干法制砂技术在竹子坝玄武岩系统中的应用

欧志军 施广民

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙410007）

摘要：本文简述了在母岩为高强度玄武岩以及大坝混凝土高强度浇筑条件下，竹子坝人工砂石系统如何合理的配置设备，设计系统生产工艺，使得在确保系统产能的同时满足官地水电站碾压混凝土重力坝对粗、细骨料的质量要求。

关键词：官地水电站；碾压混凝土坝；玄武岩；设备配置；工艺流程

1 工程概述

官地水电站位于雅砻江干流下游、四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界的打罗村境内，系雅砻江卡拉至江口河段水电规划五级开发方式的第三个梯级电站。上游与锦屏二级电站尾水衔接，下游接二滩水电站。碾压混凝土重力坝坝顶高程1334m，最大坝高168m，坝顶长度516m。右岸地下厂房装机4台600MW机组，总装机容量2400MW。

竹子坝人工砂石骨料生产系统（后简称竹子坝系统）位于坝址上游右岸约300m（直线距离）的竹子坝沟内的缓坡地上。竹子坝系统于2007年4月10日建筑安装，2008年5月28日进入系统试生产阶段，2009年3月14日正式向大坝供料，其料源为竹子坝后山坡玄武岩。竹子坝系统主要承担官地水电站大坝（含消力池）、进水口闸门井及引水洞上平段和斜井段、下游河道整治等工程的混凝土所需的骨料供应任务。本系统承担约400万m3混凝土和约2万m3喷混凝土的骨料生产，其中碾压混凝土约308万m3，常态混凝土约92万m3，共需生产成品粗骨料约640万t，碾压混凝土细骨料约265万t，常态混凝土细骨料约75万t。系统承担高峰月浇筑强度25万m3（实际为28万m3）的混凝土的粗、细骨料供应，加工系统成品料生产能力约1750t/h，其中人工砂生产能力约600t/h，毛料处理能力约2200t/h。

2 成品骨料质量要求

对成品骨料质量技术要求见表1、表2。

3 料源岩石特性及问题

3.1 岩石特性

官地水电站大坝混凝土骨料料源为玄武岩，料场位于大坝右岸上游约2km的竹子坝后山坡。岩性主要为杏仁状与到致密状玄武岩，岩石致密坚硬，强度高（最大干抗压强度高达336MPa，最大湿抗压强度为305MPa）、功指数高、磨蚀性较大（指数Ai=0.32）、性脆，破碎时极易产生针片状颗粒。石料物理力学性质见表3。

3.2 竹子坝系统面临的主要问题

（1）料源为致密状玄武岩的条件下，如何保证水工用粗骨料质量的技术要求，尤其是如何保证粗骨料的超逊径及针片状指标要求。

（2）竹子坝系统需向大坝提供碾压混凝土用砂及常态混凝土用砂。两种混凝土对砂的品质（含水量、细度模数、石粉含量）要求不同。根据以往的类似工程的经验，玄武岩制砂有成砂质量差（细度模数大，石粉含量低）、脱水困难等特点，如何保证砂的数量和质量，根据不同混凝土对砂的要求灵活控制砂的品质成为竹子坝系统的必须攻克的技术难题。

（3）竹子坝系统由于地形限制，成品骨料仓仓容有限，没有条件与主标单位错峰生产，这就要求系统在高强度生产工况下必须能够连续正常运行。

（4）官地水电站每年有长达5个月的雨季，在干式筛分的工况下，如何防止半成品料大量裹粉，筛网板结，筛透率低的状况，从而影响系统的生产强度。

4 问题如何解决

解决上述问题主要从三分面入手：①工艺流程；②设备配置；③系统运行管理。

根据料源岩石特性选择最为合适的加工设备成为人工砂石系统能否达到设计要求的关键，而工艺流程的选择是使得这些设备组合发挥其最大的功效的润滑剂。中水八局在人工砂石系统这一领域具有丰富的实际经验及理论沉淀，根据以往工程经验结合本工程的特性在投标阶段确定了主要设备的配置及工艺流程并在系统建安及运行阶段不断对系统设备配置及工艺进行论证优化，极大发挥了竹子坝系统的功效。

