非爆破破岩方法综述

2015-11-07创新者尹从富申荣光杨英明蒋华林

中国科技信息 2015年21期

创新者：尹从富杨译申荣光杨英明蒋华林

非爆破破岩方法综述

创新者：尹从富杨译申荣光杨英明蒋华林

非爆破破岩法具有安全性高、噪声小、无污染等优点，本文主要介绍目前国内外几种常见的用于硬岩开挖的非爆破方法，对各种非爆破破岩方法的破岩工作原理进行了阐述，并对其所用到的机械设备的性能特点进行了总结。根据各种方法破碎岩石的机理结合待破碎岩石的具体情况，合理选择高效、安全、经济的非爆破破岩方法或设备，对保障工程按期、安全的完成有重要意义。

目前，爆破仍是破碎岩石最经济、快捷的方法，但爆破过程中，可能产生爆破震动、爆破飞石、有毒气体等有害效应，当这些爆破危害失控时，可能对爆破点周围环境、人员或设备造成影响。近年来，随着人们自我保护意识和环境保护意识的加强，人们越来越关注爆破危害，尤其是当爆破区域距建（构）筑物很近时，为了确保周围建筑物的安全，减少因爆破引起的纠纷，一些施工单位不使用常规的爆破方法，而趋向于应用非爆破开挖的破岩工艺。这些需求也促使人们对非爆破破岩方法进行深入研究。目前，非爆破的破岩工艺经过了多年的不断研究已有了长足的发展，与传统爆破方法相比，非爆破方法具有安全性高、噪声小、无污染等优点。

静态破碎法

静态破碎剂（亦称静态膨胀剂）是20世纪80年代初研制成功的一种破碎岩石、混凝土等介质的破碎剂，在石材开采、城镇结构物的拆除及复杂环境下岩石破碎等工程中得到大量应用。静态破碎剂的最大不足是施工速度较慢，施工质量受气候影响大。

静态破碎法的特点

采用静态破碎剂切割大理石、花岗岩或破碎各种岩石、混凝土和钢筋混凝土构筑物时，可完全做到无飞石、无噪音、无振动、无毒气等爆破公害。破碎块度能完全满足设计的要求，且不会损坏周围的任何物体，因此与炸药爆破相比，它显出了很大的优越性。静态破碎剂的最主要特点是在破碎过程中不会产生振动、空气冲击波、噪声、飞石、毒气和粉尘，是一种无公害或少公害的破碎剂，且使用简便，不需要填塞，也不需要连线、导通和点火。

静态破碎剂的作用机理

静态破碎剂的主要膨胀源为氧化钙，它与适量的水掺和后，产生下面的化学反应：

当氧化钙转变为氢氧化钙时，其晶体由立方晶体转变为复三方偏三角面体，这种晶型的转化会引起晶体体积的膨胀，从而缓慢的将膨胀压力施加给炮孔孔壁。由于受到炮孔的约束，这种膨胀压力将在炮孔周围引起拉伸应力。对于脆性材料来说，其抗拉强度远小于抗压强度，所以材料在拉应力作用下容易引起破碎。

测试表明，静态破碎剂在炮孔中所产生的膨胀压力一般可达30～40Mpa，而软岩和混凝土产生径向破裂所需的膨胀压力一般小于10～20Mpa。因此，只要选取合理的装药量和破裂参数，对某些中硬岩和混凝土一类的材料是能够破碎的。

二氧化碳致裂器

二氧化碳致裂技术是一种高压气体爆破技术，是利用液态二氧化碳吸热气化时体积急剧膨胀产生高压，致使煤（岩）体破碎或开裂。可广泛应用于煤矿及非煤矿山、水泥、采石等诸多行业。特别适用于煤与瓦斯突出矿井，替代炸药，可用于爆破落煤、瓦斯综合治理、冲击地压治理、消突、顶煤弱化、石门揭煤，巷道底鼓治理、煤仓清堵等。

二氧化碳致裂器的结构

二氧化碳致裂器的结构如图1所示

1.充装阀 2.发热装置 3.储液管 4.密封垫 5.定压剪切片 6.释放管

二氧化碳致裂器的特点

1）二氧化碳致裂器热反应过程在密闭管体内腔中进行，低温爆破，喷出的CO2具有抑制爆炸和阻燃作用，不会引爆瓦斯；岩石致裂过程中振动小，不产生具有破坏性的震荡或震波。

2）二氧化碳致裂器致裂扩散半径可达10m以上，可减少抽采钻孔数量；落煤成块率高、抛煤距离短、粉尘小，有利于生产大块洁净煤；爆破能力可控，根据使用环境、对象的不同设定能量等级。

3）二氧化碳致裂器工作后，除了发热装置、密封垫、定压剪切片外，其他可重复使用，储液管可重复使用上千次。

二氧化碳致裂器的应用

某露天大理石矿镶嵌于石灰石角砾岩之中，应用传统炸药爆破法开采会使得大理石荒料率较低，为提高大理石荒料率，用二氧化碳爆破技术替代传统的炸药爆破技术后，荒料率提高了6.8％，产品的附加值大幅度提高，且明显减少了爆破飞石和烟尘对安全和环境的影响。

