掘进机是目前煤矿巷道掘进中应用最广泛的装备。掘进装备根据经济截割岩石硬度的不同可分为煤巷掘进机、半煤岩掘进机、岩巷掘进机，其经济截割岩石硬度分别为f≤5、6≤f≤8、f≥8。煤矿井下复杂多变的地质条件，对巷道掘进装备的掘进效率和适应性提出了更高要求。提高掘进装备性能、智能化及综掘工艺水平以实现快速掘进，已经成为煤矿可持续性健康发展、安全高效集约化生产的首要任务。基于此，笔者分析了不同型式的截割机构、传动系统及工程振动对掘进装备性能、寿命的影响，掘进装备可靠性及自动化技术发展趋势。
1.截割机构设计
目前90%以上巷道掘进装备为悬臂式掘进机，其截割头主要分为纵轴式和横轴式，如图1所示。国外相关机构开发了盘形滚刀、镶齿滚刀、边缘牙齿形碟盘等截割刀具。20世纪80年代，英国DOSCO在MK2A掘进机上引入水裂法截割技术，并进行了井下试验。在镐形截齿截割方面，HURT[1]研究得出，设置相等的截齿间距，截割滚筒单个截齿力的变化幅度可以保持在最小水平。EYUBOGLU[2]认为最可靠的包角是360°和776°，截齿间距是截割滚筒设计中最重要的参数。ÁLVAREZ等[3]对2种不同类型的掘进机进行了一项考虑比能量、切削率和刀具磨损的掘进试验研究，结果表明2种类型的切割头都能正常工作。CHUPIN和BOLOBOV对主要用于砂岩切割的35KhGSA钢进行高温热机械处理试验，结果表明：与常规热处理工艺相比，其硬度提高了23%，磨损量降低了38%。国内研究人员为解决磨损对掘进机各部件的影响，开展了大量研究工作，多种耐磨技术已获得了成功应用。例如，在截齿锥柄部分采用激光熔敷技术，将0.2~0.5mm的高性能耐磨材料熔敷到金属表面，可提高截齿的寿命[4]。
图1掘进机截割机构
若岩石太硬，通常采用盘形滚刀，最初的掘进机刀具是圆盘刀具，在1956年的罗宾斯机器上首次使用圆盘代替截齿。由安装在单个刀具中的一系列“圆盘”组成，为了减少截齿在坚硬岩石中的磨损，刀具被合理布置在截割头上，以实现在岩石表面高效滚动。刀盘的选择和刀具的配置仍然很难评估，目前正在研发的另一项技术是振动截割，以扩大盘式刀具的适用范围，其原理是在盘形刀具下切时增加偏心率，与没有振动的底切刀具相比，法向力和切削力都大幅减小。
2.掘进机整机设计
2.1悬臂式掘进机
现阶段我国重点煤矿的煤及半煤岩巷道掘进主要采用中型和重型掘进机，其截割功率在120kW以上，整机质量在35t以上，适应经济截割普氏系数为4~6的煤及半煤岩巷，机型主要有EBZ120、EBZ160、EBZ220、S200A、EBZ160、EBZ220等，占掘进机使用量的80％以上。随着煤矿开采强度的不断增加，全岩巷道掘进的任务也随之增重，未来重型和超重型悬臂式掘进机是综掘机械的主要发展方向。
掘进效率与巷道条件密切相关，在进行掘进装备设计前，须对其掘进效率的主要影响因素进行研究，如控顶距和围岩状态，尤其是顶板和两帮的煤岩特性。国外学者通过弹塑性数值模拟的参数研究，得到掘进效率随截割距离、岩体等级和巷道道宽度呈非线性的变化规律。
2.2连续采煤机
以连续采煤机为主要装备的掘进工作面设备配置按运输方式一般分为2种：一种是间断式运输方式，工作面配置为连续采煤机、梭车、给料破碎机、锚杆钻车、铲车及带式输送机；另一种是连续运输方式，工作面配置为连续采煤机、锚杆钻车、连续运输系统、铲车及带式输送机。连续采煤机在大断面掘进时与锚杆钻车采用交叉换位作业方式，如图2所示，连续采煤机在运输巷道掘进作业时，锚杆钻车在回风巷支护，完成1个循环时，连续采煤机与锚杆钻车交换位置。为满足机器调动和运输的要求，进回风巷道之间每隔50m掘1条联络巷。
