贵重石材荒料无声切割机理.pdf

贵重石材荒料无声切割机理 游宝坤 中国建筑材料科 学研 究总院，北京1 0 0 0 2 4 玉石 、花 岗石 和 大理石 等 贵重石 材 资 源有 限 ， 要 实行 保护性开采 。人们最先 用人工凿 孔劈裂 的原 始方法 。有 了炸药后用爆 破 的野蛮方法 ，这无 疑是 “ 杀鸡取蛋 ” ，对石 材资源破坏极 大 。现 在政府 已 明 令禁止这种采矿方法 。2 0世纪初 ，意大利 、德 国等 开发 了用 串珠 绳锯 的开采 方法 ，实 现 了有计 划 、保 护性开采 贵重石 材荒料 。但投资 大 、设备 复杂 、操 作严格 ，适用 于大型矿 山。但对 于中小 型矿 山或偏 远山区就不适用 。 自从 日本和 我 国先后 研制 成功 静 态破 碎剂 后 ， 在石 材矿 山上 ，采用 凿岩机钻孑 L ，灌人 无声破 碎剂 简称 S C A浆 体 ，经 8～2 4 h，就 可把 岩石 切割 开 来 ，基 本无损 伤 ，荒料 的整形 量小 ，成 材率大 大提 高。这种方法适合于整体性较好的矿体 ，投资小 ， 设备 简单 ，工人操作 易于掌握 ，开采成本 也低 。现 今 ，我 国部分石 材矿 山开采都采用这 种石 材荒料无 声切割技术 。意大利 、澳 洲 、南美 等石 材 矿 山也 引 进此开石技术 。 尽管石材荒料切割机理与混凝土、岩石的破碎 机理基本相 同。但是 ，有它 的特殊性 ，即在钻 孑 L 中 灌 人 S C A，要岩石断 裂成块 ，而不要破 碎成 四分五 裂 。 中国科学 院力学研究 所周家汉研 究员 与本文作 者在河南省南 阳石材矿 山 ，进行 了 S C A切割独 山玉 石 、大理石 和花岗岩现场试验 ，提出 了 S C A切割石 材荒料 的机理 。 试验选择 了三种不 同硬度 岩石 玉石 包括 作者地址 北京市朝阳 区管庄 中国建筑材料研 究总院 电 话 O L O - 5 1 1 6 7 4 4 9 謦 0哪 玉石围岩的辉长岩 、大理石及花 岗岩 ，它们均为矿 物结晶颗粒的集合体 ，属坚硬及中等硬度岩石 ，大 理石及花 岗岩有着 明显的各 向异性 的特 点 。试验测 定 三种 岩石 的力学性 能参数 如表 1 。 表 1 三种岩石的力学性能 、 项目 容重 抗压强度 抗拉强度 脆性度 R ／R 拉 ， 岩石名称、 、 、 t ／m 3 MP a MP la MP a 独 玉 3 ． O 9 1 6 7 ．4 1 8 ． 0 9 _ 3 大理石 内乡 2 ． 6 6 3 4 ． 7 1 ． 5 2 3 ． 1 花岗岩 镇平 2 ． 7 1 1 6 O ． 2 7 ． 7 2 0 ． 8 注大理石、花岗岩的力学性能参数均为湖北省地质矿产 局中心试验室测定的数值。 通过试验 ，我们认 为岩石的抗切割性主要决定于 它们 的抗拉强度大小和脆性度值。岩石 的抗拉强度愈 大 ，愈难切割 ；而脆性变值愈大 ，对切割愈有利。所 谓脆性度值是指同一岩石 ，在同一方 向的抗压强度与 抗拉强度的比值。从表 1 中可知，三种岩石中，独玉 最难切割 ，大理石最易切割。通过试验 已证实这一规 律。 关于无声破碎剂切割岩石 的机理 ，我们通过对玉 石 、大理石及花岗岩的百余次切割开采及单体切割试 验获得资料证明 ，它与所有炸药爆破岩石不 同。炸药 爆炸引起岩石破坏作用是炸药瞬间产生的应力波及相 伴随的高温高压气体产生膨胀的共同作用结果。而无 声破碎剂的切割岩石是无声破碎剂在钻孑 L 内缓慢进行 的一种水化反应 ，生成 c a O H 膨胀结 晶形成膨胀压 力对其周围介质起破坏作用 。其特点是一种静压作用 使岩石断裂。 