洞采花岗石石材的可行性探讨.docx

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洞采花岗石石材的可行性探讨

洞采花岗石石材的可行性探讨

世明

二0一五年十二月二十九日

过去，国内绝大多数石材矿山处于盲目、无规划建设，无序、无知的开采，破坏环境、浪费资源。

全国约有50%石矿开采点处于技术非常落后，甚至野蛮开采；约有30%的矿点技术一般，但不具备规模经济；约有20%的矿点虽有一定规模与技术，但与国际水准仍有很大差距。

目前，我国石材行业正面临着实现产业转型和升级，由石材大国向石材强国转变的关键时期，正处在结构调整向纵深转折的重要时刻，既面临严峻挑战，也面临着良好的发展机遇。

石材是不可再生资源，以环境的代价换取资源的时代已经过去了。

面对新形势、新机遇和新挑战，我们必须始终坚持以科学发展为主题，转变思想和理念，必须牢固树立节约资源能源和生态文明建设的意识，积极主动地推进资源综合利用、清洁生产、实施节能减排，坚定不移地走绿色生态文明发展之路，积极推广饰面石材矿山地下开采技术。

花岗石石材采用地下开采方法和锯切开采工艺，对于科学开采和保护环境是一场技术革命，可以使花岗石矿山开采达到无破坏，无石渣开采，实现“低能耗、低污染、低排放”的三低绿色矿山。

走出一条崭新的花岗岩资源开发之路

一、高密度电法物探技术用于饰面花岗石矿床勘探

花岗石矿床，一般均有不同程度的覆盖层和风化带。

石材矿山地表裂隙多，成荒料低；但深部裂隙减少，荒料块度很大。

石材矿山开出的石材主要用于建筑装饰，所以花岗石石材矿床多要求矿石完整性好、结构致密。

矿床岩石类别、块度、结构、构造、节理、颜色、色斑，以及荒料加工成板材等制品的质量，都直接关系到石材资源优劣和投资效益的合理性。

由于石材地质工作的特殊性，需要了解矿区地表覆盖、风华层的分布和完整基岩顶面形态以及影响成矿节理裂隙、断层和岩溶等的分布情况，这就必须使用勘探工程手段来评价石材矿床的可开发和利用价值。

所以了解区域地质历史，推断与证实深部石材的完整性是石材地质勘探中的一项重要任务。

过去，由于人们受认识水平和实践的局限，在埋藏较深的花岗石石材矿山开发利用工作中存在一些问题，例如在地质评价中所选择的探矿手段、勘探网度和图纸比例尺寸基本照搬传统非金属矿老一套，与石材矿山特点针对性不强，导致地质揭露不充分，难于反映矿体微观地质特征，也不能对资源隐藏的要害问题及时予以揭露，所提交的地质报告难于指导采石设计和生产，使石材矿山业主对地质勘探工作失去信心，最终导致盲目投资；还有在选择开采和开拓方式时没有根据矿体地质特征和地形条件，因地制宜，合理规划设计，本来矿山风化层厚度很大，而且探矿程度不足，应该首先考虑使用地下开采方式，而矿山业主却盲目选择了普通的露天采石方法进行开采，将大量资金投入到无效的剥采当中，从而导致采石失败。

上述现象给开发商造成巨大的经济损失，同时也严重地影响了花岗石石材矿山开采业的正常发展，为了提高花岗石石材探采水平，近几年被我国推广使用高密度电法物探技术勘探花岗石矿床。

高密度电法物探技术通过实践证明，与常规电法相比，高密度电阻率法成本低、分辨率高、效率高、信息丰富、解释方便，应用于石材勘探中可以取得较好的效果。

可以基本替代传统石材矿山勘探中的试采和钻探，迅速查明矿区地层、结构、产状、荒料率和水文地质特征，减少勘探资金投入约40%；勘探周期缩短50%，这项石材物探技术在东北潮湿的森林覆盖区以及西北干旱戈壁地区进行石材地质勘查工作，取得事半功倍的探矿效果，可以快速为矿山总体发展规划提供地质依据。

