地下開采在北京市匯源隆大理石廠的研究應(yīng)用

崔玉寧

（北京東方燕京礦山工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，北京100070）

本文以北京市匯源隆大理石廠漢白玉地下開采為例，介紹石材礦山的地下開采情況，希望更多同行發(fā)表文章共同探討。

北京市匯源隆大理石廠位于北京市西南部，是生產(chǎn)漢白玉大理石的骨干企業(yè)。礦山開采歷史悠久，最早開采起于漢代，故名漢白玉。礦區(qū)分為東西兩個(gè)礦段，以往均采用露天開采。

1 國(guó)內(nèi)外石材開采方式

目前國(guó)內(nèi)大理石的開采絕大部分是露天開采，其開采工藝流程包括表層剝離、開采、裝吊、運(yùn)輸。露天開采的方法有炮采、膨脹劑開采、火焰切割機(jī)開采、電動(dòng)金剛繩鋸石機(jī)開采四種。炮采是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為普遍的開采方法，其優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單、容易掌握、方便靈活；缺點(diǎn)是鑿孔速度慢、成材率低、施工危險(xiǎn)性大。膨脹劑開采是目前我國(guó)另一種傳統(tǒng)的大理石開采工藝，其優(yōu)點(diǎn)是安全系數(shù)大、成材率高、施工簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是鑿孔數(shù)量多、速度慢、膨脹時(shí)間長(zhǎng)、效率低。火焰切割機(jī)是當(dāng)今石材開采較為先進(jìn)的設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是成材率高、對(duì)石質(zhì)破壞小；缺點(diǎn)是速度慢，不適合開采漢白玉。電動(dòng)金剛繩鋸石機(jī)是目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的石材開采設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是切割速度快、操作安全可靠，可實(shí)現(xiàn)大面積切割，成材率明顯提高、噪音小、粉塵少，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保開采；缺點(diǎn)是初期投資較大。

國(guó)外開采大理石很多采用導(dǎo)硐法，使用的主要設(shè)備是電動(dòng)硐采鏈?zhǔn)戒彙㈦妱?dòng)硐采帶鋸及高速干式鏈臂鋸，均由意大利生產(chǎn)，目前是世界上最先進(jìn)的硐采設(shè)備，專門用于在山硐或隧道中開采大理石或非花崗巖石材，與金剛繩鋸石機(jī)相比，不需要預(yù)鉆孔和接繩等準(zhǔn)備工作，提高了工作效率。

2 開采方式選擇

礦區(qū)大地構(gòu)造位于二級(jí)構(gòu)造單元燕山臺(tái)褶帶內(nèi)的三級(jí)構(gòu)造單元西山迭坳褶內(nèi)的四級(jí)構(gòu)造單元十渡—房山中穹褶構(gòu)造帶內(nèi)。區(qū)內(nèi)出露地層自下而上有長(zhǎng)城系高于莊組、薊縣系楊莊組、霧迷山組和第四系沖洪積物。地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)簡(jiǎn)單，只發(fā)育一些小的褶皺構(gòu)造。巖漿巖不發(fā)育。礦區(qū)處于石門短軸背斜的南東翼，總體為一向南東傾斜的單斜構(gòu)造。巖層產(chǎn)狀平緩，且較穩(wěn)定，傾向150～160°，傾角9～16°。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育。

第一含礦層（JXW1－21）由四層砂狀石英大理巖與兩層優(yōu)質(zhì)大理巖和兩層含石英條帶大理巖組成，它們呈互層狀產(chǎn)出。兩層優(yōu)質(zhì)大理巖分別為K1和K2兩個(gè)礦體；而上部?jī)蓪邮l帶大理巖的上下均為優(yōu)質(zhì)大理巖，分別為K3、K4－1、K4－2、K5－1、K5－2和K6四個(gè)礦體。

礦體以K1、K2、K3、K4－1、K6和K7規(guī)模較大。礦體形態(tài)簡(jiǎn)單，除K7礦體呈似層狀或扁豆?fàn)钔猓溆嗑鶠榉€(wěn)定層狀礦體。厚度變化系數(shù)多在8.84～55.45%之間。屬于穩(wěn)定型礦體。K7礦體厚度變化較大，其變化系數(shù)為70.14%，屬不穩(wěn)定型。礦體產(chǎn)狀與含礦地層完全一致，傾向多在SE150～160°之間變化，傾角一般在15°左右變化。礦體產(chǎn)狀穩(wěn)定。

北京市匯源隆大理石廠漢白玉礦區(qū)處于山谷坡地，基巖被第四系泥土層覆蓋，其下部即是大理巖，風(fēng)化深度不大，屬于緩傾斜形態(tài)穩(wěn)定型礦床。

礦區(qū)分東西兩個(gè)礦段，東礦段埋藏較淺，一直采用露天開采。西礦段處于山體下，上覆巖層比較厚，采用露天開采土方剝離量大，投入大，見效慢，環(huán)境破壞嚴(yán)重。北京市匯源隆大理石廠雖然開采規(guī)模較小，但是多年開采形成的廢石，對(duì)周圍環(huán)境也帶來(lái)了不小的影響。西部礦段各礦體厚度之和為2.85m，大部分剝采比大于10，適合地下開采。

