高效全自動清淤系統在酸性水庫的應用

秦 武，史翔輝，武文淵，馬 斌，邱立志

（1.長沙能華機電設備有限公司，湖南 長沙 410000；2.江西銅業集團銀山礦業有限責任公司，江西 德興 334200；3.長沙佳能通用泵業有限公司，湖南 長沙 410323）

1 引言

近年來，各礦山企業在提質增效的發展過程中，積極打造綠色礦山、數字化礦山。2020年12月，自然資源部公布了江西德興、永豐、贛州等全國 50 家綠色礦業發展示范區創建名單[1］，著力打造成布局合理、集約高效、環境優良、礦地和諧、區域經濟良性發展的綠色礦業發展樣板區。2021年12月，國務院公布《“十四五”數字經濟發展規劃》[2］，強化數字產業化和產業數字化轉型要求，提出了工業互聯網平臺應用普及率由2020年的14.7%提升到2025年的45%的建設目標。

銅礦在開采和浮選過程中會產生大量的酸堿性廢水，需要輸送到地面進行有效收集，再集中無害化處理后排放。廢水排放到水庫時，夾帶有大量的碎石、泥沙，若不及時清淤處理，一是會降低水庫的有效庫容，水庫的蓄水調節能力減弱；二是高水位庫容會加劇下游的潰壩可能性。因此，為礦山企業設計一套實時高效的全自動清淤系統具有重要意義。

2 項目介紹

銀山礦業公司的酸性水庫位于百嶺灣山溝尾部、廢石場下游，水庫最高水位104m，總庫容23.9萬m3。其中，標高91.5m以下為淤積庫容，約2.1萬m3（設計庫容見表1）。酸性水庫最低水位高于廢水處理廠，酸性水庫采用自流式分層取水方式，在不同季節根據不同水位分層取水。

表1 酸性水庫庫容計算表

截至目前，酸性水庫約有93m標高，第一個取水口底部（標高91.9m）已被淤泥覆蓋，水庫的庫容量已縮減近4.5萬m3。一旦遇到汛期，井下排水壓力驟增，所以要及時將庫底淤泥清理至水庫上方的排土場以擴大庫容，發揮水庫最大的沉淀和蓄水功能。然而，傳統的機械清淤方式無法保證庫底的防滲膜不被破壞，并且長時間的靜置沉淀使得部分淤泥板結硬化；若采用人工清淤方式不僅效率低，而且威脅人身健康。漿體管道遠距離輸送方式[3-5］在尾礦遠距離輸送[6-7］、污泥遠距離輸送[8-9］、庫底清淤[10-12］等方面應用廣泛。充分考慮銀山礦酸性水庫的淤泥量以及周邊地形因素，綜合評估后采用漿體管道輸送方式進行自動清淤。

3 系統設計

清理淤泥至最低位置（標高89m），管道輸送至排泥地點（標高219m），總垂直高差130m，水面至排泥區管道總長度1000m。泥漿濃度不均衡變化，正常時泥漿質量百分比為41.40%，最高可達到60%（重度為1600kg/m3）。

全自動清淤系統由水面清淤系統、地面泥漿輸送系統、高壓沖洗系統、管道清洗系統、水倉雜物清除系統和全自動中控系統六大系統組成。其中，泥漿管道主輸送系統為水面清淤系統和地面泥漿輸送系統串聯使用，清淤主系統如圖1所示。

圖1 清淤主系統示意圖

3.1 水面清淤系統

水面清淤系統選用潛水式高濃度泥漿泵（額定流量200m3/h，額定揚程80m），過流部件采用雙相不銹鋼材質，提高其耐腐耐磨強度。泵體通過可自動升降裝置安裝在可移動的316L不銹鋼制造的浮船上浮于水面，滿足最大淹沒深度8m的作業要求，用于淤泥收集（最低清淤標高位置為89m）并泵送至地面泥漿輸送系統入口（標高106m）。輸出口連接管徑DN150mm、承壓1.0MPa的耐腐耐磨高強度鋼絲網骨架PE復合管，每間隔50m安裝一根6m的柔性304內襯管道，滿足管道最大半徑彎曲作業。管道總長200m，可隨浮船在整個水面上作業，最大限度地滿足整體清淤要求。同時，泥漿泵采用負壓吸泥的方式清淤，有效避免了對庫底防護膜的破壞。

