本研究總結(jié)了在東芬蘭寒冷的冬季進(jìn)行的串珠繩礦山切割測(cè)試的結(jié)果。 研究特別強(qiáng)調(diào)了在霜凍條件下串珠繩切割實(shí)踐的難點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)作為芬蘭地質(zhì)調(diào)查局 (GTK) 管理的項(xiàng)目“天然石材生產(chǎn)的資源效率開發(fā)”的一部分，并由當(dāng)?shù)厥姓帧⑹墓竞蜌W洲區(qū)域發(fā)展基金 (ERDF) 資助。

       串珠繩在冬季的應(yīng)用

       串珠繩的應(yīng)用在芬蘭的市政工程和石材礦山中都很普遍，串珠繩甚至已經(jīng)成為芬蘭黑石開采的主要方法。礦山的技術(shù)設(shè)施是影響其能否有效運(yùn)營和營利的重要因素，這就涉及到在寒冷的冬季延長工期所需的特殊設(shè)備和操作。在北歐國家的北部地區(qū)，冬季在 10 月和 4 月之間，持續(xù)至少五個(gè)月。在低于零攝氏度的條件下面臨的問題是在切割作業(yè)階段意外停止時(shí)被凍住的串珠繩出現(xiàn)卡繩的風(fēng)險(xiǎn)，以及飛輪和導(dǎo)向輪、導(dǎo)軌和繩鋸機(jī)整體結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)。還有礦山以及周圍堆積的冰雪，寒冷的設(shè)施，使得工人不得不十分小心地作業(yè)。

       融化被冰凍的串珠繩的一種有用做法是用熱水。它在垂直切割時(shí)上很有效，但水平切割時(shí)操作起來會(huì)比較困難。下雪還會(huì)導(dǎo)致額外的工作，大雪過后需要數(shù)小時(shí)才能保證礦山、道路和其他作業(yè)區(qū)域的清潔，以確保安全工作并易于使用機(jī)器進(jìn)行操作。

       工作日期間的其他做法是保證冷卻水的供應(yīng)。最簡單的方法是通過來自天然水源的管道進(jìn)行布置，例如通過地下建造的永久管道。

       否則，應(yīng)每天通過水箱將水運(yùn)送到礦山。在每天的常規(guī)檢查中，還應(yīng)防止冷凍后對(duì)供水或其他工程造成任何損壞，例如確保熱水器、供水泵和管道在工作日結(jié)束時(shí)是空的。

       那些冷凍時(shí)容易破裂的設(shè)施應(yīng)該填充防凍液，以保證兩個(gè)小時(shí)以上的持續(xù)工作。此外，應(yīng)對(duì)冬季惡劣的條件，可選擇 24小時(shí)輪班工作。這種兩班倒的模式需要額外的一支礦山工隊(duì)，只有在石材市場(chǎng)需求穩(wěn)定充足的情況下才會(huì)如此選擇。全天候工作時(shí)間的選項(xiàng)應(yīng)在環(huán)境許可證中授予，通常礦山僅適用7-22 點(diǎn)的工作時(shí)間。

       測(cè)試環(huán)境

       本研究總結(jié)了兩次串珠繩切割實(shí)驗(yàn)，分別以測(cè)試地點(diǎn)(Oulainen, Kivilahti)命名。

       “Oulainen 黑”礦山位于芬蘭西部，測(cè)試時(shí)間在 2016 年夏末。冬季的串珠繩測(cè)試則在芬蘭東部的 “Kivilahti黑”礦山進(jìn)行。Kivilahti 之所以被選中進(jìn)行冬季測(cè)試，因?yàn)檫@里的雪通常比 Oulainen 地區(qū)多，而且很可能在初冬時(shí)已經(jīng)很冷了-因?yàn)楫?dāng)高壓系統(tǒng)影響天氣時(shí)，干燥極冷的大陸氣團(tuán)通常從東部延伸到芬蘭。對(duì)于石材礦山作業(yè)，Kivilahti的位置非常理想。它位于瀝青主路旁邊，到最近的石材工廠的運(yùn)輸距離為 50-150 公里。

