某溝谷型尾礦庫回水系統(tǒng)布置方案探討

唐 飛，張 濤，郄永波，崔 旋

（1.云南銅業(yè)股份有限公司礦山研究院，昆明 650033；2.云南思茅山水銅業(yè)有限公司，云南 普洱 665000；3.礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

礦山行業(yè)普遍高能耗、高投入、高污染，在礦山生產(chǎn)中，耗水量巨大，使水資源環(huán)境受到巨大挑戰(zhàn)［1］。以銅礦山為例，磨礦和浮選時每噸礦石一般用水量3～7.5 m3［2］。隨著礦山行業(yè)的技術(shù)進步，生產(chǎn)方式逐漸由粗放型轉(zhuǎn)向節(jié)約型，《有色金屬企業(yè)節(jié)水設計標準》（GB 51414—2020）要求：新建、擴建和改建有色金屬礦山企業(yè)選礦水重復利用率不應小于85%，現(xiàn)有有色金屬礦山企業(yè)選礦水重復利用率不應小于80%［3-4］。根據(jù)安全、環(huán)保、節(jié)水等方面的要求，尾礦庫需配備回水系統(tǒng)，將尾礦水返回選廠循環(huán)利用［5］。本文主要針對國內(nèi)某溝谷型尾礦庫地形陡峭的特點，提出了兩種回水系統(tǒng)的布置方案，并從技術(shù)性、經(jīng)濟性、運行管理方便性等方面進行了對比分析探討，研究可為類似工程提供參考。

1 工程概況

國內(nèi)某銅多金屬礦現(xiàn)有兩座選礦廠，合計生產(chǎn)規(guī)模為5 500 t／d，尾礦產(chǎn)率為76.91%，濃度約為25.00%。根據(jù)規(guī)劃擬新增一座生產(chǎn)規(guī)模3 000 t／d的選礦廠，尾礦產(chǎn)率為81.26%，重量濃度為20.82%。礦山生產(chǎn)規(guī)模擴大后仍利用現(xiàn)有服役的尾礦庫堆存尾礦，但原有回水設施回水能力較小，為了方便統(tǒng)一進行管理，需要根據(jù)擴大后的規(guī)模新建庫內(nèi)回水設施。礦山現(xiàn)有尾礦庫總壩高134 m，總庫容2 728萬m3，為二等庫。尾礦庫庫區(qū)長度約1.8 km，溝谷切割深度大，多呈V字型，溝床寬度約8～10 m，主溝溝床比降一般7%～12%，兩岸山坡基本對稱，庫尾兩岸原始地形陡峭，岸坡坡度38°左右，給回水設施布置及施工帶來一定難度。

2 水文氣象條件

尾礦庫所在地區(qū)屬于準熱帶氣候類型，無冰凍期，夏季5～6個月；夏季炎熱多雨，冬春溫和干燥，年平均氣溫17.7℃，年平均降雨量1 534.7 mm，年降雨量主要集中在6～9月，多以陣雨、暴雨形式降落，雨季降雨量1 337.5 mm，占年降雨量比重大。尾礦庫所處區(qū)域多年平均降水量和蒸發(fā)量逐月分配情況見表1。

表1 區(qū)域多年平均降水量和蒸發(fā)量Table 1 Average annual precipitation and evaporation of the regional ／mm

3 回水量計算分析

由于尾礦庫地處西南多雨地區(qū)，巡庫道路截水溝以下庫內(nèi)匯水面積約2.4 km2，匯水面積較大，庫內(nèi)回水量計算需考慮庫區(qū)降雨、匯流、蒸發(fā)等因素的影響，尤其是降雨帶來的外部水源補給對尾礦庫回水量影響最大，同時全年降雨存在不均衡性，因此按全年周期采用水量平衡計算法［6］。水量平衡計算法根據(jù)入庫總水量、尾礦庫截留水量、尾礦庫滲漏水量并結(jié)合當?shù)囟嗄昶骄涤炅?、蒸發(fā)量等資料，綜合計算得出回水量，回水系統(tǒng)的回水量需能夠基本滿足尾礦庫庫內(nèi)水量盈虧平衡。尾礦庫內(nèi)的水量盈余情況按下式進行計算：

