西安石材批發(fā)就選鑫功
石材礦山是整個石材工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，而選用哪一種最經(jīng)濟(jì)的方法能開采出無裂隙、無內(nèi)傷并且具有理想規(guī)格的石材荒料，迄今仍是人們比較感興趣的話題。隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要，必然對科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生極大推動作用，因此，國內(nèi)外各種各樣的采礦方法應(yīng)運(yùn)而生。其中刻(切)槽爆破開采法，筆者又稱之為“應(yīng)力集中控制爆破開采法”早已令人耳熟能詳，孰真孰假，莫衷一是。有關(guān)刻槽爆破的由來、突破和運(yùn)用，筆者愿作闡述以饗讀者。
早在1868年，當(dāng)時工業(yè)生產(chǎn)最發(fā)達(dá)的大英帝國著手在倫敦修建人類歷史上第一個城市地鐵。基于采取大開挖的方式施工必然會付出沉重的社會成本，因此，只有選擇地下掘進(jìn)方式。由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，不能與現(xiàn)今的技術(shù)水平同日而語，所以掘進(jìn)速度不盡人意。修建過程中，誕生了一家名為Foster的專業(yè)隧道掘進(jìn)公司。大約在1900年左右遠(yuǎn)隔大西洋的美國也興起了修建地鐵的熱潮，不久Foster公司也參入其中。對隧道掘進(jìn)稍有了解的人都知道，如碰到堅(jiān)硬巖石需鉆鑿密集的周邊孔及底孔，借以形成初步的隧道輪廓線，將因爆破造成的超挖損失控制在最低限度。毫無疑問密集孔間距太窄會增加鑿巖成本耗費(fèi)時間。為了減少鉆孔，增大孔距，加快掘進(jìn)速度，1905年Foster公司第一次提出在巖孔中刻槽的設(shè)想，不知何故卻沒具體實(shí)施。這種設(shè)想沉寂多年以后，有學(xué)者Langefors和Kihlstrom在1963年著文表示切槽能被用于開始的裂縫并控制裂隙平面擴(kuò)展。直到1975年美國波士頓(Boston)修建城市地鐵時刻槽技術(shù)的應(yīng)用才首次實(shí)施。以美國馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程系Mechanical Engineering Dept University of Maryland)系主任著名的機(jī)械權(quán)威W. L. Fourney教授領(lǐng)銜的研究小組成立，另外兩位成員是機(jī)械專家D. B. Barker和爆破專家D. C. Houoway。主攻刻槽爆破，并命名為Fracture Control Blasting(斷裂控制爆破)。在美國國家科學(xué)基金的資助下，斷裂控制爆破約在1975年開始在馬里蘭大學(xué)研究(Fracture Control Blasting Was developed at the University of Maryland beginning about 1975 under funding by National Scienu Foundation)。首先做了大量的實(shí)驗(yàn)室研究工作，隨后又投身到波士頓地鐵施工現(xiàn)場，并得到運(yùn)輸部(The Department of Transportation)提供的資金。但試驗(yàn)非常不順利，先用沖擊式鉆機(jī)鉆孔，然后再刻槽?？滩酆?，刻槽刀頭在孔中卡住，退出花費(fèi)了大量的時間，確實(shí)耽擱了施工隊(duì)的工作，并引起現(xiàn)場工人的不滿，認(rèn)為這是嚴(yán)重地拖后腿( serious drawback)。刻槽工具的設(shè)計(jì)和制作是由賓夕法尼亞州的Kennametal公司完成。不久他們又移師科多拉多州的油母頁巖礦山，進(jìn)行兩種基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，(1 )刻槽孔效果實(shí)驗(yàn); (2 )用斷裂控制預(yù)裂法破碎小規(guī)格的塊石?？讖?7. 5" (43. 2mm)，孔深5'(1. 52m)，孔間距2' (0. 61m)共6個刻槽孔，用快凝水泥堵塞。所用炸 藥為季戊四醇四硝酸酯炸 藥。用這種工藝參數(shù)做了兩個試驗(yàn)，其圓孔間距為18"(0. 48m)。發(fā)現(xiàn)刻槽孔控制斷裂方向比圓孔的效果好一些，但這種方法還不能在實(shí)際中投入應(yīng)用。他們還提到用水射流在巖孔中刻槽方法的有日本和美國密蘇里大學(xué)，而在瑞典進(jìn)行的某些研究是使用線性裝藥爆破工藝對炮孔開槽。
