解析如何利用破碎机械对高强度玄武岩制砂

1. 1　砂石系统规划

官地水电站主体工程为168 m 高的 RCC重力坝与跨度为31. 1 m 的大型地下厂房， 工程混凝土与喷混凝土总量约472 万m 3，需成品砂石骨料约1100万t， 其中粗骨料约770万t，细骨料约330万t，成品骨料的最大粒径为80mm。工程设计了两个砂石系统，即竹子坝人工砂石系统与打罗人工砂石系统。前期建设的打罗人工砂石系统主要承担左右岸导流洞、右岸引水发电系统、消力池等部位混凝土砂石骨料的供应，共计约107万m3混凝土及喷混凝土的骨料生产，共需生产成品粗、细骨料约250万t；系统需满足月高峰强度约5万m3混凝土的粗、细骨料供应；该砂石加工系统成品料生产能力为350 t/h，其中人工砂生产能力为120 t/ h，毛料处理能力约420 t/h；料源主要为导流洞、地下厂房等地下洞室开挖的玄武岩洞渣。该系统由中国水电八局负责设计与施工，系统于2006年4月建成投产。

官地水电站主体工程设计结构图

1. 2　料源特性

在可行性研究阶段，曾研究过三个混凝土骨料方案：（1）全玄武岩骨料；（2）玄武岩粗骨料与灰岩细骨料相结合；（3）全灰岩骨料。但经深入勘察发现：在灰岩料场中存在占料场总厚度约10%的泥灰岩无用料夹层，并具有碱活性，且该夹层在大规模的开采时无法剔除， 故最终选择全玄武岩料场方案。

打罗人工砂石系统主要运用工程洞挖渣料约220万m3，考虑不良地质条件和开挖情 况，可用作混凝土骨料的洞渣约180 万m 3，回采率按64%考虑，即实际可用玄武岩洞渣约115万m3。前期临建工程混凝土回采用渣约10万m 3，剩余105万m3洞渣可由本系统加工生产后用于主体工程。作为骨料料源的弱风化～微新石渣，岩性主要为角砾集块熔岩、 长斑、杏仁状玄武岩，岩石致密坚硬，强度大，最大干抗压强度高达336MPa。最大湿抗压强度为305MPa。

人工砂石系统工程中洞渣料源物理力学成果表

　　官地水电站玄武岩强度比其它水电工程同类岩石的强度高， 属超坚硬岩类。因此，能否生产合格的人工骨料，尤其细骨料显得非常重要。打罗人工砂石系统工艺设计中人工制砂工艺的设计是整个砂石系统设计的关键。结合前期工程施工建设的需求， 同时为提前研究高强度碾压混凝土骨料的生产工艺，业主提前启动了打罗砂石系统建设。

2　砂石加工系统设计及设备选型

2. 1　工艺设计

打罗砂石系统工艺布置见图1。

　　打罗砂石系统工艺设计主要有以下特点：破碎工艺：采用粗碎、中碎、立轴破、棒磨机四段破碎设计工艺；经计算，大石、中石、米石、豆石、砂的加工处理量分别为42. 1 t/ h、 99. 5 t/ h、99. 5t/ h、11. 5 t/ h、167 t/ h。粗碎为开路设计，中碎与一筛形成闭路，细碎与二筛形成闭路，可循环生产、灵活调节各生产级配。在筛分工艺设计上， 采用第一筛分车间、 第二筛分车间、第三筛分车间的三级筛分布置， 使大石、中石、小石、豆石各骨料级配合理分配。打罗砂石系统由一破车间、半成品料仓、第一筛分车间、 中碎车间、 二筛调节料仓、第二筛分车间、细碎车间、制砂车间、第三筛分车间、成品料仓、成品供料系统、供排水系统、 供电系统及相应的辅助设施等组成。为了达到最大限度的减少石粉流失与水污染， 本工程除棒磨车间外，全部采用干式生产设计工艺。

2. 2　设备选型

系统主要设备参数见表2。

不同车间所使用的不同破碎机设备及参数

3         制砂工艺研究

　　根据玄武岩高强特性， 打罗砂石系统对制砂关键工艺进行了重点研究。

3. 1　制砂工艺

由于官地水电站工程玄武岩强度高（最高干抗压强度达336 M Pa）、功指数高、磨蚀性较大（指数Ai = 0. 32），所以系统的成砂率、成品砂石粉含量等指标难以达到设计要求。为此，借鉴玄武岩制砂的大朝山、溪洛渡、金安桥水电站砂石系统建设经验，在工艺流程计算中，立轴破按25%的成砂率进行计算（一般工程达30%以上），并制定了相应的筛分破碎流程、石粉回收装置。主要筛分车间设计采用了干式生产，对筛分车间进行适当的封闭，并设除尘设施，第二筛分车间的进料胶带机、出料胶带机及筛分料仓设置防雨棚，既能保证生产的顺利进行，又能保护好周围环境。在骨料进仓前对骨料进行冲洗，冲洗水进行石粉回收和水的回收再利用。制砂设备主要采用棒磨机和立轴破碎机两种联合制砂工艺， 既有效降低了制砂成本， 又能保证制砂的细度模数满足设计要求。

3. 2　成品砂石粉含量控制

对不同岩石制砂的试验表明：采用湿法生产，通过筛分冲洗及螺旋分级机分级后的石粉含量在6%～10%之间。为保证成品砂石料的石粉含量，系统专门设计了石粉回收车间，粗骨料成品冲洗及棒磨机制砂车间螺旋分级机废水中带走的石粉通过泥浆净化器 ZX2200脱水后，含水量为15%～17%，用胶带机送往砂仓。

