CN1072302C - 材料受控破碎和去除的挖掘方法及挖掘系统 - Google Patents

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Abstract

通过组合使用机械冲击破碎机和小药量爆炸工序来破碎岩石和其它硬材料，如混凝土。机械冲机破碎机(33，47)通过向岩石传送一系列机械冲击来破碎岩石。这种裂缝产生方法是这样实现的：对一钻孔(9)的底部加压，以在接近孔底(12)引发或传播受控裂缝，或传播预存在裂缝。在实施时，小药量爆炸方法用来产生裂缝和部分破除挖方中间部分的岩石。机械冲击破碎机(33，47)然后用来高效地去除已经被小药量爆炸方法弱化的岩石。

Description

材料受控破碎和去除的挖掘方法及挖掘系统
本发明要求于1995年8月7日提出的待审美国临时申请No.60/001,956的优先权，其名称为“通过组合使用冲击锤和小药量爆炸来实现硬质岩石和混凝土受控破碎的方法”。本文将引用其全文作为参考。
本发明总体上涉及一种挖掘硬质岩石和混凝土的方法，更具体地说，涉及使用小药量爆炸和冲击锤来挖掘硬质岩石和混凝土的方法。
在采矿、采石和土木建筑工业中，挖掘岩石是一项基本工作。与挖掘岩石和其它硬质材料相关的这些工业有许多重要的互相制约的要求。它们包括：
减少岩石挖掘的费用；
增加挖掘速度；
提高安全和减少安全费用；
较好地控制挖掘过程的精确性；
在市区和环境敏感区域可接受的经济有效的岩石挖掘方法。
钻孔和爆炸方法是最通常用的方法，也是岩石挖掘通常最适用的方法。由于规定的限制，这些方法对许多城市环境是不合适的。在采矿生产中，钻孔和爆炸方法主要受生产速度的限制，而在矿石开采和民用隧道开采中，由于大规模钻孔和爆炸工序的周期特征，钻孔和爆炸方法基本上受到限制。
隧道开凿机器用于挖掘长的、比较直的、圆形截面的隧道。这种机器很少用于采矿操作。
筑路机器用于采矿和建筑应用，但只限于中等硬度、非磨料岩石结构层。
机械冲击破碎机(mechanical impact breaker)是目前用于破碎过大岩石、混凝土和钢筋混凝土结构的一种方法。在技术上，机械冲击破碎机已前进了一步，它通过使用高能液压系统来增加冲击工具的冲击能量和冲击频率，并用高强度、高抗裂韧性钢作刀具。机械冲击破碎机几乎可以用于任何工作场所，因为它不会产生喷气并且它们的地震图形相对低。作为一种通用挖掘工具，机械冲击破碎机局限于带有高度裂缝的软岩石结构层。在较硬岩石结构层中(无侧限抗压强度(unconfined compressive strength)大于60-80MPa)，机械冲击破碎机的效率明显降低，并且刀具的磨损明显增加。机械冲击破碎机本身不能经济地从地下挖掘大块硬岩石结构层。
小药量爆炸技术(small-charge blasting technique)可以用于包括大块、硬岩石结构在内的所有岩石结构。小药量爆炸所包括的所有方法在任何一次爆炸时所用爆炸试剂量都很小，它和许多传统的钻孔和爆炸操作不同，这些操作包括：钻多个孔；在孔中装上炸药，在几微秒内引爆每个孔，它们所用的爆炸试剂约为几十千克到几千千克。
小药量爆炸会产生损坏周围机器和结构的飞石，并且会产生对人有伤害的喷气和噪音。另外，小药量爆炸技术不能经济地用于经常有精度要求的挖掘。
所以，需要有一种能有效破碎岩石且产生低速飞石的方法和装置，以使在岩石破碎操作过程中，钻孔、清理、运输和现场支撑设备都可以保持在工作面上。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种材料受控破碎和去除的挖掘方法，包括：
(a)将一机器的构件插入一孔中，该孔位于材料的一自由表面；
(b)在构件处于孔中的情况下向孔中提供一气体；
(c)以此气体对孔加压，从而造成下表面裂缝从孔向外扩展并将材料的至少邻近孔的部分破碎出裂缝，其中，在加压步骤之后，至少孔的深度的大部分和裂缝材料的一部分在自由表面保持在原位；和
(d)用一机械冲击破碎机冲击保持在原位的裂缝材料，以便从自由表面移走保持在原位的裂缝材料。
本发明另一方面提供一种硬质材料的受控破碎的方法，包括：
(a)向位于硬质材料的自由表面上的孔底内释放气体；
(b)将气体密封在孔底，为孔底加压，使裂缝从孔底开始扩展，从而在环绕孔的自由表面上的硬质材料上形成一裂缝部分；和
(c)用一钝的物体冲击暴露于自由表面上的裂缝部分，以从自由表面上移走裂缝部分中的材料，其中，钝的物体接触自由表面时的冲击能量至少约为0.5千焦，其冲击频率至少约为每秒钟1次。
本发明又一方面提供一种硬材料受控破碎的方法，包括：
(a)向位于硬质材料的自由表面上的孔底内释放气体；
(b)将气体密封在孔底，为孔底加压，使裂缝从孔底开始扩展，从而在环绕孔的自由表面上的硬质材料上形成一裂缝部分；和
(c)用一机械冲击破碎机冲击暴露于自由表面上的裂缝部分，以从自由表面上移走裂缝部分中的材料，其中，机械冲击破碎机接触自由表面时的冲击能量至少约为0.5千焦。
