• "应力集中控制爆破"开采石材
  • 2013-04-12

     

    研究的理论依据:

    根据格坦克菲斯的断裂力学理论,当材料受拉时其裂纹处于张开状态,其裂纹尖端的应力强度因子K1与裂纹长度a1/2成正比,与裂纹尖端的半径r1/2成反比,裂纹尖端处呈现应力集中。如果将这种理论应用于石材开采之中,一定会产生神奇的效果。问题是如何将这种设想变成活生生的现实。

    具体的实施方法:

    岩石呈脆性,用机械钻孔凿岩早已是非常成熟的技术,因此选择用机械在岩孔中预制裂纹也是最可靠的方法。

    笔者根据天然石材其抗拉强度具有100:2~10的差异,呈脆性的特点,利用凿岩机在岩孔中刻出带有对称槽的孔眼,孔槽平行。钻孔有多深,沿孔壁的槽就有多深。钻孔刻槽分两步完成,即先钻孔后刻槽,更换槽杆与换钻杆一样方便。而刻槽时间仅为钻孔时间的1/20~1/15,非常快捷。即不会产生螺旋槽,也不会出现卡刀现象,而且槽刀使用寿命长。刻槽后会造成岩孔槽口处应力集中,使岩石处于预断裂的最佳受拉状态,然后在槽孔内放少许的特制低爆压气体炸药作为岩石开裂的外力,起爆后的瞬时间,岩石沿槽口方向裂开,声音极小。每孔间距现行密集排孔间距的三倍以上。断裂面既大而平整,岩石没有任何内伤。对爆破距离没有要求,不产生飞石,更不受气温的影响。这项研究是由简便易行的岩孔刻槽技术和安全廉价的低爆压气体炸药两部分组成。所谓简便易行是不将凿岩机作任何改动,钻孔完毕后即可换刻槽工具马上刻槽,刻槽深度可达6米以上;所谓安全廉价是铁锤砸也带来任何危险,燃着的香烟头也很难点燃,而且成本还不及石材专用爆裂管成本的一半。

    槽口深度及夹角的确定:

    槽口深度不可能无限制的深。那么槽口究竟多深才比较合理?槽口夹角多少为宜呢?断裂力学中关于孔内刻槽受力状况作出了回答。随着外加应力δ增加,槽口深度达到圆孔直径值的1/6~1/5时,裂纹尖端产生的内应力δr也接近于最大值。槽口深度增加值再大,内应力δr值已没有多大的增长。关键是槽口尖端处γ值要小。笔者在孔径为40mm时,槽口深度定为8mm;孔径36mm时,槽口深度定为7mm;孔径32mm时,槽口深度定为6mm等。槽口夹角当然是愈小愈好,但还是要以保证刀具的尖锐性及长期冲击不会损坏为前题。经过反复摸索,60°是槽刀处于稳定状况的最佳选择。

    对槽孔爆破机理的认识:

    从八十年代后期以来,国内陆陆续续有许多人都钟情于岩石孔内机械刻槽的研究,但在研究过程中,因碰到诸如卡刀、刀具损坏、槽刀夹角太钝而无法尖锐、螺旋槽等技术难点,又苦于长期找不出解决的办法,所以耽搁了在刻槽完全成功以后对槽孔爆破机理作深一步的研究。因此在有些技术难点还没攻克,爆破机理还没弄清楚的情况下,就急不可奈的以各种方式向矿山人们大肆兜售技术的必然结果是:人们从此对真正成熟的技术也不敢相信了。使这项极具生命力的技术蒙上了不应有的阴影。

    在笔者发明的刻槽工具完全进入适用化以后,对槽孔爆破机理的形容也自然要有深层次的认识。

    槽孔爆破机理的认识是需要长期实践的积累。在经历多次失败的痛苦和尴尬之后,笔者反复推敲,细心琢磨对槽孔爆破机理有了最终的认识。这种认识是:

    1、槽口撕裂需要一定的时间。不同岩性的岩石撕裂时间是不相同的,大理石撕裂时间大于花岗石。

    2、爆炸应力波传播速度一定不要超过岩石的断裂速度。超过断裂速度,岩石必须受到损伤。

    3、断面形式的过程也是内聚能量释放的过程。为充分利用释放的能量,以点带面,分段装药,延长着力时间。

    有人将导爆索放入刻槽的排孔中,当然其孔距比常规方法宽。起爆后,岩石根本不开裂。这是因为导爆索爆轰波速度太快,爆力作用时间短,槽口尖端根本来不及裂开。

    5、技术的成功应用

    笔者在大理石矿山生产中,使用槽孔进行两面爆破,孔间距都在1米以上。断面都非常平整。

    孔距之所以比常规方法的宽那是因为岩石能按槽口方向同时开裂,再加上爆炸气体持续时间长,有气楔作用。

    常规的方法分解大块石料需钻凿许多的孔,而采用刻槽爆破法,一般情况下只用一个槽孔完成。其断面平整度比其它密集排孔分解方法要好许多。用低爆压气体炸药时,每平方米用量不超过15克。

    笔者曾作过用两种方法分解荒料的对比,灌的都是膨胀剂。一种是圆孔,另一种是槽孔,后者是孔距是前者的两倍。同时灌膨胀剂,后者的剂量是前者的一半,结果后者先行裂开,而且断面平整度更好一些。造成这一现象的原因是圆孔周边的载荷是均匀分布的,需要很长的时间,极大的力量才能使孔间连线贯通,所以孔距不可能放得很开。而槽孔则不然,槽口处应力集中,只需较短的时间,不大的力,槽口处自然先行开裂。因此开裂时间更快,孔距可以稍宽一些。当然也不可能象使用了低爆压气体炸药的间距那么宽。这是因为膨胀剂的膨胀力释放太慢,既不能产生气气楔作用,又不能利用断裂过程中新断面释放的能量。

    此爆破方法不但对大理石开采有效,对花岗石开采同样有效,不同之处是:花岗石上的孔距可以放得更宽一些。

    刻槽爆破堵塞质量是很关键的,为加快作业时间,可以预制炮泥。

    应力集中控制爆破的特点是:减少钻孔工作量,大幅度降低开采成本,而且还能确保荒料质量。不足之片是:槽孔爆破必须堵塞,不同孔径钻孔需配相应的刻槽工具,药不能受潮。各种大理石爆破对比效果见下表。

    大理石开采爆破方法对比表

     

    栏别-爆破法

    孔间距

    两面切割

    荒料质量

    药剂性质

    堵孔

    采矿成本

    黑火药爆破法

    (15~25)D
    D:孔径

    难掌握

    稍有损伤
    (雷管起爆)

    不安全怕潮

    需堵塞

    金属燃烧剂

    10D

    可行

    要避火

    需堵塞

    膨胀剂

    (7~11)D

    不行

    速度慢,受气温影响

    自身即堵塞

    导爆索及小药卷

    0.2~0.4m

    可行

    损伤

    安全、小药卷浸蜡不怕潮

    不需

    黄石(岩石)炸药

    水平0.15~0.2m
    垂直0.2~0.5m

    可行

    损伤

    安全怕潮

    需堵塞

    聚能爆破法

    0.38~0.43m

    可行

    损伤

    安全不怕潮

    不需

    应力集中
    控制

    1~2m

    可行

    安全怕潮

    需堵塞

     

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