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(tuán)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(shí)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(jìn)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51414—2020）要求：新建、擴(kuò)建和改建有色金屬礦山企業(yè)選礦水重復(fù)利用率不應(yīng)小于85%，現(xiàn)有有色金屬礦山企業(yè)選礦水重復(fù)利用率不應(yīng)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(kù)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(duì)國(guó)內(nèi)某溝谷型尾礦庫(kù)地形陡峭的特點(diǎn)，提出了兩種回水系統(tǒng)的布置方案，并從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行管理方便性等方面進(jìn)行了對(duì)比分析探討，研究可為類似工程提供參考。

1 工程概況

國(guó)內(nèi)某銅多金屬礦現(xiàn)有兩座選礦廠，合計(jì)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(kuò)大后仍利用現(xiàn)有服役的尾礦庫(kù)堆存尾礦，但原有回水設(shè)施回水能力較小，為了方便統(tǒng)一進(jìn)行管理，需要根據(jù)擴(kuò)大后的規(guī)模新建庫(kù)內(nèi)回水設(shè)施。礦山現(xiàn)有尾礦庫(kù)總壩高134 m，總庫(kù)容2 728萬m3，為二等庫(kù)。尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)長(zhǎng)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(duì)稱，庫(kù)尾兩岸原始地形陡峭，岸坡坡度38°左右，給回水設(shè)施布置及施工帶來一定難度。

2 水文氣象條件

尾礦庫(kù)所在地區(qū)屬于準(zhǔn)熱帶氣候類型，無冰凍期，夏季5～6個(gè)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(kù)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(jì)算分析

由于尾礦庫(kù)地處西南多雨地區(qū)，巡庫(kù)道路截水溝以下庫(kù)內(nèi)匯水面積約2.4 km2，匯水面積較大，庫(kù)內(nèi)回水量計(jì)算需考慮庫(kù)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(bǔ)給對(duì)尾礦庫(kù)回水量影響最大，同時(shí)全年降雨存在不均衡性，因此按全年周期采用水量平衡計(jì)算法［6］。水量平衡計(jì)算法根據(jù)入庫(kù)總水量、尾礦庫(kù)截留水量、尾礦庫(kù)滲漏水量并結(jié)合當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅俊⒄舭l(fā)量等資料，綜合計(jì)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(kù)庫(kù)內(nèi)水量盈虧平衡。尾礦庫(kù)內(nèi)的水量盈余情況按下式進(jìn)行計(jì)算：

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

按照式1進(jìn)行逐月水量平衡計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見表2，則庫(kù)內(nèi)回水總量為：

表2 庫(kù)內(nèi)水量平衡計(jì)算表Table 2 Water balance calculation table in tailings pond

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

通過庫(kù)內(nèi)回水系統(tǒng)的回水量計(jì)算，可知對(duì)于多雨地區(qū)尾礦庫(kù)，采用水量平衡法按全年周期計(jì)算的回水量要高于按經(jīng)驗(yàn)回水率（80%～85%）確定的回水量，回水系統(tǒng)設(shè)備需按水量平衡法計(jì)算的回水量進(jìn)行配備，并預(yù)留一定富裕，才更符合多雨地區(qū)的工程實(shí)際。從安全角度，尾礦庫(kù)在滿足防洪要求的條件下，應(yīng)充分利用調(diào)節(jié)庫(kù)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(shí)，應(yīng)考慮尾礦庫(kù)整個(gè)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(duì)方便，選用設(shè)備成熟可靠。

2）經(jīng)濟(jì)合理：方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括建設(shè)投資和運(yùn)行成本，應(yīng)盡量選用建設(shè)投資少、運(yùn)營(yíng)成本低的方案，并考慮充分利用庫(kù)中水頭的可能性，以減少選廠供水電費(fèi)。

3）管理方便：主要考慮庫(kù)尾地形坡度較陡，泵站內(nèi)設(shè)備檢修維護(hù)及運(yùn)行過程中需隨庫(kù)內(nèi)水位進(jìn)行取水點(diǎn)抬升及向庫(kù)尾方向移動(dòng)，要求維檢和管理較方便。

