“百家智矿“栏目重点推送《智能矿山》“智能示范矿井”专栏刊载的论文，邀请全国各矿井分享最新智能化建设成果、亮点与经验，旨在发挥典型智能示范矿井引领作用，促进我国矿山智能化建设高质量发展。截至目前，《智能矿山》杂志已刊载60家矿井智能化建设成果论文》105篇。
文章来源：《智能矿山》2024年第11期“智能示范矿井”专栏
作者简介：赵炳文，正高级工程师，主要从事企业经营管理、煤矿生产技术和信息化、智慧化管理等工作。E-mail：skype_007@163.com
作者单位：陕西陕煤榆北煤业有限公司陕西涌鑫矿业有限责任公司
引用格式：赵炳文，杨光耀，刘备战，等.榆北煤业智能快掘装备创新研发与应用实效[J].智能矿山，2024，5(11)：26-31.
点击文末左下角“阅读原文”，免费下载阅读pdf全文
陕西陕煤榆北煤业有限公司（简称榆北煤业）成立于2012年，是陕西煤业化工集团有限责任公司的全资子公司。成立之初，肩负着小保当一号、二号煤矿和曹家滩煤矿3座千万吨级矿井建设重任。2022年3月，陕煤集团体制调整后，成功交付了小保当一号、二号煤矿和曹家滩煤矿3座千万吨级智能化示范矿井。受托管理陕西涌鑫矿业安山、沙梁和中能煤田公司袁大滩3座矿井的安全生产，以及榆神矿区尔林兔3座千万吨级矿井建设任务。
近年来，榆北煤业牢固树立“采掘并举、掘进先行”安全生产理念，在智能快掘方面进行了创新研究，联合中国矿业大学、西安科技大学、中国铁建重工集团股份有限公司、西安煤矿机械有限公司等6家单位组建了协同创新联盟，通过“掘锚同步、立体交叉、平行作业、快速推进”为特点的工艺优化及技术变革，针对不同地质环境和巷道条件探索出了6类智能快掘成套装备与技术，有效提高了掘进工效，破解了大型矿井、复杂地质条件煤巷、煤-岩巷采掘接续难题，实现了掘进从机械化、自动化向智能化的迭代升级。
智能快掘成套装备（1.0-3.0版本）
2019年6月，智能快掘1.0版在曹家滩煤矿井下开启工业性试验。在此期间，出现掘支不同步、顶帮锚支护不同步、运输系统卡煤等问题。为解决上述难题，攻关小组结合现场实际，开展了大量调研、分析论证、技术改造工作，通过60余项技术升级为适用性更加完备的自动化快掘成套装备2.0版。
将“1+2”模式优化为“1+1”模式，将掘锚一体机锚杆钻臂优化为2顶+2帮，将液压锚杆钻车钻臂优化为2顶+2帮+2锚索；取消了原二运桥架，配套DSJ100/140/4×315型带式输送机，运输距离可达6500m，且采用单点驱动、无基础安装方式；自适应张紧系统、履带式液压驱动机尾底盘，实现了自动行走、自动纠偏、远程监控，精简了运输系统设备，减少了检修人员及设备故障点，降低了单岗操作的安全风险。
2.0版运行以来，降低了职工劳动强度，实现了“人机环管”高度融合。同期创造了单进91m、月进2020m的最高纪录，1500m/月成巷进尺成为常态。智能快掘成套装备（V2.0）如图1所示。
图1 智能快掘成套装备（V2.0）
2020年10月，榆北煤业持续开展科研攻关，在2.0版基础上引进了机器人技术，依托人工智能、信息化等前沿技术，对该套装备进行了智能化升级，迭代升级为智能快掘成套装备3.0版。在曹家滩煤矿井下掘进工作面成功应用，实现了“掘、铺、支、运”连续循环作业。主要创新包括以下6个方面。
（1）锚护系统智能化
实现了锚杆全自动作业、锚索半自动作业铺网全自动作业，掘进速度从原来的一排20～30min缩短为8～10min。
（2）超长远距离运输
实现了6.5km输送带自延伸连续运输，解决了输送带跑偏，节省了因延伸输送带造成的时间、人力成本。
