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）

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。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，開采時不需要進行大量地表巖石剝離，可節(jié)約大量的剝離費用，同時大幅度的降低綜合開采成本，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益；采用地下開采方法配合機械開采工藝，可以轉(zhuǎn)變我國石材礦業(yè)發(fā)展方式，進一步減少對綠色植被破壞，降低揚塵污染，有效保護山體、地表和植被生態(tài)系統(tǒng)，實現(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。若礦山風化層厚度很大，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大量資金在無效的剝采當中，導致采石失敗。選擇適宜的開采方式在給開發(fā)商帶來經(jīng)濟效益的同時也引導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

我國目前大理石礦和板巖礦均有地下開采實例，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例報道。

對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。實施花崗石地下開采的關(guān)鍵技術(shù)是采準矩形通道的掘進和礦房的切頂，能否順利實施采準矩形通道的掘進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花崗石地下開采的采準巷道和礦房切頂施工。目前，我國沒有較為理想的花崗石地下開采設(shè)備，因此，普遍認為地下開采技術(shù)不能用于花崗石礦山開采。其實，石材地下礦山開采使用鏈、帶臂鋸或高壓射流水采切機掘進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施地下開采方法的主要依據(jù)。所以必須指出，實際上在保證生產(chǎn)安全和盡可能不造成石材資源浪費的前提下，不論采用何種工藝開掘采準矩形通道和礦房切頂，只要大量開采時，采出的石材能夠產(chǎn)生一定的利潤，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)和價值，其他因素次之。因此，我們不應(yīng)該認為石材礦山開采時，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械設(shè)備幾乎都不能直接用于花崗石的開采，要想實現(xiàn)花崗石與大理石一樣進行地下開采，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，高壓射流水采切機完全可以代替鏈、帶臂鋸進行矩形通道的掘進和礦房切頂?shù)淖鳂I(yè)；②平巷鑿巖臺車和液壓排架鑿巖臺車完全可以代替臺架潛孔鉆機進行密集鉆孔施工，并且實現(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開創(chuàng)第二自由面，并且在施工中都需要對鋸切石料的封閉面采取特殊方法進行分離。因此，大理石地下開采時使用的開采設(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不能用于水平切割作業(yè)，無法進行地下開采矩形通道的掘進和礦房切頂。所以，花崗石地下開采矩形通道掘進，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使用的房柱法和洞采法等采礦方法進行花崗石開采。

3.2 地下開采準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行地下礦采準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，可以像開采鏈、帶臂鋸那樣，對四面封閉的花崗石巖體，進行垂直或水平的縱深切割，切割深度可達到2.5m甚至更深，切割效率一般在1～1.5 m2/h，最高可達2.4m2/h。所以，選擇高壓射流水切割機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)，可實現(xiàn)對花崗石的地下開采作業(yè)，高壓射流水采切機在地下花崗石開采方面，發(fā)揮獨一無二的優(yōu)勢，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，只能使用潛孔鉆機先鉆一個直徑100mm左右的孔，然后再次安裝擴孔鉆頭將該孔擴鉆至直徑為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，使用洞采水平導向輪配合金剛石串珠鋸進行鋸切，但這種方法需要與專門的液壓或其他機械進給設(shè)備和必要的動力系統(tǒng)。所以，采用金剛石串珠鋸壓繩鋸切法進行花崗石矩形通道的鋸切施工，存在兩個問題：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、底邊和兩個側(cè)邊使用液壓排架鑿巖臺車鉆鑿直徑42～50mm相互貫通的排孔，或使用潛孔鉆鑿巖臺車鉆鑿直徑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向輪將矩形巖體背面(封閉面)的連接面鋸開，整個矩形巖體也就被徹底分離出了。最后，用鋼絲繩和裝載機等設(shè)備將鋸切下來的花崗石矩形切塊從通道內(nèi)拖拽出來。再用隧洞切鋸石機將矩形通道內(nèi)頂邊和底邊余下的巖石小臺階鋸下，并運出碎石，形成規(guī)整的巷道。之后，就可以進行下一個循環(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：前進間隔式和后退連接式(見圖2)。

圖2a為前進間隔式。由劈裂線起始端先鉆第一個孔，然后備留一個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孔，如此間隔交替鉆孔前進，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。從臺階的一個自由面開始鉆孔時，先預(yù)留一個孔徑的間隔，鉆第1個孔，孔成后插入鐵桿再在預(yù)留位孔位上鉆第2孔。之后，再備留一個孔的間距鉆第3個孔，孔成后插入鐵桿，再在備留的孔位上鉆第4個孔，如此后退，遠離自由面密集孔逐漸連接而成。

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

(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)中的光面爆破法進行矩形通道的掘進，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，在巷道掘進面周邊布置小直徑、小藥量和小孔距的“三小”炮孔進行爆破，從而實現(xiàn)對矩形通道四壁巖體的平整爆破，減少對花崗石石體的破壞，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，矩形通道擴展時需要使用鑿巖設(shè)備和金剛石串珠鋸組合施工。

(5) 隧洞鋸石機、隧道鉆孔機開挖法。

石材地下開采矩形通道掘進也可以使用隧道鋸石機和隧道水磨鉆進行掘進，然后再使用密集鉆孔和金剛石串珠鋸進行矩形通道的擴展作業(yè)。該法是直接使用隧洞切割機和隧道鉆孔機進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，可以在各種類型的山體條件下作業(yè)；隧道鉆(水磨鉆)孔機，可用于鉆切花崗石、特堅巖石、風化巖石等。

上述幾種矩形通道開挖與擴展的方法，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、隧洞水磨鉆開掘和光面爆破掘進的小通道，并借助專用導向輪多次改變串珠繩的運動方向，最終將串珠繩導引到這個隱蔽的連接面實施分離切割。為此需要安裝多個改變串珠繩運動方向的洞采專用導向輪裝置，其中有些導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、隧洞水磨鉆和光面爆破小通道中，實現(xiàn)串珠繩的變向運動。同時還必須科學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)也必須嚴格執(zhí)行臺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、吊裝和運輸，廢渣石的清運等。

花崗石因硬度較大，開采時普遍都選擇鋸切開采方法，而且對于中酸性、酸性侵入到巖中形成花崗石的礦床，大都選擇機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

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

【參考文獻】

[1]陳均海.對非金屬礦體地下采礦方法特點的探討[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.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.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]張進生,張政梅,王志.石材礦山開采技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.

[8]廖原時.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]周潤宇.石材開采及機械設(shè)備[M].武漢:武漢工業(yè)大學出版社, 1989.

【其 他】

【采選技術(shù)】

【收稿日期】2014-07-31

【文章編號】1007-9386(2015)01-0024-03

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】TD872.2