張軍

（湖南源安科技股份有限公司， 湖南 長沙 410221）

0 引言

三貴口鉛鋅礦是一座具有8000多萬t礦石儲量的大型地下礦山，礦石中還含有銅、銀等，屬于低品位礦山，其中鋅金屬量200多萬t，品位2.34%，鉛金屬量46萬t，品位0.53%，礦山年生產(chǎn)能力330萬t。礦區(qū)地表基本上都為荒地，允許塌陷，由于礦石品位低，因此礦山最初設(shè)計采用崩落法開采[1-9]?？紤]到礦山復(fù)雜的賦存環(huán)境和300萬t/a的生產(chǎn)能力要求，相關(guān)科研單位在充分研究、分析礦山開采條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合業(yè)主要求，設(shè)計了分段出礦中深孔連續(xù)回采采礦法、框架礦柱大空場礦房連續(xù)回采崩落采礦法等采礦方法，目前礦山主要采用設(shè)計的采礦方法組織生產(chǎn)，并于2017年4月達產(chǎn)10 000 t/d。

隨著生產(chǎn)的逐步進行，采用崩落法處理空區(qū)，導(dǎo)致井下采空區(qū)崩透地表，影響井下風(fēng)路，破壞地表環(huán)境，并且可能會引起山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，地表降水易進入地下，污染井下環(huán)境，甚至發(fā)生地下泥石流，中斷正常生產(chǎn)。鑒于崩落法存在上述問題，礦山經(jīng)論證后決定在深部礦體（680 m水平以下）采用充填采礦法回采。為了配合充填采礦法的使用，三貴口鉛鋅礦建成了全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)，并于2021年4月建成投入使用。

1 充填工藝和自動控制方案

1.1 充填工藝

充填料漿制備中選用尾砂、膠水泥、調(diào)濃水3種物料。工藝流程為：選廠低濃度尾砂漿在尾砂輸送泵站加壓后通過管道輸送至充填站的深錐濃密機中進行濃密，濃密機底流濃度達到70%以上，通過放砂管道直接輸送至攪拌機攪拌，在向攪拌機放砂的同時，水泥倉中的水泥根據(jù)要求通過給料和計量設(shè)施添加至攪拌機中，混合后的尾砂漿和膠結(jié)劑經(jīng)過兩段連續(xù)攪拌，制備成均勻的充填料漿，通過充填鉆孔及管道輸送至井下進行充填。

1.2 自動控制方案

充填系統(tǒng)控制的主要原則是在充填站控制室，對站內(nèi)主要平臺和部位進行實時監(jiān)控，正常生產(chǎn)時控制室的操作人員能夠通過相關(guān)儀表及電動閥門對各物料供給線進行控制，監(jiān)控室與井下?lián)鯄凸艿姥惨暼藛T保持及時溝通，礦山現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)能讀取充填控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，若不參與遠程控制，可電話通訊聯(lián)系[10-11]。系統(tǒng)運行參數(shù)可同時實現(xiàn)遠程自動、手動調(diào)節(jié)和就地手動調(diào)節(jié)，并由控制室計算機進行集中管控[12-13]。

1.2.1 檢測參數(shù)

充填系統(tǒng)檢測的參數(shù)有：濃密機進砂流量，采用電磁流量計檢測；濃密機進砂濃度，采用γ射線濃度計檢測；濃密機底流流量，采用電磁流量計檢測；濃密機底流濃度，采用γ射線濃度計檢測；調(diào)濃水量，采用電磁流量計檢測；絮凝劑添加量，采用電磁流量計檢測（絮凝劑加藥機自帶流量計，不需要再配置電磁流量計）；水泥給料量，采用螺旋計量；水泥倉料位，采用雷達料位計檢測；尾砂倉料位，采用重錘料位計檢測；充填站生產(chǎn)用水和生 活用水來自附近的高位生產(chǎn)水池和高位生活水池，在充填站設(shè)2臺多級泵（1用1備）給生產(chǎn)水池輸送來的生產(chǎn)水加壓，設(shè)1臺單級泵給生活水池輸送來的生活水加壓。通過遠程調(diào)節(jié)電機頻率進而實現(xiàn)排水量調(diào)節(jié)，水泵可遠程和就地啟停。

