專利名稱：通過組合使用沖擊錘和小藥量爆炸來實現(xiàn)硬質(zhì)巖石和混凝土的受控破碎的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明要求于1995年8月7日提出的待審美國臨時申請No.60/001,956的優(yōu)先權(quán)，其名稱為“通過組合使用沖擊錘和小藥量爆炸來實現(xiàn)硬質(zhì)巖石和混凝土受控破碎的方法”。本文將引用其全文作為參考。
本發(fā)明總體上涉及一種挖掘硬質(zhì)巖石和混凝土的方法，更具體地說，涉及使用小藥量爆炸和沖擊錘來挖掘硬質(zhì)巖石和混凝土的方法。
在采礦、采石和土木建筑工業(yè)中，挖掘巖石是一項基本工作。與挖掘巖石和其它硬質(zhì)材料相關(guān)的這些工業(yè)有許多重要的互相制約的要求。它們包括減少巖石挖掘的費用；增加挖掘速度；提高安全和減少安全費用；較好地控制挖掘過程的精確性；在市區(qū)和環(huán)境敏感區(qū)域可接受的經(jīng)濟有效的巖石挖掘方法。
鉆孔和爆炸方法是最通常用的方法，也是巖石挖掘通常最適用的方法。由于規(guī)定的限制，這些方法對許多城市環(huán)境是不合適的。在采礦生產(chǎn)中，鉆孔和爆炸方法主要受生產(chǎn)速度的限制，而在礦石開采和民用隧道開采中，由于大規(guī)模鉆孔和爆炸工序的周期特征，鉆孔和爆炸方法基本上受到限制。
隧道開鑿機器用于挖掘長的、比較直的、圓形截面的隧道。這種機器很少用于采礦操作。
筑路機器用于采礦和建筑應用，但只限于中等硬度、非磨料巖石結(jié)構(gòu)層。
機械沖擊破碎機(mechanical impact breaker)是目前用于破碎過大巖石、混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一種方法。在技術(shù)上，機械沖擊破碎機已前進了一步，它通過使用高能液壓系統(tǒng)來增加沖擊工具的沖擊能量和沖擊頻率，并用高強度、高抗裂韌性鋼作刀具。機械沖擊破碎機幾乎可以用于任何工作場所，因為它不會產(chǎn)生噴氣并且它們的地震圖形相對低。作為一種通用挖掘工具，機械沖擊破碎機局限于帶有高度裂縫的軟巖石結(jié)構(gòu)層。在較硬巖石結(jié)構(gòu)層中(無側(cè)限抗壓強度(unconfined compressive strength)大于60-80MPa)，機械沖擊破碎機的效率明顯降低，并且刀具的磨損明顯增加。機械沖擊破碎機本身不能經(jīng)濟地從地下挖掘大塊硬巖石結(jié)構(gòu)層。
小藥量爆炸技術(shù)(small-charge blasting technique)可以用于包括大塊、硬巖石結(jié)構(gòu)在內(nèi)的所有巖石結(jié)構(gòu)。小藥量爆炸所包括的所有方法在任何一次爆炸時所用爆炸試劑量都很小，它和許多傳統(tǒng)的鉆孔和爆炸操作不同，這些操作包括鉆多個孔；在孔中裝上炸藥，在幾微秒內(nèi)引爆每個孔，它們所用的爆炸試劑約為幾十千克到幾千千克。
小藥量爆炸會產(chǎn)生損壞周圍機器和結(jié)構(gòu)的飛石，并且會產(chǎn)生對人有傷害的噴氣和噪音。另外，小藥量爆炸技術(shù)不能經(jīng)濟地用于經(jīng)常有精度要求的挖掘。
所以，需要有一種能有效破碎巖石且產(chǎn)生低速飛石的方法和裝置，以使在巖石破碎操作過程中，鉆孔、清理、運輸和現(xiàn)場支撐設備都可以保持在工作面上。
本發(fā)明滿足了這些和其它的要求。在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種硬材料受控破碎的方法，它包括以下各步(a)向位于硬材料自由表面上孔底內(nèi)釋放氣體；(b)密封孔底的氣體，為孔底加壓，使裂縫從孔底開始擴展，從而在硬質(zhì)材料上形成了一裂縫部分，該裂縫部分的一部分暴露于孔周圍的自由表面內(nèi)；和(c)用一沖擊破碎機沖擊暴露于自由表面上的裂縫部分，從自由表面移去裂縫部分內(nèi)的材料。用于形成氣體所需的爆炸試劑的量典型地相對少。裂縫是已存在的裂縫，其和孔底、孔加壓區(qū)交叉，或者是從孔底角部擴展的新裂縫。
該方法有許多優(yōu)點。小藥量爆炸和沖擊破碎技術(shù)的組合使用，和它們單獨使用時的各自效率相比，明顯提高了巖石破碎的效率。小藥量爆炸和沖擊破碎技術(shù)的組合使用典型地可以在較短時間內(nèi)取出較大量的巖石，它所用時間比單獨使用小藥量爆炸和機械沖擊破碎技術(shù)所用時間短，特別是在較硬的材料中，組合使用兩種技術(shù)既具有小藥量爆炸技術(shù)的優(yōu)點(如，使用低地震圖像和在爆炸過程中產(chǎn)生的飛石量少)，又具有機械沖擊破碎技術(shù)的優(yōu)點(如，修剪孔表面輪廓的能力和分割表面上的大塊巖石以提高清理操作的效率)。
