深部硬巖截割特性與機(jī)械化破巖試驗(yàn)研究

王少鋒，李夕兵，宮鳳強(qiáng)，姚金蕊，杜紹倫，何忠國

(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京，211189；3.貴州磷化(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州貴陽，550081)

地下固體資源開采是保障國計(jì)民生的重要支撐，經(jīng)過幾十年的努力，煤炭開采中出現(xiàn)了綜合機(jī)械化采掘技術(shù)，保證了千萬噸大型煤礦的機(jī)械化、連續(xù)化、規(guī)?；_采，促進(jìn)了煤炭資源的安全、高效、綠色、智能化開采進(jìn)程[1?2]。隨著煤炭開采技術(shù)不斷發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)深部流態(tài)化開采[3]。然而，目前地下非煤硬巖礦體開采仍以傳統(tǒng)鉆爆法為主，其作業(yè)危險(xiǎn)性高、生產(chǎn)效率低、衍生破壞大、智能化進(jìn)程緩慢等問題日益突出，與現(xiàn)代工業(yè)所要求的安全、高效、綠色、智能化原則相悖[4]，同時(shí)，爆破也是誘發(fā)巖爆、突水等災(zāi)害的重要因素[5]，因此，有必要開發(fā)硬巖機(jī)械化破碎方法與技術(shù)。19世紀(jì)后期，一些發(fā)達(dá)國家率先進(jìn)行了一些旨在取消炸藥的非爆采礦方法研究，試圖找到一種可取代傳統(tǒng)爆破的高效破巖方法，先后研究出許多新型破巖方法，如機(jī)械刀具破巖、高壓水射流破巖、化學(xué)膨脹劑破巖、熱力破巖、微波破巖、等離子體破巖、激光破巖等[4]，其中，以機(jī)械刀具破巖為基礎(chǔ)的非爆采礦方法效果明顯，各種沖擊式、旋轉(zhuǎn)截齒切削式、滾刀壓裂式采礦機(jī)械相繼產(chǎn)生[6?11]。在現(xiàn)有地下采礦實(shí)踐中，滾筒采煤機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)、懸臂式掘進(jìn)機(jī)等基于截齒或刀具旋轉(zhuǎn)切割的礦山機(jī)械化連續(xù)采掘設(shè)備已廣泛應(yīng)用于煤層或者煤系巖層采掘作業(yè)，保障了煤炭高產(chǎn)高效規(guī)?；_采[1,2,12]。在煤炭開采實(shí)踐中，非爆機(jī)械化開采具有傳統(tǒng)鉆爆法開采無不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為安全性高、成本低、生產(chǎn)效率高、作業(yè)環(huán)境好、勞動(dòng)強(qiáng)度低、資源回收率高、衍生破壞小等。非爆機(jī)械化開采是減少礦山開采災(zāi)害的有效途徑，是礦山朝安全低耗、高產(chǎn)高效發(fā)展的有力保證，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)智能化無人采礦的基礎(chǔ)。然而，與煤巖具有的強(qiáng)度低、硬度小、輕而脆、裂隙發(fā)育等特點(diǎn)不同，非煤硬巖礦體普遍具有強(qiáng)度高、硬度高、磨蝕性強(qiáng)、完整性好等特點(diǎn)，當(dāng)采礦機(jī)械的破巖機(jī)具與礦體接觸后難以一次性高效地截落礦石，而需多次重復(fù)與礦石摩擦，極易產(chǎn)生高溫，在高接觸應(yīng)力和高溫作用下截齒或刀具極易磨損，同時(shí)易產(chǎn)生大量礦塵且呼吸性礦塵濃度高，從而導(dǎo)致開采成本高且作業(yè)環(huán)境差。如果只考慮提高刀具耐磨性能以及增大采礦機(jī)械輸出功率，受目前制造業(yè)發(fā)展水平限制，勢(shì)必造成采礦設(shè)備體積龐大、靈活性差、造價(jià)和使用費(fèi)用昂貴，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化開采，最終致使非爆機(jī)械化開采在硬巖礦山中的應(yīng)用受到限制。近年來，隨著淺部礦產(chǎn)資源的開采殆盡，深部開采即將成為常態(tài)[13?18]。世界采礦大國中，南非開采深度達(dá)4 000 m，澳大利亞達(dá)1 900 m，加拿大達(dá)3 000 m[19]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，我國“十三五”期間有50 余座金屬礦山將在深度1 000 m 以下開采，其中有近一半在未來10～20年開采深度將達(dá)到1 500 m 以上[19]。深部礦產(chǎn)資源呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：緩傾斜層狀礦床居多，中低品位礦石居多，出現(xiàn)高地應(yīng)力和強(qiáng)開采擾動(dòng)。在深部開采中，通過開挖誘導(dǎo)工程調(diào)控高應(yīng)力巖體內(nèi)的儲(chǔ)能用于預(yù)先使硬巖礦體發(fā)生破裂，可提高機(jī)械截割的可行性[4]。當(dāng)深部礦巖礦石品位降低時(shí)，為了滿足下游工業(yè)日益增多的資源需求，需進(jìn)行集約化和規(guī)?；_采。深部礦床緩傾斜的賦存特點(diǎn)以及深部高地應(yīng)力可用于有序致裂巖體而不再引發(fā)巖爆等災(zāi)害，為深部硬巖礦體非爆機(jī)械化開采提供了有利條件。目前，已有學(xué)者針對(duì)地應(yīng)力條件對(duì)TBM 隧道掘進(jìn)機(jī)盤刀破巖的影響開展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)若巖體開挖后圍巖內(nèi)的應(yīng)力足夠高，則能夠引起巖體破裂并促進(jìn)盤刀破巖，反之則阻礙盤刀破巖[20?23]。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)深部采礦應(yīng)力條件對(duì)機(jī)械刀具破巖的影響以及優(yōu)選出穩(wěn)定高效的破巖方法，本文通過不同應(yīng)力條件下鎬型截齒破巖實(shí)驗(yàn)，研究硬巖機(jī)械化開采對(duì)巖體應(yīng)力環(huán)境的適用性以及合理的誘導(dǎo)工程布置結(jié)構(gòu)，并通過高清鉆孔電視現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)誘導(dǎo)工程圍巖的松動(dòng)區(qū)分布情況，針對(duì)松動(dòng)區(qū)礦體對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)、挖掘機(jī)載銑挖頭、挖掘機(jī)載高頻沖擊頭和鏟運(yùn)機(jī)載高頻沖擊頭這4種機(jī)械破巖設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。

