張 強(qiáng)，王 聰，劉玉果，田 瑩，王亞軍，呂祥鋒，陳洪月，馬 英

（1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東能源重型裝備制造集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 泰安 271000；3.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；4.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；5.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

據(jù)自然資源部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤炭產(chǎn)量從2009 年至今始終占世界煤炭產(chǎn)量的40%以上，且在2013 年達(dá)到最高世界占比，為48.28%。 但長(zhǎng)期以來(lái)的大規(guī)模開采使國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)煤炭?jī)?chǔ)量急速下降，薄煤層［1］、硬質(zhì)煤層［2］、夾矸煤層［3］、高瓦斯煤層［4］等難采賦存條件的開采工作勢(shì)在必行，而傳統(tǒng)開采方法在難采煤巖條件下已無(wú)法取得理想效果，制約了開采效率，成為近年來(lái)我國(guó)煤炭年產(chǎn)量世界占比逐漸下降的主要原因之一。

難采煤巖條件下傳統(tǒng)方法的開采效率降低是由多重因素造成的。 由于難采煤巖的特殊賦存條件往往并不單一，如硬質(zhì)薄煤層、夾矸薄煤層、高瓦斯硬質(zhì)煤層等，甚至類似于高瓦斯硬質(zhì)夾矸薄煤層等極惡劣賦存條件也是較為常見的。 這些情況下通過改變截割機(jī)構(gòu)大小與截割功率很難取得良好效果，因?yàn)榇蠖嚯y采煤層與優(yōu)質(zhì)煤層相比，其內(nèi)部構(gòu)造決定了力學(xué)性質(zhì)的不同，通常具有硬度更大、黏性更強(qiáng)、脆度更高等特征，進(jìn)而降低了傳統(tǒng)方法破煤巖機(jī)理的適用性，加劇截割機(jī)構(gòu)的損耗。 故針對(duì)難采賦存條件進(jìn)行新型高效的煤巖破碎方法研究是當(dāng)前煤炭行業(yè)的重要科學(xué)導(dǎo)向。

筆者將結(jié)合我國(guó)新型煤巖破碎方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)有的煤巖破碎技術(shù)進(jìn)行分類，闡述各方法的技術(shù)原理，綜述各種煤巖破碎技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析各方法相對(duì)于傳統(tǒng)破煤巖方法的技術(shù)突破，并通過建立局限度評(píng)價(jià)方法，衡量各煤巖破碎技術(shù)的局限度，分析各方法的局限性，最終基于煤炭智能化開采的戰(zhàn)略思想提出我國(guó)難采煤巖破碎方法的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為相關(guān)專家學(xué)者提供理論參考。

1 煤巖高效破碎技術(shù)的分類與工作原理

近年來(lái)新型破煤巖技術(shù)種類繁多，按照工作原理進(jìn)行分類，可分為純射流破煤巖、射流輔助機(jī)械破煤巖、沖擊截齒輔助破煤巖、碟盤刀具破煤巖、激光破煤巖、鉆孔脹裂劑破煤巖。

1.1 純射流破煤巖

射流破煤巖技術(shù)起源于20 世紀(jì)50 年代，雖起源年代較久遠(yuǎn)，但因其工作介質(zhì)無(wú)污染、煤巖破碎過程不產(chǎn)生火花，使該技術(shù)至今一直能夠快速發(fā)展，已形成一套較為完備的截割理論體系，目前射流破煤巖技術(shù)主要包括水射流、磨料射流、空化射流、脈沖射流、氣液兩相射流等。

1）水射流。 水射流技術(shù)是各種射流技術(shù)的研究基礎(chǔ)，射流破煤巖技術(shù)的起源即是以水為介質(zhì)，利用增壓設(shè)備將水高速噴出，射流接觸煤巖表面后，形成高度集中的能量場(chǎng)，通過“水楔”作用實(shí)現(xiàn)煤巖體的水力壓裂，將射流注入煤巖體內(nèi)部裂隙進(jìn)行沖蝕造縫，如圖1 所示［5］，直至射流在煤巖體內(nèi)部的應(yīng)力作用超過其強(qiáng)度極限后，煤巖體成塊剝落。

圖1 射流破煤巖機(jī)理Fig.1 Mechanism of jet breaking coal rock

2）磨料射流。 磨料射流技術(shù)通過在水介質(zhì)中混合一定數(shù)量的磨料顆粒，形成一種相較于純水射流具有更高能量密度的射流。 根據(jù)磨料與水介質(zhì)的混合時(shí)間不同，目前磨料射流發(fā)生裝置分為前混式與后混式，如圖2 所示［6］。 前混式為磨料與水先混合再形成射流，后混式為水先形成射流再與磨料進(jìn)行混合，2 種結(jié)構(gòu)各有利弊，前混式射流質(zhì)量更高、煤巖破碎性能更好，但設(shè)備磨損更大；后混式射流質(zhì)量較差，但設(shè)備磨損更小。 實(shí)際應(yīng)用需根據(jù)工程中的各項(xiàng)因素，對(duì)磨料射流結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。

圖2 磨料射流工作原理Fig.2 Working principle of abrasive jet

圖3 水的空化現(xiàn)象Fig.3 Cavitation of water

3）空化射流。 空化射流技術(shù)將空化現(xiàn)象引入水射流，水的空化現(xiàn)象如圖3 所示［7］，水沿u射流方向流動(dòng)，其中收縮段的壓力pc最小，達(dá)到水的氣化點(diǎn)，形成氣泡，離開收縮段后，空氣反應(yīng)后的射流壓力，壓力p2大于pc使氣泡重新液化為水，圖中p1為射流初始?jí)毫Α?/p>