泥漿泵需要清理的淤泥深度為4m，通過自動升降裝置調整泥漿泵的淹沒深度，以保持最佳的泥漿吸入效果。同時，通過變頻控制技術，滿足泥漿泵在泥漿濃度大范圍變化時的變荷載工況，確保全揚程不過載。

3.2 地面泥漿輸送系統

泥漿管道輸送的泥漿濃度高，且含固體顆粒和長型軟質類異物，對泵體及管道的耐磨蝕性和通過性要求高，過流部件采用雙相不銹鋼材質。地面輸送系統采用2臺單級離心泥漿泵（單臺泵額定流量200m3/h，額定揚程150m）串聯運行的方式，機封沖洗處外接無腐蝕的工業用水加壓泵送，高壓密封水經密封面后進入泵體內，避免系統內的腐蝕性介質外流造成污染。地面泥漿輸送系統水泵入口處標高為106m，通過總長800m、管徑DN150mm、承壓4.0MPa的高強度鋼絲網骨架PE復合管，將高濃度泥漿輸送至標高219m的排泥場。

3.3 高壓沖洗系統

在全水域面采用點、線、面的連續作業方式。部分未得到及時處理的水域，淤泥沉降后會板結硬化或固化。因此，在水庫四周布置一圈總長為600m、管徑DN80mm、承壓2.0MPa的高強度鋼絲網骨架PE復合管環形管道，將周邊固化的淤泥利用高壓水沖洗軟化（單臺多級離心泵額定流量100m3/h，額定揚程150m）。必要時，在潛水泥漿泵入口處周邊同樣采用高壓沖洗攪動的方式，將局部硬化結塊的淤泥沖散細化，最大限度地保證泥漿泵入口處的漿體濃度均勻，減少堵塞。液下射流（噴嘴直徑20mm，射流口理論流速88.4m/s）噴射時，在軸面距離噴嘴口約7倍噴嘴直徑長度[13］，即140mm的范圍內，液下存在明顯的射流初始段，即液流保持出口流速基本不變。處于射流初始段的高速液流沖擊力大，破碎泥塊效果最佳。之后進入射流基本段，受周圍湍流影響，流速迅速衰減，動壓降低，在軸面距離噴嘴口20倍噴嘴直徑長度，即400mm范圍處，動壓降至約0.2倍出口動壓[14］即0.2MPa，對泥塊已無破碎作用，但能攪動漿體；在距離噴嘴口80倍噴嘴直徑長度即1600mm處，射流流速衰減至0.01倍出口動壓[15］，動壓的沖擊影響基本可以忽略。

3.4 管道沖洗系統

當清淤系統停機時，為避免管道內高濃度泥漿沉積積淤、堵塞管道，在地面泥漿輸送系統的入口處設計一條支管，并增設管道沖洗系統。管道清洗泵（額定流量250m3/h，額定揚程25m）選用潔凈水源，當主系統停止輸送泥漿時，立即輸送清水，對整條管道進行清潔沖洗直至管道出口排出潔凈水為止。

3.5 水倉雜物清除系統

該系統為備用系統，僅在水面清淤系統堵塞時使用。水倉雜物清除系統前置大流量、低揚程的污水泵（額定流量500m3/h，額定揚程20m），利用其螺旋離心式葉輪無堵塞的特點，可輸送大顆粒及長編織物等異物至船載雜物倉進行固液分離，收集雜物。若污水泵的吸入口出現堵塞，利用升降機將泵體吊裝出水，人工清理后再次下沉淹沒使用。

3.6 全自動中控系統

全自動清淤系統中的水面泥漿輸送系統、地面泥漿輸送系統和管道沖洗系統三大系統聯動控制，采用工業級PLC控制技術，實現系統的全自動運行。全自動中控系統由主控箱、分控箱、流量監測系統、壓力監測系統、電力監測系統、視頻監控系統、聲光報警系統等組成。

