CN108692627A - 一种静态破碎控制装置及静态破碎方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态破碎控制装置及静态破碎方法。所述静态破碎控制装置包括：封孔器（其包括：楔块，其侧壁设有斜面；楔片，其与斜面相匹配；螺杆，其同心连接在楔块顶面；螺母，其套设在螺杆上；其中，楔块与螺杆中心均设有轴向的贯穿孔）；电热管，其内部设置有温度传感器，电热管插于封孔器内的贯穿孔中；温度控制仪，其与电热管相连接，并控制电热管加热。所述静态破碎方法步骤如下：在待破碎物上钻孔；将水和静态破碎剂均匀混和后装入钻孔中；将封孔器装入钻孔内，将电热管经所述贯穿孔插入浆体中；控制电热管进行加热。本发明有效解决了静态破碎技术破碎性能低、施工危险性较高和破碎效果可控性低的问题。

Description

一种静态破碎控制装置及静态破碎方法

技术领域

本发明属于静态破碎技术领域，具体涉及到一种静态破碎控制装置及静态破碎方法。

背景技术

传统的破碎拆除技术有人工法、机械法、爆破法等。其中，人工法施工效率低，经济成本高，不适用于大型工程；机械法耗能较大，无法在部分特殊作业面进行施工；爆破法则风险较高，施工过程的安全难以保障在石材开采中爆破法成材率低，由于石材资源有限，世界各国法律已明令禁止使用炸药开采岩石，炸药爆破有“七大危害”：爆破地震波、爆炸冲击波、飞石、噪音、毒气、粉尘与盲炮。

与传统的破碎拆除技术相比，静态破碎技术克服了上述问题，具备施工效率较高、耗能低、经济成本较低、环保与施工较为安全的优势。静态破碎技术的现实意义在于：(1)在无炸药爆破“七大危害”的情况下，把岩石和混凝土破碎；(2)静态破碎剂属于普通建材，不受炸药等危险品相关法律法规管制，施工人员经简单培训即可操作。

静态破碎剂是静态破碎技术所使用的破碎材料。静态破碎剂是一种固体粉末材料，主要成分为f-CaO(游离氧化钙)和少量添加剂。静态破碎剂与水混合后发生水化反应产生固体膨胀，表观体积增长数倍，若反应发生在约束条件下，将产生达数十兆帕的膨胀压。

目前静态破碎技术存在的问题主要有。

1、破碎性能低。表现为破碎能力低与破碎时间长两方面。破碎能力低的主要原因是静态破碎剂破碎时的有效膨胀压低，静态破碎剂水化24h的膨胀压约30MPa~50MPa，不足其水化峰值膨胀压的50%，而静态破碎剂达到峰值膨胀压的水化反应时间1年以上，工程中24h左右的破碎时间远远无法达到其峰值膨胀压。而破碎时间长则是相对于炸药的瞬间爆破作用，静态破碎技术的破碎时间通常在10小时以上；环境温度较低时，静态破碎剂的水化膨胀速率大幅降低，使破碎时间延长数天，甚至可能使静态破碎剂失去膨胀作用。

2、施工危险性高。装药初期静态破碎剂浆体处于流体状态，钻孔孔径较大或环境温度较高时，静态破碎剂的水化热迅速堆积在钻孔内，使浆体沸腾从钻孔内喷出，发生喷孔事故，危害作业人员安全，导致破碎作业失败，延误工期。

3、破碎效果可控性低。静态破碎施工普遍为多孔作业，由于破碎时间较长，多个钻孔内静态破碎剂难以保持膨胀压发展过程同步，钻孔之间裂纹是否出现、及出现的位置与时间随机性较强，在需要精确控制破碎效果的工程中应用受到限制。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种静态破碎控制装置，包括：

封孔器，其包括：楔块，其侧壁设有若干斜面；楔片，其与所述斜面相匹配，所述楔片的高度高于楔块高度；螺杆，其同心连接在所述楔块顶面；螺母，其套设在所述螺杆上，所述螺母底面与楔片相抵触；其中，所述楔块与螺杆中心均设有轴向贯穿的贯穿孔；

