松平坡地下板岩矿开采工艺研究

林友

(昆明冶金高等专科学校矿业学院)

板岩是一种沉积岩，其成分主要为二氧化硅，可耐酸。成品在国内外公共建筑中用途十分广泛，可为房屋装饰的屋檐、屋瓦、地板及外墙等使用。

松平坡板岩矿体主要产于矿区的下白垩统景星组下部灰绿色、紫红色板岩夹砂岩中，呈层状产出，延伸较稳定。矿石为灰绿色、紫红色及黑色板岩，整体为Ⅰ号矿体，矿体呈近似东西向带状分布于澜沧江西岸，走向长1 092.2 m，厚10.4～16.5 m，平均厚13.5 m，矿体倾向南，倾角70°～86°。矿区工程地质岩组有散体结构松散岩组及致密结构半坚硬岩组2类。根据地质资料、矿山生产经验及现场实际考察判断，矿体及顶底板围岩稳固性均较好。下伏基岩组成反倾山坡，基岩山体总体稳定。矿区工程地质条件属简单类型。

矿山原采矿方案采用静态爆裂法对I号矿体进行分离回采。尽管静态爆裂法投资少，但其具有静态膨胀剂需根据不同地区、不同季节的温度高低进行配方的调整，需进行大量的钻孔作业，膨胀剂的作用时间较长等不利因素，这些因素导致该法的生产效率很低。鉴于本矿要扩大生产规模，不宜再采用凿岩爆裂法进行大量的分离作业，故针对松平坡地下板岩矿的矿体赋存情况及内外部开发条件，综合考虑矿山生产现状及采空区处理方法，对矿区I号矿体进行了采矿方法设计的研究，采用了上向分层串珠绳锯充填采矿法［1］。

1 分离方法选择

地下石材矿山的采石工艺主要包括母岩分离、顶翻(位移或翻倒)、解体(分割或切割)、整形、拖拽与推移、吊装与运输和充填铺底等工序［2-3］。

板岩矿开采时，采石方法的第1道工艺为分离，所使用的方法主要有凿岩劈裂法(包括人工劈裂法和液压劈裂法)、凿岩爆裂法(包括导爆索爆裂法、黑火药爆裂法、金属燃烧剂爆裂法和静态爆裂法)和机械锯切法(包括金刚石串珠锯、臂式锯和圆盘锯锯切法)等［2-3］。其中，凿岩劈裂法简单实用，成本低，但劳动强度大，且要求工人能识别岩石及其劈理和熟练掌握劈裂技能，这在我国花岗石矿开采时使用较为广泛。凿岩爆裂法需严格控制爆破，此法亦在花岗石矿山应用较广，其特点是孔间距小、直径小、装药量少。而导爆索爆裂法对石材冲击较大，降低石材的荒料形成率，并降低石材质量。锯切法则广泛用于大理石矿山的开采，具有破损小，可大大提高荒料率，机械化程度高，劳动强度小，劳动生产率高，锯切面平整、光滑，减少整形工作量等优点。故凡是条件适宜的地方，应提倡采用锯切法，包括分离、切割、整形等。锯切法使用比较灵活，可以锯切垂直、倾斜、水平各种平面，随着锯切材料的不断进步，抗压强度超过120 MPa的岩石也可进行有效的锯切。

松平坡板岩矿体及顶底板围岩稳定性均较好。矿山已部分使用静态爆破法进行过开采，积累了一定经验。静态爆破法投资少，但其生产效率很低。相对于饰面石材的开采，由于普通矿用炸药威力过大，容易造成矿岩的破坏，有些矿山使用黑火药或其他低威力炸药，另外导爆索爆裂法也被广泛地使用，但爆裂法比锯切法产生的荒料率低得多。鉴于本矿要扩大生产规模，研究推荐使用非爆破的方法。故综合考虑本矿岩石的性质、开采技术条件、矿山的生产能力(1万m3/a)、矿石的价值、所耗材料的易获得性及成本等因素，本矿适合采用机械锯切法进行主要的生产分离和分解作业，并以静态爆裂法作为辅助切割方式。

