浅谈在盐溶矿开采中金刚石绳锯的制备及应用

杨理清

(1.桂林特邦新材料有限公司，广西 桂林 541004；2.广西超硬材料重点实验室，桂林 541004)

1 引 言

现有盐类矿床除了富矿可露天直接开采外，贫矿通常采用水溶开采方法，该方法一般采用坑道开挖硐室，以打眼、爆破的方式产生裂缝，浸泡溶解矿层中的盐，再通过管道与水泵抽到地面进行蒸发、提纯，此种方式效率低、危险性高且噪声大，成本高，难以适应可持续、低碳、环保的发展要求；特别是距离城镇较近时，每次爆破均相当于3级的地震。而采用金刚石绳锯这类先进的开采工具及方式，可以大大提升盐溶矿开采效率，且不会对矿体产生剧烈震动，是十分适合在盐溶矿开采中应用的。

本文从金刚石绳锯串珠胎体配方设计、金刚石绳锯防腐蚀、金刚石绳锯特殊固定方式、盐溶矿金刚石绳锯所用开采设备、爆破法、金刚石绳锯切割法等方面进行介绍，综述在盐溶矿开采中金刚石绳锯的制备及应用。

2 应用于盐溶矿中的金刚石绳锯制备特点

我们知道盐溶矿有十分明显的特征，就是硬度低，遇水易软化、溶解，因此针对盐溶矿的特点，我们需要制备特别的金刚石绳锯，才可满足金刚石绳锯在盐溶矿中的开采应用。

2.1 金刚石绳锯串珠胎体配方设计

由于盐溶矿矿体具有硬度低，黏度大等特点，金刚石绳锯串珠胎体必须针对这些特殊情况来设计，目前国内针对该矿体设计金刚石绳锯串珠胎体基本依据以Fe-Cu为基础，金刚石参数以粗粒度低浓度的思路。

胎体选择Fe-Cu为基础主要考虑Fe[1]元素烧结性好，对金刚石把持力相对较弱，有利于在盐溶矿开采中实现金刚石的换层，而Cu元素更是因硬度低、烧结性好，对提高金刚石串珠胎体与基体粘接强度十分有效。

金刚石参数[2]中低浓度、粗粒度也是适应盐溶矿切割需要的，盐溶矿对金刚石绳锯的研磨性很小，高浓度容易导致金刚石绳锯串珠表层金刚石磨平而无法换层导致金刚石切割失效，同样道理，细粒度[3]金刚石也会因为数量多、金刚石出刃高度低[4]，切割排屑困难而导致金刚石磨平失效，桂林特邦公司在金刚石粒度上设计最粗达25～30目。

2.2 金刚石绳锯防腐蚀措施

(1)钢丝绳的选用

金刚石绳锯制备常规都是采用镀铜钢丝绳进行，而这种材料在盐溶矿开采过程中很容易因为盐溶矿的溶液对绳锯接头或破损处产生腐蚀进而导致断绳发生，从而影响盐溶矿施工开采进度，因此，我们开始尝试选择镀锌钢丝绳进行制备金刚石绳锯，钢丝绳表面镀锌层不像镀铜层那样活泼易发生氧化，这就可以有效阻止盐溶矿溶液对钢丝绳的腐蚀，延长金刚石绳锯的使用寿命。

目前常用钢丝绳主要有镀锌层钢丝绳与镀铜层钢丝绳，而应用于橡胶制备矿山绳主要采用镀铜层钢丝绳(因铜较易与橡胶发生反应)，而铜的抗氧化及防腐蚀性能要弱于镀锌层钢丝绳，对此，我们进行了盐溶矿侵蚀试验，试验结果如下：

试验说明镀锌层钢丝绳防氧化、抗腐蚀性能要高于镀铜层钢丝绳，这对于长时间作用于盐溶矿的切割绳锯来说非常重要，因此，我们选择优质镀锌层钢丝绳。

而采用镀锌钢丝绳对金刚石绳锯切割盐溶矿是非常有好处的，但镀锌钢丝绳与普通橡胶发生化学反应不如镀铜钢丝绳好，因此容易出现橡胶与镀锌钢丝绳不粘、脱胶的质量问题，因此，采用镀锌钢丝绳制备金刚石绳锯首先必须开发专用的橡胶及橡胶工艺，这样才能制备合格的适用于盐溶矿开采用的金刚石绳锯。

(2)专用橡胶的开发

在开发橡胶过程中我们必须满足两个条件：

A、耐腐蚀[4]，可在盐溶矿中长时间正常使用;

