楊 霄
(中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司,北京 100043)
石材行業(yè)是我國(guó)建材工業(yè)中最主要的產(chǎn)業(yè)之一,我國(guó)已經(jīng)發(fā)展成為名副其實(shí)的世界石材生產(chǎn)大國(guó)、消費(fèi)大國(guó)和貿(mào)易大國(guó)。隨著我國(guó)石材產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,作為產(chǎn)業(yè)上游的石材采礦業(yè)發(fā)展卻不平衡。我國(guó)石材礦山具有數(shù)量多、規(guī)模小、分布范圍廣等特點(diǎn),部分礦山短期行為較為嚴(yán)重,少數(shù)存在粗暴的破壞式和掠奪式開(kāi)采,既破壞了環(huán)境又浪費(fèi)了資源,嚴(yán)重違背了我國(guó)礦業(yè)生態(tài)文明建設(shè)的理念。加之近年來(lái)的環(huán)保重壓致使大量石材礦山面臨關(guān)停整頓,“一刀切”“全面關(guān)停”等現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮,對(duì)石材行業(yè)和地方經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了巨大挫傷。因此,石材礦山亟待轉(zhuǎn)型升級(jí),加快綠色礦山建設(shè),推動(dòng)礦業(yè)綠色發(fā)展。
目前,在建材工業(yè)上常見(jiàn)且利用較多的天然石材主要包括花崗石、大理石、板石和石灰石。除此之外,輝綠巖、玄武巖、閃長(zhǎng)巖、角閃巖、蛇紋巖等火成巖也可作為飾面石材進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。
我國(guó)石材礦產(chǎn)資源豐富,分布廣泛,在全國(guó)各省、市、自治區(qū)均分布有石材資源可以被開(kāi)發(fā)利用。根據(jù)《中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告(2019年)》,截至2018年底,我國(guó)飾面花崗巖已查明資源儲(chǔ)量約53.80億m3,主要分布于福建省、江西省、新疆維吾爾族自治區(qū)和山東省等省(區(qū));飾面大理巖已查明資源儲(chǔ)量約17.78億m3,主要分布于河北省、廣西壯族自治區(qū)、遼寧省、貴州省和江西省等省(區(qū))[1]。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì),截至2018年底,我國(guó)飾面用石灰石查明資源儲(chǔ)量總計(jì)29.65億m3,飾面用板石查明資源儲(chǔ)量總計(jì)達(dá)到1億m3,主要分布于江西省、重慶市、廣西壯族自治區(qū)、福建省和安徽省等省(區(qū))[2]。我國(guó)石材品種較為齊全,具有商業(yè)名稱(chēng)與專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)的各類(lèi)花崗石、大理石、板石品種超過(guò)1 800種,其中,花崗石品種超過(guò)900種,大理石品種超過(guò)800種,板石品種超過(guò)100種。
21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)石材產(chǎn)業(yè)取得了巨大進(jìn)步,已經(jīng)發(fā)展成為世界第一大石材生產(chǎn)國(guó)、出口國(guó)和消費(fèi)國(guó)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)各類(lèi)石材企業(yè)超過(guò)3萬(wàn)家,石材礦山數(shù)量達(dá)到8 000家,占全國(guó)各類(lèi)礦山數(shù)量的10%以上;我國(guó)石材年進(jìn)出口額合計(jì)達(dá)到100億美元以上,年消費(fèi)額達(dá)到6 000億元以上[3]。石材產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)建材行業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè),在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用。
2011—2014年,原國(guó)土資源部先后批復(fù)了4批總計(jì)661家國(guó)家級(jí)綠色礦山建設(shè)試點(diǎn)單位,石材行業(yè)按照有關(guān)文件要求和部署,積極組織開(kāi)展了綠色礦山建設(shè)工作,分別有山東省、福建省和江蘇省的3家石材礦山被批準(zhǔn)列為試點(diǎn)單位,為石材行業(yè)綠色礦山建設(shè)樹(shù)立了典型。2017年底,中國(guó)石材協(xié)會(huì)組織起草了《石材行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》,經(jīng)過(guò)多輪審定和修改,2019年12月形成了《石材行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范(送審稿)》,中國(guó)石材行業(yè)的綠色礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不久后將正式出爐。2019年8月,在全國(guó)石材礦山大會(huì)上,中國(guó)石材協(xié)會(huì)提出了石材綠色礦山建設(shè)的“十化”要求,即礦權(quán)設(shè)置合理化、礦山開(kāi)采合法化、資源利用高效化、開(kāi)采方式科學(xué)化、生產(chǎn)工藝先進(jìn)化、采礦作業(yè)清潔化、礦山管理規(guī)范化、生產(chǎn)安全標(biāo)準(zhǔn)化、礦區(qū)社會(huì)和諧化和礦區(qū)環(huán)保生態(tài)化。截至2020年底,全國(guó)共有1 254家國(guó)家級(jí)綠色礦山,其中,河北省承德市、江蘇省贛榆縣、福建省建寧縣、湖南省溆浦縣和甘肅省兩當(dāng)縣的5家大理石、花崗石石材礦山成功入選國(guó)家綠色礦山名錄。
