黄陵矿业公司隶属于陕西煤化工集团，其所属的4个矿井6个综采工作面已全部实现智能化开采，但巷道掘进依然采用“综掘机+单体锚杆钻机”的作业方式，月均进尺仅270m左右，且存在掘进工作面环境恶劣、人员密集、工人劳动强度大的问题，严重制约黄陵矿业公司矿井生产的生产接续。2014年，国产首套快速掘进系统在神东公司大柳塔矿5-2煤层成功应用，实现了全断面掘进、掘支运平行作业、连续运输，掘进效率大幅提高[1]。但该系统适用条件较苛刻，仅适用于顶底板稳定煤层矿区。黄陵矿区地处鄂尔多斯盆地南沿，由于其埋深大、瓦斯高、片帮、底鼓严重等地质条件，黄陵矿业公司与中国煤炭科工集团太原研究院有限公司合作，对掘进装备、生产工艺和组织方式等进行研究，成功研制了适用于黄陵矿区复杂地质条件的快速掘进系统。
2019年3月，快速掘进系统在黄陵二号矿303运输巷进行7个月的工业性试验，实现了单日最高进尺24m，单月最高进尺624.7m，总进尺约3630m，大幅提高了掘进效率，有效缓解了采掘失衡，符合煤矿“机械化换人，自动化减人”总体要求。2021年2月12日，快速掘进智能化控制系统突破了成套装备一键启停、自动截割、自主行走、自动化锚护等关键技术，实现了快速掘进成套装备集中远程控制和自动化作业，创建了“无人跟机作业，有人安全值守”的掘进新模式。
1.快速掘进系统构成与特点
1.1系统构成
中国煤炭科工集团太原研究院在神东公司第1套快速掘进系统、神木汇森凉水井煤矿快速掘进系统的研发基础上，结合黄陵矿区特殊的地质条件，开发出新一代快速掘进系统[2]。该系统主要包括低比压型掘锚一体机、锚杆转载机、柔性连续运输系统，并集成通风除尘、供电、智能化控制系统等设备与技术。掘锚一体机完成割煤、落煤、装煤工序，掘锚一体机上机载的6台钻机同步完成顶部6根锚杆、侧帮上方4根锚杆支护；锚杆转载机上机载6台钻机，其中4台完成顶部锚索支护，2台完成侧帮下方4根锚杆支护；掘锚一体机、锚杆转载机、柔性连续运输系统共同完成转载工序；湿式除尘器实现巷道的除尘。上述各设备相互协调、有机配合，完成整个掘进工作面的割煤、装煤、破煤、运煤、支护、除尘等工序。快速掘进系统总参数见表1，其总体配套如图1所示。
表1快速掘进系统总参数
图1快速掘进系统总体配套
1.2系统特点
快速掘进系统各设备相互协调、有机配合，完成整个掘进工作面的割煤、装煤、破煤、运煤、支护、除尘等工序[3]，具有以下特点：
1)首次实现复杂地质条件下煤巷掘进的掘、锚、运平行作业，发明了掘进、支护、运输协同作业方法，解决了复杂工况下三者不能平行作业的难题，掘进效率大幅度提高。
2)首次开发低比压型掘锚一体机，整机采用宽履带、轻量化设计，提高掘锚一体机对泥化底板的适应性。
3)首次开发煤矿用全自动锚索钻机，攻克锚索自动化连续钻孔和锚固剂气动装填等技术难题，能够实现钻杆储存、自动接杆、钻孔、自动回收钻杆、药卷安装、锚索安装等全过程的自动化。
4)采用掘进智能化控制系统，实现成套设备井下和地面远程控制。
1.3工作面支护与钻探工艺
革新支护全部集中在掘进工作面的传统支护工艺，解决传统支护工艺造成的支护时间长的问题，根据巷道围岩条件和支护强度，综合分析计算，以空间换时间，利用多排多臂支护工艺实现巷道锚杆支护的分布式空间布局[4]。即将支护作业由掘锚一体机和锚杆转载机同步完成，提高支护效率。巷道锚杆支护参数和围岩条件的变化会影响空间支护的顺序，因此通过设置锚杆转载机支护为变量，配置不同规格、种类和数量的钻机，实现空间不同位置同步支护。
