松平坡地下板巖礦開采工藝研究

林友

(昆明冶金高等專科學校礦業學院)

板巖是一種沉積巖，其成分主要為二氧化硅，可耐酸。成品在國內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于礦區的下白堊統景星組下部灰綠色、紫紅色板巖夾砂巖中，呈層狀產出，延伸較穩定。礦石為灰綠色、紫紅色及黑色板巖，整體為Ⅰ號礦體，礦體呈近似東西向帶狀分布于瀾滄江西岸，走向長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°。礦區工程地質巖組有散體結構松散巖組及致密結構半堅硬巖組2類。根據地質資料、礦山生產經驗及現場實際考察判斷，礦體及頂底板圍巖穩固性均較好。下伏基巖組成反傾山坡，基巖山體總體穩定。礦區工程地質條件屬簡單類型。

礦山原采礦方案采用靜態爆裂法對I號礦體進行分離回采。盡管靜態爆裂法投資少，但其具有靜態膨脹劑需根據不同地區、不同季節的溫度高低進行配方的調整，需進行大量的鉆孔作業，膨脹劑的作用時間較長等不利因素，這些因素導致該法的生產效率很低。鑒于本礦要擴大生產規模，不宜再采用鑿巖爆裂法進行大量的分離作業，故針對松平坡地下板巖礦的礦體賦存情況及內外部開發條件，綜合考慮礦山生產現狀及采空區處理方法，對礦區I號礦體進行了采礦方法設計的研究，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、吊裝與運輸和充填鋪底等工序［2-3］。

板巖礦開采時，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(包括導爆索爆裂法、黑火藥爆裂法、金屬燃燒劑爆裂法和靜態爆裂法)和機械鋸切法(包括金剛石串珠鋸、臂式鋸和圓盤鋸鋸切法)等［2-3］。其中，鑿巖劈裂法簡單實用，成本低，但勞動強度大，且要求工人能識別巖石及其劈理和熟練掌握劈裂技能，這在我國花崗石礦開采時使用較為廣泛。鑿巖爆裂法需嚴格控制爆破，此法亦在花崗石礦山應用較廣，其特點是孔間距小、直徑小、裝藥量少。而導爆索爆裂法對石材沖擊較大，降低石材的荒料形成率，并降低石材質量。鋸切法則廣泛用于大理石礦山的開采，具有破損小，可大大提高荒料率，機械化程度高，勞動強度小，勞動生產率高，鋸切面平整、光滑，減少整形工作量等優點。故凡是條件適宜的地方，應提倡采用鋸切法，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步，抗壓強度超過120 MPa的巖石也可進行有效的鋸切。

松平坡板巖礦體及頂底板圍巖穩定性均較好。礦山已部分使用靜態爆破法進行過開采，積累了一定經驗。靜態爆破法投資少，但其生產效率很低。相對于飾面石材的開采，由于普通礦用炸藥威力過大，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，另外導爆索爆裂法也被廣泛地使用，但爆裂法比鋸切法產生的荒料率低得多。鑒于本礦要擴大生產規模，研究推薦使用非爆破的方法。故綜合考慮本礦巖石的性質、開采技術條件、礦山的生產能力(1萬m3/a)、礦石的價值、所耗材料的易獲得性及成本等因素，本礦適合采用機械鋸切法進行主要的生產分離和分解作業，并以靜態爆裂法作為輔助切割方式。

2 采礦工藝

基于上述原因，選擇機械鋸切法進行主要的生產分離和分解作業，綜合考慮采用串珠繩鋸進行機械鋸切分離的諸多優點，并結合采空區處理情況等因素，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 礦塊布置及構成要素

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

2.2 采準切割

在礦體內靠下盤開掘中段運輸巷道(斷面2.0 m×2.0 m)，在礦塊間柱內布置脈內人行材料通風天井(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切割平巷(以便于開采下分層時通風系統的形成及確保采場安全通道)。回采從礦房的下部分層依次從下往上開采，每個分層從礦房的一端拉切割槽后向另一端推進開采［5］。按礦體平均厚13.5 m計算，所設計的標準礦塊礦石總量為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行回采，根據礦山設備技術經濟情況，分層高度確定為2.5～3 m。由于分離、切割工作耗時較多，為關鍵性作業，故每班設計采用2個臺階(2個工作面)并行作業。主要生產工藝如下:

(1)分離。是指采用適當的采石方法，將長條塊石脫離原巖的工序，這是采石工藝中最重要的工序。正常生產長條塊石切割分離設計如圖2所示。長條塊石的分離設計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側面。生產使用的金剛石串珠繩鋸技術參數為:型號KSJ37－800;主電機功率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，設計按3.0 m2/h計;耗水量10 m3/h。據此計算日生產長條塊石荒料為1條，即礦塊日產量為31 m3/d。

