特大型機制骨料系統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)設計及產(chǎn)品性能研究

李衛(wèi)超，唐文亮，劉志和

(1.中電建安徽長九新材料股份有限公司，安徽 池州 247100；2.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

水電行業(yè)建設了大量的機制骨料系統(tǒng)，形成了較為齊全的行業(yè)標準，整體較為規(guī)范[1-2]。但對于國內(nèi)建筑市場來說，機制骨料行業(yè)發(fā)展方式粗放，存在產(chǎn)品雜、生產(chǎn)工藝水平不高問題。隨著國家環(huán)保形勢日益趨嚴，天然砂資源市場供應量迅速減小，機制骨料替代傳統(tǒng)砂石已成為行業(yè)發(fā)展趨勢[3-4]。同時，為適應建筑材料綠色化、規(guī)?；?、集約化的要求，研究開發(fā)具備生態(tài)、綠色、環(huán)保特質(zhì)的機制骨料更是迫在眉睫[5]。

目前，國內(nèi)大型及特大型機制骨料系統(tǒng)已紛紛建成投產(chǎn)。長九(神山)灰?guī)r礦機制骨料系統(tǒng)作為國內(nèi)最大的綠色骨料綜合開發(fā)利用項目[6]，采用高標準、嚴要求的建設理念，設計了一套智能、綠色、環(huán)保的機制骨料系統(tǒng)，創(chuàng)新開發(fā)了級配更為齊全、性能更為優(yōu)良、適用領域更為廣泛的建筑骨料，引領了砂石骨料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1 系統(tǒng)概況

系統(tǒng)年產(chǎn)規(guī)模7 000萬t，在礦區(qū)附近建立機制骨料生產(chǎn)線，加工成品機制骨料，并通過長距離帶式輸送機輸送至碼頭，裝船后沿長江水路運輸。系統(tǒng)分兩期實施，其中物流廊道工程、陸域堆場以及110kV供用電工程一次建成投產(chǎn)。系統(tǒng)生產(chǎn)31.5～4.75mm的級配建筑骨料、＜4.75mm機制砂以及其他附屬產(chǎn)品(表1)。

2 生產(chǎn)技術(shù)設計

2.1 優(yōu)選礦山

原礦質(zhì)量的優(yōu)劣從源頭上決定了機制骨料的質(zhì)量。原礦不應具有潛在堿集料反應活性，宜使用質(zhì)地堅硬、表面潔凈、無軟弱夾層及風化程度較低的石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖等。選擇第四系覆蓋土薄、含泥夾層較少、原礦強度高以及巖石整體性好的礦山，利于大規(guī)模生產(chǎn)，骨料產(chǎn)品質(zhì)量也相對穩(wěn)定。

表1 主要產(chǎn)品

系統(tǒng)設計選用的神山灰?guī)r礦位于安徽省池州市貴池區(qū)牌樓鎮(zhèn)[7]，礦區(qū)面積約4.73km2，總儲量約19.08億t。礦體呈北東—南西向展布，呈中部寬、向兩端逐漸收窄的扁圓型。礦體礦石自然類型主要為泥晶灰?guī)r、碎屑灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r等，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，褶皺和斷層較發(fā)育。礦石硬度3(f系數(shù)一般8～12)，CaO含量平均52.73%，密度2.68 g/cm3，平均抗壓強度64.9MPa。

2.2 平面布置

綜合考慮礦產(chǎn)資源位置及物流通道，結(jié)合實際地形地貌，采用“一個扁擔挑兩個籮筐”的平面布置(圖1)，能夠使系統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)保、節(jié)能、高效。礦山在采場靠近北側(cè)山坡沿礦體走向由東向西布置4條Φ8m溜井，間距800m左右，底部設置粗破碎硐室，并通過膠帶機平硐與加工區(qū)相連。加工系統(tǒng)布置在神山與楊公嶺山脊之間的帶狀緩坡地帶，場地尺寸為2 000m(長)×205m(寬)。加工區(qū)分為兩個模塊，每個模塊生產(chǎn)規(guī)模為3 500萬t/年。

