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由于地質運動的作用,一些石材礦體尤其是層狀石材礦體與水平面會呈現一個傾斜角度,這類礦體稱為傾斜礦體,對這類礦體的開采稱為傾斜礦體的開采。本文將介紹傾斜礦體的特點,以及幾種使用機械鋸切或輔助鋸切設備開采傾斜礦體的工藝方法。
1 傾斜礦體石材礦山的特點
許多石材礦山,其礦體巖層產狀不是水平的,尤其是層狀且礦體傾斜的大理石礦山,不同開采方法和推進方向將會影響到石材的花色、開采荒料率和開采效率。如何正確進行傾斜礦體的開采,一直是個值得探討的問題。
本人認為,開采傾斜礦體首先需要確定主切面(表現石材商品花色的面)的方向,這是決定開采鋸切方向的關鍵因素。主切面決定了開采推進方向、開采工藝參數和工藝方法,以及開采設備的類型選擇。除此之外,在考慮推進方向和主切面時,還應注意礦體分層厚度,層與層間石材結合強度大小等相關因素,后者是決定板材質量的關鍵因素。因此,石材花色和石材強度是決定傾斜礦體開采工藝方法選擇的重要因素,必須使這二者相互兼顧和并統一。
圖1和圖2顯示了通常傾斜礦體主切面的兩種情況,圖1是主切面垂直于水平面的情況,圖2是主切面平行于礦體傾斜面或垂直于礦體傾斜面的情況。我們將圍繞對具有這兩種主切面特性的傾斜礦體實施機械化開采的工藝方法進行討論。
1.1 整體性好的傾斜礦體
如果傾斜礦體巖層整體性好,平行于傾斜面的裂隙不發育,或者這些裂隙間距比較大時,無論主切面方向如何,所采石材的強度都不會受到影響,只要使主切面上的花色最漂亮或能夠滿足市場上的需求,將主切面選定在垂直于水平面,或者沿礦體的傾斜面的面上都可以。
圖3所示意大利CARRARA地區的一個白色條紋狀大理石礦山,其石材的花色反映在礦體傾斜面上,與圖2相同,即其主切面平行于礦體的傾斜面,垂直于礦體傾斜面的面也可作為主切面。圖4是四川某傾斜礦體米黃大理石礦山,其花色的主切面與圖2和圖3相同,也處于平行于礦體的傾斜面上。圖5是河北某傾斜礦體大理石礦山,其石材主切面位于垂直于水平面的礦體面上,而不是處于礦體傾斜面上,與圖1相同。
1.2 整體性差的傾斜礦體
如果礦體整體性很差,平行于傾斜面的裂隙發育,這些裂隙的間距很小,這時石材花色和強度二者都要考慮。為了保證開采石材的強度,主切面最好選擇在平行于礦體的傾斜面上,如圖2、圖3和圖4所示。如果選擇在垂直于水平面的礦體面上(圖1和圖5),即使所開采的荒料能夠成型,但將其切成板材后的破碎率也很高。為了保證板材的強度,需要增加背網和補膠工藝,從而增加了加工板材的成本。所以在確定這類傾斜礦體的石材花色品種時,最好事先考慮好主切面的方向。如果花色品種相差不大,應優選與礦體傾斜面平行的面作為表述石材花色的主切面推向市場,盡量不選擇垂直于水平面的花色,以便使后面的開采工藝簡單和容易操作,也保證了加工板材的強度和板材的質量指標,降低后續板材的加工成本。
2 傾斜礦體鋸切開采設備及適用條件
目前用于飾面石材礦山開采的金剛石串珠鋸、臂式鋸、開采圓盤鋸都可用于傾斜礦體的鋸切開采。這些設備可單獨使用也可組合使用,但具體選擇哪種組合方式開采,則與傾斜礦體的主切面方向和礦體傾向有關。
不論傾斜礦體主切面的方向如何,金剛石串珠鋸不受主切面方向的限制,除可進行垂直面、水平面鋸切外,還可鋸切任意傾斜角度的斜面,適合所有傾斜礦體的開采。串珠鋸不僅可獨立承擔礦山全部的鋸切開采作業,還可作為主采設備用于大理石、花崗石等所有巖性傾斜石材礦體的開采,也可與其他開采設備組合進行大理石、花崗石礦山的全鋸切開采。
