煤炭是我國當前及今后較長一個時期的主體能源，是保證我國能源安全穩(wěn)定供應(yīng)的戰(zhàn)略基石[1]。全國煤礦數(shù)量達4 700處，產(chǎn)能達40億t/a左右，其中，年產(chǎn)120萬t以上的大型現(xiàn)代化煤礦1 200處，產(chǎn)量占全國的80%左右[2]，這些大型現(xiàn)代化煤礦廣泛采用“一井一面”的集約化開采方式，每年新掘巷道長度約12 000 km，每個綜采工作面平均推進進度達30 m/d，要求單個掘進隊巷道掘進進尺70～80 m/d，而我國綜掘平均進尺10 m/d，傳統(tǒng)的綜掘方式已無法滿足綜采需求，新時代下通過增加掘采隊伍配比來滿足綜采需求的方式已不可持續(xù)。因此，快速掘進技術(shù)是煤炭高效生產(chǎn)的客觀需求。掘進工作面采用獨頭布置，人員逃生出口單一，作業(yè)危險系數(shù)大，發(fā)展智能掘進技術(shù)是實現(xiàn)掘進少人化的根本途徑。

采掘裝備在煤炭工業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了基礎(chǔ)性作用，基本實現(xiàn)機械化、信息化、自動化，正在邁入智能化開采新階段[3]。其中，智能化采煤技術(shù)發(fā)展迅速，目前已形成了薄及中厚煤層智能化無人開采、大采高工作面智能耦合人機協(xié)同高效綜采、綜放工作面智能化操控與人工干預(yù)輔助放煤、復(fù)雜條件機械化+智能化開采4種智能采煤開采模式[4];與智能采煤技術(shù)進展相比，煤礦智能掘進受井下巷道特殊的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境及相對復(fù)雜的工藝環(huán)節(jié)等因素制約，掘進智能化進展相對較緩慢，目前主要以遠程可視化控制+自動割煤+煤流一鍵啟停為特征的初級智能掘進技術(shù)進行了示范性應(yīng)用[5-6]，90%以上掘進工作面以機械化為主，巖巷掘進仍以鉆爆法為主，需要圍繞安全、高效掘進兩大目標，提高裝備可靠性、適應(yīng)性、成套性，奠定智能化發(fā)展平臺基礎(chǔ)，攻關(guān)定位導航、自動支護、自適應(yīng)截割等智能掘進關(guān)鍵技術(shù)，突破環(huán)境智能感知、掘進裝備智能決策、自動化執(zhí)行等技術(shù)難題，形成多類智能化掘進模式。

我國各礦區(qū)煤層賦存條件復(fù)雜多變，掘進技術(shù)的發(fā)展極不均衡。因此，發(fā)展智能掘進技術(shù)既要考慮對特定煤層賦存條件的適應(yīng)性和配套性，又要考慮技術(shù)的可復(fù)制、可推廣性，通過不斷的理論、技術(shù)與裝備創(chuàng)新推動完善煤礦智能掘進技術(shù)體系，為此，筆者在總結(jié)煤礦智能掘進面臨的主要難題的基礎(chǔ)上，分析了智能掘進的技術(shù)基礎(chǔ)，并梳理了基于掘錨一體化技術(shù)的智能掘進技術(shù)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，介紹了目前智能掘進的工程實踐情況并提出了4種煤礦智能掘進模式，探討了未來智能掘進技術(shù)發(fā)展趨勢，為廣大煤礦智能掘進工作者提供參考，提升掘進行業(yè)技術(shù)水平。

1 煤礦智能掘進面臨的主要難題

(1)作業(yè)環(huán)境惡劣，安全性差。工作面水害、瓦斯、頂板、粉塵、沖擊地壓等嚴重威脅人員安全。掘進空頂、空幫的存在給巷道管理帶來極大安全風險，沖擊地壓巷道的圍巖控制一直是世界性難題;長期以來，煤礦事故中掘進工作面潰水、瓦斯突出、頂板、沖擊地壓事故起數(shù)及死亡人數(shù)占比均超30%;工作面粉塵不僅對作業(yè)人員職業(yè)健康造成嚴重損害，同時對機器視覺技術(shù)在巷道掘進場景應(yīng)用帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)。

(2)地質(zhì)條件復(fù)雜，軟巖、大變形是我國煤礦巷道的主要特征。煤巖體具有非均質(zhì)、各向異性，內(nèi)含多尺度孔隙、裂隙，煤層含層理、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面及分布不均的夾矸等，同時含有規(guī)模不等斷層、褶皺、陷落柱等不確定性地質(zhì)構(gòu)造，導致截割和鉆孔載荷呈現(xiàn)非線性、大沖擊、強耦合的特點，給截割和鉆孔的自適應(yīng)控制帶來巨大的技術(shù)挑戰(zhàn);我國煤礦巷道軟巖巷道占比大，煤層作為圍巖的一部分，受風化、水等作用，強度往往顯著劣化，增大了巷道圍巖控制難度。

(3)施工工序多，巷道掘進包含截割落煤、裝煤運煤、臨時支護、錨桿支護、超前探測、通風除塵等工序，各工序受作業(yè)空間限制，多為串行作業(yè);其中，錨桿支護流程復(fù)雜，包括鋪聯(lián)網(wǎng)、安裝鋼帶、鉆孔、安裝錨固劑、安裝錨桿并攪拌錨固劑、預(yù)緊等多個環(huán)節(jié)，支護用時約占成巷時間的60%，用工數(shù)占比達70%，因此該工序是影響掘進效率的主要因素，同時也是實現(xiàn)智能化的主要難點。

智能掘進對掘進裝備提出了更高的要求，需要掘進裝備高度可靠、對地質(zhì)環(huán)境高度適應(yīng)、工序作業(yè)高度協(xié)同。要實現(xiàn)掘進裝備擺脫人的直接參與，依據(jù)自主決策實現(xiàn)系統(tǒng)自動化運行，整個掘進系統(tǒng)需要解決以下問題:

(1)掘進單機裝備完備性及可靠性、能力有待提升。裝備完備性方面，錨鉆設(shè)備主要以錨桿鉆車和單體錨桿鉆機為主，自動化程度低，智能化發(fā)展基礎(chǔ)薄弱，依然缺乏能夠完成全流程自動錨桿支護的錨鉆設(shè)備，鋪聯(lián)網(wǎng)、錨桿(索)輸送與存儲、錨索切斷、裝藥等工序均難以實現(xiàn)完全自動化;掘進設(shè)備主要以懸臂式掘進機、掘錨一體機為主，懸臂式掘進機采用部分斷面截割，巷道成形控制難度大，且掘支不能平行作業(yè)，在本機上集成鉆機后，受機身尺寸限制，發(fā)展懸臂式掘進機機載智能鉆機技術(shù)難度大;而掘錨一體機可實現(xiàn)全寬一次成巷、掘支平行作業(yè)，但其對地質(zhì)條件要求苛刻，受機身尺寸限制，只能發(fā)展小型化智能鉆機。其他設(shè)備方面，實現(xiàn)剛性架自動插架、地坪自動攤鋪、物料自動供給等設(shè)備依然空缺。裝備可靠性方面，國產(chǎn)掘進設(shè)備整體可靠性低，難以適應(yīng)復(fù)雜多變、環(huán)境苛刻的工況，故障率高，開機率低，關(guān)鍵元部件壽命低，國產(chǎn)擺動式刮板鏈平均壽命不足1 a，多數(shù)礦用傳感器因強沖擊環(huán)境易發(fā)生故障，同時測量精度顯著下降。裝備能力方面，掘錨一體機截割能力不足，無法適應(yīng)半煤巖和巖巷以及過地質(zhì)構(gòu)造帶掘進;鉆箱受空間尺寸限制其工作轉(zhuǎn)矩難以達到300 N·m，無法適應(yīng)特殊條件下大緊固力矩要求;橋式轉(zhuǎn)載機受結(jié)構(gòu)限制僅滿足20 m/d進尺，不能滿足日進百米的需要，如延長橋式轉(zhuǎn)載機，易產(chǎn)生碰頂、卡機尾等問題。

