一种开采石料的方法和装置.pdf

本发明涉及一种开采石料的方法和装置。可对各种石料、混凝土或煤矿等进行定向裂切。该方法采用薄壁钻机在石料上钻孔，在钻好的孔眼内，放置膨胀头元件(裂石器)，将工作介质源与裂石器的工作介质入口接通，通过工作介质压力扩大膨胀胶管的容积，向膨胀头元件衬套壳体，并通过壳体向孔眼壁传输定向作用力，该定向力均匀有效地作用在膨胀头元件周围的孔壁上，使石料定向开裂。该方法不需要大型机械，仅仅使用手工液压泵就可开采石料，与现有技术的裂石技术相比，大大简化了操作步骤，提高了生产效率，降低了劳动强度，用时少。符合环保要求，无噪音、无尘、安全、易操作、易养护，能耗低，节省能源。

1.  一种开采石料的方法，包括如下步骤：采用薄壁钻机在石料上钻孔，在钻好的孔眼内，放置膨胀头元件，将工作介质源与膨胀头元件的膨胀头元件的工作介质入口接通，对工作介质施加压力扩大膨胀头元件内膨胀胶管的容积，借助膨胀胶管的变形向衬套滑块和衬套壳体传输定向作用力，该定向力均匀有效地作用在放置膨胀头元件的孔眼的孔壁上，使石料定向开裂，所说的膨胀头元件是柱形体，其长径比是4-25：1。

2.  根据权利要求1的方法，其特征在于所说的膨胀头元件的长径比是4-8：1。

3.  根据权利要求1的方法，其特征在于膨胀头元件并联和/或串联使用。

4.  根据权利要求1的方法，其特征在于所使用的薄壁钻机的钻头直径在Φ20-Φ100范围进行选择。

5.  一种用于开采石料的膨胀头元件，该元件是柱形体，包括衬套壳体(19)，其通过内侧的衬套滑块(18)的位移，在套头盖(9)的异型法兰凹槽中径向移动；在该元件的中心设置膨胀胶管(20)，胶管(20)的内部填充工作介质并施压使胶管膨胀变形，通过胶管的膨胀变形对胶管周围的衬套滑块(18)施加扩张力，最终通过衬套壳体(19)对放置膨胀头元件的石料施加定向力使石料开裂，其特征在于所说的膨胀头元件的长径比是4-25：1。

