張利華（北京金自天正智能控制股份有限公司，北京 100070）

充填料灰砂比控制方法探討

張利華（北京金自天正智能控制股份有限公司，北京 100070）

國內常用的連續(xù)配料制備工藝主要由立式砂倉和攪拌槽組成，是一個較為復雜的系統(tǒng)，由于砂倉本身的大滯后、非線性以及模型的不確定性，其放砂濃度和流量是時變的，設計的水泥添加量是和立式砂倉放砂干量成比例關系的，由于滯后和模型不確定等原因，常用的比例控制難以制備出高質量的充填料漿。通過對工藝過程的分析，本文介紹了“軟批量”控制方法，該方法通過計算機模擬間斷的批量配料工藝來實現(xiàn)連續(xù)配料，可以較好地保證充填料配比的均勻性，從而達到降低水泥消耗的目的。

充填；尾砂；灰砂比

1 充填料制備工藝分析

充填料的工藝制備流程根據(jù)充填用料的不同，會有一定的差異，目前成品充填料通常由三種物料混合攪拌而成，這三種物料分別為尾砂漿、水泥和水。尾砂漿通過放砂管路流入攪拌槽中，該管路上裝有濃度計和流量計用來對砂倉放出尾砂漿的濃度和流量進行監(jiān)測，該管路上還裝有電動調節(jié)閥，用來對砂倉放砂流量進行調節(jié)。水泥在水泥倉中貯存，工作時，開動水泥倉底的螺旋輸送機，螺旋輸送機葉片旋轉時帶動水泥向前輸送到水泥下料口，順著溜槽流入攪拌槽中，溜槽中間安裝有沖板或其他類型的流量計，用來監(jiān)測水泥的流量，螺旋輸送機的電機由變頻器可以調節(jié)轉速，轉速不同，單位時間內輸送的水泥量也不同。充填料的添加水由電動調節(jié)閥門來調節(jié)給流量，由電磁流量計來監(jiān)測流量的大小。

上述三種物料同時放入攪拌槽中，攪拌槽電動機帶動攪拌葉片旋轉將三種物料進行攪拌，攪拌槽下部經(jīng)過攪拌的合格充填料由下方的管路排放出。攪拌槽上方設有料位計，下方的排料管上設有濃度計和流量計用來檢測充填料的濃度和流量，排料管上還設有電動調節(jié)閥門用來調節(jié)排放流量的大小。攪拌槽有高位和低料位報警。充填料制備工藝過程中的幾個最主要參數(shù)為充填料的配比、充填料濃度、攪拌槽料位和充填料的流量。

2 灰砂比控制的難點

影響充填料漿性能的因素主要有充填材料的粒級組成、不同物料的比例關系和料漿濃度三個方面。充填材料的粒度、級配和顆粒形狀的不同，對兩相流的流動狀態(tài)和充填體的密實程度都有很大的影響。對于一定的充填料，其原始物料及其粒級組成和物理特性通常變化較小。工藝上確定充填料配比時，通常是經(jīng)過試驗和經(jīng)濟技術比較或者參考類似礦山的生產實踐后確定的。充填料的配比對工藝的各個環(huán)節(jié)以及經(jīng)濟技術方面的影響非常大。

國內充填站通常采用連續(xù)制備、連續(xù)充填的工藝。充填料的配比是依賴控制系統(tǒng)來在線調節(jié)的，這一點與批量制備工藝是完全不同的。批量制備工藝的各種物料是預先稱量后再混合攪拌，充填配比和濃度的保證要容易得多。

連續(xù)制備過程中水泥和干尾砂的比例一般都是通過比值控制器來保證的，控制系統(tǒng)首先通過砂倉放砂的濃度和流量計算出干砂量的多少，再根據(jù)工藝設定的比例關系計算出相應干尾砂對應的水泥用量，然后將該用量的大小作為水泥給料控制回路的輸出設定值，水泥給料回路根據(jù)此給定值進行閉環(huán)給料。對于一個干擾較小的系統(tǒng)上述控制過程基本上能保障尾砂和水泥按設定的比例均勻地進入到攪拌槽中。在實際中，砂倉尾砂的放砂流量是波動的，而且幅度和變化率都非常大，極端情況下，可能還會出現(xiàn)短時間斷流的情況。由于尾砂漿在砂倉放砂管內的流速也是波動的，時而快時而慢。水泥的給料系統(tǒng)調節(jié)流量時,相對尾砂要慢,水泥在溜槽內的流速要比尾砂漿在放砂管內的流速小。

