利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法。該方法先選取適于用作石材的巖體，在巖體頂面加工成初步平面；然后巖體內(nèi)一水平面上形成四邊形的裂紋槽和四邊形內(nèi)的增設(shè)裂紋槽，在裂紋槽相交的區(qū)域形成起裂區(qū)，在預(yù)定斷面設(shè)置一系列交變拉應(yīng)力孔，交變拉應(yīng)力孔之間的間距為10-30m；在交變拉應(yīng)力孔內(nèi)設(shè)置交變拉應(yīng)力發(fā)生器，閉合裂紋在水平的交變拉應(yīng)力作用下持續(xù)擴(kuò)張，斷裂，形成平整的水平斷裂面。本發(fā)明用于大量開采巖石分離工序，形成分離體是面積很大的平板石材，把平板石材分割成不同用途的大型石材，石材成本低，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有石材應(yīng)用范圍廣和成本優(yōu)勢。
【專利說明】利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種巖石無切削分離技術(shù)，具體涉及利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法，該方法適用于巖體的分離，分離后可形成面積很大平板石材。
【背景技術(shù)】
[0002] 申請人:在2007年申請的中國發(fā)明專利，一種利用巖石裂紋持續(xù)擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法，專利號為200710028630.X，該申請已獲得授權(quán)。該專利方法包括如下步驟:
(1)巖體選取和初步加工:選取天然裂紋不發(fā)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(nèi)裂紋槽的形成:在步驟(I)形成的平面上，根據(jù)巖體硬度，在平面的中央確定一個近似長方形區(qū)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(shè)一排孔；在長方形的四個角的區(qū)域內(nèi)增設(shè)2?5個孔，用作起裂區(qū)；根據(jù)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(qū)上相鄰的孔連通，加工形成裂紋槽，長方形內(nèi)寬度或長度方向增設(shè)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(nèi)裂紋槽持續(xù)擴(kuò)展:每個起裂區(qū)中一個或者多個步驟
(2)形成的孔接上液壓系統(tǒng)，封閉其他孔，裂紋槽充滿液體后，用壓力可達(dá)150XIO6Pa的液壓系統(tǒng)給裂紋槽施加壓力，巖體內(nèi)裂紋槽持續(xù)擴(kuò)展斷裂，形成平整面。
[0003]該方法通過在巖體內(nèi)人為形成裂紋槽，并通過裂紋槽周邊裂紋的持續(xù)擴(kuò)展，能制備上萬平方米的斷裂面，而現(xiàn)有技術(shù)使裂紋擴(kuò)展形成貫通裂縫的方法，包括打眼劈楔法，膨脹劑靜態(tài)爆破法、金屬燃燒劑爆破法和高壓水破巖法，都只采用一排孔壁上的裂紋源，該裂紋源的長度為孔壁的深度，只能制備小面積的斷裂面，其面積一般小于100平方米。該專利方法具有水平斷裂面積越大，平均單位面積的制作費(fèi)用越低的優(yōu)點(diǎn)，單位斷裂面積的制作費(fèi)用可以大幅度下降，相對于現(xiàn)有技術(shù)的繩鋸法和連續(xù)炮眼法在巖體上制作水平分離面，有巨大的成本優(yōu)勢。該方法提供了一種相對廉價提取巖石毛坯的有益方法，提取的平板巖石分隔成石材還可直接應(yīng)用于大型水壩和工程，也可對分割成的平板石材進(jìn)行進(jìn)一步深加工，形成各種優(yōu)質(zhì)建材。
