煤炭是我国当前及未来较长时期的主体能源，是保证我国能源安全稳定供应的战略基石，对我国经济发展起到重要支撑作用。目前，我国煤矿数量达4 700处，产能约40亿t/a，其中，年产120万t以上的大型现代化煤矿处，煤炭产量占全国煤炭总产量的80%左右。这些大型现代化煤矿广泛采用“一井一面”的集约化开采方式，每年新掘巷道长度约12 000 km，每个综采工作面平均推进进度达30 m/d，要求单个掘进队的巷道掘进进尺达70 ～ 80 m/d，而我国煤矿巷道综掘平均掘进进尺为10 m/d，传统的综掘方式已无法满足综采工作面需求，通过增加掘采队伍比例来满足综采工作面需求的方式已不可持续。因此，巷道快速掘进技术是煤炭高效生产的客观需求。
陕西陕煤黄陵矿业有限公司（以下简称黄陵矿业公司）煤炭资源丰富，煤田总面积549 km2，地质储量13.4亿t，可采储量9.6亿t。主力矿井为一号、二号煤矿，核定产能分别为600万、800万t。黄陵矿区煤田位于鄂尔多斯盆地南沿，煤油气共生，开采技术条件复杂，其中3对矿井为高瓦斯矿井，煤层赋存稳定，但厚度变化较大。截至2018年12月，黄陵矿业公司所属4个矿井6个综采工作面全部实现智能化开采，实现了智能化开采技术在薄煤层、中厚煤层以及大采高煤层的全覆盖应用。但在2018年以前，采掘工作面仍然采用“交错式掘进超前支护装置+综掘机+单体锚杆钻机支护”的机械化作业方式，虽然超前支护方式有效解决了作业场所的安全问题，但由于锚护作业仍然为单体锚杆钻机支护作业，不能实现掘进和支护平行作业，月均掘进进尺约270 m，且用工人数多、劳动强度大、作业环境差，严重制约矿井生产的接续。因此，黄陵矿业公司联合产学研单位进行快速掘进以及智能掘进技术研究，并从掘进效率提升、掘抽采平衡、智能化程度提升和安全效益提升4个方面入手，不断提升智能快速掘进水平。
图1 原有锚护作业
黄陵矿业公司智能化快速掘进现状
陕西煤业化工集团在陕北、彬长、关中矿区开展高效快掘技术装备研究与应用攻关，联合国外顶尖装备制造公司及技术力量，推广应用了高集成全断面掘锚一体快速掘进系统，并结合各矿区特点进行适应性升级改造；突破了自主定位定向、智能精准截割、并行掘锚、数字化监测监控、三维可视化远程集控平台等10余项关键技术，自主研制出首套盾构式智能快速掘进机器人系统，开辟了煤炭行业安全高效掘进先河。目前，黄陵矿业公司主要采用高集成全断面掘锚一体高效快掘系统、护盾式智能快速掘进机器人系统、掘锚护一体机+锚运破/锚杆钻车快掘系统、龙门式钻锚作业平台4种智能掘进形式。
黄陵矿业公司快速掘进技术实践现状
针对机械化掘进方式存在的掘支分离、职工劳动强度大、安全隐患突出、掘进速度慢等严重制约矿井灾害治理和生产接续的问题，黄陵矿业公司在学习借鉴其他优秀单位先进经验的基础上，充分考虑自身煤油气共生、开采技术复杂等现状，对如何解决采掘接续矛盾、快速形成采准系统和智能化开采进行了深入研判。在2013年就已开展了交错式掘进超前支护装置研究，形成了“交错式掘进超前支护装置+综掘机+单体锚杆钻机支护”的机械化作业方式，有效解决了作业场所安全问题，但由于锚护作业仍为单体锚杆钻机支护作业（图1），无法实现掘进和支护平行作业，月均进尺约270 m。