萬洪濤 查 明 卜凡彬 欒松義 吳樹棟 陶 磊 馬 賀 徐懷浩

(1.山東黃金集團(tuán)有限公司；2.山東工大中能科技有限公司；3.招金礦業(yè)股份有限公司)

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·實(shí)用技術(shù)·

礦山充填自動(dòng)化控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

萬洪濤1查 明1卜凡彬1欒松義2吳樹棟2陶 磊2馬 賀2徐懷浩3

(1.山東黃金集團(tuán)有限公司；2.山東工大中能科技有限公司；3.招金礦業(yè)股份有限公司)

尾礦充填能夠減少尾礦對(duì)地表的污染及提高對(duì)礦石的回采率，但高質(zhì)量的尾礦膠結(jié)充填對(duì)工藝控制要求嚴(yán)格，人工難以操作完成。為切實(shí)解決尾礦充填中存在的控制問題，保障尾礦充填的質(zhì)量，根據(jù)我國尾礦充填的工藝特點(diǎn)及現(xiàn)有條件對(duì)尾礦充填的控制技術(shù)進(jìn)行了研究，并將研究技術(shù)多次運(yùn)用于對(duì)尾礦充填的控制實(shí)現(xiàn)，從而獲得了良好的控制效果，為相關(guān)應(yīng)用提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

尾礦充填 分級(jí)與全尾砂 自動(dòng)化控制 膏體充填

尾礦是礦山選礦過程中的廢棄產(chǎn)物，傳統(tǒng)的處理方法是將選礦后的尾礦外排并存放在選建的尾砂庫中，但尾礦地表存放不僅破壞地貌，還會(huì)造成地表水及大氣粉塵污染[1]。為此國家對(duì)尾礦的排放監(jiān)管越來越嚴(yán)，同時(shí)，大力提倡尾礦充填建設(shè)綠色礦山。另一方面，礦山將尾砂用于采空區(qū)充填，具有礦床整體開采及安全性好，可控制圍巖崩落和地表下沉，能夠充分回收礦石資源的益處。

根據(jù)對(duì)我國礦山充填工藝狀態(tài)的考察與調(diào)研，我國的尾砂膠結(jié)充填中基本分為全尾砂充填和分級(jí)尾砂膠結(jié)充填。從實(shí)際了解的控制指標(biāo)來看，大多數(shù)礦山企業(yè)的充填濃度在62%～70%(膏體充填除外)。水泥配比依據(jù)充填廢棄空區(qū)與采礦空區(qū)、依據(jù)充填層次不同采用不同的配比比例。從實(shí)際效果來看，65%以下的充填料漿在經(jīng)管路向井下采礦區(qū)輸送過程中就會(huì)造成砂漿中水泥與尾砂的離析，會(huì)大大的減弱充填體的強(qiáng)度，產(chǎn)生的原因就是風(fēng)水聯(lián)動(dòng)造漿的濃度控制不穩(wěn)。同時(shí)，砂漿濃度在62%～70%波動(dòng)時(shí)使得水泥的配比也難于精確跟隨配比。由此，充填質(zhì)量與充填體凝結(jié)強(qiáng)度難以保證。

近年來，許多礦山紛紛對(duì)充填進(jìn)行了自動(dòng)化改造投入，但改造收到的效果卻差強(qiáng)人意，其主要原因是沒有將充填工藝真正融合到自動(dòng)化的控制精髓中去。為此，切實(shí)有效地開展對(duì)尾礦充填工藝的自動(dòng)化控制研究，保證充填工藝穩(wěn)定，保證充填質(zhì)量與充填料漿的安全輸送是該研究的主要目的。而實(shí)現(xiàn)對(duì)充填工藝過程的自動(dòng)化控制，必須了解充填工藝、了解影響充填質(zhì)量的相關(guān)因素。

1 影響充填生產(chǎn)的相關(guān)因素

尾砂充填系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相對(duì)于選礦工藝來說雖較為簡單，但尾礦充填系統(tǒng)的反應(yīng)過程非常短，容易產(chǎn)生工藝波動(dòng)(主要是骨料與膠結(jié)材料配比出現(xiàn)波動(dòng))影響充填質(zhì)量[2]。甚至由于充填生產(chǎn)的連續(xù)性及穩(wěn)定性出現(xiàn)問題而可能引起管道堵塞。一般選礦工藝過程是一個(gè)連續(xù)及滯后的過程，對(duì)于工藝上出現(xiàn)的問題可以從容的進(jìn)行工藝控制調(diào)整使工藝恢復(fù)正常。而尾砂充填的生產(chǎn)工藝過程時(shí)間短，不符合質(zhì)量要求的充填料漿可能隨著工藝波動(dòng)即被充填至井下采空區(qū)，使充填膠結(jié)體的強(qiáng)度受到影響?？傮w來說，充填工藝波動(dòng)影響充填膠結(jié)體強(qiáng)度與生產(chǎn)安全的因素有以下幾點(diǎn)。