(2)圍巖時效控制。掘支過程中圍巖的穩(wěn)定性是智能掘進的前提和基礎(chǔ)，冒頂、片幫、底臌等圍巖劣化行為可導致掘進施工中斷。傳統(tǒng)的掘進通過人工進行敲幫問頂、輔助頂板離層儀判斷圍巖狀態(tài)，而智能掘進需要將人工感知通過掘進設(shè)備智能感知進行替代，實現(xiàn)掘進過程中裝備即時感知信息與圍巖狀態(tài)的動態(tài)解析，從而判斷掘進工藝的可持續(xù)性、掘進過程的不確定因素及優(yōu)化錨桿支護參數(shù)。目前，永久支護多存在一定的空頂距、空幫距，支護參數(shù)與空頂、空幫區(qū)的穩(wěn)定性有待厘清;臨時支護作為輔助永久支護的技術(shù)來控制圍巖變形，使巷道形成了時效自穩(wěn)區(qū)，因缺乏有效的兩幫臨時支護，在軟弱圍巖巷道掘進內(nèi)無法保障錨桿支護作業(yè)期間內(nèi)的兩幫自穩(wěn)性，帶有兩幫臨時支護的護盾式掘進機僅能在穩(wěn)定圍巖條件下使用，且對地質(zhì)條件變化適應(yīng)性低，難以普遍推廣。

(3)掘進工序高效協(xié)同和掘進裝備群的智能化協(xié)作。目前，掘進工作面作業(yè)線上各設(shè)備各自獨立，缺乏信息感知、交流、互通功能，實時協(xié)作能力弱、人機交互性差，掘進流水線沒有形成。為實現(xiàn)掘進裝備群智能協(xié)同作業(yè)，馬宏偉等[7]提出了基于Agent和基于強化學習的并作控制方法，以及l(fā)eader-follower法和基于行為法的智能協(xié)同控制方法，吳淼等[8]提出了基于數(shù)字孿生的巷道并行工藝技術(shù)，利用多源傳感器信息鏈接和互譯實現(xiàn)并行掘進裝備物理實體與“虛擬數(shù)字孿生體”之間的交互感知。

2 煤礦智能掘進保障技術(shù)

我國煤礦巷道掘進技術(shù)水平尚未到達完全機械化水平，設(shè)備開機率、可靠性、截割效率均較低，因此煤礦智能掘進不僅需要以自動截割、智能支護等智能掘進技術(shù)支撐，更需要地質(zhì)探測、圍巖控制、設(shè)備可靠性等技術(shù)保障。筆者團隊提出了掘進設(shè)備可靠性、巷道圍巖狀態(tài)在線感知、巷道圍巖時效控制、低比能耗高效截割、掘進粉塵綜合防治5類煤礦智能掘進保障技術(shù)。

2.1 掘進設(shè)備可靠性技術(shù)

巷道掘進的智能化和快速化決定掘進設(shè)備應(yīng)具有較高的可靠性指標。掘進設(shè)備應(yīng)從設(shè)計論證階段開始，進行質(zhì)量可靠性設(shè)計管理?？煽啃栽O(shè)計及分析的關(guān)鍵技術(shù)主要包括可靠性建模技術(shù)、可靠性預(yù)計技術(shù)、可靠性分配技術(shù)、薄弱環(huán)節(jié)分析技術(shù)、特性分析與適應(yīng)性分析技術(shù)、耐久性分析技術(shù)等。筆者團隊從掘進設(shè)備的特點出發(fā)，提出了掘進設(shè)備可靠性分析方法，建立了數(shù)字化溯源制造體系和全生命周期性能監(jiān)控體系，主要包括耐久性仿真試驗與加速壽命試驗(圖1)、工藝可靠性分析及過程質(zhì)量監(jiān)控、虛擬維修與維修策略、安全性分析與風險評價、可靠性系統(tǒng)工程設(shè)計分析評估。

提升掘進設(shè)備的可靠性不僅需要按照科學的可靠性設(shè)計方法進行可靠性攻關(guān)，還需要不斷利用新技術(shù)、新材料等工藝技術(shù)的創(chuàng)新來突破。筆者及其團隊針對巖巷掘進機可靠性低的瓶頸，開發(fā)了巖石截割頻率與整機固態(tài)頻率識別消振系統(tǒng)、低頻大振幅減振吸振裝置、元部件無鍵精密配合設(shè)計制造工藝，實現(xiàn)振動主動抑制;研發(fā)了油膜軸承行星傳動等元部件原位強化技術(shù)，同體積元部件強度提高50%以上;研發(fā)了傳動、液壓和控制系統(tǒng)的加速壽命試驗方法和平臺，模擬井下工況試驗持續(xù)改進優(yōu)化;研制的掘進設(shè)備廣泛采用在線鐵譜、在線油液質(zhì)量檢測、集中潤滑等技術(shù)來實時監(jiān)測和優(yōu)化掘進設(shè)備的運行狀態(tài)，提升設(shè)備的可靠性[9]。

2.2 巷道圍巖狀態(tài)在線感知技術(shù)

巷道圍巖狀態(tài)的實時感知和掘支過程中的穩(wěn)定性控制是智能掘進的共性基礎(chǔ)問題，智能掘進需要即時感知圍巖的動態(tài)信息從而進行圍巖穩(wěn)定性智能判斷。

(1)巷道圍巖地質(zhì)勘探技術(shù)。圍巖地質(zhì)力學參數(shù)是巷道圍巖時效控制的基礎(chǔ)。為快速獲得地應(yīng)力、圍巖強度等參數(shù)，康紅普等[10]建立了煤礦井下單孔、多參數(shù)、耦合地質(zhì)力學原位快速測試方法，并開發(fā)出配套測試儀器。彭蘇萍等[11]建立了三維地震可視化解釋與反演技術(shù)、縱橫波聯(lián)合解釋技術(shù)等為基礎(chǔ)的煤礦高分辨率三維地質(zhì)勘探技術(shù)體系，并研制了礦井地質(zhì)雷達和多波地震儀裝備。

(2)巷道圍巖隨掘探測技術(shù)。巷道圍巖隨掘探測一方面是為了獲得工作面前方隱蔽致災(zāi)地質(zhì)異常體的空間賦存及特性，解決掘進中小斷層、煤厚變化、陷落柱、老空區(qū)、下組煤以及含水構(gòu)造等地質(zhì)問題，另一方面是為了在掘進過程中實時感知和判斷圍巖的穩(wěn)定性，為支護機器人提供在線、連續(xù)、實時的圍巖狀態(tài)信息，以保證后者能根據(jù)圍巖狀態(tài)信息實時調(diào)整支護參數(shù)。在巷道圍巖穩(wěn)定性辨識方面，康紅普等提出2個研究方向：① 研究粉塵條件下圖像識別與處理技術(shù)，通過激光掃描、紅外相機等實時監(jiān)測圍巖的變形和破壞;② 研究圍巖穩(wěn)定性實時預(yù)警判據(jù)，通過預(yù)警判據(jù)來調(diào)整支護方式與參數(shù)[10]。在巷道超前物探技術(shù)方面，主要的探測手段有瑞雷波、二維地震、瞬變電磁儀、直流電法、音頻電透等物探技術(shù)，彭蘇萍等[11]建立了煤層穩(wěn)定性地質(zhì)力學評價與控制理論體系，并提出研發(fā)與慣導技術(shù)一體的高分辨煤巖辨識儀器裝備。目前，物探技術(shù)的探測精度難以滿足實際工程需要，超前鉆探技術(shù)在我國大量巷道中應(yīng)用，但超前鉆探技術(shù)的鉆探用時長，影響掘進效率，進而導致圍巖控制難度增大。為此，筆者提出鉆探+物探融合探測技術(shù)(圖2)，即在掘進路徑上采用短距鉆探方式，利用孔間物探透視技術(shù)提高探測距離同時控制鉆探方向，從而保證快速掘進。

2.3 巷道圍巖時效控制技術(shù)

圍巖控制需要體現(xiàn)時效性，需要快感知、快決策、快響應(yīng)，從而實現(xiàn)快速的掘支循環(huán)，保障智能掘進的順利進行。

(1)掘進工作面低密度錨桿智能支護技術(shù)。掘進工作面空間受限，難以布置多組鉆機實現(xiàn)快速支護，有2個技術(shù)途徑解決。一方面，研究提升錨桿支護效率的技術(shù)，如(含或不含錨固劑、自鉆或非自鉆)空心錨桿、煤幫螺旋自錨、多相液體混合膨脹劑、柔性聚氨酯網(wǎng)、注漿錨索等技術(shù)；另一方面，研究空間多維度同步支護技術(shù)，即將一部分錨桿滯后到掘進工作面后方進行同步支護，而這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)的前提是掘進工作面的低密度錨桿能夠有效控制圍巖，形成自穩(wěn)區(qū)，故需要研究掘進工作面在低密度支護應(yīng)力場、原巖應(yīng)力場等作用下圍巖損傷的時效特征，根據(jù)特征來調(diào)整掘進工作面支護密度。此外，新型柔性錨桿、高預(yù)應(yīng)力錨固等新技術(shù)可在降低支護密度同時達到原有的圍巖控制效果。

