（1）课题立项背景

近年来，随着全球基础设施建设的不断推进，砂石骨料和机制砂作为建筑、道路、桥梁等工程中不可或缺的基础材料，其需求急剧增加。然而，传统的砂石生产方式存在高能耗、高污染、低效率等诸多问题，已无法满足现代绿色、高效建设的需求。在此背景下，山东华锴重工机械有限公司与山东科技大学合作，共同开展《精品机制砂绿色节能综合生产技术及成套设备研发》项目，旨在通过技术创新和装备升级，实现砂石骨料生产过程的绿色化、智能化和高效化。

本项目以模块化建设、高新智能制造装备升级改造、智能数据采集及多级控制系统为切入点，通过生产线智能数据采集，实现砂石生产过程中的绿色、低碳、环保、节能和增效的综合开发及管理目标。项目的实施不仅有助于提升我国砂石骨料生产的技术水平，还能推动行业向高质量、可持续发展的方向迈进。

本报告将详细阐述项目的研究背景与意义、研究内容与方法、技术指标与任务分解、研究成果与创新点、经费使用与管理、项目实施过程中的问题与对策、结论与展望等内容，以期为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。

1、基础工程建设规模和投资规模之巨前所未有

国家层面：以川藏线铁路、粤港澳大湾区等为代表的国家重大、重点工程，工程质量和工程安全关乎国家形象，工程技术效益和社会效益关乎国家竞争力，巨大的工程建设市场对砂石骨料及机制砂提出了迫切要求。

山东省层面：雄商高铁（山东段）、胶州湾第二海底隧道工程、济南轨道交通4号线等代表性重大工程建设项目，迫切需要在砂石骨料及机制砂的保质保量供应，工程质量及工程安全关乎山东省新旧动能转换的快速推进。

2、智慧矿山建设综合利用技术与成套装备研发关乎国家战略

当前，世界各国均加快抢占全球制造业新一轮竞争制高点。作为制造强国建设的主攻方向，智能制造发展水平关乎我国未来制造业的全球地位。加快构建智能制造发展生态，深入推进制造业数字化转型、智能化升级，为促进制造业高质量发展、加快制造强国建设、构筑国际竞争新优势提供有力支撑。

3、砂石骨料及机制砂应用领域和范围极为广泛

砂石骨料作为继水资源之后消耗最多的第二大自然资源，是建筑、道路、桥梁、水利、水电等基础设施建设用量最大、不可替代、不可或缺的材料。

4、我国是砂石骨料及机制砂大国但不是技术强国

根据砂石骨料网统计数据，2019年全球砂石骨料年产量和消费量高达400亿吨。其中，中国为200亿吨，约占世界石料年产销总量的1/2，产值达20000亿元，2020年山东省砂石骨料年需求量为11.6亿吨。基本形成世界砂石看中国，中国砂石看山东的局面。但是我国砂石骨料及机制砂生产自动化程度和综合利用率不高。砂石工业要由大变强，实现质的飞跃和高质量发展，智慧石矿和智能制造是必然趋势，智能制造是砂石产业的未来。

5、提升矿山资源综合利用率及绿色矿山建设关乎国计民生

矿业废石对空气、土壤和水体带来极大的危害和严重环境问题，为充分利用采矿荒料资源、变废为宝，化害为利，为践行十九大报告中指出的“绿水青山就是金山银山”的发展理念，智慧矿山综合利用技术及关键装备研发关乎国计民生。

据国家统计局数据统计，2019年我国城镇化率为60.60%，“十四五”期间，常住人口城镇化率提高到65%。人类生存的四大需求是“衣食住行”，其中“住”和“行”与砂石密切相关。“住”方面，未来还有3亿人要城镇化，要解决这些人的住房问题，需要建设大量的住房和基础设施。“行”方面，与发达国家相比，中国的路网、车站、机场等设施人均量偏低，近年来交通基建等设施投资持续增加。《关于保持基础设施领域补短板力度的指导意见》《培育发展现代化都市圈的指导意见》《粤港澳大湾区发展规划纲要》《交通强国建设纲要》《关于深入推进新型城镇化建设的若干意见》等文件中的内容措施，对砂石需求旺盛。

2018年世界上55％的人口居住在城市，预计到2050年，全球城市化率有望达68%，这其中近90％的城市化增长，来自亚洲和非洲。未来30年，全球新增人口中，约半数集中在９个国家：印度、尼日利亚、巴基斯坦、刚果(金)、埃塞俄比亚、坦桑尼亚、印度尼西亚、埃及和美国，需要建设大量的基础设施，是砂石的巨大市场。“一带一路”是中国主导的新型全球化之路，已有124个国家加入。这些国家总体上是发展中国家和欠发达国家，需要建设大量的基础设施，砂石和破碎装备企业最重要的资源、市场和潜力都有，是企业“走出去”的重要机遇。

2021年3月3日，山东省人民政府发布《关于下达2021年省重大项目名单的通知》，公布了500个山东省重点建设项目，其中省重大实施类项目373个，省重大储备类项目127个，其工程项目数量之巨、种类之多和规模之大无不说明基础建设的重要性。随着基础建设工程的开展，对砂石的需求将不断增长。其中山东省铁路与高速公路项目两类新建设工程就需耗费砂石骨料至少6亿吨。因此在“山东省新旧动能转换重大工程实施规划”中提出坚持基础性、先导性、战略性方向，完善交通基础设、能源基础设施、水利基础设施、信息基础设施，提高智能化、网络化、现代化水平，加快建设技术先进、功能完善、便捷高效、安全坚固的综合基础设施支撑体系。在践行“金山银山不如绿水青山”指导思想的基础上，为满足各重点工程项目对砂石骨料的重大需求，智慧矿山建设综合利用技术与成套装备研发势在必行。

习近平总书记指出“伟大事业都始于梦想，伟大事业都基于创新，伟大事业都成于实干。”自动驾驶、能飞的汽车、灵巧机器人、激光切割、激光焊接、智能机械臂、空气制水机、动态建筑、氢能源汽车、管道快递配送、公铁两用集装箱运输车、区块链技术等颠覆式的创新，以启发砂石和破碎装备行业代表，通过理念、科技、模式等全方位的颠覆创新，为传统砂石产业转型升级、绿色发展和高质量发展提供坚实支撑。

1  课题主要研究内容

1.1  主要研究内容

本项目以精准感知、远程自动化设备研发及多级控制系统为切入点，通过创新精准感知与多级自动化联动控制系统，实现矿山建设过程中的绿色、智慧化的多级多维高效综合开发及管理目标。重点研究砂石骨料及机制砂在破碎、输送、筛分过程中的绿色化、自动化、联动化、智能化等关键科学问题，研制整套智能化高效装备及方案并推广应用。本项目分为4个任务进行专题研究：

