提到煤炭，大家都会联想到它是工业的“血液”。在我国，煤炭产量占一次能源生产的 60% 以上，煤矿开采是能源供应的重要组成部分。井下巷道的快速掘进是煤矿高效开采的前提，然而，传统的掘进方式效率低、安全性差、操作复杂。为应对此类挑战，煤矿开采设备也在不断创新，作为煤矿快掘“龙头”设备的掘锚一体机应运而生。掘锚一体机的应用和推广，提高了掘进速度和安全性，减少了对环境的影响。
文章来源：《智能矿山》2024年第9期“太阳石科普”栏目作者简介：杨勇，助理研究员，硕士，现从事煤矿采掘装备智能控制技术设计与研究工作。E-mail：860277764@qq.com作者单位：中国煤炭科工集团太原研究院有限公司；山西天地煤机装备有限公司引用格式：杨勇.探秘煤矿快掘“龙头”设备——掘锚一体机的前世今生[J].智能矿山，2024，5（9）：23-25.点击文末左下角“阅读原文”，免费下载阅读pdf全文
井下作业人员在使用掘进机工作时面临着 2 大难题：一是如何高效地掘进煤炭，二是如何在掘进的同时确保巷道的稳定和安全。掘进工作需要强大的切割和运输能力，而支护工作则需要及时、牢固地安装锚杆来加固巷道。这 2 项工作通常分开进行，效率低下，井下作业人员也经常在恶劣的环境中辛苦劳作。
为了解决这个难题，研发了掘锚一体机，如图1 所示。它不仅能够快速地掘进煤炭，还能在掘进的同时完成锚杆支护，大幅提高了工作效率。
图 1 掘锚一机体
（1） 掘锚一体机有 1 个强大的“心脏”——动力系统。这个系统主要由电力系统和液压系统构成，为掘锚一体机提供了源源不断的动力，让它能够持续、稳定地工作。
（2） 掘锚一体机拥有 2 个“手臂”——掘进臂和锚杆机。掘进臂负责切割煤壁，将煤炭破碎并装入运输系统；而锚杆机则负责在掘进的同时安装锚杆，加固巷道。这 2 个“手臂”协同作业，共同完成了掘进和支护的任务，掘锚一体机的功能如图 2所示。
图 2 掘锚一机体功能
如图 3 所示，这双“眼睛”是安装在掘锚一体机的摄像头，可以观察并记录周围的岩石和土壤情况。而“耳朵”则是传感器，能准确感知煤岩的硬度、湿度等特性。
当机器工作时，如果前方有 1 块特别硬的岩石，传感器就会感知到并发出提醒。这样，矿工就知道需要更换钻头或者调整工作方式。掘锚一体机通过摄像头融合机器视觉系统，在沿顶或者沿底掘进时，可以有效把控施工质量与巷道成形效果。此外，割煤过程中的感知，可以在提高掘进效率的同时，将设备的损耗度 （如截齿、减速器等） 降至最低。智能感知功能让掘锚一体机更像是 1 个有智慧的助手。此外，该设备借助先进的通信系统，还可以实现远程可视化遥控，矿工无需身处危险的工作环境即可控制设备，同时，工况监测系统能够实时收集和分析设备的工作数据，如温度、压力、振动等，确保设备在最佳状态下运行。
掘锚一体机 “大脑”可以根据矿井的具体情况，自动调整工作参数。
矿工在某个位置打洞并安装锚杆时，只需在控制面板上按下对应按键，掘锚一体机就会自动开始工作，如图 4 所示。这些系统能够自动完成锚杆定位、钻孔、安装和紧固等操作，提高了锚护效率和施工质量；同时还可以实时监测锚护设备的工作状态和施工环境，如钻孔深度、锚杆预紧力、岩体稳定性等。通过传感器数据的实时采集与“大脑”分析，可以评估和优化锚护效果，使智能锚护系统更准确地感知和响应施工环境的变化，从而提高锚护施工的精度和可靠性。此时，矿工只需在旁监控，不需要费力地手动操作。这就像是给机器设定了 1个任务，它会自己完成，省时省力。
