專訪┃大海則煤礦復雜條件下智能快速掘進建設實踐——專訪中煤陜西榆林能源化工集團總工程師智寶巖

2025年09月30日 12:25 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

智寶巖 正高級工程師

現(xiàn)任中煤陜西能源化工集團有限公司總工程師

國家能源局第一批煤礦智能化專家、中國巖石力學與工程學會理事會礦山掘進與支護專業(yè)委員會副主任委員。

長期從事煤礦開采技術研究、智能化建設、科技創(chuàng)新管理工作，承擔中國中煤集團重大科技專項1項，重點科技項目3項，主持1項陜西省重點研發(fā)計劃項目，參與1項國家重點研發(fā)計劃項目。榮獲省部級和集團獎勵30余項，授權專利22項，發(fā)表論文15篇。榮獲中國煤炭工業(yè)協(xié)會科技攻關突出貢獻先進個人、煤礦智能化卓越管理者、榆林市有突出貢獻專家等榮譽稱號。

文章來源：《智能礦山》2025年第9期“專訪”專欄

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中煤陜西能源化工集團有限公司大海則煤礦（簡稱大海則煤礦）位于陜西省榆林市，投資163.96億元，井田面積265.63 km，可采儲量32.09億t，核準產(chǎn)能2 000萬t/年。大海則煤礦是國家“十二五”及省、市“十三五”重點建設項目，也是中國中煤能源集團有限公司與陜西省政府戰(zhàn)略合作框架內打造陜北能源化工基地的重點支撐項目。

大海則煤礦煤種為特低灰、中硫、中高揮發(fā)分、特高熱值的不粘煤，是良好的氣化、民用及動力煤。分別設置礦井及選煤廠2個工業(yè)場地，采用4個立井開拓（主立井、副立井、2個回風立井）。2021年11月完成首采工作面試運轉，2022年7月完成第2個工作面安裝，2023年10月完成2 000萬t/a項目整體竣工驗收。大海則煤礦作為全國最大的立井煤礦，在推進世界一流標桿示范礦井建設過程中，全力推進智能化建設，2020年11月被列為國家首批智能化示范建設煤礦，2024年3月，大海則煤礦順利通過國家首批智能化示范煤礦驗收，達到I類中級智能化示范礦井，選煤廠達到中級智能化選煤廠。

據(jù)大海則煤礦已施工建成的巷道實際揭露地質條件可知：煤層平均埋深約640 m，賦存穩(wěn)定且整體較平緩；三維地震勘探未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷層或褶皺，無巖漿活動及其他地質不良構造體，但局部地段存在煤層起伏發(fā)育現(xiàn)象。礦井為低瓦斯礦井，屬二氧化碳-氮氣帶，煤層屬于Ⅰ類容易自燃煤層；施工過程中可揭露隱伏的小斷層，煤體呈豎向裂隙發(fā)育，導致煤壁幫部較為破碎，出現(xiàn)片幫嚴重的問題。受深埋環(huán)境影響，巷道圍巖礦山壓力顯現(xiàn)明顯，對支護系統(tǒng)形成持續(xù)載荷作用，而煤壁片幫問題已成為制約掘進效率的主要因素，深部高應力與裂隙發(fā)育的耦合作用進一步增加了掘進施工的復雜性。為深入了解大海則煤礦在復雜條件下開展智能快速掘進建設的實踐成效及經(jīng)驗，《智能礦山》編輯部專訪了中煤陜西榆林能源化工集團有限公司總工程師智寶巖。

