潘忠濤 董霄

摘要：以某鐵礦為例進(jìn)行井下破碎方案的研究，并進(jìn)行破碎設(shè)備的選型計(jì)算，對(duì)顎式破碎機(jī)和旋回破碎機(jī)的優(yōu)劣進(jìn)行比選。結(jié)果表明：選擇井下破碎系統(tǒng)方案時(shí)，當(dāng)1臺(tái)顎式破碎機(jī)滿(mǎn)足要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用顎式破碎機(jī);當(dāng)1臺(tái)顎式破碎機(jī)不能滿(mǎn)足要求時(shí)，需要根據(jù)礦山的具體情況進(jìn)行比較確定。900萬(wàn)t/a鐵礦的破碎系統(tǒng)方案比較表明，該生產(chǎn)規(guī)模下，2臺(tái)顎式破碎機(jī)的破碎方案優(yōu)于1臺(tái)旋回破碎機(jī)的破碎方案。

關(guān)鍵詞：地下開(kāi)采;破碎系統(tǒng);破碎設(shè)備;大塊率;設(shè)備選型

中圖分類(lèi)號(hào)：TD451文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）06-0055-05doi：10.11792/hj20210611

出礦塊度較大或大塊較多的礦山，常需在露天采場(chǎng)、地下采掘工作面、溜（豎）井旁或礦山地面設(shè)置粗破碎裝置，將礦巖破碎至裝運(yùn)、提升機(jī)具所要求的塊度。對(duì)于地下開(kāi)采礦山，特別是大型礦山，若采用底卸式箕斗提升系統(tǒng)，由于其允許裝載礦石塊度不大于350 mm，所以需要在井下設(shè)置礦石粗破碎系統(tǒng)對(duì)礦石進(jìn)行破碎作業(yè)。目前，井下礦山常用的破碎方式主要為重型板式給料機(jī)+顎式破碎機(jī)或旋回破碎機(jī)。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，礦山對(duì)破碎設(shè)備的破碎能力要求也越來(lái)越高，采用不同破碎機(jī)或破碎系統(tǒng)方案產(chǎn)生的投資、運(yùn)營(yíng)等差別也愈發(fā)明顯。因此，選擇恰當(dāng)?shù)钠扑樵O(shè)備和破碎系統(tǒng)方案就變得尤為重要[1-4]。本文以某鐵礦為例進(jìn)行破碎設(shè)備的選型計(jì)算并對(duì)破碎系統(tǒng)方案進(jìn)行比較，以期對(duì)礦山井下破碎系統(tǒng)及破碎設(shè)備的選擇給予理論指導(dǎo)，并為設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

1 井下破碎系統(tǒng)

1.1 破碎原理

破碎是一種使大塊物料變成小塊物料的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程是用外力（人力、機(jī)械力、化學(xué)能、原子能或其他方法等）施加于被破碎的物料上，克服物料分子間的內(nèi)聚力，使大塊物料分裂成若干小塊。礦石是脆性材料，它在很小的變形下就會(huì)發(fā)生破壞。目前工業(yè)上主要利用機(jī)械力來(lái)破碎礦石，方法有壓碎、劈碎、折斷、磨碎、沖擊破碎等。事實(shí)上，任何一種破碎機(jī)都不能只用其中某一方法進(jìn)行破碎，一般都是由2種或2種以上的方法聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行破碎，如壓碎和折斷，沖擊和磨碎等。礦石的破碎方法主要是根據(jù)礦石的物理機(jī)械性質(zhì)、礦石塊尺寸和破碎比來(lái)選擇。

1.2 破碎裝置

1.2.1 破碎機(jī)結(jié)構(gòu)要求

破碎機(jī)經(jīng)常在繁重負(fù)荷的條件下和灰塵密布的惡劣環(huán)境中工作，為了保證破碎機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的安全性和可靠性，破碎機(jī)必須滿(mǎn)足以下要求：①破碎機(jī)的傳動(dòng)裝置，給礦口及排礦口必需有安全保護(hù)裝置;②破碎機(jī)應(yīng)有簡(jiǎn)單而有效的保險(xiǎn)裝置;③破碎機(jī)的構(gòu)造應(yīng)當(dāng)保證迅速而容易地更換其全部被磨損的部件，特別是破碎部件，要確保更換數(shù)量盡可能少，且每一個(gè)部件的質(zhì)量不能太大，其形狀應(yīng)盡可能便于制造和檢修;④破碎機(jī)應(yīng)有迅速而容易改變破碎比的裝置，以及排礦口的調(diào)節(jié)裝置。

