一种静态爆破聚能装置及其爆破方法

摘要

一种静态爆破聚能装置，该装置包括由两瓣圆弧形钢模板拼组成的主体护筒，两瓣圆弧形钢模板之间未连接，两瓣圆弧形钢模板的中点连线与预裂线垂直；每瓣圆弧形钢模板外部均设有劈裂角，劈裂角的尖端与预裂线位于同一直线上。一种应用静态爆破聚能装置进行爆破的方法，该方法包括以下步骤：1）钻孔；2）放置静态裂石聚能装置；3）灌注裂石剂浆液，等待裂石；4）回收。本发明提供的静态爆破聚能装置及其爆破方法，可以解决破碎时间较长、破碎量用药较多等问题，加快静态破碎爆破时间，减少破碎单位体积用药量，提高静态破碎剂的破碎效率。

说明书

技术领域

本发明涉及爆破领域，尤其是一种静态爆破聚能装置及其爆破方法。

背景技术

随着我国建设事业的发展，对生存环境要求的提高，静态破碎作为炸药爆破的 替代爆破技术，受到了越来越多人的关注。静态爆破的优点是安全有效，破碎无声， 无爆破飞石，爆破无粉尘，对周围建筑物无影响，对周围环境基本无影响。因此，在 人口密集的城市改造工程，周围有文化古迹需要保护的工程，以及其它不便于炸药爆 破的环境条件下混凝土拆除、岩石及矿石开采工程中具有明显的优势。随着我国城镇 化发展的加快，旧城改造和其他工程的快速实施，静态破碎技术将会有很好的发展前 景。

常规静态爆破，是利用装在介质钻孔中的静态爆破剂(主要成分为氧化钙)，氧 化钙变成氢氧化钙，其晶体结构发生变化，会引起晶体体积的膨胀，使破碎剂晶体变 形，产生体积膨胀，从而缓慢的、静静地将膨胀压力(可达30Mpa—50Mpa)施加给 孔壁，经过一段时间后达到最大值，将介质破碎。这种圆形钻孔，使得静力破碎剂所 产生的膨胀力会均匀的作用于孔壁，孔壁周围分布的细小裂隙将均匀的发展，从而导 致膨胀力不能集中在欲裂方向上，预裂线上的裂隙也难以快速发展。

静态爆破剂是以特殊硅酸盐、氧化钙为主要原料，配合其他有机、无机添加剂 而制成的粉末状物质，典型的化学反应式为：

CaO+H₂O→Ca(OH)₂+6.5×104J

其破碎介质的原理就是利用装在介质钻孔中的氧化钙变成氢氧化钙，其晶体结 构发生变化，会引起晶体体积的膨胀，使破碎剂晶体变形，产生体积膨胀，从而缓慢 的、静静地将膨胀压力(可达30Mpa—50Mpa)施加给孔壁，经过一段时间后达到最 大值，将介质破碎。根据测定，在自由膨胀的前提下，反应后的体积可增长3至4 倍，其表面积也增大近100倍，同时每摩尔还释放出6.5×104J的热量。如果将它注 入炮孔内，这种膨胀受到孔壁的约束，压力可上升到50Mpa，介质在这种压力作用下 会产生径向压缩应力和切向的拉伸应力。这种圆形钻孔，使得静力破碎剂所产生的膨 胀力会均匀的作用于孔壁，孔壁周围分布的细小裂隙将均匀的发展，从而导致膨胀力 不能集中在欲裂方向上，预裂线上的裂隙也难以快速发展。

虽然静态爆破有其自身的很多优点，但它的局限性也非常明显，相对于炸药爆 破，其破碎时间较长，单位体积破碎量用药较多，对施工工艺，环境温度要求较高， 这些问题也阻碍了静态破碎在工程上的广泛应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种静态爆破聚能装置及其爆破方法，可以解 决破碎时间较长、破碎量用药较多等问题，加快静态破碎爆破时间，减少破碎单位体 积用药量，提高静态破碎剂的破碎效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种静态爆破聚能装置，

该装置包括由两瓣圆弧形钢模板拼组成的主体护筒，两瓣圆弧形钢模板之间未 连接，两瓣圆弧形钢模板的中点连线与预裂线垂直；每瓣圆弧形钢模板外部均设有劈 裂角，劈裂角的尖端与预裂线位于同一直线上；

