随着神东矿区煤炭开采不断向深部开拓延伸，地质条件、开采环境变得越来越复杂，生产接续紧张日渐成为制约矿井稳产高产的突出问题。与此同时，掘进队伍和人员的不断增多，给煤矿安全生产造成了巨大压力。以2019年为例，神东煤炭集团掘进队伍41支，年进尺完成33.6万m。掘进工艺主要以连续采煤机、掘锚机、综掘机工艺为主。连续采煤机平均单进水平1180m/月，最高记录2051m/月，掘锚机平均单进水平569m/月，最高记录1101m/月，综掘机施工零星矿务工程及岩巷、半煤岩平均单进水平178m/月，最高记录363m/月。
为改进现有掘进系统和工艺，提高掘进速度，实现减人提效，神东煤炭集团在国家能源集团建设世界一流矿井的精神指导下，立足高产、高效采掘模式，携手中国煤炭科工集团、中国铁建重工集团，以实现“连续运输”及“快速支护”为突破点开展快速掘进技术装备研究。从2013年开始，先后研发应用了4套快速掘进成套设备，基本实现了掘、支、运的一体化，大幅提高了掘进效率。其中大柳塔煤矿快掘系统创造了煤巷月进尺3088m的记录；补连塔煤矿2号平硐单护盾岩巷全断面掘进机（TBM），刷新了月进尺639m的世界单进纪录，连续4个月平均进尺546.4m/月。
1.快速掘进技术的发展历程
1.1掘锚机快速掘进系统（第1代）
第1代快速掘进系统由掘锚机、连运头车、八臂锚杆机、带式转载机、履带式和迈步式自移机尾等组成，系统构成如图1所示[1]。首套快速掘进系统于2013年2月6日在大柳塔矿大柳塔井下井[2]。
图1首套快掘系统构成示意
快掘系统主要特点为掘锚平行作业、多臂同步支护、不间断破装运输、智能远程操控，形成破、装、运、支相结合的高效掘进作业线，有效解决了现有技术中“掘、锚、运”失衡等问题，全面提升掘进工作面的施工效率和安全性。
生产作业时，截割头割下的煤经连运头车破碎后，通过可弯曲带式转载机卸载到巷道带式输送机上，同时跨骑在带式转载机上的八臂锚杆机（图2）跟机完成巷道顶帮锚杆支护；连运头车拖拽带式转载机。
图2八臂锚杆钻车
随着掘锚机同步前移，从而实现持续跟机作业[3]；巷道带式输送机通过迈步式自移机尾的前移而自行延伸，可实现煤流在可弯曲带式转载机与巷道带式输送机上的连续运输。骑跨在刚性输送带架上的八臂锚杆机，采用履带行走，配备6个顶锚钻臂和2个帮锚钻臂，可完成全部顶板锚杆及巷帮上方2根帮锚支护，帮部剩余锚杆人工补齐，八臂锚杆钻车如图2所示。以上工序交替进行，实现了破、装、运、支等生产工序的平行作业。
1.2全断面快掘系统（第2代）
为解决第2代快掘设备帮锚杆支护速度慢、设备占用巷道断面大、辅助运输受限及带式输送机延伸难题，神东煤炭集团联合厂家开发了第2代快掘系统。第2代全断面高效快速掘进系统包括全断面煤巷掘进机、十臂锚杆钻车、破碎转载机、可弯曲带式转载机、自移迈步机尾和自移供电站6种设备[4]，如图3所示。第2代快掘系统采用远程操控技术，通过无线防爆网络，运用现场总线技术，建立自动化、信息化的控制系统，形成以十臂锚杆钻车为中心的中央控制系统，实现全套快掘设备集中监控和管理及各设备的联动、闭锁、保护、监测[5]。其中新研发的全断面煤巷高效掘进机是一种掘采支一体化设备，集全断面截割、装运、支护、行走、锚固、消尘多重功能于一体，可实现巷道全断面快速掘进。该机主要用于矩形断面回采巷道的快速掘进，定位截割高度4.2m，截割宽度6m，纵向工作坡度≤±5°C，如图4所示。
图3第2代快掘系统构成示意
图4QMJ4260全断面煤巷高效掘进机
