花岗石荒料地下开采技术初探

杨世明

（苏尼特右旗安全生产监督管理局，内蒙古 锡林郭勒盟苏尼特右旗 011200）

花岗石荒料地下开采技术初探

杨世明

（苏尼特右旗安全生产监督管理局，内蒙古 锡林郭勒盟苏尼特右旗 011200）

带着花岗石能不能像大理石一样进行地下开采这个问题，笔者研读了大量的石材开采专著和论文，并且对一些深凹露天花岗石开采矿山进行了实地考察，认为采用现有成熟的金属、非金属矿山采掘设备和工程掘进设备，以及采矿方法和石材开采工艺，可以实现花岗石地下开采的作业。本文对花岗石地下开采采矿方法、采准切割巷道施工、矿房切顶、堑沟开拓和荒料开采等方面进行详细论述。

花岗石；地下开采；采准切割；矿房切顶；采矿方法

在开采花岗石的过程中，遇到薄层矿体、水平状矿体上部围岩特别厚，或倾斜矿体被夹在围岩中间的一些特殊、高档花岗石品种的矿山，如果可以进行地下开采作业，会省去大量的表面剥离工作，节约开采成本。单从开采工艺和采矿方法考虑，花岗石地下开采与大理石地下开采的方法应该是基本相同的。

1 花岗石地下开采可行性

大量的石材开采技术资料与生产实践表明，花岗石矿床与大理石矿床的地质条件和开采技术经济条件极其相似。①花岗石与大理石都是开采大块矩形荒料，并且最终产品均为石材饰面板材；②花岗石露天开采与大理石露天开采工艺基本相同；③在深凹露天矿开掘堑沟时，大理石矿使用的组合钻具切割法和花岗石矿使用的密集钻孔切割法的作业原理也基本相同；④石材开采使用的山洞型采矿法与房柱采矿法、全面采矿法的采准和开采工艺也十分相似。

不同之处只是花岗石与大理石两种岩石硬度不同，前者属硬质石材，后者属软质石材。所以，花岗石与大理石开采使用采掘设备有很大的区别。

由此可知，花岗石地下开采与大理石地下开采工艺和采矿方法应该是相类似的，不同之处只是使用的开采设备不同。借鉴目前成熟的大理石地下开采工艺方法，首先使用正确的锯切设备和工艺，掘进的矩形采准巷道进入花岗石矿体，并实施切顶作业，然后采用深凹露天花岗石开采的基本方法进行后续花岗石的地下开采作业即可。

2 花岗石地下开采技术

2.1 采掘设备

实践证明，设备选择是石材开采技术成功与否的关键一环，石材开采机械设备并不是越先进、越现代化越好。开采者必须根据矿山石材品种特性，如裂隙发育程度、色线、色斑、荒料率，以及市场销售价、开采成本和开采设备的技术性能等多种因素选择适宜的开采设备，才能取得较好的技术经济效益。花岗石地下开采，可以使用的设备主要有开采圆盘锯、变频金刚石串珠锯、立柱式潜孔钻机、平巷掘进凿岩台车、液压凿岩排架车、液压劈裂车和液压柱塞式劈裂棒，以及遂洞水磨钻、遂洞锯石机等。

2.2 开拓工程

根据花岗石矿体的赋存条件，矿床开拓一般可以使用平硐、斜井和竖井三种方式。开拓工程大多布置在围岩里，井巷施工可以使用普通的爆破掘进法，也可以使用遂洞锯石机(见图1a)、遂洞水磨钻(见图1b)和液压劈裂机进行井巷机械锯切和钻孔劈裂法掘进(见图2)(图2中a为平面图；b为剖面图)。

图1 井巷机械锯切

图2 钻孔劈裂法掘进

2.3 采准切割巷道施工

花岗石深凹露天开采堑沟工程中使用的密集钻孔

切割方法，可以用于花岗石地下开采矩形采准巷道的施工；钻孔设备根据现有成熟的金属、非金属地下矿山巷道掘进和采矿设备，可以选用地下矿平巷掘进凿岩台车或立柱式潜孔钻机进行钻孔；矩形巷道内被密集钻孔切割的花岗石岩块背面的连接面，可以使用液压劈裂棒进行分离。其具体施工方法是：①使用平巷掘进凿岩台车或立柱式潜孔钻机，在矩形采准巷道断面两边和底边钻凿直径60～90mm密集钻孔，并形成切割缝，同时在矩形采准巷道断面的顶边和中部，分别钻凿一排直径90mm连续钻孔或密集钻孔(见图3a)；②将液压劈裂棒首先装入矩形采准巷道断面下部的连续钻孔，进行加压分离矩形花岗石荒料背面的连接面，分离第一块键石(见图4a)；③将液压劈裂棒分别装入矩形采准巷道断面中部和顶部的连续钻孔内，进行加压分离花岗石岩块，分离第二块、第三块键石(见图4b、图4c)，并将分离的花岗石荒料从巷道分别取出；④再用隧洞锯石机将矩形通道内顶边和底边残余的岩石小台阶锯下，并将碎石运出，形成规整的巷道，采准矩形巷道也就完成了一个掘进循环；⑤之后以此往复，进行下一个循环开挖工作，最终形成整条矩形采准巷道。另外，为满足切顶时使用机械设备作业的需要，矩形采准巷道尺寸一般为(高×宽) 3m×4～5m，在施工时一般在宽度方向上采取分两步切割取石的方法，即第一步先切割在矩形采准巷道宽度方向上1/2的工程量，第二步再将余下的1/2工程量切割出来，形成完整断面尺寸的矩形采准巷道(见图3b)。