臂式鋸通常只能進行垂直、水平和微小傾角面的鋸切,是用于大理石礦山開采的鋸切設備。臂式鋸允許其導軌面與水平面之間存有一微小傾角,因鋸機不同,通常該傾角≤5;雖然特殊車載型臂式鋸可進行任意角度傾斜面的鋸切,但臂式鋸主要還是用于水平和垂直面的鋸切。在傾斜礦體開采時,可利用臂式鋸的切割特點、所采傾斜礦體主切面的方向、開采工藝參數和與之組合開采設備的參數特性,進行所需切割面的鋸切。如果單獨使用或與圓盤鋸組合,臂式鋸只能進行主切面垂直于水平面的傾斜礦體開采;但與串珠鋸組合后,可進行主切面垂直于水平面或平行于礦體傾斜面的傾斜礦體開采。
圓盤鋸只能進行垂直面的鋸切,適用于主切面垂直于水平面的傾斜大理石、花崗石礦體的開采。圓盤鋸除了作為大理石礦山垂直面的主要鋸切設備,并與串珠鋸或臂式鋸組合進行主切面垂直于水平面的傾斜礦體大理石礦山的全鋸切開采外;還可與串珠鋸組合進行主切面垂直于水平面的斜礦體花崗石礦山的全鋸切開采;或與水平面排孔鑿巖劈裂方法結合,進行主切面垂直于水平面的傾斜礦體花崗石礦山的開采。但圓盤鋸不適合開采主切面與礦體傾斜面平行的傾斜礦體的開采。
3 傾斜礦體的全鋸切開采方法
在整體性相對好的傾斜礦體,可將其視為完整礦體進行開采。無論主切面的方向如何,都可使用上述開采設備單獨或組合進行全鋸切開采。但有些傾斜礦體內存在有與礦體傾斜方向相同的天然分層裂隙,開采時必須考慮這些分層裂隙對開采荒料率和石材質量的影響。只有合理地利用這些裂隙,才能獲得最大的經濟效益。
3.1 無天然分層傾斜礦體的開采方法
開采無天然分層或天然分層裂隙很少的傾斜礦體時,無論將主切面確定在哪個方向,全鋸切開采方法仍是最佳選擇。其開采工藝方法與整體性好的礦體開采方法相同。
3.1.1 主切面垂直整體性好的傾斜礦體開采方法
對于主切面垂直于水平面、整體性好的傾斜礦體,對其進行全鋸切開采的工藝內容包括:對礦體兩個方向垂直面和水平面的鋸切,使得分離體各個面全部與礦體分離;如果是高度超過6m的高臺階開采分離體,可使用翻倒工藝將分離體從礦體上翻倒,然后再使用串珠鋸、移動型臂式鋸將分離體解體、整形成荒料;如果是高度低于2m的低臺階開采分離體,可使用裝載機、挖掘機等工程機械設備直接拖拽分離體使其從礦體上脫離,然后再用串珠鋸等設備對其分解、整形處理。其中串珠鋸和圓盤鋸可用于大理石、花崗石等所有石材礦山的開采,臂式鋸只能用于大理石、石灰華等軟質石材的礦山開采。根據目前開采設備的技術參數,開采臺階高度的選擇原則通常是低于2m或高于6m,只有在特殊情況下才選擇2?6m之間的數值作為開采臺階的高度值。
3.1.1.1 主切面垂直整體性好的傾斜礦體的高臺階開采方法
對主切面垂直于水平面、整體性好的軟質石材傾斜礦體進行高臺階開采時,只需考慮主切面位置、方向,然后直接按照常規高臺階開采石材荒料方法即可。通常使用串珠鋸與臂式鋸組合而成的全鋸切開采系統,開采工藝順序包括:使用切割臂長度2?3m的臂式鋸進行分離體水平面的分離鋸切,鉆鑿垂直孔貫通該水平面并穿引串珠繩;使用串珠鋸將分離體與礦體連接的兩個垂直立面鋸切分離(見圖7);或者使用切割臂長度7?8m臂式鋸進行分離體一個垂直面(通常是垂直背面)的分離鋸切,鉆鑿水平孔貫通該垂直面并穿引串珠繩;使用串珠鋸將分離體與礦體連接的水平面和另外一個垂直面鋸切分離(見圖8);從而完成分離體與礦體連接面的鋸切分離。需要注意的是在分解和整形荒料時保證荒料主切面為石材花色面即可。
使用這種組合方式后,不再需要進行兩個或三個鉆孔的交匯鉆鑿,只需使用潛孔鉆機、液壓鉆機、水鉆、甚至手持鑿巖機鉆孔與臂式鋸的切割面進行點面交匯孔的鉆鑿,用于穿引串珠繩即可。與通常鉆鑿三孔或兩孔交匯貫通相比,點面交匯孔的鉆鑿操作非常簡便容易。
3.1.1.2 主切面垂直整體性好的傾斜礦體低臺階開采方法
