解放思想 开放创新全面构建安全高效绿色智能的现代化煤矿掘进新体系

文/孙守仁

一 我国煤矿掘进工作取得的成绩和经验

1.煤炭行业历来十分重视掘进工作

早在新中国成立初期，大同矿务局创造的“马连掘进法”“双孔道循环作业法”就在全国大力推广。煤炭部时期，非常重视掘进技术进步和工艺革新，几乎每年都要组织召开全国性的掘进工作会议。国家煤监局成立后，十分重视采掘接续，通过《煤矿安全规程》《防范煤矿采掘接续紧张暂行办法》等规程或文件加强掘进的安全生产工作。经过全行业多年的积淀与发展，掘进工作注重理念引领，提出的“采掘并举，掘进先行”“一手抓采煤，一手抓掘进”成为煤炭生产的重要方针；在全行业推广的大同和京西矿务局的岩石掘进经验、徐州矿务局的综掘经验、新汶和淮北矿务局的光爆锚喷支护经验等发挥了重要作用；开展了先进采掘队组和特别能战斗的队伍（掘进队）等达标活动，树立了行业的“十面红旗”；第一台煤巷掘进机喜获1978年全国科学大会颁发的科技进步奖，掘锚一体机、快掘机器人、掘进机远程控制技术与监控系统、全断面高效掘进机、矿用TBM等重大项目研制成功。

2.探索出了符合我国煤矿条件的掘进模式

我国煤矿赋存条件千差万别，决定了掘进的复杂性与多样性。煤矿掘进从人工发展到半机械化、机械化，目前已迈向自动化、智能化，形成了以钻爆法、综掘法（包括连采机工法、掘锚一体机工法）和TBM工法为主的发展模式。钻爆法，其发展早，成本低，技术相对成熟，但掘进效率低、工艺繁琐、安全性不高，平均月进尺在60～80m。综掘法，目前应用最为广泛，主要有综掘机掘进、连续采煤机掘进和掘锚一体化掘进三种方式。矿用TBM工法，也叫盾构法，根据开采条件，已在个别煤矿得以应用。

3.保障了煤炭安全高效开采

新中国成立以来，煤矿掘进机械化从零起步，不断摸索，不断进步，1978年达到14.5%，2018年提高到60.4%，为保障煤炭生产供应由严重短缺向产能总体宽松和供需基本平衡转变发挥了重要作用。全国煤炭产量由1949年的3243万t增加到1978年的6.18亿t，2013年创历史最高峰值39.74亿t，2019年为38.5亿t。与此同时，实现了安全事故多发频发向安全生产形势总体稳定的历史性跨越。1949年，全国煤矿事故死亡731人，百万吨死亡率为历史最高22.54。在2000年前后为事故高发时期，年死亡人数7000人左右。2019年，全国煤矿事故死亡316人，百万吨死亡率0.083，为历史最好水平。

4.装备生产经营规模持续扩大

1953年，阳泉矿务局掘进队配备C-153型装煤机，打破了几百年来煤矿工人人工装载的作业方式。1976年我国第一台煤巷掘进机成功下线。多年来，我国煤矿掘进装备制造水平不断提升，不仅满足了国内煤炭市场需求，也基本结束了依靠进口的局面。据统计，到2019年底，我国已累计生产各类掘进机2.16万台，完成产量110.66万t。特别是2000年以来，随着煤炭资源的深度开发，掘进机需求量剧增，大功率、重型化掘进机发展迅速，共生产1.3万台，完成产量108.87万t。目前，我国煤矿掘进机已形成年产2500余台制造能力，稳居世界制造和使用第一大国。

5.重大技术装备研制成果显著

目前，我国可以生产出截割功率达450kW、行走速度最高10m/min、爬坡能力在-25°～+21°之间、最大截割硬度为f13，适应各类煤矿开采条件的悬臂式掘进机；掘锚一体机作为目前最先进的掘进装备，国内约有10家企业可生产适用于硬度f≤8、坡度≤8°煤巷掘进，并配套4～8臂的掘锚一体机；自2009年国产首台EML340型连采机问世以来，掘锚连续采煤机、可调高式滚筒露天连续采煤机等大型采掘装备得到应用；“十三五”期间，全断面高效掘进机、复合式盾构机、全断面矩形快速掘进机等重大装备研制成功，在开采条件简单的大断面、长距离的煤（岩）巷初步实现了智能快速掘进；与此同时，产学研用单位加快协同创新，在掘锚一体化、智能综掘、硬岩快速截割、掘进远程控制、“5G+”掘进应用等方面取得重大突破。

