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       本研究總結了在東芬蘭寒冷的冬季進行的串珠繩礦山切割測試的結果。 研究特別強調了在霜凍條件下串珠繩切割實踐的難點。本實驗作為芬蘭地質調查局 (GTK) 管理的項目“天然石材生產的資源效率開發”的一部分，并由當地市政局、石材公司和歐洲區域發展基金 (ERDF) 資助。

       串珠繩在冬季的應用

       串珠繩的應用在芬蘭的市政工程和石材礦山中都很普遍，串珠繩甚至已經成為芬蘭黑石開采的主要方法。礦山的技術設施是影響其能否有效運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備和操作。在北歐國家的北部地區，冬季在 10 月和 4 月之間，持續至少五個月。在低于零攝氏度的條件下面臨的問題是在切割作業階段意外停止時被凍住的串珠繩出現卡繩的風險，以及飛輪和導向輪、導軌和繩鋸機整體結冰的風險。還有礦山以及周圍堆積的冰雪，寒冷的設施，使得工人不得不十分小心地作業。

       融化被冰凍的串珠繩的一種有用做法是用熱水。它在垂直切割時上很有效，但水平切割時操作起來會比較困難。下雪還會導致額外的工作，大雪過后需要數小時才能保證礦山、道路和其他作業區域的清潔，以確保安全工作并易于使用機器進行操作。

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

       否則，應每天通過水箱將水運送到礦山。在每天的常規檢查中，還應防止冷凍后對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束時是空的。

       那些冷凍時容易破裂的設施應該填充防凍液，以保證兩個小時以上的持續工作。此外，應對冬季惡劣的條件，可選擇 24小時輪班工作。這種兩班倒的模式需要額外的一支礦山工隊，只有在石材市場需求穩定充足的情況下才會如此選擇。全天候工作時間的選項應在環境許可證中授予，通常礦山僅適用7-22 點的工作時間。

       測試環境

       本研究總結了兩次串珠繩切割實驗，分別以測試地點(Oulainen, Kivilahti)命名。

       “Oulainen 黑”礦山位于芬蘭西部，測試時間在 2016 年夏末。冬季的串珠繩測試則在芬蘭東部的 “Kivilahti黑”礦山進行。Kivilahti 之所以被選中進行冬季測試，因為這里的雪通常比 Oulainen 地區多，而且很可能在初冬時已經很冷了-因為當高壓系統影響天氣時，干燥極冷的大陸氣團通常從東部延伸到芬蘭。對于石材礦山作業，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輸距離為 50-150 公里。

       礦山概況

       “Kivilahti 黑”所在礦區是細粒輝綠巖巖脈。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。輝長巖漿的火成活動可追溯到大約 1900 年前，是大陸地殼形成的斯韋科芬造山運動的主要事件。

       冬季串珠繩測試

       測試概況

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

切割計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。 測試期后繼續采石，通過氣袋、水袋等設備提取荒料。

       天氣

       測試期在12月中旬，那時芬蘭北部和東部是季節性冬季，積雪覆蓋并且溫度幾乎都在零攝氏度以下。測試時間的要求之一是冷凍持續數周以凍結至少低于 1-2 米表面水平的巖石。 測試按計劃進行，整個測試期間溫度都保持在零攝氏度以下。

       串珠繩切割實驗

       在 Kivilahti 采石場進行的低于零攝氏度的測試包括 2016 年 12 月中旬的水平和垂直切割。繩鋸機為華大 55 千瓦機臺，由柴油機組 Iwego 175 千瓦提供動力。 測試總體上是成功的，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導致，在切割斷裂的天然基巖表面時，這并不算異常情況。串珠繩切割是通過供應天然冷卻水在低至 -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。水泵運行時水管不會結冰，但重要的水管或供水點必須用加熱電纜保護，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。之前實現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行修料整形。此次實驗使用的串珠繩是 Tyrolit GSF 5，（硬質花崗巖配方）串珠的數量為每米 40 個，直徑為11.3毫米。

       供水布置在四個點上，一個直接進入鉆孔，其他三個點進入串珠繩。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。需要時在 200 升容器中加熱沖洗水。

       當溫度遠低于 -10°C時，繩鋸機和其他設備上結冰的可能性更大。

       地面上的冰使得行動變得困難，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。

       測試數據分析

       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，線環的長度為 80 米。在 Oulainen 測試期間測量的數據則顯示出顯著差異，尤其體現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 ，當然這是由兩種石材的不同特性決定的，Oulainen 210Mpa的抗壓強度比Kvilahti 的293Mpa低40%。Oulainen含有 20% 的黑云母，莫氏硬度為5.7 ，而Kivilahti 則達到了5.9。Kivilahti 礦山的水平孔是由潛孔鉆作業的，直徑115mm，總長度為 28 米。鉆孔速度相對較慢達到 0.11 米/分鐘。

       討論

       根據這次實驗，北歐冬季采石時間和夏季采石時間相比，切割效率沒有明顯差異，盡管為了應對冰凍和下雪需要額外的時間進行其他工作。

       串珠繩測試 Kivilahti 和 Oulainen 均顯示平均工作日每小時計算的切割面約為 6 平方米。測試的持續時間很短，從長遠來看，在評估有效性時，其他工作的份額可能在冬季切割中會顯得更重要。

       因此，為冬季作業制定周密的采石計劃以及擁有用于冷凍條件的有用且可靠的設備和技術非常重要。

       Kivilahti 冬季測試在 12 月中旬持續了 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。

       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 礦山持續六天的夏季測試，總打孔 93m（四個單獨的孔），垂直切割 135 平方米。

       結論

       冬季串珠繩的最大挑戰是如何克服串珠繩深處被凍結以及繩鋸機上結冰和大雪的威脅。芬蘭的冬天和冰凍期至少會持續3-5個月，而石材市場是沒有長達五個月的持續季節性休息時間的。

       因此，至少在 12 月底前，有必要在冬季繼續生產，（1 月和 2 月的溫度 -20/-30°C 對作業來說就太低了）。畢竟，對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讓人骨折，但跌倒在光滑的冰上會。

       與鉆孔和爆破相比，冬季串珠繩采石面臨著更多的挑戰，但 Kivilahti 礦山上的實驗，證明了金剛石串珠繩能夠戰勝嚴寒，在所有季節都能穩定切割。

       參考文獻

       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