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刻槽爆破的由来、突破和运用

北京瑞祥人造石厂以下是瑞祥整理于罗祖春先生发表于《石材》杂志上的同名文章:

    编者按:本文系统地介绍了刻槽爆破技术的历史及研发过程,结合实际提出了作者的改进方法、关键技术要点。作者如果没有对刻槽爆破技术的长期倾心关注、研究和 实践,是根本写不出此文的。因此,它也是一篇近年来不可多见的有实际意义的论文。希望关心我国石材工业的同仁静心一读。中国石材工业现在已站到了新的起点 上,过去艰苦的努力已使中国石材工业由“小”变“大”了,今后如何做“强”,已成为全行业工作的重点。愿在新的一年里,有更多、更好的论文、产品、企业、 书藉、人物出现,让我们从一点一滴做起,把我国石材工业做成又“大”又“强”。

    石材矿山是整个石材工业发展的基础,而选用哪一种最经济的方法能开采出无裂隙、无内伤并且具有理想规格的石材荒料,迄今仍是人们比较感兴趣的话题。随着生 产发展的需要,必然对科学技术的进步产生极大推动作用,因此,国内外各种各样的采矿方法应运而生。其中刻( 切) 槽爆破开采法,笔者又称之为“应力集中控制爆破开采法”早已令人耳熟能详,孰真孰假,莫衷一是。有关刻槽爆破的由来、突破和运用,笔者愿作阐述以飨读者。
   
    早 在1868 年,当时工业生产最发达的大英帝国着手在伦敦修建人类历史上第一个城市地铁。基于采取大开挖的方式施工必然会付出沉重的社会成本,因此,只有选择地下掘进 方式。由于当时技术条件的限制,不能与现今的技术水平同日而语,所以掘进速度不尽人意。修建过程中,诞生了一家名为Foster 的专业隧道掘进公司。大约在1900 年左右远隔大西洋的美国也兴起了修建地铁的热潮,不久Foster 公司也参入其中。对隧道掘进稍有了解的人都知道,如碰到坚硬岩石需钻凿密集的周边孔及底孔,借以形成初步的隧道轮廓线,将因爆破造成的超挖损失控制在最低 限度。毫无疑问密集孔间距太窄会增加凿岩成本耗费时间。为了减少钻孔,增大孔距,加快掘进速度,1905年Foster 公司第一次提出在岩孔中刻槽的设想,不知何故却没具体实施。这种设想沉寂多年以后,有学者Langefors 和Kihlstrom 在1963 年著文表示切槽能被用于开始的裂缝并控制裂隙平面扩展。直到1975 年美国波士顿(Boston) 修建城市地铁时刻槽技术的应用才首次实施。以美国马里兰大学机械工程系(Mechanical Engineering Dept University of Maryland) 系主任著名的机械权威W. L. Fourney 教授领衔的研究小组成立,另外两位成员是机械专家D. B. Barker 和爆破专家D. C. Houoway。主攻刻槽爆破, 并命名为Fracture Control Blasting( 断裂控制爆破) 。在美国国家科学基金的资助下,断裂控制爆破约在1975 年开始在马里兰大学研究(Fracture Control Blasting Was developed at the University of Maryland beginning about 1975 under funding by National Scienu Foundation) 。首先做了大量的实验室研究工作,随后又投身到波士顿地铁施工现场, 并得到运输部(The Department of Transportation) 提供的资金。但试验非常不顺利,先用冲击式钻机钻孔,然后再刻槽。刻槽后,刻槽刀头在孔中卡住,退出花费了大量的时间,确实耽搁了施工队的工作,并引起现场工人的不满,认为这是严重地拖后腿( serious drawback) 。刻槽工具的设计和制作是由宾夕法尼亚州的Kennametal 公司完成。不久他们又移师科多拉多州的油母页岩矿山,进行两种基础实验, (1 ) 刻槽孔效果实验; (2 ) 用断裂控制预裂法破碎小规格的块石。孔径17. 5" (43. 2mm) , 孔深5'(1. 52m) ,孔间距2' (0. 61m) 共6 个刻槽孔,用快凝水泥堵塞。所用炸药为季戊四醇四硝酸酯炸药。用这种工艺参数做了两个试验, 其圆孔间距为18"(0. 48m) 。发现刻槽孔控制断裂方向比圆孔的效果好一些,但这种方法还不能在实际中投入应用。他们还提到用水射流在岩孔中刻槽方法的有日本和美国密苏里大学,而在瑞典进行的某些研究是使用线性装药爆破工艺对炮孔开槽。

