巖石破碎方法的研究現(xiàn)狀及展望

劉柏祿，潘建忠，謝世勇

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

0 引言

目前，我國用于破碎巖石的方法主要有爆破法和機械破巖法［1-2］，這兩類方法應(yīng)用最廣，而其他破巖方法只是作為破巖的一種輔助手段。建立在機械鉆孔、往孔內(nèi)裝入待爆炸藥的常規(guī)爆破破巖方式以綜合效率高在較長時期內(nèi)占據(jù)著相當(dāng)重要的地位，但該方法存在對原巖的擾動性大，易造成周邊巖石破壞，存在支護困難，破碎巖石塊度不均勻，它必須依靠鉆孔、裝藥和爆破等多種工序操作，而且裝藥和爆破過程實現(xiàn)機械化和自動化難度較大。為了克服常規(guī)爆破破巖的缺點，機械破巖得到了快速發(fā)展，在采礦、選礦、石材加工、隧道掘進、石油鉆進方面已得到了廣泛應(yīng)用。但機械破巖也有其局限性，因此出現(xiàn)了許多現(xiàn)代的非機具破巖方法［3］，如：超聲波法、水射流法、射彈沖擊法、水電效應(yīng)法、火花放電法、等離子體法、電子束法（聚焦電子束、脈沖電子束、高能加速器）、激光法、紅外線法、熱熔法（電能、核能）、高頻法、電熱核法、微波法及化學(xué)破碎法等。下面著重對幾種具有代表性的破巖方法進行分析比較。

1 機械破巖

機械破巖是指通過機械驅(qū)動直接接觸巖石的刀具進行巖石破碎的技術(shù)［4］。依據(jù)破巖工具和破巖原理的不同，機械破巖方法大體可分為三類［2-4］：沖擊破巖、切削破巖和沖擊-切削破巖。

1.1 沖擊破巖

沖擊破巖包括金屬及非金屬礦山用鑿巖機、潛孔鉆機和鋼絲繩沖擊鉆機鉆孔以及用碎石機破碎大塊或巖體等。前者屬于沖擊鉆孔，主要破巖工具是刃片或柱齒形硬質(zhì)合金鉆頭。后者屬于利用沖擊破碎器破碎大塊礦巖或人工構(gòu)（建）筑物等［4-5］。此外，煤礦及軟巖礦山用風(fēng)鎬破碎煤巖、金屬礦或石料場，用顎式破碎機和圓錐破碎機加工礦物或石料也屬于這個范疇。

20世紀(jì)60年代以來，英國、南非、美國等對沖擊破碎［6-8］進行了大量可行性研究。稍后，英國于70年代研制了液壓沖擊式破碎機，主要用于煤礦，在抗壓強度比較小的耐火黏土、泥巖、頁巖、粉砂巖和砂巖中完成挑頂作業(yè)。試驗表明，沖擊破碎方法能進行選擇性開采，由于破碎的巖塊較大，作業(yè)效率較高。南非在20世紀(jì)70年代初，研制了一種有9個裝在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)臂的沖擊破碎機，在窄金礦脈的長壁法工作面上進行開采作業(yè)，在嚴(yán)重破碎的采場，使生產(chǎn)能力有了很大的提高。

瑞典LKAB采礦公司與G.鑿巖公司共同開發(fā)研制了一種以水為動力，名為Wassara的潛孔沖擊機［9］，這種機具結(jié)合了重型液壓鑿巖機和風(fēng)動潛孔沖擊器的優(yōu)點，可以達到很高的鑿巖速度和鉆進深孔，具有鑿巖效率和能量利用率很高、炮孔的直度和大氣環(huán)境的潔凈得到改變等優(yōu)點。該設(shè)備已用于地下采礦深孔鑿巖之中。在瑞典北部LKAB公司所屬的兩座地下礦山鉆進了2 000km，證實了這種水力沖擊機的良好性能。澳大利亞SDS公司和美國已研制了一種以水或泥漿驅(qū)動的井下液動沖擊器［10-11］，在深井鉆進過程中顯示了巨大的優(yōu)越性。通過使用這種液動沖擊器可提高鉆鑿堅硬以及特別堅硬巖層的機械鉆速。使用直接循環(huán)的三牙輪鉆頭機械鉆速為3～6m/h，而使用液動沖擊器鉆進速度可達到20m/h。

田取珍教授等［12］在分析采煤工作面的力學(xué)特征和強度特性、滾筒銑削破煤機理的基礎(chǔ)上，充分利用煤巖抗壓不抗拉這一力學(xué)特性，設(shè)計和研制了沖擊式采煤機。這是一種新型的采煤技術(shù)，從它的產(chǎn)塵率來看，屬于一項清潔開采技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景。理論和實踐證明沖擊式采煤有3個顯著的優(yōu)點：采煤時的產(chǎn)塵率大幅度降低，為井下創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境，保障了安全生產(chǎn)和工人的身體健康；提高了塊煤率，提高了礦井經(jīng)濟效益；降低了能耗，研究表明，破碎顆粒越細所消耗的功能也越多，采用沖擊式破煤由于煤塊率的提高而具有明顯的節(jié)能效果。