通過引爆炸藥或燃燒燃料可以將氣體釋放到孔底。小藥量技術(shù)包括逐個引爆各個孔或同時引爆多個孔。因為任何一次所用爆炸試劑量少，所以，小藥量爆炸技術(shù)的地震圖像相對低。根據(jù)所用方法，地下小藥量爆炸技術(shù)每次用約0.15-0.5kg的爆炸試劑來移去約0.3-10堆積立方米(bank cubic meter)數(shù)量級的巖石。在地上挖掘、小藥量和地面小藥量爆炸技術(shù)中，每次所用藥量可以增加到約1-3kg爆炸試劑，每次能移去10-100堆積立方米。
沖擊破碎機沖擊自由表面的裂縫部分的沖擊能量最好約為0.5-500千焦。沖擊破碎機的沖擊頻率典型地約為每秒一次到每秒二百次。
沖擊步驟最好緊跟著釋放和密封步驟。該技術(shù)基本上可以用于逐孔引爆或同時引爆多個孔。


圖1是一曲線圖，示出的(1)一典型的機械破碎機；(2)一典型的小藥量爆炸工序；和(3)同時使用兩者時的開采速率是巖石無側(cè)限抗壓強度的函數(shù)。該曲線圖示出了組合使用兩者時的性能比單獨使用兩者時性能之和大多少。
圖2是小藥量爆炸工序一般元件的局部側(cè)面剖視圖，圖中示出了一短鉆孔；一炸藥包，它位于孔底部，包括一定量的爆炸試劑和點火元件；和一堵塞(填塞，密封)元件，它堵塞住炸藥，將氣體生成物集中到孔底。
圖3是通過小藥量爆炸工序在巖石表面形成的弧坑的局部側(cè)面剖視圖，圖中示出了從弧坑射出的破碎巖石以及保持在產(chǎn)生弧坑區(qū)下面的殘余裂縫。
圖4是一巖石表面的局部側(cè)面剖視圖，圖中示出了在巖石上鉆有兩個短孔，通過小藥量爆炸工序來爆破，所以孔周圍的巖石均被移去了。該簡圖示出了由小藥量爆炸法形成的在孔底附近驅(qū)入巖石內(nèi)的一個大裂縫或多個裂縫以及其它殘余小裂縫，還示出附近表面之下的裂縫網(wǎng)如何減弱整個巖石結(jié)構(gòu)的強度。
圖5是一典型的機械沖擊破碎機的局部側(cè)面剖視圖，示出了破碎機組件和破碎刀具。圖中所示破碎機組件固定在一鉸接懸臂組件上，懸臂組件固定在一下托架上。
圖6是一巖石表面的局部側(cè)面剖視圖，其中，一機械沖擊破碎刀具已沖擊巖石表面，在周圍巖石中引發(fā)裂縫。
圖7是一挖掘系統(tǒng)的局部側(cè)面剖視圖，圖中示出了下托架；一懸臂，在它上面固定有一機械沖擊破碎機；和一懸臂，在它上面固定有一小藥量爆炸裝置。
圖8是(1)固定在分度機構(gòu)上的小藥量爆炸裝置的局部側(cè)面剖視圖，分度機構(gòu)又固定在鉸接懸臂組件的一端；(2)分度機構(gòu)的正視圖，圖中示出了一巖石鉆頭和一小藥量爆炸裝置。
本發(fā)明組合使用小藥量爆炸工序和一機械沖擊破碎機(也稱作液壓錘或沖擊型松土機)。小藥量爆炸方法意味著使用小量炸藥使巖石少量破碎，它和許多傳統(tǒng)的鉆孔和爆炸操作不同，這些方法包括；鉆多個孔，在孔中裝藥(例如，在地上挖掘時，藥量約為20-250噸)；在幾微秒中爆炸每個孔；通風和清理工序。在地下挖掘場合中，小藥量爆炸技術(shù)所用爆炸試劑的量約為0.15-0.5，比較好的約為0.15-0.3，最好約為0.15-0.2kg，每次移去的材料約為0.3-10，比較好的約為1-10，最好約為3-10堆積立方米。在地上挖掘場合中，小藥量爆炸技術(shù)所用爆炸試劑的量約為1-3，比較好的約為1-2.5，最好約為1-2kg，每次移去的材料約為10-100，比較好的約為15-100，最好約為20-100堆積立方米?！岸逊e立方米”是原生巖石的立方米，而不是從巖石表面脫剝離的疏松巖石的立方米。
小藥量爆炸通常涉及逐個引爆各孔，但也可以包括同時引爆多個孔。由于任何一次爆炸所用藥量小，所以小藥量爆炸方法的地震圖像相對低。優(yōu)選的爆炸試劑包括炸藥和燃料。
最好是同時鉆且引爆多個孔(在整個周期小于一秒的時間內(nèi))，盡管小藥量爆炸所用爆炸試劑的總量約為2kg數(shù)量級或更少。然而，這里涉及的大多數(shù)小藥量爆炸方法的鉆孔和引爆通常在許多分鐘之內(nèi)才能完成。連續(xù)小數(shù)量爆炸引爆的平均時間約為0.5-10分鐘，比較好的約為1-6分鐘，最好約為1-3分鐘。
通過使用比小藥量爆炸技術(shù)所用鉆孔更深的鉆孔可以改進小藥量爆炸技術(shù)，以優(yōu)化沖擊破碎機的效率。較深的鉆孔的深度基本上可以最大程度降低飛石能量，因為它使更多的裂縫巖石保持在巖石的原位。當小藥量爆炸技術(shù)和沖擊破碎技術(shù)一起使用時，巖石中孔的深度最好為孔直徑的3-15倍。在一個實施例中，一定數(shù)量的裂縫巖石保持在巖石的原位。典型地，炸藥只給巖石足夠能量以讓巖石產(chǎn)生裂縫，但是不讓巖石從表面剝落下來，至少約有50％，比較好的至少約為75％，最好至少約為80％保持在巖石原位。
機械沖擊破碎機通過向巖石傳送一系列機械沖擊來操作。破碎機和裂縫巖石的接觸面積最好約為500-20,000m2。沖擊能量在幾千焦耳之內(nèi)，錘擊的頻率約為每秒鐘1-100次。機械沖擊破碎機還可以用于劈開、橇起和剝離裂縫或部分剝離的巖石。機械沖擊破碎機每次沖擊引爆的能量約為0.5-20千焦，比較好的約為1-15千焦，最好約為1-10千焦。機械沖擊破碎機沖擊頻率約為每秒1至100次，比較好的約為每秒5至100次，最好約為每秒25至100次。
