花崗石荒料地下開(kāi)采技術(shù)初探

楊世明

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

花崗石荒料地下開(kāi)采技術(shù)初探

楊世明

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

帶著花崗石能不能像大理石一樣進(jìn)行地下開(kāi)采這個(gè)問(wèn)題，筆者研讀了大量的石材開(kāi)采專(zhuān)著和論文，并且對(duì)一些深凹露天花崗石開(kāi)采礦山進(jìn)行了實(shí)地考察，認(rèn)為采用現(xiàn)有成熟的金屬、非金屬礦山采掘設(shè)備和工程掘進(jìn)設(shè)備，以及采礦方法和石材開(kāi)采工藝，可以實(shí)現(xiàn)花崗石地下開(kāi)采的作業(yè)。本文對(duì)花崗石地下開(kāi)采采礦方法、采準(zhǔn)切割巷道施工、礦房切頂、塹溝開(kāi)拓和荒料開(kāi)采等方面進(jìn)行詳細(xì)論述。

花崗石；地下開(kāi)采；采準(zhǔn)切割；礦房切頂；采礦方法

在開(kāi)采花崗石的過(guò)程中，遇到薄層礦體、水平狀礦體上部圍巖特別厚，或傾斜礦體被夾在圍巖中間的一些特殊、高檔花崗石品種的礦山，如果可以進(jìn)行地下開(kāi)采作業(yè)，會(huì)省去大量的表面剝離工作，節(jié)約開(kāi)采成本。單從開(kāi)采工藝和采礦方法考慮，花崗石地下開(kāi)采與大理石地下開(kāi)采的方法應(yīng)該是基本相同的。

1 花崗石地下開(kāi)采可行性

大量的石材開(kāi)采技術(shù)資料與生產(chǎn)實(shí)踐表明，花崗石礦床與大理石礦床的地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件極其相似。①花崗石與大理石都是開(kāi)采大塊矩形荒料，并且最終產(chǎn)品均為石材飾面板材；②花崗石露天開(kāi)采與大理石露天開(kāi)采工藝基本相同；③在深凹露天礦開(kāi)掘塹溝時(shí)，大理石礦使用的組合鉆具切割法和花崗石礦使用的密集鉆孔切割法的作業(yè)原理也基本相同；④石材開(kāi)采使用的山洞型采礦法與房柱采礦法、全面采礦法的采準(zhǔn)和開(kāi)采工藝也十分相似。

不同之處只是花崗石與大理石兩種巖石硬度不同，前者屬硬質(zhì)石材，后者屬軟質(zhì)石材。所以，花崗石與大理石開(kāi)采使用采掘設(shè)備有很大的區(qū)別。

由此可知，花崗石地下開(kāi)采與大理石地下開(kāi)采工藝和采礦方法應(yīng)該是相類(lèi)似的，不同之處只是使用的開(kāi)采設(shè)備不同。借鑒目前成熟的大理石地下開(kāi)采工藝方法，首先使用正確的鋸切設(shè)備和工藝，掘進(jìn)的矩形采準(zhǔn)巷道進(jìn)入花崗石礦體，并實(shí)施切頂作業(yè)，然后采用深凹露天花崗石開(kāi)采的基本方法進(jìn)行后續(xù)花崗石的地下開(kāi)采作業(yè)即可。

2 花崗石地下開(kāi)采技術(shù)

2.1 采掘設(shè)備

實(shí)踐證明，設(shè)備選擇是石材開(kāi)采技術(shù)成功與否的關(guān)鍵一環(huán)，石材開(kāi)采機(jī)械設(shè)備并不是越先進(jìn)、越現(xiàn)代化越好。開(kāi)采者必須根據(jù)礦山石材品種特性，如裂隙發(fā)育程度、色線、色斑、荒料率，以及市場(chǎng)銷(xiāo)售價(jià)、開(kāi)采成本和開(kāi)采設(shè)備的技術(shù)性能等多種因素選擇適宜的開(kāi)采設(shè)備，才能取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益?；◢徥叵麻_(kāi)采，可以使用的設(shè)備主要有開(kāi)采圓盤(pán)鋸、變頻金剛石串珠鋸、立柱式潛孔鉆機(jī)、平巷掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車(chē)、液壓鑿巖排架車(chē)、液壓劈裂車(chē)和液壓柱塞式劈裂棒，以及遂洞水磨鉆、遂洞鋸石機(jī)等。

