0.   引　　言

随着工业化、城市化步伐加快，国家对能源的需求会持续增加^[1-3]。碳中和目标背景下，传统能源未来将面临更大的压力和挑战^[4-7]。但目前中国的能源难以满足自身需求，且受国际局势和地缘政治等不稳定因素影响，传统能源仍将长期占据我国能源结构的主导地位^[8-9]。

目前，我国大部分矿山进入深部开采阶段^[10-11]，深地探测及开采被纳入国家战略。据统计，未来10年煤矿的平均开采深度将达到600 m，已完成的金属矿山如辽宁二道沟金矿深度达1 100 m、吉林夹皮沟金矿深度达1320 m、云南会泽铅锌矿达到了1526 m，创造了中国有色金属竖井工程的最深纪录^[12]，而正在建的山东纱岭金矿、三山岛金矿计划开采深度更是达到了2000 m。深部开采必然将面临高地应力与强开采扰动的影响，尤其是对于硬岩矿山，普遍具有岩体强度高、完整性好、耐磨性强等特点，在高地应力下岩爆、冲击地压等灾害更加突出，严重影响矿山的安全高效开采，因此，提高硬岩地层破岩效率和掘进速度势在必行，是提高经济效益的关键^[13-15]。

硬岩地层巷道掘进的一个重要考察指标是成本，目前，硬岩巷道掘进应用较广泛的方法主要有悬臂掘进机截割破岩和隧道掘进机（Tunnel Boring Machine）挤压破岩，虽然具有智能化程度高、及时支护、开挖轮廓精确、对围岩扰动小等优势，但在抗压强度大于70 MPa的岩体中掘进，破岩能力有限，截齿磨损较高、破岩效率低，给机身的抗震性及稳定性带来很大挑战^[16-17]，严重影响掘进速度，增大了施工成本。此外，随着国家对安全问题的重视，传统的炮掘方式也将逐渐淘汰。因此，亟需寻找新的破岩形式及其装备，为开发适应矿山应用场景的矿用掘进设备提供参考。

1.   截割破岩及其装备

截割破岩主要通过截齿尖挤压岩体诱发压应力、剪切和拉伸应力等形成复杂的应力场。图1展示了2种不同截齿刀头形式。当应力达到岩石强度极限时岩石产生裂纹，进而形成岩屑。图2描绘了截齿的破岩机理。

图  1  横、纵向截齿刀头示意^[20]

Figure  1.  Schematic diagram of transverse and longitudinal Picks^[20]

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图  2  截齿破岩原理^[20]

Figure  2.  Principle of rock breaking with Picks^[20]

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目前常用的掘进机按照截割类型和旋转轴线不同大致可分为纵轴式掘进机和横轴式掘进机两大类^[18]。纵轴式掘进机和横轴式掘进机最大的不同在于截割岩石时，产生的反作用力方向不同；纵轴式掘进机受到的反作用力是横向的，会导致掘进机机身摆动，发生扭转，油缸的推力无法全部作用在滚筒截齿上。横轴式掘进机受到的反作用力是法向的，其影响可以被自重抵消一部分，从而最大限度发挥其截割能力^[19]。无论是横轴式还是纵轴式掘进机，根据机器重量和截割功率不同，可掘进岩层的强度极限为120 MPa，但当岩石抗压强度超过70 MPa时，截齿消耗量比较大^[20]，经济性较差，而且掘进效率低，易导致采掘失衡，难以满足工程需要。

RAMEZANZADEH^[21]从案例研究中引述了截齿破岩在坚硬岩石中的出色表现。在墨西哥Peñoles银矿，Sandvik MH620型掘进机使用截齿滚刀，截割岩石的平均硬度为103 MPa，截齿消耗量为0.3个/m³。

1.1   纵轴式悬臂掘进机

目前我国90%的掘进机是纵轴式悬臂掘进机^[22]，如图3所示。其主要优点在于机身小巧灵活，适应性强，易操作，并且减速器设计简单，造价低，但在截割过程中，纵轴式悬臂掘进机的滚筒与岩石相互作用时产生的反作用力容易造成机身摆动，发生扭转，进而导致推进油缸整个推力不能够完全作用在滚筒截齿上，当岩石强度超过60 MPa时，破岩效率明显下降，且截齿消耗巨大，经济效益差，影响巷道掘进工期^[23]。

