石材矿山开采工艺技术

国外全部使用机械开采硬质石材矿山已有20多年的历史。机械化开采石材的目的是在保证不破坏环.境、安全生产、对矿体资源实现最大利用率等前提下，从矿体开采质量合格的荒料，其开采工艺技术的选择与石材种类、矿体类型、开采设备作业特性等因素有关。

1硬质石材矿山的开采特点

商品名称为花岗石的硬质石材通常指花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩、辉绿岩、辉长岩、橄榄岩、玄武岩、片麻岩等岩性的石材。

1.2开采硬质石材的基本方法

开采硬质石材的传统开采方法是火焰切割机开掘、排孔凿岩结合人工劈裂或控制爆破劈裂开采的工艺方法，目前大量使用的是金刚石串珠锯与排孔凿岩结合人工劈裂或控制爆破劈裂开采的工艺方法，使用圆盘锯与串珠锯或人工劈裂方法组合，是近年在国内花岗石矿山得到广泛使用的机械化开采工艺方法。

1.3硬质石材开采设备和方法适用矿体

火焰切割机适合用于含有石英成分的花岗石矿山的高台阶开采，凿岩劈裂方法适合用于劈裂性好的硬质石材高台阶开采，串珠锯可用于各类硬质石材矿体的高台阶开采，更适合用于劈裂性差、裂隙比较发育的硬质石材矿山开采，圆盘锯适合用于花色均匀、无方向性、裂隙不发育、整体性好的硬质石材矿山的低台阶开采。

2硬质石材开采方法及其适用性综述

以某种开采设备为主，与其他不同开采设备组合后可形成下述几种主要的硬质石材开采方法。

2.1以凿岩机为主的硬质石材开采方法

——人工钻孔劈裂开采：早期开采花岗石的方法，主要用于低台阶开采。

——火焰切机、手持凿岩机、劈裂开采：开采花岗石的传统方法，用于高、低台阶开采。

——火焰切机、台架式凿岩机及劈裂法开采：机械化开采花岗石的方法，主要用于高台阶开采。

——火焰切割机、车载凿岩机及劈裂法开采：高效开采花岗石的方法，主要用于高台阶开采。

以凿岩机为主机开采硬质石材的开采方法，是因为开采工序中大量使用钻凿排孔和劈裂方法，所以适用于劈裂性相对好的硬质石材矿山开采。在开采一些辉绿岩、变质花岗石等劈裂性差的硬质石材时，应慎重选择。

2.2以串珠锯为主的硬质石材开采方法

——串珠锯、手持凿岩机、劈裂法开采：早期高质量半机械化开采硬质石材方法。

——串珠锯、台架凿岩机、劈裂法开采：高质量、机械化开采硬质石材方法。

——串珠锯、车载凿岩机、劈裂法开采：高质、高效、机械化开采硬质石材方法。

——串珠锯、火焰切机、凿岩机、劈裂法开采：高质、高效开采花岗石方法。

——串珠锯全锯切方法：高价值、劈裂性差、裂隙发育硬质石材的机械化开采方法。

以串珠锯为主机、结合钻孔劈裂开采硬质石材的方法，适合高台阶开采劈裂性好的硬质石材；开采劈裂性较差的硬质石材时，应适当增加串珠锯或火焰切机(花岗石矿山)切割面数量，减小排孔间距，提高.排孔钻凿面的平面精度，以达到提高开采荒料率的目的。

串珠锯全锯切开采方法适合各种台阶高度的硬质石材开采，对石材劈裂性和裂隙发育与否并无特殊要:求，更适合于石材品质好、劈裂性差、裂隙发育的硬质石材开采。

2.3以圆盘锯机为主开采硬质石材方法

——圆盘锯锯切劈裂开采法：使用圆盘锯、手持凿岩机、劈裂法开采，是高效、低成本开采均质、少裂隙硬质石材的方法。

——全锯切法开采：使用圆盘锯、串珠锯开采，是高效、低成本开采较高价值、少裂隙硬质石材的方法。

——全切凿岩组合法开采：使用圆盘锯、串珠锯、劈裂法开采，灵活、高效、低成本开采方法。

以圆盘锯为主机开采硬质石材的方法，用于花色均匀、裂隙不发育的硬质石材的低台阶开采。但不适合开采色差变化大、对花色一致性要求高的硬质石材。

圆盘锯锯切劈裂开采法中长条块石的分解和荒料整形均为钻孔劈裂，所以更适合于劈裂性好的硬质石材开采;