由于水在空化過程中破壞了水流自身的連續(xù)性，使得水的流動(dòng)過程產(chǎn)生頻繁的壓力脈動(dòng)效應(yīng)，增大了水流沖擊力，因此水射流利用空化現(xiàn)象能夠增大射流的沖擊能量，強(qiáng)化煤巖破碎性能。

4）脈沖射流。 脈沖射流技術(shù)類似于空化射流，均利用壓力脈動(dòng)效應(yīng)增大射流沖擊力，但脈沖射流并非利用水介質(zhì)的性質(zhì)變化將射流的連續(xù)性打斷，其通過圖4 所示［8］的振蕩腔室使射流自振激蕩，從而將射流的連續(xù)噴出方式轉(zhuǎn)換為脈沖噴出方式。 與空化射流相比，對(duì)于我國(guó)以井工為主的煤巖開采環(huán)境，脈沖射流技術(shù)更易于實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。

5）氣液兩相射流。 氣液兩相射流是綜合多種射流技術(shù)基礎(chǔ)上提出的一種新型射流手段，其射流構(gòu)造類似于磨料射流，將磨料替換為氣體與水介質(zhì)融合，避免了磨料介質(zhì)對(duì)射流裝置的磨損問題。 射流接觸煤巖表面后，液相射流被氣相射流分割為無(wú)數(shù)微射流，這些微射流的能量干涉作用能夠產(chǎn)生局部脈沖射流效果［9］。 雖然氣相射流的沖擊強(qiáng)度弱于磨料顆粒的沖擊強(qiáng)度，但氣液兩相射流所產(chǎn)生的局部脈沖可以達(dá)到理想的截割效果，氣液兩相射流的發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)如圖5 所示［10］。

圖4 空化射流發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of cavitation jet generator

圖5 氣液兩相射流發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of gas-liquid two-phase jet generator

1.2 射流輔助機(jī)械破煤巖

射流輔助機(jī)械破煤巖是將射流發(fā)生裝置應(yīng)用在機(jī)械截割機(jī)構(gòu)上的一種煤巖破碎技術(shù)，目前該技術(shù)主要體現(xiàn)在采煤機(jī)滾筒和掘進(jìn)機(jī)截割頭上，如圖6［11］、圖7［12］所示。

與圖1 所示的純射流截割破煤巖機(jī)理不同，射流輔助機(jī)械破煤巖技術(shù)在工作中對(duì)煤巖造成剝離破壞的是機(jī)械截割機(jī)構(gòu)，射流部分的目的在于水力壓裂，即利用射流的高壓沖擊作用使煤巖體內(nèi)部發(fā)生一定程度的破壞，降低煤巖截割阻抗，進(jìn)而提升機(jī)械截割機(jī)構(gòu)的工作效率， 射流輔助機(jī)械截割技術(shù)的破煤巖機(jī)理如圖8 所示［11］。

圖6 射流改造采煤機(jī)滾筒Fig.6 Jet reforming drum of shearer

圖7 射流改造掘進(jìn)機(jī)截割頭Fig.7 Jet reforming cutting head of roadheader

從煤巖體破壞過程可以看出，射流部分與機(jī)械截割部分是相互促進(jìn)的，截齒截割促進(jìn)了煤巖在射流沖擊作用下的裂隙發(fā)育，射流引起的煤巖內(nèi)部裂隙發(fā)育也促進(jìn)了截齒對(duì)煤巖的截割破壞。

1.3 沖擊截齒輔助破煤巖

沖擊截齒輔助破煤巖是在射流輔助機(jī)械截割破煤巖機(jī)理基礎(chǔ)上提出的一種新型破煤巖方法，如圖9 所示，通過將截齒內(nèi)部改裝為液壓結(jié)構(gòu)，使截齒能夠在活塞帶動(dòng)下進(jìn)行往復(fù)沖擊運(yùn)動(dòng)。

沖擊截齒輔助破煤巖可視為射流輔助機(jī)械破煤巖的統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，其截齒的沖擊運(yùn)動(dòng)代替了射流對(duì)煤巖的沖擊作用，在煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，提升截齒截割效率。 與射流沖擊產(chǎn)生的裂隙發(fā)育不同，沖擊截齒產(chǎn)生的裂隙發(fā)育更貼近于傳統(tǒng)截齒對(duì)煤巖體的剝離破壞軌跡，但較傳統(tǒng)截齒破壞范圍更大。

圖8 射流輔助機(jī)械截割的破煤巖機(jī)理Fig.8 Coal rock breaking mechanism of jet assisted mechanical cutting

圖9 沖擊截齒內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.9 Internal structure of impact pick

1.4 碟盤刀具破煤巖

碟盤刀具是一種新型機(jī)械截割結(jié)構(gòu)，如圖10 所示［13］，刀具邊緣布有多個(gè)牙齒，刀具工作時(shí)利用徑向切削與軸向振動(dòng)對(duì)煤巖進(jìn)行截割。