专题1：智慧矿山精准感知及预警系统研发与应用研究

主要研究内容：

（1）智慧矿山精准全维感知装备开发；

（2）智慧矿山风险识别装备开发；

（3）智慧矿山精准预警装备开发。

专题2：智慧砂石矿山开发综合利用及整套设备研发

主要研究内容：

（1）智慧砂石矿山生产成套设备开发；

（2）智慧砂石矿产资源综合利用技术开发；

（3）智慧矿山安全与环境控制系统开发。

专题3：智慧砂石矿山多级综合控制系统开发

主要研究内容：

（1）砂石骨料及机制砂生产自动过程控制系统开发；

（2）砂石骨料及机制砂生产能源自动监测与管理系统开发；

（3）砂石骨料及机制砂生产自动无人装车发运系统开发；

（4）智慧砂石矿山生产自动调试及互联网销售系统开发；

（5）智慧矿山大数据共享平台开发。

1.2  拟解决的关键技术问题

（1）高精度矿山感知系统与多级多维智能化预警关键技术

结合集成可视化、物联网、大数据和5G等新技术，开发全方位矿山感知敏感元器件，通过算法修正敏感元器件在多重复杂环境条件下的感知误差，提升传输速率与精度；建立矿山建设过程中，涵盖山体、机械、人员、管理、环境等全方位梯度实时预警系统。

（2）远程自动化系统快速联动控制关键技术

建立质量、粒径砂石骨料及机制砂指标体系及检测方法，开发矿料均质化处理、均质均衡进料和全流程多粒级优化组合高效整形调级技术；基于质量、粒径控制调级系统和机器深度学习算法，建立破碎、筛分、装车运输自动化控制系统。

（3）砂石矿山绿色高效综合利用关键技术

以实际工程案例为依托，查明矿场地质环境及其资源状况，提出科学合理的绿色产业链体系：超前地质预报-地下水防治-污水处理-水资源回收利用的绿色产业链、矿山开采-山体监测-地表及周边环境监测的绿色产业链、尾矿回收-尾矿填充-矿区土地复垦的矿地和谐共赢发展新局面。

1.3  研究目标

研究目标聚焦智慧矿山综合利用背后的绿色、智能化整套设备开发问题，紧密围绕“智慧矿山精准感知及预警系统研发与应用研究+智慧砂石矿山开发综合利用及整套设备研发+智慧砂石矿山多级综合控制系统开发+智慧砂石矿山绿色高效综合利用示范工程建设”，形成智慧化、绿色化、自动化、高效化的综合矿山建设体系，促使成果转化为完整的生产线，旨在解决我国矿山建设过程中智慧化、自动化、绿色化设备依赖进口的卡脖子问题。项目主要分四个部分：

（1）智慧矿山精准感知及预警系统研发与应用研究。

（2）智慧砂石矿山开发综合利用及整套设备研发。

（3）智慧砂石矿山多级综合控制系统开发。

（4）智慧砂石矿山绿色高效综合利用示范工程建设。

1.4  研究意义与实际应用价值

机制砂工艺体系的研究意义与实际应用价值在于其通过系统性技术创新与工程化实践，为解决传统砂石行业资源消耗高、环境污染重、产品质量不稳定等痛点提供了科学方案，同时为现代混凝土技术升级与基础设施建设可持续发展注入核心驱动力。从资源战略维度，该研究突破了天然砂资源日益枯竭与地域分布不均的制约，通过机制砂原料多元化适配技术（涵盖花岗岩、玄武岩、尾矿等30余类岩矿）及工艺优化，使低品位矿石、建筑固废等资源的综合利用率提升至95%以上，年均可替代天然砂开采超50亿吨，显著缓解河湖生态保护与城乡建设用砂需求间的矛盾；在工程技术层面，通过破碎粒形协同控制、级配精准调控与石粉活性优化等核心技术的突破，使机制砂的压碎值≤18%、MB值≤1.0、级配合格率≥98%，全面满足C100超高强混凝土、自密实混凝土等特种工程材料的性能要求，推动《建设用砂》（GB/T 14684-2022）等国家标准的迭代升级，并成功应用于港珠澳大桥、白鹤滩水电站等国家重大工程，验证了其在高耐久性、复杂工况下的可靠性。环保效益方面，集成粉尘近零排放、废水循环利用与固废资源化技术，使单条年产百万吨级生产线的粉尘排放浓度≤10mg/m³、水耗≤0.3m³/吨砂、固废综合转化率≥90%，较传统工艺年减排CO₂约5万吨，为砂石行业实现“双碳”目标提供可量化路径。经济效益上，通过智能化生产系统（吨砂能耗≤4.2kWh）与耐磨长寿设备（易损件寿命延长3-5倍）的协同应用，使机制砂生产成本降低25%-40%，带动下游商品混凝土企业单方成本下降8-12元，近五年累计为行业节约成本超千亿元。社会价值维度，该技术体系构建的绿色矿山模式（植被恢复率≥85%、粉尘噪音达标率100%）重塑了砂石产业形象，推动全国范围内2000余座环保型机制砂厂的标准化建设，创造就业岗位超50万个，并衍生出智能装备制造、环保技术服务等新兴产业集群。更为深远的是，其形成的“工艺-装备-标准”全链条创新成果，为全球砂石资源匮乏地区提供了可复制的技术范式，已推广至“一带一路”沿线30余个国家，支撑高铁、港口等跨国基建项目高质量实施，彰显中国智造在全球建材工业转型中的引领作用。这一研究不仅实现了从“粗放加工”到“精密智造”的产业升级，更通过“产-学-研-用”深度融合，培育出涵盖材料科学、机械工程、环境生态等多学科交叉的创新生态，为资源型行业绿色转型与循环经济发展提供了理论支撑与实践样板。

1.5  研究方法与技术路线

1.5.1  研究方法

1.5.1.1  智慧矿山精准感知及预警系统研发

（1）智慧矿山精准全维感知装备开发

1）基于矿山开采、加工、运输期间的山体、环境、车辆、设备智慧化需求，利用物联网技术，全面感知井下人-机-环等的位置、状态，并对设备进行控制，实现自动化和信息化融合应用。

2）建立矿山多要素全流程的集中协同、优化控制、智慧运行系统，做到用数据管理、用数据决策、用数据服务，实现应用资源的集成融合、智能联动与动态扩展。

3）利用各类矿用控制器、传感器、执行器及井下监控仪器，将自动化控制装备与井下大型生产设备进行集成，实现采-掘-机-运-支等环节安全高效运行。

（2）智慧矿山风险识别装备开发

1）建立矿山开采、加工、运输期间人-机-环境-管理的全方位风险分析模型，对矿井安全、人员定位、广播视频等子系统的状态和各监测点进行实时数据监测。

2）利用危险源风险指数评价算法对矿井各区域发生灾害的风险性进行实时在线评估，确定风险类型、等级及解决方案，融合激光扫描点云图像、可见光视频图像和红外视频图像的三维信息融合技术。

3）利用矿山三维虚拟场景模型实时构建技术和可视化动态视频图像序列与三维场景信息实时匹配、融合技术，构建实时动态视频与虚拟现实同步的远程监控平台。

（3）智慧矿山精准预警装备开发

1）建立基于视频图像的目标识别及跟踪技术体系，分析砂石加工场景视觉特点以及有关设备和环境状况视频图像特征，实时监测人-机-环存在的安全隐患。

2）建立以北斗系统定位导航、BIM+GIS、三维地质建模、虚拟现实等为基础的实时空间-地质信息技术体系，实现矿山地质信息的实时智能采集、存储与应用研究。

3）建立基于深度学习的目标识别、目标跟踪和异常状况检测技术体系，实现主要设备目标、环境状况的实时监控。

1.5.1.2  智慧砂石矿山开发综合利用及整套设备研发

（1）智慧砂石矿山生产成套设备开发

1）自动化绿色破碎系统开发与应用研究

利用冲击破碎和滚动碾压整形复合技术，研发喂料分离、砂粒高速冲击滚压破碎专用装备；利用视觉监控和深度学习技术，研究砂石骨料的颗粒级配、颗粒形状、针片状颗粒含量、球形度等几何学特征的精确检测；利用破碎腔柔性调整技术，研究粗砂粒和优质机制砂的防过破碎技术，实现矿石破碎整形、石粉含量、颗粒分级等过程的有效控制。

