煤礦智能化掘進技術采用具有感知、記憶、學習和決策4種能力的錨護設備、轉載機、帶式輸送機等掘進裝備，以掘、支、運并行工藝為基礎，以設備智能控制為樞紐，以遠程可視監(jiān)控為手段，利用5G+網(wǎng)絡通信技術，融合工作面設備、人員、環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工作面掘、錨、運等主要工序及通風、除塵、供電等輔助工序智能化運行，達到掘進工作面自主定向、精確定位、定形全斷面截割、全自動錨護、連續(xù)運輸、智能通風除塵、多工序智能協(xié)同控制的高效協(xié)調安全掘進技術。

文章來源：《智能礦山》2025年第4期“視角·觀點”欄目

第一作者：胡成軍，高級工程師，現(xiàn)任中煤（天津）地下工程智能研究院有限公司智能礦山研究所副所長，主要從事煤礦設計、煤礦智能化研究工作。E-mail：huchengjun@chinacoal.com

作者單位：中煤（天津）地下工程智能研究院有限公司

引用格式：胡成軍，潘格格.智能化掘進工作面建設體系及應用探討[J].智能礦山，2025，6(4)：11-20.

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智能化掘進工作面的建設階段

國內各礦區(qū)、各煤礦的地質條件不同、掘進裝備水平不同，煤礦智能化掘進工作面建設主要分為4個階段。

（1）智能化掘進1.0

應用視頻監(jiān)控技術和工況在線監(jiān)測技術，實現(xiàn)單機設備遠程可視化操控，作業(yè)人員遠離掘進工作面，在相對安全區(qū)域作業(yè)，保障人員安全和職業(yè)健康，智能化掘進1.0系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 智能化掘進1.0系統(tǒng)

（2）智能化掘進2.0

掘進各設備基于感知姿態(tài)、工況信息，按照預設控制程序，獨立自動化作業(yè)，減少掘進作業(yè)人員數(shù)量，降低人員勞動強度，掘進機自動截割監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 掘進機自動截割監(jiān)控界面

（3）智能化掘進3.0

在掘進各設備自動化運行基礎上，采用遠程集中監(jiān)測與協(xié)同控制技術，在掘進工作面后方和地面建立集控中心，掘進智能管控系統(tǒng)通過工作面網(wǎng)絡系統(tǒng)接入設備、人員、環(huán)境、視頻等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工作面遠程可視集中監(jiān)測、一鍵啟停及多機協(xié)同管控，構建以工作面自動控制為主，集控中心遠程干預為輔助的智能化掘進模式，智能管控系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 智能管控系統(tǒng)組成

（4）智能化掘進4.0

探、掘、支、運及輔助等設備均全面感知地質環(huán)境變化，自主分析、決策、調整自身的姿態(tài)及運行工況，實現(xiàn)全智能自適應掘進，裝備和環(huán)境融合為有機整體，智能化掘進工作面建設階段如圖4所示。

圖4 智能化掘進工作面建設階段

智能化掘進工作面建設模式

結合掘進裝備研發(fā)現(xiàn)狀，智能掘進工作面主要有3種建設模式。

2.1 基于懸臂式掘進機的智能化綜掘工作面

建設模式Ⅰ的基礎裝備配套方式采用懸臂式掘進機+全自動錨桿鉆車+自動探水鉆機+帶式轉載機+邁步式自移機尾+智能通風、智能除塵、智能供電等后配套輔助系統(tǒng)+集控中心等。

掘進工藝以智能懸臂式掘進機自主截割為主，遠程干預為輔的模式截割煤（巖）體，每割1個循環(huán)后退靠幫停機；全自動錨桿鉆車經(jīng)遠程遙控行進至掘進工作面進行臨時防護，以人機協(xié)作的模式進行自動鉆孔、自動鋪網(wǎng)、自動打頂部錨桿錨索及兩幫錨桿等作業(yè)；邁步式自移機尾牽引可伸縮帶式輸送機前移，建設模式Ⅰ具有4個特點，裝備配套系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 建設模式Ⅰ裝備配套系統(tǒng)

（1）整體自動化、智能化程度高，尤其是支護關鍵工序可實現(xiàn)全自動化作業(yè)，大幅降低支護工序勞動作業(yè)強度，減少作業(yè)人員數(shù)量。

（2）掘支交叉循環(huán)作業(yè)方式的巷道空頂距?。?00 mm），對巷道頂板條件適應性強。

（3）掘進機設備尺寸適中、質量輕，系統(tǒng)移動靈活，不足之處為系統(tǒng)裝備只能實現(xiàn)掘、支工序交叉作業(yè)，影響了單循環(huán)有效作業(yè)時間；懸臂式掘進機需2次截割成巷，影響截割作業(yè)時間。

