楊世明（蘇尼特右旗安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 011200）

試論花崗石礦床地下開采的可行性

楊世明
（蘇尼特右旗安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 011200）

【摘 要】我國(guó)以往在花崗石礦床開采中，不論地質(zhì)地形條件如何，幾乎一律采用露天開采這種方式。選擇開采方法要因地制宜，不同的地質(zhì)地形條件應(yīng)采用不同的開采方法，以降低成本，提高工效，安全可靠為基本出發(fā)點(diǎn)。特別是在新疆、內(nèi)蒙古西部等干旱地區(qū)，花崗石礦床的風(fēng)化層一般較厚，在10～30m，甚至更深，采用地下開采方式更為現(xiàn)實(shí)，開采時(shí)不需要進(jìn)行大量地表巖石剝離，可節(jié)約大量的剝離費(fèi)用，同時(shí)大幅度的降低綜合開采成本，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；采用地下開采方法配合機(jī)械開采工藝，可以轉(zhuǎn)變我國(guó)石材礦業(yè)發(fā)展方式，進(jìn)一步減少對(duì)綠色植被破壞，降低揚(yáng)塵污染，有效保護(hù)山體、地表和植被生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“低能耗、低污染、低排放”的三低綠色礦山，走出一條嶄新的花崗石資源開發(fā)之路。

【關(guān)鍵詞】花崗石；地下開采；矩形通道；施工方法

關(guān)于花崗石的開采，在選擇開采和開拓方式時(shí)應(yīng)根據(jù)礦體地質(zhì)特征和地形條件，因地制宜，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)。若礦山風(fēng)化層厚度很大，而且探礦程度不足，應(yīng)該首先考慮使用地下開采方式，普通的露天采石方法將耗費(fèi)大量資金在無效的剝采當(dāng)中，導(dǎo)致采石失敗。選擇適宜的開采方式在給開發(fā)商帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也引導(dǎo)了花崗石石材礦山開采業(yè)的正常發(fā)展。

1　花崗石地下開采的適用性

我國(guó)目前大理石礦和板巖礦均有地下開采實(shí)例，分別使用房柱法和上向分層填法等。只是花崗石礦山還沒有采用地下開采的實(shí)例報(bào)道。

對(duì)于地表剝離量大的花崗石礦山，如果能夠采用與大理石洞采相同的工藝，會(huì)大大降低開采成本。單從開采工藝考慮，地采花崗石與地采大理石的方法應(yīng)當(dāng)是相同的，主要區(qū)別是使用的鋸切設(shè)備有所不同，而地下開采的回采作業(yè)與深凹露天礦開采方法幾乎是完全相同的。實(shí)施花崗石地下開采的關(guān)鍵技術(shù)是采準(zhǔn)矩形通道的掘進(jìn)和礦房的切頂，能否順利實(shí)施采準(zhǔn)矩形通道的掘進(jìn)和礦房的切頂工作的關(guān)鍵又在于鋸切設(shè)備，以及施工方法。只要解決了這些問題，花崗石地下開采技術(shù)問題也就得到解決了。

2　花崗石地下開采的技術(shù)問題

2.1 花崗石地下開采存在的問題

大理石地下開采矩形通道的掘進(jìn)和礦房切頂使用鏈臂鋸鋸切，但是鏈臂鋸只能鋸切莫氏硬度值一般在3度以下大理石類石材。然而，最軟的花崗石莫氏硬度值一般都在5度以上。所以鏈臂鋸不能用于對(duì)花崗石地下開采的采準(zhǔn)巷道和礦房切頂施工。目前，我國(guó)沒有較為理想的花崗石地下開采設(shè)備，因此，普遍認(rèn)為地下開采技術(shù)不能用于花崗石礦山開采。其實(shí)，石材地下礦山開采使用鏈、帶臂鋸或高壓射流水采切機(jī)掘進(jìn)石材矩形通道和礦房切頂，是為了做到石材資源的100%利用，以及提高施工效率。鋸切法用于開掘采準(zhǔn)矩形通道和礦房切頂只是最為理想的施工方法，并非是決定石材礦山能否實(shí)施地下開采方法的主要依據(jù)。所以必須指出，實(shí)際上在保證生產(chǎn)安全和盡可能不造成石材資源浪費(fèi)的前提下，不論采用何種工藝開掘采準(zhǔn)矩形通道和礦房切頂，只要大量開采時(shí)，采出的石材能夠產(chǎn)生一定的利潤(rùn)，就可以采用地下開采方法。所以，決定花崗石礦床能否采用地下開采的關(guān)鍵因素仍是石材的品質(zhì)和價(jià)值，其他因素次之。因此，我們不應(yīng)該認(rèn)為石材礦山開采時(shí)，如果不能使用鋸切法或鋸切出來石塊不能作為荒料就一定不能實(shí)施地下開采。

