CN113090261A - 一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法，液压动力机构含有可以移动的动力车(9)、装配在动力车(9)上的液压油箱(11)，液压油箱(11)上设有驱动电机(10)、压力表(12)、控制液压油箱(11)送油的操控器(13)；拉拔破岩机构含有液压顶(1)、顶升竖杆(2)、垫板(4)、横梁(5)、拉拔杆(6)、锚固杆(8)；送油管路(14)、回油管路(15)的一端分别与液压顶(1)的进油口、回油口连接，另一端分别与液压油箱(11)的出油阀门、回油阀门连接。本发明充分利用岩体抗压不抗拉剪的特性，实现“只钻孔不***”的静态环保机械破岩，避免岩块的过度粉碎及较高的大块率，满足工程项目岩石块度的需要，提高机械化铲装运输效率，降低铲运作业成本，可在矿山、隧道、交通道路、边坡、基坑开挖等领域广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于机械破岩技术领域，具体涉及一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法，可在矿山、隧道、交通道路、边坡、基坑开挖等领域广泛应用。
背景技术
当前******仍是最主要的岩体破碎方式，然而***破岩方式下粉碎区的岩体过于破碎、裂隙区易于产生大块，导致***能量利用率低，一般在20％左右；且大量的***能量释放后造成了严重的***振动、噪声等次生灾害，同时产生了大量的***粉尘和CO、NO、NO2、NH3、SO2等***有毒有害气体，污染生产作业环境和大气环境，严重危害着作业人员的身体健康；对于地下空间***作业而言，常常诱发***炮烟中毒事故，对生产作业安全构成严重威胁，同时大大增加了生态环境保护和节能减排的压力。如2009年全国金属非金属矿山共发生较大生产安全事故45起，死亡176人；其中，***炮烟中毒窒息事故高达12起，死亡46人，占死亡总人数的26.1％。我国每年的工业***使用量约420万吨，按照工业***产生有毒有害气体50L/kg的系数进行换算，则每年排放有毒有害气体量达21000万m3，环境污染严重。如何彻底解决***方式破岩的次生灾害难题，是当前生态文明建设背景下安全环保破岩的关键，对于生态环境保护具有重要现实意义。
为了克服***破岩方式存在的问题，近年来，随着人们自我保护意识和环境保护意识的加强，人们越来越关注***危害，尤其是当***区域距建(构)筑物很近时，为了确保周围建筑物的安全，减少因***引起的纠纷，一些施工单位不使用常规的***方法，而趋向于应用非***开挖的破岩工艺。为此，人们研究了多种新的破岩方法，如水力破岩、机械破岩、水力和机械联合破岩、超声辅助破岩、激光辅助破岩、气体膨胀破岩。《中国科技信息》2015年第21期发表的“非***破岩方法综述”介绍了目前国内外几种常见的用于硬岩开挖的非***方法，对各种非***破岩方法的破岩工作原理进行了阐述，并对其所用到的机械设备的性能特点进行了总结，具体包括静态破碎法、二氧化碳致裂器、液压劈裂机、高频破碎锤等非***手段。上述方法尽管都具有安全高，污染小、危害低等优点，但与常规***方法相比，非***法破碎岩石成本高出很多，且都难以在工业上大规模、低成本利用。
众所周知，岩石具有抗压而不抗拉剪的特性，岩石的抗拉强度和抗剪强度远小于岩石的抗压强度。一般来说，岩石的抗拉强度最小，抗剪强度次之，抗压强度最大；岩石的抗拉强度通常为抗压强度的1/10～1/30，抗剪强度为抗压强度的1/8～1/12。如何利用这一岩石特性进行工程破岩是提高能量利用率、降低能量消耗、避免***次生危害的重要研究方向。
为此，本发明提出了一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法。
发明内容
