煤炭是我国最经济、稳定的能源，根据当前社会经济需求，未来50 年内，煤炭仍将是我国的主体能源。近年来，国家出台了一系列政策文件，围绕智能化无人开采的重大技术需求，把突破行业共性核心问题，加快智能、安全、高效现代煤炭生产体系建设作为主要目标。

多年来，煤炭人在掘进施工作业中一直沿用着传统的综掘和连采工艺，这仅能解决掘进施工机械化的问题。在采煤工艺智能化高度发达的今天，掘进工艺已经远远落后于智能化采煤工艺，严重制约着矿井的安全高效生产。

陕西陕煤曹家滩矿业有限公司（简称曹家滩煤矿） 建井初期，沿用传统的连续采煤机掘进系统，月进尺600 多m，造成采掘接替紧张。2019 年6 月，首套快掘系统在曹家滩煤矿122109 回风巷道掘进工作面投入使用，期间出现了掘支不同步、顶锚帮锚支护不同步、运输系统卡煤等问题。为解决上述难题，进一步提高设备性能，笔者团队结合现场实际，开展了大量写实、分析论证、技术改造工作，通过60 余项技术升级，优化了设备集成，顺畅了支护工艺，缩短了支护时间，匹配了掘支协同，提高了除尘效率，形成了适用性更加完备的自动化快掘成套装备2.0 版。投入工业性试验后，笔者团队针对设备运转过程中存在的问题，进行了40 余项技术改造，进一步降低了职工劳动强度，实现了“人机环管”高度融合。经过2 次升级，虽然提高了掘进效率，但还未彻底解决劳动密集型施工组织问题，掘进工作面作业人员劳动强度依然大。

曹家滩煤矿作为陕煤集团在陕北地区智能化煤矿建设的“优质试验田”和榆神矿区新建千万吨矿井，在智能化转型升级过程中，成立了智能快掘科研团队，结合矿井地质开采条件，依托中国矿业大学、中煤科工开采研究院有限公司等科研院所提出的智能掘进与岩层控制理论支撑，引进国内首套智能快速掘锚成套装备，通过工艺优化及装备技术改革，实施“机械化换人、自动化少人、智能化无人”专项行动。

大断面智能快速掘进系统建设内容

曹家滩煤矿持续开展科研攻关，计划在自动化快掘成套装备2.0 版的基础上引进机器人理念，依托人工智能、信息化等前沿科技，对该套系统进行智能化升级，最终形成高度智能化的智能快掘成套装备3.0 版，使其具备超前钻探、自动定位、自动导向、自动行走、自动截割、自动铺网、自动支护、连续运输等功能。

快掘工艺

掘锚一体化工艺流程采用空间交叉、平行作业工艺，在掘进的同时利用多组自动化锚杆钻臂实现多排多臂分段平行支护，掘进工作面采用一体化树脂锚杆支护，护盾临时支护顶板，掘锚一体机机载锚杆钻机打顶部两侧4 根锚杆、两帮上部2 根锚杆；锚杆台车施工剩余锚杆，形成“空间交叉、快速推进”的智能化快掘工艺。

结合曹家滩煤矿地质条件及掘锚机组运行情况，全方位优化了设备结构和性能，对自动化锚护系统、自移式连续输送机、记忆式自适应截割系统、可视化远程操控系统、隔绝式全覆盖立体除尘、机身姿态自纠系统、动态感知安全防护系统、组合式精准定位系统、超前钻探等方面进行了10 大类102 项改造。研发了“掘锚一体机+煤矿用锚杆钻车+自移式超长远距离带式输送机”快掘成套装备，如图1 所示。

以巷道成型、支护质量、围岩应力为着力点，采用国内外先进质量检测手段，构建了一套从巷道开挖到竣工的“量、检、测——三闭环”质量验收标准，提高了工程质量管理水平，营造了安全的作业环境。“三闭环”质量验收流程如图2 所示。

智能导向系统

（1） 掘锚一体机精准定位

精准定位是煤矿快速掘进的核心，针对煤矿掘进装备开发了“全站仪+惯导+里程计+测距雷达”组成的多传感器融合的定位导向系统（图3），定位精度达到厘米级。机组以巷道中心线为基准实现定位导向，在掘进过程中获取设备在巷道内的位置和姿态。实现了掘锚一体机的航向角、俯仰角、滚动角、速度等数据信息在掘进工作面控制中心的操作台界面上的集中显示，以及锚杆台车与带式输送机自移机在已掘巷道下的相对位置定位。

