陈少学 赵东明

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；
2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；
3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；
4.中电建安徽长九新材料股份有限公司）

砂石矿资源是矿产资源的重要组成部分［1］，砂石骨料是混凝土最大的组成部分，占比约为86.7%［2］，而且混凝土是支撑国民基础设施建设的主要原料，是经济社会发展重要的物质基础与支撑。自改革开放以来，我国城镇化率大幅提高，由1978年的17.92%提高到2021 年的64.72%，这期间消耗了大量的砂石骨料。据统计，2021 年长三角区域三省一市砂石骨料需求量近37 亿t，约占全国需求量的1/5。十八大以来，随着生态文明建设、国家供给侧改深入推进，淘汰落后砂石产能，以及前期地方政府对砂石行业缺乏政策支持［3］，导致砂石骨料供需关系短期失衡，砂石骨料价格快速上涨。以央企和地方国企为代表的企业纷纷布局砂石骨料行业，开始了以大型化、集约化、绿色化的砂石生产模式，加速推进了砂石行业新旧产能的转化。

安徽池州市境内某超大型石灰岩矿由国内某央企开发，设计规模7 000 万t/a，矿石加工采用两段一闭路破碎筛分、成品砂整形的工艺流程［4］。矿山采用露天开采，设计为平硐溜井开拓，共设4条溜井，破碎设备布置于溜井底部，由重型板式给料机从溜井矿仓将原矿给入滚轴筛，滚轴筛筛上进入一段破碎设备进行一段破碎作业，经一段破碎后的原矿由胶带机运送至加工区的半成品堆场，单台破碎设备处理能力达2 000 t/h 以上。由于整个一段破碎系统布置在硐室里，为了保证硐室安全，需尽量减小硐室空间开挖，同时采用高效破碎设备满足前后生产工艺需求。在建筑砂石骨料一段碎破设备中，因原料物理特性不同，常用的设备有锤式破碎机、颚式破碎机、旋回破碎机［5］，且各种设备均有不同的应用场景。建设方通过方案论证及广泛调研，一段破碎设备需满足破碎比大、处理能力大、设备尺寸小、易安装等需求，通过破碎试验研究进一步验证了相关工艺参数，通过综合比较，一期工程采用了山东某企业生产的新型单段锤破。

单段锤式破碎机主要应用于水泥、陶瓷、非金属矿和新型绿色建材等行业。大块物料通过给料设备进入破碎腔内，堆积在设备内特设的中间托架上，锤头在中间托架的间隙中运行，将大块物料连续击碎而坠落，坠落的小块经高速运转的锤头进一步打击而细碎，最后经弧形篦板均整合格后卸出。

山东某企业通过对传统单段锤式破碎机进行改进，研制出了新型单段锤破，设备性能有了较大的提升。以JSPCD2626 为例，主要改进如下：一是通过将传统2 台800 kW 电机驱动主轴及主轴带动转子，改进为由1 250 kW 单电机直接驱动转子；
二是锤头升级为重锤，并将数量减少至16 个，锤头呈交错状布局，并在转子盘上方架设弓形棚条，弓形棚条对大块石料进行了有效格挡，避免了大块石料对转子的冲击，保证转子的平稳运转；
三是通过设计增加皮带轮的质量，使转子可获得巨大惯性，进一步降低负荷。通过以上3个方面的改进，锤头交错布置剪切大块石料，石料经剪切初破后被新一轮锤击带动赋与了巨大的动能，撞击到侧面与顶部的“倒钉子”型反击板上。石块与若干个反击凸尖接触，单一凸尖瞬间产生2 000 MPa 以上的压强，实现快速破碎。利用“点接触”高压强破碎原理，既提高了破碎效率，又减少了石粉的产生，且由于点破碎的顺裂效应，石块会顺着天然解理纹路进一步达到完全破碎的效果，从而确保破碎后的骨料颗粒无裂纹，由传统的“铁打石”破碎方式变成了“石打铁”，破碎方式的改变，大幅度提升了破碎效率，进而大幅降低了破碎能耗。改进后的新型单段锤破具有以下特点：①破碎比大，一次成型50 mm 以下部分占比90%以上；
②相对其他传统锤破更节能；
③转子锤头型号和布置方式变化，减少了锤头数量，有效降低了易损件数量；
④成品粒型较好，针片状少，进一步降低了石粉含量。

