某铁矿充填系统设计优化与技术改造

【摘要】针对充填系统放料时砂仓底部尾砂板结、放砂管道控制阀门无法精确控制、搅拌桶液位无法准确测量、料浆浓度不能精确控制等问题，采取有效措施进行了改造，成功实现了自动控制连续胶结充填。

【关键词】充填技术;DCS系统;集中控制;连续充填

石人沟铁矿充填站共有4套充填料浆制备系统，每套充填系统设两个砂仓、一个水泥仓。砂仓直径10m，主体部分高度10m，锥底角30°，总高22m，砂仓容积850m3，仓体设置有人行检查孔，砂仓顶部装有重锤料位计。矿渣微粉仓主体部分高10m，直径5.0m，总高21m，有效容积230m3，仓顶设置重锤料位计及袋式除尘器，底部配有螺旋给料机及螺旋秤，螺旋给料机最大给定频率50Hz，最大给料量16t/h;搅拌桶直径2m，高2.1m，桶体顶部设平台并安装有超声波液位计及45kw搅拌电机，采用双叶轮搅拌形式。充填骨料为选厂的全尾砂，砂浆浓度30%—40%，经泵送至充填站砂仓。砂仓内的尾砂经过沉淀后和水泥按一定配比在搅拌桶内进行混合搅拌，制成浓度为68%-72%的充填料浆，然后通过管道充填到井下采空区。

1、充填系统存在的问题

1.1搅拌桶内的液位无法精确测量。搅拌桶内的液位测量通过安装在搅拌桶顶部的超声波液位计来实现。由于搅拌桶在工作时是密封的，内部既有尾砂，又有水泥粉尘，并且搅拌时会造成液面大幅波动，复杂的环境造成超声波液位计无法准确测量，进而造成搅拌桶料浆制备时不是不足就是外溢，料浆制备无法正常进行。

1.2闸板调节阀阀芯及阀体磨损严重。闸板调节阀是流量控制系统中的活动部件，不断地节流和经常地切断流量，由于控制的介质是尾砂，放砂时无数徽小颗粒夹带在高速流体中流动，撞击并冲刷掉阀内件的金属，使阀芯和阀座接合面由于严重磨损而关不严，造成无法精确控制放砂流量。

1.3充填造浆系统性能差。充填砂仓内造浆系统压气管道过细，管径仅为25mm，高压风流量不够，不易将尾矿料浆均化和流态化，造浆时间过长，砂仓底部尾砂板结情况不能有效解决，无法形成连续放砂。

1.4充填作业时现场设备均为手动控制，无法根据充填工艺要求实现远程自动控制。主要表现在放砂流量无法精确控制、水泥流量无法精确控制、搅拌桶内液位无法控制在合理的范围内等。

2、充填系统的优化设计与改造

2.1搅拌桶内液位无法测量的主要原因是搅拌桶内液位波动幅度大以及含有大量水泥粉尘，影响超声波液位计正常工作。针对此问题，采用U型连通器原理，在搅拌桶底部侧壁开一小孔，引出并垂直安装一根直径377mm管道，该管道顶部高于搅拌桶顶部，超声波液位计安装在管道顶部位置。经过改造后，引出管道内的液位波动幅度远小于搅拌桶内的液位波动幅度，同时也隔绝了搅拌桶内的水泥粉尘，超声波液位计可以实现正常测量工作。

2.2针对普通闸板阀存在的磨损问题，经过多方研究选型，最终选用胶管阀代替闸板阀。胶管阀门采用全通径设计，机械部分受到保护，仅有橡胶管接粗到介质，驱动装置在阀体外不受介质浸蚀，阀门启闭方便灵活，密封性能好，杜绝了跑冒滴漏等现象的发生，阀门磨损时只需更换橡胶管，简单方便，降低了工人的劳动强度。

2.3针对充填砂仓内造浆系统压气管道管径过细问题，对原来的管道进行了拆除，改换成直径为108mm的压风管道，并采用了新式喷嘴，经过改造后，可有效消除砂仓底部尾砂板结情况，造浆时间短，尾矿料浆均化和流态化程度高，实现了连续放砂。

2.4针对现场设备只能单体手动控制的情况，新增一套DCS自动化控制系统。DCS系统采用PID算法可实现对被控对象的闭环控制及数据处理，该系统控制功能强、可靠性高。通过采集现场安装的各类仪表及控制设备的反馈信号，可实现对整个充填系统的运行监测及控制。通过改造，充填系统中所有的电动阀门、搅拌桶、螺旋给料机等均实现了远程控制。最根本的是，充填工艺的三个主要控制对象：放砂流量、水泥流量、搅拌桶内液位均实现了闭环控制，连续性充填系统改造成功。

2.4.1放砂流量的闭环控制

通过安装在放砂管道上的超声波流量计，实时采集放砂流量，并把该流量信号传送至DCS系统，DCS系统经过运算，根据放砂流量设定值，可实时调节放砂管道上的电动阀门的开启度，实现对流量的精确控制。

2.4.2水泥给料量的闭环控制

根据充填工艺要求，尾砂和水泥是按照一定的配比进行混合，制成一定浓度的料浆充填到井下空区。通过安装在螺旋给料机出口的水泥称，实时采集水泥给料重量，并把该重量信号传送道DCS系统，DCS系统经过运算，根据水泥重量设定值，实时调节螺旋给料机变频器的输出频率，实现对水泥给料量的精确控制。

2.4.3搅拌桶液位的闭环控制

由于搅拌桶内的液位是随时变化的，为防止搅拌桶出现溢流或放空情形，需要把搅拌桶内的液位控制在一个合适的范围内。通过安装在搅拌桶上的超声波液位计，实时采集搅拌桶内液位，并把该液位信号传送至DCS系统，DCS系统经过运算，根据搅拌桶液位的设定值，可实时调节搅拌桶出口放浆管道上电动阀门的开启度，实现对搅拌桶内液位的精确控制。

3、改造后的效果

经过对充填系统的一系列改造，石人溝铁矿最终实现了充填系统的高浓度连续放砂、连续充填工艺，单套充填系统日充填能力达到2500m3以上。同时大大降低了职工的劳动强度，并且节省了人力成本，改造后充填现场由5-6人降低到目前的1-2人。

结语：

石人沟铁矿连续型充填系统的改造成功，为该矿采用嗣后充填法采矿，治理井下采空区创造了必备条件，走出了一条绿色科学的发张之路，同时为该行业的创新发展积累了宝贵的经验。

参考文献：

[1]姚维信.高浓度大流量管输充填技术与工艺.科学出版社，2014，03

[2]吴爱祥.金属矿膏体充填理论与技术（精）.科学出版社，2015，10

作者简介：

解利俊，电气工程师，大学本科，毕业于内蒙古农业大学电气工程及其自动化专业，2008年参加工作，现在河钢矿业石人沟铁矿任职。