熊有為，劉福春，劉恩彥，雷顯權(quán)

（1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.深井礦山安全高效開采技術(shù)湖南省工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 地下非煤礦山開采技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

礦產(chǎn)資源是人類社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。人類從事采礦活動(dòng)已有上千年歷史，自20世紀(jì)60年代瑞典化學(xué)家阿爾弗雷德·伯納德·諾貝爾發(fā)明硝化甘油炸藥并將其大規(guī)模應(yīng)用于采礦生產(chǎn)，基于化學(xué)炸藥的鉆爆法在目前乃至將來很長(zhǎng)一段時(shí)間仍是地下非煤礦山最高效、最經(jīng)濟(jì)的開采方式。鉆爆法開采主要包括鑿巖、爆破、通風(fēng)、支護(hù)、出礦、充填等工序，在同一空間作業(yè)時(shí)需遵循先后時(shí)間順序，不能同步平行開展。為了提高地下礦山開采效率，2004年古德生院士首次提出了“廣義連續(xù)開采理念”[1]，開發(fā)出一步驟回采的采礦方法和高效率的采、裝、運(yùn)設(shè)備組成的采礦系統(tǒng)。這種采礦模式不追求嚴(yán)格意義上的連續(xù)并行作業(yè)，而是以規(guī)?；傻V為目標(biāo)，通過創(chuàng)新采礦方法、工藝和設(shè)備，將各采礦工序和設(shè)備有機(jī)組合起來，實(shí)現(xiàn)落礦、出礦、運(yùn)礦、充填等工序相互獨(dú)立、相互協(xié)調(diào)，在不同空間平行作業(yè)，采礦生產(chǎn)整體連續(xù)推進(jìn)，是目前地下礦山主要的生產(chǎn)形式。

廣義的連續(xù)開采模式要求多盤區(qū)或多中段同時(shí)回采，但一般多工作面集中爆破時(shí)作業(yè)人員需撤離，從而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，生產(chǎn)能力受到限制，且爆破震動(dòng)易對(duì)地下工程穩(wěn)定性造成威脅。同時(shí)，由于傳統(tǒng)鉆爆法采場(chǎng)生產(chǎn)能力難以突破，大規(guī)模礦山只能通過增加采場(chǎng)數(shù)量達(dá)到產(chǎn)能要求，導(dǎo)致井下作業(yè)人員和設(shè)備數(shù)量增多，安全隱患增大，生產(chǎn)成本升高，協(xié)調(diào)組織困難，極大地制約了地下礦山智能化高質(zhì)量發(fā)展?；诜潜乒に嚨牟傻V模式變革，能夠?qū)崿F(xiàn)非煤地下礦山真正意義上的連續(xù)開采，提高采礦效率和資源回采率，降低生產(chǎn)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，是未來地下非煤礦山開采的重要發(fā)展趨勢(shì)[2]。

研究重點(diǎn)圍繞地下非煤礦山非爆連續(xù)開采技術(shù)方向，系統(tǒng)論述非爆連續(xù)開采技術(shù)在地下非煤礦山應(yīng)用的可行性，并結(jié)合地下金屬礦山非爆連續(xù)開采技術(shù)實(shí)踐，對(duì)未來需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探討，為我國(guó)地下非煤礦山非爆連續(xù)開采技術(shù)研究與應(yīng)用提供參考。

2 地下非煤礦山非爆連續(xù)開采的可行性

2.1 煤炭開采技術(shù)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒

20世紀(jì)70年代，我國(guó)煤炭行業(yè)引進(jìn)綜合機(jī)械化開采技術(shù)。煤炭礦體一般呈層狀緩傾斜產(chǎn)狀，礦石硬度較小，可采用采煤機(jī)連續(xù)截割落礦，同時(shí)與刮板輸送機(jī)和液壓支架配套協(xié)同作業(yè)，工作面隨礦體走向連續(xù)推進(jìn)（如圖1）。該技術(shù)集落礦、運(yùn)礦、支護(hù)、空區(qū)處理等工序于一體，因其具有生產(chǎn)效率高、安全性能好等顯著優(yōu)勢(shì)，在大型煤礦迅速推廣應(yīng)用。由于地下沉積型金屬礦等緩傾斜軟破薄礦床與薄煤層開采技術(shù)條件較為相似，常規(guī)綜合機(jī)械化開采工藝可推廣應(yīng)用于該類非煤礦床開采，以提高資源回采率和開采效率[3-5]。

