一、引言

随着全球能源需求的持续增长与矿产资源开发的深度化、复杂化，矿山开采逐步向深部、高地应力及恶劣地质环境区域延伸。传统掘进与支护分离的作业模式效率低下、安全隐患突出，难以满足现代矿山对高效、安全、绿色开采的核心需求。掘锚一体化技术通过整合掘进与支护工序，实现平行作业，可显著提升巷道施工效率、降低安全风险，是矿山智能化转型的关键技术之一。然而，该技术在装备研发、工艺优化、配套设施及安全制度等方面仍面临显著瓶颈。

本研发指南针对矿山掘锚一体化快速掘进技术装备研发与应用中存在的关键技术和产业链发展难题，旨在提出系统的研发方向、技术路径和解决方案，以推动该技术的快速进步和广泛应用，满足矿山行业对高效、安全、环保开采技术的迫切需求。

二、研发背景与意义

当前，我国煤矿平均开采深度已超过600米，部分金属矿开采深度达1500米以上。深部开采面临高地应力、高温、高湿等复杂环境，虽然我国通过多年研发攻关，实现了从人工掘进、炮掘到综掘的技术进步，但在深部、软弱围岩等复杂条件下传统掘进设备效率低（平均月进尺不足300米）、支护周期长（占总工时的60%以上）且高度依赖人工，巷道变形、冒顶事故频发，已成为制约煤炭安全高效开采的瓶颈。

为提高掘进速度、实现单巷掘进下的掘锚平行作业，提出了掘锚一体化快速掘进技术理论及装备。掘锚一体机煤巷掘进采用一次成巷工艺，即在一个作业循环内，掘进和支护同步进行；当锚杆支护完成一个排距后，系统前移进行下一个作业循环。以朱家峁煤矿为例，其通过引入掘锚一体机（如EJM560/4-2型），构建“快掘机组+智能辅助”作业线，将月进尺提升至1241米，显著缓解了采掘失衡问题；曹家滩煤矿采用的全球首套智能快掘装备累计掘进巷道超20000m，日进尺突破80米，月进尺1980米，大幅度提高了巷道掘进支护的自动化程度。然而，大多数矿井仍面临装备适应性差、可靠性低、协同控制难等共性问题，亟需系统性技术突破。

《关于深入推进矿山智能化建设，促进矿山安全发展的指导意见》明确指出，要实现掘、支、锚、运一体化平行作业和开采系统智能决策、自主运行，推动矿山传统开采工艺变革，实现少人化、无人化开采；《“十四五”矿山安全生产规划》强调加强矿山安全技术装备攻关，重点突破复杂条件智能综采和快速掘进等关键技术，提升智能装备的成套化和国产化水平，并推动矿山智能化建设，实现无人少人智能化示范矿山的建设。此外，国家还完善了煤矿安全改造中央预算内投资专项、产能置换和核增、首台（套）重大技术装备示范应用等政策，加大对矿山智能化产业链各企业的政策支持。

因此，对于掘锚一体化快速掘进技术装备研发和应用已成为未来矿山智能装备的重点发展方向，是实现“少人化”甚至“无人化”矿山的必由之路。

三、研发目标与内容

（一）设备体积与巷道空间匹配问题

1.研发目标：优化掘锚一体机设计，减小设备体积，提高设备在巷道空间内的适应性和灵活性。

2.技术路径

（1）模块化设计

采用模块化设计思想，将设备拆分为多个功能模块，每个模块独立成型，可根据现场巷道的实际尺寸和作业需求进行灵活组合和快速拆装。通过标准化接口实现各模块之间的无缝连接，既便于设备在井下巷道狭窄空间内的运输与安装，又能在掘进作业过程中根据不同工况及时调整模块组合，从而降低现场作业难度和维护成本，同时保证设备整体性能和结构的可靠性