1.2 切削破巖

包括煤炭、石油、建材及建筑等行業(yè)用麻花鉆頭、刮刀鉆頭、金剛石鉆頭或人造金剛石聚晶復(fù)合片鉆頭（PDC）和螺旋鉆具配合煤電鉆及各種旋轉(zhuǎn)鉆機鉆井，以及用截煤機、掘進機和圓盤鋸機等切削破碎煤巖。前者屬于旋轉(zhuǎn)切削鉆進，主要破巖工具是硬質(zhì)合金或金剛石聚合片等做成的鉆頭。后者是利用帶有刃口的刮刀切割破碎巖石。

南非于1970年開始研究利用線性刮刀切割機在硬巖窄礦脈內(nèi)用長壁法進行線性切割試驗［13-15］，此法可使回采寬度從1.25m減小到0.45m，頂板狀況大大改善。主要技術(shù)問題是刀頭損壞以及在硅質(zhì)磨蝕性巖石中磨損嚴(yán)重。1983年，美國礦業(yè)局開始進行磨蝕性硬巖的切割研究，通過實驗室研究發(fā)現(xiàn)：利用刮刀能夠破碎抗壓強度187MPa的白云巖，隨切割寬度與切割深度比增大，破巖比能逐漸減?。划?dāng)切割深度為切割寬度的2/3至1/2時，切割效率最高；切割力隨切割深度增大而增大，但其增長相對緩慢。刮刀切割式采礦機的實際生產(chǎn)能力是：在抗壓強度124MPa的石灰?guī)r巷道（斷面3m×3m）中，一個鉆臂每班可采下385t巖石。美國礦業(yè)局與加拿大HDRR采礦公司合作研究，對切割刀頭施加低頻振動可使切割式采礦機擴展到極堅硬礦石的開采。在加拿大Suddery礦區(qū)單軸抗壓強度特別高的鎳礦中，切割深度50mm時采礦機的切割速度為150mm/min。

德國Wirtgen公司生產(chǎn)的連續(xù)式地表采礦機，是一種滾動式切割機，起初用于切割煤和軟巖，現(xiàn)已用于切割各種中等硬度的礦巖。該機由履帶或輪胎牽引和推進，切割滾筒位于車體中央下部，其上裝有呈螺旋布置的切割刀頭，由液壓缸將旋轉(zhuǎn)的滾筒擠壓到巖石上進行作業(yè)，切割下來的巖塊由滾筒帶到上面，然后由輸送帶運往后部，再由卸料輸送帶卸到機外。這種采礦機近年來發(fā)展很快，已有系列產(chǎn)品，切割寬度由500mm至4 200mm不等，最大切割深度600mm，切割生產(chǎn)率最高可達1 500m3/h。滾筒的切割深度以及高度均可由液壓缸調(diào)節(jié)，特別適合于間層薄礦層的選擇性開采。

1.3 沖擊-切削破巖

包括地質(zhì)、采油、采礦、采石等部門用牙輪鉆機鉆井和全斷面井巷鉆機掘進，主要破巖工具是各種滑移型牙輪鉆頭和鉆（掘）進機刀頭。

這種方法是破碎堅硬礦巖的有效方法，按其外載類型和加載方式極似切削破巖，但在巨大軸向靜壓作用下的牙輪或滾刀沿孔底或井、巷工作面旋轉(zhuǎn)時，其錯位排列的硬質(zhì)合金柱齒將似“自由下落的彈丸”一樣依次輪流沖擊巖石，即使是不裝柱齒的盤形滾刀也會由于組成巖石的晶粒軟硬不一而導(dǎo)致刀刃高低起伏和產(chǎn)生沖擊載荷，正是這種沖擊載荷將其列入沖擊-切削破巖的范疇，也正是這種沖擊載荷使這種破巖方式得以大幅度地提高破巖效率和擴大其在中硬以上巖石中的應(yīng)用范圍。

