淺談在鹽溶礦開采中金剛石繩鋸的制備及應用

楊理清

(1.桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004；2.廣西超硬材料重點實驗室，桂林 541004)

1 引 言

現有鹽類礦床除了富礦可露天直接開采外，貧礦通常采用水溶開采方法，該方法一般采用坑道開挖硐室，以打眼、爆破的方式產生裂縫，浸泡溶解礦層中的鹽，再通過管道與水泵抽到地面進行蒸發(fā)、提純，此種方式效率低、危險性高且噪聲大，成本高，難以適應可持續(xù)、低碳、環(huán)保的發(fā)展要求；特別是距離城鎮(zhèn)較近時，每次爆破均相當于3級的地震。而采用金剛石繩鋸這類先進的開采工具及方式，可以大大提升鹽溶礦開采效率，且不會對礦體產生劇烈震動，是十分適合在鹽溶礦開采中應用的。

本文從金剛石繩鋸串珠胎體配方設計、金剛石繩鋸防腐蝕、金剛石繩鋸特殊固定方式、鹽溶礦金剛石繩鋸所用開采設備、爆破法、金剛石繩鋸切割法等方面進行介紹，綜述在鹽溶礦開采中金剛石繩鋸的制備及應用。

2 應用于鹽溶礦中的金剛石繩鋸制備特點

我們知道鹽溶礦有十分明顯的特征，就是硬度低，遇水易軟化、溶解，因此針對鹽溶礦的特點，我們需要制備特別的金剛石繩鋸，才可滿足金剛石繩鋸在鹽溶礦中的開采應用。

2.1 金剛石繩鋸串珠胎體配方設計

由于鹽溶礦礦體具有硬度低，黏度大等特點，金剛石繩鋸串珠胎體必須針對這些特殊情況來設計，目前國內針對該礦體設計金剛石繩鋸串珠胎體基本依據以Fe-Cu為基礎，金剛石參數以粗粒度低濃度的思路。

胎體選擇Fe-Cu為基礎主要考慮Fe[1]元素燒結性好，對金剛石把持力相對較弱，有利于在鹽溶礦開采中實現金剛石的換層，而Cu元素更是因硬度低、燒結性好，對提高金剛石串珠胎體與基體粘接強度十分有效。

金剛石參數[2]中低濃度、粗粒度也是適應鹽溶礦切割需要的，鹽溶礦對金剛石繩鋸的研磨性很小，高濃度容易導致金剛石繩鋸串珠表層金剛石磨平而無法換層導致金剛石切割失效，同樣道理，細粒度[3]金剛石也會因為數量多、金剛石出刃高度低[4]，切割排屑困難而導致金剛石磨平失效，桂林特邦公司在金剛石粒度上設計最粗達25～30目。

2.2 金剛石繩鋸防腐蝕措施

(1)鋼絲繩的選用

金剛石繩鋸制備常規(guī)都是采用鍍銅鋼絲繩進行，而這種材料在鹽溶礦開采過程中很容易因為鹽溶礦的溶液對繩鋸接頭或破損處產生腐蝕進而導致斷繩發(fā)生，從而影響鹽溶礦施工開采進度，因此，我們開始嘗試選擇鍍鋅鋼絲繩進行制備金剛石繩鋸，鋼絲繩表面鍍鋅層不像鍍銅層那樣活潑易發(fā)生氧化，這就可以有效阻止鹽溶礦溶液對鋼絲繩的腐蝕，延長金剛石繩鋸的使用壽命。

目前常用鋼絲繩主要有鍍鋅層鋼絲繩與鍍銅層鋼絲繩，而應用于橡膠制備礦山繩主要采用鍍銅層鋼絲繩(因銅較易與橡膠發(fā)生反應)，而銅的抗氧化及防腐蝕性能要弱于鍍鋅層鋼絲繩，對此，我們進行了鹽溶礦侵蝕試驗，試驗結果如下：

