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国内砂石料生产系统的技术现状与发展趋势
 
砂石料生产系统广泛用于道路、水电、工民建、铁路、核电等各建筑领域,系统组成一般由毛料采运、成品加工、成品运输及辅助设施等环节组成。我国属于水电能源蕴藏量较为丰富的国家,随着国家近二十年来对水电开发力度的加大,砂石料生产系统在水电领域由于规模大、总量多、品种繁杂、料源复杂等因素的影响,其发展速度进入了一个新的水平,被称为“大坝粮仓”。系统依据料源不同可分为天然砂石料生产系统和人工砂石料生产系统,天然砂石料生产系统早在50年代后期开始于丹江口大坝工程,人工砂石料生产系统最早50年代中期开始于映秀湾工程,经过50多年在各自领域取得突飞猛进的高速发展。本文主要依托水电站的砂石料生产系统进行论述。
      1  毛料采运
      1.1天然料开采和运输
      天然砂石骨料受料源分布的影响较大,一般分为陆地料场、河滩料场和河床料场。前二者与人工系统的料场开采差距不大,且难度远低于人工料场的开采。河床开采(也称为水下开采)经过几十年发展,技术变化并不明显,一般采用采砂船配备自卸式驳船和拖轮配备的驳船进行运输,毛料级配的控制一般采用事先勘测和操作人员现场进行控制,运输能力则受河道的水深、流速和设备制造能力的影响较大。上世纪五十年代丹江口工程受汉江河道的影响,设备配置以150m3驳船运输为主,2007年大坝加高工程仍然只能采用此种模式。上世纪七十年代的长江葛洲坝工程,受当时的船舶制造水平的限制,采用300m3的驳船配备日本进口的750m3/h的采砂船,而在1994年的三峡前期工程中,则采用了1000m3砂驳与750m3/h的采砂船联合采运的方式,其运输效率得以大幅度提高,因此,水下采运必须将采区的运输条件和装备制造水平进行有机结合。
      尽管水下开采在采掘运输方式上仍然以传统方式为主流,但在设备的种类选择上也在逐渐进行改进和突破。云南景洪水电站心滩天然料生产系统前期仍然采用传统方式进行骨料开采和转运,由于澜沧江流速较大,河床切割较深,采砂船挖掘受到链斗长度的限制,挖掘效果较差,特别是细骨料受流速影响获得率低,针对此种情况,项目部对开采方式及时进行了调整,大胆引进港口航道疏浚技术,自行制造了300t/h的绞吸船,专门用于细骨料的挖掘,针对原料含水量大进行预先脱水,取得了明显效果。
      1.2石料场技术
      与天然毛料采运技术的发展相比,水电站人工料场开采和运输技术近年来取得了更迅速的发展,现阶段已呈现出百花齐放的态势,尤其体现在料场开采和运输两个技术领域的有机结合。
      人工料场基本采用爆破作业,随着爆破技术和设备装备水平的提高,现阶段料场爆破常见有光面爆破、预裂爆破、微差挤压爆破及深孔爆破等,作业方式与石料运输方式紧密结合。
传统的料场开采及运输方式一般采用爆破——挖装——汽车运输的工艺进行,此方式施工环节简单,在2000年前一直占据主要地位,如三峡古树岭系统,月开采强度约40万m3,采用汽车运输方式,仅32t的汽车就投入了约120台,同时道路宽度12m,资源和配套设施要求高。随着最近几年水电领域的技术发展和认识水平的提高,传统的料场开采与运输方式逐渐显现出资源投入大、成本高和适应性差的特点,新的料场开采和运输方式应运而生,主要表现在石料破碎和运输环节的创新上。
      广西龙滩大法坪砂石加工系统料场最高开采强度约45万m3,道路地质条件差,料场与系统高差约300m,传统方式难以适应开采需要,因此,石料场开采采用大型移动破碎站和移动胶带机,进行采场移动破碎,采用多级转料仓技术解决石料垂直运输难题,在国内得到成功应用,其成本与传统方式相比,总费用节省约一半。
      锦屏一级水电站大奔流沟料场地形坡度55~65°,在露天道路不可能形成的前提条件下,开采降段道路由约10公里的地下洞室群组成,石料采用长度280m、倾角77°的长斜井转运,井下大型旋回破碎机械设备进行破碎,半成品料长距离运输的料场开采和输送技术,为同类地形、地质条件下的料场开采提供了范例,开创了国内水电行业料场规划布置的先河。
