正确进行地下开采

Paul Daniel - paulantdaniel@arrakis.es
Dr Nicola Careddu - ncareddu@unica.it

几百年来,欧洲的某些地区一直从地下开采建筑石材。20世纪时,因为有时对露天开采实施了较为严格的法规控制,所以在地理环境许可时,就采用地下开 采。然而经济因素是至关重要的。在这份报告中,保罗·丹尼尔提到了一些正在开采的石矿,而尼可拉·卡雷杜博士则描述了意大利的一个特殊工程。

为什么规格石材矿场的主人们会考虑“进行地下开采”呢?帕克(1996)明确了三点优势:1)表面处理,分区问题和环境危害都不再是问题;2)减少 了剥离和修复的要求,而且3)在采石场底部,边坡下或者毗邻产区下经常会有额外的产量。还有些优势就是工作的气候都是不变的,即没有降雨、霜冻也没有大 风。当然也有些诸如初期开采成本高和安全问题等劣势。

地下开采规格石有三种基本方法:

- (a) 隧道掘进;
- (b) 大型矿柱开采;
- (c) 洞室结合支柱开采. 

采矿设备和方法的选择取决于若干因素,包括所需砌块的大小,市场上现有的运输方式,以及结构稳定性(卡雷杜等人,2010a)和岩石支护的参数。

意大利

意大利地下规格石材的开采在几个不同的地点进行。目前其采用的技术不会对材料造成损害,比如不使用炸药。因为采空区(机房或硐室)的形成,地下开采 比露天开采存在更多的稳定性问题。但切割技术对于二者没有实质性的差异。从20世纪70年代后期开始,锯链与金刚石绳的适宜组合就被成功的应用。位于阿尔 卑斯山Apuan地区的大理石矿藏,如今大概有10%被地下开采。然而,要提取硅质岩,如地下花岗岩,却充满着很多现实的和经济上的困难。只有水射流技术 结合金刚石绳符合所有提取的必要条件,但在目前,实际执行起来过于昂贵。

英国

罗马人于公元43年开始到不列颠群岛殖民。在东德文郡的比尔发现了一种优良的建筑石材。大约1800年后,在英格兰的好几处开始了大范围的地下开采 大理石,包括英格兰中部的达德利镇和南部的戈德斯通村。在威尔士,地下开采了很多石板。现在仅有大理石进行地下开采,主要位于巴斯和波特兰地区。

比尔

比尔的矿山综合体在很长一段时间已停止开采了。在这里提到这个地点是因为其重大的历史意义。24座英国的教堂用到了比尔石,包括埃塞克斯圣彼得大教 堂,温彻斯特大教堂,伦敦的圣保罗大教堂,威斯敏斯特大教堂的部分,伦敦塔和汉普顿宫。矿山综合体由73.5公顷(29.7亩)的地下空间组成,在大约 2000年的时间里全部由手工切割。比尔矿山综合体的部分是在都铎王朝时期(公元1485-1603)形成的。

巴斯

巴斯石材是一种金色的大理石。罗马人对这种石材的使用非常丰富。这里的很多地下矿产都废弛了,但是还有些仍然在经营。这里现在有2个开矿公司-汉森 巴斯&波特兰石材以及巴斯石材集团。

波特兰

波特兰石材被用来建造圣保罗大教堂和白金汉宫。虽然这种石材需求量很大,但是继续从这个7千米X3千米的岛的表面开采石材已经不再可行,所以提出了 从地下开采。2002年开始,名为Bowers 的试验矿山使用了先进的钻井技术,而且从意大利进口了金刚石绳和特殊“大理石-传送带”金刚石传送带设备。

克罗地亚

罗马人(和之前的希腊人)发现了伊斯得利亚海岸和达尔马提亚海岸的优良建筑石材。现代的开采技术帮助克罗地亚成为了一个重要的优质大理石出口国家。 1994年时,采矿工程师伊凡·科特曼设计了地下开采作业并将其引入坎法纳尔公司。

斯洛文尼亚

1993年在距离卢布尔雅那市西北50千米的一处名为Marmor Hotavlje的采石场开始了彩色大理石的地下开采。当前每年的产量大约在500立方米。位于西部靠近意大利边境的Marmor Sezana接受了来自Hotavlje的技术建议,开始在利比卡二号采石场下进行地下开采作业。在这里也开采出了彩色的大理市,这种大理市在斯洛文尼亚 和相邻国家都很受欢迎。

比利时

比利时黑大理石是在布鲁塞尔西南的Golzinne开采的。开采公司隶属于Solubema集团,这是葡萄牙最大的一家大理石开采企业。每年大约开 采200-250立方米的比利时黑(大理石)。地质学家弗朗西斯·凯齐里安说这里的水平巷道是10米宽X3长X30米高。这里的地下采矿开始于1928 年。目前开采最深处达到了地下70米。

葡萄牙

一段时间以前,首位发起人参观了一个微型矿-一个竖井,大约有4米宽,从这里开采出了一块很硬,密度很大的石板。(...)Pereira Gomes & Carvalho Lda 公司经营着 3处地下矿井。在勘探了大约50.000平方米的面积后发现,这里充足的矿产可以新开10个矿井。目前的生产量大约为7000吨一年。大约有80%完成的 石板,地砖和其它产品出口到好几个欧洲国家,日本和美国。

西班牙

在西班牙有800多处规则石材的采石场在生产,但是显然只有一家是从地下开采的-这家靠近巴塞罗那的采石场归Explotaciones Calcita S.L 公司所有。每年块石的产量大约为5.000立方米。这里的石材储量据计算还可以开采10年以上。优质的方解石主要用于雕塑,其优秀样品可以在巴塞罗那的圣 家族大教堂找到。

