Добыча декоративного камня и строительного камня

Декоративный камень добывается в виде отделенных от горной массы прямоугольных каменных глыб установленного объема, которые называются блоками. В зависимости от способа добычи и степени правильности геометрической формы блоки подразделяются на пиленые и колотые. К качеству поверхности блоков второго типа предъявляются менее жесткие требования. Так, например, в соответствии с ГОСТ 9479—76 допускаемое отклонение от прямого угла двух смежных граней (на всю высоту) не должно превышать для пиленых блоков 80, для колотых — 150 мм.

Объем блока считается равным объему вписанного в него прямоугольного параллелепипеда. В соответствии с ГОСТ 9479—76 все блоки в зависимости от объема подразделяются на пять групп (табл. 1).

Выход блоков из горной массы п их размеры (так называемая блочность месторождения) в основном определяются развитой в каменном массиве трещиноватостью. При этом блочность зависит не только от густоты сети, но и от пространственного расположения трещин.

Классификация блоков по объему

Трещиноватость имеет как отрицательное, так и положительное значение. Отрицательная роль трещин состоит в том, что при их густой сети массив оказывается разбитым на мелкие камни, из которых не могут быть получены блоки установленного ГОСТом объема. Наоборот, наличие редкой сети трещин (при расстоянии между ними 1—3 м) и особенно расположение их в трех взаимно перпендикулярных плоскостях облегчают добычу блоков и соответственно играют положительную роль.

Месторождения цветных мраморов н слоистых известняков обычно не дают крупных блоков. Месторождения гранитов, имеющих преимущественно правильную систему редко расположенных трещин, наоборот, позволяют добывать очень крупные блоки, иногда объемом в несколько десятков кубических метров. Выход блоков из горной массы колеблется в пределах от 20,8 до 64% для месторождений гранитов, лабрадоритов и габбро и от 4,5 до 39% для месторождений мраморов, к которым условно относятся и мраморовидные известняки. Остальная часть приходится на отходы.

Декоративный камень обычно залегает неглубоко и добывается из открытых горных выработок, совокупность которых называется карьером. В современной камнедобывающей промышленности различаются два типа предприятий: карьеры, для которых блоки являются товарной продукцией, и комплексные предприятия, включающие наряду с карьером камнеобрабатывающий завод или цех, для которых блоки являются не только товарной продукцией, но и сырьем для производства облицовочных плит или архитектурно-строительных изделий.

Особенностью карьеров по добыче декоративного камня является их сравнительно небольшая производительность, не превышающая на большинстве карьеров 2,5—5 тыс. м3 блоков камня в год. К наиболее мощным карьерам в СССР относятся Коелгмнский, Кибик-Кордонский и Газганский мраморные карьеры с производительностью соответственно 30, 18 и 12 тыс. мэ блоков в год, Емельяновский и Саянский гранитные карьеры мощностью 8 и 12 тыс. м3 блоков в год, а также Головинский карьер лабрадорнтов — 8 тыс. м3 блоков в год.

Добыча блоков декоративного камня производится в основном по уступной системе в одну или две стадии. В первом случае блоки установленного объема вырезаются непосредственно из массива камнерезными машинами или терморезакамн. Во втором случае на первой стадии из массива вырезаются или выкалываются различными способами монолиты, которые на второй стадии разделываются на блоки согласно требованиям ГОСТ 9479—76. Размеры вырезаемых или выкалываемых блоков и монолитов соответствуют параметрам эксплуатируемого оборудования или принятой системе разработки.

Способы добычи блоков соответствуют способам разрушения горных пород и по этому принципу делятся на способы, основанные на разрушении пород камня резкой, ударом, взрывом и нагревом. Резка пород осуществляется с помощью камнерезных машин (с режущими дисками или кольцевыми фрезами), канатных пил и врубовых машин, которые в основном применяются для добычи мягких и средней твердости пород камня (ракушечников, известняков, мраморов, доломитов, вулканических туфов). Исполнительным органом камнерезных машин служит кольцевая фреза с твердосплавными резцами, обеспечивающая глубокий пропил (до 2/3 диаметра фрезы). На отечественных карьерах применяются три типа машин с кольцевыми фрезами: СМ-428 с горизонтальной фрезой для выполнения планировочных работ и комбинированной добычи (рис. 2), СМ-177А и СМ-580М с двумя вертикальными и одной горизонтальной фрезами — для вырезки блоков из массива.

