福州天石源超硬材料工具有限公司 陈礼干

经过近30年的发展，金刚石串珠锯开采技术在石材开采领域已经得到广泛的应用，并发展成为机械化开采大理石的主导设备，机械化开采花岗石的主要设备。本文将简述目前采用金刚石串珠锯开采石材的机械化开采系统，串珠锯的结构性能和串珠绳的应用实例。

机械化石材开采系统的选择与石材的种类，荒料市场价格，矿体特性，矿山外部条件，矿山的投资实力等因素有关。

大理石的硬度较低，容易切割，金刚石串珠锯锯切开采是机械化开采大理石的主要手段。目前有多种机械化开采大理石荒料的开采系统，每种开采系统基本都与金刚石串珠锯有关。例如：以金刚石串珠锯为主要开采设备的全锯切大理石开采系统，主要用于露天大理石矿山；金刚石串珠锯与臂式锯机组合开采大理石的开采系统，可用于露天和凹陷露天开采大理石的矿山，配套专用臂式锯机后可用于山洞式大理石矿山开采；金刚石串珠锯与移动式矿山切石机（圆盘锯切石机）组合开采系统，可用于露天大理石矿山开采。

花岗石的特点是硬度大。劈裂法、控制爆破法和锯切法是开采花岗石的基本方法。与串珠锯有关的花岗石开采方法包括：金刚石串珠锯与台架式凿岩机组合，或与人工钻凿排孔的手持凿岩机组合，可用于露天开采花岗石的矿山；金刚石串珠锯全锯切开采系统，可用于露天花岗石矿山的开采；金刚石串珠锯也可以与圆盘锯切石机锯切组合，进行露天花岗石矿山的开采。高压水设备与金刚石串珠锯组合进行山洞式花岗石矿山的开采，只是一种理论上可行的想法，最终还需要进一步完善，才能成为现实。

我国石材工业经过十几年的快速发展，从资源开发到产品加工都取得了令人瞩目的成就。但石材开采业在资源节约、资源综合利用、保护环境等方面存在的问题还是非常明显的。主要表现在，开采工艺落后、机械化程度极低，开采荒料率低、荒料质量差、规格小，资源浪费严重，而且破坏环境，采矿安全问题都非常严重。这些问题与我国目前石材的开采技术水平有很大的关系。金刚石串珠锯开采系统是一种有效利用矿产资源，提高石材矿山开采荒料率，保证荒料开采质量的开采系统。金刚石串珠锯开采技术取代传统开采方法是一种必然的趋势。与传统的石材开采方法相比，金刚石串珠锯开采技术具有以下优势：

（1） 成本较低：切割大理石或花岗石时串珠绳的消耗成本在20～130元/㎡之间。而火焰切割成本随着柴油价格的不断提高，越来越高，目前已超过300元/㎡。

（2） 功能强、效率高：串珠锯开采切割深度能达到10～20m甚至更深，而火焰切割一般只在10m以内。切割速度快，切割花岗石能达到1.5～10㎡/h，切割大理石可达8～25㎡/h，而火焰切割花岗石仅为1㎡/h。

（3） 适应性广：串珠锯适用于所有类型石材矿山，不论其硬度高低或是劈裂性差否，在大理石、石灰岩、砂岩到花岗石矿山都适用。串珠锯能对矿体的垂直、水平、倾斜等各个方向上的面进行切割，还能对只有一个自由面的矿体进行盲切（背切）。而火焰切割仅适用于石英含量高、裂隙少的花岗岩矿山，控制爆破及排孔凿岩分离无法解决裂隙发育及劈裂性差的矿体开采。

（4） 荒料率高，综合成本低：串珠锯可以开采出大规格尺寸、形状规整的荒料，锯切面平整且不会使荒料产生任何内伤，锯缝很小，不会造成石材资源的浪费。

（5） 安全环保：串珠锯开采无噪音无粉尘，自动化程度高，分离式操控，工人劳强度低、安全性高。

总之，串珠锯开采系统在我国的推广有着显著的经济效益和社会效益，极具发展前景。

石材矿山开采使用的金刚石串珠锯系统，是指以金刚石串珠锯为主，配备各种与串珠锯有关的辅助设备，结合各种结构形式的单、多头台架式凿岩机、液压劈裂机、液压顶石机、气压和水压顶推袋等辅助机械设备，以及各种桅杆式起重机等吊装设备，经过不同的组合，所形成的各种与串珠锯有关的石材开采系统。

