一种利用长裂纹扩展分割平板石材的方法[0002]长裂纹扩展法具有形成断面效率高、成本低的优点。中国发明专利ZL200710028630.X将其应用于形成贯通的水平断面，形成的分离体是面积很大的平板石材，要把单位体积成本很低的平板石材进行分割才能形成石材产品，用本发明把平板石材分割成截面为长方形的长石条，然后再用履带式链臂锯机把长石条分割成规则六面体的石材，这样的石料具有很大的成本优势。[0003]刻槽胀裂法是排孔劈裂法中的一种方法，孔壁在布孔面上用刻槽器刻有裂纹槽，该方法的刻槽钻孔数量少，钻孔内有槽线存在，当孔壁在外力作用后会产生应力集中效应，岩石会沿槽线处整齐断开，槽线有导向功能，保证分离体岩块的断面平整而不会偏斜，相对没有槽线的排孔劈裂法，生产费用还会减少。刻槽胀裂法的槽线长度约为钻孔深度，岩石具有尺寸效应特性，长度为槽线长的裂纹属于小尺寸裂纹，裂纹扩展时岩石呈现各向异性，岩石的力学特性随方向不同而不同，槽线裂纹即使在作张开型扩展的受力状态下起裂，各点扩展方向是不同的，并不在裂纹所在平面上，这是短裂纹扩展的主要技术特征，排孔劈裂法在孔壁上刻槽，只能比没有刻槽可用的孔距略为增大，孔距约为0.3m，孔距越大，形成的断裂面越粗糙，过大的孔距，两孔之间的裂纹扩展就不能汇合，难以形成完整的断裂面。[0004]平板石材的解体工序，采用现有技术的切削法或排孔劈裂法，切削法形成断面质量好，但效率低，成本高，设备安装，调整相当麻烦；排孔劈裂法与切削法相比，效率高，成本低，设备安装调整容易，但形成的断面粗糙，质量差。
[0005]本发明目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种比排孔劈裂法成本更低，形成断面质量高，后续加工成本低，设备安装调整容易的利用长裂纹扩展分割平板石材的方法。[0006]本发明利用长裂纹扩展分割平板石材；其长裂纹由水平长的裂纹和与它连接的槽线裂纹组成，长裂纹扩展时岩石呈现各向同性，利用在一垂直面上的长裂纹在作张开型扩展的受力状态下起裂，裂纹扩展方向就符合弹性力学所描述的各向同性材料的张开型裂纹扩展方向，各起裂点裂纹扩展方向都在裂纹所在的平面上，这是长裂纹扩展的主要技术特征，长裂纹扩展线呈弓形，裂纹持续扩展就形成贯通的垂直的平整断裂面。[0007]现有的切削法虽然形成断面的质量较高，但效率低，成本高，设备安装调整困难。现有的排孔劈裂法加工石材，虽然效率较高，设备安装调整容易，但本发明利用长裂纹扩展分割平板石材的成本比排孔劈裂法加工石材具有更大的优势，形成断面的质量则远胜排孔劈裂法。[0008]本发明的目的通过如下技术方案实现:
[0009]一种利用长裂纹扩展分割平板石材的方法，包括如下步骤:
[0010]I)根据分割后平板石材的厚度要求，在平板石材表面预定垂直断面处，用切缝机切割深度为0.15 - 0.3M贯通的长裂纹槽，两裂纹槽之间用凿岩机钻凿一系列交变孔，孔距
4-10m，孔深比平板石材厚度大4-10cm，在孔口插入与输出压力交变的液压系统连接的管，再将孔口密封；
[0011]2)平板石材裂纹槽持续扩展:开动输出压力交变的液压系统，并逐步提高其输出压力，压力交变频率为1- 5HZ，交变孔内的水不断被压进平板石材与岩体之间的缝隙，缝隙内水的压力不断上升，对平板石材向上的作用力不断增大，向上的力亦随系统输出压力交变而交变，通过交变拉应力效应，平板石材表面的长裂纹槽处于张开型扩展的受力状态下起裂，扩展，裂纹持续扩展，形成平整的贯通的垂直断面。