图  3  纵轴式悬臂掘进机

Figure  3.  Roadheader machine with vertical axis

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1.2   横轴式悬臂掘进机

横轴式悬臂掘进机的截割头由2组半球状滚筒组成^[24]，如图4所示。对比纵轴式悬臂掘进机，其截割头旋转方向与截割电机的旋转方向是垂直的，在截割硬岩时对机身产生的反作用力绝大部分将作用在法线方向，可以充分依靠机身自重减少震动，提高机身稳定性，从而最大限度地发挥截割能力，同时减少对设备的损耗^[25]。横轴式悬臂掘进机的难点在于截割齿轮箱中减速器的设计，它是一台三级锥齿轮-斜齿轮减速器，水冷电动机通过柔性联轴器将扭矩传递到驱动轴，再由驱动轴经其他齿轮级传递到输出轴，带动截割头进行破岩^[26]。

图  4  横轴式悬臂掘进机^[24]

Figure  4.  Roadheader machine with horizontal axis ^[24]

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1.3   盾壳式纵轴掘进机

盾壳式纵轴掘进机类似于传统的盾构机，如图5所示。整个操作手和截割臂位于盾体内，截割头依靠伸缩油缸伸出盾体，先由掌子面中心处向两侧进行切割，待中心位置切割完毕后，再向上下两侧进行切割^[27]。破岩时，由前盾的2个稳定器撑住山体，减少震动，但由于其破岩机理与纵轴掘进机基本相同，在遇到硬岩时也会产生破岩效率低、截齿消耗量大等类似问题。

图  5  盾壳式纵轴掘进机（德国某公司）^[27]

Figure  5.  Shield-shell type vertical axis machine (suppiler from Germany) ^[27]

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1.4   现场工业性试验研究分析

为了研究3种不同类型的掘进机在煤矿领域的应用效果，首先在国内某大型矿山的砂岩地层进行现场取样，对巷道围岩取芯并进行岩石强度和Cerchar磨蚀性试验，如图6所示。

图  6  Cerchar试验仪器和试验结果

Figure  6.  Cerchar test device & Experimental results

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室内试验测得巷道围岩平均单轴抗压强度为99.649 MPa，在采矿领域属于硬岩地层。围岩的平均Cerchar磨蚀性指数CAI为0.262（较高磨蚀性）。

通过现场掘进试验，保持掘进长度相同，统计不同设备的截齿消耗量并进行对比分析。不同机型在每立方米掘进单位内截齿消耗数量如图7所示，其中横轴式悬臂掘进机截齿单位消耗量为0.4个/m³；纵轴式悬臂掘进机截齿单位消耗量为0.42个/m³；而盾壳式纵轴掘进机正常磨损及非正常磨损的截齿都相对较少，分别为0.28个/m³和0.15个/m³。

图  7  3种机型的截齿消耗量对比统计

Figure  7.  Picks consumption statistics of three types of machines

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现场试验表明，较高的岩石强度导致掘进机截齿消耗量较正常磨损翻倍，高消耗率势必会导致掘进成本的增加以及掘进效率降低，与机械化开采速度不相适应，容易造成采掘失衡。因此，探讨一种新型破岩形式，为矿山等特殊地质条件和应用场景量身订制矿用巷道掘进机势在必行。

2.   挤压破岩及其装备

挤压破岩是利用滚刀在岩面上滚动产生的冲击压力和剪切力，压碎和碾碎岩石，滚刀破岩技术已在世界上千个工程项目中得到验证，技术已经相对成熟。

2.1   滚刀挤压破岩机理

刀盘带动盘形滚刀进行旋转运动，使得盘形滚刀在掌子面上滚压岩石，进而对岩石产生剪切、挤压等综合破坏作用，并在掌子面上形成一系列同心圆形破坏^[28-29]。在此过程中，位于盘形滚刀下方的岩石首先被破坏，并在盘形滚刀碾压过程中形成粉碎体，进而受压形成密实核，作用于盘形滚刀上的载荷由密实核传递到附近岩石内，产生大量的微观裂纹，形成损伤区。随着盘形滚刀继续滚压掌子面上的岩石，裂纹开始在损伤区外部生成并向外延伸，当刀盘上相邻两个盘形滚刀下方岩石内的裂纹交汇时，岩石碎片从岩石上剥落^[30-31]，如图8所示。

图  8  盘形滚刀破岩过程示意^[31]