2.2 花崗石開采方法和工藝

花崗石與大理石開采方法和工藝基本是相同的，都是以鋸切法為主，而且開采方法和施工程序也相同，只是使用的開采設(shè)備有所區(qū)別。目前深凹露天礦塹溝工程與地下礦矩形通道可以使用的采掘設(shè)備詳見下表。

深凹露天礦塹溝工程與地下礦矩形通道掘進(jìn)使用設(shè)備

從上表可以看出，大理石地下開采和花崗石深凹露天礦塹溝的機(jī)械設(shè)備幾乎都不能直接用于花崗石的開采，要想實(shí)現(xiàn)花崗石與大理石一樣進(jìn)行地下開采，必須找到替代鏈、帶臂鋸和組合鉆具設(shè)備或施工方法。筆者根據(jù)一些采掘設(shè)備的工作原理，認(rèn)為可以替代鏈、帶臂鋸和組合鉆具設(shè)備有兩種：①在花崗石地下開采時(shí)，高壓射流水采切機(jī)完全可以代替鏈、帶臂鋸進(jìn)行矩形通道的掘進(jìn)和礦房切頂?shù)淖鳂I(yè)；②平巷鑿巖臺(tái)車和液壓排架鑿巖臺(tái)車完全可以代替臺(tái)架潛孔鉆機(jī)進(jìn)行密集鉆孔施工，并且實(shí)現(xiàn)花崗石地下開采的矩形通道開掘和礦房切頂?shù)淖鳂I(yè)。

2.3 地下開采矩形通道的施工方法

地下開采矩形通道的掘進(jìn)與深凹露天礦塹溝的施工原理也是相同的，矩形通道和塹溝均屬開拓工程，都是為大量開采石材時(shí)開創(chuàng)第二自由面，并且在施工中都需要對(duì)鋸切石料的封閉面采取特殊方法進(jìn)行分離。因此，大理石地下開采時(shí)使用的開采設(shè)備與深凹露天礦開采設(shè)備都是同類型的。但花崗石開采使用的火焰切割機(jī)不能用于水平切割作業(yè)，無法進(jìn)行地下開采矩形通道的掘進(jìn)和礦房切頂。所以，花崗石地下開采矩形通道掘進(jìn)，必須使用專用的鋸切和鉆孔設(shè)備，以及施工方法。

3　花崗石地下開采方法

3.1 地下礦采礦方法

實(shí)踐表明，花崗石與大理石開采方法和工藝基本是相同，所以花崗石地下開采，完全可以使用開采大理石時(shí)使用的房柱法和洞采法等采礦方法進(jìn)行花崗石開采。

3.2 地下開采準(zhǔn)切割矩形通道開挖與礦房切頂?shù)氖┕し椒?/p>

在目前技術(shù)條件下，可以使用以下五種方法進(jìn)行地下礦采準(zhǔn)切割矩形通道的施工。

(1) 高壓射流水切割法。

花崗石地下開采矩形通道施工使用石材高壓射流水采切機(jī)，可以像開采鏈、帶臂鋸那樣，對(duì)四面封閉的花崗石巖體，進(jìn)行垂直或水平的縱深切割，切割深度可達(dá)到2.5m甚至更深，切割效率一般在1～1.5 m2/h，最高可達(dá)2.4m2/h。所以，選擇高壓射流水切割機(jī)與變速式金剛石串珠鋸配合，采用與地下開采大理石荒料非常相似的全套工藝技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)花崗石的地下開采作業(yè)，高壓射流水采切機(jī)在地下花崗石開采方面，發(fā)揮獨(dú)一無二的優(yōu)勢(shì)，是理想的花崗石地下開采的輔助設(shè)備。

(2) 金剛石串珠鋸壓繩鋸切法。

采用金剛石串珠鋸壓繩鋸切法，也可以實(shí)現(xiàn)矩形通道和封閉面的切割施工。只是切割前，首先要鉆兩個(gè)直徑200～250mm的鉆孔，用于安裝金剛石串珠鋸壓繩輪，這樣大直徑的鉆孔，在大理石中鉆鑿并不難，而在花崗石中能一次鉆鑿這樣大直徑的地下采掘水平鉆孔設(shè)備還沒有，要想在花崗石中鉆鑿直徑200～250mm的鉆孔，只能使用潛孔鉆機(jī)先鉆一個(gè)直徑100mm左右的孔，然后再次安裝擴(kuò)孔鉆頭將該孔擴(kuò)鉆至直徑為200mm以上的鉆孔，或者在矩形通道四角鉆鑿大孔徑“L”形密集孔，使用洞采水平導(dǎo)向輪配合金剛石串珠鋸進(jìn)行鋸切，但這種方法需要與專門的液壓或其他機(jī)械進(jìn)給設(shè)備和必要的動(dòng)力系統(tǒng)。所以，采用金剛石串珠鋸壓繩鋸切法進(jìn)行花崗石矩形通道的鋸切施工，存在兩個(gè)問題：①鉆孔效率低，施工難度大；②金剛石串珠鋸使用壓繩鋸切法，其鋸切效率也要降低50%。這都是影響其在花崗石開采中使用主要原因，所以這種施工方法一般只在少數(shù)名貴品種的花崗石礦山使用。

