某矿山污水沉淀及清淤方案优化

谷林林 李成斌 刘进铭

(河钢集团滦县常峪铁矿有限公司， 河北 唐山 063700)

1 工程概况

某矿山排水系统采用集中排水。采场在-425 m水平副井车场附近设置水仓和水泵房，-425 m水平以上的坑内涌水、充填渗水、采矿废水等通过泄水井自流到进水巷道，然后进入水仓；-425 m水平的污水通过水沟自流进入水仓；-425 m水平以下的污水先汇集至-585 m水仓，然后泵送入-425 m水平水仓；-425 m水平水仓内的水通过水泵一段排至地表。

各水平废水中都含有泥沙，为减少泥沙流入水仓，减少水仓清淤频率，设计了下述方案。方案中井下排泥主要是清理水仓及沉淀池内的淤泥，前期-425 m中段泥沙量为180 m3/d，按照正常总排水量为14 670 m3/d，则淤泥含量为1%。

2 颗粒沉速测定

颗粒沉速与粒径分级直接影响沉降效果，间接影响沉淀池池形选择和设计尺寸。为准确计算颗粒粒径分级与颗粒沉速，为沉淀池设计提供实验数据支持，故进行了颗粒筛分和沉淀实验。

2.1 颗粒筛分实验

1)实验材料。井下全粒级淤泥、震动套筛、0.1 g级电子称、500 mL量筒。

2)实验内容。取-375 m水平临时错车道内淤泥，筛除+3 mm颗粒(+3 mm颗粒在水沟中自流时，因颗粒重量较大，会自动沉淀在水沟中，故不需做实验)，筛下颗粒称取重量总计397.8 g；取3 mm至30 μm之间筛子，组织筛分实验。实验结果见表1。

表1 颗粒筛分结果

由表1可知，+180 μm颗粒占5.8%，数量较少，且该粒级较重，会在水沟中自由沉淀，少数颗粒进入沉淀池后，不需额外处理即会迅速沉淀，不会影响沉淀池设计计算；-180 μm颗粒占94.2%，该粒级颗粒数量较多，自身重量和体积小，很难在水沟中自由沉淀，进入沉淀池后，不会自由沉淀，影响沉淀池容积计算，故颗粒沉淀分级实验仅选取-180 um粒级颗粒。

2.2 颗粒沉淀实验

选取1 000 mL量筒，装入615 mL清水，取全粒级(-180 μm)式样32.2 g装入量筒搅拌均匀，开始静置并计时，记录一定时间内澄清层高度(澄清层高度观测采用手电筒照射，肉眼分辨澄清层分界线)，计算沉淀速度。实验结果见表2。

表2 -180 μm全粒级沉降实验数据

3 沉淀池的设计方案

3.1 沉淀池内水流速度计算

因井下流速暂时无法准确测量，故按照给排水设计明渠流速计算方法，假设井下涌水全部通过-425 m水平的水仓前端水沟，该水沟为Ⅰ型水沟。

1)水沟内流速，即进入沉淀池前流速v1为：

v1=Q/F1

(1)

式中：Q——井下流量，测得数据为0.17 m3/s；

F1——水沟有效断面面积，为0.2 m2。

则井下涌水进入沉淀池前的流速为0.85 m/s。

2)根据水量守恒计算沉淀池内水流的速度v2：

v1F1=v2F2

(2)

式中：F2——沉淀池断面面积(沉淀池水深3.5 m，宽度5 m)，为17.5 m2。

则沉淀池内流速v2=(v1F1)/F2=0.01 m/s。

3.2 沉淀池的具体方案设计

某矿山工程采用平流沉淀池、浓密机与压滤机三者结合的方式去除污水中泥沙。平流沉淀池承担主要沉淀作用，浓密机用于部分沉淀和淤泥初次脱水，压滤机用于淤泥的最终脱水。

3.2.1 平流沉淀池

在-425 m水仓前端设置平流沉淀池，泥沙颗粒通过自有沉淀沉积在池底，沉淀的清水通过穿孔花墙自流进入-425 m水仓。沉淀池宽度a为5 m，有效水深h为3.5 m，池底设置坡度为4.3%。颗粒自由沉淀路线在不考虑颗粒间相互影响的前提下，理论上为抛物线形状。按照上述设计，沉淀池深度h为3.5 m，颗粒沉速u为4.2×10-4m/s，则颗粒沉淀时间t=h/u=8.3×103s，沉淀池长度L=v2t=83 m。具体设计如图1所示。

图1 平流沉淀池施工图

设置2组平流沉淀池。通过平流沉淀池的有效沉淀后，沉淀的淤泥通过沉淀池自有坡度，随水流沉积在沉淀池集泥槽内，之后通过泥浆泵泵送至浓密机进水口；沉淀后的清水随沉淀池的穿孔花墙自流进入水仓。

3.2.2 浓密机

-425 m沉淀池内集泥槽的污水(污泥)，通过泥浆泵泵送至浓密机进水口，采用高效浓密机浓密+活塞泵，并同时加入高效絮凝剂，使淤泥细小颗粒沉积；经浓密机澄清后的清水，通过集流管输送至-425 m水仓；浓密后的淤泥通过泥浆泵泵送至-400 m水平压滤机硐室内。浓密机硐室设置在-425 m水平1#水仓南侧，浓密机硐室内，设置自动加药装置。具体设计如图2所示。

图2 浓密机硐室施工图

3.2.3 压滤机

浓密后的淤泥，经泥浆泵通过管路，输送至压滤机内，压滤之后的泥饼通过卡车运送至指定位置。压滤之后的污水通过巷道水沟自流进入-425 m沉淀池。

3.3 设备参数

某矿山新建污水沉淀池方案中所需设备的参数及数量见表3。

3.4 工程项目成本

1)工程建设投资费用。某矿山新建污水沉淀池方案的工程建设投资见表4。

2)年运行费用。某矿山新建污水沉淀池方案的年运行费用见表5。

表5可知，利用上述沉淀池施工及清淤方案，年运行费用共计58万元，而某矿山原始清淤方式的年施工费用共计181万元，故每年可节省水仓清淤费用123万元；由表4可知，新建污水沉淀池方案的工程及设备投资共计380万元，故预计3年后可收回建设投资。该方案利用新型污水沉淀和淤泥清除方式，大大减少了矿山污水水仓清淤费用，增加了矿山运行自动化程度，降低了劳动强度，是一种经济、高效、安全的施工方式。

表3 设备参数及数量

表4 工程建设投资费用 单位：万元

表5 新建污水沉淀池方案的年运行费用 单位：万元

4 结束语

地下矿山的水仓和沉淀池清淤一直是一个无法避免的难题,对于一些涌水较大或采用充填法采矿的矿山，井下沉淀、排泥是重要的生产环节之一。研究一种安全可靠、经济合理的清淤方式 ,对于矿山节能降耗具有重大意义。