（3）记忆式自适应截割
设备实时监测截割滚筒位置及机身姿态，自动完成升刀、进刀、下割、拉底、升刀等工序。截割过程中，实时监测计算截割功率，反馈煤岩情况，计算最佳进刀速度，通过控制比例阀来控制截割大臂动作。
（4）可视化远程操控
以远程可视操作方式完成快速掘进成套各子系统的联合动作，减少了掘进工作面操作人员数量，实现了连续、快速、稳定、安全的掘、支、铺、运一体化作业。
（5）“泡沫+水雾+负压风机”高效除尘
直接作用在尘源位置，除尘效率提高至95%。
（6）组合精准定位+机身姿态自纠
使用左右两侧布设的测距雷达测量机身距帮距离，计算轴向姿态与位置，实现机身自动纠偏；运用“雷达测距+惯导+里程计”的组合方案，实现连续、实时、精准定位。
护盾式掘进机器人系统
2019年，针对小保当一号煤矿围岩复杂的地质条件，榆北煤业与小保当一号煤矿、西安科技大学、西安煤矿和机械有限公司等单位共同启动了世界首套大断面（6.5m×4.3m）护盾式掘进机器人系统的研发项目。多次邀请行业内专家、学者从围岩控制、装备配套、施工工艺、劳动组织等方面进行技术研讨，对行业现有掘进工艺、技术和配套装备进行提升、创新、集成、突破，最终形成了适用于矿井复杂地质条件、具有自主知识产权的护盾式掘进机器人系统，护盾式掘进机器人组成结构如图2所示。
图2 护盾式掘进机器人组成结构
护盾式掘进机器人系统由护盾式掘进机器人、钻锚机器人、锚网输送机器人、电液控平台、运输及通风除尘系统组成，具备掘进定位导航、位姿自动纠偏、自适应截割、轨迹跟踪、环境多参数智能感知、设备状态在线监测与故障诊断、远程控制、人工辅助干预等功能，能够实现截割与护盾协同作业。在实践中主要进行以下5方面工艺优化。
（1）钻锚机器人钻臂布置优化
实现了钻臂“一次升降”完成锚杆和锚索的支护作业，1个支护循环节约时间4min，提高了支护效率且优化了作业空间，确保了员工安全。
（2）转载带式输送机与自移机尾搭接工艺优化
提高了巷道空间利用率，畅通了辅助车辆运输，提升了运煤效率和安全作业系数。
（3）跟机风筒储筒仓优化
解决了延伸风筒难、易折弯的问题，杜绝了风筒漏风和脱节等现象，保障了通风系统的可靠性。
（4）泡沫除尘系统优化
实现了泡沫剂的自动配比，提高了发泡效果，泡沫除尘“全包围”截割部，粉尘浓度有效降低，改善了作业环境。
（5）智能化功能升级优化
通过升级相关算法，优化调整行程、倾角、位移等传感器，实现了自动截割、远程控制、自动运网、自动铺网等智能化功能。
护盾式掘进机器人系统在小保当一号煤矿完成工业性试验，通过5类60余项优化改造，最终达到了高度智能化的要求，最高日进56m，解决了顶板破碎、片帮等复杂地质条件下矩形大断面煤巷的智能掘进问题。2021年即创造了1052m/月的掘进纪录，并通过了陕西省2021年度首台（套）重大技术装备产品项目评审。
快速掘进成套装备
2020年初，针对小保当一号煤矿地质条件，榆北煤业通过自主创新，整合山特维克掘锚一体机、铁建重工锚运破一体机等设备，成功组成1套工艺适应性更优的快速掘进成套装备，实现了综合机械化掘进。快速掘进成套装备支护系统改造设计如图3所示。
图3 快速掘进成套装备支护系统改造设计
快速成套装备主要创新点有以下6个方面。
（1）匹配支护参数，提高支护效率
掘锚一体机钻锚系统4顶+2帮精简为2顶+2帮，后配套锚杆钻机增加锚杆机二级滑移架，将锚杆钻机由固定式改为滑移式，增强了锚杆钻机安装锚杆的灵活性。
（2）优化支护作业平台，提高作业安全系数
