BUILDING STONE MATERIAL

When choosing a particular type of stone as a building material, the most important features are its technical properties, appearance and price compared to competitive materials. Both experience in this type of rock and architectural trends are also influencing factors. Soft and easily produced stone such as marble, limestone and sandstone were the most important materials until the 1970s, after which the quarrying and working methods of igneous rocks which contain hard minerals became more efficient. Increased strength and weather resist- ance make hard rock a competitive floor material solution.

In the dimensional stone business, rock types are divided into two categories: soft and hard. The former consists of carbonaceous rocks, clastic sedimentary rocks and other rocks contain- ing soft minerals. The latter consists of igneous rocks and siliceous metamorphic rocks. A third group is slate, which has different production and usage methods. Table 7.1-1. shows the most important dimensional stone rock types and their petrographic composition.

FIGURE 7.1.-3. Use of building stone material.

FIGURE 7.1.-1. Block.

FIGURE 7.1.-2. Processing of blocks.

Table 7.1.-1. Classification of dimensional stone rock types

TYPES PETROGRAPHIC COMPOSITION CARBONACEOUS SILICEOUS

DEFINITION Genesis Sialic Femic MAGMATIC Intrusive Granite Peridotite

Syenite Diorite

Sill-rock Porphyry Gabbro

Effusive Trachyte Basalt METAMORFIC Orto Gneiss Serpentinite

Para Quartzite Marble

SEDIMENTARY Clastic Sandstone Ophicalcite

Pudding-stone

Chemical Alabaster

Travertine

Organogenic Ammonitic

Fire-Marble

Usage of a stone deposit primarily depends on its structure. With the exception of slate, the jointing density of the rock should be as low as possible. Perpendicular joints are also an advantage. The folding and orientation of various minerals give a special appearance to many multicolored stones. However, this often negatively affects the rock strength and waste ratio in quarrying. Stratification of sedimentary rocks influences its strength. Veins are usually considered flaws, as are color variations because a rockrsquo;s color should be even. Weathered stone is not usually used as dimensional stone.

The rockrsquo;s technical characteristics influence quarrying and production. Technical characteris- tics are mainly affected by the mineral mix and mineral grain texture. Hardness, color, tensile strength, thermal expansion coefficient, density, porosity and chemical stability are a rockrsquo;s most important technical features.

Stone color depends not only on the main minerals but also on accessory minerals that cause stains. Therefore, marble comes in various shades although it always contains pure white calcite.

A rockrsquo;s tensile strength, thermal expansion coefficient, density, porosity and weather resist- ance are studied in the laboratory in standard tests, which can vary from country to country. In Europe, the German DIN and Pan-European CEN standards are used.

METHODS OF ROCK EXTRACTION

General

The object of rock extraction and cutting at a quarry is to achieve the right size of stone block for the production process. The majority of building stones are cut into slabs by big frame saws. To ensure the efficient and economical production of frame sawing, blocks that are similar in size and have a right-angled prism-shape are required. Blocks of different sizes and shapes are possible to saw but more expensive.

Typical block sizes in production are: 260 cm x 130 cm x open

290 cm x 130 cm x ” 290 cm x 160 cm x ” 320 cm x 160 cm x ”

Block weight should not exceed 30 tons for transportation reasons. Measuring is made in net measurement, therefore irregular corners reduce the sales volume. Scratches and fissures from blasting reduce the sales price. A number, quality code and sawing directions are painted on the side of the block during measurement.

Extraction and Cutting of Hard Rock

GENERAL

The process of dimensional stone extraction is divided into the following segments: panel extraction, cutting the panel into blocks and finishing the block. In small quarries, it is pos- sible to quarry suitable-sized blocks directly from the open face. This is typical for black rock such as gabro. In larger production, however, this is not considered to be an economical method.

Panels may be several meters high, tens of meters long and usually several meters wide. The panel should move ahead 5-20 cm during the explosion. If the displacement is too great, the panel can break into irregular pieces. The panel is then cut into smaller pieces in its place. When the height of the panel is right, the boulders are tilted horizontally before the final cutting. During extraction, and the cutting and finishing phases, different methods are used to complement the drill and blast method: an open channel is made on one or more sides by using slot drilling, jet burning or a diamond-wire saw. Wedging and wire sawing are used in conjunction with blasting for cutting and finishing the boulders.