碟盤刀具上單個(gè)牙齒的破煤巖機(jī)理如圖11 所示［13］，因其破壞階段與傳統(tǒng)截齒類似，即煤巖體經(jīng)歷壓裂-破碎-剝離的過程，故可將碟盤刀具視為將傳統(tǒng)截割機(jī)構(gòu)上的截齒縮小化并分布于碟盤邊緣的一種結(jié)構(gòu)，對(duì)于利用碟盤刀具改造的截割機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于增加了數(shù)倍以上的截齒進(jìn)行截割，從而加強(qiáng)截割機(jī)構(gòu)的破煤巖性能。

圖10 碟盤刀具結(jié)構(gòu)Fig.10 Disc cutter structure

圖11 碟盤刀具單個(gè)牙齒的破煤巖機(jī)理Fig.11 Coal breaking mechanism of single pick of disc cutter

1.5 激光破煤巖

激光于20 世紀(jì)60 年代誕生，并在21 世紀(jì)初開始應(yīng)用于破巖鉆井試驗(yàn)，激光破煤巖的實(shí)質(zhì)是通過將激光的光能轉(zhuǎn)換為熱能，照射到煤巖體表面后，在其內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力作用，由于高度受熱，自身的物理與力學(xué)性能發(fā)生變化。 煤巖體在不同激光熱量作用下的物理變化如圖12 所示［14］。

圖12 煤巖體在激光作用下的物理變化Fig.12 Physical changes of coal rock under the action of laser

激光熱量小于煤巖體液化潛能時(shí)，煤巖體不會(huì)產(chǎn)生性質(zhì)變化，煤巖巖體內(nèi)部熱量全部以熱應(yīng)力的形式傳導(dǎo)，當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到煤巖破壞強(qiáng)度極限后，其內(nèi)部發(fā)生破壞，熱應(yīng)力沿裂隙發(fā)育繼續(xù)傳導(dǎo)，最終達(dá)到煤巖破碎目的。 當(dāng)激光熱量大于煤巖液化潛能或氣化潛能時(shí)，煤巖體產(chǎn)生性質(zhì)變化，使自身原有物理、力學(xué)性質(zhì)直接失效，無(wú)法達(dá)到煤巖破碎目的，因此這2 種情況常用于改變工作面結(jié)構(gòu)。

1.6 脹裂劑輔助破煤巖與鉆孔輔助破煤巖

如圖13 所示［15］，鉆孔脹裂劑破煤巖即通過在煤巖體表面預(yù)先鉆一定數(shù)量的孔，將脹裂劑沿孔注入至煤巖體內(nèi)部，煤巖在脹裂劑作用下開始膨脹，膨脹時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力在煤巖體內(nèi)部傳播，當(dāng)應(yīng)力超過煤巖極限拉應(yīng)力后，其內(nèi)部產(chǎn)生破壞，從而降低截割阻抗，提升后續(xù)截割工作效率。

圖13 脹裂劑破煤巖Fig.13 Coal rock breaking by expanding agent

由于脹裂劑破煤巖需要考慮鉆孔的排布、深度、大小等，近年來(lái)衍生出一種脫離脹裂劑的鉆孔輔助開采技術(shù)，該技術(shù)通常用于高地應(yīng)力工作面，當(dāng)鉆孔形成后，鉆孔周圍會(huì)形成如圖14 所示［16］的應(yīng)力集中區(qū)，以維持煤巖整體的力學(xué)穩(wěn)定性，而高地應(yīng)力的特征使煤巖應(yīng)力重布后的力學(xué)性能變化更為明顯，此時(shí)煤巖強(qiáng)度大幅降低，從而提高后續(xù)截割效率。

圖14 鉆孔形成的應(yīng)力集中區(qū)Fig.14 Stress concentration area formed by drilling

2 煤巖高效破碎技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 射流破煤巖研究

董惠娟等［17］設(shè)計(jì)了一種圖15 所示自進(jìn)式水射流發(fā)生裝置，這種噴頭結(jié)構(gòu)改變了以往單射流直接沖擊巖石的作用方式，通過增加噴嘴使射流實(shí)現(xiàn)散射，增大了單個(gè)噴頭的有效破巖范圍，并利用反向噴嘴射流抵消射流破煤巖過程中的反作用力。

肖文遠(yuǎn)等［18］利用Fluent 軟件分析了噴嘴收縮角對(duì)射流性能的影響，得到了不同收縮角下的射流速度，研究結(jié)果表明射流速度與噴嘴收縮角成反比，但并非越小越好，且存在最佳收縮角為12°，若收縮角小于12°，會(huì)導(dǎo)致射流速度急速衰減、密集性降低的現(xiàn)象，不利于煤巖截割。 劉佳亮等［19］通過建立淹沒狀態(tài)下（水下狀態(tài)）水射流破巖的數(shù)值模型，研究了射流速度、直徑及靶距對(duì)其破巖效率的影響，并以巖石沖蝕深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于極差統(tǒng)計(jì)分析了3 種射流參數(shù)對(duì)于破巖效率的敏感性，結(jié)果表明對(duì)破巖效率影響最大的是射流速度，靶距次之，射流直徑影響最小。 杜玉昆等［20-24］研制了一種超臨界二氧化碳射流發(fā)生裝置，并通過破巖試驗(yàn)明確了超臨界二氧化碳射流的破巖機(jī)理如圖16 所示。

圖15 自進(jìn)式水射流噴頭Fig.15 Self-propelled water jet nozzle

圖16 水射流與超臨界二氧化碳射流的破巖對(duì)比Fig.16 Rock breaking comparison between and water jet supercritical carbon dioxide jet