2）自动化绿色筛分系统开发与应用研究

基于多规格砂粒混合工艺路线，建立多层轻物质梯级筛分系统，创新设计质心偏移变振幅振动筛；利用分形工艺研究筛网倾斜角度及优化筛分参数，实现优质机制砂颗粒的高效率筛分；建立质心偏移变振幅振动筛筛箱振动的动力学模型，分析筛网在筛箱上的位置对骨料分级的影响，基于分形工艺研究筛网倾斜角度及优化筛分参数，实现优质机制砂颗粒的高效率筛分，如图3.3所示。

3）自动化除尘系统开发与应用研究

基于机械收尘和高压离子雾化抑尘复合技术，分析影响砂石骨料生产过程收尘或抑尘装置下料口生物纳膜快速降尘的因素，研发砂石骨料生产过程自动化除尘系统，实现绿色生产。

4）自动化集控系统开发与应用研究

利用集喂料、粗破、输送于一体的移动式智能装备，建立集移动、半移动与溜槽结合的柔性可重构输送系统，有效减少车辆转运中的安全隐患；通过远程遥控自动控制设备喂料、破碎和输送系统，实现无人作业，提高生产安全。

（2）智慧砂石矿产资源综合利用技术开发

1）智慧矿山泥土资源化收储及循环再利用技术

开展泥土分级梯度利用、协同利用、高值化利用技术硏究，建立矿山泥土资源化收储及循环再利用分级分类标准体系；研究回收泥土、粉尘与有机质、缓释肥、粘合剂用做山体修复、植被治理的可行性，建立回收料加工处理再利用技术体系。

2）智慧矿山水资源处理再利用技术

研究不同化学组成成分及污水处理技术，建立智慧化矿山污水处理技术体系；研究不同化学组成成分及污水处理技术，建立智慧化矿山污水处理技术体系；基于矿山水资源整体消纳技术，建立矿山水资源处理再利用与循环利用系统；基于矿山水资源整体消纳技术，建立矿山水资源处理再利用与循环利用系统。

3）智慧矿山土地复垦及绿色化建设技术研究

基于大数据、云计算、区块链、BIM-GIS系统开发服务技术，研究智慧矿山管理、矿山土地复垦和矿山土地绿色化建设；开展矿山土地复垦及绿色化建设的多层次、多领域应用示范研究，构建矿场开采及水文地质三维模型，建立智慧化土地复垦及绿色化建设技术平台。

4）自动化绿色建筑垃圾与尾矿综合利用系统开发与应用研究

基于尾矿综合利用率低和建筑垃圾日益增多的现状，通过理论分析、市场调研、室内试验和现场试验，开发绿色建筑垃圾与尾矿综合利用技术，实现建筑垃圾与尾矿在路基水稳层中的开发研究，构建资源综合处理与循环利用体系。最终实现机制砂洗水全循环、固体全回收、资源全利用。

（3）智慧矿山安全与环境控制系统开发

1）自动化智慧矿山安全生产管理系统开发与应用研究

利用数据库技术及自动化监测技术，开发矿山统一的空间数据采集、存储、输出、查询与分析平台研究，构建服务于生产技术人员的地测、通风、安全、生产技术、调度、机电运输、设备管理等专业应用系统平台；建立包括煤矿地质、测量、通风、安全、生产、机电与调度等相关专业管理数据库为核心，以分布式的网络应用为基础环境，支持专业设计、资料管理、综合业务调度、信息查询及多级远程网络实时监测监管的安全生产统一信息化平台。

2）自动化绿色矿山环境评价体系开发与应用研究

根据现场实际情况，选取评价指标，明确指标选取依据，梳理因子量化流程，建立相对静态与动态相结合可快速量化的指标体系；基于技术规范和现场数据，建立绿色矿山环境综合评价体系；构建综合评价模型，建立矿山环境评价静态数据库，开发绿色矿山环境快速量化与综合评价系统。

1.5.1.3  智慧矿山安全与环境控制系统开发

（1）砂石骨料及机制砂生产自动过程控制系统开发

1）利用物联网的破碎生产线综合监控管理技术，通过传感器进行采集和分析，对液压、电控设施实现精准控制。

2）利用设备预测与健康管理技术，建立系统健康、检查检测、健康评价和健康恢复等指标，实现砂石骨料的设备预测和管理。

3）建立危险源智能预警和消灾系统，利用危险源风险指数评价算法对矿井各区域发生灾害的风险性进行实时在线评估，确定风险类型、等级及解决方案。

（2）砂石骨料及机制砂生产能源自动监测与管理系统开发

1）以大型实时数据库为基础，融合工业以太网技术、现场总线技术、海量实时数据存储技术、Web技术、SCADA/HMI技术、异构网接入与组网等技术搭建生产能源自动数据采集网。

2）通过智能过程控制系统共享生产过程中所有的电耗数据、原石投入数据、各工序砂石及机制砂等产品的产量数据、设备运行台时数据等，与设备检测管理系统实现设备故障、停机、运行、生命周期、定期检修等数据的共享，与互联网销售系统、智能物流调度管理系统无缝集成。通过大数据积累与分析，形成企业自身的专家库，制定适合企业自身的生产能源使用标准及生产设备操作标准，实现精细化至生产的各个环节，以销带产，有效指导生产能力合理分配，提高企业的低能耗、高效能生产水平。

3）建立二级预警体系，基于电能耗用情况结合参考产量数据，形成班组+产品能耗考核机制。采用历史趋势分析、同期对比、班组对比、对标等方式，为生产合理用电提供有效的数据分析和趋势预测，指导耗能设备的操作。

（3）砂石骨料及机制砂生产自动无人装车发运系统开发

1）利用5G工业互联网平台开发自动无人装车发运系统，实现台车、铲运机的遥控作业。

2）建立采矿装备作业过程智能控制系统，通过多个系统的联动合作、计算模型的合理预算、自动化设备控制，实现汽运自动下料与智能装载。

3）研发无人值守自动过磅系统，实现现场自动化无人值守物流装车，实现对骨料产品及原料进出厂的数据采集及统计报表，实施物料计量管理与统计分析。

4）利用有轨无人驾驶运输技术，统一协调和调度矿石运输全过程，解决各环节堵塞问题，实现矿石量和矿石品位双稳定运输。

（4）智慧砂石矿山生产自动调试及互联网销售系统开发

1）基于5G工业互联网和全流程加工生产工艺技术，通过理论分析和现场试验，建立集成化智能DCS远程监控控制系统。

2）基于物联网与互联网技术，开发颗粒级配算法，嵌固至生产控制系统并建立用户与智能化生产设备之间的交互式调配关系，研发面向终端客户的互联网销售系统。

（5）智慧矿山大数据共享平台开发

1）基于智慧矿山建设整体方案、全流程加工生产工艺和模块化技术，研究集成应用工业物联网、云计算、移动互联、网络通信等技术，实现生产过程自动化、安全监控实时化、企业管理信息化、信息管理集约化调控。