该方法有许多优点。小药量爆炸和冲击破碎技术的组合使用，和它们单独使用时的各自效率相比，明显提高了岩石破碎的效率。小药量爆炸和冲击破碎技术的组合使用典型地可以在较短时间内取出较大量的岩石，它所用时间比单独使用小药量爆炸和机械冲击破碎技术所用时间短，特别是在较硬的材料中，组合使用两种技术既具有小药量爆炸技术的优点(如，使用低地震图像和在爆炸过程中产生的飞石量少)，又具有机械冲击破碎技术的优点(如，修剪孔表面轮廓的能力和分割表面上的大块岩石以提高清理操作的效率)。
通过引爆炸药或燃烧燃料可以将气体释放到孔底。小药量技术包括逐个引爆各个孔或同时引爆多个孔。因为任何一次所用爆炸试剂量少，所以，小药量爆炸技术的地震图像相对低。根据所用方法，地下小药量爆炸技术每次用约0.15-0.5kg的爆炸试剂来移去约0.3-10堆积立方米(bank cubicmeter)数量级的岩石。在地上挖掘、小药量和地面小药量爆炸技术中，每次所用药量可以增加到约1-3kg爆炸试剂，每次能移去10-100堆积立方米。
冲击破碎机冲击自由表面的裂缝部分的冲击能量最好约为0.5-500千焦。冲击破碎机的冲击频率典型地约为每秒一次到每秒二百次。
冲击步骤最好紧跟着释放和密封步骤。该技术基本上可以用于逐孔引爆或同时引爆多个孔。
图1是一曲线图，示出的(1)一典型的机械破碎机；(2)一典型的小药量爆炸工序；和(3)同时使用两者时的开采速率是岩石无侧限抗压强度的函数。该曲线图示出了组合使用两者时的性能比单独使用两者时性能之和大多少。
图2是小药量爆炸工序一般元件的局部侧面剖视图，图中示出了：一短钻孔；一炸药包，它位于孔底部，包括一定量的爆炸试剂和点火元件；和一堵塞(填塞，密封)元件，它堵塞住炸药，将气体生成物集中到孔底。
图3是通过小药量爆炸工序在岩石表面形成的弧坑的局部侧面剖视图，图中示出了从弧坑射出的破碎岩石以及保持在产生弧坑区下面的残余裂缝。
图4是一岩石表面的局部侧面剖视图，图中示出了在岩石上钻有两个短孔，通过小药量爆炸工序来爆破，所以孔周围的岩石均被移去了。该简图示出了由小药量爆炸法形成的在孔底附近驱入岩石内的一个大裂缝或多个裂缝以及其它残余小裂缝，还示出附近表面之下的裂缝网如何减弱整个岩石结构的强度。
图5是一典型的机械冲击破碎机的局部侧面剖视图，示出了破碎机组件和破碎刀具。图中所示破碎机组件固定在一铰接悬臂组件上，悬臂组件固定在一下托架上。
图6是一岩石表面的局部侧面剖视图，其中，一机械冲击破碎刀具已冲击岩石表面，在周围岩石中引发裂缝。
图7是一挖掘系统的局部侧面剖视图，图中示出了：下托架；一悬臂，在它上面固定有一机械冲击破碎机；和一悬臂，在它上面固定有一小药量爆炸装置。
图8是(1)固定在分度机构上的小药量爆炸装置的局部侧面剖视图，分度机构又固定在铰接悬臂组件的一端；(2)分度机构的正视图，图中示出了一岩石钻头和一小药量爆炸装置。
本发明组合使用小药量爆炸工序和一机械冲击破碎机(也称作液压锤或冲击型松土机)。小药量爆炸方法意味着使用小量炸药使岩石少量破碎，它和许多传统的钻孔和爆炸操作不同，这些方法包括；钻多个孔，在孔中装药(例如，在地上挖掘时，药量约为20-250吨)；在几微秒中爆炸每个孔；通风和清理工序。在地下挖掘场合中，小药量爆炸技术所用爆炸试剂的量约为0.15-0.5，比较好的约为0.15-0.3，最好约为0.15-0.2kg，每次移去的材料约为0.3-10，比较好的约为1-10，最好约为3-10堆积立方米。在地上挖掘场合中，小药量爆炸技术所用爆炸试剂的量约为1-3，比较好的约为1-2.5，最好约为1-2kg，每次移去的材料约为10-100，比较好的约为15-100，最好约为20-100堆积立方米。“堆积立方米”是原生岩石的立方米，而不是从岩石表面脱剥离的疏松岩石的立方米。
小药量爆炸通常涉及逐个引爆各孔，但也可以包括同时引爆多个孔。由于任何一次爆炸所用药量小，所以小药量爆炸方法的地震图像相对低。优选的爆炸试剂包括炸药和燃料。
最好是同时钻且引爆多个孔(在整个周期小于一秒的时间内)，尽管小药量爆炸所用爆炸试剂的总量约为2kg数量级或更少。然而，这里涉及的大多数小药量爆炸方法的钻孔和引爆通常在许多分钟之内才能完成。连续小数量爆炸引爆的平均时间约为0.5-10分钟，比较好的约为1-6分钟，最好约为1-3分钟。
通过使用比小药量爆炸技术所用钻孔更深的钻孔可以改进小药量爆炸技术，以优化冲击破碎机的效率。较深的钻孔的深度基本上可以最大程度降低飞石能量，因为它使更多的裂缝岩石保持在岩石的原位。当小药量爆炸技术和冲击破碎技术一起使用时，岩石中孔的深度最好为孔直径的3-15倍。在一个实施例中，一定数量的裂缝岩石保持在岩石的原位。典型地，炸药只给岩石足够能量以让岩石产生裂缝，但是不让岩石从表面剥落下来，至少约有50％，比较好的至少约为75％，最好至少约为80％保持在岩石原位。