（2） 锚杆台车相对定位

锚杆台车跟随在掘锚一体机后部，所处的空间为已掘进巷道，因此以实际成形巷道为基准，采用相对定位的方法确定锚杆台车与掘锚一体机的位置。在锚杆台车的前方和侧方分别安装测距传感器，前方传感器监测锚杆台车与掘锚一体机的距离，侧方传感器监测锚杆台车的角度偏差，作为及时跟机和自动纠偏的依据。其传感器的安装位置如图4 所示。

（3） 机组自主导向

自主导向是煤矿智能化掘进的基础，目前已突破掘锚一体机智能导向、锚杆台车与带式输送机自动纠偏、多机协同自动跟随等技术；其中传感器设备跟随掘锚一体机，根据传感器前方测距结果计算车前距，两侧测距结果计算位置和方向角偏差，以实际掘进成形巷道为基准，采用相对定位的方式，自动纠偏（图5），最终获得装备位置准确数据。

自动行走及纠偏控制系统

自主行走系统是以精准定位和自主导向为基础，依托于机组的行走驱动精准控制系统，最终实现机组的前移、纠偏，其实现过程如图6 所示。

机组在行走过程中不断地根据传感器的监测数据调整行走方向和行走距离，从而实现机身纠偏。机身姿态自纠系统，在机身外轮廓布设测距雷达（图7），根据掘锚一体机实际掘进成形巷道进行相对定位，使用左右两侧布设的测距雷达测量机身距巷帮距离，计算轴向姿态与位置，实现机身自动纠偏。

自适应截割控制系统

煤层地质结构多变，煤岩层理交错，掘锚一体机截割时常遇到载荷突变，易使截齿、油缸、截割电机等部件发生冲击损坏，影响设备使用寿命，且易造成截割断面成形质量参差不齐，为此需要研究自适应截割控制技术。通过D−H等方法建立掘锚一体机截割大臂的数学模型，研究截割大臂的正/逆向运动学，赋予截割大臂机器人特性，使其具备路径规划与控制能力。研究截割滚筒牵引速度与截割阻抗特性关系、截割滚筒旋转速度与截割阻抗特性关系及截割滚筒轨迹规划与控制。使掘锚一体机截割不同硬度的煤岩时，通过本身的多传感器实时监测截割的位置及当前状态，实现自动截割控制。在截割过程中，通过自适应截割控制，自动匹配最佳的进刀速度，达到截割效率最大化，降低因电机负载过大导致的电机堵转、烧毁等故障，从而减少停机时间、增加进尺量，提高掘进效率，自动截割路径示意如图8 所示。

掘锚一体机的掘进控制系统设备通过多传感器实时监测截割位置及当前状态，根据设计巷道顶底板高程以及导向系统实时输出定位结果、车身倾斜姿态，自动计算截割大臂升降运动的上、下止点，完成工序自规划，控制截割滚筒顺利完成升刀、进刀、下割、拉底、升刀等截割步骤，实现装备的自动截割。

多工序协同智能支护系统

（1） 自动铺设锚网、支护系统

自动铺网、支护系统主要由顶板锚网铺设装置、帮部锚网铺设装置、4 个顶锚杆机、4 个帮锚杆机、2 个锚索机组成，其中掘锚一体机布置2 个顶锚杆机、2 个帮锚杆机（图9）；煤矿用液压锚杆台车布置2 个顶锚杆机，2 个帮锚杆机，2 个锚索机（图10），各个智能支护单元完成路径规划的顶、帮锚杆的支护作业，在掘锚一体机临时支撑后部，顶、帮锚杆机前面分别布置顶锚网自动铺设装置以及帮锚网自动铺设装置，实现顶、帮锚网的自动铺设，与智能支护系统协同突破支护过程复杂工序的配合衔接难点问题。