图2连续采煤机掘进工艺
2.3掘锚机组
掘锚机组是适用于安全高效矿井煤巷单巷快速掘进的掘锚一体化设备，是在连续采煤机或悬臂式掘进机的基础上发展的新型掘进机型。掘锚机组将掘进与锚护功能有机集成，实现掘进与锚护依次作业或平行作业。目前，掘锚机组主要有2种：一种是以连续采煤机为基础的掘锚机组，如图3所示；另一种是悬臂式掘进机机载锚杆机的掘锚机。以连续采煤机为基础的掘锚机工作方式有2种：一种为先截割后锚支的掘锚机，另一种为同时实现掘、锚、支作业的掘锚机。
图3掘锚机组
2.4掘进机整机设计原则
弹性模量、密度、孔隙度、静弹性模量、肖氏硬度计硬度、比能、岩石质量指标、岩体可切削性指数、切屑磨损指数以及抗压强度影响着掘进机功率和质量的持续发展，截割滚筒的动态受力分析是滚筒设计过程中必须考虑的重要因素。煤矿井下地质条件复杂多变，特别是遇到硬岩时，掘进机截齿易导致刀齿断裂，机器停机[5]。因此，在设计滚筒时，可使用估算的转矩分布图来确定滚筒的稳定性。另外，可以根据不同的底板特性开发不同附着力的履带板，以保证在截割时的整机稳定，调动灵活，转弯半径小[6]。
目前，遥控截割距离的标准值在英国为7.8m，澳大利亚为14m，美国为19.5m，南非为12m[7]，不同国家允许的截割距离要求，既要考虑顶板的稳定性，也要考虑操作人员面临的通风安全问题。
掘进机的生产能力不仅取决于截割调动速度，还取决于装运能力。BURKOV等[8]研究了掘进机装运的优点，以及设计掘进机曲柄连杆机构的重要性。在装载运输过程中，要保证装运能力与整机的生产率相匹配，如在年性黄土巷段施工时，刮板牵引功耗高、效率低，阻链现象时有发生；而在硬岩巷道中，极硬岩石卡入链道，刮板卡转，由于刮板运输系统的封闭性，卡链现象也难以处理，应开发针对不同物料运输的装运机构。由于截割介质的不同，整机的发热量也不同，要合理设计液压及散热系统，保证整机的正常工作。
3.掘进装备系统可靠性及智能化
3.1掘进机性能预测
在任何类型的地质条件下，截割性能的预测是决定机械化采矿作业经济性的主要因素之一。国外很多学者都建立了不同的掘进机性能预测模型，如文献[10—14]通过比较物理机械特性和ICR值，利用多元回归分析对DOSCO的MK-2B掘进机的性能进行预测。SEKER[15]提出了用集成机器学习技术预测掘进机的性能。CHELUSZKA等[16]对横轴式切割头的动态负载切割条件进行了研究，并考虑了负载和能量之间的关联，包括切割角速度，通过添加改变异步电机供电电压频率的逆变器驱动系统来调节速度。研究发现，从小规模或全尺寸切削试验中确定比能是非常困难和昂贵的。
3.2掘进机可靠性
