德兴铜矿五号尾矿库回水方案选择的经验探讨

胡祥群， 高 峰

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

尾矿是选矿作业中产生的有用组分含量低且目前无法经济用于工业生产的组分，也是工业固体废弃物中的主要组成成分[1]。为了尽量减少尾矿对环境的污染[2]，传统处置工艺将其存放于尾矿库，根据排入尾矿库的尾矿是否具有流动性，分为湿式尾矿库和干式尾矿库[3]。据《中国矿产资源节约与综合利用报告(2018)》显示，截至2017年底，我国尾矿堆存量为195亿t[4]。

针对湿式尾矿库，尤其是尾矿重量浓度较低时，尾砂携带大量的水入库，从安全、环保、节水角度考虑，一般需配备尾矿库回水设施，将库内尾矿水输送至选厂重复使用。尾矿库回水系统一般分为坝下回水和库内回水两种方式，如果尾矿库相对选厂地势较高，坝下回水方式能基本实现自流回水，通常采取坝下回水方式，反之，从节能[5]、提高取水效率[6]、提升回水量稳定性角度考虑，通常考虑采取库内回水方式。库内回水方式的回水系统一般主要由浮船泵站和压力输送管道组成，如果所需扬程较高，仅设一级浮船泵站的压力不能满足输送要求，则需另加设岸边固定泵站。针对流量大、扬程高的尾矿库回水系统，一般要经过方案比选来确定回水泵站的数量、水泵等主要设备技术参数及管道规格等，使得最终采纳的方案技术可靠、经济合理、管理方便。

1 工程概况

德兴铜矿位于江西省上饶地区德兴市，是中国最大的露天铜矿，该矿配备两个选矿厂，分别为大山选矿厂和泗州选矿厂，其中大山选矿厂规模为9.2万t/d，由6.95万t/d和2.25万t/d两个系统组成，泗州选矿厂规模为3.8万t/d，两选厂总规模为13万t/d，选厂配套了四个尾矿库，分别为一号尾矿库、二号尾矿库、四号尾矿库和五号尾矿库，其中一号尾矿库已经闭库，二号尾矿库尚余部分库容作为泗洲选矿厂尾矿的事故排放使用，目前主要使用的为四号和五号尾矿库，四号尾矿库已经运行近30年，五号尾矿库于2019年9月投入使用，其为四号尾矿库的接续库。

五号尾矿库与四号尾矿库相邻，汇水面积15.40 km2，最终设计标高为290 m，上、下游均采用中线式尾矿筑坝法，下游坝总坝高222 m，上游坝总坝高178 m，总库容10.313亿m3，属一等库。

五号尾矿库建成后，在2019～2021年，大山选矿厂6.95万t/d系统的尾矿排入五号尾矿库；在2022～2039年，大山选矿厂和泗州选矿厂产出的尾矿全部排往五号尾矿库。

随着尾矿排放计划的调整，矿山尾矿回水方案也随之调整。五号尾矿库回水设施分两期建设，一期工程在基建期建设，回水设施的回水能力为23万t/d，一期工程给大山选矿厂回水和补充五号尾矿库上、下游稀释水；二期工程与尾矿输送及排放设施二期工程同时建成，回水设施的回水能力为46万t/d，给大山选矿厂、泗洲选矿厂回水和补充五号尾矿库上、下游稀释水。

2 回水方案确定

五号尾矿库使用标高介于68～290 m之间，大山选厂高位水池标高340 m，泗洲选厂高位水池标高130 m，综合尾矿库与选厂位置关系、两个选厂的规模、对现有回水设施利旧考虑，从减少投资、节能和回水量稳定的角度考虑，采用库内回水方式，回水系统主要由浮船泵站、岸边固定泵站(视方案比较结果确定个数)和管道组成。

由于回水系统流量大，扬程较高，具体考虑下述原则，并通过方案比选确定最终的回水方案和相应的设施配置。

2.1 设计原则

(1)技术可靠：各方案拟定时，要求浮船泵站、水泵、万象接头、阀门等关键设备达到相应设计工况的技术成熟可靠，最好有相关应用案例。

(2)经济合理：各方案经济指标优劣通过建设投资和运行成本综合比选确定，其中建设投资包括设备及安装、土建、总图、电气及其他配套设施，运行成本主要为电耗。

(3)维检和管理方便：主要关注浮船泵站上水泵及电机的维检和移船环节，要求维检和管理较方便。

2.2 回水方案

浮船泵站设在尾矿库横坑支沟的沟口，初始取水标高为95 m，考虑到五号尾矿库一期工程建成后，大山选矿厂的回水部分在五号尾矿库、部分在四号尾矿库，为了方便初期回水系统管理，降低基建期回水浮船投资，一期工程取水浮船输送至四号尾矿库4号、5号回水加压泵站，通过加压后统一给大山选矿厂供水，四号尾矿库4号、5号泵站回水池池顶标高为298.5 m，输送高差为203.5 m。输送距离约4.5 km，管道内径按1 m考虑，沿程损失约15 m。综合前述，若经浮船泵站一级加压输送，不再设岸边加压泵站，需要总扬程约230 m。

经项目执行期间考察和收集资料了解到的相关情况：

(1)回水量较大，考虑移船期间生产回水需求，同时为了减少管理环节，建议一期工程配备2艘浮船，即单艘浮船取水规模为11.5万t/d；

(2)为了控制水锤影响、降低船体降振减噪难度，针对单艘浮船11.5万t/d的取水规模，建议配备5台水泵，4用1备，水泵流量为1 200 m3/h，扬程不宜超过160 m；

