松平坡地下板巖礦開(kāi)采工藝研究

林友

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校礦業(yè)學(xué)院)

板巖是一種沉積巖，其成分主要為二氧化硅，可耐酸。成品在國(guó)內(nèi)外公共建筑中用途十分廣泛，可為房屋裝飾的屋檐、屋瓦、地板及外墻等使用。

松平坡板巖礦體主要產(chǎn)于礦區(qū)的下白堊統(tǒng)景星組下部灰綠色、紫紅色板巖夾砂巖中，呈層狀產(chǎn)出，延伸較穩(wěn)定。礦石為灰綠色、紫紅色及黑色板巖，整體為Ⅰ號(hào)礦體，礦體呈近似東西向帶狀分布于瀾滄江西岸，走向長(zhǎng)1 092.2 m，厚10.4～16.5 m，平均厚13.5 m，礦體傾向南，傾角70°～86°。礦區(qū)工程地質(zhì)巖組有散體結(jié)構(gòu)松散巖組及致密結(jié)構(gòu)半堅(jiān)硬巖組2類。根據(jù)地質(zhì)資料、礦山生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察判斷，礦體及頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)固性均較好。下伏基巖組成反傾山坡，基巖山體總體穩(wěn)定。礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型。

礦山原采礦方案采用靜態(tài)爆裂法對(duì)I號(hào)礦體進(jìn)行分離回采。盡管靜態(tài)爆裂法投資少，但其具有靜態(tài)膨脹劑需根據(jù)不同地區(qū)、不同季節(jié)的溫度高低進(jìn)行配方的調(diào)整，需進(jìn)行大量的鉆孔作業(yè)，膨脹劑的作用時(shí)間較長(zhǎng)等不利因素，這些因素導(dǎo)致該法的生產(chǎn)效率很低。鑒于本礦要擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，不宜再采用鑿巖爆裂法進(jìn)行大量的分離作業(yè)，故針對(duì)松平坡地下板巖礦的礦體賦存情況及內(nèi)外部開(kāi)發(fā)條件，綜合考慮礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀及采空區(qū)處理方法，對(duì)礦區(qū)I號(hào)礦體進(jìn)行了采礦方法設(shè)計(jì)的研究，采用了上向分層串珠繩鋸充填采礦法［1］。

1 分離方法選擇

地下石材礦山的采石工藝主要包括母巖分離、頂翻(位移或翻倒)、解體(分割或切割)、整形、拖拽與推移、吊裝與運(yùn)輸和充填鋪底等工序［2-3］。

板巖礦開(kāi)采時(shí)，采石方法的第1道工藝為分離，所使用的方法主要有鑿巖劈裂法(包括人工劈裂法和液壓劈裂法)、鑿巖爆裂法(包括導(dǎo)爆索爆裂法、黑火藥爆裂法、金屬燃燒劑爆裂法和靜態(tài)爆裂法)和機(jī)械鋸切法(包括金剛石串珠鋸、臂式鋸和圓盤鋸鋸切法)等［2-3］。其中，鑿巖劈裂法簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，且要求工人能識(shí)別巖石及其劈理和熟練掌握劈裂技能，這在我國(guó)花崗石礦開(kāi)采時(shí)使用較為廣泛。鑿巖爆裂法需嚴(yán)格控制爆破，此法亦在花崗石礦山應(yīng)用較廣，其特點(diǎn)是孔間距小、直徑小、裝藥量少。而導(dǎo)爆索爆裂法對(duì)石材沖擊較大，降低石材的荒料形成率，并降低石材質(zhì)量。鋸切法則廣泛用于大理石礦山的開(kāi)采，具有破損小，可大大提高荒料率，機(jī)械化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，鋸切面平整、光滑，減少整形工作量等優(yōu)點(diǎn)。故凡是條件適宜的地方，應(yīng)提倡采用鋸切法，包括分離、切割、整形等。鋸切法使用比較靈活，可以鋸切垂直、傾斜、水平各種平面，隨著鋸切材料的不斷進(jìn)步，抗壓強(qiáng)度超過(guò)120 MPa的巖石也可進(jìn)行有效的鋸切。

