静态爆破方案

1.1.1 静态破碎剂的组分与种类

静态破碎剂，是以生石灰（CaO）为主体(占 64～81%)和多种无机化合物（SO3Fe2O3MgO，SiO2，Al2O3）及某些特殊有机化合物所组成，在1200~1500℃高温中煅烧，冷却研磨后即为成品，在使用中可根据情况加入外加剂，调节其反应速度。其密度为 1.69g/cm3、熔点为 2572℃。遇水会发生剧烈的化学反应，放出大量的热其基本的化学反应式如下：

CaOH2OCa(OH)264.9KJmol1

从上式中可以看出，这是一个放热反应。

CaO 和水混合后，立即发生两类物质的转移过程。一是水分子进入CaO粒子内部，并与之发生水化反应；二是水化反应产物向原来充水空间转移。如果前者与后者相适应，即水化速度和水化产物的转移速度相等时，“CaO-水”系统的体积不会发生膨胀。但是，由于 CaO 的结构特性内比表面积大，其水化速度很快水化速度大于水化产物的转移速度。这时，由于 CaO 粒子周围的反应产物还没有转移走，而里面的反应物又大量的产生了，这些新的反应物将冲破原来的反应层，使粒子产生机械跳跃，因而发生体积膨胀，产生膨胀压力，将约束介质破坏在没有约束条件下，氧化钙将散裂成粉末。

静态破裂剂膨胀压力的产生是由于其反应后体积增大所引起的。CaO 和水反应时，生成Ca(OH)2的固相体积在一定的条件下要比 CaO 的固体相体积约增大 97.92%。固相体积增大，固相体积和空隙体积增量之和超过“CaO -水”系统的空间，从而引起CaO体积的增大，膨胀压力增大，但从其标准状况反应物的摩尔体积和生成物的摩尔体积进行比较可以看出，并不是在所有的情况下都会产生体积膨胀。下列反应式给出了反应物、生成物的摩尔体积和比重等数据。

CaOH2OCa(OH)264.9KJmol1

摩尔体积（cm3） 16.764 18.069 33.056 比 重（g/cm3） 3.2~3.4 1.0 1.1~1.3

从上面所列数据来看，生成物的摩尔体积为 33.056 cm3，而反应物的摩尔体积为：

16.764+18.069=34.833 cm3，反应之后体积应该变小，而不是增大。这好像与实际情况相矛盾。其实这是由于摩尔体积为分子最紧密堆积时的体积，而在静态破裂剂中实际应用的是其表观体积，也就是说在一般情况下，静态破裂剂

中生石灰的水化反应生成物很难达到分子状态的最紧密堆积，因为在缺水状态下，生成的氢氧化钙比表面积非常大，不是最紧密堆积状态，因此，就表现出体积膨胀。相反，在大量水存在时，如在水溶液中，氧化钙与水反应生成氢氧化钙，其体积变小，而不产生膨胀压力。

一般在干燥状态下，是用容重来衡量氧化钙和氢氧化钙，而不是用比重来衡量。生石灰是由碳酸钙锻烧而成，由于 CO2的逸出，产生了许多微孔，氧化钙保持了碳酸钙的多空隙的特点，其容重略大于1，与其 3.2～3.4 的比重相差甚远。氢氧化钙在干粉状态下，容重也很小，仅为1左右。这样生石灰的水化反应中（缺水状态）就表现出体积增大的现象。 1.1.2 反应规律

静态破碎剂加水后，充填到混凝土或岩石的凿孔中，最初生成胶状质的Ca(OH)2，随着时间的延长，逐渐形成不定型的各向异性的Ca(OH)2结晶状粒子，体积约膨胀两倍，在膨胀过程中产生膨胀压力并逐渐增大，通常达29.4MPa。而岩石的抗拉强度一般仅为5~10MPa，混凝土的抗压强度为2~6MPa。当混凝土压力超过所破碎块体抗拉石灰和水反应是温度最高可达到240℃左右。

图1-1 SCA的膨胀模型

从晶体化学的观点来看，静态破碎剂的膨胀主要在于固体体积的增大以及孔隙体积的增大。从物质的转移来看，石灰加水搅拌后，立即发生两类物质的转移过程：一是水分子进入石灰粒子内部，并与之发生水化反应，生成水化产物；二是水化反应物向原来充水空间转移。如果水化速度大于水化产物的转移速度时，由于石灰粒子周围的反应产物还没有转移，这些新的反应产物势必冲破原来的反应层。使粒子产生机械跳跃，从而产生动态膨胀。从力学观点看，混凝土或岩石一类的脆性材料，拉压比仅为 1/10～1/15，在混凝土或岩石钻孔中受约束的条件下，破碎剂粒子将对孔壁产生径向和切向反应，这一过程可用

