基于绿色矿山砂石料系统建设工艺及设备选择的研究

基于绿色矿山砂石料系统建设工艺及设备选择的研究

高喜财

中国水利水电第八工程局有限公司

湖南  长沙  410000

摘要：中国是建设砂石骨料生产大国，生产总量约占世界砂石总产量的一半。随着我国基建设施的进一步推进，砂石骨料的需求仍处于稳步增长阶段，砂石项目也日益增多，但随之造成十分严重的环境保护问题。为了改善这一问题，需加强砂石骨料绿色加工系统的建设和管理。由于建筑骨料绿色加工体系的建设与管理涉及多个方面，故而必须加强绿色加工系统在整个生产过程中的合理应用。本文从砂石系统建设工艺及设备着手，对绿色砂石骨料系统建设提出建议。

关键词：绿色矿山；砂石骨料；系统工艺；设备选型

1、工程概况

项目位于某省建筑用花岗岩、片麻岩矿区，采用矿产资源开发利用与生态复绿方案。矿区矿种为花岗岩和片麻岩，矿区范围内保有矿产资源30474万吨，设计利用资源储量27243.50万吨，设计回采率为89.40%，其中可采储量为26784万吨，选用露天台阶的开采方式。矿山片麻岩、花岗岩原矿经破碎筛分后，得到可作为普通建筑材料的碎石骨料产品，产品分为16～25mm、10～16mm、5～10mm、0～4.75mm四种规格。项目采用矿山开采、系统处理、长胶运输、码头转运的一体化生产方式，其矿山生产规模为2000万t/a；骨料加工系统设计处理能力为4000t/h、2000万t/a ；长胶廊道运输能力11000t/h。项目矿山及加工系统建设内容主要包含：矿山基建剥离、排土场、骨料加工系统土建施工及设备安装、交通道路施工、矿区给排水系统、矿区供配电系统及公用辅助生产生活设施建设等。骨料加工系统根据本工程项目的总体规划，拟建设于矿区西南侧。

2.1、骨料加工

2.1.1原矿性质

矿石自然类型可划分为片麻岩、花岗岩。本矿产矿石工业类型为普通建筑骨料。根据《建设用卵石、碎石》（GB/T14685-2011）要求，本矿床矿石坚固性、硫化物及硫酸盐、岩相碱活性、吸水率、含泥量、泥块量、针片状颗粒含量等都达到国家Ⅰ类指标，压碎值达到国家Ⅱ类指标。

2.1.2加工方案

骨料加工系统主要由粗碎车间、半成品堆场、中细碎车间、成品筛分车间、棒磨制砂车间、棒磨调节料仓、成品堆场以及带式输送机、供水设施、废水处理设施、供配电设施和相关辅助生产设施等组成。

骨料加工系统采用全封闭湿法生产的方式，在成品筛分车间加水进行湿法筛分，以保证建筑碎石的洁净优质。为有效控制成品机制砂中的石粉含量，并达到I类技术标准，选择在成品筛分车间及棒磨车间内设置洗砂细砂回收装置。为满足相关环保要求，打造绿色矿区生产系统，加工系统所有主要车间及设施采取全封闭措施。

骨料加工系统采用三段一闭路破碎筛分、棒磨整形制砂的工艺流程。粗碎车间及中碎车间开路生产；细碎车间与成品筛分车间形成闭路，生产全部的5～25mm建筑碎石和≤4.75mm的石屑，其中成品筛分车间生产的3～4.75mm及部分5～10mm碎石进入棒磨车间整形制砂。

2.1.3加工试验

矿山及水电工程中利用花岗岩、片麻岩加工混凝土骨料工程案例较多，已有成熟可靠的生产经验，通过借鉴这类工程案例的经验，分析认为利用矿区花岗岩、片麻岩加工建筑骨料是合理、可行的。

本工程计划在工程开始实施前，针对矿石的性能开展加工破碎等相关试验，在获得相关试验数据的基础上，对加工工艺进行进一步优化。运行期在生产现场设置符合国家检测标准的建筑骨料品质检测和试验室，并配备有经验的检测和试验人员，对于少量特殊的试验项目，则委托当地有资质的机构进行试验。

2.2产品方案

产品粒度级配：骨料加工系统生产16～25mm、10～16mm及5～10mm多级配建筑碎石以及<4.75mm机制砂建筑骨料，也可根据需要适时调整建筑骨料粒度级配。

生产的碎石和机制砂要求有较好的粒形，满足《建设用卵石、碎石》(GB/T14685-2011)和《建设用砂》(GB/T14684-2011)等质量标准要求。

各种产品比例见表1。骨料加工系统年处理能力2000万t，考虑1.5%的加工与运输损耗，16～25mm、10～16mm、5～10mm及≤4.75mm四种粒度建筑骨料年产量分别为560万t、410万t、410万t、490万t，附属产品石粉年生产量为100万t。