圖1 綜合機(jī)械化開采工作面典型示意圖Fig.1 Typical schematic diagram of comprehensive mechanized mining face

對(duì)于厚度較大的礦層，則可借鑒煤炭綜放開采技術(shù)。綜放開采是指在厚礦層底部布置一個(gè)采高2.0～3.8 m的工作面，使用采煤機(jī)割底煤，上部頂煤在礦壓（主因）或人工擾動(dòng)（輔因）聯(lián)合破碎作用下再從支架放煤口放出的一種采礦技術(shù)[6]（如圖2）。與分層開采法和大采高一次采全厚法相比，綜放開采法具有高產(chǎn)高效、巷道掘進(jìn)率低、噸煤成本低、對(duì)復(fù)雜礦層地質(zhì)賦存條件適應(yīng)性強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[7-8]。為解決硬質(zhì)厚大礦體安全高效開采難題，金雞灘煤礦采用小采放比1∶1開采模式，增加割煤高度至6.0～7.0 m，利用圍巖擾動(dòng)改善頂煤冒放性能，優(yōu)化硬煤超大采高綜放開采成套裝備配置，實(shí)現(xiàn)了12 m特厚硬煤層超大采高綜放開采，最高日產(chǎn)量達(dá)到5萬t[9]。對(duì)于地下非煤礦山，綜放工藝為厚大礦體超大采高綜合機(jī)械化連續(xù)開采提供了技術(shù)思路和創(chuàng)新方向。

圖2 厚礦層綜放工作面Fig.2 Fully mechanized caving face in thick mine

為解決綜采工作面作業(yè)人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、開采效能低等問題，智能化綜采技術(shù)與裝備得到快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了采礦機(jī)程序割礦、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)的“有人巡視，無人值守”常態(tài)化運(yùn)行，“物質(zhì)流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化協(xié)同，構(gòu)建了以人為本的智能生產(chǎn)與生活協(xié)調(diào)運(yùn)行的綜合生態(tài)圈[10-12]?；诰C采工藝的智能化技術(shù)日趨成熟，為推動(dòng)地下非煤礦山非爆連續(xù)開采技術(shù)的智能化高質(zhì)量發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，具有很好的借鑒意義。

2.2 機(jī)械破巖裝備支撐非爆連續(xù)開采

機(jī)械破巖是最典型的非爆開采方法，通過機(jī)械沖擊、切削或沖擊-切削復(fù)合作用，使礦巖發(fā)生拉伸破壞或剪切破壞（如圖3）。針對(duì)軟巖塑性破壞特征，一般可采用切削破巖方式。截齒齒尖擠壓巖體誘發(fā)的剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力達(dá)到巖石極限抗剪強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度時(shí)巖石產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而裂紋擴(kuò)展形成巖石碎塊。針對(duì)中硬和中硬以上的巖石，根據(jù)其脆性大、不耐沖擊的特點(diǎn)，可采用沖擊或沖擊-切削復(fù)合破巖方式，將傳統(tǒng)的剪切碎巖變?yōu)闆_擊+剪切碎巖，以提高破巖效率[13]。根據(jù)以上機(jī)械破巖機(jī)理，地下非煤礦床可根據(jù)其礦巖具體力學(xué)特性選擇合適的破巖方式，進(jìn)而采用與之匹配的破巖裝備。

