本研究总结了在东芬兰寒冷的冬季进行的串珠绳矿山切割测试的结果。 研究特别强调了在霜冻条件下串珠绳切割实践的难点。本实验作为芬兰地质调查局 (GTK) 管理的项目“天然石材生产的资源效率开发”的一部分，并由当地市政局、石材公司和欧洲区域发展基金 (ERDF) 资助。

       串珠绳在冬季的应用

       串珠绳的应用在芬兰的市政工程和石材矿山中都很普遍，串珠绳甚至已经成为芬兰黑石开采的主要方法。矿山的技术设施是影响其能否有效运营和营利的重要因素，这就涉及到在寒冷的冬季延长工期所需的特殊设备和操作。在北欧国家的北部地区，冬季在 10 月和 4 月之间，持续至少五个月。在低于零摄氏度的条件下面临的问题是在切割作业阶段意外停止时被冻住的串珠绳出现卡绳的风险，以及飞轮和导向轮、导轨和绳锯机整体结冰的风险。还有矿山以及周围堆积的冰雪，寒冷的设施，使得工人不得不十分小心地作业。

       融化被冰冻的串珠绳的一种有用做法是用热水。它在垂直切割时上很有效，但水平切割时操作起来会比较困难。下雪还会导致额外的工作，大雪过后需要数小时才能保证矿山、道路和其他作业区域的清洁，以确保安全工作并易于使用机器进行操作。

       工作日期间的其他做法是保证冷却水的供应。最简单的方法是通过来自天然水源的管道进行布置，例如通过地下建造的永久管道。

       否则，应每天通过水箱将水运送到矿山。在每天的常规检查中，还应防止冷冻后对供水或其他工程造成任何损坏，例如确保热水器、供水泵和管道在工作日结束时是空的。

       那些冷冻时容易破裂的设施应该填充防冻液，以保证两个小时以上的持续工作。此外，应对冬季恶劣的条件，可选择 24小时轮班工作。这种两班倒的模式需要额外的一支矿山工队，只有在石材市场需求稳定充足的情况下才会如此选择。全天候工作时间的选项应在环境许可证中授予，通常矿山仅适用7-22 点的工作时间。

       测试环境

       本研究总结了两次串珠绳切割实验，分别以测试地点(Oulainen, Kivilahti)命名。

       “Oulainen 黑”矿山位于芬兰西部，测试时间在 2016 年夏末。冬季的串珠绳测试则在芬兰东部的 “Kivilahti黑”矿山进行。Kivilahti 之所以被选中进行冬季测试，因为这里的雪通常比 Oulainen 地区多，而且很可能在初冬时已经很冷了-因为当高压系统影响天气时，干燥极冷的大陆气团通常从东部延伸到芬兰。对于石材矿山作业，Kivilahti的位置非常理想。它位于沥青主路旁边，到最近的石材工厂的运输距离为 50-150 公里。

       矿山概况

       “Kivilahti 黑”所在矿区是细粒辉绿岩岩脉。主要矿物是斜长石、角闪石、辉石和铁-钛氧化物。晶粒大小均匀，在1-2 毫米。“Oulainen 黑”则是一种细粒辉长岩（1-2 毫米）。主要矿物是斜长石、辉石、黑云母 (20%)、角闪石和铁-钛氧化物。辉长岩广泛分布在芬兰中部和南部的片岩带和侵入岩区。辉长岩浆的火成活动可追溯到大约 1900 年前，是大陆地壳形成的斯韦科芬造山运动的主要事件。

       冬季串珠绳测试

       测试概况

       Kivilahti 黑色辉绿岩矿山从 2010 年开始小批量开采。产地很大，表面积约 12000 平方米，地质体积约 600000 立方米（按 50 米高计算）。 矿区平台的长度为 150 米，宽度为 80 米，高度 5-20 米。 矿区指向西北/东南方向。串珠绳测试放置在矿山前部的东北部。矿山墙高达 8 米。

切割计划通过一次水平和垂直切割来完成，切割面分别为 374 平方米和 1600 平方米。 水平线孔长 28 米，平均切割宽度 10 米，高度 6 米。 测试期后继续采石，通过气袋、水袋等设备提取荒料。

       天气

       测试期在12月中旬，那时芬兰北部和东部是季节性冬季，积雪覆盖并且温度几乎都在零摄氏度以下。测试时间的要求之一是冷冻持续数周以冻结至少低于 1-2 米表面水平的岩石。 测试按计划进行，整个测试期间温度都保持在零摄氏度以下。