    经历多次探索后,马里兰大学的三位学者最后指出:在这个国家断裂控制爆破工艺的最大限制是缺乏合适的开槽工具,不论是本质上的爆破工艺或水射流。在马里兰大学当前地铁工作中不足之处是要造出典型机械工具,这种工具需要消除退刀所遇到的问题(The biggest deterrent to the use of fracturte control blasting technigues in this contry has beenthe lack of suitable borehole notching tools, whether mechanical
explosive or water - jet based in nature. Current work in underway at the Uniuersity of Mariland to develop a prototype mechanical tool which would eliminate the need for a separate notching operation) 。
   

    20 世纪80 年代中期,D. C. Holloway 与另外两位瑞典学者G. Bjarnholt 及W. H. Wilso 一道展开光面控制断裂技术的现场试验。他们获得了瑞典爆破研究基金会( SveDeFo) 的资金援助,并有世界著名的矿山机械制造企业Atlas 公司鼎力相助。为了避免给矿山带来不快,他们最初的试验是1984 年冬季在瑞典斯德哥尔摩市郊采石场进行的。采石场是由一个大型国际建筑公司Skanska 所经营,岩体是含有片麻岩夹层和角闪石杂质的花岗岩。该岩石非常坚硬,平均水平节理间距为1. 8m,平均垂直节理间距约为2. 2m,为了形成5m 高,25m 长的台阶大约爆去了2000m3 的岩石。在该台阶上进行了5 排炮孔的爆破试验,每排炮孔的试验条件均不相同,台阶长度允许在每排炮孔上进行机械刻槽、水射流和线性聚能药卷(LSC) 三种不同的试验,每种试验最少安排四个炮孔。钻孔直径为Ф89mm,机械刻槽深度为12mm,孔间距为1. 8m。所使用的刻槽工具在5m 深的孔内刻槽时,其偏转角度为45º,即产生了螺旋槽。他们还指出在刻槽工具从孔底拔出时,有时退不出,严重时会使合金刀头从工具上脱落。在1987 年发表的这篇文章中,他们的最后结论是机械刻槽这种方法应用到实际生产中之前尚需对刻槽机具进行改进。并且还特别指出用于该试验的钻孔刻槽合一的钻具样品 已制造出来,但由于钻孔设备的限制和岩石硬度较高,这个钻具未能试验成功。因为刻槽工具总是不过关,爆破断裂的机理研究无法深入,这三位学者无奈之下作出 了刻槽孔间距仅比圆孔间距可增加30% ~ 40%的结论。至此国外有关岩石孔内机械刻槽研究就基本停止了。
 
    笔者于1984 年开始接触石材,当看到留有密集排孔石材荒料时,顿时感到该办法忒笨,必须用新的科学技术来取代。由于笔者有实际工作的经历,因而认为在岩孔内刻槽,再用 爆破方式分裂才是最理想的办法,其效果一定好。当时压根儿不知道国外早就有刻槽爆破的研究。经过一年多的酝酿,1985 年底开始在本单位游说并组织人员。经过几番周折,1986 年终于从湖北省科委争取到少许的科研经费,并在共四人的课题组中任组长。笔者自恃学过爆破、熟悉机械、又能动手、有过发明,遂信心十足,希冀2 ~ 3 年内攻下“应力集中控制爆破开采石材”的课题。殊不知主观想象和客观实际之间横亘着难以逾越的障碍。面对资金之匮乏;设施之简陋;难关之众多;研究之艰 辛;压力之巨大;征程之漫长竞浑然不虞。还不到一年半,课题组仅剩一人。试验过程中,光是卡刀的折磨就让人痛苦不已。1998 年初出差途中,从梦中得到灵感,退刀难题迎刃而解,现场试用效果极佳。客观地说石材切割爆破是各种爆破作业中难度最高的,它不能对石材造成丝豪的内伤,而 其它的爆破作业方式则是以破碎为目的。因此,最大的困难还在后面。