1 鎬型截齒侵入破巖實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

地下巖體在未受到采動(dòng)影響時(shí)處于三維原巖應(yīng)力狀態(tài)。然而，在巖體開挖過程中，針對(duì)不同的開挖工程結(jié)構(gòu)，圍巖應(yīng)力進(jìn)行重新分布后轉(zhuǎn)變?yōu)殡p軸應(yīng)力或者單軸應(yīng)力甚至極低應(yīng)力。對(duì)于獨(dú)頭掘進(jìn)的巷道掌子面上的巖體，其受水平和豎向雙軸受限應(yīng)力；對(duì)于采場(chǎng)內(nèi)因采準(zhǔn)巷道和工作面巷道開挖形成的半島型或者全島型礦柱，其僅受豎向單軸受限應(yīng)力；此外，當(dāng)開挖工程圍壓應(yīng)力重分布后引起集中應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度時(shí)，圍巖會(huì)發(fā)生破裂而釋放應(yīng)力，對(duì)于應(yīng)力釋放后失去承載能力的圍巖塑性區(qū)內(nèi)的巖石，其僅受到巖體破壞后的殘余應(yīng)力作用，受限應(yīng)力較低甚至無受限應(yīng)力。針對(duì)上述雙軸、單軸和無受限應(yīng)力這3種應(yīng)力環(huán)境，通過TRW-3000型巖石真三軸電液伺服誘變(擾動(dòng))系統(tǒng)平臺(tái)(圖1(a))的X和Y向加載機(jī)構(gòu)對(duì)立方塊巖樣施加側(cè)向圍壓(見圖1(b)和圖1(c))，構(gòu)建相應(yīng)的應(yīng)力環(huán)境，隨后，通過該平臺(tái)的Z向加載機(jī)構(gòu)施加截割載荷到巖樣上部端面進(jìn)行破巖，物理模擬受限應(yīng)力作用下鎬型截齒的侵入破巖過程。如圖1(d)和圖1(e)所示，鎬型截齒上的截割力F由Z向加載缸以0.3 mm/min 的加載速率垂直施加到巖樣的上端面，巖樣2個(gè)側(cè)面受X和Y向加載缸施加的雙軸圍壓σX和σY、Y向加載缸施加的單軸圍壓σY或者無圍壓共3種應(yīng)力的作用。

