视角·观点┃中煤(天津)地下工程智能研究院胡成军高工：智能化掘进工作面建设体系及应用探讨
煤矿智能化掘进技术采用具有感知、记忆、学习和决策4种能力的锚护设备、转载机、带式输送机等掘进装备，以掘、支、运并行工艺为基础，以设备智能控制为枢纽，以远程可视监控为手段，利用5G+网络通信技术，融合工作面设备、人员、环境数据，实现工作面掘、锚、运等主要工序及通风、除尘、供电等辅助工序智能化运行，达到掘进工作面自主定向、精确定位、定形全断面截割、全自动锚护、连续运输、智能通风除尘、多工序智能协同控制的高效协调安全掘进技术。
文章来源：《智能矿山》2025年第4期“视角·观点”栏目
第一作者：胡成军，高级工程师，现任中煤（天津）地下工程智能研究院有限公司智能矿山研究所副所长，主要从事煤矿设计、煤矿智能化研究工作。E-mail：huchengjun@chinacoal.com
作者单位：中煤（天津）地下工程智能研究院有限公司
引用格式：胡成军，潘格格.智能化掘进工作面建设体系及应用探讨[J].智能矿山，2025，6(4)：11-20.
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智能化掘进工作面的建设阶段
国内各矿区、各煤矿的地质条件不同、掘进装备水平不同，煤矿智能化掘进工作面建设主要分为4个阶段。
（1）智能化掘进1.0
应用视频监控技术和工况在线监测技术，实现单机设备远程可视化操控，作业人员远离掘进工作面，在相对安全区域作业，保障人员安全和职业健康，智能化掘进1.0系统如图1所示。
图1 智能化掘进1.0系统
（2）智能化掘进2.0
掘进各设备基于感知姿态、工况信息，按照预设控制程序，独立自动化作业，减少掘进作业人员数量，降低人员劳动强度，掘进机自动截割监控界面如图2所示。
图2 掘进机自动截割监控界面
（3）智能化掘进3.0
在掘进各设备自动化运行基础上，采用远程集中监测与协同控制技术，在掘进工作面后方和地面建立集控中心，掘进智能管控系统通过工作面网络系统接入设备、人员、环境、视频等数据，实现工作面远程可视集中监测、一键启停及多机协同管控，构建以工作面自动控制为主，集控中心远程干预为辅助的智能化掘进模式，智能管控系统组成如图3所示。
图3 智能管控系统组成
（4）智能化掘进4.0
探、掘、支、运及辅助等设备均全面感知地质环境变化，自主分析、决策、调整自身的姿态及运行工况，实现全智能自适应掘进，装备和环境融合为有机整体，智能化掘进工作面建设阶段如图4所示。
图4 智能化掘进工作面建设阶段
智能化掘进工作面建设模式
结合掘进装备研发现状，智能掘进工作面主要有3种建设模式。
2.1 基于悬臂式掘进机的智能化综掘工作面
建设模式Ⅰ的基础装备配套方式采用悬臂式掘进机+全自动锚杆钻车+自动探水钻机+带式转载机+迈步式自移机尾+智能通风、智能除尘、智能供电等后配套辅助系统+集控中心等。
掘进工艺以智能悬臂式掘进机自主截割为主，远程干预为辅的模式截割煤（岩）体，每割1个循环后退靠帮停机；全自动锚杆钻车经远程遥控行进至掘进工作面进行临时防护，以人机协作的模式进行自动钻孔、自动铺网、自动打顶部锚杆锚索及两帮锚杆等作业；迈步式自移机尾牵引可伸缩带式输送机前移，建设模式Ⅰ具有4个特点，装备配套系统如图5所示。
图5 建设模式Ⅰ装备配套系统
（1）整体自动化、智能化程度高，尤其是支护关键工序可实现全自动化作业，大幅降低支护工序劳动作业强度，减少作业人员数量。
（2）掘支交叉循环作业方式的巷道空顶距小（300 mm），对巷道顶板条件适应性强。
（3）掘进机设备尺寸适中、质量轻，系统移动灵活，不足之处为系统装备只能实现掘、支工序交叉作业，影响了单循环有效作业时间；悬臂式掘进机需2次截割成巷，影响截割作业时间。
（4）受系统装备配套特点、支护工艺制约，月单进水平提高有限。
2.2 基于横轴式掘锚一体机的智能掘锚工作面
建设模式Ⅱ的基础装备配套方式采用横轴式掘锚一体机+锚杆转载车+带式转载机+迈步式自移机尾+智能通风、智能除尘、智能供电等后配套辅助系统+集控中心等。
