一种利用岩石裂纹持续扩展断裂制备平板石材的方法

摘要

本发明公开了一种利用岩石裂纹持续扩展断裂制备平板石材的方法，该方法通过选取天然裂纹不发育，适于用作石材的岩体，在岩体顶面加工成初步平面；然后根据要取岩体厚度，在同一深度水平面上通过施工的孔，在岩体内形成裂纹槽，并通过施工的孔接上液压系统，封闭其他孔，施加液体压力，使岩体内裂纹槽持续扩展，形成平整面。本发明具有断裂面积越大，平均单位面积的制作费用越低的优点，相对于现有技术的绳锯法和排钻法从岩体上制作水平面石材，有巨大的成本优势。该方法提取的岩体还可直接应用大型水坝和工程的直接应用，也可对提取的平板石材进行进一步深加工，形成各种优质建材。

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩石无切削分离技术，具体涉及利用岩石裂纹持续扩展断裂制备平板石材的方法。适用于天然裂纹不发育岩体的分离，分离后可形成面积很大平板石材。

背景技术

从纵向分割岩石上讲，现有使裂纹扩展形成贯通裂缝的技术有打眼劈楔法，膨胀剂静态爆破法和金属燃烧剂爆破法。这些技术都是在岩石上钻一排孔，用膨胀剂静态爆破、金属燃烧剂爆破以及加入楔子等不同的方法对孔壁施加压力，导致岩石沿布孔面断裂形成贯通裂缝。现有技术裂缝是从岩石表面向岩石内部扩展，裂缝首先产生在岩石表面。这种断裂面形成方向从岩石表面向岩石内部深入的，岩石裂纹扩展时，其扩展前的裂纹长度就是孔深，裂纹扩展时，岩石呈现各向异性。该断裂技术产生的断裂面不平直，若继续向岩体内部扩展，断裂面将严重偏离预定平面，裂纹扩展越大，偏离预定位置越远，难以达到形成平整面的工作要求。因此，现有断裂技术不能采用裂纹多次扩展形成，只能使裂缝向岩石内部作较小距离的扩展，不能制作面积大的断裂平面。

从水平面分割岩石上讲，现有的技术主要有绳锯法和排钻法(连续炮眼法)。绳锯法就是用高强度的钢绳带动水和沙砾切割岩石，或在钢绳上套有金刚石套筒，用金刚石切割岩石，一般适用于岩石硬度较小的大理石；排钻法就是通过在岩石水平向连续钻孔，分离岩石，该方法适用岩石较硬的花岗岩。但是无论是绳锯法还是排钻法都需要高额的成本，而且加工进度较慢。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种在岩石内制造裂纹，利用岩石内部裂纹持续扩展断裂制备大面积平板石材的方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种利用岩石裂纹持续扩展断裂制备平板石材的方法，包括如下步骤：

(1)岩体选取和初步加工：选取天然裂纹不发育，适于用作石材的岩体，在岩体顶面加工成初步平面；

(2)岩体内裂纹槽的形成：在步骤(1)形成的平面上，根据岩体硬度，在平面的中央确定一个近似长方形区域，长方形的各条边到岩体边缘的距离为5～30米；在长方形的四条边按照间距4～8米加工一系列孔，在长方形的宽度方向或长度方向，每隔20～30米增设一排孔；在长方形的四个角的区域内增设2～5个孔，用作起裂区；根据要取岩体厚度，在同一深度岩体的水平面上，通过施工的孔将长方形四条边上以及起裂区上相邻的孔连通，加工形成裂纹槽，长方形内宽度或长度方向增设的孔在同一深度水平面相邻将孔连通，并与四边的裂纹槽连通；

(3)岩体内裂纹槽持续扩展：每个起裂区中一个或者多个步骤(2)形成的孔接上液压系统，封闭其他孔，裂纹槽充满液体后，用压力可达150×10⁶Pa的液压系统给裂纹槽施加压力，岩体内裂纹槽持续扩展断裂，形成平整面。

为进一步实现本发明的目的，所述步骤(2)还包括在长方形的中心以及在外侧距离每条边中心5～10m处形成交变拉应力孔，在孔中底部处设置交变拉应力发生器，施加交变拉应力，变拉应力发生器环形槽平分面与裂纹槽在同一水平面。所述交变拉应力产生方法为：交变拉应力发生器的环形槽的平分面在预定断裂面上，通过与交变拉应力发生器连接的液压系统输送液体，并使被密封在环形槽的液体压力交变，使岩体产生与裂纹槽平行的交变拉应力。

