某鐵礦充填系統設計優化與技術改造

【摘要】針對充填系統放料時砂倉底部尾砂板結、放砂管道控制閥門無法精確控制、攪拌桶液位無法準確測量、料漿濃度不能精確控制等問題，采取有效措施進行了改造，成功實現了自動控制連續膠結充填。

【關鍵詞】充填技術;DCS系統;集中控制;連續充填

石人溝鐵礦充填站共有4套充填料漿制備系統，每套充填系統設兩個砂倉、一個水泥倉。砂倉直徑10m，主體部分高度10m，錐底角30°，總高22m，砂倉容積850m3，倉體設置有人行檢查孔，砂倉頂部裝有重錘料位計。礦渣微粉倉主體部分高10m，直徑5.0m，總高21m，有效容積230m3，倉頂設置重錘料位計及袋式除塵器，底部配有螺旋給料機及螺旋秤，螺旋給料機最大給定頻率50Hz，最大給料量16t/h;攪拌桶直徑2m，高2.1m，桶體頂部設平臺并安裝有超聲波液位計及45kw攪拌電機，采用雙葉輪攪拌形式。充填骨料為選廠的全尾砂，砂漿濃度30%—40%，經泵送至充填站砂倉。砂倉內的尾砂經過沉淀后和水泥按一定配比在攪拌桶內進行混合攪拌，制成濃度為68%-72%的充填料漿，然后通過管道充填到井下采空區。

1、充填系統存在的問題

1.1攪拌桶內的液位無法精確測量。攪拌桶內的液位測量通過安裝在攪拌桶頂部的超聲波液位計來實現。由于攪拌桶在工作時是密封的，內部既有尾砂，又有水泥粉塵，并且攪拌時會造成液面大幅波動，復雜的環境造成超聲波液位計無法準確測量，進而造成攪拌桶料漿制備時不是不足就是外溢，料漿制備無法正常進行。

1.2閘板調節閥閥芯及閥體磨損嚴重。閘板調節閥是流量控制系統中的活動部件，不斷地節流和經常地切斷流量，由于控制的介質是尾砂，放砂時無數徽小顆粒夾帶在高速流體中流動，撞擊并沖刷掉閥內件的金屬，使閥芯和閥座接合面由于嚴重磨損而關不嚴，造成無法精確控制放砂流量。

1.3充填造漿系統性能差。充填砂倉內造漿系統壓氣管道過細，管徑僅為25mm，高壓風流量不夠，不易將尾礦料漿均化和流態化，造漿時間過長，砂倉底部尾砂板結情況不能有效解決，無法形成連續放砂。

1.4充填作業時現場設備均為手動控制，無法根據充填工藝要求實現遠程自動控制。主要表現在放砂流量無法精確控制、水泥流量無法精確控制、攪拌桶內液位無法控制在合理的范圍內等。

2、充填系統的優化設計與改造

2.1攪拌桶內液位無法測量的主要原因是攪拌桶內液位波動幅度大以及含有大量水泥粉塵，影響超聲波液位計正常工作。針對此問題，采用U型連通器原理，在攪拌桶底部側壁開一小孔，引出并垂直安裝一根直徑377mm管道，該管道頂部高于攪拌桶頂部，超聲波液位計安裝在管道頂部位置。經過改造后，引出管道內的液位波動幅度遠小于攪拌桶內的液位波動幅度，同時也隔絕了攪拌桶內的水泥粉塵，超聲波液位計可以實現正常測量工作。

2.2針對普通閘板閥存在的磨損問題，經過多方研究選型，最終選用膠管閥代替閘板閥。膠管閥門采用全通徑設計，機械部分受到保護，僅有橡膠管接粗到介質，驅動裝置在閥體外不受介質浸蝕，閥門啟閉方便靈活，密封性能好，杜絕了跑冒滴漏等現象的發生，閥門磨損時只需更換橡膠管，簡單方便，降低了工人的勞動強度。

2.3針對充填砂倉內造漿系統壓氣管道管徑過細問題，對原來的管道進行了拆除，改換成直徑為108mm的壓風管道，并采用了新式噴嘴，經過改造后，可有效消除砂倉底部尾砂板結情況，造漿時間短，尾礦料漿均化和流態化程度高，實現了連續放砂。

2.4針對現場設備只能單體手動控制的情況，新增一套DCS自動化控制系統。DCS系統采用PID算法可實現對被控對象的閉環控制及數據處理，該系統控制功能強、可靠性高。通過采集現場安裝的各類儀表及控制設備的反饋信號，可實現對整個充填系統的運行監測及控制。通過改造，充填系統中所有的電動閥門、攪拌桶、螺旋給料機等均實現了遠程控制。最根本的是，充填工藝的三個主要控制對象：放砂流量、水泥流量、攪拌桶內液位均實現了閉環控制，連續性充填系統改造成功。

2.4.1放砂流量的閉環控制

通過安裝在放砂管道上的超聲波流量計，實時采集放砂流量，并把該流量信號傳送至DCS系統，DCS系統經過運算，根據放砂流量設定值，可實時調節放砂管道上的電動閥門的開啟度，實現對流量的精確控制。

2.4.2水泥給料量的閉環控制

根據充填工藝要求，尾砂和水泥是按照一定的配比進行混合，制成一定濃度的料漿充填到井下空區。通過安裝在螺旋給料機出口的水泥稱，實時采集水泥給料重量，并把該重量信號傳送道DCS系統，DCS系統經過運算，根據水泥重量設定值，實時調節螺旋給料機變頻器的輸出頻率，實現對水泥給料量的精確控制。

2.4.3攪拌桶液位的閉環控制

由于攪拌桶內的液位是隨時變化的，為防止攪拌桶出現溢流或放空情形，需要把攪拌桶內的液位控制在一個合適的范圍內。通過安裝在攪拌桶上的超聲波液位計，實時采集攪拌桶內液位，并把該液位信號傳送至DCS系統，DCS系統經過運算，根據攪拌桶液位的設定值，可實時調節攪拌桶出口放漿管道上電動閥門的開啟度，實現對攪拌桶內液位的精確控制。

3、改造后的效果

經過對充填系統的一系列改造，石人溝鐵礦最終實現了充填系統的高濃度連續放砂、連續充填工藝，單套充填系統日充填能力達到2500m3以上。同時大大降低了職工的勞動強度，并且節省了人力成本，改造后充填現場由5-6人降低到目前的1-2人。

結語：

石人溝鐵礦連續型充填系統的改造成功，為該礦采用嗣后充填法采礦，治理井下采空區創造了必備條件，走出了一條綠色科學的發張之路，同時為該行業的創新發展積累了寶貴的經驗。

參考文獻：

[1]姚維信.高濃度大流量管輸充填技術與工藝.科學出版社，2014，03

[2]吳愛祥.金屬礦膏體充填理論與技術（精）.科學出版社，2015，10

作者簡介：

解利俊，電氣工程師，大學本科，畢業于內蒙古農業大學電氣工程及其自動化專業，2008年參加工作，現在河鋼礦業石人溝鐵礦任職。