圖1 鎬型截齒侵入破巖實(shí)驗(yàn)裝置及加載過程Fig.1 Experimental apparatus and loading process of rock indentation test by conical pick

為了取樣和加工方便，并避免巖體內(nèi)部天然節(jié)理的影響，選取花崗巖進(jìn)行試驗(yàn)，且所有巖樣均取自同一完整的花崗巖母體。實(shí)驗(yàn)測(cè)得所用長(zhǎng)×寬×高為100 mm×100 mm×100 mm的花崗巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度為135.72 MPa。

在鎬型截齒侵入破巖過程中，截落巖塊所需要的截割力以及截割功是反映巖體可截性的主要指標(biāo)，決定著破巖機(jī)械所需的截割功率，進(jìn)而決定著現(xiàn)有破巖機(jī)械能否適用于硬巖礦體開采。因此，試驗(yàn)中依據(jù)試驗(yàn)設(shè)備記錄的截齒作用載荷F和截齒鑿入深度D關(guān)系曲線(見圖2)提取并計(jì)算巖樣破壞時(shí)作用在截齒上的破巖峰值載荷Fc和截齒鑿入深度Dc，然后通過式(1)近似計(jì)算截齒作用的截割功Wc。最后，根據(jù)破巖峰值載荷和截齒作用的截割功隨試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)力條件的變化情況來研究應(yīng)力條件對(duì)鎬型截齒侵入破巖特性的影響。

圖2 鎬型截齒作用載荷隨鑿入深度變化的典型曲線Fig.2 Typical change curve of applied force with indentation depth of conical pick

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)應(yīng)于雙軸受限應(yīng)力環(huán)境，試驗(yàn)中通過X和Y向加載機(jī)構(gòu)構(gòu)建雙軸圍壓(σX，σY)分別為(30，30)，(20，40)和(10，50)MPa，然后通過Z向加載機(jī)構(gòu)對(duì)截齒進(jìn)行加載用于破巖，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：在雙軸受限應(yīng)力下，截齒需要在巖樣端面中心鑿入較深的深度才能將巖塊從巖樣表面剝落，相應(yīng)地，當(dāng)巖樣發(fā)生表面剝落時(shí)，作用在截齒上的峰值載荷和截割功較大。此種應(yīng)力環(huán)境實(shí)際上對(duì)應(yīng)于巷道獨(dú)頭掘進(jìn)(只有1個(gè)自由面)時(shí)礦巖所處的應(yīng)力環(huán)境，若單純用截齒直接作用到雙向受限的工程巖體表面，則截齒需要較大的鑿入深度、破巖載荷和截割功才能將巖石剝落。這是由于待截割巖體受到雙向邊界應(yīng)力限制，當(dāng)截齒截割巖體時(shí)，隨著截齒鑿入，巖塊只能從截齒作用端的臨空面被擠壓破裂而發(fā)生剝落，其破裂以壓剪破壞為主，只有截齒鑿入更深的深度才能在巖體內(nèi)形成足夠大的破裂區(qū)域，因此，需要的破巖載荷和截割功較大。然而，在破巖機(jī)械性能一定時(shí)，往往會(huì)因?yàn)槠茙r載荷沒有足夠大而難以使截齒鑿入巖體，而是與巖體表面不斷發(fā)生摩擦，從而造成截齒磨損嚴(yán)重，使用壽命較短，且破巖過程會(huì)產(chǎn)生較多粉塵，污染作業(yè)環(huán)境，影響作業(yè)視線，很難實(shí)現(xiàn)采礦過程的經(jīng)濟(jì)、高效、安全、環(huán)保。因此，目前基于截齒旋轉(zhuǎn)切削的機(jī)械化破巖落礦方法還不適用于硬巖的獨(dú)頭掘進(jìn)。

圖3 雙軸圍壓下花崗巖樣截齒破巖峰值載荷和截割功Fig.3 Applied peak force and cutting work of conical pick at rock fragmentation on granite specimen under biaxial confining stress

