張軍

(湖南源安科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410221)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)開始大力提倡充填采礦法，從2012 年開始出臺(tái)了一系列關(guān)于環(huán)保與安全的法律法規(guī)。2012 年，原國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局聯(lián)合多個(gè)部門提出新建金屬非金屬地下礦山優(yōu)先推行充填采礦法。2014 年，原國(guó)土資源部在多個(gè)文件中均鼓勵(lì)礦山開采時(shí)采用全尾砂充填工藝。2016 年，財(cái)政部相關(guān)文件指出，符合條件的礦山采用充填開采方式采出的礦產(chǎn)資源，資源稅減征50%。2017 年，原國(guó)土資源部在文件中提出，應(yīng)針對(duì)礦山礦體賦存條件，積極利用全尾砂充填采礦等采礦技術(shù)提高回采率，并鼓勵(lì)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(fèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境保護(hù)稅，由稅務(wù)部門代替環(huán)保部門，對(duì)尾礦排放每噸收取15 元。從國(guó)家近幾年的政策來(lái)看，采用充填采礦法、尾礦井下充填是以后發(fā)展的主要方向。

充填采礦技術(shù)在解決井下空區(qū)地壓?jiǎn)栴}的同時(shí)，還可以提高礦產(chǎn)資源的回采率，保護(hù)地下及地表環(huán)境等多個(gè)優(yōu)勢(shì)[1]。大量的研究學(xué)者以及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員[2-7]通過(guò)利用充填采礦方法解決了采空區(qū)以及尾礦處理等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了礦山的安全經(jīng)濟(jì)開采，并由此帶來(lái)充填自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展。自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用成為重要趨勢(shì)，礦山充填系統(tǒng)自動(dòng)化的程度越來(lái)越高[8-9]，許多礦山根據(jù)自身充填工藝的特點(diǎn)，建立了充填站的自動(dòng)控制系統(tǒng)[10-11]。

1 礦山充填系統(tǒng)

某地下開采的金礦山生產(chǎn)能力為165 萬(wàn)t/a，年產(chǎn)生空區(qū)55 萬(wàn)m3/a，為滿足空區(qū)充填要求，建設(shè)了兩套150～180 m3/h 的充填系統(tǒng)。每套充填系統(tǒng)平均運(yùn)行時(shí)間約9 h/d，最大運(yùn)行時(shí)間約12 h/d，兩套充填系統(tǒng)平行作業(yè)。整個(gè)充填系統(tǒng)工藝流程按照功能可細(xì)分為選廠尾砂泵送系統(tǒng)、尾砂高效濃縮系統(tǒng)、尾砂緩存調(diào)節(jié)系統(tǒng)、膠凝材料存儲(chǔ)計(jì)量給料系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、料漿攪拌系統(tǒng)、料漿自流輸送系統(tǒng)、充填鉆孔、壓氣設(shè)施、自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分。充填材料為選廠的浮選全尾砂（分級(jí)尾砂），膠結(jié)劑為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的散裝膠凝材料。

2 充填系統(tǒng)自動(dòng)控制

充填料漿的質(zhì)量濃度、流量及灰砂比對(duì)于充填體的質(zhì)量和充填系統(tǒng)的順利運(yùn)行至關(guān)重要，必須建立完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)、及時(shí)反饋和調(diào)節(jié)。

充填系統(tǒng)自動(dòng)控制可對(duì)充填站進(jìn)行自動(dòng)控制并監(jiān)視生產(chǎn)記錄，操作人員只需要在控制室操作監(jiān)控計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行充填料漿質(zhì)量濃度控制和膠凝材料供給計(jì)量，并了解充填料漿的制備控制過(guò)程，做到過(guò)程有數(shù)據(jù)有記錄可查。

充填系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)包括充填工作各流程和各單元的自動(dòng)化檢測(cè)、反饋與調(diào)節(jié)，其中包括控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主要控制單元的設(shè)計(jì)、一次和二次儀表的設(shè)計(jì)，以及有關(guān)自動(dòng)控制裝備的接口設(shè)計(jì)等（見圖1）。

