Добыча сырья и производство щебня

Щебень является одним из востребованных строительных материалов в различных отраслях промышленности. Сырьем для его производства  служат в основном природные каменные материалы, попутно добываемые вскрышные и вмещающие горные породы, отходы горных предприятий по переработке руд черных, цветных и редких металлов металлургической промышленности и др. Для производства нерудных строительные материалов используются широкий спектр разнообразного по составу и видам минерального сырья: рыхлые песчано-гравийные осадки, валуны, магматические горные породы, осадочные скальные и метаморфические породы. В результате переработки сырья получают щебень, гравий, песчано-гравийную смесь, песок, камень бутовый, декоративные каменные материалы, отсевы дробления и материалы из них.

Технологический процесс производства щебня разделяется на два крупных этапа: первый этап – добыча сырья, второй этап - непосредственно производство: переработка добытой горной массы и приготовление щебня.

 

ДОБЫЧА СЫРЬЯ

Подавляющее большинство месторождений нерудных полезных ископаемых отрабатываются с помощью открытых горных работ (карьеров). В карьерах добывают более 90 % нерудных строительных материалов. Открытые горные работы известны с эпохи палеолита. Первые крупные карьеры появились в связи со строительством в Древнем Египте пирамид, позднее в античном мире в карьерах в больших масштабах добывался мрамор для скульптурных изделий.

Непростой и продолжительный процесс производства щебня начинается с горно-добычных работ в карьере и завершается серией операций по дроблению, измельчению добытой горной массы, сортировке (классификации) переработанного материала с использованием специальных машин и механизмов. Каждая отдельная операция процесса осуществляется с привлечением современных технологий и оборудования.

Для обоснованного выбора технологий и технических средств наиболее эффективного ведения горных работ необходимо знать свойства и параметры добываемых горных пород. От петрографических типов исходных горных пород и характеристик добытой для переработки горной массы непосредственно зависят  характеристики и сферы дальнейшего применения конечного товарного продукта (щебня). Добытая горная масса характеризуется прочностью, однородностью, абразивностью, размером кусков и частиц материала (гранулометрическим составом), количеством и видом загрязняющих включений и др.

Карьерная добыча полезных ископаемых относятся к категории опасных производств. До начала проведения работ недропользователь обязан иметь целый пакет разрешительных документов, полученных или согласованных с соответствующими государственными органами. Главные из них - проектная документация, лицензия на право пользования недрами с целью добычи полезного ископаемого, горноотводной акт к лицензии, планы горных работ, разрешение на право пользования земельным участком, допуски по видам работ и многое др.

Отработка месторождения предваряется вскрышными работами, т.е.,удалением «пустых» горных пород и осадков, перекрывающих толщу полезного ископаемого. Вскрышные работы включают процессы подготовки скальных пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, транспортирование и отвалообразование. Эти работы ведутся для создания первоначального фронта добычных работ при строительстве карьеров и в период их эксплуатации для сохранения и развития этого фронта. В ходе вскрышных работ пустые породы удаляются во внешние или внутренние отвалы, частично, используются для отсыпки дорог местного использования. Если вскрышные породы пригодны к использованию в качестве строительного минерального сырья (например, глины, пески, известняки, мел и др.), тогда, они подвергаются дальнейшей переработке (дроблению, сортировке и т.д.).Вскрышные работы ведутся главным образом одноковшовыми экскаваторами. Разрыхление крепких горных пород, может осуществляться механическим, буровзрывным, гидравлическим и др. способами.

Добычные работы в карьере производятся с помощью  системы породных и добычных уступов, капитальных и разрезных траншей. Подвигание уступов карьера обеспечивает выемку горных масс в контурах карьерного поля. С помощью капительных траншей, осуществляется доступ к полезным ископаемым,  разрезные траншеи подготавливают карьерное поле к вскрышным и добычным работам. Транспортные связи на открытых работах обеспечиваются постоянными или скользящими съездами, а с поверхностью — траншеями. В процессе эксплуатации происходит перемещение рабочих уступов, вследствие чего увеличивается выработанное пространство. Добычные работы обеспечивают выемку и перемещение предварительно взорванной горной массы (фракция 0 – 1200 мм) на промышленную площадку для первичной переработки,  на приемный бункер дробильно-сортировочного предприятия или для отгрузки потребителю. Выемочно-погрузочные работы осуществляют экскаваторами с вместимостью ковша 1,25; 2,5 и 5 м³. Промышленная площадка предприятия оборудована внутренними и подъездными дорогами. На карьерах с крепкими породами наибольший объём перевозок осуществляется тяжёлыми автосамосвалами. Грузоподъёмность автомобилей обычно от 12 до 30-45 т, на крупных карьерах – до 100-150 т и более. При наличии в карьерах дробильных агрегатов, горная масса к ним доставляется поточными конвейерами.