4.2 尾礦庫(kù)回水形式選擇

濕排工藝尾礦庫(kù)回水系統(tǒng)一般分為壩下回水和庫(kù)內(nèi)回水兩種方式，如果尾礦庫(kù)相對(duì)選廠地勢(shì)較高，壩下回水方式能基本實(shí)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(kù)內(nèi)回水方式［7］。

目前尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)水位標(biāo)高1 072 m，尾礦庫(kù)最終標(biāo)高1 138 m，尾礦壩外坡腳標(biāo)高890 m，選廠高位水池標(biāo)高1 260 m，相較于壩下回水，庫(kù)內(nèi)回水泵送揚(yáng)程小、距離近，更經(jīng)濟(jì)，因此采用庫(kù)內(nèi)回水方案。考慮尾礦庫(kù)庫(kù)尾山坡實(shí)際地形坡度較陡，從工程施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)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(duì)兩種形式方案進(jìn)行對(duì)比分析。

4.3 方案一（纜車泵站＋岸坡泵站二級(jí)回水）

二級(jí)回水方案采用庫(kù)內(nèi)設(shè)置纜車泵站取水。分兩期運(yùn)行：初期在庫(kù)尾設(shè)置1座纜車泵站，纜車斜坡道（標(biāo)高1 070～1 105 m），在1 105 m標(biāo)高設(shè)置二級(jí)岸坡加壓泵站泵送回水至1 260 m標(biāo)高的高位水池；后期隨著尾礦庫(kù)灘面的升高，待庫(kù)水位接近1 105 m標(biāo)高時(shí)，將1 105 m平臺(tái)的二級(jí)回水泵站及纜車泵站的絞車房整體遷移至1 140 m標(biāo)高。庫(kù)尾重新修建斜坡道（標(biāo)高1 105～1 140 m），斜坡臺(tái)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(jí)纜車泵站：庫(kù)內(nèi)設(shè)置滑軌纜車泵站進(jìn)行取水，纜車泵站由絞車房、斜坡道、斜坡臺(tái)車組成：絞車房采用鋼結(jié)構(gòu)可拆卸廠房，初期設(shè)置在標(biāo)高1 105 m，尺寸7.5 m×6 m×5.5 m，內(nèi)置一臺(tái)DJ-4型調(diào)度絞車；斜坡道底坡1∶2，寬4 m，底部至庫(kù)內(nèi)水面（標(biāo)高1 070 m），斜坡道頂部與絞車泵房相連（標(biāo)高1 105 m）；斜坡臺(tái)車配置3臺(tái) WQ型潛水泵，型號(hào)200WQ350-40-75（流量Q＝350 m3／h，揚(yáng)程H＝40 m，電機(jī)功率P＝75 k W）。潛水泵備用1臺(tái)，置于絞車房?jī)?nèi)。每臺(tái)潛水泵接1根DN250輸水軟管沿岸坡敷設(shè)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(jí)岸坡泵站：在尾礦庫(kù)庫(kù)尾1 105 m標(biāo)高修建二級(jí)岸坡回水泵站。泵房采用可拆卸重復(fù)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?jī)?nèi)布設(shè)3臺(tái)多級(jí)離心泵（兩用一備），型號(hào)為：MD550-50×4，流量Q＝550 m3／h，揚(yáng)程H＝200 m，電機(jī)功率P＝450 k W。