二十多年来，经过对旧式机型的不断改进和提高，石材开采用金刚石串珠锯的结构形式、技术性能基本稳定，形成了目前的这种先进的体系。

根据用途和开采石材种类的不同，可分成大理石开采串珠锯和花岗石开采串珠锯。

开采大理石和石灰华等软质石材用的金刚石串珠锯，主飞轮线速度是固定不变的，一般为30～40m/s左右。用于开采花岗石类硬质石材的金刚石串珠锯，主飞轮的线速度是可调节的，调节范围一般从0～35m/s之间。

根据金刚石串珠锯驱动方式的不同，可分成液压式金刚石串珠锯、电动式金刚石串珠锯及内燃机式金刚石串珠锯。

电动式是目前使用最为广泛的金刚石串珠锯的动力方式。液压式金刚石串珠锯是第一代金刚石串珠锯采用的动力方式，目前已经被淘汰。内燃机式金刚石串珠锯适用于缺少电力的矿山。其缺点是由于柴油发动机的振动，影响金刚石串珠绳的切割，同时对电子元器件的影响比较大。

该分类比较直观，主电机功率从7.5～22kw的串珠锯称为小型串珠锯，多用于小面积矿体切割、分离体解体切割和荒料整形；主电机从22～37kw的串珠锯称为中型串珠锯，是矿体切割的主要设备；主电机功率大于37kw的串珠锯多用于大面积矿体和花岗石矿体的开采切割。电动式串珠锯主电机的功率一般为7.5～55kw。

用于石材开采的金刚石串珠锯一般由动力机构、行走机构、控制系统和辅助装置组成。动力机构用于驱动主飞轮旋转，带动串珠绳高速运动；行走机构驱动锯机在导轨上运动，实现金刚石串珠锯的切割进给运动，保持金刚石串珠绳在锯切过程中的张紧力；控制系统负责提供主电机的供电和控制，并监视、控制金刚石串珠绳的切割、调整行走机构驱动锯机的运动速度；辅助装置包括导轨，固定在锯机上的导向轮，独立的辅助导向轮，防护装置等组成。

电机驱动是目前金刚石串珠锯的使用最多的动力机构形式，它由电机直接驱动主飞轮旋转，带动金刚石串珠绳运动。电动机的转速恒定的串珠锯用于大理石开采，功率从7.5～37KW不等。主电机配备变频器的串珠锯，其转速可调节，用于花岗石的开采，功率从37～55KW。主电动机功率越大，可带动的金刚石串珠绳越长，开采切割石材的面积也越大。目前，使用TSY-37型串珠锯进行比较大的实际切割面积有九龙壁的110㎡，蝴蝶绿的450㎡。

金刚石串珠锯主电机的固定支承方式通常有门架式和悬臂式两种。

门架式固定式结构具有结构简单、刚性好、稳定性高，主机重量轻，成本低等特点。其缺点是动力头部分只能旋转而无法水平位移，在不移动锯机的情况下进行平行面的切割间距是固定的有限的。另外在进行平行面切割时，旋转动力机构需要将设备移动到专用的导轨上进行。而且较轻的重量也不利于切割的稳定。

悬臂式结构是目前使用最为广泛的金刚石串珠锯的结构。悬臂式结构的优点是传动结构简单，可方便的配置主飞轮的平移及旋转机构。其不足是悬臂上布置的主电动机重量大，在切割过程中容易产生抖动。抖动严重时将极大影响到切割的稳定性，对锯机造成危害。TSY系列串珠锯成功解决了悬臂式结构的抖动问题，即便在不锁定固定螺钉的情况下也能保证其工作在最佳稳定状态。

金刚石串珠锯的行走机构的作用是驱动锯机行走从而实现串珠锯切割以及快速回程。

机械传动式行走机构是目前金刚石串珠锯上普遍使用的行走机构，TSY系列的行走机构由电动机、减速器、传动装置、导轨及控制系统组成。其变速设计可以满足切割过程中经常遇到的从高到低及低到高迅速变化的转速输出要求。该机构采取“闭环”控制模式，控制电脑和变频器直接对话，掌握金刚石串珠绳切割功率的变化，及时改变锯机的运动速度，达到保持金刚石串珠绳切割过程中张紧力的基本稳定，实现锯机的自动控制工作。

