谷林林 李成斌 劉進(jìn)銘

(河鋼集團(tuán)灤縣常峪鐵礦有限公司， 河北 唐山 063700)

1 工程概況

某礦山排水系統(tǒng)采用集中排水。采場(chǎng)在-425 m水平副井車場(chǎng)附近設(shè)置水倉(cāng)和水泵房，-425 m水平以上的坑內(nèi)涌水、充填滲水、采礦廢水等通過(guò)泄水井自流到進(jìn)水巷道，然后進(jìn)入水倉(cāng)；-425 m水平的污水通過(guò)水溝自流進(jìn)入水倉(cāng)；-425 m水平以下的污水先匯集至-585 m水倉(cāng)，然后泵送入-425 m水平水倉(cāng)；-425 m水平水倉(cāng)內(nèi)的水通過(guò)水泵一段排至地表。

各水平廢水中都含有泥沙，為減少泥沙流入水倉(cāng)，減少水倉(cāng)清淤頻率，設(shè)計(jì)了下述方案。方案中井下排泥主要是清理水倉(cāng)及沉淀池內(nèi)的淤泥，前期-425 m中段泥沙量為180 m3/d，按照正?？偱潘繛?4 670 m3/d，則淤泥含量為1%。

2 顆粒沉速測(cè)定

顆粒沉速與粒徑分級(jí)直接影響沉降效果，間接影響沉淀池池形選擇和設(shè)計(jì)尺寸。為準(zhǔn)確計(jì)算顆粒粒徑分級(jí)與顆粒沉速，為沉淀池設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，故進(jìn)行了顆粒篩分和沉淀實(shí)驗(yàn)。

2.1 顆粒篩分實(shí)驗(yàn)

1)實(shí)驗(yàn)材料。井下全粒級(jí)淤泥、震動(dòng)套篩、0.1 g級(jí)電子稱、500 mL量筒。

2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。取-375 m水平臨時(shí)錯(cuò)車道內(nèi)淤泥，篩除+3 mm顆粒(+3 mm顆粒在水溝中自流時(shí)，因顆粒重量較大，會(huì)自動(dòng)沉淀在水溝中，故不需做實(shí)驗(yàn))，篩下顆粒稱取重量總計(jì)397.8 g；取3 mm至30 μm之間篩子，組織篩分實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 顆粒篩分結(jié)果

由表1可知，+180 μm顆粒占5.8%，數(shù)量較少，且該粒級(jí)較重，會(huì)在水溝中自由沉淀，少數(shù)顆粒進(jìn)入沉淀池后，不需額外處理即會(huì)迅速沉淀，不會(huì)影響沉淀池設(shè)計(jì)計(jì)算；-180 μm顆粒占94.2%，該粒級(jí)顆粒數(shù)量較多，自身重量和體積小，很難在水溝中自由沉淀，進(jìn)入沉淀池后，不會(huì)自由沉淀，影響沉淀池容積計(jì)算，故顆粒沉淀分級(jí)實(shí)驗(yàn)僅選取-180 um粒級(jí)顆粒。

2.2 顆粒沉淀實(shí)驗(yàn)

選取1 000 mL量筒，裝入615 mL清水，取全粒級(jí)(-180 μm)式樣32.2 g裝入量筒攪拌均勻，開始靜置并計(jì)時(shí)，記錄一定時(shí)間內(nèi)澄清層高度(澄清層高度觀測(cè)采用手電筒照射，肉眼分辨澄清層分界線)，計(jì)算沉淀速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 -180 μm全粒級(jí)沉降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 沉淀池的設(shè)計(jì)方案

3.1 沉淀池內(nèi)水流速度計(jì)算

因井下流速暫時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，故按照給排水設(shè)計(jì)明渠流速計(jì)算方法，假設(shè)井下涌水全部通過(guò)-425 m水平的水倉(cāng)前端水溝，該水溝為Ⅰ型水溝。

1)水溝內(nèi)流速，即進(jìn)入沉淀池前流速v1為：

v1=Q/F1

(1)

式中：Q——井下流量，測(cè)得數(shù)據(jù)為0.17 m3/s；

F1——水溝有效斷面面積，為0.2 m2。

則井下涌水進(jìn)入沉淀池前的流速為0.85 m/s。

2)根據(jù)水量守恒計(jì)算沉淀池內(nèi)水流的速度v2：

v1F1=v2F2

(2)

式中：F2——沉淀池?cái)嗝婷娣e(沉淀池水深3.5 m，寬度5 m)，為17.5 m2。

則沉淀池內(nèi)流速v2=(v1F1)/F2=0.01 m/s。

3.2 沉淀池的具體方案設(shè)計(jì)

