解放思想 開放創(chuàng)新全面構(gòu)建安全高效綠色智能的現(xiàn)代化煤礦掘進新體系

文/孫守仁

一 我國煤礦掘進工作取得的成績和經(jīng)驗

1.煤炭行業(yè)歷來十分重視掘進工作

早在新中國成立初期，大同礦務(wù)局創(chuàng)造的“馬連掘進法”“雙孔道循環(huán)作業(yè)法”就在全國大力推廣。煤炭部時期，非常重視掘進技術(shù)進步和工藝革新，幾乎每年都要組織召開全國性的掘進工作會議。國家煤監(jiān)局成立后，十分重視采掘接續(xù)，通過《煤礦安全規(guī)程》《防范煤礦采掘接續(xù)緊張暫行辦法》等規(guī)程或文件加強掘進的安全生產(chǎn)工作。經(jīng)過全行業(yè)多年的積淀與發(fā)展，掘進工作注重理念引領(lǐng)，提出的“采掘并舉，掘進先行”“一手抓采煤，一手抓掘進”成為煤炭生產(chǎn)的重要方針；在全行業(yè)推廣的大同和京西礦務(wù)局的巖石掘進經(jīng)驗、徐州礦務(wù)局的綜掘經(jīng)驗、新汶和淮北礦務(wù)局的光爆錨噴支護經(jīng)驗等發(fā)揮了重要作用；開展了先進采掘隊組和特別能戰(zhàn)斗的隊伍（掘進隊）等達標(biāo)活動，樹立了行業(yè)的“十面紅旗”；第一臺煤巷掘進機喜獲1978年全國科學(xué)大會頒發(fā)的科技進步獎，掘錨一體機、快掘機器人、掘進機遠程控制技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)、全斷面高效掘進機、礦用TBM等重大項目研制成功。

2.探索出了符合我國煤礦條件的掘進模式

我國煤礦賦存條件千差萬別，決定了掘進的復(fù)雜性與多樣性。煤礦掘進從人工發(fā)展到半機械化、機械化，目前已邁向自動化、智能化，形成了以鉆爆法、綜掘法（包括連采機工法、掘錨一體機工法）和TBM工法為主的發(fā)展模式。鉆爆法，其發(fā)展早，成本低，技術(shù)相對成熟，但掘進效率低、工藝繁瑣、安全性不高，平均月進尺在60～80m。綜掘法，目前應(yīng)用最為廣泛，主要有綜掘機掘進、連續(xù)采煤機掘進和掘錨一體化掘進三種方式。礦用TBM工法，也叫盾構(gòu)法，根據(jù)開采條件，已在個別煤礦得以應(yīng)用。

3.保障了煤炭安全高效開采

新中國成立以來，煤礦掘進機械化從零起步，不斷摸索，不斷進步，1978年達到14.5%，2018年提高到60.4%，為保障煤炭生產(chǎn)供應(yīng)由嚴(yán)重短缺向產(chǎn)能總體寬松和供需基本平衡轉(zhuǎn)變發(fā)揮了重要作用。全國煤炭產(chǎn)量由1949年的3243萬t增加到1978年的6.18億t，2013年創(chuàng)歷史最高峰值39.74億t，2019年為38.5億t。與此同時，實現(xiàn)了安全事故多發(fā)頻發(fā)向安全生產(chǎn)形勢總體穩(wěn)定的歷史性跨越。1949年，全國煤礦事故死亡731人，百萬噸死亡率為歷史最高22.54。在2000年前后為事故高發(fā)時期，年死亡人數(shù)7000人左右。2019年，全國煤礦事故死亡316人，百萬噸死亡率0.083，為歷史最好水平。

4.裝備生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模持續(xù)擴大

1953年，陽泉礦務(wù)局掘進隊配備C-153型裝煤機，打破了幾百年來煤礦工人人工裝載的作業(yè)方式。1976年我國第一臺煤巷掘進機成功下線。多年來，我國煤礦掘進裝備制造水平不斷提升，不僅滿足了國內(nèi)煤炭市場需求，也基本結(jié)束了依靠進口的局面。據(jù)統(tǒng)計，到2019年底，我國已累計生產(chǎn)各類掘進機2.16萬臺，完成產(chǎn)量110.66萬t。特別是2000年以來，隨著煤炭資源的深度開發(fā)，掘進機需求量劇增，大功率、重型化掘進機發(fā)展迅速，共生產(chǎn)1.3萬臺，完成產(chǎn)量108.87萬t。目前，我國煤礦掘進機已形成年產(chǎn)2500余臺制造能力，穩(wěn)居世界制造和使用第一大國。