控制系统的核心是如何实现对不同切割状况下的合理的自动的控制。通常，不同的石种有不同的最佳切割线速度及最佳的切割功率要求，TSY系列串珠锯的控制系统，可根据不同的参数和锯切要求，设定锯机的自动控制切割。

目前的金刚石串珠锯普遍采用的是变频器加继电器和普通仪表的控制模式，并且有相当多的串珠锯采用的是中下性能的变频器。这种配置只能采用开环的控制方式，无法满足系统的自动控制，无法在切割过程中对各种复杂的工况进行自动调节。而且还存在如下缺陷：

a)所采集是不完全的模拟量信号，容易给操作者提供错误的判断；

b)抗干扰能力差，工作不稳定，故障率高，变频器的性能无法充分发挥；

c)环境适应能力差，在源电压不稳定、高寒、高热地带无法稳定工作；

d)管理和记录较复杂等。

但这种控制模式的配置成本较低。

TSY系列金刚石串珠锯在充分研究各种切割状况、切割工艺的基础上，在控制方面进行了很多独特的设计，并且采用高质量的变频器及PLC来保障设计功能的实现。设计的核心是实现在切割过程中自动地、合理地、及时地调节串珠锯的切割工艺参数。这也是目前国内外最先进的串珠锯较采用的控制模式。其特点是：

a)控制方式采用闭环控制，可以实现如下功能：

①、迅速的、高精度的数字信号采集和反馈，为锯机的各种控制提供了基础

②、控制电脑和变频器直接对话，在电脑程序和变频器程序的双重控制下，主电机自动避开串珠绳与串珠锯的共振点，使串珠绳不会与机器产生共振

③、在电脑程序和变频器程序的双重控制下，即时掌握金刚石串珠绳切割功率的变化，并据此自动地、及时地调整锯机的运动速度，保持金刚石串珠绳切割过程中张紧力的基本稳定，保证合理的锯切工艺参数。

④、实现了切割工艺的自动控制，在需要的时候可实现临时无人看守；

⑤、自我保护功能：多种信号的反馈和处理能力，给串珠锯机提供了足够的保护措施，避免工人的误操作对设备的损害；

此外还具有如下功能：

b)操作界面直观简单，操作程序简易，工人很容易掌握

d)科学的数据记录能帮助管理人员随时掌握员工的工作时间以及串珠锯的使用情况；

e)高性能的变频器具有优越的节能性能，优质的电器材料具有很强的环境适应能力；

除了上面介绍的主要机构外，金刚石串珠锯还有一些辅助机构和辅助装置。

正确合理地使用导向轮，是保障串珠锯顺利切割的极其重要环节之一，在此不做详述。

在金刚石串珠锯上一般安装1～2个导向轮，用于控制金刚石串珠绳在主飞轮上的包角，保证主电动机功率的有效传递。

垂直导向轮是独立于金刚石串珠锯的一个组件，有立杆和单轮式等结构。用来控制串珠绳的切割包络线，防止金刚石串珠绳在直角转弯处的急剧磨损。

水平导向轮主要用于金刚石串珠锯进行水平面切割时，控制金刚石串珠绳包角，也控制金刚石串珠绳外露部分的运动轨迹范围。

当工作场地位置有限时，必须通过换向导向轮来改变金刚石串珠绳的运动方向，实现对切割面的锯切。

专门用于山洞型大理石矿山开采，配合串珠锯对石料封闭结合背面进行切割时使用。

在安装金刚石串珠锯时，必须将金刚石串珠绳与主飞轮组成的切割面调整到与矿体实际被切割面重合的位置。这就要求串珠锯上的主飞轮必须具备回转及平移的功能。该功能还可实现在不改变串珠锯安装位置的情况下，进行一定间距的两个平行垂直面的切割。

有手动控制和电动控制两种方式来实现主飞轮的回转及平移。目前多数串珠锯采用手动方式，这在实际操作中很不方便。TSY系列串珠锯采用的是电动控制方式，并设有电机保护装置，另外还配有移动式控制按纽。操作方便，省时省力，而且定位准确可靠，非常适合矿山工作。

a)安全防护：金刚石串珠锯主飞轮后部都安装一个可拆卸的挡板，以防止串珠绳被扯断时飞出伤及操作者。一些国外的机型还配置了更长的柔性保护带，将切割过程中裸露在外的金刚石串珠绳全部罩起来，这种方式更加安全。此外在施工现场还应放置一些防护板，防护罩等。