[0004]該專利方法在上述方法上還提出一個改進(jìn)方法，在上述步驟(2)中還包括在長方形的中心以及在外側(cè)距離每條邊中心5?IOm處形成交變拉應(yīng)力孔，在孔中底部處設(shè)置交變拉應(yīng)力發(fā)生器，施加交變拉應(yīng)力，變拉應(yīng)力發(fā)生器環(huán)形槽平分面與裂紋槽在同一水平面。交變拉應(yīng)力發(fā)生器的環(huán)形槽的平分面在預(yù)定斷裂面上，通過與交變拉應(yīng)力發(fā)生器連接的液壓系統(tǒng)輸送液體，并使被密封在環(huán)形槽的液體壓力交變，使巖體產(chǎn)生與裂紋槽平行的交變拉應(yīng)力。但是該改進(jìn)型的方法有三個必不可少的技術(shù)特征:一是巖體內(nèi)部長的裂紋源，二是應(yīng)用水壓致裂法；三是應(yīng)用振動致裂法。該方法是在閉合裂紋外加裝交變拉應(yīng)力發(fā)生器，由交變拉應(yīng)力發(fā)生器使巖石產(chǎn)生水平交變拉應(yīng)力，裂紋擴(kuò)展是在裂紋內(nèi)水壓上升和交變拉應(yīng)力共同作用下起裂的。但是該改進(jìn)型方法是在水壓致裂法基礎(chǔ)上實(shí)施的，裂紋源的擴(kuò)展形成過程中始終存在高壓水的壓力，而為了維持裂紋源中的高壓水壓力，對巖石內(nèi)部的自然裂紋發(fā)育程度有非常高的要求，這在一定程度上影響了專利號為200710028630.X的技術(shù)方案的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種加工費(fèi)用低，石材厚度相對較薄，適用巖體相對較廣，不需要將裂紋槽密封，不需高壓水持續(xù)作用的利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法。
[0006]本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法，包括如下步驟:
[0008](I)巖體選取和初步加工:選取適于用作石材的巖體，在巖體頂面加工成初步平面；
[0009](2)施工孔的形成:在步驟(I)形成的平面上，根據(jù)巖體硬度，在平面的中央確定一個近似長方形區(qū)域，長方形的各條邊到巖體邊緣的距離為5?30米，長方形四邊形成閉合的外圈線；在該閉合外圈線內(nèi)的橫向或縱向，每隔20?30米劃出一條增設(shè)線；若閉合外圈線內(nèi)的橫向或縱向以及增設(shè)線的長度超過60米，在該線的中點(diǎn)設(shè)置一個直徑為0.5-0.8米的垂直交匯施工孔；在同一深度巖體的水平面上，在外圈線和增設(shè)線的下方用直徑為
0.08 - 0.11米孔徑鑿巖機(jī)形成貫通的水平施工孔(裂紋槽基形孔)；垂直交匯施工孔通過鉆機(jī)施工；
[0010](3)巖體內(nèi)裂紋槽的形成:將直徑為8.6 - 11.5mm的金剛石串珠繩穿過基形孔以及垂直交匯孔，切割同一深度巖體水平面基形孔兩側(cè)的裂紋槽，裂紋槽呈弧形，基形孔口處的裂紋槽最深，為4 - 8米；裂紋槽最淺處小于0.1米，基形孔孔口區(qū)域?yàn)槠鹆褏^(qū)；垂直交匯孔孔壁在同一深度巖體水平面上用圓盤鋸機(jī)形成深度為8 - 15厘米的環(huán)形槽，將孔壁上的裂紋槽接通，基形孔孔壁裂紋槽寬度為8.6 - 11.5mm ；
[0011](4)交變拉應(yīng)力孔的形成:在閉合外圈線的外側(cè)距離閉合外圈線3 -1Om處設(shè)置一系列交變拉應(yīng)力孔，交變拉應(yīng)力孔之間的間距為3 - 15m ;在各個閉合裂紋槽內(nèi)，距離每個角裂紋槽3 - 5米形成2 - 3個交變拉應(yīng)力孔，再按每100平方米形成1- 4個交變拉應(yīng)力孔；