溜槽运输方式在料场中的应用也相对广泛,如上世纪六十年代的乌江渡、九十年代的二滩水电站、现阶段的锦屏水电站三滩砂石料生产系统都取得了溜槽运输方式的成功经验,随着系统规模的增大,溜槽高度和输送量也逐渐增大。
      2  生产系统
      2.1料源种类
      用于水工混凝土的砂石骨料,无论是人工骨料还是天然骨料,涉及到的原岩种类是多种多样的,目前涉及的料源有正长岩、白云岩、石灰岩、大理岩、砂岩、石英岩、花岗岩、片麻岩、玄武岩、辉绿岩等。料源岩性能否使用主要取决于混凝土配合比试验结果,目前对料源使用限制除岩石的抗压强度外,最主要的依据在于岩石是否与水泥产生碱活性反应,如果出现碱—硅酸盐反应则必须考虑放弃或组合骨料,如向家坝水电站曾由于坝址附近的石灰岩多次试验出现碱活性反应,而导致料场放弃重新选择在30km以外的太平料场。受大坝选址的限制导致了组合骨料技术开始推广,如锦屏的砂岩粗骨料与大理岩细骨料、溪洛渡的玄武岩粗骨料与石灰岩细骨料进行组合等,通过与无碱活性反应的细骨料进行组合消除或抑制成品粗骨料的碱活性反应。
      2.2工艺流程
      工艺流程是系统生产的主线,是系统规划布置和设备选择的基础。根据系统承担的产品种类、数量、强度、岩石条件、成品料质量指标、生产班制等诸多指标,确定系统的规模、工艺环节和破碎设备选型,工艺流程最终可以决定系统的生产成本和质量指标。根据消耗水量的大小,工艺流程可以分为干法、湿法和介于干法与湿法之间控制水量的生产工艺。三者目前并没有严格的界定,但一般来说可以按系统单位处理量用水量进行衡量。湿法工艺:≥1m3/t;控制水量的工艺:0.3~1m3/t;干法工艺:≤0.3m3/t,目前国内水电站砂石料生产系统工艺基本趋于采用控制水量的工艺和干法工艺。但天然料系统大多仍采用湿法生产工艺,如三峡工程高家溪、向家坝凉水井、丹江口等目前一批系统仍然采用湿法生产工艺,主要原因在于料源本身高含水率影响筛分能力和原料中含泥量较大对成品料质量的影响。人工骨料系统选择则相对灵活,主要与料源条件相关,如广西龙滩大法坪系统由于料场夹层较多,只能采用湿法生产,系统实际耗水量1.2m3/t;溪洛渡水电站塘房坪系统料源基本为洞挖料和大坝基坑开挖料,采用控制水量的工艺,系统实际耗水量为0.5m3/t;锦屏水电站三滩系统采用全干法生产工艺,系统耗水量不足0.1m3/t。
      工艺流程根据环节可以分为开路和闭路两种方式,全开路工艺仅在某些天然料系统和小型采石场应用,目前的砂石料生产系统一般由简单的开路和闭路工艺相互组合而成,根据成品料种类、质量、系统规模、设备的破碎比和原料粒径确定破碎环节,四级配生产一般采用四段破碎,即粗碎、中碎、细碎、制砂。三级配一般采用三段破碎,受设备破碎比的影响,二级配生产也采用三段破碎。
      由于不同的工程对骨料质量的要求不同,随着设备性能的提高,工艺环节上也出现了某些特殊的工艺,如整形工艺。整形工艺是一种专门针对料源加工易产生针片状的现象、结合先进的设备产生的独特工艺,这种工艺的特点是原料加工易产生针片状,如溪洛渡水电站塘房坪系统的料源为玄武岩,系统设计时按照成品料的不同,采用了不同的设备进行整形,其中小石采用了三级整形,成品料针片状含量控制在10%以下,相对常规工艺降低了近10%。在各个环节中,以制砂工艺最具复杂性,上世纪九十年代前的制砂工艺一般采用棒磨机,目前已经出现了冲击破碎机单独制砂和二者联合制砂的工艺。随着细骨料石粉含量比例的不断增加,辅助的石粉回收设备和控制工艺也发展起来,如龙滩大法坪系统采用水力分级回收,锦屏水电站三滩系统采用风力控制回收,而亭子口水电站在采用水力分级回收的同时,创新地应用了一种新的石粉生产工艺等。
      2.3系统破碎设备