(2)空頂區(qū)的圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)。掘進工作面頂板在已支護區(qū)、臨時支護和端頭煤體的共同約束下形成時效自穩(wěn)區(qū)，為智能掘進提供了時空條件。在自穩(wěn)期間內(nèi)，按現(xiàn)有錨桿支護工藝水平、獲得最大的錨桿支護密度(最大的錨桿支護密度≤設(shè)計支護密度)、形成連續(xù)性控頂是空頂區(qū)圍巖控制的主要目標。當自穩(wěn)期較短時，如軟弱破碎、高應(yīng)力軟巖、沖擊地壓巷道，應(yīng)用超前預(yù)注漿、支-卸組合支護等技術(shù)需要結(jié)合掘進設(shè)備實際，將技術(shù)盡可能與掘進裝備一體化設(shè)計，保證智能掘進的平臺基礎(chǔ)。

2.4 低比能耗高效截割技術(shù)

低比能耗高效截割技術(shù)[1]的研究主要是為了提升截割能力和截割系統(tǒng)可靠性。筆者團隊利用截齒截割試驗臺(圖3)、掘進機整機試驗場開展相關(guān)研究，主要技術(shù)成果有:

(1)截割機理研究。針對煤巖截割機理不清、設(shè)計數(shù)據(jù)匱乏等問題，創(chuàng)建了截割試驗臺(圖3)，經(jīng)試驗確立了截齒角度、截深、切屑厚度、單刀力、截線間距之間的優(yōu)化匹配關(guān)系，提出了煤巖特性-截割速度-截齒單刀力-載荷譜-整機穩(wěn)定性耦合模型，揭示了掘進機截割機理，提出了小滾筒大單刀力的設(shè)計方法，實現(xiàn)了高效截割。截齒旋轉(zhuǎn)截割巖石的破碎過程大致可以分為初始壓碎區(qū)細粒巖屑生成、密實核形成并儲能、各向裂紋的擴展與連通、斷裂體崩落、二次壓碎區(qū)細粒巖屑生成5個階段，且?guī)r屑的斷裂是以拉伸為主并伴隨著擠壓和剪切的共同作用;通過截齒破巖試驗，得到了截齒安裝角度與切削效率、截割對象的最優(yōu)匹配關(guān)系;不同形狀的截齒，隨著截齒合金頭直徑、齒身錐度的變化，其截割力的變化不同。齒身錐度、合金頭大小與截齒截割力的關(guān)系服從指數(shù)分布，截割力與錐度成正相關(guān)，與合金頭大小反相關(guān)。通過不同截線間距(s)和切削深度(d)的組合截割試驗，得到s/d為2～4時比能耗最低。

(2)強力截齒研究。針對掘進機截齒磨損大、易斷齒、單刀力小、經(jīng)濟性差等問題，研發(fā)了高硬度、高耐磨、大直徑硬質(zhì)合金和真空爐釬焊淬火連續(xù)工藝，截齒單刀力、綜合機械性能提高50%，損耗降低65%。通過截齒工作溫度與巖石硬度、截割深度關(guān)系的分析研究，得到截齒截割深度和截齒溫度分布的關(guān)系(圖4)。

(3)滾筒優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)截齒試驗得到的截割規(guī)律，設(shè)計了截齒排布的算法，開發(fā)了截割滾筒交互式設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)截齒排布的優(yōu)化設(shè)計、截割滾筒的載荷計算和切屑圖模擬(圖5)。

(4)滾筒高精度制造。針對截齒定位偏差大造成的滾筒不均勻磨損、壽命低的問題，開發(fā)了滾筒高精度的自動定位專用焊接機器人，采用齒座焊接三維空間定位系統(tǒng)(圖6，其中，βR為倒角;αR為轉(zhuǎn)角;γR為仰角;θR為圓周角;P為齒尖坐標點)，刀具齒尖定位精度±2 mm，角度精度±0.5°。研制的截割滾筒平均壽命提高1倍以上。

(5)截割穩(wěn)定性控制技術(shù)。截割穩(wěn)定性是評價掘進設(shè)備工作性能的重要指標，一般用整機工作時縱向傾覆力矩來衡量。受截割載荷的隨機激勵和整機截割過程中重心的變化影響，傾覆力矩的變化呈現(xiàn)隨機性，為截割穩(wěn)定性控制帶來一定難度?；诖?，筆者團隊提出采用截割巖石動載荷特征提取及識別技術(shù)來精確控制截割牽引速度的方法，并基于組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S證據(jù)理論的多傳感器信息融合技術(shù)開發(fā)了動載荷識別方法和相應(yīng)識別軟件(圖7)，動載荷識別的準確率達到86%，有效避免了截割過程中劇烈振動和失穩(wěn)等問題[12];同時，研發(fā)了基于油氣懸掛的變坡穩(wěn)定性可調(diào)節(jié)的自適應(yīng)浮動式前后支撐機構(gòu)，解決了掘進機大坡度作業(yè)下穩(wěn)定性控制的技術(shù)難題。

(6)基于最大功率密度的截割減速器緊湊設(shè)計方法。針對掘進機截割傳動系統(tǒng)體積受限難以適應(yīng)大載荷、強沖擊的問題，提出了最大功率密度的緊湊設(shè)計方法，開發(fā)了超高強度和高淬透性齒輪材料低溫馬氏體處理工藝、傳動副齒形和齒向修緣技術(shù)和無軸承行星傳動技術(shù)，研制了橫軸式硬巖掘進機截割減速器(圖8)，實現(xiàn)了同體積減速器功率增大1/3。

針對大功率密度下截割減速器熱功率無法平衡的問題，開發(fā)了截割減速器用無額外動力強制冷卻潤滑系統(tǒng)，實現(xiàn)減速器全位姿潤滑和重載連續(xù)運行，其原理系統(tǒng)如圖9所示。

(7)硬巖截割技術(shù)。采用鎬型截齒破碎煤巖，當巖石硬度和磨蝕性增加時，截齒無法有效切入巖體時，導致齒尖溫度升高，截齒加快磨損，截割經(jīng)濟性急速下降。當單向抗壓強度小于100 MPa時，截齒消耗率約0.3把/m3。因此，普通硬質(zhì)合金截齒在硬巖截割方面存在技術(shù)瓶頸，國外探索了超硬多晶金剛石截齒、盤形滾刀、鑲齒滾刀、一體式截盤+扭震截割、高壓水射流輔助截割、沖擊破巖等技術(shù)[13]，進一步豐富了硬巖截割方法。筆者認為硬巖截割的最經(jīng)濟、高效的方式是高壓水射流輔助截割+鎬型截齒組合破巖方式，利用高壓水射流輔助截割技術(shù)形成足夠的自由面和巖石裂隙，再利用鎬型截齒進行截割。李洪盛等[14]開發(fā)了高壓水射流破巖系統(tǒng)試驗臺，采用自激振蕩脈沖射流輔助破巖技術(shù)代替連續(xù)高壓輔助破巖技術(shù)，取得了較好巖石破碎效果。

2.5 掘進粉塵綜合防治技術(shù)

掘進工作面粉塵大，在常規(guī)的內(nèi)外噴霧措施下掘進工作面粉塵質(zhì)量濃度高達100 mg/m3，粉塵除嚴重影響職工健康外，也制約了視覺技術(shù)在巷道掘進技術(shù)的應(yīng)用，筆者從產(chǎn)塵、控塵、除塵、主動防護4方面論述快速掘進工作面粉塵成套防治技術(shù)[1]。

(1)基于截割裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的產(chǎn)塵抑制技術(shù)。截割產(chǎn)塵與截割破巖機理密切相關(guān)，巖屑在周期性崩落過程中，在截齒的切削作用下形成密實核，并通過截齒錐面與巖體間的間隙高速釋放，從而形成大量粉塵。通過截齒截割試驗發(fā)現(xiàn)，截齒錐角、切削角、切削速度及磨損等因素對產(chǎn)塵量均有不同程度影響，截線距與切削厚度之比為3時產(chǎn)塵量最小，耐磨寬型合金頭對降低產(chǎn)塵量效果明顯，通過優(yōu)化截線距、轉(zhuǎn)速、牽引速度等截割參數(shù)，可有效降低截割產(chǎn)塵量。截割內(nèi)噴霧技術(shù)是截割滅塵的有效方法，但旋轉(zhuǎn)水封的壽命低制約該技術(shù)難以普遍應(yīng)用。為此，筆者研發(fā)了內(nèi)噴霧浮動旋轉(zhuǎn)水封裝置，壽命可達6個月[15]。