本發(fā)明通過交替使用小藥量爆炸法和機械沖擊破碎機來破碎巖石或其它硬質(zhì)材料(如混凝土)，可以獲得非常有效的巖石破碎；可以嚴格控制由小藥量爆炸工序產(chǎn)生的任何飛石；產(chǎn)生較低的地震圖像；可以精確控制洞輪廓的周邊。飛石動能約為0-450焦耳/千克，比較好的約為0-100焦耳/千克；最好約為0-50焦耳/千克。從離引爆點或沖擊點10米遠的地方測得的地震顆粒速度峰值約為0-30毫米/秒，比較好的約為0-15毫米/秒，最好約為0-2毫米/秒。從預定挖掘輪廓測得的超挖(overbreak)約為0-150mm，比較好的約為0-100mm，最好約為0-50mm。
在有裂縫的和整塊的硬巖石中，組合使用小藥量爆炸和機械破碎機可以提供最優(yōu)化性能。例如，一次引爆有時不能完全破碎巖石，液壓破碎機可以快速有效地完成巖石的破碎或移走。在許多應用場合，預期操作者會趨向于下方爆炸，從而最大程度減少飛石。所以，破碎機的功能是完成巖石的破碎；使破碎巖石按所需的碎石尺寸來破碎；修剪挖掘的輪廓至規(guī)定的尺寸；和去除小駝峰或腳趾狀物。
在相對軟的裂縫巖石結(jié)構(gòu)中，機械沖擊破碎機可以用合理的效率(移去單位容積巖石所需的能量)和可接受的破碎刀具的使用壽命單獨操作。通過使用一次或多次小藥量爆炸工序來破碎和軟化巖石可以提高機械沖擊破碎機的效率。如果需要的話，孔的中心部分可以通過小藥量爆炸方法完全移走，為機械沖擊破碎機生成額外的自由表面。小藥量爆炸工序所需的鉆孔可以鉆得足夠深，以保證鉆孔底部周圍的巖石要么產(chǎn)生裂縫而不剝離，要么以低能量的飛石剝落掉。在相對軟的裂縫巖石結(jié)構(gòu)中，機械沖擊破碎機一般用于挖掘大部分的巖石。例如，小藥量爆炸可以移走約20％數(shù)量級的巖石，而機械沖擊破碎機可以搬走其余的80％巖石。
在帶有裂縫的中等強度的巖石中，由于巖石硬度增加；裂縫的減少；以及巖石結(jié)構(gòu)不均勻，使機械沖擊破碎機的挖掘效率和工具的壽命都減少。在這種情況下，要增加小藥量爆炸的鉆孔數(shù)以減弱和/或移走更多的挖方。機械沖擊破裂機用于移走任何保留在孔中心部分的疏松邊界巖石，還用于完成挖掘，使洞達到理想的邊界或剪切線。另外，小藥量爆炸工序所需的鉆孔可以鉆得足夠深，以保證要么巖石在鉆孔底周圍產(chǎn)生裂縫而不從巖石表面剝落下來，要么從巖石表面上剝落下一層能量非常低的飛石。在帶有一些裂縫的中等強度的巖石中，小藥量爆炸和機械沖擊破碎機移走的挖方大致相同。
在相對硬到很硬、大塊的巖石結(jié)構(gòu)中，機械沖擊破碎機本身不能破碎或移走一點巖石，并且刀具的使用壽命也明顯減短或等于零。在這種情況下，必須使用小藥量爆炸或其它方法來破碎巖石。小藥量爆炸本身可以挖掘硬的、大塊巖石結(jié)構(gòu)，但其挖掘效率也很低。在較硬的巖石表面必須鉆相對較短的鉆孔。如果孔太深，剝落的巖石就少甚至沒有。如果孔太短，飛石的能量就會很高，導致附近的設備損壞。然而，如果小藥量爆炸所用的鉆孔比較深(而不是較淺)，基本上就可以避免高能飛石的產(chǎn)生，幾次小藥量爆炸以后，已發(fā)現(xiàn)機械沖擊破碎機可以剝落大部分巖石。這是因為小藥量爆炸引爆已在鉆孔底部區(qū)域產(chǎn)生一表面之下的裂縫網(wǎng)，降低了巖石的硬度，足以讓機械沖擊破碎機重新獲得效率和可接受的刀具使用壽命。在硬的、大塊巖石結(jié)構(gòu)中，需要進行許多次小藥量爆炸引爆。錘擊的次數(shù)取決于實際上有多少巖石已被小藥量爆炸方法移走。除了爆破挖掘的中心部分外，小藥量爆炸還可以在挖掘的周邊進行。機械沖擊破碎機，由于它具有較高級的控制，它還用來完成剪切，以達到所需的輪廓。
組合使用小藥量爆炸和機械沖擊破碎機的關(guān)鍵方面是組合使用的效率遠遠高于單獨使用。破碎機實際上是提高小藥量爆炸工序的平均開采量。小藥量爆炸提高了機械沖擊破碎機的效率和工具使用壽命，并將其應用范圍擴大到較硬、帶有較少裂縫的巖石結(jié)構(gòu)。
例如，在無側(cè)限抗壓強度(UCS)約為60-100MPa的巖石中，單獨使用機械沖擊破碎機要用4個小時才能移走約30m3的挖方(約100kw功率傳到巖石表面)。單獨使用小藥量爆炸工序要用2個小時和約20次引爆來挖掘約30m3的挖方(每次引爆約用0.3kg(1兆焦)爆炸試劑)。當一起使用時，挖掘30m3的土方可以用2-3次小藥量爆炸引爆花去約半小時時間，再花一小時的機械沖擊破碎。
在75％的應用中，單獨使用機械沖擊破碎機將消耗18兆焦的能量，花4個小時完成挖掘。單獨使用小藥量爆炸將消耗20兆焦的能量，花3個小時完成挖掘(還必須使用破碎機來提供最終輪廓)。組合使用兩者，將消耗7.5兆焦的能量，用1個半小時完成挖掘。
再舉個例子，在無側(cè)限抗壓強度(UCS)約為250-300MPa的巖石中，單獨使用機械破碎機實際上不能破碎任何巖石。單獨使用小藥量爆炸工序挖掘30m3需要5個小時和60次引爆。當組合使用時，挖掘30m3需要15-25次小藥量爆炸，需要2個小時和另外用機械沖擊破碎花2個小時來剝落小藥量爆炸法沒有移走的巖石，剝落疏松巖石和修剪挖掘輪廓。