仍然是開采主切面垂直與水平面、整體性好的傾斜礦體,可使用目前安裝最大直徑(4.2m)鋸片的圓盤鋸與串珠鋸組合,進行臺階高度≤1.9m的低臺階大理石或花崗石礦體的全鋸切開采。這時的圓盤鋸只負責鋸切分離體與礦體之間的垂直連接面(鋸縫呈現十字交叉),串珠鋸負責臺階上分離體水平面的分離和解體鋸切、荒料的整形鋸切,見圖9。
有兩種鋸切順序可用于這種工藝方法。第一種是先使用串珠鋸切割分離礦體的水平面后再切割分離垂直面,這就需要事先鉆鑿兩個水平孔與一個垂直孔交匯(分離體具有三個自由面),用于穿引串珠繩環繞水平鋸切面。第二種是使用圓盤鋸先鋸切礦體垂直面后再鋸切水平面,這又分成先鋸切一個垂直面和先將兩個垂直面都鋸切完成兩種情況;如果先鋸切分離了兩個垂直面,通常不再需要鉆鑿用于穿引串珠繩的孔與面或孔與孔交匯的貫通孔,直接利用寬度20mm的圓盤鋸鋸縫即可穿引串珠繩環繞被鋸切的水平面;如果先鋸切完成一個垂直面的分離,需要鉆鑿一個水平孔與該垂直面交匯貫通用于穿引串珠繩環繞水平面。不論采用哪種鋸切順序,鋸切水平面時,為了防止分離體中因存在的裂隙容易失去支撐而出現塌落壓住串珠繩,引發斷繩事故,必須對分離體進行有效的支撐保護,通常是向水平鋸縫中插入普通鋼楔和專用鋼楔。
3.1.2 主切面與礦體傾斜面平行的傾斜礦體開采方法
當石材主切面必須平行于(順著)礦體傾斜面或與礦體傾斜面垂直時(見圖2),為了保證主切面的花色,可選擇矩形立方體作為分離體的幾何形狀,這時分離體各個鋸切面與礦體水平面處于非垂直和非平行狀態,開采工作面為非水平面,雖然開采荒料率比較高,但開采作業難度大。也可以選擇平行四邊形立方體作為分離體的形狀,開采工作面為水平面,雖然方便了開采作業,但解體分離體時會降低荒料率。為了減少因平行四邊形立方體端頭不能利用引起的荒料率損失,盡量采用增大平行四邊形分離體高度即采用高臺階開采方式。
開采這種主切面方向傾斜礦體最合適和最優選的方法是串珠鋸與臂式鋸全鋸切開采,或者串珠鋸全鋸切開采。在有臂式鋸參與開采的礦山,可避免貫通難度大的孔與孔交匯鉆鑿作業,尤其是避免了貫通難度更大的傾斜孔與水平孔交匯的鉆鑿作業,只需完成孔與面交匯鉆鑿即可。在串珠鋸全鋸切開采礦山,則需要進行傾斜孔交匯的鉆鑿。
由于受到鋸切深度的限制,即使用目前安裝4.2m直徑的最大圓盤鋸,仍不滿足開采主切面與礦體傾斜面平行的傾斜礦體開采要求。因為圓盤鋸不能進行傾斜面的鋸切,所以圓盤鋸只能進行高度1.9m以下的低臺階開采,只能從采出的平行四邊形分離體中獲得很少的荒料,大部分石料被浪費掉,荒料率很低。
圖3所示意大利大理石礦山的傾斜礦體整體性比較好,但石材的主切面與礦體傾斜面平行(圖10中的A和A1面)或垂直(圖10中的A2面)。該礦山使用串珠鋸與臂式鋸組合開采方法,順著礦體傾斜面鋸切的高臺階(6?9m)開采方式。其中串珠鋸用于分離體傾斜面的分離鋸切,臂式鋸用于分離體水平面(切割臂長2.5?3.5m)或垂直面(切割臂長7?8m)的分離鋸切。
根據臂式鋸安裝切割臂的長度規格,可形成兩種開采工藝順序:第一種是首先使用臂長7?8m的長臂型臂式鋸切割割分離體與礦體的垂直連接背面A2,鉆水平孔Po與A2面貫通;通過Po與A2面穿引串珠繩環繞水平面So,使用串珠鋸切割分離水平面So;通過水平孔Po與A2面穿引串珠繩環繞傾斜面(主切面)A或A1,使用串珠鋸切割分離傾斜面A或A1,最終完成分離體與礦體的分離切割。第二種是先用臂長2.5?3.5m的普通型臂式鋸切割分離體與礦體的水平連接面So,鉆傾角與礦體傾角相同的傾斜孔P1與水平面So貫通;通過P1孔與水平面So穿引串珠繩環繞傾斜面A或A1,使用串珠鋸切割分離傾斜面A或A1;通過傾斜孔P1與So面穿引串珠繩環繞垂直面A2,使用串珠鋸切割分離垂直面A2,最終完成分離體與礦體的分離切割。
