井下破碎系統設計及應用

潘忠濤 董霄

摘要：以某鐵礦為例進行井下破碎方案的研究，并進行破碎設備的選型計算，對顎式破碎機和旋回破碎機的優劣進行比選。結果表明：選擇井下破碎系統方案時，當1臺顎式破碎機滿足要求時，應優先選用顎式破碎機;當1臺顎式破碎機不能滿足要求時，需要根據礦山的具體情況進行比較確定。900萬t/a鐵礦的破碎系統方案比較表明，該生產規模下，2臺顎式破碎機的破碎方案優于1臺旋回破碎機的破碎方案。

關鍵詞：地下開采;破碎系統;破碎設備;大塊率;設備選型

中圖分類號：TD451文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：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、地下采掘工作面、溜（豎）井旁或礦山地面設置粗破碎裝置，將礦巖破碎至裝運、提升機具所要求的塊度。對于地下開采礦山，特別是大型礦山，若采用底卸式箕斗提升系統，由于其允許裝載礦石塊度不大于350 mm，所以需要在井下設置礦石粗破碎系統對礦石進行破碎作業。目前，井下礦山常用的破碎方式主要為重型板式給料機+顎式破碎機或旋回破碎機。隨著生產規模的不斷擴大，礦山對破碎設備的破碎能力要求也越來越高，采用不同破碎機或破碎系統方案產生的投資、運營等差別也愈發明顯。因此，選擇恰當的破碎設備和破碎系統方案就變得尤為重要[1-4]。本文以某鐵礦為例進行破碎設備的選型計算并對破碎系統方案進行比較，以期對礦山井下破碎系統及破碎設備的選擇給予理論指導，并為設計提供可靠的依據。

1 井下破碎系統

1.1 破碎原理

破碎是一種使大塊物料變成小塊物料的過程。這個過程是用外力（人力、機械力、化學能、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發生破壞。目前工業上主要利用機械力來破碎礦石，方法有壓碎、劈碎、折斷、磨碎、沖擊破碎等。事實上，任何一種破碎機都不能只用其中某一方法進行破碎，一般都是由2種或2種以上的方法聯合起來進行破碎，如壓碎和折斷，沖擊和磨碎等。礦石的破碎方法主要是根據礦石的物理機械性質、礦石塊尺寸和破碎比來選擇。

1.2 破碎裝置

1.2.1 破碎機結構要求

破碎機經常在繁重負荷的條件下和灰塵密布的惡劣環境中工作，為了保證破碎機在運轉過程中的安全性和可靠性，破碎機必須滿足以下要求：①破碎機的傳動裝置，給礦口及排礦口必需有安全保護裝置;②破碎機應有簡單而有效的保險裝置;③破碎機的構造應當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，要確保更換數量盡可能少，且每一個部件的質量不能太大，其形狀應盡可能便于制造和檢修;④破碎機應有迅速而容易改變破碎比的裝置，以及排礦口的調節裝置。

1.2.2 常用破碎設備

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

地下開采礦山目前常用的井下破碎設備有顎式破碎機和旋回破碎機2種：

1）顎式破碎機。其優點是結構簡單，價格比較低廉，配置需要高差小，破碎潮濕含泥礦石時不易堵塞，且專為井下設計的顎式破碎機更具有易于拆裝和運輸的優點[9-10]。缺點是不能直接受礦，當卸礦站與破碎機之間布置礦倉有困難時，必須設給礦溜槽，并在卸礦口及溜槽口間安設緩沖鏈。

2）旋回破碎機。其優點是生產能力大，可直接受礦，無需專設礦倉及給礦設備，破碎比大。缺點是設備質量及部件外形均較大。

1.3 破碎系統設置

1.3.1 注意事項

設置井下破碎系統及其裝備時應注意：①依據礦石本身所具有的物理機械特性有關參數計算和選型，如塊度組成、密度、強度、脆性、腐蝕性、水、泥含量、粉礦率、自然安息角、粉礦堆積角、內摩擦角、內聚力等;②井下破碎系統所處地段巖石的穩定性影響設備基礎、破碎機硐室寬度和溜井的使用;③在高差、場地均受到限制而無條件設置儲料倉、采用間斷給料時，應按照兩次卸礦的間歇時間內，破碎完一次卸入的全部物料量來確定破碎機的處理能力;④破碎機給料口寬度應比最大給料塊度大15 %～20 %。

