随着我国煤矿综采技术与装备与矿井配套设施快速发展，综采工作面开采强度成倍增加，工作面的回采速度不断被刷新，使煤矿井下回采巷道掘进工程量剧增。“采掘失衡”“采掘接续”矛盾日益突出。掘进效率低、采掘比例失调，成为制约我国煤矿高产高效的瓶颈[1]。为了提高掘进效率，减少掘进队伍，降低生产成本，实现煤矿安全高效集约化生产，煤矿快速高效掘进技术成为我国煤矿采掘亟待攻坚的核心难题之一。
1.煤巷快速掘进现状
我国煤巷快速掘进方式目前主要有3种方式[2]：第1种是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套，在煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械是悬臂式煤巷掘进机，特点是单巷掘进，适应范围广，采用单体锚杆进行锚杆支护，锚护强度大，掘进和支护不能平行作业，掘进速度一般。第2种是连续采煤机与锚杆钻车配套作业线，在我国神府及东胜煤田得到了推广应用，主要掘进机械为连续采煤机，特点是需要多巷掘进，连续采煤机与支护设备锚杆钻车交叉换位施工，实现掘锚平行作业。该作业线一般布置在围岩稳定的近水平煤层内，利用多巷掘进增加连续采煤机开机率，一般不安排在单巷掘进中应用。第3种是传统掘锚机组掘锚一体化掘进。为实现煤巷快速掘进，适应锚杆支护技术快速发展，世界主要采煤国快速掘进装备不断发展，掘锚机组是适用于煤巷快速掘进的掘锚一体化设备，在连续采煤机或悬臂式掘进机基础上发展的一种新型掘进机型，特点是将掘进与支护工序有机地组合起来，减少掘进与支护设备换位作业时间，在同一台设备上完成掘进和支护工艺。掘锚机组分为2类：一类是以连续采煤机为基础的掘锚机组；另一类是悬臂式掘进机机载锚杆机，其后配套方式主要以桥式转载机和带式输送机为主，称之为传统掘锚机组掘锚一体化掘进，它与连续采煤机作业配套方式相比具有适应范围广、顶板支护及时和能够实现单巷快速掘进等优点。传统掘锚一体化掘进机组把掘与锚集成在1台设备上，但支护所占用的时间要远大于割煤时间，因此也没有完全实现真正意义上的掘支平行连续作业。
2.掘锚一体化高效快速掘进技术
以上3种掘进配套方式中掘进及支护效率都有很大进展，但都有各自使用特点及局限性，没有实现掘进工序上的“掘、锚、运”完全平行作业，巷道掘进效率发展遇到了瓶颈。近年来，中国煤炭科工集团基于分段分次支护理论，在传统掘锚机组掘进技术基础上，提出了掘锚一体化高效快速掘进技术，有效解决各工序平行作业难题，提高掘锚机组掘进效率及设备广泛适应性。其核心技术打破了一次成巷固有观念，将支护理论向前推进。
分段分次支护是快速高效掘进基础，其核心是在后配套装备上增加支护设备，分担掘锚机组支护工作量，提高支护作业效率，解决传统掘锚机组掘进技术“掘快支慢”的缺点，最大限度形成“掘、锚”平行作业，配合后配套连续运输装备，在掘进工艺上成“掘、锚、运”连续平行作业。巷道的分段支护工艺如图1所示。
图１巷道分段支护工艺
掘锚一体化快速掘进系统采用多排多臂同时支护工艺，实现掘支工序均衡。依据巷道围岩条件和支护强度要求，综合分析围岩状态与支护效果，以空间换时间，将支护任务科学分配到掘锚一体机和锚杆转载机并行完成，设置锚杆转载机支护参数为变量，根据支护要求，通过配置不同类型和数量的钻机，达到掘支工序时间均衡，采用自动化高效钻机减少支护时间。一般地，分段分次支护方案如下：
一次支护：顶部锚杆和帮部上部锚杆用掘锚机组负责施工。
二次支护：使用辅助支护设备支护A和B中一次支护剩余锚杆，使用人工或者由辅助支护设备完成帮部下部锚杆和锚索C。
对比掘锚一体化快速掘进工艺与传统掘进工艺正规循环（图2），平行作业时间由不足25%提高至70%，锚杆支护工序时间平均降低30%以上。
图2掘锚一体化快速掘进工艺与传统掘进工艺正规作业循环对比示意
掘锚机组掘锚一体化掘进实现“掘、支、运”平行作业，大幅度提高了掘进效率，从现场实践来看，存在着长达十米以上的需要二次成巷区域，这和现行矿井严格执行巷道一次成巷作业要求是有冲突的，因此，加强分次支护理论的研究，为行业制定标准和规范奠定理论基础，这是掘锚机组“掘、支、运”一体化快速掘进工艺能够得到全面推广的关键。
3.掘锚一体化高效快速掘进设备配置
