專利名稱：一種利用巖石裂紋持續擴展斷裂制備平板石材的方法
技術領域：
本發明涉及一種巖石無切削分離技術，具體涉及利用巖石裂紋持續擴展斷裂制備平板石材的方法。適用于天然裂紋不發育巖體的分離，分離后可形成面積很大平板石材。
背景技術：
從縱向分割巖石上講，現有使裂紋擴展形成貫通裂縫的技術有打眼劈楔法，膨脹劑靜態爆破法和金屬燃燒劑爆破法。這些技術都是在巖石上鉆一排孔，用膨脹劑靜態爆破、金屬燃燒劑爆破以及加入楔子等不同的方法對孔壁施加壓力，導致巖石沿布孔面斷裂形成貫通裂縫。現有技術裂縫是從巖石表面向巖石內部擴展，裂縫首先產生在巖石表面。這種斷裂面形成方向從巖石表面向巖石內部深入的，巖石裂紋擴展時，其擴展前的裂紋長度就是孔深，裂紋擴展時，巖石呈現各向異性。該斷裂技術產生的斷裂面不平直，若繼續向巖體內部擴展，斷裂面將嚴重偏離預定平面，裂紋擴展越大，偏離預定位置越遠，難以達到形成平整面的工作要求。因此，現有斷裂技術不能采用裂紋多次擴展形成，只能使裂縫向巖石內部作較小距離的擴展，不能制作面積大的斷裂平面。
從水平面分割巖石上講，現有的技術主要有繩鋸法和排鉆法(連續炮眼法)。繩鋸法就是用高強度的鋼繩帶動水和沙礫切割巖石，或在鋼繩上套有金剛石套筒，用金剛石切割巖石，一般適用于巖石硬度較小的大理石；排鉆法就是通過在巖石水平向連續鉆孔，分離巖石，該方法適用巖石較硬的花崗巖。但是無論是繩鋸法還是排鉆法都需要高額的成本，而且加工進度較慢。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種在巖石內制造裂紋，利用巖石內部裂紋持續擴展斷裂制備大面積平板石材的方法。
本發明的目的通過如下技術方案實現一種利用巖石裂紋持續擴展斷裂制備平板石材的方法，包括如下步驟(1)巖體選取和初步加工選取天然裂紋不發育，適于用作石材的巖體，在巖體頂面加工成初步平面；(2)巖體內裂紋槽的形成在步驟(1)形成的平面上，根據巖體硬度，在平面的中央確定一個近似長方形區域，長方形的各條邊到巖體邊緣的距離為5～30米；在長方形的四條邊按照間距4～8米加工一系列孔，在長方形的寬度方向或長度方向，每隔20～30米增設一排孔；在長方形的四個角的區域內增設2～5個孔，用作起裂區；根據要取巖體厚度，在同一深度巖體的水平面上，通過施工的孔將長方形四條邊上以及起裂區上相鄰的孔連通，加工形成裂紋槽，長方形內寬度或長度方向增設的孔在同一深度水平面相鄰將孔連通，并與四邊的裂紋槽連通；(3)巖體內裂紋槽持續擴展每個起裂區中一個或者多個步驟(2)形成的孔接上液壓系統，封閉其他孔，裂紋槽充滿液體后，用壓力可達150×106Pa的液壓系統給裂紋槽施加壓力，巖體內裂紋槽持續擴展斷裂，形成平整面。
為進一步實現本發明的目的，所述步驟(2)還包括在長方形的中心以及在外側距離每條邊中心5～10m處形成交變拉應力孔，在孔中底部處設置交變拉應力發生器，施加交變拉應力，變拉應力發生器環形槽平分面與裂紋槽在同一水平面。所述交變拉應力產生方法為交變拉應力發生器的環形槽的平分面在預定斷裂面上，通過與交變拉應力發生器連接的液壓系統輸送液體，并使被密封在環形槽的液體壓力交變，使巖體產生與裂紋槽平行的交變拉應力。
所述步驟(2)的孔深為2個以上所取石材的厚度。所述步驟(2)的孔的直徑為100～250mm。所述步驟(2)裂紋槽通過高壓水切割形成。