對(duì)應(yīng)于單軸受限應(yīng)力環(huán)境，試驗(yàn)中通過Y向加載機(jī)構(gòu)構(gòu)建單軸圍壓σY分別為5，10，20，40，60，80，100，120和130 MPa。對(duì)應(yīng)于無受限應(yīng)力環(huán)境，試驗(yàn)中不施加X和Y方向載荷，然后通過Z向加載機(jī)構(gòu)對(duì)截齒進(jìn)行加載用于破巖，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：在無圍壓和單軸圍壓σY<40 MPa(接近巖樣單軸抗壓強(qiáng)度的30%)條件下，隨著單軸圍壓增大，截齒破巖峰值載荷和截割功也相應(yīng)增大；單軸圍壓從0～20 MPa 變化范圍內(nèi)截齒破巖峰值載荷和截割功增加速度較快，而在20～40 MPa變化范圍內(nèi)其速度增加緩慢。在單軸圍壓σY≥40 MPa條件下，隨著單軸圍壓增大，截齒破巖需要的峰值載荷和截割功逐漸減小。在較低單軸圍壓下，巖樣受到的圍壓限制較小，截齒破巖時(shí)會(huì)沿著單軸圍壓作用方向?qū)r樣完整劈裂；隨著單軸圍壓增大，巖樣受到的圍壓限制相應(yīng)增大，限制了巖樣在圍壓作用方向上的變形，并且存在隨圍壓增大而相應(yīng)增加的端部效應(yīng)，相當(dāng)于在臨空面方向施加了一定的限制應(yīng)力，從而阻礙了巖塊從臨空面剝落，因此，巖樣的截割難度會(huì)隨著單軸圍壓增大而增大。然而，在較高單軸圍壓下，巖樣內(nèi)部會(huì)因?yàn)閱屋S圍壓的作用而萌生裂紋，且隨著圍壓增大，裂紋相應(yīng)增多；當(dāng)截齒從巖樣端面不斷鑿入時(shí)，較高的單軸圍壓會(huì)加劇截齒作用區(qū)域巖石內(nèi)的應(yīng)力集中，從而致使巖樣在截齒作用端面發(fā)生部分劈裂，產(chǎn)生從巖樣臨空側(cè)面剝落的楔形巖塊，隨著單軸圍壓增大，圍壓反倒有利于截齒破巖；當(dāng)單軸圍壓繼續(xù)增大，超過巖樣單軸抗壓強(qiáng)度的70%時(shí)，巖樣在截齒截割前存在較高的彈性儲(chǔ)能；當(dāng)截齒從巖樣端面鑿入時(shí)，破壞了巖樣的完整性，使巖樣抗壓能力降低，花崗巖具有極明顯的彈脆性，當(dāng)花崗巖巖樣失去對(duì)高單軸圍壓的承載能力時(shí)，巖樣會(huì)在此單軸壓力下產(chǎn)生劇烈破壞，會(huì)從圍壓作用端快速彈射，從而產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)室?guī)r爆現(xiàn)象。

圖4 單軸圍壓下花崗巖樣截齒破巖峰值載荷和截割功Fig.4 Applied force and cutting work of conical pick at rock fragmentation on granite specimen under uniaxial confining stress

在深部開采實(shí)踐中，高地應(yīng)力作為引發(fā)非常規(guī)巖體破壞(例如巖爆、分區(qū)破裂、擠壓大變形、板裂等)的主要因素往往被視為一個(gè)致災(zāi)因素。如果通過開挖一些誘導(dǎo)工程以及采取必要的柔性支護(hù)手段，將深部較高的原巖地應(yīng)力集中施加到誘導(dǎo)工程形成的臨空面巖體(半島型或全島型礦柱)上形成應(yīng)力集中，隨后，根據(jù)巖體自身結(jié)構(gòu)的支撐能力進(jìn)行應(yīng)力重新分布，加上卸荷效應(yīng)及擾動(dòng)作用，使臨空面淺部巖體裂紋發(fā)育，從而導(dǎo)致集中應(yīng)力平穩(wěn)釋放，形成只有較低豎向殘余應(yīng)力和裂隙發(fā)育的松動(dòng)區(qū)，截割松動(dòng)區(qū)內(nèi)的巖石只需要克服較低單軸受限應(yīng)力。通過上述試驗(yàn)結(jié)果可以得到：硬巖在較低的單軸受限應(yīng)力下，具有較好的可截割性，同時(shí)，松動(dòng)區(qū)內(nèi)的巖體裂隙發(fā)育，更有利于機(jī)械刀具破巖。因此，在機(jī)械截割深部硬巖礦體時(shí)，需要開挖采準(zhǔn)巷道和誘導(dǎo)巷道，增加待截割巖體的臨空面數(shù)量，將雙軸受限應(yīng)力環(huán)境改變?yōu)閱屋S受限應(yīng)力環(huán)境，并使臨空面巖體在單軸應(yīng)力下產(chǎn)生受限應(yīng)力較低和裂紋發(fā)育的松動(dòng)區(qū)，從而可通過機(jī)械刀具切割剝落松動(dòng)區(qū)內(nèi)的巖石。