(3)Q=1 200 m3/h，H=160 m和Q=4 800 m3/h，H=100 m的水泵，技术成熟，均有工程实例；

(4)DN1000、PN25的万象接头、阀门，技术成熟，有工程实例。

综合上述，从技术成熟可靠角度考虑，需设岸边加压泵站，据此，提出了三个回水输送方案，分别为：

(1)方案一：浮船泵站+两级岸边固定泵站方案。

浮船上水泵扬程为120 m，两级岸边固定泵站内水泵扬程均为65 m。

一期工程：设两艘浮船泵站，回水经浮船泵站加压后通过两级岸边固定泵站输送至四号尾矿库4号、5号回水加压泵站，分别给大山选矿厂和五号尾矿库上下游坝供水；

二期工程：在一期两艘浮船的基础上再增加两艘浮船，配置与一期工程一致。此时，五号尾矿库库内水位已超过第一级岸边固定泵站所处标高，因此，第一级岸边固定泵站已在之前适时拆除，站内水泵等设备拆卸后安装到第二级岸边固定泵站继续使用。回水经浮船泵站加压后直接送至第二级岸边固定泵站，再经加压后分别输送至四号尾矿库4号、5号回水加压泵站、四号尾矿库及五号尾矿库上、下游。

(2)方案二：浮船泵站+一级岸边固定泵站方案。

浮船上水泵扬程为150 m，岸边固定泵站内水泵扬程为90 m。

一期工程：设两艘浮船，浮船取水后通过一级岸边固定泵站输送至四号尾矿库4号、5号回水加压泵站，分别给大山选矿厂和五号尾矿库上、下游坝供水；

二期工程：在一期两艘浮船的基础上再增加两艘浮船，由于此时库内水位已经上升了一定高度，新增浮船内水泵扬程可适当降低，其他配置与一期工程一致，同时，在岸边固定泵站内增加两台同型号的水泵及相关配置，回水经浮船泵站加压后直接送至岸边固定泵站，再经加压后分别送至四号尾矿库4号、5号回水加压泵站、四号尾矿库及五号尾矿库上、下游。

(3)方案三：浮船泵站+四级岸边固定泵站方案

浮船上水泵扬程为60 m，四级岸边固定泵站内水泵扬程分别为52 m、52 m、52 m、49 m。

一期工程：设两艘浮船，浮船取水后通过四级岸边固定泵站输送至四号尾矿库4号、5号回水加压泵站，分别给大山选矿厂和五号尾矿库上下游坝供水；

二期工程：在一期两艘浮船的基础上再增加两艘浮船，配置与一期工程一致。此时，五号尾矿库库内水位已超过第一级岸边固定泵站所处标高，因此，第一级岸边固定泵站已在之前适时拆除，站内水泵等设备拆卸后安装到第二级固定泵站继续使用。回水经浮船泵站加压后直接送至第二级岸边固定泵站，再经加压后分别输送至四号尾矿库4号、5号回水加压泵站、四号尾矿库及五号尾矿库上、下游。

各方案工艺概况如表1所示。

表1 输送方案工艺概况

3 方案比选和结论

对2.2所述三个方案的工程建设投资、运行成本进行计算比较。考虑到仪表、暖通和回水斜坡道配套轨道和提升设备的投资对方案比较结果影响很小，比较项列入尾矿工艺、电力、建筑和总图四项。比较结果如表2所示。

根据表2分析得到以下结论：

(1)从技术角度分析，方案一有类似水利工程案例作为支撑，尚无类似矿山工程案例；方案二当时没有类似工程案例，但浮船、水泵、万象接头、阀门等关键设备均有成熟技术；方案三有成熟的矿山工程案例，企业有成熟的运行管理经验。因此，方案三的技术可靠度最高，方案一其次，方案二略低。

(2)从经济角度分析，三个方案的运行功率差距很小，主要差别体现在建设投资项，由此可见，运营成本不是影响方案优劣的主要因素，影响方案优劣的主要因素是工程建设投资。从三个方案的工程建设投资比较结果可见，方案一和方案二的总建设投资均比方案三省，其中方案一最省；进一步细分，一期工程的建设投资方案二最省，二期工程追加的建设投资方案一和方案三基本一致，均比方案二省。造成各方案之间投资偏差的主要原因是浮船泵站和水泵变频的设备投资差异，其次是因为岸边固定泵站的数量不同引起的建筑和总图的投资差异。

(3)从管理角度分析，主要涉及移船、设备检修和管理环节。方案一浮船尺寸、设备重量、泵站数量均居中，移船、设备检修难度居中，管理便利性居中。方案二，浮船尺寸和设备重量最大，移船和设备检修难度较大，泵站数量最少，管理环节较少。方案三浮船尺寸和设备重量最小，移船和设备检修难度较小，泵站数量最多，管理环节较多。

(4)从技术、经济和管理角度综合考虑，五号尾矿库回水系统方案一最优，即浮船泵站+两级岸边固定泵站。

表2 回水系统输送方案比较表

4 结语

(1)五号尾矿库一期工程回水规模23万t/d，二期工程回水规模46万t/d，本着设备大型化原则，同时兼顾移船期间生产回水需求，一期工程配备两艘浮船，二期增加两艘，单艘浮船取水规模为11.5万t/d。

(2)根据五号尾矿库回水系统与选厂的位置关系计算得知回水设施总扬程近250 m，经浮船、水泵等关键设备考察后，拟定了三个回水方案，经经济比选，再结合技术和管理角度考虑，最终选用了浮船泵站+两级岸边固定泵站的方案，该方案技术可靠、经济合理、管理较为方便，该比选结论对其他类似工程具有一定的参考意义。