B、与镀锌层钢丝绳发生反应，并具有足够的固定强度。

本公司与有关科研单位经多年研究，现已经开发出来了符合以上两个条件的橡胶，通过试验测试橡胶性能基本可以满足盐溶矿开采中对金刚石绳锯的制备要求。

表2 专用橡胶基本性能数据表

2.3 金刚石绳锯特殊固定方式

我们知道开采盐溶矿，绳锯的切割面积一般会比较大，单个面积有200平方米、400平方米、600平方米甚至1000平方米的，主要因为盐溶矿体较软，需要一定的承重能力，并同时考虑施工进度。因此，金刚石绳锯在盐溶矿中切割会遇到强大阻力，这常常导致金刚石绳锯中串珠发生窜珠情况，还会导致金刚石绳锯旋转停止出现打滑现象，尤其是在初始起锯时、盐溶矿溶解较多时、切割面转角过大时更易发生。

应用于盐溶矿的金刚石绳锯制备，通常需要增强金刚石绳锯串珠与串珠之间的固定强度，采用方法目前主要是通过在金刚石绳锯串珠与串珠之间增加弹簧[5]来达到加强金刚石绳锯固定强度的目的，这样就可以有效避免出现窜珠风险。

金刚石绳锯串珠与串珠之间增加弹簧方式有多种，主要的两种方式为串珠基体两端沉孔+扁弹簧、基体两端不沉孔+圆弹簧。这两种方式作用效果相当，都能起增加金刚石绳锯固定强度的作用，能有效防止金刚石绳锯窜珠的发生。

3 盐溶矿金刚石绳锯所用开采设备

采用金刚石绳锯开采盐溶矿必须要有相应的设备，目前采用的设备一般是国内花岗岩矿山绳锯设备，设备功率大小有37kW、45kW、55kW、75kW等，由于盐溶矿采用金刚石绳锯开采，切割面积大，溶解后岩浆具有一定黏性，对金刚石绳锯切割开采具有很大阻力，因此，据现场操作人员反馈，采用55kW以下功率的花岗岩矿山绳锯设备，金刚石绳锯时常会有打滑切不动的情况，因此，在设备功率选择上，55kW以上花岗岩矿山绳锯机是盐溶矿切割开采优先考虑的，并且功率越大，开采进度就会越有优势。

除了开采设备，开采盐溶矿还需要增加专门的开采辅助设备，这些设备包括打孔风钻、导向轮等。

打孔风钻的作用是对盐溶矿进行打洞，以便将金刚石绳锯穿入岩层，并将金刚石绳锯围成一个闭环体进而对岩体进行切割开采。

导向轮设备的作用是对金刚石绳锯切割方向进行导向并缓和金刚石绳锯切割锯路，明显转角过小，形成切割阻力等。

4 盐溶矿切割开采方式

盐溶矿开采方式主要有爆破法和金刚石绳锯切割法。

4.1 爆破法

爆破法是盐溶矿开采的传统方法，通过用炸药对硐室中的盐溶矿体进行定向爆破[5]，由于爆破的体积大，需较大的炸药当量，会对盐溶矿体产生较大震动，岩体易产生裂纹、甚至岩体坍塌，具有很大安全风险。

4.2 金刚石绳锯切割法

金刚石绳锯切割法是一种静态切割裂纹法，它是通过金刚石绳锯在高线速度下用金刚石串珠对盐溶矿体连续循环切割的过程，采用该方式几乎不会对盐溶矿体产生震动，并且可以做到精准定位切割，具有很好的开采设计性及可控性，是一种十分理想的环境友好型高效开采方式。

(1)金刚石绳锯在盐溶矿中的开采步骤

采用金刚石绳锯开采盐溶矿体需要一个合理的开发方案,方案的主要内容为金刚石绳锯开采步骤,这是保证金刚石绳锯可以顺利开采盐溶矿的关键环节,以下对金刚石绳锯开采盐溶矿体的过程做一简单介绍。

采用金刚石绳锯开采盐溶矿的一般步骤如下[6]：

1、在盐溶矿体预定作业区域范围内开挖出不同层面的平行水平巷道，并保证巷道位于同一切割界面上；

2、在相邻巷道之间采用风钻钻出相通的绳锯穿设孔，一般一个切割面需要打3个穿绳孔；

3、将金刚石绳锯采用铁杆或空心管等特殊工具穿入穿绳孔连接形成一个闭环区，如果金刚石绳锯长度不足，可以采用金刚石绳锯专用接头将不同长度的金刚石绳锯连接起来，形成一个金刚石绳锯闭环体；

4、在其中一个巷道内铺设轨道，将绳锯机架设于轨道上，并可沿着轨道行走，将已经穿好的闭环金刚石绳锯套于绳锯设备的飞轮上，即已经做好金刚石绳锯前期开采准备工作；

5、向各绳锯穿绳孔内注入冷却水，启动绳锯机带动金刚石绳锯形成高速回转即可实现在盐溶矿体的切割立面上切割出溶解裂缝。

图1 金刚石绳锯开采示意图Fig．1 The mining schematic diagram with diamond wire saw1：水平巷道；2：金刚石绳锯；3：绳锯机；4：轨道；5：转向机构；6：绳锯穿绳孔