正是由于水泥給料系統(tǒng)的滯后性和尾砂給料的劇烈波動使得水泥的給料量通常跟不上尾砂給料的變化，以致尾砂和水泥并不能按一定比例同時進入攪拌槽，從而導致充填料配比的不均勻。

3 料漿配比的“軟批量”控制

國外新建設的充填攪拌站，很多采用批量制備技術。該工藝將充填料的各種物料稱量好后，再放入攪拌槽中進行攪拌，在攪拌的過程中不再添加物料，當混合物攪拌成為均勻的充填料后，將該批充填料倒入緩沖斗中，這樣就完成了一批料的制備。接著，系統(tǒng)將在上一批料攪拌期間已經(jīng)稱量好的各種物料倒入攪拌槽中，開始下一批制備作業(yè)。緩沖斗用于向充填鉆孔或充填泵供料，通過設計系統(tǒng)各部分的能力能保證緩沖斗中始終存有物料。雖然上述批量制備技術與常用的連續(xù)制備技術相比有很多缺點，但具有控制容易、充填料漿質量易保證等明顯的優(yōu)點。

為了使得充填料漿的配比均勻，雖然實際的料漿制備過程是連續(xù)的，采用了一種模仿批量制備過程的控制方法，該控制方法吸收了批量生產工藝的優(yōu)點，有效地克服了傳統(tǒng)連續(xù)制備控制方法上的缺點。即使系統(tǒng)的水泥或水的添加量在短時間內由于滯后或其它各種原因沒有能跟上尾砂漿給入量的變化，但控制系統(tǒng)可以在一定的時間內比較方便地將其差值給補上，這樣就形成一批批“軟”料漿，每批料漿中各物料的總配比是比較準確的，再通過攪拌槽的攪拌作用，就能得到比較均勻的充填料。這樣的控制系統(tǒng)，也沒有必要很靈敏地跟隨砂倉放砂量的強烈波動。

軟批量控制在常規(guī)的比例控制環(huán)的基礎上增加批量補償，即控制的添加量在滿足目前比例環(huán)要求的前提下，同時對該計算批料的添加量進行累計補償。初步分析，軟批量補償控制可以有3種算法：①全程補償算法；②限次補償算法；③模糊補償算法。全程補償算法將過去所有時刻的水或水泥的補償值在未來的一個時刻內全部進行補償。限次補償算法只對設定時刻以內的補償值進行補償。模糊補償算法以補償值和補償值的變化量作為變量進行模糊補償控制，其補償?shù)姆秶部梢允侨袒蛳薮蔚摹?/p>

表1為全程補償算法計算過程。其中，計算周期為每次計算的時間間隔，周期內的差值為本時間段內應加入的水或水泥與實際加入的水或水泥的差值，應加入的水或水泥量可以通過比值器根據(jù)尾砂干量及其含水量很方便地算出來。這里，應加入的水泥量和水量可分別由式（1）和式（2）來計算。如果考慮到攪拌槽內濃度的反饋控制，式(2)還需要進一步調整。

式中：QC——計算周期內需要添的水泥量，kg；

i——灰砂比；

Q1——放入尾砂的流量，m3/h；

C1——放入尾砂的濃度；

ρ0——尾砂的密度，kg/m3。

式中：QS——計算周期內需要添的水量，kg；

C2——充填料漿濃度設定值。

表1 全程補償算法

限次補償算法中應加入的水泥量和水量同樣也可分別由式（1）和式（2）來計算。只是補償值的取值范圍不同。假設限定的補償次數(shù)為3次，則限次補償算法如表2所示?？梢钥闯鋈萄a償算法每次進行補償時把以前的充填料當成一整批來看待。而限次補償算法中則只將最近一段時間內的充填料作為一批料來對待。

模糊補償算法將表1或表2中的補償值Δy(n)及其變化量作為二維模糊控制器的輸入量，通過模糊算法來求得水泥或水的補償設定值，當計量儀表的精度較低或控制系統(tǒng)精度較低時可以考慮采用這種方法。這里不再進行詳細的敘述。