机械冲击破碎机通过向岩石传送一系列机械冲击来操作。破碎机和裂缝岩石的接触面积最好约为500-20,000m2。冲击能量在几千焦耳之内，锤击的频率约为每秒钟1-100次。机械冲击破碎机还可以用于劈开、橇起和剥离裂缝或部分剥离的岩石。机械冲击破碎机每次冲击引爆的能量约为0.5-20千焦，比较好的约为1-15千焦，最好约为1-10千焦。机械冲击破碎机冲击频率约为每秒1至100次，比较好的约为每秒5至100次，最好约为每秒25至100次。
本发明通过交替使用小药量爆炸法和机械冲击破碎机来破碎岩石或其它硬质材料(如混凝土)，可以获得非常有效的岩石破碎；可以严格控制由小药量爆炸工序产生的任何飞石；产生较低的地震图像；可以精确控制洞轮廓的周边。飞石动能约为0-450焦耳/千克，比较好的约为0-100焦耳/千克；最好约为0-50焦耳/千克。从离引爆点或冲击点10米远的地方测得的地震颗粒速度峰值约为0-30毫米/秒，比较好的约为0-15毫米/秒，最好约为0-2毫米/秒。从预定挖掘轮廓测得的超挖(overbreak)约为0-150mm，比较好的约为0-100mm，最好约为0-50mm。
在有裂缝的和整块的硬岩石中，组合使用小药量爆炸和机械破碎机可以提供最优化性能。例如，一次引爆有时不能完全破碎岩石，液压破碎机可以快速有效地完成岩石的破碎或移走。在许多应用场合，预期操作者会趋向于下方爆炸，从而最大程度减少飞石。所以，破碎机的功能是：完成岩石的破碎；使破碎岩石按所需的碎石尺寸来破碎；修剪挖掘的轮廓至规定的尺寸；和去除小驼峰或脚趾状物。
在相对软的裂缝岩石结构中，机械冲击破碎机可以用合理的效率(移去单位容积岩石所需的能量)和可接受的破碎刀具的使用寿命单独操作。通过使用一次或多次小药量爆炸工序来破碎和软化岩石可以提高机械冲击破碎机的效率。如果需要的话，孔的中心部分可以通过小药量爆炸方法完全移走，为机械冲击破碎机生成额外的自由表面。小药量爆炸工序所需的钻孔可以钻得足够深，以保证钻孔底部周围的岩石要么产生裂缝而不剥离，要么以低能量的飞石剥落掉。在相对软的裂缝岩石结构中，机械冲击破碎机一般用于挖掘大部分的岩石。例如，小药量爆炸可以移走约20％数量级的岩石，而机械冲击破碎机可以搬走其余的80％岩石。
在带有裂缝的中等强度的岩石中，由于岩石硬度增加；裂缝的减少；以及岩石结构不均匀，使机械冲击破碎机的挖掘效率和工具的寿命都减少。在这种情况下，要增加小药量爆炸的钻孔数以减弱和/或移走更多的挖方。机械冲击破裂机用于移走任何保留在孔中心部分的疏松边界岩石，还用于完成挖掘，使洞达到理想的边界或剪切线。另外，小药量爆炸工序所需的钻孔可以钻得足够深，以保证要么岩石在钻孔底周围产生裂缝而不从岩石表面剥落下来，要么从岩石表面上剥落下一层能量非常低的飞石。在带有一些裂缝的中等强度的岩石中，小药量爆炸和机械冲击破碎机移走的挖方大致相同。
在相对硬到很硬、大块的岩石结构中，机械冲击破碎机本身不能破碎或移走一点岩石，并且刀具的使用寿命也明显减短或等于零。在这种情况下，必须使用小药量爆炸或其它方法来破碎岩石。小药量爆炸本身可以挖掘硬的、大块岩石结构，但其挖掘效率也很低。在较硬的岩石表面必须钻相对较短的钻孔。如果孔太深，剥落的岩石就少甚至没有。如果孔太短，飞石的能量就会很高，导致附近的设备损坏。然而，如果小药量爆炸所用的钻孔比较深(而不是较浅)，基本上就可以避免高能飞石的产生，几次小药量爆炸以后，已发现机械冲击破碎机可以剥落大部分岩石。这是因为小药量爆炸引爆已在钻孔底部区域产生一表面之下的裂缝网，降低了岩石的硬度，足以让机械冲击破碎机重新获得效率和可接受的刀具使用寿命。在硬的、大块岩石结构中，需要进行许多次小药量爆炸引爆。锤击的次数取决于实际上有多少岩石已被小药量爆炸方法移走。除了爆破挖掘的中心部分外，小药量爆炸还可以在挖掘的周边进行。机械冲击破碎机，由于它具有较高级的控制，它还用来完成剪切，以达到所需的轮廓。
组合使用小药量爆炸和机械冲击破碎机的关键方面是组合使用的效率远远高于单独使用。破碎机实际上是提高小药量爆炸工序的平均开采量。小药量爆炸提高了机械冲击破碎机的效率和工具使用寿命，并将其应用范围扩大到较硬、带有较少裂缝的岩石结构。
例如，在无侧限抗压强度(UCS)约为60-100MPa的岩石中，单独使用机械冲击破碎机要用4个小时才能移走约30m3的挖方(约100kw功率传到岩石表面)。单独使用小药量爆炸工序要用2个小时和约20次引爆来挖掘约30m3的挖方(每次引爆约用0.3kg(1兆焦)爆炸试剂)。当一起使用时，挖掘30m3的土方可以用2-3次小药量爆炸引爆花去约半小时时间，再花一小时的机械冲击破碎。
在75％的应用中，单独使用机械冲击破碎机将消耗18兆焦的能量，花4个小时完成挖掘。单独使用小药量爆炸将消耗20兆焦的能量，花3个小时完成挖掘(还必须使用破碎机来提供最终轮廓)。组合使用两者，将消耗7.5兆焦的能量，用1个半小时完成挖掘。
