陕西能源凉水井矿业有限责任公司隶属陕西投资集团，是国家首批智能化示范煤矿建设矿井。矿井井田面积68.08km2，地质储量6.65亿t，可采储量4.07亿t，核定生产能力800万t/a，属低瓦斯矿井。随着近年来矿井生产能力的不断提升，回采巷道消耗速度逐渐加快，矿井主要采用“综掘机和单体钻机”交叉换位交替作业工艺，月均进尺仅600m左右，矿井开采准备周期长、巷道维护成本高，已无法满足综采接续要求；同时，掘进工作面存在人员密集、劳动强度大、安全保障难等问题也成为矿井掘进工作面面临的主要难题[1-3]。
为提高单机水平、掘进工效及安全水平，自2015年起，凉水井煤矿与中国煤炭科工集团太原研究院有限公司合作，对矿井掘进工作面的工艺、装备等进行深入研究，成功研制了适应中等稳定围岩条件的快速掘进成套装备，构建了凉水井矿快速掘进系统，实现了掘进工作面全机械化作业，掘进效率提高1.5倍，安全作业水平显著提升，单个掘进队人数由60人减少至45人[4]，为我国同类地质条件的掘进工作面建设提供了一定的经验。
1.工作面概况
4-2煤层工作面布置3条巷道，即为辅运巷、运输巷和回风巷，在辅运巷与运输巷之间煤柱宽度为10m，每隔200m左右布置1条联络巷，工作面开切眼长度330m，巷道长度2000～4500m。试验工作面为42203辅运巷，长度为2741.17m，设计断面为矩形，掘宽5400mm，掘高3250mm。
工作面地质构造简单，构造总体趋势为倾向NWW的单斜构造，地层平缓。
1.1煤层及围岩条件
1)煤层条件。
4-2煤层位于延安组第2段顶部，上距3-1煤层平均间距37.77m，下距4-3煤平均间距24.87m，平均埋深94.44m。井田范围内大部可采，厚度变化小，结构简单。4-2煤为黑色，弱沥青光泽，参差状断口，裂缝被方解石脉充填，煤属低变质的长焰煤和不黏结煤，为优质动力、化工用煤和民用燃料。42203辅运巷掘进区域煤层为较稳定煤层，西部区域不含夹矸，东部区域含1〜2层泥岩夹矸，该辅运巷煤层特征如下：
2）煤层顶、底板岩性。煤层基本顶为粉砂岩，平均厚度约8.53m，底板为粉砂岩，厚约8.85m，具体参数见表1。
表1煤层顶底板情况
3）煤层顶板稳定性分析。根据二盘区补充勘探资料及二盘区开采设计，该区域为上覆顶板富水区，因该区域处于3-1煤火烧风化区域，延安组第四段3-1煤成煤岩系均已风化剥蚀，东部区域被剥蚀殆尽，岩层裂缝极其发育，裂缝水赋存丰富；4-2煤成煤岩系上部也遭受一定程度风化，基本顶属于较稳定隔水层，该段掘进中，顶板受扰动产生裂缝导通风化岩层可能会导致4-2煤层顶板软弱层（泥质）变软，其余大部顶板均为较稳定岩层。
1.2支护设计
巷道顶板采用锚网索联合支护，两帮采用锚网支护。
1）顶板锚杆支护。采用ø18mm×2100mmⅡ级螺纹钢锚杆支护，每排6根，间排距1000mm×1000mm；托盘规格为120mm×120mm×8mm的Q235碟形钢板；锚固剂为1支MSCK2335型和1支MSZK2360型树脂锚固剂；钢筋网片采用ø4mm光圆冷拔丝加工而成，网片尺寸为2800mm×1100mm。
2）顶板锚索支护。采用ø15.24mm×7300mm钢绞线，1-2菱形布置，间排距2350mm×3000mm；托盘规格为300mm×300mm×16mm；锚固剂为一支MSCK2335型和2支MSZK2360型树脂锚固剂。
3）帮部支护。锚杆采用ø18mm×1400mm玻璃钢锚杆（采帮侧）/Ⅱ级螺纹钢锚杆（煤柱侧），排列方式为三、三矩形布置，间排距为800mm×1000mm，网片采用ø4mm钢丝，网片尺寸为2800mm×1100mm，网目规格100mm×100mm。
2.快速掘进工作面建设总体设计
基于巷道围岩快速评估与分类技术对4-2煤快速掘进地质条件适应性进行评估[5]，从煤层及围岩条件、水文地质条件等方面获得关键评价参数，利用应力强度因子、工程环境要素、顶板赋存结构等关键评价指标对快速掘进系统适应性进行技术论证。经论证，4-2煤层掘进条件适合快速掘进施工。
2.1快速掘进系统综合配套