掘进工艺以智能横轴式掘锚一体机机载2部带锚杆仓的顶锚杆钻机、2部帮锚杆钻机、2部探水钻机及临时支护装置协同为核心，自动截割煤（岩）、掘进工作面临时防护、巷道顶板部分锚杆（索）及两帮上部锚杆永久锚护作业；锚杆转载机机载3部顶锚杆钻机和2部帮锚杆钻机，完成剩余顶板锚杆（索）及两帮下部锚杆支护；迈步式自移机尾牵引可伸缩带式输送机前移，建设模式Ⅱ装备配套系统如图6所示。
图6 建设模式Ⅱ装备配套系统
建设模式II可实现掘、支平行作业，显著特点是掘锚一体机可实现自动全断面1次截割成巷，截割效率高；通过应用空间多维度同步支护工艺缩短支护作业时间，提高月单进水平，建设模式II的不足表现为5个方面。
（1）帮部锚杆无法实现全自动安装锚杆，其他自动化功能（自动定位锚护位置、自动探放水等）受设备空间制约无法实现，劳动强度大，作业人员较多。
（2）受掘锚一体机空顶距（最小为195 mm）制约，该系统装备适用的地质条件范围小。
（3）掘锚一体机设备尺寸较大、质量大，系统移动不灵活。
（4）掘、支作业时间不平衡，实际应用无法真正实现掘支平行作业。
（5）锚护作业用人多，劳动强度大。
2.3 基于悬臂式掘锚机的智能掘锚工作面
建设模式Ⅲ的基础装备配套方式包括悬臂式掘锚机+锚杆转载机+带式转载机+迈步式自移机尾+智能通风、智能除尘、智能供电等后配套辅助系统+集控中心等。基于悬臂式掘锚机的智能掘锚工作面的不足包括3个方面。
（1）掘进与支护不能平行作业，影响设备及人员生产效率，提高掘进速度有限。
（2）悬臂式掘锚机无法实现全断面1次自动截割成巷，单循环2次截割需多次调整机身位置、方位，自动定位与导向应用难度较大。
（3）全自动钻锚模块质量较大（约4 t），无法机载，锚护工序无法实现全自动化。
掘进工艺以悬臂掘锚机及机载锚杆钻机为核心，带临时支护装置的智能悬臂式掘锚机截割煤（岩）体，实现掘进工作面临时防护、部分顶板锚杆（索）及两帮上部锚杆永久锚护作业；自动锚杆转载机载3部顶锚杆钻机和2部帮锚杆钻机，完成剩余顶板锚杆（索）及两帮下部锚杆支护；迈步式自移机尾牵引可伸缩带式输送机前移，建设模式Ⅲ具有3个特点，装备配套系统如图7所示。
图7 建设模式Ⅲ装备配套系统
（1）机载临时装置和锚杆钻机可及时对掘进工作面进行临时防护和对巷道永久锚护，增加了有效作业时间，效率高。
（2）单设备功能较完备，工作面系统设备少，协同控制较容易。
（3）设备空顶距小（600 mm），对各类顶板适应性强。
（4）可实现掘、支顺序作业，正常情况下月单进水平可达500～600 m。
2.4 建设模式特点分析
建设智能化掘进工作面主要以少人化、提高单进水平为目标。受国内掘进技术与装备发展水平的制约，现阶段无法实现智能化快速掘进技术，国内掘锚设备机载的锚杆钻机受机体空间制约，无法布置锚杆仓、全自动钻架，只能实现人工放置锚杆、药卷条件下的锚杆作业工序的半自动化支护；自动铺网技术及装置未取得进展，仍需人工铺网；受支护种类及支护方式影响，目前尚无法研制锚索和玻璃钢的自钻式中空锚杆。
王家岭煤矿智能化掘进工作面建设
以中煤华晋集团有限公司王家岭矿（简称王家岭煤矿）智能掘进工作面建设为典型工程实践案例，从智能截割、自动钻锚、辅助工序自动化、多机协同控制、远程可视监控等方面论述智能化掘进的关键技术及实现路径。
王家岭煤矿设计生产能力为600万t/年，煤层平均厚度6 m，为高瓦斯矿井。采用放顶煤开采方式，工作面巷道沿煤层底板掘进。煤层顶板完整性好的情况下，巷道最大空顶距为2.2 m。此次建设的智能化掘进工作面为12307带式输送机巷，巷道断面宽×高为 5 600 mm × 3 550 mm，煤层赋存稳定、结构复杂，平均厚度6.1 m，受构造影响地段煤层厚度变化较大，掘进工作面具有小空顶距托顶煤大断面特点。
对比分析智能化掘进工作面3种主流建设模式，王家岭煤矿以悬臂式掘进机+全自动锚杆钻车+带式转载机+自移机尾等构建智能化掘进工作面，提出机身组合精确定位、碰撞检测与预警、数据驱动等关键技术实现高效安全智能掘进。
3.1 智能截割技术
（1）掘进设备自动定位和导向系统
采用掘进机应用惯性导航系统、全站仪及激光标靶等装置，融合组合式定位与导向方式，保证定位准确性，实时监测掘进机机身位姿并及时调整行走机构，实现掘进工作面自主定向掘进，提高掘进速度和效率。
（2）自动截割
