在山西这片古老的土地上，煤炭不仅是经济发展的命脉，更是无数矿山人心中的骄傲与责任。然而，随着开采深度的增加和地质条件的日益复杂，煤矿巷道的快速掘进与支护成为了一道亟待破解的难题。在今年4月份由国家矿山安全监察局组织的“矿山安全科技进山西”活动上，中国工程院院士、煤炭科学研究总院首席科学家康红普，围绕“煤矿巷道快速掘进与支护技术装备”的话题，分享了他的研究成果与实践经验，为煤矿安全生产提供了宝贵的思路和方案。
煤炭大国的掘进困境
煤炭一直是我国能源结构的主体，去年全国煤炭产量高达47.1亿吨，占全球煤炭产量50%以上。目前，我国共有4300多个煤矿，其中井工煤矿占比高达92%。这些井工煤矿在开采过程中，需要不断掘进巷道并进行支护，以确保生产安全。
康红普院士指出：“我国煤矿巷道掘进面临着三大特点：软岩强采动大变形、硬岩条件下的冲击地压灾害，以及煤层抗压强度普遍较低。”他进一步解释，我国煤层的抗压强度一般小于20兆帕，顶板、泥岩、砂岩等围岩的强度也大多在10~60兆帕之间，且围岩节理裂隙发育，导致围岩较为破碎。此外，随着开采深度的不断增加，地质条件愈发复杂，给巷道掘进和支护带来了巨大挑战。
掘进与支护的五大要求
面对复杂的地质条件和严峻的安全形势，煤矿巷道掘进与支护必须满足五大要求：支得住、支得快、支得省、少人化、环境好。康红普院士强调：“这五大要求是煤矿安全高效生产的基石。”
支得住：确保巷道在掘进和回采过程中保持稳定，防止冒顶和片帮等安全事故的发生。
支得快：满足工作面快速推进的需求，提高掘进效率。
支得省：在保证安全的前提下，降低支护成本，避免过度支护造成的浪费。
少人化：通过自动化和智能化技术减少井下作业人员数量，提高生产效率。
环境好：采用科技手段改善井下作业环境，保障矿工的职业健康。
掘进与支护的现状与挑战
然而，我国煤矿巷道掘进与支护的现状并不乐观。康红普院士坦言：“与工作面回采相比，掘进总体上是落后的。虽然采煤技术已经从普采、综采自动化发展到了智能化阶段，但掘进技术仍然主要处于综掘阶段，部分煤矿实现了自动化，但离真正的智能化还有很大距离。”
他指出，我国煤矿掘进存在六大问题：缺乏有效的超前探测技术、掘进机自动化程度低、缺乏有效的临时支护、锚杆锚索支护工艺复杂且依赖人工、辅助运输高度依赖人工、掘进设备之间缺乏有效的通信手段。这些问题导致掘进效率低下、安全隐患增多、作业环境恶劣。
掘进工作面围岩稳定性研究
为了破解掘进与支护的难题，康红普院士首先提出了对掘进工作面围岩稳定性进行深入研究的重要性。他强调：“掘进工作面的围岩稳定性是影响掘进速度和支护效果的关键因素。”
通过对掘进过程中围岩变形规律的统计分析，康红普院士发现，在工作面前方围岩已经发生了显著变形，因此必须及时进行支护以防止变形进一步加剧。他进一步将围岩稳定性分为五类：非常稳定、稳定、一般、不稳定和极不稳定，并根据不同稳定性条件提出了相应的掘进与支护策略。
掘进支护技术发展现状
在掘进支护技术方面，康红普院士介绍了我国现有的各种掘进和支护工艺，包括悬臂式掘进机+单体锚杆钻机、悬臂式掘进机+锚杆钻车、掘锚联合机组等。他指出，对于较好地质条件，掘锚联合机组是首选；对于多巷布置的工作面，连续采煤机+锚杆台车是一种有效的掘进方式；而对于一般和复杂条件，悬臂式掘进机+单体锚杆钻机仍然是最普遍的选择。
然而，康红普院士也坦言：“在一般和复杂条件下，煤矿快速掘进和支护的问题仍然没有得到有效解决。”他进一步指出，现有的掘进和支护工艺存在掘锚反复换位、互相干扰、缺乏有效临时支护、锚杆施工依赖人工等问题，导致掘进效率低下。
支护技术的创新与突破
在支护技术方面，康红普院士强调了锚杆锚索作为煤矿主体支护方式的重要性。他指出：“通过20多年的集中攻关，我国已经形成了具有煤矿特色的锚杆施工成套技术体系。”然而，他也指出了现有支护技术存在的问题，如支护设计依赖经验、支护密度偏大、树脂锚杆锚索工序多且复杂等。
为了解决这些问题，康红普院士和他的团队提出了自动化和智能化的发展方向。他们开发了钻锚一体化锚杆、自动支护系统、喷涂自动化技术等创新成果，实现了锚杆支护施工的无人化和自动化。这些技术的应用不仅提高了支护效率和质量，还显著降低了工人的劳动强度和安全风险。
钻锚一体化快速掘进系统的实践
康红普院士重点介绍了中国煤科开采研究院、太原研究院、陕煤集团以及曹家滩煤矿联合开发的钻锚一体化快速掘进系统。这套系统以掘锚联合机组为核心，配套了钻锚一体化锚杆、自动支护系统、喷涂自动化技术等创新成果，实现了掘进与支护的平行作业和高效协同。
在曹家滩煤矿的应用实践中，这套系统表现出了卓越的性能。据康红普院士介绍，该系统在曹家滩煤矿122104工作面回风顺槽的掘进过程中，单根锚杆的施工时间由原来的5~6分钟缩短到了3分钟以内，最高日进尺达到了63米，具备了月进1500~1800米的水平。这一成果不仅显著提高了掘进效率，还有效保障了生产安全。
掘进智能化的发展路径
对于掘进智能化的未来发展路径，康红普院士提出了“四性四分”的发展策略。即根据围岩的稳定性、可掘性、可钻性、可锚性进行分类研究，分条件、分类别、分区域、分步骤地推进掘进自动化和智能化的发展。他强调：“掘进智能化是一个系统工程需要各个环节的紧密配合和协同作战。”
为了实现掘进智能化的发展目标，康红普院士和他的团队正在开展一系列关键技术的研发工作包括超前探测技术、自动化智能化的截割技术、临时支护技术、锚杆锚索施工技术、装备定位导航技术以及围岩稳定性监测技术等。这些技术的研发和应用将为我国煤矿巷道的快速掘进与支护提供强有力的支撑和保障。
结论与展望
在总结发言中，康红普院士再次强调了掘进与支护技术在煤矿安全生产中的重要性。他指出：“只有不断提高掘进和支护的速度和质量才能确保煤矿产量的稳定增长和安全状况的持续改善。”
对于未来他充满信心：“随着科技的不断进步和创新成果的不断涌现我相信我国煤矿巷道的快速掘进与支护技术一定会迎来更加美好的明天。”
康红普院士的分享不仅为我们揭示了煤矿巷道掘进与支护技术的现状与挑战，更为我们指明了未来发展的方向和路径。相信在不久的将来，我国煤矿巷道的快速掘进与支护技术将会实现新的突破和飞跃，为煤炭行业的持续健康发展注入强大的动力和活力。
