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水工砼中砂石料占砼重量的75～85％，砂石加工系统因而被美誉为砼坝的“粮仓”，由此，砂石系统对于坝工砼的重要性可见一斑。人工砂石料与天然砂石料相比，具有料源丰富、加工受季节影响小、成品料的粒形及级配良好、拌制的砼有利于温控及减少砼裂缝等优势而得到了日益广泛的应用。通过消化、吸收国际先进的人工砂石料加工技术（以下简称“人工砂石技术”），并与国内丰富的砂石生产实践经验相结合，我国的人工砂石技术不断创新、丰富，并达到了国际先进水平。1. 人工砂石料加工技术的发展历程回顾根据人工砂石技术的特点及人工砂石料的应用状况，我国人工砂石技术的发展大致可分为三个阶段：摸索阶段、成熟阶段和不断创新的广泛应用阶段。1.1 人工砂石料加工技术的摸索阶段我国的人工砂石料应用最早开始于上世纪60年代初建设的贵州猫跳河水电站，采用性能落后的锤式生产人工砂，且规模较小。65年映秀湾工程建成了生产能力为160t/h的人工砂石系统（以下简称“人工砂石系统”），自此拉开了我国人工砂石技术研究、应用的序幕。当时，人工砂石料在国内的生产及应用还处于一片空白，如何进行人工砂石系统的设计、选型及如何提高产品质量和降低生产成本等，都是要在实践中探索的问题，人工砂石技术的研究进入了一个漫长的探索阶段，这一阶段一直延续至上世纪80年代末。在此期间，大型的人工砂石系统主要有乌江渡、漫湾及五强溪砂石系统等。乌江渡右岸砂石系统设计生产能力500t/h，加工原料为石灰岩，共生产成品骨料420余万m3。乌江渡开创了国内全部采用人工砂石料作为砼骨料修建大型水电站的先河，为在缺乏天然砂石料地区修建水电站提供了经验。漫湾砂石系统，以灰绿色流纹岩为料源，毛料处理能力500t/h，总计生产成品骨料280余万m3。五强溪砂石系统是截至当时国内最大的人工砂石系统，设计生产能力1150t/h，后经过增容改造，实际综合加工能力达1200t/h，共计生产成品料585万m3。这一时期，经过近20年的探索，人工砂石技术虽然取得了一定的成就，但还很不成熟，尤其是系统设计仍然存在着许多缺陷，如工艺设计上采用了单一不变的模式：旋回式破碎机作粗碎；中、细碎主要采用；棒湿式制砂等，成品料级配调节能力不强。另一方面，经过这一时期的生产实践，进行了多方面的尝试，逐步解决了实际中遇到的很多技术难题，如花岗岩、石英岩等高SiO2含量岩石对设备的超常磨损的研究等，为我国更大规模地应用人工砂石料奠定了技术基础，积累了经验。1.2 人工砂石料加工技术的成熟阶段进入90年代以后，水电开发的步伐加快，二滩、小浪底、万家寨、大朝山、三峡等一批特大型水电工程的相继开工建设，为人工砂石技术的成熟提供了千载难逢的机遇。尤其是二滩、小浪底工程，主体工程均采用国际招标，外商的直接参与，带来了包括人工砂石技术在内的许多国际先进的设备及技术，这对于我国人工砂石技术的成熟起到了积极的促进作用。二滩砂石系统加工规模为1000t/h（实际生产能力达1200t/h），设备先进配套，设计布局合理，其多级破碎＋制砂的多重闭路循环工艺及依据地形布置的地下竖井式骨料储仓，使人耳目一新。特别是系统布置采用了地面、地下、空间立体式的布置，成品骨料全部储存于山体中开挖的竖井之中，不但解决了场地狭小的难题，而且利用骨料自身重力完成了骨料的垂直运输，无干扰，最经济，同时利于骨料的保温及砼温控。小浪底工程连地砂石系统，设计处理能力700t/h（后经增容达1000t/h），料源为石英砂岩河卵石，SiO2平均含量为76％，最高抗压强度达351MPa，是截止目前国内已建工程砂石料加工原料中最坚硬的，对加工设备的磨蚀严重。但由于系统采用了国际著名厂商专门针对小浪底这种坚硬河卵石设计的破磨设备，针对不同的粒度采用不同的进行多级破碎，并采用任意循环的灵活生产工艺，不但保证了系统的正常运行，并且创造了高峰期平均月运行时间595h的全国最高记录。