（2） 智能锚杆机

钻杆机械手将钻杆送到回转机构输出轴上，回转机构进行钻孔，钻孔结束后钻杆机械手撤走钻杆，并从锚杆库中抓取锚杆装到回转机构输出轴上，回转机构将锚杆推入孔中，吹出锚固剂，搅拌锚固剂并拧紧螺母，智能锚杆机构造如图11 所示。

超长距离连续输送系统

（1） 自移机尾系统

自移机尾采用履带行走，可实现自动跟随锚杆台车前进、输送带自动调偏的功能。自移机尾系统主要由动力底盘、输送带支架、接料斗、调偏系统、液压系统及集控室等部件组成。随着锚杆台车向前推进，自移机尾动力底盘也随之前移，始终确保刮板输送机卸载的煤矸石落在接料斗内。当输送带跑偏时，调偏系统可调节尾部改向滚筒的姿态进行防跑偏调节，同时也可通过输送带支架与动力底盘之间横向移动来调节。自移机尾具体结构如图12 所示。

（2） 长距离带式输送机安全控制设计技术

针对可能出现的跑偏、打滑、堵料、烟雾、高温及输送带撕裂等故障，笔者研究的连续带式输送机具备智能数据采集系统，设置跑偏开关、打滑检测器、堵料检测器、烟雾传感器、温度传感器、输送带撕裂传感器等综保装置，利用物联网技术采集各个故障点信息（故障点以及故障类型），并将采集到的信息发送至上位机，实现故障自动诊断、显示、报警等功能。

“井-地-云”远程集控系统

为提高设备智能化水平，减少掘进工作面人员数量，曹家滩煤矿打造了掘进工作面远程集控系统。基于智能感知、可视化在线监控、大数据专家库及平台决策对设备关键部件进行状态监测、远程管控。在井下集控室和地面调度指挥中心，可以实现掘进工作面装备的智能监测和远程集控，实现煤矿安全生产的绿色、高效。

（1） 远程集控网络构建技术

基于无线网络通信技术，构建工作面无线局域网，通过“CAN总线网络+工作面无线局域网+工业以太网”的方式，实现掘进工作面数据交互、上传。

掘进工作面加装网络电话、高清摄像机，实现井上井下语音通信和远程视频监控。井下供电系统、通风系统、排水系统、除尘系统接入远程集控系统，进行统筹综合管控，如图13所示。

掘锚一体机、锚杆台车、带式输送机系统分别安装无线基站和交换机，将设备上采集到的影像数据和电控数据，通过无线基站与巷道侧帮上的AP模式的无线基站连接通信，并通过光纤传输到环网。井下环网的数据经光纤连接到地面交换机和服务器，实现“井−地−云”三地联动。

（2） 远程集控交互技术

曹家滩煤矿研发了远程控制系统，可远程监测设备工作状态、关键部件运行参数、故障信息、姿态信息等，通过下发指令远程控制设备电机启停、设备动作、工作模式切换等。设备上视频信号，实现对关键位置的远程视频集中监控与远程可视化操控。掘进工作面加装网络电话并接入井下环网，实现整个井下掘进工作面的远程对讲和井上、井下远程对讲。接入井下运输、通风、供电、排水、除尘等系统，显示动力配电点、风机配电点的开关、输送带移变、备用移变、风机移变、工作面移变等数据及故障信息，并进行统筹综合管控。远程集控系统具备操作模式的本地、远程控制切换功能。

（3） 远程集控系统应用

根据设备远程集中监测与远程控制需求，集控室配备多台高性能计算机来支持集控软件快速处理数据。集控室如图14 所示，配备多台显示器分别显示掘锚一体机工作状态、锚杆台车工作状态、带式输送机系统组态画面、远程监控画面。

远程集控系统配备多个嵌入式操作面板，面板可以快速拆卸，可供灵活移动使用，用于远程控制掘锚一体机工作，包括行走、大臂动作、铲板动作、刮板动作、护盾动作、支腿动作、电机启停、工作行走模式切换、锚杆支护功能、急停控制等指令；配备座椅便于集控室操作人员工作；配备本安型智能快掘平板终端用于风机切换、设备就地启停、多岗位监控等需要灵活维护时的备用操作控制终端。

集控系统可以实时显示掘进工作面设备的运行工况、状态信息、视频监控等画面，达到单机可视操控、成套设备“一键启停”及远程集中控制目的，从而实现掘进工作面少人至无人化工作，集控界面及视频监控画面如图15、图16 所示。