(2)基于附臂風筒的控塵技術(shù)。附壁風筒控塵是利用風流附壁效應(yīng)原理，將壓入式通風的軸向風流變?yōu)閺较蝻L流并在除塵器負壓抽吸的作用下，形成向掘進工作面逐漸推進的風墻，從而將掘進機截割的粉塵抑制在距離掘進工作面一定的范圍內(nèi)。筆者及團隊研制了基于風筒材料的風量可調(diào)附壁風筒，并在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，隨著掘進進尺增加附壁風筒并未及時向前移動時，控塵效果均處于高效控塵階段，并基于此開發(fā)了新型附壁風筒控塵工藝。如圖10所示(其中，Qc為抽風量;Qy為壓風量;A為巷道斷面面積)，在低瓦斯巷道，附壁風筒距掘進工作面距離推薦但不應(yīng)超過除塵器出風口[16]。

(3)干式除塵技術(shù)。地面成熟的干式除塵系統(tǒng)因體積大、不防爆、不防靜電，不能直接應(yīng)用在掘進工作面，為此開發(fā)了無龍骨扁框袋式除塵器，采用小體積無龍骨自承式菱形濾袋、Z形風道、氣動脈沖自動清灰技術(shù)，總塵除塵效率達99.7%，呼塵除塵效率98%。

(4)濕式除塵技術(shù)。濕式除塵器因體積小、價格低廉，在我國煤礦巷道中大量應(yīng)用，但其除塵效率較低，為此，對粒徑小于10 μm粉塵過濾效率可達99%的濕式除塵器，采用濾網(wǎng)表面超疏水改性、雙面兩級流線形氣液分離等技術(shù)，降低了除塵器凈化后氣流含水量。

(5)主動防護技術(shù)。針對國內(nèi)普遍使用的防塵口罩呼吸阻力大、過濾效果差、易積塵、佩戴舒適性低、影響工作效率等問題，中國煤炭科工集團沈陽研究院研制礦用動力送風式濾塵口罩，其主機內(nèi)特別設(shè)計的微型風機高效吸入外界空氣，經(jīng)過濾器過濾后傳送至呼吸面罩，在面罩內(nèi)產(chǎn)生正壓，供佩戴者呼吸清潔空氣。J H Fletcher公司開發(fā)了頂棚空氣幕技術(shù)[17]，將工作區(qū)域用增壓空氣包圍，利用帶過濾功能的風機將過濾后的新鮮氣流通過管路輸送至頂棚下的增壓室，從而在錨桿司機周邊形成保護區(qū)。

3 基于掘支運一體化技術(shù)的智能快掘系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)以上對智能掘進主要難題和保障技術(shù)的分析，筆者提出了以邊緣感知、平臺決策、設(shè)備執(zhí)行、遠程運維4個維度的智能掘進系統(tǒng)基本架構(gòu)，如圖11所示。

(1)邊緣感知層。通過感知掘進工作面的地質(zhì)條件、掘進環(huán)境、裝備工況，改變傳統(tǒng)掘進過程中依靠人工來進行工作面“環(huán)境感知”的工作。

基于圍巖狀態(tài)在線感知技術(shù)，構(gòu)建面向掘進工作面的高精度三維動態(tài)地質(zhì)模型，根據(jù)掘進過程中揭露的實際地質(zhì)信息對模型修正，將裝備狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)、超前探測參數(shù)、巷道成形質(zhì)量與三維地質(zhì)模型進行有效融合，為截割、支護控制提供數(shù)據(jù)支撐。

(2)平臺決策層。通過數(shù)據(jù)匯聚并引入由裝備行為準則為支撐的掘進決策控制平臺中，基于大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，形成決策思想來代替原有靠人工“判斷”的環(huán)節(jié)?；谙锏绹鷰r時效控制技術(shù)，研究圍巖失穩(wěn)判據(jù)、錨桿支護承載特性、煤巖截割載荷特性等截割、支護的作用機理及特性，構(gòu)建裝備行為控制模型。

(3)設(shè)備執(zhí)行層。突破智能支護、自動截割等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建智能掘進系統(tǒng)平臺，依靠智能掘進成套裝備來實現(xiàn)截割、支護等工序動作?；诰蛑н\一體化技術(shù)的智能掘進成套裝備解決了裝備與工藝間的協(xié)同問題，實現(xiàn)了多設(shè)備協(xié)同作業(yè)。掘錨一體機實現(xiàn)自動截割、錨桿支護、臨時支護、裝載和出料功能;錨桿轉(zhuǎn)載機自動跟隨掘錨一體機，實現(xiàn)煤流緩沖、塊煤破碎、出料、滯后錨桿支護功能;柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)實現(xiàn)長距離轉(zhuǎn)載搭接、轉(zhuǎn)運功能。

(4)遠程運維層。智能掘進設(shè)備需要全生命周期維護，其運維主體應(yīng)從使用者轉(zhuǎn)移至設(shè)備供應(yīng)商。在大數(shù)據(jù)分析和歷史數(shù)據(jù)挖掘的支撐下可對設(shè)備進行維護預(yù)警;當設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)上傳至云端，設(shè)備供應(yīng)商通過專家系統(tǒng)遠程判斷設(shè)備運行狀態(tài)，并下發(fā)基于VR技術(shù)的經(jīng)典維護教程，指導系統(tǒng)的運行維護。

包含以上4個環(huán)節(jié)的基本架構(gòu)解決了傳統(tǒng)掘進模式中遇到的看不清、斷不明、掘不快、修不了的實際問題，并轉(zhuǎn)化為邊緣感知、平臺決策、設(shè)備執(zhí)行、遠程運維技術(shù)保障，通過感知煤層賦存和圍巖特性、掘進環(huán)境和裝備工況，將工作面各種設(shè)備和環(huán)境有機和諧地統(tǒng)一起來，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自主運行，減少人工干預(yù)，實現(xiàn)安全、高效、綠色掘進，成套設(shè)備一鍵操作，成為自主感知、自主分析、自主決策、自主執(zhí)行的掘進生產(chǎn)系統(tǒng)。筆者從設(shè)備執(zhí)行層方面總結(jié)了基于掘支運一體化技術(shù)的智能快掘系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括掘錨(探)一體化、自動截割、智能支護、掘進導航、遠程集控、連續(xù)運輸、空間多維度同步支護等技術(shù)。

3.1 掘錨(探)一體化技術(shù)

掘錨一體化技術(shù)是為提升掘進效率和掘進作業(yè)安全水平而將掘進和錨桿支護功能集成在同臺設(shè)備上的技術(shù)，主要包括懸臂式掘進機機載錨桿鉆機(標準名稱“掘錨機”)和掘錨機組(標準名稱“掘錨一體機”)。掘錨機應(yīng)用于20世紀80年代，其將1～2臺鉆機布置于截割部或機身兩側(cè)，實現(xiàn)掘后即錨，其最小空頂距0.3 m，滿足較復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進全機械化作業(yè)要求，主要問題是掘支無法平行作業(yè)、鉆臂數(shù)量少、效率低;掘錨一體機20世紀90年代由現(xiàn)在的Sandvik公司研制，其通過主副機架相對滑動解決掘錨平行作業(yè)難題，機載多至6臺鉆機，最小空頂距2.5 m，主要問題是空頂(幫)距和接地比壓均較大，適應(yīng)范圍小。筆者團隊在分析和總結(jié)國外掘錨一體機優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研制了掘錨探一體機(圖12)，主要技術(shù)特點有:

(1)截割系統(tǒng)采用雙驅(qū)動高速合流重型截割減速器，截割功率達340 kW(進口機型270 kW)，截割采用限矩器、扭矩軸、電氣三重保護技術(shù)(進口機型僅電氣保護)，提高了截割能力。

(2)行走系統(tǒng)采用低比壓寬履帶+履帶交流變頻驅(qū)動(進口機型液壓馬達驅(qū)動)，過載能力強，接地比壓0.2 MPa(進口機型0.28 MPa)，提高了對偏軟底板的適應(yīng)性。

(3)錨桿鉆機根據(jù)圍巖條件存在2種配置。4臺頂錨鉆機采用橫向滑移式設(shè)計，滿足垂直支護要求，2臺幫錨鉆機采用大提升行程設(shè)計，滿足大范圍幫錨支護要求。