图3 矩形采准巷道锯切施工

图4 矩形采准巷道荒料分离施工

矩形采准巷道施工可以使用DF10-1BCDL凿岩台车、SKZ-120A立柱式潜孔钻机、YD80E柱塞式劈裂棒、Ssd-800遂洞锯石机等设备。

2.4 矿房切顶

地下矿房开采前，首先需要掘进矩形采准、切割巷道和矿房切顶，目的是为以后大量开采花岗石荒料做准备。矿房切顶是在矩形采准、切割巷道内进行扩展而形成的，也就是当矩形采准、切割巷道形成后，必须进一步扩大矩形采准、切割巷道的尺寸，以便尽快形成切顶作业面。采准、切割巷道的掘进和扩展应遵循先纵深方向，再横向水平方向的顺序(见图5)(图5中a为已完成的采准和切割巷道；b为矿房切项作业)。在采准巷道沿着纵深和横向水平方向的不断扩展，矩形采准、切割巷道的尺寸也不断地的扩大，并最终形成完整的切顶作业面。矿房切顶的具体施工方法(见图6)：①在采准矩形巷道的两侧的顶板钻凿密集钻孔6形成切割缝，同时在所需切顶的花岗石岩块的拐角处钻孔7和9，并用串珠锯将花岗石岩块顶、底和侧面锯切开；②将切顶部位上部的小岩块8取出来，再将下部的大岩块10移出切顶作业面，就完成了一个循环的切顶作业；③以此往复，最终完成整个矿房的切顶作业。

图5 纵横向采准、切割巷道与矿房切顶施工

图6 采准矩形巷道与矿房切顶施工

矿房切顶施工可以使用DF10-1BCDL凿岩台

车、YD80E柱塞式劈裂棒、55KW变频金刚石串珠锯等设备。

2.5 堑沟工程

矿房切顶工程完成后，就需要开拓堑沟工程，这时就可以采用从采准、切割巷道入口处向下开拓，也就是在低于切顶作业面底平面进行堑沟工程。堑沟工程是为了给大量开采作业提供第二个自由面，并形成开采作业台阶。具体施工方法是：在设计的堑沟面积内钻凿密集孔切割键石块，然后使用劈裂棒分裂切割好的键石块底部连接面，并吊出键石形成堑沟(见图7)(图7中a为密集钻孔切割堑沟键石；b为液压劈裂棒劈裂堑沟键石底部连接面；c为键石侧面钻孔吊出；d为堑沟工程)。施工初期，一般最少要形成一个面积6m×6m堑沟，在此面积内使用密集钻孔法，向下切割若干块厚1～1.5m，长1.8～2m，高3～3.2m的键石。在切割好的键石中，需要在准备首先取出的四块键石上钻凿吊环孔，并装上钢丝绳吊环起吊键石，键石吊出后就形成初始堑沟。之后，就可以使用花岗石深凹露天开采的作业方法进行堑沟工程的延伸。

图7 堑沟工程施工

堑沟工程施工，可以使用DF10-1BCDL凿岩台车，钻凿直径90mm钻孔；使用YD80E柱塞式劈裂棒，进行键石劈裂分离；使用55KW变频金刚石串珠锯进行堑沟工程的延伸施工。

2.6 采矿方法

根据采矿学基本原理，并借鉴大理石地下开采的实践经验。花岗石地下开采的采矿方法，可以分别采用金属、非金属矿床地下开采较为普遍使用的全面采矿法、房柱采矿法，以及大理石矿山使用的洞型采矿法和巷道式采矿法。

(1) 全面采矿法。

适用于水平或缓倾斜的3～4m的薄或中厚矿体的开采(见图8)(图中a为平面图；b为剖面图)。矿房宽度可达60m左右，长度可达100m以上。矿柱可采用非规律性的布置，矿柱为矩形，边长为2～4m。矿柱间距一般为8～20m。

