地下大理石礦山的選定、設(shè)計(jì)及安全生產(chǎn)基本要求（上）

作者：廖原時
/ 高級工程師
/ 礦山開采與加工技術(shù)專家
/ 機(jī)械裝備技術(shù)專家


 地下開采大理石礦山近年來成為國內(nèi)石材礦山行業(yè)熱議的話題，與其他礦種的地下開采相比，除了安全生產(chǎn)監(jiān)控等共性要求外，地下大理石礦山開采（又稱洞采大理石礦山）還有一些特殊的要求。本文將討論地下大理石礦山的選建原則、前期地質(zhì)勘探、礦山設(shè)計(jì)、開采工藝方案的選擇及安全生產(chǎn)監(jiān)等基本要求。

1選擇興建地下開采大理石礦山的原則
地下開采大理石礦山是大理石礦山開采的一種形式，不是所有的大理石礦山都適合地下開采。選擇采用地下開采大理石礦山方案的基本原則是。

1.1 充分考慮合適的礦體及外部條件
大理石礦體及外部等條件必須適合地下開采，經(jīng)過仔細(xì)論證地下開采方案確實(shí)優(yōu)于露天開采方案后，才能對其進(jìn)行地下開采。當(dāng)出現(xiàn)大理石礦體表面有過厚的覆蓋層和需要巨大的剝離費(fèi)用、在礦體表面有不能征用的林地或自然景觀保護(hù)區(qū)、露天或凹陷開采大理石礦山開采臨近終結(jié)、開采傾角比較大的狹窄脈狀礦體等情況時，可以考慮進(jìn)行地下開采的可行性論證。

1.2 地下開采大理石礦山的定位
地下開采大理石礦山并不是大理石礦山開采的最終歸宿，規(guī)劃設(shè)計(jì)合理的露天開采大理石礦山仍可做到符合環(huán)保要求和國家政策，地下開采大理石礦山將始終與露天開采大理石礦山并存。
2地下開采大理石礦山的前期論證和設(shè)計(jì)
地下開采大理石礦山前必須進(jìn)行地質(zhì)勘探、可行性研究、前期論證、礦山設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 地質(zhì)勘探工作
除了常規(guī)的地質(zhì)勘探要求外，需要重點(diǎn)勘查的項(xiàng)目有：
1、石材主要花色及其穩(wěn)定性
是確定花色品種價(jià)值、礦山生產(chǎn)規(guī)模和投資力度等的依據(jù)。
2、礦體節(jié)理裂隙及相關(guān)數(shù)據(jù)
是設(shè)計(jì)開采硐室、留取安全礦柱、頂板邊幫錨定孔布置的依據(jù)，也是確定荒料主切面、開采推進(jìn)方向的基礎(chǔ)。
3、覆蓋及風(fēng)化層厚度
是選擇首采開拓通道位置、設(shè)計(jì)開拓運(yùn)輸系統(tǒng)、制定采面頂板、側(cè)壁巖體加固方案的依據(jù)。
4、理論荒料率
是制定生產(chǎn)規(guī)模和進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析的依據(jù)。
5、礦體變化情況
掌握礦體花色變化、圍巖侵入、溶洞及礦體中是否含有石英條帶（團(tuán)塊）及其分布情況，是選擇合適設(shè)備及刀具、開采過程中及時調(diào)整修正開采工藝參數(shù)、推進(jìn)方向的關(guān)鍵。
6、巖石的力學(xué)性能指標(biāo)
是安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器設(shè)置、數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)運(yùn)行的依據(jù)。

2.2 可行性研究
目前大理石地下開采的工藝技術(shù)成熟、開采設(shè)備配套齊全，但在確定進(jìn)行大理石地下開采前，應(yīng)認(rèn)真做好石材花色市場價(jià)格的認(rèn)定，礦體地質(zhì)情況勘查（產(chǎn)狀、裂隙、覆蓋層厚度、花色變化和理論荒料率）等，地理位置（海拔高度、類型）、水文及氣候調(diào)研，安全生產(chǎn)及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，管理水平和經(jīng)濟(jì)性等方面的可行性研究、經(jīng)濟(jì)效益分析和安全生產(chǎn)評估。

