銅興公司井下水利用分析與對策

肖慧儒，崔哲峰，曹玉國，何榮慶，蘇 康，李希友

1承德銅興礦業有限責任公司 河北承德 067250

2承德恒力機電制造有限責任公司 河北承德 067250

3石家莊鐵道大學機械工程學院 河北石家莊 050043

4阜新利欣礦業有限責任公司 遼寧阜新 123104

按國際標準，人均水資源低于 3 000 m3為輕度缺水，低于 2 000 m3為中度缺水，低于 1 000 m3為嚴重缺水，低于 500 m3為極度缺水。我國目前有 16 個省、區和市人均水資源量(未含過境水)低于嚴重缺水線，有 6 個省和區(寧夏、河北、山東、河南、山西、江蘇)人均水資源量低于極度缺水線。我國水資源地區分布也很不平衡，長江流域及其以南地區，國土面積只占全國的 36.5%，其水資源量卻占全國的 81%；長江以北地區，國土面積雖占全國的63.5%，但其水資源量僅占全國的 19%。

銅興公司(原壽王墳銅礦)選礦廠原生產用水為河水，井下水排入河中。為節水增效，實現環境、社會和經濟效益的統一，將井下水作為選礦用水勢在必行[1-2]。自 1957 年 4 月投產至今，選礦廠兩次利用井下水，筆者梳理了各方案的實施情況，針對井下外排水系統存在問題，提出了新的對策與方案。

1 背景概述

選礦廠為濕式生產工藝，以水為介質分離精礦和尾礦，入選原礦耗水約 5.50 m3/t，2006 年9 月，采用尾礦回填工藝，現處理鐵銅等伴生礦石 75 萬t/a(曾達 142 萬 t/a)。剔除循環水量，實際補水量Qsj≈31.40 萬 m3/a(留10% 裕量)[3]，日補水量約為 951.52 m3，其中，鐵和銅精粉共約 17.68 萬 t/a，其含水率約 10%；尾礦約 57.32 萬 t/a，其含水率約25%；輔助生產用水量約 8.55 萬 m3/a；啟動生產約3 次/a，每次約 1 d，即啟動生產用水量Qqd按3 d/a計算，我國金屬礦山連續工作制按 330 d/a 設計[4]，則Qqd≈3×75×5.50÷330＝3.75 萬 m3/a；故障補水量約 3.00 萬 m3/a。循環水量Qxh≈75×5.50 -31.40=381.10 萬 m3/a。Qsj/Qxh≈ 8%。

為利用井下水，減少選礦補給河水，降本增效、節約水資源及減少河水污染，1987 年6 月及2018 年4 月，選礦廠2 次將井下水作為補充用水。針對選礦廠利用井下水的實際情況和存在問題，筆者設計了新方案，經對各方案進行對比分析，確定了改造方案的合理性。

2 井下水利用概況和存在問題

井下水為自然涌水，其經干線水溝、掘采作業面，尤其鑿孔及泵站水倉的“攪拌”作用，水質產生了一定污染。經化驗分析并經試用，井下水的固體懸浮物及各種有害金屬含量均滿足選礦用水水質要求，即井下水可用于選礦。

2.1 利用方案 1

2.1.1 利用概況

1987 年6 月，銅興公司實施井下水利用方案，建設了坑內“零米”平巷 1 500 m3沉淀池，將井下涌水及防洪排水揚至沉淀池，從沉淀池到選礦廠 2 000 m3高位水池，敷設 2 條長3.238 km、φ150 mm 管路。沉淀池裝備 3 臺清水泵及 1 臺砂泵，水泵將清水揚至高位水池供選礦用水，砂泵將“泥漿”排至選礦廠第一砂泵房。方案實施后，每年回收井下水約 100 萬 m3，利用率達 80% 以上。該方案投資 12 萬元，年獲效益7.3 萬元。泵站還向半截溝水池(標高＋645 m，主要供應下一及以上中段生產用水)及之后的銅冶煉廠供水。