(3) 密集鉆孔法。

使用密集鉆孔法開挖矩形通道(見圖1)，施工方法是先在預(yù)開挖的矩形通道斷面頂邊、底邊和兩個(gè)側(cè)邊使用液壓排架鑿巖臺(tái)車鉆鑿直徑42～50mm相互貫通的排孔，或使用潛孔鉆鑿巖臺(tái)車鉆鑿直徑60～100mm相互貫通的排孔，使四邊被切割開。然后使用金剛石串珠鋸和洞采水平導(dǎo)向輪將矩形巖體背面(封閉面)的連接面鋸開，整個(gè)矩形巖體也就被徹底分離出了。最后，用鋼絲繩和裝載機(jī)等設(shè)備將鋸切下來的花崗石矩形切塊從通道內(nèi)拖拽出來。再用隧洞切鋸石機(jī)將矩形通道內(nèi)頂邊和底邊余下的巖石小臺(tái)階鋸下，并運(yùn)出碎石，形成規(guī)整的巷道。之后，就可以進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)開挖工作了。這種方法適用于高檔花崗石石材開采。

圖1　貫通孔鑿巖軌跡示意

密集鉆孔施工方式有兩種：前進(jìn)間隔式和后退連接式(見圖2)。

圖2a為前進(jìn)間隔式。由劈裂線起始端先鉆第一個(gè)孔，然后備留一個(gè)孔徑的間隔鉆第二孔，孔成后在1、2孔中插入鐵桿，在備留孔位鉆第三個(gè)孔，如此間隔交替鉆孔前進(jìn)，前面所成之孔便相互連通。

圖2　密集鉆孔施工方案

圖2b為后退連接式。從臺(tái)階的一個(gè)自由面開始鉆孔時(shí)，先預(yù)留一個(gè)孔徑的間隔，鉆第1個(gè)孔，孔成后插入鐵桿再在預(yù)留位孔位上鉆第2孔。之后，再備留一個(gè)孔的間距鉆第3個(gè)孔，孔成后插入鐵桿，再在備留的孔位上鉆第4個(gè)孔，如此后退，遠(yuǎn)離自由面密集孔逐漸連接而成。

在矩形通道斷面四邊鉆孔，以及矩形通道擴(kuò)展鉆孔，一般只能使用井下立柱式潛孔鉆機(jī)、平巷掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車、單頭潛孔鉆鑿巖臺(tái)車、液壓排架鑿巖臺(tái)車鉆孔等設(shè)備。如ZQS100B井下立柱式潛孔鉆機(jī)；Y28單立柱液壓鑿巖機(jī) ；金峰/ZY300型履帶式全液壓掘進(jìn)鉆車；DF10-1BCDL膠輪式鑿巖臺(tái)車；凱強(qiáng)力KQL液壓排架鑿巖臺(tái)車等。

(4) 光面控制爆破法。

開采矩形通道可以使用控制爆破技術(shù)中的光面爆破法進(jìn)行矩形通道的掘進(jìn)，但是矩形通道盡可能布置在節(jié)理裂隙發(fā)育花崗石礦體或接近礦體圍巖中。掘進(jìn)爆破作業(yè)的布孔，一般都由掏槽孔、輔助孔和周邊孔組成。光面爆破法與普通爆破法不同之處是，在巷道掘進(jìn)面周邊布置小直徑、小藥量和小孔距的“三小”炮孔進(jìn)行爆破，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)矩形通道四壁巖體的平整爆破，減少對(duì)花崗石石體的破壞，在開采中低檔的花崗石礦山地下開采可以考慮使用這種方法。只是這種方法只能用于矩形通道的開掘，矩形通道擴(kuò)展時(shí)需要使用鑿巖設(shè)備和金剛石串珠鋸組合施工。

