王少锋、李夕兵教授：深部硬岩可切割性与机械化开采实践|李夕兵|深部硬岩可切割性与机械化开采实践|王少锋|矿体|采矿

地下固体资源开采是保障国计民生的基础产业。经过采矿工作者几十年的努力，综合机械化采掘技术在煤炭开采中得到了广泛应用，保证了千万吨大型煤矿的机械化、连续化和规模化开采，推进了煤炭资源的安全、高效、绿色和智能化开采进程。然而，目前地下非煤硬岩矿体开采仍以传统钻爆法为主，作业危险性高、生产效率低、衍生破坏大和智能化进程缓慢等问题日益突出，与现代工业所倡导的安全、高效、绿色和智能化原则相悖。因此，有必要突破目前硬岩开采以钻爆法为主的格局，投入一定的人力和资金，研发深部硬岩非爆开采方法与装备。

▲ 非爆破岩技术的优势和发展方向

自20 世纪后期以来，国内外学者对非爆破岩方法(取消炸药爆破)进行了若干研究，试图寻找可替代传统钻爆法的高效破岩方法，相继研发了诸多新型破岩方法，如机械刀具破岩、高压水射流破岩、膨胀破岩和热能(微波、等离子体和激光)破岩等。随着制造业的飞速发展，以机械刀具破岩为基础的非爆机械化采矿技术取得了长足发展，基于镐型截齿、盘型滚刀和牙轮滚刀等刀具破岩的采矿机械相继应用于地下固体资源开采中，促进了采矿技术的升级。

▲ 非爆破岩面临的挑战与对策

实践证明，非爆机械化开采技术具有传统钻爆法无法比拟的优点，包括作业安全性好、生产效率高、资源回收率大、衍生破坏小和智能化进程快等，能够为硬岩矿山安全、高效和绿色开采提供有力保障，也是实现智能化、无人化和集约化采矿的基础。然而，当这些机械刀具用于破碎坚硬矿岩体时，刀具所需的破岩载荷极高，难以一次性高效截落矿石，而是需要多次重复与矿岩摩擦，在接触区域产生高温，刀具在高接触应力和高温下极易磨损失效，同时会产生大量矿尘，开采成本高昂且作业环境恶劣，导致非爆机械化开采技术在硬岩矿山中的规模化应用受到一定阻碍。提高非爆机械化开采在硬岩矿体中应用的可行性途径有两个方面：一是提高刀具的破岩功率；二是提高矿岩的可切割性。其中，提高刀具的破岩功率，一方面需要提高刀具性能以便承担高功率所带来的高接触应力和高温，另一方面需要增大采矿机械的输出功率，这样势必会造成破岩刀具造价昂贵以及采矿机械体积庞大、灵活性差且成本高，因此仅仅依赖外部能量进行矿岩体破碎难以满足规模化采矿要求。由于硬岩具有高强度和强磨蚀性的特性，因此硬岩矿体本身的可切割性较低。然而，在地下深部资源开采过程中，深部高应力存在着更利于岩石破碎的倾向，可以通过高应力诱导致裂和能量调控来促使原来易引起岩爆等灾害的高应力转变为能够促进机械刀具破岩的有用动力源，提高硬岩的可切割性，为深部硬岩矿体的非爆机械化开采提供有利条件。

▲ 深部硬岩非爆机械化破碎技术发展方向

为此，笔者开展了深部采矿应力条件下机械刀具破岩特性、人为诱导缺陷硬岩可切割性、破岩扰动诱发高应力岩体动力灾害及控制、非爆机械化采矿实践、非煤矿山智能化绿色化升级实践等研究工作。《深部硬岩可切割性与机械化开采实践》（王少锋，李夕兵著. 北京：科学出版社，2024. 9）是对相关工作的总结，是在笔者博士学位论文《深部硬岩截割特性及非爆机械化开采研究》和博士期间以及后来发表的相关期刊论文的基础上整理并丰富而成。此外，本书的研究内容得到了博士研究生导师李夕兵教授主持完成的相关科研项目和笔者近五年来主持完成的科研项目的支持，包括国家自然科学基金项目(52174099 和51904333)、湖南省科技人才托举工程项目(2022TJ-N01)、芙蓉计划湖湘青年英才项目(2023RC3050)、长沙市杰出创新青年培养计划(kq2107003)等。

本书通过文献综述、室内试验、理论分析、数值模拟和现场应用相结合的方法，在破岩理论和技术发展综述与展望的基础上，针对深部硬岩应力条件与力学特征，系统研究了深部硬岩截割特性、开采诱发高应力矿柱岩爆机制、深部硬岩可切割性表征与改善方法，进一步开展了深部硬岩矿体非爆机械化开采现场应用，在此基础上系统进行了非煤矿山智能绿色升级实践，形成了深部硬岩矿山非爆机械化开采理论和技术体系。本书有望充实深部开采理论与技术的核心内涵，为保障深部矿产资源安全高效开采提供理论与技术支撑。本书共七章：

第1 章绪论，主要介绍“三深”复杂环境岩石破碎的突出挑战、深地资源开采发展现状、非爆破岩理论和技术发展与展望、非爆机械化破岩研究现状，论述深部硬岩可切割性与非爆机械化开采研究的重要性和必要性。
第2 章介绍深部硬岩应力条件与力学特征，梳理影响深部硬岩可切割性和诱灾的关键因素。
第3 章介绍深部硬岩截割特性，主要通过截齿破岩试验研究截齿作用参数、人为诱导缺陷、采矿应力条件对截齿破岩特性的影响规律。
第4 章介绍截齿破岩诱发高应力矿柱岩爆的模拟试验和诱发机制。
第5 章介绍深部硬岩可切割性表征与改善方法。
第6 章介绍深部硬岩矿体非爆机械化开采实践，根据矿体松动区监测数据构建非爆机械化开采判据，并构建试验采场开展悬臂式掘进机、挖掘机载铣挖头、挖掘机载高频冲击头、铲运机载高频冲击头、挖掘机载高频破碎锤等五种机械破岩方法的应用研究，详细介绍具体应用情况。
第7 章介绍非煤矿山智能绿色升级实践，丰富矿产资源科学开采框架并分析其复杂性，提出基于机械化破岩的深部硬岩矿体智能化开采模式，开展基于数字矿体虚拟开采的机械化开采参数优化和采动覆岩稳定性分析，进行深部硬岩矿山智能绿色升级实践并取得了良好的效益。