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(1) 以机械破岩、水射流破岩及辅助破岩技术为主线，以不同普氏系数煤岩破碎为辅线，结合采掘装备所用刀具和截割机构对国内外煤岩破碎的方法进行阐述，指出各种煤岩破碎方法的优势及其局限性。
(2) 从矿山煤岩破碎方法、矿山煤岩截割机构及矿山煤岩采掘装备的角度，探讨了矿山煤岩破碎方法及装备的未来发展趋势，并给出提高巷道掘进效率的方法和建议。
(3) 提出液力或者机械涨裂辅助破岩是目前应对硬岩较为有效的方法，结合智能算法实现钻孔、涨裂、截割的协同作业，是我国矿山复杂地质条件下硬岩高效截割未来发展的一种趋势。
作者：刘送永1，2，李洪盛1，2，江红祥1，2，张 强3，崔玉明4，刘晓辉5
单位：1.中国矿业大学 机电工程学院;2.中国矿业大学 江苏省矿山智能采掘装备协同创新中心(省部共建);3.山东科技大学 机械电子工程学院;4.江苏师范大学 机电工程学院;5.长安大学 工程机械学院
在煤炭开采过程中，最基本也是必须解决的题，便是如何从矿体中破碎出煤岩块，进而对破碎形成的空间进行支护，以保证该空间的稳定。煤岩的破碎与支护在时间上的交替顺序和空间上的布局，形成了煤炭的开采工艺和设备配套技术。破碎煤岩和维护煤岩体稳定性这一根本矛盾的不断演化和解决方法的变革，推动着整个煤炭行业开采技术的进步。因此，研究安全、高效的煤岩破碎理论和方法是采矿工程学科的根本任务之一。随着各类岩石破碎机械在矿山开采、隧道掘进、油气井钻进等实际工程中的广泛应用，对岩石破碎理论和技术提出了更高的要求和新的挑战。截至目前，依然有很多综采综掘工作面采用放炮工艺，如复杂煤层(夹矸、硬包裹体、小断层等)开采和硬岩巷道的掘进，究其原因是对煤岩破碎机理研究投入不够和对新型煤岩破碎方法的了解较少。
基于此，笔者以机械破岩技术、水射流破岩技术及辅助破岩技术为主线，以破碎不同坚固性系数煤岩(煤 f<4、半煤岩 4<f<8、硬岩 8<f<10 及高硬岩 f> 12) 为辅线，结合采掘装备所用刀具和截割机构对国内外煤岩破碎的方法进行总结和新方法进行探索，指出各种煤岩破碎方法的优势、劣势及其局限性，探讨我国矿山煤岩破碎技术的现状和未来发展趋势。
针对采掘装备在煤巷、岩巷工作中截割机构磨损严重、作业效率低等问题，开展了矿山煤岩破碎方法的分析、总结和探索研究。根据煤岩普氏系数将煤岩类型分为煤、半煤岩、硬岩及高硬岩，并针对目前采掘装备在煤巷和半煤岩巷中存在的问题，阐述目前铣削破岩、冲击破岩、滚压破岩及 滚拉破岩等机械破岩技术与纯水射流、脉冲射流、空化射流及磨料射流等水射流破岩技术的工作原 理及前沿研究现状。
首先，针对煤炭开采中因夹矸、硬包裹体煤层硬度大导致采煤机截割机构磨损严重、机械化开采效率低的问题，进行了截齿破碎煤岩机理及性能、截齿磨损机理、滚筒结构创新设计等方面的阐述，指出目前煤层及夹矸煤层应突破煤岩破碎与高效截割机构设计等新技术，以解决 煤层安全高效开采的难题;针对半煤岩巷进行了截齿与煤岩互作用力学模型、截齿自旋转减磨截割 机理、截割机构截齿布置理论及最优化设计方法等方面的概述，结合半煤岩巷作业效率低、机械刀具磨损严重等问题，从理论、数值模拟和实验等方面分析了各种水射流冲击破岩方法工作原理及研究现状，并指出为提高复杂多变地质条件下半煤岩巷掘进装备的掘进效率，应根据截割工况设计截割机构刀具排列方式，并采用自适应技术规划掘进工作参数、掘进工艺，提高掘进装备系统可靠性、智能化及综掘工艺水平以实现半煤岩巷快速掘进;针对硬岩巷从理论、实验和数值模拟方面进行了滚刀/圆盘刀破岩机理、破岩性能、刀盘设计准则等方面的综述，进行了水射流辅助截齿/钻孔/滚刀/圆 盘刀破岩及涨裂辅助破岩技术的总结，提出了液力或者机械涨裂辅助破岩是目前应对硬岩有效的方法，充分利用岩石抗压不抗拉特点实现硬岩的高效经济破碎，结合智能化算法实现钻孔与涨裂的协同作业，实现硬岩巷道的高效掘进。