某礦山工程采用平流沉淀池、濃密機(jī)與壓濾機(jī)三者結(jié)合的方式去除污水中泥沙。平流沉淀池承擔(dān)主要沉淀作用，濃密機(jī)用于部分沉淀和淤泥初次脫水，壓濾機(jī)用于淤泥的最終脫水。

3.2.1 平流沉淀池

在-425 m水倉(cāng)前端設(shè)置平流沉淀池，泥沙顆粒通過(guò)自有沉淀沉積在池底，沉淀的清水通過(guò)穿孔花墻自流進(jìn)入-425 m水倉(cāng)。沉淀池寬度a為5 m，有效水深h為3.5 m，池底設(shè)置坡度為4.3%。顆粒自由沉淀路線在不考慮顆粒間相互影響的前提下，理論上為拋物線形狀。按照上述設(shè)計(jì)，沉淀池深度h為3.5 m，顆粒沉速u為4.2×10-4m/s，則顆粒沉淀時(shí)間t=h/u=8.3×103s，沉淀池長(zhǎng)度L=v2t=83 m。具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 平流沉淀池施工圖

設(shè)置2組平流沉淀池。通過(guò)平流沉淀池的有效沉淀后，沉淀的淤泥通過(guò)沉淀池自有坡度，隨水流沉積在沉淀池集泥槽內(nèi)，之后通過(guò)泥漿泵泵送至濃密機(jī)進(jìn)水口；沉淀后的清水隨沉淀池的穿孔花墻自流進(jìn)入水倉(cāng)。

3.2.2 濃密機(jī)

-425 m沉淀池內(nèi)集泥槽的污水(污泥)，通過(guò)泥漿泵泵送至濃密機(jī)進(jìn)水口，采用高效濃密機(jī)濃密+活塞泵，并同時(shí)加入高效絮凝劑，使淤泥細(xì)小顆粒沉積；經(jīng)濃密機(jī)澄清后的清水，通過(guò)集流管輸送至-425 m水倉(cāng)；濃密后的淤泥通過(guò)泥漿泵泵送至-400 m水平壓濾機(jī)硐室內(nèi)。濃密機(jī)硐室設(shè)置在-425 m水平1#水倉(cāng)南側(cè)，濃密機(jī)硐室內(nèi)，設(shè)置自動(dòng)加藥裝置。具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 濃密機(jī)硐室施工圖

3.2.3 壓濾機(jī)

濃密后的淤泥，經(jīng)泥漿泵通過(guò)管路，輸送至壓濾機(jī)內(nèi)，壓濾之后的泥餅通過(guò)卡車運(yùn)送至指定位置。壓濾之后的污水通過(guò)巷道水溝自流進(jìn)入-425 m沉淀池。

3.3 設(shè)備參數(shù)

某礦山新建污水沉淀池方案中所需設(shè)備的參數(shù)及數(shù)量見表3。

3.4 工程項(xiàng)目成本

1)工程建設(shè)投資費(fèi)用。某礦山新建污水沉淀池方案的工程建設(shè)投資見表4。

2)年運(yùn)行費(fèi)用。某礦山新建污水沉淀池方案的年運(yùn)行費(fèi)用見表5。

表5可知，利用上述沉淀池施工及清淤方案，年運(yùn)行費(fèi)用共計(jì)58萬(wàn)元，而某礦山原始清淤方式的年施工費(fèi)用共計(jì)181萬(wàn)元，故每年可節(jié)省水倉(cāng)清淤費(fèi)用123萬(wàn)元；由表4可知，新建污水沉淀池方案的工程及設(shè)備投資共計(jì)380萬(wàn)元，故預(yù)計(jì)3年后可收回建設(shè)投資。該方案利用新型污水沉淀和淤泥清除方式，大大減少了礦山污水水倉(cāng)清淤費(fèi)用，增加了礦山運(yùn)行自動(dòng)化程度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、安全的施工方式。

表3 設(shè)備參數(shù)及數(shù)量

表4 工程建設(shè)投資費(fèi)用 單位：萬(wàn)元

表5 新建污水沉淀池方案的年運(yùn)行費(fèi)用 單位：萬(wàn)元

4 結(jié)束語(yǔ)

地下礦山的水倉(cāng)和沉淀池清淤一直是一個(gè)無(wú)法避免的難題,對(duì)于一些涌水較大或采用充填法采礦的礦山，井下沉淀、排泥是重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。研究一種安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的清淤方式 ,對(duì)于礦山節(jié)能降耗具有重大意義。