式中，Wj為尾礦庫降雨徑流量；Ww為尾礦漿帶入水量，合計915.04 m3／h；Wz為尾礦庫水面蒸發(fā)量；Ws為尾礦庫庫區(qū)滲漏水量，按照入庫總水量的5%；Wk為尾礦庫沉積尾礦的截留水量；Wx為需要回水量；±△W為尾礦庫中水的盈虧量。

按照式1進行逐月水量平衡計算，計算結(jié)果詳見表2，則庫內(nèi)回水總量為：

表2 庫內(nèi)水量平衡計算表Table 2 Water balance calculation table in tailings pond

考慮10%的礦漿流量波動系數(shù)，庫內(nèi)回水系統(tǒng)的回水量為1 057 m3／h。

通過庫內(nèi)回水系統(tǒng)的回水量計算，可知對于多雨地區(qū)尾礦庫，采用水量平衡法按全年周期計算的回水量要高于按經(jīng)驗回水率（80%～85%）確定的回水量，回水系統(tǒng)設備需按水量平衡法計算的回水量進行配備，并預留一定富裕，才更符合多雨地區(qū)的工程實際。從安全角度，尾礦庫在滿足防洪要求的條件下，應充分利用調(diào)節(jié)庫容，盡可能多回水。

4 回水系統(tǒng)方案探討

4.1 回水系統(tǒng)布置原則

1）技術(shù)可靠：各方案布置時，應考慮尾礦庫整個使用期的尾礦水澄清距離的要求，并充分結(jié)合地形施工相對方便，選用設備成熟可靠。

2）經(jīng)濟合理：方案經(jīng)濟指標包括建設投資和運行成本，應盡量選用建設投資少、運營成本低的方案，并考慮充分利用庫中水頭的可能性，以減少選廠供水電費。

3）管理方便：主要考慮庫尾地形坡度較陡，泵站內(nèi)設備檢修維護及運行過程中需隨庫內(nèi)水位進行取水點抬升及向庫尾方向移動，要求維檢和管理較方便。

4.2 尾礦庫回水形式選擇

濕排工藝尾礦庫回水系統(tǒng)一般分為壩下回水和庫內(nèi)回水兩種方式，如果尾礦庫相對選廠地勢較高，壩下回水方式能基本實現(xiàn)自流回水，通常采取壩下回水方式，反之，從節(jié)能、提高取水效率、提升回水量穩(wěn)定性角度考慮，通?？紤]采取庫內(nèi)回水方式［7］。

目前尾礦庫庫內(nèi)水位標高1 072 m，尾礦庫最終標高1 138 m，尾礦壩外坡腳標高890 m，選廠高位水池標高1 260 m，相較于壩下回水，庫內(nèi)回水泵送揚程小、距離近，更經(jīng)濟，因此采用庫內(nèi)回水方案。考慮尾礦庫庫尾山坡實際地形坡度較陡，從工程施工及運營維護便利角度，一種是采用岸坡泵站，一種是采用浮船泵站，下文對兩種形式方案進行對比分析。

4.3 方案一（纜車泵站＋岸坡泵站二級回水）

二級回水方案采用庫內(nèi)設置纜車泵站取水。分兩期運行：初期在庫尾設置1座纜車泵站，纜車斜坡道（標高1 070～1 105 m），在1 105 m標高設置二級岸坡加壓泵站泵送回水至1 260 m標高的高位水池；后期隨著尾礦庫灘面的升高，待庫水位接近1 105 m標高時，將1 105 m平臺的二級回水泵站及纜車泵站的絞車房整體遷移至1 140 m標高。庫尾重新修建斜坡道（標高1 105～1 140 m），斜坡臺車搬遷至新建斜坡道。方案一平面布置見圖1。