2 采矿工艺

基于上述原因，选择机械锯切法进行主要的生产分离和分解作业，综合考虑采用串珠绳锯进行机械锯切分离的诸多优点，并结合采空区处理情况等因素，采用上向分层串珠绳锯充填采矿法的采矿工艺，如图1所示。

2.1 矿块布置及构成要素

矿块沿矿体走向布置，长65～80 m，采场宽为矿体水平厚度，中段高45 m，间柱宽6 m，顶柱高3 m，底柱高5.5 m，天井联络道垂直间距为5 m。

2.2 采准切割

在矿体内靠下盘开掘中段运输巷道(断面2.0 m×2.0 m)，在矿块间柱内布置脉内人行材料通风天井(断面2.0 m×3.0 m)连通上下中段，人行材料井采用垂直式布置，以便于材料及荒料的提升和下放，采用双格天井，一格用于材料及荒料的提升和下放，另一格为人行梯子间［4］。在矿房的下部布置脉内切割平巷(以便于开采下分层时通风系统的形成及确保采场安全通道)。回采从矿房的下部分层依次从下往上开采，每个分层从矿房的一端拉切割槽后向另一端推进开采［5］。按矿体平均厚13.5 m计算，所设计的标准矿块矿石总量为107.4×103t，其千吨采切比为5.52 m/kt(26.55 m3/kt)。采切工程量如表1所示。

图1 上向分层串珠绳锯充填采矿法

表1 采切工程量

2.3 矿块回采

自矿房底部最下层自下向上以分层进行回采，根据矿山设备技术经济情况，分层高度确定为2.5～3 m。由于分离、切割工作耗时较多，为关键性作业，故每班设计采用2个台阶(2个工作面)并行作业。主要生产工艺如下:

(1)分离。是指采用适当的采石方法，将长条块石脱离原岩的工序，这是采石工艺中最重要的工序。正常生产长条块石切割分离设计如图2所示。长条块石的分离设计使用金刚石串珠绳锯。其工作方式为:金刚石串珠绳锯可以切割垂直面和水平面，图2中首先锯切CDHG端面，第二步锯切端面EFHG顶面，最后锯切AEGC侧面。生产使用的金刚石串珠绳锯技术参数为:型号KSJ37－800;主电机功率37 kW;锯切速度1.5～10 m2/h，平均为6.0 m2/h，由于本矿矿石较硬，设计按3.0 m2/h计;耗水量10 m3/h。据此计算日生产长条块石荒料为1条，即矿块日产量为31 m3/d。

图2 切割分离示意

(2)顶翻。在实际生产中，由于长条块石一般高度大，宽度小，为了下一工序切割机的方便，要将其翻转90°，平卧在工作平台上。若长条块石的体积较小，可借助钢钎等工具人工将其撬拔、翻倒;体积大的采用液压顶石机或推移包将其顶翻。设计选用TITANO160型液压顶石机，顶推力为1 600 kN。翻倒前在平台上垫30 cm左右的碎石。

(3)切割。主要采用锯切法。这是采石工艺的基本工序之一，即按所定的荒料尺寸，将长条块石分割成若干荒料坯。设计将分离的长条石块切割成0.5 m×0.5 m×1 m的荒料，每块完整成形的荒料重0.5～0.7 t。

(4)吊装和运输。采用地下矿用轻型桅杆吊机吊装［3］，桅杆吊机安设在天井放料格附近，可逐一将切割好的料石通过采场天井料格下放到矿块底部的脉内运输巷道进行装车。

(5)整形。即将荒料坯按用户对荒料的验收标准或供需双方商定的荒料验收标准，将超过标准规定的凹凸部分，采用专用的整形机予以切除。整形工作主要在地表的荒料加工堆放场进行。

(6)充填铺底。开采过程中，在择取荒料后，有一部分小于所定荒料最小规格的块石和在分离、分割、整形各工艺中产生的碎石以及剥离岩土和表土所产生的碎石，统称为废石。由于本设计采用充填法，采场产生的废石用于就地充填采场空区。若采场产生的充填料不够充填时，则需从外部运送充填废石料，采场内设计有充填天井，用于下放补充的充填料。鉴于开采荒料形成率［2］为60%，采场将有大量废石料产生，考虑废石的松散系数等因素后，就地废石充填料可充填采空区空间的50%～60%，剩下的空间需由外部运至采场的充填料进行充填。外来充填料主要来自开拓、采切废石、加工场废料，必要时可考虑设置取料石场。外来充填料从采场上部平巷运入，经矿块充填天井下放至采场，用小型电耙进行铺底整理。通过计算，空区充填需另外增加的废石量约为采出矿石量的50%左右。