新研发的十臂锚杆钻车跨骑在可弯曲带式输送机上，实现掘、锚、运工序的平行作业[6]。该钻机有6台顶锚钻臂、4台侧锚钻臂，可同时完成顶板支护和巷帮上部支护，支护一套锚杆平均用时2min。在巷道顶板、帮部稳定、完好的条件下，采用分次支护的方式来提高支护效率。一次支护由2名支护工操作锚杆机前排4套钻机完成顶板第1、2、5、6根锚杆支护，1名支护工操作锚杆机中部2套钻机完成顶板第3、4根锚杆支护，2名支护工操作4套帮钻机（每人操作2套钻机）完成巷帮第1、2排帮锚杆支护。二次支护由人工操作锚杆台车完成第3、4排帮锚杆支护。十臂锚杆机实现了顶、帮支护的依次完成，缩短了支护工序用时，提高了支护效率，实现了掘支作业时间的平衡，如图5所示。
图5十臂锚杆钻机
第2套快掘系统主要设备参数见表2。
第1代快掘系统使用的激光指向仪，当指向距离大于80m后光斑扩散严重且穿透性差，锚杆机的视屏监控系统无法捕捉激光点，司机远距离操作也无法观察激光点，出现了在生产时无法保证工程质量的问题。第2代快掘系统研发利用光纤陀螺仪来解决掘进导向问题。该仪器的工作原理是利用单模激光的干涉原理，在由激光器和光纤组成的闭合光路中，由同一激光源发出的2束光产生干涉，若闭合光路相对空间静止，则2束光同时到达接收器，且具有相同的相位。若闭合光路有垂直于光纤环平面的运动角速度时，2束光的光程发生变化，将引起相位变化。通过监测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路系统的旋转角速度。
利用上述原理，将光纤陀螺仪和无线通信盒安装在快速掘进机的主机架上，与快速掘进机组成一个刚体，来实时感知快速掘进机的动作。考虑到快速掘进机司机在锚杆机上操作，采用无线通信的方式，避免由于线缆损坏导致的设备故障。惯性导航系统主要组成部件安装位置及导航界面如图6所示。
图6惯性导航系统
开始掘进前，测量人员首先标定快速掘进机的绝对姿态角，并与惯导系统测得的姿态角比较，获得两者之间的变换信息。掘进时，惯导软件计算获取快速掘进机的实时绝对姿态角，并与巷道设计的掘进方位对比得到实时姿态偏差，用来指导割煤[7]。
惯性导航系统配合传统激光指向仪使用，解决了第1代快掘系统长距离导向问题。通过在52501运输巷现场观测，陀螺仪俯仰角、侧转角精度0.05°，导向控制精度0.25°，巷道掘进的实时偏差不超过10cm，有效提高了巷道掘进工程质量。
2014年6月17日，第2套快掘后配套设备在大柳塔矿52501回风平巷开始安装，9月6日施工完毕回撤，创造了日进尺132m，月掘尺3088m的新记录。
1.3全断面矩形快掘系统（第3代）
为克服第2代快掘系统矩形断面空顶距离大、易片帮的问题，神东煤炭集团联合中煤科工集团上海研究院有限公司研发了第3代全断面矩形掘进系统[8]。全断面高效掘进系统由全断面高效掘进机、矿用两臂锚杆机、给料破碎机、带式转载机、巷道带式输送机构成。
MJJ3800×5800型全断面矩形快速掘进机，是集机、电、液、激光陀螺惯导系统等多种高新技术为一体，具有快速、连续、一次全断面矩形成型和采、掘、运、支一体化的功能与特点。截割部由1大4小共计5个刀盘组成，可实现矩形全断面一次成型；截割部与支架平台主梁进行柔性连接，掘进机配备4臂顶锚杆（固定）、2臂帮锚杆钻臂，可实现割煤与支护同步进行，互不干涉影响。适用于截割断面尺寸（宽×高）为5.8m×3.8m、6.0m×4.0m和6.2m×4.0m的3种不同采高掘进工作面，掘进速度可达到月进尺3000m。MJJ3800×5800型全断面矩形快速掘进机如图7所示。
图7MJJ3800×5800型全断面矩形快速掘进机
MJJ3800×5800型全断面矩形快速掘进机作业方式如下：