圖1 方案一平面布置圖Fig.1 Layout plan sketch of first scheme

1）一級纜車泵站：庫內(nèi)設置滑軌纜車泵站進行取水，纜車泵站由絞車房、斜坡道、斜坡臺車組成：絞車房采用鋼結(jié)構(gòu)可拆卸廠房，初期設置在標高1 105 m，尺寸7.5 m×6 m×5.5 m，內(nèi)置一臺DJ-4型調(diào)度絞車；斜坡道底坡1∶2，寬4 m，底部至庫內(nèi)水面（標高1 070 m），斜坡道頂部與絞車泵房相連（標高1 105 m）；斜坡臺車配置3臺 WQ型潛水泵，型號200WQ350-40-75（流量Q＝350 m3／h，揚程H＝40 m，電機功率P＝75 k W）。潛水泵備用1臺，置于絞車房內(nèi)。每臺潛水泵接1根DN250輸水軟管沿岸坡敷設至岸坡回水泵站與DN500 mm無縫鋼管主管相連。纜車泵房剖面見圖2。

圖2 方案一纜車泵站（一期）剖面圖Fig.2 Pump station sketch of first scheme

2）二級岸坡泵站：在尾礦庫庫尾1 105 m標高修建二級岸坡回水泵站。泵房采用可拆卸重復使用的鋼結(jié)構(gòu)廠房，泵房尺寸22.5 m×7.5 m×6.5 m；泵房內(nèi)布設3臺多級離心泵（兩用一備），型號為：MD550-50×4，流量Q＝550 m3／h，揚程H＝200 m，電機功率P＝450 k W。

4.4 方案二（浮船泵站一級回水）

浮船泵站一級回水方案采用庫內(nèi)設置一座大型浮船，庫內(nèi)取水后一級泵送至1 260 m標高的高位水池。設計在尾礦庫庫尾設置浮船泵站一座，內(nèi)安裝3臺多級離心泵（2用1備），將尾礦水直接輸送至標高1 260 m的高位水池。方案二平面布置見圖3。

圖3 方案二平面布置圖Fig.3 Layout plan sketch of second scheme

浮船泵站尺寸為：L×B×H＝22.5 m×7.5 m×1.5 m；泵房內(nèi)布設3臺多級離心泵（型號為MD550-50×5，流量Q＝550 m3／h，揚程H＝250 m，電機功率560 k W，兩用一備）。同時泵房內(nèi)需布置2臺真空泵（一用一備）用于從尾礦庫內(nèi)引水，真空泵型號SZ-2（P＝7.5 k W）。浮船泵站至新建入庫道路修建踏步并敷設回水管路，踏步底坡1∶2，寬3 m，浮船泵房方案見圖4。庫內(nèi)浮船經(jīng)浮橋與岸坡固定端聯(lián)通，每臺離心泵通過1根DN300 mm無縫鋼管與DN500 mm無縫鋼管主管相連。

圖4 方案二浮船泵站剖面圖Fig.4 Pump station sketch of second scheme

4.5 方案比較和討論

針對兩種回水系統(tǒng)布置方案：方案一（纜車泵站＋岸坡泵站二級回水）和方案二（浮船泵站一級回水），以下從技術(shù)、經(jīng)濟及運行管理等角度進行比較討論：

1）從技術(shù)角度分析，方案一、方案二的泵為常規(guī)泵型，泵送能力及回水管路均能滿足所需回水量需要，從技術(shù)上均是可行的方案。但從技術(shù)可靠程度比較，方案一因采用二級回水，設備主要包括4臺200WQ350-40-75潛水泵、3臺MD550-50×4離心泵及1臺DJ-4型調(diào)度絞車，設備數(shù)量多，管道連接部位多。方案二采用浮船泵站一級回水，設備主要為3臺MD550-50×5離心泵，設備數(shù)量少，管道連接部位少，浮船、浮橋、接頭、閥門等技術(shù)成熟，國內(nèi)浮船回水案例很多。因此，方案一的技術(shù)可靠程度低于方案二。

