礦山充填系統自動控制技術研究及應用

張軍

(湖南源安科技股份有限公司，湖南 長沙 410221)

0 引言

近年來，我國開始大力提倡充填采礦法，從2012 年開始出臺了一系列關于環保與安全的法律法規。2012 年，原國家安全生產監督管理總局聯合多個部門提出新建金屬非金屬地下礦山優先推行充填采礦法。2014 年，原國土資源部在多個文件中均鼓勵礦山開采時采用全尾砂充填工藝。2016 年，財政部相關文件指出，符合條件的礦山采用充填開采方式采出的礦產資源，資源稅減征50%。2017 年，原國土資源部在文件中提出，應針對礦山礦體賦存條件，積極利用全尾砂充填采礦等采礦技術提高回采率，并鼓勵大中型地下礦山廢石不出坑，尾礦充填井下。2018 年1 月起開始施行將排污費轉變為環境保護稅，由稅務部門代替環保部門，對尾礦排放每噸收取15 元。從國家近幾年的政策來看，采用充填采礦法、尾礦井下充填是以后發展的主要方向。

充填采礦技術在解決井下空區地壓問題的同時，還可以提高礦產資源的回采率，保護地下及地表環境等多個優勢[1]。大量的研究學者以及現場技術人員[2-7]通過利用充填采礦方法解決了采空區以及尾礦處理等問題，實現了礦山的安全經濟開采，并由此帶來充填自動化控制技術的發展。自動化技術的應用成為重要趨勢，礦山充填系統自動化的程度越來越高[8-9]，許多礦山根據自身充填工藝的特點，建立了充填站的自動控制系統[10-11]。

1 礦山充填系統

某地下開采的金礦山生產能力為165 萬t/a，年產生空區55 萬m3/a，為滿足空區充填要求，建設了兩套150～180 m3/h 的充填系統。每套充填系統平均運行時間約9 h/d，最大運行時間約12 h/d，兩套充填系統平行作業。整個充填系統工藝流程按照功能可細分為選廠尾砂泵送系統、尾砂高效濃縮系統、尾砂緩存調節系統、膠凝材料存儲計量給料系統、供排水系統、料漿攪拌系統、料漿自流輸送系統、充填鉆孔、壓氣設施、自動控制系統等部分。充填材料為選廠的浮選全尾砂（分級尾砂），膠結劑為當地生產的散裝膠凝材料。

2 充填系統自動控制

充填料漿的質量濃度、流量及灰砂比對于充填體的質量和充填系統的順利運行至關重要，必須建立完善的自動控制系統對其進行準確的檢測、及時反饋和調節。

充填系統自動控制可對充填站進行自動控制并監視生產記錄，操作人員只需要在控制室操作監控計算機即可進行充填料漿質量濃度控制和膠凝材料供給計量，并了解充填料漿的制備控制過程，做到過程有數據有記錄可查。

充填系統自動控制設計包括充填工作各流程和各單元的自動化檢測、反饋與調節，其中包括控制系統設計、主要控制單元的設計、一次和二次儀表的設計，以及有關自動控制裝備的接口設計等（見圖1）。

2.1 充填系統自動控制的原則

（1）可靠性原則。充填站自動控制系統在深刻理解和貫徹礦山開采技術條件、礦山要求和工藝特點的前提下，滿足工藝技術的要求，能夠長期且穩定運行，排除各種干擾，在電磁方面能夠滿足其兼容性和安全性的要求；所采用的軟件操作系統在國際計算機控制領域具有較高的公認度、可靠性和穩定性，而且滿足國際公認的工業標準的要求；配置具有較高容錯能力的網絡通信系統、過程控制系統、軟件系統，提供符合工業標準的設備。整個自動化控制系統分為設備網、控制網、信息網三級網絡。要求能夠獨立運行各級網絡，并采用網關來實現要求。自動化控制系統必須保持良好的安全性和獨立性。

本項目所配置的系統已在國內類似礦山使用，并在此基礎上加以改進。

（2）先進性原則。控制系統采用最先進適用的成熟軟件，能夠與當前以及今后一段時間內的所有產品和軟件保持兼容。自動控制系統中的關鍵設備國外進口，如流量計、電動調節閥，濃度計等，既保證了系統的先進性和可靠性，也控制了系統建設及維護成本。

（3）系統的可擴展性。系統具有靈活的擴展能力，在系統其他部位需要控制時，可以滿足控制系統擴容的要求。系統也具備和礦山調度系統連接的功能，確保礦領導可利用礦山調度系統掌握充填站的運行指標。

