第一章_岩石性质与凿岩.ppt

1,第一章岩石性质及爆破凿岩,第一节岩石的物理性质及其对凿爆的影响,,2,1岩石的矿物成分和组织特性,1）矿物成分,三大类岩石侵入岩、沉积岩、变质岩具有不同的矿物成分，含有方解石CaCO3，长石K[AlSi3O6]，硅酸盐和氧化物SiO2的岩石硬度高，如花岗岩、玄武岩；含泥质矿物的岩石硬度低，如石炭岩、泥页岩等。,硬度高低对凿岩效果有重要影响。,,,1-1岩石的物理性质及其对凿爆的影响,3,2）岩石的结构构造,结构,矿物晶粒的形状及晶粒之间的连结。,一般矿物晶粒愈细，愈致密，强度越大，凿爆越难，沉积岩还与胶结成分有关；硅，泥质不同，硅质页岩与炭质页岩不同。,,,1-1岩石的物理性质及其对凿爆的影响,4,构造,指岩石大范围的组织特征。,层理、节理、裂隙、断层。,这些面都是岩层中岩石的弱面，使岩石具有各向异性，为避免卡钎和提高爆破效果，炮孔必须与弱面正交或斜交。,,,,,1-1岩石的物理性质及其对凿爆的影响,5,2、岩石的孔隙度η，ρ密度和容重γ,η为岩石中孔隙总体积V0与岩石的总体积V之比，,,,,,1-1岩石的物理性质及其对凿爆的影响,6,ρ不包括孔隙在内的岩石密度。,γ包括孔隙在内的岩石单位体积重量，也称岩石的体重。,,,,,1-1岩石的物理性质及其对凿爆的影响,7,岩石的孔隙度、密度、容重主要影响岩石的抛掷、堆积和装运。,几种岩石孔隙度、密度、容重见表1-1。,,,,,1-1岩石的物理性质及其对凿爆的影响,8,表1-1几种岩石的孔隙度、密度、容重,,,,,1-1岩石的物理性质及其对凿爆的影响,9,3、碎胀性,碎胀性是指岩石破碎后，总体积增加的性质。,碎胀系数k也称为松散系数，一般为k1.31.6，在挤压爆破和深孔天井掘进中，k值非常重要。,补偿系数根据k值确定，定义为k-1。常见介质的补偿系数见表1-2。,,,,,1-1岩石的物理性质及其对凿爆的影响,10,表1-2几种岩石的碎胀系数,,,1-1岩石的物理性质及其对凿爆的影响,11,4、岩石的波阻抗,ρc为波阻抗，表示岩石对应力波传播的阻尼作用，一般ρc越大，凿爆越困难；,岩石结构致密，坚硬，强度大，无大的地质构造弱面，则ρc大，日本关于岩石的分级多采用ρc指标（见表1-3）,,,,1-1岩石的物理性质及其对凿爆的影响,12,表1-3几种材料的波阻抗,,,1-1岩石的物理性质及其对凿爆的影响,13,第二节岩石的力学性质,,第一章岩石性质及爆破凿岩,14,1变形特征,变形特征研究动、静载荷作用下应力和应变的关系,1）应力与应变,在材料力学与岩石力学中已经讲过，不再重复。,,,1-2岩石的力学性质,15,2）静载变形特性,静载载荷不随时间变化或随时间变化不大。岩石应力应变曲线见图1。,图1,,,1-2岩石的力学性质,16,,,1-2岩石的力学性质,17,①脆性岩石没有产生显著的永久变形就开始破坏的性质，一般岩石呈脆性破坏。,②塑性与脆性相反，在破坏前有较明显的永久变形，如泥页岩，高岭土矿，巷道底鼓。,③弹性在弹性变形范围内，当外载去掉后，岩石恢复原形的性质。岩石在弹性极限内呈弹性，岩石可用与材料力学中各弹性常数一样表示。