岩石破碎方法的研究现状及展望

刘柏禄，潘建忠，谢世勇

（赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000）

0 引言

目前，我国用于破碎岩石的方法主要有爆破法和机械破岩法［1-2］，这两类方法应用最广，而其他破岩方法只是作为破岩的一种辅助手段。建立在机械钻孔、往孔内装入待爆炸药的常规爆破破岩方式以综合效率高在较长时期内占据着相当重要的地位，但该方法存在对原岩的扰动性大，易造成周边岩石破坏，存在支护困难，破碎岩石块度不均匀，它必须依靠钻孔、装药和爆破等多种工序操作，而且装药和爆破过程实现机械化和自动化难度较大。为了克服常规爆破破岩的缺点，机械破岩得到了快速发展，在采矿、选矿、石材加工、隧道掘进、石油钻进方面已得到了广泛应用。但机械破岩也有其局限性，因此出现了许多现代的非机具破岩方法［3］，如：超声波法、水射流法、射弹冲击法、水电效应法、火花放电法、等离子体法、电子束法（聚焦电子束、脉冲电子束、高能加速器）、激光法、红外线法、热熔法（电能、核能）、高频法、电热核法、微波法及化学破碎法等。下面着重对几种具有代表性的破岩方法进行分析比较。

1 机械破岩

机械破岩是指通过机械驱动直接接触岩石的刀具进行岩石破碎的技术［4］。依据破岩工具和破岩原理的不同，机械破岩方法大体可分为三类［2-4］：冲击破岩、切削破岩和冲击-切削破岩。

1.1 冲击破岩

冲击破岩包括金属及非金属矿山用凿岩机、潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机钻孔以及用碎石机破碎大块或岩体等。前者属于冲击钻孔，主要破岩工具是刃片或柱齿形硬质合金钻头。后者属于利用冲击破碎器破碎大块矿岩或人工构（建）筑物等［4-5］。此外，煤矿及软岩矿山用风镐破碎煤岩、金属矿或石料场，用颚式破碎机和圆锥破碎机加工矿物或石料也属于这个范畴。

20世纪60年代以来，英国、南非、美国等对冲击破碎［6-8］进行了大量可行性研究。稍后，英国于70年代研制了液压冲击式破碎机，主要用于煤矿，在抗压强度比较小的耐火黏土、泥岩、页岩、粉砂岩和砂岩中完成挑顶作业。试验表明，冲击破碎方法能进行选择性开采，由于破碎的岩块较大，作业效率较高。南非在20世纪70年代初，研制了一种有9个装在转子上的旋转臂的冲击破碎机，在窄金矿脉的长壁法工作面上进行开采作业，在严重破碎的采场，使生产能力有了很大的提高。

瑞典LKAB采矿公司与G.凿岩公司共同开发研制了一种以水为动力，名为Wassara的潜孔冲击机［9］，这种机具结合了重型液压凿岩机和风动潜孔冲击器的优点，可以达到很高的凿岩速度和钻进深孔，具有凿岩效率和能量利用率很高、炮孔的直度和大气环境的洁净得到改变等优点。该设备已用于地下采矿深孔凿岩之中。在瑞典北部LKAB公司所属的两座地下矿山钻进了2 000km，证实了这种水力冲击机的良好性能。澳大利亚SDS公司和美国已研制了一种以水或泥浆驱动的井下液动冲击器［10-11］，在深井钻进过程中显示了巨大的优越性。通过使用这种液动冲击器可提高钻凿坚硬以及特别坚硬岩层的机械钻速。使用直接循环的三牙轮钻头机械钻速为3～6m/h，而使用液动冲击器钻进速度可达到20m/h。

田取珍教授等［12］在分析采煤工作面的力学特征和强度特性、滚筒铣削破煤机理的基础上，充分利用煤岩抗压不抗拉这一力学特性，设计和研制了冲击式采煤机。这是一种新型的采煤技术，从它的产尘率来看，属于一项清洁开采技术，具有良好的应用前景。理论和实践证明冲击式采煤有3个显著的优点：采煤时的产尘率大幅度降低，为井下创造了良好的工作环境，保障了安全生产和工人的身体健康；提高了块煤率，提高了矿井经济效益；降低了能耗，研究表明，破碎颗粒越细所消耗的功能也越多，采用冲击式破煤由于煤块率的提高而具有明显的节能效果。