全锯切开采法和全锯切凿岩组合法可开采劈.裂性差的硬质石材，但也不合适开采色差变化大、对花色-.致性要求高的硬质石材。

在开采裂隙发育、色差变化大、对花色-致性要求高的硬质石材时，请慎.重选择以圆盘锯为主机的开采方法。

2.4高压射流水切割开采法

高压水射流切割开采方法是试验中的更先进开采硬质石材的方法，目前还没有在硬质石材矿山推广使用。

3以凿岩机为主的硬质石材开采方法

使用凿岩机钻凿排孔，结合劈裂是开采花岗石等硬质石材的基本方法。早期是手持凿岩机钻凿排孔，结合导爆索或其他火工材料及人工劈裂的方法;在与火焰切割机配合后，组成传统开采花岗石的方法，也是目前仍广泛用于花岗石矿山开采的基本方法。

人工凿岩、劈裂方法(简称人工开采方法)是早期硬质石材的开采方法，当使用火焰切机开拓切割、并与手持凿岩机、台架凿岩机、车载凿岩机组合后，形成了现代机械化开采花岗石的工艺方法。

3.1人工开采方法开采硬质石材

这是最早使用机械开采花岗石等硬质石材的方法。开采过程中开掘开拓堑沟、台阶开采、长条块石分解和荒料整形等都依靠这套开采工序，属于半机械化开采硬质石材的方法。

它包括手持凿岩机钻凿浅孔或深孔的楔窝孔，结合导爆索或其他火工品三面控制爆破的方法，将长条块石从矿体上分离;

仍使用排孔凿岩结合导爆索或人工劈裂方法分解长条块石和荒料整形，见图1。目前这种开采方法已很少使用，均被后面介绍的包含火焰切割机或串珠锯在内的各种开采方法所取代。

3.2火焰切机、手持凿岩机、劈裂法开采花岗石

使用火焰切机、手持凿岩机结合劈裂法开采花岗石简称火烧凿岩开采法，属于半机械化开采花岗石的方法，见图2和图3。

3.2.1在山坡露天花岗石矿山的应用

在山坡露天花岗石矿山开采时，火焰切机用于开拓堑沟的开掘，在有两个自由面台阶上形成具有三个自由面的开采台阶，以便后续荒料开采成为可能。

在荒料开采阶段，火焰切割机主要用于切割分离长条块石与矿体三个连接面中的一个，通常将长条块石一个垂直侧立面与矿体切割分离，剩余两个面采用双面控制爆破分离。

长条块石的分解和荒料整形全部.采用手持凿岩机钻凿排孔、结合控制爆破、静态膨胀剂或人工劈裂完成。

3.2.2在凹陷露天花岗石矿山的应用

在只有一个自由面矿体的凹陷露天开采花岗石矿山，火焰切割机用于开掘初始堑沟内“键石”的切取，见图4，后续开采方法与山坡露天开采相同。

3.2.3火烧凿岩开采方法的应用

目前火烧凿岩开采方法仍在世界各地众多花岗石矿山使用。火焰切割机主要用于开拓堑沟和初始堑沟的开掘，手持凿岩机用于排孔钻凿，人工劈裂、机械或液压劈裂、静态膨胀剂劈裂或其它控制爆破劈裂方法用于将长条块石分解和荒料整形的各个工序。

虽然目前火焰切机开掘开拓堑沟方法已逐渐被串珠锯切割方法取代，但由于世界各地燃油和串珠绳价格的差异，火焰切机开掘开拓堑沟的方法仍在国外许多花岗石矿山使用。

但在凹陷露天花岗石矿山开掘初始堑沟时，火焰切机具有串珠锯切割系统无法替代的便利和优势。

3.3火焰切机、台架式凿岩机结合劈裂法开采花岗石

这是使用最广泛切真正的机械化开采花岗石的方.法。与火烧凿岩开采法相比，除了用台架式凿岩机代替手持凿岩机作业外，其余开采设备和开采工艺流程均相同，见图5。

使用台架式凿岩机后，开采效率、开采荒料率、钻凿排孔的垂直度和排孔平面度、开采荒料的质量都有很大程度的提高，矿体的浪费也减少，尤其是使用液压型台架式凿岩机后，开采效率更高。