弹性力学中的厚壁圆筒理论来解释。当拉应力所产生的变形超过被破碎体的拉断变形量时，物体便产生裂缝从而被破坏。

1.2 静态破碎剂破岩的过程分析

静态破碎剂使用时产生的膨胀压作用下混凝土或岩石的破坏或劈裂过程分为三个阶段。

第一阶段：静态破碎剂在钻孔中的膨胀压由0增加到P是，被破碎物体中产生径向压应力σr和切应力σθ应力值达到极限值时产生破裂和开裂。开始时拉应力σθ所产生微裂（或微小的塑性变形），把这一区域称为损伤区（破坏发生区），而这一阶段称为微裂阶段。这一阶段的应力开始时是线性的，但是最后一阶段是非线性的。

第二阶段：随时间增长的SCA膨胀压逐步增加，因而增加膨胀压并以这一损伤区作为介质向孔外传播膨胀压。这一阶段称为断裂阶段。

第三阶段：膨胀压传递到自由面附近是，靠近自由面的裂纹首先扩展到达自由面，使混凝土劈裂。这一阶段称为断裂阶段。

1.3 静态破碎方式与其它破碎方式的比较

静态破碎法与其它破碎方式的比较见表2-1：

表1-1 静态破碎法与其它方法比较

项目 破碎方法 破碎力 优 良 差 劣 良 破碎时状况 噪音 劣 差 差 优 优 震动 粉尘气体 飞石 劣 差 良 优 优 劣 劣 良 优 优 劣 差 优 优 优 安全性 劣 差 良 优 优 保护设备的简化性 劣 劣 优 优 优 经济性 优 差 差 劣 良 炸药 混凝土破碎器 大型液压破碎机 液压破碎机 静态破碎剂

静态破碎法对不同强度岩石的破碎参数见表1-2

表1-2 不同硬度岩石的孔眼参数

岩石强度 软岩石 中硬岩石 硬岩石 岩石抗压强度 ＜66 66~120 ＞120 岩石抗拉强度/MPa 3.6~6.6 6.6~10 10~13.6 孔眼直径/mm 40 40 40 钻眼间距/mm 650 550 460 破碎所需的膨胀压力/MPa 9.4~16.8 15.8~26.2 23.6~29.9 2.试验 2.1 试验设置

2.1.1 静态破碎剂的拌合和充填

由于岩石或混凝土等脆性材料的抗拉强度大约在2~10MPa之间，大大小于其抗压强度，所以破碎剂膨胀剂膨胀产生的拉应力只要超过这个数值，就可以治炮孔周围产生龟裂，从而使其破碎。

使用破碎剂的方法如同使用普通炸药时的方法一样，也是用履带式钻机和气腿式凿岩机对岩石或混凝土等钻孔，并充填破碎剂。这时的钻孔的直径、间距以及排列、深度均根据破碎现场的情况或破碎后的处理内容等分别进行适当的调整。但是，在孔径30~60mm、钻孔间距不超过800mm的情况下进行破碎是适当的。

拌合前核对破碎剂的适当温度与被破碎体的实际温度是否适应，如被破碎体的实际温度过高，采用浇冷水等方式进行降温或早晚温度较低时进行或用冷却水拌合破碎剂，以避免发生冲孔。

水与破碎剂的重量比为：28~35%，先将称量好的水倒入桶中，在把粉状破碎剂倒入桶中，搅拌，使药液混合均匀。拌合好的破碎剂浆体，要在10分钟内使用，在装填的同时应继续搅拌浆体，延迟期开始反应时间，固话时间。 2.1.2 钻孔布置和参数设计

孔距与排距的大小与岩石硬度有直接的关系，硬度越大，孔距与排距越小，反之则大。孔距与排距的大小与岩石破碎效果及施工成本有直接关系，孔距与排距月大，破碎效果越差，成本越低，孔距与排距越小，破碎效果越小，破碎效果越好，但是成本越高，因此要通过现场试验确定适宜的破碎参数。孔距与排距的经验值如表2-1所示。

表2-1 钻孔孔距与排距经验值

岩石硬度 F=4 F=6 400 500 F=8 300 400 F=12 200 300 孔距/mm 500~1000 排距/mm 800 对于静态破碎，临空面（自由面）越多，单位破石头量就越大，经济效益也就越好。由于岩层开挖是只有一个临空面，因此应该尽可能的多创造临空面。对于基岩的破碎，先在中间钻几排密集的水平或倾斜孔，装药破碎后将碎石掏出，形成槽型空间，增加临空面，以方便两侧岩体的破碎；然后再钻周边孔及辅助破碎孔，同排钻孔要布置在同一平面上，装药时全孔长灌注，先装辅助破碎孔，再装周边孔。静态破碎钻孔参数如表2-2所示。