1.2.2 常用破碎設(shè)備

礦山常用的破碎設(shè)備有大塊二次破碎機(jī)（碎石機(jī)）、地下固定式或移動(dòng)式破碎機(jī)、露天固定式或半固定式破碎機(jī)、露天采場(chǎng)移動(dòng)式或可移動(dòng)式破碎機(jī)組[5-8]。

地下開(kāi)采礦山目前常用的井下破碎設(shè)備有顎式破碎機(jī)和旋回破碎機(jī)2種：

1）顎式破碎機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格比較低廉，配置需要高差小，破碎潮濕含泥礦石時(shí)不易堵塞，且專(zhuān)為井下設(shè)計(jì)的顎式破碎機(jī)更具有易于拆裝和運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)[9-10]。缺點(diǎn)是不能直接受礦，當(dāng)卸礦站與破碎機(jī)之間布置礦倉(cāng)有困難時(shí)，必須設(shè)給礦溜槽，并在卸礦口及溜槽口間安設(shè)緩沖鏈。

2）旋回破碎機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力大，可直接受礦，無(wú)需專(zhuān)設(shè)礦倉(cāng)及給礦設(shè)備，破碎比大。缺點(diǎn)是設(shè)備質(zhì)量及部件外形均較大。

1.3 破碎系統(tǒng)設(shè)置

1.3.1 注意事項(xiàng)

設(shè)置井下破碎系統(tǒng)及其裝備時(shí)應(yīng)注意：①依據(jù)礦石本身所具有的物理機(jī)械特性有關(guān)參數(shù)計(jì)算和選型，如塊度組成、密度、強(qiáng)度、脆性、腐蝕性、水、泥含量、粉礦率、自然安息角、粉礦堆積角、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等;②井下破碎系統(tǒng)所處地段巖石的穩(wěn)定性影響設(shè)備基礎(chǔ)、破碎機(jī)硐室寬度和溜井的使用;③在高差、場(chǎng)地均受到限制而無(wú)條件設(shè)置儲(chǔ)料倉(cāng)、采用間斷給料時(shí)，應(yīng)按照兩次卸礦的間歇時(shí)間內(nèi)，破碎完一次卸入的全部物料量來(lái)確定破碎機(jī)的處理能力;④破碎機(jī)給料口寬度應(yīng)比最大給料塊度大15 %～20 %。

1.3.2 井下破碎站的設(shè)置原則

井下破碎機(jī)有固定式和移動(dòng)式2種。目前國(guó)內(nèi)礦山使用的井下破碎機(jī)均為固定式，大多設(shè)置在主溜井或箕斗井旁邊，集中處理礦巖。國(guó)外有在采場(chǎng)內(nèi)或其附近設(shè)置移動(dòng)式破碎裝置，將處理后的礦石經(jīng)帶式輸送機(jī)輸出，以縮短運(yùn)費(fèi)較貴的鏟運(yùn)機(jī)或汽車(chē)運(yùn)距。固定式井下破碎站的設(shè)置原則為：①大型礦山采用底卸式箕斗或帶式輸送機(jī)等提運(yùn)工具，要求礦巖塊度較小，采用碎石機(jī)破碎大塊礦石，其處理能力不滿(mǎn)足要求時(shí);②設(shè)置的位置一般應(yīng)能服務(wù)8 a以上;③整個(gè)地下破碎設(shè)施應(yīng)布置在堅(jiān)硬、穩(wěn)定的巖層中，并不受含水層、裂隙水、斷層、老硐的影響;④有良好的通風(fēng)條件和有效的除塵設(shè)施;⑤應(yīng)設(shè)有2個(gè)安全出口，其中一個(gè)可運(yùn)送大件設(shè)備[11]。

2 工程應(yīng)用

以某鐵礦900萬(wàn)t/a生產(chǎn)規(guī)模開(kāi)采工程為例。

2.1 開(kāi)采系統(tǒng)