,,,1-2岩石的力学性质,18,④弹性模量,Eσ/ε,⑤剪切模量,Gτ/γ,⑥泊松比,με2/ε1,⑦G，E，μ的关系，根据材料力学的理论有,GE/2（1μ）,,,1-2岩石的力学性质,19,3）岩石动载变形特性,（1）动载的特点,①动载荷随时间而变化Pft；,冲击载荷就是一种动载荷，凿岩中活塞与钎尾、钎头与岩石爆破中的起爆、传爆、爆轰波，应力波对岩石的作用都是冲击载荷。,,,1-2岩石的力学性质,20,图1-2冲击载荷与时间的关系,,,1-2岩石的力学性质,21,②岩石变形不均匀，质点运动速度不一致,即岩石中各质点不是以一致速度运动，岩石不是均匀地变形，这是与静载作用根本区别所在。如图1-3。,,,1-2岩石的力学性质,22,2岩石的强度特征,（1）岩石的强度特征的定义,岩石的强度特征是指岩石能承受一定外力的作用而不破坏的性能，它是以岩石恰在破坏时应力大小来表示的。分动、静载强度。,关于岩石强度特征在岩石力学中有论述。,,,1-2岩石的力学性质,23,（2）动载的特点,a、其大小与加载速度有关，不是一个定数，表1-4；,b、抗压强度比静载大得多，而抗拉强度与静载相近。,（3）动应力,（4）比能A,破碎单位体积岩石所消耗的能量，是岩石可凿性的一个重要指标。,,,,1-2岩石的力学性质,24,表1-4几种岩石的动、静强度表,,,1-2岩石的力学性质,25,（1）岩石的坚固性,坚固性是指岩石对外界各种机械破坏的综合抵抗能力。,（2）岩石的特性,1）强度,是指岩石能承受一定外力作用而不破坏的性能,,,1-2岩石的力学性质,26,岩石表面抵抗工具侵入的性能，与凿岩性密切相关。凿岩时，比单向抗压强度更有意义，指岩石表面被破坏的性能。,2）硬度,3）磨蚀性,岩石对工具的磨蚀能力，主要与岩石的成分有关。,,,1-2岩石的力学性质,27,4）凿岩性,表示岩石被爆碎的难易程度用单位原岩的炸药消耗量和所需炮眼长度表示。,岩石被凿碎的难易程度用每米炮眼所消耗的钎头数，纯凿速，比能三指标表示,5）爆破性,,1-2岩石的力学性质,28,第三节岩石分级,,第一章岩石性质及爆破凿岩,29,1岩石分级的意义,1）选择最佳方法和设备来破碎各种不同的岩石，以达到最佳的经济效果和最高的劳动生产率；,2）选择合理的开采和维护方法，最安全、可靠地保护不应破坏的岩石，以正确有效地处理开挖中破坏与维护岩石这一最基本的矛盾；,,,1-3岩石分级,30,2普氏分级法,1）基本观点,是岩石的坚固性所综合上述各特性趋于一致，即硬度、强度、凿岩性、爆破性是一致的。,2）分级方法,用坚固性系数f来大致概括，作为分级的根据。fR/100,或,共分10级。,,,1-3岩石分级,31,3）该评价方法的评价,强调了一致性，忽视了各岩石特性的特殊性和差异性，因此有一定的误差，显得有些片面和笼统，如难凿的岩石不一定难爆，但简单易行，易于推广。多年来在各类矿山流行使用。,,,1-3岩石分级,32,,,1-3岩石分级,33,,,1-3岩石分级,34,3苏氏分级法,1）基本观点,与普氏分级法的基本观点相反，强调各特性的差异。,2）分级法,按照凿岩性和爆破性的四个指标分类，将岩石分为16个等级。,3）评价,指标与生产实际一致，可在现场测定，有现实意义，但失去了概括性，测定复杂，修正系数多，没有广泛在我国推广。,,,1-3岩石分级,35,4我国的分级,鉴于以上各种分级法的缺陷，我国岩石分级工作近几年来一直在进行，总的观点是统一性与特殊性相结合的原则（普氏、苏氏）两个层次,依据岩石的可钻性、可爆性和稳定性三种性能进行具体的分级。