2.1 充填系統(tǒng)自動(dòng)控制的原則

（1）可靠性原則。充填站自動(dòng)控制系統(tǒng)在深刻理解和貫徹礦山開采技術(shù)條件、礦山要求和工藝特點(diǎn)的前提下，滿足工藝技術(shù)的要求，能夠長(zhǎng)期且穩(wěn)定運(yùn)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(tǒng)在國(guó)際計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域具有較高的公認(rèn)度、可靠性和穩(wěn)定性，而且滿足國(guó)際公認(rèn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求；配置具有較高容錯(cuò)能力的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)，提供符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)分為設(shè)備網(wǎng)、控制網(wǎng)、信息網(wǎng)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)。要求能夠獨(dú)立運(yùn)行各級(jí)網(wǎng)絡(luò)，并采用網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)要求。自動(dòng)化控制系統(tǒng)必須保持良好的安全性和獨(dú)立性。

本項(xiàng)目所配置的系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)類似礦山使用，并在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。

（2）先進(jìn)性原則?？刂葡到y(tǒng)采用最先進(jìn)適用的成熟軟件，能夠與當(dāng)前以及今后一段時(shí)間內(nèi)的所有產(chǎn)品和軟件保持兼容。自動(dòng)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備國(guó)外進(jìn)口，如流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，濃度計(jì)等，既保證了系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性，也控制了系統(tǒng)建設(shè)及維護(hù)成本。

（3）系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)具有靈活的擴(kuò)展能力，在系統(tǒng)其他部位需要控制時(shí)，可以滿足控制系統(tǒng)擴(kuò)容的要求。系統(tǒng)也具備和礦山調(diào)度系統(tǒng)連接的功能，確保礦領(lǐng)導(dǎo)可利用礦山調(diào)度系統(tǒng)掌握充填站的運(yùn)行指標(biāo)。

（4）系統(tǒng)的開放性原則。為了便于系統(tǒng)擴(kuò)充，本項(xiàng)目自動(dòng)化控制系統(tǒng)使用開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，符合 ISO 等通信標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（5）其他原則。除上述之外，充填系統(tǒng)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)，還必須滿足系統(tǒng)的易維護(hù)性和系統(tǒng)的完善性等原則。

2.2 快速造漿系統(tǒng)控制

尾砂在砂倉(cāng)中進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)節(jié)后，在充填放砂之前必須進(jìn)行快速造漿，以此保證造漿的質(zhì)量，進(jìn)而改善充填料漿的制備質(zhì)量。砂倉(cāng)底部有多個(gè)氣管由多個(gè)電動(dòng)閥來(lái)控制，對(duì)電動(dòng)閥進(jìn)行分組，根據(jù)砂倉(cāng)的構(gòu)造和管道的布置情況對(duì)各組造漿管道的閥門進(jìn)行編號(hào)，并設(shè)置自動(dòng)造漿控制程序，造漿時(shí)，各組造漿管道的電動(dòng)閥按照設(shè)置的順序和造漿時(shí)間執(zhí)行打開/關(guān)閉動(dòng)作，對(duì)砂倉(cāng)中沉降的尾砂進(jìn)行均質(zhì)化造漿（見圖2）。閥門的啟停順序和造漿時(shí)間根據(jù)造漿管道在砂倉(cāng)中的位置和尾砂的沉降情況在中控室進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 砂倉(cāng)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(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，才能保證充填系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。為了控制充填流量，必須及時(shí)對(duì)放砂流量進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)節(jié)，在放砂管路上安裝電磁流量計(jì)和電動(dòng)管夾閥，利用自動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)放砂管道的流量，根據(jù)流量計(jì)的反饋及時(shí)調(diào)節(jié)尾砂管道上電動(dòng)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(guò)低造成的料漿制備不均和斷流堵管，或流量過(guò)大而造成的攪拌機(jī)溢流等現(xiàn)象。