（4）受系統(tǒng)裝備配套特點、支護工藝制約，月單進水平提高有限。

2.2 基于橫軸式掘錨一體機的智能掘錨工作面

建設模式Ⅱ的基礎裝備配套方式采用橫軸式掘錨一體機+錨桿轉載車+帶式轉載機+邁步式自移機尾+智能通風、智能除塵、智能供電等后配套輔助系統(tǒng)+集控中心等。

掘進工藝以智能橫軸式掘錨一體機機載2部帶錨桿倉的頂錨桿鉆機、2部幫錨桿鉆機、2部探水鉆機及臨時支護裝置協(xié)同為核心，自動截割煤（巖）、掘進工作面臨時防護、巷道頂板部分錨桿（索）及兩幫上部錨桿永久錨護作業(yè)；錨桿轉載機機載3部頂錨桿鉆機和2部幫錨桿鉆機，完成剩余頂板錨桿（索）及兩幫下部錨桿支護；邁步式自移機尾牽引可伸縮帶式輸送機前移，建設模式Ⅱ裝備配套系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 建設模式Ⅱ裝備配套系統(tǒng)

建設模式II可實現(xiàn)掘、支平行作業(yè)，顯著特點是掘錨一體機可實現(xiàn)自動全斷面1次截割成巷，截割效率高；通過應用空間多維度同步支護工藝縮短支護作業(yè)時間，提高月單進水平，建設模式II的不足表現(xiàn)為5個方面。

（1）幫部錨桿無法實現(xiàn)全自動安裝錨桿，其他自動化功能（自動定位錨護位置、自動探放水等）受設備空間制約無法實現(xiàn)，勞動強度大，作業(yè)人員較多。

（2）受掘錨一體機空頂距（最小為195 mm）制約，該系統(tǒng)裝備適用的地質條件范圍小。

（3）掘錨一體機設備尺寸較大、質量大，系統(tǒng)移動不靈活。

（4）掘、支作業(yè)時間不平衡，實際應用無法真正實現(xiàn)掘支平行作業(yè)。

（5）錨護作業(yè)用人多，勞動強度大。

2.3 基于懸臂式掘錨機的智能掘錨工作面

建設模式Ⅲ的基礎裝備配套方式包括懸臂式掘錨機+錨桿轉載機+帶式轉載機+邁步式自移機尾+智能通風、智能除塵、智能供電等后配套輔助系統(tǒng)+集控中心等?；趹冶凼骄蝈^機的智能掘錨工作面的不足包括3個方面。

（1）掘進與支護不能平行作業(yè)，影響設備及人員生產(chǎn)效率，提高掘進速度有限。

（2）懸臂式掘錨機無法實現(xiàn)全斷面1次自動截割成巷，單循環(huán)2次截割需多次調整機身位置、方位，自動定位與導向應用難度較大。

（3）全自動鉆錨模塊質量較大（約4 t），無法機載，錨護工序無法實現(xiàn)全自動化。

掘進工藝以懸臂掘錨機及機載錨桿鉆機為核心，帶臨時支護裝置的智能懸臂式掘錨機截割煤（巖）體，實現(xiàn)掘進工作面臨時防護、部分頂板錨桿（索）及兩幫上部錨桿永久錨護作業(yè)；自動錨桿轉載機載3部頂錨桿鉆機和2部幫錨桿鉆機，完成剩余頂板錨桿（索）及兩幫下部錨桿支護；邁步式自移機尾牽引可伸縮帶式輸送機前移，建設模式Ⅲ具有3個特點，裝備配套系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 建設模式Ⅲ裝備配套系統(tǒng)

（1）機載臨時裝置和錨桿鉆機可及時對掘進工作面進行臨時防護和對巷道永久錨護，增加了有效作業(yè)時間，效率高。

（2）單設備功能較完備，工作面系統(tǒng)設備少，協(xié)同控制較容易。

（3）設備空頂距小（600 mm），對各類頂板適應性強。

（4）可實現(xiàn)掘、支順序作業(yè)，正常情況下月單進水平可達500～600 m。

2.4 建設模式特點分析

建設智能化掘進工作面主要以少人化、提高單進水平為目標。受國內掘進技術與裝備發(fā)展水平的制約，現(xiàn)階段無法實現(xiàn)智能化快速掘進技術，國內掘錨設備機載的錨桿鉆機受機體空間制約，無法布置錨桿倉、全自動鉆架，只能實現(xiàn)人工放置錨桿、藥卷條件下的錨桿作業(yè)工序的半自動化支護；自動鋪網(wǎng)技術及裝置未取得進展，仍需人工鋪網(wǎng)；受支護種類及支護方式影響，目前尚無法研制錨索和玻璃鋼的自鉆式中空錨桿。