为提高掘进效率，对掘进工作面工艺、工序、工位、工步进行流程分析，研究工作面可用空间，实现工作面受限空间下生产要素一体化，依据4-2煤围岩条件和支护参数进行设备综合配套。如图1所示，快速掘进系统由掘锚一体机、两臂锚杆转载机、可弯曲带式转载机、迈步式自移机尾组成，实现掘支运一体化平行作业，系统主要参数见表2，主要工序设计如下：
图1快速掘进系统组成
表2凉水井快速掘进系统主要参数
1）落煤工序。利用掘锚一体机全宽滚筒截割落煤，一次成巷；截割循环分为升刀—扫顶—掏槽—下切—拉底共5个工步，通过自动截割功能实现一键操作；掏槽利用油缸推进并分2次进刀，每次进刀量0.5m。
2）装载与运输工序。装载运输顺序为：掘锚一体机（铲板—刮板输送机）—锚杆转载机（料斗—破碎机构—刮板输送机）—可弯曲带式转载机—迈步式自移机尾—可伸缩带式输送机—主运输系统。其中，锚杆转载机集成料斗和破碎机构，实现煤流缓冲与破碎，可弯曲带式转载机与迈步式自移机尾长距离搭接实现高效连续运输，保证圆班不需延伸输送带；联络巷掘进时，锚杆转载机跟随掘锚一体机进入联络巷内，可弯曲带式转载机定点弯曲，实现小半径90°转弯运输[6]。
3）支护工序。利用掘锚一体机机载临时支护自动撑顶，完成顶网铺设工序；掘锚一体机和锚杆转载机同时进行锚杆支护作业，采用掘锚平行作业方式，提高掘进效率，锚索后续由人工补支护。
2.2空间多维度同步支护设计
空间多维度同步支护是面向掘进作业空间，利用多组施工机具实现多排多臂分段平行支护，掘进工作面通过低密度强力锚杆支护控制顶板，后部同步实施增强永久支护，形成“前疏后密，快速推进”协同支护体系[4]。如图2所示，掘锚一体机和锚杆转载机共8组锚钻工位，掘锚一体机①—⑥工位完成4根顶锚和2根帮锚施工，选择2名或4名支护工完成；锚杆转载机⑦—⑧工位完成剩余2根顶锚和2根帮锚施工，因两臂锚杆转载机钻臂可旋转兼具顶、帮锚钻功能，一般选择左右共2名支护工完成；一般2m锚杆的顶锚支护时间为3~4min/根，而帮锚支护时间为5~6min/根，经计算，与综掘工艺相比，永久支护时间由25min缩短至13min，通过综掘和掘支运一体化工艺对比分析，快速掘进循环作业时间由45min缩短至15min。
图2综掘工艺与掘锚一体化高效掘进工艺对比
图3 多机协同控制系统实时感知
2.3快掘控制系统设计
为提高掘进工作面安全性、降低工人劳动强度，快速掘进系统各设备间采用组合控制策略，使系统具有自调试性、自组织性和自稳定性，保证系统控制的可靠性、安全性、实时性，采取以下技术手段：
1）多机协同控制。基于无线网络通信技术和动态数据融合技术实现设备间局部信息交互，建立自主性、分布性、协调性的多机协同控制系统。为实现锚杆转载机自动跟机行走，通过距离传感器实时感知该设备与掘锚一体机的相对位置，通过自主导航系统控制锚杆转载机自主跟机；为防止锚杆转载机撒料，利用角度传感器和毫米波雷达实时感知掘锚一体机摆动机尾的位置和角度，保证精准卸料；可弯曲带式转载机通过锚杆转载机和自移动力站协同行走驱动，可弯曲带式转载机前进时，由锚杆转载机牵引，自移动力站随动，后退时，由自移动力站牵引，锚杆转载机协同退机；迈步式自移机尾与可弯曲带式转载机重叠搭接，当可弯曲带式转载机触发行程开关时，发出停止掘进命令，系统要求前移机尾；迈步式自移机尾采用自动迈步功能前移，自移动力站同时给可弯曲带式转载机提供向后驱动力，使其处于预张紧状态，从而减小迈步式自移机尾移动阻力；利用自移动力站作为控制中心，对系统进行组合控制，利用无线局域网实现设备间通信，实现逆煤流启动、顺煤流停车等运输系统联动功能[7-8]。
2）供配电及缆线管理。采用多回路组合开关对设备进行统一管理；迈步式自移机尾兼作设备列车，实现电缆框、材料框、组合开关小车随设备一同推进；低压电缆及水管利用托缆机构与掘进设备连接，无需人工延伸，简化工作面缆线布置。
2.4快掘辅助系统设计
快速掘进辅助系统主要包括通风除尘、辅助运输、超前探测等，为实现辅助系统与快速掘进成套装备高效运行，采用以下技术手段：
1）通风除尘系统设计[9-10]。工作面采用长压短抽的通风方式，利用巷道压风、截割外喷雾和临时支护挡风帘联合作用在掘进工作面形成密闭粉尘池，掘锚一体机机载除尘风机进行高效除尘，除尘风机功率22kW，处理风量300m3/min，为避免供风风筒与迈步式自移机尾干涉，须将二者分别置于两侧或将风筒置于迈步机尾中间，如图4所示。
