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引文格式
杨小聪, 黄丹, 岳小磊, 等.非煤矿山机械连续采矿技术研究进展与发展趋势[J].有色金属(矿山部分)，2024,76(6):1-13.
YANG Xiaocong,HUANG Dan, YUE Xiaolei, et al. Research progress and development trend of continuous mechanical mining technology in non-coal mine[J]. Noferrous Metals (Mining Section), 2024,76(6):1-13.
研究背景简介
近年来，我国持续加大对固体矿产资源的勘探开发力度，特别是着力提升战略性矿产资源、关键固体矿产资源的开发保障能力。数十年来，非煤矿山一直采用爆破开采模式，针对不同矿体条件和开采需求，采矿技术不断地优化创新，解决了诸多采矿技术难题，但普遍仍是沿用浅孔爆破、中深孔爆破和深孔爆破采矿方式。而爆破采矿由于自身工艺的不连续性（图1）和有害效应，已成为制约爆破采矿技术纵深发展的客观因素，特别是随着开采深度不断增加，“三高一扰动”的开采环境和不断劣化的地质条件，矿山的安全高效开采面临着巨大挑战。
先进煤炭矿山通过综合机械化开采和综掘技术装备，已基本淘汰了钻爆法采掘作业，资源开发强度等方面得到跨越式发展。相较煤矿，非煤矿山岩体坚硬，矿体赋存条件和开采条件具有显著的差异性、多样性和复杂性，无法照搬煤矿机械采矿技术装备和开采模式，但非爆破及机械连续采矿技术是非煤矿山未来必然的重要发展方向。
🔺图1 钻爆法典型非连续工艺流程
研究进展综述
机械连续采矿技术的核心在于创新的破岩方式与高效采矿装备的结合。近年来，基于刀具物理切削、滚压和冲击等多种破岩方法的装备如悬臂式掘进机、TBM（全断面隧道掘进机）、竖井掘进机等逐渐应用于非煤矿山的采掘作业。与此同时，岩体的可切割性测试、破岩机理分析等理论研究不断深入，支持了装备技术的快速发展。目前我国硬岩机械破岩装备及技术水平已基本处于国际领先水平，逐步推广应用于非煤矿山、隧道等领域。
机械破岩方式1—截割破岩，代表性装备——悬臂式掘进机（图2）。
🔺图2 悬臂式掘进机及刀头示意图
悬臂式掘进机是煤矿综掘工作面普遍常用设备，根据截割类型和截割头旋转方向分为纵轴式和横轴式两种类型。近年来已有多座非煤矿山尝试应用悬臂式掘进机来进行采掘作业，如三山岛金矿、乌拉根铅锌矿、阿希金矿、瓮福磷矿、金川铜镍矿、彝良铅锌矿、会泽铅锌矿、卡尔恰尔萤石矿、百源丰锰矿、松湖铁矿。
机械破岩方式2——滚刀滚压破岩（图3），代表性装备——TBM、移动式采矿机、竖井掘进机等（图4）。
🔺图3 盘形滚刀刀盘及破岩过程
🔺图4 典型的滚刀破岩机械装备与应用情况
在采矿工程领域，非煤矿山TBM掘进处于起步阶段，已知采用的矿山有江铜银珠山铅锌矿、西鞍山铁矿、多宝山多金属矿、大中赫锂矿、宜安联合实业麻坪磷矿等，未来2年内将新增不少于10台TBM应用于我国非煤矿山。由于采掘深度不断增加，非煤矿山TBM工程面临更加复杂的地质环境，TBM的转弯、转运、集成较为困难，以及矿山TBM掘进安全风险防控、巷道围岩稳定性控制和大断面一次性成型效率等问题，导致在非煤矿山规模应用TBM还存在许多突出性的难题。
机械破岩方式3—镶齿滚刀破岩（图5），代表性装备——反井钻机。
🔺图5 反井钻机刀盘结构及镶齿滚刀
镶齿滚刀破岩性能研究对于反井钻机在采矿工程、地下工程全面应用具有重要作用。目前使用最多的反井钻机工作方式为先自上向下钻设导孔，将扩孔钻头下放至底部，然后通过钻杆将上部的动力驱动系统和底部钻头相连，进行自下向上扩孔，形成反井。我国反井钻井技术经过四十多年的攻坚和创新发展，逐步突破了理论计算、装备整机设计、动力控制和施工工艺技术，解决了复杂地层反井钻进难题，装备制造水平和施工工艺基本达到国际领先标准。
机械破岩方式4—冲击破岩，代表性装备——冲击式破岩掘进机（图6）。
🔺图6 冲击式掘进机示例
非煤矿山完整岩石强度多在100 MPa以上，在硬岩开采中钻爆法仍是目前最经济有效的开采方法，炮孔多采用凿岩台车冲旋复合钻孔进行硬岩破碎。随着工程施工场景的多样性和复杂性，工程机械也在朝着多样性和定制化发展，除凿岩钻孔装备外，冲击式破岩掘进装备近年来种类也逐渐增多，如图6所示的炮锤掘进机和冲击式多功能掘进机，利用工作部的高频锤或斗齿在冲击作用下楔入破碎岩体中，利用机械开挖作用力和围岩下方的临空面重力作用达到破岩效果。