再举个例子，在无侧限抗压强度(UCS)约为250-300MPa的岩石中，单独使用机械破碎机实际上不能破碎任何岩石。单独使用小药量爆炸工序挖掘30m3需要5个小时和60次引爆。当组合使用时，挖掘30m3需要15-25次小药量爆炸，需要2个小时和另外用机械冲击破碎花2个小时来剥落小药量爆炸法没有移走的岩石，剥落疏松岩石和修剪挖掘轮廓。
单独使用小药量爆炸要消耗约60兆焦的能量，花6个小时来完成挖掘(还要用破碎机来提供最终轮廓)。组合使用时，消耗约25-约35兆焦的能量，在4小时内完成挖掘。
图1中示出了单独使用机械冲击破碎机、单独使用小药量爆炸和组合使用两者的挖掘生产效率比较。
本发明通过组合使用机械冲击破碎机和小药量爆炸而扩大了两者的应用范围，它明显提高了操作性能，比单独作用性能之和还高。组合使用还弥补了每种方法单独作用时的明显的局限性。
通过组合使用两种方法，与单独使用每种方法相比，生产率(每小时岩石破碎的立方米)约增加到两倍到七倍，比较好的约增加到三倍至十倍，最好约增加到四倍至十倍。
通过组合使用两种方法，机械冲击破碎机在软岩石以及中等和硬岩石结构中的性能明显提高，单独使用时，机械冲击破碎机不具有经济的挖掘速度。通过组合使用两者，机械冲击破碎机的刀具磨损明显减少，因为岩石的硬度被前面的小药量爆炸法降低，所以会形成额外的自由表面。
通过组合使用两种方法，小药量爆炸引爆的平均开采量明显提高(2至10倍)，因为机械冲击破碎机可以剥离阻碍后续小药量引爆的有效堆积的裂缝岩石。通过组合使用两种方法，小药量引爆所用的钻孔可以钻得深一些，所以可以减少或消除小药量引爆所产生的飞石的能量。
小药量爆炸的破碎机构
在小药量爆炸中，在岩石里钻一短孔，将小量炸药试剂放在孔中；用合适的材料(如砂，泥，岩石或钢杆)堵住或塞住炸药，引爆炸药。炸药产生的气体可以引发或扩展新裂缝或扩展已存在的裂缝，从而挖掘孔底周围少量的岩石。小药量爆炸工序的主要元件如图2所示。
钻孔可以钻成这样的形式，其能保证完全时产生裂缝，并使破碎的岩石带有一定能量被加速离开岩石表面，如图3所示。这种情况下，剩下的岩石在挖掘的弧坑周围包含一些残余裂纹，弧坑将构成额外的自由表面。这两个特征都有助于提高机械破碎机的性能。
另外，钻孔可以钻得深一些，以防止裂缝扩展到表面，或者如果裂缝确实达到了表面，则没有残余的气体能量使破碎的岩石碎片加速。图4示出了这种情况。在这种情况下，钻孔底周围的岩石保持有一裂缝网，它相当大地减弱了岩石的硬度，并有助于提高机械破碎机的性能。另外，已经扩展到表面的裂缝可以作为机械冲击破碎机撬动、劈开或剥离疏松岩石提供冲击位置。
小药量爆炸的基本前提是通过一系列连续引爆，每次引爆去除少量岩石，它和许多传统的钻孔和爆炸操作不同，这些方法包括：钻多个孔；在孔中装上炸药；在一定时间内引爆各个孔；排气和清理等环节。小药量爆炸每次引爆移走的岩石量约为1/2-3m3，两次引爆之间的时间间隙典型地为2分钟或更多。
这里有多种完成小药量爆炸的方法。它们包括但不局限于：
1．用传统的钻孔和爆炸技术钻孔和爆破一短孔。在孔的底部可以装上炸药，并用砂和/或岩石堵住。这是建立在已有的和众所周知的基本钻孔和爆炸经验之上。
2．用缓冲爆炸技术钻孔和爆破一短孔。这里，孔底部可以装上炸药，炸药和岩石隔开，并用砂和/或岩石塞住。这也是建立在已有的和众所周知的基本钻孔和爆炸经验之上。
3．用一气体喷射器来在一短钻孔底加压，如1992年3月24日公布的名称为“用于破碎坚实细密岩石和混凝土材料的受控裂缝方法和装置”的美国专利No.5,098,163中的实施方式。
4．使用燃料基在孔底放燃料的方法(propellant based charge-in-hole)在短钻孔底部加压，如1994年5月3日公布的名称为“用于坚实致密岩石和混凝土的受控裂缝的无炸药钻孔加压方法和装置”的美国专利No.5,308,149中的实施方式。
5．使用一种炸药基的方法在钻孔底加压，名称为“通过给钻孔底进行炸药加压来实现对硬质岩石和混凝土进行受控小药量爆炸的方法和装置”的临时美国专利申请中的实施方式。
小药量爆炸的优选方法将取决于岩石结构层的类型和为了让机械破碎机取得优化性能的最佳效果裂缝形式。
机械冲击破碎机的破碎机构
机械冲击破碎机的向岩石表面传送一系列高能冲击。图5示出了典型的机械冲击破碎机。单次冲击的能量在几百焦耳到几万焦耳范围内。冲击的频率可能从每秒几次到每秒一百次以上。每次冲击将向岩石传送一冲击脉冲，它又将从邻近自由表面反射，使岩石处于拉伸状态，产生引发裂缝所必需的条件。每次冲击还会延伸已存在的裂缝。一强冲击脉冲包括一强冲击，其后面紧跟着一强的膨胀波(sharp rarefaction wave)，使压力在此地震波绕过受脉冲影响的岩石容积所需时间还短的时间内发生升降。图6示出了这种机构。一系列冲击将会在岩石中形成振动应力图样(vibrating stresspattem)，它会加快岩石破碎。也可以用破碎工具通过使工具本身部分进入裂缝内而撬动或劈开岩石。
组合使用小药量爆炸方法和机械冲击破碎机的破碎机构