将分块式作业平台改为整体式作业平台、将左右平台整体提升1m，使操作人员站位更加合理，避免了片帮煤伤人风险。
（3）改造供电系统拉移方式，实现快速牵引
将移变配电点安装在自移机尾上，可随机前移，同时在支护钻车尾部增加1台绞车装置，以钻车本体为锚点，绞绳为牵引，用于快速拉移机尾。
（4）优化接煤转载装置
将掘锚一体机和锚杆钻车间的料斗进行改造，实现了煤流无缝承接。
（5）优化支护钻车
在支护钻车上，加装2台锚索钻机及操作平台，增加了支护钻机数量，实现了锚杆、锚索支护平行作业。
（6）优化转载系统启动程序
优化了转载系统启动程序，实现了桥式转载机、刮板输送机一键式启动，提高了运输效率。
煤-岩巷快速掘进成套装备
2022年，针对煤-岩巷条件掘进速度缓慢的问题，榆北煤业结合涌鑫公司安山煤矿地质条件成功应用了煤-岩巷快速掘进成套装备，煤-岩巷快速掘进成套装备改造设计如图4所示。该套装备由EJM340/4-2H型掘锚一体机、MZHB5-1200/25型锚杆转载机、DZY100/160/3×45型带式转载机及DWZY1200/1500型迈步式自移机尾组成，具有破岩能力强、掘锚同步、平行作业、智能控制等特点，实现了掘、支、锚、运、破成套一体化平行作业。主要完成了以下5个方面的升级。
（1）采用大功率、高强度、可伸缩全断面截割滚筒，优化截齿截线距及切削厚度，巷道一次成型，有效提高截割稳定，满足半煤岩复杂条件的截割工况。
图4 煤-岩巷快速掘进成套装备改造设计
（2）优化设备冷却水系统，对掘锚一体机主供水管路加装增压泵，并将掘锚一体机、锚杆转载机冷却管路分开独立供应，有效解决了机身供水压力不足、流量小的问题，同时将设备回水末端接入巷道临时排水点，解决巷道底板泥化问题，大幅提高了单班作业效率。
（3）采用迈步式自移机尾＋柔性连续运输方式，搭接长度60m，操作方式有遥控和远控，具有快速延伸输送带、自主行走等功能。
（4）提高支护速度，将掘锚一体机钻臂钻套由B22优化为B19，掘锚一体机、锚杆转载机11台钻臂主风管由原来的DN13更换为DN25，双管齐下使冲渣压力增加，解决了冲渣不彻底、频繁堵塞等问题。
（5）优化支护工艺，将掘锚一体机前端4台锚杆钻臂与中部2台锚索钻臂水平间距由1.65m优化调整为1.15m，实现锚杆锚索同时施工；同时优化巷道支护参数，将顶部锚杆支护间排距由原来的1000mm×1100mm变更为1200mm×1100mm，解决了锚杆支护平行作业问题，大幅提升了支护效率。
2022年8月，该套装备在陕西涌鑫公司安山煤矿井下掘进工作面完成工业性试验，实现煤-岩巷单班最高进尺58m，月进尺最高纪录940m。
复杂地质条件“环绕式”快速掘进成套装备
2022年12月，结合陕西涌鑫公司沙梁煤矿地质条件复杂、煤层赋存变化大、工作面“搬家倒面”频繁等实际情况，榆北煤业成功研发了第5类复杂地质条件“环绕式”快速掘进成套装备。
该套装备由掘锚一体机、履带式自移机尾、可伸缩带式输送机及转弯装置组成，创新使用由“胶运巷道+切眼+回风巷”的“环绕式”掘进工法，一次安装，回采巷道一次成型，为复杂地质条件短走向采煤工作面煤-岩巷智能快掘提供了新模式，2023年获得行业应用标杆案例。
与常规快速掘锚成套装备相比，此套装备具有7个方面技术特点和1项工艺创新。
（1）优化设备配置
在常规后配套设备基础上减少设备数量，后配套设备整体尺寸更短更小、更简化，人员和物料运输更方便。准备巷道的长度从原来的200m缩短至80m，减少了准备巷道的掘进工程量。
（2）减少作业人员数量
依托设备功能的高度集成性，将锚杆转载机组操作人员精简至掘锚一体机，减少配套操作人员数量。