设备配置及工艺流程的关系可以更为形象地喻为：合理的设备配置就如同手持利器、身体矫健的武者，而先进的工艺流程就如同中国功夫，一招一式都契合人体构造，将人体潜能发挥到极致。

有效的系统运行管理是保证系统正常运行，保证系统发挥最大功效的软件措施。

5 系统生产工艺及优化

竹子坝系统共由粗碎、一筛、中碎、细碎、二筛、三筛、立轴破、棒磨车间、废水处理车间及除尘车间组成。具体工艺流程见图1。

根据本工程的岩石特性，结合国内已建工程的经验，竹子坝系统采用在多个工地成功应用的干法制砂工艺，即粗碎（料场原料为新鲜玄武岩）、中细碎、超细碎采用干法生产，棒磨机制砂采用湿法生产，从而调节成品砂的细度模数、粒径级配及含水率。

干法制砂工艺强调以破代磨，多破少磨的设计思路。由于母岩强度高，磨蚀性较强且功指数较高，根据骨料粒径要求，竹子坝系统采用了四段破碎工艺，即系统粗碎、中碎采用开路，细碎与二筛、超细碎（制砂车间）与三筛形成闭路循环。

5.1 粗骨料的超逊径问题

竹子坝系统原生产工艺为一筛生产大石，二筛生产中石和小石，三筛生产砂。实际生产情况是一筛、二筛都能够满足成品大、中、小石的加工能力，但是由于二筛要同时生产中、小石两种级配的骨料，很难同时保证中、小石超、逊径不超标的问题，在系统生产高峰期这一问题尤为突出。从工艺流程简图1中可以看到，经过工艺改造，每个筛分车间只生产一种粗骨料（一筛生产大石，二筛生产中石，三筛生产小石）。通过系统的生产工艺性试验，确定生产某一级粗骨料的上、下筛板合适孔径（上筛网控制超径，下筛网控制逊径），并根据生产强度不定期更换筛板，从而严格控制这一级粗骨料的超、逊径。不同级别的粗骨料由不同筛分车间生产，所以调整筛网时互不影响，从而达到完全控制不同级别粗骨料的超、逊径的目的。

5.2 细骨料（砂）含水量、细度模数、石粉含量的问题

5.2.1 含水量

因官地水电站大坝为碾压混凝土坝，对细骨料中石粉含量及含水率要求较高，宜采用干法或干法制砂。系统二筛料仓、三筛料仓、超细碎料仓搭设雨棚，二筛车间、三筛车间采用全封闭生产，严格控制了原料的含水量，从而从源头上控制了成品细骨料的含水量。

5.2.2 细度模数、石粉含量

竹子坝系统采用破碎为主，棒磨为辅的干法制砂工艺。由于二、三筛砂有一个共同特点：2.36～4.75mm颗粒含量偏多，0.6～0.15颗粒含量偏少，需要棒磨车间对0.6～0.15mm颗粒进行级配的补充调节，从而在一定程度上调整砂的细度模数。

竹子坝系统需重点解决的是砂的石粉含量的问题。解决的方法如下：

（1）竹子坝系统生产常态混凝土用砂和碾压混凝土用砂，根据二、三筛砂及棒磨机砂的特点，合理调整系统设备生产组合，从而一定程度上调整砂的石粉含量。

（2）通过添加回收的石粉来控制砂的石粉含量（如图1）：刮砂机回收中石及小石冲洗废水中的砂及石粉，回收的砂及石粉通过胶带机添加到半成品砂中；水力旋流器（本工程采用黑旋风）回收系统生产废水中的细砂及石粉，回收的细砂及石粉通过胶带机添加到半成品砂中；陶瓷过滤机回收沉淀池浓浆中的石粉，回收的石粉可通过胶带机添加到半成品砂中；1#除尘车间回收中、细碎车间粉尘，回收石粉可通过运尘车均匀添加到半成品砂中；2#除尘车间回收超细碎车间的石粉，回收的石粉可通过胶带机添加到半成品砂中。