最后，分析了现有破岩技术的优势、劣势及其局限性，并指出了我国 矿山硬岩截割技术的未来发展趋势，煤矿机械、非煤矿业机械、盾构机械破岩技术相互融合，机械与非机械多场耦合破岩技术及矿山装备智能化是实现矿山复杂地质条件下煤岩高效破碎的发展方向。
图 １ 采掘机械工作机构
图 ２ 旋转与直线截割破岩一致性理论模型
图 ３ 截齿截齿载荷分布特征
图 ４ 岩石裂纹扩展机理
图 ５ 不同截齿排列采煤机滚筒
图 ６ 掘进机截割机构优化及钻孔辅助破岩机理
图 ７ 冲击破岩机构及工作原理
图 ８ 钻头破岩损伤机理
图 ９ 钻头-岩石非线性动力学特性
图 10 最优组合参数分析
图 11 阶梯型ＴＢＭ滚刀破岩实验
图 12 滚刀挤压破岩动态损伤
图 13 反井钻机镶齿滚刀破岩机理
图 14 ＴＢＭ刀盘刀具布置
图 15 ＴＢＭ 滚刀和圆盘刀破岩及圆盘刀振荡破岩原理
刘送永，男，中国矿业大学机电工程学院教授/博导。获全国煤炭青年科技奖、江苏省杰青、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“科技副总”特聘专家、江苏省“博士聚集计划”企业创新博士、首届徐州市专利优秀发明人奖等荣誉及人才称号。兼任《煤炭学报》青年编委、《矿业研究与开发》常务理事、煤炭行业煤矿专用设备标准化技术委员会采煤机械分会委员等。
研究方向
矿体高效破碎机理与技术、矿山智能化采掘技术与装备
主要成果
曾主持和参与国家重点研发计划课题、国家863计划课题、国家自然科学基金项目、江苏省杰出青年基金项目、中国博士后科学基金特别资助项目、江苏省自然基金面上项目以及企业委托项目20余项，针对矿山不同硬度的煤岩，开展了多种破碎方法和智能截割方面的研究，结合国家课题，与企业共同研发了极薄煤层钻式采煤机、薄煤层半煤岩水射流辅助掘进机、硬岩钻涨剥岩机等，开发了采煤机滚筒设计软件，出版学术专著2部，发表International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences、Rock Mechanics and Rock Engineering、Tunnelling and Underground Space Technology、Energy、Powder Technology、IEEE Transactions on Industrial Informatics、IEEE/ASME Transaction on Mechatronics、Mechanism and Machine Theory、Fuzzy Sets and System、Neurocomputing、机械工程学报、煤炭学报、中南大学学报等行业高水平期刊论文40余篇，授权国内外发明专利60余件。
来源：
刘送永，李洪盛，江红祥，等.矿山煤岩破碎方法的研究进展及展望[J].煤炭学报，2023，48(2):1047-1069.
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