万家寨人工砂石系统是我国西北地区的第一座大型人工砂石系统，设计处理能力800t/h。该系统针对人工砂含粉量高、含水量大，易板结、冻结、廊道卸料口上方起拱等问题，采取用推土机配合送料、合理安排各卸料口的卸料次序及卸料时间等措施，取得了较好的效果，为我国在严寒地区进行人工砂石系统的生产、管理提供了宝贵经验。三峡古树岭及下岸溪人工砂石系统，分别采用基坑开挖及下岸溪料场开采的花岗岩为原料。古树岭人工碎石系统处理能力2650t/h，下岸溪人工砂生产系统处理能力2400t/h。三峡人工砂石系统不仅规模巨大，而且其设计吸取了我国30余年人工砂石技术的经验，大量引进了国际上先进的加工设备，利用HP圆锥破碎机作细碎，并创新地采用了与Barmac联合制砂的生产工艺，代表了当时我国人工砂石系统设计的最高水平。系统至今经过9年的运行，满足了工程连续21个月浇筑强度大于40万m3的高强度用料要求，并多次刷新了砂石料生产供应的世界记录。上世纪90年代，是我国由计划经济向市场经济转轨的关键时期，水电建设市场的业主负责制、招标投标制、建设监理制、合同管理制的推行和我国改革开放的全面深入，促进了水电施工技术的飞速发展，我国的人工砂石技术正是依托这些举世瞩目的工程取得了前所未有的成就，并日益发展成熟。1.3 人工砂石料加工技术的不断创新及广泛应用阶段进入21世纪，百色、龙滩、小湾、构皮滩、溪落渡等特大型水电站陆续开工，标志着我国的水电建设进入了有史以来的鼎盛时期。而这些工程无一例外地均采用人工砂石料作为砼骨料，以30多年的生产实践和取得的技术成果为基础，我国的人工砂石技术由此进入了快速创新的时代并得以广泛的应用。国际先进技术与我国丰富实践经验的有机结合，使我国的人工砂石技术达到了、甚至在有些方面创造了世界一流水平。2.取得的技术成果及创新应用2.1 形成了与时代发展相适应的砂石系统设计新理念并得以创新应用粗、中、细三段破碎＋棒磨机制砂是我国沿用了几十年的砂石生产工艺模式，至今，与时代发展相适应的新的砂石系统设计理念已经形成，并因其具有良好的技术性、经济性而得以推广应用。这种新的的设计理念概括起来就是：①砂石加工“多碎少磨，以破代磨，破磨结合”；②注重环保，营造“绿色粮仓”；③分部采用计算机集中控制、摄像监控，少人值班，系统高度自动化。通过多段破碎，减少骨料磨碎；以破碎代替棒磨，破碎制砂和棒磨制砂结合，不但可提高成品料质量，极大的减少单位产品的耗钢量、降低加工成本，而且可简化生产工艺，减少制砂耗水量及相应的废水量的排放，有利于环保。二滩、小浪底砂石系统是采取“多碎少磨”的典范，而破磨结合则是三峡工程的成功经验之一。这种模式已在龙滩、小湾、构皮滩等工程中得到推广应用。立轴生产的人工砂，缺少中间粒径，细度模数高，但加工成本低；而棒磨机所制人工砂，级配好，细度模数易于调整，但加工成本高，二者在技术、经济上有着良好的互补性，破磨结合的制砂思路是对人工砂石技术的重要创新。由于水电开发可持续发展的需要，环保要求越来越高，减少砂石系统的扬尘及废水达标排放，营造绿色环保砂石系统，是新世纪砂石系统设计及运行管理追求的目标之一。对系统产生的废水进行处理，在五强溪及大朝山工程中已有尝试，但仅是设沉淀池靠泥沙自然沉淀，效果较差。废水处理工艺在三峡工程中得到完善，并已成功应用于龙滩、彭水、索风营等工程砂石系统中。特别是龙滩大法坪砂石系统，利用山谷地形形成大库容的堆碴库，采用意大利劲马气动清淤泵及管道系统把回收石粉后的泥碴以96％的浓度长距离输送到堆碴库堆存、过滤，做到了废水零排放，不但效果好，而且运行成本低，是砂石系统废水处理的重要创新，为砂石系统泥碴处理、营造绿色环保砂石系统拓宽了思路。采用微机对系统分部进行集中控制，可同时对生产工艺采用模拟屏动态显示及利用旋转变焦摄像头对系统中的重点部位进行动态监控，可提高系统运行的安全性及运转率，做到少人值班运行，使系统运转高度自动化；而且，可利用计算机强大的数据处理功能对系统运行进行有效的管理，如事件记录、统计、报表及打印、数据储存及浏览等。