高效全自動(dòng)清淤系統(tǒng)在酸性水庫(kù)的應(yīng)用

秦 武，史翔輝，武文淵，馬 斌，邱立志

（1.長(zhǎng)沙能華機(jī)電設(shè)備有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司，江西 德興 334200；3.長(zhǎng)沙佳能通用泵業(yè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410323）

1 引言

近年來(lái)，各礦山企業(yè)在提質(zhì)增效的發(fā)展過(guò)程中，積極打造綠色礦山、數(shù)字化礦山。2020年12月，自然資源部公布了江西德興、永豐、贛州等全國(guó) 50 家綠色礦業(yè)發(fā)展示范區(qū)創(chuàng)建名單[1］，著力打造成布局合理、集約高效、環(huán)境優(yōu)良、礦地和諧、區(qū)域經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展的綠色礦業(yè)發(fā)展樣板區(qū)。2021年12月，國(guó)務(wù)院公布《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》[2］，強(qiáng)化數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求，提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用普及率由2020年的14.7%提升到2025年的45%的建設(shè)目標(biāo)。

銅礦在開(kāi)采和浮選過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的酸堿性廢水，需要輸送到地面進(jìn)行有效收集，再集中無(wú)害化處理后排放。廢水排放到水庫(kù)時(shí)，夾帶有大量的碎石、泥沙，若不及時(shí)清淤處理，一是會(huì)降低水庫(kù)的有效庫(kù)容，水庫(kù)的蓄水調(diào)節(jié)能力減弱；二是高水位庫(kù)容會(huì)加劇下游的潰壩可能性。因此，為礦山企業(yè)設(shè)計(jì)一套實(shí)時(shí)高效的全自動(dòng)清淤系統(tǒng)具有重要意義。

2 項(xiàng)目介紹

銀山礦業(yè)公司的酸性水庫(kù)位于百嶺灣山溝尾部、廢石場(chǎng)下游，水庫(kù)最高水位104m，總庫(kù)容23.9萬(wàn)m3。其中，標(biāo)高91.5m以下為淤積庫(kù)容，約2.1萬(wàn)m3（設(shè)計(jì)庫(kù)容見(jiàn)表1）。酸性水庫(kù)最低水位高于廢水處理廠，酸性水庫(kù)采用自流式分層取水方式，在不同季節(jié)根據(jù)不同水位分層取水。

表1 酸性水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算表

截至目前，酸性水庫(kù)約有93m標(biāo)高，第一個(gè)取水口底部（標(biāo)高91.9m）已被淤泥覆蓋，水庫(kù)的庫(kù)容量已縮減近4.5萬(wàn)m3。一旦遇到汛期，井下排水壓力驟增，所以要及時(shí)將庫(kù)底淤泥清理至水庫(kù)上方的排土場(chǎng)以擴(kuò)大庫(kù)容，發(fā)揮水庫(kù)最大的沉淀和蓄水功能。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械清淤方式無(wú)法保證庫(kù)底的防滲膜不被破壞，并且長(zhǎng)時(shí)間的靜置沉淀使得部分淤泥板結(jié)硬化；若采用人工清淤方式不僅效率低，而且威脅人身健康。漿體管道遠(yuǎn)距離輸送方式[3-5］在尾礦遠(yuǎn)距離輸送[6-7］、污泥遠(yuǎn)距離輸送[8-9］、庫(kù)底清淤[10-12］等方面應(yīng)用廣泛。充分考慮銀山礦酸性水庫(kù)的淤泥量以及周邊地形因素，綜合評(píng)估后采用漿體管道輸送方式進(jìn)行自動(dòng)清淤。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

清理淤泥至最低位置（標(biāo)高89m），管道輸送至排泥地點(diǎn)（標(biāo)高219m），總垂直高差130m，水面至排泥區(qū)管道總長(zhǎng)度1000m。泥漿濃度不均衡變化，正常時(shí)泥漿質(zhì)量百分比為41.40%，最高可達(dá)到60%（重度為1600kg/m3）。

全自動(dòng)清淤系統(tǒng)由水面清淤系統(tǒng)、地面泥漿輸送系統(tǒng)、高壓沖洗系統(tǒng)、管道清洗系統(tǒng)、水倉(cāng)雜物清除系統(tǒng)和全自動(dòng)中控系統(tǒng)六大系統(tǒng)組成。其中，泥漿管道主輸送系統(tǒng)為水面清淤系統(tǒng)和地面泥漿輸送系統(tǒng)串聯(lián)使用，清淤主系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 清淤主系統(tǒng)示意圖

