德興銅礦五號尾礦庫回水方案選擇的經驗探討

胡祥群， 高 峰

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

尾礦是選礦作業中產生的有用組分含量低且目前無法經濟用于工業生產的組分，也是工業固體廢棄物中的主要組成成分[1]。為了盡量減少尾礦對環境的污染[2]，傳統處置工藝將其存放于尾礦庫，根據排入尾礦庫的尾礦是否具有流動性，分為濕式尾礦庫和干式尾礦庫[3]。據《中國礦產資源節約與綜合利用報告(2018)》顯示，截至2017年底，我國尾礦堆存量為195億t[4]。

針對濕式尾礦庫，尤其是尾礦重量濃度較低時，尾砂攜帶大量的水入庫，從安全、環保、節水角度考慮，一般需配備尾礦庫回水設施，將庫內尾礦水輸送至選廠重復使用。尾礦庫回水系統一般分為壩下回水和庫內回水兩種方式，如果尾礦庫相對選廠地勢較高，壩下回水方式能基本實現自流回水，通常采取壩下回水方式，反之，從節能[5]、提高取水效率[6]、提升回水量穩定性角度考慮，通常考慮采取庫內回水方式。庫內回水方式的回水系統一般主要由浮船泵站和壓力輸送管道組成，如果所需揚程較高，僅設一級浮船泵站的壓力不能滿足輸送要求，則需另加設岸邊固定泵站。針對流量大、揚程高的尾礦庫回水系統，一般要經過方案比選來確定回水泵站的數量、水泵等主要設備技術參數及管道規格等，使得最終采納的方案技術可靠、經濟合理、管理方便。

1 工程概況

德興銅礦位于江西省上饒地區德興市，是中國最大的露天銅礦，該礦配備兩個選礦廠，分別為大山選礦廠和泗州選礦廠，其中大山選礦廠規模為9.2萬t/d，由6.95萬t/d和2.25萬t/d兩個系統組成，泗州選礦廠規模為3.8萬t/d，兩選廠總規模為13萬t/d，選廠配套了四個尾礦庫，分別為一號尾礦庫、二號尾礦庫、四號尾礦庫和五號尾礦庫，其中一號尾礦庫已經閉庫，二號尾礦庫尚余部分庫容作為泗洲選礦廠尾礦的事故排放使用，目前主要使用的為四號和五號尾礦庫，四號尾礦庫已經運行近30年，五號尾礦庫于2019年9月投入使用，其為四號尾礦庫的接續庫。

五號尾礦庫與四號尾礦庫相鄰，匯水面積15.40 km2，最終設計標高為290 m，上、下游均采用中線式尾礦筑壩法，下游壩總壩高222 m，上游壩總壩高178 m，總庫容10.313億m3，屬一等庫。

五號尾礦庫建成后，在2019～2021年，大山選礦廠6.95萬t/d系統的尾礦排入五號尾礦庫；在2022～2039年，大山選礦廠和泗州選礦廠產出的尾礦全部排往五號尾礦庫。

隨著尾礦排放計劃的調整，礦山尾礦回水方案也隨之調整。五號尾礦庫回水設施分兩期建設，一期工程在基建期建設，回水設施的回水能力為23萬t/d，一期工程給大山選礦廠回水和補充五號尾礦庫上、下游稀釋水；二期工程與尾礦輸送及排放設施二期工程同時建成，回水設施的回水能力為46萬t/d，給大山選礦廠、泗洲選礦廠回水和補充五號尾礦庫上、下游稀釋水。

2 回水方案確定

五號尾礦庫使用標高介于68～290 m之間，大山選廠高位水池標高340 m，泗洲選廠高位水池標高130 m，綜合尾礦庫與選廠位置關系、兩個選廠的規模、對現有回水設施利舊考慮，從減少投資、節能和回水量穩定的角度考慮，采用庫內回水方式，回水系統主要由浮船泵站、岸邊固定泵站(視方案比較結果確定個數)和管道組成。