在中央生態(tài)文明建設(shè)方針的指引下,石材行業(yè)正在積極踐行新發(fā)展理念,在礦山環(huán)境保護(hù)、資源綜合利用、先進(jìn)適用技術(shù)及裝備研發(fā)推廣、機(jī)械化鋸切開(kāi)采工藝技術(shù)等方面做了大量工作,石材綠色礦山建設(shè)逐漸步入正軌。
石材行業(yè)與其他行業(yè)的綠色礦山建設(shè)工作差距較大,已入庫(kù)的國(guó)家級(jí)石材綠色礦山數(shù)量?jī)H占全國(guó)綠色礦山的0.4%,占全國(guó)石材礦山總數(shù)量不足0.1%,這與我國(guó)石材礦山的龐大數(shù)量相比明顯過(guò)少,也從側(cè)面反映了我國(guó)石材綠色礦山建設(shè)現(xiàn)狀和整體水平。由此可見(jiàn),石材行業(yè)綠色礦山建設(shè)任重而道遠(yuǎn)。
目前,石材綠色礦山建設(shè)面臨的主要問(wèn)題包括以下幾方面。①對(duì)綠色礦山建設(shè)的核心內(nèi)容和基本要求認(rèn)知不夠。由于對(duì)綠色礦山建設(shè)要求理解不夠、標(biāo)準(zhǔn)把握不準(zhǔn)、內(nèi)容掌握不全,部分礦山片面認(rèn)為綠色礦山就是高成本礦山、綠化礦山,忽略了對(duì)技術(shù)工藝設(shè)備的升級(jí)改造,忽略了提高資源利用水平,減少對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的源頭管控。②石材礦山綠色開(kāi)采工藝技術(shù)水平亟待提升。石材綠色開(kāi)采工藝技術(shù)以及與之配套的先進(jìn)機(jī)械化開(kāi)采設(shè)備是建設(shè)現(xiàn)代化石材礦山的必要條件,由于我國(guó)石材礦山數(shù)量多、規(guī)模小、基礎(chǔ)差,大部分礦山還未采用先進(jìn)的采礦工藝技術(shù)和設(shè)備,與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距。③石材礦山資源綜合利用渠道單一,開(kāi)發(fā)利用率較低。石材礦山在開(kāi)采和切割加工過(guò)程中,大量廢石渣、邊角料和石粉被當(dāng)作廢料拋棄,不僅造成資源浪費(fèi),而且占?jí)和恋亍⑽廴经h(huán)境。④石材礦山信息化管理水平較低。我國(guó)大多數(shù)石材礦山僅僅建立了采區(qū)視頻影像監(jiān)控,在資源儲(chǔ)量信息數(shù)字化、地質(zhì)采礦三維建模、三維可視化管控、礦山地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害在線(xiàn)監(jiān)控和預(yù)警、安全生產(chǎn)信息化管理等方面還沒(méi)有進(jìn)行有關(guān)建設(shè)。
石材礦山開(kāi)采與其他礦種開(kāi)采存在著本質(zhì)的差別,具有以下幾個(gè)不同的特點(diǎn):一是石材礦山以采出大塊荒料為目的,要求礦產(chǎn)品具有較好的完整性和幾何形狀,通常采用劈裂法或切割法開(kāi)采,然后通過(guò)切割、打磨等工序制造產(chǎn)品,而其他礦種以采出有益的礦物為目的,普遍采用破碎法開(kāi)采,然后通過(guò)選礦工藝提取所需要的礦物元素;二是劈裂、切割是石材開(kāi)采的主要技術(shù)手段,除吊裝運(yùn)輸外,劈裂、切割工藝水平和技術(shù)裝備是衡量石材礦山開(kāi)采現(xiàn)代化程度的主要方面;三是石材礦山的邊坡角和工作坡面角陡,一般均為90°,地質(zhì)環(huán)境修復(fù)治理難度大;四是石材礦山采出的荒料僅占采礦量的一小部分,而其余廢石渣卻占大部分,綜合利用是石材綜合開(kāi)發(fā)利用的重要方面;五是礦山開(kāi)采機(jī)大部分是石材開(kāi)采的專(zhuān)用設(shè)備,是其他礦種的開(kāi)采設(shè)備所不能代替的。因此,應(yīng)針對(duì)石材礦山的自身特點(diǎn),進(jìn)一步明確石材綠色礦山建設(shè)的核心內(nèi)容和要求[4],實(shí)施科學(xué)合理的技術(shù)方案。
礦區(qū)環(huán)境應(yīng)從礦容礦貌和礦區(qū)綠化兩方面加強(qiáng)建設(shè)。礦區(qū)總體布置應(yīng)符合國(guó)土空間規(guī)劃,盡可能兼顧周邊相鄰企業(yè)、社區(qū)村落等位置關(guān)系進(jìn)行合理布置。礦區(qū)應(yīng)按照生產(chǎn)區(qū)、管理區(qū)、生活區(qū)和生態(tài)區(qū)等功能進(jìn)行分區(qū),并擬定對(duì)應(yīng)的管理制度與操作規(guī)范,實(shí)現(xiàn)各區(qū)合理布局、運(yùn)行有序、管理規(guī)范。礦山開(kāi)采工作面、荒料堆場(chǎng)、排土場(chǎng)等部位干凈整潔、規(guī)范美觀(guān)。礦區(qū)應(yīng)配齊生產(chǎn)配套設(shè)施,健全生活配套設(shè)施。礦山設(shè)備、物資和材料應(yīng)定置化規(guī)范管理。礦區(qū)內(nèi)應(yīng)設(shè)置各類(lèi)操作指示牌、道路指引等實(shí)現(xiàn)布局清晰化。礦區(qū)道路和建筑物應(yīng)及時(shí)維護(hù)、清潔。加強(qiáng)礦區(qū)綠化,建立綠化保障機(jī)制,與周邊自然環(huán)境和景觀(guān)相協(xié)調(diào),綠化植物搭配合理,礦區(qū)綠化覆蓋率應(yīng)達(dá)到100%;對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行治理、復(fù)墾和綠化,在礦區(qū)專(zhuān)用道路兩側(cè)因地制宜地設(shè)置隔離綠化帶。
