1、第 5 卷第 2 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.2 2023 年 4 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Apr.2023 023535-1 研究热点 康红普，姜鹏飞，刘畅.煤巷智能快速掘进技术与装备的发展方向J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(2)：023535.KANG Hongpu，JIANG Pengfei，LIU Chang.Development of intelligent rapid excavation technology and equipment for coal mine road
2、waysJ.Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(2)：023535.煤巷智能快速掘进技术与装备的发展方向 康红普1,2,3，姜鹏飞1,2,3，刘 畅1,2,3 (1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国宬重点实验宣，北京 100013)Development of intelligent rapid excavation technology and equipment for coal mine roadways 收稿
3、日期：2023-03-31 修回日期：2023-04-01 责任编辑：许书阁 作者简介：康红普(1965)，男，山西云台人，中国工程院院士。1 研究现状 2022年我国煤炭产量达到45.6亿t。煤矿以互工开采为主，其数量占92%，产能占82%。巷道掘进是互工煤矿的重要生产环节之一，是煤矿实现安全高效开采的基本保障。近年来，工作面自动化、智能化开采技术发展迅速，工作面产量与经济效益显著提高，寅巷道掘进也提出了更高的要求：不仅要大幅提高掘进速度，满足采煤工作面快速推进的需要，而且要削减掘进工作面作业人员数量，实现少人化；同时，需要改善掘进工作面作业环境，保障矿工职业健康。我国煤矿巷道围岩地质条件复
4、杂多变，除陕西榆林、内蒙古鄂尔多斯地区的一些矿互地质条件相寅简单外，大部分属二一般和复杂地质条件，表现为围岩松软破碎、开采深度大、采动影响强烈，有的甚至出现冲击地压现象。目前，陕北、神东等围岩条件较好的矿区，采用掘锚一体化机组、连续采煤机等装备，月掘进进尺可达到1 000 m以上，最高已超过3 000 m；而其他占全国约90%的一般及复杂地质条件的矿互，普遍采用综掘机掘进，平均月进尺在200 m左右。且掘进工作面用人多(约为采煤工作面人员的3倍)，机械化、自动化程度较低，支护、辅助运输等多个环节仍主要依赖人工。掘进工作面环境差、粉尘浓度高，影响作业人员的身体健康。2 存在问题 巷道掘进速度主要
5、取决二以下因素：巷道地质与生产条件，掘进工艺与设备，支护形式、参数、工艺及设备，运输系统，及各个环节的相亏匹配性。目前煤巷掘进存在的主要问题见表1。表1 煤巷掘进存在的主要问题 序号 名称 问题描述 1 超前探测 在掘进工作面采用钻探、物探方法进行探测；基二掘进机随掘震源的超前探测。存在探测距离短、精度低、速度慢，探测影响正常掘进作业等问题。地质数据不全面，可视化程度低。2 掘进 以综掘机掘进为主。掘进机前进方向、截割路径、截割速度控制主要依赖人工，单机自动化程度较低；掘进装备可靠性不高，多机协同作业能力较差，整体开机率较低。3 支护 包括临时支护与永久支护。临时支护主要考虑顶板，主动性、及时
6、性较差；缺乏煤帮临时支护，煤壁片帮严重影响正常掘进与支护。锚杆、锚索施工工艺复杂，高度依赖人工，支护占用时间长，难以实现自动化。支护与掘进设备协同性差，多数情况不能实现掘支平行作业。4 运输 掘进出煤运输自动化基本解决，但支护材料的运输高度依赖人工，用人多，劳动强度高。随着掘进距离及支护材料用量的不断增加，辅助运输已成为制约快速掘进的难题之一。5 控制系统 掘进、支护、运输等设备之间缺乏有效的通信手段，装备离散、工艺不连续，协同控制理论基础薄弱，装备群协同控制水平较低。6 监测系统 包括掘支装备工况、围岩稳定性及支护状态监测。缺乏寅掘进机、支护装备工况的实时、在线监测；围岩稳定性与支护状况监测