表1 各种产品分布比例

2.3工艺流程及指标

骨料加工系统采取湿法生产模式，建筑骨料生产成品率约98.5%。在成品筛分车间加水进行湿法筛分，湿法筛分后可以确保建筑碎石洁净优质；在成品筛分车间及棒磨车间内设置洗砂细砂回收装置，可有效控制成品机制砂中的石粉含量，机制砂石粉含量达到I类技术标准。系统所有主要车间、设施采取全封闭措施，以满足相关环保要求。

骨料加工系统采用三段一闭路破碎筛分、棒磨整形制砂的工艺流程。粗碎车间及中碎车间开路生产；细碎车间与成品筛分车间构成闭路生产全部的

5～25mm建筑碎石和≤4.75mm的石屑；成品筛分车间生产的3～5mm及部分5～10mm骨料进入棒磨车间整形制砂。

骨料加工系统主要由粗碎车间、半成品堆场、中细碎车间、成品筛分车间、棒磨制砂车间、成品堆场以及带式输送机、供水设施、废水处理设施、供配电设施和相关辅助生产设施等组成。

粗碎车间：设计处理能力4000t/h，配置GZG180-200型电机振动给料机6台，处理能力≥1500t/h的旋回破碎机3台，排料口开度设为150mm。采场开采的毛料经自卸汽车运输至粗碎车间受料仓，经旋回破碎机破碎后由带式输送机运至半成品堆场堆存。

半成品堆场：配置GZG110-150型电机振动给料机48台。半成品料由给料机给料，经带式输送机运至中细碎车间。半成品堆场总容积约6.50万m3，可满足生产期约1.35d的需要量。

中细碎车间：中碎设计处理能力4000t/h，配置处理能力≥580t/h圆锥破8台，排矿口开度设为45mm；细碎设计处理能力3400t/h，配置TDB75B1200-8.14-00型细碎带式给料机8台，处理能力≥480t/h圆锥破8台，排矿口开度设为25mm。半成品料进入中碎圆锥破碎，中碎圆锥生产的骨料经带式输送机运至成品筛分车间筛分分级。成品筛分车间筛分后≥25mm的骨料进入细碎圆锥破破碎，细碎破碎后的骨料返回成品筛分车间筛分，细碎与成品筛分车间形成闭路。

成品筛分车间：设计处理能力7400t/h，采用湿法筛分的方式，配置2YKR3075型圆振动筛16台，3YKR3075型圆振动筛16台，XFS200型洗砂细砂回收一体机8台。两套筛分设备共设五层筛网，筛孔尺寸分别为25mm、16mm、10mm、5mm、3mm，筛分分级后成为粒度≥25mm、16～25mm、10～16mm、5～10mm、3～5mm及≤3mm六种骨料。其中≥25mm骨料经带式输送机运至细碎圆锥破破碎，16～25mm、10～16mm及部分5～10mm骨料经带式输送机运至成品堆场堆存；3～5mm及部分5～10mm骨料经带式输送机运至棒磨车间调节料仓；≤3mm骨料经成品筛分车间设置的洗砂细砂回收一体机回收细砂后经带式输送机运至成品堆场堆存。

棒磨调节料仓：配置GZG100-150型电机振动给料机18台。成品筛分车间的3～5mm及部分5～10mm骨料运至棒磨调节料仓堆存。棒磨调节料仓总容积2.39万m3，可满足生产期约1.50d的需要量。

棒磨制砂车间：设计处理能力1000t/h，配置JPS500型棒磨机3台，XFS250型洗砂细砂回收一体机6台。由棒磨调节料仓来的骨料进入棒磨制砂车间整形制砂，然后进入洗砂细砂回收一体机回收细砂后经带式输送机运至成品堆场堆存。

成品堆场：配置GZG220-250型电机振动给料机162台。由成品筛分车间及棒磨制砂车间生产的成品经带式输送机运送至成品堆场堆存。成品堆场共设16～25mm、10～16mm、5～10mm及0～4.75mm四个料堆。16～25mm料堆总容积为7.78万m3，可满足骨料加工系统约5.69d的堆存量；10～16mm料堆总容积为6.50万m3，可满足骨料加工系统约6.53d的堆存量；5～10mm料堆总容积为6.50万m3，可满足骨料加工系统约6.53d的堆存量；0～4.75mm料堆总容积16.00万m3，中间设2个隔水挡墙分成3个堆区，单堆可满足骨料加工系统约4.44d的堆存量。

