随着矿产需求量迅速增加,矿产资源开采利用引发的环境破坏和废料排放,导致矿山环境恶化并造成严重的环境灾害,已成为相当严峻的环境问题与社会问题。为此环境专家依据工业生态学观点,提出把矿山充填作为矿床开采的一道必要工序,并且完全利用矿山固体废料进行充填,最大限度地利用矿产资源和保护远景资源,最大限度地减少矿山废料的产出,从根本上解决矿山环境与生态破坏问题。

　　在矿山充填中,充填质量主要取决于充填料浆的浓度与灰砂配比。传统充填料浆浓度与灰砂配比系统采用常规仪表进行控制,配料成分不稳定,影响充填效果。湖南源安科技利用先进的自动化控制技术,设计充填料浆的浓度与灰砂配比系统自动控制方案:

　　针对充填工艺流程及搅拌系统本身存在大滞后、非线性的特点,分析了料浆浓度、料浆配比及水仓液位的现场特性;根据料浆浓度、灰砂比及水仓液位等参数不同的控制需求,设计了符合要求的专家PID控制、双闭环比值控制及带死区的PID控制策略,以保证充填质量符合现场的各项要求;以料浆浓度为被控对象进行专家控制算法的研究并利用WINCC组态软件对传统PID控制算法与专家控制算法进行仿真与对比,仿真结果表明专家控制算法在动态特性与静态误差方面明显优于传统PID控制算法;通过西门子STEP7软件将专家控制算法在西门子S7-300 PLC中进行实现,采用结构化编程方法对料浆浓度的专家控制规则进行梯形图编程,最终给出料浆浓度的现场运行曲线并达到较为理想的控制效果。
 

　　充填工艺：

　　1、充填工艺：

　　采用尾砂结构流胶结充填工艺，充填集料为选厂全尾砂(分级尾砂)，胶结剂为散装硅酸盐水泥。

　　2、充填工艺流程：

　　采用分级尾砂充填时，尾砂在矿选厂经旋流分级后，分级粗砂经尾砂输送系统输送至充填站，高效深锥浓密机浓密后，溢流水返回选厂(采用全尾砂充填时，经尾砂输送系统输送至充填站，高效深锥浓密机浓密后，溢流水返回选厂)。高浓度底流进入充填站尾砂仓存储，充填时，砂仓内饱和砂浆经压气造浆、管道放砂，进入搅拌机中搅拌，水泥和调节浓度的水通过各自的供料设施添加到搅拌机中。充填料浆采用两段连续搅拌制备，搅拌好的充填料浆通过充填钻孔及充填管网自流输送至井下采空区充填。工艺流程如下图所示：

　　3、单套充填制备系统技术参数：

　　单套充填料浆制备输送能力 120～180m3/h

　　尾砂浆浓度 66～70%

　　充填料浆浓度 70～74%

　　单套系统一次最大充填量 1400～1800m3

　　灰砂比 1∶4～1∶20可调
 

　　控制系统具备的功能

　　1、过程量检测与控制回路

　　(1)尾矿浓密机入口矿浆流量控制回路;

　　(2)渣浆泵、隔膜泵及其相关设备控制、检测回路;

　　(3)高效深锥浓密机及其相关设备控制、检测回路;

　　(4)尾砂仓、水泥仓料位检测及生产水水池液位检测;

　　(5)尾砂仓进料、尾砂仓出料、充填料流量、浓度控制、检测回路;

　　(6)生产用水补加水、生产用水总水量检测，混料漏斗补加水量控制及检测;

　　(7)水泥添加量控制及检测回路;

　　(8)压缩空气风量控制及检测回路;

　　(9)系统内其他设备的检测及控制回路。

　　2、与外部成套设备通信方式

　　充填站主厂房PLC控制系统通过各种通信形式采集现场设备内部开关量和模拟量实时信号和报警信号，在控制室集中显示，部分列举如下：

　　(1)与絮凝剂设备的PLC从站控制系统通过以太网或profibus-DP等总线进行通讯;

　　(2)与高效深锥浓密机(采用西门子PLC系统)通过以太网或profibus-DP等总线进行通讯;

　　(3)与水泥添加螺旋电子称通过以太网或profibus-DP等总线进行通讯;

　　(4)与配电室低压电气设备(如变频器、马达保护器)通过Profibus-DP、DeviceNet等总线进行通信，结合控制电缆的使用，实现配电系统的远程控制;

　　(5)与各仪器仪表、阀门通过硬线连接方式，实现各数据读取及控制。
 

　　控制系统结构

　　1、充填站自动化系统工程范围包括料浆制备、液位控制、流量控制、浓度控制等生产过程，具体包括料浆制备设备、电气设备自动化控制、过程参数检测及分析、工艺流程优化控制、网络通讯、设备集成等内容。

　　2、充填站自动化系统控制设计为电仪合一共用一套SIEMENS S7-300 PLC系统，以工业控制机作为控制核心，在现场控制室集中控制整个流程，控制室对现场工艺流程数据进行显示和过程控制。控制系统的实施包括自动化系统二次设计、硬件配置、软件系统开发，主控单元设计，相关控制设备电气接口的集成;检测仪表及电气控制设备等充填自动化工程所需的设备、主辅材，以及浓密机所有自动化接口控制。

　　3、电气控制工作方式：系统采用分散控制集中管理监控模式，主控电气元件全部安装在集中配电柜内，单台设备操作箱全部安装在现场。操作箱转换开关工作方式为：远程自动/检修/现场手动,其中转换开关位置信号(无源点)送到集中柜PLC的输入模块。

　　4、现场传感器有：浓密机进砂管流量计(3台)、浓密机放砂流量计(4台)、卧式砂池放砂流量计(1台)、调浓水流量计(3台)、浓密机放砂浓度计(3台)、卧式砂池放砂浓度计(1台)、水泥仓料位计(3台)、生活水池和工业水池液位计(2台) (深锥浓密的现场流量、浓度、液位、压力等传感器由深锥浓密机供货厂家配套提供，絮凝剂流量计由自动加药及供货厂家配套提供)。现场仪表测量信号通过信号隔离器器和控制室PLC模块相连。

　　5、系统运行参数调节的执行单元有：浓密机放砂管放砂流量调节电动夹管阀(4台)、卧式砂池放砂流量调节电动调节阀(1台)、调浓水流量调节电动调节阀(3台)、水泥给料双管螺旋给料机电机频率调节(3台)、高速搅拌机频率调节(3台)。

　　6、 系统设置的主要检测点有：

　　(1)水泥仓料位 3个

　　(2)浓密机进砂流量 3个

　　(3)浓密机放砂流量 4个

　　(4)卧式砂池放砂流量 1个

　　(5)调浓水流量 3个

　　(6)浓密机放砂浓度 3个

　　(7)卧式砂池放砂浓度 1个

　　(8)生活及工业污水水池液位 2个

　　(9)设备运行电流 16个

　　(10)电机故障 16个

　　(11)电机运行状态 16个

　　7、系统设置的主要控制点为：

　　(1)浓密机放砂流量调节 4个

　　(2)卧式砂池放砂流量 1个

　　(3)调浓水流量调节 3个

　　(4)水泥给料调节 3个

　　(5)高速搅拌机转速调节 3个

　　(6)电机启/停控制点 16个
 

　　控制系统组态界面

　　充填站主界面