1.1 尾砂分級(jí)對(duì)充填質(zhì)量的影響

實(shí)踐證明，尾砂的級(jí)配與其膠結(jié)強(qiáng)度相關(guān)。所以，如果采用的是尾砂分級(jí)膠結(jié)充填，尾砂分級(jí)控制不理想則會(huì)偏離充填的工藝設(shè)計(jì)，對(duì)膠結(jié)充填的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

1.2 造漿濃度對(duì)充填質(zhì)量的影響

通過研究及實(shí)踐，認(rèn)為料漿濃度是影響充填體強(qiáng)度的主要因素，而對(duì)料漿濃度的控制是源于前段的造漿過程，如果造漿的濃度不合適，則會(huì)影響充填料漿的濃度，即影響充填體的強(qiáng)度。

1.3 料漿灰比對(duì)充填質(zhì)量的影響

在膠結(jié)充填中，不論采用什么凝結(jié)材料，與尾砂不同的配比量會(huì)得出不同的充填體強(qiáng)度。研究表明，如果凝結(jié)材料選用水泥，則水泥的質(zhì)量是影響充填體強(qiáng)度的決定性因素。同樣選定適合的水泥后，水泥的配比量是影響充填體強(qiáng)度的決定性因素。

1.4 料漿斷流對(duì)輸送安全的影響

在膠結(jié)充填中，充填料漿對(duì)井下輸送是個(gè)不可忽視的過程。在充填料漿對(duì)井下輸送的過程中，盡可能的保持充填料漿能夠連續(xù)與平穩(wěn)的向井下輸送。在自流的輸送方式中切忌輸送過程出現(xiàn)料漿中斷，以免造成井下管道的堵塞。

2 充填生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制

為保證膠結(jié)充填的質(zhì)量和充填生產(chǎn)的安全，必須嚴(yán)格對(duì)充填生產(chǎn)過程進(jìn)行工藝控制；同時(shí)，由于充填生產(chǎn)的工藝過程時(shí)間較短，僅靠人工操作實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量充填的難度較大或不可能實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)充填生產(chǎn)過程實(shí)行自動(dòng)化控制是保證充填質(zhì)量和充填生產(chǎn)安全的必要手段和重要措施。由此，開展對(duì)充填工藝過程的自動(dòng)化控制技術(shù)研究如下。

2.1 充填生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)的架構(gòu)

由對(duì)尾礦充填自動(dòng)化控制技術(shù)的研究可知，要想保證自動(dòng)化充填控制系統(tǒng)能夠有效的對(duì)充填工藝過程進(jìn)行有效地控制，則必須合理的對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，檢測設(shè)備與控制設(shè)備必須符合礦山的使用環(huán)境與條件。同時(shí)，結(jié)合礦山的信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)充填自動(dòng)化系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的有機(jī)融合。較大型充填站自動(dòng)化控制系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)見圖1。

圖1 較大型充填站自動(dòng)化控制系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)圖

圖1是對(duì)較大型的充填站配置的自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)置了1個(gè)工程師站及2個(gè)操作員站，布置在所設(shè)的控制室內(nèi)?？刂剖覂?nèi)的操作人員通過組態(tài)界面進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，并對(duì)充填生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控和控制操作。同時(shí)，如果需要可將充填系統(tǒng)通過選礦廠的網(wǎng)絡(luò)將充填生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)傳送至選礦廠主控制室或礦部信息中心，供礦部信息中心對(duì)全礦的生產(chǎn)信息進(jìn)行監(jiān)控以及為生產(chǎn)管理提供實(shí)時(shí)信息。

2.2 充填生產(chǎn)過程中的工藝控制

由于分級(jí)尾砂相對(duì)于全尾砂具有較好的沉降、滲透和脫排水等屬性，所以分級(jí)尾砂充填被國內(nèi)較多礦山采用。其充填工藝配置大致為：尾砂分級(jí)—砂倉存放—倉底氣水造漿—放砂及配比水泥—攪拌漿料—漿料輸送—送達(dá)充填區(qū)。