表2-2 钻孔参数

破裂体 软质岩 中硬质岩 石材切割 素混凝土 稀钢筋混凝土 孔径/mm 孔距a/mm 35~55 35~65 30~40 35~50 35~50 25~40 20~30 20~40 20~30 15~25 孔深 1.0H 1.05H 1.0H 0.8H 1.0H 抵抗线/mm 单耗/(kg/m3) 400~600 300~500 1000~2000 300~400 200~300 8~10 10~15 5~15 8~10 15~25 工艺2 基于岩石静态开裂装备破岩工艺

岩石静态开裂装备

岩体爆破方式有两种，一种是利用炸药或高能燃烧剂为介质的剧烈动态爆破，一种是以无声破碎剂为介质的或者使用机械方法的静态爆破。前者会发出剧烈声响，伴随着猛烈的震动，有时会产生飞石，现场作业非常危险，而后者是以无声破碎剂发生水化反应产生膨胀力来开裂岩体的，现场悄无声息，或使用机械设备进行破裂岩石，现场作业无剧烈的震动，虽然噪声较高，但比较安全。

静态破碎剂也存在着很多缺点： （1）材料生产工艺复杂，材料成本高

需要诸多材料进行配比，当中又经过煅烧，添加各种外加剂，如速凝剂、缓凝剂、早强剂等材料，材料的组分和生产工艺质量好坏直接影响破碎剂的膨胀破裂岩石效果。并且静态破碎剂材料的成本较高，目前市场上出售的价格为3500-4500元/吨，零卖5-8元/kg，运输费用另外再算。

（2）现场施工技术复杂，影响因素多，并且有一定危险

破碎剂产生膨胀压力主要是来自材料组分的水化反应产生热膨胀提供的，膨胀压力无法定量，且质量不稳定，施工时容易喷孔，而一旦喷孔，钻孔内的膨胀力明显下降，后劲不足，裂缝宽度小，有时也会因膨胀压力过低而失效，就是无法开裂岩石；同时这种工艺受周围环境影响较大，如水、温度等因素：若钻孔内有水时，直接改变了破碎剂的水灰比，同时影响水化反应效果；而温度对其影响也非常大，温度过低，水化反应变得缓慢，其膨胀压力也大大降低，开裂岩石效果差，时间长，甚至失效；温度高，水化反应快，容易发生喷孔，所以操作较为复杂。

（3）破裂岩石时间长。

通常情况下，因水化反应不能太快，否则会产生大量气体无法排出钻孔而发生喷孔，喷孔后，膨胀压力骤然降低，故需要减缓水化反应，这时需要4h-8h，甚至20h以上的时间才能完全实现开裂岩石。故爆破工期长，效率低下。

3、岩石基础开挖方案实施

3.1采用两种方法同时使用的方式进行岩石基础的开挖。 3.2采用静态破碎剂破裂岩石工艺，开挖参数如下：

表x 岩石开挖参数

破裂体 软质岩 中硬质岩 孔径/mm 孔距a/mm 35~55 35~65 25~40 20~30 孔深 1.0H 1.05H 抵抗线/mm 单耗/(kg/m3) 400~600 300~500 8~10 10~15 注：H为1.5m。

3.3采用静态水压力致裂岩石工艺，需要施工钻孔直径为70，可采用大型钻机施工钻孔，钻孔深度为1.5m，钻孔间距为500mm500mm，具体的参数可通过现场的实验最终确定。

3.4两种破裂岩石工艺均考进行临空自由面施工钻孔再进行开裂，这样可以大大加快施工进度。

3.5开裂的岩石可通过挖掘机将其铲除。如遇到大块岩石，可进行第二次静态开裂。

以上设计参数最终通过现场的实践，不断的改变和优化，最终形成根据岩性来确立的开裂方案。

4、施工过程中注意事项：

4.1、岩石开挖需要足够的临空面。自由临空面可以减少膨胀所需要压力，有效提高静态破碎剂的使用效率和高压泵效率，同样加快开挖速度。

4.2、岩石的开挖需要横向一层一层的进行，由于前排岩石开裂裂缝的宽度并不是足够大，形成对下一层岩石的阻挡，因此在开裂下一层岩石时，会阻碍岩石的开挖。因此开挖逐层进行，及时将开挖好的岩石用铲车铲除。

4.3、施工钻孔应进行保护。先前施工好的钻孔，应及时的填塞孔口，以防止其他杂物掉入孔中，影响后续的工作。

4.4、根据现场情况分多个工作面进行。因为每个工作面在施工时，最好一次开裂一层岩石，然后再进行另一区域的岩石，这样可以进行时空轮换，增加开挖效率。

4.5、使用静态破碎剂进行岩石开挖，防止高温造成喷孔伤人事情的发生。