Figure  8.  Schematic diagram of rock breaking process with disc shaped rolling cutter ^[31]

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东北工学院根据如图9所示的滚刀破岩机理，建立了滚刀破岩荷载预测模型，F_v和F_r分别为滚刀垂直力和滚动力，F₂、F₃为垂直力在刀刃方向上的分力，合力F₁即为垂直力。

图  9  东北工学院预测模型破岩机理示意^[32]

Figure  9.  Schematic diagram of rock breaking mechanism of Northeast Institute of Technology prediction model ^[32]

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式中：$ {k_{\mathrm{d}}} $为岩石的硬度系数，一般在0.4～0.7之间；σ_c为岩石的单轴抗压强度，MPa；h为滚刀侵入岩体深度，mm；R为刀盘半径，mm；$ \theta $为岩石的破碎角，一般取值为135°～160°^[32]。$ \varepsilon $为折减系数，与滚刀切削岩石的自由度有关，若为光滑的岩面，则取值范围为2～2.5，如岩石为毛面岩石，一般取0.8；A为滚刀侵入岩体面积，mm²。

2.2   目前在矿山应用的滚刀式破岩装备主要形式

2.2.1   传统形式TBM

自20 世纪80 年代以来，欧美国家开始将TBM应用于煤矿斜井或者平硐^[33]。我国也在20世纪80至90年代，在山西古交矿区东曲煤矿平硐、云南羊场煤矿、杨家矿井下盘区运输大巷和山西省乡宁县王家岭矿井超长平硐等项目对煤矿TBM的应用进行了初步的尝试和探索^[34-36]，但是由于TBM造价高昂，国内技术不足，未能大范围应用。

近年来，TBM技术成熟化、国产化，使TBM大范围应用于煤矿领域成为可能，如山西大同塔山煤矿^[37]、新疆涝坝湾煤矿副平硐^[38]、神东集团补连塔煤矿^[39]、淮南矿业张集煤矿^[40]、山东能源集团新巨龙煤业龙堌矿^[41]、淮北矿业集团袁店二矿、贵州贵能黑拉嘎聚鑫煤矿、四季春煤矿、平煤首山一矿等煤矿均采用了TBM掘进。然而，由于井下特殊的使用环境，对配有滚刀刀盘的大型TBM的运输和安装有很高的局限性^[42]，同时矿山井下开采还取决于矿藏走向与水平面的夹角，要求设备必须具有灵活的转弯、上下坡掘进能力和后撤功能。因此，传统TBM在矿山的应用仅存在于地质条件较好的开拓大巷、主平硐和瓦斯抽采巷道，大规模应用于煤矿岩巷仍存在较大限制。

而且随着我国中东部主要矿井的开采深度已达到了1 000 m以上，深部矿井TBM应用还较少。由于深井矿山开采面临“三高一扰动”的复杂应力环境^[43]，在浅部矿山应用成功的传统TBM还存在很多突出难题，如千米深井大尺寸TBM转运与集成、深部高水平应力下超大断面安装硐室围岩稳定性控制、一次成形大断面效率和巷道稳定性控制及长距离连续掘进运输能力等，都令传统TBM的应用面临挑战。

2.2.2   移动式矿用掘进设备

与传统的TBM施工相比，移动式矿用设备开挖的隧道是矩形的，能提供矿车或者皮带所需的平坦路面；另一个优势是它的机动性和可操作性，而且开挖的断面比自身设备大，不但可以后撤，同时设备可以实现小转弯半径。

瑞典的阿特拉斯公司在2009年开发了新一代移动式矿用掘进设备55 V^[44]，预期在岩石强度150～200 MPa的地层掘进，由于整机长度只有70 m，采用履带行走方式，可以实现65 m的转弯半径。

英美资源集团在2012年联合阿特拉斯公司试验了移动式矿用设备Mobile Mine 22H^[44]，如图10所示。该设备也是以传统的TBM为基础，将刀盘水平布置，利用滚刀破岩，其破岩能力可达200 MPa。该设备不仅适用于传统巷道开挖，也可以在金属矿山中对薄矿脉进行开采。

图  10  移动式矿用设备Mobile Mine 22H（Epiroc）^[44]

Figure  10.  Robbins Mobile Mine Model 22H（Epiroc）^[44]