單獨使用小藥量爆炸要消耗約60兆焦的能量，花6個小時來完成挖掘(還要用破碎機來提供最終輪廓)。組合使用時，消耗約25-約35兆焦的能量，在4小時內(nèi)完成挖掘。
圖1中示出了單獨使用機械沖擊破碎機、單獨使用小藥量爆炸和組合使用兩者的挖掘生產(chǎn)效率比較。
本發(fā)明通過組合使用機械沖擊破碎機和小藥量爆炸而擴大了兩者的應用范圍，它明顯提高了操作性能，比單獨作用性能之和還高。組合使用還彌補了每種方法單獨作用時的明顯的局限性。
通過組合使用兩種方法，與單獨使用每種方法相比，生產(chǎn)率(每小時巖石破碎的立方米)約增加到兩倍到七倍，比較好的約增加到三倍至十倍，最好約增加到四倍至十倍。
通過組合使用兩種方法，機械沖擊破碎機在軟巖石以及中等和硬巖石結(jié)構(gòu)中的性能明顯提高，單獨使用時，機械沖擊破碎機不具有經(jīng)濟的挖掘速度。通過組合使用兩者，機械沖擊破碎機的刀具磨損明顯減少，因為巖石的硬度被前面的小藥量爆炸法降低，所以會形成額外的自由表面。
通過組合使用兩種方法，小藥量爆炸引爆的平均開采量明顯提高(2至10倍)，因為機械沖擊破碎機可以剝離阻礙后續(xù)小藥量引爆的有效堆積的裂縫巖石。通過組合使用兩種方法，小藥量引爆所用的鉆孔可以鉆得深一些，所以可以減少或消除小藥量引爆所產(chǎn)生的飛石的能量。
小藥量爆炸的破碎機構(gòu)在小藥量爆炸中，在巖石里鉆一短孔，將小量炸藥試劑放在孔中；用合適的材料(如砂，泥，巖石或鋼桿)堵住或塞住炸藥，引爆炸藥。炸藥產(chǎn)生的氣體可以引發(fā)或擴展新裂縫或擴展已存在的裂縫，從而挖掘孔底周圍少量的巖石。小藥量爆炸工序的主要元件如圖2所示。
鉆孔可以鉆成這樣的形式，其能保證完全時產(chǎn)生裂縫，并使破碎的巖石帶有一定能量被加速離開巖石表面，如圖3所示。這種情況下，剩下的巖石在挖掘的弧坑周圍包含一些殘余裂紋，弧坑將構(gòu)成額外的自由表面。這兩個特征都有助于提高機械破碎機的性能。
另外，鉆孔可以鉆得深一些，以防止裂縫擴展到表面，或者如果裂縫確實達到了表面，則沒有殘余的氣體能量使破碎的巖石碎片加速。圖4示出了這種情況。在這種情況下，鉆孔底周圍的巖石保持有一裂縫網(wǎng)，它相當大地減弱了巖石的硬度，并有助于提高機械破碎機的性能。另外，已經(jīng)擴展到表面的裂縫可以作為機械沖擊破碎機撬動、劈開或剝離疏松巖石提供沖擊位置。
小藥量爆炸的基本前提是通過一系列連續(xù)引爆，每次引爆去除少量巖石，它和許多傳統(tǒng)的鉆孔和爆炸操作不同，這些方法包括鉆多個孔；在孔中裝上炸藥；在一定時間內(nèi)引爆各個孔；排氣和清理等環(huán)節(jié)。小藥量爆炸每次引爆移走的巖石量約為1/2-3m3，兩次引爆之間的時間間隙典型地為2分鐘或更多。
這里有多種完成小藥量爆炸的方法。它們包括但不局限于1.用傳統(tǒng)的鉆孔和爆炸技術(shù)鉆孔和爆破一短孔。在孔的底部可以裝上炸藥，并用砂和/或巖石堵住。這是建立在已有的和眾所周知的基本鉆孔和爆炸經(jīng)驗之上。
2.用緩沖爆炸技術(shù)鉆孔和爆破一短孔。這里，孔底部可以裝上炸藥，炸藥和巖石隔開，并用砂和/或巖石塞住。這也是建立在已有的和眾所周知的基本鉆孔和爆炸經(jīng)驗之上。
3.用一氣體噴射器來在一短鉆孔底加壓，如1992年3月24日公布的名稱為“用于破碎堅實細密巖石和混凝土材料的受控裂縫方法和裝置”的美國專利No.5,098,163中的實施方式。
4.使用燃料基在孔底放燃料的方法(propellant based charge-in-hole)在短鉆孔底部加壓，如1994年5月3日公布的名稱為“用于堅實致密巖石和混凝土的受控裂縫的無炸藥鉆孔加壓方法和裝置”的美國專利No.5,308,149中的實施方式。
5.使用一種炸藥基的方法在鉆孔底加壓，名稱為“通過給鉆孔底進行炸藥加壓來實現(xiàn)對硬質(zhì)巖石和混凝土進行受控小藥量爆炸的方法和裝置”的臨時美國專利申請中的實施方式。
小藥量爆炸的優(yōu)選方法將取決于巖石結(jié)構(gòu)層的類型和為了讓機械破碎機取得優(yōu)化性能的最佳效果裂縫形式。
機械沖擊破碎機的破碎機構(gòu)機械沖擊破碎機的向巖石表面?zhèn)魉鸵幌盗懈吣軟_擊。圖5示出了典型的機械沖擊破碎機。單次沖擊的能量在幾百焦耳到幾萬焦耳范圍內(nèi)。沖擊的頻率可能從每秒幾次到每秒一百次以上。每次沖擊將向巖石傳送一沖擊脈沖，它又將從鄰近自由表面反射，使巖石處于拉伸狀態(tài)，產(chǎn)生引發(fā)裂縫所必需的條件。每次沖擊還會延伸已存在的裂縫。一強沖擊脈沖包括一強沖擊，其后面緊跟著一強的膨脹波(sharp rarefaction wave)，使壓力在此地震波繞過受脈沖影響的巖石容積所需時間還短的時間內(nèi)發(fā)生升降。圖6示出了這種機構(gòu)。一系列沖擊將會在巖石中形成振動應力圖樣(vibrating stress pattern)，它會加快巖石破碎。也可以用破碎工具通過使工具本身部分進入裂縫內(nèi)而撬動或劈開巖石。