與水射流破巖相比，二氧化碳射流具有明顯的擴(kuò)散性，在射流滲透至巖體內(nèi)部后，二氧化碳的強(qiáng)擴(kuò)散性會(huì)在巖體內(nèi)部產(chǎn)生膨脹效應(yīng)，更易于巖石的剝離破壞，因此利用二氧化碳射流進(jìn)行破巖能夠在單位時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大體積的巖石破壞。

廖華林等［25-27］提出了直旋混合射流噴嘴結(jié)構(gòu)，并通過射流破巖試驗(yàn)測(cè)試了該噴嘴結(jié)構(gòu)的射流割孔性能，表明了直旋混合射流相較于直射流、混合射流的優(yōu)越性，可以看出直旋混合射流融合了直射流與旋轉(zhuǎn)射流的優(yōu)勢(shì)，在具備足夠射流穿孔能力基礎(chǔ)上加強(qiáng)了射流擴(kuò)孔能力。 王維等［28］建立了水射流破碎油頁(yè)巖的有限元模型，分析了射流破巖過程中的應(yīng)力波效應(yīng)，證明了有限元方法在射流破巖研究方面的可行性。 宋廣寧等［29］以拉伸-水楔與密實(shí)核-劈拉破巖理論為基礎(chǔ)，利用有限元方法研究了多種因素對(duì)射流破巖效率的影響特性，其中通過射流速度與巖石破碎面積的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)巖體破壞存在2 個(gè)種臨界點(diǎn)，且這2 個(gè)臨界點(diǎn)分別證明了拉伸-水楔與密實(shí)核-劈拉的破巖機(jī)理。 周維［30］基于罰函數(shù)算法建立了自激脈沖射流破巖的數(shù)值模型，得到了巖石在射流作用下的破壞過程，其整個(gè)過程的速度云圖均成階梯狀變化，表明了射流的脈沖特性。 穆朝民等［31-34］進(jìn)行了水射流與磨料射流的破煤巖研究，并著重對(duì)煤巖在射流沖擊作用下的損傷機(jī)制進(jìn)行了分析，通過對(duì)比2 種射流的破煤巖過程表明，磨料射流作用下的煤巖破壞深度更優(yōu)于水射流，但水射流具有更強(qiáng)的擴(kuò)散性，其破壞范圍優(yōu)于磨料射流。

2.2 射流輔助機(jī)械破煤巖研究

李烈［35］利用水射流輔助截割頭試驗(yàn)臺(tái)對(duì)水射流掘進(jìn)機(jī)的煤巖破碎特性進(jìn)行了分析，通過對(duì)比有無(wú)水射流輔助破煤巖時(shí)的截割頭振動(dòng)信號(hào)變化得出，掘進(jìn)機(jī)加入射流輔助破煤巖裝置后，截割頭的振幅與穩(wěn)定性均得到提升，表明射流輔助裝置能夠有效降低截割機(jī)構(gòu)的損耗。 康勇等［36］進(jìn)行了磨料射流輔助鉆頭破巖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明鉆頭的鉆進(jìn)效率與射流靶距呈拋物線型關(guān)系，且存在最優(yōu)靶距，在該工況下磨料射流輔助鉆頭的鉆進(jìn)效率相較于無(wú)射流輔助鉆進(jìn)提升了63.4%。 王英等［37］提出了一種自控型磨料射流截齒，將磨料射流裝置整合到截齒內(nèi)部，并利用Fluent 進(jìn)行了射流流場(chǎng)仿真，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性。 馬東軍等［38］基于射流參數(shù)與噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)多孔射流鉆頭的煤巖破碎特性進(jìn)行了影響規(guī)律研究。 段新奇等［39］利用LS-DYNA 軟件對(duì)水射流輔助截齒的旋轉(zhuǎn)截割特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明采用射流輔助后，截齒截割力峰值得到顯著降低，且隨著射流壓力的增加，截齒截割力峰值能夠得到進(jìn)一步降低。 袁軍等［40］在PDC 鉆頭上進(jìn)行了切向?qū)胧缴淞鹘Y(jié)構(gòu)改造，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)該結(jié)構(gòu)下的射流輔助鉆頭與普通鉆頭進(jìn)行了實(shí)際鉆進(jìn)效果對(duì)比，研究結(jié)果表明鉆頭加入射流輔助結(jié)構(gòu)后，相較于傳統(tǒng)鉆頭的鉆進(jìn)效率提升近50%，且能夠有效改善鉆頭的磨損問題。

