地下大理石矿山的选定、设计及安全生产基本要求（上）

作者：廖原时
/ 高级工程师
/ 矿山开采与加工技术专家
/ 机械装备技术专家


 地下开采大理石矿山近年来成为国内石材矿山行业热议的话题，与其他矿种的地下开采相比，除了安全生产监控等共性要求外，地下大理石矿山开采（又称洞采大理石矿山）还有一些特殊的要求。本文将讨论地下大理石矿山的选建原则、前期地质勘探、矿山设计、开采工艺方案的选择及安全生产监等基本要求。

1选择兴建地下开采大理石矿山的原则
地下开采大理石矿山是大理石矿山开采的一种形式，不是所有的大理石矿山都适合地下开采。选择采用地下开采大理石矿山方案的基本原则是。

1.1 充分考虑合适的矿体及外部条件
大理石矿体及外部等条件必须适合地下开采，经过仔细论证地下开采方案确实优于露天开采方案后，才能对其进行地下开采。当出现大理石矿体表面有过厚的覆盖层和需要巨大的剥离费用、在矿体表面有不能征用的林地或自然景观保护区、露天或凹陷开采大理石矿山开采临近终结、开采倾角比较大的狭窄脉状矿体等情况时，可以考虑进行地下开采的可行性论证。

1.2 地下开采大理石矿山的定位
地下开采大理石矿山并不是大理石矿山开采的最终归宿，规划设计合理的露天开采大理石矿山仍可做到符合环保要求和国家政策，地下开采大理石矿山将始终与露天开采大理石矿山并存。
2地下开采大理石矿山的前期论证和设计
地下开采大理石矿山前必须进行地质勘探、可行性研究、前期论证、矿山设计和安全生产监控系统的设计。

2.1 地质勘探工作
除了常规的地质勘探要求外，需要重点勘查的项目有：
1、石材主要花色及其稳定性
是确定花色品种价值、矿山生产规模和投资力度等的依据。
2、矿体节理裂隙及相关数据
是设计开采硐室、留取安全矿柱、顶板边帮锚定孔布置的依据，也是确定荒料主切面、开采推进方向的基础。
3、覆盖及风化层厚度
是选择首采开拓通道位置、设计开拓运输系统、制定采面顶板、侧壁岩体加固方案的依据。
4、理论荒料率
是制定生产规模和进行经济效益分析的依据。
5、矿体变化情况
掌握矿体花色变化、围岩侵入、溶洞及矿体中是否含有石英条带（团块）及其分布情况，是选择合适设备及刀具、开采过程中及时调整修正开采工艺参数、推进方向的关键。
6、岩石的力学性能指标
是安全监测系统设计、传感器设置、数据分析和系统运行的依据。

2.2 可行性研究
目前大理石地下开采的工艺技术成熟、开采设备配套齐全，但在确定进行大理石地下开采前，应认真做好石材花色市场价格的认定，矿体地质情况勘查（产状、裂隙、覆盖层厚度、花色变化和理论荒料率）等，地理位置（海拔高度、类型）、水文及气候调研，安全生产及环境风险，管理水平和经济性等方面的可行性研究、经济效益分析和安全生产评估。

2.3 矿山设计
地下开采大理石矿山必须由具有资质的石材专业设计院进行正规的地下开采矿山设计，首先要保证矿体储量得到最大限度地利用，采用合理的开采工艺方法和正确的开采工艺参数，选择合适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。除此之外，地下开采矿山的设计还应包括开采总图设计、开拓运输系统设计、安全矿柱的预留，开采硐室的截面尺寸和分布设计，顶板、边帮和侧壁安全锚定孔的位置、方位角、深度和数量的分布方案设计（图1）。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设计安全极限时，不论是否处于可采矿体部位，都应预留安全矿柱（图2）。


 ▲图1 顶板和侧壁岩体的安全锚定和防护系统


 ▲图2 地下开采大理石矿山内部的安全矿柱

2.4 地下开采大理石矿山的建设
地下开采大理石矿山通常包括巷道式开采和山洞式开采两类：
1、 山洞式开采
从凹陷露天或井式大理石矿山底部向水平方向推进进入地下开采大理石矿山，也就是说通过垂直深井、水平巷道直接深入到矿体内部开采的大理石矿山。或在矿体某一不问沿水平方向水平向山体内部推进开采形成地下开采大理石矿山，大部分地下开采大理石矿山都采用沿山体或矿体水平向矿体内部推进的方式（图3）。