通過上述分析，可以看出限次補償算法與全程補償算法的主要區(qū)別是批量的大小和范圍的不一樣，兩種補償算法均能保證充填料質量的均勻性。但是全程補償算法可能受到累計誤差的影響，在調節(jié)量連續(xù)超過調節(jié)范圍時，這種誤差可能給后面的幾批料帶來不利的影響，以至于系統(tǒng)不能及時恢復正常。如在某段時間，砂倉由于某種特殊的原因放出濃度很低的尾砂漿，雖然這段時間內攪拌槽的添加水減到最少，攪拌槽放出的充填料濃度依然低于要求，這樣，水的添加量的補償值會變成很大的一個負數(shù)，當砂倉放砂恢復正常后，會造成相當長的時間內攪拌槽內添加水的減少和濃度的升高，嚴重時，可能會出現(xiàn)濃度過高的堵管事故。根據(jù)工藝要求，通常每次充填作業(yè)開始時需要向井下充填一會水或低濃度的充填料以潤滑管路，初始放砂濃度比較低，此時就可能出現(xiàn)上述這種補償“飽和”的情況。而限次補償算法只將近一段時間內物料平衡作為目標來進行補償，當上述情況發(fā)生時，在砂倉放砂濃度恢復正常后，能及時地使得攪拌槽內的充填料配比趨向正常。但限次補償算法需要保持期內各個周期內的差值，所占用的內存相對較大。

表2 限次補償算法

膠結充填料常用的的灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶20、1∶30等幾種，常見的充填攪拌站僅采用水泥和尾砂來制備充填料，此時，灰砂比即為水泥和干尾砂的比值。在計算機編程時可以將灰砂比作為一個可選變量進行處理。在充填料的配料中，水的添加也是一個很重要的環(huán)節(jié)，設計通過對充填濃度的要求通常間接地確定了水和尾砂干量的比例關系。

水泥帶軟批量補償?shù)谋壤h(huán)控制原理見圖1所示。如果取消了軟批量補償器，系統(tǒng)就變成了一個常用的比值控制回路。其控制過程如下所述：砂倉放砂管路上的流量計將檢測到的尾砂流量信號送入計算機中，同時，管路上的濃度計將檢測到的濃度計信號也輸入到計算機中。計算機根據(jù)濃度和流量信號計算出尾砂的干質量，并由此計算出水泥的初始添加量，水泥的初始添加量加上批量補償器計算出的補償量后變成PID控制子回路中的設定添加量，并通過PID控制子回路進行給料。批量補償器在線計算每次水泥初始添加量與實際加入水泥量的差值，并采用限次補償算法計算出下一步的補償量。式（1）為水泥初始添加量的計算公式，在實際中可以結合工況作出調整，并可以因此提高充填料的質量，由于其具體內容與工藝結合緊密，不是本文討論的重點，這里不進一步展開說明。

圖1 灰砂比軟批量控制系統(tǒng)原理圖

4 結語

目前，國內充填站的自動控制系統(tǒng)很大一部分都已被廢棄，轉而被人工手動控制所代替。這主要與工程技術人員和業(yè)主預先對充填工藝的了解不夠和對控制上的難度認識不夠有關。

充填料灰砂比是決定充填成本的一個最主要參數(shù)。通?；疑氨仍酱螅瑔挝怀涮盍纤枰砑拥乃嗔恳簿驮蕉?，充填成本也就越高。國內絕大部分都是采用的是料漿連續(xù)制備工藝，尾砂、水泥和水送入攪拌槽的同時，攪拌后的充填料從攪拌槽排料口放往井下采空去。充填料濃度和配比的實際波動較大，這樣就使得為了達到相同的充填體強度，在一定的管路輸送條件下或者說在管路能輸送的最高濃度一定時，必然需要提高充填料漿的灰砂比，降低充填濃度，從而增加水泥的消耗成本。采用“軟批量”的控制方法能夠較好地解決上述問題，該控制方法為中國恩菲工程技術有限公司專利。

Discussion on the controlling method for backfilling cement-sand ratio

The continuous confection craft,which is commonly used domestically,is a kind of complex system,and mainly composed by tailings siloes and mixers.Due to the siloes’inherent great lag,none-linearity and the model’s instability,the thickness and it’s underflow changes continuously.However,the amount of appended cement is in proportion to the amount of tailings in the underflow.Due to the uncertainty of lag time and model,it is difficult to make high quality slurries if we adopt normal proportional loop method to control the appending amount of the cement and water.This article brings forward a soft batch control technique,which continuously makes slurries by simulating discontinuous batch confect craft.This technique can preferably ensure the uniformity of the slurry,so that the cost of cement is decreased.

backfilling；tailings；cement-sand ratio

1672-609X（2010）05-0020-03

TD853.34

B

2010-09-27

張利華（1978-），女，安徽銅陵人，工程師，主要從事冶金自動化工程設計及軟件開發(fā)工作。