經(jīng)歷多次探索后，馬里蘭大學(xué)的三位學(xué)者最后指出：在這個國家斷裂控制爆破工藝的最大限制是缺乏合適的開槽工具，不論是本質(zhì)上的爆破工藝或水射流。在馬里蘭大學(xué)當(dāng)前地鐵工作中不足之處是要造出典型機(jī)械工具，這種工具需要消除退刀所遇到的問題。[page]
20世紀(jì)80年代中期，D. C. Holloway與另外兩位瑞典學(xué)者G. Bjarnholt及W. H. Wilso一道展開光面控制斷裂技術(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)。他們獲得了瑞典爆破研究基金會( SveDeFo)的資金援助，并有世界著名的礦山機(jī)械制造企業(yè)Atlas公司鼎力相助。為了避免給礦山帶來不快，他們最初的試驗(yàn)是1984年冬季在瑞典斯德哥爾摩市郊采石場進(jìn)行的。采石場是由一個大型國際建筑公司Skanska所經(jīng)營，巖體是含有片麻巖夾層和角閃石雜質(zhì)的花崗巖。該巖石非常堅(jiān)硬，平均水平節(jié)理間距為1. 8m，平均垂直節(jié)理間距約為2. 2m，為了形成5m高，25m長的臺階大約爆去了2000m3的巖石。在該臺階上進(jìn)行了5排炮孔的爆破試驗(yàn)，每排炮孔的試驗(yàn)條件均不相同，臺階長度允許在每排炮孔上進(jìn)行機(jī)械刻槽、水射流和線性聚能藥卷(LSC)三種不同的試驗(yàn)，每種試驗(yàn)最少安排四個炮孔。鉆孔直徑為Ф89mm，機(jī)械刻槽深度為12mm，孔間距為1. 8m。所使用的刻槽工具在5m深的孔內(nèi)刻槽時，其偏轉(zhuǎn)角度為45o，即產(chǎn)生了螺旋槽。他們還指出在刻槽工具從孔底拔出時，有時退不出，嚴(yán)重時會使合金刀頭從工具上脫落。在1987年發(fā)表的這篇文章中，他們的最后結(jié)論是機(jī)械刻槽這種方法應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中之前尚需對刻槽機(jī)具進(jìn)行改進(jìn)。并且還特別指出用于該試驗(yàn)的鉆孔刻槽合一的鉆具樣品已制造出來，但由于鉆孔設(shè)備的限制和巖石硬度較高，這個鉆具未能試驗(yàn)成功。因?yàn)榭滩酃ぞ呖偸遣贿^關(guān)，爆破斷裂的機(jī)理研究無法深入，這三位學(xué)者無奈之下作出了刻槽孔間距僅比圓孔間距可增加30%～40%的結(jié)論。至此國外有關(guān)巖石孔內(nèi)機(jī)械刻槽研究就基本停止了。
筆者于1984年開始接觸石材，當(dāng)看到留有密集排孔石材荒料時，頓時感到該辦法忒笨，必須用新的科學(xué)技術(shù)來取代。由于筆者有實(shí)際工作的經(jīng)歷，因而認(rèn)為在巖孔內(nèi)刻槽，再用爆破方式分裂才是最理想的辦法，其效果一定好。當(dāng)時壓根兒不知道國外早就有刻槽爆破的研究。經(jīng)過一年多的醞釀，1985年底開始在本單位游說并組織人員。經(jīng)過幾番周折，1986年終于從湖北省科委爭取到少許的科研經(jīng)費(fèi)，并在共四人的課題組中任組長。筆者自恃學(xué)過爆破、熟悉機(jī)械、又能動手、有過發(fā)明，遂信心十足，希冀2～3年內(nèi)攻下“應(yīng)力集中控制爆破開采石材”的課題。殊不知主觀想象和客觀實(shí)際之間橫亙著難以逾越的障礙。面對資金之匱乏;設(shè)施之簡陋;難關(guān)之眾多;研究之艱辛;壓力之巨大;征程之漫長競渾然不虞。還不到一年半，課題組僅剩一人。試驗(yàn)過程中，光是卡刀的折磨就讓人痛苦不已。1998年初出差途中，從夢中得到靈感，退刀難題迎刃而解，現(xiàn)場試用效果極佳?？陀^地說石材切割爆破是各種爆破作業(yè)中難度最高的，它不能對石材造成絲豪的內(nèi)傷，而其它的爆破作業(yè)方式則是以破碎為目的。因此，最大的困難還在后面。