《智能礦山》：大海則煤礦煤層賦存條件復雜，智能快速掘進建設極其困難，是基于什么樣的背景情況下，決定要實施這項工程呢？建設之初，又是如何布局規(guī)劃的呢？

智寶巖：大海則煤礦實施復雜煤層條件下的智能快速掘進工程，是在多重背景驅動下的戰(zhàn)略決策。從行業(yè)政策層面看，2020年2月至今，國家部委印發(fā)了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》等系列文件，從建設場景、內容、標準方面，全方位提出深入推進礦山智能化建設，促進煤炭安全發(fā)展。大海則煤礦把握機遇，積極響應國家能源安全新戰(zhàn)略及煤炭工業(yè)“十四五”規(guī)劃對煤礦智能化建設的明確要求，旨在通過技術升級保障能源供應安全并推動行業(yè)高質量發(fā)展。同時，陜西省《2024—2025年智能化建設推進計劃》的地方政策進一步強化了礦井智能化改造的緊迫性。隨著煤礦機械化、智能化水平的提升，采煤工作面推進速度加快，采掘接續(xù)矛盾日益凸顯，對巷道掘進效率提出更高要求。然而，我國掘進工作面智能化尚處初級階段，缺乏統(tǒng)一標準，關鍵技術亟待突破，亟須企業(yè)聯(lián)合科研機構開展適應性技術攻關。

從減人增安提效層面來看，煤層賦存條件極為復雜，表現(xiàn)為大埋深、大斷面、厚頂煤特征，且煤體豎向裂隙發(fā)育，片幫問題突出，導致傳統(tǒng)掘進方式效率低下、成形質量差、支護耗時占比高。傳統(tǒng)掘進支護模式勞動強度大、人員密集，片幫與頂板風險高，智能化的核心目標是實現(xiàn)“少人則安、無人則安”，通過裝備替代人工作業(yè)降低事故風險，同時解決采掘接續(xù)緊張問題。

大海則煤礦智能化以打造一流智慧煤礦標桿企業(yè)為目標，秉持安全高效、綠色智能理念，從設計、建設、運行全生命周期進行頂層設計，按照總體規(guī)劃、分類建設、分步實施原則，集成最先進的理念、技術和裝備，構建了“15111”智能化架構體系，即：基于1套礦山標準體系，全面覆蓋生產(chǎn)、安全、經(jīng)營、決策、運維5大煤礦業(yè)務場景，開發(fā)1個煤礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，形成1個礦井全業(yè)務數(shù)據(jù)湖，構建1張智能礦山融合網(wǎng)絡，大海則智能礦山建設整體架構如圖1所示。

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圖1　大海則智能礦山建設整體架構

《智能礦山》：作為深埋片幫大斷面厚頂煤巷道，大海則煤礦在智能快速掘進建設實踐過程中遇到過哪些現(xiàn)場難題和技術挑戰(zhàn)，又是如何解決的呢？

智寶巖：大海則煤礦在智能快速掘進建設實踐過程中遇到的主要難題和解決措施如下：

（1）難題一：大埋深條件導致煤體裂隙發(fā)育，煤壁破碎嚴重，掘進過程經(jīng)常發(fā)生片幫、炸幫，對臨時支護要求較高；由于圍巖破碎，普通錨桿施工過程中經(jīng)常發(fā)生塌孔等問題，支護難度大，效率低。

解決措施：為解決破碎圍巖下片幫難題，創(chuàng)新采用了掘進工作面自動化噴涂臨時支護系統(tǒng)?；趪娡孔o表代替金屬網(wǎng)的臨時支護思路，采用新型高強度、快凝、高延伸率的薄噴材料，其承載能力大于49 kN/m，達到網(wǎng)片水平，且具有較高的強度、粘接性和延伸率；研發(fā)了六自由度噴涂液壓機械臂，開發(fā)了自動噴涂軌跡規(guī)劃算法，控制精度±2 mm；開發(fā)了自動化噴涂作業(yè)工藝，形成噴涂護表臨時支護設備，可一定程度上減小空幫距，起到臨時支護作用。

此外，為了進一步增加錨桿支護性能，提高支護效率，創(chuàng)新提出了鉆錨一體化錨桿自動化施工工藝（圖2），將傳統(tǒng)錨桿支護六道工序簡化為一道。采用新型鉆錨一體化錨桿及觸變性錨固劑兩種新型支護材料，并通過與之配套的多功能鉆箱、鉆臂、注漿泵等一體化錨桿配套施工系統(tǒng)，實現(xiàn)錨桿鉆孔、錨固、預緊“一鍵”自動化施工，形成鉆錨一體化錨桿快速支護成套裝備，單根錨桿作業(yè)時間由5～6 min減為2.5 min，減少了作業(yè)人員，降低了工人勞動強度。