2.2 開(kāi)拓工程

根據(jù)花崗石礦體的賦存條件，礦床開(kāi)拓一般可以使用平硐、斜井和豎井三種方式。開(kāi)拓工程大多布置在圍巖里，井巷施工可以使用普通的爆破掘進(jìn)法，也可以使用遂洞鋸石機(jī)(見(jiàn)圖1a)、遂洞水磨鉆(見(jiàn)圖1b)和液壓劈裂機(jī)進(jìn)行井巷機(jī)械鋸切和鉆孔劈裂法掘進(jìn)(見(jiàn)圖2)(圖2中a為平面圖；b為剖面圖)。

圖1 井巷機(jī)械鋸切

圖2 鉆孔劈裂法掘進(jìn)

2.3 采準(zhǔn)切割巷道施工

花崗石深凹露天開(kāi)采塹溝工程中使用的密集鉆孔

切割方法，可以用于花崗石地下開(kāi)采矩形采準(zhǔn)巷道的施工；鉆孔設(shè)備根據(jù)現(xiàn)有成熟的金屬、非金屬地下礦山巷道掘進(jìn)和采礦設(shè)備，可以選用地下礦平巷掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車(chē)或立柱式潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔；矩形巷道內(nèi)被密集鉆孔切割的花崗石巖塊背面的連接面，可以使用液壓劈裂棒進(jìn)行分離。其具體施工方法是：①使用平巷掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車(chē)或立柱式潛孔鉆機(jī)，在矩形采準(zhǔn)巷道斷面兩邊和底邊鉆鑿直徑60～90mm密集鉆孔，并形成切割縫，同時(shí)在矩形采準(zhǔn)巷道斷面的頂邊和中部，分別鉆鑿一排直徑90mm連續(xù)鉆孔或密集鉆孔(見(jiàn)圖3a)；②將液壓劈裂棒首先裝入矩形采準(zhǔn)巷道斷面下部的連續(xù)鉆孔，進(jìn)行加壓分離矩形花崗石荒料背面的連接面，分離第一塊鍵石(見(jiàn)圖4a)；③將液壓劈裂棒分別裝入矩形采準(zhǔn)巷道斷面中部和頂部的連續(xù)鉆孔內(nèi)，進(jìn)行加壓分離花崗石巖塊，分離第二塊、第三塊鍵石(見(jiàn)圖4b、圖4c)，并將分離的花崗石荒料從巷道分別取出；④再用隧洞鋸石機(jī)將矩形通道內(nèi)頂邊和底邊殘余的巖石小臺(tái)階鋸下，并將碎石運(yùn)出，形成規(guī)整的巷道，采準(zhǔn)矩形巷道也就完成了一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)；⑤之后以此往復(fù)，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖工作，最終形成整條矩形采準(zhǔn)巷道。另外，為滿(mǎn)足切頂時(shí)使用機(jī)械設(shè)備作業(yè)的需要，矩形采準(zhǔn)巷道尺寸一般為(高×寬) 3m×4～5m，在施工時(shí)一般在寬度方向上采取分兩步切割取石的方法，即第一步先切割在矩形采準(zhǔn)巷道寬度方向上1/2的工程量，第二步再將余下的1/2工程量切割出來(lái)，形成完整斷面尺寸的矩形采準(zhǔn)巷道(見(jiàn)圖3b)。

圖3 矩形采準(zhǔn)巷道鋸切施工

圖4 矩形采準(zhǔn)巷道荒料分離施工

矩形采準(zhǔn)巷道施工可以使用DF10-1BCDL鑿巖臺(tái)車(chē)、SKZ-120A立柱式潛孔鉆機(jī)、YD80E柱塞式劈裂棒、Ssd-800遂洞鋸石機(jī)等設(shè)備。

