特大型砂石矿山“长九模式”绿色技术研究

刘孟辉

（1.中国水利水电第八工程局有限公司；2.中电建安徽长九新材料股份有限公司）

随着国民经济的快速发展，基础建设对砂石的需求持续走高，2007—2015 年，我国砂石需求量从102 亿t 增至177 亿t，其中2014 年需求量高达187亿t［1］。为了加快推进生态文明建设，2015 年安徽省的砂石矿山由1 005 个减至781 个，一年时间内减少了224 个［2］，加剧了局部砂石供应紧张的局面。

长九（神山）灰岩矿位于安徽省池州市贵池区境内，矿区面积4.73 km2，资源储量19.08 亿t，矿山设计总生产规模7 000 万t/a，分两期实施，每期3 500 万t/a，系目前全球单体最大的建筑骨料生产基地，总投资93.36 亿元。长九项目主要由矿山（含加工区）、物流廊道、长江专用码头三大系统工程组成，项目一期于2019 年6 月底正式建成投产，项目矿山二期于2021年底建成投产，码头二期正在加紧推进立项报建工作。

1 绿色矿山工程

在矿山资源的开发过程中，为了避免对当地环境造成过多扰动，坚持绿色高效开采，并创建绿色矿山。绿色矿山是指在资源开发全过程中，做到科学有序开采，高效利用资源，使矿区及周边生态环境可控，确保在开发周期内始终与周边环境相协调［3］。为此，长九项目设计初期运用绿色高效采选技术，不断优化设计方案，积极谋划采选设备大型化、生产控制智慧化、矿区环境公园化的办矿理念，将绿色矿山的建设要求贯穿于矿山的规划、设计、建设、运营等多个过程。长九（神山）灰岩矿项目总平面布置见图1。

1.1 采矿系统

长九（神山）石灰岩矿采矿权共33 个拐点圈定，开采标高+408.60～+40 m。矿区灰岩矿体埋藏浅，厚度大，倾角缓，为独立山体，东西长约4.5 km，南北宽约1.5 km，赋存标高位于当地地表标高以上；采用露天开采方式，台阶高度15 m，台阶坡面角65°，安全平台宽度8 m，清扫平台宽度10 m，每隔2个安全平台设置1个清扫平台，最小工作平台宽度60 m。矿石采用公路—溜井—平硐联合开拓运输方式，废石用汽车直接运输至排土场。采场靠近北侧山坡由东向西平行设置了4 条直径8 m 的溜井，溜井间距620～800 m不等，同时在矿体北侧修筑了9 m 宽的上山开拓道路，开拓道路为Ш 级道路。矿体主要采用直径120～160 mm 潜孔钻穿孔，采用毫秒微差控制爆破，孔网参数4 m×6 m；主要采用4.6 m3挖掘机进行装车，并配有3.2，2 m3挖掘机辅助铲装；运输矿石采用非公路60 t 宽体自卸车，剥离风化层采用TR50 型自卸汽车，运营期采用新能源汽车代替了部分燃油车；破碎硐室内设有宽2.4 m 的重型板式给料机，将溜井矿石给入SR2461 型滚轴筛进行预先筛分，筛上原矿采用新型单段锤破进行高效破碎，预先筛下产品和单段锤破产品分别由不同带宽的带式输送机送至加工区作业。

采矿系统在砂石矿山创新性地采用了公路—溜井—平硐联合开拓运输方式，直接降低工程投资超1.7 亿元，每年可节省矿石运输费用超1.3 亿元，科学的开拓方案设计给企业带来了极大的经济效益，同时也因减少了汽车用量，有效的减少了汽车尾气排放和运输扬尘量，为低碳经济和绿色矿山的创建提供了有力保障。

1.2 砂石加工系统

砂石骨料是混凝土的主要成分，它的质量在一定程度上影响着工程质量。长九（神山）水泥用石灰岩饱和抗压强度平均值约为64.9 MPa，属于易碎—中等可碎性岩石［4］，对于该类矿石，中小型骨料加工线大多采用锤破+反击破的组合作为破碎设备，该种流程具有流程短、破碎比大的优势，但也不可避免地产生了含粉率高、产品产率可调整度小、易损件磨损快、维修量大的缺点。

为了选择适合的骨料加工流程及设备，并实现生产设备大型化、生产系统模块化、产品质量可控、产品产率可调的生产目标，项目组进行了大量的方案对比、试验研究和实践考察，创造性地采用了新型单独锤破+圆锥破碎机的组合破碎流程，解决了传统锤破+反击破的含粉率高、维修量大等缺点，新流程具有短流程、破碎比大、能耗低的优点。该流程设计砂石加工生产能力7 000 万t/a，最终产品为4.75～16 mm、16～25 mm、25～31.5 mm 碎石，以及0～4.75 mm水洗砂及0～6 mm 石粉。砂石加工系统共分2 个区域，分别为矿山加工区域和陆域筛洗区域，2 个区域由1 条绿色物流廊道连接。长九（神山）灰岩岩矿砂石加工生产流程见图2。

