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一 煤矿快速掘进技术 目前，国内外普遍使用的快速掘进技术主要包括悬臂式掘进机综掘技术、连续采煤机掘进技术和掘锚一体化掘进技术3种。 1、悬臂式掘进机综掘技术 我国和欧洲许多国家的煤矿多采用悬臂式掘进机综掘技术进行巷道掘进。由于悬臂式掘进机的机身灵活，使其截割方式能够适应全煤、全岩、半煤岩条件下的巷道掘进。但悬臂式掘进机综掘技术仅能“前掘后锚”，掘进与支护的过程不能同时进行，降低了掘进效率，另外，煤矿赋存条件复杂性也在一定程度上限制了综掘作业的速度。 针对掘进、支护和打设锚杆所需时间的不平衡问题，需从提高该技术下支护与打设锚杆速度及截割效率方面进行研究。除了现场试验，研究手段还包括理论分析，但就目前的研究成果来看，采用力学分析方法比较普遍，尚未有针对掘进机截割头的截割速度与时间系统化计算的研究（如对不同截割路径下截割时间的计算）。在悬臂式掘进机综掘技术的智能化和无人化研究中，学者们仅构建了理论体系，研究仅停留在理论层面，所得成果也只是使综掘无人化成为一种可能，而在普及化的道路上仍有很长的一段路要走。 2、连续采煤机掘进技术 美国、德国、英国等国家的煤矿多采用连续采煤机掘进技术进行巷道掘进。连续采煤机掘进技术虽极大地提高了掘巷效率，缓解了采掘工作交替紧张的问题，但该技术仅可在近水平煤层条件下进行，且对顶板的稳定程度也有一定要求，同时，由于连续采煤机与锚杆钻车需要频繁交换位置进行作业，所以所掘的 2 条或多条巷道之间需间隔一定距离设置联络巷。 连续采煤机掘进技术较悬臂式掘进机掘进技术的掘进速度更快，但适用性不强，因此该技术在我国没有得到广泛应用，掘进工作面各种突发情况也阻碍了连续采煤机掘进技术的推广，更加限制了我国学者对该技术的研究。 3、掘锚一体化掘进技术 澳大利亚煤矿多采用掘锚一体化掘进技术进行巷道掘进。掘锚一体化掘进技术融合了悬臂式掘进机综掘技术与连续采煤机掘进技术的优点，将掘进设备与支护设备融于一体，可做到掘锚平行作业，实现了“边掘边锚”，能够极大地提高掘巷效率。但该技术仅适用于巷道断面大的单巷快速掘进，所用到的掘锚一体机机身大且价格昂贵，并对所掘巷道的底板稳定性有一定的要求。 相比连续采煤机掘进技术，掘锚一体化掘进技术在我国有较好的应用前景，但复杂地质条件的限制、新设备的引入和各种不确定影响因素都可能会滞缓煤矿巷道掘进进程，因此研究适合我国煤矿的掘锚一体化技术及掘进工艺方案等对煤矿巷道快速掘进有着重要意义。 二 煤矿巷道机器人化智能掘进 自 2019 年 1 月国家煤炭安全监察局发布了《煤矿机器人重点研发目录》起，煤矿巷道掘进机器人的研究正式被提上日程，对于煤矿巷道机器人化智能掘进的研究主要以智能截割技术、远程智能监控技术及智能协同控制技术为主，而这些技术的研究与改进工作是煤矿巷道掘进机器人化的重要路径。 1、煤矿巷道掘进智能截割技术 我国大多数煤矿巷道掘进工程多采用悬臂式掘进机，导致煤矿巷道掘进智能截割技术主要以悬臂式掘进机综掘技术为主。对于掘进智能截割技术的研究已由最初的记忆截割向智能截割方向深入发展，目前对于该技术的研究主要集中在煤岩自适应识别，通过多种传感器监测及红外热像等技术，结合多个指标的实际情况以提高自适应系统的准确性，部分学者还引入了神经网络法建立多个指标与截割臂横摆速度的关系模型，以达到自适应智能截割的目的。 2、煤矿巷道掘进远程智能监控技术 掘进工作面智能化程度与掘进机远程监控技术有着十分密切的联系。巷道掘进远程智能监控技术已从远程实时监测向远程可视化监控方向发展，随着网络通信技术的不断发展，矿井网络也由比较低端的矿井环网向5G无线网络方向逐渐过渡，这对煤矿巷道远程智能实时监控有着重要意义。 3、煤矿巷道掘进智能协同控制技术 若要实现煤矿巷道快速掘进，掘进工作面多种移动设备与运输设备的智能协同控制必不可少。目前对于巷道掘进工程中智能协同控制技术的研究相对较少，研究也相对较浅薄，所采用的技术普遍存在于其他各种工程领域中，并没有实质性的创新成果，或不存在成体系的协同控制，有的只是部分设备的协同运作，且研究只停留在理论层面，协同控制的智能化研究还有较长的路要走，应将理论与实际更大程度地结合，研发具有较高实用价值的智能协同控制技术。 