利用交变拉应力使岩石裂纹扩展断裂制备平板石材的方法[0002] 申请人:在2007年申请的中国发明专利，一种利用岩石裂纹持续扩展断裂制备平板石材的方法，专利号为200710028630.X，该申请已获得授权。该专利方法包括如下步骤:(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(I)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150XIO6Pa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。[0003]该方法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，而现有技术使裂纹扩展形成贯通裂缝的方法，包括打眼劈楔法，膨胀剂静态爆破法、金属燃烧剂爆破法和高压水破岩法，都只采用一排孔壁上的裂纹源，该裂纹源的长度为孔壁的深度，只能制备小面积的断裂面，其面积一般小于100平方米。该专利方法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。该方法提供了一种相对廉价提取岩石毛坯的有益方法，提取的平板岩石分隔成石材还可直接应用于大型水坝和工程，也可对分割成的平板石材进行进一步深加工，形成各种优质建材。[0004]该专利方法在上述方法上还提出一个改进方法，在上述步骤(2)中还包括在长方形的中心以及在外侧距离每条边中心5?IOm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。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。但是该改进型的方法有三个必不可少的技术特征:一是岩体内部长的裂纹源，二是应用水压致裂法；三是应用振动致裂法。该方法是在闭合裂纹外加装交变拉应力发生器，由交变拉应力发生器使岩石产生水平交变拉应力，裂纹扩展是在裂纹内水压上升和交变拉应力共同作用下起裂的。但是该改进型方法是在水压致裂法基础上实施的，裂纹源的扩展形成过程中始终存在高压水的压力，而为了维持裂纹源中的高压水压力，对岩石内部的自然裂纹发育程度有非常高的要求，这在一定程度上影响了专利号为200710028630.X的技术方案的应用范围。
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种加工费用低，石材厚度相对较薄，适用岩体相对较广，不需要将裂纹槽密封，不需高压水持续作用的利用交变拉应力使岩石裂纹扩展断裂制备平板石材的方法。
[0006]本发明的目的通过如下技术方案实现:
[0007]利用交变拉应力使岩石裂纹扩展断裂制备平板石材的方法，包括如下步骤:
[0008](I)岩体选取和初步加工:选取适于用作石材的岩体，在岩体顶面加工成初步平面；
[0009](2)施工孔的形成:在步骤(I)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，长方形四边形成闭合的外圈线；在该闭合外圈线内的横向或纵向，每隔20?30米划出一条增设线；若闭合外圈线内的横向或纵向以及增设线的长度超过60米，在该线的中点设置一个直径为0.5-0.8米的垂直交汇施工孔；在同一深度岩体的水平面上，在外圈线和增设线的下方用直径为
0.08 - 0.11米孔径凿岩机形成贯通的水平施工孔(裂纹槽基形孔)；垂直交汇施工孔通过钻机施工；
[0010](3)岩体内裂纹槽的形成:将直径为8.6 - 11.5mm的金刚石串珠绳穿过基形孔以及垂直交汇孔，切割同一深度岩体水平面基形孔两侧的裂纹槽，裂纹槽呈弧形，基形孔口处的裂纹槽最深，为4 - 8米；裂纹槽最浅处小于0.1米，基形孔孔口区域为起裂区；垂直交汇孔孔壁在同一深度岩体水平面上用圆盘锯机形成深度为8 - 15厘米的环形槽，将孔壁上的裂纹槽接通，基形孔孔壁裂纹槽宽度为8.6 - 11.5mm ；
[0011](4)交变拉应力孔的形成:在闭合外圈线的外侧距离闭合外圈线3 -1Om处设置一系列交变拉应力孔，交变拉应力孔之间的间距为3 - 15m ;在各个闭合裂纹槽内，距离每个角裂纹槽3 - 5米形成2 - 3个交变拉应力孔，再按每100平方米形成1- 4个交变拉应力孔；
[0012](5)岩体内裂纹槽持续扩展:在交变拉应力孔内设置交变拉应力发生器，交变拉应力发生器与由管道与输出交变压力的液压系统连接，交变拉应力发生器的排气管，端部设置开关；交变拉应力发生器上下两端各设置分隔器，两分隔器之间设置一个外径可膨胀的弹性套，把液体密封在交变拉应力发生器内；交变拉应力发生器的环形槽的平分面处在预定断裂面上，液压系统最大输出压力应低于交变拉应力孔岩石的抗拉强度，交变频率取I?IOHz ;交变拉应力发生器环形槽内液体压力交变，并通过弹性套作用在交变拉应力孔的孔壁上，使得孔壁产生平行于预定断裂面的交变拉应力，该交变拉应力波传到裂纹尖端时，在裂纹尖端产生垂直于预定断裂面的交变拉应力；裂纹尖端在垂直于预定断裂面的交变拉应力作用下起裂，裂纹扩展方向在预定断裂面上，闭合裂纹在水平的交变拉应力作用下持续扩张，断裂，形成平整的水平断裂面。
[0013]进一步地，所述增设裂纹槽、外圈裂纹槽通过金刚石串珠锯切割形成。
[0014]所述增设裂纹槽和外圈裂纹槽的宽度为11mm。
[0015]所述步骤(2)的基形孔直径为80?IlOmm ;交汇孔直径为500 - 800mm。[0016]所述液压系统最大输出压力低于40X 106Pa。