松平坡板巖礦體及頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)定性均較好。礦山已部分使用靜態(tài)爆破法進(jìn)行過(guò)開(kāi)采，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。靜態(tài)爆破法投資少，但其生產(chǎn)效率很低。相對(duì)于飾面石材的開(kāi)采，由于普通礦用炸藥威力過(guò)大，容易造成礦巖的破壞，有些礦山使用黑火藥或其他低威力炸藥，另外導(dǎo)爆索爆裂法也被廣泛地使用，但爆裂法比鋸切法產(chǎn)生的荒料率低得多。鑒于本礦要擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，研究推薦使用非爆破的方法。故綜合考慮本礦巖石的性質(zhì)、開(kāi)采技術(shù)條件、礦山的生產(chǎn)能力(1萬(wàn)m3/a)、礦石的價(jià)值、所耗材料的易獲得性及成本等因素，本礦適合采用機(jī)械鋸切法進(jìn)行主要的生產(chǎn)分離和分解作業(yè)，并以靜態(tài)爆裂法作為輔助切割方式。

2 采礦工藝

基于上述原因，選擇機(jī)械鋸切法進(jìn)行主要的生產(chǎn)分離和分解作業(yè)，綜合考慮采用串珠繩鋸進(jìn)行機(jī)械鋸切分離的諸多優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合采空區(qū)處理情況等因素，采用上向分層串珠繩鋸充填采礦法的采礦工藝，如圖1所示。

2.1 礦塊布置及構(gòu)成要素

礦塊沿礦體走向布置，長(zhǎng)65～80 m，采場(chǎng)寬為礦體水平厚度，中段高45 m，間柱寬6 m，頂柱高3 m，底柱高5.5 m，天井聯(lián)絡(luò)道垂直間距為5 m。

2.2 采準(zhǔn)切割

在礦體內(nèi)靠下盤開(kāi)掘中段運(yùn)輸巷道(斷面2.0 m×2.0 m)，在礦塊間柱內(nèi)布置脈內(nèi)人行材料通風(fēng)天井(斷面2.0 m×3.0 m)連通上下中段，人行材料井采用垂直式布置，以便于材料及荒料的提升和下放，采用雙格天井，一格用于材料及荒料的提升和下放，另一格為人行梯子間［4］。在礦房的下部布置脈內(nèi)切割平巷(以便于開(kāi)采下分層時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)的形成及確保采場(chǎng)安全通道)?；夭蓮牡V房的下部分層依次從下往上開(kāi)采，每個(gè)分層從礦房的一端拉切割槽后向另一端推進(jìn)開(kāi)采［5］。按礦體平均厚13.5 m計(jì)算，所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)礦塊礦石總量為107.4×103t，其千噸采切比為5.52 m/kt(26.55 m3/kt)。采切工程量如表1所示。

圖1 上向分層串珠繩鋸充填采礦法

表1 采切工程量

2.3 礦塊回采

自礦房底部最下層自下向上以分層進(jìn)行回采，根據(jù)礦山設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟(jì)情況，分層高度確定為2.5～3 m。由于分離、切割工作耗時(shí)較多，為關(guān)鍵性作業(yè)，故每班設(shè)計(jì)采用2個(gè)臺(tái)階(2個(gè)工作面)并行作業(yè)。主要生產(chǎn)工藝如下:

(1)分離。是指采用適當(dāng)?shù)牟墒椒ǎ瑢㈤L(zhǎng)條塊石脫離原巖的工序，這是采石工藝中最重要的工序。正常生產(chǎn)長(zhǎng)條塊石切割分離設(shè)計(jì)如圖2所示。長(zhǎng)條塊石的分離設(shè)計(jì)使用金剛石串珠繩鋸。其工作方式為:金剛石串珠繩鋸可以切割垂直面和水平面，圖2中首先鋸切CDHG端面，第二步鋸切端面EFHG頂面，最后鋸切AEGC側(cè)面。生產(chǎn)使用的金剛石串珠繩鋸技術(shù)參數(shù)為:型號(hào)KSJ37－800;主電機(jī)功率37 kW;鋸切速度1.5～10 m2/h，平均為6.0 m2/h，由于本礦礦石較硬，設(shè)計(jì)按3.0 m2/h計(jì);耗水量10 m3/h。據(jù)此計(jì)算日生產(chǎn)長(zhǎng)條塊石荒料為1條，即礦塊日產(chǎn)量為31 m3/d。

