淺析大理巖TBM掘進料為料源的制砂工藝技術

李世春，徐 黎

(中國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電站。該電站利用雅礱江下游河段150km長大河彎的天然落差，通過長約16.67km的引水隧洞截彎取直，獲得水頭約310m，電站裝機容量8×600MW。工程樞紐所需混凝土總量約260萬m3，需要成品粗、細骨料約630萬t。混凝土骨料料源為二級電站東端引水洞室、地下廠房開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，其中引水隧洞開挖量最大，能否充分利用是保證混凝土骨料供應的關鍵。

2 料源特性及工藝試驗

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

水工混凝土中砂石料占混凝土重量的80%左右，因而砂石加工系統被譽為大壩的“糧倉”。制砂工藝是砂石生產工藝的核心工藝，石粉是制砂過程中的伴生物，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系。加上TBM掘進法的開挖方式，控制石粉含量成為制砂系統的關鍵所在。對TBM掘進法開挖的毛料進行了現場篩分試驗，其結果見表1。對TBM掘進法開挖的毛料做了生存性加工試驗，其結果見表2。

表1 TBM掘進法開挖毛料現場篩分成果表

通過對表1、表2數據進行分析可以看出，大理巖TBM掘進法開挖毛料用于加工時，其石粉含量高達35%以上，遠遠大于常態混凝土規范要求的石粉含量。

3 制砂工藝選擇

3.1 工藝選擇背景

錦屏二級水電站東端砂石加工系統不僅承擔錦屏二級水電站成品砂石骨料生產任務，還需要為二灘公司官地水電站提供50萬t優質石粉。針對大理巖TBM掘進料源特性，結合生產性試驗結果，選擇的制砂工藝中不僅需要解決大理巖制砂產生的高石粉含量問題，還需要解決石粉的回收再利用問題，即石粉回收、輸送、儲存、裝袋等工藝措施，確保石粉質量和產量達到設計要求。

表2 TBM掘進法開挖毛料生產性加工成果表

傳統的石粉去除方案是用水噴淋沖洗去除法，即原狀砂經水洗后采用螺旋洗砂機回收成品砂，而石粉則隨洗砂漿液進入廢水處理池進行后處理。試驗結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的細石料，不但增加了廢水處理工作量，也無法解決石粉干化回收再利用的問題。

通過方案比較論證，借鑒其它行業粉料生產工藝，系統生產采用了立軸制砂+選粉機分級、回收的生產工藝，能夠較好地滿足系統需要。

3.2 大理巖立軸制砂工藝參數選擇

錦屏二級水電站砂石加工系統料源為大理巖，在生產過程中，由于大理巖的抗壓強度低、軟化系數大、錘擊易成粉等原因，其生產成品含粉率高達35%以上，且成品砂級配較差。通過立軸制砂機做生產性試驗，其級配、細度模數、石粉含量等數據(表3)有以下關系:

(1)相同線速度情況下，原狀砂獲得率隨進料粒徑增大而減少;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 (遠超過規范標準);石粉含量隨線速度減小而減少，石粉含量與進料粒徑的關系不十分明顯。

(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，砂的級配曲線不完全在中砂的級配曲線內。原狀砂的細度模數隨線速度減小而增大。

表3 立軸制砂相關參數表

3.3 選粉機實施機理

選粉機是粉料分級設備，原主要用于水泥工業生產工藝，同時在化工、冶金等行業也有著廣泛的應用。在實際工況下，需分選的物料由選粉機上部加料口喂入，落到與轉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。物料在選粉室內與上旋的氣流相遇，物料中的細顆粒因質量小而隨氣流上升，經由隨轉子旋轉的分級圈分級，合格的細粉穿過分級圈柵條繼續上升進入旋風筒，經旋風筒收集后落入集灰斗，經細粉管排出;清除細粉后的空氣則從旋風筒中心經風管返回風機形成氣流閉路循環;粗顆粒因質量較大在撒料盤和分級圈的作用下與細物料分離、下落，從粗粉管排出。產品的粗細可通過改變主軸的轉速及風機的風量調節。

