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摘要：岩石破碎就是通过各种外载和物化作用，使岩体脱离母体变成岩块的过程。它广泛存在于地质勘探、矿山开采、石材加工、隧道掘进、市政建设,以及港口码头、电站、桥涵施工和国防建设等领域之中。
随着工业和社会经济活动的不断发展，岩石破碎工作量日益增多，并与许多重要科学领域紧密相连。本文从岩石破碎的现状进行开始，首先对岩石破碎的概念和理论阐述，然后简要的结合工程事例，对深部岩石区别于浅部岩石的特殊环境下所具有的特性进行分析。最后介绍了几种现代深部破岩方法，并对这些方法比较分析总结出其优缺点。
关键词：矿山，深部岩石，破碎，水介质破岩
中图分类号：C93文献标识码： A
1引言
随着工业技术的进步，直接破碎岩石的磨料、钻具形式及与之相适应的钻探设备都在不断改进。除此之外，绳索取心工艺、反循环连续取样工艺、多孔底定向钻进技术、钻探和掘进生产过后层的自动化与最优化、高分子聚合物材料护壁堵漏技术、新奥法掘进工艺体系等等方面的技术创新，都在多年的岩土钻探实践中经受了考验，并产生了明显的经济效益。目前，岩石破碎学已经广泛的应用于：矿产资源勘探和部分矿产的开采，水文地质勘探和水井钻，工程地质勘查和生态环境研究，地质灾害的防止与环境治理，工民建和道路桥梁的基础工程等的科学研究。本文的主要对工程中的岩石破碎问题进行了分析研究。
岩石破碎所涉及的主要内容和任务，大致可以归纳为以下几个方面：
（1）破碎岩石的功能转化；
（2）破碎效果的规律性；
（3）各种破碎方法的外载荷特点；
（4）岩石的破碎判据；
（5）破碎指标的测定；
（6）岩石按坚固性分级；
（7）确定破碎工艺的合理工作参数；
（8）岩石的研磨性；
（9）寻求新的破碎方法。
2岩石破碎现状
2.1 岩石破碎理论
在岩石破碎理论研究中，除了从岩石承载能力进行研究外，还有从岩石受力与破碎响应角度进行研究的，发展出静压侵入破岩、切削破岩、动载冲击破岩、冲击切削联合破岩和动静组合加载破岩等理论。
（1）冲击破岩。包括金属及非金属矿山用凿岩机、潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机钻孔以及用碎石机破碎大块或岩体等。前者属于冲击钻孔，主要破岩工具是刃片或柱齿形硬质合金钻头。后者属于利用冲击破碎器破碎大块矿岩或人工构（建）筑物等。
（2）切削破岩。包括煤炭、石油、建材及建筑等行业的用麻花钻头、刮刀钻头、金刚石钻头或人造金刚石聚晶复合片钻头（PDC）和螺旋钻具配合煤电钻及各种旋转钻机钻井，以及用截煤机、掘进机和圆盘锯机等切削破碎煤岩。
（3）冲击一切削破岩。包括地质、采油、采矿、采石等部门的用牙轮钻机钻井和全断面井巷钻机掘进，主要破岩工具是各种滑移型牙轮钻头和钻（掘）进机刀头。这种方法是破碎坚硬矿岩的有效方法。
（4）动静联合加载破岩。从加载形式上分析，现已开发的破岩机具不外乎有利用机具自重或通过加载装置施以轴向压力和冲击载荷的装置。
2.2 岩石破碎工程的现状与进展
破岩技术从传统的机械冲击、常规爆破法发展到现在的超声波法、水射流法、水电效应法、等离子体法、电子束法、激光法、热熔法（电能、核能）、高频法、微波法及化学破碎法等在内的20余种方法。在这些破岩方法中，目前占主导地位的仍是爆破法和机械破岩法。这两类方法比例占90%以上。
随着现代科技的不断融入，许多新型破岩方法也进人应用阶段。水射流破岩方法在国内外研究者的普遍关注下得到飞速发展，虽然仍不能单独用于大规模破岩作业，但其与机械刀具辅助使用取得了良好的应用效果。另外，近年来提出的岩石诱导破碎方法，这一方法一改传统破岩完全依赖外界输入功的特点，通过在岩石（体）中合理布置人工诱导工程，使岩石（体）在少用炸药甚至不用炸药的情况下达到大规模破碎。