Наиболее трудоёмкий процесс в горном деле — отделение горной породы от массива, поэтому, добычные и, нередко, вскрышные работы ведутся с предварительным рыхлением горной массы буровзрывным способом. Для бурения взрывных скважин применяют ударно-вращательные, шарошечные и вращательно-шнековые буровые станки. Шарошечные станки оснащены системами пылеподавления, с удалением буровой мелочи сжатым воздухом. Диаметр буровых скважин от 200 до 300-450 мм. Скважины вертикальные и наклонные располагаются рядами, форма сетки прямоугольная или в шахматном порядке. Глубина скважин от нескольких метров до 10-20 м. После взрыва появляется разнообразной крупности  негабаритные куски (более 1200 м), «негабариты» складываются вдоль нижней бровки уступа, а затем дробятся накладными зарядами. Для взрывных работ, с учетом горно-геологических характеристик пород, применяются разнообразные взрывчатые вещества, допущенные к применению Госгортехнадзором России (гранулит, гранулотол, граммонит, аммонит патронированный, шашки тротиловые и др.).

В карьерах со сложными гидрогеологическими условиями в зависимости от наличия и расположения водоносных горизонтов, интенсивности поступающих водопритоков, устраивают сложные дренажные системы  для отвода или откачки поверхностных и грунтовых вод.

Добытая в карьере горная масса из забоя транспортируется  к приемному бункеру дробильно-сортировочной фабрики, для чего используются  большегрузные автосамосвалы, реже, железнодорожный или конвейерный  транспорт.

 

ПЕРЕРАБОТКА СЫРЬЯ И ПОЛУЧЕНИЕ ЩЕБНЯ

История производства щебня начинается в 19 веке в  Германии, здесь были предприняты первые попытки механизировать производство щебня для дорожного строительства. Промышленное использование дробильно-сортировочных установок относится к началу массового строительства автодорог в странах Европы и Северной Америки (1908-1914 гг.). В России впервые для ремонта шоссе в районе Красного Села под Петербургом в 1909 г. был использован щебень, произведенный с помощью дробильно-сортировочных механизмов.

Масштабное производство щебня организуется обычно вблизи выявленных источников сырья – месторождений нерудных и рудных полезных ископаемых. Нерудные месторождения – это в основном месторождения строительного камня. При разработке рудных месторождений в качестве сырья для производства щебня используются попутно извлекаемые вскрышные и вмещающие горные породы, а также отходы горнодобывающих предприятий и металлургических заводов.

В зависимости от масштабов имеющихся сырьевых объектов,  их географического расположения, разобщенности на местности, производство щебня осуществляется на стационарных предприятиях (дробильно-сортировочных фабриках, заводах, комплексах), или же на мобильных менее производительных дробильно-сортировочных установках. Кроме щебня здесь выпускается гравий,   песчано-гравийная смесь, песок, камень бутовый, декоративные каменные материалы, отсевы дробления и материалы из них.

К основным качественным характеристикам готовой продукции (щебня) относятся плотность, прочность, содержание зерен пластинчатой и игловатой формы (лещадность), содержание зерен слабых пород, морозостойкость, водопоглощение и др.

При проектировании технологической линий по производству щебня учитывается целый ряд показателей, в т.ч., состав и качество исходного минерального сырья, качественные характеристики конечной продукции, размерность, процентное соотношение получаемых фракций, плановая производительность предприятия и др.

Технологическая схема производства включает несколько стадий дробления и грохочения (расситовки), при необходимости, - промывку, очистку, обезвоживание и обогащение промежуточных продуктов, складирование товарной продукции, утилизацию  отходов и др. В производстве щебня задействован целый арсенал специального оборудования, включающий: питатели, дробильные установки, грохоты, ленточные конвейеры и др. Все агрегаты объединяются в единую технологическую линию.

Процесс начинается с приемного бункера-питателя, в него поступает добытая горная масса из карьера. Бункер-питатель состоит из приёмной (загрузочной) воронки и питателя под приёмной воронкой, обеспечивающего равномерную подачу сыпучего материала к дробильно-сортировочным агрегатам. Размер кусков горной массы, поступающей в приемный бункер 0-1200 мм.Для отделения негабаритных кусков приёмная воронка перекрывается колосниковой решёткой. Нередко бункеры-питатели является составной частью стационарных дробильно-сортировочных установок. Как правило, они загружаются с использованием колёсных видов транспорта и колёсными скреперами. Передвижные и самоходные бункеры-питатели используют совместно с одноковшовыми экскаваторами и фронтальными погрузчиками. Самоходные бункеры-питатели оборудуются гусеничным ходовым механизмом и имеют поворотный разгрузочный конвейер, позволяющий изменять высоту разгрузки.