2 誘導(dǎo)工程圍巖松動(dòng)區(qū)分布

為了解誘導(dǎo)工程圍壓松動(dòng)區(qū)的分布情況，在開磷馬路坪礦640中段布置試驗(yàn)采場(chǎng)，對(duì)誘導(dǎo)工程開挖后的圍巖進(jìn)行高清鉆孔電視觀測(cè)。高清鉆孔電視由高清攝像頭、數(shù)據(jù)傳輸線、推桿、孔深記錄儀、控制及顯示主機(jī)組成。通過推桿將高清攝像頭緩慢推入巖壁鉆孔，孔深記錄儀通過記錄數(shù)據(jù)傳輸線滑動(dòng)距離來采集攝像頭進(jìn)入鉆孔的深度，高清攝像頭將拍攝的孔壁視頻傳輸給控制及顯示主機(jī)，主機(jī)生成并顯示實(shí)時(shí)的孔壁形貌隨孔深變化的圖像及電子巖芯。隨后，根據(jù)孔壁形貌圖像上的裂紋分布特征判斷孔壁圍巖松動(dòng)情況。馬路坪礦640 中段開采深度達(dá)+640 m，垂直深度超過800 m，測(cè)試區(qū)域最大主應(yīng)力在水平方向，達(dá)30～40 MPa，豎直方向地應(yīng)力超過20 MPa。礦層傾角為16°～45°，一般為25°～30°，隨著向深部延伸，礦層傾角變緩，礦層厚度達(dá)4.5～8.2 m。試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)礦巖石標(biāo)準(zhǔn)巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度為148 MPa 左右，抗拉強(qiáng)度為4～5 MPa，礦巖體節(jié)理發(fā)育，巖心質(zhì)量指標(biāo)(RQD)為50%～60%。

試驗(yàn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖及開挖后巖體表面圖像如圖5所示。首先沿礦體走向開挖1 條采準(zhǔn)巷道，然后沿礦體傾向開挖數(shù)條誘導(dǎo)巷道，構(gòu)成一個(gè)采場(chǎng)的誘導(dǎo)工程，形成數(shù)個(gè)具有3個(gè)臨空面的回采礦柱(半島型)。根據(jù)破巖機(jī)械行走空間、礦層賦存條件、頂板安全管理等要求，誘導(dǎo)巷道寬度為4.8～6.7 m，高度為4.8 m，長(zhǎng)度為8.7 m，間距為10 m。誘導(dǎo)巷道可以誘導(dǎo)利用深部地應(yīng)力使臨空面礦體內(nèi)的裂隙發(fā)育，形成松動(dòng)區(qū)，即只存在豎向極低殘余應(yīng)力以及裂紋發(fā)育的可機(jī)采松動(dòng)礦體。

誘導(dǎo)工程圍巖松動(dòng)區(qū)分布情況決定著試驗(yàn)采場(chǎng)開采技術(shù)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)。在誘導(dǎo)工程(包括采準(zhǔn)巷道和3 條誘導(dǎo)巷道)施工完畢后，在采準(zhǔn)巷道和誘導(dǎo)巷道圍成的半島型礦柱上沿礦層平面方向施工上下2層鉆孔，監(jiān)測(cè)礦柱松動(dòng)區(qū)。通過圖5(d)所示的高清鉆孔電視及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程對(duì)各個(gè)鉆孔的孔壁進(jìn)行掃描成像，然后通過后期處理軟件，對(duì)圖像上的節(jié)理裂隙進(jìn)行識(shí)別標(biāo)定，根據(jù)裂隙分布區(qū)別原巖與松動(dòng)區(qū)巖體，并劃定出分界線位置，從而確定松動(dòng)區(qū)邊界。測(cè)得的各個(gè)鉆孔位置的松動(dòng)區(qū)厚度如表1所示[24]。