石材礦產(chǎn)利用的是礦石幾何形狀和礦石完整性,主要使用物理方式對(duì)礦石進(jìn)行分離、切割、打磨和拋光,最終生產(chǎn)出各種石材產(chǎn)品。因此,在資源開(kāi)發(fā)的方式上,石材礦山應(yīng)選擇資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的開(kāi)發(fā)方式,因地制宜選擇合理的開(kāi)采方式和方法,貫徹“邊開(kāi)采、邊治理、邊恢復(fù)”的原則。礦山開(kāi)采遵循采剝并舉、剝離先行的原則,宜采用自上而下、臺(tái)階式開(kāi)采方式。開(kāi)采方法宜采用機(jī)械化鋸切開(kāi)采工藝,最大限度地提高荒料率,均衡有序地推進(jìn)采場(chǎng)工作面。礦山最終邊坡角應(yīng)滿(mǎn)足安全生產(chǎn)穩(wěn)定要求,最終邊坡上應(yīng)留有安全平臺(tái)和清掃平臺(tái)。礦山運(yùn)輸車(chē)輛應(yīng)保持清潔,荒料應(yīng)用水沖洗干凈出場(chǎng),碎石、廢渣應(yīng)運(yùn)至排土場(chǎng)存放或綜合利用。
石材礦山在開(kāi)采荒料的同時(shí),會(huì)產(chǎn)生固體和半流體或泥漿狀廢棄物。固體廢棄物包括礦山建設(shè)和開(kāi)采過(guò)程中剝離的表土和碎石、礦山開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的廢石渣、邊角料以及存在缺陷的廢棄石料等。半流體廢棄物主要為荒料鋸切開(kāi)采和加工過(guò)程中作為冷卻劑的水和石粉的鋸泥混合物。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)天然石材的開(kāi)采平均利用率僅為35%左右,其余大部分資源變成了廢石渣,除此之外,石材加工時(shí)又會(huì)產(chǎn)生20%~30%的廢料,包括邊角料和廢石粉等[5]。因此,有效處理和利用這些固體和泥漿狀廢棄物是石材礦山綠色礦山建設(shè)的一個(gè)重要方面,石材礦山資源綜合利用應(yīng)按照減量化、再利用、資源化的原則,綜合開(kāi)發(fā)利用小規(guī)格石料、邊角料、碎石、石渣、石泥、表土和渣土等固體廢棄物,提高資源綜合利用率,節(jié)約資源,使綜合利用率達(dá)到90%以上。
石材礦山要建立生產(chǎn)全過(guò)程能耗核算體系,采取節(jié)能減排措施,控制并減少單位產(chǎn)品能耗、物耗和水耗,“三廢”排放符合環(huán)保要求。石材開(kāi)采形成的污染主要包括生產(chǎn)粉塵、道路運(yùn)輸粉塵、生產(chǎn)廢水、礦山廢渣和噪音污染,這些污染實(shí)際上為物理污染,不會(huì)產(chǎn)生有害有毒的化學(xué)物質(zhì),處理方式也相對(duì)簡(jiǎn)單。生產(chǎn)污水經(jīng)過(guò)污水處理后,90%以上的循環(huán)利用;廢渣和鋸泥綜合再利用,資源綜合利用率可達(dá)到90%以上;粉塵和噪音通過(guò)必要的防止措施,減小排放。通過(guò)科學(xué)合理的規(guī)劃和投入,石材礦山完全可以降低對(duì)周邊生態(tài)的擾動(dòng),實(shí)現(xiàn)污染的“零排放”。
數(shù)字化礦山是將信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù),應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)與管理和決策之中,提升礦山整體信息化水平,實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營(yíng)、生產(chǎn)決策、安全生產(chǎn)管理和設(shè)備控制的信息化。數(shù)字化礦山建設(shè)不僅可以提高工作效率和資源利用率,其本身也是創(chuàng)建綠色礦山的一部分。在積極開(kāi)展科技創(chuàng)新、加大技術(shù)改造力度的同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)數(shù)字化礦山建設(shè),實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)和管理的信息化。石材礦山的數(shù)字化礦山建設(shè)相對(duì)其他礦山比較落后,大部分礦山僅建立了基本的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。除生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)之外,還應(yīng)建立數(shù)字化資源儲(chǔ)量模型、安全和環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)及其他綜合管理系統(tǒng)等,積極推進(jìn)礦山機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人,實(shí)現(xiàn)礦山開(kāi)采機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化。