圖3 機(jī)械破巖方法分類Fig.3 Classification of mechanical rock breaking methods

滾筒式采礦機(jī)是廣泛應(yīng)用于綜合機(jī)械化采礦工藝的核心裝備（圖4），可對(duì)硬度較小的礦巖進(jìn)行側(cè)向截割落礦，一般用于厚度2.0 m以上的礦體開采。由于滾筒式采礦機(jī)通過滑靴安裝于平直導(dǎo)軌上，因此一般適用于較為平整的緩傾斜工作面，要求礦體底板連續(xù)穩(wěn)定，不能有較大起伏，且與刮板輸送機(jī)、液壓支架配套推進(jìn)，設(shè)備群較為龐大，靈活性相對(duì)不足。懸臂式連采機(jī)采用正面切削式工作機(jī)構(gòu)，可隨礦體產(chǎn)狀靈活控制截割部工作方位，輪式或履帶式行走機(jī)構(gòu)提高了連采機(jī)在大傾角礦層和底板起伏較大礦層開采中的適用性，在地下非煤礦山進(jìn)路法和分層法采礦中具有較好的應(yīng)用前景。

圖4 滾筒式采礦機(jī)和懸臂式連采機(jī)Fig.4 Drum mining machine and cantilever continuous mining machine

為了適應(yīng)薄硬礦層機(jī)械化開采，山特維克公司研發(fā)了Sandvik Reef Miner MN220采礦機(jī)（圖5），工作高度僅1 100 mm，采礦機(jī)通過前端可活動(dòng)的圓盤截割部對(duì)礦脈進(jìn)行切削，落下礦石由配套的刮板輸送機(jī)運(yùn)出采場(chǎng)。當(dāng)圍巖穩(wěn)固性較好的條件下，低矮式開采形成的暴露空間較小，作業(yè)面人員和設(shè)備相對(duì)安全，采用錨桿對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)即可。此外，山特維克公司生產(chǎn)的MF320、MF420等設(shè)備可適應(yīng)厚度較大硬巖礦體的連續(xù)開采。以上類型的采礦機(jī)主要采用切削落礦方式，一般適用于鉀鹽礦、鋁土礦等硬度較小的礦體開采，對(duì)于銅礦、鐵礦或鉛鋅礦等硬度較大的礦體，則需要借助預(yù)裂破巖手段以提高采礦效率，降低截齒損耗。

圖5 Sandvik Reef Miner MN220和MF320采礦機(jī)Fig.5 Sandvik Reef Miner MN220 and MF320 mining machines

卡特彼勒公司推出的Rock Straight系統(tǒng)同樣適用于沉積型硬巖礦層的機(jī)械化連續(xù)開采（圖6）。該系統(tǒng)的切割機(jī)采用卡特彼勒公司（Caterpillar，CAT）活動(dòng)截割技術(shù)，沿導(dǎo)軌布置多組滾筒式截割部，截割部上安裝有多個(gè)可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的切割頭，滾筒和截齒不同方向的旋轉(zhuǎn)，對(duì)礦巖剪切磨削，提高破巖效率。該系統(tǒng)配套薄板鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)和液壓支架，進(jìn)行長(zhǎng)壁自動(dòng)化采礦作業(yè)，整個(gè)生產(chǎn)過程僅需一名工人進(jìn)行啟停操作及巡視監(jiān)督。Rock Straight系統(tǒng)與滾筒式綜采系統(tǒng)布置方式類似，主要區(qū)別在于破巖截割部工作原理不同。由于Rock Straight系統(tǒng)齒刀與礦巖接觸面積更大，且可在不同維度對(duì)礦巖進(jìn)行剪切和擠壓，其在硬巖落礦中的效果可能比滾筒式采礦機(jī)更好。

圖6 卡特彼勒公司的Rock Straight系統(tǒng)Fig.6 Caterpillar’s Rock Straight system

2.3 硬巖致裂探索拓展應(yīng)用空間

為了進(jìn)一步提高硬巖礦山開采效率，拓展非爆開采技術(shù)的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)化學(xué)炸藥爆破開采向非爆連續(xù)開采方式變革，研究者們對(duì)硬巖非爆致裂技術(shù)積極開展了許多探索工作，并在理論和應(yīng)用方面取得了一定的突破。

