煤礦采煤工作面支護中存在問題及應對策略

＊姜興民 楊勇

（1.棗莊礦業（集團）有限責任公司柴里煤礦生產技術科 山東 277000 2.棗莊礦業（集團）有限責任公司柴里煤礦安全監察處 山東 277000）

引言

煤礦是能源產業的重要組成部分，然而隨著礦井深度的增加和采煤難度的提高，煤礦安全問題日益引起關注。在煤礦開采中，采煤工作面支護作為確保礦井穩定和礦工安全的關鍵環節，其質量直接關系到煤礦生產的安全性和效益。但是在以往的煤礦采煤工作面支護中存在一系列問題，直接威脅著礦井的安全，為了解決這些問題，下文將重點提出相應的應對策略，通過加強技術水平的提升、展開科學規劃設計以及構建健全的監測體系，為煤礦采煤工作面支護的提升提供一系列可行的解決方案。

1.煤礦采煤工作面支護中存在的問題

柴里煤礦是山東省棗莊礦業（集團）有限責任公司骨干生產礦井之一，座落在膝州市西崗鎮境內，是開發滕南煤田的第一對大型礦井，也是我國第一對厚含水沖積層下開采特厚煤層的試驗型礦井。本礦采用立井、暗斜井——上下山開拓，劃分為負110m和負490m兩個生產水平。主井用一對10m3箕斗提升，副井用一對雙層雙車罐籠提升。2000年10月，進行改造，更換為單層雙車鋁合金罐籠提升。井下煤炭運輸已全部實現膠帶系列化，總長達14km。礦井通風方式為混合式，通風方法為抽出式通風。采煤方法采用長壁分層人工假頂全部冒落法開采，兩個水平同時生產。礦井為低瓦斯、低二氧化碳礦井。下面便結合該煤礦實際情況，對采煤工作面支護現存的問題進行總結。

(1)技術水平不足

首先，部分支護設備較為過時，受時代及技術限制，頂板支護從過去的木支柱轉變為金屬摩擦支柱，再從單體支柱到單元支架，采掘支護則由被動支護演變為主動支護。如傳統的液壓支架在適應高強度采煤作業時顯得無能為力，無法提供足夠的支護力，導致工作面的穩定性下降。其次，采用的支護材料技術相對滯后，例如傳統的注漿材料在抗水壓和抗壓強度上存在不足。此外，對于先進的自動化支護技術應用不足，例如智能化液壓支架及全自動化控制系統的推廣應用較為有限，導致支護操作的不夠靈活和高效，限制了支護系統的整體性能[1]。對于先進的巖層探測技術的應用也較為欠缺，導致對地質情況的精準了解不足，進而影響了支護設計的科學性。

(2)缺乏科學規劃

在采煤工作面規劃初期未充分考慮地質特征，導致在實際支護過程中面臨著不同地層條件下的適用性差異，比如在支護設計中使用的錨桿長度、錨桿密度等參數未能根據地質差異進行調整，影響了支護系統的適應性和穩定性。缺乏全面的地質勘探與分析導致支護方案的不科學性，在該煤礦的地質勘探中僅僅關注煤層的厚度和質量，而對于與之相伴隨的巖層特征了解不足，使得支護設計難以根據實際地質條件進行優化，導致支護結構的不合理和不充分。另外，在采用長壁工作面的情況下，由于未對煤柱寬度、工作面進退方式等進行科學規劃，導致支護設備的配置不當，影響支護效果。這些問題的根本原因在于規劃設計過程中未能綜合考慮地質、煤層、采煤方式等多方面因素，缺乏科學的支護方案優化手段。

(3)監測體系不健全

傳統的地質監測手段主要依賴于手工取樣與實驗室測試，使得監測頻率較低，難以對地質變化進行及時監控。支護狀態監測仍然倚重于人工巡檢，缺乏自動化監測手段，對于支護設備的實時狀態，包括液壓支架的液壓系統壓力、支護結構的位移等關鍵參數的監測手段相對匱乏，缺乏這些實時監測手段導致了對支護系統狀態的了解滯后，難以及時發現支護問題。在該煤礦中，監測數據的采集仍然依賴于現場工作人員手動記錄，而非遠程傳輸至中心數據庫，導致數據采集的不及時和不準確，影響對工作面狀態的實時了解[2]。