圖1 總平面布置圖

物流廊道由單線單條的長距離帶式輸送機組成，起點為礦石加工系統(tǒng)，終點為碼頭附近的混合料堆場，由弧線和直線結(jié)合布置。帶式輸送機帶寬2.4m，帶速5m/s，能力13 000t/h，全長約13km。物流廊道穿山、跨路、越湖后進入混合料堆場及篩洗系統(tǒng)?；旌狭隙褕黾昂Y洗系統(tǒng)布置在318國道與長江大堤之間，東臨馬料湖與長江間的行水通道。

碼頭陸域成品料堆場位于大堤內(nèi)側(cè)，共布置4個大型建筑骨料料堆，總堆容80萬m3。碼頭水域位于池州港牛頭山港區(qū)，設計建設12個5 000t級散貨出口泊位，其中一期工程7個泊位。

2.3 加工工藝

根據(jù)總平面布置、產(chǎn)品方案、安全環(huán)保要求等，創(chuàng)新性的采取先干后濕、干濕結(jié)合的生產(chǎn)方式[8-9]，兩段一閉路破碎篩分、成品砂整形的工藝流程，生產(chǎn)31.5～4.75mm的級配建筑骨料及＜4.75mm機制砂，成品率約98.5%。該工藝改變了傳統(tǒng)三段破碎工藝的固有模式，可獲得綠色環(huán)保、級配齊全、粒形規(guī)整、性能優(yōu)良等特性兼?zhèn)涞母咂焚|(zhì)骨料(圖2)。

2.3.1 兩段破碎+整形制砂

根據(jù)巖石特性，粗碎利用錘式破碎機破碎比大的特點，對原礦進行第一次破碎。中碎為圓錐破碎機，完成對骨料的第二次破碎和整形。粗碎及中碎產(chǎn)生的石屑集中通過帶式輸送機送至制砂樓調(diào)節(jié)料倉，石屑通過制砂樓整形、除粉后生成合格機制砂，進入成品砂堆場堆存，石屑在制砂過程中多余的石粉以及除塵設施收集的石粉通過輸灰系統(tǒng)送至粉罐儲存。粉罐下設有輸灰系統(tǒng)，將石粉送至粉料運輸車外運。

2.3.2 預篩分除泥

在粗碎前采用輥軸篩將≤80mm的原礦及泥土進行分離處理，在中碎前采用圓振動篩進行脫泥處理，除去原礦中泥土和石屑。篩分所得≥31.5mm石料采用帶式輸送機運至中碎車間調(diào)節(jié)料倉；31.5～4.75mm石料經(jīng)帶式輸送機運至混合料堆場；≤6.00mm的含泥石屑經(jīng)帶式輸送機運至石屑堆場。預篩分除泥工藝，可解決干法生產(chǎn)弊端。

圖2 系統(tǒng)加工工藝流程圖

2.3.3 級配調(diào)整

在中碎階段，≥31.5mm石料由帶式輸送機返回中碎車間繼續(xù)破碎，形成閉路循環(huán)；31.5～4.75mm石料經(jīng)帶式輸送機運至混合料堆場；≤4.75mm物料經(jīng)帶式輸送機運至制砂系統(tǒng)或成品砂堆場。經(jīng)調(diào)節(jié)料倉使部分骨料通過循環(huán)系統(tǒng)返回重新破碎成更小粒徑顆粒，根據(jù)需要調(diào)整不同粒徑骨料生產(chǎn)比例，解決級配“兩頭多中間少”的問題。

2.3.4 沖洗篩分

物料在礦山加工成型，粗骨料和細骨料分倉堆存、運輸。礦山粗骨料經(jīng)長距離帶式輸送機運送至混合料堆場短暫堆存后，再進行篩洗分級。篩洗系統(tǒng)處理能力10 000t/h，篩洗分級成4.75～16mm、16～26.5mm、26.5～31.5mm三種建筑骨料和≤4.75mm石屑，四種骨料均通過帶式輸送機運輸至碼頭成品堆場堆存。