矿工在截割煤岩时，只需在控制平台设定自适应截割模式，工人操作遥控器按下启动，机器随即开始自动割煤。基于分析结果，“大脑”会实时调整截割头工作参数，例如旋转速度、压力和进给速度。就像厨师在切割不同硬度的食材时，会调整刀具的力度和角度。对于坚硬的岩石，掘锚一体机会增大压力并减缓旋转速度，以确保稳定和有效的截割；而遇到较软的岩层时，掘锚一体机则会加快速度，提高效率。这种自适应截割技术使得掘锚一体机能够在复杂多变的矿井环境中游刃有余，几乎不需要人工干预。它可以实时调整功能，保证了掘进过程的连续性和稳定性，避免了由于设备不适应岩石变而导致的停工和效率下降。
掘锚一体机的安全系统如同一个无形的“保护罩”，时刻保护着矿工们的安全。
掘锚一体机配备了防爆电气系统，即使在瓦斯浓度较高的环境中也能安全运行。除此之外，掘锚一体机的自动停机功能在关键时刻起到了决定性的保护作用。当设备检测到任何异常情况，或是机械部分出现故障时，系统会自动停止运行，防止事故发生。掘锚一体机还充当了矿工与危险环境之间的安全“桥梁”。通过远程控制技术，操作人员可以在安全区域内对掘锚一体机进行操作和监控。即便是在复杂和危险的矿井环境中，矿工们也不必亲身涉险，从而减少了事故风险。掘锚一体机还有 1 个特别的功能，就是故障预警。它可以通过内置的传感器和监测系统，实时检查自己的运行状态。如果出现异常情况，比如液位过低、电机温度过高或过载，机器会提前发出警报，如图 5 所示。这样，矿工就能及时处理问题，避免更大的故障发生。掘锚一体机的预警像时刻保持警觉的哨兵，它不仅能够检测当前的危险，还能预测未来的风险。例如，通过对岩层结构和应力分布分析，系统提前预判可能出现的坍塌风险，并及时采取防护措施。
图 5 机器故障预警系统
掘锚一体机的出现给煤矿开采带来了革命性变化。掘锚一体机将掘进和锚固功能集成在一起，能够在一次作业过程中同时完成掘进和锚固任务，不需要频繁停机更换设备，减少停工时间，提高了整体工作效率。
掘锚一体机的自动化和远程控制功能，使矿工可以在相对安全的环境中操作设备，减少了直接暴露在危险环境中的时间，降低了事故风险；与此同时，掘锚一体机还具有高度的适应性和灵活性，能够适应不同类型的煤层和巷道条件。这使得掘锚一体机成为了现代煤矿开采中不可或缺的重要设备。掘锚一体机的一体化设计简化了操作流程，操作人员只需掌握一种设备的操作方法，减少了培训成本和操作难度。此外，采用先进的降尘和降噪技术，减少了作业过程中的粉尘和噪音污染，改善了工作环境。
（1） 环保与绿色化
未来的掘锚一体机的设计将更加注重环保，采用可降解材料和环保工艺，减少设备制造和使用过程中的环境影响。通过材料科技和工艺优化，未来的掘锚一体机将采用更高效、更耐用的掘进刀具和锚固装置，提高掘进速度和设备寿命。未来的掘锚一体机将集成更多功能，包括同时具备钻探、注浆、锚固等多种能，进一步简化操作流程，提高工作效率。未来的掘锚一体机将采用模块化设计，各个功能模块可根据需要进行灵活组合和更换，适应不同的工作环境和任务需求。通过标准化设计和生产，掘锚一体机的制造成本和维护成本将进一步降低，同时提高设备的可靠性和通用性，促进行业的快速发展。
掘锚一体机作为现代煤矿开采中的重要设备，不仅提高了掘进效率和支护质量，还降低了工人的劳动强度和安全风险。它是科技进步和工程智慧的结晶，也是煤炭行业迈向绿色、智能未来的重要动力。
随着科技的不断进步和环保意识的日益增强，掘锚一体机也在不断发展和完善。可以预见的是，未来的掘锚一体机将成为煤矿开采中的“绿色巨人”，为煤炭行业的可持续发展贡献力量。
