砂板岩生产反滤料及掺砾料加工系统工艺流程设计及设备配置
摘要：两河口水电站反滤料及掺砾料加工系统在国内首次采用砂板岩生产反滤料和掺砾料。针对砂板岩的岩性特点，通过对工艺流程的设计、改进以及加工设备的合理选型配置，系统保质保量地生产出满足大坝填筑要求的反滤料及掺砾料，且系统工艺流程调整灵活，产品质量可控，有关经验可供同类砂石加工系统借鉴。
关键词：砂板岩 反滤料 掺砾料 加工系统 工艺设计 设备选型
1 工程概况
两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，挡水大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高295.00m。大坝的防渗体采用砾石土直心墙型式，坝壳采用堆石填筑，心墙与上、下游坝壳堆石之间均设有反滤层Ⅰ、反滤层Ⅱ和过渡层。
两河口大坝前期所需反滤料及掺砾料284.42万t，由庆大河反滤料及掺砾料加工系统加工生产。该系统位于大坝左岸306A隧道出口的庆大河1#渣场，设计处理能力500t/h，设计生产能力435t/h，其中掺砾料165t/h，反滤料Ⅰ135t/h、反滤料Ⅱ135t/h。
系统加工的石料料源为洞渣料及瓦支沟石料场开采料，石料岩性为变质粉砂岩与粉砂质板岩，平均饱和抗压强度约为80MPa，属易破岩石，岩石粒形相对较差。
2 掺砾料及反滤料的级配要求
系统工艺流程设计的关键是针对掺砾料、反滤料Ⅰ和反滤料Ⅱ的级配特性，如何将成品砂石的各级配粒径控制在包络线范围内。
两河口大坝砾石土心墙的掺砾料级配要求连续，粒径范围为5～100mm。掺砾料级配要求见表1及图1。
反滤料Ⅰ的最大粒径应不大于20mm，小于0.075mm的颗粒含量应小于5%。
反滤料Ⅱ的最大粒径应不大于60mm，小于0.075mm的颗粒含量应小于3%。
反滤料Ⅰ、反滤料Ⅱ的设计级配见表2和图2。
表1 掺砾料设计级配%
图1 掺砾料设计级配曲线
a—上包线；b—下包线
表2 反滤料设计级配表%
图2 反滤料Ⅰ和反滤料Ⅱ设计级配曲线
a—反滤料Ⅰ上包络线；b—反滤料Ⅰ下包络线；c—反滤料Ⅱ上包络线；d—反滤料Ⅱ下包络线
3 加工系统的工艺流程设计
3.1 工艺流程的设计原则
(1)为确保两河口大坝的填筑进度和质量，系统的工艺设计遵循运行可靠、成品质量符合规范和设计要求、生产能力满足工程需要的原则。
(2)系统布置在回填渣场，为了避免主要车间及设备的不均匀沉降，主要车间尽可能布置在开挖形成的平台或硬基上，并充分利用地形地貌特点，使总体布置紧凑、合理，减少空间交叉。
(3)为满足反滤料及掺砾料的级配要求，确保成品骨料的质量，工艺流程设计应有灵活调整、控制产品质量的措施。
(4)为提高系统长期运行的可靠性，关键生产设备采用技术领先、质量可靠、生产能力大、运行成熟的国内外先进设备。
(5)工艺设计中严格执行国家环境保护相关规定，避免污染生态环境。
(6)在保证反滤料及掺砾料质量和产量、系统安全可靠、环保的前提下，简化工艺流程和系统布置，降低工艺流程的循环负荷量，优化设备配置，减少建安工程量，缩短施工工期，降低工程造价。
3.2 加工系统的组成
庆大河反滤料及掺砾料加工系统由粗碎车间、半成品堆场、第一筛分车间、第二筛分车间、中细碎车间、超细碎车间、第三筛分车间、制砂车间、成品堆场、反滤料精确掺拌系统、汽车装料仓、废水处理系统、供水供电系统、电气控制系统等组成。
3.3 加工工艺流程设计
庆大河反滤料及掺砾料加工系统加工工艺流程见图3。
(1)掺砾料的加工工艺流程。采用粗碎开路，中细碎与第一筛分构成闭路生产5～100mm掺砾料，进入成品堆场堆存。筛分分级出的＞100mm物料和级配平衡后多余的60～100mm物料返回中细碎车间破碎，形成闭路循环,20～40mm物料不足部分通过第二筛分补充，＜5mm的物料送至超细碎车间。通过调整中细碎车间循环负荷量可相应调整掺砾料的各级配比例，当掺砾料的级配比例满足设计级配要求后固化掺砾料的生产工艺。系统投产后生产的掺砾料的实际级配满足设计级配要求，取样试验结果见表3和图4。