总之，花岗岩石材的开发和利用有其自己的特点，因此对于民采矿山，主要应用物探方法就可以了，对于大型现代化开采的矿山可适当增加地质工作手段。

二、花岗石矿床地下开采的可行性

目前，花岗石开采，在选择开采和开拓方式时没有根据矿体地质特征和地形条件，因地制宜，合理规划设计，一律采用露天开采。

从采矿技术的角度考虑，剥离量巨大的矿山和开采深度太深的露天矿山，以及名贵石材矿山，均适合地下开采。

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。

如果可以进行类似大理石地下开采那样的开采作业，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。

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。

一是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；二是花岗石露天开采与大理石露天开采工艺基本相同；三是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；四是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也应该是相类似的，不同之处只是使用的开采设备有很大的区别。

所以，借鉴目前成熟的地下大理石开采工艺方法，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。

地下开采准切割矩形通道开挖与矿房切顶的施工方法。

在目前技术条件下，我们可以使用以下四种方法进行地下矿采准切割矩形通道的施工：

1、金刚石串珠锯压绳锯切矩形通道掘进与扩展的方法

采用金刚石串珠锯压绳锯切法，也可以实现矩形通道和封闭面的切割施工。

只是切割前，首先要钻两个直径200-250毫米的钻孔，用于安装金刚石串珠锯压绳轮，这样大直径的钻孔，在大理石中钻凿并不难，而在花岗石中能一次钻凿这样大直径的地下采掘水平钻孔设备还没有，要想在花岗石中钻凿直径200-250毫米的钻孔，只能使用潜孔钻机先钻一个直径100毫米左右的孔，然后再次安装柱齿扩孔钻头将该孔扩钻至直径为200毫米以上的钻孔，或者在矩形通道四角钻凿大孔径“L”形密集孔，使用洞采水平导向轮配合金刚石串珠锯进行锯切，但这种方法需要与专门的液压或其他机械进给设备和必要的动力系统。

所以，采用金刚石串珠锯压绳锯切法进行花岗石矩形通道的锯切施工，存在两个问题：

一是钻孔效率低，施工难度大。

二是金刚石串珠锯使用压绳锯切法，其锯切效率也要降低50%。

这都是影响其在花岗石开采中使用主要原因，所以这种施工方法一般只在少数名贵品种的花岗石矿山使用。

花岗石地下开采矩形通道掘进，必须使用专用的锯切和钻孔设备。

如果使用现有的钻孔设备，由于受设备的结构限制，潜孔钻机的钻孔中心线与水平地面之间必须留有一定的距离，根据潜孔钻机型号和结构的不同，这个距离大约在7--20cm之间。

因此，在切割水平面时，相邻切割面之间必定会出现台阶。

如果每次选择的水平切割面积过小，在采面的底平面上便会形成多层平面和台阶。

随着水平面的扩大，后续分离体的高度会因这些水平台阶的累积而减小，严重时会影响到后面分离体的荒料尺寸。

减少水平面累积台阶影响的最有效的方法是，一次钻凿长15--30m的水平孔，以这个长水平孔作为后续分离体的水平面，分次切割每个分离的底面共用一个平面，这样切割分离体后，水平底面不会出现台阶。