Рис. 2. Камерная машина СМ-428

Рис. 3. Схема разработки карьера мрамора камнерезными машинами

Схема разработки карьера двумя машинами CM-I77A приведена на рис. 3. Первая машина выполняет вертикальный и горизонтальный продольные резы, а идущая за ней вторая поперечные вертикальные резы, заканчивая тем самым вырезку блоков установленного объема. При существующем диаметре кольцевых фрез 1380 мм максимальное сечение выпиливаемых блоков составляет 1,0Х 1,0 м, длина произвольная.
В настоящее время Ленинаканским заводом «Стромма-шина» начат выпуск новых моделей камнерезных машин: СМР-028 взамен СМ-177А и СМР-029 взамен СМ-428.

Кроме камнерезных машин с кольцевыми фрезами, для добычи мелких блоков из мягких горных пород используются машины модели СМ-89-АУ с режущими дисками. Канатные пилы (отечественные модели Р-528 и импортные итальянской фирмы «Пеллегрини») используются на карьерах главным образом для выпиливания из массива монолита, который впоследствии разделывается на блоки буроклнновым способом или с помощью канатных пил.

Рис. 4. Принципиальная схема работы канатной пилы в карьере
1 — приводная станция; 2 — ролики промежуточные; 3 — то же, рабочие; 4 — рельсы; 5 — натяжная станция; 6 — противовес; 7 — натяжной шкив

Принципиальная схема работы канатной пилы в карьере приведена на рис. 4. Канатная пила состоит из приводной станции и системы промежуточных и рабочих роликов 2, 3, размещенных на стойках. Бесконечный рабочий канат, огибающий ролики, натягивается при помощи натяжной станции 5, состоящей из тележки на рельсах 4, по наклонным направляющим которой может перемещаться противовес 6 с натяжным шкивом 7 Канат выполнен из двух-трех жил попеременной свивки и имеет диаметр 4— 6 мм. В качестве свободного абразива используется кварцевый песок, подаваемый в пропил с водой.

Для того чтобы произвести вертикальный пропил, опускают рабочие ролики с канатом. Затем выпиленный из массива монолит отодвигают гидродомкратом и опрокидывают с помощью бульдозера (рис. 5). Врубовые машины имеют исполнительный орган в виде цепной пилы (бара), армированной твердосплавными, а в некоторых случаях алмазными резцами. На отечественных карьерах используют врубовые машины «Урал-33», заимствованные из угольной промышленности.

Рис. 5. Опрокидывание монолита, выпиленного канатной пилой

В настоящее время разрабатываются конструкции баровых машин с тонким баром, позволяющие сократить ширину пропила до 30—40 мм. К способам разрушения пород ударом относят буроклиновой и ударно-врубовой, а к способам разрушения взрывом — буровзрывной способ, которые преимущественно применяются для добычи твердых пород камня. К способам разрушения пород нагревом относится термо-струйный способ, который, как правило, применяется для добычи блоков каменных пород, содержащих кварц, так как они наиболее быстро разрушаются в условиях высокотемпературных напряжений. В настоящее время этот способ применяется на ряде гранитных карьеров.

Первой операцией при буроклиновом и буровзрывном способах является бурение отверстий (шпуров) или скважин по линии намеченного откола блока. На карьерах шпуры обычно бурят ручными перфораторами, а для бурения скважин применяют бурильные станки.

Шпуры бурятся по возможности вдоль линии естественных трещин в одной плоскости. Обуривание может быть сплошным или «пунктирным», т. е. с расположением шпуров на определенном расстоянии друг от друга. Расстояние между шпурами определяется прочностью породы и толщиной отрываемого монолита. Для обуривання массива используются специальные переносные установки строчечного бурения. Схема работы такой установки приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема работы установки строчечного бурения шпуров
1 — стойка; 2 — перемычка; 3 — суппорт; 4 — перфоратор; 5 — вертикальная направляющая; 6 — воздушный шланг; 7 — горизонтальная направляющая (труба); 8 — шпуры

Иногда добыча блоков производится комбинированным способом с использованием указанного оборудования. В этих случаях шпуры выполняются установкой строчечного обуриваиия, а горизонтальные пропилы — камнерезной машиной (рис. 7).