[0012]优选地，所述平板石材上还包括设有多个导向孔，导向孔设置在裂纹槽上，间距为4 - 10m，与平板石材两边沿接近的两导向孔距离平板石材边沿0.8 - 2m ;导向孔的深度等于平板石材的厚度，或者比比平板石材的厚度大0.1 - 0.2m;用修路的切缝机在多个导向孔的连线上切割一条深度为0.15 -0.3m的贯通裂纹槽；在导向孔的孔壁两侧用刻槽器切割与裂纹槽连接的垂直槽；不同导向孔内的垂直槽在同一个垂直平面上，垂直槽的宽度为1-8mm ;深度为0.2 - 3cm ；
[0013]在导向孔和裂纹槽中填充膨胀剂，到膨胀剂压力达到岩石抗拉强度的1/3 - 1/2时，使裂纹槽和导向孔中垂直槽的裂纹处于作张开型扩展的准静态的受力状态；然后启动输出压力交变的液压系统，利用压进平板石材与岩体之间空隙内的水压力交变，对平板石材产生垂直方向交变作用力，通过交变拉应力效应，使裂纹槽的裂纹尖端产生与裂纹垂直的交变拉应力；当裂纹槽的裂纹尖端的准静态拉应力与裂纹垂直的交变拉应力叠加的合成拉应力大于岩石抗拉强度时，裂纹尖端起裂、扩展，裂纹尖端起裂点按相邻最近拉应力大的点传递，于是引起裂纹槽和垂直槽的裂纹在两者所确定的平面上向前推进，裂纹持续扩展的结果就形成贯通的处置断面；所述膨胀剂选用膨胀水泥。
[0014]优选地，所述平板石材上还包括设有多个导向孔，导向孔设置在裂纹槽上，间距为4 -1Om,与平板石材两边沿接近的两导向孔距离平板石材边沿0.8 - 2m ;导向孔的深度等于平板石材的厚度，或者比比平板石材的厚度大0.1 - 0.2m;用修路的切缝机在多个导向孔的连线上切割一条深度为0.15 -0.3m的贯通裂纹槽；在导向孔的孔壁两侧用刻槽器切割与裂纹槽连接的垂直槽；不同导向孔内的垂直槽在同一个垂直平面上，垂直槽的宽度为1-8mm ;深度为0.2 - 3cm ；
[0015]所述导向孔的孔口插入管道，管道与水泵连接，将导向孔的孔口密封；分割平板石材时，首先开动与管道连接的水泵，水泵的输出压力调整到岩石抗拉强度的1/3 - 1/2，使垂直槽上的裂纹处于作张开型扩展的受力状态；然后开动输出压力交变的液压系统，逐步提高液压系统输出的压力，随着输出压力不断上升，裂纹槽中的裂纹的拉应力亦随着增大，导致裂纹槽上局部裂纹在作张开型扩展的受力状态下首先起裂，裂纹扩展方向在垂直平面上，引起导向孔中的垂直槽中已经作张开型扩展的裂纹起裂，裂纹持续扩展就形成贯通的平整的垂直断裂面。
[0016]所述导向孔的直径为40 - 60mm,导向孔用凿岩机钻凿形成。[0017]所述裂纹槽通过切缝机切割形成。
[0018]所述交变孔通过钻机钻凿形成。
[0019]所述交变孔的直径为40 - 60mm。
[0020]本发明另一技术方案:
[0021]一种利用长裂纹扩展分割平板石材的方法:当平板石材厚度小于Im时，所述平板石材上还包括设有多个导向孔，导向孔设置在裂纹槽上，间距为4 -1Om,与平板石材两边沿接近的两导向孔距离平板石材边沿0.8 -2m;导向孔的深度等于平板石材的厚度，或者比比平板石材的厚度大0.1 - 0.2m ;用修路的切缝机在多个导向孔的连线上切割一条深度为
0.15 - 0.3m的贯通裂纹槽；在导向孔的孔壁两侧用刻槽器切割与裂纹槽连接的垂直槽；不同导向孔内的垂直槽在同一个垂直平面上，垂直槽的宽度为1- 8_ ;深度为0.2 - 3cm ；
[0022]在导向孔和裂纹槽中填充膨胀剂，到膨胀剂压力达到岩石抗拉强度的1/3 - 1/2时，使裂纹槽和导向孔中垂直槽的裂纹处于作张开型扩展的准静态的受力状态；膨胀剂压力继续增大，当裂纹槽的裂纹尖端的准静态拉应力大于岩石抗拉强度时，裂纹尖端起裂、扩展，裂纹尖端起裂点按相邻最近拉应力大的点传递，于是引起裂纹槽和垂直槽的裂纹在两者所确定的平面上向前推进，裂纹持续扩展的结果就形成贯通的处置断面；所述膨胀剂选用膨胀水泥。
[0023]本发明原理:
[0024](I)裂纹作张开型扩展是一种相对容易发生的岩石破坏形式，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，刻槽断裂法使刻槽裂纹作拉伸性破坏，所需的拉应力较小；
[0025](2)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，而在同一方向上的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。
[0026](3)尺寸足够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，岩石呈现各向异性，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。在采石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，说明在一平面上足够长的裂纹，裂纹作张开型扩展，裂纹扩展时岩石现各向同性，裂纹按弹性力学规律作张开型扩展，裂纹扩展方向在裂纹所在平面上，裂纹持续扩展就形成大的平直的断裂面
[0027]本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0028](I)本发明与最接近的现有技术刻槽断裂法相比，本发明的孔距为4 - Sm，刻槽断裂法的最大孔距约为0.3m，本发明形成裂纹源的成本比刻槽断裂法的低。
[0029](2)本发明只需开动一些液压设备就可使多条裂纹持续扩展，刻槽断裂法要用较多的胀裂剂，本发明形成断面的成本比刻槽断裂法低。
[0030](3)本发明形成的断面平整，刻槽断裂法的断面粗糙，而且留有较密的钻孔痕迹，平板石材厚度越大，本发明形成断面的成本越比刻槽断裂法的低。
[0031](4)本发明提供了一种相对廉价把平板石材分割成长方形截面长石条的方法，再用现有技术把长石条分割成规则六面体的大型石料，这种石料加工方法具有很大的成本优势，可以在国家战略基础设施的工程，例如大型水利、水坝、桥墩、港口、堤坝等工程大量代替混凝土，使岩石资源得到进一步的开发、利用，又有减排节能的效果，也可对大型石料进一步深加工，形成各种优质建材。



[0032]图1为实施例1平板石材顶面施工布置图。
[0033]图2为交变拉应力孔的结构示意图。
[0034]图3为实施例2平板石材顶面施工布置图。
[0035]图4为刻槽断裂法形成的导向孔的结构示意图。
[0036]图5膨胀剂位置图。

[0037]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的描述，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
[0038]实施例1
[0039]如图1、2所示，在平板石材I表面画出预定垂直断面位置,形成断面线,断面线间距离为长石条的宽度，宽度不小于平板石材的厚度。用修路的切缝机在预定垂直断面位置切割一条深度为0.15 - 0.3m的贯通长的裂纹槽2。平板石材的厚度越大，在0.15 - 0.3m的范围内，裂纹槽2的深度相应也大，在两裂纹槽2之间，用凿岩机钻凿一系列交变孔3，交变孔3的直径优选40 - 60mm，交变孔的孔距4 - 10m，孔深比平板石材厚度大4 - 10cm，优选5cm，也就是进入岩体4中。平板石材I只是放在岩体4上端(平板石材在山体上经过专利号为ZL200710028630.X的利用岩石裂纹持续扩展断裂制备平板石材的方法，与岩体4已经分离)平板石材I与岩体4之间有缝隙。在交变孔3的孔口插入连接管6，连接管6与输出交变压力液压系统链接，再用密封层5 (密封层材料选用膨胀水泥)将孔口密封，用膨胀水泥填满裂纹槽2。