2.3 礦山設(shè)計(jì)
地下開采大理石礦山必須由具有資質(zhì)的石材專業(yè)設(shè)計(jì)院進(jìn)行正規(guī)的地下開采礦山設(shè)計(jì)，首先要保證礦體儲量得到最大限度地利用，采用合理的開采工藝方法和正確的開采工藝參數(shù)，選擇合適的開采設(shè)備和輔助設(shè)備，建立可靠、環(huán)保及安全的生產(chǎn)輔助設(shè)施，齊全的安全監(jiān)控和保障措施，以及未來幾年的開采規(guī)劃。除此之外，地下開采礦山的設(shè)計(jì)還應(yīng)包括開采總圖設(shè)計(jì)、開拓運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安全礦柱的預(yù)留，開采硐室的截面尺寸和分布設(shè)計(jì)，頂板、邊幫和側(cè)壁安全錨定孔的位置、方位角、深度和數(shù)量的分布方案設(shè)計(jì)（圖1）。安全礦柱通常預(yù)留在礦體裂隙發(fā)育、花色低檔、侵入的圍巖等部位。如果礦體巖石受力狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)安全極限時，不論是否處于可采礦體部位，都應(yīng)預(yù)留安全礦柱（圖2）。


 ▲圖1 頂板和側(cè)壁巖體的安全錨定和防護(hù)系統(tǒng)


 ▲圖2 地下開采大理石礦山內(nèi)部的安全礦柱

2.4 地下開采大理石礦山的建設(shè)
地下開采大理石礦山通常包括巷道式開采和山洞式開采兩類：
1、 山洞式開采
從凹陷露天或井式大理石礦山底部向水平方向推進(jìn)進(jìn)入地下開采大理石礦山，也就是說通過垂直深井、水平巷道直接深入到礦體內(nèi)部開采的大理石礦山?；蛟诘V體某一不問沿水平方向水平向山體內(nèi)部推進(jìn)開采形成地下開采大理石礦山，大部分地下開采大理石礦山都采用沿山體或礦體水平向礦體內(nèi)部推進(jìn)的方式（圖3）。


 ▲圖3 地下開采大理石礦山

2、 巷道式開采
沿通向山體內(nèi)部隧道周邊而建的石材礦山稱為巷道式地下開采大理石礦山，意大利CARRARA地區(qū)有些地下開采大理石礦山是利用廢棄火車隧道建設(shè)的（圖4），圖5是國內(nèi)通過開掘隧道進(jìn)入礦體內(nèi)部建設(shè)的地下開采大理石礦山。


 ▲圖4 意大利CARRARA地區(qū)內(nèi)部進(jìn)行地下開采大理石的廢棄火車隧道


 ▲圖5 國內(nèi)隧道盡頭的地下開采大理石礦山

3適合地下開采大理石的礦山條件
當(dāng)大理石礦體受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)及外部條件的限制，不能進(jìn)行或必須投入很大的資金才能進(jìn)行露天開采時，可論證是否能進(jìn)行地下開采，具體可分成下面幾種情況。但最重要的是確定地下開采大理石前，首先必須進(jìn)行大理石花色品種的市場調(diào)研和價(jià)格評價(jià)，以及充分、專業(yè)的石材地質(zhì)勘查工作。

3.1 礦體產(chǎn)狀和地形條件
當(dāng)大理石礦體位于陡峭（圖3）山體上、山坡露天開采的作業(yè)難度大，礦體覆蓋層厚、剝離量巨大時，狹長礦體大角度傾斜插入地下（圖6）時，或隨著露天開采的推進(jìn)覆蓋層的剝離量逐步增大，或當(dāng)優(yōu)質(zhì)品種的礦體頂部有較厚的圍巖、或深埋于地下時，都可論證是否能進(jìn)行地下開采，見圖6。


 ▲圖6 脈狀傾斜薄層大理石礦體的地下開采

3.2 礦山所在地的氣候條件
當(dāng)大理石礦山位于嚴(yán)寒地區(qū)，每年生產(chǎn)作業(yè)時間最短的可能只有半年時，如果石材品種價(jià)值高，可論證是否能選擇地下開采方式，以便全年都可開采作業(yè)，見圖7。


 ▲圖7 寒冷地區(qū)的地下開采大理石礦山

3.3 采面工作場地限制
隨著露天凹陷大理石礦山的不斷向下推進(jìn)，底部采面作業(yè)面積逐漸縮小到無法再進(jìn)行露天開采作業(yè)、通過擴(kuò)展頂部開口重新擴(kuò)大凹陷采面面積也不可實(shí)現(xiàn)、礦山逐漸形成深井式開采格局時，如果大理石花色品種值得繼續(xù)開采，可論證是否能在采面底部向水平方向推進(jìn)形成地下開采礦山。

3.4 花色品種變化
當(dāng)大理石礦體的花色出現(xiàn)變化、價(jià)值變低或遇到異常破碎的礦體，經(jīng)過地質(zhì)勘查確認(rèn)礦體深部仍有高品質(zhì)花色石材時，為了延續(xù)礦山服務(wù)年限，也可論證是否能進(jìn)行地下開采。

