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改革开放二十多年来,我国石材工业发展迅猛,截止2000年已是仅次于意大利居世界第二位的石材出口大国。其中花岗石已占世界花岗石出口总量的三分之一，是意大利的三倍，名列世界第一；大理石的出口是花岗石出口的2%左右，是意大利大理石出口的3%左右。我国大理石出口量位居世界第八位，出口贸易额排在十位以后，而我国的大理石进口额却排在世界第一位。
我国花岗石与大理石出口之所以有如此大的差异？这完全与矿山建设落后有关。因此我们有必要了解国内外石材矿山有哪些不同点，以便找出有效的解决方法。
一、国外石材矿山的生产特点
世界各国的石材矿山大致分为大理石和花岗石两类矿山。我们通常介绍国外的矿山人均生产率高，荒料达到多少立方米，所指的是大理石，极少指花岗石。为了最大限度地利用不可再生的石材资源，除我国以外，无论是发达国家、如意大利，还是发展中国家，如印度，以及我国的台湾地区都是采用先进的机械化台阶式开采。对大理石采用金刚石绳锯，大块石料的分解再用绳锯或由钻凿密集孔，紧接着用加长的复合楔人工劈、机械劈等方式完成。而对花岗石，特别是石英含量很高的，矿用金刚石绳锯是无能为力的。当花岗石的石英含量超过60%时，则采用火焰切割机在预分割大块石料的垂直两端切割，否则只能沿各个分割面钻凿密集孔，孔间距一般都在20cm左右。如意大利采取高能导爆索，芬兰则采取翼型管的古立特炸药对多个切割面进行爆破。大块料石的分割仍用密集孔，间距为25cm。对水平面花岗石切割，印度则使用钻取岩芯式的套钻，一个挨一个钻，孔径为4寸，硬是把整个底平面掏空。剩下的垂直面则钻凿密集孔实行单面爆破。由于花岗石极其坚硬，大理石相对松软得多，显然两者之间的钻孔费用是相差很远的。因此开采大理石容易，开采花岗石难。
二、我国石材矿山的特点
我国的情况却刚好相反，造成这种状况是由我们的国情所决定的。我国国情是人多、劳力低廉、环境意识差。为了抢夺市场，投资者都只注重短期效益，哪种方法简单，见效快，就采用哪种。所以安全生产、质量要求、资源利用等常被忽视。
花岗石与大理石相比抗爆破性强，更具脆性，可劈性好。如果矿山整体不十分完整时，钻几个大孔，装药放大炮就能崩出好多大小不一的石头来。分解多用人工凿石窝劈，万不得已才用机械钻孔，因此废料多、荒料率不高。但由于矿点多、人多，我国花岗石的总产量绝对世界第一。国内采用火焰切割机，密集排孔台阶式开采花岗石的矿山虽说也有，但毕竟还是少数。大理石则不同，与花岗石相比，抗爆破性弱，具有塑性，可劈性差。在矿体上钻几个大孔，装药放大炮会带来灾难性的后果。荒料损伤严重，一多半成为废石。大块料石用人工凿石窝劈，要么劈不开，要么不按预定方向裂。最终采用密集排孔的方式，实在是迫不得已的。因为数米深孔费用就超过了人工工资。由于凿岩工作量大，人均荒料产量极低。如果使用绳锯，其对矿山的整体性、供电、供水、资金的投入等又有特定的要求，而且高昂的运营费用也让绝大多数人望而却步。所以国内鲜有整体全部采用金刚石绳锯的大理石矿山。虽然矿点多、人多，但产出的符合规格要求的荒料却很少。据统计，目前国内大理石矿山一大半时间和费用都花在钻孔上了。因此我国是开采花岗石容易，开采大理石难。
因此，怎样能减少钻孔、提高产量、降低成本、确保质量是我国开采大理石人们渴望解决的问题。同样，国外也在为减少花岗石上的钻孔，结束密集排孔的现状进行着努力。
三、国外的研究动向
为了控制岩石断裂方向，减少钻孔数量，国外采用三种不同的方法对岩石进行切槽研究。它们是机械刻槽、水射流切割和聚能药柱切槽。其中以美国马里兰大学的学者为代表。通过研究，他们得出的结论是：聚能药柱切槽最容易被采用；机械刻槽应用到实际生产中之前尚需对刻槽机具进行改进；由于设备条件的限制和非常寒冷的冬季气候，水射流切割不是非常有效。
