刍议煤矿井下工作面支护技术与安全高效开采

引言：煤炭作为我国主体能源，其安全高效开采对能源战略安全具有重要意义。然而，深部开采面临高地压、瓦斯突出、围岩变形等挑战，据统计，煤矿事故中约 60% 与支护失效相关，凸显技术升级的紧迫性。近年来，液压支架、锚杆锚索联合支护等技术的推广，显著提升了工作面稳定性，但动态地质条件下的支护参数匹配、智能化监控缺失等问题仍制约开采效率，研究支护技术与高效开采的协同机制，成为行业技术攻关的重点 [1]。

一、支护技术分类与适应性分析

（一）传统支护技术局限

传统木支架与工字钢支护在深部开采中暴露的先天性缺陷，本质源于材料性能与力学环境失配。以东北某矿 -650m 水平实测为例：松木支架极限抗压强度仅 12-15MPa（含水率 >25% 时降至 8MPa），而高地应力区垂直应力峰值达 28MPa ，支架压溃变形率超 60% 。更严重的是，在pH值5.8-6.5的矿井水腐蚀下，工字钢（Q235B）连接螺栓年均锈蚀速率达 0.38mm ，导致节点抗剪能力衰减 42% 。这种结构性缺陷直接引发两类恶性循环：顶板离层链式反应——当支架承载力不足时，浅部岩层产生离层裂隙（某矿实测离层量 >50mm ），裂隙水渗入进一步弱化泥岩夹层，最终诱发冒顶。巷道返修成本黑洞——深部动压巷道中，传统支护需每 45-60 天返修（对照液压支架支护段为 120 天）。部分矿区单次返修耗用 20# 工字钢 1.8 吨 /米，人工费用 3200 元 / 米，年维护成本达 380 万元 /km，占吨煤生产成本14% 。更严重的是，频繁返修导致采掘接续失调，某矿曾因支架压溃抢修造成工作面停产11 天，直接经济损失超2000 万元 [2]。

究其根源，传统支护存在三重技术代差：（1）静态支护与动态围岩的矛盾——木 / 钢支架属被动刚性支护，无法适应深部“开挖扰动 - 应力调整 - 流变变形”的时效过程（如泥岩流变速率达 0.15mm/d ）；（2）点式支撑与整体结构的割裂——工字钢梯形支架仅靠卡缆连接，在偏应力场下易发生架腿内凹（最大收敛量 420mm ），丧失整体稳定性；（3）腐蚀防护与服役周期的失衡——即便采用防腐桐油涂层（每平方米成本 85 元），在潮湿环境中有效期不足 6 个月，而矿井服务年限通常超 10 年。实践证实，当开采深度 >500m 或围岩坚固性系数 f<4 时，传统支护事故率呈指数级增长，这倒逼支护技术向液压化、锚固化方向升级。

（二）现代支护技术突破

（1）液压支架自适应控制技术

该技术通过电液控制系统实现支护动态响应。系统实时采集支架工作阻力与顶板压力数据，经中央处理器分析后自动调节液压缸压力，使支护强度精准匹配围岩变形趋势。例如某矿应用 ZFY 型支架后，顶板下沉量从月均 152mm 降至 84mm （降幅 45% ），支架压溃事故由每万吨煤 3.2 次减至 1.3 次（降幅 60% ）。其创新性在于建立“监测 - 决策 - 执行”闭环控制：压力传感器每 5 秒更新数据，当顶板下沉速率超过 0.5mm/h 时，系统在20 秒内自动增阻 15%-20% ；若压力骤降则智能泄压防崩架。这种动态调整机制使巷道返修周期从45 天延长至120 天以上 [3]。