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目前已有研究结果表明，岩石出渣的颗粒大小可以间接反映刀具消耗和破岩效率，从图11中可看出，Mobile Mine 22H渣土大部分由粉末状组成，片状岩块比较少，初步判断单位体积破岩消耗的能量比较大，滚刀作用在掌子面的推力较小，没有形成有效损伤区域。

图  11  渣土粒径

Figure  11.  Rock grain size of muck material

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所以移动式矿用设备和传统TBM对煤矿的适用性都有局限性，矿用巷道掘进机还需进一步研究。

3.   底切割破岩及其装备

底切割破岩是目前关注度较高的一种新型破岩方式，采用盘形滚刀代替悬臂设备上的截割截齿，在高硬度的岩层中通过向前运动来产生一个振动或摆动的运动状态从而实现对岩石的非线性切割，使切割性能得到了根本性的改善^[45]。底切割技术有望成为一种新的矿用掘进机切割形式，也是解决硬岩切割新的发展方向。

3.1   线性底切割破岩及其装备

国内外许多专家学者对底切割破岩机理进行了深入分析。如图12所示，MIEDEMA基于Mohr-Coulomb失效准则建立了模型，描述了剪切和压碎这2种不同类型的岩石破坏形态，剪切破坏和压碎破坏分别如式（3）和式（4）所示。常见的剪切类型的切削深度更大，这是由于岩石破碎出现的剪切裂缝会产生碎屑，这种剪切裂纹的分叉又会导致裂纹被拉伸^[46]。而压碎类型则主要表现为，在较小的切割深度下，破碎带到达表面，通过剪切强度（划痕）破坏岩石。

图  12  破坏类型^[46]

Figure  12.  Failure type ^[46]

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剪切破坏形式^[46]：

压碎破坏形式^[47]:

式中：F_h为滚刀斜切破岩时水平方向作用力，MPa；$ c $为黏聚力，MPa；d为切割深度，mm；$ w $为凿宽，mm；$ \alpha $为楔面角；$ \varphi $为内摩擦角；$ \delta $为外摩擦角；$ {c_{\text{m}}} $为松动黏聚力，MPa；$ {\sigma _{\mathrm{t}}} $为抗拉强度，MPa；$ {\lambda _{{\mathrm{HT}}}} $为脆性拉伸水平系数；$ {\lambda _{{\mathrm{VT}}}} $为脆性拉伸垂直力系数；$ {\lambda _{{\mathrm{HF}}}} $为脆性剪切水平系数；$ {\lambda _{{\mathrm{VF}}}} $为脆性剪切垂直力系数。

20世纪80年代，德国Wirth公司就基于线性底切割的机理，开发了采用底切割技术的设备MTM，如图13所示，能够适应硬度为120～250 MPa的岩石^[48]。机头部有安装刀盘的4个摇臂，利用设备推力，摇臂的自由旋转带动刀盘，产生多个方向的切削力共同作用破碎岩石，是盘形滚刀和悬臂掘进机的结合应用。然而，该设备在早期试验阶段被撤资，未能充分开发其潜力。但是，试验发现，在线性底切割条件下，底切割的破岩效率仍受到较大的限制。随后国内外专家学者尝试采用增加非线性荷载的条件来提高底切割的破岩效率。

图  13  Wirth底切割式隧道掘进机^[47]

Figure  13.  Wirth mobile tunnel showing overall size^[47]

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3.2   非线性底切割破岩及其装备

3.2.1   非线性底切割理论

Oscillating Disc Cutter，称为ODC刀盘技术，是一种非线性底切割破岩技术，其破岩机理如图14所示。刀盘有自己的驱动系统，产生偏心旋转运动，刀盘近似平行岩石表面，以持续的截深冲击、切削岩石，可以完成单轴抗压强度大于250 MPa的破岩任务^[48]。

图  14  ODC刀盘技术破岩机理^[48]

Figure  14.  Rock breaking mechanism by oscillating disc cutter^[48]

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HOOD 等^[49]研究了刀盘振荡频率和岩石强度等参数对截割力的影响，对比分析各种传统刀盘截割，证明了ODC技术在硬岩开挖轻量化柔性机械施工中的优越性，不同切削方式的切削力如图15所示，对比3种不同切削方式在类似条件下的切削力，可以看出ODC的切削力明显要低于滚刀挤压方式。

图  15  3种不同切削方式的切削力对比^[49]

