靜態(tài)爆破方案

1、1靜態(tài)破碎劑破裂巖石工藝靜態(tài)破碎劑的作用原理靜態(tài)破碎劑的組分與種類靜態(tài)破碎劑，是以生石灰(CaO)為主體(占6481%)和多種無機(jī)化合物(SO3Fe2O3MgO, SiO2 ,Al2O3)及某些特殊有機(jī)化合物所組成，在12001500c 高溫中煨燒，冷卻研磨后即為成品，在使用中可根據(jù)情況加入外加劑，調(diào)節(jié)其 反應(yīng)速度。其密度為1.69g/cm3、熔點(diǎn)為2572C。遇水會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)， 放出大量的熱其基本的化學(xué)反應(yīng)式如下：一一一 一JCaO H2O Ca(OH)2 64.9KJ mol從上式中可以看出，這是一個(gè)放熱反應(yīng)。CaO和水混合后，立即發(fā)生兩類物質(zhì)的轉(zhuǎn)移過程。一是水分子進(jìn)入CaO粒 子

2、內(nèi)部，并與之發(fā)生水化反應(yīng)；二是水化反應(yīng)產(chǎn)物向原來充水空間轉(zhuǎn)移。如果 前者與后者相適應(yīng)，即水化速度和水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移速度相等時(shí)，“ CaOK ”系統(tǒng)的體積不會(huì)發(fā)生膨脹。但是，由于CaO的結(jié)構(gòu)特性內(nèi)比表面積大，其水化速度 很快水化速度大于水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移速度。 這時(shí)，由于CaO粒子周圍的反應(yīng)產(chǎn)物 還沒有轉(zhuǎn)移走，而里面的反應(yīng)物又大量的產(chǎn)生了，這些新的反應(yīng)物將沖破原來 的反應(yīng)層，使粒子產(chǎn)生機(jī)械跳躍，因而發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力，將約束 介質(zhì)破壞在沒有約束條件下，氧化鈣將散裂成粉末。靜態(tài)破裂劑膨脹壓力的產(chǎn)生是由于其反應(yīng)后體積增大所引起的。CaO和水反應(yīng)時(shí)，生成Ca(OH)2的固相體積在一定的條件下要比Ca

3、O的固體相體積約增大97.92%。周相體積增大，固相體積和空隙體積增量之和超過“CaO水”系統(tǒng)的空間，從而引起CaO體積的增大，膨脹壓力增大，但從其標(biāo)準(zhǔn)狀況反應(yīng)物的 摩爾體積和生成物的摩爾體積進(jìn)行比較可以看出，并不是在所有的情況下都會(huì) 產(chǎn)生體積膨脹。下列反應(yīng)式給出了反應(yīng)物、生成物的摩爾體積和比重等數(shù)據(jù)。CaO H2O Ca(OH )2 64.9KJ mol，摩爾體積(cm3)16.76418.06933.056比 重(g/cm3)3.23.41.01.11.3從上面所列數(shù)據(jù)來看，生成物的摩爾體積為33.056 cm3,而反應(yīng)物的摩爾體積為：16.764+18.069=34.833 cn3,反應(yīng)

4、之后體積應(yīng)該變小，而不是增大。這好像 與實(shí)際情況相矛盾。其實(shí)這是由于摩爾體積為分子最緊密堆積時(shí)的體積，而在 靜態(tài)破裂劑中實(shí)際應(yīng)用的是其表觀體積，也就是說在一般情況下，靜態(tài)破裂劑中生石灰的水化反應(yīng)生成物很難達(dá)到分子狀態(tài)的最緊密堆積，因?yàn)樵谌彼疇顟B(tài) 下，生成的氫氧化鈣比表面積非常大，不是最緊密堆積狀態(tài)，因此，就表現(xiàn)出 體積膨脹。相反，在大量水存在時(shí)，如在水溶液中，氧化鈣與水反應(yīng)生成氫氧 化鈣，具體積變小，而不產(chǎn)生膨脹壓力。一般在干燥狀態(tài)下，是用容重來衡量氧化鈣和氫氧化鈣，而不是用比重來 衡量。生石灰是由碳酸鈣鍛燒而成，由于CO2的逸出，產(chǎn)生了許多微孔，氧化鈣保持了碳酸鈣的多空隙的特點(diǎn)，具容重略大于