希腊

切割规则的石料,尤其是大理石,在希腊的开采至少已经有2500年的历史。在公元前447年建帕台农神庙替换之前的一个神庙时就开始使用。修复工作 一直持续到今天。新的彭特利克大理石的使用都是来自原来的采石场。自1949年以来,这处采石场规民营公司SA Marble Quarry DionysSos Penteli 所有。现在,这家公司共经营9家露天矿场合2个地下矿井。

U.S.A.美国

保利高国际石材有限公司是北美第二大的规则石材生产厂家和加工厂家。集团总部位于加拿大魁北克省。保利高在北美经营着25家以上的自有采石场,包括 于2004年购买的科罗拉多州白色大理石矿井。这处矿井位于科罗拉多州的西埃尔克山,靠近大理石之镇,据说是世界上同类型中最大的矿井之一。当初该矿是在 海拔高度为9.500英尺(3100米)处发现的,发现时间为19世纪70年代晚期。1941年该矿被关闭,但在被保利高国际石材有限公司购买之前,又有 几处采石场于1990年重新开放。

俄罗斯

大理石的地下开采始于20世纪90年代初期的列宁格勒地区,但是相对于油页岩的开采来说,这仅仅是个附属产业。大理石的地下开采位于Sayan 地区的Kibik-Kordon ,但是Kibik-Kordon的开采是从2006年开始的,目前还在继续。当地河两岸的大理石的储量都很丰富。颜色种类繁多,包括白色,浅桃红色、奶白 色、灰色、粉红橙色和明亮的粉色。由于大理石床的严重下沉(有些地方达到20-30度),所以决定尝试使用地下开采与露天采矿相结合的办法在优质大理石所 在位置进行开采。Kibik-Kordon 这里的矿藏是由莫斯科的MKK控股公司所有。最近在Tuia 地区的一个老煤矿里正在进行创新的地下大理石开采工作。这项创新是由国际复兴开发银行融资的。

巴西

在距圣保罗大约2500千米的地方有一处地下矿井开采蓝色帝国石英石。这种昂贵的蓝色石英石产于巴西东北部巴伊亚州的一个名叫伯南布哥的小城市附 近。这是该国唯一的正在生产规则石材的矿井。

摩尔多瓦

几百年来,摩尔多瓦的很多地方都进行了白色大理石的地下开采。在1953年勘探首都城市基希讷乌下面一个废弃的矿井时,有些酒类生产专家确认这个地 方非常适合作为高品质酒类的酒窖。讽刺的是,酒类公司意识到优质的大理石是一种建筑材料。基础产品是一种名叫kostelets的建筑砌块,通常的大小都 是390X190X188mm。此后,最大的两个酒类公司成立了石材生产的分公司。

根据地质调查确认,在基希讷乌市北部郊区有储量为4380万立方米的鲕状白色大理石,于是Mina din Chisinau 公司于1969年成立。有利于开采的地层是水平位于地面60-80米以下的8-10米厚的地层。

乌克兰

位于敖德萨市下面和乌克兰南部周边的贝壳灰大理石布满了多达2500千米的地下墓穴。该建筑于1830年时受到人们重视,矿井为很多家庭和建筑物提 供了主要的建筑材料。现在大约有5家小公司在开采这种数量有限,非常多孔,且抗压强度也低的大理石。

在撒丁岛,从露天开采转为地下开采

在意大利的撒丁岛即将开始对大理石的首次地下开采。“奥罗塞工程”涉及了从露天矿产区域(名叫“Su Cuccumiau”)向地下开采工作的转变。因为需要重新配置现有的开采平台来确保地下作业的结构安全,所以这个开采方式的转变会慢慢的循序渐进。在未 来的10年,地下石料的生产方式会开始并得到发展,同时,露天采矿方式也会得到延续。

关键的一步

奥罗塞地区地下规格石材矿井设计关键的一步就是获得岩体的精确地质力学特征。从这些结果来确定使用“洞室结合支柱”方法。结合和证实了之前的调查信 息,人们按照地质物理方法进行了进一步的研究。

-小规模和大领域的进行超低频(VLF)的电磁勘探;

-选择“Su Cuccumiau”露天采石矿的一个小区域进行详细的地震调查,并配合以超低频地磁勘探。

当前工作

为了尽量减少对周边风景的影响,目前工程师正在最后解决采石场的采石面问题(…)。他们在隧道的进入点针对坡度稳定性进行了认真研究(…)确定并将 所有可能发生的隧道阻塞视作安全因素。在地下开采时,也对产生的压力进行了岩体模型的研究。

通过地质结构的测算,已排除了可能造成工作区下沉的所有问题。

在一个互动过程中选择了洞室结合支柱的几何结构。已掌握的一些其初期数据有:排锯的尺寸、排锯砌块生产的最佳产量、切割设备的几何特征、市场上现有 的运输方式、结构稳定性参数以及地下空间在未来的其它用途。

如表1所示:开采被分为3个层次。

如表2所示:洞室结合支柱的几何结构抵消了从顶部到底部逐渐增加的压力,这个压力主要是由于岩石上增加的负载引起的。

显而易见,开采的第一道工序是打开入口隧道和切割洞室内第一级台阶。

随着隧道和开采的进行,会出现采空区,这时就需要对此空间的顶部用岩栓固定;随着洞室的深入,为了确保挖掘的安全,在墙壁出现断裂时也需使用岩栓加 固。

地面开采和地下开采的不同阶段进行和谐发展计划和环境恢复计划已经着手制订。在露天作业期间,会逐渐调整采石场的面貌,确保地台之间的持续连接。在 地形形成时,将会在地表面种上植被;也会使用现代的生物工程技术来固定地形。

已经制定了对 "Su Cuccumiau"地下矿进行详细的可行性研究;也完成了针对该矿的经济和财务分析。

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