和諧發(fā)展是綠色礦山建設(shè)的主題之一,包括礦山內(nèi)部以及與地方關(guān)系的和諧。首先,礦山要加強(qiáng)企業(yè)管理,建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度,依法納稅,積極履行企業(yè)相關(guān)義務(wù);其次,礦山要注重企業(yè)文化建設(shè),關(guān)心企業(yè)員工的發(fā)展與健康,重視員工吃、住等條件的改善,并進(jìn)一步豐富企業(yè)員工的體育文化生活,提高員工滿(mǎn)意度,建立起企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略與員工個(gè)人價(jià)值和諧發(fā)展的機(jī)制;最后,在處理好環(huán)境保護(hù)、污染處理的同時(shí),礦山要做好相關(guān)內(nèi)容的公示工作,且進(jìn)一步支持所在地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊的集體經(jīng)濟(jì)、教育、慈善等工作,建立起與所在地區(qū)的政府、群眾代表的溝通協(xié)調(diào)機(jī)制,及時(shí)協(xié)調(diào)處理各種糾紛矛盾,實(shí)現(xiàn)地企和諧發(fā)展。
在嚴(yán)格按照開(kāi)發(fā)利用方案和初步設(shè)計(jì)要求開(kāi)采,做好中長(zhǎng)期開(kāi)采規(guī)劃和短期開(kāi)采計(jì)劃的同時(shí),應(yīng)重點(diǎn)從綠色開(kāi)采技術(shù)方法及其設(shè)備和提高開(kāi)采荒料率等方面著手使資源開(kāi)發(fā)方式更加科學(xué)化。
3.1.1 石材礦山綠色開(kāi)采技術(shù)方法及其設(shè)備
石材荒料的開(kāi)采方法主要有人工劈裂法、液壓劈裂法、黑火藥爆裂法、金屬燃燒劑爆裂法、靜態(tài)膨脹劑法、機(jī)械鋸切法、火焰切割法和高壓水射流切割法以及上述幾種方法不同組合的聯(lián)合開(kāi)采法。由于人工劈裂法、爆裂法和火焰切割法等方法存在工作效率低、環(huán)境污染大、開(kāi)采效果差等缺點(diǎn),靜態(tài)膨脹劑法存在綜合成本高、外界環(huán)境影響敏感等不足之處,這些方法已經(jīng)逐步被淘汰或摒棄。高壓水切割法存在設(shè)備制造精度高、能耗大等應(yīng)用障礙,在實(shí)際生產(chǎn)中還未推廣使用。
目前,隨著我國(guó)技術(shù)裝備水平的不斷提高和各種機(jī)械切割設(shè)備的運(yùn)用,石材礦山已經(jīng)進(jìn)入了全鋸切機(jī)械化開(kāi)采時(shí)代[6]。選擇先進(jìn)的開(kāi)采工藝技術(shù)及其設(shè)備可以保證荒料開(kāi)采質(zhì)量,可以有效提高礦山開(kāi)采荒料率和二次加工板材出材率,減少?gòu)U石渣、邊角料的產(chǎn)生,最大限度利用石材礦產(chǎn)資源。機(jī)械鋸切開(kāi)采工藝具有高效、低耗、安全、環(huán)保、節(jié)能、人工成本低等優(yōu)點(diǎn),達(dá)到了綠色開(kāi)采的目的。目前,常見(jiàn)的鋸切組合開(kāi)采方法主要有臂式鋸與串珠鋸組合高臺(tái)階開(kāi)采、圓盤(pán)鋸與串珠鋸組合低臺(tái)階開(kāi)采、圓盤(pán)鋸切割與人工劈裂組合低臺(tái)階開(kāi)采、串珠鋸與臺(tái)架式或車(chē)載式鑿巖機(jī)高臺(tái)階開(kāi)采等。
1) 臂式鋸與串珠鋸組合高臺(tái)階全鋸切開(kāi)采。臂式鋸是在可旋轉(zhuǎn)90°的鏈臂外緣安裝旋轉(zhuǎn)鏈或金剛石環(huán)帶,通過(guò)鏈(帶)上裝配的截齒或鑲嵌金剛石合金體直接切削巖石,可以進(jìn)行水平和垂直切割;串珠鋸是將金剛石串珠繩裝入貫通的鉆孔內(nèi),利用由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的金剛石串珠循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)直接鋸切石材,可實(shí)現(xiàn)垂直和水平等任意角度的切割。臂式鋸與串珠鋸是兩種互補(bǔ)和相輔相成的開(kāi)采設(shè)備,使用臂式鋸可大大提高穿引串珠繩交匯孔的成功率,從而提高鋸切效率[7]。該方法主要用于大理石、石灰石、石灰華及蛇紋巖等大理石類(lèi)石材礦山的開(kāi)采,國(guó)內(nèi)在甘肅金潤(rùn)玉公司大理石礦、江西永豐雅高公司大理石礦等礦山均采用這種方法。該方法在山坡型露天礦開(kāi)采中通常采用高臺(tái)階開(kāi)采方案,開(kāi)采臺(tái)階高度一般為6~9 m,長(zhǎng)條塊石長(zhǎng)度為6~12 m,長(zhǎng)條塊石厚度1.6~2.0 m,開(kāi)采工藝流程為長(zhǎng)條塊石分離鋸切-翻倒-劃線(xiàn)-分解-整形-驗(yàn)收-清渣。大理石開(kāi)采中串珠繩的切割效率為6~15 m2/h,工作壽命為25~55 m2/m,花崗巖開(kāi)采中串珠繩的切割效率為3~10 m2/h,工作壽命為8~20 m2/m。該方法的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械化程度高,開(kāi)采效率高,對(duì)礦山環(huán)境破壞的可控性強(qiáng);缺點(diǎn)是設(shè)備比較復(fù)雜,對(duì)操作人員的要求較高,不能切割花崗石等硬質(zhì)石材。
2) 圓盤(pán)鋸與串珠鋸組合低臺(tái)階全鋸切開(kāi)采。圓盤(pán)鋸是目前生產(chǎn)效率最高,開(kāi)采成本較低的石材開(kāi)采技術(shù)[8]。通過(guò)在礦體表面鋪設(shè)軌道,利用主電機(jī)帶動(dòng)金剛石圓盤(pán)鋸片高速旋轉(zhuǎn),變頻調(diào)整切割速度,軌道牽引自動(dòng)給進(jìn)鋸切礦體。但是,圓盤(pán)鋸只能進(jìn)行垂直方向切割,必須和串珠鋸等其他水平向切割方法聯(lián)合使用。國(guó)內(nèi)在四川江油金時(shí)達(dá)公司大理石礦、河北易縣昆侖花崗石礦等礦山均采用這種方法。