可以在岩石表面进行一次或多次小药量引爆来生成(1)表面之下的裂缝网；(2)额外的自由表面；或(3)以上两者的组合。通过扩展裂缝网和额外的自由表面，小药量爆炸为有效使用机械冲击破碎机创造了必要的条件。
在许多情况下，单独使用小药量爆炸会使多个孔中的破碎是不完全的，而孔底周围的岩石会产生裂缝。后续的孔必须隔得足够开，以防止后续孔底产生的压力过早地排放到先前形成的表面之下的裂缝中，所以，减少了引爆的开采量。这种情况可以通过钻较短的孔以保证裂缝达到表面，使岩石完全脱落的方法来避免。然而，这会导致一定量的气体能量将会使破碎岩石加速，从而产生带有足够能量的飞石，会损坏附近的设备。
如果小药量孔钻得足够深，让孔底周围的岩石产生裂缝又不会从岩石上剥落(等效于孔下爆破)，然后，可以用一机械冲击破碎机来剥离岩石，而没有会产生高能飞石的危险。用这种方法，可以消去岩石表面的疏松岩石，后续的小药量爆炸引爆可以在合格的岩石上进行，从而减少孔底产生的压力过早排放的可能。
所以，小药量爆炸的使用扩大了破碎机可以有效操作的岩石强度范围。破碎机可以帮助减少会降低小药量爆炸效率的疏松岩石，并帮助防止产生高能飞石。
组合系统的部件
组合机械冲击破碎机/小药量爆炸系统的主要部件是：
■悬臂组件和下托架；
■机械冲击破碎机；
■岩石钻；
■小药量爆破机构
■分度机构(the indexing mechanism)。
图7简单示出了系统的基本部件。下面各段将介绍各部件的主要特征。
                      悬臂组件和下托架
托架可以是任何标准采矿或建筑托架或任何为固定悬臂组件而专门设计的托架。可以制造用于为打竖井(shaft sinking)、采矿(stope mining)、窄脉岩采矿(narrow vein mining)和军用操作(military operation)的专用托架。
典型地，需要两个悬臂组件。一个用于安装机械冲击破碎机，第二个用于安装小药量爆炸机构。这两个悬臂组件可以由任何标准采矿或建筑铰接悬臂或任何改进的或商品化的悬臂。悬臂组件的功能是将破碎机或小药量破碎装置放在所需的位置上。在用于小药量装置时，悬臂组件可以用于安装一分度器组件。分度器夹持着岩石钻头和小药量机构，并绕对准岩石钻头和小药量机构的轴线转动。当岩石钻头在岩石表面钻一短孔时，分度器转动来对准小药量机构，以准备好将它插入钻孔中。分度器组件免去了岩石钻头和小药量机构需要单独悬臂的要求。悬臂和分度器的质量也起着提供反弹质量和为钻头和小药量机构提供稳定性的作用。
                       机械冲击破碎机
机械冲击破碎机也称为液压锤、高能液压锤或冲击松土机。一开始，这些机械冲击破碎机是气动的，基本上用于破碎圆石和用于混凝土破碎工作。后来引进了液动方式，冲击能量和冲击频率都提高了。随着机械冲击破碎机的能量增加，它被引入地下建筑和采矿操作，它经常和一反铲(backhoe)一起使用来挖掘软的、裂缝岩石。在南非已发展一种称为冲击松土机(impact ripper)的机械冲击破碎机，用于窄矿脉采矿操作。机械冲击破碎机典型地是安装在它自己的悬臂组件上，该悬臂可以将破碎机放在所需的位置上，并使下托架在操作过程中不受振动。机构冲击破碎机还可以引入反馈控制，根据变化的岩石条件来调节冲击能量和频率。
                          岩石钻
钻包括：钻马达，钻钢和钻头马达可以是气动的或是液动的。
优选的钻头型式为撞击钻头(percussive drill)，因为撞击钻头可以在钻孔底部形成微裂缝，微裂缝起着孔底裂缝引发点的作用。也可以用摇钻、金刚钻或其它机械钻头。
可以利用标准的钻头钢，它可以缩短以满足小药量爆炸工序的短孔要求。
可利用标准的采矿或建筑钻头来钻孔。还可以发展可以提高微裂缝的撞击钻头。钻孔的直径约为2.54-50.8厘米(1-20英寸)，钻孔深度典型的为孔直径的3-15倍。
用于形成台阶形孔以方便小药量机构插入的钻头包括一定位钻头(pilotbit)，它带有一直径稍大的扩孔钻(reanmer bit)，是岩石钻头生产厂家提供的一种标准的钻头结构。用于形成锥形过渡孔以方便小药量机构插入的钻头包括一带有直径较大的扩孔钻的定位钻头。扩孔钻和定位钻可以专门设计来提供从大直径扩孔到小直径定位孔的锥形过渡部分。
                        小药量爆炸机构
小药量爆炸机构可以由下列子系统组成：
1．炸药包仓
2．炸药包装载机构
3．炸药包
4．炸药包点火系统
5．堵塞或密封元件
炸药包仓-燃料或炸药包储存在一个用于自动装载枪的弹药仓式的仓中。
炸药包装载机构-装载机构是一标准的机械装置，它从仓中取出炸药包，将它插入钻孔中。下面将介绍的堵塞杆可以用于提供一些或所有这种功能。
装载机构将炸药包从仓中取出，然后插入钻孔中，这一过程的时间不少于10秒钟，比较典型的为30秒钟或更多。这和现代高引爆速度枪自动装载器相比是很慢的，所以在炸药包上不存在高加速度载荷。可以使用各种军用自动装载技术或工业上瓶和容器的处理系统。