采用傾斜鋸切方法對于這種主切面傾斜特性的礦體進行低臺階開采是不可取的,如圖11顯示的開采臺階高度只有2m,因此會大大降低開采荒料率。
所以在選定傾斜礦體的石材花色品種時,最好提前考慮主切面的方向。如果花色品種相差不大,應優選主切面垂直的花色向市場推廣,以便使后面的開采工藝簡單和容易操作。實在不可避免需要選擇主切面與礦體傾斜面平行時,可采用高臺階開采參數,以獲得最大的開采荒料率。
3.2 利用傾斜礦體自然分層的開采方法
在一些傾斜礦中會存在與礦體傾向相同或相近傾斜裂隙,這些裂隙的間距和密集程度直接影響到荒料的出板率。
3.2.1 主切面垂直但傾斜裂隙發育的傾斜礦體開采方法
在開采一些裂隙傾角與礦體傾向相同或相近且間距很小的傾斜礦體,而其主切面又與水平面垂直時,由于密集分布的裂隙影響,即使開采出的荒料沒有開裂,但將其加工成板材后,板材的表面也會因裂隙而發生開裂,只有通過背網、修補等工藝將板材整體固定以保證板材的整體強度。開采主切面垂直于水平面且具有上述特點的傾斜礦體時,仍可采用上述串珠鋸與臂式鋸組合,或者串珠鋸與圓盤鋸組合的全鋸切系統進行高臺階或低臺階開采。
3.2.2 主切面與礦體傾向相同大間距傾斜裂隙的傾斜礦體開采方法
如果主切面與礦體傾斜面相同或相近,且沿礦體傾向的裂隙間距比較大時,可利用這些裂隙進行開采。如果裂隙縫隙中的膠合物質對兩側面巖石的粘合作用不明顯,雖然有時這些裂隙面不十分平整,但在一定的外力(劈裂力、挖掘機鏟斗撬翻力或控制爆破力等)作用下,裂隙面兩側的巖石非常容易脫離。所以在分離裂隙面時,可考慮使用外力代替鋸切作用將其分離。
圖12是意大利DOMODOSSOLA的一個傾斜礦體花崗石礦山,該礦山的主切面與礦體傾斜面平行,又可垂直于礦體傾斜面,而且沿傾斜礦體面上的裂隙間距很大,開采時利用了礦體上的天然裂隙面作為分離體的一個分離面。該礦山采用了串珠鋸與排孔鑿巖結合控制爆破開采方法,其開采工藝順序是:串珠鋸首先完成分離體垂直側面的鋸切分離,使用排孔鑿巖結合控制爆破或人工(液壓)劈裂方式將垂直于傾斜礦體分離體的背面與礦體分離,也可使用串珠鋸將該面鋸切分離,將間距4?5m的天然傾斜裂隙面作為分離體的底面,經過上述分離過程可將分離體與礦體徹底分離。為了開采作業的安全,這種開采方式的推進方向必須是順著礦體的傾斜面,并將工作面安排在位于巖層面的上方,嚴禁在巖層面的下方作業。
3.2.3 主切面與礦體傾向相同但傾斜裂隙非常發育的傾斜礦體開采方法
如果主切面與礦體傾斜面相同或相近,且沿礦體傾向的裂隙很發育、間距比較小時,只能采用3.2.2介紹的大間距裂隙傾斜礦體的開采方法,才能保證開采出主切面尺寸足夠大的荒料。但開采出的荒料寬度或稱厚度只能由裂隙間距大小決定了。
3.3 傾斜礦體的洞采方法
在對傾斜大理石等軟質石材礦體進行洞采時,因作業空間的限制,通常只能將垂直于水平面的礦體切面作為主切面,并選擇與之配套的開采設備和方法。在一些傾角比較小的傾斜礦體洞采礦山,選用可在一定傾斜表面上作業的專用開采設備后,也可將主切面選擇在平行于或垂直于礦體傾斜面的面內。圖13是意大利佛羅倫薩附近的一座洞采砂巖礦山,該礦山礦體的傾角平均約12,礦體的工作面安排在與礦體傾斜面平行的面上,即與水平面呈12的夾角。因為該洞采礦山使用了車載式臂式鋸,該臂式鋸在專用車輛的支持下,切割臂可進行與水平面呈12傾角的傾斜面切割。
上面介紹了幾種典型傾斜礦體的全鋸切開采工藝方法,如果傾斜礦體主切面與上面的舉例不同,上述開采方法仍有參考和借鑒之處。總之,開采傾斜礦體首先要以保證石材花色和強度為前提選擇主切面的方向,以安全開采作業為原則,以最大開采荒料率為目標,確定和選擇合適、合理的開采工藝方法和開采設備,以獲得最大的經濟效益。
來源:石材雜志