该矿石中矿物成分比较简单，主要成分为方解石，含量80%以上，少量白云石、泥铁质矿物和微量石英，矿石化学多元素分析结果见表1。矿体矿石自然类型主要为泥晶灰岩、微晶泥晶灰岩、碎屑灰岩、瘤状灰岩、条带状灰岩等，矿石硬度系数为8～12，密度2.68 g/cm3，抗压强度在36.3～93.4 MPa，平均值为64.9 MPa。

由表1 可知，矿石中的主要有用组分CaO 含量高，有害组分MgO、K2O+Na2O、SO3、Cl-含量低。

改进后的新型单段锤破能够满足破碎比大、处理能力大、设备尺寸小、易于安装等硐室布置需求，但该设备普遍存在石粉产率偏高的问题。为了进一步考察实际生产中的石粉情况，建设方共取千吨级矿样送至类似生产设备进行试验研究，试验样机为JSPCD2630。原矿粒度组成见表2，原矿粒度曲线见图1，一段破碎后物料粒度分析结果见表3，破碎后物料平均粒度见图2。

由表3 可知，通过单段锤破一段破碎后-45 mm产率达97.40%，4.75 mm 含量14.17%，-45 mm 产率增加了85%以上，破碎效果明显，含粉量也较为理想。

将试验生产的骨料按骨料产品划分后开展物理力学性能试验，对照《建设用卵石、碎石》（GB/T14685—2011），除个别产品压碎指标为Ⅱ类标准外，其他规格骨料各项指标均满足Ⅰ类标准要求。

一期工程溜井矿仓下配有宽度为2.4 m的重板滚轴筛供料，滚轴筛间距80 mm，原矿经滚轴筛预先筛分后进入JSPCD2626 新型单段锤破。破碎设备安装运行至今有3 a，累积处理原矿已超亿吨，在供矿稳定时，对设备相关参数进行了测试。

（1）在给料较为饱和的情况下，连续测试3 h，新型单段锤破瞬时产量峰值达2 648 t/h，平均产量2 600 t/h，电流稳定在额定电流，有效减少了对设备的冲击，折算吨原矿电耗为0.3 kW·h。

（2）对预先筛下物料和粗破产品进行粒度分析（表4），试验产品和生产综合产品主要粒度对比见表5，综合产品与试验粒度曲线对比见图3。对比表2中原矿-50 mm 粒级，综合产品-50 mm 产率增加了约84.31%，综合产品-31.5 mm 粒级减少了10.52%，综合产品-9.5 mm 粒级增加了5.79%。生产综合产品-50 mm 产率达92%以上，-31.5 mm 产品达72.72%，-4.75 mm产品产率22.86%。

（3）新型单段锤破每半年合计更换64 个锤头和32 根锤轴等耗材，单位原矿耗材成本约0.02 元/t，维修量和成本均较低。

（4）新型单段锤破最大检修件转子质量32 t，设备最大尺寸5 310 mm×4 775 mm×6 200 mm，相对于颚式破碎机和旋回破碎机其设备尺寸及最大件质量均满足设计需求，实现了硐室最小开挖量的设计目标，有效地保障了空间安全。

（1）新型单段锤破具有破碎比大、处理量大的优势，池州某超大型企业通过生产实践证明，最大粒度在1 000 mm 的前提下，可破碎至约53 mm，破碎比超过18；
在稳定供矿情况下，选用的JSPCD2626 型设备的小时处理量可稳定在2 000 t以上。

（2）通过长时间生产证明，在设有预选筛分的工艺下，新型单段锤破折算吨原矿电耗小于0.3 kW·h，单位原矿破碎耗材成本约0.02 元/t，符合新时代碳排放要求。

（3）对于建筑用石料软岩破碎设备，特别是在大型矿山开拓方案采用硐室破碎时，选用新型单段锤破作为一段破碎设备，设备尺寸小能够降低投资强度，减少空间暴露。

（4）对比试验研究，生产综合产品中-4.75 mm 产率比试验高了8.69 个百分点，含粉率过高跟爆破工艺等其他因素均有关，但过粉碎依旧是该类设备的弊病之一，这跟其破碎原理有密切关系。新型单段锤破适用于矿石抗压强度不是特别大的建筑用砂石骨料的破碎，可为类似砂石骨料矿山破碎设备选择提供实践支撑。

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