笔者在与美国马里兰大学的学者两年的通信交流中得知，他们在5米深的岩孔内用机械刻槽时，其上下槽口偏转角度约为45°,也就是产生了螺旋槽；用于刻槽的硬质合金刀片对硬岩无能无力，磨损严重，有时还卡刀，合金头从钎头上脱落。时间虽然过去了很久，据了解这些问题仍是他们研究中的难点。而聚能药柱的铝壳成本高，又是一次性消耗品，国内是接受不了的。
四、国内现在常用的几种爆破方法
笔者根据多年来在矿山实践中积累的经验和教训，并结合目前国内大理石矿山采用的各种爆破方法谈一谈个人的见解，借以抛砖引玉。
1、黑火药爆破法
黑火药是一种威力较弱的炸药，传爆速度低，爆力猛度小，爆炸时对岩体损伤轻微，在石材开采中应用较为广泛。其优点是比人工劈劳动强度低，尤其是在使用机械凿岩时更为突出；药量消耗较少，爆破成本低；施工工序较简单，易于操作。不可忽视的是黑火药对撞击非常敏感，特别是以氯酸钾为原料的火药。在装填火药时稍不小心，常常发生人员伤亡事故，因此必须格外谨慎。
用黑火药进行单面爆破比较容易实现，但进行两面爆破是极少见到成功的。人们知道黑火药的爆速在400m/s左右，可是大多数人不了解用雷管起爆，黑火药爆破就在1600～1900m/s。前者是密闭条件下的爆燃，后者是在冲击波作用下的爆轰，两者的爆破机理有质的不同。在炸药中由冲击波传播引起的爆炸反应叫爆轰。爆轰时，化学反应沿炸药传播，其速度高于炸药中的声速。由热传导引起的爆炸反应叫爆燃。爆燃时，虽然在炸药中传播的化学反应很迅速并产生热和强烈的火焰，但是反应还是太慢，不足以产生名符其实的冲击波并破碎岩石。产生冲击波的雷管其爆速6000m/s以上。实验证明，花岗石的断裂速度在1700～1800m/s，而大理石的断裂速度则只有每秒数百米。因此为适应大理石的断裂速度，减少对荒料的损伤，对黑火药采取同步点燃而不是用雷管起爆才是正确的选择。
采用黑火药爆破大理石，其孔间距是目前所采用的各种爆破方式中最宽的一种，达到15～25倍孔径。这是由于其速度比其它爆破方式更接近大理石断裂速度，且气体生成量大，作用时间长的缘故。
人们对单孔黑火药爆破直接用导火索引燃，当然岩石开裂方向是难以估计的。为实现多排孔同时爆破，取得连孔效果，有人将导火索切成一样长引燃黑火药，仍无法保证同时。因此，就用电雷管同时起爆，但又极少采用分段装药的方式。如果孔距近一点，其断面又不够平整。因此很难找到满意的控制方法。进行两面爆破往往留根底，即平常所说的块石掰角。大块大理石进行分解时，也极少用黑火药。
黑火药的特点是价廉，控制得好的石材一般不会有损伤。不足之处是不安全、怕潮。
2、金属燃烧剂爆破法
其使用方法与黑火药相似，起爆方式是爆燃。但孔间距比黑火药的小，药剂成本太高，人们难以接受。
3、膨胀剂静态爆破法
使用这种方法孔距比黑火药要小，从山体上进行两个面同时切割几乎是不可能的。因为水平孔的断裂负载太大，这个水平面不但要克服岩石的构造应力，而且还要克服自重应力，膨胀剂的力是远远不够的，还必须辅以其它方法。如水平面用绳锯或用薄皮钻象外取岩芯一样。一孔一孔地贯通，当然这些辅助方法花费时间多且不说，成本也是十分昂贵的。
将大块料石进行分解，特别是对削去很薄的或少许凸出部分，在钻凿许多孔以后，膨胀是有其独到之处的作用。
膨胀剂的特点是保管方便，能减轻劳动强度，不伤石料。不足之处是耗时太长、用量大、成本高、对提高产量帮助不大。
4、导爆索及小药卷爆破法
通常导爆索是以单质烈性炸药黑索金或泰安为药芯，其外形象导火索，稍细，颜色多为红色，装药量为12～14g/m，爆速6500～6800m/s，用火雷管起爆，孔距0.2～0.4m。由于装药量少对花岗石施行密集排孔单面切割，切割面平整，效果明显，可惜成本太高，不如钻两个斜交贯穿孔用火药起爆便宜。用单股导爆索进行两面、三面切割时常显得爆力不足，而两股绞在一起，或者缩小孔距，则费用加