当两个钻孑 L 孑 L 壁在一定压力 P的作用下 ，二维应 石材 2 0 0 8 年8 期 2 7 维普资讯 誊 謦 力 问题 的解 在两 圆孔 中心连线与钻孔 壁面 的交点 处，切线方向发生非常大的拉应力[ ，根据厚壁 2 圆筒理论 P，式 中 d为孔径 ，。为孔距 ，二 0 孔之间的应力分布如图 1 所示。 ／ 、 ／ ＼ 、 一 ／， 图 1 两钻孔 I司时受静压作用下的切向应 力分布 即使相邻两孔相距较远时 ，这种应力分布也同样 存在，就是说切向应力 [ 最大值位于相邻两钻孔 中心连线上的钻孔壁面上。随作用距离 的增大 ， 按 孔距 衰减 。根据 应力集 中原理 ，当 S C A的膨胀压 大于岩石的抗 拉强度时，裂缝首先就在相邻两钻孔 中 心连线的壁面上发生。 我们知道 ，在任何材料内部都存在着各种缺陷 裂隙 ，如果事先在岩石的欲切割面内钻孔 ，就人 为地生造成了岩石内部的缺陷，它们明显地削弱了 欲切 割岩石 面的抗 拉能力 。如果 这些缺 陷的材料处 在复杂 的应力状 态之下 ，加之无声 破碎剂水 化反应 产生 的膨胀压力 的作用 ，将会 在孔 壁端部产生较 大 的应力集 中。在相邻 两圆孔 中心连 线方 向的岩壁 上 裂缝尖端 的应力更 为突出 。从断裂力 学知道 ，一旦 裂缝尖端的应力强度 因子大于材料 岩石 的临界 应力强度因子 ，超过材料 的断裂韧性 时 ，这些裂缝 便 开始 扩展 ，并 以一特定 的速 度发展 ，优先 扩展 的 长裂缝将 比其他短裂缝更易于扩张，从而促使其他 短裂缝停止扩张。相邻两圆孔内壁上的裂缝在其连 线方向上发展 的结 果 ，最终导致 岩块 沿钻孔连线 方 向岩石面开裂分离。 如果钻孔切割参数选取合理 ，在整个欲切割面上 。 2 8。 S T,0NE 兰里 堡 璺 所有钻孔内无声破碎剂的共 同作用下 ，当 S C A产生的 膨胀应力等于或大于切割岩石面的抗拉应力时 ，就会 使岩石沿切割面断裂开来 。 岩石在单向拉伸应力作用下呈脆性断裂，我们采 用 T r e s c a 屈服条件公式推导的最小膨胀压予以计算 。 屈服条件公式 。J n 一 冉R 1 口 式 中 岩石破坏时的屈服应力 ，MP a ； R 广 _ 一 岩石的抗拉强度 ，MP a ； P s c A产生的膨胀压 ，MP a ； _ 孑 L 间距 ，c m； _ 孑 L 径 c m 。 在 S C A作用下 ，岩石断裂开来 ，须满足如下条 件 0 2 根据 2 式 ，将 1 式化简为 j R ln 手 R 1u g -- 3 式 中 _一为岩石断裂时 ，钻孔中的 S C A产生 的最小膨胀压 。 我们根据对三种岩石进行试验 时选用的孔距 、孔 径及岩石的抗 拉强度代入 3 式 ，分别计算 出最小 膨胀 压 ，见 表 2 。由此 可见 ，对 于特定 岩石 ，孔距 a 与孔径 d 之比值 K是决定性参数 。我们通过 大 量 试 验 认 为 ，大 理 石 的 K I O～1 2 ，花 岗石 的 K 7～1 0 ，玉石的 K 5～7 。经计算得 出最小膨胀压 ， 见表 2 。通过 S C A现场切割岩石试验结果 ，选用 的孔 径 、孔距是合适的。 表 2 三种岩石需要的最小膨胀压 ～ ． 、 ． ～岩 石名称 项 目 ～ ～ 玉石 花岗岩 大理石 孑 L 距 a c m 2 0 4 0 4 0 孑 L 径 d c v i i 4 ．0 4 ．0 3 - 4 S C A膨胀压 M P a 4 3 ． 0 3 5 - 4 2 8 ． 5 P m i n MP a 3 6 ． 9 3 0 ． 6 2 4 ． 2 大理石的抗拉强度值由于产状不同，受岩石的层理的影 响较大，这里计算时，其抗拉强度值选用常用值 7 ． 0 MP a 。 维普资讯