該方法工作線(xiàn)長(zhǎng)度要求40 m以上,礦體寬度20 m以上,平行于工作線(xiàn)方向的垂直切深面一般是荒料主切面,多條平行切縫的間距是荒料的厚度,每層開(kāi)采臺(tái)階的高度(切深)一般為1.3~2.0 m,并通過(guò)2~3次分級(jí)鋸切達(dá)到分臺(tái)階高度,其中,一級(jí)鋸片直徑一般為1.6~2.6 m,中間級(jí)鋸片直徑一般為2.2~3.6 m,終級(jí)鋸片直徑一般為3.6~4.8 m,開(kāi)采工藝流程為圓盤(pán)鋸單向或雙向垂直鋸切-串珠鋸水平面鋸切分離-垂直端面劈裂分離-荒料離臺(tái)-荒料驗(yàn)收-運(yùn)輸-清渣。該方法不受石材性質(zhì)、裂隙等條件的限制,切割速度快,切割面平整,減少了二次加工廢料,生產(chǎn)效率明顯提高,日產(chǎn)量為75 m3左右,而且二次加工板材出材率提高5%以上,從而降低了開(kāi)采成本,具有高效、安全、環(huán)保、成材率高等優(yōu)點(diǎn),幾乎適用于所有類(lèi)型石材礦山;缺點(diǎn)是開(kāi)采大規(guī)格荒料比較困難,開(kāi)采平臺(tái)面積要求較大,對(duì)礦體的完整性程度要求較高,需要配套水平鉆、潛孔鉆等鉆孔設(shè)備。
3) 圓盤(pán)鋸切割與人工劈裂組合低臺(tái)階開(kāi)采。人工劈裂是根據(jù)巖石節(jié)理走向,用人工和鋼釬鑿眼,然后在鑿眼中放入鋼楔,通過(guò)多個(gè)鋼楔作用于一線(xiàn),逐步將礦體從巖石中分離出來(lái)的方法。采用將圓盤(pán)鋸垂直切割與人工劈裂結(jié)合,能夠充分發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)石材高效、經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采,福建建寧富強(qiáng)公司花崗石礦就是采用這種方法。該方法開(kāi)采工藝流程為圓盤(pán)鋸單向或雙向垂直鋸切-人工水平劈裂分離-人工垂直端面劈裂分離-荒料離臺(tái)-荒料驗(yàn)收-運(yùn)輸-清渣。該方法一直是石材開(kāi)采中最常用的開(kāi)采方法,具有設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、施工效率高等優(yōu)點(diǎn);但是這種方法是一種半機(jī)械式開(kāi)采方法,作業(yè)人員多,勞動(dòng)強(qiáng)度大,存在不能控制水平分離面平整度的缺陷。
4) 串珠鋸與臺(tái)架式或車(chē)載式鑿巖機(jī)組合高臺(tái)階開(kāi)采。該方法使用臺(tái)架式或車(chē)載式鑿巖機(jī)代替手持鑿巖機(jī)鉆鑿排孔,結(jié)合導(dǎo)爆索控制爆破,是替代火焰切割開(kāi)采花崗石的較先進(jìn)開(kāi)采方法,主要適合花崗石礦山高臺(tái)階開(kāi)采。該方法利用串珠鋸對(duì)具有三個(gè)自由面的分離體垂直端面切割分離,然后使用鑿巖機(jī)在另一個(gè)垂直立面和水平底面上鉆鑿排孔,使用導(dǎo)爆索雙面控制爆破,將分離體從礦體上分離。單頭鑿巖機(jī)鉆鑿中硬度花崗石速度約0.4 m/min,是人工鑿巖效率的2~3倍,因此該方法的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)采效率高,開(kāi)采荒料的質(zhì)量好;缺點(diǎn)是開(kāi)采技術(shù)難度較高,需要使用火工品,安全管理要求較高。
石材礦山開(kāi)采技術(shù)在一定時(shí)間內(nèi)仍將繼續(xù)以機(jī)械切割為主,隨著國(guó)產(chǎn)開(kāi)采設(shè)備研發(fā)和制造實(shí)力的進(jìn)一步增強(qiáng),多功能鑿巖機(jī)、液壓劈裂機(jī)、臂式鋸、金剛石串珠鋸、圓盤(pán)鋸以及配套的原材料和工具得到不斷完善、改進(jìn)和提高,將會(huì)成為未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)石材礦山開(kāi)采技術(shù)和設(shè)備的主流。針對(duì)具體礦山,應(yīng)結(jié)合礦山建設(shè)條件和生產(chǎn)規(guī)模,根據(jù)不同的礦山類(lèi)型、礦體特征、石材性質(zhì)、地形地貌條件等客觀(guān)因素綜合確定科學(xué)合理的開(kāi)采工藝方案,選擇合適實(shí)用的開(kāi)采設(shè)備,真正實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采。
3.1.2 提高開(kāi)采荒料率的技術(shù)措施
因地制宜選擇科學(xué)合理的資源開(kāi)發(fā)方式和開(kāi)采方式的主要目的之一就是要盡可能提高綜合荒料率,最大限度利用石材礦產(chǎn)資源。為此,應(yīng)重點(diǎn)采取以下幾方面的措施來(lái)提高荒料率。
1) 查明地質(zhì)情況,提高開(kāi)采荒料率。天然石材由于受地質(zhì)因素的影響,會(huì)產(chǎn)生不同程度的節(jié)理和裂隙等構(gòu)造,對(duì)石材荒料的完整性造成了極大影響,也是影響荒料率的主要因素。在荒料開(kāi)采的同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)勘探工作,查明礦體地質(zhì)特征,做好節(jié)理裂隙的統(tǒng)計(jì)素描,這是提高石材開(kāi)采質(zhì)量和荒料率的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
2) 選擇合理的開(kāi)采方法,提高開(kāi)采荒料率。基于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及管理等因素綜合考慮,建議優(yōu)先采用適合具體礦山實(shí)際的機(jī)械化鋸切開(kāi)采方法,選擇不同開(kāi)采工藝和設(shè)備的組合,減少開(kāi)采廢石和二次加工廢料的產(chǎn)生,從而提高綜合荒料率。