2.2.1 分級(jí)充填站來砂的控制模型

一般選礦廠的尾礦是含有該廠選別過程的全系列粒級(jí)的尾礦，根據(jù)分級(jí)充填的要求去除某粒級(jí)以下的尾砂，分級(jí)的細(xì)粒尾砂另行處理(如送尾礦庫等)，分選出來的粗粒尾砂進(jìn)入砂倉作為充填骨料。其控制的要點(diǎn)為：只要符合充填工藝粒級(jí)要求的尾砂盡可能的將其保留下來，即可增加充填尾砂骨料，又可減少尾礦庫容的壓力。具體控制方法為：對(duì)選礦廠經(jīng)濃縮輸送來的尾礦，在充填站由泵對(duì)旋流器進(jìn)行給礦時(shí)對(duì)給礦濃度、給礦壓力進(jìn)行檢測與控制，保證溢流分離出去的是細(xì)粒級(jí)不符合充填骨料要求的尾砂。尾礦旋流器分級(jí)粗砂進(jìn)尾砂填充倉示意見圖2。

圖2 尾礦旋流器分級(jí)粗砂進(jìn)尾砂填充倉示意

2.2.2 尾砂充填對(duì)造漿的控制模型

對(duì)于立式砂倉，充填系統(tǒng)通常采用風(fēng)水聯(lián)合造漿方式進(jìn)行造漿操作，其中水量調(diào)節(jié)造漿濃度，風(fēng)量調(diào)節(jié)造漿的效果，使造漿的結(jié)果符合充填料漿使用砂漿的條件基礎(chǔ)，保證在與凝結(jié)材料攪拌活化后能夠形成符合充填料漿濃度的料漿。尾砂倉底部造漿控制示意見圖3。

圖3 尾砂倉底部造漿控制示意

造漿就是使砂倉產(chǎn)生并形成合適的放砂濃度，而充填漿體濃度主要決定于造漿濃度。造漿濃度高，可通過對(duì)攪拌桶增加水量調(diào)節(jié)來獲得符合工藝要求的充填濃度。造漿濃度低，無論采用何種措施，都無法獲得合適的充填濃度。因此，造漿濃度的控制是充填系統(tǒng)最重要的控制環(huán)節(jié)之一。

通常情況下，通過調(diào)節(jié)造漿水量即可得到比較理想的造漿濃度。但有時(shí)會(huì)因砂倉出現(xiàn)板結(jié)等異常情況，會(huì)使放砂的濃度非常低，此時(shí)即使造漿水調(diào)至最小，也不能獲得理想的造漿濃度，從而影響充填的質(zhì)量。對(duì)此，經(jīng)過反復(fù)的探索和試驗(yàn)最終開發(fā)出解決該問題的控制模型即：依據(jù)于對(duì)放砂濃度、流量、砂倉料位及其他工況的檢測，控制與調(diào)節(jié)相應(yīng)風(fēng)、水給入量以完全激活與活化砂倉的礦砂來解決。

2.2.3 料漿活化配比水泥控制模型

通常配灰系統(tǒng)由水泥倉、雙管螺旋給料機(jī)等構(gòu)成。水泥由水泥倉底部漏斗放出，經(jīng)雙管螺旋給料機(jī)均勻給料，并經(jīng)沖板流量計(jì)對(duì)水泥進(jìn)行計(jì)量后給入料漿攪拌桶。通過對(duì)造漿放砂的工藝檢測獲取砂量，由雙管螺旋給料機(jī)根據(jù)設(shè)定的水泥及砂比，利用變頻器控制雙管螺旋給料機(jī)進(jìn)行水泥給料，使充填料漿中的水泥配比量符合充填工藝對(duì)水泥量的要求，從而保證充填體的強(qiáng)度。充填料漿中水泥量的控制原理見圖4。

圖4 充填料漿中水泥量的控制原理

具體的水泥配比量的控制過程為：通過對(duì)給入攪拌桶的砂漿濃度、砂漿流量的檢測，可獲得進(jìn)入料漿攪拌桶的尾砂量。根據(jù)不同充填工藝對(duì)水泥要求的配比關(guān)系，控制水泥隨尾砂量進(jìn)行跟蹤配比。由此，即可控制獲得隨不同充填工藝、進(jìn)行不同水泥配比的合格充填料漿，也可保證不同充填區(qū)對(duì)不同充填膠結(jié)體強(qiáng)度的要求。

