三貴口鉛鋅礦充填自動控制方案優化研究

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%，礦山年生產能力330萬t。礦區地表基本上都為荒地，允許塌陷，由于礦石品位低，因此礦山最初設計采用崩落法開采[1-9]。考慮到礦山復雜的賦存環境和300萬t/a的生產能力要求，相關科研單位在充分研究、分析礦山開采條件的基礎上，結合業主要求，設計了分段出礦中深孔連續回采采礦法、框架礦柱大空場礦房連續回采崩落采礦法等采礦方法，目前礦山主要采用設計的采礦方法組織生產，并于2017年4月達產10 000 t/d。

隨著生產的逐步進行，采用崩落法處理空區，導致井下采空區崩透地表，影響井下風路，破壞地表環境，并且可能會引起山體滑坡、泥石流等地質災害，地表降水易進入地下，污染井下環境，甚至發生地下泥石流，中斷正常生產。鑒于崩落法存在上述問題，礦山經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充填系統，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要求通過給料和計量設施添加至攪拌機中，混合后的尾砂漿和膠結劑經過兩段連續攪拌，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

充填系統控制的主要原則是在充填站控制室，對站內主要平臺和部位進行實時監控，正常生產時控制室的操作人員能夠通過相關儀表及電動閥門對各物料供給線進行控制，監控室與井下擋墻和管道巡視人員保持及時溝通，礦山現有調度系統能讀取充填控制系統的數據，若不參與遠程控制，可電話通訊聯系[10-11]。系統運行參數可同時實現遠程自動、手動調節和就地手動調節，并由控制室計算機進行集中管控[12-13]。

1.2.1 檢測參數

充填系統檢測的參數有：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；充填站生產用水和生 活用水來自附近的高位生產水池和高位生活水池，在充填站設2臺多級泵（1用1備）給生產水池輸送來的生產水加壓，設1臺單級泵給生活水池輸送來的生活水加壓。通過遠程調節電機頻率進而實現排水量調節，水泵可遠程和就地啟停。

1.2.2 系統調節的參數

系統調節的參數有：濃密機底流流量、調濃水量、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 系統控制的設備

系統控制的設備有：各個電器設備的啟停控制及遠程、運行、故障信號；所有電動閥門的開關及遠程控制、開關到位、故障信號；電動夾管閥、電動調節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；大型設備的電流采集及過載保護控制（30 kW及以上）；大型設備要求有現場操作箱能夠實現遠程就地控制；2個電動閥控制箱（砂倉底1個，濃密機底1個）。

1.2.4 監控區域

尾砂輸送泵房門外、尾砂輸送泵房內整體；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、給料系統進行視頻監控；充填廠房門外、充填廠房內整體、充填廠房內各平臺、鉆孔下料斗。視頻監控監測點共計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與充填站建立語音通訊，實時報告充填情況，指揮充填作業。通訊光纖安裝至各主要中段，每個石門預留一個通訊接口，每個中段設置2臺通訊電話，電話設置位置靠近充填采空區，每次充填作業前需先建立采空區與控制室的通訊聯系。

充填站主廠房PLC控制系統通過各種通信形式采集現場設備內部開關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備（如變頻器、馬達保護器）通過Profibus-DP、DeviceNet等總線進行通信，結合控制電纜的使用，實現配電系統的遠程控制；

（4）與各儀器儀表、閥門通過RS485或硬線連接方式，實現各數據讀取及控制。

1.3 控制系統原則及功能

1.3.1 核心專家PID算法

根據充填料漿濃度、灰砂比及高位水池的液位等參數的控制需求，設計了符合礦山充填技術要求的專家PID控制、雙閉環比值控制及帶死區的PID控制策略。此算法能實現水泥給料、粉煤灰給料、放砂給料和補給水的連鎖自動控制。即控制室設定各膠結劑配合比例、充填灰砂比、充填濃度和充填流量時，系統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，并根據計算值調節閥門開度和電機頻率（手動調節為基本要求），使各物料給料量與計算值匹配，以實現充填作業自動控制的目的。

1.3.2 充填專家系統功能

本自動控制系統設置了7個充填專家系統功能模塊，如圖1所示。

圖1 充填專家系統功能模塊

（1）一鍵充填。系統設置“一鍵充填”按鍵，點擊后系統通過造漿、放砂、配料、液位控制、濃度調整、管路切換等充填作業全流程的自主運行，可實現指標自檢自調，故障自判處理，數據自動記錄等。

（2）自適應造漿。根據砂倉料位、濃度等多個參數建立多維造漿控制模型，系統自主判斷調整造漿參數，生成穩定的高濃度漿體。

（3）精準配比。根據尾砂的添加量自動調節水泥的添加量，在保證充填體強度的前提下最大程度地節約水泥用量，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，在保證料位穩定的前提下，實現自主優化攪拌器的載料負荷，達到膠結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。根據充填濃度的要求，實時控制調濃水量，實現充填濃度的動態精準控制。

（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控和應急處理，保障料漿輸送的安全。

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

1.4 關鍵技術

本次自動控制優化的關鍵技術有：充填過程中出現波動的自動糾偏技術；動態精確配比技術；空區容量與充填生產的數據管控技術；關鍵生產參數實時的信號穩定處理技術；多目標耦合控制技術；多骨料不同生產模式切換控制技術；開停車狀態、生產穩定狀態、糾偏狀態、過度狀態等多生產狀態的匹配控制技術；砂倉進砂切換系統與充填濃度的配比技術；絮凝劑添加與溢流清水技術；風水聯動造漿技術；液位、流量、泵送的聯動技術；充填管路自動切換技術。

1.5 控制系統結構

系統采用分層、分布式結構布置，由管理層、網絡通訊層、現場設備層3部分構成。

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、工控機軟件組態控制平臺，工控機與3臺PLC控制柜通過網絡模塊通訊用光纖連接到交換機。在控制中心用1臺裝有WICC組態平臺的工控機通過交換機和3臺控制柜通訊，以實現所有數字量和模擬量的監控，并把模擬量的數據以及報警數據存儲在數據庫里，以備查看歷史記錄。

圖2 控制系統結構

2 結語

在全面了解三貴口鉛鋅礦的開采技術條件、礦山充填工藝要求和特點的前提下，設計了充填系統自動控制方案，實現了充填料漿制備參數的準確檢測、實時反饋、及時調節，使充填料漿的濃度、灰砂比、流量等參數實現了精準制備，系統運行穩定、可靠，可有效保證礦山充填系統精準、高效地運行。