因此，2017年黄陵矿业公司联合中国煤炭科工集团开展“煤矿智能快速掘进技术及装备”项目研究，主要是要建立掘、支、运一体化作业平台，构建以掘锚一体机为主掘设备，掘锚一体机+锚杆转载机为支护设备，柔性连续运输系统为转载设备的掘支运一体化掘进系统，实现了掘、支、运平行连续作业，一次成巷，掘进效率较之前提升了1倍以上；截至2019年12月，完成了2个巷道的掘进工作，累计进尺7 600余m，月最高进尺680 m，平均单月进尺水平稳定在560 m/月以上；2020年，一号煤矿结合矿井地质条件及实际生产需求，自主配套了“交错式掘进超前支护装置+掘进机+可弯曲输送带+自移机尾+跨骑式四臂锚杆（索）钻车”，初步形成了掘锚一体式快速掘进系统（图2），提高了支护效率和掘进速度；2020年，黄陵矿业公司联合中煤科工集团太原研究院共同研制开发了复杂地质条件下快速掘进地面远程智能控制系统（图3），可实现成套装备地面和井下2级远程控制。
黄陵矿业公司智能快速掘进现有技术现状
图2 掘锚一体式快速掘进装备
图3 快速掘进地面远程控制中心
图4 掘锚一体式快速掘进系统
图5 掘锚一体机式快速掘进系统总体方案
（1）掘锚一体式快掘装备配套掘锚一体式快速掘进系统主要包括低比压型掘锚一体机、锚杆转载机、可弯曲带式输送机、迈步式自移机尾，以及除尘、供电、控制通信等子系统，如图4所示。其中：低比压型掘锚一体机全宽截割，机载6台钻机；锚杆转载机破碎均匀转载，机载6台钻机；可弯曲带式输送机和迈步式自移机尾组成柔性连续运输系统，完成截割落煤的连续转载。掘锚一体式快速掘进系统内各设备、子系统协同联动，一体化完成割煤、装煤、破煤、运煤、支护、除尘等工序，掘锚一体机式快速掘进系统总体方案如图5所示。
（2）多设备自动测距跟进、协同行走控制技术采用无线网络通信技术实现设备间通信，利用测距传感器以及遥控系统，构建快速掘进成套装备协同行走控制系统，可以实现包括掘锚机与锚杆转载机协同行走控制、锚杆转载机与可弯曲带式转载机协同行走控制、可弯曲带式转载机与迈步式自移机尾协同行走控制等功能。
1）掘锚机与锚杆转载机协同行走控制功能。
利用激光测距原理实时监控掘锚机卸料部与锚杆转载机受料部的距离，使之满足运输搭接要求。当系统处于同步行走模式时，若该距离超过设定值，锚杆转载机继续行走直至达到设定距离；若该距离小于设定值，设备声光报警，提示作业人员人工干预操作，避免碰撞，进入强制停机距离区域时则设备停机。
2）锚杆转载机与可弯曲带式转载机协同控制功能。通过设备相互之间的信息传输，可以得知对方的移动方向，当其中的任一设备向前或向后移动时，另外一台设备也将随着一起向前或向后移动，从而增加设备移动的牵引力，实现整套设备的快速移动，提高巷道的掘进速度。
图6 迈步自移机尾协同行走控制系统终端显示
图7 掘进与破碎协同作业流程
图8 自动化顺煤流停车启停顺序
3）可弯曲带式转载机和迈步自移机尾协同控制功能。当迈步自移机尾接收到前进信号时，可弯曲带式转载机则会向后行走，其向后行走的牵引力将会减少迈步自移机尾的前进阻力，促进迈步自移机尾的移动。迈步自移机尾协同行走控制系统终端显示如图6所示。
（3）掘进与破碎协同作业控制技术采集掘进机截割功率、掘进速度、液压系统压力、破碎机的状态等数据，通过PLC控制器的综合分析，再通过程序控制实现掘进速度与掘进机的截割功率、破碎机能力自动优化匹配，并自动启动自动巡航功能，达到保护设备、节能、提高效率的目的。在掘进速度与掘进机截割功率自匹配的基础上，当破碎机的工作能力小于掘进机的输送能力，且未达到自身额定工作能力时，掘进机PLC控制器自动优化通过网络控制破碎机提高工作速度，以提高掘进效率；当破碎机的工作能力小于掘进机的输送能力且达到或超过自身额定工作能力时，掘进机PLC控制器自动优化并通过自动控制来降低掘进速度，使掘进速度与破碎机的破碎能力达到最佳匹配，实现保护破碎机，提高掘进机效率的目的。采集分析掘进机和破碎机启停状态：破碎机启动后才能开始掘进工作；掘进机开始掘进后破碎机才能行走；破碎机开始倒退后掘进机才能开始倒退，并且破碎机与掘进机距离不能小于设定值；如果掘进机停止工作，破碎机需要工作一定时间后自动停止工作，避免破碎机下次带载启动，并实现节能。掘进与破碎协同作业流程如图7所示。
