巷道掘进，是煤矿地下开采的先行工程。掘进回采巷道，不仅为长壁综采提供了通风、煤炭运输、辅助运输、装备动力、矿压监测、灾害防治等场所，更是长壁综采的重要地质保障。随着我国开采逐步向深部水平延伸，掘进工作面已经成为地下开采工程中劳动密集程度最大、劳动强度最大、危险性最大的场所。2020年，我国煤矿采煤机械化程度已达到78.5%，其中大型煤炭企业达到98.86%，但掘进机械化程度仅有60.4%，然而我国每年新掘巷道工程量巨大，达12000km/a，按照目前4700处煤矿计，我国巷道掘进平均速度仅213m/月，快速掘进是解决煤矿采掘失衡、高效生产的必由之路。我国煤炭行业正处于“智能化”发展初级阶段[1]，将全面推动掘进工程向少人化、智能化发展，巷道掘进迎来了最好的发展机遇。
我国巷道掘进理论体系也在不断成熟，其中王虹[2]架构了掘支运三位一体的快速掘进体系，提出空间多维度同步支护技术，将锚护工序转化为空间多设备多工位平行完成，是实现高效锚护的核心理念；张农[3]建立了巷道连续梁控制理论，提出跨界长锚固控顶理论，优化支护参数，提高巷道支护速度。对此，笔者介绍了目前我国煤巷主要掘进技术的发展历程和技术特点，重点分析了掘锚一体机为主的巷道快速掘进工艺以及对地质条件的适用性，并立足于工艺与使用，对掘锚一体机智能化发展提出了建议。
1.我国煤巷掘进技术
1.1掘进技术与装备的发展历程
当前，我国煤巷掘进技术主要可以分为3大类，第1类为以悬臂式掘进机为主的传统机械化作业线，第2类为以连续采煤机为主的机械化作业线，第3类为以掘锚一体机为主的机械化作业线。
1）悬臂式掘进机技术与装备
20世纪60年代，我国消化吸收国外截割功率30~50kW轻型掘进机，70年代开始大规模引进，90年代中期自主研发了以EBJ120TP型为代表的新一代掘进机；2000—2019年，我国相继研发出截割功率30~500kW、整机质量18~150t、从轻型到超重型的20多种系列化掘进机产品，太原研究院研制的EBH315重型掘进机[4]在坡度16°、普氏系数为8~10（局部为12）的全岩巷道月进尺达175m，国内首台EBH450智能化超重型岩巷掘进机在普氏系数8~12全岩巷道最高月进尺达到381m，自带锚护钻臂的EBZ220M双锚掘进机在淮南刘庄矿复杂条件下最高月进尺达到506m。目前，综掘技术正在向适用性更强的智能化方向发展。装备如图1所示。
图1自带双锚的悬臂式掘进机装备
2）以连续采煤机技术与装备
连续采煤机是伴随短壁采煤工艺的成熟不断发展起来的，1979年单机引进，但应用不成功；1990年中美合作项目黄陵一号矿引进连续采煤机短壁采煤法作为主采工艺，因地质条件差、回采率低、配件缺货等原因应用失败；1995—2008年，神东公司进口连续采煤机全套装备，使用旺格维利采煤法、块段式短壁采煤工艺，得到成功应用；2002—2010年，在神东公司和太原研究院共同努力下，连续采煤机、梭车、连续运输系统、履带行走支架、给料破碎机、多功能铲运车全部实现国产系列化；2010年开始，太原研究院相继同中煤东坡煤业、中煤平朔二号井、榆林泰普煤业公司、王家岭煤矿、晋能盛平煤业建立了国产短壁示范工程[5]，实现不同地质条件下单巷掘进、双巷掘进、边角煤回采，单巷掘进月进尺达到最高510m，双巷掘进最高月进尺1259m，边角煤回采最高月产煤80176t，总结到极其宝贵的现场技术和管理经验，引领了神东之外矿区连续采煤机快速掘进、边角煤开采的技术潮流，将连续采煤机推向全国。双巷掘进设备布置如图2所示。
