采掘是智能化煤矿的核心环节和发展重点，为提升智能掘进水平，以装备成套化为龙头，国内针对不同条件研究探索了配套形式，开发了不同类型快速掘进装备，进尺水平得到显著提升。掘锚一体机、锚杆转载机组、后配套带式输送机等装备先后取得突破，在条件较好的工作面建成了一批自动化程度较高的示范工作面，进尺等不断创下纪录；掘进机导航技术等取得新进展，参考工作面智能化发展发展模式，建成了掘进工作面远程集控模式；自主感知及调控技术方面也有新突破。
然而，由于巷道条件的复杂性，快速掘进智能装备仍有很多问题待攻克，距智能化决策和自动化协同运行及现场运行尚存差距。笔者在分析快速掘进问题的基础上，提出了快速掘进智能化成套装备发展原则及典型案例，为同类地质条件下的发展提供可复制的智能化建设模式。
1.智能掘进技术发展面临的主要问题
1.1难题一：效率低，采掘失衡
在掘进作业的破岩、支护重要环节中，物探准确性差，结果解释困难，钻探自动化程度低，周期长，制约了巷道掘进的速度；破岩环节采用钻爆法掘进效率低、对围岩扰动大，机械破岩尤其是煤矿硬岩对截齿强度和耐磨性要求高；钻锚工序复杂，锚、护时间长，掘-锚交替作业，无法连续截割。上述问题造成当前掘进效率低，矿井采用多掘进头作业，采区接续紧张，新建矿井巷道开拓任务更加繁重。原国家安全生产监督管理总局《关于减少井下作业人数提升煤矿安全保障能力的指导意见》的通知指出，原则上同时生产的采煤工作面与回采巷道掘进工作面个数的比例控制在1∶2以内。因此，快速掘进技术是实现采掘平衡是发展的必然要求。
1.2难题二：用人多，掘支失衡
锚杆支护流程复杂，支护机械化、自动化程度较低，支护速度慢；装备系统性差，以单体锚杆钻机为主，钻孔效率低；围岩破碎、巷道变形快等需及时支护且高密度、高强度支护，作业时间长，同时掘进工作面作业环境差，割煤期间粉尘浓度高，导致掘锚一体机不能平行作业。为提高掘进速度，只有靠人员的增加，造成人员聚集，安全隐患大，《关于减少井下作业人数提升煤矿安全保障能力的指导意见》将掘进工作面作业范围内（从掘进工作面至工作面回风流与全风压风流混合处）的单班各类作业人数控制在20人以内；部分煤矿智能掘进更是要求作业人数控制9人以下，减人提效成为掘进发展的主要难题。
1.3难题三：推进慢，装备适应性差
掘进作业没有类似综采工作面的专业化论证和配套，系统性差，多设备零散作业，无法集约化生产；煤矿井下工作条件复杂，一些在地面使用较好的传感器、液压件及其他元部件，在井下服役期间容易发生故障；智能化技术发展尚未成熟，自动化水平没有达到要求前，追求过快的效率，必然多矿井采用多掘进头作业，造成用人多。当前多装备作业分散，效率低，配套人员多，安全性差。截至2019年8月，全面掘进机械化程度仅达60.4%。因此，机械化仍是解决快速掘进的首要问题。
2.快速智能掘进装备发展原则及任务
针对上述难题，智能掘进的主要发展任务是根据矿井掘进地质条件与工艺要求，因地制宜确定合理的掘进技术与装备，配套高效的辅助作业系统，实现掘支平行作业，掘进速度满足工作面接替需要；应用智能探测、自动定向及导航、巷道断面自动截割成形、全自动锚护、数字孪生、高效除尘等先进技术与装备，使掘进工作面生产系统具有智能感知、自主决策和自动控制的功能，实现掘进工作面少人或无人、系统高效协同运行。
在快速掘进智能化成套装备方面，坚持装备成套化，监控数字化，控制自动化的“三化”发展理念，逐步实现系统智能化和智能系统化。以成套化机械装备解决掘进的效率问题，满足高效进尺的目标，是首先要解决的难题，也是智能化的载体；通过建立掘进工作全息数字化感知模型，实现系统的融合和联动，既是智能控制的基础，也是解决安全问题的前提；自主决策和自动化协同执行是智能掘进的发展高级目标。
当前重点发展应用的掘锚装备主要分为3种：一是悬臂式综掘机与单体锚杆钻机配套；二是连续采煤机与锚杆台车配套；三是掘锚联合组及后配套设备购车快掘系统。进一步研究煤巷快速掘进的有关问题，探索不同型式智能化快速掘进技术，在I类矿井实现1000m/月以上，II类矿井达到500m/月以上的快速掘进进尺要求，是满足当前阶段矿井采掘协调作业的需求。项目重点对掘锚一体机及后配套模式进行研究。
3.智能化快速掘进模式及案例
3.1掘锚一体机的快速掘进模式
张家峁井田属陕北侏罗纪煤田，条件相对较好，按照《智能化煤矿（井工）分类、分级技术条件与评价指标体系》（T/CCS01-2020）分类标准属I类矿井。试验煤层5-2煤位于延安组第一段顶部，埋藏深度为89～229m，煤层倾角为0.9°左右，煤层平均厚度为6.03m。基本顶为深灰色的粉砂岩，水平层理，局部夹细粒砂岩薄层及黑色条带；顶板岩层饱和抗压强度平均29.88MPa，属半坚硬类不易软化岩石，岩体较完整。直接底板为深灰色的粉砂岩，水平层理，主要成分为长石和石英，泥质胶结，含大量植物根部化石碎片及暗色矿物，厚2.38m。底板岩石饱和抗压强度平均24.73MPa，属较软底板。巷道断面5.6m×4.3m。