[0012](5)巖體內(nèi)裂紋槽持續(xù)擴(kuò)展:在交變拉應(yīng)力孔內(nèi)設(shè)置交變拉應(yīng)力發(fā)生器，交變拉應(yīng)力發(fā)生器與由管道與輸出交變壓力的液壓系統(tǒng)連接，交變拉應(yīng)力發(fā)生器的排氣管，端部設(shè)置開關(guān)；交變拉應(yīng)力發(fā)生器上下兩端各設(shè)置分隔器，兩分隔器之間設(shè)置一個外徑可膨脹的彈性套，把液體密封在交變拉應(yīng)力發(fā)生器內(nèi)；交變拉應(yīng)力發(fā)生器的環(huán)形槽的平分面處在預(yù)定斷裂面上，液壓系統(tǒng)最大輸出壓力應(yīng)低于交變拉應(yīng)力孔巖石的抗拉強(qiáng)度，交變頻率取I?IOHz ;交變拉應(yīng)力發(fā)生器環(huán)形槽內(nèi)液體壓力交變，并通過彈性套作用在交變拉應(yīng)力孔的孔壁上，使得孔壁產(chǎn)生平行于預(yù)定斷裂面的交變拉應(yīng)力，該交變拉應(yīng)力波傳到裂紋尖端時，在裂紋尖端產(chǎn)生垂直于預(yù)定斷裂面的交變拉應(yīng)力；裂紋尖端在垂直于預(yù)定斷裂面的交變拉應(yīng)力作用下起裂，裂紋擴(kuò)展方向在預(yù)定斷裂面上，閉合裂紋在水平的交變拉應(yīng)力作用下持續(xù)擴(kuò)張，斷裂，形成平整的水平斷裂面。
[0013]進(jìn)一步地，所述增設(shè)裂紋槽、外圈裂紋槽通過金剛石串珠鋸切割形成。
[0014]所述增設(shè)裂紋槽和外圈裂紋槽的寬度為11mm。
[0015]所述步驟(2)的基形孔直徑為80?IlOmm ;交匯孔直徑為500 - 800mm。[0016]所述液壓系統(tǒng)最大輸出壓力低于40X 106Pa。
[0017]所述交變拉應(yīng)力產(chǎn)生方法為裝在機(jī)動車上重50 - 300公斤的撞擊錘以每分鐘20 - 50次撞擊裂紋上方的巖石,式巖石產(chǎn)生與裂紋槽垂直的交變拉應(yīng)力。
[0018]本發(fā)明的原理:
[0019](I)交變拉應(yīng)力效應(yīng)。根據(jù)斷裂力學(xué)，平行于裂紋方向的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷并不產(chǎn)生裂紋尖端應(yīng)力集中，而在同一方向上拉應(yīng)力脈沖傳到裂紋尖端時，由于慣性效應(yīng)，裂紋尖端產(chǎn)生與裂紋垂直的交變拉應(yīng)力，裂紋尖端將作張開型擴(kuò)展。張開型裂紋擴(kuò)展時，裂紋表面位移彼此相反，方向均垂直于裂紋的擴(kuò)展方向。
[0020](2)慣性效應(yīng):平行于裂紋方向的拉應(yīng)力脈沖傳到裂紋尖端時，使裂紋的巖石產(chǎn)生與裂紋垂直方向的振動，這種效應(yīng)稱為慣性效應(yīng)。裂紋巖石的振動的慣性力使裂紋尖端產(chǎn)生與裂紋垂直的交變拉應(yīng)力。裂紋面積越大，裂紋巖石振動的振幅越大，慣性力越大，使裂紋尖端產(chǎn)生的與裂紋垂直的交變拉應(yīng)力越大。裂紋將首先在裂紋面積大的區(qū)域起裂、擴(kuò)展。裂紋首先起裂的區(qū)域稱為起裂區(qū)。