2.4 礦房切頂

地下礦房開(kāi)采前，首先需要掘進(jìn)矩形采準(zhǔn)、切割巷道和礦房切頂，目的是為以后大量開(kāi)采花崗石荒料做準(zhǔn)備。礦房切頂是在矩形采準(zhǔn)、切割巷道內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展而形成的，也就是當(dāng)矩形采準(zhǔn)、切割巷道形成后，必須進(jìn)一步擴(kuò)大矩形采準(zhǔn)、切割巷道的尺寸，以便盡快形成切頂作業(yè)面。采準(zhǔn)、切割巷道的掘進(jìn)和擴(kuò)展應(yīng)遵循先縱深方向，再橫向水平方向的順序(見(jiàn)圖5)(圖5中a為已完成的采準(zhǔn)和切割巷道；b為礦房切項(xiàng)作業(yè))。在采準(zhǔn)巷道沿著縱深和橫向水平方向的不斷擴(kuò)展，矩形采準(zhǔn)、切割巷道的尺寸也不斷地的擴(kuò)大，并最終形成完整的切頂作業(yè)面。礦房切頂?shù)木唧w施工方法(見(jiàn)圖6)：①在采準(zhǔn)矩形巷道的兩側(cè)的頂板鉆鑿密集鉆孔6形成切割縫，同時(shí)在所需切頂?shù)幕◢徥瘞r塊的拐角處鉆孔7和9，并用串珠鋸將花崗石巖塊頂、底和側(cè)面鋸切開(kāi)；②將切頂部位上部的小巖塊8取出來(lái)，再將下部的大巖塊10移出切頂作業(yè)面，就完成了一個(gè)循環(huán)的切頂作業(yè)；③以此往復(fù)，最終完成整個(gè)礦房的切頂作業(yè)。

圖5 縱橫向采準(zhǔn)、切割巷道與礦房切頂施工

圖6 采準(zhǔn)矩形巷道與礦房切頂施工

礦房切頂施工可以使用DF10-1BCDL鑿巖臺(tái)

車(chē)、YD80E柱塞式劈裂棒、55KW變頻金剛石串珠鋸等設(shè)備。

2.5 塹溝工程

礦房切頂工程完成后，就需要開(kāi)拓塹溝工程，這時(shí)就可以采用從采準(zhǔn)、切割巷道入口處向下開(kāi)拓，也就是在低于切頂作業(yè)面底平面進(jìn)行塹溝工程。塹溝工程是為了給大量開(kāi)采作業(yè)提供第二個(gè)自由面，并形成開(kāi)采作業(yè)臺(tái)階。具體施工方法是：在設(shè)計(jì)的塹溝面積內(nèi)鉆鑿密集孔切割鍵石塊，然后使用劈裂棒分裂切割好的鍵石塊底部連接面，并吊出鍵石形成塹溝(見(jiàn)圖7)(圖7中a為密集鉆孔切割塹溝鍵石；b為液壓劈裂棒劈裂塹溝鍵石底部連接面；c為鍵石側(cè)面鉆孔吊出；d為塹溝工程)。施工初期，一般最少要形成一個(gè)面積6m×6m塹溝，在此面積內(nèi)使用密集鉆孔法，向下切割若干塊厚1～1.5m，長(zhǎng)1.8～2m，高3～3.2m的鍵石。在切割好的鍵石中，需要在準(zhǔn)備首先取出的四塊鍵石上鉆鑿吊環(huán)孔，并裝上鋼絲繩吊環(huán)起吊鍵石，鍵石吊出后就形成初始?jí)q溝。之后，就可以使用花崗石深凹露天開(kāi)采的作業(yè)方法進(jìn)行塹溝工程的延伸。

