某金屬礦山露天采場(chǎng)排水接力泵站優(yōu)化探討

劉鐵軍，熊根，堯金才

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌330038）

我國(guó)大部分露天礦山已進(jìn)入凹陷露天開(kāi)采階段。 隨著開(kāi)采深度的增加，露天采場(chǎng)防水、排水問(wèn)題變得越來(lái)越復(fù)雜。 露天礦山一旦發(fā)生涌水， 危害極大，不但影響生產(chǎn)安全，延誤工程進(jìn)度，嚴(yán)重破壞邊坡的穩(wěn)定性， 還會(huì)降低設(shè)備使用效率和使用壽命[1]。露天礦排水涉及面廣，影響因素多，其排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)水文資料和采礦規(guī)劃，按照防、排、儲(chǔ)相結(jié)合的原則，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后方能確定[2]。 從排水方式上分，露天排水包括自流排水、機(jī)械排水及井巷排水等，其中機(jī)械排水系統(tǒng)由固定排水泵站、移動(dòng)排水泵站、 水池及管路系統(tǒng)組成， 其排水方式最為復(fù)雜。本文擬以某金屬礦山露天排水系統(tǒng)改造為背景，對(duì)露天采場(chǎng)排水接力泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

1 項(xiàng)目背景

某金屬礦山采用露天開(kāi)采方式，原礦及廢石均采用全汽車(chē)運(yùn)輸方案。 露采剝離采用組合臺(tái)階陡幫剝巖， 采礦作業(yè)主要在緩幫上進(jìn)行。 穿孔設(shè)備采用Φ150 mm 液壓潛孔鉆，爆破采用乳化炸藥，裝運(yùn)由4 m3液壓挖掘機(jī)配37 t 鉸接式卡車(chē)進(jìn)行。 目前，該項(xiàng)目開(kāi)采至-106 m 臺(tái)階。 據(jù)礦山采剝計(jì)劃安排，采坑將開(kāi)拓-118 m 新水平臺(tái)階，到那時(shí)，采場(chǎng)現(xiàn)有排水泵站將不能滿足采坑排水的需求，因而須建設(shè)二級(jí)接力泵站排水系統(tǒng)。

現(xiàn)有排水系統(tǒng)在-106 m 設(shè)置移動(dòng)泵站，移動(dòng)泵站將水排至+20 m 固定泵站， 最終由固定泵站排水設(shè)備將采場(chǎng)內(nèi)匯水排至尾礦庫(kù)。-160 m 坑底已安裝2 臺(tái)固定泵（Q=500 m3/h，H=120 m），1 臺(tái)備用潛水泵（Q=400 m3/h，H=120 m）；-160 m 移動(dòng)泵站至+20 m固定泵站之間設(shè)置2 根DN400、PN1.6 排水管道。+20 m 固定泵站安裝 2 臺(tái) C 型固定泵（Q=550 m3/h，H=42.5 m），2 臺(tái) D 型固定泵（Q=980 m3/h，H=52.5 m）；+20 m 固定泵站至尾礦庫(kù)之間設(shè)置 1 根 DN400、PN1.6 的排水管道與 1 根 DN600、PN1.6 的排水管道。 現(xiàn)有排水系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)有排水系統(tǒng)布置示意

2 露天坑機(jī)械排水方案確定

依據(jù)排水現(xiàn)狀，該礦可以有2 種機(jī)械排水方案供選擇：1）將現(xiàn)有-106 m 泵站直接作為二級(jí)接力泵站，采場(chǎng)下降后，通過(guò)坑底移動(dòng)泵站將水泵至-106 m泵站， 再由-106 m 泵站接力泵至地表+20 m 泵站。該方案對(duì)現(xiàn)有排水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，工程量少，只需要增加坑底移動(dòng)泵站設(shè)備和管道即可，且目前的-106 m 集水坑，也在南、北采坑的巖島位置，不存在壓礦的問(wèn)題。唯一存在問(wèn)題是，目前采場(chǎng)的東部受礦權(quán)影響暫不能外擴(kuò)， 西部受湖面影響已形成了約100 m 高的臨時(shí)邊坡，故采剝作業(yè)主要在南北兩個(gè)方向上進(jìn)行。然而-106 m 集水坑處在采坑的中心位置，這會(huì)對(duì)改造后前幾年的采剝作業(yè)產(chǎn)生一定的影響。 2）在采坑-34 m 臺(tái)階靠近邊坡的位置臨時(shí)設(shè)置二級(jí)接力泵站， 采場(chǎng)匯水通過(guò)坑底移動(dòng)泵站將水泵至-34 m 泵站后，由-34 m 泵站將廢水一段泵送至尾礦庫(kù)。 過(guò)渡期間，暫停運(yùn)行+20 m 泵站，-34 m 泵站至尾礦庫(kù)的管道部分利用+20 m 泵站至尾礦庫(kù)現(xiàn)有的2 套現(xiàn)有管道。該方案對(duì)改造后前幾年的采剝作業(yè)影響小。但是從最終的排水系統(tǒng)布置來(lái)看， 新設(shè)置的-34 m 泵站，在今后的采剝作業(yè)中，還將被回采，屆時(shí)還需要重新調(diào)整排水系統(tǒng)。

