高地应力硬岩卸荷与多截齿破岩研究现状分析

高地应力硬岩掘进一直以来都是影响深部开采的首要难题，为了实现高地应力硬岩非爆式高效率掘进，国内外专家学者进行了大量深入的研究，其研究的切入点主要包括以下5个方面内容：一是针对岩石诱导卸荷理论研究；二是岩石卸荷与截割破裂评价理论研究；三是岩石辅助截割机理研究；四是岩石松动圈边界识别与测试；五是辅助卸荷与截割优化布局理论研究。

（1）岩石卸荷理论研究

岩石卸荷是降低岩石强度的有效手段和方法。周小平［1］提出卸荷破坏裂纹张开导致无摩擦滑动和变形模量减少规律；刘红岗［2］对钻孔卸压减小巷道变形与破坏的机理和效果分析，得出合理布局卸荷孔能改善围岩应力环境，实现对岩石变形和破坏的控制；卢文波［3］通过岩体开挖载荷释放过程力学分析及卸荷持续时间的计算，提出开挖岩石瞬态卸荷模型；林柏泉［4］考虑钻孔后孔周产生应力集中问题，提出增大缝槽深度消除割缝钻孔卸压模型；谢林茂［5］找到含孔岩石试件发生破裂最大主应力方向；何满潮、谢和平、彭苏萍等［6－7］对深部开采岩体概念体系及工程评价指标、力学性能进行研究；郑永来等［8］利用压杆技术研究各种岩石材料的动力特性与破坏模式；冯夏庭［9］提出高地应力下稳定性综合集成智能分析及动态设计优化新思路，实现硬岩掘进支护等全局优化方面预报和自适应调控；陈景涛［10］提出了高地应力下硬岩三剪强度准则，得到了基于岩石试样和岩体的本构模型参数；E.Ebethardt［11］、W.D.Ortlepp［12］对深部岩石开采裂纹扩展过程进行研究，得到裂纹萌生与扩展的阈值；鞠杨等［13］发现能量耗散与节理面的粗糙度关系；桂乐乐、周宏伟、夏昌敬等［14］得到相同的冲击速度下岩石耗散能量随着岩石孔隙率增加而增加的规律；高文学等［15］构造了能反映岩石冲击压缩、拉伸损伤的理论模型；Saroglou等［16］得到各向异性岩体修正后霍克－布朗（Hoek－Brown）改进失效准则；Martino等［17］在地下实验室得到基坑的损伤机理；Renshaw［18］得到脆性材料压缩破坏力学行为；N.Barton［19］得到岩石节理与抗剪强度的关系模型；靖文青［20］对深埋1000m条件下煤岩的最佳钻孔直径与钻孔间距进行了优化，提出最佳卸荷参数模型。

（2）岩石破裂测试及截割载荷谱研究

通过大量的破岩理论与岩石损伤理论研究，国内外专家学者采用岩石破裂试验进行进一步的实际研究。刘招伟［21］采用数字散斑相关量测方法（DSCM）和数字照相量测软件系统PhotoInfor对含孔洞岩石单轴压缩下变形破裂规律进行研究；赵伏军等［22］将声发射系统应用于岩石破碎过程，建立了岩石破碎时释放的声发累计能量模型；C.E.Renshaw［23］采用CT扫描仪对三轴灰岩脆－韧性转变机理研究；尹土兵、李夕兵、叶洲元等［24］研究不同种波加载于岩石的能量耗散差异，建立了损伤分形和破碎块度之间关系式；杨圣奇［25］利用岩石全自动流变伺服仪对饱和状态下坚硬大理岩和绿片岩进行了三轴压缩流变试验，得到硬岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律；张黎明［26］得出高围压下Mogi－Coulomb强度准则和抛物线型强度准则；何素梅等［27］研究回转机构水平和垂直回转运动对截割头进给力影响；李晓豁等［28］建立了纵轴式掘进机截割头载荷的数学模型；吴淼等［29］对载荷信号进行了时域统计、功率谱分析与幅值域统计得到工作载荷谱；刘春生等［30］利用功率谱法定性地分析截割状态的混沌特征，给出了截割阻力序列混沌分形维数与能耗和盒维数码尺的关系；美国学者M.Cigla和L.Ozdemir［31］给出了提高机械开采生产率的计算机建模方法；波兰学者M.Dolipski、Jaszczuk等［32］建立了掘进机切削的数学模型；美国学者Hou－Lun Warren Shen等［33，34］对煤的截割、破碎特性和截割煤岩粒度尺寸分布规律进行了研究，得出煤破碎特性与截齿截割参数之间的关系；波兰学者D.Mazurkiewicz［35］研究煤岩失效形式、工作机构对破碎效果的影响，建立了截齿间距、切削厚度、截割机构形式的神经网络模型。

（3）机械式掘进破岩理论及辅助方法研究(www.xing528.com)