以此减少相邻切割面之间出现台阶数量。

金刚石串珠锯压绳锯切矩形通道掘进图

2、密集钻孔法矩形通道开挖与扩展的方法

使用密集钻孔法开挖矩形通道，施工方法是先在预开挖的矩形通道断面顶边、底边和二个侧边使用液压排架凿岩台车钻凿直径42-50mm相互贯通的排孔。

或使用潜孔钻凿岩台车钻凿直径60-90mm相互贯通的排孔，使四边被切割开。

然后使用金刚石串珠锯和洞采水平导向轮将矩形岩体背面（封闭面）的连接面锯开，整个矩形岩体也就被彻底分离出了。

最后，用钢丝绳和装载机等设备将锯切下来的花岗石矩形切块从通道内拖拽出来。

之后，就可以进行下一个循环开挖工作了。

这种方法适用于高档花岗石石材开采。

贯通孔凿岩轨迹示意图

密集钻孔施工方式有两种：

前进间隔式和后退连接式。

前进间隔式。

由劈裂线起始端先钻第一个孔，然后备留一个孔径的间隔钻第二孔，孔成后在1、2孔中插入铁杆，在备留孔位钻第三个孔，如此间隔交替钻孔前进，前面所成之孔便相互连通。

前进间隔式后退连接式

后退连接式。

从台阶的一个自由面开始钻孔时，先预留一个孔径的间隔，钻第1个孔，孔成后插入铁杆再在预留位孔位上钻第2孔。

之后，再备留一个孔的间距钻第3个孔，孔成后插入铁杆，再在备留的孔位上钻第4个孔，如此后退，远离自由面密集孔逐渐连接而成。

在矩形通道断面四边钻孔，以及矩形通道扩展钻孔，一般只能使用井下立柱式潜孔钻机、平巷掘进凿岩台车、单头潜孔钻凿岩台车、液压排架凿岩台车钻孔等设备。

如，①ZQS100B井下立柱式潜孔钻机，②DF10-1BCDL胶轮式凿岩台车，③金峰/ZY300型履带式全液压掘进钻车，④Y28 单立柱液压凿岩机 ，⑤凯强力KQL液压排架凿岩台车，等。

3、隧洞锯石机、隧道钻孔机开挖矩形通道方法

石材地下开采矩形通道掘进，也可以使用隧道锯石机和隧道水磨钻进行掘进，然后再使用密集钻孔和金刚石串珠锯进行矩形通道的扩展作业。

该法是直接使用隧洞切割机和隧道钻孔机进行矩形通道的切割开挖，但是矩形通道尽可能布置在节理裂隙发育花岗石矿体或接近矿体围岩中。

中高档的花岗石矿山地下开采可以考虑使用这种方法。

①遂洞锯石机，可以在各种类型的山体条件下作业。

②隧道钻（水磨钻）孔机，可用于钻切花岗石、特坚岩石、风化岩石等。

a遂洞锯石机锯切法掘进图b遂洞水磨钻钻孔劈裂法掘进图

平面剖面

c钻孔劈裂掘法掘进图

4、光面控制爆破法掘进矩形通道的方法

开采矩形通道可以使用控制爆破技术中的光面爆破法进行矩形通道的掘进，但是矩形通道尽可能布置在节理裂隙发育花岗石矿体或接近矿体围岩中。

掘进爆破作业的布孔，一般都由掏槽孔、辅助孔和周边孔组成。

光面爆破法与普通爆破法不同之处是，在巷道掘进面周边布置小直径、小药量和小孔距的“三小”炮孔进行爆破，从而实现对矩形通道四壁岩体的平整爆破，减少对花岗岩石体的破坏，在开采中低档的花岗石矿山地下开采可以考虑使用这种方法。

只是这种方法只能用于矩形通道的开掘，矩形通道扩展时需要使用凿岩设备和金刚石串珠锯组合施工。

上述几种矩形通道开挖与扩展的方法，矩形通道石料与矿体的最后结合面是隐藏于不能从分离石料正面直接看到、无法触及到的背部（即封闭面），串珠锯的常规锯切方式是无法使串珠绳直接切割到该面。

所以必须利用金刚石串珠锯切缝、密集钻孔切缝、钻孔，以及隧洞锯石机、隧洞水磨钻开掘和光面爆破掘进的小通道，并借助专用导向轮多次改变串珠绳的运动方向，最终将串珠绳导引到这个隐蔽的连接面实施分离切割。

为此需要安装多个改变串珠绳运动方向的洞采专用导向轮装置，其中有些导向轮还必须深入到金刚石串珠锯切缝，密集钻孔切缝，钻孔内，隧洞锯石机、隧洞水磨钻和光面爆破小通道中，实现串珠绳的变向运动。