（4）运输系统联动控制技术煤矿井下掘进自动化成套设备运输系统包括全断面掘进机刮板输送机、破碎机刮板输送机、转载机柔性带式输送机、迈步带式输送机、转运带式输送机、主巷带式输送机。目前，输送系统实现了输送机间的联动控制功能，联动控制功能原理为自动化重载启动，转载机柔性带式输送机采用头尾变频驱动方式，充分利用变频电机软启动的启动力矩大，输送带负载能力强，机械冲击强度小等特点，实现输送机重载启动。
逆煤流启动功能的启动输送系统指令发出后，首先启动大巷主带式输送机，当主带式输送机启动平稳后，再给转运带式输送机发出启动信号，以此类推，按照主带式输送机—转运带式输送机—迈步带式输送机—转载机带式输送机—破碎机刮板输送机—全断面掘进机刮板输送机的启动顺序启动输送系统。
图9 可视化智能打钻系统现场作业
自动化顺煤流停车启停顺序如图8所示，当停止输送系统指令发出后，首先全断面掘进机刮板输送机停止，然后发出破碎机刮板输送机停止信号，以此类推，按照全断面掘进机刮板输送机—破碎机刮板输送机—转载机柔性带式输送机—迈步带式输送机—转运带式输送机—主带式输送机的停止顺序关闭输送系统。联动控制联锁功能表现为当全断面掘进机刮板输送机、破碎机刮板输送机、转载机柔性带式输送机、迈步带式输送机、转运带式输送机、主巷带式输送机中任何一个输送系统发生故障时，整个输送系统停机。运输系统联动控制提高了系统运行效率和可靠性，减少了设备空转时间，最大限度降低了能耗。
（5）可视化智能打钻系统2021年，为进一步提高井下钻机自动化程度，同步提升掘进效率，黄陵矿业公司开展了可视化智能打钻系统的研究，该打钻系统主要由可视化监控、远程智能控制系统和煤矿用履带式全自动液压钻机组成，如图9所示。可视化智能打钻系统实施后，由2台钻机配合施钻形成钻机群作业，施工人员由6人减少至3人，钻进效率提升了1倍以上。
（6）快速掘进远程控制系统研究2020年，黄陵矿业公司联合中煤科工集团太原研究院研制出复杂地质条件下快速掘进地面远程智能控制系统（图10），该系统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，突破了煤流一键启停、自动截割与自主行走、远程辅助锚护、全自动锚索机器人远程钻进等关键技术，实现了成套装备地面和井下2级远程控制，以及快速掘进装备地面远程控制，全自动锚索机器人全自动钻进。
(a) 井下控制中心
(b) 地面控制中心
图10 快速掘进远程控制系统井下和地面控制中心
快速掘进技术实施效果
快速掘进技术在黄陵矿业公司复杂地质条件下累计掘进7 600 m，最高月进尺680 m，平均月进尺（传统综掘月进尺约300 m），1个快速掘进队可完成2个普通掘进队的掘进工作量，每年可节约人工成本3 000万元。快速掘进成套装备全部实现国产化，价格为4 500万元，相比进口掘锚一体机+梭车后配套设备6 000万元的购置成本，可节约资金1 500万元。
快速掘进存在的技术难题
（1）基于掘锚一体式快速掘进装备局限性较大基于掘锚一体式快速掘进装备对巷道设计宽度及高度的要求较高，由于现有成套装备体积较大，适用于宽度大于5 m、高度大于3.5 m的巷道，设备仅适用于厚煤层工作面，具有较大的局限性，在黄陵矿业有限公司所属4个矿井全部推广难度较大。
