高效全自动清淤系统在酸性水库的应用

秦 武，史翔辉，武文渊，马 斌，邱立志

（1.长沙能华机电设备有限公司，湖南 长沙 410000；2.江西铜业集团银山矿业有限责任公司，江西 德兴 334200；3.长沙佳能通用泵业有限公司，湖南 长沙 410323）

1 引言

近年来，各矿山企业在提质增效的发展过程中，积极打造绿色矿山、数字化矿山。2020年12月，自然资源部公布了江西德兴、永丰、赣州等全国 50 家绿色矿业发展示范区创建名单[1］，着力打造成布局合理、集约高效、环境优良、矿地和谐、区域经济良性发展的绿色矿业发展样板区。2021年12月，国务院公布《“十四五”数字经济发展规划》[2］，强化数字产业化和产业数字化转型要求，提出了工业互联网平台应用普及率由2020年的14.7%提升到2025年的45%的建设目标。

铜矿在开采和浮选过程中会产生大量的酸碱性废水，需要输送到地面进行有效收集，再集中无害化处理后排放。废水排放到水库时，夹带有大量的碎石、泥沙，若不及时清淤处理，一是会降低水库的有效库容，水库的蓄水调节能力减弱；二是高水位库容会加剧下游的溃坝可能性。因此，为矿山企业设计一套实时高效的全自动清淤系统具有重要意义。

2 项目介绍

银山矿业公司的酸性水库位于百岭湾山沟尾部、废石场下游，水库最高水位104m，总库容23.9万m3。其中，标高91.5m以下为淤积库容，约2.1万m3（设计库容见表1）。酸性水库最低水位高于废水处理厂，酸性水库采用自流式分层取水方式，在不同季节根据不同水位分层取水。

表1 酸性水库库容计算表

截至目前，酸性水库约有93m标高，第一个取水口底部（标高91.9m）已被淤泥覆盖，水库的库容量已缩减近4.5万m3。一旦遇到汛期，井下排水压力骤增，所以要及时将库底淤泥清理至水库上方的排土场以扩大库容，发挥水库最大的沉淀和蓄水功能。然而，传统的机械清淤方式无法保证库底的防渗膜不被破坏，并且长时间的静置沉淀使得部分淤泥板结硬化；若采用人工清淤方式不仅效率低，而且威胁人身健康。浆体管道远距离输送方式[3-5］在尾矿远距离输送[6-7］、污泥远距离输送[8-9］、库底清淤[10-12］等方面应用广泛。充分考虑银山矿酸性水库的淤泥量以及周边地形因素，综合评估后采用浆体管道输送方式进行自动清淤。

3 系统设计

清理淤泥至最低位置（标高89m），管道输送至排泥地点（标高219m），总垂直高差130m，水面至排泥区管道总长度1000m。泥浆浓度不均衡变化，正常时泥浆质量百分比为41.40%，最高可达到60%（重度为1600kg/m3）。

全自动清淤系统由水面清淤系统、地面泥浆输送系统、高压冲洗系统、管道清洗系统、水仓杂物清除系统和全自动中控系统六大系统组成。其中，泥浆管道主输送系统为水面清淤系统和地面泥浆输送系统串联使用，清淤主系统如图1所示。

图1 清淤主系统示意图

3.1 水面清淤系统

水面清淤系统选用潜水式高浓度泥浆泵（额定流量200m3/h，额定扬程80m），过流部件采用双相不锈钢材质，提高其耐腐耐磨强度。泵体通过可自动升降装置安装在可移动的316L不锈钢制造的浮船上浮于水面，满足最大淹没深度8m的作业要求，用于淤泥收集（最低清淤标高位置为89m）并泵送至地面泥浆输送系统入口（标高106m）。输出口连接管径DN150mm、承压1.0MPa的耐腐耐磨高强度钢丝网骨架PE复合管，每间隔50m安装一根6m的柔性304内衬管道，满足管道最大半径弯曲作业。管道总长200m，可随浮船在整个水面上作业，最大限度地满足整体清淤要求。同时，泥浆泵采用负压吸泥的方式清淤，有效避免了对库底防护膜的破坏。