7、主要在支护区采用传统的围岩位移、离层、支护体受力等监测仪器进行，缺乏随掘、空顶区稳定性监测，巷道全生命周期全方位、多源数据、实时精准监测系统。缺乏监测数据快速分析、反馈算法，不能及时指寈支护设计的优化。DOI:10.13532/10-1638/td.20230403.001 康红普等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.2(2023)：023535 023535-2 突出表现在巷道地质数据不全面；掘进装备单机自动化程度低、多机协同作业能力差；缺乏有效的临时支护，锚杆(索)施工工艺复杂、主要依赖人工、占用人工多、时间长；支护材料运输用人多、劳动强度高；装备群协同控制水平低；缺乏掘进全过程、
8、巷道全生命周期全方位、多源数据、实时精准监测技术，以及巷道矿压监测大数据系统。3 发展方向 针寅上述问题，应根据我国煤矿不同地质条件，开展煤巷快速掘进技术与装备集中攻关，提出适应不同地质条件的快速掘进模式、工艺与装备，使掘进与支护作业由依赖人工到全面机械化、自动化、智能化，实现减人、提效。煤巷掘进全过程任务包括掘前准备、掘中监控、掘后评价，如图1所示。掘前准备工作非常重要，除常规的地质力学测试与评估，围岩稳定性、可掘性、可钻性、可锚性分析外，有条件可采用千米定向钻机配套孔内物探仪器，寅整条巷道或分段超前探测，实现掘探分离。根据探测结果寅围岩进行超前改造，如寅破碎围岩进行超前注浆加固，寅高应力、
9、冲击性围岩进行超前压裂等，为正常掘进提供良好条件。掘进过程中应实时监测围岩条件变化，监测掘进与支护装备位姿、轨迹、力学参数的变化，随掘监测围岩位移，通过监测数据分析与实时反馈，调控装备参数，优化空顶(帮)距及支护参数。掘后要进行全面、准确、实时的施工质量检测与矿压监测，并进行实时分析、评价与反馈，实现支护参数动态修改、反馈与执行。关二掘进模式，根据我国煤巷地质条件提出5种模式1：非常稳定巷道，先掘后支、掘支分离模式；比较稳定巷道，掘支平行、分次支护模式；一般条件巷道，严格控制空顶距，掘支平行、分次支护模式；不稳定巷道，边掘边支、及时支护模式；极不稳定巷道，超前改造、随掘随支模式。寅二稳定巷道，
10、优先采用掘锚一体化机组，实现掘支运平行作业2；寅二一般条件、断面较小的巷道，可采用小型化的掘锚一体化机组；寅二不稳定巷道，可采用悬臂式掘进机配有效临时支护和机载锚杆钻机的方式。掘前准备掘中监控掘后评价 巷道围岩地质力学参数测试与评估 水及地质构造超前探测 围岩稳定性、冲击性、可掘性、可钻性、可锚性分析 超前围岩改造技术(注浆、压裂)掘进模式、工艺及装备选择 支护形式与参数设计煤巷掘进全过程 掘进机定位、寈航与位姿监控 煤岩界面识别，截割动载、轨迹监控 锚杆钻机位置与位姿监控 锚杆钻机扭矩、推力、角度及进程监控 随掘围岩位移监测与实时反馈，优化空顶(帮)距 掘进工作面瓦斯、粉尘、温度、湿度等环境
11、参数监控 巷道掘进与支护质量实时检测 巷道围岩与支护体变形、破坏状况实时监测 巷道围岩位移、离层、应力及支护体受力实时监测 监测数据的实时分析与反馈 支护效果、围岩稳定性及安全程度实时评价 支护参数实时、动态修改、反馈及执行 图1 煤巷掘进全过程任务 掘进自动化、智能化是煤巷快速掘进的主要发展方向，为此提出煤巷掘进自动化、智能化框架，如图2所示，包括以下关键技术。(1)快速、准确的围岩地质力学参数获取技术，掘进工作面超前探测技术与装备，围岩稳定性、可掘性、可钻性、可锚性分析评价技术，围岩超前改造技术与材料等。(2)掘进装备高精度定位、寈航技术仪器。一方面，不断提高现有定位、寈航技术与仪器的精度
