研究的背景、意义及主要内容
背景
我国西部地区资源富集，煤炭探明储量占全国的80%以上，产量占比超过60%，开发西部煤炭资源是保障我国能源安全的重大需求。矿井建设是实现西部煤炭资源高效开发的首要任务，传统建井技术存在井下作业人员多、效率低、速度慢、耗能高、安全性差、后期维护量大等问题，无法满足大型矿井短周期、高安全、高质量建设需求。
陕西延长石油（集团）有限责任公司在陕北拥有210亿t优质煤炭资源，是国家煤炭开发战略西移的“主力军”，且正在建设千万吨级智能矿井集群，“十四五”末建成产能5 000万t以上， “十五五”末产能将突破1亿t，亟须研发安全高效的智能化建井技术。
意义
智能化建井是智能时代煤炭技术发展的必然趋势。人工智能是第四次工业革命和产业变革的核心驱动力，正将人类社会带入智能时代。2020年2月国家八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》指出“煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑”，要求加强对先进基础工艺共性关键技术的研发，为智能化建井技术攻关指明方向。智能化建井技术是适应技术革命发展趋势，破解煤炭资源开发建设难题的必然选择。
智能化建井是保障国家能源安全的重大需求。2022年4月20日国务院常务会议指出要发挥煤炭“主体能源”作用，通过核增产能、新投产等， 今年新增产能3亿t。
智能化建井是加快煤炭高效开发的迫切需要。矿井建设是实现煤炭资源高效开发的首要任务，加快智能化建井技术研究已成为实现我国煤炭资源高效开发的根本途径。
智能化建井是煤炭资源安全开发的根本保障。煤矿生产建设的危险性、环境的复杂性，对机器替代人工有天然的需求。智能化建井将矿工从危险的环境中解放出来，从高强度劳动中解放出来， 推动煤炭从高危行业向本质安全转变。
主要内容
（1） 智能化建井技术
针对西部复杂条件建井工程，研究煤矿斜井智能化建井方法，主要围绕建井施工工艺高效协同，创新斜井掘进工法，创建全断面敞开式掘进机智能掘进支护系统，研制斜井掘进智能协同控制系统，实现斜井掘进地面远程操控。
（2） 煤矿建井成套智能装备与技术
结合陕西延长石油（集团）有限责任公司可可盖煤矿地质条件和斜井施工的特点，开展破岩机理研究与破岩影响因素分析，研制适配道具和刀盘结构，研究破岩排渣一体化作业，研制超长距离斜井输送带运输系统、智能导航系统、多智能体自适应控制系统等技术装备。
（3） 智能化建井安全保障技术
创新斜井全断面敞开式掘进机智能掘进安全保障技术和工艺，研究“超前探测＋精准防治＋智能掘进”的安全保障技术体系；对埋深超过400 m采用立井开拓的传统方式进行变革。
关键技术突破与创新
（1） 首创了煤矿斜井智能化建井方法，发明了斜井全断面敞开式掘进机“探—掘—支—锚— 运”高效协同智能掘进技术，变革了我国煤矿传统建井工艺方法。
创立了横向分区、纵向分层、岩性分级、时空协同、平行作业的斜井掘进工法；创建了超前钻注、短护盾-钢筋排临时支护、锚网索联合、自动喷混、仰拱块自动拼装的智能掘进支护系统，较管片被动式支护效率提高3倍以上，成本降低70%； 基于5G技术创建了包含掘进机控制、辅助掘进设备自动跟机作业、生产安全保障实时监控等功能的斜井掘进智能协同控制系统，实现了斜井掘进地面远程操控；变革了我国煤矿传统建井工艺方法。
历时10个月完成5 335 m主斜井掘进工程，截割岩体工程量超过21万m³，平均月进尺达509.7 m， 掘进效率较传统综掘法、钻爆法分别提高了3倍和5倍以上。可可盖煤矿斜井掘进实景如图1所示。
图1 可可盖煤矿斜井掘进实景
（2） 研发了首套斜井全断面敞开式掘进机， 创新了超长斜井全断面掘进机始发关键工艺与技术，研制了斜井智能掘进成套新装备。
结合可可盖煤矿地质条件和斜井施工的特点，研制了首套斜井全断面敞开式掘进机＋辅助系统的智能建井技术装备，开展了滚刀破岩机理研究与破岩影响因素分析，研制了特种耐磨合金破岩滚刀、刮刀，优化了刀盘结构，实现了大体积破岩- 封闭式降尘-岩渣改性-高效排渣的一体化作业；研制应用了提升高度600 m、单部6 km的斜井输送带运输系统，智能导航系统，AI识别高清晰视频系统，分段多级智能排水系统，多智能体自适应控制系统等，实现了斜井智能辅助配套装备、技术、系统整体突破；提出了降水-开挖-砼碹-回填的超大明槽施工工艺，创新了掘进机始发工艺，实现掘进机快速组装、斜坡稳定步进，以及掘进机直接进硐与始发掘进（图2）。