2.3.1 深部高應(yīng)力誘導(dǎo)破巖

在競(jìng)賽中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上店鋪運(yùn)營(yíng)和網(wǎng)上店鋪營(yíng)銷，還要參加綜合平臺(tái)促銷活動(dòng)或店鋪促銷活動(dòng)。競(jìng)賽平臺(tái)往往還會(huì)提供模擬國(guó)外買家的提問，考察參賽者能否及時(shí)準(zhǔn)確地做好跨境在線客服工作。此外，還有完善跨境物流信息、選擇合適的國(guó)際物流倉庫、完成國(guó)際物流費(fèi)用支付等內(nèi)容。

隨著礦山開采進(jìn)入深部區(qū)域，作業(yè)環(huán)境將發(fā)生重大變化。Brown等[14]人對(duì)世界各國(guó)垂直和水平地應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，埋深每增加1 km，垂直地應(yīng)力大約增加27 MPa，高埋深即意味著高地應(yīng)力。深部高地應(yīng)力礦區(qū)巖體開挖卸載后，應(yīng)力重分布會(huì)造成巖體強(qiáng)度的弱化[15]，一方面易造成圍巖失穩(wěn)，使生產(chǎn)安全面臨挑戰(zhàn)；另一方面可形成松動(dòng)圈，為機(jī)械開采提供有利條件。深部巖體實(shí)質(zhì)為高儲(chǔ)能體，在一定條件下，巖體內(nèi)的變形能會(huì)以動(dòng)能的形式釋放[16]。因此，可通過合理的工程開挖誘導(dǎo)調(diào)控能量分布，充分利用巖石內(nèi)部?jī)?chǔ)能實(shí)現(xiàn)礦巖碎裂。

李夕兵等[15]人通過開挖誘導(dǎo)工程和測(cè)試誘導(dǎo)巷道的松動(dòng)圈范圍（如圖7），證明了卸荷作用下巖體的節(jié)理、裂隙迅速擴(kuò)展，分析了隨著金屬礦山開采深度的不斷增加，利用高應(yīng)力誘導(dǎo)致裂礦巖實(shí)現(xiàn)非爆連續(xù)開采方法的可能性。研究指出，要在硬巖礦山中實(shí)現(xiàn)非爆機(jī)械化開采，需要有高效能的采掘設(shè)備以及礦體中存在發(fā)育的巖體節(jié)理等結(jié)構(gòu)。基于以上理論基礎(chǔ)，姚金蕊等[17]人進(jìn)行了挖掘機(jī)載高頻破碎錘開挖深部堅(jiān)硬礦體的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過先開挖切割卸壓槽，試驗(yàn)礦柱的松動(dòng)區(qū)平均厚度達(dá)2.59 m，在該范圍內(nèi)開挖礦柱效率較高；整體切割工效達(dá)到50.6 t/h，切槽后開挖礦柱的切割工效可以達(dá)到158.2 t/h，證明了非爆機(jī)械開采在深部硬巖礦山中應(yīng)用的可行性。

圖7 松動(dòng)圈范圍截面[15]Fig.7 Section of loose ring range

深井開采已經(jīng)成為未來礦山發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此可以預(yù)見，隨著今后進(jìn)入深部開采的礦山越來越多，以及開采深度越來越大，利用高應(yīng)力誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)非爆連續(xù)開采的相關(guān)理論和技術(shù)將得到持續(xù)完善，高應(yīng)力誘導(dǎo)采礦的應(yīng)用前景也將更為廣闊。

2.3.2 超前深孔預(yù)裂松動(dòng)爆破

超前深孔預(yù)裂爆破通過采用聚能裝藥，在巖體內(nèi)爆破形成裂隙降低巖石強(qiáng)度，同時(shí)避免巖石拋擲，不對(duì)機(jī)械化采掘設(shè)備造成損壞[18]。聚能裝藥爆破可將爆破能量聚集于特定方向，使孔壁形成導(dǎo)向切縫，在爆生氣體和應(yīng)力集中雙重作業(yè)下，切縫尖端抑制其他方向裂紋產(chǎn)生，同時(shí)先于其他方向產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，顯著增加裂紋的擴(kuò)展距離，實(shí)現(xiàn)少打眼、少出矸、減少輔助工序時(shí)間，大幅提高巖石掘進(jìn)效率[19]。