圆弧形钢模板两边沿各设置有稳定轴导环，稳定轴导环上放置有稳定轴。

主体护筒为圆柱体。

劈裂角的尖部的夹角a为45度。

稳定轴导环由两个同心的圆弧板组成，两圆弧板的圆心与稳定轴的圆心重合。

稳定轴导环的中心角b为80度。

一种应用静态爆破聚能装置进行爆破的方法，该方法包括以下步骤：

1)钻孔：在需要静态爆破的岩石上钻孔；

2)放置静态裂石聚能装置：在钻孔中，首先放置静态裂石聚能装置的主体护筒， 使各劈裂角的尖端与预裂线位于同一直线上，再将四根稳定轴插入稳定轴导环中，完 成静态裂石聚能装置的放置；

3)灌注裂石剂浆液：在放置好的聚能装置的主体护筒中灌满裂石剂浆液，等待 裂石；

4)回收：待裂石结束后，取出钻孔中的静态裂石聚能装置，进行下一循环裂石 使用。

步骤1)中，钻孔的孔径为60mm。

本发明提供的一种静态爆破聚能装置及其爆破方法，有益效果如下：

1、采用两瓣圆弧形钢模板拼组成的主体护筒，圆弧形钢模板上设置劈裂角的方 式，各劈裂角的尖端与预裂线位于同一直线上，在静力爆破剂产生膨胀力时，圆弧状 的钢模板限制膨胀力分散在孔壁周围的岩体上，使其集中在钢模板上，圆弧形钢模板 再将膨胀力集中于各劈裂角的尖端，这样，在劈裂角的尖端就会产生应力集中，使劈 裂角的尖端处的岩石迅速劈裂，而孔壁其他部位应变峰值将会急剧减小，作用时间也 会大幅度降低，可以解决破碎时间较长、破碎量用药较多等问题，加快静态破碎爆破 时间，减少破碎单位体积用药量，提高静态破碎剂的破碎效率。

2、不同于常规静态爆破中，裂石剂膨胀力均匀作用于钻孔内壁上的方式，本发 明中膨胀力推动静态爆破聚能装置向两侧移动，将膨胀力集中于劈裂角，而岩石是一 种抗拉强度远远低于抗压强度的材料，因此劈裂角的集中应力能迅速将岩石劈裂。

3、钻孔孔径设计为60mm，为常规静态爆破中钻孔孔径(通常为40mm)的1.5 倍，克服了常规静态爆破时，钻孔过大容易导致喷浆，钻孔较小就需要减小孔间距， 增大孔的密度的缺点，在增大孔径的同时，既不会导致喷浆，减小了孔密度，另一方 面也增强了裂石效果。

4、稳定轴的设置，使得在膨胀过程中，一方面给予主体护筒支撑，使劈裂角准 确沿着预裂线方向；其次，在主体护筒因膨胀移动过程中，稳定轴的滚动使膨胀力最 大限度集中于劈裂角，增强了裂石效果。

5采用本发明爆破的岩石，其膨胀力主要集中在劈裂角附近，钻孔孔壁其他位置 的岩石应力很小，实现岩石从预裂线裂开的最大可能性，大大提高了装饰岩石的采石 成材率。

6、静态爆破聚能装置可重复利用，提高了裂石效率，经济可靠。

7、劈裂角的尖部的夹角a为45度的设计，一方面保证了劈裂角度的进深，同时， 大角度保证了劈裂后裂缝具有一定的宽度；另外，有效应力大大增加，大大增强了对 岩石的劈裂效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明静态爆破聚能装置的结构示意图；

图2为本发明静态爆破聚能装置稳定轴的大样图；

图3为本发明静态爆破聚能装置的俯视图；

图4为本发明爆破方法中静态爆破聚能装置的放置示意图；

图5为无劈裂角度时，劈裂角尖部受力情况；

图6为劈裂角的尖部的夹角a为30度时，劈裂角尖部受力情况；

图7为劈裂角的尖部的夹角a为45度时，劈裂角尖部受力情况；

图8为劈裂角的尖部的夹角a为60度时，劈裂角尖部受力情况；

图9为劈裂角的尖部的夹角a为90度时，劈裂角尖部受力情况；

图10为根据表1绘制的应力变化曲线图。

具体实施方式

实施例一

如图1-图4所示，一种静态爆破聚能装置，

该装置包括由两瓣圆弧形钢模板1-1拼组成的主体护筒1，两瓣圆弧形钢模板 1-1之间未连接，两瓣圆弧形钢模板1-1的中点连线与预裂线5垂直；每瓣圆弧形钢 模板1-1外部均设有劈裂角2，劈裂角2的尖端2-1与预裂线5位于同一直线上；