1）截割方式：全断面快速掘进机截割部由1个中心前置的大刀盘和4个四周布置的小刀盘组成，前后错次布置、有效组合，再配合6个盲区铲齿组合，就可以一次形成全断面矩形巷道截割作业。其中，前置的大刀盘完成截割，提前形成自由面并起定位稳定作用；上部2个小刀盘完成矩形截割和向中部抛煤作业，下部2个小刀盘完成矩形截割和高效装煤作业。
2）推进方式：利用全断面矩形快速掘进机的左右撑靴、上下顶梁底座撑住左右侧帮和顶底板产生的摩擦力提供有效推进反力，完成截割部推进和掘进机前后移动作业。
3）装运方式：截割部通过5个刀盘将煤割下后，掘进机上部2个小刀盘在截割的同时通过刀板将煤反拨转至中部，然后沿自由面自由掉落至刮板输送机溜槽中，下部2个小刀盘在截割的同时将煤从两侧拨至刮板输送机溜槽，所有煤沿着主梁内侧的刮板输送机依次转运到移动给料破碎机、桥式转载机、带式输送机，完成装煤、运煤工序。
4）支护方式：机载锚杆机布置于后平台上，截割部与后平台之间是柔性连接，锚杆机司机可在稳定的后平台上同步进行锚杆支护作业[9]。锚杆支护排距0~1.5m可调，根据行程传感器数据每朝前掘进1个排距支护1排共4根锚杆。掘进机后部两侧各布置1台帮锚杆机，通过升降机构可实现由上而下每个工位的帮锚杆支护。
5）导向方式：掘进机使用激光陀螺惯导系统实时精确测量掘进机的航向角、俯仰角和滚动角，以及掘进机行走轨迹。掘进机导航系统是由激光陀螺惯导组、行程传感器、采集模块、上位机等结构组成，如图8所示。
图8掘进机导航系统组成
6）纠偏方式：掘进机采用改进的鞍架方向调整机构与主梁、运输机结构一体化设计，又新增了截割部抬底系统，可以有效及时调整掘进机行进的轴线偏差，确保掘进机的轴线偏差满足作业规程的要求。控制界面如图9所示。
图9全断面高效掘进机集中控制界面
1.4快速掘进系统安装回撤工艺
快掘系统因设备规格尺寸较大，无法远距离行走，一般对设备解体后，采用特种车辆进行搬家倒面。快掘系统安装时要求准备至少350m长的平行双巷，并打设200mm厚的混凝土底板，快掘系统准备段巷道如图10所示。
图10快掘系统准备段巷道布置
准备段巷道至少开5个联络巷，1联巷为移变硐室，2联巷为风机硐室，要求双抹角，抹角半径为4000mm。3、4、5联巷为全断面掘进机、后配套设备安装输送通道，要求双抹角，抹角半径为5000mm，净断面满足长×宽×高：20000mm×6000mm×5000mm。5联巷处沿巷道掘进方向设置全断面掘进机安装区域，区域尺寸满足长×宽×高为24000mm×7600mm×5500mm，在安装区域内，根据设备安装位置打设起吊锚索。
快掘设备安装步骤如下：安装掘进机→安装破碎机→安装锚杆机→安装转载输送带→安装迈步机尾→安装迈步机尾刚性架→安装供电站→安装缆线→安装组合开关平台→安装移变→安装组合材料架，部分安装工作可平行作业。安装时间根据搬家倒面距离、是否升井检修、等情况而定，一般为7~15天。
快掘设备回撤前，需由相邻巷道在巷道停掘位置前开设2个联络巷，打设200mm混凝土底板，末联巷要实现调车功能，头联巷为设备拆解区域，抹角半径为5000mm，设备拆解区域满足长×宽×高为24000mm×6000mm×5500mm。
2.快速掘进设备选配技术
2.1截割刀具选择
截齿作为掘进机上破煤的刀具，在破岩的过程中受摩擦力、压应力、冲击载荷、温升等多种力和复杂环境因素综合影响[10]。因此，快速掘进设备选型时，要根据顶板岩层结构、煤岩特性和巷道类型进行合理的截割刀具选型。通过神东矿区多年的生产实践，一般而言，煤巷用镐齿截割效率高，速度快，半煤岩巷、岩巷选用滚刀反而更能体现其优势。
2.2掘进导航方式选择
巷道掘进是由截割断面纵向延伸构成的，而巷道截割断面则是由截割头空间运动姿态和掘进机机身位姿控制的。因此实现快速掘进必须要改变原有的矿用激光指向仪人工就地操作的作业模式。导航模式主要有惯性导航技术、全站仪导航技术、激光引导技术[11]。
