煤炭智能掘进技术突破的“三板斧”

日前，由陕西陕煤榆北煤业有限公司和中国矿业大学智能快掘团队、中国铁建重工股份有限公司、西安煤矿机械有限公司等单位共同研发的煤矿智能掘进装备与技术，实现了智能装备研发、控制机理创新、施工组织优化三大突破，将我国煤矿智能化快速掘进推上了新台阶，为我国智能掘进技术机械化、自动化，逐步向智能化迈进打下了基础。

在实现煤矿智能掘进技术三大突破的过程中研发团队是如何攻坚克难的呢？

现状：亟需解决智能掘进难题

煤炭资源是我国重要的基础能源之一，长期以来，煤炭产业在我国社会发展中扮演着重要的角色。除了大家都知道的煤炭用于发电以外，煤炭在冶金、化工、建材行业的作用也是其他材料所不能替代的。随着经济社会的不断发展，我国对煤炭资源的需求量也在不断增大。

由于煤矿资源的分布不同，有的煤矿资源埋得不深，露天就可以进行开采，有的煤矿埋藏较深，只能进行深井作业，开采较为困难，而深层采矿工作往往面临着高地应力和复杂地质条件的挑战，这些新问题导致了巨大的变形以及围岩和巷道的破坏，严重威胁矿工的安全并限制了煤炭生产的产能。

随着市场对煤炭需求量的日益增长，近年来采煤装备机械化程度及技术水平不断得到提高，煤矿采煤效率大幅度提升，为保证正常生产的运输、通风及行人安全，这就要求更多的巷道、更大断面。

长期以来，存在于煤炭生产企业“重采煤、轻掘进”的传统思想，导致掘进装备远落后于采煤等系统的智能化水平，成为智慧矿山建设的“卡脖子”工程。

巷道掘进工作是煤矿安全生产的核心环节。目前，我国煤巷智能快速掘进技术发展存在装备、机理及工艺三个方面的问题：首先，现有快速掘进关键装备自动化程度低、系统不协调、无法实现掘支同步，对地质条件的适应性差，不能保证本质安全，从设计理念、研发及现场应用仍需大量探索。其次，快速掘进技术显著的改变了围岩应力、位移时空演化规律，现有围岩控制理论与快掘技术不匹配，无法充分发挥装备效能。此外，施工工艺及劳动组织仍未解决“掘支平衡、掘支平行”难题，无法实现人机协同、机环协同。这些仍是制约煤巷智能快速掘进技术的瓶颈难题，需要进一步的探索。谈起当前我们煤炭企业快速掘进技术发展的现状，中国矿业大学矿业工程学院许兴亮教授如是说。

为解决这一现状，陕西陕煤榆北煤业有限公司联合中国矿业大学智能快掘团队，组织开展了“榆北大断面煤炭快速掘进技术研究”。

攻关：团队齐心协力攻克难题

面对煤矿井下恶劣环境，发展巷道智能化快速掘进技术成为提高煤矿开采效率、解决采掘失调及减少安全生产隐患的一个方向。

国家煤矿安全监察局曾在2019年发布的《煤矿机器人重点研发目录》中对应用到煤矿资源开采的机器人提出，掘进机器人首先要具备一定的自主决策能力，精准导向、多参数感知、自适应截割、自动支护、连续运输、状态监测与故障预判、高效除尘、紧跟迎头，掘支平行，快速成巷。这样施工人员可以精准定位掘进机器，同时也可实现对掘进环境进行实时监测。

中国矿业大学智能快掘团队结合曹家滩煤矿的具体情况，联合现场科技人员进行了艰苦卓绝、不分日夜地测试研究。团队以实现大断面煤巷的优质高效掘进、解决设备以及技术瓶颈为目标，运用现代信息技术手段，将社会发展成果充分融入煤矿智能掘进建设，提出“减量提效、减密加长、结构自稳、空区保障、变形均化、强度阻断”的围岩控制对策、“关键强化、整体协调”的装备优化方法、“突破瓶颈、科学管理”的施工组织优化思路。

为此，项目研发团队长期全程跟踪装备运行情况，发现问题、解决问题，共对智能快掘系统进行了十大类207项改造，全方位优化了该套设备性能，“人机匹配度”进一步提升。团队管理人员还大胆创新，多方面、多节点、全工位地对区队进行科学管理，在实现快掘目标的同时，总结形成了一套极具特色的“六型六化”管理体系，为全国范围内快掘技术的推广提供了教科书式的管理指导。

千人同心，则得千人之力；万人异心，则无一人之用。在项目进展过程中，虽然面临各种各样的困难，但经过团队成员齐心协力，共同奋战，从2019年到2020年，经过两年时间，最终形成了榆北大断面煤巷快掘进技术体系，为千万吨特大型矿井大断面煤巷快掘进提供技术保障，首次实现了全国快速掘进条件下的掘支平行、一次成巷，避免了传统掘进的大面积空顶作业，实现巷道掘进本质安全。

陕西陕煤曹家滩矿业有限公司董事长雷亚军骄傲地说：“现在我们矿井大断面煤巷掘进取得了单班进尺51米、单日进尺101米、单月进尺2020米的骄人成绩，从以前每班25人减少至现在7人，不仅解决了前期采掘失衡的难题，让矿井生产接续安排游刃有余，而且生产实现了‘少人、无人’的转变。”

未来：虽有成果但仍需再突破

风正潮平，自当扬帆破浪；任重道远，更须奋鞭策马。虽然煤巷智能快速掘进技术得到了突破，解决了亟待攻克的难题，但面对井下复杂的环境，煤巷智能快速掘进之路仍是崎岖不平的，是充满挑战的，有无数的难题等着研究团队去攻克。

项目研究专家表示，智能化正在重新定义煤炭产业，未来，我们将不负使命，持续创新，在智能快掘的探索和应用中，以无人或少人为目标，深化“两化融合”，加快“产学研用”深度融合，持续加大智能快掘关键技术攻坚，让智能快掘技术再升级。

煤矿智能化建设的浪潮正在兴起，智能快掘研究团队将不忘初心、勇担重任，为煤炭行业高质量发展贡献力量，为煤炭行业科技创新再做新贡献。

对此，科研团队认为要做好以下几点：首先，需要在现有掘进技术的基础上结合我国煤矿基本国情，研制出适合我国煤矿使用的快掘装备，实现快掘装备的运行稳定性、关键部件的可靠性及整体装备智能化水平大幅提升。其次，快掘装备技术正处于高速发展期，新装备、新技术不断涌现，新的支护材料、新的适应掘锚装备的支护工艺需作进一步研究。再次，施工组织优化中人员占据了主导作用，但施工人员的经验及习惯大部分仍处于传统工艺中，需要对施工人员的职业素质进一步提升。最后，我们应当依据实际情况，提出相应的快速掘进标准，建立符合我国国情的快速掘进标准作业体系，加快推进煤炭行业智能化掘进技术规范化。