电热管，其内部设置有温度传感器，所述电热管插于所述封孔器内的贯穿孔中；

温度控制仪，其与所述电热管相连接，并控制所述电热管加热。

优选的是，其中，所述螺母与楔片之间设有垫片。

优选的是，其中，所述温度传感器为热电偶式温度传感器或热电阻式温度传感器。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，还提供了一种静态破碎方法，其包括以下步骤：

步骤一、在待破碎物上钻孔；

步骤二、将水和静态破碎剂均匀混和后的浆体装入步骤一中的钻孔中；

步骤三、将所述封孔器装入步骤一中的钻孔内，再将所述电热管经所述贯穿孔插入浆体中；

步骤四、控制电热管进行加热。

优选的是，其中，步骤一中的钻孔的孔径为20mm~50mm。

优选的是，其中，步骤二中所述水和静态破碎剂的重量比为1:5~1:3。

优选的是，其中，步骤二中的浆体与钻孔孔口之间的距离等于楔片的高度。

优选的是，其中，步骤三中的电热管插至钻孔底部。

优选的是，其中，步骤四中控制电热管的方法，包括以下步骤：

步骤A、设置所述温度控制仪使得电热管的加热温度为50℃~100℃，并加热5min~15min至所述浆体凝结固化；其中，所述加热温度小于100℃；

步骤B、再设置所述温度控制仪使得电热管的加热温度为50℃~500℃。

本发明至少包括以下有益效果。

1、提高破碎性能。提高破碎能力并缩短破碎时间；通过电热管对钻孔内静态破碎剂进行高温加热，大幅提高静态破碎剂水化膨胀速率，使静态破碎剂在30min内膨胀压达到峰值；使用结构简单的楔片式封孔器，限制静态破碎剂轴向膨胀，使其膨胀压充分作用于钻孔孔壁。

2、提高施工安全性。使用结构简单的楔片式封孔器，将静态破碎剂膨胀限制在钻孔内，有效解决了喷孔问题。

3、提高破碎效果可控性。多孔作业时，通过电热管对钻孔内静态破碎剂进行高温加热，大幅提高静态破碎剂水化膨胀速率，使多个钻孔内的静态破碎剂在短时间内同步达到峰值膨胀压，有利于裂纹沿钻孔之间同步发展，提高裂纹扩展的可控性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明所述的静态破碎控制装置示意图；

图2为本发明实施例1所述的静态破碎剂膨胀压测试示意图；

图3为本发明实施例1所述膨胀压曲线示意图；

图4为本发明实施例2所述单孔岩石静态破碎示意图；

图5为本发明实施例3所述多孔岩石静态破碎示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

首先对本发明提供的静态破碎控制装置及静态破碎方法进行详细说明。

本发明提供了一种静态破碎控制装置，其示意图如图1所示，所述静态破碎控制装置包括：

封孔器(1)，其包括：楔块(11)，其侧壁设有若干斜面；楔片(12)，其与所述斜面相匹配，所述楔片(12)的高度高于楔块(11)高度；螺杆(13)，其同心连接在所述楔块(11)顶面；螺母(14)，其套设在所述螺杆(13)上，所述螺母(14)底面与楔片(13)相抵触；其中，所述楔块(11)与螺杆(13)中心均设有轴向的贯穿孔；

