煤矿巷道快速掘进技术优化与应用研究

引言

煤炭作为我国主体能源，其安全高效开采对国家能源安全与经济稳定具有战略意义。巷道掘进作为矿井开拓、准备与回采的先导工程，其速度与质量直接影响矿井产能释放与采掘接续平衡。传统钻爆法及部分早期机械化掘进方式存在工序繁杂、效率低下、安全风险高等问题，难以满足现代化大型矿井高强度、快节奏的生产需求。因此，深入研究与应用巷道快速掘进技术，突破效率瓶颈，实现“快掘、快支、快运”一体化作业，是提升矿井核心竞争力、推动煤炭工业高质量发展的必然要求。本文旨在系统梳理当前快速掘进技术现状，探讨其核心环节的优化方向与应用价值。

一、高效破岩与连续排矸技术原理与发展

快速掘进技术的核心在于实现岩体的高效破碎与矸石的连续运排。在破岩方面，悬臂式掘进机依靠高强度截齿的旋转切割实现连续落煤岩，其性能提升依赖于截割头结构设计优化、截齿材料与耐磨性增强以及截割参数（转速、摆速、切入深度）的智能自适应匹配。全断面岩巷掘进机（TBM）则依靠盘形滚刀的强大推压力实现硬岩的挤压破碎，其关键突破点在于滚刀材质与结构创新、高推力稳定推进系统以及精准导向控制技术的发展。在排矸环节，关键在于实现掘进机载装运系统（如星轮或耙爪）的高效装载与刮板输送机或带式输送机的连续转运能力无缝衔接。优化方向集中于提高装运机构对不同块度矸石的适应性、减小转载点堵塞几率、降低设备磨损以及提升连续运输系统的可靠性与运力。锚杆转载机（ABM）的应用则将支护作业与排矸流程并行化，是提升系统整体效率的重要环节。

二、掘进设备智能化升级与关键技术创新

设备的智能化与可靠性是快速掘进的基础保障。一是着力提升核心装备性能，研发大功率、高强度、高可靠性的截割机构与行走部；二是推进设备智能感知与自适应控制，集成高精度惯性导航（IMU）、激光指向仪等实现机身位姿实时监测与自动纠偏，基于地质感知系统（如地质雷达、随钻测量）预测前方围岩条件并智能调整截割参数；三是优化设备模块化设计，缩短井下拆装与故障维修时间；四是强化电气系统可靠性与远程监控诊断能力，实现关键部件运行状态在线监测与预警。设备制造商与科研院所需协同攻关，在关键零部件国产化替代、长寿命设计、极端工况适应性等方面持续突破，为快速掘进提供坚实的装备基础。

三、施工工艺参数优化与工序高效协同

科学合理的施工工艺是实现高效掘进的关键支撑。首要任务是优化掘进循环参数，精细设计单循环进尺长度，寻求截割速度、支护强度、排矸效率之间的最佳平衡点，最大限度减少非掘进作业时间。其次，革新支护工艺至关重要，推广高性能锚杆（索）与注浆材料应用，探索“掘支同步”或“短掘快支”新模式，研发自动化、机械化程度高的锚杆钻车及配套机具，大幅缩短支护工时。最后，必须强化工序衔接与辅助系统保障，实现割煤、装运、支护、通风除尘、物料运输等环节的紧凑化、并行化作业管理。优化物料（支护材料、配件）供应路线与存储机制，保障掘进头面连续作业需求。高效除尘与通风技术亦是保障掘进速度与作业环境安全的必要条件。

四、智能控制系统集成与数据驱动决策

构建高度集成的智能控制系统是实现快速掘进智慧化升级的核心。该系统应整合设备运行监控（截割电机电流、油温、振动等）、环境感知（瓦斯、粉尘、顶板离层）、位姿导航、视频监控等多源信息流。通过建立中央控制平台，实现设备集群（掘进机、锚杆钻车、转载机、连续运输系统）的协同联动控制与远程集中操作。更为关键的是，基于大数据分析技术与人工智能算法，对海量运行数据进行深度挖掘，实现对设备健康状态的智能诊断与预测性维护、对工艺参数的动态寻优调整、对围岩稳定性的超前预警以及对整体掘进效能的多维度评估。数据驱动的决策支持能够显著提升掘进过程的可控性与科学性，从经验决策迈向智能决策。

五、安全管理体系强化与技术保障

快速掘进必须以本质安全为前提。需构建贯穿技术应用全过程的安全保障体系。一是强化顶板与围岩控制，结合地质力学评估优化支护设计，引入地质雷达、微震监测等实时探测地质构造变化；应用光纤传感、应力在线监测等技术动态评估支护体受力状态与围岩稳定性演变， 确保巷道稳定。二是提升灾害预警与防治能力，集成多参数融合感知的高精度瓦斯、粉尘、突水监测传感器，构建基于风险阈值的智能预警模型，联动调控通风风量、喷雾降尘或注浆堵水系统；研发高效泡沫除尘、智能局部降温等环境保障技术， 实现灾害隐患的实时辨识与主动防控。三是严格设备运行安全防护，完善各类机械运动部件的闭锁保护装置、电气系统的防爆与漏电保护、紧急停机系统等，利用 UWB 定位、视频 AI 识别实现人员接近设备危险区域的智能预警与自动停机。 四是规范作业流程与人员培训，制定适应快速掘进模式的安全操作规程，推广虚拟现实（VR）安全实训系统，提升作业人员风险预判与应急处置能力；同时，构建“人-机-环”智能联动管控平台，实现安全状态可视化与协同管控， 从根本上实现高效与安全的有机统一。

结论

煤矿巷道快速掘进技术是现代化矿井高效生产的核心引擎，其优化与应用需通过设备、工艺、控制、管理及安全的系统性协同创新实现。研究表明：持续提升掘进装备的智能化水平与可靠性是技术突破的基础，重点在于截割机构性能升级、位姿自适应控制及关键部件国产化；高效破岩与连续排矸技术的革新是提升掘进效率的关键，需优化截割参数匹配、滚刀结构设计及装运系统衔接能力；施工工艺的精细化调控与多工序高效协同是核心支撑，通过优化掘进循环、创新支护模式（如掘支同步）及强化辅助系统保障，最大限度压缩非生产性耗时；构建数据驱动的智能控制系统是未来方向，需整合设备运行、环境感知与导航数据，依托人工智能算法实现工艺动态优化与风险超前预警；安全保障体系始终是技术应用的根本前提，需融合地质动态监测、灾害智能防控、设备本质安全防护及人员行为规范管理，形成“人-机-环”闭环管控机制。未来应深化产学研用合作，聚焦高端装备自主化、智能算法迭代、全流程数字孪生平台建设及新型破岩机理研究，推动技术向智能化、少人化方向跨越，为煤炭工业高质量发展与国家能源安全提供持续动能。

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