1.3.2 井下破碎站的設置原則

井下破碎機有固定式和移動式2種。目前國內礦山使用的井下破碎機均為固定式，大多設置在主溜井或箕斗井旁邊，集中處理礦巖。國外有在采場內或其附近設置移動式破碎裝置，將處理后的礦石經帶式輸送機輸出，以縮短運費較貴的鏟運機或汽車運距。固定式井下破碎站的設置原則為：①大型礦山采用底卸式箕斗或帶式輸送機等提運工具，要求礦巖塊度較小，采用碎石機破碎大塊礦石，其處理能力不滿足要求時;②設置的位置一般應能服務8 a以上;③整個地下破碎設施應布置在堅硬、穩定的巖層中，并不受含水層、裂隙水、斷層、老硐的影響;④有良好的通風條件和有效的除塵設施;⑤應設有2個安全出口，其中一個可運送大件設備[11]。

2 工程應用

以某鐵礦900萬t/a生產規模開采工程為例。

2.1 開采系統

2.1.1 開采技術條件

1）原礦最大粒度800 mm。

2）礦巖普氏硬度系數（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1.5。

2.1.2 地質簡況

礦體及頂底板穩定性較好。礦體堅硬完整，其飽和單軸抗壓強度平均值為83.6～234.0 MPa，自然狀態下抗剪強度凝聚力為9.1～18.5 MPa，礦層巖體質量中等。礦體頂板巖性為黑云變粒巖，裂隙不發育或呈閉合狀，巖石呈塊狀，結構穩定，頂板巖體質量中等。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，裂隙不發育，巖石呈塊狀，結構穩定，底板巖體質量中等。礦區內地形地貌條件簡單，地層巖性單一，地質構造較簡單，巖溶不發育，巖體構造以塊狀和厚層狀為主，不易發生礦山工程地質問題。

2.1.3 采礦方法

根據礦體賦存特征、開采技術條件，采用上下組合式階段空場充填采礦法進行回采，應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5個生產中段。-480 m為有軌集中運輸水平，-520 m為破碎水平。

2.1.5 開拓運輸方案

采用豎井提升運輸方式，擔負礦山井下礦石的提升任務。提升系統主要包括主井提升系統、副井提升系統和輔助電梯井提升系統。

1）主井提升系統。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，共同擔負礦山井下900萬t/a礦石的提升任務。井筒直徑5.5 m，井口標高50 m，井底標高-640 m，箕斗裝載皮帶道標高-570 m。

2）副井提升系統。1條豎井作為副井，采用落地式多繩罐籠+平衡錘提升方式，擔負井下生產人員、部分材料和設備的提升和下放任務，兼作進風井和井下安全出口。

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

2.2 井下破碎系統方案

根據井下采礦工藝特點及礦石提升運輸系統需求，礦山需要在井下設置礦石破碎系統。本次設計針對該礦山井下礦石性質和生產規模篩選出2種可行的破碎系統方案進行比較：方案Ⅰ，旋回破碎機方案;方案Ⅱ，顎式破碎機方案。

方案Ⅰ主要設備選用1臺42-65型旋回破碎機和2臺YXZGZG13型振動給料機;方案Ⅱ主要設備選用2臺C150型顎式破碎機和2臺VF661-2V型棒條給料機。2種方案結構示意簡圖分別見圖1和圖2。

2.3 方案比選

對設備投資及其相關井巷硐室工程進行比較，選擇最優方案。

1）參選方案定性分析。2種破碎系統方案的定性優缺點分析見表1。

2）主要破碎設備投資比較。參選方案主要設備投資估算結果見表2。

3）主要基建工程可比項投資比較。參選方案主要基建工程可比項投資估算結果見表3。

4）綜合可比項投資比較。參選方案綜合可比項投資比較見表4。

方案定性分析方面：2種破碎系統方案互有優劣，方案Ⅰ的優點主要在于能耗較低、設備耗材更換周期較長等;方案Ⅱ的優點主要在于設備投資低、基建工程量小和設備維護簡單等。

從方案可比項投資來看：方案Ⅱ在設備和基建投資方面較方案Ⅰ節省約620萬元，方案Ⅱ破碎硐室下部與成品礦倉之間沒有專門的硐室工程，并且2套破碎設備下部各設1座礦倉，相對方案Ⅰ只設1座礦倉縮短了溜破系統的高度，進而降低了主井的提升高度，在一定程度上彌補了其能耗較高的缺點。