（3）降低锚索空顶距
设备支护实现随掘随支，打破常规成套装备锚索支护滞后至锚杆转载机的形式，定制化成套装备集成至掘锚一体机，实现锚索支护前移，减少锚索空顶距。
（4）满足掘进转弯半径
掘进转弯半径为5.5m×5.5m，实现设备单机掘进、拐弯巷道掘进连续作业，带式输送机拐弯装置如图5所示。
图5 带式输送机拐弯装置
（5）实现设备连续运输
常规快速掘锚成套装备遇到断层、巷道距离较短或开切眼需转弯掘进时，无法实现连续掘进，需使用梭车配合作业，而沙梁快掘装备可实现转弯连续掘进，直接将物料通过自移机尾接料段运输至输送带内。
（6）缩短设备安装回撤周期
常规快速掘锚成套装备安装回撤工期大约需要15天，沙梁“环绕式”快掘系统仅需7天，工期缩短至少1倍。
（7）降低维保备件种类
设备备件种类减少，降低了备件库存储备和成本投入，提高了备件管理与采购效率。
（8）创新使用“环绕式快速掘进”工法
因沙梁煤矿地质条件复杂，巷道掘进长度较短，不超过1000m，最短300m，而快掘系统设备较多，安装周期长，频繁“搬家倒面”影响掘进效率。
针对上述问题，2023年3月，榆北煤业在涌鑫公司沙梁煤矿井下首次提出“环绕式快速掘进”工法，一次安装，一次成巷，掘进巷道由原来的1078m调整至2412m，成巷周期由3个月缩减至40天，大幅减少了设备频繁倒面，真正发挥出快掘系统的最大功效。
2023年，榆北煤业针对安山煤矿、袁大滩煤矿复杂地质条件，联合中国铁建重工集团股份有限公司、中国煤炭科工集团、中国矿业大学等科研技术团队，破解煤-岩巷除尘、平行支护、防退机等技术难题，成功引进了540kW大功率新型智能快掘成套装备，在复杂煤-岩巷条件下日进尺突破60m，月进尺最高达到1222m，主要完成了4个方面创新改造。
（1）优化掘锚一体机截割系统
将截割功率由270kW提升至540kW，驱动转矩提升2倍，设备电压由1140V提升至3300V，将截割部采用Q690高强度合金钢，并优化截割滚筒截线距由原来57mm减小至50mm，调整部分截齿安装角度及数量，增强机组破岩能力，降低截齿配件消耗。
（2）首创六顶两帮支护工艺
将机组滑架行程增加至1.2m，全断面实现六顶两帮支护，实现1.2m大排距下的掘锚同步作业，使单根锚杆作业时间由原来的15min缩短至10min，掘进工效由单人0.36m/工提高至单人0.45m/工，有效提升掘进和支护效率。
（3）优化掘锚一体机行走和运输系统
针对井下软岩底板地质条件，对行走部履带板选用定制型加宽80mm履带板，并加高130mm离地间隙，降低机组接地比压，提升设备行驶稳定性和通过性。同时，将运输槽采用加厚复合耐磨板，提升了刮板输送机高效运输能力。
（4）定制化设计除尘系统
结合工作面粉尘集散分布情况，在自移机尾平台创新设计并安装使用负压除尘系统，实现装置的随机移动，并用软式风筒与除尘器连接，在尾部加设消音装置，提高了除尘效率，抑制工作面粉尘不向巷道后方扩散，改善掘进工作面除尘效果。
经过多年的探索实践，榆北煤业结合所属矿井煤层赋存条件和开采技术条件，针对煤巷和煤-岩巷各类不同地质条件，在智能快掘技术及成套装备应用方面积极开展创新研究，成功形成了6大类智能快掘成套技术及装备，将快速掘进技术与物联网、云计算、大数据、人工智能、自动化控制、机器人等现代信息技术深度融合，整合“掘-铺-支-运”全过程，提升煤矿快速掘进水平，让智能快掘成为实现煤矿安全高效发展的根本途径，为全国煤炭行业更多矿井提供了可借鉴、可复制的智能快掘模式范本。
编辑丨李莎
审核丨赵瑞