5.重大技術(shù)裝備研制成果顯著

目前，我國可以生產(chǎn)出截割功率達450kW、行走速度最高10m/min、爬坡能力在-25°～+21°之間、最大截割硬度為f13，適應(yīng)各類煤礦開采條件的懸臂式掘進機；掘錨一體機作為目前最先進的掘進裝備，國內(nèi)約有10家企業(yè)可生產(chǎn)適用于硬度f≤8、坡度≤8°煤巷掘進，并配套4～8臂的掘錨一體機；自2009年國產(chǎn)首臺EML340型連采機問世以來，掘錨連續(xù)采煤機、可調(diào)高式滾筒露天連續(xù)采煤機等大型采掘裝備得到應(yīng)用；“十三五”期間，全斷面高效掘進機、復(fù)合式盾構(gòu)機、全斷面矩形快速掘進機等重大裝備研制成功，在開采條件簡單的大斷面、長距離的煤（巖）巷初步實現(xiàn)了智能快速掘進；與此同時，產(chǎn)學(xué)研用單位加快協(xié)同創(chuàng)新，在掘錨一體化、智能綜掘、硬巖快速截割、掘進遠程控制、“5G+”掘進應(yīng)用等方面取得重大突破。

6.智能掘進取得明顯進展

據(jù)初步統(tǒng)計，截至2020年8月底，全國煤礦建成智能化采掘工作面401個，其中智能化掘進工作面約占1/4，主要有兩種模式：一是基于懸臂式掘進機的智能綜掘工作面；二是基于掘錨一體機的智能快速掘進系統(tǒng)。第一種模式以自動截割為主、遠程干預(yù)為輔的模式進行截割。自動錨桿鉆車遠程遙控進行臨時防護，以人機協(xié)作的模式進行自動鉆孔、自動鋪網(wǎng)、自動打錨桿錨索等作業(yè)。集控中心可進行遠程可視監(jiān)測和集中協(xié)調(diào)控制；第二種模式由掘錨一體機、錨桿鉆車和自移式連續(xù)皮帶機組成，實現(xiàn)探、掘、支、運全工序智能化施工，具有超前鉆探、精確定位、自主導(dǎo)航、自動截割、自動支護等功能。此外，已研制成功智能快掘機器人系統(tǒng)、智能硬巖掘進機等首臺(套)產(chǎn)品。魯豫部分千米深井、高瓦斯礦、沖擊地壓等災(zāi)害嚴(yán)重礦井建設(shè)了遠程遙控、記憶截割的掘進面，成效明顯。

二 煤礦掘進工作的重要性

1.掘進工作是提升煤礦生產(chǎn)效率的重要環(huán)節(jié)

“采掘并舉，掘進先行”。在煤炭開采中，掘進巷道服務(wù)年限少的為1～2年，多的超過20年甚至更長時間。2019年，我國83%的煤炭產(chǎn)量來自井工開采，每年掘進工程量大約在1.5萬公里，其中，煤巷、半煤巖巷約占總掘進工程量的70%。隨著我國煤礦規(guī)?；⒓s化的發(fā)展，為滿足年產(chǎn)百萬噸級、甚至千萬噸級超大超長工作面的生產(chǎn)，巷道掘進年消耗將大幅增加，掘進效率已成為煤礦安全高效集約化生產(chǎn)的重要問題。