通过截割高度传感器和掏槽行程传感器，精确感知掘进机截割头位置，通过设置掘进机截割滚筒最大截割高度、最低截割高度、截割头起始位置、截割头终止位置、掏槽前进距离等参数，按照设定的截割路线，实现掘进机自动完成整个截割循环，同时具有记忆截割功能，减少工作人员的工作强度，提高掘进效率，自动截割控制逻辑如图8所示。
图8 自动截割控制逻辑
（3）自适应截割
采集截割回路电流值，间接得到截割头负载情况，基于感知的煤岩特性和瓦斯浓度，自动调节截割臂油缸和掏槽油缸的运行速度，达到截割参数的最优匹配，实现低速大转矩、快速高效截割。
（4）工况监测与故障自诊断
在掘机机液压管路、油箱、电机等机械液压部件布置温度、液位和压力传感器，实时采集整机的关键工况参数，分析关键部件运行情况，为操作人员远程操作提供重要的决策依据；掘进机悬臂升降、摆动油缸和铲板油缸集成位移传感器，在远程控制台上实时显示截割头相对于机身的位置以及悬臂与铲板的相对位置关系，弥补视频监控的盲区，提高远程操作的安全性。
3.2 自动锚护技术
（1）锚护位置自动定位及控制系统
采用机器视觉、多传感器融合技术，检测钻臂三维位置及方位；应用机器人、3D扫描等技术，结合煤矿巷道数字化设计和超欠挖扫描模型，建立自动定位数学模型，研发自动定位控制系统，规划钻臂运行轨迹，实现锚杆位置自动定位及钻孔施工自动化。
（2）自动铺网技术
研制自动铺网装置，实现钢筋网自动传送、自动推进，与全自动锚杆钻车配套，降低铺网作业劳动强度。
（3）半自动锚杆支护技术
采用电液控技术和锚索进给装置，实现人工放置钻杆、锚杆（索）、药卷条件下的自动钻孔、自动注锚杆（索）及紧固。
（4）锚固质量自检验技术
通过压力传感器、张力传感器等元件，检测液压马达流量、泵压、转速及钻臂锚索张力，计算显示液压马达转矩、功率及锚杆锚固力、锚索张紧力等参数，上传至监控中心并自动生成锚固质量检测日志，识别锚杆的锚固力（拉拔力）、转矩等合格情况。
3.3 辅助工序自动化技术
（1）智能除尘技术
利用环境监测技术，根据作业环境粉尘浓度、风速和温度的变化，实现喷雾除尘的智能控制。
（2）智能通风技术
采用多信息融合和传感器技术，研发出基于自调整模糊控制算法的局部通风机变频调速模糊控制系统，根据瓦斯浓度、温度等参数自动调整风机转速，实现风速自动化调节。
（3）带式输送机自动纠偏技术
分析不同运行工况的带式输送机受力特征，自动检测输送带运行状态及判别跑偏趋势，研制出性能稳定、动作平稳的无源液压自动调偏装置，实现全自动预防和处理输送带跑偏，减少输送带跑偏现象，消除因输送带跑偏造成的洒煤、输送带边磨损严重等各种隐患问题，提高输送带运输设备整体可靠性。
3.4 多机协同控制技术
结合工作面掘进、支护、运输工艺，分析掘进机、全自动锚杆钻车、带式转载机、自移机尾等多个移动设备之间协调行走和运输系统联动控制关系，实现成套智能装备的连续高效运行。不同工艺装备配套的协同控制方式不同，以建设模式Ⅰ为例的运输系统协同控制逻辑如图9所示。
图9 运输系统协同控制逻辑
（1）连续运输系统协同控制
分析掘进机运输系统、转载机和迈步自移机尾协调关系，研制出连续运输协同控制集控系统，实现运输系统顺序启停及故障联动闭锁。
（2）掘进机与通风除尘协同控制
监测掘进机的截割状态，自动启停除尘，实现除尘风机与掘进机联动控制；监测除尘风机与掘进机的吸风量变化，融合监测的粉尘浓度变化，自动调整局部风机的送风量，实现局部通风机与除尘风机的联动控制，掘进状态与通风除尘协同逻辑如图10所示。
图10 掘进状态与通风除尘协同逻辑
3.5 远程可视集中监控技术
（1）音视频监控及智能视频分析系统
采用高清晰度和低延时的掘进场景再现技术，在掘进机、转载机、自移机尾、带式输送机机头、远程配电点等区域安装矿用本安型低照度高清云台摄像仪和拾音器，采集工作面音视频信息，实时捕捉现场运行变化特征，指导人工远程干预操作。
采用智能视频分析技术和大数据技术，研发出综掘工作面保护系统和人员监控系统，实现对设备位置、工作状态的视频保护、人员违规作业、风险预警的报警，并将报警数据上传集中监控平台，实现分级报警，快速联动，并在云端持续优化大数据分析模型，解决现有视频人工监视存在的盲点多、只监不控、缺乏报警和联动问题。
（2）无线数据网络通信系统
