陕西陕煤澄合矿业有限公司西卓煤矿
摘要：近年来，煤矿智能快掘关键技术开始兴起，煤矿智能快掘关键技术可以为煤炭安全高效生产提供给必要条件。本文首先分析了煤矿智能掘进面临的主要难题，然后介绍了煤矿智能掘进保障技术，最后谈论了智能掘进模式及工程实践。
关健词：煤矿巷道；智能掘进；快速掘进
我国各矿区煤层赋存条件复杂多变，掘进技术的发展极不均衡。因此，发展智能掘进技术既要考虑对特定煤层赋存条件的适应性和配套性，又要考虑技术的可复制、可推广性，通过不断的理论、技术与装备创新推动完善煤矿智能掘进技术体系，为此，笔者在总结煤矿智能掘进面临的主要难题的基础上，分析了智能掘进的技术基础，并梳理了基于掘锚一体化技术的智能掘进技术架构及关键技术，介绍了目前智能掘进的工程实践情况并提出了四种煤矿智能掘进模式，探讨了未来智能掘进技术发展趋势，为广大煤矿智能掘进工作者提供参考，提升掘进行业技术水平。
1煤矿智能掘进面临的主要难题
智能掘进对掘进装备提出了更高的要求，需要掘进装备高度可靠、对地质环境高度适应、工序作业高度协同。要实现掘进装备摆脱人的直接参与，依据自主决策实现系统自动化运行，整个掘进系统需要解决以下问题：
（1）掘进单机装备完备性及可靠性、能力有待提升。装备完备性方面，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。装备可靠性方面，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，国产摆动式刮板链平均寿命不足1年，多数矿用传感器因强冲击环境易发生故障，同时测量精度显著下降。
（2）围岩时效控制。永久支护多存在一定的空顶距、空帮距，支护参数与空顶、空帮区的稳定性有待厘清；临时支护作为辅助永久支护的技术来控制围岩变形，使巷道形成了时效自稳区，因缺乏有效的两帮临时支护，在软弱围岩巷道掘进内无法保障锚杆支护作业期间内的两帮自稳性，带有两帮临时支护的护盾式掘进机仅能在稳定围岩条件下使用，且对地质条件变化适应性低，难以普遍推广。
2煤矿智能掘进保障技术
2.1掘进设备可靠性技术
巷道掘进的智能化和快速化决定掘进设备应具有较高的可靠性指标。掘进设备应从设计论证阶段开始，进行质量可靠性设计管理。可靠性设计及分析的关键技术主要包括可靠性建模技术、可靠性预计技术、可靠性分配技术、薄弱环节分析技术、特性分析与适应性分析技术、耐久性分析技术等。笔者团队从掘进设备的特点出发，提出了掘进设备可靠性分析方法，建立了数字化溯源制造体系和全生命周期性能监控体系，主要包括耐久性仿真试验与加速寿命试验、工艺可靠性分析及过程质量监控、虚拟维修与维修策略、安全性分析与风险评价、可靠性系统工程设计分析评估。
2.2巷道围岩状态在线感知技术
（1）巷道围岩地质勘探技术。围岩地质力学参数是巷道围岩时效控制的基础。为快速获得地应力、围岩强度等参数，康红普等建立了煤矿井下单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试方法，并开发出配套测试仪器[10]。彭苏萍等建立了三维地震可视化解释与反演技术、纵横波联合解释技术等为基础的煤矿高分辨率三维地质勘探技术体系，并研制了矿井地质雷达和多波地震仪装备。
（2）巷道围岩随掘探测技术。巷道围岩随掘探测一方面是为了获得工作面前方隐蔽致灾地质异常体的空间赋存及特性，解决掘进中小断层、煤厚变化、陷落柱、老空区、下组煤以及含水构造等地质问题，另一方面是为了在掘进过程中实时感知和判断围岩的稳定性，为支护机器人提供在线、连续、实时的围岩状态信息，以保证后者能根据围岩状态信息实时调整支护参数。
2.3巷道围岩时效控制技术
（1）迎头低密度锚杆智能支护技术。一方面，研究提升锚杆支护效率的技术，如（含或不含锚固剂、自钻或非自钻）空心锚杆、煤帮螺旋自锚、多相液体混合膨胀剂、柔性聚氨酯网、注浆锚索等技术。