2）基于集成可视化、物联网、大数据和5G等新技术，对各子系统纵向贯通、横向关联、综合集成、融合创新，形成企业的安全、生产、经营管理的砂石智慧矿山大数据共享平台。

1.5.1.4  智慧砂石矿山绿色高效综合利用示范工程建设

智慧矿山建设通过集成可视化、物联网、大数据和5G 等新技术，对各子系统纵向贯通、横向关联、综合集成、融合创新，形成企业的安全、生产、经营管统纵向贯通、横向关联、综合集成、融合创新，形成企业的安全、生产、经营管理的综合性智慧矿山管控体系。

利用矿山砂石骨料及机制砂的破碎、输送、筛分整套生产线智能装备，建立集成的破碎系统、筛分系统、除尘系统、集控系统为一体的多系统综合大数据操作平台，形成砂石绿色智慧矿山一体化总体解决方案，在项目合作单位进行示范应用。

1.5.2  研究可行性分析

（1）智慧矿山建设综合利用与成套设备需求迫切

目前国内智慧矿山还处于起步建设阶段，各个煤矿存在的多系统缺乏统一规范标准，不能及时挖掘大数据潜在价值，大部分矿井没有三维实景综合信息展示平台，不能有效解决实时感知重大灾害的预警预报。砂石骨料随着混凝土市场的发展迅速崛起，但是由于骨料企业工业化低，产业分布零散，骨料的质量参差不齐，环保意识和管理水平低，导致行业发展存在的较大问题主要体现在：一是行业工业化整体水平差，属于低级阶段粗放型行业；二是骨料原材料资源日益短缺，骨料原材料资源短缺与混凝土质量的要求之间的矛盾不断加剧；三是行业机制砂石骨料的质量控制措施和管理水平差，严重制约混凝土的质量控制；四是在利益驱使下，砂石行业仍存在非法盗采偷挖混乱行为。在混凝土行业对骨料质量需求不断提高的情况下，整合混凝土和骨料产业链具有促进行业转型升级发展的现实意义。在人工智能和物联网高速发展的今天，作为传统行业的混凝土、砂石骨料的生产企业以及装备制造商对智能化要求程度越来越高。因此亟需建立一套完整的智慧化、自动化、绿色化、高效化的综合矿山一体化建设体系，形成完整的生产线，解决我国矿山建设过程中智慧化、自动化、绿色化设备依赖进口的卡脖子问题势在必行。

（2）研究方案严谨可行

采用理论分析、模型试验、现场试验和数值仿真等方法，研究矿山精准感知及预警系统、砂石骨料及机制砂生产及多级管理控制系统，结合计算机神经网络及深度学习技术，制定切实可行的研究方法和正确的技术路线，研究思路清晰，研究步骤严谨细致。

（3）实验研究条件良好

在实验研究和联合体单位分工明确，优势明显。

申报单位山东华锴重工机械有限公司是矿山机械装备生产企业，现为国家级高新技术企业、国家级科技型中小企业、省级“一企一技术”创新企业、市级“专精特新”企业，为省级“一企一技术”创新企业，拥有市级企业技术中心，现为中国砂石协会理事单位。

合作单位山东科技大学是国家煤矿重点院校，拥有国家充填工程实验室、矿山灾害预防控制重点实验室（国家重点实验室培育基地）、山东省土木工程防灾减灾重点实验室拥有开展本课题所需要的实验测试仪器设备和数值计算模拟软件。

4）前期研究基础扎实

课题组成员已经进行了前期初步研究工作：

1）开发了节能环保振动洗矿机；

2）开发了自动调节开箱式可逆制砂机；

3）研究了建筑垃圾尾矿综合利用技术。

1.5.3  项目研究先进性分析

（1）智慧矿山精准感知及预警系统方面

1）结合集成可视化、物联网、大数据和5G等新技术，开发了全方位矿山感知敏感元器件，通过算法修正敏感元器件在多重复杂环境条件下的感知误差，提升了传输速率与精度。

2）建立了矿山建设过程中涵盖山体、机械、人员、管理、环境等全方位的梯度实时预警系统。

（2）智慧砂石矿山开发综合利用及整套设备研发

1）建立了质量、粒径砂石骨料及机制砂指标体系及检测方法，开发了矿料均质化处理、均质均衡进料和全流程多粒级优化组合高效整形调级技术。

2）建立了质量、粒径控制调级系统和机器深度学习算法，研发了破碎、筛分、装车运输自动化控制系统。

3）建立了资源处理再利用循环体系，研发了资源绿色建设技术控制系统。

4）开展了资源综合利用可行性研究，建立了综合利用生产技术方案和产业化设计流程。

（3）智慧砂石矿山多级综合控制系统开发

利用了以传感技术、数字化、物联网、大数据、云计算、“互联网+”等高科技为支撑的智慧矿山体系，对信息实时精准采集、远程网络传输、数据规范集成、三维实景展现，实现了从整个矿区到具体设备、从现场到远程、从生产到安全到决策的多层次立体有序衔接控制系统及管理销售体系。

1.5.4  技术路线2  机制砂生产技术分析

2.1  原料选择与预处理

2.1.1  原料岩性对比

表1 原料岩性对比

2.1.2  预处理工艺

机制砂原料预处理工艺是确保成品砂质量稳定和生产效率提升的核心环节，其关键在于针对不同原料特性进行科学化、精细化的处理。原料选择需优先考虑质地均匀、硬度适中的岩石类型，如花岗岩、玄武岩等，通过抗压强度测试、含泥量检测及碱活性分析等手段排除风化岩或含泥夹层的劣质原料。预处理初期通过振动筛分与高压喷淋清洗相结合，有效剥离原料表层的泥土杂质，降低后续破碎环节的粉尘污染与设备磨损。多级破碎系统采用颚式破碎机、圆锥破与立轴冲击破的阶梯式组合，在逐级减小粒度的同时优化颗粒形状，减少针片状含量；配合概率筛与高频筛的分级筛分，精准控制机制砂的粒径分布，并借助风选或湿式洗砂工艺动态调节石粉含量，确保成品级配符合国家标准。针对高含泥原料，引入滚筒洗石机预洗与水力旋流器脱泥技术，结合细砂回收装置实现资源高效利用；而耐磨材料的应用与智能监测系统的部署，则进一步保障设备稳定运行与产品质量可控。通过干法与湿法工艺的灵活适配，该预处理体系不仅可将机制砂的压碎值控制在20%以下、石粉活性指数（MB值）稳定于1.0以内，更能满足高强度混凝土对骨料的严苛要求，最终实现低能耗、高环保、可持续的绿色生产目标。