圆弧形钢模板1-1两边沿各设置有稳定轴导环4，稳定轴导环4上放置有稳定轴 3；

稳定轴3的直径为10mm，采用钢或强度较大的合金材料制成。

主体护筒1为圆柱体，其内径为36mm，外径为40mm，轴向长度为1000mm， 也可根据现场实际裂石深度设置，设置轴向长度，采用钢或强度较大的合金材料制成。

劈裂角的尖部的夹角a为45度，尖端2-1的顶点到主体护筒1外径外侧最近点 的距离L为10mm，劈裂角2采用耐磨耐挤压不变形的合金钢材料制成。

稳定轴导环4由两个同心的圆弧板4-1组成，两圆弧板4-1的圆心与稳定轴3 的圆心重合。

稳定轴导环4的中心角b为80度，稳定轴导环4的厚度为0.5mm，采用优质钢 制成，稳定轴导环4外侧与主体护筒1焊接，其内侧面涂有润滑油，以减少与稳定轴 3之间的摩擦力。

实施例二

一种应用静态爆破聚能装置进行爆破的方法，该方法包括以下步骤：

1)钻孔：在需要静态爆破的岩石上钻孔6；

2)放置静态裂石聚能装置：事先在稳定轴导环4上涂上一定量的润滑油，在钻 孔6中，首先放置静态裂石聚能装置的主体护筒1，使各劈裂角2的尖端2-1与预裂 线5位于同一直线上，再将四根稳定轴3插入稳定轴导环4中，完成静态裂石聚能装 置的放置；

3)灌注裂石剂浆液(为背景技术中所指静态爆破剂)：在放置好的聚能装置的 主体护筒1中灌满裂石剂浆液，等待裂石；

4)回收：待裂石结束后，取出钻孔6中的静态裂石聚能装置，进行下一循环裂 石使用。

步骤1中，钻孔6的孔径为60mm。

静态爆破聚能装置的放置如图4所示。

实施例三

劈裂角的尖部的夹角a为45度的试验选择，试验过程如下：

夹角a设计成不同的度数，分别为0度、30度、45度、60度和90度时，采用 大型有限元软件adina进行模拟劈裂角尖部不同受力特征，以选择最优夹角。

无劈裂角度时，劈裂角尖部受力情况如图5所示；

劈裂角的尖部的夹角a为30度时，劈裂角尖部受力情况如图6所示；

劈裂角的尖部的夹角a为45度时，劈裂角尖部受力情况如图7所示；

劈裂角的尖部的夹角a为60度时，劈裂角尖部受力情况如图8所示；

劈裂角的尖部的夹角a为90度时，劈裂角尖部受力情况如图9所示。

下表1为夹角a分别为0度、30度、45度、60度和90度时，劈裂角尖部的受 力情况表。

表1

根据表1绘制的应力变化曲线图如图10所示，

从图6-图10可以看出：

1，在夹角a为0度时，有效应力分布较为均匀，裂石过程中，裂缝会沿着 较为软弱的结构面或其他软弱部位进行，而这种软弱面不可能恰好就在预裂线上，所 以不能有效的利用膨胀力。

2，在夹角a不为0度时，有效应力主要集中在劈裂角附近，而其他部位应 力值很小，这一方面增大了劈裂角尖端2-1的裂石效果，；另一方面，在采石过程中， 大大降低了对岩石的破坏，提高了成才率。

3，从图10中曲线的走向上看，随着夹角a角度的增加，尖部水平应力逐渐 减小，而竖直应力在有夹角a不为0度时基本保持不变，有效应力随角度的增大而增 大，但变化量较小，在劈裂过程中，一方面要保证劈裂角的进深，另一方面，需考虑 竖向力的拉裂作用，而采用劈裂角尖部夹角a为45度，保证了劈裂角度的进深，同 时，大角度保证了劈裂后裂缝具有一定的宽度。

4，在夹角a为0度时，钻孔孔壁受到的有效应力为801214Pa，而劈裂角尖 部夹角a为45°时，钻孔孔壁受到的有效应力增大为3400072Pa，增大了4.24倍， 大大增大了对岩石的劈裂效果。

综上所述，夹角a的最优化选择为45度。