目前，以滾力碾壓破碎巖石的平巷掘進機、天井鉆機和豎井鉆機已成為井巷掘進的常規(guī)設(shè)備；以相同破巖原理為基礎(chǔ)的硬巖連續(xù)采礦機也有了相當(dāng)大的進展16-17］。美國Robbins公司研制了移動式采礦機，這種采礦機靠履帶行走，利用周邊裝有盤形滾刀的大直徑刀盤徑向切割破巖。刀盤安裝在鉸接于機器主梁且可繞垂直軸線左右擺動的支臂上，其旋轉(zhuǎn)平面垂直于底板且與巷道方向一致。作業(yè)時，刀盤由大功率電機驅(qū)動，圍繞水平軸線低速旋轉(zhuǎn)，由推進油缸將其壓入工作面，再由支臂帶動，做左右擺動，便可切割出帶有圓角的矩形斷面巷道。巷道的高度就等于刀盤直徑，寬度則取決于支臂的擺角。MM-130移動式采礦機于1992年先后在地表和井下完成了調(diào)試和運轉(zhuǎn)性能試驗，還在砂巖分層充填采礦法中進行了回采試驗。該機采礦能力為28m3/h，在巖石抗壓強度50～270MPa、高4.1m、寬6.15m的巷道中，掘進速度1.2m/h，滾刀費用不超過200澳元/m。兩臺樣機試驗表明，盤刀碾壓破巖移動式連續(xù)采礦機是硬巖采掘的一種可行方法，比鑿巖爆破法更有競爭力。日本在該公司訂購的MM-130R更新型連續(xù)采礦機，可用于掘進50～80m2的大斷面工程。

瑞典Atlas Copco公司于上世紀(jì)70年代后期進行切割原理試驗。該公司與Boliden采礦公司等聯(lián)合研制的DBMN7050采礦機，可在抗壓強度比較高的巖石中掘進斷面為16.8～20m2、曲率半徑15m的平底板馬蹄形巷道，年進尺可達4～6km。該機的主要特點是所謂“中心定位”，即當(dāng)大臂下放時其擺動軸呈水平狀態(tài)，與刀盤旋轉(zhuǎn)軸線交成直角，且有550mm的前置偏移，以確保刀盤上的全部滾刀在鉆進擺動過程中都能同等參與切割。

德國Wirth公司與加拿大HDRK采礦研究中心聯(lián)合研制的CM連續(xù)采礦機，有4把沉割式盤形滾刀，分別裝在4個可徑向回轉(zhuǎn)的切割臂上。其中一個切割臂自外側(cè)向中心擺動，切割工作面的中心區(qū)，其余3個切割臂則從里往外以同等直徑按螺旋線軌跡切割外圍區(qū)，切割動作由計算機程序控制。可掘進最大高度和寬度均為4.5m的帶圓角的方形斷面巷道。該機在Herdecke地下砂巖礦進行了首次試驗，每小時可采掘抗壓強度120～140MPa的粗大巖塊24.8m3。

然而，上述種種沖擊-切削破巖機械，其沖擊功能都不是由沖擊機構(gòu)直接賦予的，而是依靠刀具運動產(chǎn)生沖擊載荷。

2 非機械破巖

非機械破巖是指借助于水力、熱力、磁場力、激光等動力進行破巖，而非機械驅(qū)動刀具的一種破巖技術(shù)。目前，正在研制開發(fā)并漸趨成熟的破巖技術(shù)有如下幾種［18-21］。

2.1 水力破巖

水力破巖是指利用高壓水射流沖擊巖石以破碎巖石的方法。這種破巖技術(shù)可在采石場中切割抗壓強度60～120MPa的標(biāo)準(zhǔn)石材。在20世紀(jì)70年代初期，出于經(jīng)濟及破巖效率等方面的考慮，人們開始將研究的重點轉(zhuǎn)移到了水射流輔助機械破碎中硬及中硬以上巖石。例如，在新的平巷掘進機、懸臂式巷道掘進機和天井鉆機上，已有不少利用高壓水射流輔助切割的應(yīng)用實例。利用高壓水射流直接破碎硬巖或進行塊狀切割的技術(shù)，也在研究試驗之中。大量試驗研究表明，水射流輔助機械切削破碎巖石的優(yōu)點在于：水射流切槽可增加巖石自由面，從而減少機械切割力，加大切深，提高破巖速度，并能冷卻刀具，降低切削溫度，減少刀具磨損和脆性破壞的可能性，延長刀具使用壽命，防止摩擦發(fā)火，控制粉塵和減少噪聲。目前，水射流輔助機械破巖技術(shù)在鉆井、采煤等方面得到了一定的應(yīng)用。由于高壓水射流是由高壓水泵提供動力，而高壓水泵泵壓受到限制，因此，難以大面積破碎硬巖。