2.4 設備選型

2.4.1 粗碎設備

粗碎車間布置受井下硐室條件限制，不宜超過兩臺粗碎設備，因此每臺設備處理能力需達到1 500t/h以上。通過對比旋回破碎機、反擊式破碎機和新型單段錘式破碎機，最終選用新型單段錘式破碎機。該型號新裝備具有全回轉(zhuǎn)大質(zhì)量錘頭、可調(diào)整破碎板、順向篦子、安全門等結(jié)構(gòu)特點，滿足入料粒度大、破碎比大、一次入磨的工藝要求。粗碎工藝配套設置了重型板式給料機和輥軸篩。

2.4.2 中細碎設備

通過研究粗碎后物料粒型和比例情況，可選設備有反擊式破碎機、圓錐式破碎機，最終選用圓錐式破碎機，采用粒間層壓原理設計特殊破碎腔，輔以相應轉(zhuǎn)速，革新傳統(tǒng)單顆粒破碎原理，達到對物料選擇性破碎的目的，可以提高產(chǎn)品細料和立方體比例，減少針片狀物料，具備較好的破碎和整形性能。

2.4.3 制砂設備

選用行業(yè)領先的樓站式制砂形式，設有制砂樓調(diào)節(jié)料倉、制砂樓、粉料罐、輸灰系統(tǒng)及其配套設施，具有環(huán)保、節(jié)約、集約的特點。集成的立軸沖擊式破碎機和高頻篩可以對≤7mm的石屑進行較好的整形。

2.4.4 長距離輸送設備

結(jié)合輸送線沿線地形、地質(zhì)條件，應用動態(tài)分析技術(shù)，帶式輸送機采用長距離、高帶速、多驅(qū)動的設計方案；選用低摩阻托輥，降低系統(tǒng)驅(qū)動功率，降低系統(tǒng)能耗，提升系統(tǒng)可靠性。

3 產(chǎn)品性能對比試驗

3.1 骨料性能

按相關(guān)試驗檢驗規(guī)程對系統(tǒng)生產(chǎn)產(chǎn)品取樣，對骨料的級配、MB值、石粉含量、堅固性等指標進行檢驗，其結(jié)果符合JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》Ⅰ級指標要求(表2、表3)。

表2 細骨料主要物理力學性能

表3 粗骨料主要物理力學性能

3.2 混凝土性能試驗配合比

骨料主要用于混凝土制備，因此分別選用江西贛江優(yōu)質(zhì)天然砂、系統(tǒng)生產(chǎn)的粗細骨料以一定配合比配制C50混凝土，對比研究其性能(表4)。

表4 C50混凝土性能試驗配合比

3.3 混凝土拌合物性能

混凝土拌合物性能試驗結(jié)果見表5。機制砂混凝土較天然砂混凝土的初、終凝時間短。

3.4 混凝土力學性能

混凝土力學性能試驗包括抗壓強度、抗折強度、劈拉強度、軸拉強度、抗拉彈模、抗壓彈模[10-11]，具體結(jié)果見表6。機制砂混凝土各齡期強度與天然砂混凝土力學性能基本接近。在機制砂混凝土體系中，灰?guī)r礦石粉中的石灰石顆粒有利于早期強度的發(fā)展；石粉在一定程度上改善了機制砂的堆積密度，起到了很好的填充作用，增加了漿體和界面過渡區(qū)的密實度，提高混凝土的強度。使用不同細骨料配制同強度等級混凝土時，靜力受壓彈性模量和抗拉彈性模量有一定差別，靜力受壓彈性模量要略高于抗拉彈性模量。

表5 C50混凝土拌合物性能結(jié)果

表6 C50混凝土力學性能結(jié)果

3.5 混凝土耐久性能

混凝土的28d抗?jié)B性能、28d抗凍性能、收縮等見表7。經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，混凝土的相對動彈模都略有下降，但都沒有低于90%，機制砂混凝土的抗凍性與天然砂混凝土相近?；炷恋目箖鲂灾饕Q于混凝土的含氣量、氣泡質(zhì)量以及孔隙的水飽和度，與采用機制砂還是天然砂不具相關(guān)性。同強度等級的混凝土，用天然砂配制的混凝土收縮最小，機制砂配制的混凝土收縮較大。