1993 年 10 月，泵站停止向高位水池供水。1998年 9 月，銅冶煉廠安裝了 2 臺 150D30×6 型水泵(132 kW)，主要為本廠供水，少量為半截溝供水。2011 年初和 2016 年初，銅冶煉廠和半截溝停止用水。

2.1.2 停止供水主要原因

(1)每年 11 月至次年 3 月間，泵站至高位水池間存水段管路頻繁凍裂，無法正常供水；

(2)自 1992 年初，下一至下七中段采掘等作業量增大，井下用水與外排水發生一定沖突；

(3)管理原因。

停止供水后，選礦仍全部使用河水。零米干線因敷設其他管路，已無空間再敷設 2 條φ150 mm(包裝保溫層后外徑＞φ250 mm)外排水管路，故方案無法再恢復。

2.2 利用方案 2

2.2.1 利用概況

2003 年以來，受我國北方逐年干旱影響，老牛河幾乎斷流，柳河取水量大幅增加。為減少取水量，降本增效，2017 年 5 月，第二次提出井下水利用方案。2018 年 4 月至今，將沉淀池(標高＋500 m)水揚至銅冶煉廠 400 m3水池(頂標高＋564 m，底標高＋556 m)，而后經φ150 mm 管路自流至高位水池(標高＋525 m)，汛期及冬季停止供水。

2.2.2 外排水系統概況

外排水系統由下五泵站(下六、下九及下十一泵站、下五中段及以上部分區域涌水及防洪排水均匯入下五泵站水倉)、下三泵站及其管網等構成。

(1)下五泵站 下五泵站設在混合井下五井口處，共安裝 4 臺 200D43×9 型水泵(440 kW)，泵站敷設 2 條長 460 m(垂直 300 m，水平 160 m)、φ250 mm排水管路至沉淀池，溢流水經巷道至龍潭溝峒口排至地表。排水管路壁厚可按文獻[5]復算。2013—2019年，泵站共計開泵時間為 28 495 h，其排水量Q5=11.15 h/d×402 m3/h＝4 482.30 m3/d。

(2)下三泵站 下三泵站設在下三井口處，共安裝 2 臺 8DA8×6 型水泵(360 kW)，其相當于 200D43×6 型水泵(315 kW)。泵站排水匯入上述管路，其承擔下三中段及以上部分區域涌水及防洪排水。泵站排水量Q3＝1.34 h/d×453 m3/h＝607.02 m3/d。

據該泵工況點揚程為 180 m，以 200D43×5 型水泵(250 kW)代替原泵，其功率減小 110 kW，將明顯提高泵站技術經濟指標。

(3)水泵流量 水泵實際工況點流量QS-效率ηS，須用“插入法”計算或用水泵特性曲線圖求出，切忌用水泵銘牌值x(x為水泵最佳設計值)或用x% 估算值代替，否則將導致較大計算偏差和錯誤結論并造成經濟損失。水泵測量流量受設備和設施的狀況及其工況影響較大，其為動態值，應具體分析和使用。

2.2.3 井下外排水量QW與選礦用水量的關系

QW＝Q5＋Q3＝5 089.32 m3/d。目前及以后，下二至下七中段采掘等作業量將大幅減少，即QW主要用于選礦用水。下八及以下中段用水，由下五盲副井水池供水。QW/Qsj＝5.35。

2.2.4 零米泵站排水量Q0與 400 m3水池及QW的關系

該泵 Q0S-64 m-η0S用插入法計算可得 412 m3/h -64 m-62%，即該泵不到 1 h 即可注滿 400 m3水池。

2018 年 4—6 月，平均開泵時間為 1.39 h/d，則Q0＝412 m3/h×1.39 h/d＝572.68 m3/d。Q0/Qsj＝60%，Q0/QW＝11%，仍有 89% 的外排水量未利用，水池太小是該方案的束縛。故經過擴建水池等改造措施，方可形成完善的新方案 2，以獲取最大效益。