1.2 切削破岩

包括煤炭、石油、建材及建筑等行业用麻花钻头、刮刀钻头、金刚石钻头或人造金刚石聚晶复合片钻头（PDC）和螺旋钻具配合煤电钻及各种旋转钻机钻井，以及用截煤机、掘进机和圆盘锯机等切削破碎煤岩。前者属于旋转切削钻进，主要破岩工具是硬质合金或金刚石聚合片等做成的钻头。后者是利用带有刃口的刮刀切割破碎岩石。

南非于1970年开始研究利用线性刮刀切割机在硬岩窄矿脉内用长壁法进行线性切割试验［13-15］，此法可使回采宽度从1.25m减小到0.45m，顶板状况大大改善。主要技术问题是刀头损坏以及在硅质磨蚀性岩石中磨损严重。1983年，美国矿业局开始进行磨蚀性硬岩的切割研究，通过实验室研究发现：利用刮刀能够破碎抗压强度187MPa的白云岩，随切割宽度与切割深度比增大，破岩比能逐渐减小；当切割深度为切割宽度的2/3至1/2时，切割效率最高；切割力随切割深度增大而增大，但其增长相对缓慢。刮刀切割式采矿机的实际生产能力是：在抗压强度124MPa的石灰岩巷道（断面3m×3m）中，一个钻臂每班可采下385t岩石。美国矿业局与加拿大HDRR采矿公司合作研究，对切割刀头施加低频振动可使切割式采矿机扩展到极坚硬矿石的开采。在加拿大Suddery矿区单轴抗压强度特别高的镍矿中，切割深度50mm时采矿机的切割速度为150mm/min。

德国Wirtgen公司生产的连续式地表采矿机，是一种滚动式切割机，起初用于切割煤和软岩，现已用于切割各种中等硬度的矿岩。该机由履带或轮胎牵引和推进，切割滚筒位于车体中央下部，其上装有呈螺旋布置的切割刀头，由液压缸将旋转的滚筒挤压到岩石上进行作业，切割下来的岩块由滚筒带到上面，然后由输送带运往后部，再由卸料输送带卸到机外。这种采矿机近年来发展很快，已有系列产品，切割宽度由500mm至4 200mm不等，最大切割深度600mm，切割生产率最高可达1 500m3/h。滚筒的切割深度以及高度均可由液压缸调节，特别适合于间层薄矿层的选择性开采。

1.3 冲击-切削破岩

包括地质、采油、采矿、采石等部门用牙轮钻机钻井和全断面井巷钻机掘进，主要破岩工具是各种滑移型牙轮钻头和钻（掘）进机刀头。

这种方法是破碎坚硬矿岩的有效方法，按其外载类型和加载方式极似切削破岩，但在巨大轴向静压作用下的牙轮或滚刀沿孔底或井、巷工作面旋转时，其错位排列的硬质合金柱齿将似“自由下落的弹丸”一样依次轮流冲击岩石，即使是不装柱齿的盘形滚刀也会由于组成岩石的晶粒软硬不一而导致刀刃高低起伏和产生冲击载荷，正是这种冲击载荷将其列入冲击-切削破岩的范畴，也正是这种冲击载荷使这种破岩方式得以大幅度地提高破岩效率和扩大其在中硬以上岩石中的应用范围。

目前，以滚力碾压破碎岩石的平巷掘进机、天井钻机和竖井钻机已成为井巷掘进的常规设备；以相同破岩原理为基础的硬岩连续采矿机也有了相当大的进展16-17］。美国Robbins公司研制了移动式采矿机，这种采矿机靠履带行走，利用周边装有盘形滚刀的大直径刀盘径向切割破岩。刀盘安装在铰接于机器主梁且可绕垂直轴线左右摆动的支臂上，其旋转平面垂直于底板且与巷道方向一致。作业时，刀盘由大功率电机驱动，围绕水平轴线低速旋转，由推进油缸将其压入工作面，再由支臂带动，做左右摆动，便可切割出带有圆角的矩形断面巷道。巷道的高度就等于刀盘直径，宽度则取决于支臂的摆角。MM-130移动式采矿机于1992年先后在地表和井下完成了调试和运转性能试验，还在砂岩分层充填采矿法中进行了回采试验。该机采矿能力为28m3/h，在岩石抗压强度50～270MPa、高4.1m、宽6.15m的巷道中，掘进速度1.2m/h，滚刀费用不超过200澳元/m。两台样机试验表明，盘刀碾压破岩移动式连续采矿机是硬岩采掘的一种可行方法，比凿岩爆破法更有竞争力。日本在该公司订购的MM-130R更新型连续采矿机，可用于掘进50～80m2的大断面工程。