毛振［41］基于有限元算法建立了水射流輔助采煤機(jī)煤巖破碎過程的數(shù)值模型，通過對(duì)不同射流速度下的截齒截割力的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)射流速度對(duì)截齒截割力降低的效果存在1 個(gè)閾值，當(dāng)超過該值后，截齒截割力降低效果變?nèi)酰?jīng)濟(jì)性降低。 吳霞［42］按照射流相對(duì)截齒作用于煤巖表面上位置不同，將射流輔助截齒截割分為截齒前射流、截齒后射流與截齒側(cè)射流3 類，并分別對(duì)這3 種射流輔助形式的破煤巖機(jī)理進(jìn)行了闡述。 陳躍強(qiáng)［43］、扈陽(yáng)［44］對(duì)磨料射流輔助截齒截割的破煤巖特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明射流壓力越大，截齒截割阻力降低越明顯，且截齒在截割過程中的受力越穩(wěn)定，另外通過在不同圍壓下傳統(tǒng)截齒與射流輔助截齒的對(duì)比模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)射流輔助截齒截割力隨圍壓增大而上升的速率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)截齒截割力的增長(zhǎng)速度，表明射流輔助截割可以有效針對(duì)高圍壓條件。 孟德光［45］研究了脈沖射流輔助球形齒截割的煤巖破碎特性，通過流固耦合模擬試驗(yàn)方式得到了如圖17 所示的應(yīng)力云圖，可以看出加入了脈沖射流輔助的球形齒在受力峰值上降低約50%，且?guī)r體模型內(nèi)部的能量傳遞相較于無(wú)射流輔助截割時(shí)更為廣泛，表明射流能量在煤巖體內(nèi)部以應(yīng)力波形式傳播。

圖17 有無(wú)脈沖射流輔助下的球形齒截割應(yīng)力云圖Fig.17 Stress nephogram of spherical cutting with or without pulse jet assistance

2.3 沖擊截齒輔助破煤巖研究

沖擊截齒輔助截割是筆者研究團(tuán)隊(duì)提出的一種煤巖破碎技術(shù)［46］，目前在綜合考慮截齒的沖擊、回轉(zhuǎn)、牽引運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上，建立了單個(gè)沖擊截齒的截割軌跡模型如圖18 所示，可以看出與傳統(tǒng)截齒相比，沖擊截齒的運(yùn)動(dòng)軌跡由于截齒的沖擊運(yùn)動(dòng)會(huì)使整個(gè)軌跡多出若干個(gè)微小突起。

為明確沖擊截齒截割過程中任一時(shí)間的具體破煤巖范圍，筆者將截齒的三維運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)化，將截齒與煤巖的有效接觸寬度看作已知常量，通過計(jì)算圖18 所示的截齒截割面積S即可得到截齒破煤巖范圍，故建立出圖19 所示截齒運(yùn)動(dòng)軌跡的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。 該模型中截齒與煤巖的接觸范圍分為5 個(gè)區(qū)域，將截齒在任一時(shí)間段內(nèi)所經(jīng)過區(qū)域面積相加，即截齒的回轉(zhuǎn)與牽引運(yùn)動(dòng)軌跡范圍，也可視為傳統(tǒng)截齒的運(yùn)動(dòng)軌跡范圍，另外考慮到截齒沖擊運(yùn)動(dòng)相對(duì)于牽引與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是瞬時(shí)的，故筆者將截齒沖擊運(yùn)動(dòng)軌跡作為附加范圍計(jì)算，在任一時(shí)間段內(nèi)的沖擊次數(shù)與單次沖擊面積相乘，即可得到截齒沖擊運(yùn)動(dòng)軌跡范圍，根據(jù)這一原則，最終得到了沖擊截齒截割面積S的解析解。

圖18 沖擊截齒輔助截割的截齒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.18 Motion track of impact pick assisted cutting

另外，筆者團(tuán)隊(duì)利用離散元方法建立了沖擊截齒輔助截割的破煤數(shù)值模型，其中煤體模型設(shè)定3種硬度與3 種黏度，將沖擊截齒與傳統(tǒng)截齒的截割特性進(jìn)行對(duì)比。 根據(jù)得到的仿真結(jié)果，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)利用Matlab 軟件進(jìn)行曲線擬合，根據(jù)擬合結(jié)果可以得到，截齒加入了輔助沖擊機(jī)制后，在3 種指標(biāo)上均有顯著提升，對(duì)于硬質(zhì)煤巖，硬度越高，傳統(tǒng)截齒與沖擊截齒的差距越大；對(duì)于黏性煤巖，沖擊截齒在一定黏度范圍內(nèi)的截割性能也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)截齒，但黏度過大時(shí)，黏度變化對(duì)沖擊截齒截割性能的影響較大，在破煤難易程度這一指標(biāo)上甚至弱于傳統(tǒng)截齒，究其原因是煤巖的黏度會(huì)限制截齒的沖擊強(qiáng)度，當(dāng)黏度過大時(shí)，截齒的沖程階段無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效沖擊，返程階段反而會(huì)被煤巖的黏性所限制。

2.4 碟盤刀具破煤巖研究

碟盤刀具是由劉春生等［47-53］提出的一種新型機(jī)械截割結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行破煤巖方面的相關(guān)研究。利用ABAQUS 軟件分析了碟盤刀具進(jìn)行軸向振動(dòng)與徑向切削和徑向切削對(duì)煤巖應(yīng)力影響規(guī)律，結(jié)果表明施加軸向振動(dòng)的碟盤刀具對(duì)煤巖的應(yīng)力影響范圍更廣，更有利于煤巖的大塊崩落。 此外，分析了碟盤刀具破碎煤巖的載荷特性與刀具的變形規(guī)律，結(jié)果表明碟盤刀具破碎煤巖的破裂范圍呈現(xiàn)月牙狀，由中間向兩側(cè)遞減；振動(dòng)切削煤巖時(shí)其徑向載荷明顯小于單作用徑向切削煤巖的載荷。 同時(shí)，為驗(yàn)證碟盤刀具的煤巖破碎理論模型與數(shù)值仿真結(jié)果，利用試驗(yàn)和理論方法獲取了碟盤刀具切削煤巖的載荷曲線，分析了軸向振動(dòng)與徑向切削煤巖載荷特性和對(duì)比特征，結(jié)果表明刀齒徑向切削試驗(yàn)和理論載荷隨楔面角的變化規(guī)律是吻合的，驗(yàn)證了刀齒徑向切削煤巖力學(xué)模型的正確性。