王家?guī)X煤礦智能化掘進工作面建設

以中煤華晉集團有限公司王家?guī)X礦（簡稱王家?guī)X煤礦）智能掘進工作面建設為典型工程實踐案例，從智能截割、自動鉆錨、輔助工序自動化、多機協(xié)同控制、遠程可視監(jiān)控等方面論述智能化掘進的關鍵技術及實現(xiàn)路徑。

王家?guī)X煤礦設計生產(chǎn)能力為600萬t/年，煤層平均厚度6 m，為高瓦斯礦井。采用放頂煤開采方式，工作面巷道沿煤層底板掘進。煤層頂板完整性好的情況下，巷道最大空頂距為2.2 m。此次建設的智能化掘進工作面為12307帶式輸送機巷，巷道斷面寬×高為 5 600 mm × 3 550 mm，煤層賦存穩(wěn)定、結構復雜，平均厚度6.1 m，受構造影響地段煤層厚度變化較大，掘進工作面具有小空頂距托頂煤大斷面特點。

對比分析智能化掘進工作面3種主流建設模式，王家?guī)X煤礦以懸臂式掘進機+全自動錨桿鉆車+帶式轉載機+自移機尾等構建智能化掘進工作面，提出機身組合精確定位、碰撞檢測與預警、數(shù)據(jù)驅動等關鍵技術實現(xiàn)高效安全智能掘進。

3.1 智能截割技術

（1）掘進設備自動定位和導向系統(tǒng)

采用掘進機應用慣性導航系統(tǒng)、全站儀及激光標靶等裝置，融合組合式定位與導向方式，保證定位準確性，實時監(jiān)測掘進機機身位姿并及時調整行走機構，實現(xiàn)掘進工作面自主定向掘進，提高掘進速度和效率。

（2）自動截割

通過截割高度傳感器和掏槽行程傳感器，精確感知掘進機截割頭位置，通過設置掘進機截割滾筒最大截割高度、最低截割高度、截割頭起始位置、截割頭終止位置、掏槽前進距離等參數(shù)，按照設定的截割路線，實現(xiàn)掘進機自動完成整個截割循環(huán)，同時具有記憶截割功能，減少工作人員的工作強度，提高掘進效率，自動截割控制邏輯如圖8所示。

圖8 自動截割控制邏輯

（3）自適應截割

采集截割回路電流值，間接得到截割頭負載情況，基于感知的煤巖特性和瓦斯?jié)舛龋詣诱{節(jié)截割臂油缸和掏槽油缸的運行速度，達到截割參數(shù)的最優(yōu)匹配，實現(xiàn)低速大轉矩、快速高效截割。

（4）工況監(jiān)測與故障自診斷

在掘機機液壓管路、油箱、電機等機械液壓部件布置溫度、液位和壓力傳感器，實時采集整機的關鍵工況參數(shù)，分析關鍵部件運行情況，為操作人員遠程操作提供重要的決策依據(jù)；掘進機懸臂升降、擺動油缸和鏟板油缸集成位移傳感器，在遠程控制臺上實時顯示截割頭相對于機身的位置以及懸臂與鏟板的相對位置關系，彌補視頻監(jiān)控的盲區(qū)，提高遠程操作的安全性。

3.2 自動錨護技術

（1）錨護位置自動定位及控制系統(tǒng)

采用機器視覺、多傳感器融合技術，檢測鉆臂三維位置及方位；應用機器人、3D掃描等技術，結合煤礦巷道數(shù)字化設計和超欠挖掃描模型，建立自動定位數(shù)學模型，研發(fā)自動定位控制系統(tǒng)，規(guī)劃鉆臂運行軌跡，實現(xiàn)錨桿位置自動定位及鉆孔施工自動化。

（2）自動鋪網(wǎng)技術

研制自動鋪網(wǎng)裝置，實現(xiàn)鋼筋網(wǎng)自動傳送、自動推進，與全自動錨桿鉆車配套，降低鋪網(wǎng)作業(yè)勞動強度。

（3）半自動錨桿支護技術

采用電液控技術和錨索進給裝置，實現(xiàn)人工放置鉆桿、錨桿（索）、藥卷條件下的自動鉆孔、自動注錨桿（索）及緊固。

（4）錨固質量自檢驗技術

通過壓力傳感器、張力傳感器等元件，檢測液壓馬達流量、泵壓、轉速及鉆臂錨索張力，計算顯示液壓馬達轉矩、功率及錨桿錨固力、錨索張緊力等參數(shù)，上傳至監(jiān)控中心并自動生成錨固質量檢測日志，識別錨桿的錨固力（拉拔力）、轉矩等合格情況。