(4)前探式臨時支護，將臨時支護空頂距0.4 m(進口機型1.0 m)，提高對破碎頂板適應(yīng)性。

(5)集成超前鉆機。掘錨一體機因機身龐大，傳統(tǒng)坑道鉆機無法布置到掘進工作面施工，通常采用耳巷鉆孔施工方式，施工效率低，故將超前鉆機有效集成到掘錨一體機上，滿足鉆孔深度80～120 m的鉆探需求。

針對掘錨一體機空頂(幫)距大、適應(yīng)范圍小的問題，小松JOY研制的12ED15等系列掘錨一體機采用“犁式”鏟板、截割滾筒裝煤及“藏刀”支護作業(yè)的方式將空頂距降至1.4 m，但“藏刀”支護作業(yè)并不利于圍巖的穩(wěn)定;中國煤炭科工集團上海研究院研制的EJM2×200/2掘錨一體機[18]，采用雙臂鉆機折疊式可伸縮設(shè)計，滿足空頂距小于1個排距的巷道施工要求，采用雙截割臂內(nèi)擺設(shè)計以減小轉(zhuǎn)彎半徑，局限性是機載2臂鉆機無法滿足快速掘進要求;為此，筆者提出攻關(guān)軟弱圍巖巷道條件下掘錨探一體化技術(shù)，將頂/幫6組鉆臂通過滑移平臺前探至掘進工作面從而降低空頂距，設(shè)計有效防護頂棚和臨時支護，保障作業(yè)安全。

3.2 掘進導航技術(shù)

掘進導航技術(shù)主要解決3類問題:① 掘進定向。保證成型巷道在空間位置上滿足使用要求，保證綜采工作面的順利布置和高效開采;該問題需要將掘進系統(tǒng)的導航信息與三維動態(tài)地質(zhì)模型進行有效融合。② 掘進機定位。保證掘進機和成型巷道的相對位姿，為自動截割控制提供精確位姿信息，保證巷道成型質(zhì)量。③ 掘進系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)。保證掘進機與后配套設(shè)備自動跟機作業(yè)。

慣導系統(tǒng)采用自主航位推算方法，適用于煤礦井下封閉空間，但存在長航時累積誤差且無法自行修正的缺陷，為此，筆者團隊開發(fā)了慣導+里程計的組合導航系統(tǒng)(圖13)，通過里程計在設(shè)定時間標定慣導系統(tǒng)的初始位置，可提供設(shè)備航向角、爬坡角、底板橫向傾角3種導向參數(shù)，航向精度達0.25(°)/h，橫滾、俯仰精度0.05(°)/h。

3.3 自動截割技術(shù)

全寬截割技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)懸臂式掘進機截割效率低的難題，同時也降低了截割的自動化控制難度。懸臂式掘進機的自動截割屬智能定形截割問題，包括機身精確定位、截割軌跡路徑規(guī)劃、循跡跟蹤控制及斷面成形誤差分析與修正等，而掘錨一體機的自動截割控制則相對容易，其對機身定位精度要求較低，只需對掏槽油缸、截割升降油缸進行精確控制，即可實現(xiàn)升刀、掃頂、下切、掃底等工序全截割工序自動化。如圖14所示，掏槽位移通過位移傳感器測量，截割高度則通過安裝與截割臂回轉(zhuǎn)軸的編碼器測量。目前，掏槽位移的控制精度5 mm，滿足實際工程要求，而采高的測量是通過角度換算得到，受結(jié)構(gòu)加工偏差的影響，其控制精度50 mm，需要進一步采用截割油缸內(nèi)置位移傳感器的方式來提高采高控制精度。

自動截割技術(shù)不僅要完成截割作業(yè)的程序化控制，同時還需要在外界工況變化下及時調(diào)整截割參數(shù)，實現(xiàn)截割參數(shù)與環(huán)境、裝運系統(tǒng)動態(tài)自配準。為此，筆者及其團隊開發(fā)了掘錨一體機自動截割系統(tǒng)，其控制架構(gòu)如圖15所示。該控制系統(tǒng)的功能主要有截割動作與瓦斯含量聯(lián)動閉鎖、截割動作與截割齒輪箱溫度和流量的聯(lián)動閉鎖、截割速度與裝載、運輸電機溫度的自適應(yīng)控制、截割速度與截割電機的自適應(yīng)控制。

3.4 智能支護技術(shù)

智能支護技術(shù)是解決錨桿支護少人化、無人化的問題，主要技術(shù)難點有全流程自動化鉆架機械系統(tǒng)、鉆機軌跡跟蹤與定位找孔、樹脂錨護劑自動裝填、自動鋪網(wǎng)、自適應(yīng)鉆孔等。國外小松JOY公司研制的智能鉆機采用電液控技術(shù)，具有自適應(yīng)鉆孔、自動鉆孔循環(huán)、防失速等功能，Sandvik公司的鉆機具有構(gòu)建頂板巖層硬度地圖功能，J H Fletcher，Atlas等公司推出了全自動錨桿鉆車產(chǎn)品;國內(nèi)景隆重工推出了全自動兩臂頂錨桿鉆車[19]，采用錨固劑與錨桿組合式方案，具有適應(yīng)巷道高度高、對孔困難、成本高等問題;馬宏偉等[20]提出基于激光測距傳感器和激光雷達的組合傳感器定位方法，實現(xiàn)錨桿-鉆錨機器人-工作面3者的定位;康彥君[21]采用直接標定法獲得鉆臂末端運動學參數(shù)。筆者及其團隊開發(fā)了鉆機電液控制、錨索支護自動連續(xù)鉆孔[22]和全自動錨桿支護等成套智能支護技術(shù)，研制了全自動錨桿鉆車，如圖16所示。

全自動錨桿鉆車可自主完成錨桿支護全部工序。采用鉆/錨箱切換+鏈式錨桿倉的智能錨護模塊實現(xiàn)鉆孔、安裝錨桿的全自動化，基于轉(zhuǎn)矩傳感器測量可以實現(xiàn)鉆箱旋轉(zhuǎn)速度、鉆進速度和推進力參數(shù)自適應(yīng)功能，使鉆機工作參數(shù)達到最優(yōu)匹配，在鉆頭磨損量最小的前提下取得最佳的鉆孔速度，采用分段線性回歸法和不確定區(qū)間算法解決鉆臂定位誤差補償問題[23-24]，采用氣動裝填技術(shù)實現(xiàn)錨固劑的自動裝填，設(shè)計了自動鋪網(wǎng)裝置將錨網(wǎng)自動安裝至頂板和兩幫。

針對掘錨一體機上集成智能鉆機的問題，受掘錨一體機的空間限制，目前尚未有較理想的解決方法，需要在智能鉆機小型化、工藝簡化、錨固質(zhì)量自檢驗等技術(shù)方面進一步研究。

3.5 遠程集控技術(shù)

遠程集控技術(shù)是解決地面和井下遠程集控中心對掘進工作面人-機-環(huán)協(xié)同、自主管控問題，實現(xiàn)多機協(xié)同控制、設(shè)備狀態(tài)可視監(jiān)控與健康診斷、環(huán)境智能檢測、主動安全防護、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理、供配電等功能。筆者及其團隊開發(fā)了基于掘支運一體化智能掘進技術(shù)的遠程集控系統(tǒng)，具有回采巷道和地面調(diào)度室2種集控方式，其架構(gòu)如圖17所示。

(1)多機協(xié)同控制系統(tǒng)。掘進作業(yè)系統(tǒng)各作業(yè)單元在空間上各自獨立、作業(yè)數(shù)量相對較少，只需解決系統(tǒng)的自動跟機、煤流啟停、一鍵啟停等基本問題。系統(tǒng)采用超限處理、區(qū)間警報、設(shè)備姿態(tài)調(diào)整、區(qū)間停車等多種控制方式，實現(xiàn)系統(tǒng)自調(diào)試性、自組織性和自穩(wěn)定性。在自動跟機方面，錨桿轉(zhuǎn)載機安裝測距傳感器和導航系統(tǒng)，來實時判斷和調(diào)整2者的相對位姿，保證錨桿轉(zhuǎn)載機能夠有效受料和沿巷道中心行走，邁步式自移機尾首尾兩側(cè)安裝測距傳感器(實現(xiàn)有效行走調(diào)偏)，并安裝碰撞開關(guān)檢測其與帶式轉(zhuǎn)載機的相對位置，從而確定其行走路程?；谶\輸協(xié)同控制技術(shù)實現(xiàn)回采巷道所有運輸設(shè)備的逆煤流啟動、順煤流停車等功能。