王海波等[20]人在淮北朱仙莊礦對(duì)堅(jiān)固性系數(shù)9～10的硬巖進(jìn)行超前深孔預(yù)裂松動(dòng)爆破試驗(yàn)。通過松動(dòng)預(yù)裂爆破，巖石中產(chǎn)生大量裂隙，炮孔周圍徑向裂紋可見長(zhǎng)度300～400 mm，巖石結(jié)構(gòu)損傷、整體強(qiáng)度降低，使掘進(jìn)機(jī)的破巖方式由“磨”變?yōu)椤扒小?，切割速度提?0%～40%，刀具消耗降低30%～40%。同時(shí)，巖石碎裂后被切割為較多的小塊狀矸石，而非磨成碎末狀，一定程度地減少了粉塵，改善了工作環(huán)境。郭輝等[21]人針對(duì)潞安礦區(qū)硬巖掘進(jìn)采用鉆爆法、綜掘法成巷效率不高的問題，提出采用超前深孔預(yù)裂松動(dòng)爆破技術(shù)增加堅(jiān)硬巖體內(nèi)部損傷與裂隙，使得掘進(jìn)機(jī)能夠正常截割。炮孔采用三角布置方式，間距1 500 mm、孔深25 m、裝藥15 m、封孔10 m，連續(xù)正向裝藥，采用黃泥堵孔。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，超前深孔預(yù)裂松動(dòng)爆破后，巖體內(nèi)部形成大量裂隙，且炮孔裂隙隨深度增加而增多（如圖8），有效降低了巖石強(qiáng)度，綜合掘進(jìn)速度提高50%以上，截齒消耗降低51%。

圖8 爆破后孔壁裂紋擴(kuò)展觀測(cè)結(jié)果[21]Fig.8 Observation results of hole wall crack propagation after blasting

通過將超前深孔預(yù)裂松動(dòng)爆破技術(shù)和綜合機(jī)械化連續(xù)開采技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)非煤硬巖礦山高效開采，具有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，較易為廣大礦山生產(chǎn)人員所接受，是將來一段時(shí)間內(nèi)可以在更大范圍探索和推廣的主要非爆機(jī)械化采礦方法之一。

2.3.3 CO2相變致裂

圖9 二氧化碳相圖Fig.9 Phase diagram of carbon dioxide

楊付嶺等[27]人采用CO2深孔致裂技術(shù)，對(duì)馬脊梁礦普氏系數(shù)f＞4的粗砂巖進(jìn)行松動(dòng)預(yù)裂，再采用綜采機(jī)截割，落礦效率提高了50%，截齒消耗也減少了50%，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。王明宇[28]研究發(fā)現(xiàn)，巖體爆破開挖時(shí)，設(shè)置適量的控制孔可使應(yīng)力波發(fā)生發(fā)射疊加，促進(jìn)爆生裂紋的發(fā)育，對(duì)裂紋擴(kuò)展有導(dǎo)向作用；且梅花形布孔爆破能量分布均勻，可降低爆破能量的重復(fù)利用率，減弱應(yīng)力集中作用，使得鉆孔周圍的裂紋能夠充分發(fā)展。陶明等[29]人通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，每破碎1 m3的巖石，爆破生成氣體總量約為 0.202～0.217 kg，CO2相變致裂氣體生成量為0.21 kg。盡管兩種方法破巖生成的氣體總量接近，但爆破時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生CO、NO、NO2等多種有害氣體，CO2相變致裂僅涉及CO2的相態(tài)轉(zhuǎn)換，致裂時(shí)釋放無毒無害無味的CO2氣體，較爆破更加安全環(huán)保。