圖19 截齒運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型Fig.19 Mathematical model of pick movement track

那洪亮等［54］基于ABAQUS 軟件研究了碟盤刀具切削復(fù)合破巖過程中應(yīng)力的分布情況。 徐玉蕓［55］研究了碟盤刀具在不同階段下與煤巖相互作用的力學(xué)關(guān)系，結(jié)果表明碟盤刀具破碎煤巖的過程中，拉應(yīng)力集中在刀齒齒尖，而壓應(yīng)力主要集中在刀齒楔面處。 袁昊等［56-57］采用ABAQUS 軟件分析了有、無(wú)徑向振動(dòng)碟盤刀具對(duì)煤巖的分布應(yīng)力規(guī)律，結(jié)果表明有振動(dòng)碟盤刀具對(duì)煤巖的應(yīng)力分布范圍相較于無(wú)振動(dòng)碟盤刀具更廣泛。

2.5 激光破煤巖研究

史雅麗［58］將巖樣置于連續(xù)式光纖激光照射環(huán)境下，針對(duì)激光功率、照射時(shí)間、照射距離等參數(shù)對(duì)巖石破碎特性的影響規(guī)律進(jìn)行了探討。 劉拓等［59］利用試驗(yàn)方法研究了激光功率和輻照時(shí)間對(duì)預(yù)鉆孔效果的影響，得到了如圖20 所示的激光破煤巖機(jī)理。

易先中等［60］建立了煤巖在激光作用下的熱物理模型，并通過有限元方法計(jì)算了熱物理模型的解析解，得到了如圖21 所示的巖體表面光斑的溫度場(chǎng)分布，可以看出溫度頂點(diǎn)位于光斑內(nèi)軸中心，其余部分的溫度場(chǎng)迅速降低，該分布類似于脈沖光束形狀。

圖20 激光破煤巖機(jī)理Fig.20 Mechanism of coal rock breaking by laser

圖21 巖體表面的光斑溫度場(chǎng)Fig.21 Temperature field of spot on rock surface

頓苗苗等［61］提出并驗(yàn)證了一種激光與冷水結(jié)合的煤巖破碎方法，利用激光與冷水作用在煤巖體上的溫差原理，使煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生劇烈的收縮應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度硬質(zhì)煤巖破碎。 謝慧等［62］利用激光破巖試驗(yàn)系統(tǒng)研究了不同激光照射參數(shù)對(duì)破巖效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明巖石破碎量隨照射離焦量增長(zhǎng)而上升，隨照射功率增長(zhǎng)呈先上升后下降趨勢(shì)。 張建闊［63］對(duì)硅質(zhì)砂巖分別進(jìn)行了激光掃描與打孔試驗(yàn)，2 項(xiàng)試驗(yàn)均可對(duì)巖體造成明顯破壞，且通過分析發(fā)現(xiàn)對(duì)巖石破壞效果起較大影響的因素是光斑面積。

李美艷等［64］分析了砂巖對(duì)激光功率與離焦量的敏感性，研究結(jié)果表明激光功率對(duì)巖石破壞深度影響更大，離焦量對(duì)巖石破壞半徑影響更大。 彭漢修等［65］利用試驗(yàn)方法研究了激光照射參數(shù)對(duì)煤巖破碎效率的影響，分析得到了照射功率與照射時(shí)間是決定煤巖破碎性能的主要因素。 李美艷等［66］分別研究了花崗巖與砂巖在激光照射作用下的破壞機(jī)制，試驗(yàn)表明花崗巖的破壞過程相較于砂巖多出1個(gè)“玻璃泡”破壞階段。

2.6 脹裂劑輔助破煤巖與鉆孔輔助破煤巖研究

李新杰等［67］研究了煤巖在脹裂劑作用下的破壞機(jī)理，并總結(jié)出影響脹裂劑破碎性能的主要因素分別為溫度、孔徑、水灰比與充填密度。 羅明坤等［68］通過煤巖脹裂試驗(yàn)研究了脹裂劑組分配比對(duì)破碎效果的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明脹裂劑組分中CaO 的最佳配比為70%，在該配比下脹裂劑的水化反應(yīng)能夠產(chǎn)生最大膨脹壓力。

鉆孔輔助截割是筆者研究團(tuán)隊(duì)提出的另一種煤巖破碎技術(shù)［69-70］，與沖擊截齒輔助截割相比，該技術(shù)主要針對(duì)高地應(yīng)力工況下的煤巖工作面，利用鉆孔后煤巖內(nèi)部的應(yīng)力重構(gòu)，使一定范圍內(nèi)的煤巖應(yīng)力得到降低，有利于進(jìn)一步的截割工作。 目前筆者通過圖22 所示鉆頭破碎煤巖的有限元模型，研究了不同鉆頭沖擊頻率、不同回轉(zhuǎn)速度的煤巖破碎特性。