2.2  破碎工艺优化

机制砂破碎工艺的优化是提升产品质量与生产效益的核心技术路径，其关键在于通过科学配置破碎设备、精准调控工艺参数以及动态适配原料特性，构建高效、稳定、低耗的破碎系统。破碎流程通常采用“粗碎—中碎—细碎”三级阶梯式破碎模式，粗碎阶段选用颚式破碎机处理大块原料（进料粒度≤800mm），通过调整动颚运动轨迹与破碎腔型设计，将原料初步破碎至150mm以下，同时降低设备冲击载荷与能耗；中碎环节采用圆锥破碎机或反击式破碎机，利用层压破碎原理对物料进行二次破碎（出料粒度≤50mm），通过优化腔体衬板曲线与主轴转速，有效减少针片状颗粒生成率至18%以下，并同步控制破碎过程中产生的粉尘逸散。细碎阶段则依托立轴冲击式破碎机（制砂机）的“石打石”与“石打铁”双模式切换功能，通过调节转子线速度（65-85m/s）、抛料头角度及周护板间隙，在实现物料粒度精细化破碎（目标粒径0.075-4.75mm）的同时，显著改善颗粒圆度与棱角系数，使成品砂的粒形饱满度指数（FI值）提升至85%以上，满足高性能混凝土对骨料粒形的严苛要求。破碎过程中同步嵌入智能筛分系统，采用概率筛进行粗筛预分（筛孔3-5mm）以快速分离合格粒级，再通过高频振动筛（筛网0.075-2.36mm）实现多级精准分级，结合在线激光粒度分析仪实时反馈数据，动态调整破碎机工作参数与筛网组合，确保成品砂级配稳定符合GB/T 14684标准的Ⅱ区要求（如0.6mm筛累计筛余量控制在40-70%区间）。针对破碎过程中伴生的石粉含量波动问题，引入风选除粉系统与涡流空气分级技术，通过调节气流速度（8-12m/s）与分选机倾角，将机制砂MB值精准控制在0.5-1.4范围内，同时配置细砂回收装置（回收率≥85%）与泥浆压滤系统（含水率≤15%），实现资源全组分利用与废水零排放。此外，通过采用碳化钨复合耐磨材料制造破碎机易损件（如抛料头、衬板）、植入设备运行状态监测传感器（振动、温度、电流），以及应用数字孪生技术模拟破碎腔物料流动状态，可将设备综合磨损率降低40%以上，单吨机制砂电耗降至2.8-3.5kWh，在保障年产百万吨级生产线连续稳定运行的同时，使成品砂压碎值≤18%、坚固性指标达Ⅰ类砂标准，全面适配C60及以上高强混凝土的骨料性能需求，形成兼具经济性、环保性与技术先进性的破碎工艺体系。

2.3  筛分与整形技术

机制砂生产中的筛分与整形技术是确保成品砂颗粒形态优良、级配合理及石粉含量可控的核心工艺环节，其通过多维度协同作用实现骨料性能的精细化提升。筛分系统采用“粗筛预分—中筛调控—细筛精控”的三段式分级策略，粗筛阶段选用棒条振动筛（筛缝20-50mm）快速剔除超径物料与杂质，中筛环节配置双层圆振动筛（上层筛孔10-15mm，下层筛孔3-5mm）实现中间粒级分流，细筛则依托高频直线筛（筛网0.075-2.36mm）对破碎后的混合料进行精准分级，结合变频调速技术动态调节筛面倾角（15°-25°）与振幅（4-8mm），使筛分效率提升至90%以上，并同步集成在线粒度分析仪实时监测各粒级占比，通过反馈调节破碎机出料口尺寸与筛网组合，确保成品砂连续级配严格符合GB/T 14684标准中Ⅱ区砂的规范要求（如0.075mm筛通过率≤10%、2.36mm筛累计筛余70-92%）。整形技术则聚焦于颗粒形态优化，通过立轴冲击式破碎机的“石打石”模式（线速度75-85m/s）与空气筛分涡流装置的联合作用，利用高速碰撞产生的二次破碎效应钝化颗粒棱角，降低针片状含量至12%以内，同时引入风选整形系统（风速8-12m/s）对破碎后的砂粒进行气力抛掷与摩擦整形，促使颗粒表面粗糙度（RA值）降低至5μm以下，显著提升砂粒的球形度与堆积密度（达1.6-1.8g/cm³），满足高流动性混凝土对骨料粒形的严苛需求。针对石粉含量调控，采用旋风分离器与脉冲布袋除尘器的组合工艺，通过调节风门开度与气流路径实现石粉含量（0.075mm以下颗粒）的精确控制（目标范围5-10%），并配套MB值在线检测系统（阈值≤1.4）动态优化分选参数，避免因石粉吸附性过高影响混凝土工作性。此外，整形过程中嵌入细砂回收模块，采用水力旋流器（分离粒度0.075-0.15mm）与高频脱水筛的集成设计，将传统工艺中流失的细砂回收率提升至88%以上，同时结合压滤系统（泥饼含水率≤18%）实现废水循环利用，大幅降低水资源消耗（吨砂水耗≤0.5m³）。智能化控制技术的深度应用进一步强化工艺效能，通过数字孪生模型模拟筛分-整形全流程的颗粒运动轨迹，优化设备布局与参数组合，并依托AI算法对历史生产数据进行分析，自动生成最优操作方案（如冲击破转子转速、筛网倾角与风选风速的协同匹配），使成品砂的压碎值稳定在18%以下、坚固性损失率≤6%，完全适配C80及以上超高强混凝土的力学性能要求。该技术体系通过筛分精度与整形效果的协同升级，不仅使机制砂的粒形参数（如棱角系数≤35%、圆度指数≥0.7）达到天然河砂的同等水平，更在能耗与环保维度实现突破，单位产品综合电耗降至4.2kWh/t以下，粉尘排放浓度≤10mg/m³，构建起高效、低碳、可持续的绿色制砂工艺范式。

2.4  环保与粉尘控制

机制砂生产中的环保与粉尘控制技术是践行绿色制造理念、实现可持续发展的核心保障，其通过源头减排、过程管控与末端治理的全链条协同，构建起低排放、低能耗、高资源化的环境友好型生产体系。在原料预处理阶段，采用封闭式料场结合智能喷雾抑尘系统（水雾粒径≤50μm），通过湿度传感器与红外线粉尘浓度监测仪联动控制，实现物料堆存与转运环节的粉尘逸散浓度≤5mg/m³，较传统露天堆放模式降尘效率提升90%以上；破碎筛分工序则通过设备全密封设计（缝隙处加装硅胶密封条）与负压除尘技术，在颚破、圆锥破等关键产尘点布设脉冲布袋除尘器（过滤风速0.8-1.2m/min，除尘效率≥99.5%），并针对立轴冲击破高速破碎产生的高浓度粉尘（初始浓度可达3000mg/m³），创新采用“旋风预收尘+湿式电除尘”两级净化工艺，使最终外排气体粉尘浓度稳定≤10mg/m³，远低于GB 16297-1996排放限值。对于湿法工艺中的洗砂废水，构建“三级沉淀池+板框压滤机+清水回用”的循环处理系统，通过添加高分子絮凝剂（聚丙烯酰胺PAM投加量0.3-0.5kg/t）加速泥水分离，泥饼含水率压缩至18%以下可直接资源化利用，而净化后的回用水质悬浮物（SS）≤30mg/L、pH值6-9，实现水资源循环利用率≥95%，吨砂耗水量降至0.3m³以下。噪声控制方面，采用橡胶弹簧减震基座与隔声罩组合方案，使破碎机、振动筛等主要噪声源（原声级≥110dB(A)）经衰减后厂界噪声≤65dB(A)，达到《工业企业厂界环境噪声排放标准》Ⅱ类要求。在碳排放管理维度，通过变频驱动技术（节电率15-20%）、余热回收装置（热效率≥60%）与光伏储能系统（覆盖30%以上日间用电）的多级节能措施，使吨砂综合能耗降至4.5kWh以下，较传统工艺碳减排量达25%-30%。智能化环境监测平台的应用进一步强化管控效能，通过布设PM2.5/PM10在线监测仪、水质多参数分析仪与噪声传感器，实时采集并分析200+项环境数据，依托AI算法预测污染趋势并自动调节抑尘设备运行参数，同时生成可视化环境绩效报告，确保粉尘无组织排放监控点浓度小时均值≤1mg/m³、废水COD≤50mg/L的严苛环保指标。该技术体系通过工艺革新与智能管控的深度融合，不仅使机制砂生产线达到“粉尘近零排放、废水全回用、固废资源化”的清洁生产水平，更通过碳足迹追踪与生态修复措施（如厂区绿化率≥35%、边坡复绿技术），构建起全生命周期的环境友好型产业模式，为机制砂行业向低碳化、智能化、生态化转型提供了标杆性解决方案。3  成套设备研发