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圖2　鉆錨一體化錨桿快速支護施工裝備

（2）難題二：傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)存在累積誤差，全站儀棱鏡易受粉塵遮擋或機械碰撞導致數(shù)據(jù)中斷，單一激光線定位無法適應巷道復雜幾何形態(tài)變化，導致掘錨一體機位姿解算精度不足，難以滿足智能截割與支護的精準要求。

解決措施：研發(fā)性導航+全站儀+多激光線的掘錨一體機組合定位技術，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)長距離高精度定位。利用數(shù)字全站儀實時采集棱鏡位置信息，對光纖慣導的累積誤差進行周期性校正；在巷道頂部部署激光指向儀，通過邊緣檢測算法提取激光線特征點，與慣導解算的位姿信息進行空間匹配，消除巷道變形引起的定位偏差；建立基于巷道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的自適應補償算法，實時修正設備位姿參數(shù)。

（3）難題三：掘錨一體機、錨運破一體機等核心裝備的數(shù)據(jù)交互存在協(xié)議壁壘，掘-支-運多機協(xié)同控制邏輯復雜。

解決措施：在未改造電控系統(tǒng)情況下，通過E-BOX數(shù)據(jù)傳輸模塊，實時監(jiān)測電機的電流、關鍵零部件的溫度及液壓油溫等工況參數(shù)；結合掘錨一體機定位數(shù)據(jù)信息，計算得出截割滾筒相對于巷道斷面的位置信息，開發(fā)了自適應截割控制系統(tǒng)，利用掏槽油缸、截割升降油缸的精確比例和位置控制，實現(xiàn)了全斷面自動截割；對現(xiàn)有錨運破一體機進行電液控改造升級，在保留原有手動操作功能、不改變原機操作習慣的前提下，通過增加切換開關實現(xiàn)了本地和遠程遙控模式切換；通過礦用無線接收器，實現(xiàn)了近地遙控和遠程監(jiān)控功能，基于工作面有線和5G網(wǎng)絡進行設備工況信息傳輸和遠程操控。

（4）難題四：掘進巷道煤巖變化較大，在半煤巖巷及巖巷掘進時粉塵較大，制約掘進速度。前期主要采用內外噴霧+機載濕式除塵系統(tǒng)進行降塵，但內、外噴霧對水量需求較大，大量水排放在巷道迎頭，造成設備行走困難；內外噴霧水壓力不高，無法形成水霧，內外噴霧除塵效果不佳；掘錨機機載濕式除塵器無法后接風筒，直接排風，帶水霧高壓風的排風口正對后部鉆車，影響掘錨平行作業(yè)。

解決措施：引入泡沫除塵系統(tǒng)，主要采用外噴霧形式，節(jié)省空間，用水量少，除塵效率達到98%以上。同時，控制內噴霧水量，僅滿足冷卻設備需要即可。改進后除塵效果明顯改善，也解決了巷道迎頭積水現(xiàn)象，為掘錨平行作業(yè)提供了重要的環(huán)境保障。

（5）難題五：深埋高應力巷道煤壁片幫經(jīng)常發(fā)生，傳統(tǒng)人工巡查無法實時監(jiān)測潛在危險區(qū)域，且設備運行過程中人員誤進入危險區(qū)域的風險突出。

解決措施：構建了圍巖監(jiān)測、人員定位、設備防護三位一體的預警系統(tǒng)。采用隨鉆振動信號采集儀與鉆孔窺視儀，建立頂板冒落風險指數(shù)模型預測潛在冒落區(qū)域；部署UWB定位基站，實現(xiàn)人員精準定位，當人員進入危險區(qū)域時自動觸發(fā)設備報警；在掘錨一體機與錨運破一體機安裝激光雷達、毫米波雷達等傳感器，實時監(jiān)測設備間距離與相對速度，當距離過小時自動觸發(fā)制動程序，避免機械碰撞。