Q0S及其流速v0S在 64 m 揚程約 0.64 MPa 時，是400 m3水池自流狀態約 0.10 MPa 時Q400及v400的約6.4 倍。為減少溢池，下五和下三泵站須錯時開泵；當下五或下三泵站開泵時，零米泵站須開泵。

2.2.5 存在問題

(1)補水能力太小；

(2)冬季停水影響效益；

(3)水泵與工況不符，技術經濟指標低；

(4)無滿池信號裝置，溢池難免；

(5)管理與技術改造欠缺，供水效果差。

2.2.6 修改措施

(1)擴建水池 將 100 m3水池擴建至 2 000 m3，其與 400 m3水池用管路連通后，新水池容積為2 400 m3，含 2 000 m3高位水池，水池總容積達 4 400 m3。為全部利用外排水，需再建 689.32 m3水池。擴池后7.50 h 滿池。

(2)延長供水期 將管路流量調小，用長流水方法防凍，可延長供水期。將管路等做防凍處理，可使冬季正常供水。停水后，須將蓄水及管路積水放凈。

(3)更換水泵及安裝水位監控裝置 零米水泵已不向半截溝供水，故應據 64 m 揚程重新選泵。根據選擇水泵要求[6]：“所選水泵之排水能力應大于1.2倍涌水量。為考慮排水管道因淤積而增加的阻力損失，工況點揚程應小于 0.90～0.95 倍水泵額定揚程。工況點效率不宜小于水泵最高效率的0.85 倍。”選擇 150D30×3 型水泵(75 kW)，其比原泵功率減小 57 kW。換泵后 11.79 h 滿池。為避免溢池，須安裝水位監控裝置。

(4)定期清池 定期清理沉淀池及各水池泥漿，使池容最大化及減小“水頭”對泥漿的攪拌作用，以提高水質，減少管路堵塞。

(5)提升管理與技術投入 修改措施實施效果，尚需依靠提升管理與新技術[7-8]投入作保障。吸取以上方案實施的教訓，如設施不配套及事后維修等，其實質是管理欠缺；水泵未隨工況改變而更換及無水位監控裝置等，是技術改造或更新滯后，亦是管理問題。依據工況改變或技術進步，適時進行設備技術改造或更新，可取得顯著的節能降耗與提質增效指標[9]。應加強外排水系統點檢制，形成責權利的崗位責任制管理，保證系統正常運行。

修改費用估算約 15 萬元，其中建池約 10 萬元，更換水泵等約 5 萬元。

3 井下水利用改造方案

方案 3 即將井下水經落差的地下管道，自流到選礦廠老牛河泵房蓄水池，以補充河水不足，減少柳河取水量，實現節水增效。

3.1 方案設計

目前仍有 89% 的外排水量由龍潭溝峒口排出，其依勢能自流至老牛河排放口。方案擬在排放口處砌一道擋水墻，以形成一個蓄水池 3。外排水經敷設在河床下的管道自流至泵房蓄水池 5，管道全程不設閥門，中途不取水。峒口至老牛河泵房排水設施及位置如圖1 所示。非汛期時，外排水全部經管道至泵房蓄水池，亦可根據河水狀況處理。當汛期外排水較大時，受管道設計流量限制，關閉管道入口蓋板，外排水溢流河中。

圖1 龍潭溝排水峒口至老牛河的泵房排水設施及位置示意Fig.1 Drainage facilities and locations from drainage hole at Longtan Ditch to pumping station at Laoniu River

3.2 參數值

①蓄水池 3 標高＋465 m。②泵房標高＋445 m。③管道全長L約 2.3 km。④管道全程落差 20 m，其勢能hsf(即總水頭)為 200 kPa。⑤假設管道出口流速與入口流速相等，即沿程流速不變，則落差和管道的全程總水頭損失hgf剛好抵消。考慮到實際管道的直線度誤差，留 25% 總水頭裕量，則hgf＝75%hsf＝150 kPa。⑥流速、流量與管徑的關系為