組合使用小藥量爆炸方法和機械沖擊破碎機的破碎機構(gòu)可以在巖石表面進行一次或多次小藥量引爆來生成(1)表面之下的裂縫網(wǎng)；(2)額外的自由表面；或(3)以上兩者的組合。通過擴展裂縫網(wǎng)和額外的自由表面，小藥量爆炸為有效使用機械沖擊破碎機創(chuàng)造了必要的條件。
在許多情況下，單獨使用小藥量爆炸會使多個孔中的破碎是不完全的，而孔底周圍的巖石會產(chǎn)生裂縫。后續(xù)的孔必須隔得足夠開，以防止后續(xù)孔底產(chǎn)生的壓力過早地排放到先前形成的表面之下的裂縫中，所以，減少了引爆的開采量。這種情況可以通過鉆較短的孔以保證裂縫達到表面，使巖石完全脫落的方法來避免。然而，這會導致一定量的氣體能量將會使破碎巖石加速，從而產(chǎn)生帶有足夠能量的飛石，會損壞附近的設備。
如果小藥量孔鉆得足夠深，讓孔底周圍的巖石產(chǎn)生裂縫又不會從巖石上剝落(等效于孔下爆破)，然后，可以用一機械沖擊破碎機來剝離巖石，而沒有會產(chǎn)生高能飛石的危險。用這種方法，可以消去巖石表面的疏松巖石，后續(xù)的小藥量爆炸引爆可以在合格的巖石上進行，從而減少孔底產(chǎn)生的壓力過早排放的可能。
所以，小藥量爆炸的使用擴大了破碎機可以有效操作的巖石強度范圍。破碎機可以幫助減少會降低小藥量爆炸效率的疏松巖石，并幫助防止產(chǎn)生高能飛石。
組合系統(tǒng)的部件組合機械沖擊破碎機/小藥量爆炸系統(tǒng)的主要部件是■懸臂組件和下托架；■機械沖擊破碎機；■巖石鉆；■小藥量爆破機構(gòu)■分度機構(gòu)(the indexing mechanism)。
圖7簡單示出了系統(tǒng)的基本部件。下面各段將介紹各部件的主要特征。
懸臂組件和下托架托架可以是任何標準采礦或建筑托架或任何為固定懸臂組件而專門設計的托架?？梢灾圃煊糜跒榇蜇Q井(shaft sinking)、采礦(stope mining)、窄脈巖采礦(narrow vein mining)和軍用操作(military operation)的專用托架。
典型地，需要兩個懸臂組件。一個用于安裝機械沖擊破碎機，第二個用于安裝小藥量爆炸機構(gòu)。這兩個懸臂組件可以由任何標準采礦或建筑鉸接懸臂或任何改進的或商品化的懸臂。懸臂組件的功能是將破碎機或小藥量破碎裝置放在所需的位置上。在用于小藥量裝置時，懸臂組件可以用于安裝一分度器組件。分度器夾持著巖石鉆頭和小藥量機構(gòu)，并繞對準巖石鉆頭和小藥量機構(gòu)的軸線轉(zhuǎn)動。當巖石鉆頭在巖石表面鉆一短孔時，分度器轉(zhuǎn)動來對準小藥量機構(gòu)，以準備好將它插入鉆孔中。分度器組件免去了巖石鉆頭和小藥量機構(gòu)需要單獨懸臂的要求。懸臂和分度器的質(zhì)量也起著提供反彈質(zhì)量和為鉆頭和小藥量機構(gòu)提供穩(wěn)定性的作用。
機械沖擊破碎機機械沖擊破碎機也稱為液壓錘、高能液壓錘或沖擊松土機。一開始，這些機械沖擊破碎機是氣動的，基本上用于破碎圓石和用于混凝土破碎工作。后來引進了液動方式，沖擊能量和沖擊頻率都提高了。隨著機械沖擊破碎機的能量增加，它被引入地下建筑和采礦操作，它經(jīng)常和一反鏟(backhoe)一起使用來挖掘軟的、裂縫巖石。在南非已發(fā)展一種稱為沖擊松土機(impact ripper)的機械沖擊破碎機，用于窄礦脈采礦操作。機械沖擊破碎機典型地是安裝在它自己的懸臂組件上，該懸臂可以將破碎機放在所需的位置上，并使下托架在操作過程中不受振動。機構(gòu)沖擊破碎機還可以引入反饋控制，根據(jù)變化的巖石條件來調(diào)節(jié)沖擊能量和頻率。
巖石鉆鉆包括鉆馬達，鉆鋼和鉆頭馬達可以是氣動的或是液動的。
優(yōu)選的鉆頭型式為撞擊鉆頭(percussive drill)，因為撞擊鉆頭可以在鉆孔底部形成微裂縫，微裂縫起著孔底裂縫引發(fā)點的作用。也可以用搖鉆、金剛鉆或其它機械鉆頭。
可以利用標準的鉆頭鋼，它可以縮短以滿足小藥量爆炸工序的短孔要求。
可利用標準的采礦或建筑鉆頭來鉆孔。還可以發(fā)展可以提高微裂縫的撞擊鉆頭。鉆孔的直徑約為1-20英寸，鉆孔深度典型的為孔直徑的3-15倍。
用于形成臺階形孔以方便小藥量機構(gòu)插入的鉆頭包括一定位鉆頭(pilotbit)，它帶有一直徑稍大的擴孔鉆(reamer bit)，是巖石鉆頭生產(chǎn)廠家提供的一種標準的鉆頭結(jié)構(gòu)。用于形成錐形過渡孔以方便小藥量機構(gòu)插入的鉆頭包括一帶有直徑較大的擴孔鉆的定位鉆頭。擴孔鉆和定位鉆可以專門設計來提供從大直徑擴孔到小直徑定位孔的錐形過渡部分。
小藥量爆炸機構(gòu)小藥量爆炸機構(gòu)可以由下列子系統(tǒng)組成1.炸藥包倉2.炸藥包裝載機構(gòu)3.炸藥包4.炸藥包點火系統(tǒng)5.堵塞或密封元件炸藥包倉—燃料或炸藥包儲存在一個用于自動裝載槍的彈藥倉式的倉中。
炸藥包裝載機構(gòu)—裝載機構(gòu)是一標準的機械裝置，它從倉中取出炸藥包，將它插入鉆孔中。下面將介紹的堵塞桿可以用于提供一些或所有這種功能。