（4）系統的開放性原則。為了便于系統擴充，本項目自動化控制系統使用開放的網絡體系結構，符合 ISO 等通信標準的要求。

（5）其他原則。除上述之外，充填系統的自動控制設計，還必須滿足系統的易維護性和系統的完善性等原則。

2.2 快速造漿系統控制

尾砂在砂倉中進行存儲和調節后，在充填放砂之前必須進行快速造漿，以此保證造漿的質量，進而改善充填料漿的制備質量。砂倉底部有多個氣管由多個電動閥來控制，對電動閥進行分組，根據砂倉的構造和管道的布置情況對各組造漿管道的閥門進行編號，并設置自動造漿控制程序，造漿時，各組造漿管道的電動閥按照設置的順序和造漿時間執行打開/關閉動作，對砂倉中沉降的尾砂進行均質化造漿（見圖2）。閥門的啟停順序和造漿時間根據造漿管道在砂倉中的位置和尾砂的沉降情況在中控室進行調節。

圖2 砂倉造漿

2.3 充填放砂及充填流量控制

充填料漿的流量必須控制在設計范圍之內，才能保證充填系統穩定可靠運行。為了控制充填流量，必須及時對放砂流量進行檢測和調節，在放砂管路上安裝電磁流量計和電動管夾閥，利用自動控制系統檢測放砂管道的流量，根據流量計的反饋及時調節尾砂管道上電動管夾閥的大小，將尾砂流量及充填料漿的流量保持在充填能力要求的范圍，避免放砂流量過低造成的料漿制備不均和斷流堵管，或流量過大而造成的攪拌機溢流等現象。

2.4 濃度控制

料漿質量濃度控制的關鍵是對放砂濃度的精準檢測，選擇合適的充填料漿檢測濃度計至關重要。目前隨著技術進步和國家對環保要求的日益嚴格，檢測效果較好但采購控制較為嚴格的γ濃度計已經逐漸被符合免檢要求的Na22 濃度計取代（見圖3、圖4）。采用濃度計及時對尾砂的質量濃度和充填料漿的質量濃度進行檢測，檢測值與設計值進行對照，如差距較大，通過PID 反饋控制來調節清水閥門，實現料漿質量濃度的調節。這種濃度的調節方法雖然較為滯后，但是對充填系統而言，仍能夠滿足生產要求。

圖3 防護嚴密的γ濃度計

圖4 裸露的Na22 濃度計

2.5 灰砂比控制

灰砂比就是尾砂（干砂）與膠凝材料的比值，其直接決定了膠凝材料添加量的多少，對充填成本和充填質量的的控制至關重要。通過對放砂管放出的料漿的流量和濃度進行檢測，計算出干砂量，通過干砂量及灰砂比的要求可計算出膠凝材料設定量。由于有時流量計、濃度計瞬時幅值較大，為了使灰砂比配比結果相對精確，膠凝材料倉的微粉秤和螺旋給料機在一定的時間內以相對穩定的模式進行變頻調速，控制膠凝材料的給料量，并與測量值進行比對，誤差較大時利用PID 反饋調節膠凝材料的添加量，實現灰砂比的控制。

2.6 絮凝劑添加量控制

絮凝劑添加量的多少與尾砂的濃縮效果、充填料漿的流動性、尾砂處理成本等密切相關。根據相關試驗及經驗，在一定的范圍內，尾砂的濃縮效率隨絮凝劑添加量的增加而提高，但是當絮凝劑的添加量達到一定程度后，反而給尾砂濃縮造成不利影響。因此，必須合理控制絮凝劑的添加量，并實現尾砂處理量與絮凝劑添加量的動態匹配關聯。為了實現絮凝劑添加量的精準控制，一般在濃密機進砂管安裝流量計和濃度計，獲得尾砂的處理量，根據干砂處理量、絮凝劑的溶解濃度調節絮凝劑溶液的添加流量，流量通過絮凝劑添加流量計進行檢測，通過控制投加泵的頻率進行流量調節（見圖5）。

圖5 絮凝劑加藥機

2.7 其他控制

除了上述關鍵控制外，其他需要檢測的數據還包括膠凝材料倉料位、尾砂倉料位等；需要調節的系統參數還包括濃密機底部沖洗水量、濃密機底部反沖水量、砂倉底部沖洗水流量、砂倉底部反沖水流量等。

3 結論

未來將對綠色礦山的建設提出更高的要求，采用充填采礦法進行開采，在充填井下采空區的同時，又可以減少尾礦排放。隨著科學技術的發展，自動充填、一鍵充填將會是下一階段礦山充填站建設的重點，本礦山根據自身的特點，建立了一套全尾砂自動充填系統，實現了充填站的自動控制，自動調節，運行穩定可靠，保證了作業的連續性以及穩定性，為類似礦山充填站自動控制的建設提供了一種參考模式。