案例 18 曹家滩煤矿大断面智能快速掘进工作面
曹家滩煤矿作为特大型现代化智慧煤矿，如何实现大断面煤巷的快速掘进， 成为曹家滩煤矿亟待解决的主要问题。为解决上述问题，曹家滩公司成立科研专 班，与科研单位及院校合作，开展煤巷大断面快速掘进研究。研究具有适用性煤 巷快速掘进顶板稳定性机理及主要影响因素，形成基于顶板稳定性的成套支护理 论和技术，选择安全有效的支护方法；同时分析影响快速掘进的因素，对掘支各 工艺、全要素、全时段关键流程判别，优化制约煤巷掘进速度的瓶颈，确定“以 掘定支、掘支平行”为准则的施工工艺及劳动组织。
针对大断面煤巷快速掘锚成套装备的运行效果，构建以人机协同、掘支同步 的智能化信息化装备创新为硬件，以减量提质、强帮护顶高强度、高刚度围岩控 制技术创新为理念，以空间交叉、掘支平行高匹配高融合精细卓越施工工艺创新 为抓手，以实时实地、由表及里全方位高质量安全创新监测系统架构为保障，充 分体现思维方式、技术、装备、工艺、安全管理现代化与创新。
（一）思路创新
快掘装备初期引进的失败经验，揭示了地质条件对工业性试验的重要性，要 想取得试验的阶段性成果，在地质条件的选择上一定要从简单到复杂，由单一到 全面。曹家滩煤矿主采 2 -2 煤层，属于稳定型厚煤层，平均埋深 286m，矿井地质 结构简单，取得成功后再逐步向相似条件、复杂条件及不同工艺的矿井推广。
（二）装备创新
结合曹家滩煤矿地质条件及掘锚机组运行情况，全方位优化了设备结构和性 能，对自动化锚护系统、自移式连续运输机、记忆式自适应截割系统、可视化远 程操控系统、隔绝式全覆盖立体除尘、机身姿态自纠系统、动态感知安全防护系统、组合式精准定位系统、超前钻探等方面进行了十大类 102 项改造。优化提升 后的快掘装备具备大断面巷道“探、掘、支、运”一次成巷、可伸缩式超大宽度 截割控制、大断面快速支护与超前钻探、物料输送、多机协同控制等功能，最终 实现掘进、支护和运输一体化连续作业，大幅提高掘进效率。
1.智能化快掘装备
（1）快掘 3.0 成套装备
曹家滩煤矿与科研单位、装备制造厂家合作，结合自身地质条件，研发了“掘 锚一体机+煤矿用锚杆钻车+自移式超长远距离胶带输送机”快掘成套装备（图 1）。在保证快掘的前提下增加智能控制功能，实现了精准定位、自主导航、超前 钻探、智能截割、自动支护、连续转载、故障自诊、远程集控，将掘进工作面作 业人数减少至 7~9 人，在“少人则安”理念的基础上实现了掘进工作面的智能化 生产。
图 1 掘锚成套装备整体示意图
（2）快掘 4.0 成套装备
快掘 4.0 成套装备包括掘锚一体机、锚杆转载机、智能连续运输系统、除尘 系统、集控中心以及物料配送机器人等 6 大模块（图 2、图 3）。其快掘工艺是在 快掘 3.0 成套装备的基础上研发新型掘锚一体机，适应巷道宽度 6.6m，巷道高度 5.5m。增加物料输送系统，可将锚护物料运送至掘锚机机尾，并将物料举升至离 地 3m 处。增加多模式通风除尘系统，通过机载高效湿式除尘技术和泡沫除尘技 术相结合，有效降低工作面煤尘。研发新型喷涂材料，告别传统锚网支护技术， 大大降低了工人劳动强度。
图 2 快掘 4.0 成套装备整体示意图
图 3 快掘 4.0 成套装备联调
2.辅助保障装备
（1）防爆柴油机滑模混凝土摊铺机
配套了防爆柴油机滑模混凝土摊铺机+防爆混凝土输送罐车施工巷道混凝土 地板（图 4）。滑模摊铺机安装的传感器测定巷道基线信号传输到控制器，控制器 控制整机动力部件按照基线滑模施工。采用持续补料、振动棒提浆密实、抹平板 成型的智能化施工工艺，日均施工混凝土地板 200m 以上。
图 4 混凝土摊铺机
（2）煤矿用巷道修复机
配套了煤矿巷道修复机（图 5），解决了遗煤影响拉移机尾和巷道清理问题， 减少了辅助作业人员，降低了劳动强度。
图 5 煤矿用巷道修复机
（3）防爆柴油机履带运输车
配套了防爆柴油机履带运输车（图 6），解决了窄型顺槽、快速掘进工作面等 受限空间内锚护材料、散装物料及小型机电设备的运输问题，减少了辅助作业人 员，降低了劳动强度。
图 6 防爆柴油机履带运输车
（三）工艺创新
研究巷道快速成巷理论与工艺技术，突破新型钻锚预紧一体化锚杆、“一键 打锚杆”、高效喷涂等关键技术与材料，研发巷道变形实时监测技术，研发新型 掘锚一体机、运输、控制等先进技术与装备，形成领先的集理论、设计、材料、 技术、装备于一体的快速掘进成套技术与装备，引领快速掘进发展方向。
（一）安全效益
1.“少人则安”的本质安全型掘进工作面。智能快速掘锚成套装备通过配备 机械手、智能材料库、一体化中空树脂锚杆、自动探放水设备、远程操作台、高 效喷涂等设备实现掘进智能化工艺。作业人数由 15 人减少至 7~9 人，打造了“少 人则安”的本质安全型掘进工作面。
2.现场安全管理全覆盖。机身配备了临时支护护盾，永久支护紧跟临时支护， 从根本上杜绝了空顶作业；左右机身侧均安装了大空间高作业平台，平台与煤壁 加装了防砸挡板，杜绝了片帮煤从高空坠落对人员伤害；侧翼安装自动报警系统， 设备运行期间人员靠近时，系统自动报警停机，保证了人员安全；截割大臂前配备 了自动超长钻探，实现了水患的有效预警。
（二）经济效益
巷道掘进速度由传统施工工艺的月均进尺 500m 提升至 2020m 以上，每月 增加近 4 万 t 掘进煤量；同时快速掘进技术的应用将传统成巷周期由 10 个月缩短到 4 个月，采煤工作面巷道形成周期缩短了 60%，大幅度降低了掘巷周期和巷 道维护费用，具有广阔的推广应用前景和经济效益。
（三）社会效益
1.解决了采掘失衡难题 积累了大量的快速掘进巷道围岩支护参数优化、掘锚成套装备优化、工艺优 化及施工组织优化经验，锻炼了一大批经验丰富的技术管理人员和成熟的快速掘 进施工人员，形成了大断面快速掘进技术体系，大幅度提高了巷道掘进速度，解 决了矿井采掘失衡的难题，为矿井高质量发展奠定基础。
2.打造行业标杆，成为行业典范 2020 年 11 月 26 日，在曹家滩煤矿召开了全国煤矿快速掘进现场推进会。参会代表对曹家滩煤矿大断面快掘建设成果给予了充分肯定。国家能源集团、山 东能源集团、延长石油集团、徐矿集团等先进煤炭企业先后派学习组来公司对标 学习。中国煤炭报、中国能源报、中国化工报、陕西日报、榆林日报、新浪新闻 等煤体对曹家滩公司快掘系统进行了报道。