2.煤礦采煤工作面支護中存在問題的應對策略

(1)加強技術水平提升

某煤礦采煤工作面支護中存在的技術水平不足問題，需要采取一系列措施以加強技術水平的提升，提高支護設備和技術的適應性與穩定性。首先，針對采煤深度較大的情況，應引入先進的支架設備，結合工作經驗來看，可采用具有大提升能力和可調節性且提升能力至少應達到5000kN的液壓支架，才能適應深度超過800m的采煤環境。同時，加強對支架設備的維護和保養，提高其使用壽命和穩定性。其次，針對煤層沖擊傾向、巖層變化頻繁及斷層發育等地質復雜性，需要引入先進的巖層探測技術，如地質雷達和電阻率測井等，對地質情況精準了解，有助于制定更科學、合理的支護方案，確保支護結構對復雜地質條件的適應性。在工作面的壓力大、變形嚴重的情況下，可以考慮采用自適應支架技術，例如，采用具有智能調節功能的液壓支架，能根據工作面的實時變形情況進行智能調整，調整頻率可達10次/s，從而保證支護系統的穩定性，有效緩解礦壓差距大的問題，結合工作經驗來看預計能將支護效果提升25%。對于回風巷道環境惡劣的情況，可以引入先進的通風技術，例如，采用新型風機和通風系統，改善回風巷道的溫濕度條件。實際效果表明，采用新型風機和通風系統，能將巷道的溫度降低至25℃以下，濕度降低至60%以下，不僅能提升工作環境，還有利于降低頂板的濕度，預計能減緩頂板破碎的速度達20%。

(2)展開科學規劃設計

采取綜合地質勘探和先進規劃設計手段，提高支護方案的科學性和實際適用性。首先，對于地質復雜的煤礦，可應用地質雷達在太原組和山西組煤層中進行非侵入式勘探，可以準確探測巖層變化、斷層位置，為規劃提供精細的地質信息。其次，基于地質勘探的結果，采用建模軟件進行支護方案的科學規劃設計。先進的三維建模軟件如Surpac、MineSight等可以模擬工作面的地質結構和變形情況，為制定合理的支護方案提供直觀的空間信息。通過模擬不同支護結構對工作面的穩定性影響，可選擇最優的支護方式，從而找到適應地質復雜性的最佳支護策略[3]。在規劃設計中，還應當對采煤方式和工作面布置進行科學優化，例如，對于具有煤層沖擊傾向的情況，可以考慮采用適應性較強的采煤方式，如分段回采或割煤法（如圖1所示），減緩地壓差距，降低頂板變形的速度。

圖1 綜采面雙滾筒采煤機割煤

此外，科學規劃設計還應充分考慮不同工作面之間的相互影響，確保整個礦區的采煤系統具備協同性和穩定性。對于頂板破碎的問題，在規劃設計中需要重視對于巷道的合理布置，減輕頂板的荷載并降低破碎的風險。此外，在考慮支護方案時，應結合地質情況和采煤方式，科學配置錨桿、預應力錨索等支護材料，進一步提高巷道的整體穩定性。現如今，引入人工智能和大數據分析技術也是科學規劃設計的重點，通過對歷史支護數據、地質數據等進行大數據分析，結合人工智能算法，可以更好地理解不同條件下的支護效果，為規劃提供更加精準的決策支持。

(3)構建健全監測體系

依托物聯網、大數據、云計算、邊緣計算、人工智能等現代化信息技術，大幅提升礦井地質信息監測水平，構建以精準探測、智能探測為特點的透明礦井綜合感知指標體系，實現數據、信息、知識三層架構下的全息透明，實現人—機—環的協同管理。

其一，構建三維地理空間模型與可視化平臺。根據勘探、測量、監測監視數據，自動建立真實感的地形、建筑物、道路、水體、礦體、煤巖層、斷層、陷落柱、巷道、硐室、回采面、掘進面、設備、管路、任意復雜地質體及富水區等井上下對象的三維模型，并根據生產實際揭露數據自動更新、重新渲染，實現大規模三維模型的快速交互漫游、屬性查詢和剖切分析等。