完成上述工作后，开动输出压力交变的液压的系统，并逐步提高其输出压力，压力交变频率为1- 5hz，孔内的水不断被压入平板石材与岩体之间的缝隙，产生向上的作用力，该向上的作用力将平板石材I托起，平板石材I处于悬浮状态。孔内水将平板石材I托起的原理为气垫船工作原理，平板石材I与岩体4的缝隙远小于气垫船与地面或者水面的间隙，输出水压力可远大于气垫船输出的气体压力。平板石材I与岩体4的缝隙内的水产生向上的力大于平板石材I的重量时，平板石材就回被水托起，处于悬浮状态。
[0040]平板石材下面的水的压力亦随着液压系统输出压力交变而交变，形成垂直方向的交变作用力，也就是对平板石材I产生垂直向上变化的交变作用力。由于裂纹槽2的裂纹尖端产生的交变拉应力方向与裂纹垂直；该交变作用力以交变应拉力波的形式传到平板石材表面的长裂纹槽2，由交变拉应力效应使裂纹尖端产生的水平交变拉应力；随着水平交变拉应力的增大，导致裂纹处于张开型扩展的受力形态下起裂、扩展。长裂纹扩展时，岩石呈现各向同性，长裂纹扩展方向在裂纹槽所在的垂直面上，裂纹持续扩展就形成贯通的平整的垂直断面，两断面之间的岩石就是本发明形成的截面为长方形的长石条。
[0041]实施例2
[0042]为了更好地把裂纹扩展方向限定在垂直平面上，在实施例1裂纹槽2中开设导向孔7，该导向孔7的导向原理同刻槽胀裂法所设孔的导向作用相同。利用裂纹槽2和导向孔7孔壁的槽线都有导向作用，把裂纹扩展方向限定在裂纹槽和导向孔7孔壁的槽线所在垂直面上。
[0043]如图3、4所示，在平板石材表面画出垂直断面位置，形成断面线，断面线的间距为长石条的宽度，宽度不小于平板石材的厚度。在断面线上增设多个导向孔7，导向孔7的间距为4 -1Om,与平板石材两边沿接近的两导向孔7距离平板石材边沿0.8 -2m。导向孔7的直径为40 _60_，与刻槽断胀裂法所用的孔的孔径相同；导向孔7的深度优选等于平板石材的厚度，或者比比平板石材的厚度大0.1-0.2m。导向孔7用凿岩机钻凿形成。用修路的切缝机在多个导向孔7的连线上切割一条深度为0.15 - 0.3m的贯通裂纹槽2 ;也就是在多个导向孔7的断面线上加工出裂纹槽2。平板石材厚度越大，裂纹槽2的深度在0.15 - 0.3m的范围内取值相应越大。在导向孔7的孔壁两侧用刻槽器切割与裂纹槽2连接的垂直槽8 ；不同导向孔7内的垂直槽8在同一个垂直平面上。垂直槽8就是在导向孔7的孔壁上，垂直槽8的宽度优选为1-8mm ;深度(图4中水平方向的深度)优选为0.2 -3cm。垂直槽8的宽度还可优选与刻槽胀裂法中孔上槽线加工要求相同。垂直槽8优选用在刻槽胀裂法中孔上槽线的加工方法加工。在导向孔7的孔口插入管道9，管道9与水泵连接，将导向孔7的孔口密封，并用膨胀水泥填满裂纹槽2。同实施例1，再在两预定断面之间(也就是在两断面线之间)，用凿岩机钻凿一系列交变孔3，交变孔3的直径优选为40 -60mm，交变孔3的孔距为4 -1Om,孔深比平板石材厚度约大4 -8cm,优选为5cm,在交变孔3的孔口插入连接管6,连接管6与输出压力交变的液压系统连接，将交变孔3的孔口密封。
[0044]完成以上准备工作后，进行裂纹扩展形成断面的工作。首先开动与管道9连接的水泵，水泵的输出压力调整到岩石抗拉强度的1/3 - 1/2，要求在此压力作用下，导向孔7中孔壁山的垂直槽8的裂纹不会起裂，只是让垂直槽8上的裂纹处于作张开型扩展的受力状态。需要说明的是，垂直槽8所受的拉应力比导向孔7中孔壁上的垂直槽8周围岩石所受到的拉应力都大。