[0021](3)平行于閉合裂紋的交變拉應(yīng)力導(dǎo)致閉合裂紋的擴(kuò)展:巖石的抗拉強(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)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(qiáng)度小很多，現(xiàn)有技術(shù)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(yīng)力就較小，因此，裂紋作張開型擴(kuò)展是一種相對容易發(fā)生巖石的破壞形式。一般來說，巖石的拉伸強(qiáng)度約為40X 105Pa? 130X 105Pa。裂紋槽的裂紋一旦作水平擴(kuò)展，裂紋面積迅速增大，同等強(qiáng)度的水平拉應(yīng)力波再傳到裂紋尖端時，慣性效應(yīng)增強(qiáng)，在裂紋尖端產(chǎn)生與裂紋垂直的交變拉應(yīng)力也相應(yīng)增大，表現(xiàn)為較小的水平交變拉應(yīng)力也能使裂紋再次起裂擴(kuò)展。裂紋在起裂后的擴(kuò)展變得越來越容易。
[0022](3)尺寸足夠大的巖石呈現(xiàn)各向同性:巖石力學(xué)特性試驗(yàn)表明，巖石具有尺寸效應(yīng)。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(xiàn)各向同性，即趨于均質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)。自然界陡直的峭壁，其中一些表面很平直，在采礦業(yè)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(kuò)展時可以獲得大的平直面，裂紋擴(kuò)展時巖石呈現(xiàn)各向同性，裂紋按彈性力學(xué)規(guī)律作張開型擴(kuò)展。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0024](I)本發(fā)明通過交變拉應(yīng)力使巖石內(nèi)閉合裂紋擴(kuò)展，加工出平整的石材，不需要利用高壓水使裂紋擴(kuò)展，不需要對裂紋槽密封，可以適應(yīng)各種石材加工，包括有一定裂紋發(fā)育巖石。專利號為200710028630.x的技術(shù)方案是通過水壓致裂法使裂紋擴(kuò)展，裂紋源的擴(kuò)展形成過程中始終存在高壓水的壓力，而為了維持裂紋源中的高壓水壓力，對巖石內(nèi)部的自然裂紋發(fā)育程度有非常高的要求，這在一定程度上影響了該技術(shù)方案的應(yīng)用范圍。
[0025](2)本發(fā)明通過在巖體內(nèi)人為形成裂紋槽，并通過裂紋槽周邊裂紋的持續(xù)擴(kuò)展，能制備上萬平方米的斷裂面，而現(xiàn)有技術(shù)只能制備小面積的斷裂面，其面積一般小于100平方米。
[0026](3)本發(fā)明具有水平斷裂面積越大，平均單位面積的制作費(fèi)用越低的優(yōu)點(diǎn)，單位斷裂面積的制作費(fèi)用可以大幅度下降，相對于現(xiàn)有技術(shù)的繩鋸法和連續(xù)炮眼法在巖體上制作水平分離面，有巨大的成本優(yōu)勢。[0027](4)巖石是優(yōu)質(zhì)建筑材料，資源豐富，本發(fā)明的方法提供了一種相對廉價提取巖石毛坯的有益方法，提取的平板巖石分割成的石材還可直接應(yīng)用于大型水壩工程或可直接應(yīng)用于大型水利、港口、堤壩和橋墩等工程，也可對分割成的石材進(jìn)行進(jìn)一步深加工，形成各種優(yōu)質(zhì)建材。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為預(yù)定斷裂面示意圖。
[0029]圖2為交變拉應(yīng)力孔結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖3是實(shí)施例2的預(yù)定斷裂面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031 ] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
[0032]實(shí)施例1