При буроклиновом способе в шпуры вставляются клинья, по каждому из которых вручную наносятся удары кувалдой. Углубление клиньев в шпурах вызывает в массиве раскалывающие напряжения, что приводит к образованию трещин откола и отделению блока от массива.

При буровзрывном способе, который применяется для отрыва от массива крупных монолитов большой прочности, в шпуры или скважины закладывают взрывчатые вещества. В результате взрыва в массиве возникают большие напряжения, образующие трещины по линии шпуров или скважин. Оторванный монолит разделывается затем на блоки буроклиновым способом.

При термоструйном способе блоки камня определенного размера вырезаются непосредственно из массива терморезаками. Сущность этого способа заключается в том, что на поверхность массива направляется высокотемпературная газовая струя, извергаемая из сопла терморезака со сверхзвуковой скоростью, которая и прорезает при этом щель по контуру блока. Термоструйный способ добычи блоков по сравнению с буроклиновым повышает производительность труда и улучшает его условия при добыче блоков.

Однако применение этого способа ограничено только кварц-содержащими твердыми горными породами (граниты, гранодиориты и т. д.). Кроме того, при сверхзвуковой скорости истечения газовой струн из сопла термоструйного инструмента возникает шум с уровнем звукового давления порядка 120—125 дцб, что значительно превышает пределы, установленные санитарными нормами.

Рис. 7. Комбинированная добыча блоков с помощью установки строчечного бурения шпуров (сверху) и камнерезной машины СМ-428 (слева)

В настоящее время ведутся работы по механизации термоструйных работ. Сконструированы и проходят испытания на карьерах новые термоструйные и термоударные машины различных модификаций.

Обработка и маркировка блоков и технические требования к их качеству

Перед отгрузкой потребителям блоки при необходимости должны быть обработаны (пассированы) и промаркированы.

Пассировка — процесс, при котором блоку придаются требуемые размеры и форма, близкие к прямоугольной. Пассировке подлежат только колотые блоки в тех случаях, когда они не удовлетворяют требованиям ГОСТ 9479—76 по внешнему виду и качеству поверхности. Кроме того, пассировка блоков проводится в случае присвоения им государственного Знака качества.

Качество блоков декоративного камня должно удовлетворять требованиям указанного выше ГОСТа. Пригодность блока определяется комплексом его декоративных, физико-механических и технологических свойств и степенью долговечности.

К дефектам, снижающим качество камня, относятся трещиноватость, выветрелость, высокое содержание горной влаги (для известняков), наличие неполирующихся участков, грязных пятен и т. п. В блоке допускается только одна диагональная трещина (не более одной трети длины грани), просматриваемая на двух смежных гранях. Блоки из цветного мрамора могут иметь тонкие извилистые трещины, выходящие на две смежные грани. Видимые трещины определяются осмотром, а скрытые — простукиванием (при трещинах звук от удара глухой). Отбитых углов в блоке не должно быть более трех. К качеству блоков, которым присвоен государственный Знак качества, ГОСТ 9479—76 предъявляет более жесткие требования.

Физико-мехаиические свойства горных пород, разрабатываемых на блоки, проверяются на карьере раз в году и, кроме того, при каждом изменении характера пород. Проверка состоит в лабораторных испытаниях образцов породы в соответствии с ГОСТ 8462—75 (предел прочности при сжатии), ГОСТ 7025—67 (водопоглощение и морозостойкость) и ГОСТ 13087—67 (истираемость).

При маркировке блоков на двух смежных гранях каждого _блока водостойкой краской наносят номер блока, объем блока (в м3) и размеры (в м). На блоках V группы наносится только номер блока. На блоках, которым присвоен государственный Знак качества, наносится его изображение по ГОСТ 1.9—67.