1988年5月讀到了馬里蘭大學(xué)“Fracture Control Blasting”一文，年底與三位學(xué)者聯(lián)系，不久收到共同研究的邀請。由于種種原因最終沒能成行。在與Fourney通信交流中，筆者堅(jiān)持認(rèn)為鉆孔刻槽同時完成是一種美好的愿望，但實(shí)際是很難實(shí)現(xiàn)的。Fourney則稱贊筆者有獻(xiàn)身( devote)精神，同時也心存疑慮地指出：你似乎( Seem)解決了刀具不壞的難題。刀具不壞，難度之大由此可見一斑。然而1989年初筆者在某花崗石礦點(diǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓中，一對刻槽刀使用了一個星期，累計(jì)進(jìn)尺早已超過60m，的確沒壞。因?yàn)橛操|(zhì)合金的特殊形狀是無數(shù)次模索研磨出來的，長度還不如煙蒂，磨去的硬質(zhì)合金粉屑以kg計(jì)，指頭受傷是經(jīng)常的事，光是砂輪就磨去了12個。
筆者從未考慮過將鑿巖機(jī)作任何改造。鑿巖機(jī)轉(zhuǎn)動過程中必然產(chǎn)生扭力。應(yīng)該想其它辦法解決，不要輕易在鑿巖機(jī)上動腦筋。徹底消除扭力是1992年完成的。國內(nèi)某巖土所的研究人員在20世紀(jì)80年代中期選用了小鋸片的巖孔內(nèi)切削方式，且不說鋸片如何去應(yīng)對硬巖，單是軟巖中的螺旋現(xiàn)象就讓他們頭疼不已。[page]
國外礦山機(jī)械化自動化程度高，將孔鉆直很容易，而對國內(nèi)手持式鑿巖機(jī)來說卻是件難事?？滩蹢U本身是鋼做的。不能變形。讓刀頭隨孔彎來彎去，槽刀豈有不壞之理?鉆直孔需要另想辦法(見《石材》1999年3期“巖石孔內(nèi)刻槽的技術(shù)難點(diǎn)與應(yīng)用優(yōu)勢”)。另外，刻槽刀頭不能直接用于刻槽，還要發(fā)明有劃線定位作用的引槽刀，同時要求使用過程中必須快捷方便，否則操作工人有意見。
一般來說孔徑愈大刻槽工具就愈好設(shè)計(jì)，但小到諸如Ф28的孔徑時，困難可就大了?？滩酃ぞ叩耐庑统叽绫仨氉龅帽瓤讖叫?，與粗螺栓差不多，刻槽刀體上必須要留足槽刀既可活動又能傳遞動力的空間和面積，中間的通氣孔位置絕對不可少。何其難也!于是又挖空心思絞盡腦汗，終于解決了。于是放大膽推出了“大理石開采之我見”一文(見《石材》2001年11期)。至此，這個不可能通過室內(nèi)試驗(yàn)來完成的巖石孔內(nèi)刻槽的百年設(shè)想終于變成了現(xiàn)實(shí)。目前從Ф42～Ф28孔的一系列刻槽工具設(shè)計(jì)早已完成，與Ф38孔配套的刻槽工具生產(chǎn)環(huán)節(jié)業(yè)已走上了正軌，并得到了廣泛應(yīng)用。
國內(nèi)外從事刻槽爆破的同行都忽略了槽孔的應(yīng)力集中點(diǎn)處，受力狀況與天然的節(jié)理和裂隙之間是有本質(zhì)區(qū)別的，其尖端點(diǎn)是人為造成的，從該處斷開是需要一定的時間才能撕裂的，那怕是極其短暫。然而國外所使用的炸 藥，特別是以諾貝爾故鄉(xiāng)瑞典的研究者為代表，在爆破作業(yè)中都是追求炸 藥的高速爆破。他們的觀點(diǎn)往往左右著整個爆破界。而且鑿巖中所使用的硬質(zhì)合金也以瑞典生產(chǎn)的為最好。試想一下，炸 藥由于速度快，先行反應(yīng)，而巖石槽口開裂滯后，爆轟氣體停留的時間很短哪還有剩余的力量迫使斷裂繼續(xù)向前擴(kuò)展。因此，國外的同行貿(mào)然得出巖石槽孔間距僅比圓孔間距擴(kuò)大30%～40%的錯誤結(jié)論是在所難免的。而在國內(nèi)對槽孔有過興趣的文字中就從不涉及巖石槽孔的爆破話題。
以上所說槽孔的尖端點(diǎn)是人為造成的，開裂需要時間，把傳統(tǒng)的爆破理念套用在這兒不合適，必須要有新理念。因爆轟波和爆轟氣體傳播速度太快，故只能采用傳播速度很慢的爆燃方式，并且其速度應(yīng)與巖石的斷裂速度相適應(yīng)，這樣石材才不致有內(nèi)傷。明白了這個道理，目前廣泛使用的導(dǎo) 爆 索爆裂管諸類的物品之所以對花崗石、砂巖、大理石分別造成5cm、10cm和30cm以上深度的損傷其產(chǎn)生的原因就迎刃而解了。