1.2.1 矿山加工区域

矿山加工区域布置于矿山北侧，设计处理能力7 000 万t/a，整个矿区规划为2 个相对独立的生产模块，每个生产模块由溜破硐室、预筛分车间、半成品堆场、第一筛分车间、第二筛分车间、细碎车间、成品堆场、制砂楼、除尘系统以及配套辅助设施等组成。

溜破硐室位于矿体底部，共有4个硐室，一期、二期各建设2 个硐室，每个硐室内配有2 套生产设备，2套生产设备可独立生产，也可同时生产。给料设备为GBZ2400X14000 重型板式给料机，预先筛分设备为SR2461 型滚轴筛，粗碎设备为新型JSPCD2626 单段锤破。新型JSPCD2626单段锤破具有破碎比大、处理量大、能耗低、体积小等显著特点［5］，设备直接投资降低了2.4亿元。

（1）一期砂石工艺。预筛分车间设有2 台3YKR3075 型圆振动筛处理滚轴筛的筛下产品，第一筛分车间设有20 台3YKR3075 型圆振动筛处理经新型单段锤破破碎的产品，第二筛分车间设有8 台3YKR3075 型圆振动筛处理与圆锥破碎机形成闭路破碎的产品，合计30台。3YKR3075型圆振动筛均为3 层筛网，筛上+31.5 mm 粒级产品均进入中细碎作业，预筛分车间的2 台3YKR3075 筛下-6 mm 粒级产品即为石粉产品，第一筛分车间和第二筛分车间的28台3YKR3075型圆振动筛的筛下-4.5 mm粒级产品也作为石粉产品，石粉产品由物流廊道运至陆域筛洗区域后从专用码头外销。预筛分车间、第一筛分车间和第二筛分车间的30 台3YKR3075 型圆振动筛的筛中产品合并后由物流廊道运至陆域筛洗区域进行下一作业。

细碎车间各配置了4 台CC400-X1 型和CH660MF 型圆锥破碎机，该类破碎机采用的是层压破碎原理，骨料针片状和粒形均优于其他破碎机，最终产品含粉量也低于其他类型破碎机约3%，具有故障率低、磨耗件更换简单、生产效率高、单位电耗较低的优点，较易实现设备大型化。制砂系统配置了8套制砂楼。

（2）二期砂石工艺。二期砂石工艺与一期基本保持一致，仅对部分生产设备和建构筑物布置进行了优化，合并了第一和第二筛分车间，共布置了20台3LF2870 型环保筛和6 台3WFPS-XC-3075 型弛张筛，细碎设备改为型号更大的4 台CH870 圆锥破碎机，所有大型带式输送机驱动采用永磁电机。

1.2.2 陆域筛洗区域

陆域筛洗区域设置在长江专用码头一端，主要功能为产品筛洗和码头储存，共设16 台3YKR3680型圆振动筛作为筛洗设备，并配套选用了16 台FC-15 型螺旋分级机，经筛洗的各种骨料产品和水洗砂进入码头产品堆场。

陆域筛洗区域筛洗作业产生的所有废水均循环处理回用，采用预处理+辐流沉淀池+高压隔膜压滤机综合处理工艺，废水处理规模2 500 m3/h，实现了废水零排放。废水处理系统共设有4座辐流式沉淀池，池体直径34 m，深5.3 m，池体形式采用圆柱体+底部锥形结构，设计为半埋式，锥形部分在地面以下，圆柱体在地面以上，整体采用钢筋混凝土结构形式。经浓缩沉淀的尾泥采用12 台800 m2节能高效压滤机，1 个循环40 min，滤饼水分控制在20%以下。经处理后的水全部回收利用，脱水后产生的泥渣运至指定的污泥暂存堆场堆存，再定期将污泥外运进行综合利用。

2 绿色物流廊道工程

对于砂石矿山而言，外部运输是制约开发规模和市场环境的主要因素，在现代大宗物料运输方案中，长胶带绿色廊道是砂石运输的生命线［6］，其承担了砂石加工区与专用码头之间的作业连接和物流运输。长九项目绿色物流廊道线路起点为矿山砂石工厂，终点为码头陆域的混合料堆场，由弧线和直线组合布置，全程12.98 km，采用了单线单条布置，带宽2.4 m，带速5.0 m/s，运输能力1.3 万t/h。

