Блочный камень является одним из наиболее экологичных материалов, используемых в строительстве, облицовке, мощении улиц и других областях применения. Блочный камень был известен еще во времена статуй моаи на острове Пасхи. Сейчас его популярность снова растет, и, при наличии надлежащего оборудования карьерные разработки становятся доступнее, чем прежде.
За последние 20 лет мировое производство блочного камня значительно выросло, особенно для строительных проектов, в которых архитекторы все чаще используют широкий спектр цветов, текстур и поверхностей, которые может предложить натуральный камень. По мере роста использования камня выросли в возможности резки и обработки камня. Это привело к значительному увеличению разновидностей и цветов поставляемого на рынок материала.
Блочный камень применяется не только в строительстве. Он необходим в монументальном искусстве, в качестве материала для скульптур, памятников и надгробий. На сегодняшний день на долю семи стран — Китая, Индии, Турции, Ирана, Италии, Бразилии и Испании — приходится около двух третей мировой добычи блочного камня. В целом блочный камень сейчас стремятся использовать во всех случаях, когда это экономически целесообразно. По существу, это возврат к традиционным методам.
Растущий спрос открывает возможность развивать и расширять производство блочного камня во всем мире. Хотя перспективы выглядят благоприятно, развитие производства блочного камня часто зависит от местных особенностей: местоположения, качества и пригодности месторождений камня, а также доступности финансирования для разработки или расширения карьеров соответствующего размера. Кроме того, существуют логистические проблемы: наличие транспортной инфраструктуры для связи производителей камня с клиентами.
Блочный камень — это природный камень, которому придали определенные размеры и форму для использования в строительстве и сооружении скульптур, монументов и памятников. По существу, этот термин относится к любому камню, который добывается большими блоками с последующей обработкой для получения слэбов, блоков, плиток или плит. На практике небольшое различие между классическим блочным камнем, который в основном используется для украшения, и натуральными строительными материалами определенного размера, где физические характеристики горных пород используются для производства строительного камня правильной формы..
История производства и использования блочного камня началась давно. Например, мезолитические и неолитические памятники в Европе, на Ближнем Востоке и в других местах, очевидно, были созданы с использованием камней, которым была придана специальная форма. Блочный камень очень умело использовали в классической греческой и римской архитектуре. Например, римляне открыли единственное в мире месторождение красного порфира и использовали его в сооружении декоративных колонн для храма Юпитера. Для этого камень добывали цельными кусками размера колонн в карьере в восточном Египте, а затем перевозили по суше и по морю в Рим. Строительные блоки пирамиды Хеопса также привозили с больших расстояний, после чего их обтесывали до точных размеров. На всех континентах можно найти примеры высококачественной каменной кладки.
К наиболее часто используемым коммерческим камням относятся мрамор, гранит, сланец и песчаник. Все они встречаются в природе с разным внешним видом и физическими свойствами. Этот ни в коей мере не исчерпывающий перечень. Также широко применяются такие породы, как известняк, базальт, габбро, травертин и туф. Туф — порода вулканического происхождения, очень мягкая, но легко подается обработке. Он широко использовался в качестве строительного и обшивочного материала — от зданий в Армении до гигантских статуй моаи на острове Пасхи. Основными качествами блочного камня, определяющего его популярность и применение, являются цвет, узор и текстура, прочность и доступность источников. Разные рынки требуют разных характеристик качества.
Блочный камень добывается путем резки или иного способа отделения от природных массивов пород. Размер отдельного блока зависит от ряда факторов, включая однородность породы, способность оператора карьера справляться с природным камнем и требуемое конечное назначение камня после обработки. Типичный размер блока составляет порядка 6 м3, что соответствует массе 10–18 т, в зависимости от плотности. Методы работы в карьере существенно отличаются.
Физические характеристики массивов пород (насколько она однородна, и существуют ли определенные линии наименьшего сопротивления, однонаправленные трещины или расслоение), размер месторождения и рынка сбыта, а также финансовые ресурсы оператора — все это играет определенную роль в выборе схемы и размера карьера. При крупномасштабной работе первый этап производства — отделение блоков, которые могут содержать тысячи кубических метров материала, от уступов карьера высотой 10 м и более.
Малый карьер может иметь очень ограниченный объем производства, производить необработанные блоки весом 5–10 т и иметь меньшую высоту уступа, соответствующую имеющимся производственным технологиям. Однако общая концепция одинакова: изготавливать необработанные блоки, которые затем можно перерабатывать в более ценный продукт. Необработанный блок сам по себе является ценным ресурсом и требует осторожного обращения — небольшие блоки неправильной формы продаются хуже, чем крупные. Поэтому с ценными блоками обращаются аккуратно.
Например, некоторые операторы используют «подушку» из грунта или песка для поддержки отделенных блоков камня. При работе с твердыми материалами — гранитом или другой интрузивной породой, блоки обычно отделяются от поверхности путем бурения ряда точно выровненных шпуров с последующим введением в них клиньев и регулировочных прокладок (иногда называемых заглушками и перьями). Последовательная забивка клиньев в шпуры приводит к растрескиванию скальной породы вдоль линии шпуров, что позволяет отделить блок. Мягкую породу, например мрамор, можно резать с помощью алмазных канатных пил, а блоки мягкого (но не кристаллического) известняка часто вырезают с помощью механических пил. Большие объемы материалов, подобных сланцу, можно отделить, осторожно используя низкоэнергетические взрывчатые вещества, например, черный порох, помещенные в предварительно просверленные шпуры вдоль уступа карьера.
