深部硬岩截割特性及非爆机械化开采研究
王少锋
(中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083)
Study on rock cuttability and non-explosive mechanized mining in deep hard rock
WANG Shaofeng
(School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha,Hunan 410083,China)
摘要 深部开采中常见的高地应力条件会影响硬岩矿体的可截割性。高应力条件、刀具作用参数、硬岩自身特性严重影响着非爆机械化开采在深部硬岩矿体中的应用。镐型截齿是非爆机械化开采装备中常见的破岩刀具。利用TRW﹣3000型岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验系统研究了围压条件(双轴、单轴、无围压)、镐型截齿作用参数(不同截齿加载速率、静态或动静组合载荷类型、单截齿或者具有不同布局间隔的双截齿)以及岩石中的人为诱导缺陷(预切槽、加卸荷诱导损伤、预钻孔)等因素对硬岩可截割性指标(破岩峰值载荷、凿入深度、扰动持时)、岩样破坏模式、破碎岩石块度等镐型截齿破岩特性的影响。
试验结果表明:双轴、单轴、无围压条件下,岩石的可截割性依次逐渐增大;双轴围压下,即使施加很高的破岩载荷或者很长的扰动持时也只能使岩样发生表面剥落破坏,截割难度最大;单轴围压下,随着围压增大,岩石的可截割性先降低后升高,破坏模式依次表现为完全劈裂、部分劈裂和岩爆,相应地,破碎岩石块度逐渐降低;高单轴围压下,截齿破岩扰动易诱发岩爆,其发生过程包括截齿凿入引起的初始板裂、由高单轴围压驱动伴随大量岩块弹射的强烈岩爆以及最终的剪切破坏3个步骤,并且截齿诱发岩爆的易发性与岩样材料的强度、脆性、完整性等因素有关。因此,在单轴围压下存在2个关键的围压值,一个是低于该围压值岩样的可截割性会逐渐升高,而另一个是高于此围压值截齿破岩的安全性则会显著降低。在较低或者无围压条件下,镐型截齿破岩能够将岩样安全、高效地完全劈裂,具有最优的破岩效果。
动静组合破岩时,增加预静载水平或者增大扰动载荷幅值都能增大镐型截齿破岩效率。岩体中的预切槽、开挖诱发的岩石损伤、预钻孔等人为诱导缺陷,能够改变临空面矿岩体的应力环境并降低受限应力大小,从而能够提高矿岩体的可截割性。此外,多截齿破岩时存在最优的截齿间距以确保同时产生截齿周围的翼形破裂和截齿间的贯通破裂,形成多截齿耦合强化效应,从而提高破岩效率。
在开采实践方面,通过开挖深部诱导工程,增加矿体的临空面数量,将双轴受限应力环境改变为单轴,同时伴随松动区的形成受限应力大幅降低,可有效提高硬岩矿体的非爆机械化开采适用性。在试验采场,通过高清钻孔电视监测诱导工程围岩的松动区分布情况,测得半岛型矿柱的松动区厚度为1.84~2.54 m,呈“U”型分布。针对松动区矿体,试验了悬臂式掘进机、挖掘机载铣挖头、挖掘机载高频冲击头和铲运机载高频冲击头4种机械破岩方法。结果表明:基于多截齿旋转切割破岩的悬臂式掘进机采矿平均工效107.7 t/h,采矿过程连续性强,具有最高的采矿效率和机械稳定性。基于非爆机械化开采实践,提出了一种预切槽硬岩矿体旋转振动连续截割设备及其施工工艺。
关键词 :
采矿工程 ,
深部硬岩 ,
截齿破岩 ,
可截割性 ,
动静组合破岩 ,
非爆机械化开采
[1]
李博涛1,2,3,谭宇轩1,林海飞4,5*,魏建平1,2,3,张宏图1,2,3,李树刚4,5,魏宗勇4,5,王 裴4,罗荣卫4,刘彦伟1,2,3. 液氮冻结不同温度煤体力学特性及细观损伤演化规律研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1757-1772.
[2]
贾 冲1,2,来兴平1,2*,崔 峰1,2,3,4,吴学明5,姬松涛1,2,何 哲1,2,王 昊1,宗 程1,张 博1,薛益飞1. 坚硬顶板破断步距影响下煤体采动力学响应及压裂防冲分段长度优化 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1806-1826.
[3]
康红普1,2,3*,高富强1,2,3,王晓卿1,2,3,原贵阳1,2,3,杨 磊1,2,3,娄金福1,2,3. 超大尺寸巷道断层滑移型冲击地压试验系统研制与应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1599-1614.
[4]
汤天阔1,王方田1,2*,王文林1,3,刘国磊4,郝文华1,刘 超1,吴 渝1,王 旭1. 深井坚硬顶板下充填开采吸能减冲机制研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1445-1460.
[5]
栾恒杰1,2,杨玉晴1,刘建康1*,郝清旺2,蒋宇静1,2,郭 尧3,张孙豪1. 基于AttRes-UNet模型的煤岩裂隙识别技术研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(4): 1183-1198.
[6]
胡文硕1,朱德福1,2,3*,贾勇杰1,徐泽坤1,霍昱名1,王仲伦1,张纯旺4,付腾飞5. 水–岩作用下煤系一水硬铝石型铝土矿劈裂特性的试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(4): 1128-1147.
[7]
董续凯1,白俊杰2,张俊文3*,刘金海1,赵善坤4,许 蒙5. 复合坚硬顶板工作面末采顶板爆破防冲调控技术 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(3): 764-776.
[8]
周琳力1,2,3*,韦米香1,韩 军2,贾宝新1,4,卜 继1,崔博源1. 基于时窗信号能量和时频特征的微震信号时间定位拾取方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(3): 875-891.
[9]
甘德清1,2,3,4,于泽皞1,2,3,4,刘志义1,2,3,4,孙海宽1,2,3,4. 不同冲击比能下磁铁矿石的动态力学特性及能耗特性 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S2): 43-57.
[10]
程 蓬1,2,李中伟1,3,王振伟4,何 源4,郑 允5. 围岩–预应力锚杆支护组合承载作用力学分析与支护参数优化 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S2): 134-142.
[11]
张天军1,2,孟 伟1,庞明坤1,2,张 航1,田嘉伟1,潘红宇1,2. 含不同裂隙倾角瓦斯预抽钻孔破坏临界角度的确定 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S2): 58-69.
[12]
崔哲森1,柴青平2,刘志龙3,王雪松4,袁增森1,徐振洋1,5,6. 爆堆块度分布对孔隙结构分形特征影响研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S1): 134-145.
[13]
卢运虎1,2,张樱曦2,金 衍1,2,周 波2,3. 考虑钻井液封堵效应的破碎性地层井壁坍塌模型 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S1): 10-20.
[14]
张 翔1,朱斯陶1,2,刘金海1,姜福兴1,李士栋3,周 涛3,孔 震3,曲效成4. 巨厚表土–锯齿断层煤柱组合结构联动失稳机制研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(9): 2391-2407.
[15]
唐 朝1,2,张遵国1,3,陈 毅1,2,张宏虎1,2,陈永强1,2,钱清侠1. 基于三重耦合效应的煤体吸附CO2变形解耦分析方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(9): 2432-2443.