某金属矿山露天采场排水接力泵站优化探讨

刘铁军，熊根，尧金才

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌330038）

我国大部分露天矿山已进入凹陷露天开采阶段。 随着开采深度的增加，露天采场防水、排水问题变得越来越复杂。 露天矿山一旦发生涌水， 危害极大，不但影响生产安全，延误工程进度，严重破坏边坡的稳定性， 还会降低设备使用效率和使用寿命[1]。露天矿排水涉及面广，影响因素多，其排水系统的设计应根据水文资料和采矿规划，按照防、排、储相结合的原则，经过技术经济比较后方能确定[2]。 从排水方式上分，露天排水包括自流排水、机械排水及井巷排水等，其中机械排水系统由固定排水泵站、移动排水泵站、 水池及管路系统组成， 其排水方式最为复杂。本文拟以某金属矿山露天排水系统改造为背景，对露天采场排水接力泵站优化设计进行讨论。

1 项目背景

某金属矿山采用露天开采方式，原矿及废石均采用全汽车运输方案。 露采剥离采用组合台阶陡帮剥岩， 采矿作业主要在缓帮上进行。 穿孔设备采用Φ150 mm 液压潜孔钻，爆破采用乳化炸药，装运由4 m3液压挖掘机配37 t 铰接式卡车进行。 目前，该项目开采至-106 m 台阶。 据矿山采剥计划安排，采坑将开拓-118 m 新水平台阶，到那时，采场现有排水泵站将不能满足采坑排水的需求，因而须建设二级接力泵站排水系统。

现有排水系统在-106 m 设置移动泵站，移动泵站将水排至+20 m 固定泵站， 最终由固定泵站排水设备将采场内汇水排至尾矿库。-160 m 坑底已安装2 台固定泵（Q=500 m3/h，H=120 m），1 台备用潜水泵（Q=400 m3/h，H=120 m）；-160 m 移动泵站至+20 m固定泵站之间设置2 根DN400、PN1.6 排水管道。+20 m 固定泵站安装 2 台 C 型固定泵（Q=550 m3/h，H=42.5 m），2 台 D 型固定泵（Q=980 m3/h，H=52.5 m）；+20 m 固定泵站至尾矿库之间设置 1 根 DN400、PN1.6 的排水管道与 1 根 DN600、PN1.6 的排水管道。 现有排水系统布置见图1。

图1 现有排水系统布置示意

2 露天坑机械排水方案确定

依据排水现状，该矿可以有2 种机械排水方案供选择：1）将现有-106 m 泵站直接作为二级接力泵站，采场下降后，通过坑底移动泵站将水泵至-106 m泵站， 再由-106 m 泵站接力泵至地表+20 m 泵站。该方案对现有排水系统来说，工程量少，只需要增加坑底移动泵站设备和管道即可，且目前的-106 m 集水坑，也在南、北采坑的岩岛位置，不存在压矿的问题。唯一存在问题是，目前采场的东部受矿权影响暂不能外扩， 西部受湖面影响已形成了约100 m 高的临时边坡，故采剥作业主要在南北两个方向上进行。然而-106 m 集水坑处在采坑的中心位置，这会对改造后前几年的采剥作业产生一定的影响。 2）在采坑-34 m 台阶靠近边坡的位置临时设置二级接力泵站， 采场汇水通过坑底移动泵站将水泵至-34 m 泵站后，由-34 m 泵站将废水一段泵送至尾矿库。 过渡期间，暂停运行+20 m 泵站，-34 m 泵站至尾矿库的管道部分利用+20 m 泵站至尾矿库现有的2 套现有管道。该方案对改造后前几年的采剥作业影响小。但是从最终的排水系统布置来看， 新设置的-34 m 泵站，在今后的采剥作业中，还将被回采，届时还需要重新调整排水系统。

综上所述， 考虑排水方案在改造后前几年对采剥作业的影响，认为在 -34 m 设置过渡接力泵站的方案更为合理。 因为过渡期暂停使用+20 m 排水泵站，既可提高排水系统整体效率，降低运行成本，又能保证-106 m 泵站与-34 m 泵站设备工况接近，从而达到未来能继续使用的目的。设计人员在对-34 m临时接力泵站水泵进行选型时， 尽可能兼顾其以后需要在-106 m 永久固定接力泵站中继续使用的需求。 推荐排水系统布置见附图2。