圖22 鉆頭破煤巖結(jié)果Fig.22 Result of coal rock breaking model for bit

仿真結(jié)果經(jīng)Matlab 擬合后的圖像如圖23 所示，可以看出，隨著鉆頭沖擊頻率與回轉(zhuǎn)速度的增大，煤巖破碎能耗先降低后上升，且破碎能耗較理想?yún)^(qū)域?yàn)闆_擊頻率60 ～65 Hz，回轉(zhuǎn)速度250 ～280 r/min。

3 各種新型煤巖破碎技術(shù)的局限性分析及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

縱觀以上提出的各種煤巖破碎技術(shù)，均能夠?qū)崿F(xiàn)難采煤巖的高效破碎，但由于不同技術(shù)之間的研究出發(fā)點(diǎn)不同，使這些煤巖破碎技術(shù)目前難免存在一定局限性，故筆者結(jié)合多個(gè)煤巖工況，對(duì)各種煤巖破碎技術(shù)的局限性進(jìn)行分析，并對(duì)我國(guó)煤巖開采技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提出構(gòu)想。

圖23 煤巖破碎結(jié)果Fig.23 Coal rock breaking result

3.1 各煤巖破碎技術(shù)的局限性分析

1）純射流破煤巖或射流輔助機(jī)械破煤巖。 在文中提到的所有高效破煤巖技術(shù)中，射流破煤巖顯然是理論最為成熟、工程應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，但在某些特殊工況下，射流的作用機(jī)制可能會(huì)受到影響，甚至加劇煤巖工作面的開采難度。 例如在黏性煤巖工況下，若射流為水介質(zhì)，水介質(zhì)與煤巖體的接觸很可能會(huì)增大煤巖黏度，不利于下一階段的射流高壓破壞或機(jī)械截割工作；若射流主要為磨料介質(zhì)，煤巖的黏性會(huì)使磨料粒子附著其表面上，降低煤巖品質(zhì)，增加后續(xù)煤巖加工的工作量，且目前主流射流技術(shù)均無(wú)法脫離水介質(zhì)，因而在黏性煤巖工況下，射流技術(shù)尚存在較大局限性。

2）沖擊截齒輔助破煤巖。 沖擊截齒輔助破煤巖作為一種新型煤巖破碎技術(shù)，其裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、優(yōu)化設(shè)計(jì)與破煤巖理論等仍有待于進(jìn)一步完善，若從煤巖工況角度出發(fā)，沖擊截齒相較于射流技術(shù)能夠有效避免黏性煤巖的影響，在筆者團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有研究中已通過分析得到?jīng)_擊截齒在一定黏度內(nèi)具有理想的截割效率。 但在高瓦斯環(huán)境下，由于截齒截割過程中可能會(huì)產(chǎn)生火花，且沖擊截齒的高頻振動(dòng)必然會(huì)加大火花產(chǎn)生的可能性，這對(duì)于高瓦斯煤巖工作面開采的安全性是極具威脅的，如何對(duì)這一風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效防治也是工程難題，因而在高瓦斯煤巖工況下，沖擊截齒輔助破煤巖技術(shù)尚存在較大局限性。

3）碟盤刀具破煤巖。 碟盤刀具作為一種新型煤巖破碎技術(shù)，與沖擊截齒輔助破煤巖相似，其刀具形狀、截齒排布等優(yōu)化設(shè)計(jì)與截割穩(wěn)定性也有待于進(jìn)一步完善，若從工況角度出發(fā)，碟盤刀具的細(xì)微牙齒排布在黏性煤巖工況下可能會(huì)由于煤巖附著在牙齒間隙而使整體截割性能受到影響；另一方面，碟盤刀具自身的刀具形狀也可能存在一定局限性，由于刀具類似于將傳統(tǒng)截齒縮小并集中分布在碟盤周圍，且實(shí)現(xiàn)有效煤巖破碎的核心機(jī)械部分是碟盤周圍若干小型牙齒，這對(duì)于牙齒的材料強(qiáng)度具有更高要求，否則極易出現(xiàn)牙齒連鎖失效現(xiàn)象，如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、牙齒表面強(qiáng)化是較大難題，因而碟盤刀具在黏性煤巖工況與材料強(qiáng)度上尚存在較大局限性。

4）激光破煤巖。 激光破巖技術(shù)目前大多針對(duì)純巖工況，但若用于純煤或煤巖工況，激光的熱破壞原理顯然存在較大問題，首先照射超過一定時(shí)間會(huì)改變煤巖物質(zhì)形態(tài)，降低煤巖開采下來(lái)的質(zhì)量，其次激光的熱作用更加無(wú)法用于高瓦斯工況，因而激光破煤巖技術(shù)并不適用于純煤或煤巖工況，但在無(wú)瓦斯的硬巖巷道掘進(jìn)工作環(huán)節(jié)中可以考慮引入激光技術(shù)。

5）脹裂劑與鉆孔輔助破煤巖。 脹裂劑與鉆孔輔助破煤巖技術(shù)目前在我國(guó)也處于起步階段，各項(xiàng)理論體系仍有待進(jìn)一步完善，從工作量角度出發(fā)，脹裂劑與鉆孔輔助的煤巖破碎方式工作量較為繁瑣，均需要2 種工序才可實(shí)現(xiàn)破碎。 從煤巖工況角度來(lái)看，脹裂劑的破巖原理是利用脆性煤巖的拉應(yīng)力破壞，但在黏性煤巖工況下，其脹裂的發(fā)育過程會(huì)受到較大限制，鉆孔輔助破煤巖的原理是利用高地應(yīng)力在巖體表面的應(yīng)力重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)較大應(yīng)力差，從而便于機(jī)械截割工作，其較強(qiáng)的工況針對(duì)性也導(dǎo)致了這一破煤巖技術(shù)在其他工況下的適用性。 因而脹裂劑破巖在黏性煤巖工況下尚存在較大局限性，鉆孔輔助破巖在工況適用性下尚存在較大局限性。