[0017]所述交变拉应力产生方法为装在机动车上重50 - 300公斤的撞击锤以每分钟20 - 50次撞击裂纹上方的岩石,式岩石产生与裂纹槽垂直的交变拉应力。
[0018]本发明的原理:
[0019](I)交变拉应力效应。根据断裂力学，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，而在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，裂纹尖端将作张开型扩展。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。
[0020](2)惯性效应:平行于裂纹方向的拉应力脉冲传到裂纹尖端时，使裂纹的岩石产生与裂纹垂直方向的振动，这种效应称为惯性效应。裂纹岩石的振动的惯性力使裂纹尖端产生与裂纹垂直的交变拉应力。裂纹面积越大，裂纹岩石振动的振幅越大，惯性力越大，使裂纹尖端产生的与裂纹垂直的交变拉应力越大。裂纹将首先在裂纹面积大的区域起裂、扩展。裂纹首先起裂的区域称为起裂区。
[0021](3)平行于闭合裂纹的交变拉应力导致闭合裂纹的扩展: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40X 105Pa? 130X 105Pa。裂纹槽的裂纹一旦作水平扩展，裂纹面积迅速增大，同等强度的水平拉应力波再传到裂纹尖端时，惯性效应增强，在裂纹尖端产生与裂纹垂直的交变拉应力也相应增大，表现为较小的水平交变拉应力也能使裂纹再次起裂扩展。裂纹在起裂后的扩展变得越来越容易。
[0022](3)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。
[0023]本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0024](I)本发明通过交变拉应力使岩石内闭合裂纹扩展，加工出平整的石材，不需要利用高压水使裂纹扩展，不需要对裂纹槽密封，可以适应各种石材加工，包括有一定裂纹发育岩石。专利号为200710028630.x的技术方案是通过水压致裂法使裂纹扩展，裂纹源的扩展形成过程中始终存在高压水的压力，而为了维持裂纹源中的高压水压力，对岩石内部的自然裂纹发育程度有非常高的要求，这在一定程度上影响了该技术方案的应用范围。
[0025](2)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。
[0026](3)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。[0027](4)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，提取的平板岩石分割成的石材还可直接应用于大型水坝工程或可直接应用于大型水利、港口、堤坝和桥墩等工程，也可对分割成的石材进行进一步深加工，形成各种优质建材。



[0028]图1为预定断裂面示意图。
[0029]图2为交变拉应力孔结构示意图。
[0030]图3是实施例2的预定断裂面示意图。

[0031 ] 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。
[0032]实施例1
[0033]如图1所示，选取适于用作石材的岩体1，一般岩体山顶相对较小，越向下，岩体的水平截面积越大，可用常规的矿山剥离方法，除掉表土层，并在山体顶部确定一个工作区，形成第一个水平断裂面，一般约取20 X 30平方米，第一个断裂面上面的岩石是岩体顶部的不规则的岩石，清除该岩石，露出的断裂面就是一个初步的平面。越向下开采，水平断裂面越大。如图1所示，要达到100X100平方米的水平断裂面为例。加工时，首先形成工作平面:把形成的平板石材分割后运走，露出形成下一个水平断裂面的工作平面。
[0034]工作平面上，根据岩体的硬度，在平面的中央确定一个近似长方形区域2，长方形的各条边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米左右，较远达到30米；长方形四边形成闭合外圈线7，在该闭合外圈线7内的横向或纵向，每隔20?30米划出一条增设线8 ;若闭合外圈线7内的横向或纵向以及增设线的长度超过60米，在该线的中点设置一个直径为0.5 - 0.8米的垂直交汇孔3 ;在同一深度岩体的水平面上，在外圈线和增设线的下方用直径为80 -1lOmm大孔径凿岩机形成贯通的水平施工孔，为裂纹槽基形孔4 ;垂直交汇施工孔3通过钻机施工。
[0035]岩体内裂纹槽的形成:将直径为8.6-11.5mm (优选Ilmm)的金刚石串珠绳穿过裂纹槽基形孔4以及垂直交汇孔3，垂直交汇孔3内优选设置修正滚筒，使滚筒上的串珠绳处在预定的水平断面上，切割同一深度岩体水平面基形孔两侧的裂纹槽5，裂纹槽呈弧形，基形孔孔口处的裂纹槽最深，为4 - 8米；裂纹槽最浅，不小于0.1米，基形孔孔口区域为起裂区6 ;垂直交汇孔孔壁在同一深度岩体水平面上用圆盘锯机形成深度为8 - 15厘米的环形槽，将孔壁上的裂纹槽接通，基形孔孔壁裂纹槽宽度为11_。