电热管(2)，其内部设置有温度传感器(21)，所述电热管(2)插于所述封孔器(1)内的贯穿孔中；

温度控制仪(3)，其与所述电热管(2)相连接，并控制电热管(2)加热；

其中，所述螺母(14)与楔片(13)之间设有垫片(15)；所述温度传感器(21)为热电偶式温度传感器或热电阻式温度传感器；所述电热管内设置有电阻丝(22)。

将连接有螺杆(13)的楔块(11)垂直放入钻孔中，使楔块(11)的底面恰好接触钻孔内的静态破碎剂浆体，紧固封孔器(1)上的螺母(14)，利用垫片(15)限制楔片与螺母(14)之间的相对位移，通过螺杆(13)对楔块(11)形成向上的拉力，经由楔块(11)与楔片(12)间的斜面对力的放大作用，使楔片(12)对钻孔内孔壁产生极大的压力，由于楔片(12)与钻孔内孔壁之间摩擦力的作用，使封孔器(1)锁止在钻孔内不发生位移，将静态破碎剂浆体约束在钻孔内，同时静态破碎剂对封孔器(1)的楔块(11)底面的压力也会经楔块(11)与楔片(12)之间斜面对力的放大作用，增大楔片(12)对钻孔孔壁的压力，进而增强楔片(12)与钻孔孔壁间的摩擦力，增强封孔器(1)的锁止效果，将静态破碎剂浆体约束于钻孔内，解决了喷孔隐患。通过温度控制仪(3)控制电热管(2)对钻孔内静态破碎剂进行高温加热，使钻孔内静态破碎剂膨胀压快速上升至峰值，提高了破碎能力，缩短了破碎时间。

本发明还提供了一种静态破碎控制装置的静态破碎方法，所述静态破碎方法包括以下步骤：

步骤一、在待破碎物上钻孔；

步骤二、将水和静态破碎剂均匀混和后的浆体装入步骤一中的钻孔中；

步骤三、将所述封孔器(1)装入步骤一中的钻孔内，再将所述电热管(2)经所述贯穿孔插入浆体中；

步骤四、控制电热管(2)进行加热。

优选的是，其中，步骤一中的钻孔的孔径为20mm~50mm。

优选的是，其中，步骤二中所述水和静态破碎剂的重量比为1:5~1:3。

优选的是，其中，步骤二中的浆体与钻孔孔口之间的距离等于楔片(12)的高度。

优选的是，其中，步骤三中的电热管(2)插至钻孔底部。

优选的是，其中，步骤四中控制电热管(2)的方法，包括以下步骤：

步骤A、设置所述温度控制仪(3)使得电热管(2)的加热温度为50℃~100℃，并加热5min~15min至所述浆体凝结固化；其中，所述加热温度小于100℃；

步骤B、再设置所述温度控制仪(3)使得电热管(2)的加热温度为50℃~500℃。

首先根据工程需要，在待破碎物(岩石或混凝土构件)上钻孔；将水与静态破碎剂混合均匀后装入钻孔；安装控制装置的步骤为：将连接有螺杆(13)的楔块(11)装入钻孔至楔块(11)底面恰好接触钻孔内静态破碎剂浆体，以取得最佳的封孔效果，然后将两片楔片(12)安装至楔块(11)两侧斜面处，将垫片(15)安装至螺杆(13)上，将螺母(14)套至螺杆(13)上，并利用扳手紧固螺母，最后将电热管(2)经封孔器(1)的贯穿孔插入直至钻孔底部；然后控制电热管(2)进行加热：首先利用温度控制仪(3)控制电热管(2)的加热温度为50℃~100℃，并加热5min~15min，以加速静态破碎剂浆体的凝结固化过程，保持加热温度小于100℃避免了在静态破碎剂浆体凝结固化完成之前因处于流体状态而过热沸腾，经封孔器(1)与钻孔孔壁之间的缝隙中喷出孔外，造成浆体质量损失，减弱静态破碎效果；然后设置电热管(2)的加热温度为50℃~500℃，由于静态破碎剂的膨胀源f-CaO的水化产物Ca(OH)₂在高于500℃会发生分解，设置加热温度上限为500℃可最大限度的提高静态破碎剂的水化膨胀速率，提高破碎能力，缩短破碎时间。