圖2 切割分離示意

(2)頂翻。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于長(zhǎng)條塊石一般高度大，寬度小，為了下一工序切割機(jī)的方便，要將其翻轉(zhuǎn)90°，平臥在工作平臺(tái)上。若長(zhǎng)條塊石的體積較小，可借助鋼釬等工具人工將其撬拔、翻倒;體積大的采用液壓頂石機(jī)或推移包將其頂翻。設(shè)計(jì)選用TITANO160型液壓頂石機(jī)，頂推力為1 600 kN。翻倒前在平臺(tái)上墊30 cm左右的碎石。

(3)切割。主要采用鋸切法。這是采石工藝的基本工序之一，即按所定的荒料尺寸，將長(zhǎng)條塊石分割成若干荒料坯。設(shè)計(jì)將分離的長(zhǎng)條石塊切割成0.5 m×0.5 m×1 m的荒料，每塊完整成形的荒料重0.5～0.7 t。

(4)吊裝和運(yùn)輸。采用地下礦用輕型桅桿吊機(jī)吊裝［3］，桅桿吊機(jī)安設(shè)在天井放料格附近，可逐一將切割好的料石通過(guò)采場(chǎng)天井料格下放到礦塊底部的脈內(nèi)運(yùn)輸巷道進(jìn)行裝車。

(5)整形。即將荒料坯按用戶對(duì)荒料的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)或供需雙方商定的荒料驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，將超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的凹凸部分，采用專用的整形機(jī)予以切除。整形工作主要在地表的荒料加工堆放場(chǎng)進(jìn)行。

(6)充填鋪底。開(kāi)采過(guò)程中，在擇取荒料后，有一部分小于所定荒料最小規(guī)格的塊石和在分離、分割、整形各工藝中產(chǎn)生的碎石以及剝離巖土和表土所產(chǎn)生的碎石，統(tǒng)稱為廢石。由于本設(shè)計(jì)采用充填法，采場(chǎng)產(chǎn)生的廢石用于就地充填采場(chǎng)空區(qū)。若采場(chǎng)產(chǎn)生的充填料不夠充填時(shí)，則需從外部運(yùn)送充填廢石料，采場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)有充填天井，用于下放補(bǔ)充的充填料。鑒于開(kāi)采荒料形成率［2］為60%，采場(chǎng)將有大量廢石料產(chǎn)生，考慮廢石的松散系數(shù)等因素后，就地廢石充填料可充填采空區(qū)空間的50%～60%，剩下的空間需由外部運(yùn)至采場(chǎng)的充填料進(jìn)行充填。外來(lái)充填料主要來(lái)自開(kāi)拓、采切廢石、加工場(chǎng)廢料，必要時(shí)可考慮設(shè)置取料石場(chǎng)。外來(lái)充填料從采場(chǎng)上部平巷運(yùn)入，經(jīng)礦塊充填天井下放至采場(chǎng)，用小型電耙進(jìn)行鋪底整理。通過(guò)計(jì)算，空區(qū)充填需另外增加的廢石量約為采出礦石量的50%左右。

2.4 塊石參數(shù)確定

(1)長(zhǎng)條塊石的長(zhǎng)度。一般為所定荒料規(guī)格最大寬度的整數(shù)倍，并適當(dāng)考慮整形余量、綜合考慮類似礦山情況及地形條件等因素，設(shè)計(jì)將長(zhǎng)條塊石的長(zhǎng)度確定為5 m。

