岩石破碎技术的新发展

岩石破碎技术的新发展

岩石破碎是指从岩石中分离岩石的过程。随着现代科学技术的发展,岩石破碎的方法和技术出现了一些新的发展趋势。本文对现代破岩方法进行综述。重点介绍了几种具有代表性的破岩新方法。1式破岩法一般地,破岩方法可以按图1分类。此外,还可将破岩方法分为接触式破岩和非接触式破岩。接触式破岩,如传统钻爆法和机械破岩法,必须使破岩工具(能量载体)与岩石保持接触,该方法的弱点是破岩工具易磨损、冲击性大和需要循环作业;非接触式破岩的能量载体是流体,如热流、辐射流和粒子流,特点是能量密度高、方向性好,不存在工具磨损、冲击等弊端,且是一种连续性作业。2对比速度和成本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,如图2所示。利用等离子体破岩法对不规则岩块进行二次破碎,无论在国内还是国外其技术已近成熟;等离子法在坚硬岩石中穿凿炮孔较机械法速度快(约为机械的3～4倍),而成本只有机械法的一半。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,通过采用了导向器在一定程度上改善这种情况,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的改变,同时亦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3非接触式破岩方法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。图3为国外现场试验采用的电子束破岩设备,产生电子束的装置一般称为电子枪,虽然各种电子枪的用途不同,但其原理都是一样的。在非接触式破岩方法中,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。与其它破岩方法相比,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。未来的电子束破岩可以采用以下几种方案:(1)单独使用电子枪进行采掘作业;(2)与其它机械配合使用;(3)使用长臂电子枪进行钻孔;(4)使用长臂电子枪开采薄层矿床。除上述聚焦电子束破岩方法外,近年来美国加州大学进行了一系列脉冲电子束破岩试验,并提出了脉冲电子束加速器掘进机的设计方案。4激光切割岩石从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。图4为美国联邦航空研究所采用的激光切割岩石的试验装置。近年来的试验结果表明,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。5频率及波长分布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,图5为其采用的微波发生装置。该装置的频率为915±25MHz,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。在不需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。6热力-水力破岩法美国矿山局试验并发展了一种热力-水力综合破岩方法。该方法首先利用红外线(或微波)加热岩石,使岩石结构弱化并产生表面破裂,然后利用水射流冲击使其破碎。实验室和现场试验表明,热力-水力破岩是一种有实用价值的破岩方法,热裂和热弱作用使水力切割的范围加大了,其关键在于能产生热渗透性大的快速、高能的加热系统。该种综合破岩方法对环境温度和湿度等方面的不良作用是其实用性的一个限制条件。7通过冲击破碎岩石利用普通的武器或坦克炮发射混凝土弹头使岩石产生破碎的方法在国外叫做REAM法(RapidExcavationandMining)。这种方法是美国国防部技术规划局组织研究的,原理十分简单,即利用高速运动的弹头的冲击能使岩石产生破碎。用106.68mm(4.2in)口径的带自行炮架的火炮进行的巷道试验表明,射弹冲击破碎岩石时不会发生飞石现象,该方法是破碎坚硬岩石的一种快速、有效的方法。8试验阶段的破岩技术本文介绍了几种现代破岩方法及其特点,在这些方