（2）轻量化材料与结构优

选用高强度铝合金、复合材料等轻量化材料，结合现代结构优化技术，通过有限元分析和拓扑优化设计，既确保设备在工作状态下具有足够的刚度和强度，又实现设备自重的显著降低。对掘锚一体机的轻量化设计不仅减少了设备在狭窄巷道中的占用空间，还能降低设备运行时对巷道支护的要求，提高设备的机动性和经济性，同时延长设备使用寿命，降低日常维护和能耗成本。

（3）智能导航与控制系统

通过引入多传感器融合技术和先进智能算法，实现掘锚一体机在井下环境中的精准定位、路径规划和自主导航。利用激光雷达、视觉传感器及惯性导航等多种传感技术，构建实时监控系统，使设备能够在复杂巷道中自动判断障碍、调整行驶路线并执行精细作业。同时，智能控制系统还可实现设备状态的远程监测和故障预警，有效降低人工干预风险，提升整体作业安全性和效率。

（二）支护过程优化问题

1.研发目标：提高支护效率，减少支护过程中的等待时间，实现支护作业的连续性和自动化。

2.技术路径

（1）研发快速固化支护材料

针对现有树脂药卷锚固剂工艺繁琐、锚固力不足的问题，研发新型高效快速固化树脂材料，并优化辅助固化工艺。开展系统试验，评估新材料在不同围岩条件下（水环境、煤粉干扰、围岩破碎等）固化后的力学性能和粘结效果，确保在满足支护强度要求的前提下，显著缩短固化时间，从而提高整体作业效率。

（2）引入自动化支护设备

开发和引进自动钻孔机、自动化锚杆钻机及锚杆台车等先进设备，实现支护工序的机械化与自动化。通过自动化设备，可实现对钻孔深度、角度及锚杆安装过程的精确控制，降低对人工操作的依赖，同时保证施工质量和速度。此举不仅提高了施工精度，还能大幅提升整体支护效率，减少施工过程中可能出现的误差和安全风险。

（3）优化支护工艺

对传统支护流程中存在的冗余步骤进行工艺优化，重新设计支护作业流程。重点突破传统锚杆和锚索安装工艺繁琐复杂的技术瓶颈，开发钻锚一体化技术及相应装备，实现锚杆与锚索的自动安装。通过工艺改进减少工序衔接不畅所产生的等待时间，形成连续高效的支护作业流程，从而大幅提升支护作业的整体速度和可靠性。

（三）配套设施完善问题

1.研发目标：完善掘锚一体化技术装备的配套设施，提高设备整体性能和运行效率。

2.技术路径

（1）研发适用于巷道狭小空间的附属设备

针对井下狭小环境需求，研发符合小型化、灵活性要求的运输车、除尘设备等配套设备。这些设备不仅应具备紧凑的结构和高效的运行能力，还需要满足低能耗、易维护的标准，以确保与掘锚一体机的无缝对接和协调作业，从而提升整体系统的适应性和作业效率。

（2）加强设备间的协同控制

通过建立统一的控制平台，实现掘锚一体机与各类配套设备之间的实时数据共享和协同作业。引入先进的通信协议和控制算法，确保各设备在作业过程中能相互感知与调整，从而实现精确配合、降低误差和提高作业的整体协同性，最终达到提升整体运行效率的目标。

（3）引入远程监控和故障预警系统

构建基于多传感器融合和大数据分析的远程监控系统，实现对设备运行状态、环境参数及故障信息的实时监测。通过预警系统及时发现异常情况，系统能够自动诊断故障并给出处理建议，降低设备故障停机时间，保障生产连续性，并为后续设备维护和升级提供数据支持和决策依据。

（四）安全制度条例完善问题

1.研发目标：制定完善的安全制度条例和操作规程，保障掘锚一体化技术装备的安全运行。

2.技术路径

（1）参照国内外标准制定安全操作规程

依据国内外相关安全标准和规范，结合掘锚一体化技术装备的具体井下运行环境和技术特点，编制详细安全操作规程。该规程应涵盖设备操作、日常维护、事故应急等多个环节，确保操作流程标准化、作业过程规范化，从而降低安全风险和人为失误的可能性。