圖5 試驗(yàn)采場(chǎng)情況Fig.5 Layouts of mining test stope

由表1可知：誘導(dǎo)工程開挖后，由采準(zhǔn)巷道和誘導(dǎo)巷道圍成的半島型礦柱內(nèi)的松動(dòng)區(qū)厚度為1.84～2.54 m，礦柱兩邊角處松動(dòng)區(qū)范圍較大。由于此處存在2個(gè)卸荷自由面，應(yīng)力經(jīng)歷過更加集中的加卸荷擾動(dòng)，巖體損傷程度更大。因此，機(jī)械開采松動(dòng)區(qū)內(nèi)的礦體時(shí)，其開采厚度應(yīng)等于松動(dòng)區(qū)厚度，1 個(gè)半島型礦柱上的松動(dòng)區(qū)礦體開采完后，轉(zhuǎn)至鄰近礦柱開采，其間深部地應(yīng)力會(huì)重新進(jìn)行調(diào)整，在原礦柱上形成新的松動(dòng)區(qū)，然后轉(zhuǎn)至原礦柱開采。這樣依次進(jìn)行，直至將相鄰2個(gè)礦柱開采完畢為止。

表1 松動(dòng)區(qū)厚度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果[24]Table 1 On-site test results about the thickness of fractured zones around pillar[24]

3 松動(dòng)區(qū)礦體機(jī)械化破碎方法

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采礦試驗(yàn)之前，為了掌握磷礦石的截割特性，類似于上述花崗巖樣的破巖實(shí)驗(yàn)，在磷礦石巖樣上進(jìn)行鎬型截齒侵入破巖實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。在單軸圍壓下，隨著圍壓增大，破巖峰值載荷和截割功都先增大后降低，變化分界點(diǎn)出現(xiàn)在40 MPa 單軸圍壓處；隨著圍壓增大，巖樣的破壞模式從完全劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠峙哑茐?，最后在高單軸圍壓下發(fā)生微弱巖爆，巖樣破壞模式變化的分界點(diǎn)分別在40 MPa和90 MPa 單軸圍壓處。因?yàn)榱椎V石內(nèi)含有較多的原生裂紋，雖然礦巖石標(biāo)準(zhǔn)巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)148 MPa 左右，但破巖實(shí)驗(yàn)所用長(zhǎng)×寬×高為100 mm×100 mm×100 mm 巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度僅達(dá)107.25 MPa。在試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)，誘導(dǎo)工程開挖形成的礦柱松動(dòng)區(qū)內(nèi)的殘余受限應(yīng)力一般在5 MPa以下，機(jī)械刀具破巖所需的峰值載荷和截割功分別為16.51 kN和26.66 J，具有較好的可截割性。

圖6 單軸圍壓下礦體巖樣的截齒破巖峰值載荷和截割功Fig.6 Applied force and cutting work of conical pick at rock fragmentation on ore specimen under uniaxial confining stress

誘導(dǎo)工程施工完成后，對(duì)半島型礦柱松動(dòng)區(qū)內(nèi)的礦體進(jìn)行機(jī)械化破碎。在試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)，對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)、挖掘機(jī)載銑挖頭、挖掘機(jī)載高頻沖擊頭、鏟運(yùn)機(jī)載高頻沖擊頭這4種機(jī)械破巖設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，其破巖工效、機(jī)械刀具磨損情況及機(jī)械作業(yè)的連續(xù)性、靈活性與穩(wěn)定性等破巖性能如表2所示。

表2 機(jī)械破巖作業(yè)表現(xiàn)Table 2 Rock breakage performances

3.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)

試驗(yàn)選用EBZ160TY 型縱軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)對(duì)誘導(dǎo)松動(dòng)半島型礦柱進(jìn)行切割，其破巖過程如圖7所示。掘進(jìn)機(jī)切割頭上呈螺旋線布置眾多鎬型截齒，截齒隨截割頭旋轉(zhuǎn)截割礦體，截齒本身在與巖體作用的過程中也能在齒座內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，保證截齒均勻磨損。切割頭能夠隨掘進(jìn)機(jī)懸臂上下左右靈活擺動(dòng)，切割過程靈活多變。一般根據(jù)礦體內(nèi)松動(dòng)區(qū)的分布情況，掘進(jìn)機(jī)側(cè)身對(duì)著礦體并圍繞礦體從一側(cè)松動(dòng)區(qū)截割到另一側(cè)松動(dòng)區(qū)。