 В производстве щебня основными по значимости процессами являются дробление и рассев продуктов дробления (грохочения). Разрушение кусков нерудного сырья до необходимых размеров осуществляется в дробильных аппаратах (дробилках) путем раздавливания, раскалывания, истирания, удара или их сочетания. Наиболее часто применяются щековые, конусные, валковые и роторные дробилки. По крупности конечного продукта выделяют крупное (100-350 мм), среднее (40-100 мм), мелкое дробление (5-40 мм). По технологическому назначению — подготовительное (для подготовки материала к обогащению или др. видам переработки), окончательное (когда продукты дробления являются товарными), избирательное (при котором один из компонентов материала, отличающийся меньшей прочностью, под действием одинаковой внешней силы разрушается интенсивнее другого, более прочного).

Рассев (механическое разделение сыпучего материала на классы крупности), осуществляется на грохоте. Грохот - это основной вид технологического оборудования дробильно-сортировочных фабрик. Гранулометрическая сортировка  материала на фракции происходит на движущихся просеивающих поверхностях  с калиброванными отверстиями (ситах). Существует большое разнообразие моделей  и типов грохотов. При крупном (предварительном) грохочении кусков до 1200 мм применяют колосниковые решётки с отверстиями (щелями) от 300 до 100 мм; при среднем грохочении - кусков до 350 мм — колосниковые решётки со щелями 60-25 см и листовые перфорированные сита с круглыми или квадратными отверстиями 60-25 мм; при мелком грохочении кусков до 75 мм — решета и сита с отверстиями (ячейками) от 25 до 6 мм; при тонком грохочении кусков (частиц) до 10 мм — сита с ячейками от 50 до 0,5 мм. Государственным стандартом регламентируется размерность и выпуск следующих основных фракций щебня: 5(3) - 10; 10 - 15; 10 - 20; 15 - 20; 20 - 40; 40 - 80 (70) мм и смеси фракций 5(3) - 20 мм.По  согласованию с потребителем выпускают щебень крупнее 80(70) мм и в виде других смесей, составленных из отдельных фракций. На практике, в различных областях промышленности наиболее востребованы фракции размерностью 5-20, 20-40, 40-70 мм.

Процессы дробления и расситовки обычно комбинируют и с помощью конвейерного транспорта объединяют в единый цикл. Существуют открытый и замкнутый циклы дробления. Процесс дробления обычно предваряют грохочением. Весь исходный материал вначале поступает на грохот, а в дробилку направляются лишь крупные куски, подрешётный продукт грохота уходит далее, минуя дробилку. При открытом цикле дробления продукт проходит через дробилку только один раз. При замкнутом —  из дробилки поступает на грохот, где отделяются готовые товарные фракции с нормативной размерностью обломков, эти фракции отправляют их на склад готовой продукции. Более крупные, недостаточно раздробленные куски вновь направляются в дробилку на повторное дробление, а мелкие — на последующую обработку. При замкнутом цикле дробления улучшается качество продукта (гранулометрический состав однороден), снижается расход энергии и износ частей дробилки. Чаще всего используются наиболее простые схемы с двухступенчатым (первичным и окончательным) дроблением и грохочением. Для получения щебня узких фракций и высококачественного  кубовидного щебня применяются более сложные 3-4 ступенчатые схемы переработки сырья.

Перемещение промежуточных продуктов дробления и рассева внутри технологической цепочки и транспортировка материала на склад готовой продукции обеспечивается конвейерами. В карьерах широко применяется ленточные конвейеры — машины непрерывного действия, предназначенные для транспортирования горной массы непрерывным потоком. Без конвейеров невозможно обойтись на  дробильно-сортировочных линиях – в замкнутых и открытых циклах дробления и сортировки сыпучих материалов.

Для обогащения промежуточных продуктов в процессе производственного цикла и  на завершающих стадиях, нередко, применяется промывка горной массы. Загрязненный зернистый материал (щебень, гравий и песок) с помощью воды и специальных механизмов очищают от глинистых примесей. На эффективность промывки оказывают влияние: гранулометрический состав и влажность исходного материала, количество глинистого вещества и его физико-химические свойства, расход, давление и температура воды, способ воздействия на глинистое вещество и др.

Переработанная горная масса, прошедшая все стадии процессов дробления и разделения на фракции, в виде готовых товарных продуктов накапливаются в бункерах или складах, откуда строительные материалы отпускаются потребителю железнодорожным или автомобильным транспортом.