圖7 塹溝工程施工

塹溝工程施工，可以使用DF10-1BCDL鑿巖臺(tái)車(chē)，鉆鑿直徑90mm鉆孔；使用YD80E柱塞式劈裂棒，進(jìn)行鍵石劈裂分離；使用55KW變頻金剛石串珠鋸進(jìn)行塹溝工程的延伸施工。

2.6 采礦方法

根據(jù)采礦學(xué)基本原理，并借鑒大理石地下開(kāi)采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?；◢徥叵麻_(kāi)采的采礦方法，可以分別采用金屬、非金屬礦床地下開(kāi)采較為普遍使用的全面采礦法、房柱采礦法，以及大理石礦山使用的洞型采礦法和巷道式采礦法。

(1) 全面采礦法。

適用于水平或緩傾斜的3～4m的薄或中厚礦體的開(kāi)采(見(jiàn)圖8)(圖中a為平面圖；b為剖面圖)。礦房寬度可達(dá)60m左右，長(zhǎng)度可達(dá)100m以上。礦柱可采用非規(guī)律性的布置，礦柱為矩形，邊長(zhǎng)為2～4m。礦柱間距一般為8～20m。

圖8 全面采礦法

(2) 房柱采礦法。

適用于開(kāi)采急傾斜厚大礦體的開(kāi)采(見(jiàn)圖9)(圖中a為平面圖；b為Ⅰ-Ⅰ剖面圖；c為Ⅱ-Ⅱ剖面圖)，礦房寬度可達(dá)100m左右，長(zhǎng)度可達(dá)1 000m左右，高度12～20m。礦房全高分若干臺(tái)階，臺(tái)階高3～5m，遇水平層理面，依情況進(jìn)行調(diào)整，臺(tái)階寬度2～3m，臺(tái)階工作線長(zhǎng)度8～10m。每隔12～20m就留下邊長(zhǎng)8～12m的礦柱來(lái)支撐礦房頂板。開(kāi)采巷道中間設(shè)運(yùn)輸通道，以便及時(shí)清渣或運(yùn)出荒料。開(kāi)采荒料的運(yùn)輸，常用牽引絞車(chē)拖拽至相對(duì)寬敞的位置后，用叉車(chē)或裝載機(jī)裝入汽車(chē)運(yùn)出。

圖9 房柱采礦法

在開(kāi)采礦床厚度大的花崗巖等石材時(shí)，房柱采礦法可以分層布置礦房進(jìn)行采石，采用連續(xù)礦柱房柱采礦法(見(jiàn)圖10)，間柱與礦房寬度相近，這一方面是為了使采空區(qū)處在更穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)分中段開(kāi)采時(shí)，可使下層礦房的回采盡量不受上層已采礦房的影響。采準(zhǔn)巷道布置在脈內(nèi)，礦房以后退式順序回采，礦房

由寬和高約4m的地下運(yùn)輸巷道連接，切割的荒料由運(yùn)輸平巷運(yùn)出。

圖10 連續(xù)礦柱房柱法

(3) 洞型采礦法。

圖11 洞型采礦法

適用于礦體埋藏較深、或山體較陡的礦山、以及位于露天礦邊坡內(nèi)的脈狀礦體的開(kāi)采(見(jiàn)圖11)(圖11中a為剖面圖；b為平面圖)。洞室型采礦方法，其實(shí)也是金屬、非金屬礦床地下開(kāi)采較為普遍使用的房柱采礦法，只是這種方法不需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)拓井巷，并且采準(zhǔn)和切割巷道合二為一。采石洞室(礦房)中一般必須留有礦柱來(lái)支撐采空區(qū)地壓。礦房長(zhǎng)可達(dá)數(shù)百米，寬20～30m，高12～30m，礦柱斷面一般為方形，其截面的邊長(zhǎng)尺寸通常為6～10m。