BLASTING

When the drilling amp; blasting method is used to extract building stone, it is based on the fol- lowing instructions:

FIGURE 7.2.-1. Charging.

..

can not be fixed by charging. Mechanized drill rig equipment is used in big sites to achieve par- allel and similar length holes.

Hole errors are caused not only from collarin

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7.立体石料开采

7.1建筑石料

当选择特定类型的石头作为建筑材料时，与具有竞争力的材料相比，最重要的特征是其工艺特性、外观和价格。同时这种岩石的使用经验和建筑趋势也是影响因素。直至二十世纪七十年代，大理石、石灰岩、砂岩等软石产品仍是最为重要的材料，后来，人们对于含有硬质矿物的火成岩的开采及加工方法变得更为高效。强度和耐候性的提升让硬岩成为具有竞争力的地面材料解决方案。

在立体石行业中，岩石分为软硬两个类型。前者由碳质岩，碎屑沉积岩等含有软矿物的岩石组成。后者由火成岩和硅质变质岩构成。第三个类别是石板，其具有不同的生产和使用方法。表7.1-1.显示了立体石材重要的类型及其岩石成分。

图7.1-1.石料块

图7.1-3.建筑石材的使用

图7.1-2.石料块加工

表7.1-1.立体石料类型分类

类型 岩石成分 碳质 硅质 定义 成因 硅铝质 铁镁质

岩浆型 侵入 花岗岩 橄榄岩 正长岩 闪长岩 岩床 斑岩 辉长岩 喷出 粗面岩 玄武岩

变质型 有无 片麻岩 蛇纹岩 产次 石英岩 大理石 沉积型 分解作用 砂岩 蛇纹大理岩 布丁岩 化学作用 雪花石膏 石灰华 有机作用 菊石式 火大理石

石材矿床的用途主要取决于其结构。除石板外，岩石的节理密度应尽可能低。 垂直节理对于岩石来说也是一个优点。各种矿物的堆叠和分布赋予了大量多彩的石头独特的外观。 然而，这通常对采石场的岩石强度和废弃率带来不利影响。 沉积岩的层理影响其强度。岩石的纹理通常被认为是缺陷，同时颜色变化也是，因为岩石的颜色应是均匀的。风化石通常不被用作立体石料。

岩石的工艺特性影响其开采和生产。工艺特性主要受到矿物质组合和矿物质结构的影响。硬度，颜色，拉伸强度，热膨胀系数，密度，孔隙率和化学稳定性都是岩石最重要的工艺特性。

石头的颜色不仅取决于主要的矿物质，而且还取决于造成色斑的附属矿物质。因此，大理石虽然总是含有纯白色方解石，但却呈现多种色彩。

岩石的拉伸强度，热膨胀系数，密度，孔隙度和耐候性通过标准试验在实验室中进行测定，各国依据可能有所不同。在欧洲，使用德国DIN和泛欧CEN标准。

7.2石料开采方法

7.2.1 普通石料

在采石场开采、切割的目的是为了给生产过程提供合适的石块尺寸。绝大多数建筑石块都被大框架锯切成板坯。为了确保框架锯切割的高效和生产的经济性，需要尺寸相似并且具有直角棱柱形的块。不同尺寸、形状的块可能需要去切割，但是更加昂贵。

生产中典型的石料块尺寸：

260 cm x 130 cm x自拟

290 cm x 130 cm x ”

290 cm x 160 cm x ”

320 cm x 160 cm x ”

石料块由于运输原因不得超过30吨。评定采用的是网格评定，因此不规则棱角会降低销量，爆破产生的划痕和裂缝会降低销售价格。在测量评定期间，会在块的侧面上绘制表示质量代码和锯切方向的数字。

7.2.2 硬岩的开采及切割

一般作业

立体石料开采过程分为以下几个部分：石料面板提取、面板切割成块，最终成块体。在小型采石场，可以直接从临空面上开采尺寸适合的石料块。对于黑色岩这是典型的方法，例如：辉长岩。然而，在较大的生产中，这被认为是不经济的方法。

