深部硬岩截割特性及非爆机械化开采研究

Study on rock cuttability and non-explosive mechanized mining in deep hard rock

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107.7t/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。