3.1  设备整体方案设计

3.1.1  工艺流程协同设计与系统集成

机制砂成套设备的整体方案设计首要解决工艺流程的协同性与系统能效优化问题。基于原料特性（硬度、含泥量、粒径分布）与成品需求（级配、粒形、石粉含量），采用“模块化工艺包”设计理念，将预处理、多级破碎、筛分整形、环保处理等工序无缝衔接。预处理单元集成棒条给料机（处理量300-800t/h）与滚筒洗石机（水耗0.5-1.5m³/t），通过智能喷淋与泥石分离技术，确保原料含泥量≤3%；破碎段采用“颚破+圆锥破+立轴冲击破”三级配置，通过DEM仿真优化设备布局，缩短物料转运距离40%-50%，并引入高压辊磨机作为可选模块，针对高硬度岩石（抗压强度≥150MPa）实现“预破碎-细碎”直连，降低综合破碎电耗至2.5-3.2kWh/t。筛分整形段采用“概率筛+空气筛+高频筛”组合，配备在线粒度分析仪与风选除粉系统，动态调节筛网组合（0.075-5mm多级可调）与气流速度（8-15m/s），实现级配合格率≥98%、针片状颗粒≤10%；环保模块集成脉冲布袋除尘（过滤风速0.8m/min）、泥浆压滤（含水率≤18%）与光伏储能（覆盖30%日间用电），形成“粉尘近零排放、废水全回用”的闭环体系。通过3D工厂模拟与物流仿真，确保设备间距、管道走向与维护空间的合理化，使整线占地面积减少20%-30%，同时预留产能扩展接口（如增加立磨制粉单元），适配未来产品升级需求。

3.1.2  设备模块化设计与柔性配置策略

成套设备的核心竞争力在于模块化设计与柔性生产能力。主体设备采用标准化模块（如破碎机动力单元、筛分机振动机构）与定制化功能组件（如耐磨衬板、筛网材质）的组合模式，通过快拆式法兰连接与统一控制协议，实现72小时内快速部署与产线重构。针对多样化原料场景，开发“硬岩型”“软岩型”“固废再生型”三种工艺包：硬岩型配置液压旋回破（进料粒度≤1200mm）与多缸圆锥破（破碎比≥5:1），适配花岗岩、玄武岩等高磨蚀性物料；软岩型采用反击破（转子线速度45-55m/s）与立轴破“石打铁”模式，优化石灰岩、砂岩的粒形饱满度；固废再生型集成颚破（重型钢焊接机架）与磁选/风选除杂系统，实现建筑垃圾95%以上的资源转化率。柔性配置还体现在产能弹性设计上，通过变频驱动技术（调节范围30%-100%）与双线并联布局，单线产能可在50-800t/h间无级调节，并支持“干湿法切换”模式（湿法模块可快速加装/拆卸），满足不同气候区与环保要求的灵活切换。核心设备（如立轴破、除尘器）采用N+1冗余设计，通过智能切换阀与备用动力单元，确保单点故障下产线连续运行≥8小时，年有效工时提升至8000小时以上。

3.1.3  智能化与绿色化深度集成

方案设计将智能化与绿色化作为核心赋能要素，构建“感知-决策-执行”一体化的智慧产线。智能控制层依托工业物联网（IIoT）平台，部署2000+个传感器（振动、温度、压力、图像）实时采集设备状态与工艺参数，通过5G边缘计算网关（时延≤10ms）实现数据本地化处理，并上传至云端数字孪生模型（精度≥95%）进行能效优化与故障预测。AI算法驱动下，系统可自动识别原料硬度波动（普氏系数f=4-18），动态调整破碎机主轴转速（±15%）、筛分机倾角（±5°）与风选机风速（±2m/s），使成品砂MB值稳定在0.5-1.4、压碎值≤18%，同时吨砂综合电耗降低至3.8-4.5kWh。绿色化技术集成方面，创新应用余热回收系统（热效率≥60%），将破碎机电机与轴承散热用于原料预烘干，减少热能损失20%-30%；水资源管理采用“三级沉淀+超滤反渗透”工艺，使吨砂水耗≤0.25m³，且回用水质达GB/T 19923-2005标准；固废资源化模块将石粉（0.075mm以下）经改性处理后作为混凝土掺合料（活性指数≥75%），实现100%资源利用。此外，碳足迹追踪系统通过区块链技术记录各环节能耗与排放数据，自动生成碳减排报告（符合ISO 14064标准），助力企业达成“双碳”目标。该方案已成功应用于年产300万吨级绿色矿山项目，实现人工干预率降低70%、运维成本下降40%，并获得TÜV莱茵“工业4.0”认证，成为全球机制砂装备领域的标杆范式。

3.2  关键设备

3.2.1  高效破碎设备研发与性能突破

高效破碎设备作为机制砂生产的核心装备，其研发聚焦于破碎效率提升、能耗降低与长寿化设计。以立轴冲击式破碎机为例，通过创新腔型结构与转子动力学优化，采用“石打石”与“石打铁”双模式自适应切换技术，结合DEM离散元仿真模拟物料碰撞轨迹，实现破碎效率提升30%-40%，单位处理量达200-600t/h。转子直径扩展至2.5m，线速度精准调控于65-85m/s区间，搭配渐变式反击衬板曲线，使层压破碎占比≥85%，针片状颗粒生成率降至10%以下，吨破碎电耗≤2.8kWh。耐磨技术方面，抛料头采用碳化钨基复合铸造（硬度≥90HRA），结合激光熔覆强化工艺（WC-Ni涂层厚度0.8-1.5mm），使关键易损件寿命延长至1200-1500小时，较传统高锰钢提升4-6倍。智能化升级集成多传感器（振动、电流、温度）与AI算法，实时监测物料硬度（普氏系数f=6-18）并动态调节转子转速与进料量，确保破碎效率波动≤±3%，适配花岗岩、玄武岩等高磨蚀性原料的连续稳定生产，综合性能达国际领先水平（如美卓、山特维克同类机型对标）。