Цель заключается в отделении необработанного камня без его фрагментации, что сделало бы его непригодным ни для производства кровельных листов, ни для возведения монументов. Для отделения блоков твердого материала из подошвы уступа можно также использовать небольшие количества взрывчатых веществ. Каменные блоки перемещаются из карьера на обрабатывающий завод с помощью больших фронтальных погрузчиков и грузовиков с платформами. Необработанные блоки можно хранить на карьере или сразу же увозить для обработки на производственном предприятии; такие предприятия часто строятся в карьере или располагаются поблизости для снижения транспортных расходов.
Необработанные блоки проходят ряд этапов обработки в зависимости от требуемого конечного продукта. Обычно обработка включает в себя резку блоков по размеру с использованием алмазного каната или циркулярных пил, за которой следует, при необходимости, полировка или обточка.
Толщина плит зависит от конечного назначения. Облицовка зданий или камень для мостовых должны быть толще, чем, например, материал, предназначенный для использования в качестве пола для помещений или плитки для стен. Отдельные карьеры зачастую представляют собой небольшие предприятия, обслуживающие местные потребности. Кроме того, у предприятий по добыче блочного камня иногда имеется несколько карьеров с различными типами или цветами камня, которые работают нерегулярно, в зависимости от спроса на конкретный камень. Непригодный каменный мусор измельчается и продается в качестве строительного щебня.
Гибкость и точность бурения являются ключевыми факторами при выборе подходящего оборудования для добычи сырья для производства блочного камня. Потребность в гибкости обусловлена типичной практикой карьерных работ при добыче блочного камня. Отдельные блоки выбираются исходя из их пригодности для предполагаемого конечного использования и вероятности того, что блок не будет поврежден при отделении от поверхности. Поэтому буровое оборудование должно быть очень мобильным и маневренным, обеспечивая при этом необходимый уровень точности бурения: прямолинейность, точное позиционирование и параллельность скважин, чтобы создавать точные линии разлома для высококачественного производства блоков.
При бурении при добыче блочного камня диаметр скважин обычно составляет менее 45 мм, так как скважины нужны для того, чтобы создать линию разрыва в горной породе, а не для закладки взрывчатых веществ, как в обычных карьерах. Но скважины также должны быть расположены близко друг к другу, чтобы после начала процесса расклинивания между ними шли трещины. Кроме того, отклонение скважин должно быть сведено к минимуму, чтобы обеспечить максимально возможную точность разлома. В свою очередь, это накладывает ограничения на глубину скважины, которая может быть достигнута при бурении за один проход на малых диаметрах. При использовании наращиваемой буровой штанги вероятность отклонения тем больше, чем больше глубина скважины, если только не применяются точные системы управления.
В зависимости от назначения блоков можно использовать обычные буровые станки, такие как гидравлический станок FlexiROC T15 R компании Epiroc с одной стрелой. Он обеспечивает высокую маневренность позиционирования как самой машины, так и стрелы. К сожалению, его применение ограничено, поскольку он может бурить одновременно только одну скважину, и наклон стрелы и податчика необходимо точно устанавливать для каждой скважины в последовательности. Следующим шагом в решении этой проблемы является переход на специализированные буровые системы для добычи блочного камня компании Epiroc, такие как SpeedROC 1F. Эта машина тоже оснащена одной стрелой и полностью автономна. Она отличается от машины более общего назначения FlexiROC T15 R тем, что на ее стреле имеется направляющая рама, которая позволяет перемещать перфораторный буровой станок в боковом направлении.
Благодаря этому машина может пробурить серию скважин на участке длиной 3,5 м из одного положения на уступе, что сокращает время простоев и обеспечивает точность бурения до глубины 2,4 м за один проход, или до 9 м с использованием удлинительных штанг. Возможность бурить глубже, естественно, повышает производительность. SpeedROC 1F способен бурить до 400 погонных метров в день.
Для достижения еще большей производительности необходимо использовать несколько податчиков на буровом станке. Так устроены станки SpeedROC 2F и SpeedROC 3F компании Epiroc. Это более крупная машина, чем SpeedROC 1F. Она оснащается двумя или тремя отдельными гидравлическими податчиками перфоратора на направляющей раме шириной 4 м, что дает возможность бурить до 1000 погонных метров в день. Возможно бурение в один проход скважин глубиной до 4 м. Максимальная глубина скважины составляет 9 м. Выдвижная стрела позволяет бурить параллельные ряды скважин вдоль уступа из одного положения, при этом максимальная площадь обуривания без перемещения бурового станка составляет около 260 м2. Необходимая глубина скважины в любой конкретной области применения зависит от размера получаемого блока. В некоторых случаях бурение и раскалывание просто невозможны из-за того, что блок будет слишком большим, либо из-за того, что порода не выдержит сил, возникающих при раскалывании. В этом случае, если порода не слишком твердая или абразивная, решением может стать пиление с использованием алмазного каната.
Станки SpeedROC 1F, SpeedROC 2F, SpeedROC 2FA и SpeedROC 3F также можно использовать для выполнения вторичных работ на блоках, отделенных от уступа, путем бурения рядов скважин поперек блока или его резки. В каждом случае цель состоит в том, чтобы максимально увеличить выход продукции и свести к минимуму количество образующихся отходов. Для этого полезно использовать скважины малого диаметра и тонкие канаты.