(4) 巷道式采礦法。

巷道式采礦法與洞型采礦法相同，也適用于礦體埋藏較深或山體較陡的礦山，以及位于露天礦邊坡內(nèi)的脈狀礦體的開(kāi)采(見(jiàn)圖12)(圖12中a為剖面圖；b為平面圖)。巷道式采礦法類(lèi)似于連續(xù)礦柱房柱采礦法，只是這種方法不需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)拓井巷，并且采準(zhǔn)和切割巷道合二為一。礦房斷面尺寸，高與寬一般均為15～ 20m，長(zhǎng)度可達(dá)幾十至數(shù)百米，礦房?jī)?nèi)不設(shè)礦柱。

圖12 巷道式地下采礦法

礦房寬度、礦柱斷面和間距、以及礦柱布局形式，與礦體產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、裂隙分布和發(fā)育程度等諸多因素有關(guān)。一般而言礦柱尺寸可以根據(jù)礦體厚度決定，即厚度大取大值，反之取小值。但為了保證礦房開(kāi)采的絕對(duì)安全穩(wěn)定，各類(lèi)采礦方法的礦房寬度和礦柱尺寸的確定，除可以通過(guò)工程類(lèi)比法確定外，必要時(shí)還應(yīng)當(dāng)由非金屬礦山設(shè)計(jì)院現(xiàn)場(chǎng)采樣，并進(jìn)行試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)得出極限跨度值，并以此為依據(jù)選擇科學(xué)合理的礦房寬度、礦柱尺寸和間距。

2.7 荒料開(kāi)采

當(dāng)塹溝工程深入到整個(gè)切頂作業(yè)面的縱深后，就形成地下開(kāi)采臺(tái)階，此時(shí)便可以采用與花崗石深凹露天開(kāi)采相同的工藝和方法，進(jìn)行正式的大規(guī)模機(jī)械化開(kāi)采作業(yè)。具體的開(kāi)采工藝和方法見(jiàn)圖13和圖14。

圖13 串珠鋸開(kāi)采

圖14 圓盤(pán)鋸開(kāi)采

花崗石地下開(kāi)采，可使用開(kāi)采圓盤(pán)鋸與人工劈裂組合法、金剛石串珠鋸全鋸切法、金剛石串珠鋸與液壓劈裂器組合法、液壓鑿巖排架車(chē)與液壓劈裂車(chē)組合法等。

開(kāi)采設(shè)備可以使用開(kāi)采圓盤(pán)鋸、變頻金剛石串珠、CYL1/28液壓鑿巖排架車(chē)、YPJ-12A型液壓劈裂車(chē)等。

2.8 礦房安全

(1) 礦房頂板管理。

首先對(duì)采場(chǎng)頂板、礦壁上危石和裂隙使用錨噴支護(hù)方式進(jìn)行加固。同時(shí)還要經(jīng)常檢查和清除頂板、礦壁上危石，確保采場(chǎng)作業(yè)人員的安全。此外，還要在礦房?jī)?nèi)安裝檢測(cè)巖石應(yīng)力和形變的傳感監(jiān)測(cè)器，隨時(shí)監(jiān)測(cè)礦房巖石應(yīng)力變化情況，以便采取相應(yīng)的安全措施。

(2) 照明、通風(fēng)和排水。

井下作業(yè)需要設(shè)有足夠的照明設(shè)備設(shè)施，并且采掘作業(yè)面必須使用安全電壓；為防止粉塵矽肺病和車(chē)輛尾氣中毒事故，保證采場(chǎng)作業(yè)面空氣清潔和新鮮，需要建立通風(fēng)系統(tǒng)；當(dāng)開(kāi)采底于地下水位的礦體時(shí)，還要依據(jù)水文地質(zhì)條件，設(shè)立完善的井下防排水系統(tǒng)。

3 結(jié)論

本文探討的花崗石地下采礦與開(kāi)采方法，所使用的設(shè)備和工藝均成熟、簡(jiǎn)單、易于操作，并且在理論上也是完全可行的。尤其是對(duì)于一些稀有、高檔品種的花崗石開(kāi)采，其適用性更加突出。

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TD872.2；TD803

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1007-9386(2015)02-0035-04

2014-11-27