掘锚一体化高效快速掘进以掘锚机组为主体，配备辅助支护设备和辅助转载设备及带式输送机。辅助支护装备一般集成转载和支护（锚杆或者锚索支护）设备，辅助转载设备包括可弯曲带式输送机和桥式转载机。可弯曲带式输送机可使带式输送机靠巷道一帮布置，给材料等无轨运输留下足够空间。掘锚一体化高效快速掘进设备布置如图3所示。设备配套根据不同地质条件，可配备不同形式，掘锚一体化高效快速掘进作业线设备配置见表１。通常地，顶锚杆A和帮部上部锚杆B的支护工作是锚杆支护巷道的关键工序，可把承担施工A和B的任务之和看作[0，1]之间的数字，若A+B=1，表示顶锚杆和帮部上部锚杆全部由掘锚机组承担，可认为巷道施工要求一次成巷，生产系统则可视为传统的掘锚机组一体化掘进，底部帮锚杆和锚索C根据支护要求，采取人工支护或者也可由掘锚机组完成施工；若A+B=0，表示全部锚杆施工可完全滞后由辅助支护设备承担。这种情况下，巷道施工地质条件好，围岩稳定，空顶距可达20m以上，所有锚杆滞后给辅助设备施工，后配套系统专门配置多臂锚杆钻车（一般配备8个及以上钻臂，钻臂可同时施工）完全取代掘锚机组的支护工作，整个掘进系统配套形式被称为稳定顶板条下的快速掘进系统，此种条件下，为提高掘进速度，底部帮锚杆和锚索C可在多臂锚杆钻车后采取人工支护；若0
图3掘锚一体化高效快速掘进设备布置示意
表1掘锚一体化高效快速掘进作业线设备配置
4.掘锚一体化高效快速掘进的技术保障
4.1长距离通风
掘锚一体化快速掘进成套装备总体安装长度为50～200m，高效快速掘进在长距离巷道内更具有优势。目前，工作面超过6000m的回采巷道布置在神府和东胜等煤田普遍存在。相对双巷（多巷）掘进，可通过施工中的联络巷形成负压通风来解决长距离局部通风机供风难题，单巷掘进的掘锚一体化掘进系统，长距离局部通风机通风是基础。目前，神府矿区长距离通风采用对旋风机和二次加压技术，能够做到长距离供风，满足通风要求[3]。
4.2安全保障
长距离巷道掘进顶板出现事故一般会造成重大伤亡，因此，应重点做好以下2个方面：一是事故前顶板监测，事故发生前利用顶板监测装置对顶板离层情况进行实时监测，掌握顶板离层情况，及时采取措施，防止灾害事故的发生；另一方面，一旦出现顶板事故如后，如何避免掘进工作面施工人员受到次生灾害的伤害。目前，煤矿巷道顶板离层观测使用的仪器多为结构较为简单的纯机械式巷道顶板离层指示仪和借助电器元件以声光报警方式的巷道顶板离层指示仪，这2种仪器多为人工观测采集数据，数据误差大，更无法实现巷道顶板离层动态连续监测。长距离巷道掘进，测点多，情况复杂，因此，巷道离层实现自动监测成为必须，能够将巷道顶板离层状况数据准确及时采集、显示、存储和上传到计算机上显示，提高监测能力，方便迅速管理和控制；报警器能在超出设定所报警值或其差值时自动报警，并显示其位置及参数，井下工作人员一旦发现异常，可及时采取措施，保证安全生产。
另一方面，在长距离掘进巷道中，一般可每隔50m设置1组压风自救装置防止次生灾害的发生。煤矿井下压风自救系统是利用矿井压缩空气（压风）管路系统，接出分岔管，并接上防护袋、面罩或喇叭口等连接人呼吸器官的面具，将压风经减压节流、消声、过滤后供给避难矿工、保护他们免受有毒或窒息性气体侵害的器具。
4.3辅助运输无轨化
辅助运输宜采用无轨胶轮车，使用灵活，通达能力大，机动性强，安全可靠，解决长距离送人和材料等问题。
5.工程实例
2018年6月凉水井煤矿第1套掘锚一体机快掘系统开始调试及试生产[4]。工作面布置在4-2煤层422盘区42203运输巷，该煤层倾角0°〜3°，煤层平均厚度为3.14m。矩形巷道断面5.4m×3.2m，巷道设计长度2500m。选用EJM340/4-2型掘锚一体机沿煤层底板掘进，掘锚一体机自行进刀落煤、出煤，DZY100/160/135型可弯曲带式输送机配合DSJ100/40/160型带式输送机运煤。巷道支护方案如下：①巷道顶锚杆支护方式为“六、六”矩形布置，掘锚机的左右两侧各2台顶锚杆钻机，每个作业循环，左、右两侧各施工3根顶锚杆；②巷道帮部4根锚杆，其中上部2根锚杆由掘锚机组左右2个帮钻机负责施工，下部2根锚杆可滞后人工补打；③巷道顶板锚索支护方式一、二菱形布置，间距2.5ｍ，由MZHB2-1200/20运锚机负责施工。EJM340/4-2型掘锚一体机为循环式作业方式，每个工作循环最大向前推进1m，包括截割和支护2个工序，截割与支护平行作业，2个工序由不同操作人员同时操作。同年8月30日完成掘进，小班最高进尺28m，日最高进尺53m，月最高进尺1206m；后续运行不断创出新业绩，累计掘进超万米。小班最高进尺41m，日最高进尺75m，月最高进尺1500m，人员由60人减少至45人。
结论
1）平行化作业，分段分次支护理论的应用，掘锚机组一体化高效快速掘进已经取得了很好的效果。神东快速掘进系统达到稳定顶板条件下进尺3000m的世界领先水平；凉水井煤矿创造了在中等稳定地质条件下月进1500m的好成绩。
2）传统的支护理论，强调一次成巷，并广泛应用到生产实践上，并得到广泛认可与实践，而分段分次支护理论，在如何合理分配A、B、C段的任务量，以及滞后的二次支护时间都需根据不同的地质条件还需进一步细化研究，其研究成果决定了高效快速掘进的推广的高度和广度。从“掘、支、运”掘锚一体化高效快速掘进成功实践来看，传统巷道一次成巷支护理论也有进一步的优化空间，不过度而合理的支护方案，不仅能够节约材料成本，而且也能大幅度提高掘进效率，为煤矿掘进提供安全高效可靠的理论基础。