图2连续采煤机双巷掘进工艺设备布置
3）掘锚一体机技术与装备2002年开始，神东公司、晋煤集团、兖矿集团、神华宁煤相继引进掘锚一体机；2012年以后，太原研究院聚焦掘锚一体机，2015年研制成功掘锚一体机、锚杆转载机、可弯曲带式输送机、迈步自移机尾，得到成功应用。在神东大柳塔矿稳定围岩巷道掘进中单巷最高月进尺3088m，在神木凉水井矿中等稳定围岩巷道掘进中单巷月进尺1506m，在稳定性较差围岩巷道掘进中最高月进尺680m、平均月进尺500m以上的好成绩。目前，正在攻克冲击地压矿井、高突矿井、“三软”煤层、深部矿井等复杂条件给快速掘进带来的一系列应用难题。掘锚一体机已经成为煤巷安全、高效快速掘进的发展方向。自带双锚的悬臂式掘进机装备如图3所示。
图3掘锚一体机快速掘进成套作业线
1.2煤巷掘进技术特点对比
3种掘进技术特点对比见表1。
表1不同巷道掘进技术特点对比
1.3掘锚一体化工艺技术优势
悬臂式掘进机虽然对地质条件适应性强，无论简单或复杂条件均可使用，但其掘、支、运不能平行作业，临时支护防护能力差，安全性差，工人劳动强度大，月进尺低于500m；连续采煤机双巷、多巷掘进可实现掘、支、运平行作业，条件较好时能实现月近千米以上，但无临时支护，调机频繁导致设备对软弱底板破坏较大，在单巷掘进或循环空顶距小于3m时，无法最大发挥其效能。
掘锚一体化高效掘进可以有效解决以上问题，其技术优势是：在顶板允许一定空顶和空帮的前提下，掘锚一体机通过机载临时支护的安全防护，机身不动、利用油缸力推进截割，使4顶+2帮排布的钻臂能同时安装锚杆锚索，并和后部多臂锚杆转载机相互配合完成所有锚护任务，有效缩短了掘进作业中关键线路时长（提升截割与锚护时间比），利用柔性连续运输系统或带式转载机、迈步式自移机尾实现煤炭全阶段连续运输，达到掘、支、锚、运等工艺在“空间上分离，时间上平行”，从而高效提升掘进进尺。
2.掘锚一体化掘进技术
2.1技术特点
1）掘锚一体机
实现了截割、临时支护、永久支护、装运等主要工序的平行作业。采用油缸推进可伸缩式横滚筒进行全宽截割，液压油缸推进截割使机身对底板扰动小，适用巷宽5.2~6.2m，巷高2.8~5.0m；机载临时支护实现同步滑移、支撑力最大为400kN；可滑移、摆动的4顶+2帮钻臂排布，可快速进行多个位置顶、帮锚杆同时施工；行走接地比压降至0.2MPa，千伏级交流变频驱动，可适应软弱底板。
2）多臂锚杆转载机（也称运锚机）
锚杆转载机除了将掘锚一体机的煤炭转运至后部带式输送机上，更重要的功能是根据巷道支护参数，可选择高效的两臂、四臂、五臂和六臂式等不同数量钻臂，实现转运煤炭的同时完成巷道不同部位锚杆、锚索的安装，与掘锚一体机锚护工艺形成滞后与互补，提高平行作业率。
3）带式转载机或可弯曲带式输送机
可同锚杆转载机搭接，根据巷道围岩条件、巷道高度、坡度起伏情况选择配套20~30m搭接的带式转载机、30~150m搭接的可弯曲带式输送机，消除单位圆班输送带延伸占用有效工作时间；利用可弯曲输送带的柔性转弯（最小转弯半径8.0m），联动掘锚一体机实现硐室、联巷以及开切眼高效施工。
4）迈步式自移机尾
实现机尾自移动、调偏与抬升，解决了传统的前拉刚性架费事、费时、费力问题，设置有电缆槽，集成材料存放和风筒、供电、液压动力站快速移动功能，减轻辅助作业强度，同时将煤炭转载至工作面输送带。掘锚一体化成套装备如图4所示。
图4掘锚一体化快掘成套装备
2.2掘锚一体化工艺工序