(2)供配電與可靠通信。采用多回路組合開關(guān)對設(shè)備進行統(tǒng)一管理。針對系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)量大、無法信息互通的難題，基于無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)建工作面4G無線局域網(wǎng)，通過中繼器解決由遮擋造成的信號衰減問題，通過設(shè)備現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)+工作面無線局域網(wǎng)+礦山工業(yè)以太網(wǎng)的方式，實現(xiàn)掘進工作面數(shù)據(jù)交互、上傳;因5G等技術(shù)尚存在局限性，地面調(diào)度室主要實現(xiàn)的是監(jiān)控和一鍵啟停功能，尚未對裝備和系統(tǒng)進行實時控制。

(3)設(shè)備狀態(tài)可視監(jiān)控與健康診斷。建立多模式感知的遠程集中數(shù)字控制平臺，基于WINCE嵌入式軟件、分布式實時數(shù)據(jù)庫和MACS-SCADA工控組態(tài)軟件等技術(shù)實現(xiàn)遠程可視監(jiān)控、故障在線可視化診斷、設(shè)備維護預(yù)警、信息共享與多點訪問等功能;基于視頻拼接、圖像識別、全景成像、高清防塵攝像等技術(shù)實現(xiàn)工作面的視頻采集和處理;基于數(shù)字孿生技術(shù)，創(chuàng)建成套裝備的虛擬模型，將采集的工作面的動作數(shù)據(jù)通過虛擬模型同步在線展示。

(4)主動安全防護。將掘錨一體機工作區(qū)域劃分為危險、停機和安全3種區(qū)域，采用UWB測距+紅外熱成像目標識別融合技術(shù)[25]，實現(xiàn)危險區(qū)域人員接近識別、報警或停機，實現(xiàn)人員雙重保護，同時具有設(shè)備主動避害、雙向報警、特殊人員管理、速度補償?shù)裙δ堋?

4 智能掘進模式及工程實踐

我國煤礦巷道煤層賦存條件的復(fù)雜性決定了掘進技術(shù)及裝備的多樣性，因此，智能掘進要不斷擴大智能掘進核心技術(shù)支撐的覆蓋面，同時要總結(jié)、優(yōu)化智能掘進模式，并在工程實踐中不斷完善。為此，筆者及其團隊針對不同掘進設(shè)備，提出了掘支運一體化、全斷面掘進機、雙錨掘進機及5G+連續(xù)采煤機4種智能掘進模式，在國能、中煤、山能、陜煤等集團得到推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟效益。

4.1 掘支運一體化智能掘進模式

我國已建成年產(chǎn)120萬t以上大型現(xiàn)代化煤礦1 200處以上，產(chǎn)量占全國的80%左右[2]，這些煤礦對采掘接續(xù)要求迫切，同時在資金、人才及智能化建設(shè)基礎(chǔ)方面均具有一定的優(yōu)勢。因此，針對截寬5 m以上、空頂距0.5 m以上、空幫距1.0 m以上的煤巷掘進，應(yīng)優(yōu)先選用掘支運一體化智能掘進模式。該模式是以掘錨一體機為核心、以多維度同步支護等技術(shù)為支撐，配套錨桿轉(zhuǎn)載機、跨騎式錨桿鉆車、柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)、自移機尾等設(shè)備組成的智能掘進系統(tǒng)，共4種適應(yīng)不同圍巖條件下的配套方式，見表1。

(1)配套方式1:主要應(yīng)用于神東等礦區(qū)的穩(wěn)定圍巖條件(半堅硬—堅硬頂?shù)装?，如圖18所示，掘錨一體機截割落煤，煤巖經(jīng)破碎轉(zhuǎn)載機緩沖、破碎后，通過下穿于跨騎式錨桿鉆車的柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)出料，柔性搭接系統(tǒng)搭接100 m，滿足月進尺2 500 m的搭接要求;跨騎式錨桿鉆車機載多臂鉆機進行錨桿支護，實現(xiàn)掘支完全獨立;跨騎式錨桿鉆車集成集控中心功能，實現(xiàn)自動截割、可視化監(jiān)控、流程起停等功能[13]。

(2)配套方式2:主要應(yīng)用于榆林大部、鄂爾多斯北部等地區(qū)的中等穩(wěn)定圍巖條件(半堅硬頂?shù)装?，采用掘錨一體機和錨桿轉(zhuǎn)載機進行平行支護，錨桿轉(zhuǎn)載機兼作轉(zhuǎn)載單元，柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)搭接50 m左右，滿足月進尺1 500 m的搭接要求;集控中心安裝于柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)后部，具有多機協(xié)同控制、可視化監(jiān)控等功能。

(3)配套方式3:主要應(yīng)用于中等復(fù)雜圍巖條件(軟弱—半堅硬頂?shù)装?。與配套方式2相比，可采用橋式轉(zhuǎn)載機+自移機尾+自延伸托輥系統(tǒng)替換原有的柔性連續(xù)運輸系統(tǒng)，搭接25 m左右，滿足月進尺700 m的搭接要求，自移機尾后部集成纜線存儲、材料暫存等裝置，并安裝集控中心。

(4)配套方式4:主要應(yīng)用于復(fù)雜圍巖條件(軟弱頂?shù)装?。與配套方式3相比，掘錨一體機需要采用小空頂、小空幫距設(shè)計。

典型應(yīng)用:2020年，針對黃陵二號煤礦屬中等復(fù)雜地質(zhì)條件，在充分論證水、瓦斯、油型氣、油氣井等7害俱全的施工條件基礎(chǔ)上，研發(fā)了快速掘進地面遠程控制系統(tǒng)(圖19)，應(yīng)用集群設(shè)備多信息融合網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，實現(xiàn)遠程割煤、煤巖運輸、錨索支護自動連續(xù)鉆孔的一鍵啟停、設(shè)備運行參數(shù)的遠程實時監(jiān)測等功能，工作面共5人作業(yè)(錨桿支護5人)，掘進工效提高2倍。

4.2 全斷面掘進機智能掘進模式

針對斜井、平硐、瓦斯抽放巷等巖巷掘進，應(yīng)優(yōu)先選用全斷面掘進機智能掘進模式。全斷面掘進機集截割、支護、出渣、除塵等功能于一體，具有低擾動、成型好、高效率(主要指硬巖截割效率)、高安全性等優(yōu)勢，同時也有進轉(zhuǎn)場時間長(安裝、拆除工期2.5個月)、地質(zhì)條件變化適應(yīng)性差、支護效率低、轉(zhuǎn)彎半徑大(不能聯(lián)巷轉(zhuǎn)彎掘進)等缺陷，故要求施工巷道長度長(3 km以上)、緩傾斜(坡度8°以內(nèi))、揭煤少、圍巖穩(wěn)定(軟巖易卡機)等，其配套方式主要有3種，見表2。

與工程隧道掘進相比，煤礦巷道全斷面掘進一般采用錨網(wǎng)噴支護來替換傳統(tǒng)的管片施工，要求掘進機集成支護鉆機。針對傳統(tǒng)礦用TBM采用圓形巷道斷面利用低、兩幫穩(wěn)定性差和支護難度大等問題，中煤科工集團上海研究院在頂管技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了MJJ3800×5800全斷面護盾式矩形掘進機(圖20)，整機質(zhì)量320 t，裝機功率2 807 kW，采用鎬型和刀型截齒、5組刀盤實現(xiàn)全斷面切割，并通過刀盤運動實現(xiàn)可變異形截割(拱形、梯形)，機載4組頂錨鉆機實現(xiàn)掘錨平行作業(yè);同時，Sandvik、Prairie、北方重工等公司研制了全斷面敞開式矩形掘進機，主要采用2組或多組刀盤+上下頂?shù)装鍧L筒進行全斷面截割，巷道形狀為雙腰矩形。

全斷面掘進機智能掘進技術(shù)主要有巖體感知、煤巖界面識別、智能截割、智能導向、智能支護、故障診斷等[26]。巖體感知采用激發(fā)極化、破巖震源等超前地質(zhì)探測方法;煤巖界面識別技術(shù)是融合巖渣圖像視覺識別、電-液傳感數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實現(xiàn)對煤巖分界面的預(yù)知預(yù)判;智能截割是以獲取最佳粒度值、最佳比能耗、減少滾刀消耗、換刀時間及換刀頻率為目標，基于煤巖界面預(yù)測結(jié)果對推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速及貫入度等自適應(yīng)調(diào)整;智能導向采用慣性導航及激光雷達融合技術(shù)，對全斷面掘進機的行走位置及三維姿態(tài)進行實時監(jiān)測及動態(tài)調(diào)整，滿足精準導向需要;針對管片支護難以適應(yīng)煤礦巷道支護的問題，創(chuàng)新集成機載錨桿鉆機，實現(xiàn)空間大斷面實時錨桿支護要求;研制基于大數(shù)據(jù)信息的TBM云平臺，實現(xiàn)多源傳感器信息感知、傳輸、融合及智能決策等功能，以及全斷面掘進機智能故障診斷，實時顯示卡機等故障狀態(tài)預(yù)警信息。