下面结合具体实施例对本发明提供的静态破碎控制装置及静态破碎方法进行说明。以下所有实施例均使用220V交流电源。

实施例1

本实施例为本发明提供的静态破碎控制装置及静态破碎方法进行的静态破碎剂膨胀压测试实验。

结合静态破碎控制装置设计了测压装置，装置部件部分规格如表1所示：

表1. 测压装置部件规格表。

本实施例使用了两根钢管，记为A、B。其中电阻应变计分别沿环向粘贴于两根钢管的中部，其中A钢管最终加热温度为90℃，B钢管不加热。

首先将水与静态破碎剂以重量比0.26:1混合均匀。A钢管测试示意图如图2所示，电阻应变计(5)沿圆周方向粘贴于钢管中部，电阻应变计(5)与电阻应变仪(7)使用专用导线连接，电热管(2)顶部的热电偶与电阻丝接线端与温度控制仪(3)的温度控制器(31)与交流接触器(32)连接，向A钢管(4)装入混合好的静态破碎剂(6)至距顶端约80mm处，将封孔器(1)安装于管内顶部，并使用扳手紧固螺母，将电热管(2)经封孔器(1)贯穿孔插入至钢管(4)底部，套上塑料袋垂直置入水槽中，接通电源，设定加热温度为90℃并保持加热12min，然后控制加热温度为150℃，测量应变发展过程。B钢管电阻应变计与电阻应变仪使用专用导线连接，向B钢管装满混合好的静态破碎剂，套上塑料袋，置入30℃恒温水浴中，测量应变发展过程。

根据弹性力学厚壁圆筒理论及建材行业标准JC 506-2008，静态破碎剂的膨胀压计算由以下公式给出：

其中：为钢管受到的膨胀压，Pa；为钢管的弹性模量，Pa；为钢管外径与内径的比值；为钢管圆周方向应变；为钢管的泊松比。将测得的应变值按上式计算，得到两根钢管内静态破碎剂的膨胀压增长曲线，如图3所示。

实验过程中A钢管未发生喷孔现象，封孔器未发生轴向位移。A钢管在约30min时就达到膨胀压峰值，约为78MPa。而B钢管30min时几乎未形成有效膨胀压，反应400min膨胀压约为 26MPa。

结果表明：本发明提供的静态破碎控制装置及静态破碎方法有效抑制了喷孔，大幅提高了静态破碎剂的峰值膨胀压与膨胀压增长速率，大幅缩短了膨胀压达到峰值所需时间，封孔器在管口产生良好的止锁效果，使膨胀压能充分作用于管壁，充分利用了静态破碎剂的膨胀潜能。达到了提高静态破碎技术破碎性能与施工安全性的目的。

实施例2

本实施例为单孔岩石静态破碎。使用的器材部分规格如表2所示：

表2. 器材规格表。

如图4所示，本实施例使用正方体花岗岩试件(8)，取最小抵抗线(钻孔中心到最近自由面的最短距离)W=0.7m，使用40mm钻头在试件中央上钻孔深为1.2m的孔；电热管(2)与温度控制仪(3)的温度控制器(31)和交流接触器(32)相连接。将水与静态破碎剂按重量比0.26:1的比例混匀。向钻孔内装入混合好的静态破碎剂至距离孔口60mm处，在钻孔顶部安装封孔器(1)，并使用扳手紧固螺母，立即将电热管(2)经封孔器(1)中央孔插入至钻孔底部，接通温度控制仪(3)电源，设定加热温度90℃并保持该温度加热10min，然后设定加热温度为200℃并保持该温度加热。

开始加热后经过约13min，从钻孔到4个自由面沿最小抵抗线出现4条裂纹，15min后4条裂纹扩大为宽约10mm的裂缝，试件分裂为4个尺寸为0.7m x 0.7m x1.4m的岩块，破碎过程未发生喷孔现象。

利用本发明提供的静态破碎控制装置及静态破碎方法将试件成功破碎为4个岩块，所述静态破碎控制装置将静态破碎剂约束于钻孔内，使静态破碎剂的膨胀潜能充分作用于钻孔孔壁，通过电热管对钻孔内静态破碎剂进行加热，大幅提高了膨胀压增长速率，将破碎时间由10h以上缩短至15min，使用小孔径(40mm)钻孔，完成了传统静态破碎技术需要孔径50mm以上钻孔才能完成的破碎作业，节约了静态破碎剂用量。与传统静态破碎技术相比，提高了破碎性能，使得在同样作业条件下可以减小钻孔孔径，节约静态破碎剂用量并降低成本。达到了提高静态破碎技术破碎性能、提高施工安全性的目的。