图2 装备研制优化
创新了斜井掘进始发关键技术与工艺，创造了45天完成组装，速度提高了一倍以上；创造了40m2井筒月进尺812.6 m的斜井施工吉尼斯世界纪录。斜井全断面敞开式掘进机，如图3所示。
图3 斜井全断面敞开式掘进机
（3） 研发了斜井敞开式全断面智能掘进安全保障技术与装备，变革了中深部矿井的开拓方式， 创立了“机器决策为主，人工干预为辅”的智能化建井新模式。
发明创新了12项新技术和6种新工艺，形成了“超前探测＋精准防治＋智能掘进”的安全保障技术体系（见表1）。斜井智能掘进系统具有安全快速、施工质量好的显著特点，变革了埋深超过400 m采用立井开拓的传统方式，形成了“机器决策为主，人工干预为辅”的智能化建井新模式，充分发挥了斜井主运输连续化与辅助运输无轨化的优势。智能化建井技术把矿工从艰苦危险的环境中解放出来，从超强度体力劳动中解放出来。推动矿工由井下作业向地面远程操控转变，从黑领、灰领向白领、金领转变；推动建井工程由高危行业向本质安全型转变；推动矿建由劳动密集型向技术密集型转变。
表1 安全保障技术体系
难题攻克与解决方案
主要技术难题
（1） 智能化建井工艺技术体系亟待创建
以钻爆法和综掘法为主的传统建井作业“脏累苦险”，存在建设周期长、劳动强度大、安全风险高、作业环境差、工序协同难、围岩扰动剧烈、自动化程度低等问题，难以满足安全高效建井的需求。斜井智能化建井方法尚处空白，亟待创建智能化建井工艺技术体系。
（2） 智能化建井成套技术装备亟需研制
可可盖煤矿斜井掘进需穿越2300 m的洛河组砂岩。洛河组砂岩富水，饱和抗压强度2～3 MPa， 具有西部典型的弱胶结、遇水泥化复杂地质特征。采用常规盾构机掘进风险高、难度大。适应主动支护的TBM在煤矿的应用尚处于起步阶段，斜井全断面敞开式掘进机技术与装备尚属空白。
（3） 智能化建井安全保障技术有待创新
现有技术装备具有无协调联动、技术融合差、目标冲突及针对单项小规模的特征，无法支撑复杂条件、精准防治及非线性不确定系统工程，创新安全保障技术是实现智能化建井的根本保证。
解决方案
围绕西部煤矿复杂地层全机械破岩智能化建井技术装备研发与工程应用科学问题和关键技术， 按照“基础理论-共性技术-整机装备-建井工艺-应用示范-智能全寿命管控”的研究思路，在建井之初就植入智能化基因，提出“智能化建井，建智能矿井”的建井理念。
针对智能化建井工艺缺乏、技术装备研究滞后及安全保障体系不健全等难题，研究了智能化建井技术方法、智能装备与关键技术及安全保障技术等主要内容，发明了智能化建井关键工艺技术，研制了首套斜井全断面敞开式智能掘进技术与装备， 研发了智能化建井安全保障技术装备，创新形成斜井智能化建井技术、装备和工程示范体系，在可可盖煤矿完成了工业性试验，满足斜井全断面敞开式掘进机的智能掘进需求，实现煤矿超长斜井智能化建井并进行了推广应用。
应用效果与推广前景
应用效果
超长斜井全断面敞开式掘进机智能掘进技术的成功实践，使矿井实现了安全高效智能绿色建设的目标。项目工期缩短2年以上，工程建设直接费用节约超20亿元。按照1年1 000万t，吨煤价格750 元，成本250元/t测算，可实现营业收入150亿元， 创造利润100亿元。我国煤炭开发战略西移，预计未来3～5年内，新建矿井采用斜井开拓、全断面掘进机施工的比例达到60%以上，工程产值超百亿元，经济效益显著。
可可盖建井工程创建的全断面敞开式掘进机掘进工艺技术与装备，掘进速度是传统工法的3～5倍，与钻爆法相比，节约炸药量1100 t，雷管140万发，减排二氧化碳220 t。创新了“机器决策为主、人工干预为辅”的安全高效建井新模式，实现了“打井不下井，本质安全建井”，变革了传统的建井工艺技术，为我国煤矿智能化建设提供了有益的探索与实践经验。
推广前景
优质煤炭资源安全高效开发是保障国家能源安全核心战略要求，智能化建井是煤炭行业高质量发展的必然选择。斜井全断面敞开式掘进机智能掘进关键技术装备的研究应用与成功实践，提高了施工效率，提升了经济效益，确保了安全生产；实现了智能化建井从基础理论、技术装备到工程实践的重大突破，填补了煤矿智能化建设的空白，引领了行业科技进步；为我国西部煤炭资源高效煤矿开发建设提供了可复制、可借鉴、可推广的智能化建井新模式，具有典型的示范引领作用，推广应用前景广阔。
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