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劈石机炮孔刻槽劈裂石材的研究

  劈石机炮孔刻槽劈裂石材

石材矿山为石材加工厂提供生产原料即称荒料。随着石材加工设备的不断更新换代,对石材矿山产品—荒料也提出了更严格的要求。要求荒料有形状、有块度、有尺寸,而且要求荒料色泽一致、无裂纹、无内伤、无色线、无色斑、无色胆(尤其出口荒料)。这些,对于有条件的石材矿山,还是可以做到。近几年我国石材矿山开采技术水平和机械化装备都在不断提高,不少矿山引进了国外先进的石材开采设备,对提高矿山荒料生产率、提高荒料质量、降低生产成本等发挥了作用。但是,这些正规化生产的矿山为数不多,其年产荒料总量远远不能满足石材加工厂的需求。绝大部分荒料要靠乡镇企业的石材矿山供给。这些矿山由于客观条件所限,采用先进的开采设备在技术上、资金上还有困难,所以,它们需要的是些投资者,是简单易行见效快的轻便设备和开采方法。目前,适合中、小型石材矿山的开采方法很多,其中要算炮孔刻槽劈裂法为好。其破岩机理如下:

1.炮孔刻槽劈裂岩石机理

  笔者在云南屏边考察石材矿山时,当地民工采用手捶打炮孔、放炮破裂岩石。但是,他们总是在炮孔凿好后,用像棱标样的双刃刀在炮孔壁上用力来回划几下,在炮孔壁上留下对称的两条模糊线条。我们当即问他们这起什么作用,他们说:这样做岩石破裂效果好,不这样做岩石容易炸坏。就像我们裁玻璃,用金刚石刀在玻璃上划条线,其姗裂效果与不划条线完全不一样,由此看来炮孔刻槽劈裂岩石早在民间就已被采用,其作用机理现在可用岩石断裂力学来解释。

  岩石断裂力学理论指出:当岩石内部存在裂纹时,在外界应力的作用下,裂纹尖端将发生应力集中效应。裂纹尖端的应力强度以强度因子K,表示:


  在K1时,裂纹尖端产生内应力ay。当外加应力σ增大,K1也随之增大,σy也增大。当σy增大到足以使岩石分离,从而导致裂纹失稳时,则裂纹扩展,岩石出现断裂,此时应力强度因子,称为临界应力强度因子,用Klc表示,它又称为断裂韧性。


 
  由上述概念得知,岩石预裂成缝的必要条件是:首先,岩石炮孔壁上必须存在裂纹(天然的或后产出的),然后孔内必须要有适当的压力分离岩体。如果K1>Klc,裂纹将会扩展,Kl>>Klc,则裂纹扩展迅速,如果压力得不到补充,Kl的值随裂纹扩展成缝而减小。只要炮孔间的裂纹能互相贯通起来成缝,破裂岩石就达到了目的。

  我国自古以来就使用石材,有很多土办法开采石材。如用手捶、纲堑、钢楔、打眼劈裂分割岩石,就是运用断裂力学道理。因此,断裂成缝的主张者认为,在炮孔壁上刻槽是预裂岩石有效手段,提出了炮孔刻槽预裂岩石的方法。

  刻槽劈裂法就是在炮孔壁上刻二条对称的V形槽线(初始导向裂纹),此时只有孔壁外来压力的大小起着控制作用。压力太高不但不能控制刻槽裂纹的扩张方向,而且还会沿孔壁上的天然裂隙或裂纹扩展,致岩石碎裂。当孔壁压力太低时,裂缝也不能沿槽线径向生成。因此炮孔内必须达到一定压力时,才能生成裂缝并控制裂缝的扩展方向,此时压力就是临界应力强度因子Klc,可用公式(1一2)求得。

  这种临界压力来源可以是机械力(捶击力和液压力),静态力(静爆胀裂剂)和爆炸力(导爆索和改性炸药)三种,笔者试用爆炸力代替其它外界力在炮孔内部劈裂石材,收到较好效果。

2.刻槽劈裂岩石的刻槽方法:

  刻槽劈裂岩石在生产实践中证明行之有效。而且用岩石断裂力学理论得到科学解释。

  在刻槽炮孔内劈裂岩石的方法是很多的。可以机械劈裂(复合楔子和液压劈石机);可以静态劈裂(胀裂剂);可以爆力劈裂(导爆索和改性炸药卷)等等。但笔者认为当炮孔壁刻槽后,在炮孔内置人一对劈裂块,用爆力在炮孔内部作功劈裂岩石效果很好,使用液压劈石机劈裂效果也很好。

  爆力劈裂法:劈裂块为半个圆柱体形,两块合并就成圆柱体形。用铁质制作可以反复使用,也可用心0一40mm的毛竹一劈两个半块使用。对于可劈性好的岩石,只需在劈裂块中夹根导爆索就行。对于可劈性差的岩石,可在导爆索上捆扎细形改性药卷也能顺利劈开岩石。

3.炮孔刻槽爆力劈裂岩石的受力分析

  炮孔劈刻有以称V形槽后,在炮孔内置入两个劈裂块(铁质或毛竹都行)两个劈块中间夹根导爆索,劈裂块在炮孔中置入位置如图3所示。

 

  当劈裂块中导爆索爆炸一瞬间,爆生高压气体在劈裂块的夹制下,产生高速射流穿击V形槽似如气楔,同时劈裂块在爆能作用下胀裂炮孔似如劈裂,爆生高压气体产生气楔和劈裂作用必集中于V形槽尖端,产生应力集中效应,使V形槽尖端处开始失稳,并向径向扩展出现断裂。由于劈裂块是半圆柱体,与炮孔壁接触面积大,所以不但能挡护炮孔壁上的天然裂纹免遭爆生气体侵害,而且使炮孔壁上下受力均匀,受力方向一致,这对破裂岩石而又不伤岩石十分有利。(如图中箭头所示)。

  炮孔内劈裂块在爆力推动下压向孔壁,当这种均布压力同时作用,使炮孔间中心联线方向产生的拉应力超过岩石抗拉强度后,岩石出现断裂。断裂面将沿着V形槽尖端开始向径向扩展成缝。岩石断裂面的平整质量与很多因素有关:地质条件(岩石层理、节理、裂隙情况);爆破参数(炮孔孔距、孔深、炸药量);施工条件(设备、技术、管理)等等。但是,在相同的条件下,炮孔内刻槽与劈裂块配合使用可产、生特殊的效能。刻槽能控制岩石断裂方向,劈裂块可搜集爆能胀裂炮孔,同时产生高速射流穿击槽穴。这样可尽量少用炸药,不致损伤岩石而又达到预裂岩石的目的。

4.结论

  4.1炮孔壁上刻V形槽(初始裂纹),能有效地控制岩石断裂方向。由于刻槽长度、方向和深度都远大于天然裂隙或裂纹,加上劈裂块在炮孔内阻挡、夹制作用,所以,爆生高压气体产生气楔和劈裂作用集中于刻槽尖端,使初始裂纹向径向扩展。如果刻槽质量好,即较深、较直、较长、较尖,则裂纹成缝速度会更快、更好、更平整。可尽量少用炸药和不用炸药也能使岩石断裂面从槽尖联线上断裂开采。

  4.2劈裂块是置入炮孔内借爆能作功劈裂岩石。不但节省能量,而且孔壁上下受力均匀。劈裂块外圆与孔壁内圆同弧,劈裂块与炮孔壁接触面大,压强均匀。劈裂块在炮孔内胀裂炮孔,产生的是上下平行均匀推力,这种推力方向是垂直于岩石断裂方向,有利于岩石按预想之处裂开。

  4.3岩石抗拉强度比较小,一般均在50kg/cm左右,加上刻槽机劈裂块的特殊作用,所以在爆破岩石时,只依靠导爆索的爆能就可分裂岩石,若岩石可劈性差,也只需加入少量改性炸药,可以达到既把岩石裂开又不会损伤岩石的目的。

 

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