2.1.1 開(kāi)采技術(shù)條件

1）原礦最大粒度800 mm。

2）礦巖普氏硬度系數(shù)（f）。礦石為14.4，頂板圍巖為5.6，底板圍巖為5.1。

3）礦石密度3.46 t/m3，圍巖密度2.80 t/m3。

4）松散系數(shù)1.5。

2.1.2 地質(zhì)簡(jiǎn)況

礦體及頂?shù)装宸€(wěn)定性較好。礦體堅(jiān)硬完整，其飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為83.6～234.0 MPa，自然狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度凝聚力為9.1～18.5 MPa，礦層巖體質(zhì)量中等。礦體頂板巖性為黑云變粒巖，裂隙不發(fā)育或呈閉合狀，巖石呈塊狀，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，頂板巖體質(zhì)量中等。礦體底板巖性為黑云變粒巖、含磁鐵角閃石英巖、磁鐵角閃石英巖、含石榴子石磁鐵角閃石英巖等，裂隙不發(fā)育，巖石呈塊狀，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，底板巖體質(zhì)量中等。礦區(qū)內(nèi)地形地貌條件簡(jiǎn)單，地層巖性單一，地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，巖溶不發(fā)育，巖體構(gòu)造以塊狀和厚層狀為主，不易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問(wèn)題。

2.1.3 采礦方法

根據(jù)礦體賦存特征、開(kāi)采技術(shù)條件，采用上下組合式階段空?qǐng)龀涮畈傻V法進(jìn)行回采，應(yīng)用上向扇形中深孔和下向大直徑深孔的組合鑿巖爆破技術(shù)回采全階段高度礦石。

2.1.4 階段劃分

中段高度75 m，自上而下依次為-80 m～-155 m中段、-155 m～-230 m中段、-230 m～-305 m中段、-305 m～-380 m中段、-380 m～-455 m中段，共計(jì)5個(gè)生產(chǎn)中段。-480 m為有軌集中運(yùn)輸水平，-520 m為破碎水平。

2.1.5 開(kāi)拓運(yùn)輸方案

采用豎井提升運(yùn)輸方式，擔(dān)負(fù)礦山井下礦石的提升任務(wù)。提升系統(tǒng)主要包括主井提升系統(tǒng)、副井提升系統(tǒng)和輔助電梯井提升系統(tǒng)。

1）主井提升系統(tǒng)。2條豎井作為主井，分別為1#主井和2#主井，各裝備1套多繩落地式雙箕斗提升系統(tǒng)，共同擔(dān)負(fù)礦山井下900萬(wàn)t/a礦石的提升任務(wù)。井筒直徑5.5 m，井口標(biāo)高50 m，井底標(biāo)高-640 m，箕斗裝載皮帶道標(biāo)高-570 m。

2）副井提升系統(tǒng)。1條豎井作為副井，采用落地式多繩罐籠+平衡錘提升方式，擔(dān)負(fù)井下生產(chǎn)人員、部分材料和設(shè)備的提升和下放任務(wù)，兼作進(jìn)風(fēng)井和井下安全出口。

3）輔助電梯井提升系統(tǒng)。為滿(mǎn)足礦山主井井底粉礦回收和井下溜破系統(tǒng)、箕斗裝載系統(tǒng)的人員、部分材料運(yùn)輸及檢修需求，設(shè)置1套輔助電梯井提升系統(tǒng)。

2.2 井下破碎系統(tǒng)方案

根據(jù)井下采礦工藝特點(diǎn)及礦石提升運(yùn)輸系統(tǒng)需求，礦山需要在井下設(shè)置礦石破碎系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)針對(duì)該礦山井下礦石性質(zhì)和生產(chǎn)規(guī)模篩選出2種可行的破碎系統(tǒng)方案進(jìn)行比較：方案Ⅰ，旋回破碎機(jī)方案;方案Ⅱ，顎式破碎機(jī)方案。

方案Ⅰ主要設(shè)備選用1臺(tái)42-65型旋回破碎機(jī)和2臺(tái)YXZGZG13型振動(dòng)給料機(jī);方案Ⅱ主要設(shè)備選用2臺(tái)C150型顎式破碎機(jī)和2臺(tái)VF661-2V型棒條給料機(jī)。2種方案結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖分別見(jiàn)圖1和圖2。