2.4 块石参数确定

(1)长条块石的长度。一般为所定荒料规格最大宽度的整数倍，并适当考虑整形余量、综合考虑类似矿山情况及地形条件等因素，设计将长条块石的长度确定为5 m。

(2)长条块石的高度。等于分层高度。由于受空间的限制，宜采用多分层分台阶开采，本设计采用1个台阶，台阶高度确定为2.5～3 m，图2中按2.5 m进行设计。

(3)长条石块的宽度。确定长条块石宽度主要考虑的因素有:加工设备可以加工荒料的最大块度;对于层厚等于或小于2 m的层状矿体，加工设备可以加工的长度或宽度等于块石的宽度;对于那些花纹排列、晶粒结构无方向性的石材，其长条块石的三向尺寸可作调整。宽度通常为1～3m，综合考虑本矿石材特性，取2.5 m。

在实际生产中，长条块石尺寸的确定和排列要特别注意节理裂隙的走向、产状及其间距，充分利用天然的节理裂隙和层理，据此调整其三向尺寸的大小，这在实际生产中尤为重要。

3 技术经济指标

针对所选择的机械锯切法分离工艺，设计推荐主要采用串珠绳锯开采，并结合采空区处理情况，采用了上向分层串珠绳锯充填采矿法的采矿工艺，并在该矿进行了采矿方法试验后取得了成功。技术经济指标如表2所示。

表2 技术经济指标

同静态爆裂法比较，松平坡板岩矿金刚石串珠绳锯开采具有如下优点:

(1)开采成本较低。切割板岩串珠绳的消耗成本在20～120元/m3之间。

(2)功能强、效率高。串珠绳锯开采切割深度能达到10～20 m，甚至更深;切割速度快，切割板岩可达8～25 m2/h。

(3)适应范围广。串珠绳锯适用于所有类型的石材矿山，不论其硬度高低或是劈裂性好坏，在板岩、大理石、石灰岩、砂岩及花岗岩矿山都适用。串珠绳锯能对矿体的垂直、水平、倾斜等各个方向上的面进行切割，还能对只有1个自由面的矿体进行盲切(背切)。

(4)荒料率高、综合成本低。串珠绳锯可以开采出大规格尺寸、形状规整的荒料，锯切面平整且不会使荒料产生任何内伤，锯缝很小，不会造成石材资源的浪费。

(5)安全环保。串珠绳锯开采时无刺耳的噪音、无粉尘，且自动化程度高，分离式操控，工人劳动强度低，安全性高，对环境也不会造成较大影响。

4 结语

研究采用了上向分层串珠绳锯充填采矿法开采松平坡地下板岩矿的采矿工艺。通过在该矿开采过程中的实践应用，证明了该采矿方法有利于对I号矿体进行开采，提高了矿山的生产效率，降低了矿山的生产成本，能够保证回采作业的安全，同时采用废石充填采空区，既减少了矿山固体废料的排放和对环境的破坏，又保护了地表不受破坏。矿山获得了良好的经济效益，对相似矿山开采也具有较好的推广价值及应用前景。

［1］ 林 友，况世华，王育军，等.木利锑矿上向分层进路充填采矿法应用［J］.昆明冶金高等专科学校学报，2011，27(5):7-9.

［2］ 林玉华，章少华，江炳林，等.JC/T 1081—2008 装饰石材露天矿山技术规范［S］.北京:中国石材工业协会，2008.

［3］ 中国标准出版社.GB/T 13890—2008 天然石材术语［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［4］ 《采矿手册》编辑委员会.采矿手册:第4卷［M］.北京:冶金工业出版社，2005.

［5］ 《采矿设计手册》编辑部.采矿设计手册:矿床开采卷［M］.北京:中国建筑工业出版社，1987.