3 地下開采的方案比較

3.1 方案1

開采最優(yōu)漢白玉層，采幅高6m，采場(chǎng)寬度12m，運(yùn)輸巷道（3m×4m）在漢白玉礦體的下部，不支護(hù)，為保護(hù)硐口，硐口處30m不開采。采區(qū)長(zhǎng)度50～100m，則掘進(jìn)巷道總長(zhǎng)為80～130m。采礦方法使用房柱法，礦壁寬度為6m，沿傾向在運(yùn)輸巷道的上方從底部進(jìn)行后退式開采。先用黑火藥爆破法切頂，切頂高度不低于2m。切頂作業(yè)對(duì)本方案關(guān)系重大，它將影響工人以后作業(yè)的安全，所以切頂?shù)母∈说簦械倪€要打少許錨桿將破碎的頂板穩(wěn)住。回采是用礦山現(xiàn)有的7655手持式鑿巖機(jī)和膨脹水泥分離荒料。采空區(qū)用廢石充填。

3.2 方案2

采幅高16m，采場(chǎng)寬度12m，運(yùn)輸巷同樣在漢白玉礦體的下部，且硐口處留30m礦體不回采以保護(hù)硐口，用錨桿和長(zhǎng)錨索支護(hù)頂板。布置長(zhǎng)錨索時(shí)用YG－80導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)垂直頂板打上向孔，孔間距10m，深15m，100m長(zhǎng)的采場(chǎng)共布置9根長(zhǎng)錨索。

本方案所使用的設(shè)備主要也是礦山現(xiàn)有的設(shè)備。采礦方法同樣為房柱法，礦壁寬度為6m，由上而下進(jìn)行回采。

圖1 采礦方法圖1

圖2 采礦方法圖2

3.3 方案3

采用意大利BENETTL公司研制的Tunnel Jet BeltS941型硐采帶鋸進(jìn)行大規(guī)模機(jī)械化開采。硐口高度設(shè)為16m，寬度12m，與采場(chǎng)內(nèi)部尺寸相同。支護(hù)頂板，采用前進(jìn)式回采。采用房柱法開采，房柱尺寸為12m×12m，間距12m。漢白玉回采率為75%。用意大利Tunnel Jet BeltS941型硐采帶鋸沿礦體傾向從上往下對(duì)礦體進(jìn)行分層切割，以形成硐口和開采臺(tái)階。硐采帶鋸的切割尺寸為6m×4m×2m，而后用金剛石串珠鋸對(duì)石料進(jìn)行分割，分割后尺寸為1.5m×1.5m×1m，石材比重為2.87t/m3，每塊石材的重量為6.5t。

為了保障硐口的安全，在進(jìn)行硐口的切割之前，對(duì)礦體上方的山體進(jìn)行削坡，削掉山體表面的風(fēng)化帶，削掉多少要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況來(lái)確定。削坡面的坡面角為55°，用30m的長(zhǎng)錨索以10m的間距進(jìn)行錨固，同時(shí)用鋼筋直徑為6mm的雙筋網(wǎng)對(duì)硐口處10m范圍的削坡面和10m范圍的頂板進(jìn)行保護(hù)。

選用意大利Tunnel Jet BeltS941型硐采帶鋸結(jié)合金剛石串珠鋸及氣壓頂推袋對(duì)礦體進(jìn)行開采，形成硐口及開采臺(tái)階，后續(xù)的荒料開采工藝過程與露天開采大理石基本相同，也可以使用露天開采機(jī)型的臂式鋸機(jī)輔助串珠鋸開采工藝。S941型硐采帶鋸結(jié)合并擴(kuò)展了傳統(tǒng)臂式開采鋸機(jī)和重型車載式聚集二者的優(yōu)點(diǎn)，在原有940型硐采帶鋸基礎(chǔ)上，裝備了可獨(dú)立自行移動(dòng)的專用行走裝置，具有移動(dòng)簡(jiǎn)單容易、能夠在傾斜礦體表面定位的功能。該機(jī)的最大有效切割深度可達(dá)3m，切割縫的寬度為38mm。

在山坡上距離硐口高差為40m處，修建一個(gè)50m3的高位水池，以滿足Tunnel Jet BeltS941型硐采帶鋸80L/min、金剛石串珠鋸20L/min的用水量。如果礦山涌水水質(zhì)較好，可以直接作為開采設(shè)備的冷卻用水。

輔助設(shè)備包括用于鉆鑿穿引金剛石串珠繩貫通孔的大孔徑鑿巖機(jī)（可用YG80）、氣壓頂推袋。吊裝運(yùn)輸和起重設(shè)備。早期也可將滑輪組錨固在硐頂或硐壁上用滑輪組裝吊荒料。

3.4 機(jī)械化開采的優(yōu)勢(shì)

以上三種方案：方案1回采率太低；方案2能夠提早見礦，縮短基建投資期，并采取了加固頂板的有力措施，使安全得到了保障。但回采率仍不夠高且不能提高荒料率。方案3引進(jìn)了意大利的先進(jìn)設(shè)備，省去了切頂工作提高了回采率并能夠大大提高工作效率和荒料率。

圖3 采礦方法圖3

4 小結(jié)

本文以北京市匯源隆大理石廠為例，介紹了石材礦山的地下開采，這也是國(guó)內(nèi)首例使用地下開采的石材礦山。本文拋磚引玉，希望各位同行發(fā)表文章共同探討。同時(shí)也希望各地石材礦山，在生產(chǎn)過程中遇到困難的，請(qǐng)與北京東方燕京礦山工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司聯(lián)系，我公司將提供優(yōu)質(zhì)的技術(shù)服務(wù)和規(guī)劃設(shè)計(jì)。地下開采將給石材礦山帶來(lái)一片光明前景。

［1］ 廖原時(shí).金剛石串珠鋸在飾面石材生產(chǎn)中的應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.