图8 全面采矿法

(2) 房柱采矿法。

适用于开采急倾斜厚大矿体的开采(见图9)(图中a为平面图；b为Ⅰ-Ⅰ剖面图；c为Ⅱ-Ⅱ剖面图)，矿房宽度可达100m左右，长度可达1 000m左右，高度12～20m。矿房全高分若干台阶，台阶高3～5m，遇水平层理面，依情况进行调整，台阶宽度2～3m，台阶工作线长度8～10m。每隔12～20m就留下边长8～12m的矿柱来支撑矿房顶板。开采巷道中间设运输通道，以便及时清渣或运出荒料。开采荒料的运输，常用牵引绞车拖拽至相对宽敞的位置后，用叉车或装载机装入汽车运出。

图9 房柱采矿法

在开采矿床厚度大的花岗岩等石材时，房柱采矿法可以分层布置矿房进行采石，采用连续矿柱房柱采矿法(见图10)，间柱与矿房宽度相近，这一方面是为了使采空区处在更稳定的状态，同时分中段开采时，可使下层矿房的回采尽量不受上层已采矿房的影响。采准巷道布置在脉内，矿房以后退式顺序回采，矿房

由宽和高约4m的地下运输巷道连接，切割的荒料由运输平巷运出。

图10 连续矿柱房柱法

(3) 洞型采矿法。

图11 洞型采矿法

适用于矿体埋藏较深、或山体较陡的矿山、以及位于露天矿边坡内的脉状矿体的开采(见图11)(图11中a为剖面图；b为平面图)。洞室型采矿方法，其实也是金属、非金属矿床地下开采较为普遍使用的房柱采矿法，只是这种方法不需要专门的开拓井巷，并且采准和切割巷道合二为一。采石洞室(矿房)中一般必须留有矿柱来支撑采空区地压。矿房长可达数百米，宽20～30m，高12～30m，矿柱断面一般为方形，其截面的边长尺寸通常为6～10m。

(4) 巷道式采矿法。

巷道式采矿法与洞型采矿法相同，也适用于矿体埋藏较深或山体较陡的矿山，以及位于露天矿边坡内的脉状矿体的开采(见图12)(图12中a为剖面图；b为平面图)。巷道式采矿法类似于连续矿柱房柱采矿法，只是这种方法不需要专门的开拓井巷，并且采准和切割巷道合二为一。矿房断面尺寸，高与宽一般均为15～ 20m，长度可达几十至数百米，矿房内不设矿柱。

图12 巷道式地下采矿法

矿房宽度、矿柱断面和间距、以及矿柱布局形式，与矿体产状、结构、裂隙分布和发育程度等诸多因素有关。一般而言矿柱尺寸可以根据矿体厚度决定，即厚度大取大值，反之取小值。但为了保证矿房开采的绝对安全稳定，各类采矿方法的矿房宽度和矿柱尺寸的确定，除可以通过工程类比法确定外，必要时还应当由非金属矿山设计院现场采样，并进行试验室模拟试验得出极限跨度值，并以此为依据选择科学合理的矿房宽度、矿柱尺寸和间距。

2.7 荒料开采

当堑沟工程深入到整个切顶作业面的纵深后，就形成地下开采台阶，此时便可以采用与花岗石深凹露天开采相同的工艺和方法，进行正式的大规模机械化开采作业。具体的开采工艺和方法见图13和图14。

图13 串珠锯开采

图14 圆盘锯开采

花岗石地下开采，可使用开采圆盘锯与人工劈裂组合法、金刚石串珠锯全锯切法、金刚石串珠锯与液压劈裂器组合法、液压凿岩排架车与液压劈裂车组合法等。

开采设备可以使用开采圆盘锯、变频金刚石串珠、CYL1/28液压凿岩排架车、YPJ-12A型液压劈裂车等。

2.8 矿房安全

(1) 矿房顶板管理。

首先对采场顶板、矿壁上危石和裂隙使用锚喷支护方式进行加固。同时还要经常检查和清除顶板、矿壁上危石，确保采场作业人员的安全。此外，还要在矿房内安装检测岩石应力和形变的传感监测器，随时监测矿房岩石应力变化情况，以便采取相应的安全措施。

(2) 照明、通风和排水。

井下作业需要设有足够的照明设备设施，并且采掘作业面必须使用安全电压；为防止粉尘矽肺病和车辆尾气中毒事故，保证采场作业面空气清洁和新鲜，需要建立通风系统；当开采底于地下水位的矿体时，还要依据水文地质条件，设立完善的井下防排水系统。

3 结论

本文探讨的花岗石地下采矿与开采方法，所使用的设备和工艺均成熟、简单、易于操作，并且在理论上也是完全可行的。尤其是对于一些稀有、高档品种的花岗石开采，其适用性更加突出。

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TD872.2；TD803

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2014-11-27