康红普院士：煤巷锚杆支护施工装备现状及发展趋势

       巷道掘进技术与装备比较落后，一般及困难条件下掘进与支护速度慢，采掘失调问题越来越突出。在整个成巷时间中，锚杆支护用时占60%以上，是制约巷道快速掘进最主要的因素。由于锚杆支护的有些施工工序还依靠人工，很难实现自动化、智能化，因此，也成为制约煤矿智能化建设的卡脖子难题。锚杆支护施工装备是煤巷锚杆支护成套技术的重要组成部分，直接影响锚杆支护速度与质量。

       目前煤巷锚杆支护施工装备主要有6种形式，包括单体锚杆钻机、锚杆钻车、掘锚机（主要指综掘机配置锚杆钻机）、掘锚一体机、锚杆转载机及跨骑式锚杆钻车，如下图所示。单体锚杆钻机轻便、灵活、技术成熟，形成系列化产品，得到广泛应用。机载锚杆钻臂可集成于不同平台，形成各种集成化施工装备：锚杆钻车形成了从两臂到九臂的多种机型，可紧跟掘进装备、与掘进装备交替作业，多臂协同、多臂平行作业完成锚杆支护施工；将机载锚杆钻机配置于悬臂式掘进机上，开发出多种形式的掘锚机，实现了掘进与锚杆施工2个功能；掘锚一体机实现了国产化，研制出支护平台前移的掘锚一体机、护盾式掘锚一体机及钻锚一体化掘锚一体机；研制出从两臂到七臂的锚杆转载机、十臂跨骑式锚杆钻车，实现了锚杆支护与掘进、运输分区作业。

 煤巷锚杆支护施工装备发展历程如下图所示。

 国内外典型煤巷锚杆支护施工装备主要技术参数见下表，可根据巷道地质与生产条件选择使用装备。

       钻锚一体化锚杆支护技术与装备包括钻锚一体化锚杆、泵注锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统，将传统锚杆施工6道工序简化为1道连续工序，实现了“一键打锚杆”自动化作业，显著提高了锚杆支护速度和自动化程度。

       钻锚一体化锚杆施工工艺包括锚杆仓装填、锚杆抓取、钻进、泵注锚固和预紧等环节，如下图所示，具有自动化程度高、施工成功率高、工艺适应性强及施工效率高等特点。

       煤巷锚杆支护施工装备未来发展方向如下图所示。

       研制数智化锚杆钻臂，在施工过程中可感知装备状态、围岩状态，构建数字钻孔、数字锚杆，实现装备与围岩耦合及施工参数自主调节。主要包括自适应钻进和围岩状态感知2个方面的内容。

       需要研究锚杆钻臂自动定位技术及位姿调节算法，自主确定钻孔位置，优化钻臂移动路径及机械臂动作，自主调节锚杆钻臂相对位姿，提高钻机定位的精度和效率，配合钻锚一体化锚杆的自动化施工控制系统，实现锚杆钻装全流程自动化作业。

       需要研发锚杆钻臂协同控制技术，优化支护作业流程，避免单机故障影响整体施工进度，保证作业效率最大化，提高施工装备整体可靠性和适应性。

       针对不同围岩条件，不断优化锚杆结构与材料，研发物理力学性能更高、速度更快的锚固材料，不断完善锚固剂泵注系统，实现锚杆精准、快速、可靠安装。

      需要研发锚杆仓自动补杆机构，包括大容量锚杆储仓、锚杆装载机械手、自动补杆控制技术，实现单班全流程自动化作业，提高支护系统开机率。

      需要开发适合自动化安装的新型锚索结构、材料、施工工艺及装备，以提高锚索施工自动化水平，降低工人劳动强度。

       研发基于关键特征点的视觉监测技术，实时监测顶板及两帮变形，实现围岩变形高精度动态在线监测。研发巷道轮廓高精度感知技术，突破激光扫描、视觉等多种非接触式测量融合技术，识别巷道超挖、欠挖及表面片帮、冒顶。研究弱光、高粉尘、低区分度巷道中锚杆（索）自主识别技术，构建集巷道断面形貌、支护构件位姿一体的环境数字模型。

       构建掘进工作面围岩稳定性判定准则，通过随钻围岩状态感知、随掘变形动态监测等多源数据，评价掘进工作面围岩稳定性，为锚杆支护参数设计与施工顺序（一次支护还是分次支护）提供实时、可靠的依据。

       需要研发锚杆支护施工装备故障诊断技术，实现实时故障监测，快速确定故障位置、分析故障类型，提高井下维修效率。形成装备状态数据日志，确定维护需求，提前维护，保障装备的正常施工作业。

       需要开发巷道围岩变形快速、大范围监测仪器及机器人，实现全巷道围岩变形的实时巡检；研发锚杆及构件受力非接触式监测仪器，研制支护体受力新型传感器及配套在线监测通信系统；建立全巷道、全时空的矿压监测技术体系与动态数据库。

       建立巷道矿压与锚杆支护装备状态的大数据平台，实现多源异构数据的实时处理、挖掘与分析，评价巷道围岩稳定性。根据感知、监测数据及围岩稳定性判定，开发锚杆支护参数动态调整算法，实现锚杆间排距、锚杆安装角度、锚固长度、预应力等参数的自主决策，最终实现围岩与支护体实时动态感知、锚杆支护参数智能决策、支护装备自动执行的智能化锚杆支护技术。