掘进机常见故障有减速器故障、悬臂端轴承与花键故障、轴承或齿轮损坏等。悬臂端轴承与花键故障原因主要是由于截割头截割过程中受力较大，导致轴承与花键及截割滚筒磨损严重。国外学者指出了振动在截割过程中的不利影响，造成故障的原因是机器结构中出现共振频率，大幅缩短了机器的使用寿命[17]。有些学者提出基于避免共振和调整截割滚筒的形状模式来减小振动，实现这种效果的方法之一是控制滚筒的角速度。可在系统中输入切割过程的几何和运动学参数，以及与所安装电机功率相关的能量参数，分析比较关键参数，所考虑的几何参数是指最小和最大切割高度、切割头的宽度和直径以及机器的总质量，整机的总功率以及截割电机功率，从而优化组合，减小振动。一些学者从减振入手，如MEZYK[18]提出了减振系统的新概念，基于选择适当的共振频率以及与之相关适当形式的机器结构振型为基础，通过选择构件的刚度和激振频率，可以得到所需的动力学参数。考虑机电系统各子系统之间的相互作用，在现有的机器结构上安装1个弹性元件在驱动系统，能够通过截割滚筒的平滑速度变化或悬臂的角速度进行频率调谐。此外，可选择附加弹性元件的动态参数，以便在不改变滚筒转速和动臂角速度的情况下实现振动最小化。由于设计被动、半主动和主动振动控制比较昂贵，而且减少系统的过度振动是复杂的，需要使用数学模型进行数值模拟。CHELUSZKA[19]指出了评估掘进机在掘进过程中受到振动激励时的共振状态起点，以及消除共振的可能性。相关文献表明，通过动态仿真减振控制系统能够有效地减振[20]，可以提高整个结构的可靠性和疲劳性能。
3.3掘进装备智能化
掘进机智能化关键技术主要包括掘进机定位导向及姿态调整、截割轨迹规划、地质条件识别及自适应截割、状态监测与故障诊断等。世界各国在智能化关键技术方面进行了大量的研究工作。欧盟委员会煤炭与钢铁研究基金支持的NEMAEQ（2006—2009年）和ADRIS（2007—2010年）项目中就规划了掘进机智能化相关工作。
目前，国内外新推出的掘进机可以实现掘进断面监控、电机功率自动调节、离机遥控操作及工况监测和故障诊断可视化[21]等机电一体化功能。在算法上采用人工神经网络和基因遗传算法通过自学习对整机进行控制。英国DOSCO公司的HL1300、日本三井三池公司的S220、奥钢联ABM20、安德森KBⅡ等机型都具备设备健康预报、在线监测、故障诊断数据传输等相关功能。如ABM20型掘锚机组电控系统有完善的保护和监控装置，通过微型电子计算机进行数据采集、处理显示、传输自控、健康监控、故障诊断查找等。设计了可在恶劣的采矿环境中使用的坚固可靠的传感和计算硬件，并具有容错设计，以确保满足正常运行时间要求。
“十二五”期间，我国科技工作者开展了智能化掘进机的研究，如图4所示。利用神经网络、专家系统等人工智能决策手段，控制截割转速，达到截割参数最优匹配，使掘进机可以根据实际地质条件自适应调整截割速度，达到硬岩低速大转矩、软岩快速高效截割的目的。并在各子系统及元部件上安装了大量的传感器，实时监测机器状态，进行故障诊断，为工程技术应用提供了指引方向。
图4EBH450智能化掘进机
掘进装备成套自动化的试验在我国发展较快，目前已研制出采高1.3～5.5m、截割功率340kW、多种系列的连续采煤机，并研制了多种型号的锚杆钻车、梭车、行走支架及连续运输系统等装备，在煤巷掘进、短壁开采等领域广泛应用。2010年，快速掘进成套装备系统神东公司开始应用，实现了月进尺3088m，高效快速掘进成套装备系统构成如图5所示，此项技术取得了以下多项技术突破，并获得煤炭工业技术进步特等奖。
图5高效快速掘进成套装备系统
1）提出掘进、支护、运输平行作业方法，开创了“掘支运三位一体”快速掘进模式。
2）研制首台交流变频电牵引掘锚一体机，打破国外垄断，技术指标国际领先。