典型應(yīng)用:2020年，MJJ3800×5800全斷面矩形掘進機在神東煤炭集團哈拉溝煤礦22524運輸巷投入使用，累計掘進超900 m，實現(xiàn)6 h截割落差5.1 m、長30 m斷層的破巖紀錄。

4.3 雙錨掘進機智能掘進模式

我國年產(chǎn)30萬t以下的小煤礦1 000處左右，這些煤礦地質(zhì)條件較差、智能化基礎(chǔ)薄弱。針對此類煤礦的智能快速掘進，應(yīng)優(yōu)先選用雙錨掘進機智能掘進模式。該模式適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下煤、半煤巖和巖巷掘進(空頂(幫)距0.3 m)，采用雙錨掘進機+錨桿轉(zhuǎn)載機+橋式轉(zhuǎn)載機+自移機尾+集控中心的配套方式，錨桿支護選用雙錨掘進機+錨桿轉(zhuǎn)載機平行支護方式，雙錨掘進機機載2組鉆機和臨時支護，實現(xiàn)部分頂幫支護;錨桿轉(zhuǎn)載機對剩余錨桿補支護(圖21)。

雙錨掘進機智能掘進技術(shù)主要包括斷面自動成形、自適應(yīng)截割、遠程集控等[27]。斷面自動成形技術(shù)通過實時在線采集、監(jiān)測掘進機位姿信息，解算截割頭運動狀態(tài)參數(shù)，規(guī)劃截割頭運動軌跡，控制截割機構(gòu)動作，自動完成一個截割循環(huán)。實現(xiàn)斷面自動成型;自適應(yīng)截割技術(shù)通過振動、電機電流等參數(shù)的提取和處理，控制截割電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電機輸出轉(zhuǎn)速與巖石硬度的自適應(yīng)匹配;遠程集控技術(shù)通過在工作面后方建立遠程操作站，實現(xiàn)掘進機超視距遠程監(jiān)控。

典型應(yīng)用:中煤新集劉莊煤礦煤層平均厚度3.54 m，平均傾角14°，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，直接底為泥巖，較致密，性脆。雙錨掘進機智能掘進系統(tǒng)在該礦應(yīng)用累計進尺925 m，臨時支護效率提高25%，錨索支護效率提高30%，單日進尺23 m，月最高進尺506 m，掘進效率提高1倍以上(原月進尺約240 m)，刷新該礦單日單面掘進進尺紀錄。

4.4 5G+連續(xù)采煤機智能連掘模式

我國陜北礦區(qū)因巷道圍巖條件穩(wěn)定或中等穩(wěn)定(空頂距大于6 m)，多采用雙(多)巷道施工工藝[28]，該工藝的特點是存在2個逃生出口，安全性好，同時采用連續(xù)采煤機雙巷掘進工藝，掘進效率高。筆者及其團隊基于5G通信技術(shù)，對連續(xù)采煤機、梭車等裝備進行自動化、智能化提升，突破了連續(xù)采煤機遠控割煤、梭車自主駕駛、破碎機自動啟停等關(guān)鍵技術(shù)，形成了5G+連續(xù)采煤機智能連掘模式。

(1)連續(xù)采煤機遠控割煤。如圖22所示，連續(xù)采煤機成巷分切槽和采垛工序，為保證連續(xù)采煤機正確調(diào)動入位，連續(xù)采煤機兩側(cè)各安裝2組激光測距傳感器，實時采集并計算連續(xù)采煤機與兩幫的夾角和距離;通過慣性導航系統(tǒng)實現(xiàn)掘進定向;截割臂和運輸機尾回轉(zhuǎn)中心均安裝角度傳感器，實時檢測采高和運輸機擺動角度;通過角度傳感并安裝360°云臺攝像儀實時監(jiān)測截割和運煤過程。

(2)梭車自主駕駛。該技術(shù)包括梭車自主行走和自主卸料泊位、自主裝料泊位3部分。梭車自主行走是通過激光掃描和UWB定位融合測距技術(shù)實施巷道路徑跟蹤，保證梭車外廓點與巷道側(cè)壁及巷道內(nèi)障礙物的距離保持相對穩(wěn)定，從而實現(xiàn)梭車按巷道中心直線行走，當梭車進行聯(lián)巷轉(zhuǎn)彎時，在轉(zhuǎn)彎點安裝轉(zhuǎn)向定位標簽，實現(xiàn)按目標轉(zhuǎn)彎;梭車自主卸料泊位通過在破碎機安裝自主泊位標簽，通過毫米波雷達判斷是否進入卸料泊車位;梭車自主裝料泊位需要已知連續(xù)采煤機的位置，并在連續(xù)采煤機安裝定位標識卡，一般設(shè)計梭車泊位處于巷道中心，連續(xù)采煤機擺動機尾卸料，當梭車與連采機距離小于10 m時，梭車控制進入裝料泊位程序，通過降低車速、超聲雷達精確微調(diào)進入泊位。

(3)破碎機自動啟停。當梭車進入自主卸料泊位時，破碎機和可伸縮膠帶機自動啟動，當梭車遠離泊位時，破碎機結(jié)合負載電流情況，適時停機。

典型應(yīng)用:2020年，5G+連續(xù)采煤機智能連掘在陜西紅柳林礦應(yīng)用，利用低延時、低功耗、高速率、大帶寬的5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)紅柳林礦地面集控中心、井下工作面連采機及太原遠程控制中心的3方實時、高清視頻通話互動交流，可實現(xiàn)地面集控中心對連續(xù)采煤機遠程割煤、破碎機自動啟停等功能。

5 展 望

(1)井下空間定位導航新技術(shù)。慣性導航技術(shù)在井下成熟應(yīng)用仍存在一定難度，研究將地面位置信息以無偏差的方式引入井下封閉空間，建立基本坐標系中的定位基站，并研究基于基本坐標與井下定位基站的定向?qū)Ш剿惴?，從而建立井下定位導航新的技術(shù)體系。

(2)支護效果動態(tài)監(jiān)測與支護工藝精確調(diào)整。掘支運一體化智能快掘需要完善不同巷道支護工藝調(diào)整的科學依據(jù)。一方面，采集、整理分析用戶巷道支護資料，形成樣本庫，為同等地質(zhì)條件提供借鑒;另一方面，研究隨鉆測量技術(shù)，在線、實時、連續(xù)監(jiān)測頂板狀態(tài)，實現(xiàn)支護工藝參數(shù)實時優(yōu)化。

(3)掘錨一體機器人。研究掘進工作面掘、支、錨、運工序全部機器人技術(shù)，實現(xiàn)掘進工作面無人操作，少人巡視?？紤]非結(jié)構(gòu)環(huán)境因素，應(yīng)盡可能研究邊緣端智能傳感器、元器件，實現(xiàn)就地感知和決策。

(4)掘進工作面高精度智能感知與數(shù)字孿生。研究基于4DGIS的巷道結(jié)構(gòu)信息數(shù)字化技術(shù)、巷道頂?shù)装甯呔戎悄芨兄R別技術(shù)、低可視空間多模態(tài)主動感知技術(shù)、實現(xiàn)環(huán)境系統(tǒng)的數(shù)字化描述、掘進機器人本體的數(shù)字化模型表征。

(5)掘進系統(tǒng)平臺化。掘進系統(tǒng)發(fā)展為井下綜合平臺，按需集成各類智能探測模塊，掘進過程同步采集工作面地理坐標、煤層狀態(tài)、瓦斯含量、地質(zhì)水文等數(shù)據(jù)。兩巷及開切眼完成后，全部數(shù)據(jù)匯總至綜采工作面地理信息系統(tǒng)，細化透明工作面模型，保障智能綜采精確運行，成為煤炭開采真正意義上的先行者。

參考文獻（References）:

[1] 王虹,王建利,張小峰.掘錨一體化高效掘進理論與技術(shù)[J].煤炭學報，2020,45(6):2021-2030.

WANG Hong,WANG Jianli,ZHANG Xiaofeng.Theory and technology of efficient roadway advance with driving and bolting integration[J].Journal of China Coal Society,2020,45(6):2021-2030.

[2] 中國煤炭工業(yè)協(xié)會.2020年煤炭行業(yè)發(fā)展報告[R].北京:中國煤炭工業(yè)協(xié)會，2021.