为克服******方式破岩的诸多弊端，降低***破岩能量消耗，提高破岩能量利用率，创造优良的生产作业环境，彻底解决***破岩时诱发的***振动、***粉尘和有毒有害气体等危害难题，本发明提出了一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法，该方法充分利用岩体的抗压而不抗拉剪的特点，当岩体受到的拉应力和剪应力超过其抗拉强度和抗剪强度时即可将岩体破碎成一定的块度，利用较小的拉、剪应力达到破碎岩体的目的，形成静态环保机械破岩新方法。
为实现本发明的上述目的，本发明一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法通过以下技术方案实现：
本发明一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法，采用的破岩装备***由液压动力机构、拉拔破岩机构通过送油管路、回油管路连接构成；所述的液压动力机构含有可以移动的动力车、装配在动力车上的液压油箱，液压油箱上设有驱动电机、压力表、控制液压油箱送油的操控器；所述的拉拔破岩机构含有液压顶、顶升竖杆、垫板、横梁、拉拔杆、锚固杆，液压顶位于垫板上，顶升竖杆的下部与液压顶的上端连接，横梁的两端通过卡销与顶升竖杆的上端连接固定，拉拔杆的上部通过卡销与横梁相连，拉拔杆的下部通过夹具与按照设计孔距、排距布设在岩体中的拉拔孔内的锚固杆相连；送油管路、回油管路的一端分别与液压顶的进油口、回油口连接，另一端分别与液压油箱的出油阀门、回油阀门连接；
其机械破岩的步骤为：
1)在岩体中按照设计孔距、排距参数钻凿限位孔和拉拔孔，限位孔位于拉拔孔构成的矩形面的四周；采用锚固剂将锚固杆分段锚固在拉拔孔中，使锚固杆与拉拔孔周围的岩体紧密连接；
2)待锚固杆达到设计锚固力后，采用夹具将锚固杆的上端与拉拔杆的下部连接固定，然后通过拉拔杆与横梁连接；
3)将液压顶安设位置的地表松散碎石清理干净，处理至稳定的基岩；将垫板放置于岩面上，然后安放好液压顶，连接固定好顶升竖杆，并通过卡销与横梁连接牢固；
4)然后分别将送油管路、回油管路的一端与液压顶的进油口、回油口连接，另一端分别与液压油箱的出油阀门、回油阀门连接；
5)采用动力车将驱动电机启动，操作操控器将液压油箱(11)中的液压油通过送油管路输送到液压顶的油缸中；
6)液压顶在液压驱动下缓慢提升，带动顶升竖杆和横梁一起逐渐上升；
7)拉拔杆和夹具随横梁一起缓慢提升，进而带动锚固杆将位于上部的第一次拉裂区域的岩体拉裂形成破碎岩块；
8)采用机械装载设备将第一次拉裂区域破碎的岩块清理后，采用同样的方式对位于第一次拉裂区域下部的第二次拉裂区域进行破岩工作，依次类推；
9)拉拔孔区域的岩体全部破碎后，采用动力车将设备运输到其他区域进行破岩工作。
根据现场工程破岩需要，本发明所述的拉拔孔可以为垂直孔(竖向拉拔情况下)或者水平孔(侧向拉拔情况下)，拉拔孔与岩体表面垂直，孔径40～150mm，间距0.6～1.5m，钻孔长度根据生产需要在1～15m范围之间可调，满足工程所需岩体破碎块度要求。
锚固杆可以采用螺纹钢，也可以采用多束钢绞线，为满足拉拔强度要求，锚固杆直径一般为18～100mm、长度为0.6～1.5m；
本发明在工程应用中，还要在拉拔孔构成的矩形面的四周钻设限位孔，当存在一个或者多个自由面时，则相应减少一侧或多侧的限位孔；限位孔的钻孔直径比拉拔孔小20mm～50mm，钻孔间距为拉拔孔的1/3～1/2，钻孔长度与拉拔孔相同。
为了保护环境，锚固剂采用可降解树脂或其他环保材料，能够在5～10分钟内迅速达到设定锚固力。一般情况下，设定锚固力为拉拔孔周围岩体抗拉强度的1.5～3.0倍。
根据工程实际需要，布设于拉拔孔内的锚固杆可以为一段、两段、三段或多段，相邻两段之间的端头交错埋设。