       礦山概況

       “Kivilahti 黑”所在礦區(qū)是細(xì)粒輝綠巖巖脈。主要礦物是斜長石、角閃石、輝石和鐵-鈦氧化物。晶粒大小均勻，在1-2 毫米。“Oulainen 黑”則是一種細(xì)粒輝長巖（1-2 毫米）。主要礦物是斜長石、輝石、黑云母 (20%)、角閃石和鐵-鈦氧化物。輝長巖廣泛分布在芬蘭中部和南部的片巖帶和侵入巖區(qū)。輝長巖漿的火成活動(dòng)可追溯到大約 1900 年前，是大陸地殼形成的斯韋科芬造山運(yùn)動(dòng)的主要事件。

       冬季串珠繩測(cè)試

       測(cè)試概況

       Kivilahti 黑色輝綠巖礦山從 2010 年開始小批量開采。產(chǎn)地很大，表面積約 12000 平方米，地質(zhì)體積約 600000 立方米（按 50 米高計(jì)算）。 礦區(qū)平臺(tái)的長度為 150 米，寬度為 80 米，高度 5-20 米。 礦區(qū)指向西北/東南方向。串珠繩測(cè)試放置在礦山前部的東北部。礦山墻高達(dá) 8 米。

切割計(jì)劃通過一次水平和垂直切割來完成，切割面分別為 374 平方米和 1600 平方米。 水平線孔長 28 米，平均切割寬度 10 米，高度 6 米。 測(cè)試期后繼續(xù)采石，通過氣袋、水袋等設(shè)備提取荒料。

       天氣

       測(cè)試期在12月中旬，那時(shí)芬蘭北部和東部是季節(jié)性冬季，積雪覆蓋并且溫度幾乎都在零攝氏度以下。測(cè)試時(shí)間的要求之一是冷凍持續(xù)數(shù)周以凍結(jié)至少低于 1-2 米表面水平的巖石。 測(cè)試按計(jì)劃進(jìn)行，整個(gè)測(cè)試期間溫度都保持在零攝氏度以下。

       串珠繩切割實(shí)驗(yàn)

       在 Kivilahti 采石場(chǎng)進(jìn)行的低于零攝氏度的測(cè)試包括 2016 年 12 月中旬的水平和垂直切割。繩鋸機(jī)為華大 55 千瓦機(jī)臺(tái)，由柴油機(jī)組 Iwego 175 千瓦提供動(dòng)力。 測(cè)試總體上是成功的，在水平切割過程中只有一條串珠繩被切斷，由串珠繩上的一塊表面巨石松動(dòng)導(dǎo)致，在切割斷裂的天然基巖表面時(shí)，這并不算異常情況。串珠繩切割是通過供應(yīng)天然冷卻水在低至 -10°C 的溫度下完成的，在更多冷凍條件下，沖洗水被加熱到大約 30°C 的溫度。水泵運(yùn)行時(shí)水管不會(huì)結(jié)冰，但重要的水管或供水點(diǎn)必須用加熱電纜保護(hù)，并且在接頭處最好使用塑料部件而非金屬部件。

       氣溫只有一天較低，凌晨時(shí)分低于 -20°C，白天最高 -18°C，如此低的溫度通常是不適合串珠繩切割的。之前實(shí)現(xiàn)的切割最低溫度低至 -25°C但在那種冷的條件下，只可以通過干切來進(jìn)行修料整形。此次實(shí)驗(yàn)使用的串珠繩是 Tyrolit GSF 5，（硬質(zhì)花崗巖配方）串珠的數(shù)量為每米 40 個(gè)，直徑為11.3毫米。

       供水布置在四個(gè)點(diǎn)上，一個(gè)直接進(jìn)入鉆孔，其他三個(gè)點(diǎn)進(jìn)入串珠繩。淡水由潛水井泵從一條小河中抽取，管道已在地下挖了大約半米。需要時(shí)在 200 升容器中加熱沖洗水。