3) 選擇合適的荒料規(guī)格尺寸,提高開(kāi)采荒料率。荒料規(guī)格的選擇非常重要,應(yīng)根據(jù)礦體特征、加工要求和經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合考慮,合理選用規(guī)格尺寸,減少開(kāi)采廢石和加工邊角料的產(chǎn)生,提高開(kāi)采荒料率和加工出材率。
4) 加強(qiáng)技術(shù)管理工作,提高開(kāi)采荒料率。礦山在生產(chǎn)過(guò)程中,應(yīng)建立健全各項(xiàng)規(guī)章制度,增加提高采礦效率、質(zhì)量的科研投入,有針對(duì)性地進(jìn)行技術(shù)改進(jìn),從而提高礦山荒料率等各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
3.2.1 廢石渣的綜合利用
廢石渣的綜合利用率是考核石材礦山是否綠色達(dá)標(biāo)的重要指標(biāo),要求產(chǎn)生的固體廢棄物應(yīng)達(dá)到100%的處置率。 目前對(duì)這些廢石渣的處置和利用方法有以下幾種。 ①生產(chǎn)砂石骨料。 一般說(shuō)來(lái),石材礦中結(jié)晶相對(duì)較細(xì)的花崗巖、大理巖和玄武巖等都適用于作為骨料,一些飛機(jī)場(chǎng)跑道的混凝土還專(zhuān)門(mén)要求用玄武巖作為骨料。花崗巖加工制成砂石骨料可充分用于建筑、橋梁、公路等行業(yè),具備硬度強(qiáng)、耐腐蝕,分布廣泛、資源充足的優(yōu)勢(shì)。生產(chǎn)砂石骨料是目前石材礦山固體廢渣主要的綜合利用出路之一。②生產(chǎn)有用礦物和工業(yè)原料。大理石廢料主要成分是碳酸鈣,可用于生產(chǎn)各種目數(shù)的碳酸鈣粉,是造紙、化工等行業(yè)的重要原料[9];花崗石廢料利用磁選-浮選法去除雜質(zhì),實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)石和石英的分離,可以獲得高品質(zhì)長(zhǎng)石和石英[10];花崗石廢渣可用于生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷和透水磚,是裝配式建筑的首選材料,也是構(gòu)建海綿城市的環(huán)保新產(chǎn)品。 ③作為礦山基礎(chǔ)建設(shè)用石。石材礦山廢石可以作為壘砌堆場(chǎng)、路基、擋土墻、攔水壩等基礎(chǔ)石料石,可消化一定數(shù)量廢棄石料。
3.2.2 邊角料和碎料的綜合利用
礦山開(kāi)采產(chǎn)生的小料、碎料以及邊角料也是石材礦山資源綜合利用的一個(gè)重要方面。邊角料和碎料可以制作石材馬賽克產(chǎn)品,加工路緣石、鋪路石和建筑用石,用于筑壩、筑路、擋土墻石,制作小工藝品和擺件等多種用途。
3.2.3 鋸泥石粉的綜合利用
鋸泥是石材開(kāi)采加工過(guò)程中鋸解產(chǎn)生的石粉與水的混合物,這種混合物通過(guò)包含添加了絮凝劑的沉淀塔的污水處理系統(tǒng),在壓濾機(jī)的作用下達(dá)到泥水分離,凈化后的水可再投入生產(chǎn),石粉則可以綜合利用。目前,石材礦山鋸泥石粉主要用于加工石粉蒸壓加氣混凝土砌塊。石粉蒸壓加氣混凝土砌塊是以石材行業(yè)石粉、廢渣為硅質(zhì)材料,經(jīng)制漿后配以適量的生石灰和水泥鈣質(zhì)材料,攪拌澆注成型,由發(fā)氣劑鋁粉在料漿中發(fā)氣,在一定的溫度下水熱合成的輕質(zhì)、獨(dú)立封閉多孔結(jié)構(gòu)的新型建筑節(jié)能材料。此外,鋸泥石粉還可以生產(chǎn)仿石涂料、人造石材,作為混凝土填料,制備微晶玻璃、陶瓷、皮革酸和其他復(fù)合材料,用作助燃劑、脫硫劑、土壤改良劑等。
3.2.4 表土和渣土的綜合利用
利用堆存的剝離表土和篩分后的渣土進(jìn)行環(huán)境治理、土地復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)。剝離的表土用于復(fù)墾可有效保護(hù)地表熟土資源不流失、不浪費(fèi),減少?gòu)?fù)墾造地時(shí)外調(diào)土產(chǎn)生的額外資金投入。
在石材礦山中,生態(tài)修復(fù)治理主要集中在邊坡、排土場(chǎng)和礦區(qū)道路等部位,應(yīng)遵循“邊開(kāi)采、邊治理,宜耕則耕、宜建則建、宜林則林”的原則。其中,采場(chǎng)邊坡是石材礦山生態(tài)修復(fù)治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
由于絕大多數(shù)石材礦山以露天自上而下臺(tái)階式開(kāi)采為主,工作面較大,往往形成規(guī)模較大的露天采場(chǎng),綠色植被嚴(yán)重破壞,致使大面積基巖裸露。在開(kāi)采過(guò)程中,經(jīng)機(jī)械切割后,基巖形成了光滑的巖壁和邊坡,分臺(tái)階傾角多數(shù)近直立,植被種子及有機(jī)質(zhì)難以在巖壁上附著。此外,采場(chǎng)邊坡土壤資源和水資源匱乏,透水性較好,有機(jī)含量低。因此,在石材礦山生態(tài)治理修復(fù)中,存在基質(zhì)稀缺、自然環(huán)境惡劣、施工難度大和植物攀爬難度大等難點(diǎn)。針對(duì)礦山高陡邊坡及采場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境修復(fù),目前主要采用掛網(wǎng)噴播法、種植槽法、階梯法和上爬下掛立體綠化法等。