图3 庆大河反滤料及掺砾料加工系统加工工艺流程图
表3 掺砾料取样颗粒试验级配表
图4 掺砾料取样试验级配曲线
a—上包线；b—下包线；c—掺砾料取样曲线
(2)反滤料的加工工艺流程。反滤料Ⅰ由5～20mm物料及≤5mm的反滤砂Ⅰ按比例掺配而成，反滤料Ⅱ由20～60mm、5～20mm物料及≤5mm的反滤砂Ⅱ按比例掺配而成。通过反滤料的级配曲线分析，系统可以生产一种反滤砂来掺配反滤料Ⅰ和反滤料Ⅱ，以简化系统工艺配置。
反滤料的级配料加工工艺流程：采用粗碎开路，中细碎与第二筛分构成闭路生产20～60mm、5～20mm物料，分别进入成品堆场堆存。筛分分级出的大于60mm物料和级配平衡后多余的40～60mm物料返回中细碎车间破碎，形成闭路循环。部分20～40mm、5～20mm及＜5mm物料进入超细碎车间。
反滤砂的加工工艺流程：来自第一筛分的＜5mm的物料，以及第二筛分的20～40mm、5～20mm和＜5mm的物料，送至超细碎车间，超细碎与第三筛分构成闭路生产＜5mm反滤砂，经水洗清除＜0.075mm石粉后，进入成品堆场堆存。为了改善反滤砂的级配，降低2～5mm颗粒含量，增加1～2mm颗粒含量，第三筛分车间部分5～10mm的物料送至制砂车间（对辊制砂机）和第四筛分生产＜5mm反滤砂，破碎筛分水洗后，进入堆场。
反滤料的掺配工艺：成品堆场的20～60mm、5～20mm、＜5mm(反滤砂)各级物料，按一定比例，通过成品堆场底部下料口安装的调速皮带秤、廊道皮带输送机及相应的计算机控制装置，可分别进行精确掺配反滤料Ⅰ和反滤料Ⅱ，并通过皮带输送机运输至汽车装车料仓，转自卸汽车运输。系统投产后掺配的反滤料Ⅰ和反滤料Ⅱ的取样试验级配见表4和图5。
表4 反滤料取样试验级配表
图5 反滤料Ⅰ和反滤料Ⅱ取样试验级配曲线
a—反滤料Ⅰ上包络线；b—反滤料Ⅰ下包络线；c—反滤料Ⅱ上包络线；d—反滤料Ⅱ下包络线；e—反滤料Ⅰ取样曲线；f—反滤料Ⅱ取样曲线
本加工系统掺砾料和反滤料的级配料采用干法生产，反滤砂采用湿法生产。
4 主要设备选型与配置
4.1 设备的选型原则
(1)设备的选型应充分考虑设备可靠性、匹配性、经济性，设备的类型、规格、数量满足流程的需要和产品质量、数量的需要。
(2)选用的破碎设备应适应工程的原料岩性特点，并满足给料粒径的要求，其生产能力、粒度特性满足工艺和质量要求。
(3)上、下道工序选用的设备负荷应均衡，同一作业的设备尽可能选用相同规格型号及同一厂商的设备，以简化机型，便于维修。
(4)为提高加工系统的运行可靠性，系统的关键设备应选用技术先进、质量可靠、生产工效高、成熟耐用的加工设备，尽量选用在其他大型类似工程已应用，并取得成熟经验的设备。
(5)尽量选用便于操作、工作可靠、节省投资、能耗低，以及能降低运行损耗费用的设备。
4.2 主要设备选型与配置
(1)粗碎设备：选用1台PE900×1200型颚式破碎机，用于处理渣场回采的粒径小于900mm的毛料，单台处理能力450t/h(排料口175mm)。高配160kW的电机。经测试，破碎砂板岩的实际处理能力达到620t/h(排料口200mm)，设备负荷率约85%。
(2)中细碎设备：配置两台NP1315型反击式破碎机(发包人提供的设备)，用于破碎粗碎后＞100mm物料及部分20～100mm物料，单台处理能力350t/h，设备负荷率约71%。
由于在系统设计前未对砂板岩做磨蚀试验，虽然岩石的平均抗压强度不高，但磨蚀系数很大，导致反击式破碎机的板锤在运行中磨损快，需要经常更换，造成生产成本增加。
系统试生产阶段，在半成品料场出料皮带机后安装了1台PYB1750圆锥式破碎机，经圆锥式破碎机破碎后的物料送入中细碎与第一筛分闭路生产掺砾料及反滤料的级配料，中细碎反击式破碎机仅承担级配平衡后部分60～100mm物料的破碎。