6.智能掘进取得明显进展

据初步统计，截至2020年8月底，全国煤矿建成智能化采掘工作面401个，其中智能化掘进工作面约占1/4，主要有两种模式：一是基于悬臂式掘进机的智能综掘工作面；二是基于掘锚一体机的智能快速掘进系统。第一种模式以自动截割为主、远程干预为辅的模式进行截割。自动锚杆钻车远程遥控进行临时防护，以人机协作的模式进行自动钻孔、自动铺网、自动打锚杆锚索等作业。集控中心可进行远程可视监测和集中协调控制；第二种模式由掘锚一体机、锚杆钻车和自移式连续皮带机组成，实现探、掘、支、运全工序智能化施工，具有超前钻探、精确定位、自主导航、自动截割、自动支护等功能。此外，已研制成功智能快掘机器人系统、智能硬岩掘进机等首台(套)产品。鲁豫部分千米深井、高瓦斯矿、冲击地压等灾害严重矿井建设了远程遥控、记忆截割的掘进面，成效明显。

二 煤矿掘进工作的重要性

1.掘进工作是提升煤矿生产效率的重要环节

“采掘并举，掘进先行”。在煤炭开采中，掘进巷道服务年限少的为1～2年，多的超过20年甚至更长时间。2019年，我国83%的煤炭产量来自井工开采，每年掘进工程量大约在1.5万公里，其中，煤巷、半煤岩巷约占总掘进工程量的70%。随着我国煤矿规模化、集约化的发展，为满足年产百万吨级、甚至千万吨级超大超长工作面的生产，巷道掘进年消耗将大幅增加，掘进效率已成为煤矿安全高效集约化生产的重要问题。

2.掘进工作是保障煤矿安全生产的重要方面

掘进是独头施工，没有构成独立通风系统，迎头断层多，顶板破碎，且面临瓦斯、透水、塌方、冒顶、片帮等众多事故风险，属于煤矿生产作业中非常关键且危险的工序。根据2000—2019年全国煤矿事故统计，瓦斯、水害和顶板事故死亡人数占到事故总量的2/3以上，且易发生在掘进面，特别是煤与瓦斯突出事故，更易发生在煤巷掘进面，如2017年5起较大及以上煤与瓦斯突出事故全部发生在掘进面；2012—2019年，共发生瓦斯较大及以上事故176起、死亡1435人，掘进面分别占48.9%和34.3%，共发生水害较大及以上事故58起、死亡364人，掘进面分别占58.6%和54.1%，共发生顶板较大及以上事故65起、死亡314人，掘进面分别占27.7%和30.9%，冲击地压事故发生在掘进面的也占到了1/4；掘进面事故率高的原因，主要有局部通风管理混乱、通风系统不合理、瓦斯涌出异常、停电停风、地质资料不清、探放水措施不落实、在透水征兆明显的情况下仍盲目违规组织生产、采掘部署不合理等。所以，抓煤矿安全生产，掘进安全是重中之重。此外，一旦掘进面发生事故，救援难度相对较大。

3.掘进工作是坚持以矿工为中心思想的具体体现

目前，我国煤矿从业人员中，从事采煤、掘进、运输等岗位人员占比在60%以上，其中，直接从事掘进作业的人员约30万人。掘进作业普遍具有人员多、强度大、风险高、粉尘大、环境差、噪音大的特点，这就要求必须用最安全、最高效、最智能的技术装备和管理手段解放工人双手劳动，改善工人劳动环境，降低安全风险和职业危害。

4.掘进工作是智能化煤矿建设的重要组成部分

掘进作为井下安全生产的重要环节，对实现煤矿少人化、无人化，提高煤矿安全保障能力，促进煤矿智能化发展具有重要意义。近年来，国家有关部门发布了很多指导性文件，《煤矿机器人研发重点目录》提出了9种掘进类机器人的研发应用要求；《能源技术创新“十三五”规划》把“掘支运一体化快速掘进系统”作为集中攻关类项目；《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》指出要进一步减少掘进作业人数，降低安全风险，基本实现掘进工作面减人提效。