泥浆泵需要清理的淤泥深度为4m，通过自动升降装置调整泥浆泵的淹没深度，以保持最佳的泥浆吸入效果。同时，通过变频控制技术，满足泥浆泵在泥浆浓度大范围变化时的变荷载工况，确保全扬程不过载。

3.2 地面泥浆输送系统

泥浆管道输送的泥浆浓度高，且含固体颗粒和长型软质类异物，对泵体及管道的耐磨蚀性和通过性要求高，过流部件采用双相不锈钢材质。地面输送系统采用2台单级离心泥浆泵（单台泵额定流量200m3/h，额定扬程150m）串联运行的方式，机封冲洗处外接无腐蚀的工业用水加压泵送，高压密封水经密封面后进入泵体内，避免系统内的腐蚀性介质外流造成污染。地面泥浆输送系统水泵入口处标高为106m，通过总长800m、管径DN150mm、承压4.0MPa的高强度钢丝网骨架PE复合管，将高浓度泥浆输送至标高219m的排泥场。

3.3 高压冲洗系统

在全水域面采用点、线、面的连续作业方式。部分未得到及时处理的水域，淤泥沉降后会板结硬化或固化。因此，在水库四周布置一圈总长为600m、管径DN80mm、承压2.0MPa的高强度钢丝网骨架PE复合管环形管道，将周边固化的淤泥利用高压水冲洗软化（单台多级离心泵额定流量100m3/h，额定扬程150m）。必要时，在潜水泥浆泵入口处周边同样采用高压冲洗搅动的方式，将局部硬化结块的淤泥冲散细化，最大限度地保证泥浆泵入口处的浆体浓度均匀，减少堵塞。液下射流（喷嘴直径20mm，射流口理论流速88.4m/s）喷射时，在轴面距离喷嘴口约7倍喷嘴直径长度[13］，即140mm的范围内，液下存在明显的射流初始段，即液流保持出口流速基本不变。处于射流初始段的高速液流冲击力大，破碎泥块效果最佳。之后进入射流基本段，受周围湍流影响，流速迅速衰减，动压降低，在轴面距离喷嘴口20倍喷嘴直径长度，即400mm范围处，动压降至约0.2倍出口动压[14］即0.2MPa，对泥块已无破碎作用，但能搅动浆体；在距离喷嘴口80倍喷嘴直径长度即1600mm处，射流流速衰减至0.01倍出口动压[15］，动压的冲击影响基本可以忽略。

3.4 管道冲洗系统

当清淤系统停机时，为避免管道内高浓度泥浆沉积积淤、堵塞管道，在地面泥浆输送系统的入口处设计一条支管，并增设管道冲洗系统。管道清洗泵（额定流量250m3/h，额定扬程25m）选用洁净水源，当主系统停止输送泥浆时，立即输送清水，对整条管道进行清洁冲洗直至管道出口排出洁净水为止。

3.5 水仓杂物清除系统

该系统为备用系统，仅在水面清淤系统堵塞时使用。水仓杂物清除系统前置大流量、低扬程的污水泵（额定流量500m3/h，额定扬程20m），利用其螺旋离心式叶轮无堵塞的特点，可输送大颗粒及长编织物等异物至船载杂物仓进行固液分离，收集杂物。若污水泵的吸入口出现堵塞，利用升降机将泵体吊装出水，人工清理后再次下沉淹没使用。

3.6 全自动中控系统

全自动清淤系统中的水面泥浆输送系统、地面泥浆输送系统和管道冲洗系统三大系统联动控制，采用工业级PLC控制技术，实现系统的全自动运行。全自动中控系统由主控箱、分控箱、流量监测系统、压力监测系统、电力监测系统、视频监控系统、声光报警系统等组成。