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

選粉機的主要工作參數為:進料流量 、供風量 、撒料盤 (主軸 )轉速。

3.4 制砂工藝

錦屏二級水電站砂石加工系統毛料處理能力為800t/h，成品料生產能力為580t/h，其中人工砂生產能力為232t/h。東端砂石加工系統加工料源采用東端引水隧洞開挖料(其中:1#、3#隧洞為TBM掘進機開挖，2#、4#為鉆爆法開挖)，毛料最大粒徑d≤300mm。系統布置在錦屏二級水電站東端模薩溝棄渣場，系統半成品料場、成品料場、檢查篩分車間、2#風選車間及石粉裝袋廠等布置在高程1430m平臺，在1430m平臺南側的山坡上開挖形成1445、1440、1435m三個臺地，分別布置主篩分車間、預篩分中碎車間、1#風選車間、超細碎車間等車間，系統占地面積約3.5萬m2。

錦屏二級水電站砂石加工系統采用兩段破碎+選粉機去粉的制砂工藝，其工藝見圖1。

4 項目實施效果

圖1 制砂工藝流程圖

錦屏二級水電站砂石加工系統于2007年6月中旬開始建安，2007年11月底系統全線投產，經過兩年多時間的運行結果顯示，系統設計可靠，能夠滿足施工需要。

4.1 立軸制砂

通過大理巖立軸生產性試驗和其它工程相關資料，結合本工程生產性試驗結果，本系統在設備定貨時PL9500立軸破碎機的線速度設定為62 m/s，其生產實測相關數據(未經選粉機去粉的原狀砂)見表4。

表4 立軸制砂成果表

根據實測結果，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

錦屏二級水電站砂石系統采用的選粉機為XF3500型和XF3000型兩種，其單臺處理能力分別為80t/h和60t/h兩種。系統設置兩個風選車間，分別配置2臺XF3500和2臺XF3000，其中1號風選車間的進料來自反擊破破碎經第一篩分車間的粒徑＜5mm原狀砂，2號風選車間的進料來自立軸破碎料經第二篩分車間的粒徑5mm原狀砂，生產過程中的實測生產數據為(以2號風選車間的單臺實測數據為例)見表5。

以上數據顯示，在進料含水率為2%左右時，選粉機的成砂率在60% ～70%之間;由試驗可知，在保證供料穩定和選粉機在同一技術參數的情況下，將成品砂中石粉含量控制在一個穩定的范圍內是有可能的。

表5 成品砂試驗成果表

為確保原狀砂中多余的石粉能夠得到有效剔除，當進料流量增大時，供風量和撒料盤轉速應相應增加;當進料流量減少時，若供風量和撒料盤轉速不變，則原狀砂中的石粉、甚至有用顆粒將被剔除的較多，以致出現成砂率降低 、細度模數增大的不利結果。

4.3 成品砂

在生產過程中對立軸+選粉機制砂后的成品進行隨機取樣檢測，其數據見表6。

表6 成品砂試驗成果表

從表6中可以看出，原狀砂含水量在2%以下時，成品砂的石粉含量可以控制在18±2%以內，細度模數可以控制在2.8±0.2以內，成品砂顆粒級配較好。

4.4 石 粉

通過對回收石粉進行檢測，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，可滿足后續工程石粉需求。

4.5 實施效果評價

通過以上生產數據可以得到以下結論:

(1)經選粉機選粉后的成品砂中石粉含量隨選粉機主軸轉速和風機的風量變化而變化，說明通過調整選粉機的技術參數來控制成品砂中的石粉含量是可行的。

(2)從試驗可知，在保證供料穩定和選粉機在同一技術參數的情況下，成品砂中石粉含量在一個穩定的范圍內是有可能的。

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

(4)通過調整選粉機主軸轉速和風機風量，可以控制成品砂中石粉含量在18±2%范圍內。

5 結語

大理巖巖性是影響成品砂品質的重要因素，加上錦屏二級水電站TBM掘進法的開挖工藝，致使用其作料源的成品砂石粉含量嚴重超標且難以采用傳統濕法方法剔除。通過全干法生產工藝在錦屏工程中的應用，說明人工砂中含有多余的石粉可以通過干法風選來剔除，特別是要求石粉回收再利用的一些工程，可以借鑒風選分級細骨料，而且剔除的效果較傳統濕法生產要明顯優越，它不但可以剔除成品砂中多余的石粉，而且可以較好地調整成品砂的級配分布。

［1］水工混凝土施工規范，DL/T5144－2001［S］.

［2］水工混凝土砂石骨料試驗規程，DL/T5151－2001［S］.