爆燃的起爆方式是用點(diǎn)火頭而絕對不能用雷 管。筆者原先的點(diǎn)火頭非常土陋，難出國門。經(jīng)歷長期的摸索，一種簡單、方便、安全、實(shí)用的點(diǎn)火頭終于發(fā)明出來了，10年的辛勞總算沒有白費(fèi)。[page]
除了發(fā)明刻槽工具異常艱辛之外，最困難的當(dāng)屬石材三面整體切割，如能解決意義重大。那樣就可少用甚至不用繩鋸、火焰切割機(jī)以及密集排孔等方法了。而有關(guān)這方面的探討國內(nèi)外是一片空白。這個看不見摸不著的開裂機(jī)理著實(shí)令人困惑。平常兩個面的爆破都留根底，何況三個面。筆者在1989年的一次國際學(xué)術(shù)會議上宣講了關(guān)于石材開采的論文，并建立了在1、2、3個自由面狀況下的開采數(shù)學(xué)模型。室內(nèi)試驗(yàn)1986年就做過，現(xiàn)場工作沒做。“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。然而現(xiàn)場可提供做三面整體切割的試驗(yàn)機(jī)會是極其難得的。三面切割機(jī)理不弄清，刻槽爆破就是不完整的。筆者雖累年苦索，感悟費(fèi)至;內(nèi)憂外患，心如鉛沉。歷經(jīng)16年，厚積待發(fā);猛烈觸動，茅塞頓開。在某大理石礦點(diǎn)實(shí)施三面切割取得了理想的效果。此時刻槽爆破的所有難關(guān)都已突破。
刻槽爆破運(yùn)用于石材開采中時，槽孔必須堵塞密實(shí)，否則達(dá)不到應(yīng)有的效果。國外用快疑水泥堵塞固然是好，但國內(nèi)許多地方都不具備這種條件，而帶沾性的泥土是最廣泛的堵塞材料。研究初期筆者將泥土一杯一杯放入孔中，塞緊夯實(shí)，結(jié)果往往引起現(xiàn)場工人的不滿，認(rèn)為太慢。以后改成預(yù)制泥條，堵塞速度自然就快了。將市面上中小型肉類擠壓機(jī)一類的機(jī)械稍作改進(jìn)便可擠泥條，手搖電動均可。
筆者接觸的文獻(xiàn)記載中，國外刻槽爆破擬運(yùn)用范圍主要是隧道掘進(jìn)，高速公路施工以及礦山的最終邊坡穩(wěn)定等。在進(jìn)口的大理石荒料上筆者也見到過斷面上有刻槽后的塵孔，仔細(xì)觀察，槽口很鈍，還有螺旋現(xiàn)象，孔間距10cm左右，可見還未完全掌握刻槽爆破技術(shù)。筆者在分解石料時多數(shù)僅采用一個槽孔便能獲得非常理想的平直斷面。如果預(yù)分解石料的斷面寬與高尺寸差異很大時，對砂巖、大理石進(jìn)行分解則采用兩個槽孔。國內(nèi)很多人都滿足于采用人工鑿石窩或鉆小口徑淺孔的劈裂方法分解花崗石，其劈裂方向線往往都事先無法控制，全靠撞大運(yùn)。
筆者1992年曾主持過“應(yīng)力集中控制爆破壩基巖”的課題研究，其主要目的是為三峽大壩工程開挖作技術(shù)準(zhǔn)備，也可為其它水利工程和礦山邊坡穩(wěn)定服務(wù)。其核心內(nèi)容包括重力式大口徑巖孔內(nèi)刻槽工具和插板裝藥法。大口徑巖孔深度一般都在數(shù)十米甚至百米以上。鋼性桿刻槽用于超深孔是不適用的，必須選用柔性桿，即鋼絲繩。而插板裝藥法可保證爆轟波的絕大部分能量直接施加槽口中，使巖石僅沿槽口方向裂開，并且還起到保護(hù)邊坡的作用。插板的發(fā)明早在應(yīng)對板巖開采時就有了。這項(xiàng)研究課題的技術(shù)難度卻比石材的刻槽爆破簡單得多。
有讀者曾詢問筆者：刻槽爆破與密集排孔、金剛石串珠鋸、火焰切割機(jī)等相比，成本究竟能降低多少。這個問題可真不好回答。成本能大幅度降低是顯而易見的，關(guān)鍵是工效提高了，原來一個礦山的產(chǎn)量有可能變成兩倍甚至更多。
筆者認(rèn)為任何事物都有其自身固有的特點(diǎn)，刻槽爆破就是抓住了巖石抗壓與抗拉強(qiáng)度之間懸殊差異的特點(diǎn)，使巖石處于受拉狀態(tài)，達(dá)到分離的目的，取得事半功倍的效果。因?yàn)樽プ×酥饕艽蠓较蚓筒粫e，所以省工、省時、低投入高產(chǎn)出是其必然的結(jié)果，相信今后人們會逐步理解這一點(diǎn)的。