2.4 濃度控制

料漿質(zhì)量濃度控制的關(guān)鍵是對(duì)放砂濃度的精準(zhǔn)檢測(cè)，選擇合適的充填料漿檢測(cè)濃度計(jì)至關(guān)重要。目前隨著技術(shù)進(jìn)步和國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，檢測(cè)效果較好但采購(gòu)控制較為嚴(yán)格的γ濃度計(jì)已經(jīng)逐漸被符合免檢要求的Na22 濃度計(jì)取代（見圖3、圖4）。采用濃度計(jì)及時(shí)對(duì)尾砂的質(zhì)量濃度和充填料漿的質(zhì)量濃度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)照，如差距較大，通過(guò)PID 反饋控制來(lái)調(diào)節(jié)清水閥門，實(shí)現(xiàn)料漿質(zhì)量濃度的調(diào)節(jié)。這種濃度的調(diào)節(jié)方法雖然較為滯后，但是對(duì)充填系統(tǒng)而言，仍能夠滿足生產(chǎn)要求。

圖3 防護(hù)嚴(yán)密的γ濃度計(jì)

圖4 裸露的Na22 濃度計(jì)

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(duì)充填成本和充填質(zhì)量的的控制至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)放砂管放出的料漿的流量和濃度進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算出干砂量，通過(guò)干砂量及灰砂比的要求可計(jì)算出膠凝材料設(shè)定量。由于有時(shí)流量計(jì)、濃度計(jì)瞬時(shí)幅值較大，為了使灰砂比配比結(jié)果相對(duì)精確，膠凝材料倉(cāng)的微粉秤和螺旋給料機(jī)在一定的時(shí)間內(nèi)以相對(duì)穩(wěn)定的模式進(jìn)行變頻調(diào)速，控制膠凝材料的給料量，并與測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)，誤差較大時(shí)利用PID 反饋調(diào)節(jié)膠凝材料的添加量，實(shí)現(xiàn)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(dòng)性、尾砂處理成本等密切相關(guān)。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)，在一定的范圍內(nèi)，尾砂的濃縮效率隨絮凝劑添加量的增加而提高，但是當(dāng)絮凝劑的添加量達(dá)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(shí)現(xiàn)尾砂處理量與絮凝劑添加量的動(dòng)態(tài)匹配關(guān)聯(lián)。為了實(shí)現(xiàn)絮凝劑添加量的精準(zhǔn)控制，一般在濃密機(jī)進(jìn)砂管安裝流量計(jì)和濃度計(jì)，獲得尾砂的處理量，根據(jù)干砂處理量、絮凝劑的溶解濃度調(diào)節(jié)絮凝劑溶液的添加流量，流量通過(guò)絮凝劑添加流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)控制投加泵的頻率進(jìn)行流量調(diào)節(jié)（見圖5）。

圖5 絮凝劑加藥機(jī)

2.7 其他控制

除了上述關(guān)鍵控制外，其他需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)還包括膠凝材料倉(cāng)料位、尾砂倉(cāng)料位等；需要調(diào)節(jié)的系統(tǒng)參數(shù)還包括濃密機(jī)底部沖洗水量、濃密機(jī)底部反沖水量、砂倉(cāng)底部沖洗水流量、砂倉(cāng)底部反沖水流量等。

3 結(jié)論

未來(lái)將對(duì)綠色礦山的建設(shè)提出更高的要求，采用充填采礦法進(jìn)行開采，在充填井下采空區(qū)的同時(shí)，又可以減少尾礦排放。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)充填、一鍵充填將會(huì)是下一階段礦山充填站建設(shè)的重點(diǎn)，本礦山根據(jù)自身的特點(diǎn)，建立了一套全尾砂自動(dòng)充填系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了充填站的自動(dòng)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，保證了作業(yè)的連續(xù)性以及穩(wěn)定性，為類似礦山充填站自動(dòng)控制的建設(shè)提供了一種參考模式。