5、1,與其3.23.4的比重相差甚遠(yuǎn)。氫氧化鈣在干粉狀態(tài)下，容重也很小，僅為 1左右。這樣生石灰的水化 反應(yīng)中(缺水狀態(tài))就表現(xiàn)出體積增大的現(xiàn)象。反應(yīng)規(guī)律靜態(tài)破碎劑加水后，充填到混凝土或巖石的鑿孔中，最初生成膠狀質(zhì)的 Ca(OH)2,隨著時(shí)間的延長，逐漸形成不定型的各向異性的 Ca(OH)2結(jié)晶狀粒子， 體積約膨脹兩倍，在膨脹過程中產(chǎn)生膨脹壓力并逐漸增大，通常達(dá)29.4MPa。而巖石的抗拉強(qiáng)度一般僅為510MPa,混凝土的抗壓強(qiáng)度為26MPa。當(dāng)混凝土 壓力超過所破碎塊體抗拉石灰和水反應(yīng)是溫度最高可達(dá)到240c左右。圖1-1 SCA的膨脹模型從晶體化學(xué)的觀點(diǎn)來看，靜態(tài)破碎劑的膨脹主要在于固體體積

6、的增大以及 孔隙體積的增大。從物質(zhì)的轉(zhuǎn)移來看，石灰加水?dāng)嚢韬?，立即發(fā)生兩類物質(zhì)的 轉(zhuǎn)移過程：一是水分子進(jìn)入石灰粒子內(nèi)部，并與之發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn) 物；二是水化反應(yīng)物向原來充水空間轉(zhuǎn)移。如果水化速度大于水化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移 速度時(shí)，由于石灰粒子周圍的反應(yīng)產(chǎn)物還沒有轉(zhuǎn)移，這些新的反應(yīng)產(chǎn)物勢必沖 破原來的反應(yīng)層。使粒子產(chǎn)生機(jī)械跳躍，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)膨脹。從力學(xué)觀點(diǎn)看， 混凝土或巖石一類的脆性材料，拉壓比僅為1/101/15,在混凝土或巖石鉆孔中受約束的條件下，破碎劑粒子將對孔壁產(chǎn)生徑向和切向反應(yīng)，這一過程可用彈性力學(xué)中的厚壁圓筒理論來解釋。當(dāng)拉應(yīng)力所產(chǎn)生的變形超過被破碎體的拉 斷變形量時(shí)，物體便產(chǎn)生裂縫

7、從而被破壞。靜態(tài)破碎劑破巖的過程分析靜態(tài)破碎劑使用時(shí)產(chǎn)生的膨脹壓作用下混凝土或巖石的破壞或劈裂過程分 為三個(gè)階段。第一階段：靜態(tài)破碎劑在鉆孔中的膨脹壓由 0增加到P是，被破碎物體中 產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力行和切應(yīng)力e應(yīng)力值達(dá)到極限值時(shí)產(chǎn)生破裂和開裂。開始時(shí)拉 應(yīng)力8所產(chǎn)生微裂（或微小的塑性變形），把這一區(qū)域稱為損傷區(qū)（破壞發(fā)生 區(qū)），而這一階段稱為微裂階段。這一階段的應(yīng)力開始時(shí)是線性的，但是最后 一階段是非線性的。第二階段：隨時(shí)間增長的SCA膨脹壓逐步增加，因而增加膨脹壓并以這一 損傷區(qū)作為介質(zhì)向孔外傳播膨脹壓。這一階段稱為斷裂階段。第三階段：膨脹壓傳遞到自由面附近是，靠近自由面的裂紋首先擴(kuò)展到達(dá) 自

8、由面，使混凝土劈裂。這一階段稱為斷裂階段。靜態(tài)破碎方式與其它破碎方式的比較靜態(tài)破碎法與其它破石?方式的比較見表 2-1:表1-1靜態(tài)破碎法與其它方法比較項(xiàng)目破碎方法破碎力破碎時(shí)狀況安全性保護(hù)設(shè)備 的簡化性經(jīng)濟(jì)性噪音震動(dòng)粉塵氣體飛石炸藥優(yōu)劣劣劣劣劣劣優(yōu)混凝土破碎器良差差劣差差劣差大型液壓破碎機(jī)差差良良優(yōu)良優(yōu)差液壓破碎機(jī)劣優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)劣靜態(tài)破碎劑良優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)良靜態(tài)破碎法對不同強(qiáng)度巖石的破碎參數(shù)見表1-2表1-2不同硬度巖石的孔眼參數(shù)巖石強(qiáng)度巖石抗壓強(qiáng)度巖石抗拉強(qiáng)度/MPa孔眼直徑/mm鉆眼間距/mm破碎所需的膨脹壓力/MPa軟巖石1201013.64046023.629.92試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)置靜態(tài)破碎