（2）充填开采与支护一体化

针对“三下”压煤场景，采用膏体充填（煤矸石 65%+ 粉煤灰 20%+ 胶结料 15% ）替代垮落法。充填体 28 天强度达 4.2MPa ，配合菱形金属网（ Φ6mm ，网孔 80×100mm ）与可缩性 U 型钢支架，形成“主动支撑 + 柔性限位”体系。工艺流程为：采煤→铺设支护网→架设临时支架→管道泵送膏体→接顶率检测（ >95% ）。实测地表下沉系数由 0.78 降至 0.08，村庄建筑损坏等级从 IV 级（严重破坏）控制为 I 级（轻微裂缝）。资源回采率达 92.7% 的核心在于优化了充填步距（ 20m 分段）与流变参数（塌落度23cm ），确保采充平行作业 [4]。

二、安全高效开采的关键技术路径

（一）智能化监测系统构建

该技术路径以多源异构传感器融合为核心，构建天地一体监测网络。井下部署 96 通道微震阵列（传感器间距 15m ）与分布式光纤光栅（测量精度 ±0.1%FS），实时捕捉围岩应力场变化；地面建立基于 LoRa 协议的基站网络，每 30 秒回传数据至矿山数字孪生平台。某矿应用案例显示：在 120 个监测节点（含 8 个钻孔应力计 +45 个顶板离层仪）覆盖下，通过LSTM 神经网络算法，实现顶板离层量预测误差 ⩽4.8% （原人工预测误差>18% ）。当监测到离层速率 >0.3mm/h 时，系统自动触发三级预警，支护参数调整响应时间从 2 小时压缩至 9 分 37 秒。关键技术突破在于开发了冲击地压风险熵值模型（RISK-Entropy v2.0），综合震动波 CT 反演与声发射计数率，预警准确率提升至 91.6% 。

（二）工艺优化与装备升级

（1）"一次采全高 " 工艺革新：针对中厚煤层（3.5-6m），采用ZY9800/25/50D 型大采高液压支架（支护强度 1.25MPa），配合采煤机滚筒直径 3.8m 的 MG750/1910-WD 机组，实现单刀割煤高度 5.2m, 。与传统分层开采相比，减少巷道掘进量 38% ，消除中间巷支护作业，吨煤支护成本下降17 元。（2）掘锚一体机应用：引进EJM315/4-2 型掘锚机组（截割功率 315kW+ 锚杆机扭矩 450N⋅m ），实现截割、临时支护、锚杆施工同步作业。实测表明：单根锚杆施工时间从 15 分钟降至 8.9 分钟（降幅40.7% ），机组定位精度 ±25mm ；配合自研的 MQT-130J 气动扭矩倍增装置，单班最高进尺达 8.3m （原气腿式钻机仅 5.1m)_o （3）支护机器人部署：KJZ-5 型履带式机器人搭载六自由度机械臂（重复定位精度 0.1mm ），配备本安型三维激光扫描仪（扫描速率 50 万点 / 秒），可在冒落风险区完成U 型钢支架安装。其液压顶撑系统（出力 120kN）替代人工撬杠作业，使人员在空顶区暴露时间归零，近三年减少顶板事故23 起。

结语：

煤矿井下工作面支护通过技术迭代与管理体系创新，可实现“零伤亡”目标与经济效益双提升。未来，需加强多源信息融合的支护决策系统研发，推动 ^5G+ 工业互联网在矿井的深度应用，构建本质安全型矿山。企业应立足地质条件差异化需求，探索“一矿一策”的精准支护方案，为能源安全稳定供应提供坚实保障。

参考文献：

[1] 安伟 . 煤矿井下工作面支护技术与安全高效开采 [J]. 矿业装备 ,2024, (02): 119-121.

[2] 靳玉成 . 矿山井下工作面支护技术与安全高效开采 [J]. 中国金属通报 , 2019, (01): 67+69 .

[3] 王登科 , 杨鲁振 , 焦浩 , 王猛 , 廘腾 . 煤矿井下工作面支护技术与安全高效开采 [J]. 山东工业技术 , 2018, (15): 76.

[4] 杨勇. 煤矿井下工作面支护技术与安全高效开采[J]. 山东工业技术,2018, (07): 77.