采用5G网络通信技术，在掘进工作面建立无线局域网络，将各单机系统数据接入无线局域网，实现设备间信息互通，达到掘进装备间的协同控制；将工作面音视频信息、整机工况参数通过无线传输至监控中心，掘进工作面网络拓扑如图11所示。
图11 掘进工作面网络拓扑
（3）整机工况监测及故障诊断系统
针对传统故障诊断方法的延迟性、不确定性，诊断结果客观性和可信度低等问题，应用传感技术，实时采集掘进机、全自动锚杆钻车、自移机尾等设备整机的温度、电流、电压、压力等关键工况参数，分析关键元件的运行情况，并将数据上传至远程监控中心，实现设备工况在线监测。
（4）远程集中控制系统
在掘进工作面后方自移机尾上部或错车硐室内建立集中监控中心，通过工作面局域网接入各设备控制系统，实时监测设备供电、工作面视频、工作面设备运行状态等信息，实现所有设备一键启停、供配电、设备状态监控、视频监测等。当发现生产过程出现偏离，及时通过监控中心操作台进行移机、控制相关设备起停等工作。
3.6 建设成效
王家岭煤矿智能化掘进装备经井下工业性试验和后续常态化运行，系统功能运行稳定、可靠，形成了以工作面自动控制为主，集控中心远程干预为辅的自动化、智能化掘进模式，减少了锚护工序作业时间和辅助作业人员，降低了工人劳动强度，缓解了矿井采掘接替紧张难题。相比传统掘进工艺操作人员人数占比减少了35.7%，工效提升了24.67%，实现了生产工艺流程探-掘-支-运-辅配套装备的智能联动，对小空顶距智能化掘进工作面建设具有示范推广意义，智能掘进机工况监控系统界面如图12所示，井下集控中心远程操控如图13所示。
图12 智能掘进机工况监控系统界面
图13 井下集控中心远程操控
智能化掘进工作面研究方向
研发集探、掘、支等多功能的智能掘进装备，建设智能化掘进工作面，提高巷道掘进效率，促进煤巷掘进的自动化、智能化发展。但在现场应用中仍存在一定不确定性和不适应性，结合煤矿地质条件，以提升支护技术智能化水平为关键，进行进一步研究与探索。
（1）小空顶距轻型掘锚一体技术
全国煤矿除蒙陕地区外，其他矿区煤矿地质条件属于掘进巷道空顶距小，受横轴掘锚一体机机械布置制约，设备控顶距大（最小为1.92 m）、质量重（最轻为95 t），适用范围小，通过优化锚钻系统结构、应用新材料，研制小空顶距轻型掘锚一体机。
（2）全智能掘锚一体技术
针对当前掘锚一体机锚护技术自动化程度低的问题，研制基于自钻锚杆支护技术的集自动截割成巷、自动定位锚护位置、自动钻进、自动铺网、自动安装锚杆等功能于一体的新型全自动横轴式掘锚一体机，全自动横轴掘锚一体机设计模型如图14所示。
图14 全自动横轴掘锚一体机设计模型
（3）快速支护技术
随着超前地质探测技术和随钻地质测量技术的发展，动态自主调整支护；从巷道围岩控制基础理论及支护材料、工艺、装备等角度出发，变革巷道支护技术体系。
总 结
（1）针对当前智能化掘进技术概念不清晰、建设标准不完备、关键技术未完全攻克等问题，阐述智能化掘进技术的内涵，总结智能化掘进技术发展的4个阶段，归纳出掘进工作面3种主要装备配套模式。
（2）深入分析了基于悬臂掘进机的智能化综掘工作面、基于横轴掘锚一体机的智能掘锚工作面、基于悬臂掘锚机的智能掘锚工作面3种模式，阐明了各系统装备的特点和优缺点，剖析现阶段智能化快速掘进面临的难题和研究现状。
（3）以王家岭煤矿智能掘进工作面建设为典型案例进行了工程实践案例，从智能截割、自动钻锚、辅助工序自动化、多机协同控制、远程可视监控等方面论述了智能化掘进的关键技术及其实现路径，并展望了智能化掘进的发展方向。
END
编辑丨李莎
审核丨赵瑞
煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。
《智能矿山》
Journal of Intelligent Mine
月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦矿山智能化领域产学研用新进展的综合性技术刊物。
主编：王国法院士
投稿网址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）
联系人：李编辑 010-87986441
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