3.3 輔助工序自動化技術

（1）智能除塵技術

利用環(huán)境監(jiān)測技術，根據(jù)作業(yè)環(huán)境粉塵濃度、風速和溫度的變化，實現(xiàn)噴霧除塵的智能控制。

（2）智能通風技術

采用多信息融合和傳感器技術，研發(fā)出基于自調整模糊控制算法的局部通風機變頻調速模糊控制系統(tǒng)，根據(jù)瓦斯?jié)舛?、溫度等參?shù)自動調整風機轉速，實現(xiàn)風速自動化調節(jié)。

（3）帶式輸送機自動糾偏技術

分析不同運行工況的帶式輸送機受力特征，自動檢測輸送帶運行狀態(tài)及判別跑偏趨勢，研制出性能穩(wěn)定、動作平穩(wěn)的無源液壓自動調偏裝置，實現(xiàn)全自動預防和處理輸送帶跑偏，減少輸送帶跑偏現(xiàn)象，消除因輸送帶跑偏造成的灑煤、輸送帶邊磨損嚴重等各種隱患問題，提高輸送帶運輸設備整體可靠性。

3.4 多機協(xié)同控制技術

結合工作面掘進、支護、運輸工藝，分析掘進機、全自動錨桿鉆車、帶式轉載機、自移機尾等多個移動設備之間協(xié)調行走和運輸系統(tǒng)聯(lián)動控制關系，實現(xiàn)成套智能裝備的連續(xù)高效運行。不同工藝裝備配套的協(xié)同控制方式不同，以建設模式Ⅰ為例的運輸系統(tǒng)協(xié)同控制邏輯如圖9所示。

圖9 運輸系統(tǒng)協(xié)同控制邏輯

（1）連續(xù)運輸系統(tǒng)協(xié)同控制

分析掘進機運輸系統(tǒng)、轉載機和邁步自移機尾協(xié)調關系，研制出連續(xù)運輸協(xié)同控制集控系統(tǒng)，實現(xiàn)運輸系統(tǒng)順序啟停及故障聯(lián)動閉鎖。

（2）掘進機與通風除塵協(xié)同控制

監(jiān)測掘進機的截割狀態(tài)，自動啟停除塵，實現(xiàn)除塵風機與掘進機聯(lián)動控制；監(jiān)測除塵風機與掘進機的吸風量變化，融合監(jiān)測的粉塵濃度變化，自動調整局部風機的送風量，實現(xiàn)局部通風機與除塵風機的聯(lián)動控制，掘進狀態(tài)與通風除塵協(xié)同邏輯如圖10所示。

圖10 掘進狀態(tài)與通風除塵協(xié)同邏輯

3.5 遠程可視集中監(jiān)控技術

（1）音視頻監(jiān)控及智能視頻分析系統(tǒng)

采用高清晰度和低延時的掘進場景再現(xiàn)技術，在掘進機、轉載機、自移機尾、帶式輸送機機頭、遠程配電點等區(qū)域安裝礦用本安型低照度高清云臺攝像儀和拾音器，采集工作面音視頻信息，實時捕捉現(xiàn)場運行變化特征，指導人工遠程干預操作。

采用智能視頻分析技術和大數(shù)據(jù)技術，研發(fā)出綜掘工作面保護系統(tǒng)和人員監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對設備位置、工作狀態(tài)的視頻保護、人員違規(guī)作業(yè)、風險預警的報警，并將報警數(shù)據(jù)上傳集中監(jiān)控平臺，實現(xiàn)分級報警，快速聯(lián)動，并在云端持續(xù)優(yōu)化大數(shù)據(jù)分析模型，解決現(xiàn)有視頻人工監(jiān)視存在的盲點多、只監(jiān)不控、缺乏報警和聯(lián)動問題。

（2）無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信系統(tǒng)

采用5G網(wǎng)絡通信技術，在掘進工作面建立無線局域網(wǎng)絡，將各單機系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)設備間信息互通，達到掘進裝備間的協(xié)同控制；將工作面音視頻信息、整機工況參數(shù)通過無線傳輸至監(jiān)控中心，掘進工作面網(wǎng)絡拓撲如圖11所示。

圖11 掘進工作面網(wǎng)絡拓撲

（3）整機工況監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)