,,,1-3岩石分级,36,1）可钻性,目前进行的“可钻性分级”使用便携式岩石凿测器（图1-11）测定岩石的凿碎比能和凿480次后钎刃磨钝的宽度，将岩石分3类7级。,,,1-3岩石分级,37,图1-11凿测器1-钎头；2-承击台；3-销钉；4-导向杆；5-落锤；6-卡套；7-转动手柄,,,1-3岩石分级,38,2）爆破性分级,爆破性是岩石本身物理力学性质和炸药性能，爆破参数和爆破工艺的综合效应。岩石爆破性指数为,,,1-3岩石分级,39,,,1-3岩石分级,40,,,1-3岩石分级,41,第四节浅眼凿岩,,第一章岩石性质及爆破凿岩,42,为爆破岩石，必须钻凿炮孔，以便将炸药装入岩石内部，以提高爆破效果。浅眼是指炮眼长度小于5米，直径小于40～50mm的炮眼。在此范围外的炮眼称为中深孔或深孔。,,,1-4浅眼凿岩,43,1、冲击式破岩原理,实质是剪切破坏原理结合右图解释如下,图2-1冲击式凿岩炮孔形成过程,（1）首次冲击，在孔底形成凿痕A-A，钎头转到B-B位置；,,,,1-4浅眼凿岩,44,（2）二次冲击，在形成B-B凿痕的同时，剪碎了两个BOA范围内的岩石，这是根据岩石抗剪强度比抗压强度小（1/81/12）得多的原理；,（3）当钎头转动和冲击5-6次后，完成了整个圆形面积的破碎，则形成了深度为h的进尺，再重复以上的过程。凿岩机的设计是按此工作原理进行设计的。,,,1-4浅眼凿岩,45,,,1-4浅眼凿岩,46,2、凿岩机主要组成部分,使压气来回于活塞的两侧，以达到16002000次/分的冲击频率；,2）转钎机构,1）配气机构,冲程时不转钎，回程时转钎；,3）排粉机构,水针、排水孔、吹扫风路；,,,1-4浅眼凿岩,47,4）推进机构,轴压力，使钎头贴紧孔底部；,5）操纵等机构,,,1-4浅眼凿岩,48,,,1-4浅眼凿岩,49,3、冲击式凿岩机分类及适用条件,根据各种凿岩机使用倾角、孔径、孔深的不同，分为手持、气腿、向上、导轨式。,,1-4浅眼凿岩,50,,1-4浅眼凿岩,51,凿岩工具包括钎头和钎杆两部分，当两者合为一体时称为整体钎子，有许多缺点，除少数地方外，已经很少使用，多用活动钎子。,,,1-4浅眼凿岩,52,一钎头,岩石钎头是直接接触破碎矿岩部分，要求形状结构合理，凿速高，耐磨，强度高，寿命长，排粉性好，修磨方便，成本低，钎头一般由钎头体和合金片组成,,,1-4浅眼凿岩,53,1、钎头形状根据合金片排列和形状分,1）片状一字形（制造修理简单，易卡钎）；十字形（不易卡钎，多用于中深孔）；X形（炮孔呈圆形，用于中深孔），及其它形状二字形，Y形，T形等。,十字形和X形钎头,,,1-4浅眼凿岩,54,2）柱齿状,炮孔圆，岩屑颗粒粗，凿速高，减少合金片消耗，广泛推广使用。,,,1-4浅眼凿岩,55,2、钎头构造,①刃角α，刃角大小与钻速、耐磨有关，刃角小，转速高，但不耐磨，用于软岩；对于硬岩，α取大值，但α必须小于岩石的自然破碎角（110），一般α100。,图2-4一字形钎头,,,1-4浅眼凿岩,56,②隙角β（图2-4），钎头体两侧面的倾角，β过大，易于磨损，过小，易于卡钎，对合金片钎头β35。,③钎刃的曲率半径R，R保证合金片两端不产生应力集中和弯矩，R180200mm（图2-7）。