b)电器元件防护：电器元件的防护很重要，国外先进设备在这方面做得比较完善，而国内串珠锯却忽略了这些。矿山环境恶劣，多粉尘，多水雾，极易损坏电器元件。TSY系列串珠锯为此专门做了电器及元件的隔离、防尘、防水的设计。

c)润滑保养：TSY系列串珠锯为润滑部位设计了专门的润滑通道及加油装置，操作简单可靠。

目前，一些国产高品质串珠绳的技术性能已经接近甚至超过国外同类产品的水平。由于该产品的开发只有2～3年的时间，技术数据的累积很不丰富，产品的种类及使用针对性上还存在欠缺，就国内总体水平而言，这些方面与国外产品的先进水平还存在差距。而且国内串珠绳的品质参差不齐，能生产高质量串珠绳产品的厂家也很少。

串珠绳在使用过程中，必须严格遵循其使用规范和要求，否则会直接影响到串珠绳的切割效果和成本。表1～4列举了大理石开采用MQS、MQP和MQR系列串珠绳，GQP和GQR系列花岗石开采用串珠绳，SQP和SQR系列砂岩开采用串珠绳的技术性能参数，以及所达到的实际使用的效果。

（一）大理石开采用金刚石串珠绳

表1 MQS、MQP和MQR系列大理石开采用串珠绳技术性能参数

串珠绳规格 (mm)	固定方式	每m串珠数量	切割对象	切割效率 (㎡/h)	切割寿命 (㎡/m)	线速度(m/s)	串珠类型
Φ11	弹簧 塑料 橡胶	28/30/32 32	CLASS A: 粗结晶软大理石类 石灰华类	10～20	30～55	35～40	烧结珠
	弹簧 塑料 橡胶	28/30/32 32	CLASS B: 中硬细结晶类	8～16	15～35	33～38	烧结珠
	弹簧 塑料 橡胶	28/30/32 32	CLASS C-D 硬大理石	5～8	10～25	30～35	烧结珠
Φ10.5	弹簧 塑料 橡胶	28/30/32 32	CLASS A: 粗结晶软大理石类 石灰华类	10～20	25～45	35～40	烧结珠
	弹簧 塑料 橡胶	28/30/32 32	CLASS B: 中硬细结晶类	8～16	15～35	33～38	烧结珠
	弹簧 塑料 橡胶	28/30/32 32	CLASS C, D: 硬大理石	5～8	10～25	30～35	烧结珠
Φ11 Φ10.5	弹簧 橡胶	28/30/32 32	A-～D	12～25	10～30	30～35	电镀珠

根据切割面的大小不同，冷却水的消耗量一般控制在20～50L/min之内。

本表技术参数由福州天石源超硬材料工具有限公司提供

（二） 花岗石开采用金刚石串珠绳

表2 GQP和GQR系列花岗石开采用串珠绳技术性能参数

本表技术参数由福州天石源超硬材料工具有限公司提供

花岗石开采用橡胶串珠绳的主要特点是：橡胶与钢丝绳有更好的结合力，黏结得更牢，在恶劣工作条件下具有更强的抗冲击性能；橡胶的温度特性好，可在低温下使用，在瞬时冷却水供应不足时，不会损坏串珠绳；柔性好，减少串珠在使用中出现的偏磨，在较小的曲率半径条件下，仍能进行很好的切割。

（三） 其他类型石材矿山开采用串珠绳

表3 SQP和SQR系列串珠绳在其他类型石材矿山开采时的技术性能参数

本表技术参数由福州天石源超硬材料工具有限公司提供

四、与金刚石串珠锯配套的辅助开采设备

石材开采时，与串珠锯配套使用的设备有钻贯通孔的钻孔设备，分离体位移和顶翻设备和辅助工具。

国外的石材开采用金刚石串珠锯已经历了将近30年的发展历程，并形成了完整的、系列化的专用配套钻孔设备。而国内该项技术在石材矿山的真正使用，只是近两年来的事情，与之配套的辅助设备开发也处于起步阶段。而且这些配套设备的专业化程度、使用方法还不够完善。在实际操作中更多的是借用其他通用的石材开采钻孔设备，再加上方法手段的缺乏，导致贯通孔钻凿时出现交汇难度大的问题，严重影响到串珠锯开采技术的推广。

在石材矿山能够与串珠锯配套的通用钻孔设备是，手持式气动凿岩机，通常用于8m以内贯通孔的钻进，孔径40～50 mm，如Y26手持式凿岩机和YT23型气腿式凿岩机；一些单头台架式凿岩机也可用于贯通孔的钻凿。