实施例3

本实施例为多孔岩石静态破碎。试验地点为某大理石矿山。使用的器材规格如表3所示：

表3. 器材规格表。

如图5所示，最大自由面取最小抵抗线W=1m，两侧自由面取最小抵抗线W1=0.4m，孔间距D取0.7m，钻孔数量8个。使用40mm钻头在大理石试件(9)上按以上参数钻孔深为1.2m的孔；将8根电热管(2)连接到温度控制仪(3)。将水与静态破碎剂按重量比0.26的比例混匀。对每个钻孔进行相同操作：向钻孔内装入混合好的静态破碎剂至距离孔口60mm处，在钻孔顶部安装封孔器(1)，并使用扳手紧固螺母，立即将电热管(2)经封孔器(1)贯穿孔插入至钻孔底部。接通温度控制仪(3)电源，设定加热温度90℃并保持该温度加热10min，然后设定加热温度为200℃并保持该温度加热。

开始加热后经过约14min，沿左侧自由面最小抵抗线经所有钻孔至右侧自由面最小抵抗线，出现一条贯穿裂纹，16min后裂纹扩大为宽约10mm的裂缝，大理石分裂出一块尺寸为5.7m x 1m x1.4m的岩块，破碎过程未发生喷孔现象。

利用本发明提供的静态破碎控制装置及静态破碎方法从大理石矿床成功开采出大块完整石材。所设计控制装置将静态破碎剂约束在钻孔内，使静态破碎剂的膨胀潜能充分作用于钻孔孔壁，将破碎时间缩短至16min，使用40mm孔径，节约了静态破碎剂用药量。本发明则解决了传统静态破碎技术多孔作业时钻孔内的静态破碎剂水化膨胀反应不同步，裂纹难以控制，难以达到需要的裂纹控制效果的问题，对多个钻孔同时进行封孔加热，使每个钻孔的膨胀压在短时间内同步发展，从而使得多孔裂纹同步扩展，开采的大理石断面平整，无内部损伤。本发明与传统的静态破碎技术相比，提高了破碎性能，使得在同样作业条件下可以减小钻孔孔径，节约静态破碎剂并降低成本，达到了提高静态破碎技术破碎性能、提高施工安全性与提高破碎效果可控性的目的。

以上说明的楔片、电热管的数量、规格、规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的静态破碎控制装置及静态破碎方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种静态破碎控制装置，其特征在于，包括：

封孔器，其包括：楔块，其侧壁设有若干斜面；楔片，其与所述斜面相匹配，所述楔片的高度高于楔块高度；螺杆，其同心连接在所述楔块顶面；螺母，其套设在所述螺杆上，所述螺母底面与楔片相抵触；其中，所述楔块与螺杆中心均设有轴向的贯穿孔；

电热管，其内部设置有温度传感器，所述电热管插于所述封孔器内的贯穿孔中；

温度控制仪，其与所述电热管相连接，并控制电热管加热。

2.如权利要求1所述的静态破碎控制装置，其特征在于，所述螺母与楔片之间设有垫片。

3.如权利要求1所述的静态破碎控制装置，其特征在于，所述温度传感器为热电偶式温度传感器或热电阻式温度传感器。

4.如权利要求1~3中任意一项所述的静态破碎控制装置的静态破碎方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在待破碎物上钻孔；

步骤二、将水和静态破碎剂均匀混和后的浆体装入步骤一中的钻孔中；

步骤三、将所述封孔器装入步骤一中的钻孔内，再将所述电热管经所述贯穿孔插入浆体中；

步骤四、控制电热管进行加热。

5.如权利要求4所述的静态破碎控制装置的静态破碎方法，其特征在于，步骤一中的钻孔的孔径为20mm~80mm。

6.如权利要求4所述的静态破碎控制装置的静态破碎方法，其特征在于，步骤二中所述水和静态破碎剂的重量比为1:5~1:3。

7.如权利要求4所述的静态破碎控制装置的静态破碎方法，其特征在于，步骤二中的浆体与钻孔孔口之间的距离等于楔片的高度。

8.如权利要求4所述的静态破碎控制装置的静态破碎方法，其特征在于，步骤三中的电热管插至钻孔底部。

9.如权利要求4所述的静态破碎控制装置的静态破碎方法，其特征在于，步骤四中控制电热管的方法，包括以下步骤：

步骤A、设置所述温度控制仪使得电热管的加热温度为50℃~100℃，并加热5min~15min至所述浆体凝结固化；其中，所述加热温度小于100℃；

步骤B、再设置所述温度控制仪使得电热管的加热温度为50℃~500℃。