淺析大理巖TBM掘進(jìn)料為料源的制砂工藝技術(shù)

李世春，徐 黎

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 工程概述

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，是雅礱江干流上重要的梯級(jí)電站。該電站利用雅礱江下游河段150km長(zhǎng)大河彎的天然落差，通過(guò)長(zhǎng)約16.67km的引水隧洞截彎取直，獲得水頭約310m，電站裝機(jī)容量8×600MW。工程樞紐所需混凝土總量約260萬(wàn)m3，需要成品粗、細(xì)骨料約630萬(wàn)t。混凝土骨料料源為二級(jí)電站東端引水洞室、地下廠房開(kāi)挖料源中的可利用料，骨料原巖包括:T2y4條狀大理巖、T2y5大理巖、T2b白山組大理巖，其中引水隧洞開(kāi)挖量最大，能否充分利用是保證混凝土骨料供應(yīng)的關(guān)鍵。

2 料源特性及工藝試驗(yàn)

錦屏二級(jí)水電站1#、3#引水隧洞及排水洞采用TBM掘進(jìn)，由TBM旋轉(zhuǎn)刀頭切削巖體產(chǎn)生的開(kāi)挖料多為薄片狀并伴有較大石粉(石屑)含量，加上在TBM掘進(jìn)過(guò)程中需要不斷噴水除塵、降溫等原因，開(kāi)挖料含水量較大，抗壓強(qiáng)度低、軟化系數(shù)大、錘擊易成粉為其顯著特點(diǎn)。

水工混凝土中砂石料占混凝土重量的80%左右，因而砂石加工系統(tǒng)被譽(yù)為大壩的“糧倉(cāng)”。制砂工藝是砂石生產(chǎn)工藝的核心工藝，石粉是制砂過(guò)程中的伴生物，石粉控制是制砂工藝的重要部分，而石粉含量的多少與制砂料源的巖石特性有直接關(guān)系。加上TBM掘進(jìn)法的開(kāi)挖方式，控制石粉含量成為制砂系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。對(duì)TBM掘進(jìn)法開(kāi)挖的毛料進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)篩分試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)TBM掘進(jìn)法開(kāi)挖的毛料做了生存性加工試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 TBM掘進(jìn)法開(kāi)挖毛料現(xiàn)場(chǎng)篩分成果表

通過(guò)對(duì)表1、表2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，大理巖TBM掘進(jìn)法開(kāi)挖毛料用于加工時(shí)，其石粉含量高達(dá)35%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常態(tài)混凝土規(guī)范要求的石粉含量。

3 制砂工藝選擇

3.1 工藝選擇背景

錦屏二級(jí)水電站東端砂石加工系統(tǒng)不僅承擔(dān)錦屏二級(jí)水電站成品砂石骨料生產(chǎn)任務(wù)，還需要為二灘公司官地水電站提供50萬(wàn)t優(yōu)質(zhì)石粉。針對(duì)大理巖TBM掘進(jìn)料源特性，結(jié)合生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果，選擇的制砂工藝中不僅需要解決大理巖制砂產(chǎn)生的高石粉含量問(wèn)題，還需要解決石粉的回收再利用問(wèn)題，即石粉回收、輸送、儲(chǔ)存、裝袋等工藝措施，確保石粉質(zhì)量和產(chǎn)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表2 TBM掘進(jìn)法開(kāi)挖毛料生產(chǎn)性加工成果表

傳統(tǒng)的石粉去除方案是用水噴淋沖洗去除法，即原狀砂經(jīng)水洗后采用螺旋洗砂機(jī)回收成品砂，而石粉則隨洗砂漿液進(jìn)入廢水處理池進(jìn)行后處理。試驗(yàn)結(jié)果顯示成品砂的石粉含量仍在25%以上，且中間顆粒流失量較大。因廢水中含有大量石粉，且其中還含有部分粒徑大于0.16 mm的細(xì)石料，不但增加了廢水處理工作量，也無(wú)法解決石粉干化回收再利用的問(wèn)題。

通過(guò)方案比較論證，借鑒其它行業(yè)粉料生產(chǎn)工藝，系統(tǒng)生產(chǎn)采用了立軸制砂+選粉機(jī)分級(jí)、回收的生產(chǎn)工藝，能夠較好地滿足系統(tǒng)需要。

3.2 大理巖立軸制砂工藝參數(shù)選擇

錦屏二級(jí)水電站砂石加工系統(tǒng)料源為大理巖，在生產(chǎn)過(guò)程中，由于大理巖的抗壓強(qiáng)度低、軟化系數(shù)大、錘擊易成粉等原因，其生產(chǎn)成品含粉率高達(dá)35%以上，且成品砂級(jí)配較差。通過(guò)立軸制砂機(jī)做生產(chǎn)性試驗(yàn)，其級(jí)配、細(xì)度模數(shù)、石粉含量等數(shù)據(jù)(表3)有以下關(guān)系:

(1)相同線速度情況下，原狀砂獲得率隨進(jìn)料粒徑增大而減少;線速度越大，原狀砂成砂率隨線速度增大而增大。

(2)原狀砂的石粉含量高 (遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn));石粉含量隨線速度減小而減少，石粉含量與進(jìn)料粒徑的關(guān)系不十分明顯。

(3)原狀砂中粒徑為0.315～2.5mm顆粒含量偏少，2.5mm以上顆粒含量偏大，砂的級(jí)配曲線不完全在中砂的級(jí)配曲線內(nèi)。原狀砂的細(xì)度模數(shù)隨線速度減小而增大。

表3 立軸制砂相關(guān)參數(shù)表

3.3 選粉機(jī)實(shí)施機(jī)理

選粉機(jī)是粉料分級(jí)設(shè)備，原主要用于水泥工業(yè)生產(chǎn)工藝，同時(shí)在化工、冶金等行業(yè)也有著廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際工況下，需分選的物料由選粉機(jī)上部加料口喂入，落到與轉(zhuǎn)子成一體的撒料盤上，在離心力的作用下沿徑向甩出而分散于選粉室內(nèi)。物料在選粉室內(nèi)與上旋的氣流相遇，物料中的細(xì)顆粒因質(zhì)量小而隨氣流上升，經(jīng)由隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的分級(jí)圈分級(jí)，合格的細(xì)粉穿過(guò)分級(jí)圈柵條繼續(xù)上升進(jìn)入旋風(fēng)筒，經(jīng)旋風(fēng)筒收集后落入集灰斗，經(jīng)細(xì)粉管排出;清除細(xì)粉后的空氣則從旋風(fēng)筒中心經(jīng)風(fēng)管返回風(fēng)機(jī)形成氣流閉路循環(huán);粗顆粒因質(zhì)量較大在撒料盤和分級(jí)圈的作用下與細(xì)物料分離、下落，從粗粉管排出。產(chǎn)品的粗細(xì)可通過(guò)改變主軸的轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)。

在制砂工藝中采用選粉機(jī)，其主要功能是分離出多余的石粉和有用的顆粒并分別進(jìn)行回收。其工作原理:將氣 、粉混合，形成氣固兩相流，旋轉(zhuǎn)的撒料盤和高速氣流使含粉氣流在旋轉(zhuǎn)時(shí)獲得離心力，不同粒徑顆粒獲得的離心力不同，從而實(shí)現(xiàn)粗細(xì)粉粒分離。同時(shí)，采用相應(yīng)的方法對(duì)粗細(xì)粉粒分別進(jìn)行回收。有用顆粒即為成品砂，無(wú)用細(xì)粉則為棄料。

選粉機(jī)的主要工作參數(shù)為:進(jìn)料流量 、供風(fēng)量 、撒料盤 (主軸 )轉(zhuǎn)速。

3.4 制砂工藝

錦屏二級(jí)水電站砂石加工系統(tǒng)毛料處理能力為800t/h，成品料生產(chǎn)能力為580t/h，其中人工砂生產(chǎn)能力為232t/h。東端砂石加工系統(tǒng)加工料源采用東端引水隧洞開(kāi)挖料(其中:1#、3#隧洞為TBM掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，2#、4#為鉆爆法開(kāi)挖)，毛料最大粒徑d≤300mm。系統(tǒng)布置在錦屏二級(jí)水電站東端模薩溝棄渣場(chǎng)，系統(tǒng)半成品料場(chǎng)、成品料場(chǎng)、檢查篩分車間、2#風(fēng)選車間及石粉裝袋廠等布置在高程1430m平臺(tái)，在1430m平臺(tái)南側(cè)的山坡上開(kāi)挖形成1445、1440、1435m三個(gè)臺(tái)地，分別布置主篩分車間、預(yù)篩分中碎車間、1#風(fēng)選車間、超細(xì)碎車間等車間，系統(tǒng)占地面積約3.5萬(wàn)m2。

錦屏二級(jí)水電站砂石加工系統(tǒng)采用兩段破碎+選粉機(jī)去粉的制砂工藝，其工藝見(jiàn)圖1。

4 項(xiàng)目實(shí)施效果

圖1 制砂工藝流程圖

錦屏二級(jí)水電站砂石加工系統(tǒng)于2007年6月中旬開(kāi)始建安，2007年11月底系統(tǒng)全線投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)兩年多時(shí)間的運(yùn)行結(jié)果顯示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠，能夠滿足施工需要。

4.1 立軸制砂

通過(guò)大理巖立軸生產(chǎn)性試驗(yàn)和其它工程相關(guān)資料，結(jié)合本工程生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果，本系統(tǒng)在設(shè)備定貨時(shí)PL9500立軸破碎機(jī)的線速度設(shè)定為62 m/s，其生產(chǎn)實(shí)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)(未經(jīng)選粉機(jī)去粉的原狀砂)見(jiàn)表4。