所述步骤(2)的孔深为2个以上所取石材的厚度。所述步骤(2)的孔的直径为100～250mm。所述步骤(2)裂纹槽通过高压水切割形成。

本发明的原理：

(1)裂纹内水压力导致裂纹的扩展。岩石的抗拉强度一般为抗压强度的1/4～1/25，平均为1/10左右，有裂隙的岩石比没有裂隙的岩石抗拉强度小很多，现有技术中，打眼劈楔法劈开裂纹面，使裂纹作拉伸性破坏所需的拉应力就较小，因此，裂纹作张开型扩展是一种相对容易发生岩石的破坏形式。一般来说，岩石的拉伸强度约为40×10⁵Pa～130×10⁵Pa，而现使用的液压系统能使密封在裂纹的水压力达到150×10⁶Pa，因此裂纹内水压力的上升可导致裂纹的扩展。

(2)用液压系统提高裂纹内的水压力可导致裂纹的持续扩展。裂纹裂端起裂后，裂纹以极快速度向前扩展，瞬间形成新的密封空间，使裂纹内的水压力下降，因而裂纹扩展终止，但液压系统将水输入裂纹空间后，重新提高水压力，裂纹将再次扩展，这样裂纹在液压系统作用下进行持续扩展。

(3)交变拉应力效应。根据断裂力学的结论，平行于裂纹方向的准静态拉伸载荷并不产生裂纹尖端应力集中，而同一方向上拉应力脉冲传到裂纹尖端时，由于惯性效应裂纹尖端产生与裂纹垂直的交变拉应力，裂纹尖端将处于裂纹作张开型扩展的受力状态而起裂。张开型裂纹扩展时，裂纹表面位移彼此相反，方向均垂直于裂纹的扩展方向。

(4)尺寸足够大的岩石呈现各向同性

岩石力学特性试验表明，岩石具有尺寸效应。小体积的岩石试件，岩石呈各向异性，随着岩石体积的增大，岩石各向异性的差别减小，岩石越大，越趋向于呈现各向同性，即趋于均质材料的力学性质。自然界陡直的峭壁，其中一些表面很平直，在采矿业中广泛用作分离面的大的天然裂缝，其中一些表面很平直。说明足够大的岩石裂缝，裂纹扩展时可以获得大的平直面，裂纹扩展时岩石呈现各向同性，裂纹按弹性力学规律作张开型扩展。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明通过在岩体内人为形成裂纹槽，并通过裂纹槽周边裂纹的持续扩展，能制备上万平方米的断裂面，而现有技术只能制备小面积的断裂面，其面积一般小于100平方米。

(2)本发明具有水平断裂面积越大，平均单位面积的制作费用越低的优点，单位断裂面积的制作费用可以大幅度下降，相对于现有技术的绳锯法和连续炮眼法在岩体上制作水平分离面，有巨大的成本优势。

(3)岩石是优质建筑材料，资源丰富，本发明的方法提供了一种相对廉价提取岩石毛坯的有益方法，提取的岩石还可直接应用于大型水坝和工程的直接应用，也可对提取的平板石材进行进一步深加工，形成各种优质建材。