（4） 云端远程管控技术

煤矿智能装备云端管控平台聚焦煤矿施工现场，紧紧围绕人员、地质、装备、风险等关键要素，综合运用物联网、BIM技术、虚拟驱动技术、大数据、云计算和智能物联网设备等软硬件信息技术，并与施工过程相融合，对工程质量、施工安全等方面加以管控，提高煤矿工作面现场的施工效率、管理效率和决策能力，实现工作面数字化、精细化、智能化施工和智慧化管理。

大断面智能快速掘进系统应用效益分析

安全效益

（1）“少人则安”的本质安全型掘进工作面

智能快速掘锚成套装备通过配备机械手、智能材料库、一体化中空树脂锚杆、自动探放水设备、远程操作台等设备实现了掘进智能化工艺。作业人数由15 人减少至5 人，打造了“少人则安”的本质安全型掘进工作面。

（2） 现场安全措施全覆盖

机身配备了临时支护护盾，永久支护紧跟临时支护，从根本上杜绝了空顶作业；左右机身侧均安装了大空间高作业平台，平台与煤壁间加装了防砸挡板，杜绝了片帮煤块从高空坠落对人员的伤害；侧翼安装自动报警系统，设备运行期间人员靠近时，系统自动报警停机，保证了人员安全；截割大臂前配备了自动超长钻探装置 ，实现了水患的有效预警。

经济效益

（1） 缩短成巷周期

快速掘进技术的应用将传统成巷周期由10个月缩短到4个月，采煤工作面巷道形成周期缩短了60%。

（2） 节约人员成本

优化了劳动组织，作业人数由15 人减至5 人，大幅降低了巷道掘进人工成本。

（3） 增加月煤炭产量

巷道掘进速度由传统施工工艺的月均进尺500 m提升至1 500 m以上，每月增加近4 万t 掘进煤量。

社会效益

（1） 解决了采掘失衡难题

积累了大量的快速掘进巷道围岩支护参数优化、掘锚成套装备优化、工艺优化及施工组织优化经验，锻炼了一大批经验丰富的技术管理人员和成熟的快速掘进施工人员，形成了大断面巷道快速掘进技术体系，大幅度提高了巷道掘进速度，解决了矿井采掘失衡的难题，为矿井高质量发展奠定基础。

（2） 提供了可推广借鉴的经验

实现了掘进工作面的少人化和智能化，符合国家煤矿智能化建设要求，研究成果为煤矿智能化掘进技术发展起到了引领作用，社会意义巨大。该成果可推广至后续掘进工作面，不仅适用于曹家滩煤矿巷道掘进，同时为该地区其他矿井类似巷道掘进提供了技术借鉴。

（3） 打造行业标杆，成为行业典范

2020 年11 月26 日，在曹家滩煤矿召开了全国煤矿快速掘进现场推进会。参会的各级煤炭行业协会、管理部门、企业等代表，对曹家滩煤矿大断面巷道快掘建设成果给予了充分肯定。2021 年5 月28日通过了中国煤炭工业协会组织的“榆神矿区大断面煤巷快速掘进关键技术与装备”项目鉴定，曹家滩煤矿大断面煤巷快速掘进关键技术与装备达到国际领先水平，设备所在的智能快掘工作面参评国家智能化验收，专家团评分为88.5。

结 语

智能快掘在使用和升级期间打造了多个智能掘进工作面，将量身打造的安全可靠的智能化快速掘锚成套设备融入了“曹家滩智慧”，解决了大型矿井面临的因巷道掘进效率低下导致的“采掘失衡”重大难题。

智能快掘系统创新性地提出了以掘支一体化技术为核心，减量提质围岩强化控制技术、多机协同控制技术、“技术、装备、工艺、组织”耦合系统化管理体系等作为保障，形成技术密集、成套系统化特征，依托新工艺装备实现“探、掘、支、破、运”一体化作业的大断面煤巷智能快速掘进技术，确保了大断面煤巷快速、高效、优质、安全施工，为解决采掘接续紧张及全面建成掘进工作面智能化场景新模式奠定了技术和理论基础。

助理编辑：江振鹏