三 煤矿巷道智能快速掘进发展存在的问题 1 智能关键技术不成熟，掘进工序联合性较差，部分巷道掘进关键智能技术仅停留在理论层面，缺乏实际应用案例。由于巷道掘进是一个系统性的工程，单独对某一工序进行优化设计的思路总是片面的，对于巷道掘进工序的系统性研究相对薄弱是导致整体工序联合性较差的关键。另外，尽管有些技术已经有了初步智能化成果，但其他技术的智能化研究大多仍停留在理论阶段，并没有实际应用，严重阻碍了掘进智能化的发展，因此，应该更多地将理论与实践相结合。 2 运输网络技术水平低，常规网络技术难以达到要求。目前煤矿中采用的网络技术多为网络传输速率低的4G与WiFi等矿用无线网络技术，整体网络水平偏低，一方面难以接收大量节点传回的信息，另一方面对于需要占用较大传输带宽的摄像机传回的现场影像视频等内容，难以通过这些传输速率低的网络技术进行传输，且会影响信息传输的及时有效性。5G基站等设备占用的功率大，矿用设备多被设计成了矿用隔爆型产品，因此对于基站的安装施工有一定难度。 3 理论与实际效果有差距，测量精度受环境因素影响大且难以克服。一方面，根据近年来专家学者对煤矿巷道设备智能远程监控系统的研究，大多通过井上试验后才将系统投入井下试用，而在井上难以全方面模拟井下诸多环境方面的因素；另一方面，受到井下环境因素的制约，掘进机在规划截割形状时，难以达到巷道施工的精度要求，远程智能监控系统的研究目前达不到位姿测量的精度要求，而井下电磁场又会对部分传感器造成影响，目前井下大多采用视觉测量方法，但井下复杂的环境条件会严重影响视觉测量。 四 煤矿巷道掘进智能化发展探讨 1 加强掘进设备集成协同化的研究。通过对掘进工艺进行改进、对悬臂式掘进机进行掘运支于一体的改进，在实现巷道掘进中的掘进、运输、支护工序的平行作业，加快巷道掘进速度的同时，使其能适应我国大多数煤矿巷道条件下的煤岩巷掘进。 2 加强设备模块化组合与5G矿用无线网络设备的研究。目前巷道掘进现场多习惯使用多种类型传感器等设备对现场环境、设备工况等进行实时监测，多设备的共同运行一方面会加大信息分析的工作量，另一方面目前煤矿常用的无线通信技术难以满足多节点的信息输入，因此，对设备的模块化组合设计的研究是非常有必要的。 3 加强对巷道掘进远程智能监控系统的研究。在智能化、无人化的要求下，远程智能监控系统成为当前研究的重点之一。同时，掘进工作面掘进设备测量精度难以满足巷道施工要求、掘进设备位姿纠偏不够精确等问题，为远程智能监控系统研究明确了前进方向，未来应侧重研究如何提高掘进设备的测量精度及如何对掘进设备位姿精准纠偏。 4 注重难掘慢掘巷道掘进的研究。对煤岩硬度大的巷道掘进工程，我国普遍使用重型悬臂式掘进机进行掘进，但仍然存在各种问题，未来应注重以中型、轻型、简约型掘进设备代替重型掘进设备的研究工作，同时要注重该条件下掘进设备的故障率及掘进工艺、高效致裂与截割等的研究工作，在降低掘进设备成本投入的同时间接提升巷道掘进效率。 5 研发新型智能掘进技术。煤矿巷道掘进过程中伴随灾害繁多，如巷道突水、冲击地压等，对该方面的研究目前来说相对较少，因此研究巷道的新型智能掘进前探技术，保证掘进工作面环境的安全，对于巷道快速掘进来说具有十分重要的意义。  引用格式 李飞，张林，尚宇琦，等. 煤矿智能化掘进关键技术研究[J]. 工矿自动化，2023，49（4）：33-41. LI Fei, ZHANG Lin, SHANG Yuqi, et al. Research on key technologies of coal mine intelligent excavation[J]. Journal of Mine Automation，2023，49（4）：33-41. 作者联系方式 李飞（1999—），男，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向为矿山压力与岩层控制，E-mail：1763850957@qq.com。通信作者：孔德中（1989—），男，河南永城人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为矿山压力与岩层控制，E-mail：dzkong@gzu.edu.cn。 |
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