3.4火焰切割机、车载凿岩机结合劈裂方法

火焰切割机与车载式凿岩机配合后所组成的开采系统，除了使用车载式凿岩机代替手持和台阶式凿岩机外，其余工序与前面介绍的开采花岗石的开采工艺原理相同，见图6。

其主要工序为车载式凿岩机取代手持式凿岩机或台架式凿岩机钻凿排孔，采用控制爆破或静态膨胀剂劈裂分离长条块石，采用控制爆破、静态膨胀剂、人工劈裂或机械、液压劈裂方法分解长条块石和荒料整形。

虽然串珠锯在很大程度上取代了火焰切割机，但由于火焰切机可盲切，所以这种方法仍是目前机械化程度和开采效率最高的花岗石开采方法之一。

4与串珠锯有关的硬质石材开采方法

串珠锯实际用到花岗石矿山晚于大理石矿山，真正用于花岗石矿山进行工业化开采生产距今大约有二十几年的历史。随着烧结串珠性价比，注塑和橡胶封注工艺不断完善和成熟，串珠绳切割花岗石的使用寿命、锯切效率不断提高，锯切开采花岗石的成本大大降低。

串珠锯以其它传统花岗石开采设备无法媲美的优势，迅速在世界各地花岗石矿山普及和推广，被称为是“花岗石矿山开采的一场革命”。

串珠锯与凿岩机和劈裂方法组合已经成为使用最多的开采硬质石材的方法，钻凿排孔的凿岩机有手持式、台架式、车载式等多种结构形式，劈裂方式有人工劈裂、机械或液压劈裂、静态膨胀剂劈裂和控制爆破劈裂等多种方法。

4.1串珠锯开采的特点

与火焰切机相比串珠锯的特点主要体现在以下几个方面。

4.1.1操作性方面

在操作性方面，串珠锯具有操作简单、安全、无噪音和粉尘污染、维修保养容易、矿体资源浪费小、提高人均开采效率等特点。

4.1.2节约矿体资源方面

串珠锯开采节约矿体资源的优势更显突出，串珠绳切缝1.2cm,火焰切割机切缝22~25cm,是串珠绳切的21倍;切割100m2的面，串珠锯切缝损失石料1.2m’，火焰切割缝造成的石料损失大约是22~25m3，是串珠锯切缝损失的18~20倍。

如果再考虑切缝两侧因高温烧蚀产生一定深度石材结构的损失，火焰切割方法造成的石料损失远大于串珠锯。

4.1.3开采成本方面

以前串珠锯在开采花岗石成本方面的最大竞争对手是火焰切割开采工艺，主要原因是早期国内柴油价格比较低，串珠绳价格高。

但近年来国内柴油价格随国际油价不断攀升，已比以前提高了将近3~5倍，随着开采花岗石串珠绳制造工艺的不断完善，其价格逐年降低，已从早期1500元/m降到现在的220元/m,降幅达6~7倍;

锯切中硬花岗石的寿命从早期的3~5m2/m提高到目前的10~15m2/m,单位寿命寿命增加了3~5倍。目前串珠锯切割单位面积花岗石的成本，早已低于使用火焰切机的柴油消耗成本。

4.1.4适应性方面

串珠绳属于柔性切割刀具，与石材接触部位无刚性振动，所以它也是唯一能够取代火焰切机开采极易破碎花岗石的开采设备。

4.1.5用途方面配合

一些专用的辅助工具后，串珠锯也可像火焰切机那样进行其他开采机械根本无法到达的“封闭”面的切割。在凹陷露天花岗石矿山开掘初始堑沟作业时，火焰切割仍比串珠锯实用方便，但二者结合可大幅度提高凹陷露天花岗石初始堑沟的开掘速度和质量。

