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技術文章
劈石機炮孔刻槽劈裂石材的研究

  劈石機炮孔刻槽劈裂石材

石材礦山為石材加工廠提供生產原料即稱荒料。隨著石材加工設備的不斷更新換代,對石材礦山產品—荒料也提出了更嚴格的要求。要求荒料有形狀、有塊度、有尺寸,而且要求荒料色澤一致、無裂紋、無內傷、無色線、無色斑、無色膽(尤其出口荒料)。這些,對于有條件的石材礦山,還是可以做到。近幾年我國石材礦山開采技術水平和機械化裝備都在不斷提高,不少礦山引進了國外先進的石材開采設備,對提高礦山荒料生產率、提高荒料質量、降低生產成本等發揮了作用。但是,這些正規化生產的礦山為數不多,其年產荒料總量遠遠不能滿足石材加工廠的需求。絕大部分荒料要靠鄉鎮企業的石材礦山供給。這些礦山由于客觀條件所限,采用先進的開采設備在技術上、資金上還有困難,所以,它們需要的是些投資者,是簡單易行見效快的輕便設備和開采方法。目前,適合中、小型石材礦山的開采方法很多,其中要算炮孔刻槽劈裂法為好。其破巖機理如下:

1.炮孔刻槽劈裂巖石機理

  筆者在云南屏邊考察石材礦山時,當地民工采用手捶打炮孔、放炮破裂巖石。但是,他們總是在炮孔鑿好后,用像棱標樣的雙刃刀在炮孔壁上用力來回劃幾下,在炮孔壁上留下對稱的兩條模糊線條。我們當即問他們這起什么作用,他們說:這樣做巖石破裂效果好,不這樣做巖石容易炸壞。就像我們裁玻璃,用金剛石刀在玻璃上劃條線,其姍裂效果與不劃條線完全不一樣,由此看來炮孔刻槽劈裂巖石早在民間就已被采用,其作用機理現在可用巖石斷裂力學來解釋。

  巖石斷裂力學理論指出:當巖石內部存在裂紋時,在外界應力的作用下,裂紋尖端將發生應力集中效應。裂紋尖端的應力強度以強度因子K,表示:


  在K1時,裂紋尖端產生內應力ay。當外加應力σ增大,K1也隨之增大,σy也增大。當σy增大到足以使巖石分離,從而導致裂紋失穩時,則裂紋擴展,巖石出現斷裂,此時應力強度因子,稱為臨界應力強度因子,用Klc表示,它又稱為斷裂韌性。


 
  由上述概念得知,巖石預裂成縫的必要條件是:首先,巖石炮孔壁上必須存在裂紋(天然的或后產出的),然后孔內必須要有適當的壓力分離巖體。如果K1>Klc,裂紋將會擴展,Kl>>Klc,則裂紋擴展迅速,如果壓力得不到補充,Kl的值隨裂紋擴展成縫而減小。只要炮孔間的裂紋能互相貫通起來成縫,破裂巖石就達到了目的。

  我國自古以來就使用石材,有很多土辦法開采石材。如用手捶、綱塹、鋼楔、打眼劈裂分割巖石,就是運用斷裂力學道理。因此,斷裂成縫的主張者認為,在炮孔壁上刻槽是預裂巖石有效手段,提出了炮孔刻槽預裂巖石的方法。

  刻槽劈裂法就是在炮孔壁上刻二條對稱的V形槽線(初始導向裂紋),此時只有孔壁外來壓力的大小起著控制作用。壓力太高不但不能控制刻槽裂紋的擴張方向,而且還會沿孔壁上的天然裂隙或裂紋擴展,致巖石碎裂。當孔壁壓力太低時,裂縫也不能沿槽線徑向生成。因此炮孔內必須達到一定壓力時,才能生成裂縫并控制裂縫的擴展方向,此時壓力就是臨界應力強度因子Klc,可用公式(1一2)求得。

  這種臨界壓力來源可以是機械力(捶擊力和液壓力),靜態力(靜爆脹裂劑)和爆炸力(導爆索和改性炸藥)三種,筆者試用爆炸力代替其它外界力在炮孔內部劈裂石材,收到較好效果。

2.刻槽劈裂巖石的刻槽方法:

  刻槽劈裂巖石在生產實踐中證明行之有效。而且用巖石斷裂力學理論得到科學解釋。

  在刻槽炮孔內劈裂巖石的方法是很多的??梢詸C械劈裂(復合楔子和液壓劈石機);可以靜態劈裂(脹裂劑);可以爆力劈裂(導爆索和改性炸藥卷)等等。但筆者認為當炮孔壁刻槽后,在炮孔內置人一對劈裂塊,用爆力在炮孔內部作功劈裂巖石效果很好,使用液壓劈石機劈裂效果也很好。

  爆力劈裂法:劈裂塊為半個圓柱體形,兩塊合并就成圓柱體形。用鐵質制作可以反復使用,也可用心0一40mm的毛竹一劈兩個半塊使用。對于可劈性好的巖石,只需在劈裂塊中夾根導爆索就行。對于可劈性差的巖石,可在導爆索上捆扎細形改性藥卷也能順利劈開巖石。

3.炮孔刻槽爆力劈裂巖石的受力分析

  炮孔劈刻有以稱V形槽后,在炮孔內置入兩個劈裂塊(鐵質或毛竹都行)兩個劈塊中間夾根導爆索,劈裂塊在炮孔中置入位置如圖3所示。

 

  當劈裂塊中導爆索爆炸一瞬間,爆生高壓氣體在劈裂塊的夾制下,產生高速射流穿擊V形槽似如氣楔,同時劈裂塊在爆能作用下脹裂炮孔似如劈裂,爆生高壓氣體產生氣楔和劈裂作用必集中于V形槽尖端,產生應力集中效應,使V形槽尖端處開始失穩,并向徑向擴展出現斷裂。由于劈裂塊是半圓柱體,與炮孔壁接觸面積大,所以不但能擋護炮孔壁上的天然裂紋免遭爆生氣體侵害,而且使炮孔壁上下受力均勻,受力方向一致,這對破裂巖石而又不傷巖石十分有利。(如圖中箭頭所示)。

  炮孔內劈裂塊在爆力推動下壓向孔壁,當這種均布壓力同時作用,使炮孔間中心聯線方向產生的拉應力超過巖石抗拉強度后,巖石出現斷裂。斷裂面將沿著V形槽尖端開始向徑向擴展成縫。巖石斷裂面的平整質量與很多因素有關:地質條件(巖石層理、節理、裂隙情況);爆破參數(炮孔孔距、孔深、炸藥量);施工條件(設備、技術、管理)等等。但是,在相同的條件下,炮孔內刻槽與劈裂塊配合使用可產、生特殊的效能??滩勰芸刂茙r石斷裂方向,劈裂塊可搜集爆能脹裂炮孔,同時產生高速射流穿擊槽穴。這樣可盡量少用炸藥,不致損傷巖石而又達到預裂巖石的目的。

4.結論

  4.1炮孔壁上刻V形槽(初始裂紋),能有效地控制巖石斷裂方向。由于刻槽長度、方向和深度都遠大于天然裂隙或裂紋,加上劈裂塊在炮孔內阻擋、夾制作用,所以,爆生高壓氣體產生氣楔和劈裂作用集中于刻槽尖端,使初始裂紋向徑向擴展。如果刻槽質量好,即較深、較直、較長、較尖,則裂紋成縫速度會更快、更好、更平整??杀M量少用炸藥和不用炸藥也能使巖石斷裂面從槽尖聯線上斷裂開采。

  4.2劈裂塊是置入炮孔內借爆能作功劈裂巖石。不但節省能量,而且孔壁上下受力均勻。劈裂塊外圓與孔壁內圓同弧,劈裂塊與炮孔壁接觸面大,壓強均勻。劈裂塊在炮孔內脹裂炮孔,產生的是上下平行均勻推力,這種推力方向是垂直于巖石斷裂方向,有利于巖石按預想之處裂開。

  4.3巖石抗拉強度比較小,一般均在50kg/cm左右,加上刻槽機劈裂塊的特殊作用,所以在爆破巖石時,只依靠導爆索的爆能就可分裂巖石,若巖石可劈性差,也只需加入少量改性炸藥,可以達到既把巖石裂開又不會損傷巖石的目的。

 

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