[科普中国]-岩石破碎

发展简史

古代采矿，广泛采用火爆法，春秋时期前，中国就已应用火爆法落矿。这是一种将岩石火烧加热后，泼水淬冷，使岩石变酥，然后用手工撬挖的岩石破碎方法。直到19世纪中叶，采用了凿岩机械和火药爆破技术之后，岩石爆破才成为采矿工程中最常用的岩石破碎手段。第二次世界大战后，随着矿石需求的增长，研制出了许多新类型的凿岩机械、爆破器材和开采机械，诸如牙轮钻机、潜孔钻机、微差雷管、铵油炸药、采掘联合机等，同时也要求在现代科学的基础上，更准确地反映破碎岩石的规律。岩石破碎在采矿工程中的重要地位，逐渐被人们认识。50年代苏联斯柯钦斯基矿业研究院创建了岩石破碎研究室，70年代中国也建立了类似的研究室，岩石力学与工程学采矿学会还成立了专门的学术组织，使岩石破碎技术和理论得到发展，成为一门新的学科。由于岩石爆破不便于实现自动化连续作业，自70年代以来，世界各国不断探索各种新的岩石破碎技术的可行性。

分类爆炸破碎利用炸药或其他爆炸物瞬间释放的巨大能量破碎岩石，目前应用最广也最有效。

机械破碎分切削、冲凿、碾压、研磨四种方式。破岩时,破岩工具进入岩石，在工具移动前方的岩体内，出现密实核。在密实核周围产生较大块的崩碎体。机械破碎在硬岩中应用不广的主要原因是工具磨损严重。其磨损程度主要取决于岩石内硬矿物（主要是石英）的含量和颗粒大小。

水射流破碎分低压大流量和高压小流量两种。前者压力不超过2×107Pa，多用于水力采矿或采煤；后者压力可达几亿帕（Pa）以上，用来切割岩石。此外还研制出脉冲式射流技术，可有效地破碎坚固岩石而无需很大功率。目前最高的瞬间压力，已达5.6GPa。高压水射流破碎岩石的能耗高，机械构造较复杂，多作为掘进机和露天牙轮钻机破碎岩石的辅助手段。

热力破碎在岩体内形成高的温度梯度，并利用岩石各组分的热胀系数不同，形成热应力，使岩体剥落或酥碎。含石英较多的岩石使用此法效果较好。现代加热方法有铝热剂、火焰喷射、等离子焰、微波、红外线照射、高能电子束、强大的击穿电流、激光等。但除火焰喷射法（火钻）外，其他均处于试验阶段。

为选用合理的岩石破碎方法，将岩石按破碎难易程度分级。分级指标有普氏坚固性系数f、可钻性、可爆性、侵入硬度和凿岩比功等。20世纪50年代以来，中国矿山曾普遍应用普氏坚固性系数 f作为分级指标。正在研究更完善的分级方法。

基本方法采矿工程中破碎岩石的主要方法有：

（1）机械破岩。由机械直接施载于工具使岩石局部破碎，如锹镐挖掘、钎子打眼、滚刀碾压、刀具切削等。这类破岩方法的共同特点是，将工具侵入岩石，使其周围岩石产生崩落或劈开。（2）岩石爆破。利用炸药爆炸所产生的高温高压和大量的气体来破碎岩石，也包括用热核爆炸和用化学反应来破碎岩石，后者也称为静态膨胀。岩石爆破是破碎硬岩最常用的方法。（3）物理破岩。利用热能、电子、电磁波、激光和高压水射流等能源来破碎岩石。19世纪60年代，火焰喷烧（即火钻）曾在生产中得到应用，大流量的水射流（即水枪），在采煤中得到应用，其它方法都尚处在试验研究阶段，有时也作为机械破岩的辅助手段。

发展方向岩石破碎是采矿工程的基础学科之一，其发展的主要方面有：（1）研究与破碎有关的岩石物理力学性质及其测定方法，包括岩石坚固性、岩石可钻性、岩石可爆性和岩石崩落性等。（2）研究岩石破碎的物理机制、破碎过程，寻求这一过程的监控方法。（3）确定破碎工艺的合理工作参数，它与机械的控制系统相结合，可使机械在最优状态下工作。（4）探索岩石破碎新方法、新工艺、新器材，提高破碎质量和效率，降低破碎能耗和成本。2