4.1.6切割面积和效率方面

目前已知串珠锯的最大切割面积达到700多m在花岗石矿山的最高垂直切割面高度是56m甚至更高，见图7，串珠锯切割花岗石5~30m2/h的切割效率远高于传统火焰切机(1m2/h)切割方式;

串珠绳切割中硬花岗石20~30元/m2的成本也远低于火焰切割机的最低200~250元/m2的成本。综上所述，串珠锯的优点是火焰切割所不可及的。

4.2串珠锯与凿岩机组合开采硬质石材的方法

根据每台开采设备完成开采工序的不同，串珠锯与凿岩机组合而成的硬质石材开采系统，具有多种开采工艺方案。

4.2.1串珠锯与凿岩机组合开采硬质石材的三种工艺方案

在串珠锯与排孔凿岩、控制爆破方法组合开采工艺系统中，串珠锯代替了前述火烧凿岩法中的火焰切割机，用于开掘开拓堑沟、初始堑沟等开拓作业。

在具有三个自由面的开采台阶上作业时，串珠锯可完成长条块石与矿体连接面的锯切分离，以便于长条块石的开采、提高开采效率和开采荒料率。根据发展年代不同，与之配套的凿岩机分成手持式、台架式和车载式等不同机型。

根据串珠锯切割分离长条块石与矿体连接面数量的不同，可分成三种工艺方案。翻倒后的长条块石或石料整形成荒料-般可采用钻孔劈裂分解和整形方式。

(1)单面锯切分离方案串珠锯只锯切长条块石一个垂直面，用凿岩机钻凿排孔、双面控制爆破分离长条块石另外-个垂直背面和水平面。

(2)双面锯切分离方案串珠锯锯切分离长条块石水平底面和一个垂直面，用凿岩机钻凿排孔、单面控制爆破分离另外–个垂直面(通常是垂直背面)。

(3)三面锯切分离方案串珠锯将长条块石三个面全部切割分离，这时长条块石的分离不再需要控制爆破。三种方案的选择取决于矿体裂隙发育情况，纹路的走向，长条块石的尺寸和体积，切割面的大小等因素。

4.2.2串珠锯、手持凿岩机、劈裂法开采硬质石材

这是目前国内使用最多的开采硬质石材的方法，见图8。

(1)山坡露天矿山从矿体分离长条块石作业方法在有三个自由面的山坡露天硬质石材矿山，串珠锯负责切割分离长条块石与矿体连接的水平面，见图9,和一个垂直面，见图10。

手持凿岩机在剩下的一个垂直面上钻凿排孔，见图11、单面控制爆破将长条块石与矿体分离，见图12;或串珠锯只切割分离长条块石的一一个面，长条块石剩余的两个面采用双面控制爆破分离，见图13。

(2)开拓堑沟的开掘方法在山坡露天硬质石材矿山，如开采台阶只有两个自由面，需要开掘开拓堑沟时，可使用串珠锯将开拓堑沟内石料与矿体连接的两个垂直面分离，用手持凿岩机钻凿排孔结合各种控制爆破方法，双面爆破将剩余一个垂直面和一个水平底面分离。

(3)凹陷露天矿山初始堑沟开掘方法在只有一个自由面的凹陷露天硬质石材矿山，使用进给立柱配合串珠锯取“键石”方法，可开掘矩形初始堑沟，也可采用楔形堑沟取石方法形成楔形初始堑沟，见图14。

(4)长条块石的分解方法翻倒后的长条块石全部由手持凿岩机钻凿排孔，控制爆破或液压劈裂分解和整形荒料，也可用静态膨胀剂，见图15，或人工劈裂，见图16，方法完成长条块石的分解和荒料整形。

4.2.3串珠锯、台架凿岩机、劈裂法开采硬质石材

串珠锯与台架式凿岩机配合，钻凿排孔结合劈裂的开采方法是使用最为广泛的硬质石材开采方法，见图17。该方法除了将台架式凿岩机代替手持凿岩机作业外，其余开采工艺流程均与上述方法相同。

图18是台架式凿岩机钻凿翻倒后长条块石分解面上的排孔。使用台架式凿岩机后，开采效率、开采荒料率、开采荒料的质量都有很大程度的提高，矿体的浪费也减少。尤其是使用液压型台架式凿岩机后，开采效率更高。