[0033]如圖1所示，選取適于用作石材的巖體1，一般巖體山頂相對較小，越向下，巖體的水平截面積越大，可用常規(guī)的礦山剝離方法，除掉表土層，并在山體頂部確定一個工作區(qū)，形成第一個水平斷裂面，一般約取20 X 30平方米，第一個斷裂面上面的巖石是巖體頂部的不規(guī)則的巖石，清除該巖石，露出的斷裂面就是一個初步的平面。越向下開采，水平斷裂面越大。如圖1所示，要達(dá)到100X100平方米的水平斷裂面為例。加工時，首先形成工作平面:把形成的平板石材分割后運(yùn)走，露出形成下一個水平斷裂面的工作平面。
[0034]工作平面上，根據(jù)巖體的硬度，在平面的中央確定一個近似長方形區(qū)域2，長方形的各條邊到巖體邊緣的距離為5?30米。由于山體形狀不規(guī)范，所取的長方形區(qū)域只是一個大致為長方形的區(qū)域，長方形的各邊到山體邊沿也不等，較近的為5米左右，較遠(yuǎn)達(dá)到30米；長方形四邊形成閉合外圈線7，在該閉合外圈線7內(nèi)的橫向或縱向，每隔20?30米劃出一條增設(shè)線8 ;若閉合外圈線7內(nèi)的橫向或縱向以及增設(shè)線的長度超過60米，在該線的中點(diǎn)設(shè)置一個直徑為0.5 - 0.8米的垂直交匯孔3 ;在同一深度巖體的水平面上，在外圈線和增設(shè)線的下方用直徑為80 -1lOmm大孔徑鑿巖機(jī)形成貫通的水平施工孔，為裂紋槽基形孔4 ;垂直交匯施工孔3通過鉆機(jī)施工。
[0035]巖體內(nèi)裂紋槽的形成:將直徑為8.6-11.5mm (優(yōu)選Ilmm)的金剛石串珠繩穿過裂紋槽基形孔4以及垂直交匯孔3，垂直交匯孔3內(nèi)優(yōu)選設(shè)置修正滾筒，使?jié)L筒上的串珠繩處在預(yù)定的水平斷面上，切割同一深度巖體水平面基形孔兩側(cè)的裂紋槽5，裂紋槽呈弧形，基形孔孔口處的裂紋槽最深，為4 - 8米；裂紋槽最淺，不小于0.1米，基形孔孔口區(qū)域?yàn)槠鹆褏^(qū)6 ;垂直交匯孔孔壁在同一深度巖體水平面上用圓盤鋸機(jī)形成深度為8 - 15厘米的環(huán)形槽，將孔壁上的裂紋槽接通，基形孔孔壁裂紋槽寬度為11_。
[0036]金剛石串珠鋸鋸切法是石材加工業(yè)中成熟的技術(shù)，用于開鑿穿引金剛石串珠繩的深孔，水平鉆孔直徑一般為38 _90_，有多種型號的鑿巖機(jī)可供選擇。使用直徑為60 -90mm鉆頭的普通大孔徑鑿巖機(jī)，鉆進(jìn)花崗石時鉆頭下垂的修正系數(shù)為10mm/m(l/100)，在鉆桿上安裝導(dǎo)正器也可減少鉆頭的下垂。金剛石串珠鋸鋸切5級硬度的花崗石，鋸切效率也能達(dá)到3 -5平方米/小時。通常切割面積越大，金剛石串珠繩的壽命越長，鋸切效率也相對高。切割花崗石時，可米用串珠繩的最佳直徑是11_，鋸逢尺寸一般是8.6 - 11.5mm,鋸切板材時，板材表面平整可以控制在±0.5mm。如金剛石串珠繩鋸最大已經(jīng)鋸切斷面為700多平方米的斷面?，F(xiàn)有技術(shù)中用于開采地表石材的串珠繩直徑為8.6 - 11.5_，繩長可達(dá)200米。
[0037]如圖1所示，在閉合外圈線7的外側(cè)距離閉合外圈線3 -1Om處設(shè)置一系列交變拉應(yīng)力孔20，交變拉應(yīng)力孔之間的間距為3 - 15m;在各個閉合裂紋槽內(nèi)，距離每個角裂紋槽3 - 5米形成2 - 3個交變拉應(yīng)力孔，再按每100平方米形成1- 4個交變拉應(yīng)力孔；