骨料加工系统工艺流程见附图《骨料加工系统工艺流程图》。

表2 骨料加工系统主要技术指标

2.4主要工艺设备的选择

2.4.1 主要车间处理能力

根据工艺流程计算进行各车间处理能力设计，各主要车间处理能力见表3。

表3 骨料加工系统主要车间处理能力

2.4.2设备种类的选择

考虑到本项目建设标准高、规模大、运行时间长，且存在原料质地坚硬、SiO2含量高、磨损大等特点，骨料加工系统主要工艺设备（破碎机）拟采用国际先进设备。

（a）粗碎设备的选择

可用作粗碎设备的主要有旋回式破碎机、颚式破碎机、反击式破碎机和锤式破碎机。其中，锤式破碎机仅可用于抗压强度小于100MPa的物料，本工程原料片麻岩平均抗压强度约114.30MPa，花岗岩平均抗压强度约132.60MPa，因此锤式破碎机不适用于本项目。考虑到本工程原料的SiO2含量较高，约为60%～75%，对设备的磨损较强，因此不适合采用反击式破碎机。颚式破碎机可适用于大多数种类的岩石，但是其处理能力相对较小，故不建议采用颚式破碎机。

相对于颚式破碎机，旋回破碎机的破碎腔深度大，工作连续，因而生产能力大，单位电耗低，且工作较平稳，可以挤满给料，无需设置料仓和给料机，产品粒度均匀，且单台设备的处理能力大，因此本工程选用旋回破碎机作为粗碎设备。

（b）中细碎设备的选择

可用作中细碎设备的主要有圆锥破碎机、反击式破碎机等。考虑到本工程原料的SiO2含量较高，因此中碎、细碎设备选择圆锥破碎机。

（c）制砂设备的选择

可用作制砂设备的主要有立轴冲击式破碎机、棒磨机等。本工程尽量少生产<4.75mm机制砂，仅对中细碎产生的<4.75mm石屑及部分5~10mm碎石进行制砂、整形及级配调整。考虑立轴冲击式破碎机处理能力相对较小，为简化流程，选择单台处理能力500t/h的棒磨机。

由于机制砂是本项目重要的产品之一，因此，棒磨机设备的选型直接影响到本项目的产品质量。因此，对该规格棒磨机在砂石行业中的应用进行了调研。调研结论如下：（1）该型设备首次于2018年在广东谷城矿业应用，主要处理毛料中小于10mm骨料、强风化层剔除大颗粒后剩余的小于10mm部分以及加工产生的0-10mm，现场处理量可达到500t/h，水洗成品砂质量较好；（2）该型设备主要应用于固废处理、制砂、整形等，制砂性能较好，相对传统棒磨机在产能及生产效率方面有较大优势。

（d）筛分设备的选择

国内生产振动筛的厂家较多，且都有成功的工程案例，成品筛分车间推荐采用国产YKR系列圆振动筛。圆振动筛广泛适用于骨料、冶金、金属矿山、煤炭等各类筛分工况，一般入料粒度≤ 300mm，分级粒度2～150mm，具有很强的适应性，原理简单，易检修。

直线振动筛由于水平安装，安装高度小，适用于脱水、脱泥等作业环节。本工程骨料脱水环节均选用直线振动筛。

（e）洗砂设备的选择

本工程采用湿法生产工艺，成品筛分车间、棒磨制砂车间均需配置洗砂设备。主流的洗砂设备主要包括轮斗洗砂机和螺旋洗砂机。洗砂的本质是脱泥脱粉，两种洗砂设备的基本原理都是水力分级，但各有其特点。

轮斗洗砂机应用历史悠久，运行稳定，为早期洗砂环节最常用的设备，应用较多。来料浆体进入洗砂槽进行水力分级，粗粒沉降、细粒溢流排出，斗轮一方面将底部物料进行松散使夹杂的细泥搅出，另一方面将砂捞出沥水排出。其处理能力受轮斗筛网孔径影响较大，当原料总体粒度偏细时轮斗洗砂机透筛的循环负荷加大，导致处理能力受影响。

螺旋洗砂机通过水力沉降将粗颗粒沉降至槽底，再通过螺旋推进器提升排出。螺旋洗砂机的分级较轮斗洗砂机，只要通过水力沉降到槽底的砂基本能够通过螺旋盘推出来，因此其分级粒度相对较小，中细砂损失量少，但是出砂夹细含泥相对较高。