裝載機構(gòu)將炸藥包從倉中取出，然后插入鉆孔中，這一過程的時間不少于10秒鐘，比較典型的為30秒鐘或更多。這和現(xiàn)代高引爆速度槍自動裝載器相比是很慢的，所以在炸藥包上不存在高加速度載荷?？梢允褂酶鞣N軍用自動裝載技術(shù)或工業(yè)上瓶和容器的處理系統(tǒng)。
其一種衍生型是一氣動輸送系統(tǒng)，其是在1/10巴數(shù)量級的壓差作用下通過一剛性管或軟管向前推進。
炸藥包—炸藥包是爆炸試劑(炸藥或燃料)的容器，它可以用多種材料制成，如臘紙，塑料，金屬或上述三者的組合。炸藥包的功能是■起著儲存容器的作用，用于盛裝固態(tài)或液態(tài)爆炸試劑；■起著爆炸試劑輸送元件的作用，用于將爆炸試劑從儲存?zhèn)}輸送到挖掘現(xiàn)場；■在插入到鉆孔過程中保護爆炸試劑；■如果必要，用作爆炸試劑的燃燒室；■如果必要，提供內(nèi)部容積，以控制孔底產(chǎn)生的壓力；■防止爆炸試劑在濕鉆孔中浸水；■提供不受爆炸試劑所產(chǎn)生的強沖擊脈沖作用的堵塞桿；■當爆炸試劑在鉆孔中消耗時，為爆炸試劑所生成的氣體提供一備用密封機構(gòu)。
炸藥包點火系統(tǒng)—當爆炸試劑是由炸藥組成時，可以采用標準的或新穎的炸藥引爆技術(shù)。這些技術(shù)包括瞬時電動起筒爆，它由一直流脈沖或一感應電流脈沖來引爆；非電動起爆筒；熱起爆器(thermatile)；高能導火線或光引爆器，在光引爆器中，用一激光脈沖來引爆一光敏火帽。
當爆炸試劑是由燃料組成時，可以用標準的或新穎的燃料起燃技術(shù)。這些技術(shù)包括撞擊火帽，它用一機械錘或?qū)Щ鹁€來引爆火帽，電火帽，它靠一電容器放電提供電火花來引爆火帽；熱火帽，它用一電池或容器放電來加熱熱燈絲；或光火帽，它用一激光脈沖束引爆一光敏火帽。
堵塞(填塞)或密封元件—在小藥量爆炸方法中，爆炸試劑放在一短鉆孔的底部，根據(jù)所用小藥量方法，用多種元件當中的任何一種來堵住(填塞)或密封鉆孔的上部。堵塞元件的作用是慣性地將爆炸試劑產(chǎn)生的高壓氣體保持在鉆孔底部一足夠長時間(典型的為幾百微秒到幾毫秒)，使巖石產(chǎn)生裂縫。
在用傳統(tǒng)的鉆頭和爆炸技術(shù)來鉆孔和引爆一短孔時，可以在孔底部裝上炸藥，并用砂和/或巖石或用下面將介紹的慣性堵塞桿堵住。
當用緩沖爆炸技術(shù)來鉆孔和引爆一短孔時，可以在孔底部裝上炸藥，炸藥和巖石隔開，用砂和/或巖石或用下面將介紹的慣性堵塞桿堵住。
當使用氣體噴射器(美國專利No.5,098,163)，或燃料基藥劑在孔中的方法(propellant based charge-in-hole method)(美國專利No.5,308,149)，或炸藥法(名稱為“通過給鉆孔底的炸藥加壓來實現(xiàn)對硬質(zhì)巖石和混凝土進行受控小藥量爆炸的方法和裝置”的臨時美國專利申請)時，將高壓氣體保持在孔底直到巖石產(chǎn)生裂縫的基本方法是通過堅實的慣性堵塞桿，除了在堵塞桿和鉆孔壁之間有一小泄漏通道之外，它可以防止氣體沿鉆孔向上流動。還可以通過包含爆炸試劑的炸藥包和堵塞桿的設計特征來進一步減少這種小的泄漏。堵塞桿可以用高強度鋼或其它材料制成，這些材料必須有高的密度和慣性質(zhì)量；和高的強度，以承受壓力載荷而不會產(chǎn)生變形；以及高的韌性，使堵塞桿經(jīng)久耐用。
分度機構(gòu)—巖石鉆和小藥量爆炸機構(gòu)安裝在一分度單元上，該分度單元又安裝在一獨立于機械沖擊破碎機的懸臂上。分度機構(gòu)的功能是允許形成鉆孔，然后使小藥量機構(gòu)很容易對準鉆孔，并將它插到孔中。圖8示出了一種典型的分度機構(gòu)。分度器通過液壓連接器連接在它的懸臂上，該液壓連接器可以使分度器與巖石表面間隔一定距離并形成所需的夾角。首先要將分度器定位，以讓巖石鉆可以在巖石表面鉆一短孔。然后，分度器繞鉆頭和小藥量機構(gòu)的公共軸線轉(zhuǎn)動，以便小藥量機構(gòu)對準鉆孔。然后，小藥量機構(gòu)插入孔中，準備點火。
應用破碎軟的、中等硬度和硬質(zhì)巖石以及混凝土的方法在采礦、建筑和巖石采石工業(yè)以及軍事操作中有廣泛用途。它們包括■挖掘隧道(tunneling)■挖掘洞穴(cavern excavation)■礦井開鑿(shaft-sinking)■采礦時坑道和打洞開采(adit and drift development in mining)■下盤開采(long wall mining)■車間和礦柱開采(room and pillar mining)■開采方法(下沉、剪切裝填和窄礦石脈)(stoping method)(shrinkage，cut&fill and narrow-vein)