3.1 水面清淤系統(tǒng)

水面清淤系統(tǒng)選用潛水式高濃度泥漿泵（額定流量200m3/h，額定揚(yáng)程80m），過(guò)流部件采用雙相不銹鋼材質(zhì)，提高其耐腐耐磨強(qiáng)度。泵體通過(guò)可自動(dòng)升降裝置安裝在可移動(dòng)的316L不銹鋼制造的浮船上浮于水面，滿足最大淹沒(méi)深度8m的作業(yè)要求，用于淤泥收集（最低清淤標(biāo)高位置為89m）并泵送至地面泥漿輸送系統(tǒng)入口（標(biāo)高106m）。輸出口連接管徑DN150mm、承壓1.0MPa的耐腐耐磨高強(qiáng)度鋼絲網(wǎng)骨架PE復(fù)合管，每間隔50m安裝一根6m的柔性304內(nèi)襯管道，滿足管道最大半徑彎曲作業(yè)。管道總長(zhǎng)200m，可隨浮船在整個(gè)水面上作業(yè)，最大限度地滿足整體清淤要求。同時(shí)，泥漿泵采用負(fù)壓吸泥的方式清淤，有效避免了對(duì)庫(kù)底防護(hù)膜的破壞。

泥漿泵需要清理的淤泥深度為4m，通過(guò)自動(dòng)升降裝置調(diào)整泥漿泵的淹沒(méi)深度，以保持最佳的泥漿吸入效果。同時(shí)，通過(guò)變頻控制技術(shù)，滿足泥漿泵在泥漿濃度大范圍變化時(shí)的變荷載工況，確保全揚(yáng)程不過(guò)載。

3.2 地面泥漿輸送系統(tǒng)

泥漿管道輸送的泥漿濃度高，且含固體顆粒和長(zhǎng)型軟質(zhì)類異物，對(duì)泵體及管道的耐磨蝕性和通過(guò)性要求高，過(guò)流部件采用雙相不銹鋼材質(zhì)。地面輸送系統(tǒng)采用2臺(tái)單級(jí)離心泥漿泵（單臺(tái)泵額定流量200m3/h，額定揚(yáng)程150m）串聯(lián)運(yùn)行的方式，機(jī)封沖洗處外接無(wú)腐蝕的工業(yè)用水加壓泵送，高壓密封水經(jīng)密封面后進(jìn)入泵體內(nèi)，避免系統(tǒng)內(nèi)的腐蝕性介質(zhì)外流造成污染。地面泥漿輸送系統(tǒng)水泵入口處標(biāo)高為106m，通過(guò)總長(zhǎng)800m、管徑DN150mm、承壓4.0MPa的高強(qiáng)度鋼絲網(wǎng)骨架PE復(fù)合管，將高濃度泥漿輸送至標(biāo)高219m的排泥場(chǎng)。

3.3 高壓沖洗系統(tǒng)

在全水域面采用點(diǎn)、線、面的連續(xù)作業(yè)方式。部分未得到及時(shí)處理的水域，淤泥沉降后會(huì)板結(jié)硬化或固化。因此，在水庫(kù)四周布置一圈總長(zhǎng)為600m、管徑DN80mm、承壓2.0MPa的高強(qiáng)度鋼絲網(wǎng)骨架PE復(fù)合管環(huán)形管道，將周邊固化的淤泥利用高壓水沖洗軟化（單臺(tái)多級(jí)離心泵額定流量100m3/h，額定揚(yáng)程150m）。必要時(shí)，在潛水泥漿泵入口處周邊同樣采用高壓沖洗攪動(dòng)的方式，將局部硬化結(jié)塊的淤泥沖散細(xì)化，最大限度地保證泥漿泵入口處的漿體濃度均勻，減少堵塞。液下射流（噴嘴直徑20mm，射流口理論流速88.4m/s）噴射時(shí)，在軸面距離噴嘴口約7倍噴嘴直徑長(zhǎng)度[13］，即140mm的范圍內(nèi)，液下存在明顯的射流初始段，即液流保持出口流速基本不變。處于射流初始段的高速液流沖擊力大，破碎泥塊效果最佳。之后進(jìn)入射流基本段，受周圍湍流影響，流速迅速衰減，動(dòng)壓降低，在軸面距離噴嘴口20倍噴嘴直徑長(zhǎng)度，即400mm范圍處，動(dòng)壓降至約0.2倍出口動(dòng)壓[14］即0.2MPa，對(duì)泥塊已無(wú)破碎作用，但能攪動(dòng)漿體；在距離噴嘴口80倍噴嘴直徑長(zhǎng)度即1600mm處，射流流速衰減至0.01倍出口動(dòng)壓[15］，動(dòng)壓的沖擊影響基本可以忽略。

