宛 東，馬寶成，王 江，陳禮石

（1.中藍長化工程科技有限公司，長沙 410000；2.國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司，新疆 哈密 839000）

某鹽湖礦山主要以潛水泵疏干性開采潛鹵水層，自2009年采鹵以來，累計開采鹵水量約為26 億m3。由于潛鹵水層周邊補給量遠小于鹵水采出量，該礦山平均地下水位埋深已降低約13 m。隨著開采規(guī)模的延續(xù)，后期地下水位埋深將進一步下降，導致開采深度相應增加，那么采鹵井中安裝的潛水泵的揚程、葉輪級數(shù)、電機功率及安裝深度均需增加，將會使采鹵能耗大幅增加，而且潛水泵的防腐性、電機和電纜絕緣性的質(zhì)量要求也會大幅提高。一旦潛水泵出現(xiàn)故障，維檢時起吊、下放工作量就大幅度增加，由此產(chǎn)生的潛水泵設備投資和備品、備件等材料成本也大幅增加。如果采用空壓機采鹵，井下設備僅有采鹵管和壓縮空氣管，只要材質(zhì)選擇合適，使用時基本不需要維檢，主要采鹵設備（空壓機）設置在地表，維檢工作量較少，可節(jié)約生產(chǎn)成本，降低設備故障率[1]。因此，有必要在鹽湖鹵水礦床中開展空壓機采鹵的經(jīng)濟性評價。本文在該鹽湖礦山分別應用潛水泵和空壓機在采鹵井中完成等流量抽水試驗，通過試驗數(shù)據(jù)對比分析二者采鹵的經(jīng)濟性。

1 工作區(qū)水文地質(zhì)條件

潛鹵水層賦存于第四系化學沉積層（Q4ch）中，現(xiàn)平均水位埋深約為15 m，底板平均埋深為95.07 m，儲鹵層巖性主要為石鹽、石膏、粉細砂，垂向上夾薄層黏土層，含水層有效厚度為41.55 m（靜水位以下剔除黏土夾層部分），鹽溶孔隙較發(fā)育，孔隙率一般在10%～60%。

2 抽水試驗方案設計

分別應用潛水泵和空壓機在采鹵井中開展等流量的對照抽水試驗，記錄水位、流量與能耗等數(shù)據(jù)，通過對照數(shù)據(jù)進行兩種采鹵方式的能耗指標對比分析。采鹵井深度為105 m，井徑為1 000 mm，全段下置井壁套管，井壁套管均為開有篩孔的濾管，單個篩孔的孔徑為20 mm，孔隙率在20%～30%。

2.1 潛水泵抽水試驗方案

潛水泵抽水試驗共設計1 組，分3 個落程，3 個落程降深分別設計為10 m、20 m 和30 m，降深順序由小至大，試驗類型為單孔穩(wěn)定流抽水試驗。抽水過程中對抽水井進行觀測，記錄內(nèi)容包括對應時間的水位、降深、流量和能耗等。抽水時，潛水泵配套部件主要為出水管，電機安裝深度為60 m，出水管采用外徑150 mm、壁厚6 mm 的無縫鋼管。

2.2 空壓機抽水試驗方案

空壓機抽水的理論基礎為氣舉原理[2]，氣舉裝置由空氣壓縮機、送風管和出水管組成?？諌簷C抽水時將產(chǎn)生的壓縮空氣輸送至安裝在采鹵井中的風管內(nèi)，高壓空氣與鹵水混合后，出水管內(nèi)會形成一種密度小于鹵水的水氣混合物，水氣混合物因其比重小而上升，出水管內(nèi)的混合器底端形成負壓，混合器下部的鹵水在負壓作用下持續(xù)上升，并在氣壓動量的聯(lián)合作用下不斷補水，上升至混合器內(nèi)的鹵水與氣體形成氣水混合物后繼續(xù)上升，從而形成循環(huán)流動[3]。

2.2.1 工藝參數(shù)設計

空壓機采鹵的工藝參數(shù)主要有風管浸沒比、送風量、工作壓力和出水管直徑等。風管的浸沒深度越大，浸沒比越大，過小的浸沒比會使抽水不連續(xù)甚至抽不上水，一般浸沒比不應小于0.5[4]。各參數(shù)可以采用相應公式進行計算[5]。