绿色物流廊道地面段长度为6.15 km，采用栈桥结构形式；设有4 条隧洞，总长5.1 km，分别穿越杨公岭、南泉岭、姥山3座大型山体。对于隧洞段支护，在Ⅱ、Ⅲ类围岩段采用喷锚永久支护，IV、V类围岩先采用挂网喷锚与钢格栅联合初期支护，后采用钢筋混凝土二次衬砌进行永久支护。隧洞先后下穿铜九铁路、横跨S236 省道、下穿G50 高速、横跨G318 国道以及升金湖自然保护区。绿色物流廊道长度长、沿线地形和周边环境复杂，全线均采用了封闭结构，并配备了降噪和除尘等措施，最大程度地减少了对周边环境的扰动。

3 专用码头工程

专用码头水域部分位于长江牛头山港区，设计年吞吐量6 000 万t，规划12 个5 000 t 级散货出口泊位，岸线总长1.6 km。按照“一次规划，分期实施”的原则，码头一期工程设计7 个泊位和5 台3 000 t/h 装船机，岸线长度975 m，年设计吞吐能力3 500 万t。二期设计5 个泊位和3 台3 000 t/h 装船机，岸线长度625 m，年设计吞吐能力2 500 万t。成品砂石经下部地笼带式输送机分别运输至码头装船带式输送机，再经沿岸线布置的装船机装船。码头装船设备选用直线轨道式装船机，轨距14.0 m，用于载重500～5 000 t散货船的装船作业。

4 智慧矿山建设

智慧矿山是指将矿山开采过程中的各种静态、动态信息进行数字化处理，并通过计算机网络实现对矿山的实时自动定位和导航技术的一体化系统［7］。长九（神山）石灰岩矿生产规模大，系统作业面多，分布广，生产过程工序繁多而复杂，设计与建设初期，便结合国家政策和行业发展趋势，通过智慧矿山建设将矿山（含加工区）、物流廊道和专用码头3 个生产系统的信息、监控、控制、分析集成于一套信息化系统，目前智慧矿山建设已形成“两大系统，三大管控平台”，即物联网控制系统、视频监控系统、物联网管控平台、智慧码头管控平台、智慧矿山综合管理平台等。智慧矿山综合管控平台总体框架见图3。

（1）物联网控制系统包含计量系统、自动化控制系统、料仓自动布料系统、控制中心及网络传输系统，同时建设有物流廊道控制系统、装船机控制系统、污水处理系统、除尘系统、制砂楼控制系统等。系统总体实现了料仓自动布料、系统生产数据自动计量与实时监管、所有设备启停顺序的自动连锁控制、运行工况的在线监测、报警及记录等功能。

（2）视频监控系统对主要生产区域、重点辅助设施、重点人员作业区域，分级布置了不同分辨率的球型、枪型海康摄像头，共570个，采用高清摄像机进行远程实时监控，实时监管现场生产过程，保障作业人员的安全。

（3）物联网管控平台主要满足长九项目产品加工部分在信息集成、生产管理和安全管理等方面的需求，以设备的全流程自动化运转为基础，实现设备的点巡检管理、维修管理及数据分析，实现系统对产品加工沿线设备的智慧化管控，提高系统的监控质量和效率。

（4）智慧码头管控平台主要满足码头区域生产人员及客户自产品销售合同签订到产品运抵客户堆场的全过程，所涉及的码头作业管理、骨料销售管理及信息获取需求，便于不同层级和类型用户围绕产品协同工作并获取相关信息，实现管理信息的透明化，提高管理的质量和效率。

（5）智慧矿山系统依据“绿色矿山”建设标准开发，包含资源管理、地质监测、三维储量、环境监测、电子围栏、技术文档等模块。

5 结 论

（1）长九项目在矿山开拓上采用了公路—溜井—平硐联合开拓运输方式，在砂石破碎中采用了新型单段锤破+圆锥破碎机组合破碎，在物流廊道运输中采用了长距离、大宽带、高带速带式输送机运输方式等多项先进绿色工艺技术，项目起点高，技术先进，完成了对传统水电砂石生产技术的升级换代。

（2）长九项目采用了以TR100 型自卸运输汽车、JSPCD2626 新型单段锤破、CH870 大型圆锥破碎机、2.4 m 带宽带式输送机为代表的大型化生产设备，实现了资源的集约化绿色开发，发挥了规模性优势，创造了极大的经济效益，为后续大型砂石矿山的建设树立了标杆。

（3）立足长九项目开发特性，智慧矿山建设将砂石矿山（含加工区）、物流廊道和专业码头的各种静态、动态信息集于一体，实现了资源开发智慧化。

（4）“长九模式”创建了绿色廊道运输和码头水路组合绿色运输大型实践案例，突破了砂石骨料销售经济半径的限制，能够面向城市建筑市场需求，提供规模化、集约化、高品质的砂石产品，开创了特大型绿色砂石项目投资开发新模式。