3深部岩石的性质
在深部高温高压条件下岩石的破坏往往伴随有较大的明显的永久变形，随着开采深度的增加，岩体的力学特性、破坏机理也随之发生了改变，即由浅部的脆性或者断裂韧度控制的破坏改变为深部开采条件下由侧向应力控制的断裂生长破坏。
3.1高应力、高温、高渗透水压埋藏环境
深部岩石所处的特殊环境，有如下特性高地应力、高地温、高岩溶水压——即深部岩石的“三高”环境。由于“三高”环境，岩石性质将随应力、温度等因素的改变而改变。随着钻井深度的增加，地层压实程度更高，岩石可钻性越来越低，研磨性越来越强。
3.2力学特性的复杂性
深部资源开采所面临的核心科学问题是深部岩体长期处于“三高”环境下，由于采掘扰动所表现出的特殊力学行为，与浅部岩石力学行为和特征有很大区别，深部岩体力学性质的特殊性主要表现为以下几个方面：
（1）深部岩体应力场的复杂性；
（2） 深部岩体变形机理的脆-延转化特性；
（3） 深部岩体的大变形和强流变性。
3.3扰动响应的突发性
深部岩石受扰动下并不像浅部岩石一样按一定的规律渐进演化，而往往是一个突发的、无前兆的突变过程，同时伴随着强烈的能量释放。扰动响应的突发性表现在以下两个方面：
（1） 深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性；
（2） 深部岩体动力响应的突变性。
4深部破岩方法分析
近年来对岩石破碎的研究工作也得到了很大的发展，研究方法也趋于成熟，目前所采用的大致有下述，这些各有所长，实际上也往往相互配合、交替使用。
4.1 破岩方法分类
一般地，破岩方法可以按下图1分类。此外，还可将破岩方法分为接触式破岩和非接触式破岩。本次论文主要介绍了几种现代破岩方法——等离子体破岩、超高压射流与磨料射流破岩、水射流辅助机械破岩、激光辅助水射流破岩以及它们的特点。
图1 岩石破碎方法分类图
4.2 常见深部破岩方法
4.2.1等离子体破岩
等离子体破岩设备包括电源、控制器、水路系统、气路系统及喷嘴等，如图2所示。
图2 等离子体破岩设备示意图
等离子体在破岩中最重要的用途是切割，因为只有岩石切割才能使传统的循环作业方式发生根本的改变，同时亦只有岩石切割才能使破岩的比能降到最小，此外，利用等离子破岩法进行全断面隧道掘进是一个颇具吸引力的远景方案。
4.2.2 超高压射流与磨料射流破岩
水介质破岩的众多优势掀起了国内外各类射流研究的热潮，并不断提高射流破岩效率，提高射流压力和磨料射流是两个发展前景较好的方面。（图3）。
图3水射流冲击破岩示意图
磨料射流技术是在克服纯水射流切割仅适用于软质材料及超高压成本问题而发展起来的另一个分支，磨料水射流利用硬质磨料与柔性水滴结合，刚柔相济，侵蚀、冲击被切割件，达到切凿、破碎的效果。
4.2.3 水射流辅助机械破岩
水射流技术的兴起，使水射流与机械破岩方法的结合成为可能。在不断研制和改进各类PDC钻头的同时，充分利用水射流技术的发展成果，使破岩方法在继承中得到发展，实验与工程应用都表明这种结合是有效的，并表明水射流辅助机械破岩，刀具寿命可提高2~3倍，可减少粉尘量80%以上，同时对于减少火花和降低刀头温度十分有利。
4.2.4 激光辅助水射流破岩
激光是60年代迅速发展起来的一项新兴技术，在工业、国防等领域日益得到应用。破岩过程中，激光脉冲可在数ms时间里使几μm厚的岩层汽化，产生的膨胀气体掺和水射流液滴冲击岩面，产生瞬时高压，通过控制激光脉冲的交变频率，则可实现每秒达上千次的拉压交变载荷，使岩石强度大幅下降，大大增强水射流破岩效率。
