非爆破破巖方法綜述

創(chuàng)新者：尹從富 楊 譯 申榮光 楊英明 蔣華林

非爆破破巖方法綜述

創(chuàng)新者：尹從富 楊 譯 申榮光 楊英明 蔣華林

非爆破破巖法具有安全性高、噪聲小、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，本文主要介紹目前國(guó)內(nèi)外幾種常見(jiàn)的用于硬巖開(kāi)挖的非爆破方法，對(duì)各種非爆破破巖方法的破巖工作原理進(jìn)行了闡述，并對(duì)其所用到的機(jī)械設(shè)備的性能特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。根據(jù)各種方法破碎巖石的機(jī)理結(jié)合待破碎巖石的具體情況，合理選擇高效、安全、經(jīng)濟(jì)的非爆破破巖方法或設(shè)備，對(duì)保障工程按期、安全的完成有重要意義。

目前，爆破仍是破碎巖石最經(jīng)濟(jì)、快捷的方法，但爆破過(guò)程中，可能產(chǎn)生爆破震動(dòng)、爆破飛石、有毒氣體等有害效應(yīng)，當(dāng)這些爆破危害失控時(shí)，可能對(duì)爆破點(diǎn)周?chē)h(huán)境、人員或設(shè)備造成影響。近年來(lái)，隨著人們自我保護(hù)意識(shí)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注爆破危害，尤其是當(dāng)爆破區(qū)域距建（構(gòu)）筑物很近時(shí)，為了確保周?chē)ㄖ锏陌踩瑴p少因爆破引起的糾紛，一些施工單位不使用常規(guī)的爆破方法，而趨向于應(yīng)用非爆破開(kāi)挖的破巖工藝。這些需求也促使人們對(duì)非爆破破巖方法進(jìn)行深入研究。目前，非爆破的破巖工藝經(jīng)過(guò)了多年的不斷研究已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，與傳統(tǒng)爆破方法相比，非爆破方法具有安全性高、噪聲小、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。

靜態(tài)破碎法

靜態(tài)破碎劑（亦稱(chēng)靜態(tài)膨脹劑）是20世紀(jì)80年代初研制成功的一種破碎巖石、混凝土等介質(zhì)的破碎劑，在石材開(kāi)采、城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)物的拆除及復(fù)雜環(huán)境下巖石破碎等工程中得到大量應(yīng)用。靜態(tài)破碎劑的最大不足是施工速度較慢，施工質(zhì)量受氣候影響大。

靜態(tài)破碎法的特點(diǎn)

采用靜態(tài)破碎劑切割大理石、花崗巖或破碎各種巖石、混凝土和鋼筋混凝土構(gòu)筑物時(shí)，可完全做到無(wú)飛石、無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、無(wú)毒氣等爆破公害。破碎塊度能完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，且不會(huì)損壞周?chē)娜魏挝矬w，因此與炸藥爆破相比，它顯出了很大的優(yōu)越性。靜態(tài)破碎劑的最主要特點(diǎn)是在破碎過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、空氣沖擊波、噪聲、飛石、毒氣和粉塵，是一種無(wú)公害或少公害的破碎劑，且使用簡(jiǎn)便，不需要填塞，也不需要連線、導(dǎo)通和點(diǎn)火。

靜態(tài)破碎劑的作用機(jī)理

靜態(tài)破碎劑的主要膨脹源為氧化鈣，它與適量的水摻和后，產(chǎn)生下面的化學(xué)反應(yīng)：

當(dāng)氧化鈣轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸}時(shí)，其晶體由立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)三方偏三角面體，這種晶型的轉(zhuǎn)化會(huì)引起晶體體積的膨脹，從而緩慢的將膨脹壓力施加給炮孔孔壁。由于受到炮孔的約束，這種膨脹壓力將在炮孔周?chē)鹄鞈?yīng)力。對(duì)于脆性材料來(lái)說(shuō)，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，所以材料在拉應(yīng)力作用下容易引起破碎。

測(cè)試表明，靜態(tài)破碎劑在炮孔中所產(chǎn)生的膨脹壓力一般可達(dá)30～40Mpa，而軟巖和混凝土產(chǎn)生徑向破裂所需的膨脹壓力一般小于10～20Mpa。因此，只要選取合理的裝藥量和破裂參數(shù)，對(duì)某些中硬巖和混凝土一類(lèi)的材料是能夠破碎的。

二氧化碳致裂器

二氧化碳致裂技術(shù)是一種高壓氣體爆破技術(shù)，是利用液態(tài)二氧化碳吸熱氣化時(shí)體積急劇膨脹產(chǎn)生高壓，致使煤（巖）體破碎或開(kāi)裂?？蓮V泛應(yīng)用于煤礦及非煤礦山、水泥、采石等諸多行業(yè)。特別適用于煤與瓦斯突出礦井，替代炸藥，可用于爆破落煤、瓦斯綜合治理、沖擊地壓治理、消突、頂煤弱化、石門(mén)揭煤，巷道底鼓治理、煤倉(cāng)清堵等。