1）惯性导航系统由陀螺仪和加速度计构成，可以测量惯导系统载体在惯性参考系下各测量轴的角速度和加速度，然后分别对时间积分获得姿态角和位置，是一种相对位置测量的方法。
2）全站仪导航系统是由全站仪、定位棱镜和布置在掘进机上的若干棱镜或标靶构成，通过全站仪搜索定位棱镜和机载棱镜确定其空间坐标，是一种绝对位置测量的方法。
3）激光引导技术是通过在巷道后方安装激光发射器作为基点，在掘进机机身安装接受装置，通过记录激光入射光斑的位置变化，进行解算获得机身位置。2种导航方式的对比见表4。
表4不同导航方式优缺点对比
通过以上比较可知，全站仪导航虽然精度高，误差不随时间累计，但环境适应性差，校准困难，设备构成复杂，安装、操作不方便。惯性导航技术体积小易于布置，但长时间定位精度差。因此现阶段采用单一的导航技术无法满足对掘进高精度姿态测量的要求，必须采用组合技术。采用全站仪+激光导航技术，配合高效除尘方案，采用冗余设计方案，相互校准，可以获得比较准确的导航效果。
2.3支护模式选择
多臂锚杆钻车已经成为快速掘进系统的重要组成部分，神东矿区掘锚机一般配备6个钻臂，快掘系统则将数量增加到8~10个钻臂。第1代快掘系统采用掘锚机掘进，一般能做到短掘短支，循环进度为1.0m，最小空顶距1.4m，最大空顶距不超过2.5m，但八臂锚杆机只能支护2根帮锚杆，剩余锚杆需用人工补打，帮锚杆支护效率低。第2代快掘系统增加了钻臂数量，为了更好地布置空间，将锚杆支护统一设置在了破碎机后方，在掘进机上增设临时支护，操作人员在锚杆机上遥控作业，人员不进入空顶作业。一定程度上解决了掘进截割和支护时间不平衡的问题，但也带来了空顶距离的增大，空顶距达到了21~30m。为解决空顶距大的问题，第3代快掘系统增加了矩形壳体进行临时支护，同时对支护模块进行了优化，将最大空顶距缩小到6.2m。各种掘进方式空顶距及操控方式对比见表5。
表5不同掘进方式空顶距及操控方式对比
综上分析可知，以掘进机机载锚杆机的方式适合顶板相对破碎，不稳定的情况。而快掘方式只适合顶板稳定完好，不易垮落的情况。
2.4后配套方式选择
目前神东矿区掘进队所使用的桥式转载机最大跨距为30m，受桥式转载机跨距影响，当超过30m时生产班需要延输送带，辅助作业时间占用大量的正常生产掘进时间，严重影响掘进效率。为了解决这一现状，神东煤炭集团先后研发了连运系统、可弯曲带式转载机、大跨距桥式转载机等后配套设备以提高运输的连续性。后配套设备的技术对比见表6。
表6后配套设备的技术对
后配套采用连运系统、可弯曲带式转载机、大跨距桥式转载机可以加大一次掘进深度，使掘进工作面延伸带式输送机工作安排在检修班进行，降低现有30m跨距桥式转载机影响，可显著提高掘进效率。但连运系统及可弯曲带式转载机占用巷道断面大，对巷道底板条件要求高，大跨距桥式转载机对巷道起伏适应性差，一定程度上限制了后配套设备的推广应用。
3.其他关键技术问题
3.1自动锚支技术
目前，神东矿区批量应用的支护设备有澳大利亚约翰芬雷公司的四臂锚杆机、山特维克公司的掘锚机配套顶帮锚杆机、中国煤炭科工集团太原研究院有限公司的四臂锚杆机和廊坊景隆重工机械有限公司的两臂锚杆机。设备可靠性较高，但均未实现自动化。为提高支护效率，实现与快掘工艺的配套，神东煤炭集团于2016年10月与廊坊景隆重工机械有限公司联合研发了自动两臂组合式锚杆钻车（图11），2018年10月，在哈拉沟煤矿开展工业性试验，经过不断优化改进，实现了钻臂自动钻孔、锚杆自动安装、搅拌、紧固，间排距自动定位等功能，还存在以下问题需要进一步研究解决：①自动钻锚速度慢，自动排距效果差；②系统无法自动对锚杆机行走进行纠偏；③设备的使用巷道高度不能低于4.0m。