[0038]如圖2所示，交變拉應(yīng)力孔20可通過鉆機(jī)施工，孔徑為100?250mm，孔深按照圖2確定，使交變拉應(yīng)力發(fā)生器21的環(huán)形槽的平分面處在預(yù)定斷裂面15上所需的孔深，在預(yù)定斷裂面15處設(shè)置交變拉應(yīng)力發(fā)生器21，交變拉應(yīng)力發(fā)生器21由管道22與輸出交變壓力的液壓系統(tǒng)24連接。液壓系統(tǒng)24最大輸出壓力應(yīng)低于交變拉應(yīng)力孔20巖石的抗拉強(qiáng)度，為避免該交變拉應(yīng)力孔20周圍巖石出現(xiàn)破壞，一般低于40 X IO6Pa ;交變頻率可取I?10Hz，交變拉應(yīng)力發(fā)生器21的排氣管23端部設(shè)置開關(guān)25，用于液體進(jìn)入交變拉應(yīng)力發(fā)生器21的環(huán)形槽時，環(huán)形槽內(nèi)的空氣從排氣管23排出，交變拉應(yīng)力發(fā)生器21工作時要先關(guān)上排氣管23端部的開關(guān)25。管道22帶有固定裝置26，用于將管道22固定在孔內(nèi)。交變拉應(yīng)力發(fā)生器21上下兩端各設(shè)置分隔器27，兩分隔器27之間設(shè)置一個外徑可膨脹的彈性套28，把液體密封在交變拉應(yīng)力發(fā)生器內(nèi)。
[0039]交變拉應(yīng)力產(chǎn)生方法為:交變拉應(yīng)力發(fā)生器21的環(huán)形槽的平分面在預(yù)定斷裂面15上，通過與交變拉應(yīng)力發(fā)生器21連接的液壓系統(tǒng)24輸送液體，并使被密封在環(huán)形槽的液體壓力交變，使巖體產(chǎn)生與裂紋槽平行的交變拉應(yīng)力。工作時，交變拉應(yīng)力發(fā)生器21環(huán)形槽內(nèi)液體壓力交變，并通過彈性套28作用在交變拉應(yīng)力孔20的孔壁上，使得孔壁產(chǎn)生平行于預(yù)定斷裂面15的交變拉應(yīng)力，該交變拉應(yīng)力傳到裂紋尖端時，在裂紋尖端產(chǎn)生垂直于預(yù)定斷裂面15的交變拉應(yīng)力。裂紋尖端在這垂直于預(yù)定斷裂面15的交變拉應(yīng)力作用下起裂，裂紋擴(kuò)展方向在預(yù)定斷裂面15上，閉合裂紋在水平的交變拉應(yīng)力作用下持續(xù)擴(kuò)張，斷裂，形成平整的水平斷裂面。
[0040]裂紋尖端起裂是處在裂紋作張開型擴(kuò)展的受力狀態(tài)下發(fā)生的。張開型裂紋擴(kuò)展是在構(gòu)成裂紋兩面的位移方向彼此相反，但均垂直于裂紋擴(kuò)展的方向而發(fā)生的。張開型裂紋擴(kuò)張具有直線性，是形成平直面的基礎(chǔ)。裂紋作張開型擴(kuò)展的條件是裂紋尖端的交變拉應(yīng)力與裂紋表面垂直，同時巖體裂紋擴(kuò)展時呈現(xiàn)各向同性。巖石的尺寸效應(yīng)認(rèn)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(xiàn)各向同性，即趨于均質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)。巖體內(nèi)裂紋長度不大的裂紋擴(kuò)展時，巖石呈現(xiàn)各向異性；長度足夠大的裂紋擴(kuò)展時，巖石呈現(xiàn)各向同性。因此在同一平面上，很長的裂紋作張開型的擴(kuò)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(shí)例。也就是說，巖體內(nèi)裂紋槽的長度滿足巖石呈現(xiàn)各向同性的要求時，水平裂紋槽周邊裂紋第一次擴(kuò)展是按照張開型擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行的，裂紋一旦起裂，很長一段裂紋將以很快的速度向前擴(kuò)展，形成局部的水平斷裂面，裂紋擴(kuò)展一段距離將停止擴(kuò)展。在水平交變拉應(yīng)力作用下，裂紋會再次起裂，在水平面上再次擴(kuò)展。裂紋就這樣持續(xù)擴(kuò)展。閉合裂紋向內(nèi)擴(kuò)展裂紋保持閉合形式，持續(xù)擴(kuò)展下閉合裂紋包圍的面積越來越小，最后完全匯合形成完整的斷裂面。