所述的拉拔孔为全长一次性锚固，采用“一次钻孔、分段破岩”的多次拉拔机械破岩方式；根据岩体特性和液压顶的顶升能力，每次拉拔1～5排钻孔。相邻拉拔孔之间、拉拔孔和限位孔之间的岩体皆受到拉应力，形成受拉破岩区域；相邻限位孔之间的岩体受剪切应力，形成贯通剪切面，与周围未拉剪区域分割开。所述的锚固剂为可降解树脂或其他环保材料，不会造成环境污染；同时可以在5～10分钟内迅速达到锚固力，提高现场机械化作业效率。
所述的动力车既为驱动电机提供动力，又可以根据工程需要将本发明装备运输到指定的地点进行破岩工作，实现本发明的灵活移动。
本发明一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法采用以上技术方案后，具有下列积极效果：
(1)本发明充分利用岩体抗压不抗拉、不抗剪的特性，利用较小的荷载实现岩体的破裂，避免采用******破岩的***炮烟、粉尘、振动的危害，彻底解决******破岩能量利用率低、环境污染大、次生灾害严重的难题，消除***炮烟中毒窒息事故的发生，创造优良的生产作业环境和劳动卫生条件，提高生产作业安全。
(2)本发明可以实现“只钻孔不***”的静态环保机械破岩，避免岩块的过度粉碎及较高的大块率，满足工程项目岩石块度的需要，提高机械化铲装运输效率，降低铲运作业成本。
(3)本发明所涉及的锚固剂为可降解树脂或其他环保材料，不构成二次环境污染，有助于保护环境。
(4)本发明操作简单、易于掌握、安全可靠，经技术培训后的施工人员可以熟练掌握流程化操作技能，便于机械化施工、提高生产作业效率。
附图说明
图1是本发明一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法采用的破岩装备***纵剖面示意图；
图2是本发明一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法采用两排孔时的破岩装备***俯视示意图；
图3是本发明一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法采用三排孔时的破岩装备***俯视示意图；
附图标记为：1-液压顶；2-顶升竖杆；3-卡销；4-垫板；5-横梁；6-拉拔杆；7-夹具；8-锚固杆；9-动力车；10-驱动电机；11-液压油箱；12-压力表；13-操控器；14-送油管路；15-回油管路；16-限位孔；17-拉拔孔；18-锚固剂；19-第一次拉裂区域；20-第二次拉裂区域；21-岩体。
具体实施方式
为更好地描述本发明，下面结合附图对本发明一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法做进一步详细描述。
由图1所示的本发明一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法纵剖面示意图并结合图2、图3看出，本发明一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法是由液压动力机构、拉拔破岩机构通过送油管路14、回油管路1连接构成。
所述的液压动力机构含有可以移动的动力车9、装配在动力车9上的液压油箱11，液压油箱11上设有驱动电机10、压力表12、控制液压油箱11送油的操控器13。
所述的拉拔破岩机构含有液压顶1、顶升竖杆2、垫板4、横梁5、拉拔杆6、锚固杆8；液压顶1位于垫板4上，垫板4放置于岩体21的岩面上，顶升竖杆2的下部与液压顶1的上端连接，横梁5的两端通过卡销3与顶升竖杆2的上端连接固定；拉拔杆6的上部通过卡销3与横梁5相连，拉拔杆6的下部通过夹具7与按照设计孔距、排距布设在岩体21中的拉拔孔17内的锚固杆8相连；锚固杆8采用螺纹钢或多束钢绞线，锚固杆8的直径为18～100mm、长度为0.6～1.5m，两个锚固杆8之间的间距为0.6～1.5m；锚固杆8与拉拔孔17之间采用锚固剂18与拉拔孔17周围的岩体21紧密连接。位于拉拔孔17内的锚固杆8可以是一段、两段或多段，图2、图3的拉拔孔17内布设有两段锚固杆8，相邻两段之间的端头交错埋设。