图11自动两臂组合式锚杆机
3.2安装回撤工艺
快速掘进系统因设备吨位大、体积大、掘进规格尺寸固定等问题，目前还无法实现自动开口和退机，需要一支掘进队配合掘进350m的双巷，施工安装硐室并打设混凝土底板进行矿务工程准备，回撤时需要施工回撤联络巷和拆解硐室。
下一步需要改进设备的组装方式，通过预先挑高巷道或者扩帮等方式，自行形成拆解硐室，减少安装拆卸的配套时间，保证正常掘进作业的有效时间，进一步提高掘进效率。同时考虑到快掘设备的单进水平，巷道施工长度不宜低于3500m。
综上分析，在合理选择掘进及支护工艺、优化设备配套、合理安排搬家倒面情况下，一般第1代快掘单进水平2500m/月，第2代快掘3000m/月，第3代快掘1500m/月。
3.3快掘技术发展展望
神东矿区经过近10年的研究，已经在厚煤层人工远程干预快速掘进方面取得了初步进展。展望未来，掘进技术需要在以下5个方面进行深入研究：
1）实现设备纵向模块化组合，提高快掘装备适应性，扩大应用范围[12]。针对目前快掘系统安装回撤工艺复杂，自身无法退机、适应巷道断面小的问题，未来需要在设备模块化上进行深入研究，在纵向空间实现不同规格设备的模块化组装，以提高掘进巷道断面的可调范围，实现停掘时自开通道，模块化回撤。同时需要继续在装备的小型化、大功率等方面下功夫，减小不必要缆线布置，使设备配套更加灵活、空间布置更加紧凑，以适应薄煤层不同复杂地质环境的需要。
2）攻关自适应截割技术，提高设备自动化和智能化水平[13]。自适应智能截割技术是未来智能快速掘进的发展方向。攻克掘进机的精确自主定位技术是实现掘进工作面快速掘进的基础。融合惯导装置、多传感器和视频监控，解决惯导系统累积误差大的问题，提高自主定位的精度。根据原始地质三维模型，按照设计方案确定的路径自动调整掘进机行走姿态及方向，结合煤岩体硬度，自动调整截割量、转速和临时支护，实现快掘系统在不同生产及地质条件，远程甚至无人操作，将人员从危险的掘进头解放出来，实现“智能化”掘进。
3）自动锚支技术[14]。针对目前支护作业用人较多，速度慢，效率低，尚未实现自动操作的情况，应逐步提高自动化水平，实现减人提效。未来需要在锚固位置岩性、自主定位、自动铺网、自动锚杆（索）支护及锚固质量无损自主监测方面进行研究，通过融合视频监控和多传感器技术，监测顶板岩性、钻机、网片和钢带网孔、钻孔位置，划定钻臂运动轨迹，确定钻孔精准位置。研发铺网机器人，通过铺网机器人完成网片的自动传送、搭接与铺设，采用全自动钻锚机器人完成锚杆孔的钻进、锚固剂填充、锚杆紧固。采用锚杆支护质量无损监测技术，通过压力、张力传感器自动监测锚杆锚固力、转矩，并自动生成支护质量监测日志，根据支护质量监测结果动态分析评价支护方案的可行性，提出优化建议供设计人员进行支护优化，逐渐改变目前支护设计缺乏动态反馈手段，支护强度高，作业环节用人多，用时长，效率低的问题，实现支护的智能决策匹配。
4）深入环境感知研究[15]。构建掘进过程环境随动自我感知模型，确立采动压力、裂隙、瓦斯、涌水等因素对掘进的影响，将工作面地质灾害防控和智能化掘进相结合，智能动态调整煤层掘进过程，促进设备效能的最大化利用和灾害防控效果的协调一致。
5）强化设备及人员联动安全防控。融合智能视频识别、设备防碰预警、人员接近预警、掘进支护联动闭锁系统，构建全方位的设备及人员联动安全防控体系，实现对掘进和支护关键工序的联动，以及对人员进入掘进头危险区域、环境等的风险识别与联动报警，解决现有视频监控受制于工作面粉尘浓度，效果差，盲点多，只监不控，缺乏报警和联动闭锁机制的问题，全面保障设备及人员安全。