綜上所述， 考慮排水方案在改造后前幾年對(duì)采剝作業(yè)的影響，認(rèn)為在 -34 m 設(shè)置過(guò)渡接力泵站的方案更為合理。 因?yàn)檫^(guò)渡期暫停使用+20 m 排水泵站，既可提高排水系統(tǒng)整體效率，降低運(yùn)行成本，又能保證-106 m 泵站與-34 m 泵站設(shè)備工況接近，從而達(dá)到未來(lái)能繼續(xù)使用的目的。設(shè)計(jì)人員在對(duì)-34 m臨時(shí)接力泵站水泵進(jìn)行選型時(shí)， 盡可能兼顧其以后需要在-106 m 永久固定接力泵站中繼續(xù)使用的需求。 推薦排水系統(tǒng)布置見(jiàn)附圖2。

圖2 推薦排水系統(tǒng)布置示意

3 露天坑排水設(shè)備選型

3.1 排水設(shè)備選型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

露天坑正常降雨時(shí)及5%暴雨時(shí)所需排水量見(jiàn)表1。

表1 露天坑降雨徑流及地下涌水量

-154 m 坑底移動(dòng)泵站至-34 m 臨時(shí)固定泵站的排水幾何高差為120 m， 管路長(zhǎng)度為350 m；-34 m 接力泵站至尾礦庫(kù)的排水管中心標(biāo)高為34 m，排水幾何高差為68 m，管線長(zhǎng)度為3 900 m（其中-34 m 泵站至+20 m 地表泵站交接點(diǎn)管路長(zhǎng)度為600 m，交接點(diǎn)至尾礦庫(kù)管路長(zhǎng)度為3 300 m）。

3.2 排水設(shè)備選型計(jì)算

露天坑機(jī)械排水設(shè)備所需排水能力計(jì)算[3]見(jiàn)表2。

表2 排水能力計(jì)算

露天坑機(jī)械排水設(shè)備所需揚(yáng)程計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 水泵揚(yáng)程計(jì)算

3.3 設(shè)備選型

采場(chǎng)排水設(shè)備的選擇不僅要滿足各年份不同流量與揚(yáng)程的要求，還要滿足移動(dòng)工作、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、型號(hào)規(guī)格統(tǒng)一等多項(xiàng)約束條件。現(xiàn)-106 m 坑底移動(dòng)泵站采用的是IZA150-400/2P 型單級(jí)單吸離心泵。 該泵具有質(zhì)量輕、檢修方便、對(duì)腐蝕性水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合露天礦排水使用；但是該設(shè)備所需汽蝕余量（NPSHr）大，吸水高度小。 為充分利用現(xiàn)有設(shè)備，在該泵各項(xiàng)指標(biāo)檢驗(yàn)合格的情況下，可以繼續(xù)沿用。為降低吸水高度，繼續(xù)采用浮筏式安裝；-34 m 固定泵站采用吸上高度大、效率高的臥式多級(jí)離心泵。由于礦坑廢水pH 值為3～4，水泵過(guò)流部件及管路均采用耐腐蝕材料。 水泵主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4，所需排水設(shè)備見(jiàn)表5。

表4 水泵主要技術(shù)參數(shù)

表5 露天坑所需排水設(shè)備

3.4 排水設(shè)備能力校核

3.4.1 -34 m 固定泵站

本泵站運(yùn)行有 2 泵對(duì) 1 管、3 泵對(duì) 2 管及 1 泵對(duì)1 管3 種工況，分別對(duì)其進(jìn)行校核，在水泵特性曲線上做管路特性曲線， 求出這3 種水泵工況點(diǎn)分別為 Q1=505 m3/h、H1=146 m，Q2=582 m3/h、H2=128 m，Q3=439 m3/h、H3=88 m（約 40 Hz 下運(yùn)行）。