圖2 切割分離示意

(2)頂翻。在實際生產中，由于長條塊石一般高度大，寬度小，為了下一工序切割機的方便，要將其翻轉90°，平臥在工作平臺上。若長條塊石的體積較小，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或推移包將其頂翻。設計選用TITANO160型液壓頂石機，頂推力為1 600 kN。翻倒前在平臺上墊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，將長條塊石分割成若干荒料坯。設計將分離的長條石塊切割成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)吊裝和運輸。采用地下礦用輕型桅桿吊機吊裝［3］，桅桿吊機安設在天井放料格附近，可逐一將切割好的料石通過采場天井料格下放到礦塊底部的脈內運輸巷道進行裝車。

(5)整形。即將荒料坯按用戶對荒料的驗收標準或供需雙方商定的荒料驗收標準，將超過標準規定的凹凸部分，采用專用的整形機予以切除。整形工作主要在地表的荒料加工堆放場進行。

(6)充填鋪底。開采過程中，在擇取荒料后，有一部分小于所定荒料最小規格的塊石和在分離、分割、整形各工藝中產生的碎石以及剝離巖土和表土所產生的碎石，統稱為廢石。由于本設計采用充填法，采場產生的廢石用于就地充填采場空區。若采場產生的充填料不夠充填時，則需從外部運送充填廢石料，采場內設計有充填天井，用于下放補充的充填料。鑒于開采荒料形成率［2］為60%，采場將有大量廢石料產生，考慮廢石的松散系數等因素后，就地廢石充填料可充填采空區空間的50%～60%，剩下的空間需由外部運至采場的充填料進行充填。外來充填料主要來自開拓、采切廢石、加工場廢料，必要時可考慮設置取料石場。外來充填料從采場上部平巷運入，經礦塊充填天井下放至采場，用小型電耙進行鋪底整理。通過計算，空區充填需另外增加的廢石量約為采出礦石量的50%左右。

2.4 塊石參數確定

(1)長條塊石的長度。一般為所定荒料規格最大寬度的整數倍，并適當考慮整形余量、綜合考慮類似礦山情況及地形條件等因素，設計將長條塊石的長度確定為5 m。

(2)長條塊石的高度。等于分層高度。由于受空間的限制，宜采用多分層分臺階開采，本設計采用1個臺階，臺階高度確定為2.5～3 m，圖2中按2.5 m進行設計。

(3)長條石塊的寬度。確定長條塊石寬度主要考慮的因素有:加工設備可以加工荒料的最大塊度;對于層厚等于或小于2 m的層狀礦體，加工設備可以加工的長度或寬度等于塊石的寬度;對于那些花紋排列、晶粒結構無方向性的石材，其長條塊石的三向尺寸可作調整。寬度通常為1～3m，綜合考慮本礦石材特性，取2.5 m。

在實際生產中，長條塊石尺寸的確定和排列要特別注意節理裂隙的走向、產狀及其間距，充分利用天然的節理裂隙和層理，據此調整其三向尺寸的大小，這在實際生產中尤為重要。

3 技術經濟指標

針對所選擇的機械鋸切法分離工藝，設計推薦主要采用串珠繩鋸開采，并結合采空區處理情況，采用了上向分層串珠繩鋸充填采礦法的采礦工藝，并在該礦進行了采礦方法試驗后取得了成功。技術經濟指標如表2所示。

表2 技術經濟指標

同靜態爆裂法比較，松平坡板巖礦金剛石串珠繩鋸開采具有如下優點:

(1)開采成本較低。切割板巖串珠繩的消耗成本在20～120元/m3之間。

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

(3)適應范圍廣。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、石灰巖、砂巖及花崗巖礦山都適用。串珠繩鋸能對礦體的垂直、水平、傾斜等各個方向上的面進行切割，還能對只有1個自由面的礦體進行盲切(背切)。

(4)荒料率高、綜合成本低。串珠繩鋸可以開采出大規格尺寸、形狀規整的荒料，鋸切面平整且不會使荒料產生任何內傷，鋸縫很小，不會造成石材資源的浪費。

(5)安全環保。串珠繩鋸開采時無刺耳的噪音、無粉塵，且自動化程度高，分離式操控，工人勞動強度低，安全性高，對環境也不會造成較大影響。

4 結語

研究采用了上向分層串珠繩鋸充填采礦法開采松平坡地下板巖礦的采礦工藝。通過在該礦開采過程中的實踐應用，證明了該采礦方法有利于對I號礦體進行開采，提高了礦山的生產效率，降低了礦山的生產成本，能夠保證回采作業的安全，同時采用廢石充填采空區，既減少了礦山固體廢料的排放和對環境的破壞，又保護了地表不受破壞。礦山獲得了良好的經濟效益，對相似礦山開采也具有較好的推廣價值及應用前景。

［1］ 林 友，況世華，王育軍，等.木利銻礦上向分層進路充填采礦法應用［J］.昆明冶金高等專科學校學報，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規范［S］.北京:中國石材工業協會，2008.

［3］ 中國標準出版社.GB/T 13890—2008 天然石材術語［S］.北京:中國標準出版社，2008.

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

［5］ 《采礦設計手冊》編輯部.采礦設計手冊:礦床開采卷［M］.北京:中國建筑工業出版社，1987.