,,,1-4浅眼凿岩,57,⑤排粉槽和吹洗孔一般布置于钎头的顶部（图2-5）和侧部（图2-4）,,,1-4浅眼凿岩,58,3、钎头材料,1）钎头体要求耐冲击，抗疲劳破坏，改用40Cr钢或2730Si，Mn，Mo，V钢制造，可减少断裂，涨裤现象。,,,1-4浅眼凿岩,59,2）硬质合金片,材质采用钨-钴合金制作，此合金性能具有高硬度，高耐磨性、高抗压强度，又有一定的韧性（钴），抗弯，抗拉强度高。多用YG系列（还有YJ系列）,钴含量高，韧性高，抗冲击和抗弯强度高，硬度和耐磨性低，故必须根据岩性选用牌号，见表2-2P26。此外，碳化钨的晶粒对合金片性能也有影响。,,,1-4浅眼凿岩,60,4、合金片形状,长片状（用于一字形钎头，用于硬岩）；短片状（用于多刃钎头，适用于裂隙发育岩石）；柱状（用于柱齿钎头，中硬以下的岩石）。,,,1-4浅眼凿岩,61,二钎杆,1、要求抗冲击，抗弯曲疲劳，具有一定韧性，抗腐蚀，易加工，成本低；,2、断面形状六角形（内切圆直径22mm，25.4mm，图2-10c），圆形（直径28,32mm,图2-10b）水孔57mm；,3、材质40MnMoV钢55SiMnMo钢；,,,1-4浅眼凿岩,62,4、钎尾有钎肩、凸台和无钎肩三中，分别用于手持式、导轨式，向上式（见图2-10）。要求钎尾淬火硬度小于活塞硬度，钎尾端面平整并与轴线垂直。,,,1-4浅眼凿岩,63,三钎头与钎杆的连接,用锥形连接（仅用于浅眼）锥顶角θ37；余隙为68mm，图中Ah24mm。这种连接加工、使用简单，能量损失小，但θ角必须严格控制。,,1-4浅眼凿岩,64,第五节深孔凿岩,,第一章岩石性质及爆破凿岩,65,除YGZ-90（属冲击回转式），其他属于冲击-间断转动式,1、接杆式凿岩的实质,随钻孔加深，不断地用1或1.2米长的短钎杆接长，直至炮孔全深，目前多用YGZ-90外回转式凿岩，D6075mm.,,,1-5深孔凿岩,66,,,1-5深孔凿岩,67,2、钻具-接杆钎子组,,,1-5深孔凿岩,68,（1）钎头形状结构与浅眼相同，但由于弹跳加大，使钎头容易偏离炮孔中心，故对钎头体宽度有一定要求（加大刃厚，图3-4），常用十字形和带超前刃的钎头图3-2，与钎杆用螺纹而不用锥面连接。,图3-4加大加厚的钎头体形,图3-2不同深孔的形成,,,1-5深孔凿岩,69,（2）钎杆,用3035SiMnMoV钢，有内切圆为25.4mm的六角形和直径为32mm的两种，多用后者，用左旋螺纹。,（3）钎尾,用于和凿岩机连接的最后一根钎杆（图3-8）。钎尾较短，一般多用两翼（翼状以传递力矩）。,,,1-5深孔凿岩,70,图3-8钎尾类型a-二翼式钎尾；b-四翼式钎尾,,,1-5深孔凿岩,71,（4）连接套筒（图3-9）,由于d小，不能直接相连，连接螺纹，有锯齿形和波形两种，要求传递能量效率高（锯齿），不易磨损（锯齿），拆卸容易（波形），这两种罗纹各有优缺点，但多用波形螺纹。,,,1-5深孔凿岩,72,图3-9连接套筒,,,1-5深孔凿岩,73,第五节深孔凿岩,潜孔式凿岩,,74,潜孔式凿岩为冲击连续回转式,1、潜孔凿岩机及其凿岩基本原理,（1）潜孔的特点,随炮孔加深，接杆不断增加，当炮孔深度超过1520m后，因钎子组弹性及接头的能量损失，接杆效率显著下降。,潜孔式是将冲击器潜入孔内，紧跟钻头，从而极大降低冲击能量损失，钻杆仅仅传递轴压，扭矩和输送风、水，联结的作用，冲击是间断的，回转是连续的。