4.2.4串珠锯、车载凿岩机、劈裂法开采硬质石材

串珠锯配套车载式气动凿岩机系统或车载液压凿岩机系统，以及液压劈裂系统是机械化程度最高的开采花岗石的组合，见图19，开采工艺方法同上，图20是车载式液压凿岩机钻凿长条块石与矿体垂直连接面上的排孔，图21是国内高时机械车载式液压凿岩机钻凿长条块石分解面上的排孔，图22是车载式凿岩机在钻凿荒料整形面上的排孔。

在北欧的一些花岗石矿山，如挪威LARVIK蓝珍珠花岗石矿山，采用串珠锯全锯切分离长条块石与矿体的三个连接面，车载式液压凿岩机钻凿长条块石分解劈裂面上的排孔，多个劈裂头的车载式液压劈裂装置用于长条块石分解劈裂和荒料的整形处理。图23是国内高时机械的多头液压劈裂机分解花岗石长条块石。

挪威LARVIK蓝珍珠花岗石矿山还使用了在轨道上移动的七头液压凿岩机和三头台架式液压凿岩机，见图24，钻凿荒料整形劈裂面上的排孔，以及多头液压劈裂方式劈裂整形荒料，可达到很高的荒料整形效率。

在普通花岗石矿山，使用2~4个劈裂头的液压劈裂器也可满足荒料整形要求。还可采用火工品控制爆破，见图25、静态膨胀剂、人工劈裂或液压劈裂等机械劈裂方法分离、分解长条块石和整形荒料。即使未使用液压劈裂方式，这种组合仍是目前机械化程度和开采效率最高的硬质石材开采方法。

4.2.5串珠锯、火焰切机、凿岩机、劈裂法

这种组合开采系统，见图26,在串珠锯与凿岩机组合方式基础上，再增加使用火焰切机，具有适合山坡露天和凹陷露天花岗石矿山开采的特点。

(1)提高长条块石分离质量和效率使用火焰切机主要是为解决串珠锯“盲切”效率低问题，串珠锯则负责解决火焰切割机单独开采大体积长条块石时，切缝石料损失大、作业区域粉尘噪音大、以及长条块石从矿体上双面控制爆破难于操控等问题。使用串珠锯切割分离后采用单面控制爆破方式，更便于大体积分离的分离。

(2)提高串珠锯作业效率可利用火焰切割机宽大的切割缝穿引串珠绳，以及容易实现的点对面的贯通孔钻凿，这时不再需要钻凿难于实现的三孔或两孔交汇作业。

在钻凿8m~15m甚至更深贯通孔时，效果更加突出。图27是利用火焰切割机切缝穿引串珠绳。

(3)火焰切机、串珠锯、凿岩机组合开采花岗石的作业方法-在山坡露天花岗石矿山火焰切机用于开掘开拓堑沟，切割只有两个自由面台阶上的封闭背面，串珠锯切割分离剩余两个垂直面,最后用单面控制爆破劈裂分离长条块石的水平面。

开采三个自由面长条块石时，串珠锯(或火焰切机)切割分离两个垂直侧面，单面控制爆破劈裂分离水平面，或使用串珠锯锯切分离水平面和一个垂直面，单面控制爆破分离最后的一个垂直面。

凹陷露天花岗石矿山，火焰切机用于在只有一个自用面水平矿体表面，向下开掘初始堑沟时的垂直面切割分离，串珠锯可利用火焰切机锯缝完成水平底面“盲切”分离，以及其他垂直面锯切分离。

4.3串珠锯全锯切方法

开采硬质石材福建南平三立达翡翠绿花岗石矿山是国内最早使用串珠锯全锯切开采、并取得成功的花岗石矿山。该矿山曾经历过人工凿岩开采，排孔凿岩结合导爆索控制爆破和静态膨胀剂劈裂分离等开采方式，开采效果都不理想。

开采出的荒料中存在大量的爆伤裂隙或劈裂时产生的微观裂隙，虽然其花色品种特殊，市场价格昂贵，但由于开采荒料的质量问题，一直没有实现成功开采。

使用串珠锯全锯切法后，开采荒料率提高了7~8倍，开采成本只提高了大约2倍。图28是串珠锯全锯切方法开采翡翠绿花岗石矿山。串珠锯全锯切开采方法在高档的黑色花岗石矿山及山东的普通花岗石矿山都有使用。