2.掘進工作是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要方面

掘進是獨頭施工，沒有構(gòu)成獨立通風(fēng)系統(tǒng)，迎頭斷層多，頂板破碎，且面臨瓦斯、透水、塌方、冒頂、片幫等眾多事故風(fēng)險，屬于煤礦生產(chǎn)作業(yè)中非常關(guān)鍵且危險的工序。根據(jù)2000—2019年全國煤礦事故統(tǒng)計，瓦斯、水害和頂板事故死亡人數(shù)占到事故總量的2/3以上，且易發(fā)生在掘進面，特別是煤與瓦斯突出事故，更易發(fā)生在煤巷掘進面，如2017年5起較大及以上煤與瓦斯突出事故全部發(fā)生在掘進面；2012—2019年，共發(fā)生瓦斯較大及以上事故176起、死亡1435人，掘進面分別占48.9%和34.3%，共發(fā)生水害較大及以上事故58起、死亡364人，掘進面分別占58.6%和54.1%，共發(fā)生頂板較大及以上事故65起、死亡314人，掘進面分別占27.7%和30.9%，沖擊地壓事故發(fā)生在掘進面的也占到了1/4；掘進面事故率高的原因，主要有局部通風(fēng)管理混亂、通風(fēng)系統(tǒng)不合理、瓦斯涌出異常、停電停風(fēng)、地質(zhì)資料不清、探放水措施不落實、在透水征兆明顯的情況下仍盲目違規(guī)組織生產(chǎn)、采掘部署不合理等。所以，抓煤礦安全生產(chǎn)，掘進安全是重中之重。此外，一旦掘進面發(fā)生事故，救援難度相對較大。

3.掘進工作是堅持以礦工為中心思想的具體體現(xiàn)

目前，我國煤礦從業(yè)人員中，從事采煤、掘進、運輸?shù)葝徫蝗藛T占比在60%以上，其中，直接從事掘進作業(yè)的人員約30萬人。掘進作業(yè)普遍具有人員多、強度大、風(fēng)險高、粉塵大、環(huán)境差、噪音大的特點，這就要求必須用最安全、最高效、最智能的技術(shù)裝備和管理手段解放工人雙手勞動，改善工人勞動環(huán)境，降低安全風(fēng)險和職業(yè)危害。

4.掘進工作是智能化煤礦建設(shè)的重要組成部分

掘進作為井下安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，對實現(xiàn)煤礦少人化、無人化，提高煤礦安全保障能力，促進煤礦智能化發(fā)展具有重要意義。近年來，國家有關(guān)部門發(fā)布了很多指導(dǎo)性文件，《煤礦機器人研發(fā)重點目錄》提出了9種掘進類機器人的研發(fā)應(yīng)用要求；《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》把“掘支運一體化快速掘進系統(tǒng)”作為集中攻關(guān)類項目；《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出要進一步減少掘進作業(yè)人數(shù)，降低安全風(fēng)險，基本實現(xiàn)掘進工作面減人提效。

三 當(dāng)前我國煤礦掘進工作的短板

1.認(rèn)識還不到位

對掘進工作認(rèn)識還不到位，“重采煤、輕掘進”的現(xiàn)象存在。比如，掘進相對采煤工作面，平均用工是采煤的3倍，講求“人海戰(zhàn)術(shù)”，勞動強度大、環(huán)境惡劣、危險性高，但工人收入待遇不如采煤工人；一些單位對掘進投入相對不足，許多掘進設(shè)備都是超期服役。如果按采掘工作面1:2正常接替來估算，掘進機和采煤機的產(chǎn)量大致是2:1。從2010—2019年全國掘進機與采煤機產(chǎn)量對比來看，在2015年行業(yè)不景氣的時候，這一數(shù)據(jù)下降到0.78:1，2019年這一比例上升到2.07:1，基本趨于正常。這幾年上升得快，側(cè)面表明在補掘進的歷史欠賬。

2.傳統(tǒng)掘進格局尚未打破

目前，我國煤礦主要掘進工藝還是傳統(tǒng)綜掘，占到全部掘進工作面的70%左右。炮掘工藝仍普遍存在，工作面?zhèn)€數(shù)占到全部掘進工作面的20%以上。這些工藝在設(shè)備上僅實現(xiàn)了截割、運煤的機械化或半機械化作業(yè)，其他工藝環(huán)節(jié)仍大量依靠人工作業(yè)，嚴(yán)重影響了掘進效率和作業(yè)安全性。連續(xù)采煤機掘進、掘錨一體化掘進、盾構(gòu)法掘進等方式，由于成本投入和煤炭賦存條件等因素限制，尚未得到大量推廣應(yīng)用。