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圖3　大海則煤礦復雜條件智能快速掘進巷道

《智能礦山》：目前，很多智能化技術在實際應用中處于探索和優(yōu)化狀態(tài)，大海則煤礦智能快速掘進系統(tǒng)建設是否也經(jīng)歷過1.0、2.0等階段的技術迭代，在不同階段分別取得了哪些技術創(chuàng)新，解決了哪些現(xiàn)場實際難題？

智寶巖：截至目前來說大海則煤礦智能快速掘進系統(tǒng)建設經(jīng)歷了3個階段。

智能快掘1.0階段：引入 Sandvik 掘錨一體機、錨運破一體機等進口裝備，首次實現(xiàn)掘進與支護工序的協(xié)同作業(yè)，初步構建起掘－錨－運掘進系統(tǒng)。但掘進設備操作基本依賴人工，掘進與支護無法實現(xiàn)平行作業(yè)，截割完成后需等待人工支護操作，掘進效率較低。

智能快掘2.0階段：針對1.0階段人工依賴度高、工序協(xié)同不足的局限，2.0階段對現(xiàn)有掘進裝備進行了針對性的技術改造，攻克了掘錨機長距離精確定位技術、多機協(xié)同控制技術、數(shù)字孿生遠程集中監(jiān)控等多項關鍵技術；開發(fā)了基于GIS+BIM和數(shù)字孿生技術的掘錨工作面集控平臺，實現(xiàn)了“人-機-環(huán)-管”全參數(shù)、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合聯(lián)動及集控一體化。上述改造有效改善了快掘1.0階段的核心問題，一定程度上提升了掘進效率，但掘進過程仍存在片幫嚴重、破碎圍巖難支護的問題，支護難題有待進一步解決。

智能快掘3.0階段：針對上述支護難題，3.0階段核心突破了鉆錨一體化與噴涂護表技術的集成應用（圖3）。采用噴涂護表代替金屬網(wǎng)的思想，引入自動化噴涂護表系統(tǒng)，解決大埋深巷道片幫難題；通過鉆錨一體化錨桿自動支護裝備，實現(xiàn)錨桿一次成孔，避免塌孔問題，提高了破碎圍巖條件下的錨桿錨固性能，并大幅提高支護效率?；谏鲜龊诵募夹g開發(fā)了鉆錨一體化智能快掘成套裝備（圖4），實現(xiàn)了深埋片幫大斷面厚頂煤巷道的掘支平行作業(yè)。

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圖4　智能快掘3.0設備

《智能礦山》：智能化技術設備是提高掘進效率、保障作業(yè)安全、降低工作強度的關鍵，大海則煤礦在智能快速掘進建設期間引進了哪些國內外先進設備，這些設備的技術優(yōu)勢及實際應用效果如何？

智寶巖：大海則煤礦智能快速掘進建設所用主要設備信息見表1：

表1 大海則煤礦智能快速掘進建設所用主要設備

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《智能礦山》：大海則煤礦復雜條件下智能快速掘進建設實踐是具有特色的示范案例，對實現(xiàn)安全、快速、高效掘進具有推廣借鑒價值。對于這項重要的工程進展，您的未來期待是什么樣的？

智寶巖目前大海則煤礦正在積極推進國家重點研發(fā)課題“復雜條件煤礦巷道快速智能掘進工程示范”，將在以下方面繼續(xù)開展智能化建設：

（1）智能快掘裝備群組位姿感知技術

融合UWB、激光雷達SLAM及油缸位移傳感，通過極坐標變換解算截割頭位姿，結合數(shù)字孿生實時展示，實現(xiàn)掘進裝備多源融合定位；UWB系統(tǒng)結合深度學習，提升定位精度，保障人機協(xié)同安全；基于激光雷達SLAM算法獲取截割頭和機身三維位姿狀態(tài)，實現(xiàn)掘進裝備群組的組合導航。

（2）智能快掘裝備狀態(tài)信息感知技術

通過多維度傳感器網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)融合與智能分析，實現(xiàn)對設備狀態(tài)的實時監(jiān)測與主動控制，例如對軸承座、齒輪箱等點位監(jiān)測圍巖突變與部件磨損；追蹤液壓、電氣系統(tǒng)狀態(tài)，支撐故障預警；分析液壓油粘度、顆粒度等評估設備磨損；結合邊緣檢測與深度學習，實現(xiàn)故障視覺診斷。