表7 C50混凝土耐久性能結(jié)果

4 環(huán)境保護

4.1 廢水處理

廢水處理系統(tǒng)的處理能力為2 500m3/h。篩洗車間生產(chǎn)廢水自流進入廢水處理系統(tǒng)的集水池，碼頭區(qū)的場地沖洗廢水泵送至集水池，再由集水池泵送進預處理車間[12-13](圖3)。通過預處理車間回收廢水中的細砂，細砂通過帶式輸送機送至石屑堆場堆存；經(jīng)預處理后的廢水均勻配送至輻流式沉淀池。廢水經(jīng)加藥沉淀后，上清水從輻流式沉淀池周邊出水槽自流進入清水池，再從清水池泵送至篩洗車間循環(huán)利用；底部的泥漿泵送至污泥池，再通過渣漿泵送入壓濾機脫水。脫水后的濾餅采用帶式輸送機運至濾餅堆存場，最后由自卸汽車定期外運。

圖3 廢水處理系統(tǒng)工藝流程圖

4.2 除塵

礦石在破碎、篩分、制砂、轉(zhuǎn)運、各個堆場等工序過程中產(chǎn)生不同程度的粉塵，粉塵主要為塵土和石料微細顆粒，無特殊污染物質(zhì)，粉塵排放基本為無組織排放。其中破碎、篩分和轉(zhuǎn)料等環(huán)節(jié)產(chǎn)塵量較大。通過配置袋式除塵器對破碎機卸料口進行負壓收塵，并采用全密閉導料槽進行嚴密封閉。配置抑塵機抑制物料破碎產(chǎn)生的粉塵，采用雙電子層納膜和物料在破碎腔內(nèi)混拌，通過不斷地包裹、吸附、團聚、沉降，全面抑制粉塵，并在一定時間段內(nèi)持續(xù)有效。配置雙流體云塵封噴射干霧，使移動小車卸料口處的粉塵在干霧中團聚沉降。系統(tǒng)主要產(chǎn)塵點及防治措施見表8。

4.3 固廢處理

大型建筑骨料礦山一般來說剝采比很小，但是由于資源儲量較大，因此剝離物(包括山皮料)的總量也相對較大。若將剝離物全部堆存至排土場，一方面占用土地資源，另一方面存在礦石資源的浪費。經(jīng)對山皮料成分指標分析，將山皮料作為水泥廠原料和道路路基回填料產(chǎn)品是一個較為妥善的處理途徑，既減少了固廢總量，又能創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

表8 系統(tǒng)主要產(chǎn)塵點及防治措施

骨料加工過程中若有濕法生產(chǎn)工序，勢必存在廢水處理系統(tǒng)及其產(chǎn)出物(濾餅)。按濾餅產(chǎn)量總占比約2%測算，即每年產(chǎn)量約140萬t，相當于一個中型礦山的產(chǎn)能。通過市場調(diào)研和充分研究，將濾餅與山皮料摻配外銷至水泥廠具備一定的可行性；因濾餅含鈣量較為可觀，需進一步探索深加工處理方式。

5 結(jié)論

(1)長九機制骨料系統(tǒng)是國內(nèi)規(guī)模最大的綠色高品質(zhì)建筑骨料生產(chǎn)基地，設計有儲量充足、產(chǎn)品齊全、區(qū)位優(yōu)良等特點。

(2)通過優(yōu)選礦山確保原礦質(zhì)量，合理規(guī)劃總平面布置節(jié)能降耗，創(chuàng)新除泥、破碎、篩分、級配調(diào)整、篩洗等加工工藝，優(yōu)化設備選型等，形成一套高品質(zhì)機制骨料生產(chǎn)設計技術(shù)，可以生產(chǎn)出高品質(zhì)機制骨料。

(3)長九機制骨料配制的混凝土在抗壓強度、抗折強度、劈拉強度與天然砂混凝土強度相當；靜力受壓彈性模量和抗拉彈模與天然砂混凝土沒有明顯差異；抗?jié)B性能、抗凍性能與天然砂混凝土基本相同，滿足高性能混凝土配制需求。

(4)針對廢水、粉塵和固廢等環(huán)境保護方面的要求，提出了合理的廢水處理工藝、粉塵防治措施和固廢處理方法，均具有良好的效果。