5与圆盘锯机有关的硬质石材开采方法

圆盘锯是具有国内知识产权、自主研发的高效、低成本开采硬质石材的锯切设备。

5.1以圆盘锯为主机的硬质石材开采方法分类

圆盘锯、手持凿岩机或车载式液压凿岩机结合人工劈裂开采组合，简称圆盘锯锯切劈裂开采方法，适用于裂隙不发育、花色均匀、纹路无方向性、劈裂性好的花岗石开采。圆盘锯与串珠锯组合成全锯切开采硬质石材方法，可用于劈裂性差的花岗石开采。

圆盘锯、串珠锯及凿岩机组合后称为全锯切凿岩组合开采方法，因增加可岩劈裂开采工序，使得开采硬质石材的工艺方法更加灵活。

5.2圆盘锯锯切劈裂法开采硬质石材

圆盘锯切割矿体长条块石垂直面，人工或车载气动(液压)凿岩机钻孔劈裂长条块石水平底面和将长条块石解体成荒料的工艺方法，见图29。

在已经形成布局比较整齐合理、采面范围比较大、配套设备和设施齐全的花岗石矿山，每台安装两个3.5m直径锯片的圆盘锯，年开采花岗石荒料的最大.生产能力至少可达15000m’，这是目前单台花岗石开采设备所能达到的最高开采能力。

目前圆盘锯可安装直径达到4.6m的双锯片，将垂直切深作为荒料主切面时，可直接开采高度1.8m以上的砂锯荒料。

图30是浅孔劈裂分离条状长条块石底面的作业。在劈裂性相同的情况下，浅孔法劈裂法分离长条块石水平面的平整度较差，见图31,可采用深孔劈裂方法，改善水平分离面的平整度，见图32。

5.3全锯法开采硬质石材

全锯切法开采是用串珠锯代替锯切劈裂法中的凿岩劈裂工序形成的开采方法。圆盘锯机用于矿体平行和垂直工作线向下垂直面的锯切分离，串珠锯用于长条块石水平底面切割分离，见图33。

串珠锯切割长条块石底面时，可将切面平整度控制在10em之内，弥补了人工劈裂时产生30em不平整表面的缺憾。

通常串珠锯切割效率不会低于钻孔劈裂方法，主要是在开采大理石或劈裂性差的花岗石时，改，善水平分离面的平整度。

操作得当时，可使每台安装两片3.5m直径锯片的圆盘锯，年开采花岗石的生产能力再提高大约20%，使圆盘锯的生产效率和优势得到最大限度地发挥。

5.4全锯切凿岩组合法开采硬质石材

全锯切凿岩组合法是在全锯切法基础上保留钻孔劈裂工序，在使用圆盘锯切割垂直于工作线的切缝时，将长条块石切成数块荒料长度尺寸，水平分离长条块石后，使用钻孔劈裂方法从长条块石端部劈裂分离成荒料。

使得工艺流程更加灵活，同时也可提高生产效率，降低开采成本。

6高压射流水切割法

开采高压射流水切割在花岗石矿山开采中所起的作用类似火焰切割机，适合用于凹陷露天花岗石矿山的初始堑沟开掘，以及山坡露天花岗石矿山的开拓堑沟开掘，更适合开掘洞采花岗石矿山的矩形开拓通道，后者可使洞采花岗石成为可能。

后续长条块石分离、解体和荒料整形等工序，则需要其他设备和其它方法配合实现，具体方法与前面的介绍相同。

高压水射流切割机在石材矿山的试验始于30年前，但由于该开采设备维护使用成本很高，始终没有在花岗石矿山得到推广，目前只在世界各地极少数的少数花岗石矿山使用，见图34。

总之，只有根据石材的种类、矿山类型和矿体特点等因素确定合理的开采工艺方案，选择合适的开采设备;按照石材矿山的设计要求、正确实施开采方法、安全使用好开采设备，才能建成和建好石材矿山。在保护环境的前提下，取得预期的经济效益，保证矿山开采的可持续发展。

《石材》2017