9、劑的拌合和充填由于巖石或混凝土等脆性材料的抗拉強(qiáng)度大約在 210MPa之間，大大小于 其抗壓強(qiáng)度，所以破碎劑膨脹劑膨脹產(chǎn)生的拉應(yīng)力只要超過這個(gè)數(shù)值，就可以 治炮孔周圍產(chǎn)生龜裂，從而使其破碎。使用破碎劑的方法如同使用普通炸藥時(shí)的方法一樣，也是用履帶式鉆機(jī)和 氣腿式鑿巖機(jī)對巖石或混凝土等鉆孔，并充填破碎劑。這時(shí)的鉆孔的直徑、問 距以及排列、深度均根據(jù)破碎現(xiàn)場的情況或破碎后的處理內(nèi)容等分別進(jìn)行適當(dāng) 的調(diào)整。但是，在孔徑 3060mm、鉆孔間距不超過800mm的情況下進(jìn)行破碎 是適當(dāng)?shù)?。拌合前核對破碎劑的適當(dāng)溫度與被破碎體的實(shí)際溫度是否適應(yīng)，如被破碎 體的實(shí)際溫度過高，采用澆冷水等方式進(jìn)行降溫或早晚溫

10、度較低時(shí)進(jìn)行或用冷 卻水拌合破碎劑，以避免發(fā)生沖孔。水與破碎劑的重量比為：2835%,先將稱量好的水倒入桶中，在把粉狀破 碎劑倒入桶中，攪拌，使藥液混合均勻。拌合好的破碎劑漿體，要在 10分鐘內(nèi) 使用，在裝填的同時(shí)應(yīng)繼續(xù)攪拌漿體，延遲期開始反應(yīng)時(shí)間，固話時(shí)間。鉆孔布置和參數(shù)設(shè)計(jì)孔距與排距的大小與巖石硬度有直接的關(guān)系，硬度越大，孔距與排距越小， 反之則大?？拙嗯c排距的大小與巖石破碎效果及施工成本有直接關(guān)系，孔距與 排距月大，破碎效果越差，成本越低，孔距與排距越小，破碎效果越小，破碎 效果越好，但是成本越高，因此要通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定適宜的破碎參數(shù)?？拙嗯c 排距的經(jīng)驗(yàn)值如表2-1所示。表2-1鉆孔孔距

11、與排距經(jīng)驗(yàn)值巖石硬度F=4F=6F=8F=12孔距/mm5001000400300200排距/mm800500400300對于靜態(tài)破碎，臨空面（自由面）越多，單位破石頭量就越大，經(jīng)濟(jì)效益 也就越好。由于巖層開挖是只有一個(gè)臨空面，因此應(yīng)該盡可能的多創(chuàng)造臨空面 對于基巖的破碎，先在中間鉆幾排密集的水平或傾斜孔，裝藥破碎后將碎石掏 出，形成槽型空間，增加臨空面，以方便兩側(cè)巖體的破碎；然后再鉆周邊孔及 輔助破碎孔，同排鉆孔要布置在同一平面上，裝藥時(shí)全孔長灌注，先裝輔助破 碎孔，再裝周邊孔。靜態(tài)破碎鉆孔參數(shù)如表 2-2所示。表2-2鉆孔參數(shù)破裂體孔徑/mm孔距a/mm孔深抵抗線/mm單耗 /(kg/m

12、3)軟質(zhì)巖355525401.0H400600810中硬質(zhì)巖356520301.05H3005001015石材切割304020401.0H10002000515素混凝土355020300.8H300400810稀鋼筋混凝土355015251.0H2003001525工藝2基于巖石靜態(tài)開裂裝備破巖工藝巖石靜態(tài)開裂裝備巖體爆破方式有兩種，一種是利用炸藥或高能燃燒劑為介質(zhì)的劇烈動(dòng)態(tài)爆 破，一種是以無聲破碎劑為介質(zhì)的或者使用機(jī)械方法的靜態(tài)爆破。前者會(huì)發(fā)出 劇烈聲響，伴隨著猛烈的震動(dòng)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生飛石，現(xiàn)場作業(yè)非常危險(xiǎn)，而后者 是以無聲破碎劑發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生膨脹力來開裂巖體的，現(xiàn)場悄無聲息，或使 用機(jī)械設(shè)