針對傳統(tǒng)故障診斷方法的延遲性、不確定性，診斷結果客觀性和可信度低等問題，應用傳感技術，實時采集掘進機、全自動錨桿鉆車、自移機尾等設備整機的溫度、電流、電壓、壓力等關鍵工況參數(shù)，分析關鍵元件的運行情況，并將數(shù)據(jù)上傳至遠程監(jiān)控中心，實現(xiàn)設備工況在線監(jiān)測。

（4）遠程集中控制系統(tǒng)

在掘進工作面后方自移機尾上部或錯車硐室內建立集中監(jiān)控中心，通過工作面局域網(wǎng)接入各設備控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測設備供電、工作面視頻、工作面設備運行狀態(tài)等信息，實現(xiàn)所有設備一鍵啟停、供配電、設備狀態(tài)監(jiān)控、視頻監(jiān)測等。當發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程出現(xiàn)偏離，及時通過監(jiān)控中心操作臺進行移機、控制相關設備起停等工作。

3.6 建設成效

王家?guī)X煤礦智能化掘進裝備經(jīng)井下工業(yè)性試驗和后續(xù)常態(tài)化運行，系統(tǒng)功能運行穩(wěn)定、可靠，形成了以工作面自動控制為主，集控中心遠程干預為輔的自動化、智能化掘進模式，減少了錨護工序作業(yè)時間和輔助作業(yè)人員，降低了工人勞動強度，緩解了礦井采掘接替緊張難題。相比傳統(tǒng)掘進工藝操作人員人數(shù)占比減少了35.7%，工效提升了24.67%，實現(xiàn)了生產(chǎn)工藝流程探-掘-支-運-輔配套裝備的智能聯(lián)動，對小空頂距智能化掘進工作面建設具有示范推廣意義，智能掘進機工況監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖12所示，井下集控中心遠程操控如圖13所示。

圖12 智能掘進機工況監(jiān)控系統(tǒng)界面

圖13 井下集控中心遠程操控

智能化掘進工作面研究方向

研發(fā)集探、掘、支等多功能的智能掘進裝備，建設智能化掘進工作面，提高巷道掘進效率，促進煤巷掘進的自動化、智能化發(fā)展。但在現(xiàn)場應用中仍存在一定不確定性和不適應性，結合煤礦地質條件，以提升支護技術智能化水平為關鍵，進行進一步研究與探索。

（1）小空頂距輕型掘錨一體技術

全國煤礦除蒙陜地區(qū)外，其他礦區(qū)煤礦地質條件屬于掘進巷道空頂距小，受橫軸掘錨一體機機械布置制約，設備控頂距大（最小為1.92 m）、質量重（最輕為95 t），適用范圍小，通過優(yōu)化錨鉆系統(tǒng)結構、應用新材料，研制小空頂距輕型掘錨一體機。

（2）全智能掘錨一體技術

針對當前掘錨一體機錨護技術自動化程度低的問題，研制基于自鉆錨桿支護技術的集自動截割成巷、自動定位錨護位置、自動鉆進、自動鋪網(wǎng)、自動安裝錨桿等功能于一體的新型全自動橫軸式掘錨一體機，全自動橫軸掘錨一體機設計模型如圖14所示。

圖14 全自動橫軸掘錨一體機設計模型

（3）快速支護技術

隨著超前地質探測技術和隨鉆地質測量技術的發(fā)展，動態(tài)自主調整支護；從巷道圍巖控制基礎理論及支護材料、工藝、裝備等角度出發(fā)，變革巷道支護技術體系。

總 結

（1）針對當前智能化掘進技術概念不清晰、建設標準不完備、關鍵技術未完全攻克等問題，闡述智能化掘進技術的內涵，總結智能化掘進技術發(fā)展的4個階段，歸納出掘進工作面3種主要裝備配套模式。

（2）深入分析了基于懸臂掘進機的智能化綜掘工作面、基于橫軸掘錨一體機的智能掘錨工作面、基于懸臂掘錨機的智能掘錨工作面3種模式，闡明了各系統(tǒng)裝備的特點和優(yōu)缺點，剖析現(xiàn)階段智能化快速掘進面臨的難題和研究現(xiàn)狀。

（3）以王家?guī)X煤礦智能掘進工作面建設為典型案例進行了工程實踐案例，從智能截割、自動鉆錨、輔助工序自動化、多機協(xié)同控制、遠程可視監(jiān)控等方面論述了智能化掘進的關鍵技術及其實現(xiàn)路徑，并展望了智能化掘進的發(fā)展方向。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產(chǎn)學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

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#智能化#掘進#王家?guī)X煤礦

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