破岩理论研究是实现高地应力硬岩高效率掘进的基础。苏联学者А.И.别隆［36］和Е.З.保晋等［37］提出了“密实核”模型；英国学者Evans［38］提出以最大拉应力破坏为前提的力学模型；日本学者西松［39］提出的西松模型以及中国学者牛东民［40］的断裂力学破煤理论；K.G．Hurt等［41］分析硬岩截齿的截割效率和寿命；美国学者L.Ozdemir［42］等讨论硬岩开采机械采掘技术；澳大利亚学者B.Tiryaki和A.Cagatay Dikmen［43］建立截割比能耗与煤岩抗压强度关系模型；土耳其学者N.Gunes Yihmaz等［44］得出煤岩剪切强度、切削厚度、截齿宽度、煤岩崩落角、煤岩抗压强度之间的关系；王岩［45］建立完整岩体和节理岩体中滚刀破岩模型；刘少虹［46］基于波动力学理论研究动静加载下组合煤岩的应力波传播机制与能量耗散过程；梁正召［47］提出刀具破岩受力模型、动态加载与三维模拟等面临的挑战问题；廖志毅［48］基于细观损伤有限元法得到刀头的侵入模型；徐依吉等［49］建立球形钢粒冲击岩石的计算模型，对破岩过程和破岩机理进行分析；易先中等［50］建立了激光破岩温度场分析的热物理模型；李海波、赵坚等［51］得到单轴动载荷作用情况下岩样破坏模式；卢义玉等［52］建立水射流不同夹角冲击岩石数学模型，得出了水射流破碎岩石机理；常德玉、李根生等［53］得出了射流最大冲击压力与速度的关系；穆朝民、戎立帆等［54］得到磨料射流冲击岩石损伤场演化机理；赵建康、俄罗斯勘探技术研究所学者等［55］研制TMBK型热力－机械钻头，找到热量对岩石加温应力区和相变区规律。

（4）岩石松动圈边界识别与测试

针对岩石松动圈的边界进行测试和有效识别，国内外的专家学者采取了多种方法和手段。杨旭旭等［56］对不同工程背景下的松动圈的理论及物理测试方法进行了深入分析和研究；宋宏伟、王闯等［57］提出了一种基于地质雷达检测的围岩松动圈测试方法；伍永平等［58］通过分析地质雷达波形图，得到围岩松动圈的范围；蒋邦友［59］分析了影响松动圈大小的多种因素，采用探地雷达对松动圈范围进行了测试，并通过测试结果实现了对巷道支护方案的优化；李化敏、王敏等［60－61］采用超声波测试方法实现对围岩松动圈的检测；曹平、吴涛等［62－63］通过单孔超声波测试试验实现对巷道松动圈范围的快速准确检测；张海磊等［64］采用声波仪对围岩松动圈进行现场测试，分析得到沿孔深方向的波速变化曲线及巷道围岩松动圈范围截面图；王永等［65］将超声波实际测试与计算机模拟分析相结合，得到围岩合理的松动圈范围，为优化锚杆支护参数提供了依据；王胜［66］提出了一种通过钻孔摄像技术测量围岩松动圈大小的方法；靖洪文、李元海等［67］将全景钻孔数字摄像技术、数字图像处理与分析方法相结合，研制出一种用于检测围岩松动圈的全景数字钻孔摄像测试系统；赵新［68］将钻孔窥视仪与非金属超声探伤两种方法进行有机结合，实现对动压巷道松动圈范围的精确测试；宁刚、韩永琦、李来喜等［69－70］采用地震折射层析方法测试出精细的松动圈范围和起伏变化；王桦等［71］研究了一种基于高密度电阻率法的全新松动圈测试技术，得到了围岩在弹性与塑性变形状态下的导电性规律。

（5）掘进结构优化及协调布局理论研究

掘进机是硬岩掘进中的主要动力装置，一些专家学者致力于掘进机结构参数化的研究。梁超［72］以岩石破碎理论和等截深理论为基础，建立截割头导程λ和分布角θ以及转速、截深之间的合理关系公式；杨丽［73］等提出了一种轴向等间距和周向等角度的截齿排列方法；童小冬等［74］针对掘进机的截齿空间运动方程提出一种新的建模方法；郝建生［75］提出了重型硬岩掘进机硬岩截割的关键技术问题；张鑫等［76］针对掘进机截割头载荷波动和能耗问题，对截齿排列参数和截割头运动参数进行了多目标优化设计；H.Copur，J.Rostami，L.Ozdemir和N.Bilgin［77－78］进行了基于采矿和隧道工程现场数据的预测模型研究；J.Rostami和L.Ozdemir［79］讨论了截割头设计的计算机建模以及机械开采的方式；霍军周［80］对MB264－310型掘进机刀盘布局特征进行了分析，并建立多学科数学优化模型；张崎等［81］通过矩量法、多目标优化算法和权重系数变化法，对天线优化布局问题进行量化分析。滕弘飞等［82］完成动态复杂工程系统设计建模；李鑫、王少萍［83］通过优化卡箍布局被动消振方式得到频域特征阻抗变化规律；朱启龙、陈少昌［84］提出一种基于多目标粒子群优化算法的天线优化布局方法；王平、郑松林等［85］采用多学科多目标优化方法，构建多性能约束条件下的多目标模型，并获得Pareto的最优化解集；李冬琴、王丽铮、孔令海等［86］引入分解和协调策略，构建了基于协调机制的多学科协同优化方法；张卫红等［87］采用结构与子系统布局协同优化，实现了组件子系统的布局和结构构型的协同优化；张兆民、王锦昌、郑颖人、刘佑荣等［88－92］针对岩石卸荷变形进行分析，得到有益的研究成果；张云鹏、宋力、邓博团、李晓豁、张强等［93－110］分析了截齿截割岩石过程的变化，为卸荷岩石高效截割提供理论条件。