試驗說明鍍鋅層鋼絲繩防氧化、抗腐蝕性能要高于鍍銅層鋼絲繩，這對于長時間作用于鹽溶礦的切割繩鋸來說非常重要，因此，我們選擇優(yōu)質鍍鋅層鋼絲繩。

而采用鍍鋅鋼絲繩對金剛石繩鋸切割鹽溶礦是非常有好處的，但鍍鋅鋼絲繩與普通橡膠發(fā)生化學反應不如鍍銅鋼絲繩好，因此容易出現橡膠與鍍鋅鋼絲繩不粘、脫膠的質量問題，因此，采用鍍鋅鋼絲繩制備金剛石繩鋸首先必須開發(fā)專用的橡膠及橡膠工藝，這樣才能制備合格的適用于鹽溶礦開采用的金剛石繩鋸。

(2)專用橡膠的開發(fā)

在開發(fā)橡膠過程中我們必須滿足兩個條件：

A、耐腐蝕[4]，可在鹽溶礦中長時間正常使用;

B、與鍍鋅層鋼絲繩發(fā)生反應，并具有足夠的固定強度。

本公司與有關科研單位經多年研究，現已經開發(fā)出來了符合以上兩個條件的橡膠，通過試驗測試橡膠性能基本可以滿足鹽溶礦開采中對金剛石繩鋸的制備要求。

表2 專用橡膠基本性能數據表

2.3 金剛石繩鋸特殊固定方式

我們知道開采鹽溶礦，繩鋸的切割面積一般會比較大，單個面積有200平方米、400平方米、600平方米甚至1000平方米的，主要因為鹽溶礦體較軟，需要一定的承重能力，并同時考慮施工進度。因此，金剛石繩鋸在鹽溶礦中切割會遇到強大阻力，這常常導致金剛石繩鋸中串珠發(fā)生竄珠情況，還會導致金剛石繩鋸旋轉停止出現打滑現象，尤其是在初始起鋸時、鹽溶礦溶解較多時、切割面轉角過大時更易發(fā)生。

應用于鹽溶礦的金剛石繩鋸制備，通常需要增強金剛石繩鋸串珠與串珠之間的固定強度，采用方法目前主要是通過在金剛石繩鋸串珠與串珠之間增加彈簧[5]來達到加強金剛石繩鋸固定強度的目的，這樣就可以有效避免出現竄珠風險。

金剛石繩鋸串珠與串珠之間增加彈簧方式有多種，主要的兩種方式為串珠基體兩端沉孔+扁彈簧、基體兩端不沉孔+圓彈簧。這兩種方式作用效果相當，都能起增加金剛石繩鋸固定強度的作用，能有效防止金剛石繩鋸竄珠的發(fā)生。

3 鹽溶礦金剛石繩鋸所用開采設備

采用金剛石繩鋸開采鹽溶礦必須要有相應的設備，目前采用的設備一般是國內花崗巖礦山繩鋸設備，設備功率大小有37kW、45kW、55kW、75kW等，由于鹽溶礦采用金剛石繩鋸開采，切割面積大，溶解后巖漿具有一定黏性，對金剛石繩鋸切割開采具有很大阻力，因此，據現場操作人員反饋，采用55kW以下功率的花崗巖礦山繩鋸設備，金剛石繩鋸時常會有打滑切不動的情況，因此，在設備功率選擇上，55kW以上花崗巖礦山繩鋸機是鹽溶礦切割開采優(yōu)先考慮的，并且功率越大，開采進度就會越有優(yōu)勢。

