劈石機(jī)炮孔刻槽劈裂石材
石材礦山為石材加工廠提供生產(chǎn)原料即稱荒料。隨著石材加工設(shè)備的不斷更新?lián)Q代,對(duì)石材礦山產(chǎn)品—荒料也提出了更嚴(yán)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(nèi)傷、無色線、無色斑、無色膽(尤其出口荒料)。這些,對(duì)于有條件的石材礦山,還是可以做到。近幾年我國(guó)石材礦山開采技術(shù)水平和機(jī)械化裝備都在不斷提高,不少礦山引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的石材開采設(shè)備,對(duì)提高礦山荒料生產(chǎn)率、提高荒料質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等發(fā)揮了作用。但是,這些正規(guī)化生產(chǎn)的礦山為數(shù)不多,其年產(chǎn)荒料總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足石材加工廠的需求。絕大部分荒料要靠鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的石材礦山供給。這些礦山由于客觀條件所限,采用先進(jìn)的開采設(shè)備在技術(shù)上、資金上還有困難,所以,它們需要的是些投資者,是簡(jiǎn)單易行見效快的輕便設(shè)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(jī)理如下:
1.炮孔刻槽劈裂巖石機(jī)理
筆者在云南屏邊考察石材礦山時(shí),當(dāng)?shù)孛窆げ捎檬执反蚺诳?、放炮破裂巖石。但是,他們總是在炮孔鑿好后,用像棱標(biāo)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(duì)稱的兩條模糊線條。我們當(dāng)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(jī)理現(xiàn)在可用巖石斷裂力學(xué)來解釋。
巖石斷裂力學(xué)理論指出:當(dāng)巖石內(nèi)部存在裂紋時(shí),在外界應(yīng)力的作用下,裂紋尖端將發(fā)生應(yīng)力集中效應(yīng)。裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度以強(qiáng)度因子K,表示:
在K1時(shí),裂紋尖端產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力ay。當(dāng)外加應(yīng)力σ增大,K1也隨之增大,σy也增大。當(dāng)σy增大到足以使巖石分離,從而導(dǎo)致裂紋失穩(wěn)時(shí),則裂紋擴(kuò)展,巖石出現(xiàn)斷裂,此時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子,稱為臨界應(yīng)力強(qiáng)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(yù)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(chǎn)出的),然后孔內(nèi)必須要有適當(dāng)?shù)膲毫Ψ蛛x巖體。如果K1>Klc,裂紋將會(huì)擴(kuò)展,Kl>>Klc,則裂紋擴(kuò)展迅速,如果壓力得不到補(bǔ)充,Kl的值隨裂紋擴(kuò)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(dá)到了目的。
我國(guó)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(yùn)用斷裂力學(xué)道理。因此,斷裂成縫的主張者認(rèn)為,在炮孔壁上刻槽是預(yù)裂巖石有效手段,提出了炮孔刻槽預(yù)裂巖石的方法。
刻槽劈裂法就是在炮孔壁上刻二條對(duì)稱的V形槽線(初始導(dǎo)向裂紋),此時(shí)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(kuò)張方向,而且還會(huì)沿孔壁上的天然裂隙或裂紋擴(kuò)展,致巖石碎裂。當(dāng)孔壁壓力太低時(shí),裂縫也不能沿槽線徑向生成。因此炮孔內(nèi)必須達(dá)到一定壓力時(shí),才能生成裂縫并控制裂縫的擴(kuò)展方向,此時(shí)壓力就是臨界應(yīng)力強(qiáng)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(jī)械力(捶擊力和液壓力),靜態(tài)力(靜爆脹裂劑)和爆炸力(導(dǎo)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(nèi)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(chǎn)實(shí)踐中證明行之有效。而且用巖石斷裂力學(xué)理論得到科學(xué)解釋。