2）從施工角度分析，考慮庫尾兩岸原始地形陡峭，岸坡坡度38°（1∶1.25）左右，大面積開挖山體將帶來次生邊坡安全問題，因此回水設施布置需考慮避免大開挖施工。方案一、方案二均選采用分散布置方式：方案一纜車泵站位于斜坡道底部，岸坡泵站及纜車房位于岸坡建設。方案二浮船泵站位于庫內(nèi)，為減小浮船泵站尺寸，節(jié)約投資，將浮船配電房布置在新建入庫道路位置，兼顧前期后期浮船泵站供電。對比施工難度，兩方案陡坡段斜坡道及踏步施工難度相當，但方案一需修建岸坡二級泵站及纜車房，局部開挖山體邊坡較高，因此方案一的施工難度大于方案二。但對比山體開挖量，由于方案二采用浮船泵站一級回水，考慮浮船設備的安裝及檢修，需修建沿庫尾至水區(qū)的入庫道路，方案二的山體開挖量要大于方案一。整體來看，方案一施工難度大但山體開挖量小，方案二施工難度小但山體開挖量大。

3）從經(jīng)濟性角度分析，主要包括建設投資和運營投資。從建設投資比較，方案一因采用分期實施，一方面岸坡泵站建設投資小于庫內(nèi)浮船泵站，另一方面初期無需修建庫尾的入庫道路，方案一的初期建設投資比方案二約低150萬元。但后期泵站整體遷建一次及建設庫尾入庫道路后，總投資與方案二相當。從運營費用比較，因回水總揚程相同，但一級泵站的能量利用率要高于二級泵站，方案二能耗較方案一低約8%，年節(jié)約電費約60萬元。整體來看，方案一初期建設投資雖小于方案二，但后期運營費用高于方案二。

4）從運行管理角度分析，方案一為二級泵站＋纜車房，設備數(shù)量及連接部位較多，纜車泵站檢修需將潛水泵提升至纜車泵房內(nèi)，潛水泵與管道連接需要在斜坡道內(nèi)作業(yè)，運營管理相對復雜。方案二為一級泵站，設備數(shù)量少，浮船與岸坡連接管路隨水面上升沿踏步逐級抬升即可，運營管理相對簡單。因此，方案一運營管理的簡便性不如方案二。

綜合分析來看，方案一優(yōu)點是初期建設投資較低，但從施工難度、總建設投資、運營費用方面均不如方案二，因此針對本工程可優(yōu)先考慮方案二。但考慮工程具有特殊性，針對其它類似工程，需結(jié)合工程特點進行具體分析。

5 結(jié)論

本文針對國內(nèi)某溝谷型尾礦庫地形陡峭的特點，提出了兩種回水系統(tǒng)的布置方案，從技術(shù)、經(jīng)濟及運行管理等角度進行比較討論，研究結(jié)論如下：

1）對于多雨地區(qū)，降雨入庫水量較大，回水量計算采用水量平衡計算法更符合實際。

2）從節(jié)約水資源角度，礦山生產(chǎn)過程中應充分利用尾礦庫回水，可有效減少補充新水量。當尾礦壩高度較高且無法采用自流回水方式時，回水設施布置時應考慮充分利用庫中水頭標高的優(yōu)勢，優(yōu)先采用庫內(nèi)回水方式，可以減少運營成本。庫內(nèi)回水可考慮采用纜車泵站＋岸坡泵站分級回水或浮船泵站一級回水等方式，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較確定。

3）對于庫區(qū)自然山坡較陡的地區(qū)，纜車泵站施工難度一般大于浮船泵站，但因無需采購大型浮船，利于降低初期投資。但采用浮船泵站后期運營費用低，管理較方便，適宜作為優(yōu)先考慮方案。但考慮工程具有特殊性，需結(jié)合工程特點進行具體分析。