 ▲图3 地下开采大理石矿山

2、 巷道式开采
沿通向山体内部隧道周边而建的石材矿山称为巷道式地下开采大理石矿山，意大利CARRARA地区有些地下开采大理石矿山是利用废弃火车隧道建设的（图4），图5是国内通过开掘隧道进入矿体内部建设的地下开采大理石矿山。


 ▲图4 意大利CARRARA地区内部进行地下开采大理石的废弃火车隧道


 ▲图5 国内隧道尽头的地下开采大理石矿山

3适合地下开采大理石的矿山条件
当大理石矿体受到地质结构及外部条件的限制，不能进行或必须投入很大的资金才能进行露天开采时，可论证是否能进行地下开采，具体可分成下面几种情况。但最重要的是确定地下开采大理石前，首先必须进行大理石花色品种的市场调研和价格评价，以及充分、专业的石材地质勘查工作。

3.1 矿体产状和地形条件
当大理石矿体位于陡峭（图3）山体上、山坡露天开采的作业难度大，矿体覆盖层厚、剥离量巨大时，狭长矿体大角度倾斜插入地下（图6）时，或随着露天开采的推进覆盖层的剥离量逐步增大，或当优质品种的矿体顶部有较厚的围岩、或深埋于地下时，都可论证是否能进行地下开采，见图6。


 ▲图6 脉状倾斜薄层大理石矿体的地下开采

3.2 矿山所在地的气候条件
当大理石矿山位于严寒地区，每年生产作业时间最短的可能只有半年时，如果石材品种价值高，可论证是否能选择地下开采方式，以便全年都可开采作业，见图7。


 ▲图7 寒冷地区的地下开采大理石矿山

3.3 采面工作场地限制
随着露天凹陷大理石矿山的不断向下推进，底部采面作业面积逐渐缩小到无法再进行露天开采作业、通过扩展顶部开口重新扩大凹陷采面面积也不可实现、矿山逐渐形成深井式开采格局时，如果大理石花色品种值得继续开采，可论证是否能在采面底部向水平方向推进形成地下开采矿山。

3.4 花色品种变化
当大理石矿体的花色出现变化、价值变低或遇到异常破碎的矿体，经过地质勘查确认矿体深部仍有高品质花色石材时，为了延续矿山服务年限，也可论证是否能进行地下开采。

3.5 环境保护政策
无论大理石矿山是处于何处，国家政策明确规定石材矿山开采作业不得破坏自然环境，必须对矿山及周边进行环境治理和植被恢复；尤其是在一些植被茂密、树木密集的森林地区，国家规定不得进行露天开采时，可论证是否能进行地下开采，见图8。


 ▲图8 茂密植被和森林覆盖下的地下开采大理石矿山

4地下开采大理石的工艺技术及选用设备
地下开采大理石应采用高台阶、全锯切开采工艺、自上而下台阶式开采方法，严禁使用爆破开采。与露天开采大理石矿山不同的是，地下开采大理石矿山分成开拓和荒料开采两个阶段，而且开拓是地下开采大理石的重要阶段，期间必须考虑对开拓通道内的全部石料进行荒料回收。

4.1 开拓阶段
地下开采大理石矿山开拓作业的目的是为后续荒料开采创立矿体自由面，形成具有两个自由面的矩形工作通道，将原来只有一个自由面的矿体变成具有两个自由面的开采台阶，见图9。矩形开拓通道的开掘始终超前于开采，并自始至终伴随地下开采作业。开掘矩形开拓通道和荒料开采的作业流程见图10。


 ▲图9.地下开采大理石矿山的矩形开拓通道


 ▲图10.地下大理石矿山开拓和荒料开采作业流程

图9中开拓阶段包括开掘矩形开拓通道、建立开拓运输系统、顶板和侧壁的锚固处理包括。

开拓通道的开掘包括在垂直面岩壁上进行水平、垂直切割分离，形成网状切缝，在封闭背面“盲切”分离，叉装机自上而下顺序将网格内的荒料或石料取出，形成开拓通道。当矩形开拓通道具有一定深度后，应立即根据矿山外部条件和开采设计方案，修建地下开采大理石矿山的开拓运输系统。同时按照安全锚定设计要求，对开拓通道内的顶板、侧壁矿体进行锚固处理（图1），此项工作非常重要，如果推迟到荒料开采阶段再实施，在采面与顶板最少12m的距离上进行锚固处理困难极大，随着采面的下降，硐室高度超过12m、甚至达到几十米高度后，在顶板或侧壁顶部矿体的锚固作业几乎是不可能的。