送油管路14、回油管路15的一端分别与液压顶1的进油口、回油口连接，另一端分别与液压油箱11的出油阀门、回油阀门连接。
具体操作步骤为：
其机械破岩的步骤为：
1)在岩体21中按照设计孔距、排距参数钻凿限位孔16和拉拔孔17，限位孔16位于拉拔孔17构成的矩形面的四周；采用锚固剂18将锚固杆8分段锚固在拉拔孔17中，使锚固杆8与拉拔孔17周围的岩体21紧密连接；拉拔孔17的布设参数为：孔径40～150mm，间距0.6～1.5m，钻孔长度根据生产需要在1～15m范围之间可调，每排拉拔孔17数量一般为2个；限位孔16的孔径比拉拔孔17小20mm～50mm，限位孔16间距为拉拔孔17间距的1/3～1/2，限位孔16的深度与拉拔孔17的深度相同。
锚固剂18采用可降解树脂或其他环保材料，能够在5～10分钟内迅速达到设定锚固力。
2)待锚固杆8达到设计锚固力后，采用夹具7将锚固杆8的上端与拉拔杆6的下部连接固定，然后通过拉拔杆6与横梁5连接；
3)将液压顶1安设位置的地表松散碎石清理干净，处理至稳定的基岩；将垫板4放置于岩面上，然后安放好液压顶1，连接固定好顶升竖杆2，并通过卡销3与横梁5连接牢固；
4)然后分别将送油管路14、回油管路15的一端与液压顶1的进油口、回油口连接，另一端分别与液压油箱11的出油阀门、回油阀门连接；
5)采用动力车9将驱动电机10启动，操作操控器13将液压油箱11中的液压油通过送油管路14输送到液压顶1的油缸中；
6)液压顶1在液压驱动下缓慢提升，带动顶升竖杆2和横梁5一起逐渐上升；
7)拉拔杆6和夹具7随横梁5一起缓慢提升，进而带动锚固杆8将位于上部的第一次拉裂区域19的岩体21拉裂形成破碎岩块；
8)采用机械装载设备将第一次拉裂区域19破碎的岩块清理后，采用同样的方式对位于第一次拉裂区域19下部的第二次拉裂区域20进行破岩工作，依次类推；
9)拉拔孔17区域的岩体21全部破碎后，采用动力车9将设备运输到其他区域进行破岩工作。
本发明方法之拉拔孔17为全长一次性锚固，采用“一次钻孔、分段破岩”的多次拉拔机械破岩方式；相邻拉拔孔17之间、拉拔孔17和限位孔16之间的岩体21皆受到拉应力，形成受拉破岩区域；相邻限位孔16之间岩体受剪切应力，形成贯通剪切面，与周围未拉剪区域分割开；根据岩体21的特性和液压顶1的顶升能力，每次拉拔1～5排钻孔。
本发明充分利用岩体抗压不抗拉剪的特性，实现“只钻孔不***”的静态环保机械破岩，避免岩块的过度粉碎及较高的大块率，满足工程项目岩石块度的需要，提高机械化铲装运输效率，降低铲运作业成本；同时彻底解决******破岩能量利用率低、环境污染大、次生灾害严重的难题，取得显著的经济效益和环境效益。本发明可以在矿山、隧道、交通道路、边坡、基坑开挖等领域广泛应用。
Claims (7)
1.一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法，其特征在于：
采用的破岩装备***由液压动力机构、拉拔破岩机构通过送油管路(14)、回油管路(15)连接构成；所述的液压动力机构含有可以移动的动力车(9)、装配在动力车(9)上的液压油箱(11)，液压油箱(11)上设有驱动电机(10)、压力表(12)、控制液压油箱(11)送油的操控器(13)；所述的拉拔破岩机构含有液压顶(1)、顶升竖杆(2)、垫板(4)、横梁(5)、拉拔杆(6)、锚固杆(8)，液压顶(1)位于垫板(4)上，顶升竖杆(2)的下部与液压顶(1)的上端连接，横梁(5)的两端通过卡销(3)与顶升竖杆(2)的上端连接固定，拉拔杆(6)的上部通过卡销(3)与横梁(5)相连，拉拔杆(6)的下部通过夹具(7)与按照设计孔距、排距布设在岩体(21)中的拉拔孔(17)内的锚固杆(8)相连；送油管路(14)、回油管路(15)的一端分别与液压顶(1)的进油口、回油口连接，另一端分别与液压油箱(11)的出油阀门、回油阀门连接；
