专访┃大海则煤矿复杂条件下智能快速掘进建设实践——专访中煤陕西榆林能源化工集团总工程师智宝岩
智宝岩 正高级工程师
现任中煤陕西能源化工集团有限公司总工程师
国家能源局第一批煤矿智能化专家、中国岩石力学与工程学会理事会矿山掘进与支护专业委员会副主任委员。
长期从事煤矿开采技术研究、智能化建设、科技创新管理工作，承担中国中煤集团重大科技专项1项，重点科技项目3项，主持1项陕西省重点研发计划项目，参与1项国家重点研发计划项目。荣获省部级和集团奖励30余项，授权专利22项，发表论文15篇。荣获中国煤炭工业协会科技攻关突出贡献先进个人、煤矿智能化卓越管理者、榆林市有突出贡献专家等荣誉称号。
文章来源：《智能矿山》2025年第9期“专访”专栏
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中煤陕西能源化工集团有限公司大海则煤矿（简称大海则煤矿）位于陕西省榆林市，投资163.96亿元，井田面积265.63 km，可采储量32.09亿t，核准产能2 000万t/年。大海则煤矿是国家“十二五”及省、市“十三五”重点建设项目，也是中国中煤能源集团有限公司与陕西省政府战略合作框架内打造陕北能源化工基地的重点支撑项目。
大海则煤矿煤种为特低灰、中硫、中高挥发分、特高热值的不粘煤，是良好的气化、民用及动力煤。分别设置矿井及选煤厂2个工业场地，采用4个立井开拓（主立井、副立井、2个回风立井）。2021年11月完成首采工作面试运转，2022年7月完成第2个工作面安装，2023年10月完成2 000万t/a项目整体竣工验收。大海则煤矿作为全国最大的立井煤矿，在推进世界一流标杆示范矿井建设过程中，全力推进智能化建设，2020年11月被列为国家首批智能化示范建设煤矿，2024年3月，大海则煤矿顺利通过国家首批智能化示范煤矿验收，达到I类中级智能化示范矿井，选煤厂达到中级智能化选煤厂。
据大海则煤矿已施工建成的巷道实际揭露地质条件可知：煤层平均埋深约640 m，赋存稳定且整体较平缓；三维地震勘探未发现规模较大的断层或褶皱，无岩浆活动及其他地质不良构造体，但局部地段存在煤层起伏发育现象。矿井为低瓦斯矿井，属二氧化碳-氮气带，煤层属于Ⅰ类容易自燃煤层；施工过程中可揭露隐伏的小断层，煤体呈竖向裂隙发育，导致煤壁帮部较为破碎，出现片帮严重的问题。受深埋环境影响，巷道围岩矿山压力显现明显，对支护系统形成持续载荷作用，而煤壁片帮问题已成为制约掘进效率的主要因素，深部高应力与裂隙发育的耦合作用进一步增加了掘进施工的复杂性。为深入了解大海则煤矿在复杂条件下开展智能快速掘进建设的实践成效及经验，《智能矿山》编辑部专访了中煤陕西榆林能源化工集团有限公司总工程师智宝岩。
《智能矿山》：大海则煤矿煤层赋存条件复杂，智能快速掘进建设极其困难，是基于什么样的背景情况下，决定要实施这项工程呢？建设之初，又是如何布局规划的呢？
智宝岩：大海则煤矿实施复杂煤层条件下的智能快速掘进工程，是在多重背景驱动下的战略决策。从行业政策层面看，2020年2月至今，国家部委印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》等系列文件，从建设场景、内容、标准方面，全方位提出深入推进矿山智能化建设，促进煤炭安全发展。大海则煤矿把握机遇，积极响应国家能源安全新战略及煤炭工业“十四五”规划对煤矿智能化建设的明确要求，旨在通过技术升级保障能源供应安全并推动行业高质量发展。同时，陕西省《2024—2025年智能化建设推进计划》的地方政策进一步强化了矿井智能化改造的紧迫性。随着煤矿机械化、智能化水平的提升，采煤工作面推进速度加快，采掘接续矛盾日益凸显，对巷道掘进效率提出更高要求。然而，我国掘进工作面智能化尚处初级阶段，缺乏统一标准，关键技术亟待突破，亟须企业联合科研机构开展适应性技术攻关。