系统联动：系统正常启动时，水面泥浆输送系统的潜水泥浆泵启动工作，待系统检测到地面泥浆输送系统前端管道有压输送达到设定阈值时，自动逐台启动2台串联泵，直至最后一台泥浆泵出口管道达到额定压力后，自动缓慢打开水泵出口阀，实现管道充液后连续排水；系统正常停机前，启动管道冲洗系统，开始往泥浆输送管道输送清水，经2台串联泵加压后输送至整条管道，实现管道清洗，待出水口的排水全部为清水时，缓慢关闭水泵出口阀，最后逐一自动停机。

系统异常保护：在水面泥浆输送系统出现泵体堵塞时，流量会急速下降，系统监测反馈后自动停机保护；泥浆浓度过大时，水泵轴功率加大，达到或超过电机额定荷载后会自动停机保护；当潜水泥浆泵处于不同淹没深度时，系统变频控制，保证前置系统全扬程不过载。

系统检修预警：通过标定初始正常运行数据，系统自动记录长时间累积的运行数据，当判断系统的运行曲线偏离原始性能曲线5%时，系统提示预警；当偏离10%时，系统提示警告，设备须停机检修并及时更换易损件。

4 设计验证

4.1 管径选择

清淤系统初定其输送高浓度浆体体积流量200m3/h，参照浆体输送管道的内径不应小于150mm的要求[16］，初定为DN150mm，公称压力为4.0MPa。

4.2 最小沉降流速确定

参照《浆体长距离管道输送工程设计标准》（T/CECS 98－2019），系统输送的泥浆最高质量浓度为60%，低于极限65%的上限值要求，适用于浆体管道输送工况。系统泥浆浓度变化范围大，计算时选取泥浆质量浓度为60%作为重载工况、泥浆质量浓度为40%作为标准工况、清水冲洗为轻载工况进行设备参数计算复核。因设计验算过程一致，以地面泥浆输送系统泥浆泵为例，泥浆质量浓度为60%的重载工况进行核算。

选用E.J.瓦斯普公式（1）计算浆体管道临界流速（Vc）：

式中，Vc为浆体管道临界流速，m/s；Cv为浆体体积浓度，为36%；g为重力加速度，取9.81m/s2；d85为权重0.85粒径，取0.315×10-3m；D为管道内径，取0.15m；ρg为物料固体密度，取2677kg/m3；ρk为浆体密度，取1600kg/m3。

计算得：Vc=1.30m/s，按最低流速不得低于1.1倍最小沉降流速的限值规定，即浆体输送流速不得低于1.43m/s。

按系统额定工况参数（额定流量200m3/h、管径DN150mm），浆体实际流速为3.144m/s，大于1.43m/s，满足标准要求。

4.3 水泵扬程确定

浆体正压输送时的水力坡降，参照《给水排水设计手册》的工业排水工况公式（2）：

式中，ik为浆体的水力坡降，取9.81kPa/m；ρk为浆体相对密度，取1.6；i0为输送等流速清水时的水力坡降，查表取大值（100i0=7.73）。

计算得：ik=0.124（9.81kPa/m）。

水泵扬程的总扬程计算方法如公式（3）：

式中，Hk为水泵扬程，取9.81kPa；H为几何高差，为113m；L为管道总长度，取800m；hj为管路局部损失，取5%～10%管路沿程损失，取值10%倍；hn为泵站内部的水头损失，取20kPa；hy为剩余水头，取1。

计算得：Hk=301m。

同理，可计算出不同浆体浓度工况时水面泥浆输送系统和地面泥浆输送系统的不同参数需求，见表2。其中，地面计算扬程为2台串联的系统总扬程。

表2 不同质量浓度工况下泵扬程计算

5 结论

银山矿酸性水库因其酸性水质的特殊性、交通不便性、淤泥板结硬化以及需要高落差、远距离转运等特点，基本覆盖了清淤的所有难题。全自动高效清淤系统初期调试运行期间，完成泥浆输送量19220.88m3，基本达到预期效果。该项技术的成功应用实现了传统的周期性库底清淤到系统常态化运行的转变。其次，该系统的运用保证了清淤扩容的及时性，提升了水库防洪减灾的能力；而且能减少新增水库，提高了国土资源的利用率；同时，因地面有效库容的扩容，直接提升了井下排水效率，真正实现了环保清淤。