大。为了降低费用，用2″岩石炸药做成小药卷，间隔一段长度绑在导爆索上以增加爆力。爆炸切割效果很不错，大块料石推出好几米远，但荒料一般都受到了不同程序的损伤，特别是用于大理石，其损伤深度更达30cm以上，成材率极低，锯出的每块板材需逐个补胶上网，一些人总认为是材质有问题。这样的荒料除国内可以接受外，出口是绝对不行的。
从岩石爆破机理已知，导爆索可产生爆轰波，特别是绑上小药卷以后，爆破更加强烈。药包起爆后在药包附近的区域内激起一股冲击波，随着距爆源距离的增大和能量的衰减，使得冲击波迅即转变为应力波，如果这个压缩应力波的值超过岩石的动抗压强度，就使岩石表面压碎，后续的应力波又不断产生，反复加载振荡使得孔的连线方向拉压力得到加强，直到断裂，同时岩石也受到了损伤。这种爆破对大理石的损伤尤为严重。
导爆索绑小药包爆破法的特点是不用堵炮孔，操作简单，随爆随开。不足之处是成本太高，对石材有损伤，大理石的开采中应禁用。
5、黄色（岩石）炸药爆破法
实行不偶合装药是为了降低爆轰波的强度。岩石2″炸药的爆速也在3000～4000m/s用雷管起爆后对大理石的破坏作用也是不可收拾的。
这种方法的特点是经济、操作安全，但不可靠。
6、聚能爆破法
这种方法采用的药包是有聚能罩的药包，它是由短钢管、炸药和两个铜质凹罩组成，聚能管中部钻有一小孔以穿导爆索。其孔距在40cm左右。使用时将聚能药包用导爆索串穿一起，每个间隔70～80cm，再放到竹片上绑紧，聚能穴对准同一方向用火雷管起爆。方法及原理与上述两种方法一致。
聚能爆破方法的特点是不怕火，断裂切割方向明确。不足之处是成本高。也不能用于大理石开采。
以上三种方法都不可能形成台阶式开采，除非矿体本身就是层状的。这是因为孔距比国外的宽，爆轰波速度太快与岩石断裂速度不相适应，对岩石造成肉眼看不到的损伤。用上述三种方法在山体上形成初个台阶并不困难，做其上方的台阶就困难了。
在其上方做台阶,起爆后就会崩碎本台阶的坡顶角；在其下方做台阶，起爆后就会崩碎下一个台阶的坡顶角。这是因为强烈的爆轰应力波是发散性传播的，坡顶角处的抵抗线太薄，受不了后一次爆轰的冲击，所以坡顶角崩碎是不可避免的。这种现象国外矿山也出现过，但在采用减小孔间距，用翼型管装药等措施后，麻烦就清除了。
上述六种爆破法开采石材都有各自的特点，但都达不到减少钻孔、降低成本、确保质量的要求。因此迫切需要研究出一种既符合我国国情又能迅速改变目前石材矿山生产落后状态新的爆破方法。
五、应力集中控制爆破法
笔者于1984年开始从事石材开采的研究。研究的题目名为“应力集中控制爆破开采石材”，又简称为刻槽爆破。
1、研究的理论依据
根据格坦克菲斯的断裂力学理论，当材料受拉时其裂纹处于张开状态，其裂纹尖端的应力强度因子K1与裂纹长度a1/2成正比，与裂纹尖端的半径r1/2成反比，裂纹尖端处呈现应力集中。如果将这种理论应用于石材开采之中，一定会产生神奇的效果。问题是如何将这种设想变成活生生的现实。
2、具体的实施方法
岩石呈脆性，用机械钻孔凿岩早已是非常成熟的技术，因此选择用机械在岩孔中预制裂纹也是最可靠的方法。
笔者根据天然石材其抗拉强度具有100：2～10的差异，呈脆性的特点，利用凿岩机在岩孔中刻出带有对称槽的孔眼，孔槽平行。钻孔有多深，沿孔壁的槽就有多深。钻孔刻槽分两步完成，即先钻孔后刻槽，更换槽杆与换钻杆一样
方便。而刻槽时间仅为钻孔时间的1/20～1/15，非常快捷。即不会产生螺旋槽，也不会出现卡刀现象，而且槽刀使用寿命长。刻槽后会造成岩孔槽口处应力集中，使岩石处于预断裂的最佳受拉状态，然后在槽孔内放少许的特制低爆压气体炸药作为岩石开裂的外力，起爆后的瞬时间，岩石沿槽口方向裂开，声音极小。每孔间距现行密集排孔间距的三倍以上。断裂面既大而平整，岩石没有任何内伤。对爆破距离没有要求，不产生飞石，更不受气温的影响。这项研究是由简便易行的岩孔刻槽技术和安全廉价的低爆压气体炸药两部分组成。所谓简便易行是不将凿岩机作任何改动，钻孔完毕后即可换刻槽工具马上刻槽，刻槽深度可达6米以上；所谓安全廉价是铁锤砸也带来任何危险，燃着的香烟头也很难点燃，而且成本还不及石材专用爆裂管成本的一半。