从减人增安提效层面来看，煤层赋存条件极为复杂，表现为大埋深、大断面、厚顶煤特征，且煤体竖向裂隙发育，片帮问题突出，导致传统掘进方式效率低下、成形质量差、支护耗时占比高。传统掘进支护模式劳动强度大、人员密集，片帮与顶板风险高，智能化的核心目标是实现“少人则安、无人则安”，通过装备替代人工作业降低事故风险，同时解决采掘接续紧张问题。
大海则煤矿智能化以打造一流智慧煤矿标杆企业为目标，秉持安全高效、绿色智能理念，从设计、建设、运行全生命周期进行顶层设计，按照总体规划、分类建设、分步实施原则，集成最先进的理念、技术和装备，构建了“15111”智能化架构体系，即：基于1套矿山标准体系，全面覆盖生产、安全、经营、决策、运维5大煤矿业务场景，开发1个煤矿工业互联网平台，形成1个矿井全业务数据湖，构建1张智能矿山融合网络，大海则智能矿山建设整体架构如图1所示。
图1 大海则智能矿山建设整体架构
《智能矿山》：作为深埋片帮大断面厚顶煤巷道，大海则煤矿在智能快速掘进建设实践过程中遇到过哪些现场难题和技术挑战，又是如何解决的呢？
智宝岩：大海则煤矿在智能快速掘进建设实践过程中遇到的主要难题和解决措施如下：
（1）难题一：大埋深条件导致煤体裂隙发育，煤壁破碎严重，掘进过程经常发生片帮、炸帮，对临时支护要求较高；由于围岩破碎，普通锚杆施工过程中经常发生塌孔等问题，支护难度大，效率低。
解决措施：为解决破碎围岩下片帮难题，创新采用了掘进工作面自动化喷涂临时支护系统。基于喷涂护表代替金属网的临时支护思路，采用新型高强度、快凝、高延伸率的薄喷材料，其承载能力大于49 kN/m，达到网片水平，且具有较高的强度、粘接性和延伸率；研发了六自由度喷涂液压机械臂，开发了自动喷涂轨迹规划算法，控制精度±2 mm；开发了自动化喷涂作业工艺，形成喷涂护表临时支护设备，可一定程度上减小空帮距，起到临时支护作用。
此外，为了进一步增加锚杆支护性能，提高支护效率，创新提出了钻锚一体化锚杆自动化施工工艺（图2），将传统锚杆支护六道工序简化为一道。采用新型钻锚一体化锚杆及触变性锚固剂两种新型支护材料，并通过与之配套的多功能钻箱、钻臂、注浆泵等一体化锚杆配套施工系统，实现锚杆钻孔、锚固、预紧“一键”自动化施工，形成钻锚一体化锚杆快速支护成套装备，单根锚杆作业时间由5～6 min减为2.5 min，减少了作业人员，降低了工人劳动强度。
图2 钻锚一体化锚杆快速支护施工装备
（2）难题二：传统惯性导航系统存在累积误差，全站仪棱镜易受粉尘遮挡或机械碰撞导致数据中断，单一激光线定位无法适应巷道复杂几何形态变化，导致掘锚一体机位姿解算精度不足，难以满足智能截割与支护的精准要求。
解决措施：研发性导航+全站仪+多激光线的掘锚一体机组合定位技术，通过多传感器数据融合实现长距离高精度定位。利用数字全站仪实时采集棱镜位置信息，对光纤惯导的累积误差进行周期性校正；在巷道顶部部署激光指向仪，通过边缘检测算法提取激光线特征点，与惯导解算的位姿信息进行空间匹配，消除巷道变形引起的定位偏差；建立基于巷道围岩变形监测数据的自适应补偿算法，实时修正设备位姿参数。
（3）难题三：掘锚一体机、锚运破一体机等核心装备的数据交互存在协议壁垒，掘-支-运多机协同控制逻辑复杂。
解决措施：在未改造电控系统情况下，通过E-BOX数据传输模块，实时监测电机的电流、关键零部件的温度及液压油温等工况参数；结合掘锚一体机定位数据信息，计算得出截割滚筒相对于巷道断面的位置信息，开发了自适应截割控制系统，利用掏槽油缸、截割升降油缸的精确比例和位置控制，实现了全断面自动截割；对现有锚运破一体机进行电液控改造升级，在保留原有手动操作功能、不改变原机操作习惯的前提下，通过增加切换开关实现了本地和远程遥控模式切换；通过矿用无线接收器，实现了近地遥控和远程监控功能，基于工作面有线和5G网络进行设备工况信息传输和远程操控。