（3）掘錨機自主截割控制系統(tǒng)

通過數(shù)字孿生平臺實時交互巷道參數(shù)，依據(jù)截割頭位姿、機身狀態(tài)及電流變化，動態(tài)調整進刀位置、抬升高度等參數(shù)，通過油缸位移量轉換實現(xiàn)斷面精準成型，在現(xiàn)有技術基礎上構建掘錨機自主截割控制系統(tǒng)。

（4）錨桿自動支護技術

通過激光靶點與錨網(wǎng)視覺融合定位，構建鉆臂位姿－巷道變形梯度關聯(lián)模型，通過視覺反饋實現(xiàn)錨桿鉆臂自主定位：研發(fā)大容量錨桿倉，基于視覺引導桿尾對孔，實現(xiàn)自動裝配；融合圍巖強度感知與地質模型，實時優(yōu)化鉆速與鉆壓，保障設備健康與鉆進效率。

（5）錨索自動支護技術

通過鉆機位姿感知控制和鉆孔機械手，實現(xiàn)裝桿、鉆孔、接桿全流程自動化；研發(fā)自動延伸錨索技術、藥卷自動連續(xù)裝填技術以及錨索自動張拉技術，實現(xiàn)錨索自動支護。

（6）自動化巷道噴涂護表系統(tǒng)

通過激光雷達實現(xiàn)點云重建巷道形貌，基于曲面平滑算法重構關鍵特征；基于護表感知信息構建作業(yè)分區(qū)規(guī)劃模型，研發(fā)噴涂機械臂路徑自動規(guī)劃算法，實現(xiàn)自動化巷道噴涂護表。

（7）自主跟隨煤流運輸系統(tǒng)

主要包含膠帶自動延伸、自動補架、自動調平、自動調偏、自動清渣等子模塊。

（8）掘進物料自動配送系統(tǒng)

主要包含狀態(tài)監(jiān)測與調度決策、最優(yōu)路徑規(guī)劃與智能導航、智能裝載、運輸監(jiān)控與自動控制、自動卸載與定位等子模塊。

未來，大海則煤礦將錨定煤炭行業(yè)智能化轉型方向，深入踐行創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，以復雜條件智能快速掘進技術突破為核心，著力培育以“少人化、無人化、自適應”為特征的新質生產(chǎn)力。通過迭代升級鉆錨一體化、自動化噴涂等特色技術，優(yōu)化掘支錨運協(xié)同模式，不斷提升復雜地質條件下掘進效率與安全管控水平，加快構建“感知-決策-執(zhí)行-運維”全鏈條智能掘進體系，為國家能源安全保障和煤炭行業(yè)高質量發(fā)展提供可復制的實踐經(jīng)驗。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

期刊簡介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團有限公司主管、煤炭科學研究總院有限公司主辦的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

刊載欄目：企業(yè)/團隊/人物專訪、政策解讀、視角·觀點、智能示范礦井、對話、革新·改造、學術園地、專題報道等。

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期刊成果：創(chuàng)刊5年來，策劃出版了“中國煤科煤礦智能化成果”“陜煤集團智能化建設成果”“聚焦煤炭工業(yè)‘十四五’高質量發(fā)展”等特刊/專題30多期。主辦“煤礦智能化重大進展發(fā)布會”“煤炭清潔高效利用先進成果發(fā)布會”“《智能礦山》理事、特約編輯年會暨智能化建設論壇”“智能礦山零距離”“礦山智能化建設運維與技術創(chuàng)新高新研修班”等活動20余次。組建了理事會、特約編輯團隊、卓越人物等千余人產(chǎn)學研用高端協(xié)同辦刊團隊，打造了“刊-網(wǎng)-號-群-庫”全覆蓋的1+N全媒體傳播平臺，全方位發(fā)布礦山智能化領域新技術、新產(chǎn)品、新經(jīng)驗。

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