1) 掛網(wǎng)噴播法。該方法是將植生材料采用噴射機(jī)械施工而成的一種新型護(hù)坡形式。該技術(shù)在巖體上預(yù)埋錨釘和錨桿,然后鋪設(shè)鍍鋅鐵絲或塑料網(wǎng),根據(jù)邊坡角度、巖石性質(zhì)和綠化要求等確定水泥、土、腐植質(zhì)、保水劑及混合植綠種子按一定比例組成的植被基材原料,經(jīng)攪拌后由常規(guī)噴錨設(shè)備噴射到巖石坡面,形成一定厚度的植被混凝土,從而起到恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的作用。該方法技術(shù)要點(diǎn)為坡面清處理、配制混合基質(zhì)、掛網(wǎng)、噴混合材料、養(yǎng)護(hù)管理。其中,混合基質(zhì)的成分、配比、噴射厚度等是重要的技術(shù)指標(biāo),應(yīng)結(jié)合地區(qū)氣候條件、植物種類(lèi)等因素確定。該方法可用于土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡,一般要求邊坡穩(wěn)定性需較好,優(yōu)點(diǎn)是施工機(jī)械化程度高、效率高、護(hù)坡整體穩(wěn)定性好,缺點(diǎn)是對(duì)坡面平整度要求高,植物選型多以草本為主,不適合大規(guī)格喬灌木,后期養(yǎng)護(hù)需求高。
2) 種植槽法。在巖石邊坡坡面按設(shè)計(jì)間距打入工程錨桿,并以坡面外端預(yù)留的錨桿為載體,利用錨桿和鋼筋混凝土梁板構(gòu)筑種植槽,在槽內(nèi)回填土壤,并栽植喬、灌、藤類(lèi)植物,通過(guò)一段時(shí)間的生長(zhǎng)后用以遮蔽坡面的一種技術(shù)[11]。該技術(shù)要點(diǎn)主要是搭設(shè)腳手架、錨桿成孔制作、鋼筋混凝土梁板槽澆筑、槽內(nèi)裝填種植土、種植喬灌木及爬藤類(lèi)植物綠化、養(yǎng)護(hù)。其中,種植槽結(jié)構(gòu)、基質(zhì)配比等是重要的技術(shù)指標(biāo),需結(jié)合邊坡穩(wěn)定性、植被選型等確定。該方法多用于高陡巖質(zhì)邊坡治理,要求邊坡穩(wěn)定性較好,優(yōu)點(diǎn)是施工機(jī)械化程度高,效率高,苗木成活率高,植物選型豐富,可根據(jù)坡面特征合理布置,缺點(diǎn)是施工難度較大,風(fēng)險(xiǎn)較高,人工痕跡明顯。
3) 階梯法。該方法是目前應(yīng)用最為普遍和成熟的邊坡復(fù)綠方式[12]。石材礦山采用自上而下的臺(tái)階式開(kāi)采,會(huì)形成1.0~1.4 m高的分臺(tái)階和10~14 m高的臺(tái)階,在階梯式平臺(tái)內(nèi)側(cè)和外側(cè)砌筑種植槽,并填加客土、肥料,種植喬木、灌木、草本和藤本植物以達(dá)到復(fù)綠效果。該技術(shù)施工工序一般為坡面排險(xiǎn)、臺(tái)階圍墻防護(hù)或坡底續(xù)坡、覆土栽植、養(yǎng)護(hù),其中臺(tái)階寬度、高度以及續(xù)坡的坡角是重要的技術(shù)指標(biāo)。該方法可用于臺(tái)階式開(kāi)采礦山的土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡,要求邊坡穩(wěn)定性較好,優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械化程度高,效率高,植物選型豐富,成活率高,缺點(diǎn)是受場(chǎng)地大小限制,存在施工風(fēng)險(xiǎn)。
4) 上爬下掛立體綠化。高陡邊坡復(fù)綠的主體植物是爬藤植物,可充分利用開(kāi)采平臺(tái)的空間,采取上爬下掛的立體綠化模式[13]。該方法是在某一級(jí)平臺(tái)上分別種植上爬植物以及下掛植物,上爬植物種植在平臺(tái)內(nèi)側(cè),便于向上一級(jí)壁面攀爬,下掛植物種子在平臺(tái)外側(cè),便于向下一級(jí)壁面垂吊,在光滑巖壁需要增設(shè)金屬網(wǎng)或金屬線(xiàn)等以輔助植物攀爬。該方法適用于臺(tái)階式開(kāi)采礦山的高陡巖質(zhì)邊坡,其中,種植槽采用漿砌塊石,充分利用廢石料,既可以降低工程造價(jià),又能實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用,缺點(diǎn)是工程量較大,人工痕跡明顯。
此外,生態(tài)袋法、孔穴法、飄臺(tái)法、石籠掛壁法等方法也可適合坡度大于70°的高陡邊坡生態(tài)治理和復(fù)綠。
根據(jù)石材礦山生產(chǎn)管理實(shí)際,數(shù)字化礦山建設(shè)的總體思路是利用衛(wèi)星航拍數(shù)據(jù)快速構(gòu)建露天礦區(qū)三維場(chǎng)景,結(jié)合小型無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)獲取礦區(qū)精細(xì)場(chǎng)景高分辨率航拍數(shù)據(jù),為數(shù)字礦山管理平臺(tái)、礦山精細(xì)場(chǎng)景構(gòu)建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。借助Surpac軟件和3DMine軟件等現(xiàn)有三維礦業(yè)軟件,實(shí)現(xiàn)從礦床地質(zhì)建模、不同品級(jí)荒料分布、儲(chǔ)量計(jì)算、開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)、采剝進(jìn)度計(jì)劃的可視化、數(shù)字化與智能化。建立礦區(qū)智能監(jiān)控、模擬仿真和安全生產(chǎn)綜合調(diào)度系統(tǒng),作為礦山生產(chǎn)的日常生產(chǎn)綜合管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程可視化、監(jiān)控調(diào)度實(shí)時(shí)化、生產(chǎn)信息透明化的先進(jìn)生產(chǎn)指揮管理能力。
針對(duì)石材礦山的開(kāi)采工藝特點(diǎn)和現(xiàn)狀,建設(shè)由礦山數(shù)據(jù)中心、三維地質(zhì)-采礦軟件平臺(tái)、三維可視化管控平臺(tái)、生產(chǎn)管理執(zhí)行系統(tǒng)平臺(tái)和安全生產(chǎn)信息平臺(tái)組成的“一個(gè)中心”和“四個(gè)平臺(tái)”組成的數(shù)字化礦山綜合系統(tǒng)。