本發明的原理(1)裂紋內水壓力導致裂紋的擴展。巖石的抗拉強度一般為抗壓強度的1/4～1/25，平均為1/10左右，有裂隙的巖石比沒有裂隙的巖石抗拉強度小很多，現有技術中，打眼劈楔法劈開裂紋面，使裂紋作拉伸性破壞所需的拉應力就較小，因此，裂紋作張開型擴展是一種相對容易發生巖石的破壞形式。一般來說，巖石的拉伸強度約為40×105Pa～130×105Pa，而現使用的液壓系統能使密封在裂紋的水壓力達到150×106Pa，因此裂紋內水壓力的上升可導致裂紋的擴展。
(2)用液壓系統提高裂紋內的水壓力可導致裂紋的持續擴展。裂紋裂端起裂后，裂紋以極快速度向前擴展，瞬間形成新的密封空間，使裂紋內的水壓力下降，因而裂紋擴展終止，但液壓系統將水輸入裂紋空間后，重新提高水壓力，裂紋將再次擴展，這樣裂紋在液壓系統作用下進行持續擴展。
(3)交變拉應力效應。根據斷裂力學的結論，平行于裂紋方向的準靜態拉伸載荷并不產生裂紋尖端應力集中，而同一方向上拉應力脈沖傳到裂紋尖端時，由于慣性效應裂紋尖端產生與裂紋垂直的交變拉應力，裂紋尖端將處于裂紋作張開型擴展的受力狀態而起裂。張開型裂紋擴展時，裂紋表面位移彼此相反，方向均垂直于裂紋的擴展方向。
(4)尺寸足夠大的巖石呈現各向同性巖石力學特性試驗表明，巖石具有尺寸效應。小體積的巖石試件，巖石呈各向異性，隨著巖石體積的增大，巖石各向異性的差別減小，巖石越大，越趨向于呈現各向同性，即趨于均質材料的力學性質。自然界陡直的峭壁，其中一些表面很平直，在采礦業中廣泛用作分離面的大的天然裂縫，其中一些表面很平直。說明足夠大的巖石裂縫，裂紋擴展時可以獲得大的平直面，裂紋擴展時巖石呈現各向同性，裂紋按彈性力學規律作張開型擴展。
本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果(1)本發明通過在巖體內人為形成裂紋槽，并通過裂紋槽周邊裂紋的持續擴展，能制備上萬平方米的斷裂面，而現有技術只能制備小面積的斷裂面，其面積一般小于100平方米。
(2)本發明具有水平斷裂面積越大，平均單位面積的制作費用越低的優點，單位斷裂面積的制作費用可以大幅度下降，相對于現有技術的繩鋸法和連續炮眼法在巖體上制作水平分離面，有巨大的成本優勢。
(3)巖石是優質建筑材料，資源豐富，本發明的方法提供了一種相對廉價提取巖石毛坯的有益方法，提取的巖石還可直接應用于大型水壩和工程的直接應用，也可對提取的平板石材進行進一步深加工，形成各種優質建材。
圖1為本發明巖體頂面施工孔布置圖。
圖2為施工孔結構示意圖。
圖3是交變拉應力孔結構示意圖。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步地描述。
實施例1如圖1所示，選取天然裂紋不發育，適于用作石材的巖體1，一般巖體山頂相對較小，可用爆破法在山體頂面加工成初步平面。巖體表面裂縫注入防滲漏材料作為防漏處理。平面的中央確定一個大致200×100m2長方形區域2，長方形的各條邊3到巖體邊緣的距離為5～30米。由于山體形狀不規范，所取的長方形區域只是一個大致為長方形的區域，長方形的各邊到山體邊沿也不等，較近的為5米，較遠達到30米；在長方形的四條邊按照間距5米加工一系列孔4。事實上，根據巖石的硬度不同，以及長方形形狀的規范性，也就是各邊的直線度的不同，該間距可在4～8米調整，更重要的是該間距是由孔壁高壓水切割距離決定。根據長方形的寬度，每隔25米增設一排孔，也可根據巖石硬度的不同，在20～30米的范圍內調整。