      人工砂石料生产系统由于系统规模、系统工艺等的不同,使用设备也各不相同,但主要设备种类一般分为:破碎设备、分级设备、输送设备、给料设备和供电等辅助设备。根据系统规模的大小和功能要求的不同,有的系统配备有石粉回收设备、水处理和供水设备、除尘设备等。按制造商则分为国产设备和进口设备。设备选择一般根据流程计算和生产性实验数据进行,目前随着砂石料生产系统的增多,各种设备使用的参数数据已较为齐整,流程计算的数据更接近实际,因此设备选择的准确性也得到提高。设备选择必须与系统规模、布置场地条件、运行管理的方便性有机结合,一般来说,规模大的系统设备尽可能在两台以上,形成双线生产能力,有利于提高系统的可靠性,目前国内大型系统均采用此种方式。在设备来源上,根据系统的重要性和投资决定设备采用国产或进口,进口设备较早用于三峡古树岭系统中的细碎环节,由于其高性能的特点在水电站领域迅速得到推广,广西龙滩大法坪所有的破碎环节均采用进口设备。从工程投资方面考虑,尽管进口设备性能较优,但性格普遍昂贵,随着我国经济的发展和设备制造水平的提高,目前相当多的国产设备性能可与进口设备相蓖美。在其他辅助设备领域,技术水平也得到了长足发展。筛分设备由过去的小型筛逐渐过度到大型筛、高频筛;给料设备已发展到可以实现变频控制流量,确保流程的准确性;输送设备领域在常规胶带输送机更新的基础上,出现了可连续纵、横向转弯的管带和普通胶带输送机;控制系统领域则由过去的分散控制逐渐形成PLC上机位集中控制的模式,大大降低了人员投入。
      3  环境保护与节能减排
      砂石料生产系统是水电站建设中最大的环境污染源,按其危害性大小可分为生产污水、噪音和粉尘的排放,其中污水一直是困扰系统环保措施的重大难题。
骨料系统传统的污水处理工艺,是采用自然加药沉淀结合汽车清运的方式,此种方式一直持续到本世纪,处理后的水一般直接排放于江河中。此工艺存在着排放水污染物易超标、渣料倒运对沿途污染、构筑物易堵塞难疏通、水资源浪费的缺点,同时由于投资商在此项目的投入低,一直为砂石料生产系统的短板。进入本世纪后,我国对污水排放浓度(SS)的指标提高,由最初的200mg/l逐渐过渡到70mg/l的达标排放,在二类水体上严禁排放,这也促进了水电站污水处理工艺的发展与完善。
      2000年5月水电站骨料系统尝试使用矿山污水处理技术——辐流沉淀池配合机械压滤,在广西龙滩麻村系统进行应用试验,但由于设计处理能力低、运行成本高,基本未发挥正常作用;龙滩大法坪系统引进疏浚技术,利用大库容清淤方式取得实效,回收部分污水,形成新的污水处理工艺;受场地限制,瀑布沟系统改进城市污水处理工艺,对沉淀池结构进行优化,取得一定效果,但受系统泥浆浓度的限制,运行中经常堵塞,排泥不畅;向家坝水电站骨料系统在龙滩大法坪系统基础上进一步改进,采用尾矿库形成渣场、回收污水的工艺,降低了成本;溪洛渡骨料系统在麻村系统基础上展开专项研究,完善工艺环节,调整结构,采用机械压滤与真空过滤技术,实现可回收水全部利用,效果良好。
      上述系统均采用湿法生产工艺,解决了生产过程中粉尘和污水排放的问题,但并没有实现系统整体环保有机地结合,锦屏三滩砂石料生产系统采用了全环保工艺,采用全干法生产,系统结合风选工艺进行隔音封闭和机械除尘,最大限度地节约了水资源,实现了节能减排,符合我国建设“资源节约型、环境友好型”社会的需求。毋容置疑,这种环保的生产工艺将成为砂石料生产系统技术研究与发展的方向。随着我国筑坝技术的发展,近年来砂石料生产系统的设计、施工和运行技术也取得了长足进展,目前我国骨料生产技术已经走在了世界先进行列。但也应该清醒地看到,我国的砂石料生产系统在智能控制、远程监控等减少人力资源投入的技术上与国外还有一定的差距,在环境保护和节能减排等技术领域也还有很大的拓展空间,我国的砂石料生产系统对新能源的利用才刚刚起步,这些都将是水电站及其它砂石料生产系统的技术发展方向。

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