由于回水系統流量大，揚程較高，具體考慮下述原則，并通過方案比選確定最終的回水方案和相應的設施配置。

2.1 設計原則

(1)技術可靠：各方案擬定時，要求浮船泵站、水泵、萬象接頭、閥門等關鍵設備達到相應設計工況的技術成熟可靠，最好有相關應用案例。

(2)經濟合理：各方案經濟指標優劣通過建設投資和運行成本綜合比選確定，其中建設投資包括設備及安裝、土建、總圖、電氣及其他配套設施，運行成本主要為電耗。

(3)維檢和管理方便：主要關注浮船泵站上水泵及電機的維檢和移船環節，要求維檢和管理較方便。

2.2 回水方案

浮船泵站設在尾礦庫橫坑支溝的溝口，初始取水標高為95 m，考慮到五號尾礦庫一期工程建成后，大山選礦廠的回水部分在五號尾礦庫、部分在四號尾礦庫，為了方便初期回水系統管理，降低基建期回水浮船投資，一期工程取水浮船輸送至四號尾礦庫4號、5號回水加壓泵站，通過加壓后統一給大山選礦廠供水，四號尾礦庫4號、5號泵站回水池池頂標高為298.5 m，輸送高差為203.5 m。輸送距離約4.5 km，管道內徑按1 m考慮，沿程損失約15 m。綜合前述，若經浮船泵站一級加壓輸送，不再設岸邊加壓泵站，需要總揚程約230 m。

經項目執行期間考察和收集資料了解到的相關情況：

(1)回水量較大，考慮移船期間生產回水需求，同時為了減少管理環節，建議一期工程配備2艘浮船，即單艘浮船取水規模為11.5萬t/d；

(2)為了控制水錘影響、降低船體降振減噪難度，針對單艘浮船11.5萬t/d的取水規模，建議配備5臺水泵，4用1備，水泵流量為1 200 m3/h，揚程不宜超過160 m；

(3)Q=1 200 m3/h，H=160 m和Q=4 800 m3/h，H=100 m的水泵，技術成熟，均有工程實例；

(4)DN1000、PN25的萬象接頭、閥門，技術成熟，有工程實例。

綜合上述，從技術成熟可靠角度考慮，需設岸邊加壓泵站，據此，提出了三個回水輸送方案，分別為：

(1)方案一：浮船泵站+兩級岸邊固定泵站方案。

浮船上水泵揚程為120 m，兩級岸邊固定泵站內水泵揚程均為65 m。

一期工程：設兩艘浮船泵站，回水經浮船泵站加壓后通過兩級岸邊固定泵站輸送至四號尾礦庫4號、5號回水加壓泵站，分別給大山選礦廠和五號尾礦庫上下游壩供水；

二期工程：在一期兩艘浮船的基礎上再增加兩艘浮船，配置與一期工程一致。此時，五號尾礦庫庫內水位已超過第一級岸邊固定泵站所處標高，因此，第一級岸邊固定泵站已在之前適時拆除，站內水泵等設備拆卸后安裝到第二級岸邊固定泵站繼續使用。回水經浮船泵站加壓后直接送至第二級岸邊固定泵站，再經加壓后分別輸送至四號尾礦庫4號、5號回水加壓泵站、四號尾礦庫及五號尾礦庫上、下游。

(2)方案二：浮船泵站+一級岸邊固定泵站方案。

浮船上水泵揚程為150 m，岸邊固定泵站內水泵揚程為90 m。

一期工程：設兩艘浮船，浮船取水后通過一級岸邊固定泵站輸送至四號尾礦庫4號、5號回水加壓泵站，分別給大山選礦廠和五號尾礦庫上、下游壩供水；

二期工程：在一期兩艘浮船的基礎上再增加兩艘浮船，由于此時庫內水位已經上升了一定高度，新增浮船內水泵揚程可適當降低，其他配置與一期工程一致，同時，在岸邊固定泵站內增加兩臺同型號的水泵及相關配置，回水經浮船泵站加壓后直接送至岸邊固定泵站，再經加壓后分別送至四號尾礦庫4號、5號回水加壓泵站、四號尾礦庫及五號尾礦庫上、下游。