綜上所述，本次推薦投資更低、基建工期更短、系統維護更方便的方案Ⅱ，顎式破碎機方案。

2.4 破碎系統設備選型

通過方案比較，該礦山井下破碎系統設計采用顎式破碎機方案。根據開拓系統布置情況，井下破碎站設置于井下-520 m水平主井附近，擔負井下生產全部礦石的破碎任務。破碎站上部設2座溜井礦倉儲存原礦，下部設2座成品料倉儲存破碎后礦石。

2.4.1 生產規模及工作制度

1）生產規模為礦巖900萬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，破碎機運行時間為6 h/班。

2.4.2 主要設備選型

井下破碎系統（粗破碎）主要設備由給料機、破碎機及檢修起重機組成。

1）破碎機。選用2臺C150型顎式破碎機，給料口寬1 400 mm，緊邊排料口寬175 mm，標準處理能力635 t/（h·臺）（有預篩設備），電動機功率200 kW。

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

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

2.4.3 生產能力驗證

設計選用2臺C150型顎式破碎機與2臺VF661-2V型棒條給料機負責井下礦石的粗破碎任務。

1）設計條件下破碎機單位生產能力（Qe）為：

Qe=K1K2K3q

式中：K1為礦石可碎性系數，取0.9;K2為礦石密度修正系數，取1.25;K3為給礦粒度修正系數，取1.1;q為破碎機標稱處理量，取635 t/h（有預篩設備，排料口寬度175 mm）。

經計算：Qe=785.812 5 t/h。因此，破碎機單位生產能力為785.812 5 t/h。

2）根據上述計算，破碎機年生產能力為466萬t/a。根據計算結果，設計條件下，2臺顎式破碎機生產能力約932萬t/a，大于900萬t/a的要求，故選用2臺C150型顎式破碎機可以滿足生產要求。

同時，井下破碎系統采用棒條給料機預篩+顎式破碎機的方式，棒條間距設定為175 mm，給料機將175 mm以下的小塊料提前篩除，從而使破碎系統礦石處理能力大于破碎機生產能力（根據經驗資料，175 mm塊度以下礦石約占礦石總量的20 %～30 %，僅以此數據為參考）。因此，選用2臺C150型顎式破碎機能夠滿足生產需求，且破碎能力較充足。

3 結 論

1）井下破碎系統的設計主要取決于破碎機的選擇，而選擇井下破碎機，除給礦口寬度比最大給礦塊度大15 %～20 %，排礦塊度和生產能力均符合要求外，還應考慮外形尺寸小，質量輕，易于拆裝、維修和搬運等因素。

2）破碎機的生產能力與礦巖性質、粒級組成、破碎機的類型和規格及破碎機作業條件（破碎比，負荷系數，給礦均勻程度）等因素相關。

3）地下開采礦山目前常用的粗碎設備有顎式破碎機和旋回破碎機2種，2種破碎機互有優劣。顎式破碎機方案優點主要在于設備投資低、基建工程量小和設備維護簡單等;旋回破碎機方案的優點主要在于能耗較低、設備耗材更換周期較長等。

4）當1臺顎式破碎機能力滿足要求時，則優先選用顎式破碎機;當1臺顎式破碎機能力不能滿足要求時，是選用2臺顎式破碎機還是選用1臺旋回破碎機，需要通過具體的方案比較來確定。以900萬t/a鐵礦為例進行的破碎系統方案比較表明，在該生產規模下，2臺顎式破碎機的破碎系統方案優于1臺旋回破碎機的破碎系統方案。

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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

作者簡介：潘忠濤（1988—），男，山東齊河人，工程師，從事礦山機械設計工作;濟南市高新區舜華路1969號，山東省冶金設計院股份有限公司，250101;E-mail：panzhongtao102@163.com