2.3 方案比選

對(duì)設(shè)備投資及其相關(guān)井巷硐室工程進(jìn)行比較，選擇最優(yōu)方案。

1）參選方案定性分析。2種破碎系統(tǒng)方案的定性?xún)?yōu)缺點(diǎn)分析見(jiàn)表1。

2）主要破碎設(shè)備投資比較。參選方案主要設(shè)備投資估算結(jié)果見(jiàn)表2。

3）主要基建工程可比項(xiàng)投資比較。參選方案主要基建工程可比項(xiàng)投資估算結(jié)果見(jiàn)表3。

4）綜合可比項(xiàng)投資比較。參選方案綜合可比項(xiàng)投資比較見(jiàn)表4。

方案定性分析方面：2種破碎系統(tǒng)方案互有優(yōu)劣，方案Ⅰ的優(yōu)點(diǎn)主要在于能耗較低、設(shè)備耗材更換周期較長(zhǎng)等;方案Ⅱ的優(yōu)點(diǎn)主要在于設(shè)備投資低、基建工程量小和設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單等。

從方案可比項(xiàng)投資來(lái)看：方案Ⅱ在設(shè)備和基建投資方面較方案Ⅰ節(jié)省約620萬(wàn)元，方案Ⅱ破碎硐室下部與成品礦倉(cāng)之間沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的硐室工程，并且2套破碎設(shè)備下部各設(shè)1座礦倉(cāng)，相對(duì)方案Ⅰ只設(shè)1座礦倉(cāng)縮短了溜破系統(tǒng)的高度，進(jìn)而降低了主井的提升高度，在一定程度上彌補(bǔ)了其能耗較高的缺點(diǎn)。

綜上所述，本次推薦投資更低、基建工期更短、系統(tǒng)維護(hù)更方便的方案Ⅱ，顎式破碎機(jī)方案。

2.4 破碎系統(tǒng)設(shè)備選型

通過(guò)方案比較，該礦山井下破碎系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用顎式破碎機(jī)方案。根據(jù)開(kāi)拓系統(tǒng)布置情況，井下破碎站設(shè)置于井下-520 m水平主井附近，擔(dān)負(fù)井下生產(chǎn)全部礦石的破碎任務(wù)。破碎站上部設(shè)2座溜井礦倉(cāng)儲(chǔ)存原礦，下部設(shè)2座成品料倉(cāng)儲(chǔ)存破碎后礦石。

2.4.1 生產(chǎn)規(guī)模及工作制度

1）生產(chǎn)規(guī)模為礦巖900萬(wàn)t/a。

2）破碎后礦石粒度≤250 mm。

3）工作制度。330 d/a，3班/d，8 h/班，破碎機(jī)運(yùn)行時(shí)間為6 h/班。

2.4.2 主要設(shè)備選型

井下破碎系統(tǒng)（粗破碎）主要設(shè)備由給料機(jī)、破碎機(jī)及檢修起重機(jī)組成。

1）破碎機(jī)。選用2臺(tái)C150型顎式破碎機(jī)，給料口寬1 400 mm，緊邊排料口寬175 mm，標(biāo)準(zhǔn)處理能力635 t/（h·臺(tái)）（有預(yù)篩設(shè)備），電動(dòng)機(jī)功率200 kW。

2）給料機(jī)。選用2臺(tái)VF661-2V型棒條給料機(jī)，最大給料粒度1 200 mm，最大給料能力1 000 t/（h·臺(tái)），電動(dòng)機(jī)功率22 kW。

3）起重機(jī)。選用1臺(tái)QD20/5型通用橋式起重機(jī)，起吊能力20 t，吊車(chē)跨度10.5 m。

2.4.3 生產(chǎn)能力驗(yàn)證

設(shè)計(jì)選用2臺(tái)C150型顎式破碎機(jī)與2臺(tái)VF661-2V型棒條給料機(jī)負(fù)責(zé)井下礦石的粗破碎任務(wù)。

1）設(shè)計(jì)條件下破碎機(jī)單位生產(chǎn)能力（Qe）為：

Qe=K1K2K3q

式中：K1為礦石可碎性系數(shù)，取0.9;K2為礦石密度修正系數(shù)，取1.25;K3為給礦粒度修正系數(shù)，取1.1;q為破碎機(jī)標(biāo)稱(chēng)處理量，取635 t/h（有預(yù)篩設(shè)備，排料口寬度175 mm）。

