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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)理念，設(shè)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(lǐng)域更為廣泛的建筑骨料，引領(lǐng)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(shè)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(yīng)具有潛在堿集料反應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)計建設(shè)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(shè)施收集的石粉通過輸灰系統(tǒng)送至粉罐儲存。粉罐下設(shè)有輸灰系統(tǒng)，將石粉送至粉料運輸車外運。

2.3.2 預(yù)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(yù)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(shè)備選型

2.4.1 粗碎設(shè)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(shè)備，因此每臺設(shè)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(shè)置了重型板式給料機和輥軸篩。

2.4.2 中細碎設(shè)備

通過研究粗碎后物料粒型和比例情況，可選設(shè)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(shè)計特殊破碎腔，輔以相應(yīng)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(shè)備

選用行業(yè)領(lǐng)先的樓站式制砂形式，設(shè)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(shè)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(shè)備

結(jié)合輸送線沿線地形、地質(zhì)條件，應(yīng)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(shè)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(yù)處理車間[12-13](圖3)。通過預(yù)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(yù)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(shè)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(shè)備選型等，形成一套高品質(zhì)機制骨料生產(chǎn)設(shè)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。