1) 礦山數(shù)據(jù)中心。 石材數(shù)字化礦山數(shù)據(jù)信息管理包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)應(yīng)用三個(gè)基本流程(圖1)。其中,數(shù)據(jù)采集層主要采集地測(cè)采數(shù)據(jù)、機(jī)車(chē)人定位數(shù)據(jù)、視頻影像數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)、安全生產(chǎn)與環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備配件數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于不同數(shù)據(jù)庫(kù)中,并通過(guò)服務(wù)器數(shù)據(jù)中心交換、流轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。 通過(guò)這些數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資源管理、生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制管理、三維可視化管控以及設(shè)備與安全管理,進(jìn)而對(duì)石材礦山勘查、開(kāi)采、銷(xiāo)售等全流程進(jìn)行數(shù)字化、信息化管理。

圖1 石材礦山數(shù)據(jù)信息管理結(jié)構(gòu)Fig.1 Data information management structure of stone mine
2) 三維地質(zhì)-采礦軟件平臺(tái)。通過(guò)建立地質(zhì)勘查工程數(shù)據(jù)庫(kù),創(chuàng)建礦區(qū)地表模型、開(kāi)拓系統(tǒng)模型、地層/巖體模型、礦體模型、構(gòu)造模型、礦石品級(jí)模型或其他類(lèi)型模型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)資源儲(chǔ)量估算和動(dòng)態(tài)管理、地質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、露天境界優(yōu)化、露天采場(chǎng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃編制和工程出圖。
3) 三維可視化管控平臺(tái)。利用遙感圖像、數(shù)字高程模型以及鉆孔、鋸切、移位、吊裝、運(yùn)輸和清渣等方面的設(shè)備模型,建立礦山及周邊的地形與影像、采礦作業(yè)的三維虛擬仿真。通過(guò)接入視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),邊坡、粉塵、噪聲在線(xiàn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),機(jī)械、車(chē)輛、人員定位跟蹤和調(diào)度等數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)三維可視化管控。
4) 生產(chǎn)管理執(zhí)行系統(tǒng)平臺(tái)。主要實(shí)現(xiàn)礦權(quán)管理、資源儲(chǔ)量管理、設(shè)備管理和生產(chǎn)計(jì)劃與執(zhí)行管理,自動(dòng)形成調(diào)度臺(tái)賬、生產(chǎn)數(shù)據(jù)看板、荒料質(zhì)量等圖表資料,便于管理者隨時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)執(zhí)行情況。
5) 安全生產(chǎn)信息平臺(tái)。包含應(yīng)急預(yù)案管理、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查等多個(gè)功能。風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控包含危險(xiǎn)源管理、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控、風(fēng)險(xiǎn)臺(tái)賬、風(fēng)險(xiǎn)公示等;隱患排查包含隱患排查清單、隱患上報(bào)、隱患復(fù)查、隱患臺(tái)賬、任務(wù)分配、消息推送、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控和預(yù)警等。
石材綠色礦山建設(shè)的內(nèi)容和評(píng)價(jià)指標(biāo)繁雜,涉及的具體內(nèi)容非常廣泛,是一項(xiàng)龐雜的系統(tǒng)工程,本文僅針對(duì)石材礦山綠色礦山建設(shè)的核心內(nèi)容和主要技術(shù)方案進(jìn)行了分析和討論。針對(duì)具體礦山,需要因地制宜,根據(jù)礦山實(shí)際和開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀,編制切實(shí)可行的實(shí)施方案指導(dǎo)綠色礦山建設(shè)。此外,綠色礦山建設(shè)是一個(gè)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和評(píng)價(jià)指標(biāo)查漏補(bǔ)缺的過(guò)程,需要礦山企業(yè)把綠色礦山建設(shè)作為日常性工作,與礦山管理有機(jī)融合起來(lái),不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并制定計(jì)劃、措施和方案,并進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。