掘锚一体化作业时，锚护工艺分工是关键工作。以巷道规格5.4m×3.5m为例，其支护参数如下：顶板每排由7根ø20mm×2400mm左旋螺纹钢锚杆、侧帮由4根ø20mm×2400mm圆钢锚杆，锚杆间排距均为800mm×800mm，每排由2根规格为ø17.8mm×6300mm图4掘锚一体化快掘成套装备锚索，锚索间排距为2400mm×1800mm。支护参数如图5a所示。
地质条件允许且顶板较为完整时，掘进期间的作业工序及作业时间如图5b所示，掘锚一体机完成顶板4根顶锚杆（1、3、5、7号锚杆），侧帮2根帮锚杆（8、9、12、13号锚杆）的支护任务；锚杆转载机完成3根顶锚杆（2、4、6号锚杆），侧帮2根帮锚杆（10、11、14、15号锚杆），以及2根锚索的支护任务。在遇到地质异常条件时，可及时优化调整锚护分配：掘锚一体机完成顶板6根顶锚杆（1、2、3、5、6、7号锚杆），侧帮2根帮锚杆（8、9、12、13号锚杆）的支护任务；锚杆转载机（运锚机）完成顶板1根顶锚杆（4号锚杆），侧帮2根帮锚杆（10、11、14、15号锚杆），以及2根锚索的支护任务。
图5掘锚一体化工序及作业时间
2.3硐室及开切眼转弯施工
掘锚一体机配套柔性可弯曲输送带在进行硐室或开切眼施工时，可实现连续运输，达到高效转弯目的。在施工巷道硐室时，由于机身体积较大，若要实现高效施工，可在截割时，不伸出伸缩滚筒，沿巷道中线摆动机身与中线角度，调至极限位置时，开始斜切进刀，切进侧帮煤体1~2m时，以切点为轴，充分利用尾部输送机可左右摆动45°的特点，使机身与巷道两帮不干涉，摆动机身到极限位置时，再进行斜切进刀，以此重复，直至完成。同样，开切眼开口时，施工工艺同硐室开口类似，直至将掘锚一体机机身摆正、与开切眼中线平行后，再根据中线向前掘进。此工艺下，掘锚一体机在转弯抹角时，巷道侧需抹掉12.0m，开切眼侧需抹掉6.4m，呈不规则三角弧。
3.掘锚一体机与地质条件适用性
掘进智能化工作面建设正处于蓬勃发展时期，掘锚一体化设备自动化程度高，协同、联动作业频次较高，智能化发展前景较大。目前，掘锚一体机在皖北矿区的高突矿井“三软”煤层、陕西关中冲击地压矿井、内蒙的深部开采矿井得到应用，从这些应用案例来看，掘锚一体化高效掘进必须要将地质条件、掘进工艺、设备进行充分融合，遵循以地质条件适用为基础、掘进工艺匹配为导向、设备配套合理为原则进行创新发展。
1）工艺与地质条件的匹配掘锚一体化技术是单巷高效掘进的重要解决方案，适用于采用锚、带、网、索支护的巷道。
在巷道顶板和两帮稳定性较好的情况下，可以充分利用运锚机的锚护能力，尽可能将锚杆锚索的安装任务交给运锚机，形成前疏后密的锚护格局，使掘锚一体机和锚杆转载机作业相平衡；掘锚一体化实现了运输工艺的全过程连续，使后配套运输工艺同巷道坡度、巷道高度、巷道宽度相匹配。同快掘工艺相匹配的通风除尘工艺，利用固液气三幕控尘工艺以及可随主机移动的设备，即“内外喷雾水幕-挡尘幕-负压粉尘幕”，工作面除尘效率可达到70%以上；高突矿井改为泡沫除尘，实现除尘与地质条件匹配。
2）设备与地质条件的匹配
地质条件主要包括煤层物理力学性质、顶底板物理力学性质、巷道坡度、巷道起伏程度和所处应力环境。煤层的硬度、黏聚力、节理裂隙发育情况以及应力环境直接影响了巷道开掘后两帮空帮尺度，掘锚一体机的最小空帮距约4.0m，即每个作业循环内帮钻至迎头煤壁4.0m范围内要靠煤层自承；顶板的岩性、硬度、抗拉强度、抗剪强度直接影响巷道顶板的变形，掘锚一体机永久支护最小空顶距为2.5m，有临时支护做安全防护，当巷道围岩为煤层时，煤层的硬度、黏聚力、节理发育情况是影响空顶距能否满足的决定因素；底板岩性若泥岩或泥页岩，遇水后极易泥化，应选择适应软弱底板的低比压掘锚一体机；解决上下山掘进或底板起伏时设备与顶底板磕底、碰顶等问题。