三 当前我国煤矿掘进工作的短板

1.认识还不到位

对掘进工作认识还不到位，“重采煤、轻掘进”的现象存在。比如，掘进相对采煤工作面，平均用工是采煤的3倍，讲求“人海战术”，劳动强度大、环境恶劣、危险性高，但工人收入待遇不如采煤工人；一些单位对掘进投入相对不足，许多掘进设备都是超期服役。如果按采掘工作面1:2正常接替来估算，掘进机和采煤机的产量大致是2:1。从2010—2019年全国掘进机与采煤机产量对比来看，在2015年行业不景气的时候，这一数据下降到0.78:1，2019年这一比例上升到2.07:1，基本趋于正常。这几年上升得快，侧面表明在补掘进的历史欠账。

2.传统掘进格局尚未打破

目前，我国煤矿主要掘进工艺还是传统综掘，占到全部掘进工作面的70%左右。炮掘工艺仍普遍存在，工作面个数占到全部掘进工作面的20%以上。这些工艺在设备上仅实现了截割、运煤的机械化或半机械化作业，其他工艺环节仍大量依靠人工作业，严重影响了掘进效率和作业安全性。连续采煤机掘进、掘锚一体化掘进、盾构法掘进等方式，由于成本投入和煤炭赋存条件等因素限制，尚未得到大量推广应用。

3.采掘失衡问题普遍存在

采掘失衡是重大安全风险源，是制约安全高效生产的主要因素。采煤技术装备总体较掘进技术装备发展快。据对1954—2013年国有重点煤矿的采掘工作面平均个数相比统计发现，2006年以前，国有重点煤矿的采掘比始终在1:3以下，2006年以来这一比例上升到1:3以上，说明“十一五”以来，随着煤炭的深度开发和综采发展，采掘矛盾较为突出。采煤机械化程度由1978年的32.34%上升到2018年的78.5%，而掘进机械化程度由1978年的14.5%上升到2018年的60.4%。

4.煤矿间发展差距较大

现代化的智能快掘工作面，煤巷平均月单进超过4000m，岩巷达600m，而有的矿还靠打眼放炮、人工攉煤，煤巷平均月单进仅百米，岩巷不足60m；有的矿万吨掘进率只有10米多，仅有两个掘进头就能保证正常接替，而有的矿高达近300m，30多个掘进头仍然接续紧张；有的矿采掘工作面个数比不足1:2，而有的高达1:15。这些发展的不平衡和开采条件、技术装备、管理水平、思想认识等因素关系密切。

5.后配套系统效率较低

一是掘支运不能平行作业，掘进速度相对较快，截割时间占20%左右，而锚护时间占50%～70%，占用过多工时，而且在冲击地压、高瓦斯、深部等复杂条件矿井，支护耗时更多；二是后配套系统能力不足，特别是通风、除尘、安全监控、压风、供水、供电等缺乏统一的设计与服务，各系统自身存在很多问题，相互不能高效协同运转。

6.关键装备制造能力不足

一是设备系统间关联性不强，智能化程度不高，缺乏通讯、监控、联动、互锁等功能，不能实行集中控制；二是关键装备自给能力不足，如大功率重型掘进机、连续采煤机、掘锚机组等与国际先进还存在一定的差距，仍需要整机进口或引进关键元部件。

7.核心技术和基础研究短板明显

就掘进而言，破岩技术、掘锚一体化技术、工艺设计、传动件制造、液压控制、自动化技术、截割头全喷雾功能等与国外先进相比，还落后。岩石截割硬度只能达到f13，截割头的材料和工艺较国外先进差距明显。

8.掘进工艺有待优化

当前，更多关注的是掘锚一体化技术装备水平，而轻视了整个工艺环节，特别是掘进过程中的支护、接续、推进速度、搬家倒面、通风系统等。比如，如何优化高瓦斯煤矿顶板临时支护措施和施工工艺；针对顶板破碎、底鼓等困难，如何优化断面结构和施工工艺；如何研究和优化药卷上药系统，改变钻锚工艺；此外，开采条件会越来越复杂，好采的煤会越来越少，这对掘进各系统间的工艺匹配要求也会越来越高。