2.2 熱-機碎巖

熱-機碎巖鉆進工藝是近幾年發(fā)展起來的一種新型的復(fù)合式碎巖工藝，是傳統(tǒng)的熱力碎巖工藝與機械碎巖工藝的有機結(jié)合［5，22］。俄羅斯勘探技術(shù)研究所研制了TMBK型熱力-機械鉆頭，它是利用所產(chǎn)生的熱量給巖石加溫以形成熱應(yīng)力區(qū)和相變，在該區(qū)內(nèi)給巖石加溫時，其強度相應(yīng)降低5％～70％。它將鉆進過程中原以為有害的摩擦熱能用來輔助機械碎巖，進而提高鉆進效率、降低鉆進成本，是對傳統(tǒng)鉆進工藝的一大發(fā)展。熱力碎巖機理有兩種形式：一種是孔底溫度600℃左右時，由于巖石內(nèi)部和表面的熱應(yīng)力作用，使巖石強度降低，提高了碎巖效率；另一種是當(dāng)孔底溫度達800～900℃時，巖石邊界層接近熔融，切削齒在巖石塑性狀態(tài)下切削碎巖，從而提高碎巖效率。

2.3 貫通錐形斷裂破巖（PCF技術(shù)）

PCF（Penetrating Cone Fracture）技術(shù)是以拉伸破碎機理為指導(dǎo)，在受控的條件下用小藥包破碎巖石，用于井下或露天連續(xù)開挖巖石。這是美國森伯斯特巖石開挖技術(shù)公司（Sunburst Excavation）開發(fā)的與機械破巖相結(jié)合的，能形成連續(xù)采挖系統(tǒng)，可以對強度為80～350MPa的巖石進行連續(xù)破碎的方法。這種方法是以貫穿錐體斷裂形態(tài)為基礎(chǔ)的，其特點是采用氣體噴嘴裝置為淺鉆孔迅速加壓，該氣體噴嘴是一個類似“槍”一樣的裝置，其工作原理如下：將一枚“子彈”插入“槍膛”內(nèi)，采用普通子彈的發(fā)射技術(shù)將其點燃，所產(chǎn)生的氣體通過槍管射向淺鉆孔的底部，在孔底產(chǎn)生一個快速但無爆炸性的脈沖壓力，形成拉伸應(yīng)力場，從而使巖石發(fā)生破裂。該方法與鑿巖爆破相比，材料消耗低，巖石的破碎斷面易于控制，比一般的鉆爆法對巖石破碎效率高4～5倍。該技術(shù)目前已發(fā)展到能大規(guī)模應(yīng)用于凡與普通鑿巖爆破法有競爭優(yōu)勢的場合。

2.4 激光破巖

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。近年來的研究結(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的切縫，在掘進硬巖隧道時，用激光切割器比用機械法在經(jīng)濟上具有優(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。

2.5 微波破巖

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。該裝置的頻率為915±25Hz，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)濟比較。在不考慮經(jīng)濟指標(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技術(shù)。

2.6 等離子破巖

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。它是利用等離子體破巖法對不規(guī)則巖塊進行二次破碎，無論在國內(nèi)還是在國外其技術(shù)已接近成熟；等離子法在堅硬巖石中穿鑿炮孔較機械鉆孔法速度快。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，通過采用導(dǎo)向器在一定程度上改善了這種情況，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)生根本改變，同時，也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)達國家所重視和關(guān)注。此外，利用等離子破巖法進行全斷面隧道掘進是一個頗具吸引力的遠景方案。

2.7 電子束破巖

利用特殊的加速器產(chǎn)生的電子束進行巖石破碎，是近年來發(fā)展起來的一種方法?？梢岳枚喾N電子槍設(shè)備產(chǎn)生電子束進行破巖，但其原理都是一樣的。在非接觸式破巖方法下，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。與其他破巖方法相比，電子束破巖具有更高的功率密度和能量轉(zhuǎn)換率（高達75％），且不存在一般機械法的反沖問題。

3 結(jié)語

從上述分析的破巖方法及其特點可知，機械破巖方法作為一種成熟的破巖方法，在生產(chǎn)中已顯示出比鉆孔-爆破破巖方式具有更強大的生命力和優(yōu)越性。該方法具有作業(yè)連續(xù)，破巖效率高，采掘速度快，生產(chǎn)成本低，作業(yè)安全，勞動條件好，對幫壁和周圍環(huán)境危害小，可減少支護，能進行選擇性開采，從而提高回收率和降低貧化率，以及易于實現(xiàn)自動化作業(yè)，采下的礦巖塊度適于運輸?shù)纫幌盗袃?yōu)點，是一種較理想的采掘工藝，而非機械破巖方法有的已趨于成熟，有的則處于試驗階段。但這些方法推廣應(yīng)用于實際中還有一定的距離，有些方法必須與機械破巖相結(jié)合。可以預(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)進一步提高和采礦生產(chǎn)的進一步發(fā)展，機械破巖及其與非機械破巖技術(shù)相結(jié)合的方法在未來破巖技術(shù)構(gòu)成中所占的比例將逐步增加，機械破巖技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用。

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