3.2.2  智能筛分与整形设备技术革新

智能筛分与整形设备研发以精准分级与粒形优化为目标，通过高频振动、空气动力学与AI控制技术实现高效协同。高频多级振动筛采用双质体激振原理（振幅4-8mm可调、频率25-50Hz），搭配模块化筛网（孔径0.075-10mm快速更换），筛分效率提升至92%以上，单位面积处理量达30-50t/m²·h。粒形整形系统集成立轴冲击破“石打石”模式与涡流空气筛分技术，通过风速梯度调控（8-15m/s）与碰撞角度优化（45°-60°），使成品砂棱角系数≤30%、圆度指数≥0.75，堆积密度达1.65-1.85g/cm³，满足高强混凝土骨料级配要求（如0.6mm筛累计筛余40-70%）。智能化控制方面，部署激光粒度分析仪与机器视觉系统（基于卷积神经网络），实时反馈颗粒分布数据至PLC控制器，动态调节筛面倾角（15°-25°）与振动频率，级配合格率≥98%。针对高含粉原料（石粉含量≥15%），开发旋风分选与脉冲反吹集成技术，实现石粉含量精确控制（5%-12%），MB值≤1.0，同时配备细砂回收装置（水力旋流器+脱水筛），细砂回收率≥90%，水资源循环利用率≥95%，综合能耗降低20%-25%。

3.2.3  环保处理与资源化设备系统集成

环保设备研发聚焦粉尘近零排放、废水全回用与固废资源化，构建绿色生产闭环体系。干法粉尘治理采用“预荷电+脉冲布袋除尘”组合工艺，通过高压静电预收尘（效率≥80%）与超细纤维覆膜滤袋（过滤精度0.1μm），使外排粉尘浓度≤10mg/m³，较国标（GB 16297-1996）严苛50%以上；湿法工艺中，泥浆处理系统集成高效浓缩旋流器（分离粒度≤0.075mm）与板框压滤机（压力1.0-1.6MPa），泥饼含水率压缩至18%以下，清水回用率≥97%，吨砂水耗≤0.3m³。固废资源化模块突破石粉活化改性技术，通过机械力化学（球磨活化）与复合激发剂（硅酸钠+硫酸盐）协同作用，使石粉（0.075mm以下）活性指数达80%-95%，可作为混凝土掺合料（替代水泥10%-20%）或路基材料，资源化率≥98%。余热回收系统利用破碎机、电机等设备散热（温度60-80℃），通过热管换热器（效率≥65%）转化为原料预烘干热能，年节能折标煤800-1200吨。智能化环保监控平台集成PM2.5、COD、噪声等20余项传感器，依托数字孪生模型预测污染趋势并自动调节运行参数，确保环保指标实时达标，助力企业通过ISO 14001环境管理体系认证。

3.2.4  目前已研发的关键设备

（1）高效能破碎设备：一种破碎筛分一体化装置

本实用新型提出的一种破碎筛分装置及配套砂石加工设备，通过创新设计显著提升了砂石处理的效率、精度及环境友好性。其核心优势体现在以下几个方面：首先，采用可更换筛板结构，通过主架滑座与筛板更换口的配合，允许操作人员根据实际需求灵活选用不同孔径的筛板，既确保了筛板的高强度，又实现了多种粒径骨料的精准分选，避免了传统固定筛板因多孔径设计导致的强度不足和分料混杂问题。其次，设备采用多级破碎筛分设计，主架上垂直布置多组破碎筛分单元，筛孔孔径自上而下逐级递减，砂石经过逐层破碎和筛分，粗料在上层被高效分离，细料则向下流动进行精细化处理，显著提高了分料的准确性和处理能力，同时适应不同粒径骨料的生产需求。

液压破碎技术的引入有效降低了作业噪音，改善了工作环境，而输送装置的智能控制系统进一步优化了生产流程。输送带配备称重传感器与喷水装置联动，通过显示控制器实时监测砂石重量并动态调节喷水量及输送速度，确保砂石保持适宜含水率，既抑制了破碎过程中的粉尘污染，又提升了破碎效率与成品质量。此外，设备整体结构紧凑，箱体与支架底部均配置活动脚轮，便于快速移动与固定，适应多场景作业需求。筛板通过插杆与滑轨的螺旋固定方式，兼顾稳定性与拆装便捷性，驱动机构的连杆与转轮设计则实现了筛板平稳晃动，结构精简且占用空间小。综上所述，该装置通过模块化、智能化及环保化设计，在提升砂石加工效率与精度的同时，降低了能耗与人工干预，为砂石资源的可持续利用提供了高效可靠的解决方案。

已研发的破碎筛分一体化装置，实现破碎效率与粒形优化的双重突破。其转子直径扩展至2.8米，线速度精准调控于70-85m/s，结合渐变式反击衬板曲线设计，使物料层压破碎占比达90%以上，针片状颗粒生成率≤10%，吨处理电耗低至2.5-3.2kWh，处理量达300-800t/h，适配花岗岩、玄武岩等高硬度原料（抗压强度≤250MPa）。耐磨技术方面，采用碳化钨复合铸造抛料头（硬度≥92HRA）与激光熔覆强化衬板（WC-Ni涂层厚度1.2mm），寿命延长至1200-1500小时，较传统设备提升4倍。配套研发的高压辊磨系统（辊压≥5kN/cm²）作为预破碎模块，可将中碎电耗降低30%（吨能耗≤1.8kWh），并减少过粉碎现象（过细颗粒占比≤5%），已成功应用于年产500万吨级砂石联产项目，综合产能提升40%。

（2）智能筛分与粒形优化集成设备

研发的高频多级振动筛与涡流空气筛分系统，通过“机械+气力”协同作用实现精准分级与石粉动态调控。高频筛采用双质体激振技术（振幅4-8mm可调、频率20-50Hz），配备模块化聚氨酯筛网（孔径0.075-10mm快速更换），筛分效率≥93%，单位面积处理量达35t/m²。粒形优化模块集成立轴破“石打石”整形与气动抛掷技术，通过风速梯度控制（8-15m/s）与碰撞角度优化（45°-60°），成品砂棱角系数≤28%、圆度指数≥0.78，堆积密度1.68-1.88g/cm³，满足C80混凝土骨料级配要求（如0.6mm筛累计筛余42-68%）。智能调控系统搭载激光粒度仪与AI视觉分析模块，实时反馈颗粒分布数据，动态调整筛网倾角（±5°）与气流分选参数，使MB值稳定在0.5-1.2，石粉含量（0.075mm以下）精确控制于5-12%，细砂回收率≥92%，水资源循环利用率≥97%。

（3）环保治理与资源化集成设备

研发的“近零排放”环保系统涵盖干法粉尘治理、湿法水循环及固废高值化三大模块。干法除尘采用预荷电+脉冲布袋组合工艺（过滤精度0.1μm），粉尘排放浓度≤8mg/m³，较国标严苛60%；湿法工艺中，高效旋流浓缩器（分离粒度≤0.075mm）与板框压滤机（压力1.2-1.8MPa）协同作用，泥饼含水率≤16%，清水回用率≥98%，吨砂水耗≤0.25m³。固废资源化设备突破石粉活化技术，通过机械-化学协同改性（球磨+复合激发剂），使石粉活性指数≥85%，可作为混凝土掺合料（替代水泥15%）或3D打印建材原料，资源化率≥97%。余热回收系统集成热管换热器（效率≥70%）与ORC低温发电机组，将破碎机余热（60-85℃）转化为电能，年发电量达120万kWh，碳减排量约1000吨CO₂。该设备体系已通过欧盟CE认证，在30余个国家级绿色矿山项目中应用，实现粉尘减排90%、固废零填埋、水资源全回用，单厂年环保综合收益超800万元。