在長方形的四個角的區域為起裂區5，在起裂區內增設2～5個孔。之所以稱之為起裂區，因為該區域內的至少有一個孔將與液壓系統連接，在液壓系統作用下，該區裂紋面積較大，裂紋尖端的拉應力較大，巖體內的裂紋擴展將從這里開始。所有的孔都可通過鉆機施工，孔徑可在100～250mm選擇。根據要取巖體厚度一般大于1米，在巖體內同一深度水平面上通過施工的孔將長方形四條邊上的孔以及四個角的相鄰的孔連通加工形成裂紋槽，長方形內增設的孔在同一深度水平面的長度方向也將孔連通，并與長方形邊上的裂紋槽連通。連通相鄰的孔可通過高壓水切割技術進行，具體是在利用高速液體(水或者水與磨料的混合物)的高能量對石材進行細縫切割，開孔。其高速射流的噴嘴直徑一般可為0.2mm，系統壓力為400MPa，噴嘴出口處水速高達800m/s，加工出的切縫為1～3mm，切割效率非常高，切割花崗巖的速率可達2～4m/h，切口質量好，無切割熱變形。切割時，可將噴嘴伸入孔內，根據測定的深度，先在孔的一邊切割，完成后換成另一邊，對相反方向進行切割，根據噴嘴液流的射程，選擇孔間距為4～8米。這樣在巖體1內部就形成一圈裂紋槽。
如圖2所示，每個起裂區5都有孔4內的管道10接上高壓的液壓系統11，管道10與裂紋槽連通，孔4內管道10周圍用混凝土密封層12密封，不連接液壓系統的孔4，混凝土密封層12下方設有一支架13，支架13的環形槽與與預定斷裂面15上兩端的裂紋槽14連通。可以在孔4底部放置粘結層16用于固定支架13或管道10，該粘結層是由具有較強粘性物體組成。起裂區5中其他孔以及長方形區域2內的其他孔的密封，與不連接液壓系統的孔4的密封相同，不同之處在于孔內沒有設管道10。封閉所有的孔后。這樣將裂紋槽14密封在巖體內，通過液壓系統11使裂紋槽14充滿液體，繼續用液壓系統11提高裂紋槽14施加液體壓力的。該壓力可達150×106Pa。只要不斷提高裂紋槽內液體壓力，裂紋將自動持續擴展，直到將裂紋所在平面的巖石全部斷裂。這樣裂紋是由巖體內部向巖體表面擴展的，擴展的方向與與現有的斷裂技術中裂紋由巖體表層向巖體內部擴展相反。一般來說，巖石的拉伸強度約為40×105Pa～130×105Pa，而現有使用的液壓系統能使壓力達到150×106Pa，因此裂紋內水壓力的上升可導致裂紋的擴展。
裂紋槽14內液體壓力上升產生垂直裂紋表面的作用力，作用力使得裂紋尖端產生與裂紋表面垂直的拉應力，裂紋尖端起裂是處在裂紋作張開型擴展的受力狀態下發生的。張開型裂紋擴展是構成裂紋兩面的位移方向彼此相反，但均垂直于裂紋擴展的方向。張開型裂紋擴張具有直線性，是形成平直面的基礎。裂紋作張開型擴展的條件是裂紋尖端的拉應力與裂紋表面垂直，其次是巖體裂紋擴展時呈現各向同性。巖石的尺寸效應認為小體積的巖石塊，巖石呈各向異性，隨著巖石體積的增大，巖石各向異性的差別減小，趨于呈現各向同性，即趨于均質材料的力學性質。巖體內裂紋長度不大的裂紋擴展時，巖石呈現各向異性；長度足夠大的裂紋擴展時，巖石呈現各向同性。因此在同一平面上，很長的裂紋作張開型的擴展時，可以獲得平直的斷裂面。一些表面平直、大的天然裂縫就是實例。也就是說，巖體內裂紋槽的長度滿足巖石呈現各向同性的要求時，裂紋槽周邊裂紋第一次擴展是按照張開型擴展規律進行的，裂紋一旦起裂，很長一段裂紋將以很快的速度向前擴展，瞬間就使得裂縫空間增大，出現局部真空，液體壓力下降，裂紋擴展停止。此時，液壓系統11自動輸入液體，液體充滿裂縫后，液體壓力重新上升，迫使裂紋尖端再次起裂，裂紋再次按照張開型擴展規律擴展。由于裂紋的擴展方向始終與裂紋尖端的拉應力垂直，所以裂紋擴展始終都在裂紋槽確定的平面上進行。