       當(dāng)溫度遠(yuǎn)低于 -10°C時(shí)，繩鋸機(jī)和其他設(shè)備上結(jié)冰的可能性更大。

       地面上的冰使得行動(dòng)變得困難，工人必須特別小心以確保礦山的安全工作和通行。耗水量為每分鐘 20-30 升，與夏季操作的水量大致相同。

       測(cè)試數(shù)據(jù)分析

       在 Kivilahti 礦山，Tyrolit GSF 5 的切割效率為7.9 (m2/h)，線速度為每秒 30 (m/s)，電流 75-90 A。關(guān)于串珠繩的磨損，串珠繩壽命約為每米 10 平方米 (m2/m)。在水平初切開始時(shí)，線環(huán)的長度為 80 米。在 Oulainen 測(cè)試期間測(cè)量的數(shù)據(jù)則顯示出顯著差異，尤其體現(xiàn)在兩種黑石之間的切割效率。Oulainen的切割速度 20.6 m2/h 比 Kivilahti 7.9 m2/h高出不少 ，當(dāng)然這是由兩種石材的不同特性決定的，Oulainen 210Mpa的抗壓強(qiáng)度比Kvilahti 的293Mpa低40%。Oulainen含有 20% 的黑云母，莫氏硬度為5.7 ，而Kivilahti 則達(dá)到了5.9。Kivilahti 礦山的水平孔是由潛孔鉆作業(yè)的，直徑115mm，總長度為 28 米。鉆孔速度相對(duì)較慢達(dá)到 0.11 米/分鐘。

       討論

       根據(jù)這次實(shí)驗(yàn)，北歐冬季采石時(shí)間和夏季采石時(shí)間相比，切割效率沒有明顯差異，盡管為了應(yīng)對(duì)冰凍和下雪需要額外的時(shí)間進(jìn)行其他工作。

       串珠繩測(cè)試 Kivilahti 和 Oulainen 均顯示平均工作日每小時(shí)計(jì)算的切割面約為 6 平方米。測(cè)試的持續(xù)時(shí)間很短，從長遠(yuǎn)來看，在評(píng)估有效性時(shí)，其他工作的份額可能在冬季切割中會(huì)顯得更重要。

       因此，為冬季作業(yè)制定周密的采石計(jì)劃以及擁有用于冷凍條件的有用且可靠的設(shè)備和技術(shù)非常重要。

       Kivilahti 冬季測(cè)試在 12 月中旬持續(xù)了 9 天。天氣和低于零的溫度條件很好地代表了芬蘭的初冬季節(jié)。

       主要操作是潛孔鉆鉆孔 28 米，串珠繩接入以及水平和垂直切割，總表面 374 平方米。此處還回顧了 Oulainen 礦山持續(xù)六天的夏季測(cè)試，總打孔 93m（四個(gè)單獨(dú)的孔），垂直切割 135 平方米。

       結(jié)論

       冬季串珠繩的最大挑戰(zhàn)是如何克服串珠繩深處被凍結(jié)以及繩鋸機(jī)上結(jié)冰和大雪的威脅。芬蘭的冬天和冰凍期至少會(huì)持續(xù)3-5個(gè)月，而石材市場(chǎng)是沒有長達(dá)五個(gè)月的持續(xù)季節(jié)性休息時(shí)間的。

       因此，至少在 12 月底前，有必要在冬季繼續(xù)生產(chǎn)，（1 月和 2 月的溫度 -20/-30°C 對(duì)作業(yè)來說就太低了）。畢竟，對(duì)于在冬季條件下能否安全工作也很重要，雖然寒冷的天氣不會(huì)讓人骨折，但跌倒在光滑的冰上會(huì)。

       與鉆孔和爆破相比，冬季串珠繩采石面臨著更多的挑戰(zhàn)，但 Kivilahti 礦山上的實(shí)驗(yàn)，證明了金剛石串珠繩能夠戰(zhàn)勝嚴(yán)寒，在所有季節(jié)都能穩(wěn)定切割。

       參考文獻(xiàn)

       http://www.suomalainenkivi.fi/en/finnish-natural-stones.

       Technical test report, n.11C26/10, 13.12.2010, Stone Pole

       Laboratory.

       Test report 28.8.2013, Y1220699. Savonia, University of

       Applied Sciences Finland, civil engineering laboratory.

       Oulainen gabbro; Mesim?ki, P. 1994. Luonnonkivik?sikirja,

       譯自：Geological Survey of Finland, Kuopio office, Finland

       作者：S. Leinonen