       串珠绳切割实验

       在 Kivilahti 采石场进行的低于零摄氏度的测试包括 2016 年 12 月中旬的水平和垂直切割。绳锯机为华大 55 千瓦机台，由柴油机组 Iwego 175 千瓦提供动力。 测试总体上是成功的，在水平切割过程中只有一条串珠绳被切断，由串珠绳上的一块表面巨石松动导致，在切割断裂的天然基岩表面时，这并不算异常情况。串珠绳切割是通过供应天然冷却水在低至 -10°C 的温度下完成的，在更多冷冻条件下，冲洗水被加热到大约 30°C 的温度。水泵运行时水管不会结冰，但重要的水管或供水点必须用加热电缆保护，并且在接头处最好使用塑料部件而非金属部件。

       气温只有一天较低，凌晨时分低于 -20°C，白天最高 -18°C，如此低的温度通常是不适合串珠绳切割的。之前实现的切割最低温度低至 -25°C但在那种冷的条件下，只可以通过干切来进行修料整形。此次实验使用的串珠绳是 Tyrolit GSF 5，（硬质花岗岩配方）串珠的数量为每米 40 个，直径为11.3毫米。

       供水布置在四个点上，一个直接进入钻孔，其他三个点进入串珠绳。淡水由潜水井泵从一条小河中抽取，管道已在地下挖了大约半米。需要时在 200 升容器中加热冲洗水。

       当温度远低于 -10°C时，绳锯机和其他设备上结冰的可能性更大。

       地面上的冰使得行动变得困难，工人必须特别小心以确保矿山的安全工作和通行。耗水量为每分钟 20-30 升，与夏季操作的水量大致相同。

       测试数据分析

       在 Kivilahti 矿山，Tyrolit GSF 5 的切割效率为7.9 (m2/h)，线速度为每秒 30 (m/s)，电流 75-90 A。关于串珠绳的磨损，串珠绳寿命约为每米 10 平方米 (m2/m)。在水平初切开始时，线环的长度为 80 米。在 Oulainen 测试期间测量的数据则显示出显著差异，尤其体现在两种黑石之间的切割效率。Oulainen的切割速度 20.6 m2/h 比 Kivilahti 7.9 m2/h高出不少 ，当然这是由两种石材的不同特性决定的，Oulainen 210Mpa的抗压强度比Kvilahti 的293Mpa低40%。Oulainen含有 20% 的黑云母，莫氏硬度为5.7 ，而Kivilahti 则达到了5.9。Kivilahti 矿山的水平孔是由潜孔钻作业的，直径115mm，总长度为 28 米。钻孔速度相对较慢达到 0.11 米/分钟。

       讨论

       根据这次实验，北欧冬季采石时间和夏季采石时间相比，切割效率没有明显差异，尽管为了应对冰冻和下雪需要额外的时间进行其他工作。

       串珠绳测试 Kivilahti 和 Oulainen 均显示平均工作日每小时计算的切割面约为 6 平方米。测试的持续时间很短，从长远来看，在评估有效性时，其他工作的份额可能在冬季切割中会显得更重要。

       因此，为冬季作业制定周密的采石计划以及拥有用于冷冻条件的有用且可靠的设备和技术非常重要。

       Kivilahti 冬季测试在 12 月中旬持续了 9 天。天气和低于零的温度条件很好地代表了芬兰的初冬季节。

       主要操作是潜孔钻钻孔 28 米，串珠绳接入以及水平和垂直切割，总表面 374 平方米。此处还回顾了 Oulainen 矿山持续六天的夏季测试，总打孔 93m（四个单独的孔），垂直切割 135 平方米。

       结论

       冬季串珠绳的最大挑战是如何克服串珠绳深处被冻结以及绳锯机上结冰和大雪的威胁。芬兰的冬天和冰冻期至少会持续3-5个月，而石材市场是没有长达五个月的持续季节性休息时间的。

       因此，至少在 12 月底前，有必要在冬季继续生产，（1 月和 2 月的温度 -20/-30°C 对作业来说就太低了）。毕竟，对于在冬季条件下能否安全工作也很重要，虽然寒冷的天气不会让人骨折，但跌倒在光滑的冰上会。

       与钻孔和爆破相比，冬季串珠绳采石面临着更多的挑战，但 Kivilahti 矿山上的实验，证明了金刚石串珠绳能够战胜严寒，在所有季节都能稳定切割。

       参考文献

       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; Mesimäki, P. 1994. Luonnonkivikäsikirja,

       译自：Geological Survey of Finland, Kuopio office, Finland

       作者：S. Leinonen