3.5 環(huán)境保護(hù)政策
無論大理石礦山是處于何處，國家政策明確規(guī)定石材礦山開采作業(yè)不得破壞自然環(huán)境，必須對礦山及周邊進(jìn)行環(huán)境治理和植被恢復(fù)；尤其是在一些植被茂密、樹木密集的森林地區(qū)，國家規(guī)定不得進(jìn)行露天開采時，可論證是否能進(jìn)行地下開采，見圖8。


 ▲圖8 茂密植被和森林覆蓋下的地下開采大理石礦山

4地下開采大理石的工藝技術(shù)及選用設(shè)備
地下開采大理石應(yīng)采用高臺階、全鋸切開采工藝、自上而下臺階式開采方法，嚴(yán)禁使用爆破開采。與露天開采大理石礦山不同的是，地下開采大理石礦山分成開拓和荒料開采兩個階段，而且開拓是地下開采大理石的重要階段，期間必須考慮對開拓通道內(nèi)的全部石料進(jìn)行荒料回收。

4.1 開拓階段
地下開采大理石礦山開拓作業(yè)的目的是為后續(xù)荒料開采創(chuàng)立礦體自由面，形成具有兩個自由面的矩形工作通道，將原來只有一個自由面的礦體變成具有兩個自由面的開采臺階，見圖9。矩形開拓通道的開掘始終超前于開采，并自始至終伴隨地下開采作業(yè)。開掘矩形開拓通道和荒料開采的作業(yè)流程見圖10。


 ▲圖9.地下開采大理石礦山的矩形開拓通道


 ▲圖10.地下大理石礦山開拓和荒料開采作業(yè)流程

圖9中開拓階段包括開掘矩形開拓通道、建立開拓運(yùn)輸系統(tǒng)、頂板和側(cè)壁的錨固處理包括。

開拓通道的開掘包括在垂直面巖壁上進(jìn)行水平、垂直切割分離，形成網(wǎng)狀切縫，在封閉背面“盲切”分離，叉裝機(jī)自上而下順序?qū)⒕W(wǎng)格內(nèi)的荒料或石料取出，形成開拓通道。當(dāng)矩形開拓通道具有一定深度后，應(yīng)立即根據(jù)礦山外部條件和開采設(shè)計(jì)方案，修建地下開采大理石礦山的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。同時按照安全錨定設(shè)計(jì)要求，對開拓通道內(nèi)的頂板、側(cè)壁礦體進(jìn)行錨固處理（圖1），此項(xiàng)工作非常重要，如果推遲到荒料開采階段再實(shí)施，在采面與頂板最少12m的距離上進(jìn)行錨固處理困難極大，隨著采面的下降，硐室高度超過12m、甚至達(dá)到幾十米高度后，在頂板或側(cè)壁頂部礦體的錨固作業(yè)幾乎是不可能的。

合適矩形開拓通道的尺寸是寬度6～7m、高度5～6m、每次掘進(jìn)深度3m。

4.2 荒料開采階段
地下開采大理石礦山的荒料開采與凹陷露天和山坡露天大理石礦山的開采工藝相同，是在矩形開拓通道下方具有兩個自由面的開采臺階上進(jìn)行荒料開采，具體工藝流程見圖10中從“向下開掘初始塹溝”開始直至“工作場地清理和渣土清運(yùn)結(jié)束”。

地下開采大理石礦山開采階段的工藝參數(shù)一般是開采臺階高度4～9m、長條塊石長度4～9、厚度1.2～2m（以可翻倒長條塊石為準(zhǔn)）。圖11是地下開采大理石礦山的開采硐室。


 ▲圖11 地下開采大理石礦山的開采硐室

4.3 地下大理石礦山開采設(shè)備的選用
地下大理石礦山開采已經(jīng)過幾十年的探索和實(shí)踐，目前已經(jīng)形成一整套成熟、完整的地下大理石礦山開采的配套設(shè)備產(chǎn)品，具有很高的開采效率和適應(yīng)性，也是地下大理石礦山能夠?qū)嵤┕I(yè)化開采的保證。建議使用先進(jìn)、成熟的地下大理石礦山開拓和開采設(shè)備，不建議使用老舊、落后、未經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的開拓和開采方法及開采設(shè)備。

因?yàn)榈叵麻_采大理石全部使用鋸切設(shè)備，所以應(yīng)根據(jù)礦體巖石特性確定使用的開采設(shè)備和刀具類型，根據(jù)開采工藝參數(shù)、荒料塊度體積等選擇開采設(shè)備和輔助設(shè)備的功率、能力。