附图说明

图1为本发明岩体顶面施工孔布置图。

图2为施工孔结构示意图。

图3是交变拉应力孔结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1：

如图1所示，选取天然裂纹不发育，适于用作石材的岩体1，一般岩体山顶相对较小，可用爆破法在山体顶面加工成初步平面。岩体表面裂缝注入防渗漏材料作为防漏处理。平面的中央确定一个大致200×100m²长方形区域2，长方形的各条边3到岩体边缘的距离为5～30米。由于山体形状不规范，所取的长方形区域只是一个大致为长方形的区域，长方形的各边到山体边沿也不等，较近的为5米，较远达到30米；在长方形的四条边按照间距5米加工一系列孔4。事实上，根据岩石的硬度不同，以及长方形形状的规范性，也就是各边的直线度的不同，该间距可在4～8米调整，更重要的是该间距是由孔壁高压水切割距离决定。根据长方形的宽度，每隔25米增设一排孔，也可根据岩石硬度的不同，在20～30米的范围内调整。在长方形的四个角的区域为起裂区5，在起裂区内增设2～5个孔。之所以称之为起裂区，因为该区域内的至少有一个孔将与液压系统连接，在液压系统作用下，该区裂纹面积较大，裂纹尖端的拉应力较大，岩体内的裂纹扩展将从这里开始。所有的孔都可通过钻机施工，孔径可在100～250mm选择。根据要取岩体厚度一般大于1米，在岩体内同一深度水平面上通过施工的孔将长方形四条边上的孔以及四个角的相邻的孔连通加工形成裂纹槽，长方形内增设的孔在同一深度水平面的长度方向也将孔连通，并与长方形边上的裂纹槽连通。连通相邻的孔可通过高压水切割技术进行，具体是在利用高速液体(水或者水与磨料的混合物)的高能量对石材进行细缝切割，开孔。其高速射流的喷嘴直径一般可为0.2mm，系统压力为400MPa，喷嘴出口处水速高达800m/s，加工出的切缝为1～3mm，切割效率非常高，切割花岗岩的速率可达2～4m/h，切口质量好，无切割热变形。切割时，可将喷嘴伸入孔内，根据测定的深度，先在孔的一边切割，完成后换成另一边，对相反方向进行切割，根据喷嘴液流的射程，选择孔间距为4～8米。这样在岩体1内部就形成一圈裂纹槽。

如图2所示，每个起裂区5都有孔4内的管道10接上高压的液压系统11，管道10与裂纹槽连通，孔4内管道10周围用混凝土密封层12密封，不连接液压系统的孔4，混凝土密封层12下方设有一支架13，支架13的环形槽与与预定断裂面15上两端的裂纹槽14连通。可以在孔4底部放置粘结层16用于固定支架13或管道10，该粘结层是由具有较强粘性物体组成。起裂区5中其他孔以及长方形区域2内的其他孔的密封，与不连接液压系统的孔4的密封相同，不同之处在于孔内没有设管道10。封闭所有的孔后。这样将裂纹槽14密封在岩体内，通过液压系统11使裂纹槽14充满液体，继续用液压系统11提高裂纹槽14施加液体压力的。该压力可达150×10⁶Pa。只要不断提高裂纹槽内液体压力，裂纹将自动持续扩展，直到将裂纹所在平面的岩石全部断裂。这样裂纹是由岩体内部向岩体表面扩展的，扩展的方向与与现有的断裂技术中裂纹由岩体表层向岩体内部扩展相反。一般来说，岩石的拉伸强度约为40×10⁵Pa～130×10⁵Pa，而现有使用的液压系统能使压力达到150×10⁶Pa，因此裂纹内水压力的上升可导致裂纹的扩展。

裂纹槽14内液体压力上升产生垂直裂纹表面的作用力，作用力使得裂纹尖端产生与裂纹表面垂直的拉应力，裂纹尖端起裂是处在裂纹作张开型扩展的受力状态下发生的。张开型裂纹扩展是构成裂纹两面的位移方向彼此相反，但均垂直于裂纹扩展的方向。张开型裂纹扩张具有直线性，是形成平直面的基础。裂纹作张开型扩展的条件是裂纹尖端的拉应力与裂纹表面垂直，其次是岩体裂纹扩展时呈现各向同性。岩石的尺寸效应认为小体积的岩石块，岩石呈各向异性，随着岩石体积的增大，岩石各向异性的差别减小，趋于呈现各向同性，即趋于均质材料的力学性质。岩体内裂纹长度不大的裂纹扩展时，岩石呈现各向异性；长度足够大的裂纹扩展时，岩石呈现各向同性。因此在同一平面上，很长的裂纹作张开型的扩展时，可以获得平直的断裂面。一些表面平直、大的天然裂缝就是实例。也就是说，岩体内裂纹槽的长度满足岩石呈现各向同性的要求时，裂纹槽周边裂纹第一次扩展是按照张开型扩展规律进行的，裂纹一旦起裂，很长一段裂纹将以很快的速度向前扩展，瞬间就使得裂缝空间增大，出现局部真空，液体压力下降，裂纹扩展停止。此时，液压系统11自动输入液体，液体充满裂缝后，液体压力重新上升，迫使裂纹尖端再次起裂，裂纹再次按照张开型扩展规律扩展。由于裂纹的扩展方向始终与裂纹尖端的拉应力垂直，所以裂纹扩展始终都在裂纹槽确定的平面上进行。