3.4 管道沖洗系統(tǒng)

當(dāng)清淤系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，為避免管道內(nèi)高濃度泥漿沉積積淤、堵塞管道，在地面泥漿輸送系統(tǒng)的入口處設(shè)計(jì)一條支管，并增設(shè)管道沖洗系統(tǒng)。管道清洗泵（額定流量250m3/h，額定揚(yáng)程25m）選用潔凈水源，當(dāng)主系統(tǒng)停止輸送泥漿時(shí)，立即輸送清水，對(duì)整條管道進(jìn)行清潔沖洗直至管道出口排出潔凈水為止。

3.5 水倉(cāng)雜物清除系統(tǒng)

該系統(tǒng)為備用系統(tǒng)，僅在水面清淤系統(tǒng)堵塞時(shí)使用。水倉(cāng)雜物清除系統(tǒng)前置大流量、低揚(yáng)程的污水泵（額定流量500m3/h，額定揚(yáng)程20m），利用其螺旋離心式葉輪無(wú)堵塞的特點(diǎn)，可輸送大顆粒及長(zhǎng)編織物等異物至船載雜物倉(cāng)進(jìn)行固液分離，收集雜物。若污水泵的吸入口出現(xiàn)堵塞，利用升降機(jī)將泵體吊裝出水，人工清理后再次下沉淹沒(méi)使用。

3.6 全自動(dòng)中控系統(tǒng)

全自動(dòng)清淤系統(tǒng)中的水面泥漿輸送系統(tǒng)、地面泥漿輸送系統(tǒng)和管道沖洗系統(tǒng)三大系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，采用工業(yè)級(jí)PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行。全自動(dòng)中控系統(tǒng)由主控箱、分控箱、流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、聲光報(bào)警系統(tǒng)等組成。

系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)：系統(tǒng)正常啟動(dòng)時(shí)，水面泥漿輸送系統(tǒng)的潛水泥漿泵啟動(dòng)工作，待系統(tǒng)檢測(cè)到地面泥漿輸送系統(tǒng)前端管道有壓輸送達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)逐臺(tái)啟動(dòng)2臺(tái)串聯(lián)泵，直至最后一臺(tái)泥漿泵出口管道達(dá)到額定壓力后，自動(dòng)緩慢打開(kāi)水泵出口閥，實(shí)現(xiàn)管道充液后連續(xù)排水；系統(tǒng)正常停機(jī)前，啟動(dòng)管道沖洗系統(tǒng)，開(kāi)始往泥漿輸送管道輸送清水，經(jīng)2臺(tái)串聯(lián)泵加壓后輸送至整條管道，實(shí)現(xiàn)管道清洗，待出水口的排水全部為清水時(shí)，緩慢關(guān)閉水泵出口閥，最后逐一自動(dòng)停機(jī)。

系統(tǒng)異常保護(hù)：在水面泥漿輸送系統(tǒng)出現(xiàn)泵體堵塞時(shí)，流量會(huì)急速下降，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)反饋后自動(dòng)停機(jī)保護(hù)；泥漿濃度過(guò)大時(shí)，水泵軸功率加大，達(dá)到或超過(guò)電機(jī)額定荷載后會(huì)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)；當(dāng)潛水泥漿泵處于不同淹沒(méi)深度時(shí)，系統(tǒng)變頻控制，保證前置系統(tǒng)全揚(yáng)程不過(guò)載。

系統(tǒng)檢修預(yù)警：通過(guò)標(biāo)定初始正常運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄長(zhǎng)時(shí)間累積的運(yùn)行數(shù)據(jù)，當(dāng)判斷系統(tǒng)的運(yùn)行曲線偏離原始性能曲線5%時(shí)，系統(tǒng)提示預(yù)警；當(dāng)偏離10%時(shí)，系統(tǒng)提示警告，設(shè)備須停機(jī)檢修并及時(shí)更換易損件。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