4.4 方案二（浮船泵站一級(jí)回水）

浮船泵站一級(jí)回水方案采用庫(kù)內(nèi)設(shè)置一座大型浮船，庫(kù)內(nèi)取水后一級(jí)泵送至1 260 m標(biāo)高的高位水池。設(shè)計(jì)在尾礦庫(kù)庫(kù)尾設(shè)置浮船泵站一座，內(nèi)安裝3臺(tái)多級(jí)離心泵（2用1備），將尾礦水直接輸送至標(biāo)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?jī)?nèi)布設(shè)3臺(tái)多級(jí)離心泵（型號(hào)為MD550-50×5，流量Q＝550 m3／h，揚(yáng)程H＝250 m，電機(jī)功率560 k W，兩用一備）。同時(shí)泵房?jī)?nèi)需布置2臺(tái)真空泵（一用一備）用于從尾礦庫(kù)內(nèi)引水，真空泵型號(hào)SZ-2（P＝7.5 k W）。浮船泵站至新建入庫(kù)道路修建踏步并敷設(shè)回水管路，踏步底坡1∶2，寬3 m，浮船泵房方案見圖4。庫(kù)內(nèi)浮船經(jīng)浮橋與岸坡固定端聯(lián)通，每臺(tái)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(duì)兩種回水系統(tǒng)布置方案：方案一（纜車泵站＋岸坡泵站二級(jí)回水）和方案二（浮船泵站一級(jí)回水），以下從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及運(yùn)行管理等角度進(jìn)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(jí)回水，設(shè)備主要包括4臺(tái)200WQ350-40-75潛水泵、3臺(tái)MD550-50×4離心泵及1臺(tái)DJ-4型調(diào)度絞車，設(shè)備數(shù)量多，管道連接部位多。方案二采用浮船泵站一級(jí)回水，設(shè)備主要為3臺(tái)MD550-50×5離心泵，設(shè)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(guó)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(kù)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(shè)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(shè)。方案二浮船泵站位于庫(kù)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(kù)道路位置，兼顧前期后期浮船泵站供電。對(duì)比施工難度，兩方案陡坡段斜坡道及踏步施工難度相當(dāng)，但方案一需修建岸坡二級(jí)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(duì)比山體開挖量，由于方案二采用浮船泵站一級(jí)回水，考慮浮船設(shè)備的安裝及檢修，需修建沿庫(kù)尾至水區(qū)的入庫(kù)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(jì)性角度分析，主要包括建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)投資。從建設(shè)投資比較，方案一因采用分期實(shí)施，一方面岸坡泵站建設(shè)投資小于庫(kù)內(nèi)浮船泵站，另一方面初期無需修建庫(kù)尾的入庫(kù)道路，方案一的初期建設(shè)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(shè)庫(kù)尾入庫(kù)道路后，總投資與方案二相當(dāng)。從運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比較，因回水總揚(yáng)程相同，但一級(jí)泵站的能量利用率要高于二級(jí)泵站，方案二能耗較方案一低約8%，年節(jié)約電費(fèi)約60萬元。整體來看，方案一初期建設(shè)投資雖小于方案二，但后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高于方案二。

4）從運(yùn)行管理角度分析，方案一為二級(jí)泵站＋纜車房，設(shè)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?jī)?nèi)，潛水泵與管道連接需要在斜坡道內(nèi)作業(yè)，運(yùn)營(yíng)管理相對(duì)復(fù)雜。方案二為一級(jí)泵站，設(shè)備數(shù)量少，浮船與岸坡連接管路隨水面上升沿踏步逐級(jí)抬升即可，運(yùn)營(yíng)管理相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，方案一運(yùn)營(yíng)管理的簡(jiǎn)便性不如方案二。

綜合分析來看，方案一優(yōu)點(diǎn)是初期建設(shè)投資較低，但從施工難度、總建設(shè)投資、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用方面均不如方案二，因此針對(duì)本工程可優(yōu)先考慮方案二。但考慮工程具有特殊性，針對(duì)其它類似工程，需結(jié)合工程特點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

5 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某溝谷型尾礦庫(kù)地形陡峭的特點(diǎn)，提出了兩種回水系統(tǒng)的布置方案，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及運(yùn)行管理等角度進(jìn)行比較討論，研究結(jié)論如下：

1）對(duì)于多雨地區(qū)，降雨入庫(kù)水量較大，回水量計(jì)算采用水量平衡計(jì)算法更符合實(shí)際。

2）從節(jié)約水資源角度，礦山生產(chǎn)過程中應(yīng)充分利用尾礦庫(kù)回水，可有效減少補(bǔ)充新水量。當(dāng)尾礦壩高度較高且無法采用自流回水方式時(shí)，回水設(shè)施布置時(shí)應(yīng)考慮充分利用庫(kù)中水頭標(biāo)高的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)先采用庫(kù)內(nèi)回水方式，可以減少運(yùn)營(yíng)成本。庫(kù)內(nèi)回水可考慮采用纜車泵站＋岸坡泵站分級(jí)回水或浮船泵站一級(jí)回水等方式，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

3）對(duì)于庫(kù)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(gòu)大型浮船，利于降低初期投資。但采用浮船泵站后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)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(diǎn)進(jìn)行具體分析。