（2）开展安全培训和应急演练

建立系统化的安全培训体系，定期组织针对掘锚一体机操作人员和管理人员的安全知识培训与技能考核，强化其安全意识和应急处理能力。同时，通过模拟事故场景和应急演练，提高团队在突发事件中的协同处置能力，确保在紧急情况下能够迅速、有效地采取救援措施，保障人员和设备安全。

（3）建立安全监管体系

构建完善的安全监管体系，设立定期安全检查、维护和评估制度，对掘锚一体机运行状态、关键部件及安全设施进行实时监控和周期性检查。通过建立设备状态监控平台和数据分析系统，及时发现潜在安全隐患，并制定预防和整改措施，确保设备始终处于最佳工作状态，为掘锚一体化技术装备的安全稳定运行提供持续保障。

四、合作与交流

1.技术交流与合作

通过定期举办学术研讨会、技术论坛和专题座谈会，国内外相关领域的专家、企业和研究机构能够围绕设备设计、智能控制、材料选型等核心问题开展技术交流与合作，互相借鉴先进经验和最新研究成果。同时，还可通过建立数据共享平台，促进各参与方的信息互通，形成技术合力，推动掘锚一体化技术水平的持续提升。

2.联合研发与试验

相关企业与科研单位应建立长期稳定的合作关系，共同投入设备研发、工艺改进和现场试验，整合各方优势资源，可在实验室和实际矿山现场同步开展测试。通过实时反馈不断优化设备设计和运行参数，确保研发成果在实际环境中具有高效、稳定和安全的运行性能，为装备产业化应用打下坚实基础，实现产学研协同创新。

3.人才培养与交流

建立系统化的人才培养与交流机制，打造涵盖理论学习、实操训练和前沿技术研究在内的全方位培训体系。同时，鼓励专家学者与一线技术人员之间开展定期交流和经验分享，建立跨领域联合攻关小组，组织技术考察和实践演练，为掘锚一体化技术装备的持续研发和推广提供坚实的人才保障。

五、预期成果与效益

1.科技效益：推动掘锚一体化技术装备的研发进程，突破高精度截割头、多机协同控制等关键技术，整体提升我国煤矿掘进技术的自动化、智能化水平，推动整个矿山装备领域的技术进步和创新发展。

2.经济效益：掘锚一体化技术装备的进一步研发可有效提高掘进作业的效率和连续性，大幅提升掘支平行作业可行性，缓解采掘失衡难题，降低煤矿企业生产成本。

3.社会效益：及时预警和快速响应潜在安全隐患，有效减少巷道变形、冒顶等事故风险，提高井下作业安全性，保障煤矿安全生产，为煤炭行业的绿色、可持续发展贡献积极力量。

六、实施保障

1.政策支持：通过积极争取国家和地方政府在技术创新、矿山安全和智能装备领域的相关政策扶持，为项目实施创造有利条件。依托国家产业升级和安全生产政策优势，争取专项资金支持及政策优惠，营造良好的政策环境和外部协同氛围，为项目研发和推广提供制度保障和战略支持。

2.资金投入：设立专项研发经费，用于购置高精度研发设备、材料试验设施和测试平台，同时覆盖人员工资、试验验证、数据采集及样机制造等各项费用，确保资金链稳定可靠。通过多渠道资金投入，如政府补助、企业自有资金和社会资本联合支持，构建长期可持续的资金保障体系，为项目顺利推进奠定坚实基础。

3.技术团队组建：依托国内知名高校和研究机构，组建涵盖矿山工程、机械设计、自动化控制及材料科学等多个专业领域的高水平研发团队，吸纳行业资深专家和技术骨干，强化团队协同创新能力和实战经验，确保项目各项技术攻关和实施任务得到高效精准落实。

七、结论

本研发指南针对矿山掘锚一体化快速掘进技术装备研发与应用中存在的重点产业链发展难题及重大产业共性技术问题，提出了明确的研发方向、技术路径和解决方案。通过科技创新和产学研合作，将有效推动掘锚一体化技术的快速发展和广泛应用，为矿山行业的可持续发展提供有力支撑。

来源：“科创中国”煤矿智能快速掘进技术装备产业科技服务团