在當(dāng)前大力倡導(dǎo)綠色生產(chǎn)和全力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的時(shí)代背景下，如何對(duì)捕集的CO2有效利用并循環(huán)回收是行業(yè)需要解決的關(guān)鍵重大技術(shù)難題。采用CO2爆破致裂代替工業(yè)炸藥爆破采礦，是行之有效的科學(xué)技術(shù)途徑。因此可以預(yù)見，隨著綠色發(fā)展理念不斷深入人心，安全環(huán)保的CO2相變致裂采礦技術(shù)將迎來新的更大發(fā)展機(jī)遇。

2.3.4 高壓水射流沖擊破巖

高壓水射流沖擊破巖是利用高速射流沖擊巖石使其在動(dòng)態(tài)載荷作用下破碎，脆性礦巖的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，水射流形成的收縮波在巖石自由面處反射形成拉伸波，拉伸波疊加后將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，從而造成巖石的拉伸破壞[30]。將高壓水射流作為機(jī)械破巖的輔助方式，可有效提高工作效率，降低齒具損耗，凈化工作環(huán)境。水射流輔助機(jī)械破巖是兩種不同形式的沖擊力同時(shí)作用于巖石表面，使巖石內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)疊加，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展，碎裂巖石結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 水射流輔助機(jī)械沖擊巖石內(nèi)部應(yīng)力波Fig.10 Water jet-assisted mechanical impact on internal rock stress waves

戚海永[31]利用高壓水射流和鎬形截齒聯(lián)合作用進(jìn)行巖石截割試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)選擇合適的截割參數(shù)和高壓水射流參數(shù)，利用高壓水射流輔助破巖效果良好，截齒的截割力比不采用水射流輔助截割時(shí)小得多，有效改善了加持的受力狀況，提高了截齒使用壽命。Liu等[32]人研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)射流在破巖過程中會(huì)產(chǎn)生水墊和液體回流現(xiàn)象，大大降低其破巖效率，產(chǎn)生的水錘壓力破巖能力有限，而后續(xù)滯止壓力低難以加劇堅(jiān)硬礦巖內(nèi)部損失和裂紋擴(kuò)展。脈沖射流同時(shí)具有高沖擊力和水錘壓力效應(yīng)，能夠有效避免水墊和液體回流，卸載過程中所釋放的能量被充分利用，提高破巖效率。孟德光[33]研究了高壓脈沖水射流輔助機(jī)械沖擊破巖的性能和效果，發(fā)現(xiàn)高壓脈沖射流輔助沖擊破巖較常規(guī)沖擊破巖的球齒應(yīng)力更小，且采用球齒雙側(cè)射流，射流傾角大于70°時(shí)，高壓脈沖水射流沖擊載荷下巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展更深入、交匯密集，有效改善了球齒磨損，提高了破巖效率。

相比超前深孔預(yù)裂松動(dòng)爆破和CO2相變致裂，高壓水射流沖擊破巖方式可以通過將高壓水射流機(jī)構(gòu)與機(jī)械化采礦設(shè)備有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)同步連續(xù)作業(yè)，更有利于提高工作效率，提升工藝集約化和智能化程度。

2.3.5 其他非爆破巖方法

微波破巖是在微波電磁場(chǎng)環(huán)境中形成巖石內(nèi)部電介質(zhì)分子計(jì)劃現(xiàn)象，導(dǎo)致巖石溫度升高，從而使巖體在水分蒸發(fā)、內(nèi)部分解及膨脹作用下發(fā)生破壞。微波破巖無需介質(zhì)傳遞能量、升溫速度快、穿透性強(qiáng)、過程易于控制，也是一種有效的快速破巖方法，但需要對(duì)巖石照射一定時(shí)間才能產(chǎn)生效果[34]。粒子沖擊破巖是在高壓水射流破巖的基礎(chǔ)上發(fā)展而成，美國(guó)Flow Industries公司在245 MPa超高壓水射流中加入耐蝕磨料，采用粒子沖擊破巖，有效提高了破巖效率，降低了破巖成本[35]。激光破巖可將聚能激光束的巨大能量輻照在巖石上，使巖石溫度驟然升高，導(dǎo)致巖石裂解，瑞士Prejec Rreosion公司采用激光和高壓水射流聯(lián)合破巖，激光脈沖在數(shù)毫秒時(shí)間內(nèi)使巖層汽化，產(chǎn)生的膨脹氣體摻和水射流沖擊巖面，產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，通過控制激光脈沖交變頻率，可實(shí)現(xiàn)每秒上千次的拉壓交變載荷，使巖石發(fā)生破裂[36]。等離子體液電沖擊破巖可通過調(diào)節(jié)放電參數(shù)有效控制巖石破碎過程，沖擊波產(chǎn)生的巨大壓力是高壓水射流壓力的數(shù)十倍，破巖速度可達(dá)9～30 m/h，可以實(shí)現(xiàn)硬巖快速破巖[37]。