(2)長(zhǎng)條塊石的高度。等于分層高度。由于受空間的限制，宜采用多分層分臺(tái)階開(kāi)采，本設(shè)計(jì)采用1個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階高度確定為2.5～3 m，圖2中按2.5 m進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(3)長(zhǎng)條石塊的寬度。確定長(zhǎng)條塊石寬度主要考慮的因素有:加工設(shè)備可以加工荒料的最大塊度;對(duì)于層厚等于或小于2 m的層狀礦體，加工設(shè)備可以加工的長(zhǎng)度或?qū)挾鹊扔趬K石的寬度;對(duì)于那些花紋排列、晶粒結(jié)構(gòu)無(wú)方向性的石材，其長(zhǎng)條塊石的三向尺寸可作調(diào)整。寬度通常為1～3m，綜合考慮本礦石材特性，取2.5 m。

在實(shí)際生產(chǎn)中，長(zhǎng)條塊石尺寸的確定和排列要特別注意節(jié)理裂隙的走向、產(chǎn)狀及其間距，充分利用天然的節(jié)理裂隙和層理，據(jù)此調(diào)整其三向尺寸的大小，這在實(shí)際生產(chǎn)中尤為重要。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

針對(duì)所選擇的機(jī)械鋸切法分離工藝，設(shè)計(jì)推薦主要采用串珠繩鋸開(kāi)采，并結(jié)合采空區(qū)處理情況，采用了上向分層串珠繩鋸充填采礦法的采礦工藝，并在該礦進(jìn)行了采礦方法試驗(yàn)后取得了成功。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

同靜態(tài)爆裂法比較，松平坡板巖礦金剛石串珠繩鋸開(kāi)采具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)開(kāi)采成本較低。切割板巖串珠繩的消耗成本在20～120元/m3之間。

(2)功能強(qiáng)、效率高。串珠繩鋸開(kāi)采切割深度能達(dá)到10～20 m，甚至更深;切割速度快，切割板巖可達(dá)8～25 m2/h。

(3)適應(yīng)范圍廣。串珠繩鋸適用于所有類型的石材礦山，不論其硬度高低或是劈裂性好壞，在板巖、大理石、石灰?guī)r、砂巖及花崗巖礦山都適用。串珠繩鋸能對(duì)礦體的垂直、水平、傾斜等各個(gè)方向上的面進(jìn)行切割，還能對(duì)只有1個(gè)自由面的礦體進(jìn)行盲切(背切)。

(4)荒料率高、綜合成本低。串珠繩鋸可以開(kāi)采出大規(guī)格尺寸、形狀規(guī)整的荒料，鋸切面平整且不會(huì)使荒料產(chǎn)生任何內(nèi)傷，鋸縫很小，不會(huì)造成石材資源的浪費(fèi)。

(5)安全環(huán)保。串珠繩鋸開(kāi)采時(shí)無(wú)刺耳的噪音、無(wú)粉塵，且自動(dòng)化程度高，分離式操控，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，安全性高，對(duì)環(huán)境也不會(huì)造成較大影響。

4 結(jié)語(yǔ)

研究采用了上向分層串珠繩鋸充填采礦法開(kāi)采松平坡地下板巖礦的采礦工藝。通過(guò)在該礦開(kāi)采過(guò)程中的實(shí)踐應(yīng)用，證明了該采礦方法有利于對(duì)I號(hào)礦體進(jìn)行開(kāi)采，提高了礦山的生產(chǎn)效率，降低了礦山的生產(chǎn)成本，能夠保證回采作業(yè)的安全，同時(shí)采用廢石充填采空區(qū)，既減少了礦山固體廢料的排放和對(duì)環(huán)境的破壞，又保護(hù)了地表不受破壞。礦山獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)相似礦山開(kāi)采也具有較好的推廣價(jià)值及應(yīng)用前景。

［1］ 林 友，況世華，王育軍，等.木利銻礦上向分層進(jìn)路充填采礦法應(yīng)用［J］.昆明冶金高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2011，27(5):7-9.

［2］ 林玉華，章少華，江炳林，等.JC/T 1081—2008 裝飾石材露天礦山技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)石材工業(yè)協(xié)會(huì)，2008.

［3］ 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.GB/T 13890—2008 天然石材術(shù)語(yǔ)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［4］ 《采礦手冊(cè)》編輯委員會(huì).采礦手冊(cè):第4卷［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［5］ 《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯部.采礦設(shè)計(jì)手冊(cè):礦床開(kāi)采卷［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1987.