    1988 年5 月读到了马里兰大学“Fracture Control Blasting”一文,年底与三位学者联系,不久收到共同研究的邀请。由于种种原因最终没能成行。在与Fourney 通信交流中,笔者坚持认为钻孔刻槽同时完成是一种美好的愿望,但实际是很难实现的。Fourney则称赞笔者有献身( devote) 精神,同时也心存疑虑地指出:你似乎( Seem) 解决了刀具不坏的难题。刀具不坏,难度之大由此可见一斑。然而1989 年初笔者在某花岗石矿点技术转让中,一对刻槽刀使用了一个星期,累计进尺早已超过60m,的确没坏。因为硬质合金的特殊形状是无数次模索研磨出来的,长度还不如烟蒂,磨去的硬质合金粉屑以kg 计,指头受伤是经常的事,光是砂轮就磨去了12 个。

    笔者从未考虑过将凿岩机作任何改造。凿岩机转动过程中必然产生扭力。应该想其它办法解决,不要轻易在凿岩机上动脑筋。彻底消除扭力是1992 年完成的。国内某岩土所的研究人员在20 世纪80 年代中期选用了小锯片的岩孔内切削方式,且不说锯片如何去应对硬岩,单是软岩中的螺旋现象就让他们头疼不已。
  
    国外矿山机械化自动化程度高,将孔钻直很容易,而对国内手持式凿岩机来说却是件难事。刻槽杆本身是钢做的。不能变形。让刀头随孔弯来弯去,槽刀岂有不坏之理?钻直孔需要另想办法( 见《石材》1999 年3 期“ 岩石孔内刻槽的技术难点与应用优势” ) 。另外,刻槽刀头不能直接用于刻槽,还要发明有划线定位作用的引槽刀,同时要求使用过程中必须快捷方便,否则操作工人有意见。

    一般来说孔径愈大刻槽工具就愈好设计,但小到诸如Ф28 的孔径时,困难可就大了。刻槽工具的外型尺寸必须做得比孔径小,与粗螺栓差不多,刻槽刀体上必须要留足槽刀既可活动又能传递动力的空间和面积,中间的通气孔位置绝对不可少。何其难也! 于是又挖空心思绞尽脑汗,终于解决了。于是放大胆推出了“大理石开采之我见”一文( 见《石材》2001 年11期) 。至此,这个不可能通过室内试验来完成的岩石孔内刻槽的百年设想终于变成了现实。目前从Ф42 ~Ф28 孔的一系列刻槽工具设计早已完成,与Ф38 孔配套的刻槽工具生产环节业已走上了正轨,并得到了广泛应用。

    国内外从事刻槽爆破的同行都忽略了槽孔的应力集中点处,受力状况与天然的节理和裂隙之间是有本质区别的,其尖端点是人为造成的,从该处断开是需要一定的时 间才能撕裂的,那怕是极其短暂。然而国外所使用的炸药,特别是以诺贝尔故乡瑞典的研究者为代表,在爆破作业中都是追求炸药的高速爆破。他们的观点往往左右 着整个爆破界。而且凿岩中所使用的硬质合金也以瑞典生产的为最好。试想一下,炸药由于速度快,先行反应,而岩石槽口开裂滞后,爆轰气体停留的时间很短哪还 有剩余的力量迫使断裂继续向前扩展。因此,国外的同行贸然得出岩石槽孔间距仅比圆孔间距扩大30% ~ 40%的错误结论是在所难免的。而在国内对槽孔有过兴趣的文字中就从不涉及岩石槽孔的爆破话题。


    以 上所说槽孔的尖端点是人为造成的,开裂需要时间,把传统的爆破理念套用在这儿不合适,必须要有新理念。因爆轰波和爆轰气体传播速度太快,故只能采用传播速 度很慢的爆燃方式,并且其速度应与岩石的断裂速度相适应,这样石材才不致有内伤。明白了这个道理,目前广泛使用的导爆索爆裂管诸类的物品之所以对花岗石、 砂岩、大理石分别造成5cm、10cm 和30cm 以上深度的损伤其产生的原因就迎刃而解了。