[0045]然后开动输出压力交变的液压系统，且逐步提高其输出的压力，压力交变频率为1- 5Hz，交变孔3内的水不断被压进平板石材与岩体之间的间隙。根据气垫船原理，在平板石材I与岩体之间的缝隙内的水产生向上的力大过平板石材重量时，平板石材就被水托起，处于悬浮状态。平板石材下面的水的压力亦随液压系统输出压力作交变，于是对平板石材产生垂直向上的作用力，此交变作用力以交变拉应力波的形式传到平板石材表面的裂纹槽2中的裂纹，通过交变拉应力效应，裂纹槽2中的裂纹便处于作张开型扩展的受力状态，随着液压系统输出最大压力不断上升。裂纹的拉应力亦随着增大，导致裂纹槽上局部裂纹在作张开型扩展的受力状态下首先起裂，裂纹槽2是裂纹属长裂纹，裂纹扩展时岩石呈现各向同性，裂纹扩展方向在裂纹所在平面上，即裂纹扩展方向在垂直平面上，裂纹扩展时起裂点引起相邻拉应力最大点随着起裂，于是迅速引起导向孔7中的垂直槽8中已经作张开型扩展的扩展受力状态的裂纹迅速起裂。
[0046]孔壁槽线的裂纹起裂，两孔之间的裂纹扩展线程弧形。平板石材表面的裂纹槽中的裂纹与导向孔7中垂直槽8的裂纹是相互垂直的，都具有导向能力，这样就更有利于把裂纹作张开型扩展的扩展方向限定在垂直平面上，裂纹持续扩展就形成贯通的平整的垂直断裂面，两相邻垂直断裂面之间的岩石就是本发明形成的长方形截面的长石条。[0047]实施例3
[0048]如图5所示，为减少使用的开采设备，该实施例减少了实施例2中水泵和管道9，采用在导向孔7和裂纹槽2中填充膨胀剂(膨胀剂选用膨胀水泥)。膨胀剂膨胀后产生的压力随着时间增加也同时增加，直至到最大膨胀力后稳定下来，本实施例等到膨胀剂压力达到岩石抗拉强度的1/3 -1/2时(尚未达到膨胀剂产生的最大膨胀力)，使裂纹槽2和导向孔中垂直槽8的裂纹处于作张开型扩展的准静态的受力状态。然后启动输出压力交变的液压系统，利用压进平板石材I与岩体4之间空隙内的水压力交变，对平板石材产生垂直方向交变作用力，通过交变拉应力效应，使裂纹槽2的裂纹尖端产生与裂纹垂直的交变拉应力；当裂纹槽2的裂纹尖端的准静态拉应力与裂纹垂直的交变拉应力叠加的合成拉应力大于岩石抗拉强度时，裂纹尖端起裂、扩展，裂纹尖端起裂点按相邻最近拉应力大的点传递，于是引起裂纹槽和垂直槽8的裂纹在两者所确定的平面上向前推进，裂纹持续扩展的结果就形成贯通的处置断面。
[0049]实施例4
[0050]如图5所示，实施例4是实施例3的一种特殊情况。当平板石材厚度较小时(小于lm)，实施例3刻槽胀裂法孔内和裂纹槽内的膨胀剂产生的膨胀压力足以使裂纹起裂，并作持续扩展，形成贯通的垂直断面，取消实施例3的交变拉应力孔和输出压力交变的液压系统，其他同实施例3。具体是，当平板石材厚度小于Im时，所述平板石材上还包括设有多个导向孔，导向孔设置在裂纹槽上，间距为4 - 10m，与平板石材两边沿接近的两导向孔距离平板石材边沿0.8 - 2m ;导向孔的深度等于平板石材的厚度，或者比比平板石材的厚度大
0.1 - 0.2m ;用修路的切缝机在多个导向孔的连线上切割一条深度为0.15 - 0.3m的贯通裂纹槽；在导向孔的孔壁两侧用刻槽器切割与裂纹槽连接的垂直槽；不同导向孔内的垂直槽在同一个垂直平面上，垂直槽的宽度为1- 8mm ;深度为0.2 - 3cm ；
[0051]在导向孔和裂纹槽中填充膨胀剂，到膨胀剂压力达到岩石抗拉强度的1/3 - 1/2时，使裂纹槽和导向孔中垂直槽的裂纹处于作张开型扩展的准静态的受力状态；膨胀剂压力继续增大，当裂纹槽的裂纹尖端的准静态拉应力大于岩石抗拉强度时，裂纹尖端起裂、扩展，裂纹尖端起裂点按相邻最近拉应力大的点传递，于是引起裂纹槽和垂直槽的裂纹在两者所确定的平面上向前推进，裂纹持续扩展的结果就形成贯通的处置断面；所述膨胀剂选用膨胀水泥。
[0052]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，均包含于本发明包护范围内。