为保证项目产品的洁净度，选择轮斗洗砂机作为洗砂设备。

2.4.3设备型号规格及台数的选择

（a）粗碎设备型号及台数的选择

粗碎设备选择3台旋回破碎机，初拟排矿口开口150mm，设备负荷率88.88%，单机功率375kw。

（b）中细碎设备型号规格及台数的选择

（1）设备排矿口尺寸

中细碎设备采用圆锥破碎机，其排矿口开口尺寸和动锥转速直接影响到砂石骨料成品的比例、粒形和循环负荷量。鉴于砂石成品的最大粒度为25mm，为了使砂石成品中10mm以下的产品比例较低，同时获得较优的砂石骨料成品粒形和较低的循环负荷量，通过对中、细碎圆锥破各种排矿口开口尺寸和动锥转速条件下生产的砂石成品的比例、粒形和循环负荷量综合分析，设计推荐中碎圆锥破排料口设置为45mm，细碎圆锥破排料口设置为25mm。

（2）设备型号规格及台数

可供本项目选择的圆锥破规格较多，综合各种圆锥破型号数据，推荐“方案一”（8台中碎圆锥+8台细碎圆锥）和“方案二”（6台中碎圆锥+6台细碎圆锥）两种方案。

两种方案会造成部分车间工程量和设备数量的差异，主要包括半成品堆场廊道、半成品堆场至中细碎车间的带式输送机、中细碎车间、中细碎车间至成品筛分车间带式输送机、成品筛分车间。本节对两种方案差异部分的设备配置以及土建投资进行比较。

“方案一”需半成品堆场配置8条廊道，每条廊道设置1条出料能力600t/h、带宽B=1200mm的带式输送机，中细碎车间配置

8台中碎圆锥破、8台细碎圆锥破，成品筛分车间配置16台2YKR3075型圆振动筛、16台3YKR3075型圆振动筛，以及对应的带式输送机、给料机等。

“方案二”需半成品堆场配置6条廊道，每条廊道设置1条出料能力800t/h、带宽B=1200mm的带式输送机，中细碎车间配置6台中碎圆锥破、6台细碎圆锥破，成品筛分车间配置12台2YKR3075型圆振动筛、12台3YKR3075型圆振动筛，以及对应的带式输送机、给料机等。

对“方案一”(8台中碎圆锥+8台细碎圆锥)及“方案二”(6台中碎圆锥+6台细碎圆锥)的差异部分比较结论如下：

（1）经济性方面，“方案二”投资较“方案一”减少2656.63万元，且差异部分装机功率减少1103.60kW；

（2）技术性方面：“方案一”有产能保障率高、设备负荷率低的特点。

基于上述比较，从保障生产运行的稳定、可靠的角度出发，建议采用“方案一”，即中细碎设备采用8台中碎圆锥+8台细碎圆锥的方案。

（c）筛分设备型号规格的选择

根据上文所述，筛分设备选择16台2YKR3075型圆振动筛（筛孔尺寸25mm、16mm）及16台3YKR3075型圆振动筛（筛孔尺寸10mm、5mm、3mm），共计32台圆振动筛。为节省占地，成品筛分车间采用筛分楼的布置形式。

d) 制砂及洗砂设备型号规格的选择

（1）制砂设备的选择

棒磨机整形制砂车间对3~5mm骨料以及部分5~10mm骨料进行整形制砂，以生产合格机制砂，配置3台JPS500型棒磨机。

（2）洗砂设备的选择

成品筛分车间洗砂设备选用8台XFS200型洗砂细砂回收一体机。

棒磨制砂车间选用6套XFS250型洗砂细砂回收一体机。

每套洗砂细砂回收一体机包含1台轮斗洗砂机，1台旋流器，1台进料泵，1台脱水筛。

图2 洗砂细砂回收一体机工艺图

2.4.4系统高程布置

骨料加工系统呈阶梯状布置。粗碎车间布置在加工系统北侧的山坡上，回车平台高程98.00m，出料高程79.00m。仓库、试验室、中控室等布置在系统东侧48.00m高程。半成品堆场布置高程80.00m，棒磨机调节料仓布置高程77.00m，棒磨机制砂车间及中细碎车间布置高72.00m，成品筛分车间布置高程65.00m，成品堆场布置高程65.00m～70.00m，废水处理设施布置高程55.00m。

3、结束语

目前，我国砂石矿集料绿色加工体系尚处于起步阶段。针对当前骨料矿绿色加工体系的管理要求，需要从具体情况出发，做好施工管理，以绿色生产管理为基础，在整体绩效管理上进行创新和调整，提高可行性。同时，根据国家政策和国际市场，制定较长期的发展目标，科学合理地规划砂石骨料矿山绿色加工系统，为企业继续引领总市场的发展奠定更坚实的技术基础；从而推动中国建筑砂石产业转型升级，并走向世界。

参考文献：

[1] 胡幼奕.在新常态、供给侧结构性改革的新形势下，砂石骨料行业未来将走向新的发展阶段转型整合融合创新[J].混凝土世界，2016,8(26):18-30.

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