    爆燃的起爆方式是用点火头而绝对不能用雷管。笔者原先的点火头非常土陋,难出国门。经历长期的摸索,一种简单、方便、安全、实用的点火头终于发明出来了,10 年的辛劳总算没有白费。


    除 了发明刻槽工具异常艰辛之外,最困难的当属石材三面整体切割,如能解决意义重大。那样就可少用甚至不用绳锯、火焰切割机以及密集排孔等方法了。而有关这方 面的探讨国内外是一片空白。这个看不见摸不着的开裂机理着实令人困惑。平常两个面的爆破都留根底,何况三个面。笔者在1989 年的一次国际学术会议上宣讲了关于石材开采的论文,并建立了在1、2、3 个自由面状况下的开采数学模型。室内试验1986 年就做过,现场工作没做。“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”。然而现场可提供做三面整体切割的试验机会是极其难得的。三面切割机理不弄清,刻槽爆破就是 不完整的。笔者虽累年苦索,感悟费至; 内忧外患, 心如铅沉。历经16 年, 厚积待发;猛烈触动,茅塞顿开。在某大理石矿点实施三面切割取得了理想的效果。此时刻槽爆破的所有难关都已突破。

    刻槽爆破运用于石材开采中时,槽孔必须堵塞密实,否则达不到应有的效果。国外用快疑水泥堵塞固然是好,但国内许多地方都不具备这种条件,而带沾性的泥土是 最广泛的堵塞材料。研究初期笔者将泥土一杯一杯放入孔中,塞紧夯实,结果往往引起现场工人的不满,认为太慢。以后改成预制泥条,堵塞速度自然就快了。将市 面上中小型肉类挤压机一类的机械稍作改进便可挤泥条,手摇电动均可。


    笔者接触的文献记载中,国外刻槽爆破拟运用范围主要是隧道掘进,高速公路施工以及矿山的最终边坡稳定等。在进口的大理石荒料上笔者也见到过断面上有刻槽后的 尘孔,仔细观察,槽口很钝,还有螺旋现象,孔间距10cm 左右,可见还未完全掌握刻槽爆破技术。笔者在分解石料时多数仅采用一个槽孔便能获得非常理想的平直断面。如果预分解石料的断面宽与高尺寸差异很大时,对砂 岩、大理石进行分解则采用两个槽孔。国内很多人都满足于采用人工凿石窝或钻小口径浅孔的劈裂方法分解花岗石,其劈裂方向线往往都事先无法控制,全靠撞大 运。

    笔者1992 年曾主持过“应力集中控制爆破坝基岩”的课题研究,其主要目的是为三峡大坝工程开挖作技术准备,也可为其它水利工程和矿山边坡稳定服务。其核心内容包括重 力式大口径岩孔内刻槽工具和插板装药法。大口径岩孔深度一般都在数十米甚至百米以上。钢性杆刻槽用于超深孔是不适用的,必须选用柔性杆,即钢丝绳。而插板 装药法可保证爆轰波的绝大部分能量直接施加槽口中,使岩石仅沿槽口方向裂开,并且还起到保护边坡的作用。插板的发明早在应对板岩开采时就有了。这项研究课 题的技术难度却比石材的刻槽爆破简单得多。

    有读者曾询问笔者:刻槽爆破与密集排孔、金刚石串珠锯、火焰切割机等相比,成本究竟能降低多少。这个问题可真不好回答。成本能大幅度降低是显而易见的,关键是工效提高了,原来一个矿山的产量有可能变成两倍甚至更多。

    笔者认为任何事物都有其自身固有的特点,刻槽爆破就是抓住了岩石抗压与抗拉强度之间悬殊差异的特点,使岩石处于受拉状态,达到分离的目的,取得事半功倍的 效果。因为抓住了主要矛盾大方向就不会错,所以省工、省时、低投入高产出是其必然的结果,相信今后人们会逐步理解这一点的。
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