2.2.4 對(duì)充填料漿濃度的控制模型

當(dāng)充填料漿濃度高于工藝要求的濃度時(shí)，可分為兩種情況：一是超過充填要求濃度過多，則是造漿環(huán)節(jié)的水量控制過小，因此控制增大造漿給水量，使造漿濃度調(diào)整到合適的濃度即可(出現(xiàn)該種情況時(shí)，調(diào)整控制見造漿控制部分)；二是略超充填要求濃度，而放砂濃度略高并保持穩(wěn)定。對(duì)此情況，控制調(diào)節(jié)攪拌桶的給水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，進(jìn)行增量調(diào)節(jié)給水量，使充填料漿的濃度符合充填工藝要求的濃度即可。充填料漿濃度的調(diào)整控制原理見圖5。

圖5 充填料漿濃度的調(diào)整控制原理

2.2.5 攪拌桶料位的控制與穩(wěn)定

保證充填料漿得以充分的活化，即是對(duì)攪拌桶內(nèi)的尾砂與膠結(jié)料水泥等進(jìn)行充分的攪拌。由此，保持?jǐn)嚢柰皟?nèi)具有一定高度的料位是獲得對(duì)料漿進(jìn)行充分活化的條件。對(duì)此，實(shí)時(shí)的對(duì)攪拌桶內(nèi)的料位進(jìn)行檢測跟蹤，同時(shí)對(duì)造漿的放砂量實(shí)行控制調(diào)節(jié)，促使攪拌桶內(nèi)的料位保持在要求的范圍。攪拌桶料漿料位的控制原理見圖6。

圖6 攪拌桶料漿料位的控制原理

2.2.6 料漿安全輸送的識(shí)別與處理

在將充填料漿通過管路向井下輸送中，無論是經(jīng)渣漿泵加壓或是通過井下管網(wǎng)自流進(jìn)行輸送充填，攪拌桶料位的控制保持對(duì)料漿平穩(wěn)安全的輸送是至關(guān)重要的。根據(jù)清華大學(xué)費(fèi)祥俊教授提出的計(jì)算臨界不淤流速公式[3]：

(1)

式中，Uc為不淤臨界流速m/s；F為阻力系數(shù)；g為重力加速度，9.81 m/s2；rs為固體顆粒密度，t/m3；rm為料漿密度，t/m3；d90為固體顆粒90%能通過篩孔直徑，mm；Sv為料漿的體積濃度，%。

自流充填系統(tǒng)輸送必須滿足的倍線條件不等式為：

(2)

式中，H為垂直高差，m；ρ為料漿密度，t/m3；g為重力加速度，9.81 m/s3；i為壓力損失，kPa/m；L為管線長度，m。

由公式(1)、(2)可知，其中都存在rm與ρ料漿密度、g重力加速度的因子；如果攪拌桶的料位控制保持不好，使充填料漿在輸送過程中時(shí)有時(shí)無或斷料，則料漿在管道的輸送過程中就會(huì)失去輸送的速度，則極有可能造成井下輸送管道的堵塞。在我國礦山充填過程中造成井下輸送管道堵塞，甚至被迫放棄充填鉆孔管道的現(xiàn)象并不鮮見。

對(duì)此，利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)充填料漿輸送濃度、輸送流量、輸送管道壓力以及對(duì)攪拌桶料漿料位等進(jìn)行的檢測，并通過對(duì)上述因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析，可對(duì)充填料漿的輸送狀態(tài)進(jìn)行判斷、對(duì)有可能出現(xiàn)的輸送隱患形成進(jìn)行識(shí)別。一旦被識(shí)別為“異常狀態(tài)”，自動(dòng)化控制系統(tǒng)將采取包括快速切斷供砂、對(duì)充填管路進(jìn)行水沖洗避免堵塞管路處理措施，以此保證充填生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

3 對(duì)充填工藝控制技術(shù)的應(yīng)用

3.1 對(duì)充填工藝控制技術(shù)的開發(fā)

經(jīng)過多年對(duì)充填生產(chǎn)進(jìn)行的控制技術(shù)研究與實(shí)踐，至今已成功的開發(fā)了造漿分層給水及給風(fēng)的活化砂漿的應(yīng)用控制模型，砂量計(jì)算和水泥配比計(jì)算的處理模型，充填料漿濃度控制及攪拌桶料位控制模型，充填料漿輸送狀態(tài)識(shí)別與異常情況處理模型。上述的控制模型及控制方法在多座充填站的控制使用中發(fā)揮了重要的作用，不僅可提高充填質(zhì)量，并在一次管道將要發(fā)生堵塞前，可成功發(fā)出預(yù)報(bào)警，并通過控制系統(tǒng)自動(dòng)及時(shí)的處理，化解可能造成的管道堵塞事故。