除了開采設備，開采鹽溶礦還需要增加專門的開采輔助設備，這些設備包括打孔風鉆、導向輪等。

打孔風鉆的作用是對鹽溶礦進行打洞，以便將金剛石繩鋸穿入巖層，并將金剛石繩鋸圍成一個閉環(huán)體進而對巖體進行切割開采。

導向輪設備的作用是對金剛石繩鋸切割方向進行導向并緩和金剛石繩鋸切割鋸路，明顯轉角過小，形成切割阻力等。

4 鹽溶礦切割開采方式

鹽溶礦開采方式主要有爆破法和金剛石繩鋸切割法。

4.1 爆破法

爆破法是鹽溶礦開采的傳統(tǒng)方法，通過用炸藥對硐室中的鹽溶礦體進行定向爆破[5]，由于爆破的體積大，需較大的炸藥當量，會對鹽溶礦體產生較大震動，巖體易產生裂紋、甚至巖體坍塌，具有很大安全風險。

4.2 金剛石繩鋸切割法

金剛石繩鋸切割法是一種靜態(tài)切割裂紋法，它是通過金剛石繩鋸在高線速度下用金剛石串珠對鹽溶礦體連續(xù)循環(huán)切割的過程，采用該方式幾乎不會對鹽溶礦體產生震動，并且可以做到精準定位切割，具有很好的開采設計性及可控性，是一種十分理想的環(huán)境友好型高效開采方式。

(1)金剛石繩鋸在鹽溶礦中的開采步驟

采用金剛石繩鋸開采鹽溶礦體需要一個合理的開發(fā)方案,方案的主要內容為金剛石繩鋸開采步驟,這是保證金剛石繩鋸可以順利開采鹽溶礦的關鍵環(huán)節(jié),以下對金剛石繩鋸開采鹽溶礦體的過程做一簡單介紹。

采用金剛石繩鋸開采鹽溶礦的一般步驟如下[6]：

1、在鹽溶礦體預定作業(yè)區(qū)域范圍內開挖出不同層面的平行水平巷道，并保證巷道位于同一切割界面上；

2、在相鄰巷道之間采用風鉆鉆出相通的繩鋸穿設孔，一般一個切割面需要打3個穿繩孔；

3、將金剛石繩鋸采用鐵桿或空心管等特殊工具穿入穿繩孔連接形成一個閉環(huán)區(qū)，如果金剛石繩鋸長度不足，可以采用金剛石繩鋸專用接頭將不同長度的金剛石繩鋸連接起來，形成一個金剛石繩鋸閉環(huán)體；

4、在其中一個巷道內鋪設軌道，將繩鋸機架設于軌道上，并可沿著軌道行走，將已經穿好的閉環(huán)金剛石繩鋸套于繩鋸設備的飛輪上，即已經做好金剛石繩鋸前期開采準備工作；

5、向各繩鋸穿繩孔內注入冷卻水，啟動繩鋸機帶動金剛石繩鋸形成高速回轉即可實現在鹽溶礦體的切割立面上切割出溶解裂縫。

圖1 金剛石繩鋸開采示意圖Fig．1 The mining schematic diagram with diamond wire saw1：水平巷道；2：金剛石繩鋸；3：繩鋸機；4：軌道；5：轉向機構；6：繩鋸穿繩孔

(2)金剛石繩鋸在鹽溶礦中的切割工藝

金剛石繩鋸開采方案中切割工藝的設計直接關系開采質量與效率，因此在這里談談金剛石繩鋸開采工藝問題。

金剛石繩鋸開采工藝重點是單次切割面積與金剛石繩鋸切割參數。

單次切割面積關系著切割效率，切割面積過大或過小都不利于鹽溶礦體的開采，切割面積過大，穿繩難度增加，設備功率要求過大，切割時效率會很低；切割面積過小，增加打孔頻率，會減少有效切割時間，一般選擇切割面積在100平方米至2000平方米之間，條件允許的情況，面積越大越好，設計切割面積以20m×40m或30m×40m或40m×40m為最佳。

金剛石繩鋸切割參數，鹽溶礦開采用的繩鋸機功率選擇75kW至500kW為宜，功率過小金剛石繩鋸起鋸困難，也無法切割面積較大的礦體，繩鋸機的線速度選擇在35m/s至38m/s，因為線速度低于35m/s，切割效率會明顯下降，線速度高于38m/s，因繩鋸速度過高，金剛石繩鋸就無法形成正常切割，切割效率也會下降。

5 實例應用說明

我公司在湖南的某芒硝礦采用金剛石繩鋸進行開采,取得非常成功的效果,以下列舉一個金剛石繩鋸開采芒硝礦的典型事例加以說明[6].