其机械破岩的步骤为：
1)在岩体(21)中按照设计孔距、排距参数钻凿限位孔(16)和拉拔孔(17)，限位孔(16)位于拉拔孔(17)构成的矩形面的四周；采用锚固剂(18)将锚固杆(8)分段锚固在拉拔孔(17)中，使锚固杆(8)与拉拔孔(17)周围的岩体(21)紧密连接；
2)待锚固杆(8)达到设计锚固力后，采用夹具(7)将锚固杆(8)的上端与拉拔杆(6)的下部连接固定，然后通过拉拔杆(6)与横梁(5)连接；
3)将液压顶(1)安设位置的地表松散碎石清理干净，处理至稳定的基岩；将垫板(4)放置于岩面上，然后安放好液压顶(1)，连接固定好顶升竖杆(2)，并通过卡销(3)与横梁(5)连接牢固；
4)然后分别将送油管路(14)、回油管路(15)的一端与液压顶(1)的进油口、回油口连接，另一端分别与液压油箱(11)的出油阀门、回油阀门连接；
5)采用动力车(9)将驱动电机(10)启动，操作操控器(13)将液压油箱(11)中的液压油通过送油管路(14)输送到液压顶(1)的油缸中；
6)液压顶(1)在液压驱动下缓慢提升，带动顶升竖杆(2)和横梁(5)一起逐渐上升；
7)拉拔杆(6)和夹具(7)随横梁(5)一起缓慢提升，进而带动锚固杆(8)将位于上部的第一次拉裂区域(19)的岩体(21)拉裂形成破碎岩块；
8)采用机械装载设备将第一次拉裂区域(19)破碎的岩块清理后，采用同样的方式对位于第一次拉裂区域(19)下部的第二次拉裂区域(20)进行破岩工作，依次类推；
9)拉拔孔(17)区域的岩体(21)全部破碎后，采用动力车(9)将设备运输到其他区域进行破岩工作。
2.如权利要求1所述的一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法，其特征在于：所述拉拔孔(17)的孔径为40～150mm、间距为0.6～1.5m；拉拔孔(17)的深度根据生产需要在1～15m范围之间可调。
3.如权利要求2所述的一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法，其特征在于：锚固杆(8)采用螺纹钢或多束钢绞线，锚固杆(8)直径为18～100mm、长度为0.6～1.5m。
4.如权利要求1、2或3所述的一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法，其特征在于：限位孔(16)的孔径比拉拔孔(17)小20mm～50mm，限位孔(16)间距为拉拔孔(17)间距的1/3～1/2，限位孔(16)的深度与拉拔孔(17)的深度相同。
5.如权利要求4所述的一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法，其特征在于：锚固剂(18)为可降解树脂或其他环保材料，能够在5～10分钟内迅速达到设定锚固力。
6.如权利要求5所述的一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法，其特征在于：布设于拉拔孔(17)内的锚固杆(8)为两段、三段或多段，相邻两段之间的端头交错埋设。
7.如权利要求6所述的一种基于拉剪应力进行机械破岩的新方法，其特征在于：拉拔孔(17)为全长一次性锚固，采用“一次钻孔、分段破岩”的多次拉拔机械破岩方式；相邻拉拔孔(17)之间、拉拔孔(17)和限位孔(16)之间的岩体(21)皆受到拉应力，形成受拉破岩区域；相邻限位孔(16)之间岩体受剪切应力，形成贯通剪切面，与周围未拉剪区域分割开；根据岩体(21)的特性和液压顶(1)的顶升能力，每次拉拔1～5排钻孔。
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