1.2.2 系統(tǒng)調(diào)節(jié)的參數(shù)

系統(tǒng)調(diào)節(jié)的參數(shù)有：濃密機底流流量、調(diào)濃水量、水泥給料量、水泥破拱裝置、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。

1.2.3 系統(tǒng)控制的設(shè)備

系統(tǒng)控制的設(shè)備有：各個電器設(shè)備的啟?？刂萍斑h程、運行、故障信號；所有電動閥門的開關(guān)及遠程控制、開關(guān)到位、故障信號；電動夾管閥、電動調(diào)節(jié)閥的開度顯示及給定控制；變頻器的遠程控制及運行反饋、頻率給定；大型設(shè)備的電流采集及過載保護控制（30 kW及以上）；大型設(shè)備要求有現(xiàn)場操作箱能夠?qū)崿F(xiàn)遠程就地控制；2個電動閥控制箱（砂倉底1個，濃密機底1個）。

1.2.4 監(jiān)控區(qū)域

尾砂輸送泵房門外、尾砂輸送泵房內(nèi)整體；濃密機頂、濃密機平臺；砂倉頂、砂倉底平臺、±0.000 m平臺；水泥倉頂、給料系統(tǒng)進行視頻監(jiān)控；充填廠房門外、充填廠房內(nèi)整體、充填廠房內(nèi)各平臺、鉆孔下料斗。視頻監(jiān)控監(jiān)測點共計21個，攝像頭均帶有云臺功能。

1.2.5 通訊

井下各充填中段和采場均應(yīng)與充填站建立語音通訊，實時報告充填情況，指揮充填作業(yè)。通訊光纖安裝至各主要中段，每個石門預(yù)留一個通訊接口，每個中段設(shè)置2臺通訊電話，電話設(shè)置位置靠近充填采空區(qū)，每次充填作業(yè)前需先建立采空區(qū)與控制室的通訊聯(lián)系。

充填站主廠房PLC控制系統(tǒng)通過各種通信形式采集現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)部開關(guān)量和模擬量實時信號和報警信號，在控制室集中顯示，部分列舉如下：

（1）與高效深錐濃密機、絮凝劑自動加藥機通過PROFINET等總線進行通訊；

（2）與微粉秤通過TCP/IP等總線進行通訊；

（3）與配電室低壓電氣設(shè)備（如變頻器、馬達保護器）通過Profibus-DP、DeviceNet等總線進行通信，結(jié)合控制電纜的使用，實現(xiàn)配電系統(tǒng)的遠程控制；

（4）與各儀器儀表、閥門通過RS485或硬線連接方式，實現(xiàn)各數(shù)據(jù)讀取及控制。

1.3 控制系統(tǒng)原則及功能

1.3.1 核心專家PID算法

根據(jù)充填料漿濃度、灰砂比及高位水池的液位等參數(shù)的控制需求，設(shè)計了符合礦山充填技術(shù)要求的專家PID控制、雙閉環(huán)比值控制及帶死區(qū)的PID控制策略。此算法能實現(xiàn)水泥給料、粉煤灰給料、放砂給料和補給水的連鎖自動控制。即控制室設(shè)定各膠結(jié)劑配合比例、充填灰砂比、充填濃度和充填流量時，系統(tǒng)能自動計算出水泥添加量、粉煤灰添加量、放砂流量和補加水量，并根據(jù)計算值調(diào)節(jié)閥門開度和電機頻率（手動調(diào)節(jié)為基本要求），使各物料給料量與計算值匹配，以實現(xiàn)充填作業(yè)自動控制的目的。