图4风筒与迈步式自移机尾相对位置
2）辅助运输。利用WC3Y（B)型防爆胶轮巷道车进行工作面运料[11]，该车可实现双向驾驶，且机身通过宽度1.4m，该工作面设计通过宽度为2.3m（图4），可满足车辆的通过要求。
3）超前探测。采用耳巷施工钻场，依据每天的掘进进尺，每隔80m进行开掘钻场施工；坑道钻机[12]在检修班进行探钻孔作业，一般需要4h。
2.5劳动组织
工作面采用“三八制”作业，共计3个班组（检修班、生产一班、生产二班），检修班负责检修及准备工作，2个生产班分别为四点班和零点班负责掘进。检修班固定为八点班，其他2个生产班每15天进行1次倒班。各班生产人员配置见表3。
表3生产人员配置
3.实施过程及效果
3.1实施过程
1）成套装备地面调试。2018年5月15日系统各设备陆续到矿，6月3日在二号风井广场进行了地面组装、联调、现场验收。因国内首次全部采用国产设备的成套装备，组织抽调精干力量组成快掘队伍，并在太原研究院的指导下进行了实操训练。
2）成套装备拆解下井。2018年6月4日开始拆解入井，滚筒拆下由支架搬运车先行运输到位，掘锚一体机自行走6000m至42203运输巷，后配套设备同步由支架搬运车运输。
3）工业性试验（2018年6月17日—2018年8月31日）。6月17日—7月17日运行期间，大巷运输为0.8m带式输送机，运输能力不足，造成经常性停机，平均日进尺20m；7月18日—8月17日，运输改为1.2m输送带，运输能力基本能匹配快速掘进系统，平均日进尺40m。8月18日—8月31日，工作面出现构造，巷道顶板割岩最大厚度0.7m，顶板平均割岩厚度0.4m，底板平均拉低厚度0.3m，掘进工效明显下降，平均日进尺22m，累计过构造掘进146m。截至2018年8月31日，累计掘进1780m，支护锚杆10548根，其中班最高进尺28m，日最高进尺53m，月最高进尺1206m。
4）系统稳定运行期。自2018年9月，随着人员对设备熟悉度和操作水平的提升，快速掘进系统掘进工效逐步提高，单根锚杆支护效率由6月的5min/根提高到9月的3min/根，如图5所示，截至2019年5月，快速掘进系统先后完成42203运输巷、42203辅运巷、42202运输巷等8条巷道、2条开切眼、30余条联络巷、50余个硐室，累计掘进超2.4万m，日最高进尺91m，月最高进尺1506m，创下凉水井煤矿建矿以来单面单月掘进进尺最高纪录，该项掘进纪录在我国同等地质条件矿井中达到了较高水平。
图5快速掘进系统进尺统计
3.2实施效果
1）掘进效率显著提升。通过快速掘进工作面建设，掘进进尺由600m提升至1500m，掘进效率提升1.5倍，4-2回采工作面巷道掘进时间缩短2/3，有效缓解了采掘失衡问题。
2）掘进工作面安全水平显著提升，有效防范化解了掘进作业安全风险。掘锚一体机作业空顶距小，并集成临时支护和锚杆支护双重功能，锚杆作业人员均在永久支护后方作业，且作业上方均有防护顶棚，作业安全性较传统综掘显著提升。
3）快速掘进工作面建设起到了显著的示范效果。快速掘进系统的成功应用有效提升了我矿的掘进效率，公司先后又引进2套快速掘进系统，助力凉水井煤矿智能矿山建设，同时，快掘技术在周边关中、榆林地区等20余处煤矿成功推广应用。
4.结论
1）快速掘进工作面建设实现了4-2煤层工作面煤巷的快速掘进，提高了掘进速度、效率和效益，人均工效是综掘系统的1.5倍以上，为类似地质条件的安全高效掘进提供了宝贵经验，为陕北煤田的安全高效开发提供技术参考。
2）由国产掘锚一体机、锚杆转载机、可弯曲带式转载机、迈步式自移机尾等装备形成的快速掘进系统，满足中等稳定围岩条件巷道的快速掘进需求，月均进尺可达1000m，可适应坚固性系数≤6、厚度≤0.7m岩石的半煤岩截割工况。
3）快速掘进工作面建设践行“机械化换人、自动化减人”要求，有效减少巷道掘进中的人为参与，降低劳动强度，改善工作面作业环境，提高煤炭企业安全生产水平，引领煤炭工业向着绿色开采方向发展。
4）快速掘进系统为智能矿山建设提供了核心的平台支撑，需要进一步充分运用5G、云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术，打造协同、共享、高效、安全的智能掘进工作面。