4.3 破岩方法比较分析
在上述方法中，超高压射流与磨料射流破岩、水射流辅助机械破岩以及激光辅助水射流破岩都是以水介质为主导的破岩技术。鉴于深部岩石特点，综合分析岩石破碎的各类方法，不难发现水介质破岩方法在深井环境中有着独特的优势：
固有的高压水头——在千米深井工作面，自然水头压力可达数十兆帕，充分利用这种水力能量，再借助适当的增压设备，则可实现足以破岩的水压。
天然的降温剂——通过工作面水介质的循环，可带走高温原岩所释放出来的大量热量，对降低工作面温度有着积极的作用。
柔性撞击、减小扰动——用水介质破岩如水射流方法破岩，岩石在液滴的冲蚀作用下产生裂纹，出现颗粒剥离。同时水体的楔入胀裂更进一步促进了微裂纹的萌生、扩展，加速了破岩效率。
但是，对不同的水介质破岩方法都有其自身的局限性，如超高压技术大大提高了破岩效率，然而它对系统设备的承压能力的要求也相应提高，如何低成本地获得耐高压系统材料是关键。
5总结
随着现代科学技术的发展，破岩理论、方法和机械等都在发生着日新月异的变化。近年来我国基础建设投人力度很大，各类交通、水利、矿业等行业遍地兴起，其中涉及大量的岩石钻凿和破碎問题。实验技术的不断发展又使岩石破碎新理论、新思想、新方法可以通过实验得以改进和实现。
破岩方法上，新的破岩方法与技术不断涌现，新方法与传统方法并行应用，不断提高破岩效率。
破碎机械，正在向大型化、大产量、高效、节能、降耗、大破碎比、自动控制方向发展。破碎机械的自动化控制不仅增加生产能力，降低能耗，保证产品粒度，而且减少操作人员，改善了工人的工作环境。
参考文献
[1]汤凤林,段隆臣,А. Г.加里宁.岩心钻探学[M].武汉:中国地质大学出版社,2009.10.
[2]马保松.PDC钻头的新发展及应用[J].世界地质,1996,15(4):94-98.
[3]鄢泰宁主编.岩土钻掘工程学[M].武汉:中国地质大学出版社,2001.1.
[4]吴立,张时忠,林峰.现代破岩方法综述[J].探矿工程,2000,(2): 49-51.
随着工业和社会经济活动的不断发展，岩石破碎工作量日益增多，并与许多重要科学领域紧密相连。本文从岩石破碎的现状进行开始，首先对岩石破碎的概念和理论阐述，然后简要的结合工程事例，对深部岩石区别于浅部岩石的特殊环境下所具有的特性进行分析。最后介绍了几种现代深部破岩方法，并对这些方法比较分析总结出其优缺点。
关键词：矿山，深部岩石，破碎，水介质破岩
中图分类号：C93文献标识码： A
1引言
随着工业技术的进步，直接破碎岩石的磨料、钻具形式及与之相适应的钻探设备都在不断改进。除此之外，绳索取心工艺、反循环连续取样工艺、多孔底定向钻进技术、钻探和掘进生产过后层的自动化与最优化、高分子聚合物材料护壁堵漏技术、新奥法掘进工艺体系等等方面的技术创新，都在多年的岩土钻探实践中经受了考验，并产生了明显的经济效益。目前，岩石破碎学已经广泛的应用于：矿产资源勘探和部分矿产的开采，水文地质勘探和水井钻，工程地质勘查和生态环境研究，地质灾害的防止与环境治理，工民建和道路桥梁的基础工程等的科学研究。本文的主要对工程中的岩石破碎问题进行了分析研究。
岩石破碎所涉及的主要内容和任务，大致可以归纳为以下几个方面：
（1）破碎岩石的功能转化；
（2）破碎效果的规律性；
（3）各种破碎方法的外载荷特点；
（4）岩石的破碎判据；
（5）破碎指标的测定；
（6）岩石按坚固性分级；
（7）确定破碎工艺的合理工作参数；
（8）岩石的研磨性；
（9）寻求新的破碎方法。
2岩石破碎现状
2.1 岩石破碎理论
在岩石破碎理论研究中，除了从岩石承载能力进行研究外，还有从岩石受力与破碎响应角度进行研究的，发展出静压侵入破岩、切削破岩、动载冲击破岩、冲击切削联合破岩和动静组合加载破岩等理论。