如圖1所示，在采礦區(qū)的預定作業(yè)區(qū)域內開挖出數條平行的水平巷道1，各水平巷道1的長度為150m，截面尺寸不小于2.5m×2.5m，各水平巷道1將預定作業(yè)區(qū)域劃分出上、下兩個方形的切割體，現以對下切割體進行切割作業(yè)為例對開采實施方案做進一步說明：

(1)在下切割體的上、下、左、右水平巷道1之間，用經緯儀確定鉆孔位置，鉆出同一立面內(或者近似同一立面內)的左、右垂直繩鋸穿繩孔6，各繩鋸穿繩孔6的直徑不小于Φ75mm。

(2)在下方右側的水平巷道1內鋪設與水平巷道1方向一致的軌道4(可以是整條軌道4，也可以分段鋪設連接的軌道4)，軌道4上設置可沿軌道4行走的繩鋸機3。

(3)于繩鋸機3所在的水平巷道1內，將斷開的金剛石繩鋸2(可以是分段連接的金剛石繩鋸2)沿著繩鋸穿繩孔6依次穿入，金剛石繩鋸2兩端頭用專用接頭連接形成閉環(huán)，并通過轉向機構5安裝(繞裝)于繩鋸機3的飛輪上。

(4)在各繩鋸穿繩孔6的入口處同時注入冷卻水，啟動繩鋸機3，金剛石繩鋸2在繩鋸機3的飛輪帶動下，以20m/s至40m/s的線速度回轉，與此同時繩鋸機3在軌道4上以1m/h至15m/h的速度移動，把整個切割體上、下、左、右四個繩鋸穿繩孔6所在的立面切割出來，這個立面即為溶解裂縫。

(5)切割另一條溶解裂縫時，把金剛石繩鋸2上的專用接頭剪斷，拉出整條金剛石繩鋸2，在離開前一條切割好的鋸縫一定水平間距0.2米、0.5米或1米的立面上，又鉆出類似的繩鋸穿繩孔6，重復上面的操作步驟，即可切割出另一條溶解裂縫。

如上述的反復切割，就可以按照設計要求在鹽溶礦體內切割出許多溶解裂縫，通過在水平巷道1內灌入水對鹽溶礦體進行溶解，然后把溶解液抽上來進行提煉，就可以實現通過金剛石繩鋸開采水溶性鹽溶礦體的目的。

6 展 望

礦產資源是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎，礦業(yè)是我國國民經濟發(fā)展的支柱性產業(yè)，確保礦產資源的穩(wěn)定供給是國民經濟可持續(xù)發(fā)展的基本條件。隨著國民經濟和國家建設的發(fā)展,礦產資源緊缺的“瓶頸”問題已經引起了國家的高度重視，各種富礦、貧礦都需要適度開采，同時環(huán)保問題、安全問題在開采生產中也顯得非常重要。鹽溶礦在我國儲量大，分布很廣，需求旺盛，傳統(tǒng)的開采方式開采效率低，安全性低，對環(huán)境損害大，隨著國家對礦山資源保護力度的加大，傳統(tǒng)的爆破開采方式必將被限制直至取消，而金剛石繩鋸開采鹽溶礦的方式正符合當今礦山開采高效性、安全性以及環(huán)境友好型的特征，是可以完全取代傳統(tǒng)爆破開采方式的一種新型開采方式，可以預見，不久的將來金剛石繩鋸開采鹽溶礦將在各種鹽溶礦中得以應用。