肖慧儒，崔哲峰，曹玉国，何荣庆，苏 康，李希友

1承德铜兴矿业有限责任公司 河北承德 067250

2承德恒力机电制造有限责任公司 河北承德 067250

3石家庄铁道大学机械工程学院 河北石家庄 050043

4阜新利欣矿业有限责任公司 辽宁阜新 123104

按国际标准，人均水资源低于 3 000 m3为轻度缺水，低于 2 000 m3为中度缺水，低于 1 000 m3为严重缺水，低于 500 m3为极度缺水。我国目前有 16 个省、区和市人均水资源量(未含过境水)低于严重缺水线，有 6 个省和区(宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏)人均水资源量低于极度缺水线。我国水资源地区分布也很不平衡，长江流域及其以南地区，国土面积只占全国的 36.5%，其水资源量却占全国的 81%；长江以北地区，国土面积虽占全国的63.5%，但其水资源量仅占全国的 19%。

铜兴公司(原寿王坟铜矿)选矿厂原生产用水为河水，井下水排入河中。为节水增效，实现环境、社会和经济效益的统一，将井下水作为选矿用水势在必行[1-2]。自 1957 年 4 月投产至今，选矿厂两次利用井下水，笔者梳理了各方案的实施情况，针对井下外排水系统存在问题，提出了新的对策与方案。

1 背景概述

选矿厂为湿式生产工艺，以水为介质分离精矿和尾矿，入选原矿耗水约 5.50 m3/t，2006 年9 月，采用尾矿回填工艺，现处理铁铜等伴生矿石 75 万t/a(曾达 142 万 t/a)。剔除循环水量，实际补水量Qsj≈31.40 万 m3/a(留10% 裕量)[3]，日补水量约为 951.52 m3，其中，铁和铜精粉共约 17.68 万 t/a，其含水率约 10%；尾矿约 57.32 万 t/a，其含水率约25%；辅助生产用水量约 8.55 万 m3/a；启动生产约3 次/a，每次约 1 d，即启动生产用水量Qqd按3 d/a计算，我国金属矿山连续工作制按 330 d/a 设计[4]，则Qqd≈3×75×5.50÷330＝3.75 万 m3/a；故障补水量约 3.00 万 m3/a。循环水量Qxh≈75×5.50 -31.40=381.10 万 m3/a。Qsj/Qxh≈ 8%。

为利用井下水，减少选矿补给河水，降本增效、节约水资源及减少河水污染，1987 年6 月及2018 年4 月，选矿厂2 次将井下水作为补充用水。针对选矿厂利用井下水的实际情况和存在问题，笔者设计了新方案，经对各方案进行对比分析，确定了改造方案的合理性。

2 井下水利用概况和存在问题

井下水为自然涌水，其经干线水沟、掘采作业面，尤其凿孔及泵站水仓的“搅拌”作用，水质产生了一定污染。经化验分析并经试用，井下水的固体悬浮物及各种有害金属含量均满足选矿用水水质要求，即井下水可用于选矿。

2.1 利用方案 1

2.1.1 利用概况

1987 年6 月，铜兴公司实施井下水利用方案，建设了坑内“零米”平巷 1 500 m3沉淀池，将井下涌水及防洪排水扬至沉淀池，从沉淀池到选矿厂 2 000 m3高位水池，敷设 2 条长3.238 km、φ150 mm 管路。沉淀池装备 3 台清水泵及 1 台砂泵，水泵将清水扬至高位水池供选矿用水，砂泵将“泥浆”排至选矿厂第一砂泵房。方案实施后，每年回收井下水约 100 万 m3，利用率达 80% 以上。该方案投资 12 万元，年获效益7.3 万元。泵站还向半截沟水池(标高＋645 m，主要供应下一及以上中段生产用水)及之后的铜冶炼厂供水。

1993 年 10 月，泵站停止向高位水池供水。1998年 9 月，铜冶炼厂安装了 2 台 150D30×6 型水泵(132 kW)，主要为本厂供水，少量为半截沟供水。2011 年初和 2016 年初，铜冶炼厂和半截沟停止用水。

2.1.2 停止供水主要原因

(1)每年 11 月至次年 3 月间，泵站至高位水池间存水段管路频繁冻裂，无法正常供水；

(2)自 1992 年初，下一至下七中段采掘等作业量增大，井下用水与外排水发生一定冲突；

(3)管理原因。

停止供水后，选矿仍全部使用河水。零米干线因敷设其他管路，已无空间再敷设 2 条φ150 mm(包装保温层后外径＞φ250 mm)外排水管路，故方案无法再恢复。

2.2 利用方案 2

2.2.1 利用概况

2003 年以来，受我国北方逐年干旱影响，老牛河几乎断流，柳河取水量大幅增加。为减少取水量，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，将沉淀池(标高＋500 m)水扬至铜冶炼厂 400 m3水池(顶标高＋564 m，底标高＋556 m)，而后经φ150 mm 管路自流至高位水池(标高＋525 m)，汛期及冬季停止供水。