5.2.3 建设高峰期产量保证

（1）针对成品骨料仓仓容有限，不能在主标单位的仓面准备阶段进行砂石骨料的生产备料，无法与主标单位错峰生产的情况，为保证砂石料的正常供应，采取的主要措施有：

1）粗碎车间、中碎车间、细碎车间、立轴破车间、棒磨车间、筛分车间等均配置了多台设备，一台设备出现故障，不会引起整个系统不能生产的状况。

2）关键设备配置专人看护，系统设备定时维护保养，在系统生产间隙进行检修。

3）投入大量资金购置大量备品、备件。在系统生产高峰时，为节省检修时间，对于只是局部损坏的皮带，进行整体更换；设备配件损坏时，更换新的配件；电机出现故障时，更换备用电机。

4）成立机修工区，对拆下来的设备配件及电机等进行统一检修。

5）成立抢修技术小组。从八局砂石分局各项目调集经验丰富，技术精湛的技术工人，对系统进行维护。

（2）雨季施工时，三筛筛分时骨料裹粉严重，筛网板结，筛透率低，为保证系统的生产强度，采取的主要措施为：将超细碎车间（制砂车间）原料仓进行封闭，减少制砂原料的含水量，提高制砂车间成砂率，保证三筛车间的筛透率。

5.2.4 系统优化

在投标阶段，工程技术人员根据业主的招标资料及以往相关工程的经验来设计人工砂石系统，而相对于具体工程而言，由于岩石的种类不同，岩性不同，地理气候条件不同，业主的要求不同等等，在建安及运行阶段就要根据本工程的特色对人工砂石系统不断进行优化，才能使系统尽可能发挥其最大功效。

竹子坝系统的优化主要可以从以下几个方面来介绍：

（1）由于竹子坝料场覆盖层剥离后，岩石新鲜，根据试验资料，在岩石不进行水洗的工况下，成品骨料的含泥量符合设计要求。而进入洗泥机的半成品料粒径大于80mm的比率达到了50%以上，对洗泥机磨损较大，从而使得洗泥机检修频率较高。基于上述两方面的原因，进而取消了一筛车间的洗泥机及脱水筛，这就有利于节约系统运行成本及维持系统的运行稳定性。

（2）小石及中石原工艺为由二筛车间生产，系统优化后小石改为由三筛车间生产。

（3）在中、小石冲洗废水后增加刮砂机，将废水中的大部分粗砂及部分石粉回收，有助于降低水力旋流器的负荷，减少水力旋流器的磨损，提高旋流器耐磨件的使用寿命。

（4）将超细碎车间（制砂车间）原料仓进行封闭，减少制砂原料的含水量，提高制砂车间成砂率，保证三筛车间的筛透率。

（5）由于系统棒磨车间以上流程为干法生产，使得成品砂的含水量能够满足设计要求，从而取消了棒磨车间的脱水筛。

6 主要设备选型

竹子坝系统母岩为致密状玄武岩，岩石坚硬，强度高，破碎时极易产生针片状颗粒，只有选择合适的石料加工设备，才能达到很好的破碎效果。合同要求系统高峰期生产能力见表4，竹子坝骨料加工系统主要设备配置情况见表5。

6.1 粗碎设备

竹子坝系统料源为玄武岩，为了解决以上的问题，粗碎可供选择的设备类型主要有：旋回破碎机、颚式破碎机两种类型。中国水利水电第八工程局有限公司（以下简称八局）在竹子坝系统的投标文件中已经就这两种类型的破碎设备进行了综合对比分析，最终选用MK-Ⅱ42-65型进口旋回破碎机。根据八局使用破碎设备的成功经验和粗碎车间处理2200t/h的要求，该型号设备使用效果好，维修方便，操作简单，常用于各类大、中型人工砂石料加工系统中，对坚硬的杏仁状玄武岩破碎后的产品粒形好，针片状比例小。表6、表7是竹子坝系统投产时粗碎的生产性试验的数据。