9.掘进工作面的职业危害大

井下掘进煤岩尘大，最大的职业危害就是尘肺病。据中国煤矿尘肺病防治基金会统计，我国尘肺病患者达80多万人，其中60%以上在煤矿，且每年约以3万例的速度在递增。有的煤矿掘进工作面粉尘浓度在2000～3000mg/m3，呼吸性粉尘浓度在50～60mg/m3，远超过国家职业卫生标准。多年来，企业粉尘危害防治经费投入相对不足，平均费用为吨煤0.18元/月，与安全生产费用吨煤15元/月相比，仅占1.2%。此外，控除尘技术单一、现场管理不到位、工人个体防护意识不强等问题较为突出。

10.职工素质有待进一步提升

据统计，现阶段煤炭职工本科以上学历约占20%，40岁及以上人员占比45%以上，人才队伍建设亟需加强。其中，一线掘进人员平均年龄普遍偏大，平均学历较低，职工教育培训和技能提升不够系统科学。特别是老矿，掘进队伍年龄和素质结构失衡更为突出，缺乏装备操作及机电维修人员，高层次人才严重匮乏，已难以满足掘进技术装备快速升级的要求。

四 建设什么样的现代化煤矿掘进体系

1.坚持安全掘进，增强安全保障能力

安全掘进是根本，是最大的民生，要牢固树立安全发展理念，坚持“无人则安、少人则安”，实现从“零死亡”到“零伤亡、零伤害”的转变，实现从“保安全、防事故”到“控风险、保健康”的转变，全面提升掘进各系统的安全保障能力。

2.坚持高效掘进，全面提升掘进效率

经对大型国有煤矿调查发现，万吨掘进率超过60米的矿，安全压力相对较大，采掘矛盾相对突出。因此，要努力提高掘进的工效、单进和开机率。

3.坚持绿色掘进，建设美丽矿山

掘进作为煤炭生产的前关，必须深刻把握绿色开采的根本要求，把“绿色”作为建设美丽矿山的“底色”，努力做到掘进矸石不升井，在掘进工作面煤矸的无轨化高效绿色运输、除尘降噪上下功夫。

4.坚持智能掘进，建设智能化煤矿

智能掘进是发展方向。目前，我国基于综掘机和掘锚机初步实现了两种模式的智能掘进，但这些智能快掘工作面普遍没有实现集中控制和远程操作，真正实现完全的无人化掘进、无人自动锚护等功能还有一定距离。对此，仍需继续努力。

五 如何建设现代化煤矿掘进新体系

1.不断解放思想

要努力做到掘进工作量能少掘则少掘，能掘煤巷不掘岩巷。通过示范引领，对标先进，因地制宜，加快分类建成多种类型、不同模式的掘进标杆工程，促进掘进工作的均衡发展。

2.坚持矿工至上

要注重职工安全健康，创新职工教育和培训方式，努力培育出一批适应新时代煤矿发展要求的专业化、职业化人才队伍。

3.推动开放创新

对已有的技术创新成果，要加强标准建设，加快成果转化力度；对核心关键技术要集中力量进行协同攻关，重点突破智能掘进、掘支锚运一体化集成、自动化（智能化）综掘、全断面硬岩快掘、复杂地质条件智能快掘等重大技术瓶颈制约，提升原始创新能力。

4.要加快装备升级

依托国内市场，深入推进新一代信息技术与掘进技术深度融合，加快推进绿色制造、智能制造和服务型制造，破解“低端装备过剩，高端装备不足”的难题。要加强产学研用单位开放合作与共赢，真正让开放创造机遇，让合作破解难题。

5.促进管理升级

要加强制度建设，加强现场管理，加强对标管理，注重发挥典型企业的示范引领作用，提升企业现代化管理的科学化水平。

6.优化系统设计

设计工作要具有前瞻性、系统性、战略性和科学性，要探索设计新模式，简化掘进系统，推广新工艺新成果，以最小投入获得最大效益。