本发明设置了多个起裂区5，在裂纹扩展过程中，当某一区域出现裂纹扩展不继续扩展的情况，其他起裂区的液压系统继续发生作用。例如，局部区域裂纹达到岩体表面或者岩体内岩石存在的天然裂缝(即使有，也是极不发育)，由于裂纹扩展形成的裂缝间隙很小，约0.1mm，如果液压系统的液体从裂纹槽要经过这种很长的狭窄缝隙才能从岩体表面或者天然裂缝泄漏，而长的狭窄缝隙对液体流动的阻尼很大，加大液压系统输出流量只有在液体泄漏处的局部区域出现液体压力急剧下降，而离泄漏处较远的地方，液体仍可以达到相当大的压力。单位长度裂纹起裂需要的液体压力随裂纹表面积增大而减小，出现液体泄漏时，裂纹表面积比裂纹第一次扩展时大了很多，需要的液体压力反而要比第一次扩展时小很多，此时，裂纹内液体压力足以使裂纹再次起裂扩展。

实施例2

为了降低施工成本，可以一次形成几层平板石材所需的孔。具体方法是在施工实施例1所述的孔4时，按照所取石材的厚度，孔4一次钻进深度为几个所取石材厚度，按照实施例1的方法在取得第一层石材后，再在下一层所取石材厚度处用高压水切割技术形成实施例1所述的裂纹槽14，并在起裂区5上的孔4连接液压系统11，制备下一层石材，这样可以降低孔4的施工成本。但是要注意岩体1的整体形状，如果岩体1外围斜度较大，下面层次所取石材的裂纹槽是由顶上长方形区域确定的，如果经过一次或几次实施例1方法取走上层石材后，其长方形区域离所取层次岩体边沿较大，如超过25米，则须将孔4连线的长度长方形扩大，形成新的面积更大的长方形，可在开采上面的石材后，根据新的长方形要求施工孔4，继续向下开采。

实施例3

为进一步提高裂纹持续扩展所形成裂缝表面的平直程度，如图1所示，可在实施例1的长方形区域2的中心以及在外侧距离每条边中心5～10m处设置交变拉应力孔20。如图3所示，交变拉应力孔20可通过钻机施工，孔径为100～250mm，孔深按照图3，使交变拉应力发生器21的环形槽的平分面处在预定断裂面15上所需的孔深确定，在预定断裂面15处设置交变拉应力发生器21，交变拉应力发生器21由管道22与输出交变压力的液压系统连接。液压系统最大输出压力应低于交变拉应力孔20岩石的抗拉强度，避免该孔岩石出现破坏，一般可取40×10⁶Pa，交变频率可取1～5Hz，交变拉应力发生器2的排气管22端部设置开关，用于液体进入交变拉应力发生器21的环形槽时槽内空气从排气管22排出，交变拉应力发生器21工作时要先关上排气管22端部的开关。交变拉应力孔20的底部设有粘结层16，用来固定交变拉应力发生器21。交变拉应力孔20内交变拉应力发生器21上部用混凝土密封层13密封。交变拉应力产生方法为：交变拉应力发生器21的环形槽的平分面在预定断裂面上，通过与交变拉应力发生器21连接的液压系统输送液体，并使被密封在环形槽的液体压力交变，使岩体产生与裂纹槽平行的交变拉应力。工作时，交变拉应力发生器21环形槽内亚体压力交变，并作用在交变拉应力孔20的孔壁上，使得孔壁产生平行于预定断裂面15的交变拉应力，该交变拉应力传到裂纹尖端时，在裂纹尖端产生垂直于预定断裂面15的交变拉应力。裂纹端在这垂直于预定断裂面15的交变拉应力和裂纹槽内液体压力在裂纹尖端产生的拉应力的合力作用下起裂，所形成的合力作用方向与裂纹槽内液体压力压力在裂纹尖端产生的拉应力的作用方向相比，更接近张开型裂纹扩展理论上的拉应力作用方向，因而通过交变拉应力的作用，有利于提高裂纹持续扩展所形成裂缝表面的平直程度。

以上所述仅为本发明较佳的可行实施例，并非因此限定本发明的保护范围，凡应用本发明说明书或附图内容所进行的等效结构变化，均包含于本发明保护范围内。