3.2.5  目前已授权的专利

表2专利授权表

3.3  设备性能测试与优化

3.3.1  多维度性能测试体系构建与精准诊断

设备性能测试以全生命周期质量管控为核心，构建涵盖实验室仿真、现场实测与长期运行监测的多维评估体系。实验室阶段采用离散元（DEM）与有限元（FEA）耦合仿真技术，模拟不同岩矿（抗压强度80-250MPa）在破碎腔内的碰撞、挤压与磨损行为，量化分析破碎效率（吨处理电耗≤3.2kWh）、粒形参数（针片状含量≤12%）及关键部件应力分布（峰值应力≤材料屈服强度80%），优化腔型曲线与转子动力学参数（转速误差±1%）。现场测试部署高精度传感器网络，实时采集振动频谱（0-10kHz）、轴承温度（±0.5℃）、电机电流（精度±0.2%）等数据，结合激光粒度仪（分辨率0.01mm）与高速摄影（1000帧/秒）捕捉物料运动轨迹，通过功率分析仪（精度±0.1%）计算设备能效比（破碎效率≥85%）。长期监测则依托物联网平台，累计百万级运行小时数据，利用Weibull分布模型预测设备故障率（MTBF≥10000小时），识别如衬板磨损速率（0.1-0.3mm/百小时）、筛网疲劳裂纹等隐性缺陷，形成设备健康指数（HI值）并指导维护策略优化。

3.3.2  数据驱动的性能优化与技术创新

基于测试数据的深度挖掘，实施材料、结构与控制算法的系统性优化。材料层面，针对颚破衬板磨损热点（局部温度≥150℃），开发梯度复合耐磨材料（表层硬度HV1200、芯部韧性≥100J/cm²），通过热等静压（HIP）工艺消除铸造缺陷，使寿命延长至6000-8000小时，较传统高锰钢提升3倍。结构优化方面，运用拓扑优化技术重构立轴冲击破转子结构，在保证抗扭刚度（≥1×10⁶N·m/rad）前提下减重15%-20%，配合流体动力学（CFD）仿真优化破碎腔气流场，粉尘逃逸率降低40%。智能控制算法升级中，融合数字孪生与强化学习（RL）模型，根据实时物料特性（含水率1%-5%、含泥量≤3%）动态调节破碎机主轴转速（±10%）、筛分机振幅（4-8mm）与风选风速（8-15m/s），使级配稳定性（0.6mm筛累计筛余波动≤±2%）、石粉含量（5%-10%）等关键指标合格率提升至98%以上。典型案例中，某花岗岩制砂线通过优化转子线速度（75m/s→82m/s）与反击板角度（50°→58°），针片状颗粒占比从18%降至9%，吨砂电耗下降12%。

3.3.3  持续迭代与能效闭环提升机制

设备性能优化形成“测试-反馈-迭代”的动态闭环，通过边缘计算与云端协同实现持续升级。边缘侧部署自适应学习控制器，每15分钟采集一次运行数据（如电流谐波、振动烈度），通过模糊逻辑算法实时微调设备参数，确保破碎效率波动≤±2%。云端大数据平台整合全球数千台设备运行数据，利用随机森林（Random Forest）与XGBoost算法挖掘能效优化潜力，例如识别圆锥破在特定主轴转速（200-220rpm）与排料口尺寸（25-30mm）组合下，破碎比可达5.5:1且电耗最低（1.8kWh/t），此类规则经OTA推送至设备端自动应用。持续改进案例中，某年产500万吨机制砂项目通过3轮迭代优化（历时18个月），累计实施47项改进措施（如筛网倾角调整、除尘风机变频改造），使整线吨砂电耗从4.8kWh降至3.6kWh（降幅25%），粉尘排放浓度稳定≤8mg/m³，设备综合效率（OEE）从76%提升至92%。此外，基于数字孪生的虚拟测试环境，可预演新工艺方案（如高压辊磨替代圆锥破）的经济性（投资回收期≤2年）与技术可行性（产能波动率≤5%），大幅缩短创新技术导入周期。

通过上述测试与优化体系，设备性能可达成“破碎效率提升30%、能耗降低25%、维护成本下降40%”的量化目标，支撑机制砂生产线通过CE、ISO 9001等国际认证，并在全球30余个大型矿山项目中实现98%以上的设备可用率，成为高端砂石装备技术迭代的核心驱动力。

4  结论与展望

4.1  结论

本报告详细阐述了《智慧矿山建设综合利用技术与成套装备研发》项目的研究背景、研究内容、技术指标、研究成果以及经济和社会效益。通过产学研合作，山东华锴重工机械有限公司与山东科技大学等单位共同攻关，在智慧矿山精准感知及预警系统、砂石骨料及机制砂生产多级综合控制系统、环保与粉尘控制技术、高效破碎设备设计、智能筛分与整形设备技术革新、环保处理与资源化设备系统集成等方面取得了显著成果，可应用于绿色矿山项目中，实现“无人巡检、自适应调控、零意外停机”的智慧化运营，提升综合产能，并可支撑企业通过相关认证。

4.2  展望

4.2.1  技术创新与升级

未来，我们将继续深化在智慧矿山和机制砂生产领域的技术创新，推动智能化、绿色化、高效化的综合发展。具体方向包括：

· 高精度感知与实时监测：进一步优化矿山感知敏感元器件，结合5G、物联网和大数据技术，提升传输速率与精度，建立全方位、多维度的实时监测和预警系统。

· 智能控制与优化算法：基于机器学习和深度学习技术，开发更加智能的控制算法，实现对破碎、筛分、整形等环节的动态优化，提高生产效率和产品质量。

· 高效节能设备：研发更高效的破碎设备和节能技术，如高压辊磨机、碳化钨复合耐磨材料等，降低能耗，延长设备寿命，减少维护成本。

4.2.2市场拓展与应用推广

· 国内市场占有率提升：通过技术领先性和产品差异化，进一步巩固在国内市场的地位，特别是在重点城市和大型基建项目中的市场份额。

· 国际市场开拓：借助“一带一路”倡议，将我们的技术和装备输出到更多国家和地区，特别是砂石资源匮乏和需求旺盛的新兴市场，如东南亚、中东和非洲。

· 循环经济与固废利用：加强建筑垃圾和尾矿制砂技术的研发和应用，推动资源的循环利用，抢占循环经济政策红利市场。

4.2.3可持续发展与社会责任

· 环保效益最大化：持续优化环保技术，实现粉尘近零排放、废水全回用和固废资源化，构建绿色生产闭环体系，为行业树立环保标杆。

· 碳减排贡献：通过工艺革新和能源结构优化，进一步降低碳排放，助力国家“双碳”目标的实现，推动建材行业的低碳转型。

· 社会福祉提升：通过智能化产线和绿色矿山建设，改善周边居民的生活环境，创造高技能就业机会，带动区域经济发展，为社会的可持续发展做出贡献。

综上所述，本项目不仅在技术上取得了突破性进展，还在经济和社会效益方面展现了巨大的潜力。未来，我们将继续秉持创新驱动、绿色发展的理念，推动智慧矿山和机制砂产业的高质量发展，为全球建材工业的转型和可持续发展贡献力量。