13、備進(jìn)行破裂巖石，現(xiàn)場作業(yè)無劇烈的震動(dòng)，雖然噪聲較高，但比較安 全。靜態(tài)破碎劑也存在著很多缺點(diǎn)：(1)材料生產(chǎn)工藝復(fù)雜，材料成本高需要諸多材料進(jìn)行配比，當(dāng)中又經(jīng)過煨燒，添加各種外加劑，如速凝劑、 緩凝劑、早強(qiáng)劑等材料，材料的組分和生產(chǎn)工藝質(zhì)量好壞直接影響破碎劑的膨 脹破裂巖石效果。并且靜態(tài)破碎劑材料的成本較高，目前市場上出售的價(jià)格為 3500-4500元/噸，零賣5-8元/kg,運(yùn)輸費(fèi)用另外再算。(2)現(xiàn)場施工技術(shù)復(fù)雜，影響因素多，并且有一定危險(xiǎn)破碎劑產(chǎn)生膨脹壓力主要是來自材料組分的水化反應(yīng)產(chǎn)生熱膨脹提供的， 膨脹壓力無法定量，且質(zhì)量不穩(wěn)定，施工時(shí)容易噴孔，而一旦噴孔，鉆孔內(nèi)的 膨脹力明顯下降，

14、后勁不足，裂縫寬度小，有時(shí)也會(huì)因膨脹壓力過低而失效， 就是無法開裂巖石；同時(shí)這種工藝受周圍環(huán)境影響較大，如水、溫度等因素： 若鉆孔內(nèi)有水時(shí)，直接改變了破碎劑的水灰比，同時(shí)影響水化反應(yīng)效果；而溫 度對其影響也非常大，溫度過低，水化反應(yīng)變得緩慢，其膨脹壓力也大大降低, 開裂巖石效果差，時(shí)間長，甚至失效；溫度高，水化反應(yīng)快，容易發(fā)生噴孔， 所以操作較為復(fù)雜。(3)破裂巖石時(shí)間長通常情況下，因水化反應(yīng)不能太快，否則會(huì)產(chǎn)生大量氣體無法排出鉆孔而 發(fā)生噴孔，噴孔后，膨脹壓力驟然降低，故需要減緩水化反應(yīng)，這時(shí)需要4h-8h, 甚至20h以上的時(shí)間才能完全實(shí)現(xiàn)開裂巖石。故爆破工期長，效率低下。3、巖石基礎(chǔ)開挖

15、方案實(shí)施采用兩種方法同時(shí)使用的方式進(jìn)行巖石基礎(chǔ)的開挖。采用靜態(tài)破碎劑破裂巖石工藝，開挖參數(shù)如下：表x巖石開挖參數(shù)破裂體孔徑/mm孔距a/mm孔深抵抗線/mm單耗 /(kg/m 3)軟質(zhì)巖355525401.0H400600810中硬質(zhì)巖356520301.05H3005001015注：H 為 1.5m。采用靜態(tài)水壓力致裂巖石工藝，需要施工鉆孔直徑為80,可采用大型鉆機(jī) 施工鉆孔，鉆孔深度為1.5m,鉆孔間距為500mm 500mm,具體的參數(shù)可通過 現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)最終確定。兩種破裂巖石工藝均考進(jìn)行臨空自由面施工鉆孔再進(jìn)行開裂，這樣可以大大加快施工進(jìn)度。開裂的巖石可通過挖掘機(jī)將其鏟除。如遇到大塊巖石，可進(jìn)行第二次靜態(tài)開 裂。以上設(shè)計(jì)參數(shù)最終通過現(xiàn)場的實(shí)踐，不斷的改變和優(yōu)化，最終形成根據(jù)巖 性來確立的開裂方案。4、施工過程中注意事項(xiàng)：巖石開挖需要足夠的臨空面。自由臨空面可以減少膨脹所需要壓力， 有效提高靜態(tài)破碎劑的使用效率和高壓泵效率，同樣加快開挖速度。巖石