6.  根据权利要求5所述的膨胀头元件，其特征在于所述膨胀头元件的长径比是4-8：1。

7.  根据权利要求5所述的膨胀头元件，其特征在于所述套头盖(9)是一异型法兰，其内圆的边缘倒角，该倒角的尺寸是R＝1mm-2.5mm。

一种开采石料的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种开采石料的方法和装置，尤其是用于开采天然石料的无爆破采石方法以及该方法所使用的膨胀头元件，俗称裂石器。
背景技术
传统的开采大理石、花岗岩石料以及煤矿巷道的无震掘进等方法主要采用以下几种方式：
(1)使用风镐，潜孔钻或凿岩机在石料上打出需要的孔洞。在钻好的孔口部装上钢楔子，然后用锤子敲击。这种开采方法工人劳动强度大，生产效率低，有时需借助火药爆破同时作业，而且力只作用在孔口部，成材率低。
(2)使用液压劈裂机开采。其破岩原理与人工楔一样，首先将液压劈裂机的楔头部分插入岩石的孔口上，然后开动油泵，驱动液压劈裂机上的液压缸来给楔头施力，这种破岩方法存在着以下问题，楔头作用在岩石上的力只在孔口部，成材率低，而且该设备价格贵，使用寿命短。
(3)使用静力破碎剂开采，将配有水的静力破碎剂灌入预先钻好的岩石孔中，并用水泥或炮泥把孔封住。水与破碎剂发生反应产生膨胀力，该膨胀力把岩石胀裂。这种方法破岩的缺点是：使用费高，作用时间长，装破碎剂过程慢，且时有破碎剂喷出伤人的事故发生，破碎剂的保管条件也比较严格。
(4)利用高压水破岩：采用高压水泵、回转接头、回转电机和封孔装置等，封孔装置装在岩石孔口部，封住注入岩孔中的高压水，从而使高压水压力不断升高，利用与岩石孔直接接触的高压水使岩石破碎。
上述方法的不足是：设备造价昂贵，能耗大，噪音、灰尘等污染严重，而且设备不易搬动，无法在多山多石的自然环境或野外环境下使用。所说的打孔方式也存在诸多问题。如采用人工把持风镐钻孔，虽然费用低。操作简单，但所钻孔直径较小，耗时长且所钻的孔眼垂直度和同心圆度精度差；如采用机械化的潜孔钻(Φ80-Φ100)和凿岩机(Φ30-Φ60)钻孔，虽然速度快、精度高，但设备一次性采购成本是风镐的十几倍，移动不便，需要辅助设备较多，且钻孔尺寸范围较窄。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于，针对现有技术的不足，提供一种定向开采石料的方法和装置，该方法可对各种石料，混凝土材料或煤矿进行定向裂切。首先采用薄壁钻机在石料上钻孔，与薄壁钻机配套的钻头直径可从Φ20-Φ100进行多种选择，能够满足膨胀头元件(裂石器)对不同孔径的需求。另外，薄壁钻机本身重量轻，功率低，价格便宜，操作简单，钻孔精度高，速度快，适宜与膨胀头元件(裂石器)配套使用。将预先组装好的膨胀头元件(裂石器)放置在钻好的孔眼内，将工作介质源与膨胀头元件的工作介质入口接通。通过工作介质的压力扩大膨胀胶管的容积，向膨胀头元件衬套壳体，并通过壳体向孔眼壁传输定向作用力，该定向力均匀有效地作用在膨胀头元件周围孔壁上，使石料定向开裂。当石料中形成裂纹时，工作介质的压力减至零，此时受预加应力弹簧作用的膨胀头元件的所有可移动部分，以及与支撑嵌入物和壳体接合元件连接的弹性膨胀胶管均回复到初始状态。
上述膨胀头元件(裂石器)可在孔眼内向周围产生巨大的定向作用力，能有效地对周围坚硬物体造成定向开裂。
附图说明
图1是膨胀头元件(裂石器)现场使用示意图；
图2是膨胀头元件的外观示意图；
图3是膨胀头元件内膨胀胶管的工作示意图；
图4是膨胀头元件的结构示意图；
图5是图4中套头盖的局部示意图。
下面结合附图对本发明进行具体描述。
图1是膨胀头元件(裂石器)现场使用示意图。在石材103已钻好的孔眼内放置膨胀头元件102，采用手动液压泵101通过高压橡胶管104对膨胀头元件102传输能量。在手动液压泵101和高压胶管104之间设置能量分配器105，通过膨胀头释放定向力均匀有效地作用在石料孔眼的孔壁上，在开裂面106使石料定向开裂。
图2是膨胀头元件102的外观示意图，膨胀头壳体使用钢材制造，两个半环状的壳体201所起的作用是将内部的压力能量传递出来并改变力的方向。能量的积累和传递是由手动液压泵输送液体介质202通过高压橡胶管104流动转移到膨胀头元件的膨胀胶管20内。液体介质的压力扩大弹性室容积，借助膨胀胶管20的变形(参见图3)，向裂石器壳体的接合元件和支撑嵌入物传输定向作用力使石料定向开裂。
图4是膨胀头元件102结构示意图。预先组装好的膨胀头元件(裂石器)通过曲线型控制装置16和调节螺丝17对元件的给定行程进行调节，此后将工作介质入口12与工作介质源，即手动液压泵101，接通，将该膨胀头元件放置在预先准备好的孔眼内。通过外接头5提供的工作介质，即液体介质202使膨胀胶管20扩张，膨胀胶管20的扩张力直接作用在衬套壳体19和衬套滑块18上，最终透过衬套壳体19对外传输定向力。受工作介质影响而扩大的膨胀胶管20依靠与弹性密封件10侧壁相互间的锐角作用来保障密封垫片和环形腔的平基座紧密贴合，保障丝堵7接头锥形端内管状弹性室端头的可靠固定。在工作周期中膨胀头元件的衬套壳体19接合元件靠支撑衬套滑块18端头中的凸出物来保障其无偏斜的均匀位移，它在工作周期中将沿套头盖的异型法兰上的沟槽径向往复移动。曲线型控制装置16用于控制膨胀胶管20内壁的扩张位移，引起朝向膨胀头元件中心部分的预加应力推杆的移动。当曲线型控制装置16达到预先给定的位移量时，位于工作介质限位器内的球形体15受弹簧14作用发生位移覆盖工作介质入口12，阻止工作介质进入膨胀胶管20的内腔。在工作周期中放入孔眼中的膨胀头元件使受力体被定向力作用而形成裂纹时，工作介质的压力减至零，此时受预加应力弹簧片作用的膨胀头元件的所有可移动部分，以及衬套壳体19接合元件连接的膨胀胶管20的弹力均回复到初始状态。膨胀头元件的附加调节可用调节工具进行。为此要打开接头以便释放工作介质，将调节工具对准曲线型控制装置16尾孔中调节螺丝17进行调节，调整结果要达到：在衬套壳体19中将衬套滑块18移动到需要的距离，即膨胀头元件设计的最大扩张裂缝距离。膨胀头元件在衬套壳体19对外结合部产生巨大的扩张作用力，可有效地使膨胀头元件所在孔眼周围坚硬物体造成定向的开裂。
膨胀头元件102的长径比，即，长度与直径或长度与横截面最大尺寸之比为4-25：1，优选4-8：1。
图4中各部件的名称如下：提手1，上封盖2，定位锁紧螺丝3，顶丝4，外接头5，铜垫圈6，丝堵7，套头帽8，套头盖9，弹性密封件10，挂钩弹簧11，工作介质入口12，工作介质出口13，弹簧14，球形体15，曲装置线型控制16，调节螺丝17，衬套滑块18，衬套壳体19，膨胀胶管20，尾帽21，密封螺丝22，下封盖。
图5是图4中套头盖的局部示意图，该套头盖9是一异型法兰，其内圆的边缘倒角，从而降低了对膨胀胶管20的剪切力，可以延长胶管的使用寿命。该倒角的尺寸是R＝1mm-2.5mm。
采用本发明的定向开采石料方法和装置与现有技术的裂石技术相比，大大简化了操作步骤，提高了生产效率，降低了劳动强度，符合环保要求，无噪音、无尘、安全、易操作、易养护，能耗低，节省能源。