經(jīng)計(jì)算：Qe=785.812 5 t/h。因此，破碎機(jī)單位生產(chǎn)能力為785.812 5 t/h。

2）根據(jù)上述計(jì)算，破碎機(jī)年生產(chǎn)能力為466萬(wàn)t/a。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)條件下，2臺(tái)顎式破碎機(jī)生產(chǎn)能力約932萬(wàn)t/a，大于900萬(wàn)t/a的要求，故選用2臺(tái)C150型顎式破碎機(jī)可以滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。

同時(shí)，井下破碎系統(tǒng)采用棒條給料機(jī)預(yù)篩+顎式破碎機(jī)的方式，棒條間距設(shè)定為175 mm，給料機(jī)將175 mm以下的小塊料提前篩除，從而使破碎系統(tǒng)礦石處理能力大于破碎機(jī)生產(chǎn)能力（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)資料，175 mm塊度以下礦石約占礦石總量的20 %～30 %，僅以此數(shù)據(jù)為參考）。因此，選用2臺(tái)C150型顎式破碎機(jī)能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，且破碎能力較充足。

3 結(jié) 論

1）井下破碎系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要取決于破碎機(jī)的選擇，而選擇井下破碎機(jī)，除給礦口寬度比最大給礦塊度大15 %～20 %，排礦塊度和生產(chǎn)能力均符合要求外，還應(yīng)考慮外形尺寸小，質(zhì)量輕，易于拆裝、維修和搬運(yùn)等因素。

2）破碎機(jī)的生產(chǎn)能力與礦巖性質(zhì)、粒級(jí)組成、破碎機(jī)的類(lèi)型和規(guī)格及破碎機(jī)作業(yè)條件（破碎比，負(fù)荷系數(shù)，給礦均勻程度）等因素相關(guān)。

3）地下開(kāi)采礦山目前常用的粗碎設(shè)備有顎式破碎機(jī)和旋回破碎機(jī)2種，2種破碎機(jī)互有優(yōu)劣。顎式破碎機(jī)方案優(yōu)點(diǎn)主要在于設(shè)備投資低、基建工程量小和設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單等;旋回破碎機(jī)方案的優(yōu)點(diǎn)主要在于能耗較低、設(shè)備耗材更換周期較長(zhǎng)等。

4）當(dāng)1臺(tái)顎式破碎機(jī)能力滿(mǎn)足要求時(shí)，則優(yōu)先選用顎式破碎機(jī);當(dāng)1臺(tái)顎式破碎機(jī)能力不能滿(mǎn)足要求時(shí)，是選用2臺(tái)顎式破碎機(jī)還是選用1臺(tái)旋回破碎機(jī)，需要通過(guò)具體的方案比較來(lái)確定。以900萬(wàn)t/a鐵礦為例進(jìn)行的破碎系統(tǒng)方案比較表明，在該生產(chǎn)規(guī)模下，2臺(tái)顎式破碎機(jī)的破碎系統(tǒng)方案優(yōu)于1臺(tái)旋回破碎機(jī)的破碎系統(tǒng)方案。

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Design and application of underground crushing system

Pan Zhongtao，Dong Xiao

（Shandong Province Metallurgical Engineering Co.，Ltd.）

Abstract：In a case study of an iron mine，the scheme of underground crushing system is studied，the type selection of crushing equipment is calculated，and the advantages and disadvantages of jaw crusher and rotary crusher are compared.The results show that when underground crushing system scheme is being chosen，if 1 jaw crusher meets the requirements，the jaw crusher should be preferred，and if 1 jaw crusher can not meet the requirements，the selection should be compared and determined according to the specific conditions of the mine.The comparison of the underground crushing system schemes in a 9 million t/a capacity iron mine shows that under this production scale，the crushing scheme with 2 jaw crushers is better than that with one rotary crusher.

Keywords：underground mining;crushing system;crushing equipment;boulder yield;equipment selection

收稿日期：2021-01-18; 修回日期：2021-04-05

作者簡(jiǎn)介：潘忠濤（1988—），男，山東齊河人，工程師，從事礦山機(jī)械設(shè)計(jì)工作;濟(jì)南市高新區(qū)舜華路1969號(hào)，山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，250101;E-mail：panzhongtao102@163.com