3.采掘失衡問題普遍存在

采掘失衡是重大安全風(fēng)險源，是制約安全高效生產(chǎn)的主要因素。采煤技術(shù)裝備總體較掘進技術(shù)裝備發(fā)展快。據(jù)對1954—2013年國有重點煤礦的采掘工作面平均個數(shù)相比統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2006年以前，國有重點煤礦的采掘比始終在1:3以下，2006年以來這一比例上升到1:3以上，說明“十一五”以來，隨著煤炭的深度開發(fā)和綜采發(fā)展，采掘矛盾較為突出。采煤機械化程度由1978年的32.34%上升到2018年的78.5%，而掘進機械化程度由1978年的14.5%上升到2018年的60.4%。

4.煤礦間發(fā)展差距較大

現(xiàn)代化的智能快掘工作面，煤巷平均月單進超過4000m，巖巷達600m，而有的礦還靠打眼放炮、人工攉煤，煤巷平均月單進僅百米，巖巷不足60m；有的礦萬噸掘進率只有10米多，僅有兩個掘進頭就能保證正常接替，而有的礦高達近300m，30多個掘進頭仍然接續(xù)緊張；有的礦采掘工作面?zhèn)€數(shù)比不足1:2，而有的高達1:15。這些發(fā)展的不平衡和開采條件、技術(shù)裝備、管理水平、思想認(rèn)識等因素關(guān)系密切。

5.后配套系統(tǒng)效率較低

一是掘支運不能平行作業(yè)，掘進速度相對較快，截割時間占20%左右，而錨護時間占50%～70%，占用過多工時，而且在沖擊地壓、高瓦斯、深部等復(fù)雜條件礦井，支護耗時更多；二是后配套系統(tǒng)能力不足，特別是通風(fēng)、除塵、安全監(jiān)控、壓風(fēng)、供水、供電等缺乏統(tǒng)一的設(shè)計與服務(wù)，各系統(tǒng)自身存在很多問題，相互不能高效協(xié)同運轉(zhuǎn)。

6.關(guān)鍵裝備制造能力不足

一是設(shè)備系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)性不強，智能化程度不高，缺乏通訊、監(jiān)控、聯(lián)動、互鎖等功能，不能實行集中控制；二是關(guān)鍵裝備自給能力不足，如大功率重型掘進機、連續(xù)采煤機、掘錨機組等與國際先進還存在一定的差距，仍需要整機進口或引進關(guān)鍵元部件。

7.核心技術(shù)和基礎(chǔ)研究短板明顯

就掘進而言，破巖技術(shù)、掘錨一體化技術(shù)、工藝設(shè)計、傳動件制造、液壓控制、自動化技術(shù)、截割頭全噴霧功能等與國外先進相比，還落后。巖石截割硬度只能達到f13，截割頭的材料和工藝較國外先進差距明顯。

8.掘進工藝有待優(yōu)化

當(dāng)前，更多關(guān)注的是掘錨一體化技術(shù)裝備水平，而輕視了整個工藝環(huán)節(jié)，特別是掘進過程中的支護、接續(xù)、推進速度、搬家倒面、通風(fēng)系統(tǒng)等。比如，如何優(yōu)化高瓦斯煤礦頂板臨時支護措施和施工工藝；針對頂板破碎、底鼓等困難，如何優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)和施工工藝；如何研究和優(yōu)化藥卷上藥系統(tǒng)，改變鉆錨工藝；此外，開采條件會越來越復(fù)雜，好采的煤會越來越少，這對掘進各系統(tǒng)間的工藝匹配要求也會越來越高。

9.掘進工作面的職業(yè)危害大

井下掘進煤巖塵大，最大的職業(yè)危害就是塵肺病。據(jù)中國煤礦塵肺病防治基金會統(tǒng)計，我國塵肺病患者達80多萬人，其中60%以上在煤礦，且每年約以3萬例的速度在遞增。有的煤礦掘進工作面粉塵濃度在2000～3000mg/m3，呼吸性粉塵濃度在50～60mg/m3，遠超過國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。多年來，企業(yè)粉塵危害防治經(jīng)費投入相對不足，平均費用為噸煤0.18元/月，與安全生產(chǎn)費用噸煤15元/月相比，僅占1.2%。此外，控除塵技術(shù)單一、現(xiàn)場管理不到位、工人個體防護意識不強等問題較為突出。