4.1 管徑選擇

清淤系統(tǒng)初定其輸送高濃度漿體體積流量200m3/h，參照漿體輸送管道的內(nèi)徑不應(yīng)小于150mm的要求[16］，初定為DN150mm，公稱壓力為4.0MPa。

4.2 最小沉降流速確定

參照《漿體長(zhǎng)距離管道輸送工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（T/CECS 98－2019），系統(tǒng)輸送的泥漿最高質(zhì)量濃度為60%，低于極限65%的上限值要求，適用于漿體管道輸送工況。系統(tǒng)泥漿濃度變化范圍大，計(jì)算時(shí)選取泥漿質(zhì)量濃度為60%作為重載工況、泥漿質(zhì)量濃度為40%作為標(biāo)準(zhǔn)工況、清水沖洗為輕載工況進(jìn)行設(shè)備參數(shù)計(jì)算復(fù)核。因設(shè)計(jì)驗(yàn)算過(guò)程一致，以地面泥漿輸送系統(tǒng)泥漿泵為例，泥漿質(zhì)量濃度為60%的重載工況進(jìn)行核算。

選用E.J.瓦斯普公式（1）計(jì)算漿體管道臨界流速（Vc）：

式中，Vc為漿體管道臨界流速，m/s；Cv為漿體體積濃度，為36%；g為重力加速度，取9.81m/s2；d85為權(quán)重0.85粒徑，取0.315×10-3m；D為管道內(nèi)徑，取0.15m；ρg為物料固體密度，取2677kg/m3；ρk為漿體密度，取1600kg/m3。

計(jì)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規(guī)定，即漿體輸送流速不得低于1.43m/s。

按系統(tǒng)額定工況參數(shù)（額定流量200m3/h、管徑DN150mm），漿體實(shí)際流速為3.144m/s，大于1.43m/s，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 水泵揚(yáng)程確定

漿體正壓輸送時(shí)的水力坡降，參照《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》的工業(yè)排水工況公式（2）：

式中，ik為漿體的水力坡降，取9.81kPa/m；ρk為漿體相對(duì)密度，取1.6；i0為輸送等流速清水時(shí)的水力坡降，查表取大值（100i0=7.73）。

計(jì)算得：ik=0.124（9.81kPa/m）。

水泵揚(yáng)程的總揚(yáng)程計(jì)算方法如公式（3）：

式中，Hk為水泵揚(yáng)程，取9.81kPa；H為幾何高差，為113m；L為管道總長(zhǎng)度，取800m；hj為管路局部損失，取5%～10%管路沿程損失，取值10%倍；hn為泵站內(nèi)部的水頭損失，取20kPa；hy為剩余水頭，取1。

計(jì)算得：Hk=301m。

同理，可計(jì)算出不同漿體濃度工況時(shí)水面泥漿輸送系統(tǒng)和地面泥漿輸送系統(tǒng)的不同參數(shù)需求，見(jiàn)表2。其中，地面計(jì)算揚(yáng)程為2臺(tái)串聯(lián)的系統(tǒng)總揚(yáng)程。

表2 不同質(zhì)量濃度工況下泵揚(yáng)程計(jì)算

5 結(jié)論

銀山礦酸性水庫(kù)因其酸性水質(zhì)的特殊性、交通不便性、淤泥板結(jié)硬化以及需要高落差、遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)運(yùn)等特點(diǎn)，基本覆蓋了清淤的所有難題。全自動(dòng)高效清淤系統(tǒng)初期調(diào)試運(yùn)行期間，完成泥漿輸送量19220.88m3，基本達(dá)到預(yù)期效果。該項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的周期性庫(kù)底清淤到系統(tǒng)常態(tài)化運(yùn)行的轉(zhuǎn)變。其次，該系統(tǒng)的運(yùn)用保證了清淤擴(kuò)容的及時(shí)性，提升了水庫(kù)防洪減災(zāi)的能力；而且能減少新增水庫(kù)，提高了國(guó)土資源的利用率；同時(shí)，因地面有效庫(kù)容的擴(kuò)容，直接提升了井下排水效率，真正實(shí)現(xiàn)了環(huán)保清淤。