其一种衍生型是一气动输送系统，其是在1/10巴数量级的压差作用下通过一刚性管或软管向前推进。
炸药包-炸药包是爆炸试剂(炸药或燃料)的容器，它可以用多种材料制成，如腊纸，塑料，金属或上述三者的组合。炸药包的功能是：
■起着储存容器的作用，用于盛装固态或液态爆炸试剂；
■起着爆炸试剂输送元件的作用，用于将爆炸试剂从储存仓输送到挖掘现场；
■在插入到钻孔过程中保护爆炸试剂；
■如果必要，用作爆炸试剂的燃烧室；
■如果必要，提供内部容积，以控制孔底产生的压力；
■防止爆炸试剂在湿钻孔中浸水；
■提供不受爆炸试剂所产生的强冲击脉冲作用的堵塞杆；
■当爆炸试剂在钻孔中消耗时，为爆炸试剂所生成的气体提供一备用密封机构。
炸药包点火系统-当爆炸试剂是由炸药组成时，可以采用标准的或新颖的炸药引爆技术。这些技术包括：瞬时电动起筒爆，它由一直流脉冲或一感应电流脉冲来引爆；非电动起爆筒；热起爆器(thermatile)；高能导火线或光引爆器，在光引爆器中，用一激光脉冲来引爆一光敏火帽。
当爆炸试剂是由燃料组成时，可以用标准的或新颖的燃料起燃技术。这些技术包括：撞击火帽，它用一机械锤或导火线来引爆火帽，电火帽，它靠一电容器放电提供电火花来引爆火帽；热火帽，它用一电池或容器放电来加热热灯丝；或光火帽，它用一激光脉冲束引爆一光敏火帽。
堵塞(填塞)或密封元件-在小药量爆炸方法中，爆炸试剂放在一短钻孔的底部，根据所用小药量方法，用多种元件当中的任何一种来堵住(填塞)或密封钻孔的上部。堵塞元件的作用是惯性地将爆炸试剂产生的高压气体保持在钻孔底部一足够长时间(典型的为几百微秒到几毫秒)，使岩石产生裂缝。
在用传统的钻头和爆炸技术来钻孔和引爆一短孔时，可以在孔底部装上炸药，并用砂和/或岩石或用下面将介绍的惯性堵塞杆堵住。
当用缓冲爆炸技术来钻孔和引爆一短孔时，可以在孔底部装上炸药，炸药和岩石隔开，用砂和/或岩石或用下面将介绍的惯性堵塞杆堵住。
当使用气体喷射器(美国专利No.5,098,163)，或燃料基药剂在孔中的方法(propellant based charge-in-hole method)(美国专利No.5,308,149)，或炸药法(名称为“通过给钻孔底的炸药加压来实现对硬质岩石和混凝土进行受控小药量爆炸的方法和装置”的临时美国专利申请)时，将高压气体保持在孔底直到岩石产生裂缝的基本方法是通过坚实的惯性堵塞杆，除了在堵塞杆和钻孔壁之间有一小泄漏通道之外，它可以防止气体沿钻孔向上流动。还可以通过包含爆炸试剂的炸药包和堵塞杆的设计特征来进一步减少这种小的泄漏。堵塞杆可以用高强度钢或其它材料制成，这些材料必须有高的密度和惯性质量；和高的强度，以承受压力载荷而不会产生变形；以及高的韧性，使堵塞杆经久耐用。
分度机构-岩石钻和小药量爆炸机构安装在一分度单元上，该分度单元又安装在一独立于机械冲击破碎机的悬臂上。分度机构的功能是允许形成钻孔，然后使小药量机构很容易对准钻孔，并将它插到孔中。图8示出了一种典型的分度机构。分度器通过液压连接器连接在它的悬臂上，该液压连接器可以使分度器与岩石表面间隔一定距离并形成所需的夹角。首先要将分度器定位，以让岩石钻可以在岩石表面钻一短孔。然后，分度器绕钻头和小药量机构的公共轴线转动，以便小药量机构对准钻孔。然后，小药量机构插入孔中，准备点火。
应用
破碎软的、中等硬度和硬质岩石以及混凝土的方法在采矿、建筑和岩石采石工业以及军事操作中有广泛用途。它们包括：
■挖掘隧道(tunneling)
■挖掘洞穴(cavern excavation)
■矿井开凿(shaft-sinking)
■采矿时坑道和打洞开采(adit and drift development in mining)
■下盘开采(1ong wall mining)
■车间和矿柱开采(room and pillar mining)
■开采方法(下沉、剪切装填和窄矿石脉)(stoping method)(shrinkage,cut& fill andnarrow-vein)
■选择性开采(selective mining)
■用于竖直弧坑面处理(VCR)的潜挖开采(undercut development forvertical crater retreat mining)
■用于大块下隔和下沉开采的通讯开采(draw-point development forblock caving and shrinkage stoping)
■二级破碎和减少过大规格的岩石(secondary breakage and reduction ofoversize)
■挖掘(trenching)
■天井钻孔(raise-boring)
■岩石剪切(rock cut)
■精确引爆(precision blasting)
■爆破(demolition)
■开井台阶清理(open pit bench cleanup)