对顶板、侧帮全方位锚杆支护，形成多排多臂同时支护作业线，与掘进、运输过程互不影响[5]。掘锚一体机完成顶板锚杆+网片支护及巷道两侧2套帮锚杆+网片支护，锚杆转载机完成帮部剩余2套锚杆支护和顶板锚索支护。在巷道无片帮、顶板无离层、裂隙、破碎等条件下，采用分次支护提高支护效率。多排多臂同时支护工艺如图2所示，具体实施如下：①一次支护：2人操作掘锚一体机前排机载的4台顶锚钻机完成顶板6根锚杆支护，2人操作锚杆转载机上4台钻机完成顶板4根锚索支护，2人操作掘锚一体机上2台帮钻机完成巷帮第1、2排帮锚杆支护（铺设帮部金属网/塑料网）。2人使用锚杆转载破碎一体机完成第3、4排帮锚杆支护，帮锚杆支护滞后距离根据实际情况在作业规程中确定。②锚索支护：顶板条件不好时由掘锚一体机上2人隔排使用掘锚一体机完成2根顶锚索支护，其余由锚杆转载破碎一体机补打，滞后掘进工作面最大距离根据快掘系统长度及巷道顶板条件确定。
图2支护任务分工
掘锚一体机正巷掘进至钻场位置，侧偏开掘瓦斯钻场，完成支护后，回归正巷掘进；前探钻机行走至钻场进行探孔作业，实现掘进与钻探平行作业。综合掘进推进速度、前探钻进速度、瓦斯抽放孔数量，确定瓦斯钻场间距为80m，最大程度匹配掘、探工艺。
2.应用情况及分析
2.1劳动组织方式
快速掘进系统所在的303运输巷采用“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2。
表2生产人员配置
2.2进尺情况
2019年2月，快速掘进系统在黄陵二号煤矿303运输巷工作面安装调试，3月开始工业性试验，至9月结束试验，共历时7个月。其中3—5月进尺分别为593、608.6、588.8m，6月根据矿区生产接续安排303运输巷停工，7—9月分别完成进尺624.7、603.5、611.7m，工业性试验期间总进尺3630.3m。该期间快速掘进系统进尺统计图如图3所示，除6月停用外，快速掘进系统在6个月的使用中整体运行平稳，系统可靠性高。
图3快速掘进系统进尺统计
2.3应用情况分析
快速掘进系统平均月进尺约605m，与传统综掘（270m/月）相比，掘进速度提高2~3倍；快速掘进系统平均人均工效约7.5m3/d，比传统综掘人均功效多5m3/d，提效约2倍；对比传统掘进工艺循环[6]，多排多臂同步支护工艺使支护工序平均时间降低30%，平行作业时间由不足25%提高至70%。快速掘进系统实现了全宽断面快速掘进、掘支锚运平行作业和远距离遥控操作，改变了“掘进机+单体锚杆钻机”的传统掘进工艺，显著提高了掘进效率。
当掘进效率提高后，掘采配比将由3.1﹕1.0降低至1.5﹕1.0，减少掘进作业人员60%左右，相当于减少2支掘进队伍，每年节约人工成本1600万元左右，矿井生产效率提升5%，每年多生产煤炭50万t以上。煤炭生产的集约化、规模化水平明显提升，满足了黄陵矿区复杂煤矿高效掘进的生产需求，符合煤矿“机械化换人，自动化减人”总体要求[7]。
3.快速掘进系统创新技术
传统煤巷掘进采用单一功能的掘进机、单体钻机、桥式转载机等设备，掘进速度慢，造成煤矿采掘接续紧张。快速掘进系统创新开发了锚杆钻机电液控技术、自动化锚索支护技术、多设备协同控制技术等，取得了阶段性进展。
3.1锚杆钻机电液控技术
传统液压锚杆钻机主要采用手动换向阀或手动多路阀控制，需要作业人员靠近钻机扳动手柄操作，易发生机械事故，且存在诊断功能少、不易维护的问题。针对上述问题，开发了锚杆钻机电液比例控制系统（图4），并集成于掘锚一体机和锚杆转载机上[8]。系统由电磁阀、操作箱、转速传感器、压力传感器、手持式遥控器（可一控多机）、遥控接收机等组成，锚杆钻机电液比例控制系统采用按键式操作，实现钻机远程操控、精准控制，提高操作人员的舒适性和安全性，系统具备自动锚钻控制、手动锚钻控制、锚钻参数用户设置等功能，能够实时显示转速、转矩等参数，并具有故障自诊断功能。
图4锚杆钻机电液比例控制系统
3.2自动化锚索支护技术
传统锚索支护主要采用单体气动式钻机进行施工，1根7.3m的锚索支护需要20min，支护时间长、劳动强度大、效率低。自动化锚索钻机（图5）能够实现安装钻杆、钻孔、拆卸钻杆、钻杆连续供给等支护过程的自动化，提高了锚护施工设备的自动化程度和支护效率，改善工人的作业环境，实现了操作人员对设备的远程监控，同时该钻机能作为锚护模块与任意支护设备进行匹配，具有很强的适应性[9]。自动锚索钻机的研制对于提高巷道掘进的自动化水平，降低支护工作强度、提高支护安全性与支护效率、减少锚护人员具有重要意义。