基于装备成套化、监测数字化和控制自动化的“三化”理念，提出掘锚一体机-锚杆转载机组-转载输送带的“三机”集约化配套模式，攻克了掘锚机组高精度自主导航技术，建立了GIS系统的掘进工作面“透明化”地质环境，开发出进作业装备的数字化孪生驱动模型，以及基于掘锚一体机的快速掘进系统和三维可视化远程集控平台，通过应用5G+技术，实现掘进工作面全息实时感知与场景再现，人机协同模式下实现智能、高效的掘进生产作业。在15212运输巷单班进尺60m，单日进尺突破120m，月进尺达到2702m。
采用“掘锚一体机-锚杆转载机组-转载输送带”配套模式（图1），遵循了几何尺寸配套、设备能力配套、动作时序配套的总体原则，实现掘锚平行作业，大幅提高机械化、自动化水平；后部大跨距转载及输送机大容量储带，减少辅助作业频次和时间，提高了开掘水平。为保障可靠，掘锚一体机采用MB670-1机型（图2），其高可靠性及掘-锚并行作业能力，保证了快速连续截割，单循环时间降到10min以内。
图1快速掘进装备配套模式
图2MB670-1掘锚一体机
锚杆转载机组（图3）配套3个顶锚，2个帮锚钻臂，两侧顶锚可以进行1200mm的水平移动，实现全断面顶锚的支护，可按照支护设计方位和角度进行锚杆施工作业，保证了掘锚平行作业。
图3锚杆转载机组
大跨距桥式转载机（图4）与带式输送机有效搭接长度，减少刚性架续接次数，是提高巷道掘进速度的有效措施之一；采用双跨距转载后，将搭载距离提高到100m[1]，进一步提高了平行作业能力。
图4大跨距桥式转载机
3.2复杂地质条件快速掘进模式
黄陵矿业二号煤矿矿区顶板局部破碎严重，底板为低承载的泥岩，按照《智能化煤矿（井工）分类、分级技术条件与评价指标体系》分类标准属II类矿井。根据特殊地质条件，研制开发了适用于中等复杂地质条件的快速掘进装备[2]，采用宽履带、轻量化技术，将掘锚一体机的接地比压由0.27MPa降至0.2MPa。配套模式如图5所示，掘锚机进行截割、顶部、帮部锚杆支护作业，机载6台钻机；锚杆转载机破碎均匀转载，机载6台钻机；可弯曲带式输送机和迈步式自移机尾组成柔性连续运输系统，完成截割落煤的连续转载；系统集成了截割、装载、运输、钻锚、钻探、除尘等功能。该矿快速掘进实现单日进尺最高34m、月进尺680m，创下煤炭行业复杂地质条件下快速掘进单月进尺的新记录记录。
图5复杂地质条件的快速掘进装备配套
4.智能化控制关键技术
1）组合导航技术开发了多机协同控制技术，充分发挥激光制导误差稳定，倾角传感器（或惯导系统）可实施在线监测的特点，二者起到互相弥补不足、提高总体性能，形成一种全新的导航系统，井下实测表在100m距离时，激光接收器的分辨率可达1mm，精度3mm。将倾角传感器更换惯导系统后可实现测距，与地质系统融合，如图6所示。
图6导航控制原理及井下实测
2）多机协同控制关键技术基于矿用高精度超声波和激光传感器，建立多机精准定位体系及协同控制算法，实现掘锚一体机、锚运破和后部桥式转载机的自动运行。目前在井下“三机”间共布置了10个激光测距传感器、14个激光测距传感器、2个编码器和6个行程开关，采用超声波和激光测距传感器组合感知方法，实现对多级相对位置的精确测量。基于设备位置信息和状态信息，进行多设备之间的信号交互和联锁控制。监测可弯曲输送机与自移机尾的相对距离，自移机尾、锚索钻、以及掘进机等相对位置关系。监测设备的运行状态信息，实现所有设备“一键启停”。
3）远程集控可视化集控平台设计了掘远程集控平台，掘进工作面三维地质模型构建功能，根据掘进过程中揭露的实际地质信息对模型进行修正，将设备三维模型与超前探测信息、巷道成形质量与三维地质模型进行有效融合，再现工作面真实场景，如图7所示[3]。
图7张家峁煤矿掘进工作面数字化监控系统
监测系统应具备对掘进工作面环境（粉尘、瓦斯、水等）进行智能监测与智能分析决策功能，利用工作面UWB人员精确定位系统，具备危险区域人员接近识别与报警功能，实现掘、支、锚、运、破等工序的智能联动。
实现基于组合导航定位系统和截割头空间位置计算的定位截割功能。实现从井下集控仓和地面远距离控制掘进工作面掘进机、输送机等设备启停和截割。
5.结语
快速掘进智能成套装备仍处于发展过程，自动钻锚技术仅实现半自动、导航技术等未能实现常态化运行，尚未形成针对不同煤层条件的智能化装备配套模式。在智能化煤矿建设过程中，针对锚杆高效自动支护难题，通过机器人化提升或工艺变革，实现智能支护技术跨越式发展；研究风筒延伸、电缆移动等辅助作业环节自动化技术，进一步减人提效；加强现场应用型人才培养，保障智能系统的运行；编制智能掘进标准体系尚未，及时总结阶段成果并形成可复制的模式，引领智能快速掘进技术发展。