本發明設置了多個起裂區5，在裂紋擴展過程中，當某一區域出現裂紋擴展不繼續擴展的情況，其他起裂區的液壓系統繼續發生作用。例如，局部區域裂紋達到巖體表面或者巖體內巖石存在的天然裂縫(即使有，也是極不發育)，由于裂紋擴展形成的裂縫間隙很小，約0.1mm，如果液壓系統的液體從裂紋槽要經過這種很長的狹窄縫隙才能從巖體表面或者天然裂縫泄漏，而長的狹窄縫隙對液體流動的阻尼很大，加大液壓系統輸出流量只有在液體泄漏處的局部區域出現液體壓力急劇下降，而離泄漏處較遠的地方，液體仍可以達到相當大的壓力。單位長度裂紋起裂需要的液體壓力隨裂紋表面積增大而減小，出現液體泄漏時，裂紋表面積比裂紋第一次擴展時大了很多，需要的液體壓力反而要比第一次擴展時小很多，此時，裂紋內液體壓力足以使裂紋再次起裂擴展。
實施例2為了降低施工成本，可以一次形成幾層平板石材所需的孔。具體方法是在施工實施例1所述的孔4時，按照所取石材的厚度，孔4一次鉆進深度為幾個所取石材厚度，按照實施例1的方法在取得第一層石材后，再在下一層所取石材厚度處用高壓水切割技術形成實施例1所述的裂紋槽14，并在起裂區5上的孔4連接液壓系統11，制備下一層石材，這樣可以降低孔4的施工成本。但是要注意巖體1的整體形狀，如果巖體1外圍斜度較大，下面層次所取石材的裂紋槽是由頂上長方形區域確定的，如果經過一次或幾次實施例1方法取走上層石材后，其長方形區域離所取層次巖體邊沿較大，如超過25米，則須將孔4連線的長度長方形擴大，形成新的面積更大的長方形，可在開采上面的石材后，根據新的長方形要求施工孔4，繼續向下開采。
實施例3為進一步提高裂紋持續擴展所形成裂縫表面的平直程度，如圖1所示，可在實施例1的長方形區域2的中心以及在外側距離每條邊中心5～10m處設置交變拉應力孔20。如圖3所示，交變拉應力孔20可通過鉆機施工，孔徑為100～250mm，孔深按照圖3，使交變拉應力發生器21的環形槽的平分面處在預定斷裂面15上所需的孔深確定，在預定斷裂面15處設置交變拉應力發生器21，交變拉應力發生器21由管道22與輸出交變壓力的液壓系統連接。液壓系統最大輸出壓力應低于交變拉應力孔20巖石的抗拉強度，避免該孔巖石出現破壞，一般可取40×106Pa，交變頻率可取1～5Hz，交變拉應力發生器2的排氣管22端部設置開關，用于液體進入交變拉應力發生器21的環形槽時槽內空氣從排氣管22排出，交變拉應力發生器21工作時要先關上排氣管22端部的開關。交變拉應力孔20的底部設有粘結層16，用來固定交變拉應力發生器21。交變拉應力孔20內交變拉應力發生器21上部用混凝土密封層13密封。交變拉應力產生方法為交變拉應力發生器21的環形槽的平分面在預定斷裂面上，通過與交變拉應力發生器21連接的液壓系統輸送液體，并使被密封在環形槽的液體壓力交變，使巖體產生與裂紋槽平行的交變拉應力。工作時，交變拉應力發生器21環形槽內亞體壓力交變，并作用在交變拉應力孔20的孔壁上，使得孔壁產生平行于預定斷裂面15的交變拉應力，該交變拉應力傳到裂紋尖端時，在裂紋尖端產生垂直于預定斷裂面15的交變拉應力。裂紋端在這垂直于預定斷裂面15的交變拉應力和裂紋槽內液體壓力在裂紋尖端產生的拉應力的合力作用下起裂，所形成的合力作用方向與裂紋槽內液體壓力壓力在裂紋尖端產生的拉應力的作用方向相比，更接近張開型裂紋擴展理論上的拉應力作用方向，因而通過交變拉應力的作用，有利于提高裂紋持續擴展所形成裂縫表面的平直程度。