1.3.2 充填專家系統(tǒng)功能

本自動控制系統(tǒng)設(shè)置了7個充填專家系統(tǒng)功能模塊，如圖1所示。

圖1 充填專家系統(tǒng)功能模塊

（1）一鍵充填。系統(tǒng)設(shè)置“一鍵充填”按鍵，點擊后系統(tǒng)通過造漿、放砂、配料、液位控制、濃度調(diào)整、管路切換等充填作業(yè)全流程的自主運行，可實現(xiàn)指標自檢自調(diào)，故障自判處理，數(shù)據(jù)自動記錄等。

（2）自適應(yīng)造漿。根據(jù)砂倉料位、濃度等多個參數(shù)建立多維造漿控制模型，系統(tǒng)自主判斷調(diào)整造漿參數(shù)，生成穩(wěn)定的高濃度漿體。

（3）精準配比。根據(jù)尾砂的添加量自動調(diào)節(jié)水泥的添加量，在保證充填體強度的前提下最大程度地節(jié)約水泥用量，降低水泥成本。

（4）攪拌料位溫度控制。采用前饋分級控制模型，在保證料位穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)自主優(yōu)化攪拌器的載料負荷，達到膠結(jié)料與充填骨料均勻混合的最佳制漿效果。

（5）充填濃度自檢自調(diào)。根據(jù)充填濃度的要求，實時控制調(diào)濃水量，實現(xiàn)充填濃度的動態(tài)精準控制。

（6）料漿安全輸送保障。對充填過程中的斷料、堵管等情況進行實時監(jiān)控和應(yīng)急處理，保障料漿輸送的安全。

（7）其他輔助功能。來砂自動切換功能、管路和設(shè)備自動清洗功能、自尋充填管路、智能報表、故障數(shù)據(jù)“黑匣子”等。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

本次自動控制優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)有：充填過程中出現(xiàn)波動的自動糾偏技術(shù)；動態(tài)精確配比技術(shù)；空區(qū)容量與充填生產(chǎn)的數(shù)據(jù)管控技術(shù)；關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)實時的信號穩(wěn)定處理技術(shù)；多目標耦合控制技術(shù)；多骨料不同生產(chǎn)模式切換控制技術(shù)；開停車狀態(tài)、生產(chǎn)穩(wěn)定狀態(tài)、糾偏狀態(tài)、過度狀態(tài)等多生產(chǎn)狀態(tài)的匹配控制技術(shù)；砂倉進砂切換系統(tǒng)與充填濃度的配比技術(shù)；絮凝劑添加與溢流清水技術(shù)；風(fēng)水聯(lián)動造漿技術(shù)；液位、流量、泵送的聯(lián)動技術(shù)；充填管路自動切換技術(shù)。

1.5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用分層、分布式結(jié)構(gòu)布置，由管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層、現(xiàn)場設(shè)備層3部分構(gòu)成。

如圖2所示，控制里有充填站主廠房PLC控制柜、濃密機PLC控制柜、絮凝加藥機PLC控制柜、工控機軟件組態(tài)控制平臺，工控機與3臺PLC控制柜通過網(wǎng)絡(luò)模塊通訊用光纖連接到交換機。在控制中心用1臺裝有WICC組態(tài)平臺的工控機通過交換機和3臺控制柜通訊，以實現(xiàn)所有數(shù)字量和模擬量的監(jiān)控，并把模擬量的數(shù)據(jù)以及報警數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫里，以備查看歷史記錄。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 結(jié)語

在全面了解三貴口鉛鋅礦的開采技術(shù)條件、礦山充填工藝要求和特點的前提下，設(shè)計了充填系統(tǒng)自動控制方案，實現(xiàn)了充填料漿制備參數(shù)的準確檢測、實時反饋、及時調(diào)節(jié)，使充填料漿的濃度、灰砂比、流量等參數(shù)實現(xiàn)了精準制備，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，可有效保證礦山充填系統(tǒng)精準、高效地運行。