张军

(湖南源安科技股份有限公司，湖南 长沙 410221)

0 引言

近年来，我国开始大力提倡充填采矿法，从2012 年开始出台了一系列关于环保与安全的法律法规。2012 年，原国家安全生产监督管理总局联合多个部门提出新建金属非金属地下矿山优先推行充填采矿法。2014 年，原国土资源部在多个文件中均鼓励矿山开采时采用全尾砂充填工艺。2016 年，财政部相关文件指出，符合条件的矿山采用充填开采方式采出的矿产资源，资源税减征50%。2017 年，原国土资源部在文件中提出，应针对矿山矿体赋存条件，积极利用全尾砂充填采矿等采矿技术提高回采率，并鼓励大中型地下矿山废石不出坑，尾矿充填井下。2018 年1 月起开始施行将排污费转变为环境保护税，由税务部门代替环保部门，对尾矿排放每吨收取15 元。从国家近几年的政策来看，采用充填采矿法、尾矿井下充填是以后发展的主要方向。

充填采矿技术在解决井下空区地压问题的同时，还可以提高矿产资源的回采率，保护地下及地表环境等多个优势[1]。大量的研究学者以及现场技术人员[2-7]通过利用充填采矿方法解决了采空区以及尾矿处理等问题，实现了矿山的安全经济开采，并由此带来充填自动化控制技术的发展。自动化技术的应用成为重要趋势，矿山充填系统自动化的程度越来越高[8-9]，许多矿山根据自身充填工艺的特点，建立了充填站的自动控制系统[10-11]。

1 矿山充填系统

某地下开采的金矿山生产能力为165 万t/a，年产生空区55 万m³/a，为满足空区充填要求，建设了两套150～180 m3/h 的充填系统。每套充填系统平均运行时间约9 h/d，最大运行时间约12 h/d，两套充填系统平行作业。整个充填系统工艺流程按照功能可细分为选厂尾砂泵送系统、尾砂高效浓缩系统、尾砂缓存调节系统、胶凝材料存储计量给料系统、供排水系统、料浆搅拌系统、料浆自流输送系统、充填钻孔、压气设施、自动控制系统等部分。充填材料为选厂的浮选全尾砂（分级尾砂），胶结剂为当地生产的散装胶凝材料。

2 充填系统自动控制

充填料浆的质量浓度、流量及灰砂比对于充填体的质量和充填系统的顺利运行至关重要，必须建立完善的自动控制系统对其进行准确的检测、及时反馈和调节。

充填系统自动控制可对充填站进行自动控制并监视生产记录，操作人员只需要在控制室操作监控计算机即可进行充填料浆质量浓度控制和胶凝材料供给计量，并了解充填料浆的制备控制过程，做到过程有数据有记录可查。

充填系统自动控制设计包括充填工作各流程和各单元的自动化检测、反馈与调节，其中包括控制系统设计、主要控制单元的设计、一次和二次仪表的设计，以及有关自动控制装备的接口设计等（见图1）。

2.1 充填系统自动控制的原则

（1）可靠性原则。充填站自动控制系统在深刻理解和贯彻矿山开采技术条件、矿山要求和工艺特点的前提下，满足工艺技术的要求，能够长期且稳定运行，排除各种干扰，在电磁方面能够满足其兼容性和安全性的要求；所采用的软件操作系统在国际计算机控制领域具有较高的公认度、可靠性和稳定性，而且满足国际公认的工业标准的要求；配置具有较高容错能力的网络通信系统、过程控制系统、软件系统，提供符合工业标准的设备。整个自动化控制系统分为设备网、控制网、信息网三级网络。要求能够独立运行各级网络，并采用网关来实现要求。自动化控制系统必须保持良好的安全性和独立性。

本项目所配置的系统已在国内类似矿山使用，并在此基础上加以改进。

（2）先进性原则。控制系统采用最先进适用的成熟软件，能够与当前以及今后一段时间内的所有产品和软件保持兼容。自动控制系统中的关键设备国外进口，如流量计、电动调节阀，浓度计等，既保证了系统的先进性和可靠性，也控制了系统建设及维护成本。

（3）系统的可扩展性。系统具有灵活的扩展能力，在系统其他部位需要控制时，可以满足控制系统扩容的要求。系统也具备和矿山调度系统连接的功能，确保矿领导可利用矿山调度系统掌握充填站的运行指标。