■开井台阶引爆(open pit bench blasting)
■圆石破碎和在岩石采石场形成阶梯(boulder breaking and benching inrock quarries)
■岩石中战斗位置和个人掩体的构造(construction of fighting positionsand personnel shelters in rock)
■减少对军事行动的自然或人为阻碍(reduction ofnatural and man-madeobstaclesto military movement)。
图1中挖掘岩石的预估生产率1(用堆积立方米/小时表示)是岩石的无侧限抗压强度2(用兆帕MPa表示)的函数。典型的机械冲击破碎机的性能在图中用阴影部分3表示，它说明机械冲击破碎机不能挖掘无侧限抗压强度超过150MPa的岩石。公布的数据点4示于阴影区3内。典型的小药量爆炸工序的性能图中用阴影区5表示，它说明小药量爆炸工序可以挖掘典型的岩石挖掘工业中整个无侧限抗压强度内的岩石。公布的数据点6示于阴影区5内。交替使用小药量爆炸工序和机械冲击破碎机工作的性能在图中用交叉阴影区7表示，它说明组合使用的挖掘效率比单独使用两种方法的效率之和还要高。实验确定的数据点8示于交叉阴影区7内。
图2示出了小药量爆炸系统的元件。通过一岩石钻头在岩石表面10中钻一短孔9。钻孔9可能有一台阶形直径变化段11，它可以通过组合使用扩孔钻/定位钻来完成。台阶直径11可以限制炸药包插入元件的最大行程，或可用来帮助密封孔底12中产生的气体。一炸药包13放在孔底12中。炸药包13包含一爆炸试剂14。爆炸试剂14的燃烧是通过一点火元件15来引爆的，点火元件15是通过一电或光通信线16来进行远程控制的；通信线16穿过堵塞杆17。堵塞杆17用以惯性地约束引爆爆炸试剂14在孔底12产生的高压气体。堵塞杆17还可以提供密封功能，以防止在孔底12周围的岩石20中形成初始裂缝18和残余裂缝19的高压气体从孔底12泄漏。
图3示出了小药量爆炸引爆的整个岩石破碎工序，其中，钻了一较短的孔，并且该孔被“过冲击”。在岩石表面21上已钻有一个孔。钻孔底部22可能呈现在挖掘弧坑23底部的中间。破碎岩石24在爆炸试剂产生的气体的加速作用下从弧坑高速射出。残余裂缝25保持在弧坑壁下面的岩石26上。
图4示出了小药量爆炸引爆的整个岩石破碎工序。其中，钻了一相对深的孔，并且孔已被下冲击。在岩石表面29上钻有两个孔27和28。岩石没有被小药量引爆剥落下来，但是在岩石32中已形成了初始缝裂30和残余裂缝31。这样形成的表面之下的裂缝网降低了整个岩石结构的强度。这种岩石容易用后续小药量引爆或机械冲击破碎机来破碎。
图5示出了一种典型的现代机械冲击破碎机。机械冲击破碎机壳33固定在一铰接悬臂组件34上，悬臂组件34又固定在下托架35上。刀具36由破碎机壳33内的液压活塞机构来提供能量。下托架35在工作表面范围内移动破碎机33，悬臂34给破碎机33定位，从而使钻头36可以在岩石表面上操作。
图6示出了机械冲击破碎机的基本破碎机制。工具钻头37正处在冲击岩石表面38的瞬间。岩石表面38包含一预存在裂缝39。在岩石表面左侧，是一附近自由表面40。钻头37冲击岩石产生的冲击脉冲以拉伸波形式从预存在裂缝39的表面向外辐射和反射，在岩石表面产生一拉伸区41，在该区域内会引发另外的裂缝。冲击脉冲还以拉伸波形式从自由表面40向外辐射和反射，在岩石表面产生第二拉伸区42，在这个区域内会引发另外的裂缝。通过钻头37重复冲击以后，在区域41和42中引发的裂缝将会结合起来，并剥落岩石块(图中用区域43表示)。
图7示出了组合使用小药量爆炸系统和机械冲击破碎机的岩石挖掘系统。在一可移动托架46上固定有两个铰接悬臂组件44和45。悬臂组件44上固定有一机械冲击破碎机47。悬臂组件45上固定有一小药量爆炸装置48。挖掘机上所示的一个选择性设备是一反铲附件(backhoe attachment)49，用于将破碎岩石从工作表面移到一输送系统50，输送系统50将破碎岩石通过挖掘机送到一运输系统(图中未显示)。
图8示出了小药量爆炸装置所用的一典型分度机构。分度机构51将小药量爆炸装置52连接到铰接悬臂53上。一岩石钻54和一小药量插入机构55固定在分度器51上。悬臂53将分度器组件固定在岩石表面，从而让岩石钻54可以在岩石表面(未显示)上钻一短孔(未显示)。当岩石钻54从孔中缩回时，分度器51在液压机构57的作用下绕其轴56转动，以使小药量插入机构55和钻孔的轴线对准。然后，小药量插入机构55被插入钻孔中，准备点燃小药量炸药。
尽管已详细介绍了本发明的各实施例，但是对本领域的技术人员，很明显可以对这些实施例进行修改和变化。然而，必须清楚的是这些修改和变化都在下面权利要求所规定的本发明的精神和范畴内。

Claims (22)

1．一种材料受控破碎和去除的挖掘方法，包括：
(a)将一机器的构件插入一孔中，该孔位于材料的一自由表面；