10.職工素質(zhì)有待進一步提升

據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)階段煤炭職工本科以上學(xué)歷約占20%，40歲及以上人員占比45%以上，人才隊伍建設(shè)亟需加強。其中，一線掘進人員平均年齡普遍偏大，平均學(xué)歷較低，職工教育培訓(xùn)和技能提升不夠系統(tǒng)科學(xué)。特別是老礦，掘進隊伍年齡和素質(zhì)結(jié)構(gòu)失衡更為突出，缺乏裝備操作及機電維修人員，高層次人才嚴(yán)重匱乏，已難以滿足掘進技術(shù)裝備快速升級的要求。

四 建設(shè)什么樣的現(xiàn)代化煤礦掘進體系

1.堅持安全掘進，增強安全保障能力

安全掘進是根本，是最大的民生，要牢固樹立安全發(fā)展理念，堅持“無人則安、少人則安”，實現(xiàn)從“零死亡”到“零傷亡、零傷害”的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)從“保安全、防事故”到“控風(fēng)險、保健康”的轉(zhuǎn)變，全面提升掘進各系統(tǒng)的安全保障能力。

2.堅持高效掘進，全面提升掘進效率

經(jīng)對大型國有煤礦調(diào)查發(fā)現(xiàn)，萬噸掘進率超過60米的礦，安全壓力相對較大，采掘矛盾相對突出。因此，要努力提高掘進的工效、單進和開機率。

3.堅持綠色掘進，建設(shè)美麗礦山

掘進作為煤炭生產(chǎn)的前關(guān)，必須深刻把握綠色開采的根本要求，把“綠色”作為建設(shè)美麗礦山的“底色”，努力做到掘進矸石不升井，在掘進工作面煤矸的無軌化高效綠色運輸、除塵降噪上下功夫。

4.堅持智能掘進，建設(shè)智能化煤礦

智能掘進是發(fā)展方向。目前，我國基于綜掘機和掘錨機初步實現(xiàn)了兩種模式的智能掘進，但這些智能快掘工作面普遍沒有實現(xiàn)集中控制和遠程操作，真正實現(xiàn)完全的無人化掘進、無人自動錨護等功能還有一定距離。對此，仍需繼續(xù)努力。

五 如何建設(shè)現(xiàn)代化煤礦掘進新體系

1.不斷解放思想

要努力做到掘進工作量能少掘則少掘，能掘煤巷不掘巖巷。通過示范引領(lǐng)，對標(biāo)先進，因地制宜，加快分類建成多種類型、不同模式的掘進標(biāo)桿工程，促進掘進工作的均衡發(fā)展。

2.堅持礦工至上

要注重職工安全健康，創(chuàng)新職工教育和培訓(xùn)方式，努力培育出一批適應(yīng)新時代煤礦發(fā)展要求的專業(yè)化、職業(yè)化人才隊伍。

3.推動開放創(chuàng)新

對已有的技術(shù)創(chuàng)新成果，要加強標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，加快成果轉(zhuǎn)化力度；對核心關(guān)鍵技術(shù)要集中力量進行協(xié)同攻關(guān)，重點突破智能掘進、掘支錨運一體化集成、自動化（智能化）綜掘、全斷面硬巖快掘、復(fù)雜地質(zhì)條件智能快掘等重大技術(shù)瓶頸制約，提升原始創(chuàng)新能力。

4.要加快裝備升級

依托國內(nèi)市場，深入推進新一代信息技術(shù)與掘進技術(shù)深度融合，加快推進綠色制造、智能制造和服務(wù)型制造，破解“低端裝備過剩，高端裝備不足”的難題。要加強產(chǎn)學(xué)研用單位開放合作與共贏，真正讓開放創(chuàng)造機遇，讓合作破解難題。

5.促進管理升級

要加強制度建設(shè)，加強現(xiàn)場管理，加強對標(biāo)管理，注重發(fā)揮典型企業(yè)的示范引領(lǐng)作用，提升企業(yè)現(xiàn)代化管理的科學(xué)化水平。

6.優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計工作要具有前瞻性、系統(tǒng)性、戰(zhàn)略性和科學(xué)性，要探索設(shè)計新模式，簡化掘進系統(tǒng)，推廣新工藝新成果，以最小投入獲得最大效益。