3 地下非煤礦山非爆連續(xù)開采應(yīng)用實(shí)踐

3.1 工程概況

貴州某金屬礦為典型沉積型礦床，走向長(zhǎng)度3 000～4 000 m，單一層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀與圍巖一致，連續(xù)性好，無礦天窗較少，傾角緩，一般不超過20°。礦石硬度系數(shù)0.37～5.02（平均1.65），礦體厚度平均2.38 m。礦體直接頂板為鋁土巖、頁巖，屬軟質(zhì)巖石，天然單軸抗壓強(qiáng)度0.46～24.4 MPa，穩(wěn)定性差，易于剝落。礦體直接底板為鋁土巖，遇水軟化，巖石力學(xué)性質(zhì)較差，硬度系數(shù)為0.47～1.81。

由于該金屬礦巖物理力學(xué)性質(zhì)較差，軟弱破碎，采用傳統(tǒng)爆破掘進(jìn)和回采存在機(jī)械化水平低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高、安全防護(hù)難、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。經(jīng)開展研究攻關(guān)，創(chuàng)新采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)+綜合機(jī)械開采工藝。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.2.1 綜合機(jī)械化掘進(jìn)

該礦采用EZB230H縱軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)（圖11），配套QZP-160A型帶式轉(zhuǎn)載機(jī)和DSJ100/40/2×125型可伸縮膠帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行井下巷道綜合機(jī)械化掘進(jìn)。掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)頭從底角向上往復(fù)式掃割，蟹爪式清掃盤掃底，實(shí)現(xiàn)工作面連續(xù)掘進(jìn)與出渣。工作面月平均進(jìn)尺290 m，最高可達(dá)422 m，綜掘成本261.51元/m3，較鉆爆法降低17.97%。

圖11 綜掘機(jī)及井下掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 Comprehensive tunneling machine and underground excavation site

3.2.2 綜合機(jī)械化采礦

綜采工作面平均高度2.2 m，傾角18.5°，配套MG500/1170-AWD1型采礦機(jī)、SGZ—764/2×375 型刮板輸送機(jī)和SZZ764/375轉(zhuǎn)載機(jī)、ZY5200/13/32型兩柱掩護(hù)式液壓支架。采用“三八”制、“兩采一準(zhǔn)”作業(yè)模式，即兩班采礦、一班檢修維護(hù)。進(jìn)刀方式為機(jī)尾斜切進(jìn)刀，下行割礦，空刀返回。圖12為正在工作的采礦機(jī)，工作面開采期間采用全部垮落法管理采空區(qū)。

圖12 綜合機(jī)械化開采生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.12 Comprehensive mechanized mining production site

綜采試驗(yàn)之初，由于金屬礦與煤礦存在礦石性質(zhì)的差異，由煤炭開采借鑒引進(jìn)的綜采工藝和設(shè)備并不十分適應(yīng)金屬礦開采技術(shù)條件。由于采礦機(jī)選型較小，自重較輕，造成設(shè)備頻繁跳動(dòng)，齒輪損壞，截齒損耗大。刮板輸送機(jī)出現(xiàn)斷鏈，鏈輪磨損嚴(yán)重，檢修換件頻率高。后經(jīng)針對(duì)性技術(shù)改進(jìn)，以及生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)逐漸豐富，綜采試驗(yàn)取得成功，現(xiàn)已全面推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了“一礦一工作面一套設(shè)備”的集約化高效生產(chǎn)模式。