(5) 隧洞鋸石機(jī)、隧道鉆孔機(jī)開挖法。

石材地下開采矩形通道掘進(jìn)也可以使用隧道鋸石機(jī)和隧道水磨鉆進(jìn)行掘進(jìn)，然后再使用密集鉆孔和金剛石串珠鋸進(jìn)行矩形通道的擴(kuò)展作業(yè)。該法是直接使用隧洞切割機(jī)和隧道鉆孔機(jī)進(jìn)行矩形通道的切割開挖，但是矩形通道盡可能布置在節(jié)理裂隙發(fā)育花崗石礦體或接近礦體圍巖中。中高檔的花崗石礦山地下開采可以考慮使用這種方法。遂洞鋸石機(jī)，可以在各種類型的山體條件下作業(yè)；隧道鉆(水磨鉆)孔機(jī)，可用于鉆切花崗石、特堅(jiān)巖石、風(fēng)化巖石等。

上述幾種矩形通道開挖與擴(kuò)展的方法，矩形通道石料與礦體的最后結(jié)合面是隱藏于不能從分離石料正面直接看到、無法觸及到的背部(即封閉面)，串珠鋸的常規(guī)鋸切方式是無法使串珠繩直接切割到該面。所以必須利用高壓射流水切縫、密集鉆孔切縫、鉆孔，以及隧洞鋸石機(jī)、隧洞水磨鉆開掘和光面爆破掘進(jìn)的小通道，并借助專用導(dǎo)向輪多次改變串珠繩的運(yùn)動(dòng)方向，最終將串珠繩導(dǎo)引到這個(gè)隱蔽的連接面實(shí)施分離切割。為此需要安裝多個(gè)改變串珠繩運(yùn)動(dòng)方向的洞采專用導(dǎo)向輪裝置，其中有些導(dǎo)向輪還必須深入到高壓射流水切縫，密集鉆孔切縫，鉆孔內(nèi)，隧洞鋸石機(jī)、隧洞水磨鉆和光面爆破小通道中，實(shí)現(xiàn)串珠繩的變向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)還必須科學(xué)選擇串珠鋸鋸切的工藝參數(shù)，合理選擇工藝步驟，才能順利完成這一封閉面的鋸切分離。

3.3 礦房采石方法

地下開采礦山的礦房(洞室)內(nèi)也必須嚴(yán)格執(zhí)行臺(tái)階式由上到下的開采順序，開采工藝與深凹露天開采基本相同。

地下開采石材荒料的工藝流程包括：矩形通道掘進(jìn)及礦房切頂，分離塊鋸切、分離和翻倒，分離塊解體和荒料整形，荒料位移、吊裝和運(yùn)輸，廢渣石的清運(yùn)等。

花崗石因硬度較大，開采時(shí)普遍都選擇鋸切開采方法，而且對(duì)于中酸性、酸性侵入到巖中形成花崗石的礦床，大都選擇機(jī)械化程度較高的開采方法。

現(xiàn)有成熟的花崗石開采鋸切設(shè)備和工藝，主要是圓盤鋸配合劈巖機(jī)開采、金剛石串珠鋸全鋸切開采，以及開采圓盤鋸或金剛石串珠鋸配合水壓頂袋開采等。

4　結(jié)語

在沒有國(guó)產(chǎn)高壓射流水采切機(jī)的情況下，如果花崗石礦山采用地下開采，使用液壓鑿巖臺(tái)車和密集鉆孔法等方法，并配合金剛石串珠鋸進(jìn)行矩形通道掘進(jìn)和礦房切頂作業(yè)，從理論上講是完全可行的，特別是對(duì)高檔花崗石礦床的地下開采，筆者認(rèn)為是完全可行的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳均海.對(duì)非金屬礦體地下采礦方法特點(diǎn)的探討[J].非金屬礦, 1986(2):10-17.

[2]錢洪春.花崗巖石材特征及開采問題[J].科技傳播,2012,4(15): 31,19.

[3]吳道夫.石材礦床地質(zhì)條件與開采方法選擇[J].石材,2003(6): 4-9.

[4]廖原時(shí).用高壓射流水開采花崗石礦山[J].石材,2003(12):10-13.

[5]張志和,匡亮,陳赤坤.隧道超前導(dǎo)坑水磨鉆非爆破施工工法[EB/OL].(2013-01-01)[2014-06-15].http://www.doc88.com/p-7344376837043.html.

[6]廖原時(shí).金剛石串銖鋸在飾面石材生產(chǎn)中的應(yīng)用技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[7]張進(jìn)生,張政梅,王志.石材礦山開采技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[8]廖原時(shí).石材礦山開采技術(shù)及設(shè)備[M].鄭州:黃河水利出版社, 2009.

[9]周潤(rùn)宇.石材開采及機(jī)械設(shè)備[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社, 1989.

【其 他】

【采選技術(shù)】

【收稿日期】2014-07-31

【文章編號(hào)】1007-9386(2015)01-0024-03

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【中圖分類號(hào)】TD872.2