1）排水管中最大實(shí)際流速。3 種工況下管道中最大流量分別為：1 010 m3/h、873 m3/h、439 m3/h，排水管中平均流速vp的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）：

式中：dp為排水管所需的直徑，m；n 為向排水管中輸水的水泵臺(tái)數(shù)；Q 為單臺(tái)水泵的流量，m3/h。

按公式（1）進(jìn)行核算，則實(shí)際流速為：

vp1=4×1×1 010/（3 600×3.14×0.42）=2.23 m/s；

vp2=4×1×873/（3 600×3.14×0.42）=1.93 m/s；

vp3=4×1×439/（3 600×3.14×0.42）=0.97 m/s。

2）水泵所需揚(yáng)程。 水泵所需揚(yáng)程H 計(jì)算公式見(jiàn)式（2）：

式中：Lj為管道計(jì)算長(zhǎng)度，m；Lj=實(shí)際管長(zhǎng)+各種管件和閥門(mén)的等值長(zhǎng)度；d 為管內(nèi)徑，m；v 為管內(nèi)流速；λ為管道摩擦阻力系數(shù)；h 為自由水頭。

MD550-50×3B2 型水泵匹配 DN400 的管路工作時(shí)最大幾何高差為71.5 m，管路最大長(zhǎng)度3 900 m，等值長(zhǎng)度232 m，則所需揚(yáng)程H 分別為：

經(jīng)校核：MD550-50×3B2 型水泵正常排水時(shí)（2泵對(duì) 1 管），管中流速為 2.23 m/s，排水能力（流量）Q=1 010 m3/h，大于 716 m3/h；5%暴雨時(shí)（3 泵對(duì)2 管），管中流速為 1.93 m/s，排水能力 Q=1 746 m3/h，大于1 505 m3/h。 正常排水與5%暴雨時(shí)的排水能力均符合 《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50771—2012）[5]對(duì)露天礦排水的規(guī)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)坑內(nèi)排水量較少時(shí)， 也可采用單管對(duì)單泵排水， 此時(shí)需降低頻率運(yùn)行。 工況點(diǎn)Q=439 m3/h，H=88 m，運(yùn)行頻率在40 Hz 附近。由于模阻系數(shù)變化范圍大，同時(shí)管路長(zhǎng)度大（3 900 m），屆時(shí)可根據(jù)管路壓力表、流量表讀數(shù)及幾何高差等作出判斷，制定出頻率的調(diào)整方向，調(diào)整其至高效區(qū)運(yùn)行。

3.4.2 坑底移動(dòng)泵站

坑底泵采用相同規(guī)格2 泵對(duì)2 管運(yùn)行， 只需校核單臺(tái)泵對(duì)單管排水工況。 由于移動(dòng)泵站采用了變頻裝置，可視水位的變化情況，通過(guò)改變電源頻率，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，故只需對(duì)最深水位-154 m 進(jìn)行校核計(jì)算。 擬將頻率調(diào)至49 Hz，此時(shí)高效區(qū)3 個(gè)工況點(diǎn)的流量 Q 分別為 372 m3/h、451 m3/h、549 m3/h，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程 H 分別為 158 m、144 m、123 m。 在水泵特性曲線上作管路特性曲線，求出水泵工況點(diǎn)為543 m3/h，H=127 m，屬于高效區(qū)范圍內(nèi)，工況點(diǎn)校核如下：

1）排水管中最大實(shí)際流速。 DN400 管道中最大流量為543 m3/h，排水管中最大流速vp4為：

vp4=4×543/（3 600×3.14×0.42）=1.21 m/s。

2）水泵所需揚(yáng)程。1 臺(tái)IZA150-400 型水泵匹配1 路DN400 管路排水時(shí)，最大幾何高差為121 m，管路最大長(zhǎng)度為350 m，等值長(zhǎng)度為200 m，則所需最大揚(yáng)程H4為：

經(jīng)核算， 移動(dòng)泵站采用IZA150-400 型水泵2臺(tái)，配置2 根DN400 管道（利舊）。正常排水時(shí)開(kāi)啟1臺(tái)泵，排水能力為543 m3/h，大于440 m3/h；5%暴雨時(shí)開(kāi)動(dòng)2 臺(tái)泵，排水能力為1 086 m3/h，大于969 m3/h，符合《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50771—2012）對(duì)露天礦排水的規(guī)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 排水泵站配置