图5自动化锚索钻机
3.3多设备协同控制技术
快速掘进系统中设备种类繁多且相互之间运行关系错综复杂，各设备既能同时前进，又有相对运动。若由人工来实现协同控制，由于操作人员分散在不同设备上，无法了解其他设备的实时状态，必然会导致协调性差，各设备难以实现快速、准确配合，无法实现相互闭锁等逻辑控制，并容易造成堆煤、碰撞、人身伤害等事故[10]。
针对上述问题开发了快速掘进系统多设备协同控制系统（图6），解决多个移动设备之间协同工作问题，同时动态跟踪各设备运行情况。通过分析多个设备之间的协同控制关系，将协同控制的命令与信息通过无线协同控制网络进行数据传输，从而实现快掘工作面多设备的联动控制，改变现有通过人为实现设备联动的状况，提高了系统控制的可靠性、安全性、实时性[11]。
图6成套装备多机协同控制系统
3.4其他创新技术
掘锚一体机机载临时支护系统具有前探功能，实现了前探深度与采高的联动、互锁，并能通过调整前探深度将空顶距由1.2m减至0.4m，提高系统对顶板的适应性；截割机构采用大功率密度、整机紧凑设计，将截割功率提升35%；掘锚一体机具有自动铺网装置，实现了锚网的储存、输送和自动挂网等功能，减轻工人劳动强度，提高了系统的自动化程度；快速掘进系统集成了双模锚钻除尘技术，在不更换钻箱的情况下，实现干式除尘与湿式除尘功能的实时切换，提高了对复杂地质条件的适应性；快速掘进系统具有数据上传和远程监控功能，实现设备的实时监测监控和维护预警，从而大幅提高了开机率[12]。
4.快速掘进智能化控制技术
2020年2月，应国家八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》明确提出要重点突破智能快速掘进的要求，黄陵矿业公司与中国煤炭科工集团太原研究院有限公司对快速掘进系统进行了智能化升级，实现了成套设备井下和地面远程控制、人员进入设备运行危险区域实时监管报警，创建了“无人跟机作业，有人安全值守”的掘进新模式。
4.1井下、地面集控系统
集控系统（图7）以井下中央集控中心为载体和中转，以集群设备多信息融合网络为通道，以工况监测与故障诊断系统为感知，将获得的时序数据、空间数据、音视频数据、生产管理数据等进行分析、决策，突破了成套装备一键启停、自动截割、自主行走、自动化锚护等关键技术，实现了快速掘进成套装备集中远程控制和自动化连续循环作业。
图7集控系统
图8智能人员防护系统
4.2智能人员安全防护系统
智能人员安全防护系统应用了无线定位和机器视觉技术，可实时检测设备周边危险区域内人员的存在，实现人员进入设备运行危险区域的双向报警、紧急停机及远程监管功能，为井下移动设备加装了电子围栏和一双慧眼，有效避免了设备在运行过程中对人员的伤害，提升了工作面作业安全水平。
5.结论
1）以掘锚一体机为龙头的快速掘进系统首次实现了在复杂地质条件下的全宽断面快速掘进、掘支锚运平行作业、远距离遥控操作，提高了掘进效率和生产效率，是快速掘进技术的创新与发展。
2）快速掘进系统使我国煤巷快速掘进技术迈向更高的层次，进一步提高了我国掘进工作面的进尺水平和安全水平，改善了我国掘进工作面的环境，为煤炭产业转变发展方式、煤矿安全生产和提质增效提供科技支撑，引领掘进科技进步。
3）快速掘进系统在特定地质条件下能成功应用，但我国的煤矿地质条件复杂多样，快速掘进系统的工况适应性、整机可靠性需要继续完善，后续将在开采工艺研究、产品系列化差异化开发、设备配套多样化研究等方面进行深入研究，进一步增强快速掘进系统对巷道工况的适应能力，扩大快速掘进系统的适用范围。
4）煤矿掘进装备的智能化、无人化工程是一项长期任务，目前虽然取得了阶段性成果，但是距离真正实现无人掘进工作面，还存在着多项“卡脖子”技术，后续将继续紧跟煤矿智能化建设步伐，努力攻关核心技术，提高智能快掘系统质量，为煤机装备产业赋能增效，为煤矿智能建设添砖加瓦。