机械破岩方式5—圆盘刀振荡切削破岩（图7），代表性装备——圆盘式掘进机（图8）。
🔺图7 ODC刀盘破岩原理
🔺图8 MC51型圆盘式连续采矿机
圆盘刀振荡切削破岩技术 (Oscillating Disc Cutter, ODC)通过在传统圆盘刀破岩方式中引入振荡运动，增强了刀具与岩石之间的相互作用，从而提高了破岩效果。日本小松公司基于ODC技术研发了MC51型连续采矿机，并在加拿大萨德伯里Garson镍矿成功应用该设备进行机械连续开采技术测试，工程应用表明该设备切削精度高，连续开采能力较强。
机械破岩方式6—钻孔劈裂破岩（图9），代表性装备——液压劈裂机。
🔺图9劈裂破岩原理
钻孔劈裂法泛指在岩体中施工钻孔，然后利用劈裂机的机械配件（如楔块、柱塞），对孔壁施加静力或准静力载荷，使岩石破裂或破碎。该方法充分利用了岩体的抗拉强度比抗压强度小的特征，从岩体内部对岩体进行非爆破岩，尤其适用于坚硬岩体的开挖。钻孔劈裂法通常应用于不允许爆破施工条件下的岩体剥离作业。
其他辅助破岩方式—高压水射流、微波、激光和超声波辅助破岩等。
在机械破岩领域，常见利用辅助破岩方法与刀具进行联合破岩，高压水射流辅助破岩是通过高压水射流产生的高动能水流，对岩石表面施加冲击和剪切作用，从而降低岩石的强度和硬度，使其更容易被机械刀具破碎。微波辅助破岩基本原理是利用微波能量穿透岩石，并与其中的吸波矿物相互作用，使这些矿物局部升温，从而在岩石内部产生热应力和热裂纹。激光辅助破岩技术基本原理与微波辅助相似，利用高功率激光束照射岩石表面，使岩石局部快速加热，产生热应力和热裂纹，从而弱化岩石的物理力学性质，促进机械破碎。超声波破岩基本原理是利用超声波破碎装置给岩石施加20 kHz以上的机械振动频率，使其与岩石固有频率相同而达到破岩的目的。
随着机械破岩技术装备的发展，非煤矿山机械采矿成为可能，其首要解决的问题是对矿体机械破碎性能进行准确的评估，确定是否适合机械采矿，并选用合适的机械采矿工艺与施工参数。岩体的可切割性旨在表征岩体机械破碎的难易程度，其回答了“岩体能否破的动，能否破的好”这两个核心问题。国内外对于矿山岩体可切截割性的概念和指标并没有统一的共识性结论，试验方法也无统一标准，主要采用物理模拟或者数值模拟手段进行研究。针对悬臂式掘进机截齿截割破岩方式，室内试验装置根据刀具推进方式的不同可以分为旋转型截割、直线型截割和侵入型试验三类；针对TBM滚刀破岩方式，室内试验装置根据岩石切削设备尺寸可分为全尺寸试验机和缩尺寸试验机两类。
发展趋势
目前非煤矿山机械采掘技术体系仍面临着基础研究滞后、关键科学技术问题尚未突破、装备破岩能力和适应性差、成套技术欠缺等系列难题。结合多年来开展非煤矿山机械采矿技术研究实践，针对非煤矿山机械连续开采技术装备的研究现状，凝练出以下待攻克的关键科学技术难题、重点研究内容以及主要研究方向，探索非煤矿山机械连续开采技术研究体系，如图10所示。
🔺图10 非煤矿山机械连续开采技术研究体系示意
机械连续采矿技术在非煤矿山的应用整体上处于起步阶段，仍面临诸多的挑战，包括：①硬岩机械破岩技术及装备发展不足；②岩体差异性大，可切割性评估与快速测试发展不足；③机械采矿理论、方法与工艺技术薄弱；④现有装备适应性差，非煤矿山专用机械采掘装备研发不足；⑤非煤矿山机械采掘安全风险与防控技术有待加强。
针对非煤矿山矿体条件变化大、差异性强的特点，结合矿山工程实践，未来将围绕岩体条件与工程匹配性、机械掘进安全高效施工关键技术、机械采矿方法与工艺等方面需求，按照“工艺需求—技术突破—装备研发—工程应用”四个层次确定研究思路，从破岩理论、关键技术、成套装备、采矿方法与成套工艺等多个方面开展技术研究，技术思路如图11所示。
🔺图11非煤矿山机械连续采矿技术发展趋势
本文对非煤矿山机械连续采矿技术的研究现状与发展趋势进行了综合分析，介绍了当前机械采矿技术装备在非煤矿山研究与应用情况，分析了非煤矿山机械采矿面临的技术挑战与研究方向。机械连续采矿技术以连续开采、高度机械化、非爆破作业、低扰安全等技术特点，在现有机械破岩技术与装备条件下，其研究应用在非煤矿山已展现出广泛的技术需求和巨大的发展潜力，成为当前非煤矿山采矿技术装备研究的重点方向和发展趋势。