目前正在运行的和在建的大型砂石系统几乎全部采用了这种由工控机＋PLC＋工业摄像监控＋动力配电屏组成的微机控制系统，如已投入运行的龙滩大法坪、构皮滩烂泥沟、彭水鸭公溪等砂石系统，在建的如小湾砂石系统等。2.2 广泛采用高性能化的加工设备实践证明，高性能的加工设备可以简化工艺，提高产品质量，降低生产成本，因此，高性能化的设备已越来越受到砂石系统设计人员的青睐。高性能的砂石加工设备，是国外矿业设备生产商根据两种先进的物料破碎理论研发的，这两种理论分别是“层压破碎”理论和“自碎”理论。当前，破磨行业备受推崇的HP、GP、S、H圆锥破碎机都是“层压破碎”理论的代表；而VI、Barmac、VSI系列立轴冲击式破碎机则是“自冲击破碎”理论的代表。这些设备均以“物料粒间破碎”为着眼点，体现在破碎机的性能上便是：设备体积小、重量轻、处理量大，产品粒形好、针片状少、细粒产品产量高，能耗、钢耗大幅度降低。正因为如此，这些设备虽然价格昂贵，仍然得到越来越广泛的应用，如百色、龙滩、小湾、构皮滩等工程均大量使用了此类设备。传统的粗碎机多采用旋回式破碎机，存在自重大、土建量大、维护复杂的缺点，如三峡工程使用的PXZ1216破碎机，重达232吨，车间高度近30 m，大修一次需半个月左右。而目前广泛使用的进口大型颚式、，单机处理能力可达1000t/h以上，自重却只有50～100t，安装简单，与给料量可实现无级调节的组合，运行稳定、安全，且维护简单。除构皮滩砂石系统考虑旧设备的利用仍采用了旋回式破碎机作粗碎外，龙滩、小湾、光照、溪落渡等工程均采用了颚式或反击式破碎机作粗碎。2.3 掌握了不同岩性、不同强度、不同区域、不同规模的人工砂石系统的设计技术，干法、湿法、半干法生产方式多样化，运行管理经验不断丰富迄今为止，已用于加工砼人工骨料的石料包括：石灰岩、流纹岩（漫湾）、石英岩（五强溪）、石英砂岩（小浪底）、玄武岩（大朝山）、正长岩（二滩）、花岗岩（三峡）、片麻岩（小湾）等十余种不同岩性的岩石，抗压强度最高达300MPa以上；生产地域从南到北、从炎热到高寒气候；砂石系统的规模从每小时数百吨到两千多吨；生产方式大多为湿法加工，部分采用了干法（如棉花滩、百色）、半干法（索风营）生产方式。五强溪、小浪底、三峡工程分别利用高硬度、高SiO2含量的石英岩、石英砂岩、花岗岩轧制人工砂石料获得成功，为人工砂石料更为广泛的应用铺平了道路。并且在上述系统运行中还摸索出了高磨蚀性原料对加工设备超常磨损的应对措施，如采用合金钢作为易损件的耐磨层、用爆炸法提高高锰钢的表面硬度、在易损件原料中添加变质剂以细化晶粒来提高易损件的硬度、韧性以及采用合成橡胶筛网等，延长了易损件的使用寿命，降低了人工砂石料的加工成本。现在这些技术均已被广泛应用。湿法生产废水排放量大，且在寒冷地区易受冬季影响；干法生产，粉尘污染难以控制。在索风营人工砂石系统中采用了半干法生产方式，通过控制生产过程中物料的含水量，采取先分级后冲洗、湿砂与干砂混合等措施，既控制了粉尘污染，又减少了生产耗水量及废水排放量，并采取不同孔径的筛网筛分砂料，在一定程度上改善了人工砂细度模数偏高的难题。半干法生产方式的成功应用，是人工砂石系统设计及运行管理的又一次创新，丰富了人工砂石加工技术的宝库。2.4 人工砂脱水及石粉回收、掺混技术日趋完善，人工砂质量得到保证、提高传统的人工砂脱水方法是依靠、重力自然脱水、砂料仓轮换使用等。这种方法脱水缓慢，已不能满足当今工程高强度施工的要求。在大朝山工程中开始尝试利用脱水筛在分级机之后对人工砂先期脱去明水，并在砂仓底部设置盲沟利用真空对砂堆进行加速脱水，取得了一定的成效。二滩、小浪底工程中的人工砂脱水及石粉回收系统，设备先进、效果良好，但因设备投入多、工艺复杂，目前在国内仍难以推广。