图2 推荐排水系统布置示意

3 露天坑排水设备选型

3.1 排水设备选型基础数据

露天坑正常降雨时及5%暴雨时所需排水量见表1。

表1 露天坑降雨径流及地下涌水量

-154 m 坑底移动泵站至-34 m 临时固定泵站的排水几何高差为120 m， 管路长度为350 m；-34 m 接力泵站至尾矿库的排水管中心标高为34 m，排水几何高差为68 m，管线长度为3 900 m（其中-34 m 泵站至+20 m 地表泵站交接点管路长度为600 m，交接点至尾矿库管路长度为3 300 m）。

3.2 排水设备选型计算

露天坑机械排水设备所需排水能力计算[3]见表2。

表2 排水能力计算

露天坑机械排水设备所需扬程计算见表3。

表3 水泵扬程计算

3.3 设备选型

采场排水设备的选择不仅要满足各年份不同流量与扬程的要求，还要满足移动工作、经济运行、型号规格统一等多项约束条件。现-106 m 坑底移动泵站采用的是IZA150-400/2P 型单级单吸离心泵。 该泵具有质量轻、检修方便、对腐蚀性水质适应性强等优点，适合露天矿排水使用；但是该设备所需汽蚀余量（NPSHr）大，吸水高度小。 为充分利用现有设备，在该泵各项指标检验合格的情况下，可以继续沿用。为降低吸水高度，继续采用浮筏式安装；-34 m 固定泵站采用吸上高度大、效率高的卧式多级离心泵。由于矿坑废水pH 值为3～4，水泵过流部件及管路均采用耐腐蚀材料。 水泵主要技术参数见表4，所需排水设备见表5。

表4 水泵主要技术参数

表5 露天坑所需排水设备

3.4 排水设备能力校核

3.4.1 -34 m 固定泵站

本泵站运行有 2 泵对 1 管、3 泵对 2 管及 1 泵对1 管3 种工况，分别对其进行校核，在水泵特性曲线上做管路特性曲线， 求出这3 种水泵工况点分别为 Q1=505 m3/h、H1=146 m，Q2=582 m3/h、H2=128 m，Q3=439 m3/h、H3=88 m（约 40 Hz 下运行）。

1）排水管中最大实际流速。3 种工况下管道中最大流量分别为：1 010 m3/h、873 m3/h、439 m3/h，排水管中平均流速vp的计算公式见式（1）：

式中：dp为排水管所需的直径，m；n 为向排水管中输水的水泵台数；Q 为单台水泵的流量，m3/h。

按公式（1）进行核算，则实际流速为：

vp1=4×1×1 010/（3 600×3.14×0.42）=2.23 m/s；

vp2=4×1×873/（3 600×3.14×0.42）=1.93 m/s；

vp3=4×1×439/（3 600×3.14×0.42）=0.97 m/s。

2）水泵所需扬程。 水泵所需扬程H 计算公式见式（2）：

式中：Lj为管道计算长度，m；Lj=实际管长+各种管件和阀门的等值长度；d 为管内径，m；v 为管内流速；λ为管道摩擦阻力系数；h 为自由水头。

MD550-50×3B2 型水泵匹配 DN400 的管路工作时最大几何高差为71.5 m，管路最大长度3 900 m，等值长度232 m，则所需扬程H 分别为：

经校核：MD550-50×3B2 型水泵正常排水时（2泵对 1 管），管中流速为 2.23 m/s，排水能力（流量）Q=1 010 m3/h，大于 716 m3/h；5%暴雨时（3 泵对2 管），管中流速为 1.93 m/s，排水能力 Q=1 746 m3/h，大于1 505 m3/h。 正常排水与5%暴雨时的排水能力均符合 《有色金属采矿设计规范》（GB 50771—2012）[5]对露天矿排水的规定，满足设计要求。

当坑内排水量较少时， 也可采用单管对单泵排水， 此时需降低频率运行。 工况点Q=439 m3/h，H=88 m，运行频率在40 Hz 附近。由于模阻系数变化范围大，同时管路长度大（3 900 m），届时可根据管路压力表、流量表读数及几何高差等作出判断，制定出频率的调整方向，调整其至高效区运行。