与串珠锯配套的专用贯通孔凿岩设备是，大孔径凿岩机（潜孔锤钻机），用于10～35m深度贯通孔的钻凿，孔径80～100mm。大孔径凿岩机通常采用全气动及气动液压结合动力方式，全气动大孔径凿岩机结构简单，维修方便，但耗气量大（10～12M³/min），提升力一般在300～700kg；气动液压结合动力钻机的钻进效率高，耗气量小（5～7M³/min），提升力可达1.5T，但需要配备液压站。

TSY～ZK型大直径贯通孔钻凿设备是针对石材矿山开采时，与金刚石串珠锯开采系统配套使用的专用大孔径交汇孔钻凿设备，有全气动和气动液压结合等动力方式，其特点是：

1、 具有通用和互换性，气动和液动凿岩机的钻架由前架，后架，机柱，机坐组成，可与凿岩机组合成台架式凿岩机，也可与大孔径凿岩机组合成为专用贯通孔凿岩机。组装操作简单，只需将组合后的钻机安装在机坐上便可完成不同机型的互换。

2、 可用于水平孔、垂直孔及倾斜交汇孔的钻进，角度的调整及锁定简单可靠。

3、 钻架配有专用固定楔，钻机固定操作方便可靠，牢固稳定。

4、 机架固定后，仍能进行钻进方位及角度的调节。

5、 为保障深孔的对孔准确，在钻具上设置了随钻导正器。

6、 变速结构设计合理，而目前国内仿造的钻机中，许多都违背了基本的传动原则，为设备的使用留下隐患。

（二）顶推设备

顶推设备包括液压顶石机及气压顶推袋，TSY～QD型系列气压顶推袋及TSY～DS型液压顶石机，是与金刚石串珠锯配套的专用石料顶翻和位移装置。

金刚石串珠绳的切割缝宽度只有12mm，当石料全部从矿体上分离锯切后，将矿体上重量达几百吨的石料移动或翻倒是非常困难。气压顶推袋的工作原理是利用压缩空气，对插入只有12mm切割缝中的袋体充气，使其膨胀并产生几十吨的推力，膨胀距离40～60cm，在液压顶石机或其他设备的协助下，利用杠杆原理推动石料位移或将其翻倒。气压顶推袋可反复使用，轻便的袋体和控制系统以及简便的操作方法，非常适合石材矿山的使用和推广。

液压顶石机具有更大的推力，可与气袋配合使用。单用时一般先在母体矿体上钻凿一个25×25×50cm的石槽放置液压顶石机，位移不够时可使用加长杆。

1、 TSY～DS液压顶石机：

采用电动高压双联泵，小流量高压给进，大流量快速回程。工作高压63MPa，单缸推力160T，工作行程300mm。

2、TSY～QD气压顶推袋

用于串珠锯的辅助设备和工具有，弹簧绳用扣压机、接绳及切绳工具、对瞄装置等

1、 扣压机：用于大理石矿山开采用弹簧串珠绳制作时的扣压定位设备，工作压力8T。

2、 接绳及切绳工具：矿山接绳通常使用的是手动液压钳，工作压力大于16～20T。需要注意的是压模与钢接头的合理配置，过松容易脱绳，过紧则会压伤钢绳造成断绳。切绳一般用专用月牙钳口剪线钳。

3、 对瞄装置：贯通孔钻凿时，钻机的方位确定至关重要。通常采用的是铅锤拉线的方法，该方法简便实用，但在高台阶作业时铅垂拉线操作比较困难，尤其是多风的地区，无法固定铅锤线。在这种较特殊的开采现场，可以采用成熟的红外对瞄的技术方法来解决。我公司对瞄装置的开发工作正在进行，除了略微增加设备投资外，这是一种非常方便实用的装置，可大大提高贯通孔的交汇成功率。

总之，金刚石串珠锯开采石材需要软硬件相结合，除了需要配备合适的、高性能的串珠锯机、串珠绳及辅助设备等硬件外，串珠锯开采工艺方法和操作技能等软件技术掌握至关重要，是决定该技术能否顺利实施的关键因素。所以全面的技术培训是十分必要的，必须根据矿体和石材的类型和特点，正确选择合适的硬件和软件，进行严格的技术培训，只有这样才能真正用好这种先进的石材开采方法，使其的优势得到充分的发挥。