度 >3 条 /m 时片帮风险激增 40% ，现行注浆固化法成本过高（吨煤增加8-12 元），正在试验的主动式液压护帮板可实时调整支撑角度；设备协同低效导致采煤机等速移架率仅 65% 。优化实践表明： ① 大采高液压支架（ZY21000 型支撑高度 8.2m ）配合三级护帮装置，在陕煤张家峁矿实现8.8m 煤层安全开采，单面月产突破120 万吨； ② 基于煤岩界面识别的自适应截割系统，通过红外光谱 + 振动传感融合分析，使采煤机截齿损耗降低37% （神东补连塔矿实测数据）； ③ 数字孪生平台构建“地质-设备-应力”三维动态模型，依据超前探测数据实时优化采煤机进刀轨迹，哈拉沟煤矿应用后减少无效截割 19% 。未来需攻克大倾角（ >25^∘ ）工况下液压支架防倒滑技术，开发耐高压电液控制系统（ >40MPa ）[4]。

（二）短壁与房柱式开采

针对薄煤层（ <1.3m ）及不规则边角煤回收，短壁连采工艺展现独特优势，但面临回收率偏低（传统房柱式仅 50%-55% ）、采掘衔接失衡两大痛点。技术创新聚焦三方面：截割系统升级——连采机采用双螺旋滚筒 + 高频冲击截齿（频率 >25Hz ），在山西塔山矿薄煤层中截割硬度 f> 4 的矸石夹层时，进尺速度提升至 1.8m/min ；巷道布置优化——基于应力场模拟的变宽煤柱设计（采区边界留设 15m 宽煤柱，内部采用 8m×8m 网格），使鄂尔多斯某矿回收率提高至 68% ；快速支护革新——四臂锚杆钻车与树脂锚索协同作业，单循环支护时间压缩至 25 分钟（较传统工艺提速 40% ）。房柱式开采的环境约束同样关键：当采深 <150m 时地表沉陷系数达 0.7-0.9，内蒙古榆树井煤矿应用光纤光栅实时监测系统（布设密度200 点 /km² ），结合采空区矸石膏体充填（充填率 >85% ），成功将地表沉降控制在 120mm 以内。需警惕的是，连续采煤机在瓦斯突出矿井的适用性受限，需配套大功率除尘风机（风量 >800m³/min ）保障作业安全。

（三）智能化开采趋势

当前智能开采系统已从单机自动化向全流程自主决策演进，但复杂地质适应性仍是最大障碍。神东锦界煤矿的示范工程揭示关键进展： ① 设备群智能协同依托 5G-UHF 融合通信（时延 <20ms ），实现采煤机、支架、运输机联动响应误差 ⩽0.5s ； ② 故障预判系统通过振动频谱分析（采样频率10kHz）提前2 小时识别刮板链断裂风险，维修响应速度提升 70% ； ③ 全工作面无人化使单班作业人员由 12 人减至 5 人，吨煤成本下降 9.6 元。然而在断层发育区（ >3 条 /100m ）或倾角变化带（ °波动），系统暴露明显缺陷：惯导系统在顶板下沉区域累计定位误差 >1.2m ，煤岩识别摄像头在粉尘浓度 >800mg/m³ 时误判率高达 30% 。突破路径包括： ① 开发地质雷达辅助的 SLAM 导航（中国矿大在淮南试验精度达 ±5cm ）； ② 基于深度强化学习的自主截割算法； ③ 本安型边缘计算终端（防爆等级Exib I）部署至工作面，降低数据传输延迟，未来需重点验证智能系统在冲击地压矿井的可靠性，构建“地质透明化- 设备自适应- 控制自主化”技术闭环。

三、技术条件与工艺协同发展路径

技术条件与工艺协同发展路径需要从地质勘探、装备配置、生产管理等多个维度形成系统性解决方案。地质透明化系统的构建成为基础性环节，通过三维地震勘探技术对煤层赋存状态进行宏观把控，配合随钻测量系统实时追踪钻进轨迹，再结合微震监测网络捕捉岩层应力变化，这种 " 空 -地 - 孔 " 立体探测模式能够为开采工艺设计提供厘米级精度的地质数据。在装备与工艺的适配性方面，建立 " 条件识别 - 参数优化 - 动态调控" 的闭环机制。针对冲击地压风险区域，采用超前预裂爆破卸压技术配合具有主动支护功能的液压支架，通过支架压力传感器与爆破参数的智能联动，在矿区实现了冲击能量释放效率提升的效果。对于复杂顶板条件，则开发出锚杆索协同支护体系与柔性挡矸装置的组合工艺。绿色开采技术的集成应用呈现出显著的协同效应。矸石充填工艺通过与智能分选系统的配合，在矿区形成了 "煤矸识别 - 破碎筛分 - 膏体输送 - 充填压实" 的完整链条，充填体强度达到 8MPa 以上。瓦斯治理方面，创新应用 " 定向钻孔 + 水力压裂 " 技术，抽采浓度稳定，配套建设的瓦斯发电站年供电量超过 3000万千瓦时。生态修复环节引入微生物复垦技术，内蒙古鄂尔多斯某露天矿采用菌根接种法，使植被覆盖率提升，形成了 " 开采 - 修复 - 监测" 的良性循环体系。

结语：

煤矿开采是一项高度依赖地质条件与技术水平的系统工程。本文通过对煤矿开采技术条件的分析，明确了关键因素对采掘工艺选择的影响，并系统梳理了主流工艺的适用范围与优缺点。随着智能化、绿色化发展趋势的加快，煤矿开采将朝着更加高效、环保、安全的方向迈进。

参考文献：

[1] 周函. 煤矿开采技术条件与采掘工艺探讨[A] 2024 工程技术应用与施工管理交流会论文集（上）[C]. 中国智慧工程研究会 , 中国智慧工程研究会 , 2024: 3.

[2] 孟兆颖 . 煤矿开采技术条件与采掘工艺探讨 [J]. 内蒙古煤炭经济 ,2024, (14): 40-42.

[3] 陈亮亮 . 煤矿开采技术条件与采掘工艺 [J]. 矿业装备 , 2022, (05): 8-9.

[4] 窦韶龙 . 浅析煤矿开采技术条件与采掘工艺 [J]. 当代化工研究 ,2021, (18): 147-148.