[0036]金刚石串珠锯锯切法是石材加工业中成熟的技术，用于开凿穿引金刚石串珠绳的深孔，水平钻孔直径一般为38 _90_，有多种型号的凿岩机可供选择。使用直径为60 -90mm钻头的普通大孔径凿岩机，钻进花岗石时钻头下垂的修正系数为10mm/m(l/100)，在钻杆上安装导正器也可减少钻头的下垂。金刚石串珠锯锯切5级硬度的花岗石，锯切效率也能达到3 -5平方米/小时。通常切割面积越大，金刚石串珠绳的寿命越长，锯切效率也相对高。切割花岗石时，可米用串珠绳的最佳直径是11_，锯逢尺寸一般是8.6 - 11.5mm,锯切板材时，板材表面平整可以控制在±0.5mm。如金刚石串珠绳锯最大已经锯切断面为700多平方米的断面。现有技术中用于开采地表石材的串珠绳直径为8.6 - 11.5_，绳长可达200米。
[0037]如图1所示，在闭合外圈线7的外侧距离闭合外圈线3 -1Om处设置一系列交变拉应力孔20，交变拉应力孔之间的间距为3 - 15m;在各个闭合裂纹槽内，距离每个角裂纹槽3 - 5米形成2 - 3个交变拉应力孔，再按每100平方米形成1- 4个交变拉应力孔；
[0038]如图2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2确定，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，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24连接。液压系统24最大输出压力应低于交变拉应力孔20岩石的抗拉强度，为避免该交变拉应力孔20周围岩石出现破坏，一般低于40 X IO6Pa ;交变频率可取I?10Hz，交变拉应力发生器21的排气管23端部设置开关25，用于液体进入交变拉应力发生器21的环形槽时，环形槽内的空气从排气管23排出，交变拉应力发生器21工作时要先关上排气管23端部的开关25。管道22带有固定装置26，用于将管道22固定在孔内。交变拉应力发生器21上下两端各设置分隔器27，两分隔器27之间设置一个外径可膨胀的弹性套28，把液体密封在交变拉应力发生器内。
[0039]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15上，通过与交变拉应力发生器21连接的液压系统24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环形槽内液体压力交变，并通过弹性套28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。裂纹尖端在这垂直于预定断裂面15的交变拉应力作用下起裂，裂纹扩展方向在预定断裂面15上，闭合裂纹在水平的交变拉应力作用下持续扩张，断裂，形成平整的水平断裂面。
[0040]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。张开型裂纹扩展是在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而发生的。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交变拉应力与裂纹表面垂直，同时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，水平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，形成局部的水平断裂面，裂纹扩展一段距离将停止扩展。在水平交变拉应力作用下，裂纹会再次起裂，在水平面上再次扩展。裂纹就这样持续扩展。闭合裂纹向内扩展裂纹保持闭合形式，持续扩展下闭合裂纹包围的面积越来越小，最后完全汇合形成完整的断裂面。
[0041]为了降低施工成本，可以一次形成几层平板石材所需的孔。具体方法是在交变拉应力孔20和施工孔3，按照所取石材的厚度，一次钻进深度为几个所取石材厚度，按照上述方法在取得第一层石材后，再在下一层用同样的方法制备下一层石材，这样可以降低孔的施工成本。但是要注意岩体I的整体形状，如果岩体I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上述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，则须将闭合外圈线8的长方形2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继续向下开米。
[0042]利用交变拉应力使水平裂纹在水平面扩展的原理是:岩石的交变拉应力波使裂纹的岩石产生垂直方向的振动，裂纹岩石垂直振动的惯性力使裂纹尖端产生垂直方向的交变拉应力，裂纹尖端在扩张型扩展的受力状态下起裂、扩展。使裂纹岩石作垂直方向振动的岩石交变拉应力可以有两个方向:一是水平的交变拉应力，通过交变拉应力效应是裂纹岩石作垂直方向振动；二是在裂纹上方垂直敲击岩石，由岩石垂直的交变拉应力波使裂纹岩石作垂直方向的振动。因此两种方向的交变拉应力可以形成不同的方案。实施例1只是采用水平交变拉应力使裂纹起裂、扩展。
[0043]实施例2
[0044]该实施例采用垂直交变拉应力使裂纹起裂、扩展。该实施例与实施例1不同点有两点:一是该实施例形成如图3所示的裂纹槽，取消了实施例1形成交变拉应力孔和使用交变拉应力发生器。二是该实施例形成图3所示的裂纹槽之和，在增设裂纹槽两端的外圈裂纹槽的外侧，按照间距4 - 7米配置装有撞击锤的机动车，撞击锤的端部是木质，锤重50 -300公斤，作垂直往复运动，每分钟撞击次数为20 -50次，撞击裂纹上方的岩石，并随着裂纹扩展将打击点逐步向前推进，使裂纹形成断裂面。
[0045]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。