4.掘锚一体化智能发展的思考
基于煤炭行业正处于智能化初级阶段的现实，掘锚一体化掘进已经进入智能化建设时期，但应该保持清醒头脑，不应为了智能化而智能化，而应实事求是、因地制宜，要实现最终意义的“快”和“智”掘，不应是单纯的单进快，而应在设备、工艺各个环节高质量发展。概括为以下3个方面。
1）以智能理念为导向，细则分级分类
根据不同矿井和地质条件、实际需求，亟需建立掘锚一体智能化具体理念和顶层设计，作为发展的指引和方向。掘锚一体化理念已各类深植煤矿，并已初具成效，低瓦斯、高瓦斯、冲击地压、煤与瓦斯突出、深部、“三软”煤层等不同地质赋存条件矿井对掘锚一体化均有大量需求，因此有必要提前针对不同条件，将掘锚一体化智能建设进行分级分、类，制定契合实际的不同级、类的任务和目标，明确具体智能化建设任务与评判准则。
2）以一线需求为前提，完善单机功能
根据一线施工的实际需要，亟需提高单机智能化水平，让机器人替代人的思维在恶劣、危险的环境中完成正确的动作。施工大断面大采高巷道时，让智能机器人替代人工实现高效铺顶网和挂帮网、替代人工安装锚杆和锚索；“三软”煤层中采用大面积、高阻力的临时支护对顶、帮进行自动支撑，能自动监测围岩应力动态。另外，掘锚一体机工作面并没有实现显著的减人，甚至出现增人作业（某矿掘锚一体机配备8~9人作业）。
3）以安全健康为基础，提升安防能力
煤矿智能化发展的愿景之一便是让煤矿职工更有尊严，因此以人为本的安全、健康应成为掘进智能化发展的主题，保证煤炭行业对人才的需要。加快研发同掘锚一体机相匹配的工作面前方水害的快速、智能、可靠的物探技术；研发深部矿井由于地热带来的掘进工作面高温环境下掘锚一体机智能铺网、智能锚杆与锚索安装技术；加快研发更高效、智能的掘锚一体化工作面除尘技术，确保劳动作业环境；研发相匹配的集不同孔径要求（如防冲钻孔、防突钻孔、探水钻孔）的多功能智能钻探装置；研究掘锚一体化工作面的风水管路延伸的智能辅助安装设备。
4）以装备为载体，先行单机智能可靠的装备再加上智能单机，是目前智能掘进必须攻克的难题。
我国制造工业薄弱以及国内煤机装备进入国产与进口白热化竞争的现实，决定了提升国产装备的关键核心元部件自主研发、制造工艺、可靠性等卡脖子技术的重要性，装备可靠才是实现智能控制的稳定载体和保障；虽然目前实现了部分单机自动化功能，但距离智能化的初期愿景还很远，如截割时的定位截割、记忆截割、自动截割断面成型等精准智能控制，支护机构实现锚杆锚索的全自动化锚护作业，成套装备在空间上的相对移动或相对运动关系以及在一定位置关系下完成动作的精准控制，三维模型动态、一键启停直观显示、后台数据模型分析、AI操作场景还原再现、大数据分析故障以及自学习诊断等技术还不成熟，这些都是智能掘进的基础。
5.结语
我国煤巷掘进技术装备从悬臂式综掘机、连续采煤机发展到掘锚一体机，已经具有一定的自主知识产权，形成了成熟的掘、支、锚、运、通工艺。掘锚一体化技术向智能化迈进，是巷道掘进高质量发展的必由之路，需要以解决一线实际难题为目标，从智能理念、一线需求、安全健康出发，实现设备与地质条件、掘进工艺与地质条件的匹配，从而推动掘锚一体化的智能发展，适应我国煤炭行业智能化发展的大方向。