以上所述僅為本發明較佳的可行實施例，并非因此限定本發明的保護范圍，凡應用本發明說明書或附圖內容所進行的等效結構變化，均包含于本發明保護范圍內。
權利要求
1.一種利用巖石裂紋持續擴展斷裂制備平板石材的方法，其特征在于包括如下步驟(1)巖體選取和初步加工選取天然裂紋不發育，適于用作石材的巖體，在巖體頂面加工成初步平面；(2)巖體內裂紋槽的形成在步驟(1)形成的平面上，根據巖體硬度，在平面的中央確定一個近似長方形區域，長方形的各條邊到巖體邊緣的距離為5～30米；在長方形的四條邊按照間距4～8米加工一系列孔，在長方形的寬度方向或長度方向，每隔20～30米增設一排孔；在長方形的四個角的區域內增設2～5個孔，用作起裂區；根據要取巖體厚度，在同一深度巖體的水平面上，通過施工的孔將長方形四條邊上以及起裂區上相鄰的孔連通，加工形成裂紋槽，長方形內寬度或長度方向增設的孔在同一深度水平面相鄰將孔連通，并與四邊的裂紋槽連通；(3)巖體內裂紋槽持續擴展每個起裂區中一個或者多個步驟(2)形成的孔接上液壓系統，封閉其他孔，裂紋槽充滿液體后，用壓力可達150×106Pa的液壓系統給裂紋槽施加壓力，巖體內裂紋槽持續擴展斷裂，形成平整面。
2.根據權利要求1所述的利用巖石裂紋持續擴展斷裂制備平板石材的方法，其特征在于所述步驟(2)的孔深為2個以上所取石材的厚度。
3.根據權利要求1所述的用利巖石裂紋持續擴展斷裂制備平板石材的方法，其特征在于所述步驟(2)的孔的直徑為100～250mm。
4.根據權利要求1所述的利用巖石裂紋持續擴展斷裂制備平板石材的方法，其特征在于所述步驟(2)裂紋槽通過高壓水切割形成。
5.根據權利要求1～4任意項所述的利用巖石裂紋持續擴展斷裂制備平板石材的方法，其特征在于所述步驟(2)還包括在長方形的中心以及在外側距離每條邊中心5～10m處形成交變拉應力孔，在孔中底部處設置交變拉應力發生器，施加交變拉應力，變拉應力發生器環形槽平分面與裂紋槽在同一水平面。
6.根據權利要求5任意項所述的利用巖石裂紋持續擴展斷裂制備平板石材的方法，其特征在于所述交變拉應力產生方法為交變拉應力發生器的環形槽的平分面在預定斷裂面上，通過與交變拉應力發生器連接的液壓系統輸送液體，并使被密封在環形槽的液體壓力交變，使巖體產生與裂紋槽平行的交變拉應力。
全文摘要
本發明公開了一種利用巖石裂紋持續擴展斷裂制備平板石材的方法，該方法通過選取天然裂紋不發育，適于用作石材的巖體，在巖體頂面加工成初步平面；然后根據要取巖體厚度，在同一深度水平面上通過施工的孔，在巖體內形成裂紋槽，并通過施工的孔接上液壓系統，封閉其他孔，施加液體壓力，使巖體內裂紋槽持續擴展，形成平整面。本發明具有斷裂面積越大，平均單位面積的制作費用越低的優點，相對于現有技術的繩鋸法和排鉆法從巖體上制作水平面石材，有巨大的成本優勢。該方法提取的巖體還可直接應用大型水壩和工程的直接應用，也可對提取的平板石材進行進一步深加工，形成各種優質建材。
文檔編號B28D1/00GK101077598SQ200710028630
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月18日 優先權日2007年6月18日
發明者李衍遠 申請人:李衍遠