掘进作为一种系统工程，涉及到地质、力学、机电、安全和采矿等多学科的交叉问题，涉及学科广泛、牵扯问题复杂。针对不同的地质条件和掘进方式，可分为以掘进机、连续采煤机或掘锚机为龙头的快速掘进装备系统。我国煤矿井下掘进工作面特别是半煤岩和岩巷普遍以悬臂式掘进机为主，但仍然有较大部分掘进工作面采用单体锚杆钻机进行钻孔锚护，效率低、时间长、劳动强度大；掘进、支护、锚固等工序分步作业，无法连续截割；目前综掘工作面钻探设备普遍采用单一功能的钻机，掘进和钻探工序相互独立，交替进行，且常规钻机搬迁移位困难；截割煤岩粉尘量较大等现象；可归纳为采掘失衡、成巷效率低、安全性差等共性难题。悬臂式掘进机也从以往的单机设备逐渐发展为多功能成套化装备，并针对不同的掘进工作面智能化等级建设探讨不同配套模式的掘进系统方案。通过智能化和系统集成不断推进掘进工作面智能化发展，最终实现掘进工作面安全、高效、少人、无人。
悬臂式掘进机成套化装备
以山西省智能矿山建设为例，山西省工信厅和山西省能源局颁发的DB14/T 2060–2020《智能煤矿建设规范》标准要求，建设掘进工作面智能化系统。掘进工作面智能化建设基本内容包含智能化煤矿建设基本条件、智能化煤矿信息基础设施、掘进系统、安全管控系统，每项标准分值皆为100分，权重分别为0.1、0.2、0.4、0.3。文件对智能化掘进系统划分为3个等级：高级（不低于85分）、中级（不低于70分）、初级（不低于
60分）。其中对掘进工作面要求包含以下6点：
1)应选用智能化快速掘进装备，实现掘支平行快速作业，锚杆自动支护。
2) 设备应具备无线遥控、远程监控、可视化集中控制、记忆截割、人员接近识别、健康诊断，以及工作面环境状态识别及预警功能。
3) 应实现带式输送机机尾自移。
4) 应配备高效除尘系统。
5) 应实现掘、锚、运、探的远程可视化操作。
6) 宜实现掘、锚、运、探的自动操作，装备的精确定位导航。
并结合智能化掘进工作面建设的评分方法，按高、中、低3个建设等级选配以下3类成套装备方案。
初级智能化掘进成套装备
初级智能化掘进成套装备主要由掘探一体机/悬臂式掘进机(加载物探设备)、带式转载机、迈步式自移机尾、除尘系统组成，再结合智能控制系统实现成套系统集成。
中级智能化掘进成套装备
中级智能化掘进成套装备主要由多功能悬臂式掘进机、带式转载机、迈步式自移机尾、液压锚杆锚索钻车、物探设备、除尘系统组成，再结合智能控制系统实现成套系统集成。
高级智能化掘进成套装备
高级智能化掘进成套装备主要由多功能悬臂式掘进机、带式转载机、迈步式自移机尾、煤矿用液压锚杆锚索钻车、防爆柴油机无轨胶轮车、智能物探系统、除尘系统组成，再结合智能控制系统实现成套系统集成。
高级智能化掘进成套装备中，多功能悬臂式掘进机可实现巷道掘进、出料及锚杆的支护；掘探一体机可提高的钻探效率,降低劳动强度。带式转载机与迈步式自移机尾重合搭接，保障连续掘进；迈步式自移机尾可实现机尾可自移，自动延伸带式转载机。锚杆锚索钻车可实现锚杆、锚索的补强支护。无轨胶轮车可实现巷道物料、设备及人员的运输。智能探测设备以掘进机震动信号为被振动源，可探测未掘巷道地质情况。除尘系统可很大程度上控制和处理工作面粉尘。智能控制系统可对成套装备进行供配电、协同控制、远程监控等。
通过集掘进、支护、锚固、运输于一体的悬臂式掘进机高效成套系统可有效推进掘进工作面全工序机械化、后配套设备快速跟进，降低工人劳动强度、减人增效的目的。实现掘进工作面全工序机械化以及掘、支、锚、运连续作业，提高掘进效率与作业安全性。从而一定程度上解决综掘工作面采掘失衡、成巷效率低、安全性差等难题。
智能化掘进机关键技术探讨
自主导航技术
采用惯导、全站仪、机器视觉等组合导航方式实现掘进机机身位姿实时获取；建立惯导坐标系并与巷道坐标系关联，实现掘进机机身在巷道空间下的自主定位，如图1所示。
远程可视化控制技术
利用音视频监控技术、4G无线传输技术、远程控制技术等对掘进机作业过程中的视频音频信息、环境信息、掘进机自身状态参数进行采集并远程传输，使掘进机具备远程显示、远程遥控、远程操作等功能。可任选本机、视距、井下任意距离超视距和地面调度室控制4种控制方式，每种控制方式均可独立操作、相互闭锁。远程操作可实现在安全区域内对掘进机的远程监测及控制，实现掘进作业过程实时状态监测、远程重现、操作等功能。可选配低照度、红外、红外热成像仪等不同类型摄像仪。同时掘进机、转载机和自移机尾一键远程智能控制。