同时还必须科学选择串珠锯锯切的工艺参数，合理选择工艺步骤，才能顺利完成这一封闭面的锯切分离。

三、采矿与开采方法

1、地下矿采矿方法。

实践表明，花岗石与大理石开采方法和工艺基本是相同，所以花岗石地下开采，完全可以使用开采大理石时使用的房柱采矿法和洞型采矿法等进行花岗石开采。

房柱采矿法示意图

2、矿房采石方法。

地下开采矿山的矿房（洞室）内也必须严格执行台阶式由上到下的开采顺序，开采工艺与深凹露天开采基本相同。

地下开采石材荒料的工艺流程包括：

矩形通道掘进、矿房切顶、以及大量开采石材。

石材开采包括：

分离块锯切、分离和翻倒，分离块解体和荒料整形，荒料位移、吊装和运输，废渣石的清运等。

花岗石因硬度较大，开采时普遍都选择锯切开采方法；而且对于中酸性、酸性浸入到岩中形成花岗石的矿床，大都选择机械化程度较高的开采方法。

现有成熟的花岗石开采锯切设备和工艺，主要是圆盘锯配合劈岩机开采、金刚石串珠锯全锯切开采，以及开采圆盘锯或金刚石串珠锯配合水压顶袋开采，等等。

四、安全措施

洞采矿山必须由具有资质的石材专业设计院进行正规的矿山开采设计。

首先要采用合理、合适的采矿方法和正确的开采工艺参数，选择正确的开采设备和辅助设备，建立可靠、环保及安全的生产辅助设施，齐全的安全监控和保障措施，以及未来几年的开采规划，保证矿体储量得到最大限度地利用。

除此之外，洞采矿山的设计还应包括安全矿柱的预留及开采硐室的分布设计，安全矿柱通常预留在矿体裂隙发育、花色低档、侵入的围岩等部位；如果矿体岩石受力状态达到安全极限时，不论是否处于可采矿体部位，都应预留安全矿柱。

洞采矿山还需要设置辅助设施。

一是需要有良好的照明系统，以及备用照明电源。

具备容量充足的供电能力，还需配套备用电源。

二是为了降低干切时产生的粉尘污染，洞采锯切设备都采用湿切方法，这就需要洞内建设有供应量充足及排泄能力足够的给排水系统。

三是通风系统，通常配备轴流通风机，通风效果必须达到国家有关地下开采作业环境的清新空气质量要求。

四是矿山必须设置人员逃生通道，即第二个安全出口。

五、开采设备

实践证明，设备选择也是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。

开采企业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，才能取得较好的经济效益。

花岗石地下开采，可以使用的主要设备有开采圆盘锯、变频金刚石串珠锯、多功能潜孔钻机、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，等等。

下面对可以用于花岗石地下开采设备的主要技术性能作简要介绍：

开采圆盘锯是目前花岗石开采效率最高、开采成本最低、操作方便和采准工程工作量少的锯切开采设备。

锯片直径有1.6m、2.2m、2.8m、3.0m、4.2m，最大直径有5.2m的，锯缝15～20mm。

开采圆盘锯适用于矿体完整、色线、色斑不会影响到荒料主切面花色的装饰性或影响很小，台阶高度≤2m的花岗石矿山开采。

在具有足够采石作业面的前提下，一台双锯片型的开采圆盘锯，配合钻孔人工劈裂分裂水平面工艺，年开采花岗石的生产能力达到1～1.5万m³。

变频金刚石串珠可以进行大面积的花岗石开采，锯切缝仅10mm左右。

可以避免当花岗石劈裂性差、或者遇到裂隙，使用劈裂分离方式引起预期分离面残留碎石的缺陷，使得分离石料的成功率达到100%，同时可以从分离出的石料中最大限度地回收荒料，减少资源浪费，产生更好的经济效益。

最新资料表明，超级变频串珠锯技术性能已经达到较高水平，在矿山开采花岗石时，锯切速度可达到8～40㎡/h。

而且与二十年前相比，串珠绳价格下降了72～84%，寿命也有了很大的提高；串珠锯锯切速度提高了4～10倍，开采成本大幅度降低，使得串珠锯大量用于花岗石矿山的开采。

串珠锯适用于矿体不太完整、色线、色斑会影响到荒料主切面花色的装饰性，以及高台阶开采的花岗石矿山。

一台55KW超级变频串珠锯的年开采花岗石的生产能力可达到1万m³。

多功能潜孔钻机是针对石材矿山开采时，与金刚石串珠锯开采系统配套使用的专用大孔径交汇孔钻凿设备，主要有全气动、气动液压混合和电动液压混合等动力方式。

其特点是可用于水平孔、垂直孔及倾斜交汇孔的钻进，角度的调整及锁定简单可靠；能进行钻进方位及角度的调节；为保障深孔的对孔准确，在钻具上设置了随钻导正器；用于10～35m深度贯通孔的钻凿，孔径φ80～100mm。