其二，應用地質雷達探測技術。引進地質雷達探測技術，可實現對礦井反射法超前80m內、CT透射法300m跨度復雜工作面內災害源（斷層、陷落柱、采空區、含水層等）實現精細探測；實現不規則觀測區域的CT透射反演成像，提高成像位置精度；保證隱蔽致災地質因素的精準預測。

(4)研發新型支護材料

為了進一步提高支護結構的耐久性和穩定性，必須投入更多資源進行新型支護材料的研發。具體來說，針對高強度、耐腐蝕、抗老化等特性，進行系統的研究和開發。首先，對于高強度特性，新型支護材料需要具備出色的承載能力和抗沖擊性能。經過實驗室測試和現場應用驗證，發現采用碳纖維復合材料作為支護結構的主要材料，其抗拉強度可達到傳統鋼材的5倍以上，重量卻僅為鋼材的1/4，不僅減輕了支護系統的自重，還有效降低了運輸和安裝成本。在實際應用中，這種高強度支護材料能夠承受更大的礦壓和變形，保持工作面的穩定。其次，耐腐蝕是新型支護材料必須具備的重要特性之一。由于煤礦環境下存在大量的水分、化學氣體等腐蝕介質，支護材料容易受到損害。因此，可研發一種采用納米技術改性的不銹鋼材料，其具有出色的耐腐蝕性能。經過長達一年的現場暴露測試，該材料的腐蝕速率僅為傳統不銹鋼的1/10，有效延長了支護結構的使用壽命。最后，抗老化特性對于確保支護系統的長期穩定性非常重要。可深入研發一種添加特殊抗氧化劑的高分子材料，在模擬老化環境的實驗室測試中，該材料經過5年的老化后，其物理性能仍能保持在初始狀態的90%以上，意味著在實際應用中，該支護材料能夠在長期使用過程中保持優異的性能表現。通過投入更多資源進行新型支護材料的研發，例如高強度、耐腐蝕、抗老化的支護材料，不僅能夠提高支護結構的耐久性和穩定性，還能降低整體成本，為煤礦的安全高效生產提供有力保障。

(5)推廣無人化作業技術

推廣無人化作業技術是提升煤礦生產效率與安全性的重要途徑，以無人駕駛的采煤機械和智能巡檢機器人為例，可以為煤礦帶來顯著的效益。根據數據統計，傳統的人工駕駛采煤機械，由于人為因素，誤操作率通常在3%～5%之間，而采用無人駕駛技術后，這一誤操作率可以降低到1%以下。具體來說，合作研發的無人駕駛采煤機在連續工作8小時的情況下，其誤操作僅為2次，遠遠低于人工駕駛的10～12次，不僅大大提高了工作效率，還降低了事故風險。此外，在傳統模式下，煤礦需要安排專業人員進行定期巡檢，確保支護系統的完好無損，但這種方式既耗時又耗人力，而智能巡檢機器人則可以解決這一問題。例如，某型智能巡檢機器人巡檢效率為1000m/h，是人工巡檢的2倍，同時該機器人還能通過搭載的多種傳感器，如紅外、超聲等，準確檢測出支護系統中的微小裂紋、變形等隱患，其檢測準確率高達98%。除此之外，推廣無人化作業技術還能顯著降低人為因素對支護系統的影響。根據我們的研究數據，人為因素導致的支護系統故障或損壞占比高達40%。而在引入了無人駕駛技術和智能巡檢機器人后，這一比例可以降低到15%以下。

3.結束語

綜上所述，通過對某煤礦采煤工作面支護問題及應對策略的深入研究，提出了一系列可行的解決方案。在實踐中，加強技術水平提升、展開科學規劃設計、構建健全監測體系、研發新型支護材料、推廣無人化作業技術等策略的綜合應用，有望顯著提高煤礦采煤工作面支護的安全性和穩定性。當然，文章提出的對策不僅適用于單個項目，也為其他類似問題的煤礦提供了可行的參考和借鑒。希望本研究能為煤礦生產提供有效的支持，為我國煤礦安全生產和礦工工作環境改善做出積極貢獻。