6.2 中、细碎设备

中、细碎可供选择的破碎机类型主要有圆锥破碎机和反击破碎机两种。反击式破碎机是利用冲击能对中等硬度的脆性物料进行破碎的设备，但对于玄武岩等坚硬岩，难点是控制产品的粒形与级配，而圆锥破碎机具有破碎比大、效率高、功耗少、产品粒度均匀、针片状含量少和适于破碎硬矿石的特点，尤其对产品起到了整形作用。经过综合分析比较，中、细碎破碎设备最终选用了单缸液压圆锥破碎机。这种形式的破碎机，与弹簧圆锥破碎机相比，主要特点在于它采用了液压调整、液压保险和液压卸载（卸除堵塞的矿石），从而可以非常方便地调整排矿口、当铁块等非破碎物进入破碎腔时，进行自动保险以及自动卸载。表8～表10是竹子坝系统投产时中、细碎工艺性试验数据。

6.3 立轴破设备（俗称制砂设备）

制砂车间采用B9100（石打石）立轴式破碎机，该设备故障率低，磨损少，可靠性高，具有破碎性能优越，砂产量高（成砂率在30%～35%之间），石粉含量多，粒形方正，具有很好的整形效果等优点。三筛车间的半成品砂全部由B9100立轴式破碎机加工而成，但是，三筛砂同二筛砂具有一个共同特点：2.36～4.75mm颗粒含量偏多，0.6～0.15mm颗粒含量偏少，需要棒磨车间对0.6～0.15mm颗粒含量进行级配的补充调节，从而调整成品砂的颗粒极配。表11、表12是竹子坝系统立轴破车间投产时工艺性试验数据。

6.4 棒磨设备

棒磨车间选用MBZ2136型棒磨机，该设备制砂产品质量好，工作可靠，产品粒形好，级配连续，细度模数稳定，但机体体积大，设备自重大，单机成砂率较低，且钢棒消耗大，能耗高，制砂成本相对较高。作为B9100立轴破的补充，在一定程度上可以调节成品砂的细度模数与石粉含量。表13～表15是竹子坝系统制砂车间投产时工艺性试验数据。

7 结语

合理的设备配置以及先进的工艺流程是官地水电站在高强度生产条件下（竹子坝系统人工砂石料月最高生产强度达到70万吨），砂石骨料质量满足设计要求的根本保证。

干法制砂，有效控制了砂的含水量，大大降低了系统的废水处理量，减少了石粉的流失，较好地控制了立轴破碎机原料的含水量，使立轴破碎机达到了很好的成砂率（30%～35%）。

根据目前我国人工砂石系统的设计现状，其制砂工艺主要采用三种方式：棒磨机制砂工艺、立轴破制砂工艺、立轴破和棒磨机联合制砂工艺。

棒磨机制砂的特点是：①成品砂质量稳定、粒形好；②耗水、耗电量高、钢棒耗量大；③建筑安装量大；④石粉损失大、水处理费用高。

立轴破制砂的特点是：①工艺流程简单，单位能量消耗低；②石粉含量高，但2.36～4.75mm颗粒含量偏多，0.6～0.15mm颗粒含量偏少；③原料中的含水率对破碎效果影响较大。

立轴破和棒磨机联合制砂的特点是：①集中了立轴破、棒磨机制砂的优点，克服了中径含量问题、石粉过多流失问题等；②流程中仍保留了棒磨机及其不足之处；③工艺流程复杂、设备品种多。

目前还有一种较为理想的制砂模式为“常速与高速立轴破碎机联合制砂工艺”，这种制砂工艺可以完全抛弃用棒磨机调节制砂，完全实现“以破代磨”的工艺，从而可以很好的规避以上三种制砂模式的缺点。

由于竹子坝系统料源坚硬，功指数较高而不宜采用高速立轴破进一步制砂，故竹子坝系统仍采用“立轴破为主，棒磨为辅的联合制砂工艺”。

参考文献

[1] 阮光华．我国混凝土骨料加工技术的进展，中国水利水电工程第二届砂石生产技术交流会，2008（1）.

[2] 熊明华．光照水电站立轴冲击式破碎机干法独立制砂工艺，中国水利水电工程第二届砂石生产技术交流会，2008（1）.