三峡工程吸取大朝山的经验，在每台下安装1台ZKR1022脱水筛，并对盲沟真空脱水设施进行了改进，以及通过砂堆顶部设置防雨棚及三个砂仓轮流使用等综合措施，保证了人工砂含水率的稳定。目前，人工砂的脱水工艺基本上以此为框架。湿法生产石粉流失量大，石粉回收不但可以变废为宝，增加人工砂产量，减少环境污染，更重要的是人工砂的高石粉含量可极大地改善碾压砼的性能。因此，石粉回收已成为人工砂石系统设计工作的重要环节。三峡等工程的石粉回收主要是利用平流式自然沉淀原理进行，存在回收率低、工序多、与人工砂掺混不均匀等问题。龙滩、光照、构皮滩等工程砂石系统运用美国Derrick公司的HI-G细粒物料回收装置回收石粉，为人工砂石粉回收、掺混提供了新的途径。该装置由强力直线和放射状水力旋流器组组成，废水中的石粉回收率可达80％以上，大大减少了废水沉淀池的清运成本和废水的处理难度，而且回收的石粉可直接与人工砂进行掺和，且掺混均匀。此工艺必将取代传统的石粉回收工艺而得到进一步的推广和应用。石粉的高效回收，既可降低人工砂生产成本，又能调节人工砂的细度模数，提高人工砂质量，改善砼性能，同时降低生产废水的处理难度，利于环保，可谓一举数得，意义重大，有必要进一步深入研究。2.5 高山峡谷山坡地形上系统的布置不断创新，平洞运输成品料技术取得重大突破大型水电站的施工场地一般都非常紧张，砂石系统场地多为山坡地形。根据人工砂石料分段破碎加工的特点，一般顺山坡自上而下分台阶进行布置。二滩砂石系统独辟蹊径，采用山坡溜槽＋竖井＋水平隧洞运输毛料及成品骨料，利用重力完成了总高差达318.5m的骨料垂直运输，解决了狭窄山坡上布置大型人工砂石系统场地不足的难题，为我们进行类似工程的布置提供了新的思路。目前正在建设的小湾左岸砂石系统，系统设计处理能力2050t/h，采用粗、中、细三段破碎及Barmac与棒磨机联合制砂。系统布置在坡度为35°~55°的山坡上，布置面积仅2.2万m2。由于场地不足，系统布置亦采用了竖井＋平洞的方式：在料场中心布置了两个上部直径6m、下部直径12m、深210m的竖井，用于毛料的垂直运输，两座大型粗碎车间布置于地下，成品骨料采用竖井储存及平洞胶带机运输。该系统共设置了10个成品料竖井， 10个竖井在平面上呈反“F”形布置，采用了明井与暗井相结合的方法。竖井式储仓总容积11.36万m3。竖井底部设置4条平洞，洞内安装胶带机与拌和系统相接。小湾左岸砂石系统是对采用竖井＋平洞储存、运输毛料、成品料技术的具体应用及创新。龙滩大法坪砂石系统设计处理能力2500t/h，粗碎系统设置在采石场，采用了2台大型的LT140E及LL12移动式，实现了料场石料开采、破碎、运输的一体化。破碎后的半成品料，利用长悬臂拉索皮带机顺山坡设置了两级转料仓，实现了高落差条件下从采石场到半成品堆场的运输。成品料至拌和楼的运输采用了长隧洞胶带运输方式，胶带机单机长3.95km，有3.55km安装于隧洞内，设计输送能力3000t/h。输送机采用机头高压电机及可控起动传输（CST）装置驱动，中央控制室微机全自动控制及摄像监控。控制系统具有故障检测及各种保护功能，可实现机旁无人操作。现已开工建设的金沙江向家坝水电站，1221万m3砼所需骨料，由上游太平料场半成品堆至向家坝砂石加工系统的半成品料的运输，亦采用平洞胶带机方式，设计输送能力3000t/h，输送线穿越9条隧洞和8个山沟，隧洞总长达29.31km，目前正在施工之中，届时将创下类似工程的世界之最。3.结语我国人工砂石技术历经40年的发展，从逐步摸索到不断创新应用，已达到了世界先进水平。系统建设周期短、产品质量高、加工成本低、与环境和谐发展，已成为新时期砂石料加工系统的突出特征。人工砂石系统作为水电站建设最重要的附属设施之一，为水电可持续开发目标的实现提供了条件。 (责任编辑：admin) |
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