表4 立軸制砂成果表

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，在立軸線速度為62m/s的情況下，原狀砂的成砂率在60% ～65%之間，原狀砂的石粉含量在40%左右。

4.2 選粉機(jī)

錦屏二級(jí)水電站砂石系統(tǒng)采用的選粉機(jī)為XF3500型和XF3000型兩種，其單臺(tái)處理能力分別為80t/h和60t/h兩種。系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)風(fēng)選車間，分別配置2臺(tái)XF3500和2臺(tái)XF3000，其中1號(hào)風(fēng)選車間的進(jìn)料來(lái)自反擊破破碎經(jīng)第一篩分車間的粒徑＜5mm原狀砂，2號(hào)風(fēng)選車間的進(jìn)料來(lái)自立軸破碎料經(jīng)第二篩分車間的粒徑5mm原狀砂，生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)測(cè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)為(以2號(hào)風(fēng)選車間的單臺(tái)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例)見(jiàn)表5。

以上數(shù)據(jù)顯示，在進(jìn)料含水率為2%左右時(shí)，選粉機(jī)的成砂率在60% ～70%之間;由試驗(yàn)可知，在保證供料穩(wěn)定和選粉機(jī)在同一技術(shù)參數(shù)的情況下，將成品砂中石粉含量控制在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)是有可能的。

表5 成品砂試驗(yàn)成果表

為確保原狀砂中多余的石粉能夠得到有效剔除，當(dāng)進(jìn)料流量增大時(shí)，供風(fēng)量和撒料盤轉(zhuǎn)速應(yīng)相應(yīng)增加;當(dāng)進(jìn)料流量減少時(shí)，若供風(fēng)量和撒料盤轉(zhuǎn)速不變，則原狀砂中的石粉、甚至有用顆粒將被剔除的較多，以致出現(xiàn)成砂率降低 、細(xì)度模數(shù)增大的不利結(jié)果。

4.3 成品砂

在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)立軸+選粉機(jī)制砂后的成品進(jìn)行隨機(jī)取樣檢測(cè)，其數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 成品砂試驗(yàn)成果表

從表6中可以看出，原狀砂含水量在2%以下時(shí)，成品砂的石粉含量可以控制在18±2%以內(nèi)，細(xì)度模數(shù)可以控制在2.8±0.2以內(nèi)，成品砂顆粒級(jí)配較好。

4.4 石 粉

通過(guò)對(duì)回收石粉進(jìn)行檢測(cè)，在毛料含水量小于2%的情況下，石粉回收效果較好，回收石粉的粗粒徑含量(＞0.16mm)小于15%，含水量在1%左右，可滿足后續(xù)工程石粉需求。

4.5 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

通過(guò)以上生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論:

(1)經(jīng)選粉機(jī)選粉后的成品砂中石粉含量隨選粉機(jī)主軸轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)的風(fēng)量變化而變化，說(shuō)明通過(guò)調(diào)整選粉機(jī)的技術(shù)參數(shù)來(lái)控制成品砂中的石粉含量是可行的。

(2)從試驗(yàn)可知，在保證供料穩(wěn)定和選粉機(jī)在同一技術(shù)參數(shù)的情況下，成品砂中石粉含量在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)是有可能的。

(3)原狀砂的來(lái)料流量 、石粉含量 、含水率等都是影響選粉機(jī)選粉能力和選粉效果的重要因素。進(jìn)料含水率在2%時(shí)，選粉機(jī)能夠較好地發(fā)揮其效率。

(4)通過(guò)調(diào)整選粉機(jī)主軸轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)風(fēng)量，可以控制成品砂中石粉含量在18±2%范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

大理巖巖性是影響成品砂品質(zhì)的重要因素，加上錦屏二級(jí)水電站TBM掘進(jìn)法的開(kāi)挖工藝，致使用其作料源的成品砂石粉含量嚴(yán)重超標(biāo)且難以采用傳統(tǒng)濕法方法剔除。通過(guò)全干法生產(chǎn)工藝在錦屏工程中的應(yīng)用，說(shuō)明人工砂中含有多余的石粉可以通過(guò)干法風(fēng)選來(lái)剔除，特別是要求石粉回收再利用的一些工程，可以借鑒風(fēng)選分級(jí)細(xì)骨料，而且剔除的效果較傳統(tǒng)濕法生產(chǎn)要明顯優(yōu)越，它不但可以剔除成品砂中多余的石粉，而且可以較好地調(diào)整成品砂的級(jí)配分布。

［1］水工混凝土施工規(guī)范，DL/T5144－2001［S］.

［2］水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程，DL/T5151－2001［S］.