在刻槽炮孔內(nèi)劈裂巖石的方法是很多的??梢詸C(jī)械劈裂(復(fù)合楔子和液壓劈石機(jī));可以靜態(tài)劈裂(脹裂劑);可以爆力劈裂(導(dǎo)爆索和改性炸藥卷)等等。但筆者認(rèn)為當(dāng)炮孔壁刻槽后,在炮孔內(nèi)置人一對(duì)劈裂塊,用爆力在炮孔內(nèi)部作功劈裂巖石效果很好,使用液壓劈石機(jī)劈裂效果也很好。
爆力劈裂法:劈裂塊為半個(gè)圓柱體形,兩塊合并就成圓柱體形。用鐵質(zhì)制作可以反復(fù)使用,也可用心0一40mm的毛竹一劈兩個(gè)半塊使用。對(duì)于可劈性好的巖石,只需在劈裂塊中夾根導(dǎo)爆索就行。對(duì)于可劈性差的巖石,可在導(dǎo)爆索上捆扎細(xì)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(nèi)置入兩個(gè)劈裂塊(鐵質(zhì)或毛竹都行)兩個(gè)劈塊中間夾根導(dǎo)爆索,劈裂塊在炮孔中置入位置如圖3所示。
當(dāng)劈裂塊中導(dǎo)爆索爆炸一瞬間,爆生高壓氣體在劈裂塊的夾制下,產(chǎn)生高速射流穿擊V形槽似如氣楔,同時(shí)劈裂塊在爆能作用下脹裂炮孔似如劈裂,爆生高壓氣體產(chǎn)生氣楔和劈裂作用必集中于V形槽尖端,產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng),使V形槽尖端處開始失穩(wěn),并向徑向擴(kuò)展出現(xiàn)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(hù)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(duì)破裂巖石而又不傷巖石十分有利。(如圖中箭頭所示)。
炮孔內(nèi)劈裂塊在爆力推動(dòng)下壓向孔壁,當(dāng)這種均布?jí)毫ν瑫r(shí)作用,使炮孔間中心聯(lián)線方向產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過巖石抗拉強(qiáng)度后,巖石出現(xiàn)斷裂。斷裂面將沿著V形槽尖端開始向徑向擴(kuò)展成縫。巖石斷裂面的平整質(zhì)量與很多因素有關(guān):地質(zhì)條件(巖石層理、節(jié)理、裂隙情況);爆破參數(shù)(炮孔孔距、孔深、炸藥量);施工條件(設(shè)備、技術(shù)、管理)等等。但是,在相同的條件下,炮孔內(nèi)刻槽與劈裂塊配合使用可產(chǎn)、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(shí)產(chǎn)生高速射流穿擊槽穴。這樣可盡量少用炸藥,不致?lián)p傷巖石而又達(dá)到預(yù)裂巖石的目的。
4.結(jié)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(zhǎng)度、方向和深度都遠(yuǎn)大于天然裂隙或裂紋,加上劈裂塊在炮孔內(nèi)阻擋、夾制作用,所以,爆生高壓氣體產(chǎn)生氣楔和劈裂作用集中于刻槽尖端,使初始裂紋向徑向擴(kuò)展。如果刻槽質(zhì)量好,即較深、較直、較長(zhǎng)、較尖,則裂紋成縫速度會(huì)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(lián)線上斷裂開采。
4.2劈裂塊是置入炮孔內(nèi)借爆能作功劈裂巖石。不但節(jié)省能量,而且孔壁上下受力均勻。劈裂塊外圓與孔壁內(nèi)圓同弧,劈裂塊與炮孔壁接觸面大,壓強(qiáng)均勻。劈裂塊在炮孔內(nèi)脹裂炮孔,產(chǎn)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(yù)想之處裂開。
4.3巖石抗拉強(qiáng)度比較小,一般均在50kg/cm左右,加上刻槽機(jī)劈裂塊的特殊作用,所以在爆破巖石時(shí),只依靠導(dǎo)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(dá)到既把巖石裂開又不會(huì)損傷巖石的目的。