通過創(chuàng)新采用綜采工藝，配套采礦機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架等設(shè)備協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了該金屬礦采礦工作面落礦、裝礦、運(yùn)礦和支護(hù)一體化連續(xù)生產(chǎn)。大大簡(jiǎn)化了采礦工作面布置方式，減少了采切工程量，有效提升了機(jī)械化作業(yè)水平，提高了開采效率和資源回采率，降低了礦石貧化率，保障了生產(chǎn)作業(yè)安全。綜采工作面日平均產(chǎn)量超過2 000 t，回采率95.48%，貧化率4.72%，與國(guó)內(nèi)近年建成投產(chǎn)的采用傳統(tǒng)炮采工藝的地下同類金屬礦山相比，綜采礦石回采率提高25%～45%，貧化率降低3%～7%。

4 非爆連續(xù)開采關(guān)鍵技術(shù)展望

非爆連續(xù)開采技術(shù)具有開采效率高、人員設(shè)備少、建設(shè)投資省、能耗成本低、資源回收率高、安全保障性好等顯著優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已在地下金屬礦床開采中成功應(yīng)用，下一步可在磷礦、錳礦等軟破礦床開采中進(jìn)一步試驗(yàn)推廣。未來建議開展以下方面的創(chuàng)新研究與應(yīng)用，適應(yīng)大傾角、厚礦層、高硬度等更為復(fù)雜的開采技術(shù)條件，革新當(dāng)前非煤礦山開采模式，引領(lǐng)礦山開采技術(shù)向更加低碳環(huán)保、智能高效的方向發(fā)展。

（1）拓展和提升地下硬巖碎裂技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。前期研究表明，高應(yīng)力誘導(dǎo)致裂、高壓水射流破巖、微波破巖、激光破巖、等離子破巖等技術(shù)在特定條件下破巖效果較為理想，但其應(yīng)用場(chǎng)景具有局限性。超前深孔松動(dòng)爆破和二氧化碳致裂等方法均需在工作面施工鉆孔，爆破過程與機(jī)械落礦交替進(jìn)行，勢(shì)必影響整體生產(chǎn)效能。地下礦山環(huán)境復(fù)雜，建議結(jié)合礦山開采技術(shù)條件和生產(chǎn)系統(tǒng)，針對(duì)各類破巖方法和回采工藝同步開展研究，促進(jìn)二者適應(yīng)融合，以提高破巖效率，降低應(yīng)用成本。

（2）建立差異化礦巖特性與非爆破巖方式相匹配的理論模型。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)非爆破巖方式研究較多，但由于礦巖物理力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)差異較大，影響破巖方式選擇的因素較多，礦巖特性與破巖方式的匹配模型尚不清晰。建議開展礦巖可破碎性評(píng)價(jià)體系研究，建立礦巖性質(zhì)與破巖方式的匹配關(guān)系模型，從而更好地指導(dǎo)差異化礦巖非爆連續(xù)開采技術(shù)的選擇與應(yīng)用。

（3）創(chuàng)新非煤中厚-厚大礦體非爆機(jī)械連續(xù)智能開采工藝。厚煤礦層主要采用大采高綜放技術(shù)進(jìn)行開采，頂煤能夠在礦壓（主因）或人工擾動(dòng)（輔因）作用下由連續(xù)體轉(zhuǎn)化為流動(dòng)散體，高效冒落放礦。對(duì)于地下非煤中厚-厚大礦床，尤其是金屬礦山硬巖礦體，綜放開采硬頂?shù)V體自然冒落性差，分層開采掘進(jìn)工程量大，設(shè)備轉(zhuǎn)移效率低。建議開展非煤中厚-厚大礦體非爆連續(xù)智能開采工藝研究，創(chuàng)新厚大礦體機(jī)械開采空間系統(tǒng)和生產(chǎn)組織模式，提高礦體時(shí)空協(xié)同開采效率，實(shí)現(xiàn)安全、高效、低碳、智能開采。