靜態破碎劑

岩石和混凝土都是脆性材料, 一般岩石的抗拉強度約為5～10MPa ; 混凝土的抗拉強度約為2～6MPa , 而靜態破碎劑產生的壓力為40MPa 以上。因此, 只要合理的選擇鑽孔參數, 就能較容易的破碎混凝土和各種岩石。

在實際工程中, 通常採用同一種孔徑、同一藥劑, 同時裝藥。也就是説, 在任何時刻, 兩炮孔參數及作用效果是一致的。

為了取得較大的σ值, 以促進裂紋的發展, 應儘可能增大孔徑並縮小孔眼間距。當有許多孔眼以等間距成排佈置時, 被破碎體所受應力會得到加強, 在各孔眼之間就會呈現最大的壓應力和拉應力。由於孔眼軸心面上的拉應力的疊加, 使軸心面上的孔壁處的拉應力值最大, 並最先達到被破碎體的抗拉強度, 於是就會在孔眼軸心面的孔壁面處,最先開始產生徑向裂紋, 隨着膨脹壓力的增大, 裂紋逐漸加大加深。

當破碎劑充填孔與孔之間的距離適當時, 由相鄰的孔產生的裂縫以互相連接的形式發展。如果適當地設計鑽孔間距和鑽孔角度, 則可以對自由面條件較差的巖體進行有計劃的破碎 ^[2]  。

該模型的應力強度因子為:K1 = Fq ( t) π( a + R) (1)

式中: a —單邊裂紋長度; F —影響係數。

隨着裂紋的不斷擴展, 圓孔的影響程度越來越小, 上述模型可簡化為裂紋表面受均布荷載的斷裂模型。

該模型的應力強度因子為:K1 =2q( t)ππ( a + R) ·sin- 1 -Ra + R(2)

隨着裂紋的進一步擴展, 此時可將分佈力看成集中力。

該模型的應力強度因子為:K1 = 2q( t)π( a + R)(3)

當取R = 20mm 時, 式(1) 、(2) 、(3) 的變化:

當a ≥2 R 時, 式(1) 、(2)與式(3) 的誤差均分別小於5 % , 故可用(2) 、(3) 式代替(1) 式計算應力強度因子。

此時, 圓孔影響已很小, 可將受內壓的圓孔雙邊裂紋看成表面受均布荷載的直線裂紋, 進一步可簡化為受集中力, 應力強度因子:K1 = 2 2 Rq ( t)W sin 2π( a + R)W(4)

隨着膨脹力的增加, 裂紋擴展的速度繼續變化, 在這個過程中, 根據斷裂判據應有: K1 =K1c , 所以, a ≥2 R 時, 裂紋擴展條件為:

K1c =2q( t)π Wtanπ( a + R)Wsin- 1sinπRWsinπ( a + R)W(5)

也即:K1c = 2 2 Rq ( t)W sin 2π( a + R)W(6)

式中K1c為岩石的斷裂韌性, 可由實驗測定。

取R = 20mm、W = 400mm , 由(5) 、(6) 式計算出的膨脹力與裂紋長度的關係。

在a + R ≤W4 的範圍內, 隨着裂紋長度a 的增加, 所需膨脹力q也增大。也就是説, 對應一定的膨脹壓力, 裂紋僅能擴展一定距離, 若要進一步使裂紋擴展, 必須不斷增大膨脹壓力, 這就是靜態破碎所需膨脹壓力遠大於岩石抗拉強度的原因。

通過對靜態破碎劑破巖機理的研究, 認為將靜態破碎劑應用於煤礦井下地質構造處理方面具有很大前景, 對於地質構造的處理是一次極大的技術革新。需解決的主要問題是:

(1) 從破巖機理出發, 開發適用於煤礦井下的高效能靜態破碎劑, 使其在操作上、反應時間、壓力大小及釋放過程符合要求;

(2) 開發和改進破碎劑攪拌、注漿設備;

(3) 改進鑽孔施工技術, 並按照施工特定要求改進鑽孔設備 ^[3]  。