移動(dòng)泵站仍沿用原有配置方案， 即采用浮筏式安裝。 固定式泵站設(shè)于采場(chǎng)東北角， 水泵處地坪標(biāo)高-34 m， 采用吸入式安裝， 站內(nèi)設(shè)有MD550-50×3B1 水泵3 臺(tái)，沿軸向單列布置，水泵出口設(shè)有電動(dòng)閘閥4 個(gè)與緩閉止回閥3 個(gè)， 能滿足互為連通且獨(dú)立控制的功能要求。 電動(dòng)機(jī)及其它電器設(shè)備外設(shè)防雨罩，不設(shè)廠房及起重梁，檢修時(shí)需汽車(chē)吊配合，泵站水池尺寸 L×B×H=35 m×8 m×3.5 m， 有效容積約700 m3。

4 采場(chǎng)外管路輸送系統(tǒng)

本排水系統(tǒng)中整個(gè)壓力輸送管道系統(tǒng)的終端為敞口排入尾礦庫(kù)內(nèi)，屬于典型的管口（孔口）出流的排放形式，因此末端關(guān)閥水錘的危害基本不存在。本項(xiàng)目中，主要的水錘危害為停泵水錘及啟泵水錘。啟動(dòng)水錘的防護(hù)主要是保證管道中積蓄的氣體可以順利、通暢地排出管道，因此在管線敷設(shè)過(guò)程中，需要在適當(dāng)位置安裝規(guī)格和性能滿足要求的排氣閥，并且啟泵過(guò)程嚴(yán)格按照相應(yīng)設(shè)備的操作規(guī)程完成。 啟泵過(guò)程應(yīng)充分滿足“輕載啟泵”的操作要求，水泵出口閥門(mén)采取兩段控制或多段控制的方式， 逐漸控制水流流速的增大過(guò)程，從而減少啟泵水錘的發(fā)生概率。

擬在管線段設(shè)置排氣和吸氣（補(bǔ)氣）的措施，其中+26 m 處設(shè)置 1 個(gè) DN150 的 CARX 型復(fù)合排氣閥， 現(xiàn)狀管線各增設(shè)1 個(gè)DN100 的復(fù)合型排氣閥；水泵的管道出口處設(shè)置管力閥或緩閉式止回閥。 通過(guò)對(duì)管線段水錘狀態(tài)（過(guò)渡狀態(tài)）的模擬分析，水錘狀態(tài)基本可以通過(guò)管路中排（吸）氣閥和水泵出口處的緩閉止回閥等措施消除。

緩閉式止回閥或管力閥在水泵啟動(dòng)或停泵的過(guò)程中，不僅能夠消除由于水錘升壓而引起的危害，并且能夠防止水流泄流， 從而使機(jī)組最大反轉(zhuǎn)速得到控制。 本排水系統(tǒng)采用的管力閥可滿足至少3 個(gè)基本功能，既可起到緩閉式止回閥的消除水錘作用，又可以作為控制閥實(shí)現(xiàn)“輕載啟泵”的工作目標(biāo)，同時(shí)還可以作為檢修隔斷閥門(mén)使用。

5 結(jié)論

綜上所述， 通過(guò)對(duì)該金屬礦山露天排水系統(tǒng)改造實(shí)踐的研究， 對(duì)類(lèi)似凹陷露天開(kāi)采階段的礦山排水方案的制定、接力泵站選址、水泵選型、管路設(shè)計(jì)等提供了值得借鑒、推廣的經(jīng)驗(yàn)：1）固定泵站應(yīng)盡量設(shè)置在相對(duì)固定位置，最后在永久邊幫位置上，不能壓礦或存在壓礦風(fēng)險(xiǎn)；2）泵站內(nèi)存在一管多泵情況時(shí)， 應(yīng)分別對(duì)不同工況下的水泵揚(yáng)程、 流量進(jìn)行驗(yàn)算，確保每種工況都能滿足系統(tǒng)排水要求；3）為適應(yīng)露天開(kāi)采揚(yáng)程不斷變化的工況， 露天坑底移動(dòng)泵站一般采用變頻控制。 如果固定泵站內(nèi)水泵運(yùn)行工況變換較多，也應(yīng)考慮采用變頻控制，以適應(yīng)不同工況的排水需求；4）為便于管理及節(jié)省成本，露天采場(chǎng)內(nèi)排水泵站中水池多采用吸入式水池， 該類(lèi)型泵站水泵選型時(shí)應(yīng)注意水泵吸程（或水泵汽蝕余量）是否滿足要求；5）露天排水設(shè)備的選擇應(yīng)盡量兼顧后期排水需求，設(shè)備選型盡量統(tǒng)一型號(hào)，不僅有利于減少備品、備件數(shù)量，且方便運(yùn)維管理。