3、槽口深度及夹角的确定
槽口深度不可能无限制的深。那么槽口究竟多深才比较合理？槽口夹角多少为宜呢？断裂力学中关于孔内刻槽受力状况作出了回答。见下图：
从图中可以看出，随着外加应力δ增加，槽口深度达到圆孔直径值的1/6～1/5时，
裂纹尖端产生的内应力δr也接近于最大值。槽口深度增加值再大，内应力δr值已没有多
大的增长。关键是槽口尖端处γ值要小。笔者在孔径为40mm时，槽口深度定为8mm；孔径
36mm时，槽口深度定为7mm；孔径32mm时，槽口深度定为6mm等。槽口夹角当然是愈小愈
好，但还是要以保证刀具的尖锐性及长期冲击不会损坏为前题。经过反复摸索，60°是
槽刀处于稳定状况的最佳选择。
4、对槽孔爆破机理的认识
从八十年代后期以来，国内陆陆续续有许多人都钟情于岩石孔内机械刻槽的研究，但在研究过程中，因碰到诸如卡刀、刀具损坏、槽刀夹角太钝而无法尖锐、螺旋槽等技术难点，又苦于长期找不出解决的办法，所以耽搁了在刻槽完全成功以后对槽孔爆破机理作深一步的研究。因此在有些技术难点还没攻克，爆破机理还没弄清楚的情况下，就急不可奈的以各种方式向矿山人们大肆兜售技术的必然结果是：人们从此对真正成熟的技术也不敢相信了。使这项极具生命力的技术蒙上了不应有的阴影。
在笔者发明的刻槽工具完全进入适用化以后，对槽孔爆破机理的形容也自然要有深层次的认识。
槽孔爆破机理的认识是需要长期实践的积累。在经历多次失败的痛苦和尴尬之后，笔者反复推敲，细心琢磨对槽孔爆破机理有了最终的认识。这种认识是：
1、槽口撕裂需要一定的时间。不同岩性的岩石撕裂时间是不相同的，大理石撕裂时间大于花岗石。
2、爆炸应力波传播速度一定不要超过岩石的断裂速度。超过断裂速度，岩石必须受到损伤。
3、断面形式的过程也是内聚能量释放的过程。为充分利用释放的能量，以点带面，分段装药，延长着力时间。
有人将导爆索放入刻槽的排孔中，当然其孔距比常规方法宽。起爆后，岩石根本不开裂。这是因为导爆索爆轰波速度太快，爆力作用时间短，槽口尖端根本来不及裂开。
5、技术的成功应用
笔者在湖北安福石材公司的大理石矿山生产中，使用槽孔进行两面爆破，孔间距都在1米以上。断面都非常平整。
孔距之所以比常规方法的宽那是因为岩石能按槽口方向同时开裂，再加上爆炸气体持续时间长，有气楔作用。
常规的方法分解大块石料需钻凿许多的孔，而采用刻槽爆破法，一般情况下只用一个槽孔完成。其断面平整度比其它密集排孔分解方法要好许多。用低爆压气体炸药时，每平方米用量不超过15克。
笔者曾作过用两种方法分解荒料的对比，灌的都是膨胀剂。一种是圆孔，另一种是槽孔，后者是孔距是前者的两倍。同时灌膨胀剂，后者的剂量是前者的一半，结果后者先行裂开，而且断面平整度更好一些。造成这一现象的原因是圆孔周边的载荷是均匀分布的，需要很长的时间，极大的力量才能使孔间连线贯通，所以孔距不可能放得很开。而槽孔则不然，槽口处应力集中，只需较短的时间，不大的力，槽口处自然先行开裂。因此开裂时间更快，孔距可以稍宽一些。当然也不可能象使用了低爆压气体炸药的间距那么宽。这是因为膨胀剂的膨胀力释放太慢，既不能产生气气楔作用，又不能利用断裂过程中新断面释放的能量。
此爆破方法不但对大理石开采有效，对花岗石开采同样有效，不同之处是：花岗石上的孔距可以放得更宽一些。
刻槽爆破堵塞质量是很关键的，为加快作业时间，可以预制炮泥。
应力集中控制爆破的特点是：减少钻孔工作量，大幅度降低开采成本，而且还能确保荒料质量。不足之片是：槽孔爆破必须堵塞，不同孔径钻孔需配相应的刻槽工具，药不能受潮。各种大理石爆破对比效果见下表。
（有关机械刻槽、机械堵泥以及爆破法扩缝另文介绍——编者注）
大理石开采爆破方法对比表
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