二氧化碳致裂器的結(jié)構(gòu)

二氧化碳致裂器的結(jié)構(gòu)如圖1所示

1.充裝閥 2.發(fā)熱裝置 3.儲(chǔ)液管 4.密封墊 5.定壓剪切片 6.釋放管

二氧化碳致裂器的特點(diǎn)

1）二氧化碳致裂器熱反應(yīng)過(guò)程在密閉管體內(nèi)腔中進(jìn)行，低溫爆破，噴出的CO2具有抑制爆炸和阻燃作用，不會(huì)引爆瓦斯；巖石致裂過(guò)程中振動(dòng)小，不產(chǎn)生具有破壞性的震蕩或震波。

2）二氧化碳致裂器致裂擴(kuò)散半徑可達(dá)10m以上，可減少抽采鉆孔數(shù)量；落煤成塊率高、拋煤距離短、粉塵小，有利于生產(chǎn)大塊潔凈煤；爆破能力可控，根據(jù)使用環(huán)境、對(duì)象的不同設(shè)定能量等級(jí)。

3）二氧化碳致裂器工作后，除了發(fā)熱裝置、密封墊、定壓剪切片外，其他可重復(fù)使用，儲(chǔ)液管可重復(fù)使用上千次。

二氧化碳致裂器的應(yīng)用

某露天大理石礦鑲嵌于石灰石角礫巖之中，應(yīng)用傳統(tǒng)炸藥爆破法開(kāi)采會(huì)使得大理石荒料率較低，為提高大理石荒料率，用二氧化碳爆破技術(shù)替代傳統(tǒng)的炸藥爆破技術(shù)后，荒料率提高了6.8％，產(chǎn)品的附加值大幅度提高，且明顯減少了爆破飛石和煙塵對(duì)安全和環(huán)境的影響。

在蘆嶺煤礦回采工作面上進(jìn)行二氧化碳炮爆破試驗(yàn)，結(jié)果說(shuō)明了爆破過(guò)程中不產(chǎn)生火花，爆破威力大，拋煤量多，拋出距離短。爆破后，煤塊成塊率高，粉煤比率明顯降低，基本不揚(yáng)塵，大大降低了煤塵爆炸隱患。

二氧化碳致裂器應(yīng)用不僅在對(duì)煤層進(jìn)行致裂爆破增透，大幅度地提高了煤層的透氣性，使瓦斯抽采量提升，而且可以在礦石開(kāi)采中提高礦石的荒料率，在具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

液壓劈裂機(jī)

液壓劈裂機(jī)是近年來(lái)發(fā)展較快的一種破巖技術(shù)，與靜態(tài)破碎劑破巖相比，液壓劈裂要具有安全高效、成本較低廉、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，它首先在石材開(kāi)采中得到應(yīng)用，近年來(lái)，在其他破巖工程中也得到應(yīng)用。

圖1　二氧化碳致裂器的結(jié)構(gòu)

圖2　為尖劈分裂器和尖劈及楔片受力圖

液壓劈裂機(jī)的特點(diǎn)

液壓劈裂機(jī)是由分裂器和動(dòng)力站兩大部分組成，液壓劈裂機(jī)由泵站輸出的超高壓油驅(qū)動(dòng)油缸產(chǎn)生巨大推動(dòng)力，并經(jīng)機(jī)械放大后即可使被分裂物體按預(yù)定方向裂開(kāi)。與傳統(tǒng)作業(yè)方式相比，液壓劈裂機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、重量輕、體積小，分裂力大（單機(jī)分裂力可達(dá)500t），工作時(shí)無(wú)沖擊、無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音，分裂快，作業(yè)效率高、成本低、安全、節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)。

液壓劈裂機(jī)的原理

液壓劈裂機(jī)由動(dòng)力供給系統(tǒng)（泵站）、液壓管路、液壓缸、控制元件、楔塊組件等構(gòu)成。工作時(shí)，泵向系統(tǒng)提供高壓油，經(jīng)控制元件、液壓管路而進(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)楔塊組件的放大將縱向的推力轉(zhuǎn)化為橫向的劈裂力，使礦巖分開(kāi)。如圖2—a所示，與液壓劈裂機(jī)活塞相聯(lián)的尖劈并不直接劈裂巖石，而是在尖劈兩側(cè)還有一對(duì)楔形片，即兩楔片夾著尖劈組成一個(gè)40mm的圓柱體一分裂器。在預(yù)定的巖石分裂線上事先鉆若干ф40mm的孔，然后將分裂器分別插入這些孔內(nèi)，當(dāng)液壓劈裂機(jī)通人高壓油后即可在上述孔內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生劈裂力，致使巖石按預(yù)定的位置和方向裂開(kāi)。