■選擇性開采(selective mining)■用于豎直弧坑面處理(VCR)的潛挖開采(undercut development forvertical crater retreat mining)■用于大塊下隔和下沉開采的通訊開采(draw-point development forblock caving and shrinkage stoping)■二級破碎和減少過大規(guī)格的巖石(secondary breakage and reduction ofoversize)■挖掘(trenching)■天井鉆孔(raise-boring)■巖石剪切(rock cut)■精確引爆(precision blasting)■爆破(demolition)■開井臺階清理(open pit bench cleanup)■開井臺階引爆(open pit bench blasting)■圓石破碎和在巖石采石場形成階梯(boulder breaking and benching inrock quarries)■巖石中戰(zhàn)斗位置和個人掩體的構(gòu)造(construction of fighting positionsand personnel shelters in rock)■減少對軍事行動的自然或人為阻礙(reduction of natural and man-madeobstacles to military movement)。
圖1中挖掘巖石的預估生產(chǎn)率1(用堆積立方米/小時表示)是巖石的無側(cè)限抗壓強度2(用兆帕MPa表示)的函數(shù)。典型的機械沖擊破碎機的性能在圖中用陰影部分3表示，它說明機械沖擊破碎機不能挖掘無側(cè)限抗壓強度超過150MPa的巖石。公布的數(shù)據(jù)點4示于陰影區(qū)3內(nèi)。典型的小藥量爆炸工序的性能圖中用陰影區(qū)5表示，它說明小藥量爆炸工序可以挖掘典型的巖石挖掘工業(yè)中整個無側(cè)限抗壓強度內(nèi)的巖石。公布的數(shù)據(jù)點6示于陰影區(qū)5內(nèi)。交替使用小藥量爆炸工序和機械沖擊破碎機工作的性能在圖中用交叉陰影區(qū)7表示，它說明組合使用的挖掘效率比單獨使用兩種方法的效率之和還要高。實驗確定的數(shù)據(jù)點8示于交叉陰影區(qū)7內(nèi)。
圖2示出了小藥量爆炸系統(tǒng)的元件。通過一巖石鉆頭在巖石表面10中鉆一短孔9。鉆孔9可能有一臺階形直徑變化段11，它可以通過組合使用擴孔鉆/定位鉆來完成。臺階直徑11可以限制炸藥包插入元件的最大行程，或可用來幫助密封孔底12中產(chǎn)生的氣體。一炸藥包13放在孔底12中。炸藥包13包含一爆炸試劑14。爆炸試劑14的燃燒是通過一點火元件15來引爆的，點火元件15是通過一電或光通信線16來進行遠程控制的；通信線16穿過堵塞桿17。堵塞桿17用以慣性地約束引爆爆炸試劑14在孔底12產(chǎn)生的高壓氣體。堵塞桿17還可以提供密封功能，以防止在孔底12周圍的巖石20中形成初始裂縫18和殘余裂縫19的高壓氣體從孔底12泄漏。
圖3示出了小藥量爆炸引爆的整個巖石破碎工序，其中，鉆了一較短的孔，并且該孔被“過沖擊”。在巖石表面21上已鉆有一個孔。鉆孔底部22可能呈現(xiàn)在挖掘弧坑23底部的中間。破碎巖石24在爆炸試劑產(chǎn)生的氣體的加速作用下從弧坑高速射出。殘余裂縫25保持在弧坑壁下面的巖石26上。
圖4示出了小藥量爆炸引爆的整個巖石破碎工序。其中，鉆了一相對深的孔，并且孔已被下沖擊。在巖石表面29上鉆有兩個孔27和28。巖石沒有被小藥量引爆剝落下來，但是在巖石32中已形成了初始縫裂30和殘余裂縫31。這樣形成的表面之下的裂縫網(wǎng)降低了整個巖石結(jié)構(gòu)的強度。這種巖石容易用后續(xù)小藥量引爆或機械沖擊破碎機來破碎。
圖5示出了一種典型的現(xiàn)代機械沖擊破碎機。機械沖擊破碎機殼33固定在一鉸接懸臂組件34上，懸臂組件34又固定在下托架35上。刀具36由破碎機殼33內(nèi)的液壓活塞機構(gòu)來提供能量。下托架35在工作表面范圍內(nèi)移動破碎機33，懸臂34給破碎機33定位，從而使鉆頭36可以在巖石表面上操作。
圖6示出了機械沖擊破碎機的基本破碎機制。工具鉆頭37正處在沖擊巖石表面38的瞬間。巖石表面38包含一預存在裂縫39。在巖石表面左側(cè)，是一附近自由表面40。鉆頭37沖擊巖石產(chǎn)生的沖擊脈沖以拉伸波形式從預存在裂縫39的表面向外輻射和反射，在巖石表面產(chǎn)生一拉伸區(qū)41，在該區(qū)域內(nèi)會引發(fā)另外的裂縫。沖擊脈沖還以拉伸波形式從自由表面40向外輻射和反射，在巖石表面產(chǎn)生第二拉伸區(qū)42，在這個區(qū)域內(nèi)會引發(fā)另外的裂縫。通過鉆頭37重復沖擊以后，在區(qū)域41和42中引發(fā)的裂縫將會結(jié)合起來，并剝落巖石塊(圖中用區(qū)域43表示)。
圖7示出了組合使用小藥量爆炸系統(tǒng)和機械沖擊破碎機的巖石挖掘系統(tǒng)。在一可移動托架46上固定有兩個鉸接懸臂組件44和45。懸臂組件44上固定有一機械沖擊破碎機47。懸臂組件45上固定有一小藥量爆炸裝置48。挖掘機上所示的一個選擇性設備是一反鏟附件(backhoe attachment)49，用于將破碎巖石從工作表面移到一輸送系統(tǒng)50，輸送系統(tǒng)50將破碎巖石通過挖掘機送到一運輸系統(tǒng)(圖中未顯示)。