石料面板可能是几米高，几十米长，一般几米宽。爆破过程中，面板应向前发生5-20厘米的位移。如果位移太大，面板会破裂成不规则的碎片。然后将面板在原地切割成小块。 当面板的高度正确时，大型石块在最后切割之前会水平倾斜。 在开采期间以及切割和精加工阶段，使用不同的方法来完善钻孔和爆破方法：通过使用槽钻、喷焰或金刚石锯在石料一侧或多个侧面上形成开放通道。楔形切除、绳锯切割与爆破结合使用一起用于切割、处理大型石块。

爆破作业

当采用钻孔结合爆破方法来开采建筑石料时，应根据以下步骤进行：

图7.2-1.装配炸药

图7.2-2.爆破

爆炸物的强度应该足够弱，以至于产生尽可能少的微裂纹。微裂纹取决于爆炸物填药的程度以及爆轰的强度。还应考虑爆炸物的相对强度。爆炸物还会影响微裂纹，这取决于岩石的脆性。

钻孔开凿时过于接近附近的钻孔，并在同时起爆的情况下，会导致爆破压缩波对炮孔线产生拉伸应力集中，这导致了裂纹的产生。

爆破会使石料面板向前移动5-20厘米。面板的开采方向和形状根据岩石的节理设计。节理也可用作垂直或水平临空面通道。岩石伸出位置必须是正确的，以便石料块可以很容易地被开采出来。

在这个过程中最重要的阶段是钻孔过程，因为如果钻孔偏差太大，它不能通过装药来修正。机械化钻孔设备用于大型场地，以达到平行钻孔和钻孔长度相近。炮孔的孔误差不仅来自于钻孔偏离，还会由于使用过多的填充料而造成。片理和节理也会影响孔偏差。钻杆是长达8米的型钢，最常用的钻头是锥形的十字形钻头，直径大约30mm。 这些钻头根据其中石英的含量进行磨削。垂直孔的间距为0.15-0.4m，水平孔为0.2- 0.5m。

在小型采石场，仍然使用手持式钻机。对于立体石料开采，小钻机是合适的。钻机可以设置在轨道上或牵引车上，对于立体石料钻孔有专用设备。利用风动钻架钻可以进行水平钻孔。实现这一目的更为常见的方法是使用为此特制的特殊钻机。这些钻机也可用于垂直钻孔。液压锤钻在气动锤中越来越受欢迎，是因为它们更为高效，噪音更小。

角度超过

图7.2-3.岩石的不同开采方法

作为过去最常用的黑火药现在已被线性炸药和导爆索所取代。导爆索可以用作范围同时引爆线，它确保了钻孔中的炸药同时引爆。引爆索也可用作爆炸物。根据石料块的大小和岩石类型，一般需要0.06-0.15 kg/m3的炸药。这意味着炮孔没有完全填充，例如：从底部填充一米，并从顶部填充一米。导爆索由电雷管、安全保险丝或普通雷管引爆。

图7.2-4.背面和底部钻孔

表7.2-1.各种炸药特点

爆炸物 密度 爆轰速度 装药密度 强 度 微节理单耗 Kg/l m/s kg/m

甘油炸药 1.5 6000 0.6 1 1.2 d=24 mm K—导管 0.95 1900 0.22 0.3 0.06

黑火药 0.95 500 0.45

导爆索 6500 0.02 1.25

根据装药程度计算（理论） 根据兰格福斯（Langefors）方法计算

石料面板开采后，根据颜色和节理选择立方体构件。可以用钻孔结合爆破的方法来进行切割。间距为15-30厘米。具体的装药量应接近0.05〜0.1kg / m3。 楔入也是可能的。当石料块达到其最终尺寸和形状时，它倾覆于砾石床上。 倾斜可由挖掘机或特殊液压起重机进行完成。垫用砾石床是为了防止块体破裂。 在进行切割和切割完成时，导爆索可用作爆炸物。

楔入作业

楔入的目的是沿着钻孔的表面分割巨大岩石石料。根据岩石类型，炮孔几乎不会完全穿过石块或开凿短孔。短孔是具有实用性的，例如：粉化小粒径或中粒径花岗岩。当沿天然节理的方向进行楔入时，楔入成功。楔子可以通过手动或液压楔入。最重要的一点是平稳而缓慢地增加压力，使得张力有足够时间到达孔线。