2.2.2 外排水系统概况

外排水系统由下五泵站(下六、下九及下十一泵站、下五中段及以上部分区域涌水及防洪排水均汇入下五泵站水仓)、下三泵站及其管网等构成。

(1)下五泵站 下五泵站设在混合井下五井口处，共安装 4 台 200D43×9 型水泵(440 kW)，泵站敷设 2 条长 460 m(垂直 300 m，水平 160 m)、φ250 mm排水管路至沉淀池，溢流水经巷道至龙潭沟峒口排至地表。排水管路壁厚可按文献[5]复算。2013—2019年，泵站共计开泵时间为 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 下三泵站设在下三井口处，共安装 2 台 8DA8×6 型水泵(360 kW)，其相当于 200D43×6 型水泵(315 kW)。泵站排水汇入上述管路，其承担下三中段及以上部分区域涌水及防洪排水。泵站排水量Q3＝1.34 h/d×453 m3/h＝607.02 m3/d。

据该泵工况点扬程为 180 m，以 200D43×5 型水泵(250 kW)代替原泵，其功率减小 110 kW，将明显提高泵站技术经济指标。

(3)水泵流量 水泵实际工况点流量QS-效率ηS，须用“插入法”计算或用水泵特性曲线图求出，切忌用水泵铭牌值x(x为水泵最佳设计值)或用x% 估算值代替，否则将导致较大计算偏差和错误结论并造成经济损失。水泵测量流量受设备和设施的状况及其工况影响较大，其为动态值，应具体分析和使用。

2.2.3 井下外排水量QW与选矿用水量的关系

QW＝Q5＋Q3＝5 089.32 m3/d。目前及以后，下二至下七中段采掘等作业量将大幅减少，即QW主要用于选矿用水。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与 400 m3水池及QW的关系

该泵 Q0S-64 m-η0S用插入法计算可得 412 m3/h -64 m-62%，即该泵不到 1 h 即可注满 400 m3水池。

2018 年 4—6 月，平均开泵时间为 1.39 h/d，则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，水池太小是该方案的束缚。故经过扩建水池等改造措施，方可形成完善的新方案 2，以获取最大效益。

Q0S及其流速v0S在 64 m 扬程约 0.64 MPa 时，是400 m3水池自流状态约 0.10 MPa 时Q400及v400的约6.4 倍。为减少溢池，下五和下三泵站须错时开泵；当下五或下三泵站开泵时，零米泵站须开泵。

2.2.5 存在问题

(1)补水能力太小；

(2)冬季停水影响效益；

(3)水泵与工况不符，技术经济指标低；

(4)无满池信号装置，溢池难免；

(5)管理与技术改造欠缺，供水效果差。

2.2.6 修改措施

(1)扩建水池 将 100 m3水池扩建至 2 000 m3，其与 400 m3水池用管路连通后，新水池容积为2 400 m3，含 2 000 m3高位水池，水池总容积达 4 400 m3。为全部利用外排水，需再建 689.32 m3水池。扩池后7.50 h 满池。

(2)延长供水期 将管路流量调小，用长流水方法防冻，可延长供水期。将管路等做防冻处理，可使冬季正常供水。停水后，须将蓄水及管路积水放净。

(3)更换水泵及安装水位监控装置 零米水泵已不向半截沟供水，故应据 64 m 扬程重新选泵。根据选择水泵要求[6]：“所选水泵之排水能力应大于1.2倍涌水量。为考虑排水管道因淤积而增加的阻力损失，工况点扬程应小于 0.90～0.95 倍水泵额定扬程。工况点效率不宜小于水泵最高效率的0.85 倍。”选择 150D30×3 型水泵(75 kW)，其比原泵功率减小 57 kW。换泵后 11.79 h 满池。为避免溢池，须安装水位监控装置。

(4)定期清池 定期清理沉淀池及各水池泥浆，使池容最大化及减小“水头”对泥浆的搅拌作用，以提高水质，减少管路堵塞。

(5)提升管理与技术投入 修改措施实施效果，尚需依靠提升管理与新技术[7-8]投入作保障。吸取以上方案实施的教训，如设施不配套及事后维修等，其实质是管理欠缺；水泵未随工况改变而更换及无水位监控装置等，是技术改造或更新滞后，亦是管理问题。依据工况改变或技术进步，适时进行设备技术改造或更新，可取得显著的节能降耗与提质增效指标[9]。应加强外排水系统点检制，形成责权利的岗位责任制管理，保证系统正常运行。