4.3.1開拓設(shè)備
鋸切設(shè)備是開掘開拓通道的關(guān)鍵設(shè)備。
1、地下開采臂式鋸
開掘地下大理石礦山的開拓通道時，只能使用地下開采專用臂式鋸，用于矩形開拓通道網(wǎng)狀垂直和水平面鋸縫的縱深切割。開采硬度較高的蛇紋石類大理石或含有少量石英條帶的大理石時，可選擇采用濕切作業(yè)的地下開采金剛石帶鋸；開采普通硬度大理石可選用干切作業(yè)的地下開采鏈臂鋸（圖12）。


 ▲圖12 地下開采大理石礦山的兩種專用開拓鏈臂鋸

2、金剛石串珠鋸
串珠鋸用于矩形開拓通道內(nèi)石料封閉背面的鋸切分離，以及后續(xù)荒料開采的分解長條塊石工序。雖然地下開采的石材是大理石，為了安全起見應(yīng)選擇注塑或橡膠注封的串珠繩；為便于操作，可選擇主電機(jī)變頻調(diào)速的串珠鋸，串珠鋸的功率37～55kW；還需配備用于“盲切”封閉背面、與串珠鋸配套、可放入臂式鋸切縫中、轉(zhuǎn)換串珠繩切割運(yùn)動方向的專用導(dǎo)向輪組件。
3、叉裝機(jī)
叉裝機(jī)用于矩形開拓通道內(nèi)石料的移除，應(yīng)選用在4～5m高度上仍能保持最大叉舉能力的叉裝機(jī)。也可使用大噸位叉車，用以解決大噸位叉裝機(jī)在高位作業(yè)時，最大叉舉能力降低的問題。

開拓階段的荒料裝車和運(yùn)輸、渣土裝運(yùn)設(shè)備與荒料開采作業(yè)時的對應(yīng)設(shè)備相同。

4.3.2 荒料開采設(shè)備
地下開采大理石礦山的荒料開采設(shè)備與山坡和凹陷露天大理石礦山時相同。
1、 露天開采臂式鋸和串珠鋸
臂式鋸用于高臺階開采時初始塹溝和開拓塹溝的切割、并與串珠鋸配合進(jìn)行長條塊石的分離切割；串珠鋸還是分解翻到后長條塊石以及荒料的整形的切割設(shè)備。
2、 鉆機(jī)
包括潛孔鉆、水鉆和手持鑿巖機(jī)（用于鉆鑿穿引串珠繩的點(diǎn)面交匯孔），以及鉆鑿錨定孔和安裝地壓檢測傳感器的專用鉆機(jī)。為了減少硐室內(nèi)的噪音和粉塵污染，選用水鉆比較合適；如果選用潛孔鉆，建議選用電機(jī)和液壓組合式潛孔鉆。錨定孔專用鉆機(jī)應(yīng)配備升降臺，可進(jìn)行360度全方位鉆孔，也可選用與挖掘機(jī)工作臂連接的過渡裝置，使得錨定孔鉆機(jī)具備全方位鉆孔能力。
3、 翻倒設(shè)備和裝置
長條塊石的翻到可使用水袋或氣袋、頂石機(jī)或?qū)Ｓ庙斖破鞯仍O(shè)備和裝置。
4、 拖拽或移設(shè)備
硐室采面內(nèi)可使用叉裝機(jī)用于荒料裝車或短距離移動荒料，以及串珠鋸和臂式鋸等開采設(shè)備的移動和安裝就位。
5、 荒料的吊裝運(yùn)輸及渣土清運(yùn)
地下開采大理石礦山荒料的重量通常都在20噸左右，大的可達(dá)30多噸，包括廢棄石渣在內(nèi)必須采用水平或小坡度道路運(yùn)輸方式，可使用叉裝機(jī)、裝載機(jī)、挖掘機(jī)、載重車和翻斗車用于這些作業(yè)。

4.3.3 地下開采輔助設(shè)備
在選擇地下開采輔助設(shè)備時應(yīng)考慮多配置電動設(shè)備，盡量少用氣動、高噪音和高尾氣排放的內(nèi)燃機(jī)動力設(shè)備，以減少洞內(nèi)開采作業(yè)時的噪音和粉塵污染。在硐室距離洞口較近的地下開采礦山，如確實(shí)需要使用內(nèi)燃機(jī)動力的輔助設(shè)備時，可將這些設(shè)備布置在洞外。

{ 未完待續(xù)...... }