（4）系统的开放性原则。为了便于系统扩充，本项目自动化控制系统使用开放的网络体系结构，符合 ISO 等通信标准的要求。

（5）其他原则。除上述之外，充填系统的自动控制设计，还必须满足系统的易维护性和系统的完善性等原则。

2.2 快速造浆系统控制

尾砂在砂仓中进行存储和调节后，在充填放砂之前必须进行快速造浆，以此保证造浆的质量，进而改善充填料浆的制备质量。砂仓底部有多个气管由多个电动阀来控制，对电动阀进行分组，根据砂仓的构造和管道的布置情况对各组造浆管道的阀门进行编号，并设置自动造浆控制程序，造浆时，各组造浆管道的电动阀按照设置的顺序和造浆时间执行打开/关闭动作，对砂仓中沉降的尾砂进行均质化造浆（见图2）。阀门的启停顺序和造浆时间根据造浆管道在砂仓中的位置和尾砂的沉降情况在中控室进行调节。

图2 砂仓造浆

2.3 充填放砂及充填流量控制

充填料浆的流量必须控制在设计范围之内，才能保证充填系统稳定可靠运行。为了控制充填流量，必须及时对放砂流量进行检测和调节，在放砂管路上安装电磁流量计和电动管夹阀，利用自动控制系统检测放砂管道的流量，根据流量计的反馈及时调节尾砂管道上电动管夹阀的大小，将尾砂流量及充填料浆的流量保持在充填能力要求的范围，避免放砂流量过低造成的料浆制备不均和断流堵管，或流量过大而造成的搅拌机溢流等现象。

2.4 浓度控制

料浆质量浓度控制的关键是对放砂浓度的精准检测，选择合适的充填料浆检测浓度计至关重要。目前随着技术进步和国家对环保要求的日益严格，检测效果较好但采购控制较为严格的γ浓度计已经逐渐被符合免检要求的Na22 浓度计取代（见图3、图4）。采用浓度计及时对尾砂的质量浓度和充填料浆的质量浓度进行检测，检测值与设计值进行对照，如差距较大，通过PID 反馈控制来调节清水阀门，实现料浆质量浓度的调节。这种浓度的调节方法虽然较为滞后，但是对充填系统而言，仍能够满足生产要求。

图3 防护严密的γ浓度计

图4 裸露的Na22 浓度计

2.5 灰砂比控制

灰砂比就是尾砂（干砂）与胶凝材料的比值，其直接决定了胶凝材料添加量的多少，对充填成本和充填质量的的控制至关重要。通过对放砂管放出的料浆的流量和浓度进行检测，计算出干砂量，通过干砂量及灰砂比的要求可计算出胶凝材料设定量。由于有时流量计、浓度计瞬时幅值较大，为了使灰砂比配比结果相对精确，胶凝材料仓的微粉秤和螺旋给料机在一定的时间内以相对稳定的模式进行变频调速，控制胶凝材料的给料量，并与测量值进行比对，误差较大时利用PID 反馈调节胶凝材料的添加量，实现灰砂比的控制。

2.6 絮凝剂添加量控制

絮凝剂添加量的多少与尾砂的浓缩效果、充填料浆的流动性、尾砂处理成本等密切相关。根据相关试验及经验，在一定的范围内，尾砂的浓缩效率随絮凝剂添加量的增加而提高，但是当絮凝剂的添加量达到一定程度后，反而给尾砂浓缩造成不利影响。因此，必须合理控制絮凝剂的添加量，并实现尾砂处理量与絮凝剂添加量的动态匹配关联。为了实现絮凝剂添加量的精准控制，一般在浓密机进砂管安装流量计和浓度计，获得尾砂的处理量，根据干砂处理量、絮凝剂的溶解浓度调节絮凝剂溶液的添加流量，流量通过絮凝剂添加流量计进行检测，通过控制投加泵的频率进行流量调节（见图5）。

图5 絮凝剂加药机

2.7 其他控制

除了上述关键控制外，其他需要检测的数据还包括胶凝材料仓料位、尾砂仓料位等；需要调节的系统参数还包括浓密机底部冲洗水量、浓密机底部反冲水量、砂仓底部冲洗水流量、砂仓底部反冲水流量等。

3 结论

未来将对绿色矿山的建设提出更高的要求，采用充填采矿法进行开采，在充填井下采空区的同时，又可以减少尾矿排放。随着科学技术的发展，自动充填、一键充填将会是下一阶段矿山充填站建设的重点，本矿山根据自身的特点，建立了一套全尾砂自动充填系统，实现了充填站的自动控制，自动调节，运行稳定可靠，保证了作业的连续性以及稳定性，为类似矿山充填站自动控制的建设提供了一种参考模式。