(b)在构件处于孔中的情况下向孔中提供一气体；
(c)以此气体对孔加压，从而造成下表面裂缝从孔向外扩展并将材料的至少邻近孔的部分破碎出裂缝，其中，在加压步骤之后，至少孔的深度的大部分和裂缝材料的一部分在自由表面保持在原位；和
(d)用一机械冲击破碎机冲击保持在原位的裂缝材料，以便从自由表面移走保持在原位的裂缝材料。
2．如权利要求1所述的方法，其中，孔有一直径，孔离自由表面的深度为孔直径的约3-约15倍，并且机械冲击破碎机至少为液压锤和冲击松土机之一。
3．如权利要求1所述的方法，其中，孔的深度的至少约75％保留在自由表面的原位。
4．如权利要求1所述的方法，其中，气体是通过炸药和燃料中至少一种来形成的，在地下挖掘时，其量为约0.15-约0.5kg；在地上挖掘时，其量为约1-约3kg。
5．如权利要求1所述的方法，其中，机械冲击破碎机冲击裂缝部分的冲击能量约为0.5-500千焦。
6．如权利要求1所述的方法，还包括：
(e)必要时重复步骤(d)，从自由表面移走处在原位的裂缝部分。
7．如权利要求1所述的方法，其中，机械冲击破碎机的冲击频率为每秒钟约一次到每秒钟约200次，并且材料在加压步骤之前具有大于约150MPa的无侧限抗压强度。
8、根据权利要求1所述的方法，其中，在破碎材料时基本上不产生飞石。
9、根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔位于挖掘面的中心部分，自由表面是挖掘面的一部分。
10、根据权利要求1所述的方法，从自由表面去除材料的速率是以冲击破碎机在无裂缝岩石上去除材料效率的大致2至10倍。
11．一种材料的受控破碎和去除的挖掘方法，包括：
(a)堵住位于材料的自由表面上的一孔；
(b)向该孔的底部提供气体；
(c)以此气体对孔加压，从而造成下层表面裂缝从孔底向外扩展，并使邻近和环绕孔的材料的至少部分被破碎出裂缝，其中孔深的至少约50％和裂缝材料的一部分在加压步骤之后保留在自由表面的原位；以及
(d)之后，用一钝的物体冲击处于原位的裂缝材料，，以从自由表面上移走处于原位的裂缝材料，其中，钝的物体接触处于原位的裂缝材料时的冲击能量至少约为0.5千焦，其冲击频率至少约为每秒钟1次。
12．如权利要求11所述的方法，其中，钝的物体和处于原位的裂缝材料的接触面积约为500-20,000mm2。
13．一种材料受控破碎和去除的方法，包括：
(a)在位于材料自由表面和挖掘面的中心部分的一孔内放入一爆破剂，上述自由表面是挖掘面的一部分；
(b)以一堵塞材料堵住孔的开口，堵塞材料至少为粒状材料或堵塞杆之一；
(c)之后，在孔被堵塞时引爆爆破剂，从而将气体释放到孔底之内；
(d)以堵塞材料阻止气体，从孔底耗散，从而使至少部分围绕孔的材料被破碎出裂缝，其中在围绕孔的材料被破碎出裂缝之后至少孔深的大部分和裂缝材料的一部分保持在自由表面的原位。
(e)以一钝的物体冲击暴露于自由表面的处于原位的裂缝材料，以从自由表面去除处于原位的裂缝材料，其中，钝的物体接触处于原位的裂缝材料时的冲击能量至少约为0.5千焦。14、根据权利要求10所述的方法，其中在冲击步骤，冲击频率至少为约每秒钟1次。
15、根据权利要求10所述的方法，其中，在步骤(d)之前的材料大致具有不大于150MPa的无限侧抗压强度。
16、一种用于破碎和去除材料的方法，包括：
(a)在材料中的一孔处形成一渗透锥裂缝，以形成一原位裂缝材料，其中至少大致50％深度的孔及一些原位裂缝材料在表面处保留在原位；以及
(b)之后以一钝物反复冲击在材料自由表面的原位裂缝材料，以进一步破碎并从自由表面去除裂缝材料，其中钝物接触自由表面的冲击能量至少大致为0.5千焦。
17、根据权利要求16所述的方法，其中，冲击步骤的冲击频率至少大致为每秒钟1次。
18、根据权利要求16所述的方法，其中，钝物为机械冲击破碎机的部件。
19、根据权利要求16所述的方法，其中，步骤(a)包括将高压气体封入孔中以造成渗透锥裂缝的形成。
20、一种用于挖掘材料的系统，包括一用于通过在材料自由表面的孔的底部以释放到孔内的气体加压来破碎材料的机器，并包括：
(a)用于在将气体向孔内释放之后阻止气体从孔耗散的机构，以便对孔加压，并且使孔周围的材料的至少一部分产生裂缝，其中，至少大致孔深的50％以及一些裂缝材料在材料的自由表面保持在原位；以及
(b)用于以一钝物冲击原位裂缝材料的机构，以便施加至少大致0.5千焦的冲击能量，以从自由表面去除原位裂缝材料。
21、根据权利要求20所述的系统，其中，材料大致上具有250至350Mpa的无限侧抗压强度。
22、根据权利要求20所述的系统，其中，在产生裂缝之前材料大致上具有60至100MPa的无限侧抗压强度。
23、根据权利要求20所述的系统，在产生裂缝之前材料大于150MPa的无限侧抗压强度。
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