3）首创矿用自适应柔性连续运输系统，实现水平弯曲输送和连续搭接转载，满足巷道、联络巷、开切眼等巷道快速掘进要求。
4）开发了全生命周期掘进工作面多设备监控管理平台。针对巷道顶板条件结合不同工艺需求，已发展出众多系列化锚杆钻机[22]。例如Fletcher公司开发的RoofMaster2.3锚杆钻车，如图6所示。可在1台设备上完成整个巷道全断面支护，具有钻锚一体化、自动铺网和安装注浆锚杆3个功能[23]，其主要特点：具有旋转冲击式岩石钻机，可在钻机操作台或驾驶室操作；采用CANBUS系统，空调座舱；（锚杆钻机，一次成孔，最深2.5m；使用带有卷轴的卷网处理系统。
图6自动化锚杆钻车
在煤矿井下巷道掘进过程中，使用自动锚护功能可提高生产率和操作人员的安全性。中国煤炭科工集团太原研究院设计了机械手锚杆系统，可以实现自动锚护作业、锚杆装配作业、铺网作业。在无人为干预的情况下该系统可实现全部功能设定。结果证明，这套系统可以自动完成掘锚一体机上传统方式的人工锚护操作，样机的地面试验成功大幅降低了煤矿井下工作的技术风险。
在导航方面，国内外均开展了相关的研究[24]，中国煤炭科工集团太原研究院从2015年开始在井下和露天边坡开采作业中对3种不同模式的导航系统（国际合作1种，国内2种）进行巷道开拓试验。实现了无人操作，掘进装备行驶约200m，试验初步成功。使用导航系统进行边帮回采现场如图7所示。
图7掘进机导航系统使用现场
在掘进装备单机自动化的基础上研发能够自主决策、具备定位导航、纠偏、多参数感知的智能控制掘进机器人，研发由锚杆机、锚杆仓及智能控制系统组成的钻锚机器人，结合综掘工作面施工工艺，综掘工作面装备逐步向机器人群及AI的方向发展。
4.掘进装备相关技术标准
国内已颁布了MT/T238.3—2006《悬臂式掘进机第3部分通用技术条件》、MT/T971—2006《悬臂式掘进机电气控制设备》、MT/T1138—2011《悬臂式掘进机切割机构设计导则》等20余种悬臂式掘进机煤炭行业标准，满足了国内掘进机标准化要求。但是，连续采煤机、掘锚一体机等设备的有关标准还并未颁布，现主要按悬臂式掘进机相关标准作为检验依据，因相关结构和参数的差异性，悬臂式掘进机相关标准无法全面衡量连续采煤机、掘锚一体机的制造水平，具有一定局限性。
国内掘进装备在产品可靠性上与国外装备差距较大，主要原因不仅是原材料和设计水平，还有制造工艺水平及产品质量控制。国际上，成熟设备经过多年技术积累，形成了完善的技术标准，成为装备高可靠性的重要保障。澳大利亚发布的连续采煤机机械设计标准，规定了操作安全、制动系统、噪声、液压系统、整机结构、结构件焊接质量及检测等方面的技术要求。国内掘进装备标准应与国际接轨，除单机标准对接国外标准要求，借助国际标准化组织采矿技术委员会（ISO/TC82），积极对标国际同类标准外，其他安全类标准也应满足国际化标准组织的系列化要求，完整的、先进的技术标准体系是装备走向国际的前提。
5.展望
笔者通过总结分析，认为掘进装备亟待解决的问题如下：
1)根据截割工况采用自适应技术，规划工作参数，进刀。
2)成套装备多个作业单元的运动协调性，包括行走，运输，防碰撞。
3)非接触传感器的使用。
4)掘进装备空顶距离，超前探测距离。
5)进一步减少单班作业人员，提高效率。
6)运行数据实时显示，包括对环境的识别。温度、湿度、粉尘，有害气体，围岩压力，以及因开采扰动引起的干扰因素。