合适矩形开拓通道的尺寸是宽度6～7m、高度5～6m、每次掘进深度3m。

4.2 荒料开采阶段
地下开采大理石矿山的荒料开采与凹陷露天和山坡露天大理石矿山的开采工艺相同，是在矩形开拓通道下方具有两个自由面的开采台阶上进行荒料开采，具体工艺流程见图10中从“向下开掘初始堑沟”开始直至“工作场地清理和渣土清运结束”。

地下开采大理石矿山开采阶段的工艺参数一般是开采台阶高度4～9m、长条块石长度4～9、厚度1.2～2m（以可翻倒长条块石为准）。图11是地下开采大理石矿山的开采硐室。


 ▲图11 地下开采大理石矿山的开采硐室

4.3 地下大理石矿山开采设备的选用
地下大理石矿山开采已经过几十年的探索和实践，目前已经形成一整套成熟、完整的地下大理石矿山开采的配套设备产品，具有很高的开采效率和适应性，也是地下大理石矿山能够实施工业化开采的保证。建议使用先进、成熟的地下大理石矿山开拓和开采设备，不建议使用老旧、落后、未经实践检验的开拓和开采方法及开采设备。

因为地下开采大理石全部使用锯切设备，所以应根据矿体岩石特性确定使用的开采设备和刀具类型，根据开采工艺参数、荒料块度体积等选择开采设备和辅助设备的功率、能力。

4.3.1开拓设备
锯切设备是开掘开拓通道的关键设备。
1、地下开采臂式锯
开掘地下大理石矿山的开拓通道时，只能使用地下开采专用臂式锯，用于矩形开拓通道网状垂直和水平面锯缝的纵深切割。开采硬度较高的蛇纹石类大理石或含有少量石英条带的大理石时，可选择采用湿切作业的地下开采金刚石带锯；开采普通硬度大理石可选用干切作业的地下开采链臂锯（图12）。


 ▲图12 地下开采大理石矿山的两种专用开拓链臂锯

2、金刚石串珠锯
串珠锯用于矩形开拓通道内石料封闭背面的锯切分离，以及后续荒料开采的分解长条块石工序。虽然地下开采的石材是大理石，为了安全起见应选择注塑或橡胶注封的串珠绳；为便于操作，可选择主电机变频调速的串珠锯，串珠锯的功率37～55kW；还需配备用于“盲切”封闭背面、与串珠锯配套、可放入臂式锯切缝中、转换串珠绳切割运动方向的专用导向轮组件。
3、叉装机
叉装机用于矩形开拓通道内石料的移除，应选用在4～5m高度上仍能保持最大叉举能力的叉装机。也可使用大吨位叉车，用以解决大吨位叉装机在高位作业时，最大叉举能力降低的问题。

开拓阶段的荒料装车和运输、渣土装运设备与荒料开采作业时的对应设备相同。

4.3.2 荒料开采设备
地下开采大理石矿山的荒料开采设备与山坡和凹陷露天大理石矿山时相同。
1、 露天开采臂式锯和串珠锯
臂式锯用于高台阶开采时初始堑沟和开拓堑沟的切割、并与串珠锯配合进行长条块石的分离切割；串珠锯还是分解翻到后长条块石以及荒料的整形的切割设备。
2、 钻机
包括潜孔钻、水钻和手持凿岩机（用于钻凿穿引串珠绳的点面交汇孔），以及钻凿锚定孔和安装地压检测传感器的专用钻机。为了减少硐室内的噪音和粉尘污染，选用水钻比较合适；如果选用潜孔钻，建议选用电机和液压组合式潜孔钻。锚定孔专用钻机应配备升降台，可进行360度全方位钻孔，也可选用与挖掘机工作臂连接的过渡装置，使得锚定孔钻机具备全方位钻孔能力。
3、 翻倒设备和装置
长条块石的翻到可使用水袋或气袋、顶石机或专用顶推器等设备和装置。
4、 拖拽或移设备
硐室采面内可使用叉装机用于荒料装车或短距离移动荒料，以及串珠锯和臂式锯等开采设备的移动和安装就位。
5、 荒料的吊装运输及渣土清运
地下开采大理石矿山荒料的重量通常都在20吨左右，大的可达30多吨，包括废弃石渣在内必须采用水平或小坡度道路运输方式，可使用叉装机、装载机、挖掘机、载重车和翻斗车用于这些作业。

4.3.3 地下开采辅助设备
在选择地下开采辅助设备时应考虑多配置电动设备，尽量少用气动、高噪音和高尾气排放的内燃机动力设备，以减少洞内开采作业时的噪音和粉尘污染。在硐室距离洞口较近的地下开采矿山，如确实需要使用内燃机动力的辅助设备时，可将这些设备布置在洞外。

{ 未完待续...... }