Figure  15.  Cutting force comparison of three different cutting^[49] methods

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3.2.2   影响ODC切削力的因素分析

1）振动频率。目前的一些试验结果表明ODC的切削力明显低于镶齿圆盘刀具。KOVALYSHEN^[50]基于运动学原理对ODC刀盘运动轨迹进行了深入研究，开发了一个基于能量定理计算切削力的分析模型，并且进行了相关的试验研究，测试了ODC刀盘的振荡频率对切割力的影响，试验结果如图16所示。由图16可以看出，由于圆盘的驱动偏心运动，随着振荡频率的提高，切削力显著降低。

图  16  不同振荡频率对ODC切削力的影响^[50]

Figure  16.  Influence of different oscillation frequency on cutting force of ODC^[50]

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2）刀盘定位角度。因为岩石的抗拉强度仅为其抗压强度的10% ～ 20%，当刀盘以直接拉伸的方式切割岩石时，破岩效率更高。调整刀盘的最佳角度利用拉伸的方式破坏岩石，可以显著提高ODC的切削力。

3）切削深度。DEHKHODA等^[51]在 Kovalyshen Y模型的基础上开发了新的模型，通过使用单位体积消耗能量、接触角和切削深度来确定定向切削力。基于大量的试验数据分析，得到了切削深度和破坏类型之间的关系^[51]：在低切削深度下，切削力与切削深度成线性关系；当切削深度较大且发生碎屑破坏时，切削力与切削深度的平方根成正比。

4）其他因素。大量的试验数据表明，与其他切割技术相比，ODC不需要很大的反作用力支撑，该系统使用惯性效应来抑制传递至支撑结构的峰值力。

3.3   底切割经济效益分析

DynaCut^[52]公司基于ODC技术研发了试验样机Dynaminer，如图17所示。通过工业试验，统计了切割效率如图18所示，测试样品的平均UCS为80 MPa。结果表明，当UCS为30～50 MPa时，非线性底切割的能量消耗较小，切割成本较低。

图  17  试验设备样机Dynaminer现场照片^[52]

Figure  17.  Experimental prototype Dynaminer bottom cutting rock breaking equipment^[52]

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图  18  Dynaminer与传统设备切割效率对比^[52]

Figure  18.  Dynaminer Comparison of cutting efficiency with traditional equipment^[52]

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3.4   底切割技术存在的问题及研究方向

目前很多专家和学者做了大量关于底切割技术的研究，其中Mining3研究机构的ISAAC DZAKPATA等专家与久益公司合作进行了现场试验^[53]，对摆动式底切割破岩掘进机的经济性、切割深度、切割能量消耗、切割速度等参数进行了量化分析，确定了在不同岩石强度情况下，掘进单位体积岩石消耗能量及瞬时切割率的数值范围，但是该试验只测试了强度在70 MPa以下的岩石地层，对于煤炭领域，如砂岩、灰岩等硬岩地层围岩抗压强度可达120 MPa，在非煤类矿山岩石强度更是达到了150 MPa，则缺乏相关研究。图19展示了摆动底切割式破岩需要解决的9大关键问题。

图  19  摆动底切割技术的攻关难点

Figure  19.  Difficults points of dynacut technology

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综上所述，底切割破岩技术今后的努力方向在于理论、试验和工程实践的相结合。

理论方面重点研究结构非线性动态受力和掘进时动力学分析。试验中不断对振动频率、扭矩、等关键参数进行优化，最终使设备机身达到最佳的配比和组合。工程实践重点统计硬岩（抗压强度＞120 MPa）条件下单位体积消耗能量、刀具磨损量，以及设备动态数据的收集，不断尝试不同形状的刀盘设计和对切割量的控制，为硬岩地层高效掘进提供更多的思路。

4.   结　　论

1）相同地质条件下，采用截割破岩形式的3种机型破岩能力和截齿消耗有较大差异。其中盾壳式结构设备抗震能力强，截齿消耗量少，但受限于切割形式，难以应对单轴抗压强度超过80 MPa的岩石工程。

2）采用挤压破岩形式的移动式矿用掘进设备，可以实现矿山硬岩地层的掘进，但受限于推力和挤压破岩机理的影响，破岩效率有限且能耗较高。

3）采用非线性底切割破岩形式的设备，在破岩过程中单位体积消耗能量少，优势明显，是未来矿山领域掘进机发展的重要方向，但在硬岩地层中的掘进试验还需深入研究和优化。