在芦岭煤矿回采工作面上进行二氧化碳炮爆破试验，结果说明了爆破过程中不产生火花，爆破威力大，抛煤量多，抛出距离短。爆破后，煤块成块率高，粉煤比率明显降低，基本不扬尘，大大降低了煤尘爆炸隐患。

二氧化碳致裂器应用不仅在对煤层进行致裂爆破增透，大幅度地提高了煤层的透气性，使瓦斯抽采量提升，而且可以在矿石开采中提高矿石的荒料率，在具有良好的经济效益。

液压劈裂机

液压劈裂机是近年来发展较快的一种破岩技术，与静态破碎剂破岩相比，液压劈裂要具有安全高效、成本较低廉、操作简便等优点，它首先在石材开采中得到应用，近年来，在其他破岩工程中也得到应用。

图1　二氧化碳致裂器的结构

图2　为尖劈分裂器和尖劈及楔片受力图

液压劈裂机的特点

液压劈裂机是由分裂器和动力站两大部分组成，液压劈裂机由泵站输出的超高压油驱动油缸产生巨大推动力，并经机械放大后即可使被分裂物体按预定方向裂开。与传统作业方式相比，液压劈裂机具有结构简单、操作方便、重量轻、体积小，分裂力大（单机分裂力可达500t），工作时无冲击、无振动、无噪音，分裂快，作业效率高、成本低、安全、节能等一系列优点。

液压劈裂机的原理

液压劈裂机由动力供给系统（泵站）、液压管路、液压缸、控制元件、楔块组件等构成。工作时，泵向系统提供高压油，经控制元件、液压管路而进入液压缸的无杆腔，推动活塞向下运动，通过楔块组件的放大将纵向的推力转化为横向的劈裂力，使矿岩分开。如图2—a所示，与液压劈裂机活塞相联的尖劈并不直接劈裂岩石，而是在尖劈两侧还有一对楔形片，即两楔片夹着尖劈组成一个40mm的圆柱体一分裂器。在预定的岩石分裂线上事先钻若干ф40mm的孔，然后将分裂器分别插入这些孔内，当液压劈裂机通人高压油后即可在上述孔内同时产生劈裂力，致使岩石按预定的位置和方向裂开。

液压劈裂机的工程应用

湖南长沙宁乡一处房地产基础开挖工程，工程地点就在距离全国著名的“四羊方尊”发现地600m左右。因开挖方在承接工程时，事先并不知道黄泥土下面有大量岩石，且禁止使用炸药，施工方采用液压分裂机开采，顺利完成破岩任务。

宁乡露天煤矿开采项目中，开始主要是用传统的开采工艺，炸药开采，在国家禁止炸药开采后，矿主改变了开采策略，采用液压分裂机开采块煤，取得了非常好的效果。

广州罗岗宏大爆破公司工地内，花岗岩硬度在莫氏7度左右，整座山到处可见都是大块顽石、孤石无法分开，工程进度一直停歇不前，因禁止使用炸药，施工单位采用液压分裂机开采顽石，使得工程加快了进度。

结合一些工程实例说明了利用液压劈裂机对大块进行破碎，具有传统方法无法比拟的安全可靠、效率高、操作简单、成本低等优点，且使用效果良好，是一种理想的破碎设备。

高频破碎锤

高频破碎锤是一种主要应用在岩石的破碎、旧城改造项目、混凝土构件的拆毁施工中的新型液压工程设备。近年来，随着国家对城市噪声污染和爆破采石工法危害性的控制，高频破碎锤凭借其工作的灵活性、载体设备的多样性及其高效的工作效率，高频破碎锤得到了快速发展。

图3　水平方向上激振力方向

图4　竖直方向上激振力方向

高频破碎锤的特点

1）高频破碎锤与液压活塞式破碎锤的区别不仅仅在于打击方式和结构上的区别，其自身在工作中的高效、节能、环保方面更为突出。

由于高频破碎锤核心部件是安全封闭性的，在施工领域上可在不改装的情况下进行水下破碎作业。

2）高频破碎锤的出现是对活塞式破碎锤市场的一种有效补充，由于其是液压马达驱动，冲击频率高达1 600～2 100 次/min。所以高频破碎锤的工作效率是很高的。

3）高频破碎锤由于其顶部和侧面都有减震橡胶，在减震橡胶正常工作的情况下对挖掘机基本没有损伤。

高频破碎锤的原理

高频破碎锤改变了传统意义上的往复活塞式的工作原理，它是由挖掘机的液压能传递给液压马达，带动振动箱内的偏心齿轮转动，进而产生离心力F，其垂直分量F sin wt为周期性变化的干扰力，使轴产生径向受迫振动的压力，称为激振力。再由激振器的箱体将振动传递给斗齿进行破碎作业，让作业物从内部自行裂开，达到破碎目的。

高频破碎锤包括箱体和安装于箱体内的两个偏心轮，两个偏心轮通过一对相互咬合的齿轮在相反的方向上同步转动，进而使各自产生离心力，在转轴中心连线方向上的分量相互抵消（见图3），而在转轴中心连线垂直方向的分量则相互叠加形成上述的激振力（见图4）。

虽然高频破碎锤具有高效、节能、环保等优点，但目前国内研发能力不足，不过可以预见未来高频破碎锤会逐步取代现有的活塞式破碎锤。