瑞典Atlas Copco公司于上世纪70年代后期进行切割原理试验。该公司与Boliden采矿公司等联合研制的DBMN7050采矿机，可在抗压强度比较高的岩石中掘进断面为16.8～20m2、曲率半径15m的平底板马蹄形巷道，年进尺可达4～6km。该机的主要特点是所谓“中心定位”，即当大臂下放时其摆动轴呈水平状态，与刀盘旋转轴线交成直角，且有550mm的前置偏移，以确保刀盘上的全部滚刀在钻进摆动过程中都能同等参与切割。

德国Wirth公司与加拿大HDRK采矿研究中心联合研制的CM连续采矿机，有4把沉割式盘形滚刀，分别装在4个可径向回转的切割臂上。其中一个切割臂自外侧向中心摆动，切割工作面的中心区，其余3个切割臂则从里往外以同等直径按螺旋线轨迹切割外围区，切割动作由计算机程序控制。可掘进最大高度和宽度均为4.5m的带圆角的方形断面巷道。该机在Herdecke地下砂岩矿进行了首次试验，每小时可采掘抗压强度120～140MPa的粗大岩块24.8m3。

然而，上述种种冲击-切削破岩机械，其冲击功能都不是由冲击机构直接赋予的，而是依靠刀具运动产生冲击载荷。

2 非机械破岩

非机械破岩是指借助于水力、热力、磁场力、激光等动力进行破岩，而非机械驱动刀具的一种破岩技术。目前，正在研制开发并渐趋成熟的破岩技术有如下几种［18-21］。

2.1 水力破岩

水力破岩是指利用高压水射流冲击岩石以破碎岩石的方法。这种破岩技术可在采石场中切割抗压强度60～120MPa的标准石材。在20世纪70年代初期，出于经济及破岩效率等方面的考虑，人们开始将研究的重点转移到了水射流辅助机械破碎中硬及中硬以上岩石。例如，在新的平巷掘进机、悬臂式巷道掘进机和天井钻机上，已有不少利用高压水射流辅助切割的应用实例。利用高压水射流直接破碎硬岩或进行块状切割的技术，也在研究试验之中。大量试验研究表明，水射流辅助机械切削破碎岩石的优点在于：水射流切槽可增加岩石自由面，从而减少机械切割力，加大切深，提高破岩速度，并能冷却刀具，降低切削温度，减少刀具磨损和脆性破坏的可能性，延长刀具使用寿命，防止摩擦发火，控制粉尘和减少噪声。目前，水射流辅助机械破岩技术在钻井、采煤等方面得到了一定的应用。由于高压水射流是由高压水泵提供动力，而高压水泵泵压受到限制，因此，难以大面积破碎硬岩。

2.2 热-机碎岩

热-机碎岩钻进工艺是近几年发展起来的一种新型的复合式碎岩工艺，是传统的热力碎岩工艺与机械碎岩工艺的有机结合［5，22］。俄罗斯勘探技术研究所研制了TMBK型热力-机械钻头，它是利用所产生的热量给岩石加温以形成热应力区和相变，在该区内给岩石加温时，其强度相应降低5％～70％。它将钻进过程中原以为有害的摩擦热能用来辅助机械碎岩，进而提高钻进效率、降低钻进成本，是对传统钻进工艺的一大发展。热力碎岩机理有两种形式：一种是孔底温度600℃左右时，由于岩石内部和表面的热应力作用，使岩石强度降低，提高了碎岩效率；另一种是当孔底温度达800～900℃时，岩石边界层接近熔融，切削齿在岩石塑性状态下切削碎岩，从而提高碎岩效率。