另一方面，研究空间多维度同步支护技术，即将一部分锚杆滞后到迎头后方进行同步支护，而这种方式能够实现的前提是迎头的低密度锚杆能够有效控制围岩，形成自稳区，故需要研究迎头区在低密度支护应力场、原岩应力场等作用下围岩损伤的时效特征，根据特征来调整迎头支护密度。
（2）空顶区的围岩稳定性控制技术。迎头顶板在已支护区、临时支护和端头煤体的共同约束下形成时效自稳区，为智能掘进提供了时空条件。在自稳期间内，按现有锚杆支护工艺水平、获得最大的锚杆支护密度（最大的锚杆支护密度≤设计支护密度）、形成连续性控顶是空顶区围岩控制的主要目标。
3智能掘进模式及工程实践
3.1掘支运一体化智能掘进模式
我国已建成年产120万吨以上大型现代化煤矿1200处以上，产量占全国的80%左右[2]，这些煤矿对采掘接续要求迫切，同时在资金、人才及智能化建设基础方面均具有一定的优势。因此，针对截宽5m以上、空顶距0.5m以上、空帮距1.0m以上的煤巷掘进，应优先选用掘支运一体化智能掘进模式。该模式是以掘锚一体机为核心、以多维度同步支护等技术为支撑，配套锚杆转载机、跨骑式锚杆钻车、柔性连续运输系统、自移机尾等设备组成的智能掘进系统，共3种适应不同围岩条件下的配套方式：①倔锚一体机+转载破碎机+柔性连续运输系统+跨骑式锚杆钻车，②掘锚探一体机+锚杆转载机+柔性连续运输系统+集控中心，③倔锚探一体机+锚杆转载机+柔性连续运输系统（桥式转载机+自移机尾）+集控中心。
3.2全断面掘进机智能掘进模式
针对斜井、平硐、瓦斯抽放巷等岩巷掘进，应优先选用全断面掘进机智能掘进模式。全断面掘进机集截割、支护、出渣、除尘等功能于一体，具有低扰动、成型好、高效率（主要指硬岩截割效率）、高安全性等优势，同时也有进转场时间长（安装、拆除工期2.5月）、地质条件变化适应性差、支护效率低、转弯半径大（不能联巷转弯掘进）等缺陷，故要求施工巷道长度长（3km以上）、缓倾斜（坡度8°以内）、揭煤少、围岩稳定（软岩易卡机）等，其配套方式主要有3种:①全段面护盾式矩形掘进机+锚杆转载机+柔性连续运输系统+集控中心，②全段面敞开式矩形掘进机+锚杆转载机+柔性连续运输系统+集控中心，③矿用TBM+集控中心
3.35G+连续采煤机智能连掘模式
我国陕北矿区因巷道围岩条件稳定或中等稳定（空顶距大于6m），多采用双（多）巷道施工工艺[28]，该工艺的特点是存在2个逃生出口，安全性好，同时采用连续采煤机双巷掘进工艺，掘进效率高。笔者及其团队基于5G通信技术，对连续采煤机、梭车等装备进行自动化、智能化提升，突破了连续采煤机远控割煤、梭车自主驾驶、破碎机自动启停等关键技术，形成了5G+连续采煤机智能连掘模式。
典型应用。2020年，5G+连续采煤机智能连掘在陕西红柳林矿应用，利用低延时、低功耗、高速率、大带宽的5G网络通信技术，实现红柳林矿地面集控中心、井下工作面连采机及太原远程控制中心的三方实时、高清视频通话互动交流，可实现地面集控中心对连续采煤机远程割煤、破碎机自动启停等功能。
5结语
智能开采，掘进先行。安全智能开采，掘进承当重大使命，掘进智能化为智慧矿山建设提供不可或缺的支撑。我国掘进智能化得到了一定进展，形成一批重大原创性成果，为我国煤矿智能掘进的发展做出突出贡献。
参考文献：
[1]王虹,王建利,张小峰.掘锚一体化高效掘进理论与技术[J].煤炭学报，2020,45(6):2021-2030.
[2]中国煤炭工业协会.2020年煤炭行业发展报告[R].北京:中国煤炭工业协会，2021.
[3]王国法,王虹,任怀伟,等.智慧煤矿2025情景目标和发展路径[J].煤炭学报,2018,43(2):295-305.
[4]王国法,徐亚军,张金虎,等.煤矿智能化开采新进展[J].煤炭科学技术,2021,49(1):1-10.
[5]王剑,刘备战,雷亚军,等.曹家滩煤矿智能快速掘锚成套装备应用[J].陕西煤炭,2021,40(1):1-3,40.