3.4.2 坑底移动泵站

坑底泵采用相同规格2 泵对2 管运行， 只需校核单台泵对单管排水工况。 由于移动泵站采用了变频装置，可视水位的变化情况，通过改变电源频率，改变电机转速，故只需对最深水位-154 m 进行校核计算。 拟将频率调至49 Hz，此时高效区3 个工况点的流量 Q 分别为 372 m3/h、451 m3/h、549 m3/h，对应的扬程 H 分别为 158 m、144 m、123 m。 在水泵特性曲线上作管路特性曲线，求出水泵工况点为543 m3/h，H=127 m，属于高效区范围内，工况点校核如下：

1）排水管中最大实际流速。 DN400 管道中最大流量为543 m3/h，排水管中最大流速vp4为：

vp4=4×543/（3 600×3.14×0.42）=1.21 m/s。

2）水泵所需扬程。1 台IZA150-400 型水泵匹配1 路DN400 管路排水时，最大几何高差为121 m，管路最大长度为350 m，等值长度为200 m，则所需最大扬程H4为：

经核算， 移动泵站采用IZA150-400 型水泵2台，配置2 根DN400 管道（利旧）。正常排水时开启1台泵，排水能力为543 m3/h，大于440 m3/h；5%暴雨时开动2 台泵，排水能力为1 086 m3/h，大于969 m3/h，符合《有色金属采矿设计规范》（GB 50771—2012）对露天矿排水的规定，满足设计要求。

3.5 排水泵站配置

移动泵站仍沿用原有配置方案， 即采用浮筏式安装。 固定式泵站设于采场东北角， 水泵处地坪标高-34 m， 采用吸入式安装， 站内设有MD550-50×3B1 水泵3 台，沿轴向单列布置，水泵出口设有电动闸阀4 个与缓闭止回阀3 个， 能满足互为连通且独立控制的功能要求。 电动机及其它电器设备外设防雨罩，不设厂房及起重梁，检修时需汽车吊配合，泵站水池尺寸 L×B×H=35 m×8 m×3.5 m， 有效容积约700 m3。

4 采场外管路输送系统

本排水系统中整个压力输送管道系统的终端为敞口排入尾矿库内，属于典型的管口（孔口）出流的排放形式，因此末端关阀水锤的危害基本不存在。本项目中，主要的水锤危害为停泵水锤及启泵水锤。启动水锤的防护主要是保证管道中积蓄的气体可以顺利、通畅地排出管道，因此在管线敷设过程中，需要在适当位置安装规格和性能满足要求的排气阀，并且启泵过程严格按照相应设备的操作规程完成。 启泵过程应充分满足“轻载启泵”的操作要求，水泵出口阀门采取两段控制或多段控制的方式， 逐渐控制水流流速的增大过程，从而减少启泵水锤的发生概率。

拟在管线段设置排气和吸气（补气）的措施，其中+26 m 处设置 1 个 DN150 的 CARX 型复合排气阀， 现状管线各增设1 个DN100 的复合型排气阀；水泵的管道出口处设置管力阀或缓闭式止回阀。 通过对管线段水锤状态（过渡状态）的模拟分析，水锤状态基本可以通过管路中排（吸）气阀和水泵出口处的缓闭止回阀等措施消除。

缓闭式止回阀或管力阀在水泵启动或停泵的过程中，不仅能够消除由于水锤升压而引起的危害，并且能够防止水流泄流， 从而使机组最大反转速得到控制。 本排水系统采用的管力阀可满足至少3 个基本功能，既可起到缓闭式止回阀的消除水锤作用，又可以作为控制阀实现“轻载启泵”的工作目标，同时还可以作为检修隔断阀门使用。

5 结论

综上所述， 通过对该金属矿山露天排水系统改造实践的研究， 对类似凹陷露天开采阶段的矿山排水方案的制定、接力泵站选址、水泵选型、管路设计等提供了值得借鉴、推广的经验：1）固定泵站应尽量设置在相对固定位置，最后在永久边帮位置上，不能压矿或存在压矿风险；2）泵站内存在一管多泵情况时， 应分别对不同工况下的水泵扬程、 流量进行验算，确保每种工况都能满足系统排水要求；3）为适应露天开采扬程不断变化的工况， 露天坑底移动泵站一般采用变频控制。 如果固定泵站内水泵运行工况变换较多，也应考虑采用变频控制，以适应不同工况的排水需求；4）为便于管理及节省成本，露天采场内排水泵站中水池多采用吸入式水池， 该类型泵站水泵选型时应注意水泵吸程（或水泵汽蚀余量）是否满足要求；5）露天排水设备的选择应尽量兼顾后期排水需求，设备选型尽量统一型号，不仅有利于减少备品、备件数量，且方便运维管理。