截割滚筒旋转着破开围岩，机械手上下挥舞喷涂高强度材料，机械臂有条不紊地安装锚杆，监测系统自动分析巷道变形情况……
在陕煤集团曹家滩煤矿井下，一套长50多米的装备犹如“钢铁侠”，正在煤巷中大显身手。其掘进速度可达每天55—65米，是传统方式掘进速度的数倍。
这位“钢铁侠”是世界首套钻锚一体化智能快速掘进成套装备。它由中国煤炭科工集团有限公司（以下简称中国煤科）科研团队历时5年研发而成，曾被评为央企“十大国之重器”。
巷道掘进技术制约煤炭行业发展
掘进与采煤是煤炭生产的两个基本环节。掘进巷道是第一步，为煤矿运输、通风、行人提供必要通道，下一步才能进行煤炭开采。
“过去十几年，采煤工作面的作业逐步从机械化走向自动化、智能化，采煤的技术水平已经走在巷道掘进技术的前头。”该装备研发项目执行负责人、中国煤科首席科学家姜鹏飞告诉科技日报记者。
姜鹏飞解释，煤矿巷道的埋深往往达几百米乃至上千米，掘进工作面的煤层和岩层强度比较低，围岩支离破碎，容易出现塌方，给掘进和支护带来巨大挑战。而且，煤矿回采巷道一般仅使用一到两年，煤矿开采完即报废，这对装备技术的成本提出了苛刻的要求。
受多重因素影响，巷道掘进此前只实现了局部自动化，掘进工作面往往需要十几位煤矿工人高强度工作。据统计，我国现有巷道作业人员超70万人，是采煤工作面作业人员的3倍多。姜鹏飞介绍，其中，为了防止巷道冒顶，包括铺设金属网、钻孔、安装锚杆在内的支护环节用人最多、用时最长。这是当前影响煤巷快速成巷的最主要因素。
“拖后腿的巷道掘进技术，已成为制约整个煤炭行业安全、可持续发展的瓶颈。”姜鹏飞总结道。
作为我国煤炭科技研发的“国家队”，中国煤科研究团队决定放手一搏：开展煤巷快速掘进关键技术与装备研发，提升煤巷掘进自动化、智能化水平，减少该环节对人工的依赖，降低工人劳动强度。
为寻求可行方案，2018年，中国煤科康红普院士研究团队开启了持续一年的实地调研，数十次下井，到现场找灵感。
“站在巷道里，面对呼啸而来的粉尘，眼睛只能眯成一道缝观察掘进过程。看到如此情景，我们也越发明白开展技术攻关、不断提高掘进技术水平的意义。”研究团队成员罗超感慨。
研发方案直击快速成巷痛点
然而，调研结果不容乐观——国内外均无成熟的自动化、智能化技术和产品，一切只能靠自己摸索。
调研结束后，大家陆续提出多种解决方案。研究团队成员王子越回忆，煤巷盾构式掘进方案、龙门架掘进支护方案等先后被提出，又因种种原因先后被推翻。
拿煤巷盾构式掘进方案来说，研究团队希望借鉴道路桥梁隧道的盾构方式来掘进煤矿巷道。围绕这个方案研讨了半年多，却发现这条路走不通：相较于其他隧道，煤矿巷道的地层起伏更剧烈、围岩更破碎，使用盾构机的支护难度更大；巷道底部的岩石强度低，容易导致盾构机陷入破碎的岩层中。
在兴奋与失落的循环往复中，前前后后共有8种方案被否决。苦闷与迷茫笼罩着整个团队。
就在此时，团队成员通过“头脑风暴”碰撞出新的思路：研发钻锚一体化智能快速掘进成套装备。该装备集钻锚一体化锚杆自动支护、巷道表面喷涂护表、随掘变形动态监测等多项核心功能于一身。
研究团队最新提出的研发方案直击阻碍煤巷快速成巷的痛点。例如，在传统支护方式中，钻杆是用来钻孔的杆体，锚杆则是用来打入钻孔中，加固和支护围岩的杆体，二者需要反复轮番上场。传统的支护步骤繁杂，包括钻孔、卸钻杆、安装锚固剂、安装锚杆、搅拌及预紧等6道工序。新方案设想采用钻锚一体化自动支护方法，钻杆即锚杆，6道工序变1道，对传统工艺进行根本变革。
巷道表面喷涂护表的设想更是大胆。团队成员韦尧中说，希望利用机械手在巷道表面喷涂高强度材料，直接替代金属网铺设。这种做法，国内外均无先例。
提升掘进速度减少人工成本
把方案变成现实，并不容易。
2019年，装备研制工作启动。由于研制的设备新，加工规模小，小厂干不了、大厂不愿干，最终找到的加工试验场地极其简陋。天寒地冻时，研发人员只能跺脚取暖。
一路过关斩将，死磕几十个技术难题后，装备最为核心的部件之一——钻锚一体化锚杆及配套施工装置“呱呱坠地”。为检验施工效果，研发团队驻扎在试验煤矿7个月，与工人同吃同住，开展井下试验。
试验初期，前几根锚杆安装一切顺利。随后却突然出现令人傻眼的一幕：由两种组分构成的锚固剂沿着不同通路相遇、凝固，装置如哑炮一般，打不出锚杆了。
欲渡黄河冰塞川，将登太行雪满山。脸上蹭满煤灰的团队成员“压力山大”。怎么办？只能继续白天下井试验，晚上讨论改进措施。
2020年，断断续续在巷道中打了近2000根锚杆后，灵感再次乍现。团队成员在剖析、总结装置暴露的问题后，开发出一种完全异于市面上相近产品的系统，成功破解锚固剂堵塞施工装置这一难题。
经过不断努力，装置最终实现“一键打锚杆”：每次支护时，只需按下按键，安装锚杆的全套工序就会自动完成。
之后，团队又陆续攻克兼顾强度与安全性能指标的喷涂材料、监测系统图像识别干扰等9大项、400余小项技术难题。世界首套钻锚一体化智能快速掘进成套装备终于成功下线。
有了它，巷道掘进工作面智能化程度显著提升，掘进速度快了好几倍，工人数量从十几人减少至几人，劳动强度也大幅降低。
在煤矿领域崭露头角后，这位“钢铁侠”迎来飞禽走兽老虎机订单。今年，有13套钻锚一体化智能快速掘进成套装备将推广应用，为提高煤炭开发生产能力、保障国家能源安全贡献力量。
来源：科技日报
