Особенности горных работ при добыче природного камня

Естественный строительный камень, используемый в промышленном, жилищном и гражданском строительстве, должен обладать высокими физико-техническими свойствами, долговечностью и декоративностью. В зависимости от назначения он делится на стеновой и облицовочный. К стеновому камню относят штучные стеновые камни, применяемые для кладки стен, перегородок и других частей зданий и сооружений, и стеновые блоки, добываемые из массива и предназначенные для последующей распиловки на облицовочные и другие архитектурно-строительные изделия.

В соответствии с утвержденным ГОСТом производятся следующие марки стеновых камней: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300 и 400 (марка камня соответствует пределу прочности образца на сжатие). Марки камней из известняка-ракушечника от 4 до 50, из плотных мшанковых известняков — от 50 до 150 и из туфов — от 50 до 400.

Стеновые камни не должны иметь прослойков глины, мергеля, видимых трещин. Водопоглощение должно составлять не более 30 % (по массе), коэффициент размягчения — не менее 0,6, морозостойкость — не менее 15.

Блоки стеновые из природного камня должны иметь длину 500-3020 мм, ширину — 820-1000 мм и высоту — 300, 400 и 500 мм. Допускаемые отклонения не должны превышать 10 мм.

Определенные требования предъявляются к внешнему виду камней.

Горные породы, имеющие красивую окраску и рисунок и обладающие необходимой прочностью, погодостойкостью и монолитностью (для получения крупных блоков), называются природными облицовочными камнями.

Природные облицовочные камни предназначены не только для отделки лицевых поверхностей зданий и сооружений, но и для защиты конструкций от разрушающего воздействия внешней среды, в связи с чем они наряду с высокими физико-техническими свойствами должны обладать высокой сопротивляемостью процессам выветривания.

Изделия, используемые для настилки полов, должны иметь истираемость камня не более 2,2·10² Па при слабом движении и не более 0,48·10² Па при интенсивном движении людских потоков.

Используемые для добычи стеновых блоков горные породы подразделяются на прочные (гранит, диорит, габбро, кварцит, лабрадорит, базальт, диабаз, андезит), средней прочности (белый и серый мрамор, цветной мрамор, мраморизованный известняк и песчаник) и мягкие (плотный известняк, доломит, травертин и фельзитовый туф, гипсовый камень, пористый известняк и туфы).

При выборе технологии разработки месторождений естественного камня необходимо учитывать существование определенных закономерностей в строении камня, изменение его прочности в различных направлениях и в расположении трещин. Учет этих факторов позволяет правильно ориентировать фронт горных работ и выбрать отметки уступов применительно к элементам залегания и направления облегченного раскола или распила камня.

При добыче блоков не рекомендуется применять взрывчатые вещества, так как это приводит к появлению трещиноватости массива и нарушению его сплошности.

Необходимость сохранения физико-технических свойств и декоративности разрабатываемых пород, определенных размеров и формы камня требует использования специальных методов и средств направленного разрушения породы, обеспечивающих концентрацию критических напряжений в строго необходимых плоскостях раскола или реза. В свою очередь, методы и средства направленного отделения камня от массива являются наиболее трудоемкими в общей технологии выемки, а их разнообразие требует тщательного выбора наиболее рационального из них.

Для карьеров, разрабатывающих естественный камень, характерна относительно небольшая производственная мощность, малая высота уступов и небольшие допуски к размерам добываемых блоков. Наряду с производством блоков или штучного камня в карьере, как правило, производится добыча попутной горной массы, объем которой может в несколько раз превышать объем основной продукции.

Это требует проведения трудоемких и дорогостоящих работ по уборке и транспортированию попутно добываемых материалов, их возможному использованию в различных производствах, что может иметь решающее значение для рентабельной работы карьера.

Отмеченные особенности добычи природного камня, а также различные виды и условия залегания разрабатываемых горных пород, их физико-технические свойства, минеральный и химический составы определяют варианты вскрытия и систем разработки, технологических схем, средств механизации и методов направленного отделения блоков от массива.

Незначительные по мощности (в среднем 4-8 м) вскрышные породы большинства месторождений природного камня представлены четвертичными отложениями и слоем эрозированного камня.

Вскрытие месторождений осуществляется чаще всего общими внешними или парными траншеями.

Для месторождений облицовочного камня, использующих в качестве транспортных средств только деррик-краны и кабельные краны, характерно бестраншейное вскрытие.

Вскрышные породы размещаются, как правило, на внешних отвалах, а выработанное пространство используется для складирования блоков или штучного камня, а также для размещения отходов, получаемых при выпиливании камня.

На вскрышных работах используются бульдозеры и экскаваторы с ковшом емкостью до 2-4 м³ в комплексе с автосамосвалами, колесные скреперы и одноковшовые погрузчики.

В настоящее время отделение стенового и облицовочного камня и камня средней прочности осуществляется высокомеханизированными способами (камнерезными машинами, канатными пилами, с помощью станков вращательного бурения, ударно-врубовых машин). Прочный камень на большинстве месторождений отделяется от массива с помощью малопроизводительного буроклинового способа.

Выемка, погрузка и транспортирование блоков осуществляются с помощью стреловых, кабельных или деррик-кранов, одноковшовых погрузчиков и автомобильного транспорта.

Для разработки стенового камня широко применяются камнерезные машины СМ-89А, СМ-518, НКМ-2, НКМ-4, СМ-826, СМ-913 и другие, 85 % которых оборудованы дисковыми пилами.

Кроме дисковых пил, в качестве рабочего органа камнерезных машин применяются цепные бары (КМАЗ-188, КБЦ-За) и кольцевые фрезы (СМ-177А, СМ-580А).

Камнерезные машины оборудуются вертикальными и горизонтальными дисковыми пилами, с помощью которых из массива вырезаются камни заданных размеров. Недостатком дисковых пил является малый коэффициент использования диаметра диска.

Увеличение степени использования длины рабочего органа обеспечивается применением камнерезных машин с кольцевыми фрезами (до 65-75 %) и с цепными барами (до 85-90 %). На добыче мраморных блоков широко используются канатные пилы, рабочим органом которых является двух- или трехжильный трос, свитый в бесконечную петлю, и движущийся со скоростью 8-12 м/с.

Канатные пилы конструктивно просты, имеют большую скорость резания и длину пропила при незначительной его ширине, обладают малой энерго- и металлоемкостью, экономичны в эксплуатации.

На мраморных карьерах многих зарубежных стран (США, Канады, Франции, Испании) широко применяются ударно-врубовые машины (ченнелеры), рабочим органом которых являются долота, с возвратно-поступательным движением. Долота непрерывно наносят удары по массиву и образуют вертикальную, наклонную и реже горизонтальную щель глубиной до 6 м при ширине 60 мм.

Гранитные монолиты от массива отделяются буровзрывным, буроклиновым, газоструйным (терморезаками) и комбинированным способами. Наличие весьма развитой и закономерно расположенной системы трещин облегчает раскалывание камня по определенным направлениям.