1.1　研究背景及意义

高地应力硬岩掘进是实现深部矿山高效、连续开采的主要阻碍之一。近年来，随着我国浅层资源开采逐渐枯竭（图1.1），矿山深部资源开采问题日益凸显，造成了矿压加剧巷道变形破坏、支护维护困难、微扰动加剧岩爆灾害等问题，如2014年3月27日河南义煤集团千秋煤矿因发生岩爆灾害，致6人死亡。基于目前采矿技术水平，深部掘进问题将更加突出，一方面挖掘中岩石卸荷不可控制易于发生岩爆等动力灾害，另一方面岩石掘进中能耗高、掘进速率低、截割刀具损耗严重（图1.2）。因此，深入研究高地应力硬岩卸荷可控机理与多截齿协同破岩机理具有重要的理论和实践意义。

图1.1　矿山开采深度趋势图

图1.2　截齿磨损图

揭示高地应力硬岩人工诱导致裂与多截齿协同破岩机理，寻求岩石峰后力学实验与理论研究的新方法，是深部矿山开采亟须开展的基础性工作。围绕这个问题，近年来，国内外学者提出了基于刀具的多种破碎模型，如密实核理论、西松模型、断裂力学破煤理论等，在一定条件下解决了煤炭等强度较低介质的破碎问题，但对于岩石等介质，特别是处于高地应力状态下的岩石破碎问题却缺乏理论依据与技术支撑，一方面是由于研究者着重于开展岩石结构性能与破碎机理研究和侧重于截齿排列优化、比能耗研究，导致与岩石破碎、采矿工程、机械设计等不同学科领域技术脱节；另一方面是由于矿山掘进是一个复杂的系统，通过人工诱导卸荷与连续截割相结合实现硬岩非爆式开采的方法与理论虽初步形成（图1.3和图1.4），但岩石卸荷诱导理论、卸荷时空途径的控制规律、卸荷岩石截割能耗评价方法还未建立，卸荷边界条件与连续截割相互作用关系不清，岩石卸荷与连续截割的岩石破碎机理不明。为了系统研究高地应力硬岩破碎机理的关键难题，本文试图建立高地应力岩石钻孔卸荷与岩石应力状态改变的相互关系，分析多截齿不同组合方法对卸荷岩石的破碎规律，揭示钻孔诱导卸荷与多截齿协同破岩机理，为岩石工程快速掘进施工提供有效的手段和方法，实现岩石破碎工程的高效节能运行。

图1.3　围岩应力分布图

图1.4　岩石钻孔卸荷产生松动圈