巖石破碎技術(shù)的新發(fā)展

巖石破碎技術(shù)的新發(fā)展

巖石破碎是指從巖石中分離巖石的過程。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,巖石破碎的方法和技術(shù)出現(xiàn)了一些新的發(fā)展趨勢。本文對現(xiàn)代破巖方法進(jìn)行綜述。重點介紹了幾種具有代表性的破巖新方法。1式破巖法一般地,破巖方法可以按圖1分類。此外,還可將破巖方法分為接觸式破巖和非接觸式破巖。接觸式破巖,如傳統(tǒng)鉆爆法和機(jī)械破巖法,必須使破巖工具(能量載體)與巖石保持接觸,該方法的弱點是破巖工具易磨損、沖擊性大和需要循環(huán)作業(yè);非接觸式破巖的能量載體是流體,如熱流、輻射流和粒子流,特點是能量密度高、方向性好,不存在工具磨損、沖擊等弊端,且是一種連續(xù)性作業(yè)。2對比速度和成本等離子體破巖設(shè)備包括電源、控制器、水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)及噴嘴等,如圖2所示。利用等離子體破巖法對不規(guī)則巖塊進(jìn)行二次破碎,無論在國內(nèi)還是國外其技術(shù)已近成熟;等離子法在堅硬巖石中穿鑿炮孔較機(jī)械法速度快(約為機(jī)械的3～4倍),而成本只有機(jī)械法的一半。前蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院礦業(yè)研究所曾在花崗巖、石英巖和砂巖中進(jìn)行過試驗,但由于巖性的變化和巖石結(jié)構(gòu)、裂隙的存在,常常出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象。目前,通過采用了導(dǎo)向器在一定程度上改善這種情況,但終究還是一個尚未解決的問題;等離子體在破巖中最重要的用途是切割,因為只有巖石切割才能使傳統(tǒng)的循環(huán)作業(yè)方式發(fā)生根本的改變,同時亦只有巖石切割才能使破巖的比能降到最小,因此,巖石切割技術(shù)目前已為許多發(fā)達(dá)國家所重視和關(guān)注。此外,利用等離子破巖法進(jìn)行全斷面隧道掘進(jìn)是一個頗具吸引力的遠(yuǎn)景方案3非接觸式破巖方法利用特殊的加速器產(chǎn)生的電子束進(jìn)行巖石破碎,是近年來發(fā)展起來的一種方法。圖3為國外現(xiàn)場試驗采用的電子束破巖設(shè)備,產(chǎn)生電子束的裝置一般稱為電子槍,雖然各種電子槍的用途不同,但其原理都是一樣的。在非接觸式破巖方法中,聚焦電子束破巖是最為成熟的。試驗結(jié)果表明,任何一種硬巖在電子束作用下,均可被破碎。對電子束這種破巖工具而言,巖石硬度是微不足道的。與其它破巖方法相比,電子束破巖具有更高的功率密度和能量轉(zhuǎn)換率(高達(dá)75%),且不存在一般機(jī)械法的反沖問題。未來的電子束破巖可以采用以下幾種方案:(1)單獨(dú)使用電子槍進(jìn)行采掘作業(yè);(2)與其它機(jī)械配合使用;(3)使用長臂電子槍進(jìn)行鉆孔;(4)使用長臂電子槍開采薄層礦床。除上述聚焦電子束破巖方法外,近年來美國加州大學(xué)進(jìn)行了一系列脈沖電子束破巖試驗,并提出了脈沖電子束加速器掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計方案。4激光切割巖石從20世紀(jì)60年代開始,許多國家開展了利用激光破巖的研究工作。激光破巖的主要原理是借助于激光的熱力作用使巖石破碎。圖4為美國聯(lián)邦航空研究所采用的激光切割巖石的試驗裝置。近年來的試驗結(jié)果表明,利用激光發(fā)出的高能聚焦輻射,可在各種堅硬巖石上切割出深而細(xì)的切縫,在掘進(jìn)硬巖隧道時,用激光切割器比用機(jī)械法在經(jīng)濟(jì)上具有優(yōu)越性,當(dāng)然,這種優(yōu)越性取決于激光技術(shù)的發(fā)展水平、巖石的種類和隧道的斷面等因素。5頻率及波長分布日本鐵道研究所利用感應(yīng)加熱的方法,開展了微波破巖的試驗研究工作,圖5為其采用的微波發(fā)生裝置。該裝置的頻率為915±25MHz,波長約為30cm,最大功率為60kW。研究表明,微波功率越大,破碎效果越好。然而,微波設(shè)備的振蕩器壽命如何,還不十分清楚,因而不能作出明確的經(jīng)濟(jì)比較。在不需考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的特殊條件下,如在必須嚴(yán)格控制振動、飛石和噪聲以及在城市開鑿隧道時,微波破巖法仍不失為一種先進(jìn)技術(shù)。6熱力-水力破巖法美國礦山局試驗并發(fā)展了一種熱力-水力綜合破巖方法。該方法首先利用紅外線(或微波)加熱巖石,使巖石結(jié)構(gòu)弱化并產(chǎn)生表面破裂,然后利用水射流沖擊使其破碎。實驗室和現(xiàn)場試驗表明,熱力-水力破巖是一種有實用價值的破巖方法,熱裂和熱弱作用使水力切割的范圍加大了,其關(guān)鍵在于能產(chǎn)生熱滲透性大的快速、高能的加熱系統(tǒng)。該種綜合破巖方法對環(huán)境溫度和濕度等方面的不良作用是其實用性的一個限制條件。7通過沖擊破碎巖石利用普通的武器或坦克炮發(fā)射混凝土彈頭使巖石產(chǎn)生破碎的方法在國外叫做REAM法(RapidExcavationandMining)。這種方法是美國國防部技術(shù)規(guī)劃局組織研究的,原理十分簡單,即利用高速運(yùn)動的彈頭的沖擊能使巖石產(chǎn)生破碎。用106.68mm(4.2in)口徑的帶自行炮架的火炮進(jìn)行的巷道試驗表明,射彈沖擊破碎巖石時不會發(fā)生飛石現(xiàn)象,該方法是破碎堅硬巖石的一種快速、有效的方法。8試驗階段的破巖技術(shù)本文介紹了幾種現(xiàn)代破巖方法及其特點,在這些方