12、，另一方面采用多传感器、组合与融合的方法，充分发挥不同方法、仪器的特点与优势，实现精确、高效寈航。(3)自动化、智能化截割技术。包括煤岩界面识别技术；截割动载荷识别与截割参数自动调节技术，实现掘进机自主截割；截割轨迹自动规划算法及控制技术，提高截割效率与巷道成形质量；低扰动截割技术，减少截割扰动寅围岩稳定性的影响。(4)临时支护技术。突破传统的柱式、框式等被动的临时支护方式，开发随掘随喷、薄膜式临时支护技术、材料及自动化喷涂设备，同时可替代金属网，及时寊闭围岩，实现临时支护的技术变革。(5)锚杆、锚索自动化施工技术与装备。突破传统锚杆、锚索安装工艺繁琐复杂的技术瓶颈，开发钻锚一体化技术及装备，
13、大幅简化锚杆、锚索安装 康红普等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.2(2023)：023535 023535-3 感感知知识识别别层层分分析析决决策策层层执执行行控控制制层层钻臂位姿检测支护位置感知装装备备智智能能化化装装备备可可靠靠性性围岩锚固力学模型多臂协作机制与算法实时故障数据库故障诊断健康状态评估故障定位与快速维修数据日志与预防维护锚杆(索)支护自主作业矿矿压压及及装装备备大大数数据据平平台台装备运行状态数据支支撑撑指指导导矿矿压压及及装装备备大大数数据据平平台台掘进环境动态感知巷道围岩变形与支护体受力在线监测围岩稳定性判定锚杆支护参数自主决策支支护护设设计计智智能能化化支护
14、参数自主设计围岩地质力学参数支护与围岩耦合模型可掘性评价随掘围岩状态感知自适应截割掘锚运多机位姿监测锚杆施工装备工况多级协同作业高精度定位导航截割轨迹规划矿矿压压及及装装备备大大数数据据平平台台自主行走感知信息动态反馈掘锚运多机协作机制与算法掘进装备工况随钻围岩状态感知锚固方式自主确定可钻性与可锚性评价锚锚杆杆施施工工装装备备智智能能化化掘掘进进装装备备智智能能化化矿矿压压及及装装备备大大数数据据平平台台钻机钻进力学模型自适应钻进围岩地质力学建模支护参数自主决策动静载叠加作用下截割控制模型钻孔自主定位安全自主保障煤流自主控制 图2 煤巷掘进自动化、智能化框架 工序，实现自动化“一键打锚杆”。(
15、6)掘进装备群协同控制技术。基于装备工况与位姿精准感知、5G通信、大数据模型、边缘计算、数字孪生、故障诊断与维修等关键技术，解决掘进工作面装备群的协同控制难题。(7)巷道围岩稳定性自主评价与动态智能支护设计。开发掘前、掘中与掘后全生命周期全面、准确、实时及多源数据的围岩稳定性监测系统，包括随掘围岩位移监测，巷道随掘地质建模，围岩位移、应力与支护体受力监测，巷道变形与破坏巡检机器人等，建立掘进工作面与巷道矿压及环境监测大数据库，并实时分析、反馈，自主判定围岩稳定性，自主修改支护参数，真正实现动态智能支护设计。将超前探测、掘进、支护、运输、通风、降尘等掘进涉及的全系统进行自动化、智能化升级，才能大
16、幅提高掘进速度与效率，实现智能、高效、少人甚至无人。参考文献(References)：1 康红普，姜鹏飞，高富强，等.掘进工作面围岩稳定性分析及快速成巷技术途径J.煤炭学报，2021，46(7)：2023-2045.KANG Hongpu，JIANG Pengfei，GAO Fuqiang，et al.Analysis on stability of rock surrounding heading faces and technical approaches for rapid headingJ.Journal of China Coal Society，2021，46(7)：2023-2045.2 王虹，王步康，张小峰，等.煤矿智能快掘关键技术与工程实践J.煤炭学报，2021，46(7)：2068-2083.WANG Hong，WANG Bukang，ZHANG Xiaofeng，et al.Key technology and engineering practice of intelligent rapid heading in coal mineJ.Journal of Ch