根据目前系统设备运行情况，对于磨蚀系数大的砂板岩，中细碎设备不适合采用反击式破碎机。
(3)超细碎设备：配置两台CH-PL860E型立轴式冲击式破碎机，单台处理能力300～400t/h，设备负荷率约70%，用于生产＜5mm物料。
庆大河反滤料及掺砾料加工系统系国内水电工程首次采用砂板岩生产级配要求高的反滤料（反滤料Ⅰ中＜2mm粒径含量达70%）。为了调整反滤砂的级配和控制反滤砂的质量，系统在试生产阶段采取了两项措施：①增加了制砂车间和第四筛分车间,配置了两台对辊制砂机、两台圆振动筛和1台螺旋分级机，来调整反滤砂的级配，增加反滤砂的产量；②改变第三筛分车间圆振动筛下层筛网筛孔尺寸，以提高振动筛筛分效率。
制砂设备：配置两台SLZ850型对辊制砂机,单台处理能力60～150t/h，设备负荷率约75%。该对辊制砂机主要由轧辊、轧辊支撑轴承、压紧和调节装置以及驱动装置等部分组成。两辊轮分别以键固定在两转轴上，轴两端各有一组轴承支撑，固定轮用螺栓固定在机架上，活动轮则装有安全弹簧和滑动轴承盒；两辊轮之间装有楔形或垫片调节装置，调节对辊制砂机的出料粒度；对辊制砂机驱动机构是两台或单台电动机，通过联轴器的软连接带动轧辊，按照相对方向运动旋转。在破碎物料时，物料从进料口通过辊轮，经碾压面破碎，破碎后的成品从底架下面排出。对辊制砂机安装维修方便，出料粒度调节容易，制砂能耗低。
（4）筛分设备：第一筛分配置两台3YKR2460H型圆振动筛（筛孔100mm、60mm、5mm）,单台处理能力120t/h，设备负荷率约83%。第二筛分配置两台2YKR2460H型圆振动筛（筛孔60mm、40mm）,两台2YKR2460型圆振动筛（筛孔20mm、5mm）,单台处理能力120t/h，设备负荷率约83%。第三筛分配置4台2YKR2460型圆振动筛（筛孔10mm、3.5mm）,单台处理能力50t/h，设备负荷率约80%。第四筛分配置两台1YKR2460型圆振动筛（筛孔3.5mm）,单台处理能力50t/h，设备负荷率约80%。
(5)反滤料精确掺配系统：由料仓下部廊道内的10台TDG-150型调速皮带秤、两条廊道带式输送机和PLC控制系统组成，每台调速皮带秤的称重能力为150t/h，系统反滤料Ⅰ的掺配能力为350t/h,反滤料Ⅱ的掺配能力为500t/h。
本掺配系统是以调速皮带秤为执行机构的计算机控制的多种料动态连续配料系统，也是国内水电工程的首创应用。该系统通过上位计算机实现对调速皮带秤的联动控制，当其中一种物料缺失时，其他物料自动停止，保证配料比例的精确度，确保反滤料的掺配质量，反滤料的掺配合格率在99%以上；系统具有良好的人机界面，直观地显示出生产过程的工艺流程及各被控设备的参数，便于操作人员监视和调整生产中的各种工艺参数，提高生产效率。
(6)废水处理系统选用了1台XS-12-500型细砂回收装置，处理能力为100～220m3/h；配置了两台XMYFZ500/1500-UB型板框式压滤机，每台过滤面积为500m2，基本满足湿法制砂产生的废水的处理。
庆大河反滤料及掺砾料加工系统的主要工艺设备配置见表5。
表5 加工系统主要工艺设备配置表
5 结语
(1)庆大河反滤料及掺砾料加工系统工艺设计合理，利用砂板岩生产的反滤料及掺砾料符合设计颗粒级配要求。
(2)系统投产后的产能测试结果表明，系统成品料总生产能力为617.73t/h，其中掺砾料304.06t/h，反滤砂130.7t/h，5～20mm物料76.4t，20～60mm物料106.57t。
根据反滤料Ⅰ和反滤料Ⅱ的掺配比例计算，20～60mm、5～20mm物料及反滤砂的产能满足掺配反滤料Ⅰ和反滤料Ⅱ的设计生产能力。
(3)掺配后的反滤料Ⅰ和反滤料Ⅱ的级配能否满足设计级配要求，关键要控制反滤砂的质量。在系统生产过程中，随时抽样检测反滤砂的级配，反滤砂中0.075mm的颗粒含量按小于5%控制，并且＜2mm粒径实际含量达90%以上，才能掺配出符合级配要求的反滤料Ⅰ和反滤料Ⅱ。