（4）难题四：掘进巷道煤岩变化较大，在半煤岩巷及岩巷掘进时粉尘较大，制约掘进速度。前期主要采用内外喷雾+机载湿式除尘系统进行降尘，但内、外喷雾对水量需求较大，大量水排放在巷道迎头，造成设备行走困难；内外喷雾水压力不高，无法形成水雾，内外喷雾除尘效果不佳；掘锚机机载湿式除尘器无法后接风筒，直接排风，带水雾高压风的排风口正对后部钻车，影响掘锚平行作业。
解决措施：引入泡沫除尘系统，主要采用外喷雾形式，节省空间，用水量少，除尘效率达到98%以上。同时，控制内喷雾水量，仅满足冷却设备需要即可。改进后除尘效果明显改善，也解决了巷道迎头积水现象，为掘锚平行作业提供了重要的环境保障。
（5）难题五：深埋高应力巷道煤壁片帮经常发生，传统人工巡查无法实时监测潜在危险区域，且设备运行过程中人员误进入危险区域的风险突出。
解决措施：构建了围岩监测、人员定位、设备防护三位一体的预警系统。采用随钻振动信号采集仪与钻孔窥视仪，建立顶板冒落风险指数模型预测潜在冒落区域；部署UWB定位基站，实现人员精准定位，当人员进入危险区域时自动触发设备报警；在掘锚一体机与锚运破一体机安装激光雷达、毫米波雷达等传感器，实时监测设备间距离与相对速度，当距离过小时自动触发制动程序，避免机械碰撞。
图3 大海则煤矿复杂条件智能快速掘进巷道
《智能矿山》：目前，很多智能化技术在实际应用中处于探索和优化状态，大海则煤矿智能快速掘进系统建设是否也经历过1.0、2.0等阶段的技术迭代，在不同阶段分别取得了哪些技术创新，解决了哪些现场实际难题？
智宝岩：截至目前来说大海则煤矿智能快速掘进系统建设经历了3个阶段。
智能快掘1.0阶段：引入 Sandvik 掘锚一体机、锚运破一体机等进口装备，首次实现掘进与支护工序的协同作业，初步构建起掘－锚－运掘进系统。但掘进设备操作基本依赖人工，掘进与支护无法实现平行作业，截割完成后需等待人工支护操作，掘进效率较低。
智能快掘2.0阶段：针对1.0阶段人工依赖度高、工序协同不足的局限，2.0阶段对现有掘进装备进行了针对性的技术改造，攻克了掘锚机长距离精确定位技术、多机协同控制技术、数字孪生远程集中监控等多项关键技术；开发了基于GIS+BIM和数字孪生技术的掘锚工作面集控平台，实现了“人-机-环-管”全参数、多系统数据融合联动及集控一体化。上述改造有效改善了快掘1.0阶段的核心问题，一定程度上提升了掘进效率，但掘进过程仍存在片帮严重、破碎围岩难支护的问题，支护难题有待进一步解决。
智能快掘3.0阶段：针对上述支护难题，3.0阶段核心突破了钻锚一体化与喷涂护表技术的集成应用（图3）。采用喷涂护表代替金属网的思想，引入自动化喷涂护表系统，解决大埋深巷道片帮难题；通过钻锚一体化锚杆自动支护装备，实现锚杆一次成孔，避免塌孔问题，提高了破碎围岩条件下的锚杆锚固性能，并大幅提高支护效率。基于上述核心技术开发了钻锚一体化智能快掘成套装备（图4），实现了深埋片帮大断面厚顶煤巷道的掘支平行作业。
图4 智能快掘3.0设备
《智能矿山》：智能化技术设备是提高掘进效率、保障作业安全、降低工作强度的关键，大海则煤矿在智能快速掘进建设期间引进了哪些国内外先进设备，这些设备的技术优势及实际应用效果如何？
智宝岩：大海则煤矿智能快速掘进建设所用主要设备信息见表1：
表1 大海则煤矿智能快速掘进建设所用主要设备
《智能矿山》：大海则煤矿复杂条件下智能快速掘进建设实践是具有特色的示范案例，对实现安全、快速、高效掘进具有推广借鉴价值。对于这项重要的工程进展，您的未来期待是什么样的？
智宝岩目前大海则煤矿正在积极推进国家重点研发课题“复杂条件煤矿巷道快速智能掘进工程示范”，将在以下方面继续开展智能化建设：
（1）智能快掘装备群组位姿感知技术
融合UWB、激光雷达SLAM及油缸位移传感，通过极坐标变换解算截割头位姿，结合数字孪生实时展示，实现掘进装备多源融合定位；UWB系统结合深度学习，提升定位精度，保障人机协同安全；基于激光雷达SLAM算法获取截割头和机身三维位姿状态，实现掘进装备群组的组合导航。