人员防入侵系统
针对掘进工作面的装备组成、人员组织等特点，运用井下定位基站时间同步技术、高频全相天线设计、封闭环境的多径效应和非视距效应对定位精度的影响、快速移动标签稳定跟踪技术等，实现掘进巷道人员主动安全防护系统，并在设备周围设置电子围栏，防止在设备运行时人员闯入，避免造成安全事故。
数据远程传输系统
通过自身4G、5G及矿用以太网等数据基站，利用局域及远程通信技术、无线定位技术、视频监控技术多模式感知工作面多设备工况参数、工作面环境和音视频信息、人员位置信息和多设备协同作业状况等系统信息，研发数据监控、多任务协同、人员安全、数据远程传输等功能于一体的工作面多设备远程集中智能控制平台。
图1 自主导航技术
图2 自动截割技术
自动截割技术
在截割过程中，载荷随着地质条件的不同而变化，为了达到最佳的破岩效果，通过组合神经网络和D-S证据理论的多传感器信息融合技术的动载荷识别方法，借助抗强振、抗大冲击、准确反映截割岩石动载荷特征量的防爆智能传感器，实现对载荷信号的特征提取。依靠截割转速交流变频调速控制技术，实时调节不同工况下的截割转速、单刀力、牵引速度和截割深度等参数，实现电机输出转速、转矩与破岩的自适应控制，让掘进机“能触会想”，保证掘进截割稳定性。
利用组合导航技术，融合截割头相对于机身的位置信息，实现截割头在巷道空间下的自主定位；并通过断面和整机参数设置，截割轨迹选择和存储，实现截割牵引自适应截割控制，如图2所示。
健康监测与故障诊断技术
通过多种传感器在掘进机作业过程中，及时获取设备关键环节健康状态参数和数据，实现设备关键环节早期微弱故障的高效预示与诊断，健康监测与故障诊断技术如图3所示。
巷道三维扫描和三维重建技术
在远程计算机上真实显示当前掘进机等装备和当前已掘巷道的准确三维模型。同时将掘进机自主位姿检测数据与掘进机三维模型进行关联，实时显示掘进机在巷道中的准确位置和姿态信息，为操作人员提供真实、直观的可视化操作信息。
基于视觉技术的掘进机位姿检测系统，可精准控制掘进过程机身位姿，基于视频监控、自动导航和三维扫描多信息融合技术，实时获取掘进机机身位姿，实现掘进机自主行走、自主截割、自动纠偏以及超挖、欠挖实时预警，形成巷道成形过程全生命周期的智能管控，如图4所示。
图3 健康监测与故障诊断技术
协同控制技术
协同控制技术原理如图5所示，可实现多设备截割、支护、运输和通风一体化智能协同控制，自移机尾自主移动，运输系统联动控制，设备集中供电，集中控制，保证多个具有相对运动关系的移动设备的行走一致性。
图4 巷道三维扫描和三维重建技术
展望
针对掘进工作面自动化、智能化科技需求，多功能悬臂式掘进机集成将极大加速，并向掘进系统集成方向发展，将测量定向、截割、运输、通风、除尘、材料运输、巷道支护、供电系统等设备配套成龙，形成一条效率高、相互配合、连续均衡生产的、完整的掘进作业线，实现“掘锚平行、多排支护、连续运输、输送带自移、集中控制、在线监测、系统集成、高效作业”的效果，继而推动掘进工作面向集约化、高端化、智能化发展。实现掘进工作面装备群网络化智能协同控制，最终实现掘进工作面安全、高效、少人、无人。以掘进工作面为对象，结合当前掘进工艺和掘进装备的发展，最终建立工作面环境、设备和人等多要素耦合系统。系统研究以掘进工作面环境感知为基础，以多机多要素协同和装备智能化为抓手，形成掘进工作面全生命周期管控，构建掘进工作面“生态系统”，最终在数字孪生技术和数据通信系统的支撑下，与智慧矿山总体系统进行耦合。
图5 协同控制技术原理
结论
1）悬臂式掘进机成套化装备和技术可一定程度上解决我国煤矿掘进工作面特别是半煤岩及岩巷所面临的采掘失衡、成巷效率低、安全性差等共性难题。
2）根据不同煤矿掘进工作面智能化等级建设需求，提供了以多功能悬臂式掘进机、带式转载机、迈步自移机尾、除尘系统为主，锚杆锚索钻车、无轨胶轮车为辅的成套化装备，结合导航、远程集控、人员防入侵系统、数据远程传输、自动截割技术、健康监测与故障诊断、巷道三维扫描和三维重建技术、协同控制技术等智能化技术推动掘进工作面向集约化、高端化、智能化发展。
3）智能掘进工作面将以掘进工作面工况环境感知为基础，以多机多要素协同和装备智能化为抓手，形成掘进工作面全生命周期管控，并在数字孪生技术和数据通信系统的支撑下，与智慧矿山总体系统进行耦合。