圖7 懸臂式掘進(jìn)機(jī)破巖Fig.7 Rock breakage using cantilevered roadheader

在試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)總共開機(jī)534 min，用于切割礦體的有效作業(yè)時(shí)間為341 min。在此期間，掘進(jìn)機(jī)累積切割礦體612 t，平均切割工效為107.7 t/h。截齒消耗量為0.013個(gè)/h。整體上，該采礦方法可以很好地滿足松動(dòng)區(qū)礦體連續(xù)切割要求，并且在切割過程中掘進(jìn)機(jī)作業(yè)穩(wěn)定，但由于試采礦柱走向尺寸較小，掘進(jìn)機(jī)在采礦過程中需要頻繁掉頭，導(dǎo)致其有效作業(yè)時(shí)間不長(zhǎng)，因此，在后續(xù)研究中，需要對(duì)采場(chǎng)空間和開采工藝進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)礦體截割、礦石裝運(yùn)、圍巖支護(hù)、通風(fēng)除塵、采空區(qū)處理等工藝的全面連續(xù)化。

3.2 挖掘機(jī)載銑挖頭

破巖試驗(yàn)中用的銑挖頭是一種橫軸旋轉(zhuǎn)切割機(jī)構(gòu)，左右2個(gè)旋轉(zhuǎn)盤上安裝有呈螺旋線布置的鎬型截齒。銑挖頭安裝在挖掘機(jī)的擺臂上能夠隨擺臂移動(dòng)并可進(jìn)行挖掘動(dòng)作。試驗(yàn)中挖掘機(jī)載銑挖頭破巖過程如圖8所示。通過銑挖頭上截齒的旋轉(zhuǎn)切割，可以連續(xù)地將松動(dòng)區(qū)內(nèi)的礦石剝落，通過挖掘機(jī)擺臂可以靈活調(diào)節(jié)銑挖頭的切割位置，并可控制銑挖頭進(jìn)行挖掘動(dòng)作，將截落的礦石進(jìn)行挖掘堆積，以便鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖8 挖掘機(jī)載銑挖頭破巖Fig.8 Rock breakage using milling head mounted on excavator

在試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行了3 次試驗(yàn)：第1 次切割92 min，剝落礦石95 t，切割工效為61.9 t/h；第2次切割80 min，剝落礦石96 t，切割工效為72 t/h；第3 次切割75 min，剝落礦石121 t，切割工效為96.8 t/h。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，未出現(xiàn)截齒失效，平均截割工效為75.8 t/h。整體上，該采礦方法可以滿足松動(dòng)區(qū)礦體連續(xù)切割要求，但在試驗(yàn)過程中，由于銑挖頭質(zhì)量較大，且挖掘機(jī)擺臂較長(zhǎng)，切割過程中采礦機(jī)械震動(dòng)較大。在后續(xù)研究中，需對(duì)采礦機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證在能夠提供足夠切割功率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)切割過程穩(wěn)定。

3.3 挖掘機(jī)載高頻沖擊頭

高頻沖擊能夠?qū)r體進(jìn)行快速多次鑿擊，并且借助沖擊頭的慣性能夠提供更大的破巖載荷，因此，其對(duì)堅(jiān)硬巖體具有較好的適用性。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，對(duì)礦用挖掘機(jī)進(jìn)行改造，將挖掘斗拆除換成高頻沖擊頭。沖擊頭通過高頻鑿擊進(jìn)入巖體，然后通過挖掘機(jī)擺臂進(jìn)行挖掘動(dòng)作，將松動(dòng)礦石剝落。挖掘機(jī)載高頻沖擊頭破巖過程如圖9所示。

圖9 挖掘機(jī)載高頻沖擊頭破巖Fig.9 Rock breakage using high-frequency impact head mounted on excavator

在試驗(yàn)采場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行了2 次試驗(yàn)：第1 次鑿巖25 min，剝落礦石20 t，鑿巖工效為48 t/h；第2次鑿巖60 min，剝落礦石30 t，鑿巖工效為30 t/h。平均鑿巖工效為35.3 t/h。

在試驗(yàn)過程中，設(shè)備運(yùn)行良好，沖擊頭未出現(xiàn)故障。該高頻沖擊采礦方法相比于旋轉(zhuǎn)切割方法對(duì)松動(dòng)區(qū)以外的較完整礦體的適用性更強(qiáng)，但由于其鑿巖過程連續(xù)性差，導(dǎo)致落礦效率較低。同樣地，類似于挖掘機(jī)載銑挖頭采礦過程，由于高頻沖擊頭質(zhì)量大，再加上挖掘機(jī)擺臂較長(zhǎng)，導(dǎo)致鑿巖落礦過程機(jī)械穩(wěn)定性較差。