[0041]為了降低施工成本，可以一次形成幾層平板石材所需的孔。具體方法是在交變拉應(yīng)力孔20和施工孔3，按照所取石材的厚度，一次鉆進(jìn)深度為幾個所取石材厚度，按照上述方法在取得第一層石材后，再在下一層用同樣的方法制備下一層石材，這樣可以降低孔的施工成本。但是要注意巖體I的整體形狀，如果巖體I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(qū)域確定的，如果經(jīng)過一次或幾次上述方法取走上層石材后，其長方形區(qū)域離所取層次巖體邊沿較大，如超過25米，則須將閉合外圈線8的長方形2擴(kuò)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(jù)新的長方形要求施工孔繼續(xù)向下開米。
[0042]利用交變拉應(yīng)力使水平裂紋在水平面擴(kuò)展的原理是:巖石的交變拉應(yīng)力波使裂紋的巖石產(chǎn)生垂直方向的振動，裂紋巖石垂直振動的慣性力使裂紋尖端產(chǎn)生垂直方向的交變拉應(yīng)力，裂紋尖端在擴(kuò)張型擴(kuò)展的受力狀態(tài)下起裂、擴(kuò)展。使裂紋巖石作垂直方向振動的巖石交變拉應(yīng)力可以有兩個方向:一是水平的交變拉應(yīng)力，通過交變拉應(yīng)力效應(yīng)是裂紋巖石作垂直方向振動；二是在裂紋上方垂直敲擊巖石，由巖石垂直的交變拉應(yīng)力波使裂紋巖石作垂直方向的振動。因此兩種方向的交變拉應(yīng)力可以形成不同的方案。實(shí)施例1只是采用水平交變拉應(yīng)力使裂紋起裂、擴(kuò)展。
[0043]實(shí)施例2
[0044]該實(shí)施例采用垂直交變拉應(yīng)力使裂紋起裂、擴(kuò)展。該實(shí)施例與實(shí)施例1不同點(diǎn)有兩點(diǎn):一是該實(shí)施例形成如圖3所示的裂紋槽，取消了實(shí)施例1形成交變拉應(yīng)力孔和使用交變拉應(yīng)力發(fā)生器。二是該實(shí)施例形成圖3所示的裂紋槽之和，在增設(shè)裂紋槽兩端的外圈裂紋槽的外側(cè)，按照間距4 - 7米配置裝有撞擊錘的機(jī)動車，撞擊錘的端部是木質(zhì)，錘重50 -300公斤，作垂直往復(fù)運(yùn)動，每分鐘撞擊次數(shù)為20 -50次，撞擊裂紋上方的巖石，并隨著裂紋擴(kuò)展將打擊點(diǎn)逐步向前推進(jìn)，使裂紋形成斷裂面。
[0045]以上所述僅為本發(fā)明較佳的可行實(shí)施例，并非因此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡應(yīng)用本發(fā)明說明書或附圖內(nèi)容所進(jìn)行的等效結(jié)構(gòu)變化，均包含于本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)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:選取適于用作石材的巖體，在巖體頂面加工成初步平面； (2)施工孔的形成:在步驟(I)形成的平面上，根據(jù)巖體硬度，在平面的中央確定一個近似長方形區(qū)域，長方形的各條邊到巖體邊緣的距離為5?30米，長方形四邊形成閉合的外圈線；在該閉合外圈線內(nèi)的橫向或縱向，每隔20?30米劃出一條增設(shè)線；若閉合外圈線內(nèi)的橫向或縱向以及增設(shè)線的長度超過60米，在該線的中點(diǎn)設(shè)置一個直徑為0.5 - 0.8米的垂直交匯施工孔；在同一深度巖體的水平面上，在外圈線和增設(shè)線的下方用直徑為0.08 - 0.11米孔徑鑿巖機(jī)形成貫通的水平的裂紋槽基形孔；垂直交匯施工孔通過鉆機(jī)施工； (3)巖體內(nèi)裂紋槽的形成:將直徑為8.6 - 11.5mm的金剛石串珠繩穿過基形孔以及垂直交匯孔，切割同一深度巖體水平面基形孔兩側(cè)的裂紋槽，裂紋槽呈弧形，基形孔口處的裂紋槽最深，為4 - 8米；裂紋槽最淺處小于0.1米，基形孔孔口區(qū)域?yàn)槠鹆褏^(qū)；垂直交匯孔孔壁在同一深度巖體水平面上用圓盤鋸機(jī)形成深度為8 - 15厘米的環(huán)形槽，將孔壁上的裂紋槽接通，基形孔孔壁裂紋槽寬度為8.6 - 11.5_ ; (4)交變拉應(yīng)力孔的形成:在閉合外圈線的外側(cè)距離閉合外圈線3-1Om處設(shè)置一系列交變拉應(yīng)力孔，交變拉應(yīng)力孔之間的間距為3 - 15m ;在各個閉合裂紋槽內(nèi)，距離每個角裂紋槽3 - 5米形成2 - 3個交變拉應(yīng)力孔，再按每100平方米形成1- 4個交變拉應(yīng)力孔； (5)巖體內(nèi)裂紋槽持續(xù)擴(kuò)展:在交變拉應(yīng)力孔內(nèi)設(shè)置交變拉應(yīng)力發(fā)生器，交變拉應(yīng)力發(fā)生器與由管道與輸出交變壓力的液壓系統(tǒng)連接，交變拉應(yīng)力發(fā)生器的排氣管，端部設(shè)置開關(guān)；交變拉應(yīng)力發(fā)生器上下兩端各設(shè)置分隔器，兩分隔器之間設(shè)置一個外徑可膨脹的彈性套，把液體密封在交變拉應(yīng)力發(fā)生器內(nèi)；交變拉應(yīng)力發(fā)生器的環(huán)形槽的平分面處在預(yù)定斷裂面上，液壓系統(tǒng)最大輸出壓力應(yīng)低于交變拉應(yīng)力孔巖石的抗拉強(qiáng)度，交變頻率取I?IOHz ;交變拉應(yīng)力發(fā)生器環(huán)形槽內(nèi)液體壓力交變，并通過彈性套作用在交變拉應(yīng)力孔的孔壁上，使得孔壁產(chǎn)生平行于預(yù)定斷裂面的交變拉應(yīng)力，該交變拉應(yīng)力傳到裂紋尖端時，在裂紋尖端產(chǎn)生垂直于預(yù)定斷裂面的交變拉應(yīng)力；裂紋尖端在垂直于預(yù)定斷裂面的交變拉應(yīng)力作用下起裂，裂紋擴(kuò)展方向在預(yù)定斷裂面上，閉合裂紋在水平的交變拉應(yīng)力作用下持續(xù)擴(kuò)張，斷裂，形成平整的水平斷裂面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法，其特征在于:所述增設(shè)裂紋槽、外圈裂紋槽通過金剛石串珠鋸切割形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法，其特征在于:所述增設(shè)裂紋槽和外圈裂紋槽的寬度為11mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法，其特征在于:所述步驟(2)的基形孔直徑為80?IlOmm ;交匯孔直徑為500 - 800mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法，其特征在于:所述液壓系統(tǒng)最大輸出壓力低于40X 106Pa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用交變拉應(yīng)力使巖石裂紋擴(kuò)展斷裂制備平板石材的方法，其特征在于:所述交變拉應(yīng)力產(chǎn)生方法為裝在機(jī)動車上重50 - 300公斤的撞擊錘以每分鐘20- 50次撞擊裂紋上方的巖石,式巖石產(chǎn)生與裂紋槽垂直的交變拉應(yīng)力。
【文檔編號】B28D1/32GK103802223SQ201410025169
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】李衍遠(yuǎn) 申請人:李衍遠(yuǎn)