系統聯動：系統正常啟動時，水面泥漿輸送系統的潛水泥漿泵啟動工作，待系統檢測到地面泥漿輸送系統前端管道有壓輸送達到設定閾值時，自動逐臺啟動2臺串聯泵，直至最后一臺泥漿泵出口管道達到額定壓力后，自動緩慢打開水泵出口閥，實現管道充液后連續排水；系統正常停機前，啟動管道沖洗系統，開始往泥漿輸送管道輸送清水，經2臺串聯泵加壓后輸送至整條管道，實現管道清洗，待出水口的排水全部為清水時，緩慢關閉水泵出口閥，最后逐一自動停機。

系統異常保護：在水面泥漿輸送系統出現泵體堵塞時，流量會急速下降，系統監測反饋后自動停機保護；泥漿濃度過大時，水泵軸功率加大，達到或超過電機額定荷載后會自動停機保護；當潛水泥漿泵處于不同淹沒深度時，系統變頻控制，保證前置系統全揚程不過載。

系統檢修預警：通過標定初始正常運行數據，系統自動記錄長時間累積的運行數據，當判斷系統的運行曲線偏離原始性能曲線5%時，系統提示預警；當偏離10%時，系統提示警告，設備須停機檢修并及時更換易損件。

4 設計驗證

4.1 管徑選擇

清淤系統初定其輸送高濃度漿體體積流量200m3/h，參照漿體輸送管道的內徑不應小于150mm的要求[16］，初定為DN150mm，公稱壓力為4.0MPa。

4.2 最小沉降流速確定

參照《漿體長距離管道輸送工程設計標準》（T/CECS 98－2019），系統輸送的泥漿最高質量濃度為60%，低于極限65%的上限值要求，適用于漿體管道輸送工況。系統泥漿濃度變化范圍大，計算時選取泥漿質量濃度為60%作為重載工況、泥漿質量濃度為40%作為標準工況、清水沖洗為輕載工況進行設備參數計算復核。因設計驗算過程一致，以地面泥漿輸送系統泥漿泵為例，泥漿質量濃度為60%的重載工況進行核算。

選用E.J.瓦斯普公式（1）計算漿體管道臨界流速（Vc）：

式中，Vc為漿體管道臨界流速，m/s；Cv為漿體體積濃度，為36%；g為重力加速度，取9.81m/s2；d85為權重0.85粒徑，取0.315×10-3m；D為管道內徑，取0.15m；ρg為物料固體密度，取2677kg/m3；ρk為漿體密度，取1600kg/m3。

計算得：Vc=1.30m/s，按最低流速不得低于1.1倍最小沉降流速的限值規定，即漿體輸送流速不得低于1.43m/s。

按系統額定工況參數（額定流量200m3/h、管徑DN150mm），漿體實際流速為3.144m/s，大于1.43m/s，滿足標準要求。

4.3 水泵揚程確定

漿體正壓輸送時的水力坡降，參照《給水排水設計手冊》的工業排水工況公式（2）：

式中，ik為漿體的水力坡降，取9.81kPa/m；ρk為漿體相對密度，取1.6；i0為輸送等流速清水時的水力坡降，查表取大值（100i0=7.73）。

計算得：ik=0.124（9.81kPa/m）。

水泵揚程的總揚程計算方法如公式（3）：

式中，Hk為水泵揚程，取9.81kPa；H為幾何高差，為113m；L為管道總長度，取800m；hj為管路局部損失，取5%～10%管路沿程損失，取值10%倍；hn為泵站內部的水頭損失，取20kPa；hy為剩余水頭，取1。

計算得：Hk=301m。

同理，可計算出不同漿體濃度工況時水面泥漿輸送系統和地面泥漿輸送系統的不同參數需求，見表2。其中，地面計算揚程為2臺串聯的系統總揚程。

表2 不同質量濃度工況下泵揚程計算

5 結論

銀山礦酸性水庫因其酸性水質的特殊性、交通不便性、淤泥板結硬化以及需要高落差、遠距離轉運等特點，基本覆蓋了清淤的所有難題。全自動高效清淤系統初期調試運行期間，完成泥漿輸送量19220.88m3，基本達到預期效果。該項技術的成功應用實現了傳統的周期性庫底清淤到系統常態化運行的轉變。其次，該系統的運用保證了清淤擴容的及時性，提升了水庫防洪減災的能力；而且能減少新增水庫，提高了國土資源的利用率；同時，因地面有效庫容的擴容，直接提升了井下排水效率，真正實現了環保清淤。