3.4 鏟運(yùn)機(jī)載高頻沖擊頭

由于單沖擊頭鑿巖落礦效率較低，試驗(yàn)中對(duì)沖擊頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將沖擊頭上的鑿巖錘增加為3個(gè)。為了縮短搖臂長(zhǎng)度，保證鑿巖過程中采礦機(jī)械穩(wěn)定，將鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行改造后安裝高頻沖擊頭。鏟運(yùn)機(jī)載高頻沖擊頭破巖過程如圖10所示。3個(gè)沖擊錘的鑿巖落礦效率比單個(gè)沖擊錘的高，平均鑿巖工效增加到67 t/h。在試驗(yàn)過程中，采礦機(jī)械整體較穩(wěn)定，然而，輪式行走鏟運(yùn)機(jī)相對(duì)于鏈盤式行走挖掘機(jī)其工作機(jī)構(gòu)的靈活性較差，并且沖擊頭失去了挖掘扒礦功能。

圖10 鏟運(yùn)機(jī)載高頻沖擊頭破巖Fig.10 Rock breakage using high-frequency impact head mounted on carry-scraper

4 結(jié)論

1)針對(duì)實(shí)際采礦過程中礦體受到的雙軸(獨(dú)頭掘進(jìn))、單軸(采場(chǎng)內(nèi)半島型或全島型礦柱)和較低甚至無受限應(yīng)力(礦柱松動(dòng)區(qū))這3種應(yīng)力環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了相應(yīng)的應(yīng)力條件，利用鎬型截齒對(duì)巖樣進(jìn)行侵入破巖。在雙軸受限應(yīng)力下，截齒破巖峰值載荷和截割功都較大，且?guī)r樣只發(fā)生表面剝落。在無圍壓和單軸圍壓較小時(shí)，隨著單軸圍壓增大，截齒破巖峰值載荷和截割功先快后慢增大，巖樣破壞形式由完整劈裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠峙?；在單軸圍壓較高時(shí)(接近巖樣單軸抗壓強(qiáng)度的30%)，隨著單軸圍壓增大，破巖峰值載荷和截割功反而逐漸減小，從而有利于破巖；當(dāng)單軸圍壓超過巖樣單軸抗壓強(qiáng)度的70%時(shí)，巖樣內(nèi)的高彈性儲(chǔ)能會(huì)在截齒破巖擾動(dòng)誘發(fā)下發(fā)生瞬態(tài)釋放，引發(fā)巖爆現(xiàn)象。

2)針對(duì)深部硬巖礦體，需要通過開挖誘導(dǎo)工程提高礦體的可截割性。通過開挖采準(zhǔn)巷道和與之垂直或相交的誘導(dǎo)巷道增加待截割礦體的臨空面數(shù)量，將雙軸受限應(yīng)力環(huán)境改變?yōu)閱屋S受限應(yīng)力環(huán)境，并使臨空面巖體在單軸應(yīng)力下產(chǎn)生受限應(yīng)力較低和裂紋發(fā)育的松動(dòng)區(qū)，從而通過機(jī)械刀具可以較輕松地剝落松動(dòng)區(qū)內(nèi)的巖石。誘導(dǎo)工程開挖形成的半島型礦柱內(nèi)的松動(dòng)區(qū)厚度為1.84～2.54 m，松動(dòng)區(qū)邊界呈“U”形，礦柱兩邊角處松動(dòng)區(qū)范圍較大。

3)基于多截齒旋轉(zhuǎn)切割的懸臂式掘進(jìn)機(jī)(平均工效為107.7 t/h)和挖掘機(jī)載銑挖頭(平均工效為75.8 t/h)采礦連續(xù)性強(qiáng)，能夠獲得較高的采礦工效。挖掘機(jī)載銑挖頭在采礦過程中，由于銑挖頭質(zhì)量較大以及挖掘機(jī)擺臂較長(zhǎng)，導(dǎo)致切割時(shí)機(jī)械抖動(dòng)較大。高頻沖擊式的采礦方法由于沖擊錘數(shù)量較少且不能連續(xù)作用，采礦效率較低，但其對(duì)較完整的礦體具有較好的適用性，因此，在后續(xù)研究中，可以將高頻沖擊和旋轉(zhuǎn)切割進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，開發(fā)具有沖擊振動(dòng)功能的旋轉(zhuǎn)切割機(jī)構(gòu)，提高機(jī)械化破巖的適應(yīng)能力。