3. 3　成品砂细度模数控制

本系统设计要求成品砂的细度模数为2. 4 ～2. 9， 根据立轴式破碎机试验破碎曲线（同类岩石），其产砂的细度模数约为 3. 0 左右，为此，打罗砂石系统采取如下工艺措施保证成品砂的细度模数：

（1） 用棒磨机生产细度模数偏小的砂进行调节整形。

（2） 通过调节筛分及脱水设备筛板， 控制通过物料的进料量、 粒度和用水量。

4成品砂生产性试验

本次生产性试验分为立轴破碎机试验和棒磨机制砂试验，其主要目的是：在各运行工况下，对各车间的处理能力及成品砂石料质量进行检验。试验采用导流洞玄武岩洞挖料约3 000 m 3。为了保证料源的纯度，试验前3天，系统回采料均使用玄武岩。为了减少试验误差， 各车间、各工况平行试验检测3 次，在胶带机上连续取样，并检查整个系统的联动性能良好。试验结果表明：（1）采用 B9100 立轴式冲击破碎机制砂时，玄武岩成砂率为22. 2%，较美卓厂家提供的硬岩成砂率有较大幅度减少；（2）采用棒磨机制砂时， 成品砂细度模数在 2. 44 ～2. 95之间，以中细砂为主，产砂量在19～35 t/ h 之间。我们还进行了成品砂质量检验。试验设备：一台 M BZ2136 棒磨机；一台 FG 2 1500 螺旋分级机； 一台泥浆净化器。棒磨机试验参数：1号棒磨机进棒量 22 t（额定进棒量32 t），进料粒度 < 20 mm 。在 C4 胶带机上取样，连续取样长度20 m，平行试验三次，测试棒磨机出料量及产品砂细度模数、石粉含量。

5　系统的运行情况与运行可靠性要求

5. 1　系统投产后的运行情况

打罗砂石系统于2006 年4月投产。系统投产后，相继取消了场内筹建期众多项目用灰岩料破碎的小砂石加工系统。由于官地水电站工程筹建期的施工项目较多， 对砂石料的需求极不平衡，截至2007年4月份都是对砂的需求量大（主要是因为前期项目中的边坡喷混凝土支护与浆砌石挡墙量大），其碎石的需求量较小，造成系统砂石生产不平衡，成品砂生产最大量占了系统生产的70%左右， 使制砂效率降低。系统设计正常工况下生产能力为 120 t/ h，两班制生产，日生产能力 为1680 t/ d，每月按25 d 生产，则月生产强度应为42 000 t/ m on；而工地需砂量在50000 t/ m on左右。故导致2007 年的 4 ～6 月间，工地成品砂的供需矛盾十分突出。

5. 2　系统制砂增容改造

由于玄武岩强度高、磨蚀性大，对设备的损伤较严重（C100固定鄂板：更换1 次/ 9 万 t；圆锥破衬套：更换1 次/ 11 万 t料；立轴破抛料头：更换1次/ 120 h；夹板：更换 1 次/ 92 h），且设计布置的粗、中、细碎都是单台机，故系统的可靠性与效率降低。鉴于成品砂需求大，经反复研究后，2007年 6 月增加了一台中碎HP500 与一台细碎B9100，并投入运行， 使系统的运行保证率大大提高 制砂量满足了工地要求。目前，砂石料的产量与质量稳定，满足了官地工程建设要求。

5. 3　人工砂的试验检测结果

系统自2006 年4月～2007年4月，共随机抽样35组，抽查结果：细度模数最大值为 3. 24，最小值为2. 41，平均值为2. 88，细度模数略偏高；石粉含量最大值为16. 8%， 最小值为9. 1%，平均值为13. 6%。石粉含量正常。对系统进行增容改造后的产砂状况进行了14 组抽样检查。抽查结果：细度模数最 大值为2. 95，最小值为2. 58，平均值为2. 82；石粉含量最大值16. 8%，最小值12. 1%，平均14. 3%。制砂总体质量比改造前有所改善， 但细度模数仍略偏高。

可以看出， 坚硬玄武岩制砂在系统设备改建后的质量更加稳定， 细度模数与石粉含量基本满足常态混凝土对砂的质量要求。

打罗人工砂石系统的顺利建成与投产，大大缓解了筹建期与前期施工项目中砂石料的供需矛盾，同时也为竹子坝人工砂石系统的（加工处理能力2200 t/ h）工艺流程布置、 设备选型、设备数量的配置、 制砂工艺设计等关键环节提供了设计依据与经验。特别需要指出的是，通过打罗砂石系统试验表明：B9100立轴破制砂机产砂率仅为22. 2%，这对于大坝砂石系统（竹子坝砂石系统）主要破碎设备选型及数量选择提供了可靠的依据。同时，石粉含量中粒径小于0. 08 mm的颗粒含量大于50%，可完全满足碾压混凝土的用砂要求。从而证明，采用冲击制砂为主的制砂设备可以满足今后官地大坝碾压混凝土用砂的品质要求。打罗砂石系统在经过一年多时间的运行与完善后，达到了预期的设计生产能力，并且满足了前期工程建设中成品砂石料需求比例不平衡的状况，生产的砂石骨料完全可以满足导流洞与引水发电系统工程的需要。