（1）冲击破岩。包括金属及非金属矿山用凿岩机、潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机钻孔以及用碎石机破碎大块或岩体等。前者属于冲击钻孔，主要破岩工具是刃片或柱齿形硬质合金钻头。后者属于利用冲击破碎器破碎大块矿岩或人工构（建）筑物等。
（2）切削破岩。包括煤炭、石油、建材及建筑等行业的用麻花钻头、刮刀钻头、金刚石钻头或人造金刚石聚晶复合片钻头（PDC）和螺旋钻具配合煤电钻及各种旋转钻机钻井，以及用截煤机、掘进机和圆盘锯机等切削破碎煤岩。
（3）冲击一切削破岩。包括地质、采油、采矿、采石等部门的用牙轮钻机钻井和全断面井巷钻机掘进，主要破岩工具是各种滑移型牙轮钻头和钻（掘）进机刀头。这种方法是破碎坚硬矿岩的有效方法。
（4）动静联合加载破岩。从加载形式上分析，现已开发的破岩机具不外乎有利用机具自重或通过加载装置施以轴向压力和冲击载荷的装置。
2.2 岩石破碎工程的现状与进展
破岩技术从传统的机械冲击、常规爆破法发展到现在的超声波法、水射流法、水电效应法、等离子体法、电子束法、激光法、热熔法（电能、核能）、高频法、微波法及化学破碎法等在内的20余种方法。在这些破岩方法中，目前占主导地位的仍是爆破法和机械破岩法。这两类方法比例占90%以上。
随着现代科技的不断融入，许多新型破岩方法也进人应用阶段。水射流破岩方法在国内外研究者的普遍关注下得到飞速发展，虽然仍不能单独用于大规模破岩作业，但其与机械刀具辅助使用取得了良好的应用效果。另外，近年来提出的岩石诱导破碎方法，这一方法一改传统破岩完全依赖外界输入功的特点，通过在岩石（体）中合理布置人工诱导工程，使岩石（体）在少用炸药甚至不用炸药的情况下达到大规模破碎。
3深部岩石的性质
在深部高温高压条件下岩石的破坏往往伴随有较大的明显的永久变形，随着开采深度的增加，岩体的力学特性、破坏机理也随之发生了改变，即由浅部的脆性或者断裂韧度控制的破坏改变为深部开采条件下由侧向应力控制的断裂生长破坏。
3.1高应力、高温、高渗透水压埋藏环境
深部岩石所处的特殊环境，有如下特性高地应力、高地温、高岩溶水压——即深部岩石的“三高”环境。由于“三高”环境，岩石性质将随应力、温度等因素的改变而改变。随着钻井深度的增加，地层压实程度更高，岩石可钻性越来越低，研磨性越来越强。
3.2力学特性的复杂性
深部资源开采所面临的核心科学问题是深部岩体长期处于“三高”环境下，由于采掘扰动所表现出的特殊力学行为，与浅部岩石力学行为和特征有很大区别，深部岩体力学性质的特殊性主要表现为以下几个方面：
（1）深部岩体应力场的复杂性；
（2） 深部岩体变形机理的脆-延转化特性；
（3） 深部岩体的大变形和强流变性。
3.3扰动响应的突发性
深部岩石受扰动下并不像浅部岩石一样按一定的规律渐进演化，而往往是一个突发的、无前兆的突变过程，同时伴随着强烈的能量释放。扰动响应的突发性表现在以下两个方面：
（1） 深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性；
（2） 深部岩体动力响应的突变性。
4深部破岩方法分析
近年来对岩石破碎的研究工作也得到了很大的发展，研究方法也趋于成熟，目前所采用的大致有下述，这些各有所长，实际上也往往相互配合、交替使用。
4.1 破岩方法分类
一般地，破岩方法可以按下图1分类。此外，还可将破岩方法分为接触式破岩和非接触式破岩。本次论文主要介绍了几种现代破岩方法——等离子体破岩、超高压射流与磨料射流破岩、水射流辅助机械破岩、激光辅助水射流破岩以及它们的特点。
图1 岩石破碎方法分类图