China National Coal Association.2020 coal industry development report[R].Beijing:China National Coal Association,2021.

[3] 王國法,王虹,任懷偉,等.智慧煤礦2025情景目標和發(fā)展路徑[J].煤炭學報,2018,43(2):295-305.

WANG Guofa,WANG Hong,REN Huaiwei,et al.2025 scenarios and development path of intelligent coal mine[J].Journal of China Coal Society,2018,43(2):295-305.

[4] 王國法,徐亞軍,張金虎,等.煤礦智能化開采新進展[J].煤炭科學技術(shù),2021,49(1):1-10.

WANG Guofa,XU Yajun,ZHANG Jinhu,et al.New development of intelligent mining in coal mines[J].Coal Science and Technology,2021,49(1):1-10.

[5] 王劍,劉備戰(zhàn),雷亞軍,等.曹家灘煤礦智能快速掘錨成套裝備應(yīng)用[J].陜西煤炭,2021,40(1):1-3,40.

WANG Jian,LIU Beizhan,LEI Yajun,et al.Application of complete equipment for intelligent rapid excavation and anchoring in Caojiatan coal mine[J].Shaanxi Coal,2021,40(1):1-3,40.

[6] 易瑞強.黃陵二號煤礦快速掘進系統(tǒng)的應(yīng)用[J].陜西煤炭,2020,39(5):120-123.

YI Ruiqiang.Application of rapid tunneling system in Huangling No.2 coal mine[J].Shaanxi Coal,2020,39(5):120-123.

[7] 馬宏偉,王世斌,毛清華,等.煤礦巷道智能掘進關(guān)鍵共性技術(shù)[J].煤炭學報,2021,46(1):310-320.

MA Hongwei,WANG Shibin,MAO Qinghua,et al.Key common technology of intelligent heading in coal mine roadway[J].Journal of China Coal Society,2021,46(1):310-320.

[8] 吳淼,李瑞,王鵬江,等.基于數(shù)字孿生的綜掘巷道并行工藝技術(shù)初步研究[J].煤炭學報,2020,45(S1):506-513.

WU Miao,LI Rui,WANG Pengjiang,et al.Preliminary study on parallel technology of fully mechanized roadway based on digital twin[J].Journal of China Coal Society,2020,45(S1):506-513.

[9] 王虹.我國綜合機械化掘進技術(shù)發(fā)展40 a[J].煤炭學報,2010,35(11):1815-1820.

WANG Hong.The 40 years developmental review of the fully mechanized mine roadway heading technology in China[J].Journal of China Coal Society,2010,35(11):1815-1820.

[10] KANG Hongpu.Support technologies for deep and complex roadways in underground coal mines:A review[J].International Journal of Coal Science & Technology,2014,1(3):261-277.

[11] 彭蘇萍.我國煤礦安全高效開采地質(zhì)保障系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及展望[J].煤炭學報,2020,45(7):2331-2345.

PENG Suping.Current status and prospects of research on geological assurance system for coal mine safe and high efficient mining[J].Journal of China Coal Society,2020,45(7):2331-2345.

[12] 王維琴.巖巷掘進機截割巖石動載荷識別技術(shù)的研究[D].太原:太原理工大學,2013.

WANG Weiqin.Research on dynamic load identification technology of Rock Roadheader Cutting[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2013.

[13] 王步康.煤礦巷道掘進技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀及趨勢分析[J].煤炭科學技術(shù),2020,48(11):1-11.

WANG Bukang.Analysis of the present situation and trend of the technology and equipment of coal mine roadway excavation[J].Coal Science and Technology,2020,48(11):1-11.

[14] 李洪盛,劉送永,郭楚文.自振脈沖射流預(yù)制裂隙對機械刀具破巖過程溫度影響特性[J].煤炭學報,2021,46(7):2136-2145.

LI Hongsheng,LIU Songyong,GUO Chuwen.Effect of precacing produced by self-oscillating pulsed jet on the temperature of conical pick during rock breaking processes[J].Journal of China Coal Society,2021,46(7):2136-2145.

[15] 王虹.掘進機內(nèi)噴霧新型旋轉(zhuǎn)水封的研制[J].煤炭科學技術(shù),1998,26(6):10-13.

WANG Hong.Research and development on new rotary water seal of internal spraying system of mine roadheader[J].Coal Science and Technology,1998,26(6):10-13.

[16] 荔軍.基于附壁風筒的綜掘工作面除塵技術(shù)研究進展[J].煤炭科學技術(shù),2020,48(11):52-59.

LI Jun.Research progress on dust removal technology of fully mechanized mining face based on wall attached air duct[J].Coal Science and Technology,2020,48(11):52-59.

[17] REED W R,SHAHAN M,KLIMA S,et al.Field study results of a 3rd generation roof bolter canopy air curtain for respirable coal mine dust control[J].International Journal of Coal Science & Technology,2020,7(1):79-87.

[18] 郭強.雙臂截割機構(gòu)掘錨一體機[J].煤礦機械,2021,42(2):106-107.

GUO Qiang.Digging and anchoring integrated machine with double arm cutting mechanism[J].Coal Mine Machinery,2021,42(2):106-107.

[19] 賀安民，武利民，杜善周，等.煤礦全自動兩臂頂錨桿鉆車研制[J].煤炭科學技術(shù),2019,47(S2):165-169.

HE Anmin,WU Limin,DU Shanzhou,et al.Development of fully automatic two arm top bolt drilling car in coal mine[J].Coal Science and Technology,2019,47(S2):165-169.

[20] 馬宏偉，姚陽，薛旭升，等.基于多傳感器組合的鉆錨機器人機身定位方法研究[J].煤炭科學技術(shù),2021,49(1):278-285.

MA Hongwei,YAO Yang,XUE Xusheng,et al.Research on body positioning method of anchor drilling robot based on multi sensor combination[J].Coal Science and Technology,2021,49(1):278-285.

[21] 康彥君.隧道作業(yè)臺車機械臂末端定位精度及標定研究[J].隧道建設(shè),2020,40(1):120-125.

KANG Yanjun.Research on positioning accuracy and calibration of working jumbo boom ends in tunnel operation[J].Tunnel Construction,2020,40(1):120-125.

[22] 張彥祿,王步康,張小峰,等.我國連續(xù)采煤機短壁機械化開采技術(shù)發(fā)展40 a與展望[J].煤炭學報,2021,46(1):86-99.

ZHANG Yanlu,WANG Bukang,ZHANG Xiaofeng,et al.40 years development and prospect of short wall mechanized mining technology of continuous miner in China[J].Journal of China Coal Society,2021,46(1):86-99.

[23] 賈運紅,王振翀,焦曉峰.基于分段線性回歸的煤機裝備機載操作臂定位誤差補償方法[J].礦業(yè)科學學報,2020,5(6):655-661.

JIA Yunhong,WANG Zhenchong,JIAO Xiaofeng.Positioning error compensation method of coal machine equipment airborne operation based on piecewise linear regression[J].Journal of Mining Science and Technology,2020,5(6):655-661.

[24] 張君,李玉貴.含不確定性參數(shù)的錨桿鉆機機械臂運動學誤差分析[J].煤炭學報,2019,44(10):3223-3232.

ZHANG Jun,LI Yugui.Kinematic error analysis of mine bolter manipulator with uncertain parameters[J].Journal of China Coal Society,2019,44(10):3223-3232.

[25] 杜春暉.基于多技術(shù)融合的煤礦井下采掘運輸設(shè)備防碰撞系統(tǒng)[J].煤炭學報,2020,45(S2):1060-1068.

DU Chunhui.Anti collision system of mining and transportation equipment incoal mine based on multi technology integration[J].Journal of China Coal Society,2020,45(S2):1060-1068.

[26] 王杜娟,賀飛,王勇,等.煤礦巖巷全斷面掘進機(TBM)及智能化關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭學報,2020,45(6):2031-2044.

WANG Dujuan,HE Fei,WANG Yong,et al.Tunnle boring machine (TBM) in coal mine and its intelligent key technology[J].Journal of China Coal Society,2020,45(6):2031-2044.

[27] 高旭彬.綜掘工作面遠程可視化控制關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭科學技術(shù),2019,47(6):17-22.

GAO Xubin.Research on key technology of remote visual control in fully mechanized mining face[J].Coal Science and Technology,2019,47(6):17-22.

[28] 王家臣,PENG Syd S,李楊.美國煤炭地下開采與自動化技術(shù)進展[J].煤炭學報,2021,46(1):36-45.

來源：煤炭學報