修改费用估算约 15 万元，其中建池约 10 万元，更换水泵等约 5 万元。

3 井下水利用改造方案

方案 3 即将井下水经落差的地下管道，自流到选矿厂老牛河泵房蓄水池，以补充河水不足，减少柳河取水量，实现节水增效。

3.1 方案设计

目前仍有 89% 的外排水量由龙潭沟峒口排出，其依势能自流至老牛河排放口。方案拟在排放口处砌一道挡水墙，以形成一个蓄水池 3。外排水经敷设在河床下的管道自流至泵房蓄水池 5，管道全程不设阀门，中途不取水。峒口至老牛河泵房排水设施及位置如图1 所示。非汛期时，外排水全部经管道至泵房蓄水池，亦可根据河水状况处理。当汛期外排水较大时，受管道设计流量限制，关闭管道入口盖板，外排水溢流河中。

图1 龙潭沟排水峒口至老牛河的泵房排水设施及位置示意Fig.1 Drainage facilities and locations from drainage hole at Longtan Ditch to pumping station at Laoniu River

3.2 参数值

①蓄水池 3 标高＋465 m。②泵房标高＋445 m。③管道全长L约 2.3 km。④管道全程落差 20 m，其势能hsf(即总水头)为 200 kPa。⑤假设管道出口流速与入口流速相等，即沿程流速不变，则落差和管道的全程总水头损失hgf刚好抵消。考虑到实际管道的直线度误差，留 25% 总水头裕量，则hgf＝75%hsf＝150 kPa。⑥流速、流量与管径的关系为

式中：v为流速，m/s；qg为计算管段排水设计流量，qg=0.059 m3/s；F为管道内径面积，m2；dj为管道内径，类比峒口外地下管道内径 0.300 m，取dj＝0.258 m。

计算可得v＝1.127 m/s。

3.3 管道的沿程水头损失 hf 计算

式中：i为管道单位长度水头损失，kPa/m；Ch为海澄-威廉系数[11]，各种塑料管、内衬(涂)塑管取Ch=140。

代入可得i＝0.044 kPa/m。

hf＝101.200 kPa。

3.4 参数确定

据产品目录，选用 De 280×11(内径 258)mm 塑料管，其hf=101.200 kPa；因管道无阀门，弯头较少，管道的局部水头损失hj取20%hf，其为 20.240 kPa；管道的全程总水头损失hq＝hf＋hj＝121.440 kPa，hgf＝150.000 kPa，hg＜hgf，合格。

3.5 项目费用

项目费用经估算及概算如表1 所列。

表1 项目费用估算Tab.1 Project cost estimation

3.6 提高蓄水能力

提高蓄水能力是关键环节。在泵房处须多蓄外排水，否则该方案无意义。为最大限度利用外排水，须拓宽与延深泵房处河段河床，以形成较大的蓄水池。蓄水多少，将决定利用外排水、取得效益的程度。

3.6.1 效益分析

(1)柳河取水费 柳河取水量原为 30 万 m3/a，2020 年取水量定为 45.9 万 m3/a。在取水量内，水费为 0.30 元/m3；超过取水量后，水费为 0.90 元/m3。

2019 年向柳河取水 41万 m3，水费为 18.9 万元。2020 年 1—6 月向柳河取水 18 万 m3。

(2)效益分析 若每年利用QWxt，x以老牛河泵房抽水量QN为准，

QN＝QNsjt。

式中：QNsj为水泵实际工况点流量，m3/h；t为开泵时间，h。

按0.30 元/m3计算，当利用QW≤45.9 万 m3/a 时，水费≤13.77 万元；当利用QW=1 297 683 m3时，1 a即可收回项目投资 38.930 5 万元；若QW全部利用，节水费为 55.728 1 万元/a。

x真实界定是QN准确的保证，老牛河在非断流时，QN并非全部为x。

(3)加强管理 为充分利用QW，泵房与泵站同时段启停泵须制度化。采选是两个二级单位，欲使其步调一致，应加强公司层面管理，以获取最大效益。

3.6.2 项目审批及风险

(1)项目审批 在我国环保政策日趋严厉的背景下，向河中排放井下水终将被限制，故方案立项审批恐将困难，对此应有足够的认识与对策。

(2)项目风险 项目取得效益的程度取决于老牛河水状况。虽然我国北方逐年干旱已是总趋势，但今后几年是否持续干旱仍是不确定因素。故在确定有利和不利因素、项目是否切实可行，估计成功率大小及经济效益程度时，应引起足够的重视，并进行比较科学的计算分析，以保障投资成功及收益最大化。

4 结语

方案 2 经扩池增容、更新水泵、安装水位监控装置、提升管理与新技术投入等改造措施，即可形成完善的新方案 2。方案 3 效益计算分析方法亦适用于新方案 2。经计算分析 2 个方案的利弊，比较其投入产出比、经济与社会效益及环保等方面的优劣，新方案 2 均具有较高的性价比与环保优势，故施行其更趋合理。

随着地区性水位逐渐下降、水资源逐渐紧缺及价格上调，冶金矿山选矿用水成本将不断提高，故降本增效、创新发展理念、转变发展方式、提高水资源综合利用率，实现井下水零排放势在必行。