液壓劈裂機(jī)的工程應(yīng)用

湖南長(zhǎng)沙寧鄉(xiāng)一處房地產(chǎn)基礎(chǔ)開(kāi)挖工程，工程地點(diǎn)就在距離全國(guó)著名的“四羊方尊”發(fā)現(xiàn)地600m左右。因開(kāi)挖方在承接工程時(shí)，事先并不知道黃泥土下面有大量巖石，且禁止使用炸藥，施工方采用液壓分裂機(jī)開(kāi)采，順利完成破巖任務(wù)。

寧鄉(xiāng)露天煤礦開(kāi)采項(xiàng)目中，開(kāi)始主要是用傳統(tǒng)的開(kāi)采工藝，炸藥開(kāi)采，在國(guó)家禁止炸藥開(kāi)采后，礦主改變了開(kāi)采策略，采用液壓分裂機(jī)開(kāi)采塊煤，取得了非常好的效果。

廣州羅崗宏大爆破公司工地內(nèi)，花崗巖硬度在莫氏7度左右，整座山到處可見(jiàn)都是大塊頑石、孤石無(wú)法分開(kāi)，工程進(jìn)度一直停歇不前，因禁止使用炸藥，施工單位采用液壓分裂機(jī)開(kāi)采頑石，使得工程加快了進(jìn)度。

結(jié)合一些工程實(shí)例說(shuō)明了利用液壓劈裂機(jī)對(duì)大塊進(jìn)行破碎，具有傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的安全可靠、效率高、操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，且使用效果良好，是一種理想的破碎設(shè)備。

高頻破碎錘

高頻破碎錘是一種主要應(yīng)用在巖石的破碎、舊城改造項(xiàng)目、混凝土構(gòu)件的拆毀施工中的新型液壓工程設(shè)備。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)城市噪聲污染和爆破采石工法危害性的控制，高頻破碎錘憑借其工作的靈活性、載體設(shè)備的多樣性及其高效的工作效率，高頻破碎錘得到了快速發(fā)展。

圖3　水平方向上激振力方向

圖4　豎直方向上激振力方向

高頻破碎錘的特點(diǎn)

1）高頻破碎錘與液壓活塞式破碎錘的區(qū)別不僅僅在于打擊方式和結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，其自身在工作中的高效、節(jié)能、環(huán)保方面更為突出。

由于高頻破碎錘核心部件是安全封閉性的，在施工領(lǐng)域上可在不改裝的情況下進(jìn)行水下破碎作業(yè)。

2）高頻破碎錘的出現(xiàn)是對(duì)活塞式破碎錘市場(chǎng)的一種有效補(bǔ)充，由于其是液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，沖擊頻率高達(dá)1 600～2 100 次/min。所以高頻破碎錘的工作效率是很高的。

3）高頻破碎錘由于其頂部和側(cè)面都有減震橡膠，在減震橡膠正常工作的情況下對(duì)挖掘機(jī)基本沒(méi)有損傷。

高頻破碎錘的原理

高頻破碎錘改變了傳統(tǒng)意義上的往復(fù)活塞式的工作原理，它是由挖掘機(jī)的液壓能傳遞給液壓馬達(dá)，帶動(dòng)振動(dòng)箱內(nèi)的偏心齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生離心力F，其垂直分量F sin wt為周期性變化的干擾力，使軸產(chǎn)生徑向受迫振動(dòng)的壓力，稱(chēng)為激振力。再由激振器的箱體將振動(dòng)傳遞給斗齒進(jìn)行破碎作業(yè)，讓作業(yè)物從內(nèi)部自行裂開(kāi)，達(dá)到破碎目的。

高頻破碎錘包括箱體和安裝于箱體內(nèi)的兩個(gè)偏心輪，兩個(gè)偏心輪通過(guò)一對(duì)相互咬合的齒輪在相反的方向上同步轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使各自產(chǎn)生離心力，在轉(zhuǎn)軸中心連線方向上的分量相互抵消（見(jiàn)圖3），而在轉(zhuǎn)軸中心連線垂直方向的分量則相互疊加形成上述的激振力（見(jiàn)圖4）。

雖然高頻破碎錘具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但目前國(guó)內(nèi)研發(fā)能力不足，不過(guò)可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)高頻破碎錘會(huì)逐步取代現(xiàn)有的活塞式破碎錘。

總結(jié)

隨著人們對(duì)環(huán)境和安全越來(lái)越重視，非爆破破巖方法得到了較大的發(fā)展，與常規(guī)爆破方法相比，非爆破法破碎巖石成本高出很多，但它安全，無(wú)污染、無(wú)危害。因此在距建筑物較近的地點(diǎn)實(shí)施破巖時(shí)，應(yīng)結(jié)合爆區(qū)周?chē)h(huán)境的特點(diǎn)，綜合應(yīng)用這兩種手段，合理劃分爆破區(qū)域與非爆破區(qū)域，達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.031