(2)金刚石绳锯在盐溶矿中的切割工艺

金刚石绳锯开采方案中切割工艺的设计直接关系开采质量与效率，因此在这里谈谈金刚石绳锯开采工艺问题。

金刚石绳锯开采工艺重点是单次切割面积与金刚石绳锯切割参数。

单次切割面积关系着切割效率，切割面积过大或过小都不利于盐溶矿体的开采，切割面积过大，穿绳难度增加，设备功率要求过大，切割时效率会很低；切割面积过小，增加打孔频率，会减少有效切割时间，一般选择切割面积在100平方米至2000平方米之间，条件允许的情况，面积越大越好，设计切割面积以20m×40m或30m×40m或40m×40m为最佳。

金刚石绳锯切割参数，盐溶矿开采用的绳锯机功率选择75kW至500kW为宜，功率过小金刚石绳锯起锯困难，也无法切割面积较大的矿体，绳锯机的线速度选择在35m/s至38m/s，因为线速度低于35m/s，切割效率会明显下降，线速度高于38m/s，因绳锯速度过高，金刚石绳锯就无法形成正常切割，切割效率也会下降。

5 实例应用说明

我公司在湖南的某芒硝矿采用金刚石绳锯进行开采,取得非常成功的效果,以下列举一个金刚石绳锯开采芒硝矿的典型事例加以说明[6].

如图1所示，在采矿区的预定作业区域内开挖出数条平行的水平巷道1，各水平巷道1的长度为150m，截面尺寸不小于2.5m×2.5m，各水平巷道1将预定作业区域划分出上、下两个方形的切割体，现以对下切割体进行切割作业为例对开采实施方案做进一步说明：

(1)在下切割体的上、下、左、右水平巷道1之间，用经纬仪确定钻孔位置，钻出同一立面内(或者近似同一立面内)的左、右垂直绳锯穿绳孔6，各绳锯穿绳孔6的直径不小于Φ75mm。

(2)在下方右侧的水平巷道1内铺设与水平巷道1方向一致的轨道4(可以是整条轨道4，也可以分段铺设连接的轨道4)，轨道4上设置可沿轨道4行走的绳锯机3。

(3)于绳锯机3所在的水平巷道1内，将断开的金刚石绳锯2(可以是分段连接的金刚石绳锯2)沿着绳锯穿绳孔6依次穿入，金刚石绳锯2两端头用专用接头连接形成闭环，并通过转向机构5安装(绕装)于绳锯机3的飞轮上。

(4)在各绳锯穿绳孔6的入口处同时注入冷却水，启动绳锯机3，金刚石绳锯2在绳锯机3的飞轮带动下，以20m/s至40m/s的线速度回转，与此同时绳锯机3在轨道4上以1m/h至15m/h的速度移动，把整个切割体上、下、左、右四个绳锯穿绳孔6所在的立面切割出来，这个立面即为溶解裂缝。

(5)切割另一条溶解裂缝时，把金刚石绳锯2上的专用接头剪断，拉出整条金刚石绳锯2，在离开前一条切割好的锯缝一定水平间距0.2米、0.5米或1米的立面上，又钻出类似的绳锯穿绳孔6，重复上面的操作步骤，即可切割出另一条溶解裂缝。

如上述的反复切割，就可以按照设计要求在盐溶矿体内切割出许多溶解裂缝，通过在水平巷道1内灌入水对盐溶矿体进行溶解，然后把溶解液抽上来进行提炼，就可以实现通过金刚石绳锯开采水溶性盐溶矿体的目的。

6 展 望

矿产资源是人类社会赖以生存和发展的基础，矿业是我国国民经济发展的支柱性产业，确保矿产资源的稳定供给是国民经济可持续发展的基本条件。随着国民经济和国家建设的发展,矿产资源紧缺的“瓶颈”问题已经引起了国家的高度重视，各种富矿、贫矿都需要适度开采，同时环保问题、安全问题在开采生产中也显得非常重要。盐溶矿在我国储量大，分布很广，需求旺盛，传统的开采方式开采效率低，安全性低，对环境损害大，随着国家对矿山资源保护力度的加大，传统的爆破开采方式必将被限制直至取消，而金刚石绳锯开采盐溶矿的方式正符合当今矿山开采高效性、安全性以及环境友好型的特征，是可以完全取代传统爆破开采方式的一种新型开采方式，可以预见，不久的将来金刚石绳锯开采盐溶矿将在各种盐溶矿中得以应用。