式中：v為流速，m/s；qg為計算管段排水設計流量，qg=0.059 m3/s；F為管道內徑面積，m2；dj為管道內徑，類比峒口外地下管道內徑 0.300 m，取dj＝0.258 m。

計算可得v＝1.127 m/s。

3.3 管道的沿程水頭損失 hf 計算

式中：i為管道單位長度水頭損失，kPa/m；Ch為海澄-威廉系數[11]，各種塑料管、內襯(涂)塑管取Ch=140。

代入可得i＝0.044 kPa/m。

hf＝101.200 kPa。

3.4 參數確定

據產品目錄，選用 De 280×11(內徑 258)mm 塑料管，其hf=101.200 kPa；因管道無閥門，彎頭較少，管道的局部水頭損失hj取20%hf，其為 20.240 kPa；管道的全程總水頭損失hq＝hf＋hj＝121.440 kPa，hgf＝150.000 kPa，hg＜hgf，合格。

3.5 項目費用

項目費用經估算及概算如表1 所列。

表1 項目費用估算Tab.1 Project cost estimation

3.6 提高蓄水能力

提高蓄水能力是關鍵環節。在泵房處須多蓄外排水，否則該方案無意義。為最大限度利用外排水，須拓寬與延深泵房處河段河床，以形成較大的蓄水池。蓄水多少，將決定利用外排水、取得效益的程度。

3.6.1 效益分析

(1)柳河取水費 柳河取水量原為 30 萬 m3/a，2020 年取水量定為 45.9 萬 m3/a。在取水量內，水費為 0.30 元/m3；超過取水量后，水費為 0.90 元/m3。

2019 年向柳河取水 41萬 m3，水費為 18.9 萬元。2020 年 1—6 月向柳河取水 18 萬 m3。

(2)效益分析 若每年利用QWxt，x以老牛河泵房抽水量QN為準，

QN＝QNsjt。

式中：QNsj為水泵實際工況點流量，m3/h；t為開泵時間，h。

按0.30 元/m3計算，當利用QW≤45.9 萬 m3/a 時，水費≤13.77 萬元；當利用QW=1 297 683 m3時，1 a即可收回項目投資 38.930 5 萬元；若QW全部利用，節水費為 55.728 1 萬元/a。

x真實界定是QN準確的保證，老牛河在非斷流時，QN并非全部為x。

(3)加強管理 為充分利用QW，泵房與泵站同時段啟停泵須制度化。采選是兩個二級單位，欲使其步調一致，應加強公司層面管理，以獲取最大效益。

3.6.2 項目審批及風險

(1)項目審批 在我國環保政策日趨嚴厲的背景下，向河中排放井下水終將被限制，故方案立項審批恐將困難，對此應有足夠的認識與對策。

(2)項目風險 項目取得效益的程度取決于老牛河水狀況。雖然我國北方逐年干旱已是總趨勢，但今后幾年是否持續干旱仍是不確定因素。故在確定有利和不利因素、項目是否切實可行，估計成功率大小及經濟效益程度時，應引起足夠的重視，并進行比較科學的計算分析，以保障投資成功及收益最大化。

4 結語

方案 2 經擴池增容、更新水泵、安裝水位監控裝置、提升管理與新技術投入等改造措施，即可形成完善的新方案 2。方案 3 效益計算分析方法亦適用于新方案 2。經計算分析 2 個方案的利弊，比較其投入產出比、經濟與社會效益及環保等方面的優劣，新方案 2 均具有較高的性價比與環保優勢，故施行其更趨合理。

隨著地區性水位逐漸下降、水資源逐漸緊缺及價格上調，冶金礦山選礦用水成本將不斷提高，故降本增效、創新發展理念、轉變發展方式、提高水資源綜合利用率，實現井下水零排放勢在必行。