4.2 常见深部破岩方法
4.2.1等离子体破岩
等离子体破岩设备包括电源、控制器、水路系统、气路系统及喷嘴等，如图2所示。
图2 等离子体破岩设备示意图
等离子体在破岩中最重要的用途是切割，因为只有岩石切割才能使传统的循环作业方式发生根本的改变，同时亦只有岩石切割才能使破岩的比能降到最小，此外，利用等离子破岩法进行全断面隧道掘进是一个颇具吸引力的远景方案。
4.2.2 超高压射流与磨料射流破岩
水介质破岩的众多优势掀起了国内外各类射流研究的热潮，并不断提高射流破岩效率，提高射流压力和磨料射流是两个发展前景较好的方面。（图3）。
图3水射流冲击破岩示意图
磨料射流技术是在克服纯水射流切割仅适用于软质材料及超高压成本问题而发展起来的另一个分支，磨料水射流利用硬质磨料与柔性水滴结合，刚柔相济，侵蚀、冲击被切割件，达到切凿、破碎的效果。
4.2.3 水射流辅助机械破岩
水射流技术的兴起，使水射流与机械破岩方法的结合成为可能。在不断研制和改进各类PDC钻头的同时，充分利用水射流技术的发展成果，使破岩方法在继承中得到发展，实验与工程应用都表明这种结合是有效的，并表明水射流辅助机械破岩，刀具寿命可提高2~3倍，可减少粉尘量80%以上，同时对于减少火花和降低刀头温度十分有利。
4.2.4 激光辅助水射流破岩
激光是60年代迅速发展起来的一项新兴技术，在工业、国防等领域日益得到应用。破岩过程中，激光脉冲可在数ms时间里使几μm厚的岩层汽化，产生的膨胀气体掺和水射流液滴冲击岩面，产生瞬时高压，通过控制激光脉冲的交变频率，则可实现每秒达上千次的拉压交变载荷，使岩石强度大幅下降，大大增强水射流破岩效率。
4.3 破岩方法比较分析
在上述方法中，超高压射流与磨料射流破岩、水射流辅助机械破岩以及激光辅助水射流破岩都是以水介质为主导的破岩技术。鉴于深部岩石特点，综合分析岩石破碎的各类方法，不难发现水介质破岩方法在深井环境中有着独特的优势：
固有的高压水头——在千米深井工作面，自然水头压力可达数十兆帕，充分利用这种水力能量，再借助适当的增压设备，则可实现足以破岩的水压。
天然的降温剂——通过工作面水介质的循环，可带走高温原岩所释放出来的大量热量，对降低工作面温度有着积极的作用。
柔性撞击、减小扰动——用水介质破岩如水射流方法破岩，岩石在液滴的冲蚀作用下产生裂纹，出现颗粒剥离。同时水体的楔入胀裂更进一步促进了微裂纹的萌生、扩展，加速了破岩效率。
但是，对不同的水介质破岩方法都有其自身的局限性，如超高压技术大大提高了破岩效率，然而它对系统设备的承压能力的要求也相应提高，如何低成本地获得耐高压系统材料是关键。
5总结
随着现代科学技术的发展，破岩理论、方法和机械等都在发生着日新月异的变化。近年来我国基础建设投人力度很大，各类交通、水利、矿业等行业遍地兴起，其中涉及大量的岩石钻凿和破碎問题。实验技术的不断发展又使岩石破碎新理论、新思想、新方法可以通过实验得以改进和实现。
破岩方法上，新的破岩方法与技术不断涌现，新方法与传统方法并行应用，不断提高破岩效率。
破碎机械，正在向大型化、大产量、高效、节能、降耗、大破碎比、自动控制方向发展。破碎机械的自动化控制不仅增加生产能力，降低能耗，保证产品粒度，而且减少操作人员，改善了工人的工作环境。
参考文献
[1]汤凤林,段隆臣,А. Г.加里宁.岩心钻探学[M].武汉:中国地质大学出版社,2009.10.
[2]马保松.PDC钻头的新发展及应用[J].世界地质,1996,15(4):94-98.
[3]鄢泰宁主编.岩土钻掘工程学[M].武汉:中国地质大学出版社,2001.1.
[4]吴立,张时忠,林峰.现代破岩方法综述[J].探矿工程,2000,(2): 49-51.