為明確各種新型煤巖破碎技術(shù)的局限性，筆者建立了局限性評(píng)價(jià)見表1，由于各破煤巖技術(shù)尚處于不斷發(fā)展中，故筆者在該局限性評(píng)價(jià)中未對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行具體對(duì)比，即只對(duì)每一指標(biāo)目前是否存在明顯局限進(jìn)行判定，若有明顯局限，則記為1，反之記為0。

表1 各煤巖破碎技術(shù)的局限度Table 1 Limitation index of each coal breaking technology

從表1 可以看出，在目前階段，射流技術(shù)的局限性最低，其局限度指數(shù)為2，激光技術(shù)的局限性由于其對(duì)于純煤或煤巖的適用性較低，其局限性最高，指數(shù)為5，沖擊截齒技術(shù)、碟盤刀具技術(shù)與脹裂劑/鉆孔技術(shù)的局限性指數(shù)為3，但考慮到這3 種煤巖破碎技術(shù)尚處于起步階段，在理論上有一個(gè)指標(biāo)存在局限，若忽略這一指標(biāo)，3 種煤巖破碎技術(shù)的局限度均和射流技術(shù)相同，因此可以判斷出目前沖擊截齒技術(shù)、碟盤刀具技術(shù)與脹裂劑/鉆孔技術(shù)和射流技術(shù)同樣具有較大工程應(yīng)用價(jià)值與理論研究?jī)r(jià)值。

3.2 我國(guó)高效煤巖破碎技術(shù)的發(fā)展構(gòu)想

考慮到我國(guó)煤巖地質(zhì)條件種類繁多，目前尚無(wú)法找到一種適用于我國(guó)全部煤巖地質(zhì)工況的高效開采技術(shù)，除針對(duì)不同工況選擇不同的煤巖破碎方法外，還可對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行良性聯(lián)合以彌補(bǔ)某種技術(shù)的局限性。 但考慮到國(guó)內(nèi)煤巖地質(zhì)條件變化的大趨勢(shì)，即深部開采與復(fù)雜條件開采煤層比例不斷上升，筆者對(duì)未來(lái)煤巖開采的核心問題與工程重點(diǎn)提出構(gòu)想：

1）高地應(yīng)力的克服或利用，克服即避免高地應(yīng)力對(duì)煤巖工作面帶來(lái)的硬度增大問題，若激光技術(shù)對(duì)煤巖開采方面的適用性問題得以解決，可考慮采用激光進(jìn)行煤巖破碎，避免了機(jī)械開采環(huán)節(jié)“硬碰硬”的問題；基于鉆孔卸荷原理，利用煤巖工作面的高地應(yīng)力條件對(duì)煤巖進(jìn)行初步破壞，降低機(jī)械截割結(jié)構(gòu)的破煤巖難度。

2）黏性煤巖的黏度預(yù)防或黏度失效，黏度預(yù)防即在機(jī)械截割機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)防黏處理，從而實(shí)現(xiàn)截割環(huán)節(jié)對(duì)煤巖黏度的忽略；黏度失效即通過注入類似于脹裂劑對(duì)煤巖本體成分無(wú)害的液體，實(shí)現(xiàn)煤巖去黏。

除以上2 點(diǎn)構(gòu)想，還存在如薄煤層開采、硬質(zhì)煤層、高瓦斯煤層等復(fù)雜工況條件，隨著現(xiàn)有高效破煤巖技術(shù)的不斷完善，薄煤層問題可通過縮小截割機(jī)構(gòu)尺寸或采用螺旋鉆采煤機(jī)的方式解決，硬質(zhì)煤層和高瓦斯煤層也可通過不同具體工況選擇合適的煤巖破碎技術(shù)，綜上所述，筆者認(rèn)為我國(guó)高效煤巖破碎技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與傳統(tǒng)破巖技術(shù)不同，是多種破巖技術(shù)并存且相互聯(lián)合的，另外考慮到物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與智能化采煤的不斷完善，多種技術(shù)聯(lián)合工作是必然能夠?qū)崿F(xiàn)的。

4 結(jié) 論

1）闡述了射流破煤巖、射流輔助機(jī)械破煤巖、沖擊截齒輔助破煤巖、碟盤刀具破煤巖、激光破煤巖、脹裂劑與鉆孔輔助破煤巖的工作原理，對(duì)各種煤巖破碎技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了初步概括。

2）綜述了各煤巖破碎技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并根據(jù)現(xiàn)有研究對(duì)各破巖技術(shù)的局限性進(jìn)行了分析，建立了局限度評(píng)價(jià)，其中射流破巖局限度最低，激光破巖最高，其他3 種煤巖破碎技術(shù)在忽略理論局限指標(biāo)基礎(chǔ)上與射流破巖具有同樣的工程應(yīng)用價(jià)值與理論研究?jī)r(jià)值。

3）對(duì)我國(guó)高效煤巖破碎技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提出了高地應(yīng)力的克服或利用、黏性煤巖的黏度預(yù)防或黏度失效構(gòu)想。