圖8示出了小藥量爆炸裝置所用的一典型分度機構(gòu)。分度機構(gòu)51將小藥量爆炸裝置52連接到鉸接懸臂53上。一巖石鉆54和一小藥量插入機構(gòu)55固定在分度器51上。懸臂53將分度器組件固定在巖石表面，從而讓巖石鉆54可以在巖石表面(未顯示)上鉆一短孔(未顯示)。當巖石鉆54從孔中縮回時，分度器51在液壓機構(gòu)57的作用下繞其軸56轉(zhuǎn)動，以使小藥量插入機構(gòu)55和鉆孔的軸線對準。然后，小藥量插入機構(gòu)55被插入鉆孔中，準備點燃小藥量炸藥。
盡管已詳細介紹了本發(fā)明的各實施例，但是對本領域的技術(shù)人員，很明顯可以對這些實施例進行修改和變化。然而，必須清楚的是這些修改和變化都在下面權(quán)利要求所規(guī)定的本發(fā)明的精神和范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)材料的受控破碎的方法，包括(a)向位于硬質(zhì)材料的自由表面上的孔底內(nèi)釋放氣體；(b)將氣體密封在孔底，為孔底加壓，使裂縫從孔底開始擴展，從而在硬質(zhì)材料上形成一裂縫部分，該裂縫部分的一部分暴露于環(huán)繞孔的自由表面內(nèi)；和(c)用一沖擊破碎機沖擊暴露于自由表面上的裂縫部分，從自由表面移走裂縫部分內(nèi)的材料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，孔有一直徑，孔離自由表面的深度為孔直徑的約3-約15倍。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，裂縫部分有一容積，在地下挖掘時，該容積為約0.3-約10堆積立方米，在地上挖掘時，該容積為約10-約100堆積立方米。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，氣體是通過炸藥和燃料中至少一種來形成的，在地下挖掘時，其量為約0.15-約0.5kg；在地上挖掘時，其量為約1-約3kg。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，沖擊破碎機沖擊裂縫部分的沖擊能量約為0.5-500千焦。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括(d)必要時重復步驟(c)，從自由表面移走裂縫部分。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，沖擊破碎機的沖擊頻率為每秒鐘約一次到每秒鐘約200次。
8.一種硬質(zhì)材料的受控破碎的方法，包括(a)向位于硬質(zhì)材料的自由表面上的孔底內(nèi)釋放氣體；(b)將氣體密封在孔底，為孔底加壓，使裂縫從孔底開始擴展，從而在環(huán)繞孔的自由表面上的硬質(zhì)材料上形成一裂縫部分；和(c)用一鈍的物體沖擊暴露于自由表面上的裂縫部分，以從自由表面上移走裂縫部分中的材料，其中，鈍的物體接觸自由表面時的沖擊能量至少約為0.5千焦，其沖擊頻率至少約為每秒鐘1次。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，鈍的物體和裂縫部分的接觸面積約為500-20,000mm2。
10.一種硬材料受控破碎的方法，包括(a)向位于硬質(zhì)材料的自由表面上的孔底內(nèi)釋放氣體；(b)將氣體密封在孔底，為孔底加壓，使裂縫從孔底開始擴展，從而在環(huán)繞孔的自由表面上的硬質(zhì)材料上形成一裂縫部分；和(c)用一機械沖擊破碎機沖擊暴露于自由表面上的裂縫部分，以從自由表面上移走裂縫部分中的材料，其中，機械沖擊破碎機接觸自由表面時的沖擊能量至少約為0.5千焦。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，沖擊頻率至少約為每秒一次。
全文摘要
通過組合使用機械沖擊破碎機和小藥量爆炸工序來破碎巖石和其它硬材料,如混凝土。機械沖擊破碎機(33,47)通過向巖石傳送一系列機械沖擊來破碎巖石。這種裂縫產(chǎn)生方法是這樣實現(xiàn)的:對一鉆孔(9)的底部加壓,以在接近孔底(12)引發(fā)或傳播受控裂縫,或傳播預存在裂縫。在實施時,小藥量爆炸方法用來產(chǎn)生裂縫和部分破除挖方中間部分的巖石。機械沖擊破碎機(33,47)然后用來高效地去除已經(jīng)被小藥量爆炸方法弱化的巖石。
文檔編號E21B15/04GK1198794SQ96197472
公開日1998年11月11日 申請日期1996年8月7日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月7日
發(fā)明者約翰·D·沃森, 布賴恩·P·米克 申請人:玻利納斯技術(shù)公司