3.2 對(duì)銅輝膏體充填的控制應(yīng)用

在我國礦山的充填中大多數(shù)礦山還是采用分級(jí)尾砂充填，或是分級(jí)與全尾砂根據(jù)采空區(qū)需要進(jìn)行區(qū)分充填，而采用尾砂及碎石子骨料形成膏體充填的礦山則不多見。以下是新疆銅輝膏體充填工藝及對(duì)膏體充填過程實(shí)行控制的自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)。新疆銅輝銅礦膏體充填系統(tǒng)工藝流程見圖7。

圖7 新疆銅輝銅礦膏體充填系統(tǒng)工藝流程

為了改善全尾砂高濃度料漿的可泵性及流變特性，并降低膠結(jié)充填成本，新疆銅輝在全尾砂充填料中加入一定的粗骨料和泵送劑。由于粗骨料的加入，充填材料粗細(xì)搭配，充填料漿的高濃度明顯提高并形成了“膏體充填”的料漿。對(duì)于膏體充填工藝來說，其重要的工藝控制點(diǎn)分別為：全尾礦的高度濃縮、對(duì)粗骨料的配比、對(duì)水泥及泵送劑的配比。根據(jù)對(duì)新疆銅輝膏體充填系統(tǒng)配置與充填工藝的研究，為其實(shí)施了膏體充填的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。膏體充填自動(dòng)化系統(tǒng)控制子站分布見圖8。

通過對(duì)新疆銅輝全尾砂膏體充填控制技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)，使得自動(dòng)化控制不僅穩(wěn)定了膏體充填的工藝，而且提高了對(duì)全尾砂的利用及對(duì)充填粗骨料的選擇。實(shí)現(xiàn)控制的膏體充填不僅降低了充填料漿的水灰比，還極大地改善了充填體的強(qiáng)度特性，促使充填體的強(qiáng)度提高，充填料漿凝結(jié)沉縮率下降[4]，對(duì)于充分發(fā)揮充填體承載作用，滿足采掘生產(chǎn)的技術(shù)要求，提高礦石的回收率具有十分明顯的意義與作用。井下膠結(jié)充填凝結(jié)體的實(shí)拍圖片見圖9。

圖8 新疆銅輝膏體充填自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖9 井下膠結(jié)充填凝結(jié)體實(shí)拍圖片

4 結(jié) 語

(1)通過對(duì)尾礦充填過程實(shí)行自動(dòng)化控制技術(shù)的研究與實(shí)踐可以看出，利用自動(dòng)化控制技術(shù)與智能識(shí)別處理技術(shù)對(duì)膠結(jié)充填過程進(jìn)行控制，穩(wěn)定了尾礦充填的工藝，提高了尾礦充填的質(zhì)量。通過對(duì)新疆銅輝全尾砂膏體充填實(shí)現(xiàn)的工藝控制，使得全尾砂膏體充填工藝得以順利實(shí)現(xiàn)，打破了全尾砂充填的質(zhì)量難以保證的認(rèn)知，從而提振了對(duì)全尾砂充填利用的信心。

(2)通過膏體充填來降低充填料漿的水灰比以降低充填生產(chǎn)費(fèi)用，改善因充填給井下造成的環(huán)境污染，對(duì)于充分發(fā)揮充填體承載作用，滿足采掘生產(chǎn)的技術(shù)要求，提高對(duì)礦石的回收率具有十分明顯的意義與作用。

[1] 周愛民.礦山廢料膠結(jié)充填[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2] 王新民，肖衛(wèi)國，張欽禮.深井礦山充填理論與技術(shù)[M].長沙：湖南大學(xué)出版社，2005.

[3] 周 旭，王佩勛.大倍線管道自流輸送膠結(jié)充填技術(shù)[J].金屬礦山，2011(8)：23-28.

[4] 許新啟，楊煥文，楊曉聰.我國全尾砂高濃度(膏體)膠結(jié)充填簡述[J].礦冶工程，1998，18(2)：1-4.

2016-07-10)

萬洪濤(1972—)，男，副主任，工程師，261441 山東省萊州市金城鎮(zhèn)。