2.3 贯通锥形断裂破岩（PCF技术）

PCF（Penetrating Cone Fracture）技术是以拉伸破碎机理为指导，在受控的条件下用小药包破碎岩石，用于井下或露天连续开挖岩石。这是美国森伯斯特岩石开挖技术公司（Sunburst Excavation）开发的与机械破岩相结合的，能形成连续采挖系统，可以对强度为80～350MPa的岩石进行连续破碎的方法。这种方法是以贯穿锥体断裂形态为基础的，其特点是采用气体喷嘴装置为浅钻孔迅速加压，该气体喷嘴是一个类似“枪”一样的装置，其工作原理如下：将一枚“子弹”插入“枪膛”内，采用普通子弹的发射技术将其点燃，所产生的气体通过枪管射向浅钻孔的底部，在孔底产生一个快速但无爆炸性的脉冲压力，形成拉伸应力场，从而使岩石发生破裂。该方法与凿岩爆破相比，材料消耗低，岩石的破碎断面易于控制，比一般的钻爆法对岩石破碎效率高4～5倍。该技术目前已发展到能大规模应用于凡与普通凿岩爆破法有竞争优势的场合。

2.4 激光破岩

从20世纪60年代开始，许多国家开展了利用激光破岩的研究工作。激光破岩的主要原理是借助于激光的热力作用使岩石破碎。近年来的研究结果表明，利用激光发出的高能聚焦辐射，可在各种坚硬岩石上切割出深而细的切缝，在掘进硬岩隧道时，用激光切割器比用机械法在经济上具有优越性，当然，这种优越性取决于激光技术的发展水平、岩石的种类和隧道的断面等因素。

2.5 微波破岩

日本铁道研究所利用感应加热的方法，开展了微波破岩的试验研究工作。该装置的频率为915±25Hz，波长约为30cm，最大功率为60kW。研究表明，微波功率越大，破碎效果越好。然而，微波设备的振荡器寿命如何，还不十分清楚，因而不能作出明确的经济比较。在不考虑经济指标的特殊条件下，如在必须严格控制振动、飞石和噪声以及在城市开凿隧道时，微波破岩法仍不失为一种先进技术。

2.6 等离子破岩

等离子体破岩设备包括电源、控制器、水路系统、气路系统及喷嘴等。它是利用等离子体破岩法对不规则岩块进行二次破碎，无论在国内还是在国外其技术已接近成熟；等离子法在坚硬岩石中穿凿炮孔较机械钻孔法速度快。前苏联科学院西伯利亚分院矿业研究所曾在花岗岩、石英岩和砂岩中进行过试验，但由于岩性的变化和岩石结构、裂隙的存在，常常出现偏斜现象。目前，通过采用导向器在一定程度上改善了这种情况，但终究还是一个尚未解决的问题；等离子体在破岩中最重要的用途是切割，因为只有岩石切割才能使传统的循环作业方式发生根本改变，同时，也只有岩石切割才能使破岩的比能降到最小，因此，岩石切割技术目前已为许多发达国家所重视和关注。此外，利用等离子破岩法进行全断面隧道掘进是一个颇具吸引力的远景方案。

2.7 电子束破岩

利用特殊的加速器产生的电子束进行岩石破碎，是近年来发展起来的一种方法。可以利用多种电子枪设备产生电子束进行破岩，但其原理都是一样的。在非接触式破岩方法下，聚焦电子束破岩是最为成熟的。试验结果表明，任何一种硬岩在电子束作用下，均可被破碎。对电子束这种破岩工具而言，岩石硬度是微不足道的。与其他破岩方法相比，电子束破岩具有更高的功率密度和能量转换率（高达75％），且不存在一般机械法的反冲问题。

3 结语

从上述分析的破岩方法及其特点可知，机械破岩方法作为一种成熟的破岩方法，在生产中已显示出比钻孔-爆破破岩方式具有更强大的生命力和优越性。该方法具有作业连续，破岩效率高，采掘速度快，生产成本低，作业安全，劳动条件好，对帮壁和周围环境危害小，可减少支护，能进行选择性开采，从而提高回收率和降低贫化率，以及易于实现自动化作业，采下的矿岩块度适于运输等一系列优点，是一种较理想的采掘工艺，而非机械破岩方法有的已趋于成熟，有的则处于试验阶段。但这些方法推广应用于实际中还有一定的距离，有些方法必须与机械破岩相结合。可以预见，随着科学技术进一步提高和采矿生产的进一步发展，机械破岩及其与非机械破岩技术相结合的方法在未来破岩技术构成中所占的比例将逐步增加，机械破岩技术将得到广泛的应用。

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