（2）智能快掘装备状态信息感知技术
通过多维度传感器网络、数据融合与智能分析，实现对设备状态的实时监测与主动控制，例如对轴承座、齿轮箱等点位监测围岩突变与部件磨损；追踪液压、电气系统状态，支撑故障预警；分析液压油粘度、颗粒度等评估设备磨损；结合边缘检测与深度学习，实现故障视觉诊断。
（3）掘锚机自主截割控制系统
通过数字孪生平台实时交互巷道参数，依据截割头位姿、机身状态及电流变化，动态调整进刀位置、抬升高度等参数，通过油缸位移量转换实现断面精准成型，在现有技术基础上构建掘锚机自主截割控制系统。
（4）锚杆自动支护技术
通过激光靶点与锚网视觉融合定位，构建钻臂位姿－巷道变形梯度关联模型，通过视觉反馈实现锚杆钻臂自主定位：研发大容量锚杆仓，基于视觉引导杆尾对孔，实现自动装配；融合围岩强度感知与地质模型，实时优化钻速与钻压，保障设备健康与钻进效率。
（5）锚索自动支护技术
通过钻机位姿感知控制和钻孔机械手，实现装杆、钻孔、接杆全流程自动化；研发自动延伸锚索技术、药卷自动连续装填技术以及锚索自动张拉技术，实现锚索自动支护。
（6）自动化巷道喷涂护表系统
通过激光雷达实现点云重建巷道形貌，基于曲面平滑算法重构关键特征；基于护表感知信息构建作业分区规划模型，研发喷涂机械臂路径自动规划算法，实现自动化巷道喷涂护表。
（7）自主跟随煤流运输系统
主要包含胶带自动延伸、自动补架、自动调平、自动调偏、自动清渣等子模块。
（8）掘进物料自动配送系统
主要包含状态监测与调度决策、最优路径规划与智能导航、智能装载、运输监控与自动控制、自动卸载与定位等子模块。
未来，大海则煤矿将锚定煤炭行业智能化转型方向，深入践行创新驱动发展战略，以复杂条件智能快速掘进技术突破为核心，着力培育以“少人化、无人化、自适应”为特征的新质生产力。通过迭代升级钻锚一体化、自动化喷涂等特色技术，优化掘支锚运协同模式，不断提升复杂地质条件下掘进效率与安全管控水平，加快构建“感知-决策-执行-运维”全链条智能掘进体系，为国家能源安全保障和煤炭行业高质量发展提供可复制的实践经验。
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。
期刊简介
《智能矿山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中国煤炭科工集团有限公司主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的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
刊载栏目：企业/团队/人物专访、政策解读、视角·观点、智能示范矿井、对话、革新·改造、学术园地、专题报道等。
投稿网址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）
👉 征稿函详见链接： 征稿┃《智能矿山》面向广大读者征稿，欢迎投稿
期刊成果：创刊5年来，策划出版了“中国煤科煤矿智能化成果”“陕煤集团智能化建设成果”“聚焦煤炭工业‘十四五’高质量发展”等特刊/专题30多期。主办“煤矿智能化重大进展发布会”“煤炭清洁高效利用先进成果发布会”“《智能矿山》理事、特约编辑年会暨智能化建设论坛”“智能矿山零距离”“矿山智能化建设运维与技术创新高新研修班”等活动20余次。组建了理事会、特约编辑团队、卓越人物等千余人产学研用高端协同办刊团队，打造了“刊-网-号-群-库”全覆盖的1+N全媒体传播平台，全方位发布矿山智能化领域新技术、新产品、新经验。
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