该机凿孔速度快，效率高，与传统钻机相比可提高8～10倍。

可有效提高劳动生产率，降低人工成本，减少资源损耗，提高荒料出材率。

TSY-PH-90全气动潜孔钻机,结构简单，维修方便，但耗气量大（10～12m³/min），提升力一般在300～700kg；TSY-QD-90气动液压组合动力钻机,钻进效率高，耗气量小（5～7m³/min），提升力可达1.5T，但需要配备液压站。

SKZ-120A立柱式潜孔钻机，钻孔直径：

68mm～120mm ，耗气量7～8m3/min。

在硬度f＝6～18的岩石中钻孔深度是每小时5～15米/h，钻孔速度是一般凿岩机的3～6倍。

CYL1/28液压凿岩排架车，凿孔直径32～45mm，凿孔速度1m/min，凿孔深度15m。

适用于花岗石荒料分解和劈裂性较好的花岗石荒料开采。

DF10-1BCDL凿岩台车，凿孔直径 φ32～φ102mm，钻孔深度 2.7m，凿岩速度可达0.8～2m/min。

适用断面（b×h）2×2～4×4m，可对巷道的工作面、顶板、侧帮、底板凿岩作业。

也可用于花岗石开采钻孔，还能很方便地钻凿锚杆孔。

QL型手推车式液压劈裂机，功率仅1.5～6KW，共装有1～5支劈裂器，单机分裂力却可达400～500T，装入直径为40～42mm钻孔内，5～20秒钟内就能轻易地劈开荒料。

适用于花岗石荒料分解和劈裂性较好的花岗石荒料开采。

YPJ-12A型液压劈裂车，单机分裂力150吨，共装有12支劈裂器，完成一块荒料分解工作循环仅用时4min，与传统劈裂器相比效率提高了8～10倍。

主要用于花岗石等石材矿山荒料分解，一台车载劈裂机即可满足年产2万吨矿山生产需要。

YD80E柱塞式劈裂棒,功率为5～10KW，劈裂力却可达1500T，是劈裂机实际劈力的3倍以上。

装入直径90mm钻孔内，2～6min就可完成劈裂过程，劈裂深度达2m以上。

适用于花岗石荒料分解和劈裂性较好的花岗石荒料开采，以及巷道和堑沟开挖荒料背面连接面的劈裂。

六、结束语

地表覆盖层或风化层厚大的花岗岩矿床，使用物探与地下开采技术才是最科学、最经济和最有效的方法，二者缺一不可。

本文探讨的花岗石地下开采采准、切割巷道掘进、矿房切顶、和荒料开采等方法，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。

泉州市新兴采石技术设备研究所，在广西南宁花岗石矿山将绳锯设备引入石材矿山洞采中，2014年成功实施洞采工艺，突破了花岗石饰面石材矿山硐采悬而未决的难题，开创了国内外花岗石饰面石材矿山硐采技术先例。

北京穿山龙洞采技术有限公司与山东烟台璞石矿业合作历经三年，在2015年取得了全绳锯洞采的可喜进展，该洞采技术不但可以用于大理石开采，而且还能用于花岗石开采。

花岗石地下开采，可以打造“生态矿山”，进一步减少对绿色植被破坏，降低扬尘污染，有效保护山体、地表和植被生态系统，促进我国石材矿山发展方式的根本转变。

所以饰面花岗石石材勘探和地下开采技术是值得大力推广的新兴实用技术。

参考文献：

1.杨世明.高密度电阻率物探法在内蒙古花岗石资源勘查中的应用.石材,2014.7

2.杨世明.饰面石材采矿方法分类探讨.石材,2014.9

3.杨世明.试论花岗石矿床地下开采的可行性.非金属矿工业导刊,2015.1

4.杨世明.花岗石荒料地下开采技术初探.非金属矿工业导刊,2015.2

5.世明.洞采技术在我国大理石矿山的应用.XX文库,2015.8.1

6.世明.我国饰面大理石和花岗石矿山全绳锯洞采技术.XX文库,2015.11.15

7.世明.花岗石开采设备与选型.XX文库,2015.8.1

8.杨世明.露天矿床采剥方法.露天采矿技术,2015.1

9.杨世明.地下矿山采矿方法设计思维.采矿技术,2015.2