掏槽作业

在掏槽过程中，钻出搭接孔是为了形成明槽。它通常用64毫米钻头和114毫米的孔间距开始作业。然后在两个孔之间的岩石用64毫米或76毫米钻头扩孔，在相邻孔中使用导杆进行扩孔。钻取明槽代了射流燃烧法，因为它与普通钻孔一样环保，不会损坏岩石。它几乎适用于所有的类型的岩石。

图7.2-5.楔入作业

图7.2-6.掏槽作业

图7.2-7. 掏槽结果

射流燃烧

在爆破之前喷射燃烧用于在边线上开槽。这种方法类似于槽钻。岩石用燃烧着加压空气与燃料油混合物的气炬进行加热。喷嘴位于长臂的末端，操作者需沿着狭槽慢慢移动。岩石加热后，结晶水蒸发，风化成小颗粒的岩石随风而吹散。 在岩石中石英含量较高时效果最好。

喷气燃烧产生的噪音和灰尘会导致其他人员在附近开展工作，并且可能由于噪音传播到周边地区被禁止使用。喷射燃烧的另一个缺点是当岩石被加热时极易产生微裂纹。微裂纹可长达几十厘米。

金刚石线锯（大理石线锯）

可以通过使用金刚石线锯在硬岩中形成狭缝。这个方法在第7.2.3节进一步介绍。用于硬岩的金刚石线，称为花岗岩线，与用于锯切大理石的金刚石线的构造不同。

金刚石线锯类似于槽钻和喷射燃烧。

软岩开采与分割

对于沉积软岩和一些变质岩，如大理石和滑石，在史前时代用于原始手工工具的制作。通过锯切、楔入、锤击和钻孔制成的历史遗物证明了人们对运用岩石的悠久传统。现代方法是基于使用金刚石工具和硬质合金工具。在软岩开采过程中，除了其他方法之外还使用钻孔和爆破技术。

金刚石线锯

在20世纪60年代开发了一种新型的绳线，其将金刚石刀头安装在绳线上周作为磨具。从最初发明用于软岩开采的的金刚石线锯（大理石线锯）到后来开发了用于更坚硬的岩石的更加合适的线型。金刚石线切割是基于绳线穿过在锯切水平面拐角相交的两个钻孔。借助于铅垂线、经纬仪或激光导向装置进行钻孔。然后用绳子或钩头杆将线拉出孔。钻孔之后，锯机可以在安装于工作台的底部或顶部的轨道轨道上移动，使得支撑轮处于与钻孔相同的水平面上。在连接线端之后，通过沿着轨道向后移动锯机将线围绕支撑轮紧固。当绳线与岩石开始接触时，用水（1-3m3/h）冲洗去冷却绳线并除去切屑。锯切的方向应远离切口。金刚石线由大约5毫米直径的钢丝线和以金刚石作为磨料的钻头组成，直径约为10-11毫米，30-32个/米。绳线的耐久性不仅取决于岩石，还取决于绳线的挠度。因此，在锯切的开始和结束时，必须减少气流的流动。为了确保延长的绳线寿命，悬挂半径必须大，例如，经济的工作台高度为8-9米。

链锯

就像木头一样，人们从原始时代就看开始锯切岩石。例如，以前人们就用手从岩石中获取滑石。在二十世纪六十年代，基于煤矿开采中使用的锯械人们开发了一种更为实用的立体石料开采工具。拥有钢链的链锯要在轨道上使用。起初，人们使用硬质合金作为切割刀。随后，具有金刚石刀头的锯开始被使用。由链锯开凿的狭槽受到设备尺寸的限制，与金刚石线锯不同。链锯通常用开采块状石块和地下开采工作。链锯可以经济地用于硬度不超过2-3莫氏硬度的岩石上。

7.3开采规划

7.3.1 一般因素

局部因素，如地形，岩石结构和开挖位置，会对采石场的规划有影响。

- 生产地点根据全年、每月和每周生产情况确定；

- 废弃石料；

- 采石场应该计划不断生产和出售石料；

- 片面追求“最好的生产地”可能会导致生产中断；

- 即使在采石场初运营阶段，也应尽快

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