（2）掘进单机装备完备性及可靠性的能力有待提升锚钻设备主要以锚杆钻车和单体锚杆钻机为主，自动化程度低，智能化发展基础薄弱，虽然可以实现钻进、接锚杆全自动化，但全流程无法实现全自动化锚杆支护；铺联网、锚杆、锚索等输送与存储、锚索切断、装药等工序均难以实现完全自动化；掘进设备主要以悬臂式掘进机、掘锚一体机为主，悬臂式掘进机采用部分断面截割，巷道成形控制难度大，且掘支不能平行作业，在本机上集成钻机后，受机身尺寸限制，发展悬臂式掘进机机载智能钻机技术难度大；而掘锚一体机可实现全宽一次成巷、掘支平行作业，但其对地质条件要求苛刻，受机身尺寸限制，只能发展小型化智能钻机；其他可实现刚性架自动插架、地坪自动摊铺、物料自动供给等设备的研制仍为空白。此外，国产掘进设备整体可靠性低，难以适应复杂多变、环境苛刻的工况，故障率高，开机率低，关键元部件寿命低。
（3）工作面除尘问题未有效解决现有多套掘进装备均受装备体积影响，除尘设备采用负压除尘装置，但机载负压除尘装置由于吸尘口位置靠后，风量、风压不足，造成除尘效果不理想，影响操作人员视线。
关于智能快速掘进技术发展的思考
（1）装备适应性和可靠性需要进一步提升智能化掘进装备应该结合矿井地质条件及生产要求进行装备选型制造，从而大幅提升装备的实用性，结合现有装备进行技术改进升级，在装备体积缩减方面进行技术创新，提高掘进机对巷道掘进需求的适应性。目前，在巷道掘进方面，需要进行瓦斯抽放钻场、联络巷等施工工序，缩小掘进装备体积后，便于拐弯，以进行相关钻场、巷道施工，提高掘进施工效率。
（2）提高锚杆和锚索的支护效率，实现物料输送自动化目前快速掘进关键技术在于提高锚杆、锚索的支护效率，一是应该从技术配套方案中合理增加钻机数量，并优化钻机布置，提高钻机的效率；二是目前钻机自动化水平较差，与之匹配的物料（锚杆、锚索、锚网等）输送均采用人工操作，因此必须提升钻机及配套物料输送系统的自动化程度，实现自动铺网、上钻杆、上锁具及自动紧固。
（3）解决掘支协同作业难的问题现有绝大多数掘锚一体机在推移截割头截割作业时，因底板软弱、截割力矩大等原因，出现掘进机机身不稳定而不断向后退的问题，而机身在无法静止的情况下是很难保证同步支护作业（包括临时支护和永久支护）的安全性及工程质量，亟需开展相关技术研究来解决这一难题。
（4）实现设备精准定位巷道掘进过程中，掘进机、输送机等设备的精准定位对于巷道掘进直线度的保证至关重要，因此必须引入导航定位技术，实现掘进设备精准空间定位。
（5）必须保证可视化远程干预操作采取有效措施降低煤尘、水雾等对摄像头的影响，实现可视化远程干预操作。同时，应该引入实时现场模型，将每一道工序具体为模型里对应的步骤，实现对现场工序的还原，提高对装备的精准控制。
（6）需要进行多装备之间数据多源异构融合相较于综采工作面，掘进工作面所配备的设备数量相对较少，但掘进工艺中需要多台设备多步骤协同进行，因此需要进行多装备之间的数据多源异构融合，达到协同控制的目的，最终实现智能化掘进。
结 语
黄陵矿业公司将继续按照先易后难、先试验后推广、最终实现智能掘进的思路，坚定不移地开展智能化快速掘进技术探索和实践研究。一是探索成套快掘工艺装备配套研究，快掘装备配套需继续向小型化、集成化和模块化的方向发展，提高整机适应性，从而研究适应黄陵矿区复杂地质条件的掘、支、运一体化作业平台；二是开展智能快掘研究实践，实现快掘工作面装备的自动化、可视化和智能化操控，实现作业现场环境和装备运行情况的实时上传，最终实现矿井采掘智能化作业的全覆盖，大力推进黄陵矿业公司智能化矿井建设进程，助推矿井实现高质量发展。