在冲击-回转过程中，钻头剪切破坏岩石。,,,1-5深孔凿岩,75,1-回转供风机构；2-推进机构；3-钻杆；4-冲击机构；5-钻头,,,,1-5深孔凿岩,76,,,1-5深孔凿岩,77,,,1-5深孔凿岩,78,（2）钻机,由推进机构，回转供风机构，冲击机构和排风装置，支承（井下）或行走（露天）机构等组成。各种钻机的技术规格见表3-1。,井下矿孔径90110mm,露天矿200250mm，多用200mm，水电部门用100150mm。,,,1-5深孔凿岩,79,,,1-5深孔凿岩,80,,,1-5深孔凿岩,81,2、钻具,（1）钻头见图3-13，3-14，3-15。,1）刃片钻头适用于中小孔径的深孔。,2）柱齿钻头合金柱周边多、中间少，布置合理。冲击能量利用合理，比刃片状耐磨。,3）分体式柱齿钻头钻头的头部和尾部是用螺纹连接的，当头部损坏后，可拆卸换新，节约钢材，缺点是结构复杂，能量传递效率低。,,,1-5深孔凿岩,82,4）混合钻头有柱、片状合金。用键槽与冲击器直接连接，不易产生疲劳破坏。,图3-13十字形超前刃钻头,,,1-5深孔凿岩,83,图3-14分体式柱齿钻头,,,1-5深孔凿岩,84,图3-15片柱混合型钻头,,,1-5深孔凿岩,85,,,1-5深孔凿岩,86,（2）钻杆,起传递扭矩，轴推力和传递风水作用，井下用直径50或60薄壁钢管做成，用方形罗纹直接与钻杆相连接（带有锥形）而不用连接套筒，每根长1m左右。,露天用主、副两根钻杆，可达1718m深度，有的也用一根中空、厚壁的无缝钢管。,,,1-5深孔凿岩,87,牙轮钻进破岩特点在强大轴压静载和滚动的动载作用下，压入、剪切、滚刮破碎岩石。,牙轮钻进示意图1-回转供风机构；2-钻杆；3-钻头；4-牙轮,,1-5深孔凿岩,88,第五节深孔凿岩,牙轮钻进,,89,1、牙轮钻机与牙轮钻头,（1）钻机,推进机构由传动链条加3060吨轴压力（潜孔钻一般在1吨以下），由回转机构带动钻杆、钻头回转，由供风机构通入压气，吹出岩粉，由行走机构使之位移。,牙轮钻机凿岩效率高，能适用各种岩石，孔径120310mm，目前多用于露天矿，钻凿垂直下向孔。,,,,1-5深孔凿岩,90,,,1-5深孔凿岩,91,（2）钻头,牙轮钻头由三牙爪、三牙轮和轴承组成。钻头工作时，三牙轮相对炮孔轴线作旋转运动。,同时，它又绕三个牙爪的轴自转，在硬岩中目前多用柱齿，仅在软岩中用铣齿。,,,1-5深孔凿岩,92,,,1-5深孔凿岩,93,,,1-5深孔凿岩,94,2、牙轮的破岩原理,（1）硬岩中冲击振幅h的产生和作用,如图；牙轮滚动时，由一个齿接触h增大两齿h减小齿接触（h增大）的交替过程。,,,1-5深孔凿岩,95,设R为牙轮距柱齿处的半径,r为柱齿高度，a为两相邻齿尖之距。显然从一牙接触两牙接触时，钻头高度下降值,又当从两牙一牙接触岩石时，钻头高度上升h值。,h称为钻头的冲击振幅，原理是在强大静压下，加上冲击振幅产生的冲击载荷，使岩石被压剪破坏,,,1-5深孔凿岩,96,（2）软岩,因h值的减少，以刮削破岩为主。上述计算是柱齿没有切入岩石时的情况，硬岩中切入岩石较浅，实际h值与以上理论的相差不大。而软岩中因切入深度大，实际上r值的作用减小。,h值很小，所以冲击效果差，则宜用铣齿钻头，当牙轮钻头转动时，由于公转使齿尖与岩面产生滑动，以刮削为主破岩。,,1-5深孔凿岩,