式中：α為浸沒比；H為風管浸沒深度（m），指動水位至混合器的高度；h為抽水時鹵水上升高度（m），指動水位至地面揚水管管口的高度；V為每提升1 m3鹵水所需的空氣容積（m3）；K為計算系數(shù)，K=2.17+0.016 4h；Pn為抽水開始時的空壓機啟動壓力（MPa），應考慮鹵水比重；h0為抽水前鹵水上升高度（m），指靜水位至地面揚水管管口的高度；Pp為抽水開始時的空壓機工作壓力（MPa），應考慮鹵水比重；Lp為空氣在管道運動中的壓力損失系數(shù)，一般取經(jīng)驗值2～3；d為出水管直徑（m）；q1為出水量（m3/s）；q2為空壓機排氣量（m3/s）；v為出水管中水氣混合體上升速度（m/s），一般取經(jīng)驗值8～9。

2.2.2 抽水試驗設計

空壓機抽水試驗共設計1 組，分3 個落程，3 個落程降深分別設計為10 m、20 m 和30 m，每個落程抽水試驗的抽水流量盡量與潛水泵抽水試驗保持一致，相差不超過5%，且每個落程抽水試驗的降深與潛水泵抽水試驗降深保持一致，降深順序由小至大，試驗類型為單孔穩(wěn)定流抽水試驗，試驗數(shù)據(jù)記錄要求同潛水泵抽水試驗。經(jīng)空壓機抽水工藝參數(shù)設計，風管混合器下置換深度為90 m，浸沒比為0.6，空壓機工作壓力為1.0 MPa，送風量為8.22 m3/min，出水管直徑為150 mm。為方便與潛水泵對比，本次試驗使用電動機組作為空壓機的動力系統(tǒng)，以提高動能轉(zhuǎn)化效率?？諌簷C安裝過程中，配套部件為出水管、送風管和混合器。

3 試驗實施

潛水泵抽水試驗是在采鹵井中安裝潛水泵抽水，共完成1 組抽水試驗，分3 個落程，穩(wěn)定降深分別為10.33 m、19.68 m、30.95 m，對應的抽水流量分別為54.38 m3/h、70.30 m3/h、85.83 m3/h，每小時潛水泵耗電量分別為49.49 kW·h、51.80 kW·h、84.16 kW·h，抽水試驗數(shù)據(jù)如表1所示。3 個落程抽水過程中，單位電耗相差較小，隨著動水位增大，單位電耗增幅較小，約為5%。

表1 潛水泵與空壓機抽水試驗綜合數(shù)據(jù)

空壓機抽水試驗是通過地面空壓機進行抽水，空壓機額定風壓為2 MPa，額定送風量為25 m3/min，額定功率為150 kW。共完成1 組抽水試驗，分3 個落程，穩(wěn)定降深分別為10.33 m、19.68 m、30.95 m，對應的抽水流量分別為54.38 m3/h、70.30 m3/h、85.83 m3/h，每小時空壓機耗電量分別為139.50 kW·h、147.25 kW·h、162.75 kW·h，抽水試驗數(shù)據(jù)如表1所示。3 次抽水過程中，單位電耗相差較小，隨著動水位增大，單位電耗增幅較小，介于5%～10%。

4 空壓機采鹵經(jīng)濟性分析

3 個落程的抽水試驗能耗差異較小，故采用大落程抽水試驗的潛水泵和空壓機能耗進行經(jīng)濟評價。潛水泵抽水平均電耗為54.16 （kW·h）/h，空壓機抽水平均電耗為162.75 （kW·h）/h，該礦山企業(yè)自產(chǎn)用電成本為0.70 元/（kW·h），空壓機采鹵的單位鹵水能耗成本為1.35 元/m3，為潛水泵采鹵的3 倍。但空壓機采鹵時，其年維檢費用遠低于潛水泵采鹵，因此對空壓機和潛水泵的年運行成本進行對比。設定空壓機和潛水泵年采鹵量為現(xiàn)階段該礦山單井平均采鹵量（97.2 萬m3/a），充分收集該礦山現(xiàn)有潛水泵型號、價格、使用壽命、維修頻率與成本、安裝深度等數(shù)據(jù)，對空壓機的設備型號、使用壽命及價格等進行市場調(diào)研，完成兩種設備采鹵的經(jīng)濟指標對比，如表2所示。單套潛水泵和空壓機采鹵時，年運行成本分別為55.77 萬元和136.72 萬元，即潛水泵采鹵較空壓機采鹵更經(jīng)濟。

表2 潛水泵和空壓機的單套設備經(jīng)濟指標對比

5 結(jié)論

當前開采技術條件下，空壓機能解決該鹽湖礦山地下水埋藏深而難以抽取的問題，空壓機采鹵的年維檢費用遠低于潛水泵采鹵，但前者的年運行成本約為后者的2.5 倍?，F(xiàn)階段采用潛水泵采鹵更為合適，待礦區(qū)地下水位大幅下降導致潛水泵采鹵成本進一步提升后，可考慮空壓機采鹵方式。