(3)方案三：浮船泵站+四級岸邊固定泵站方案

浮船上水泵揚程為60 m，四級岸邊固定泵站內水泵揚程分別為52 m、52 m、52 m、49 m。

一期工程：設兩艘浮船，浮船取水后通過四級岸邊固定泵站輸送至四號尾礦庫4號、5號回水加壓泵站，分別給大山選礦廠和五號尾礦庫上下游壩供水；

二期工程：在一期兩艘浮船的基礎上再增加兩艘浮船，配置與一期工程一致。此時，五號尾礦庫庫內水位已超過第一級岸邊固定泵站所處標高，因此，第一級岸邊固定泵站已在之前適時拆除，站內水泵等設備拆卸后安裝到第二級固定泵站繼續使用。回水經浮船泵站加壓后直接送至第二級岸邊固定泵站，再經加壓后分別輸送至四號尾礦庫4號、5號回水加壓泵站、四號尾礦庫及五號尾礦庫上、下游。

各方案工藝概況如表1所示。

表1 輸送方案工藝概況

3 方案比選和結論

對2.2所述三個方案的工程建設投資、運行成本進行計算比較。考慮到儀表、暖通和回水斜坡道配套軌道和提升設備的投資對方案比較結果影響很小，比較項列入尾礦工藝、電力、建筑和總圖四項。比較結果如表2所示。

根據表2分析得到以下結論：

(1)從技術角度分析，方案一有類似水利工程案例作為支撐，尚無類似礦山工程案例；方案二當時沒有類似工程案例，但浮船、水泵、萬象接頭、閥門等關鍵設備均有成熟技術；方案三有成熟的礦山工程案例，企業有成熟的運行管理經驗。因此，方案三的技術可靠度最高，方案一其次，方案二略低。

(2)從經濟角度分析，三個方案的運行功率差距很小，主要差別體現在建設投資項，由此可見，運營成本不是影響方案優劣的主要因素，影響方案優劣的主要因素是工程建設投資。從三個方案的工程建設投資比較結果可見，方案一和方案二的總建設投資均比方案三省，其中方案一最省；進一步細分，一期工程的建設投資方案二最省，二期工程追加的建設投資方案一和方案三基本一致，均比方案二省。造成各方案之間投資偏差的主要原因是浮船泵站和水泵變頻的設備投資差異，其次是因為岸邊固定泵站的數量不同引起的建筑和總圖的投資差異。

(3)從管理角度分析，主要涉及移船、設備檢修和管理環節。方案一浮船尺寸、設備重量、泵站數量均居中，移船、設備檢修難度居中，管理便利性居中。方案二，浮船尺寸和設備重量最大，移船和設備檢修難度較大，泵站數量最少，管理環節較少。方案三浮船尺寸和設備重量最小，移船和設備檢修難度較小，泵站數量最多，管理環節較多。

(4)從技術、經濟和管理角度綜合考慮，五號尾礦庫回水系統方案一最優，即浮船泵站+兩級岸邊固定泵站。

表2 回水系統輸送方案比較表

4 結語

(1)五號尾礦庫一期工程回水規模23萬t/d，二期工程回水規模46萬t/d，本著設備大型化原則，同時兼顧移船期間生產回水需求，一期工程配備兩艘浮船，二期增加兩艘，單艘浮船取水規模為11.5萬t/d。

(2)根據五號尾礦庫回水系統與選廠的位置關系計算得知回水設施總揚程近250 m，經浮船、水泵等關鍵設備考察后，擬定了三個回水方案，經經濟比選，再結合技術和管理角度考慮，最終選用了浮船泵站+兩級岸邊固定泵站的方案，該方案技術可靠、經濟合理、管理較為方便，該比選結論對其他類似工程具有一定的參考意義。