某金属矿一键充填系统研究与应用

喻 甜 曾 露 尹 胜

（飞翼股份有限公司）

某金属矿于2021 年进行了充填试运行后，充填系统制备输送能力为80～100 m3/h，膏体浓度77%～79%，最长连续运行时间6～8 h，系统工艺流程较为顺畅，系统运行参数基本达到设计指标，同时该系统也出现浓密机压耙、充填料浆输送管道堵塞、充填料浆制备参数控制精度较差、操作较为不便等问题，需要对该系统进行升级改造，以保证系统平稳运行，并平稳达产。

1 系统存在的技术问题和难点

（1）尾砂给料浓度及流量的稳定性。尾砂给料采用的工艺流程［1］：选厂尾砂经深锥浓密机浓密后，其底流由渣浆泵输送至搅拌机。在试运行过程中输送至搅拌机的全尾砂浆浓度及流量波动较大，特别是在开机阶段其流量可在60～100 m3/h波动，最大甚至超过120 m3/h，虽可由渣浆泵电机频率及电动夹管阀开度进行调节，但受多因素影响，其自动调控作用有限。由于浓度特别是流量的波动导致尾砂干量的波动，从而给后续各材料的配比控制造成影响，进而影响膏体质量。

（2）配比控制精度及信号滞后问题。现水泥给料量及废石给料量采用定量控制模式。当尾砂干量波动时，水泥给料量及废石给料量并不随之自动调节，加之膏体浓度检测布置于膏体输送泵出口的充填管道上，由于搅拌机自身容积等因素影响，膏体料浆浓度及配比精度得不到及时自动调节，从而影响到膏体质量及输送性能。

（3）充填料浆浓度及管道压力波动。各物料配比的波动必然导致充填料浆浓度及粒级组成的变化，从而使膏体充填料浆的输送性能产生变化。由于输送管道长度超过2 500 m，且向下输送高差达500 m以上，当充填料浆浓度较低或-20 μm极细颗粒含量＜15%时，易于产生离析、输送阻力变化较大等现象，增加堵管风险。

2 解决方案

针对充填系统存在的问题，提出如下解决方案。

（1）全尾砂废石膏体泵送充填系统整体控制架构设计及软件开发。在对充填工艺［2］、控制参数及其逻辑关系［3］进行充分研究的基础上，设计覆盖膏体充填料浆制备、输送全工艺过程的控制系统架构，开发相应的控制软件，从而使充填系统运行得到有效调控。

（2）膏体制备过程的智能控制技术及一键充填。在实现多回路自动控制［4］的基础上，将尾砂干砂量作为主控参数，对其他配比物料流量进行自动调节；针对信号滞后影响，采用先进的PID、RC 滤波、数据滤波等算法和比例曲率等函数，实现膏体配比的智能控制；将系统所有设备运行参数、仪表信号等接入中控室，编制合理的开停机程序，实现一键充填。

（3）工艺保障技术研究及设备工艺改进。对现有造浆水路、冲洗水路、浓密机自循环管路等进行适当改造，加装相应检测仪表，同时对系统核心设备设置与充填工艺相适应的运行参数，为充填系统稳定及设备安全运行提供保障。

（4）基于充填管道压力检测的膏体充填泵运行参数调控及防堵管技术。于充填管道主中段布置多组压力转感器并将其信号传输至中控室，在分析管道压力变化趋势及充填系统运行参数的基础上，对充填料浆配比及膏体充填泵运行参数进行调节，以实现膏体充填料浆的顺利输送，防止堵管事故的发生。

（5）数据库建立、主控画面优化及功能延伸。建立充填系统运行参数、报警记录、事故处理等数据库，设置逻辑关系清晰、层次分明的主控画面并具备延伸功能。

3 智能化控制系统改造

3.1 总体方案

智能化控制系统［5］负责实现整个充填系统的一键式自动化运行，包括全尾砂浓密系统+废石上料计量系统+水泥给料系统+调浓水系统+搅拌泵送系统+管路阀组系统等环节的自动化控制和异常报警等环节的自动化控制。整个智能化控制系统分现场操作箱手动控制和计算机自动控制两部分。现场安装就地控制操作箱，设备现场控制可以在控制箱上完成，避免因PLC电气故障影响系统的正常使用。操作室远程操作和现场控制箱就地操作可以进行无扰动切换。

采用多原料充填系统连续配料的复杂工艺，充填体强度要求高且需稳定，连续稳定精确配比是保证充填质量的关键，要求控制系统更加自动化、智能化，使生产作业流程安全高效、充填质量稳定。

飞翼股份凭借在尾砂胶结充填领域强劲的研发能力和丰富的实践经验，设计开发了“全尾砂胶结智能化控制系统”，以保证尾砂胶结充填的持续生产能力和充填质量为目标，针对充填系统各工艺过程设计可靠的控制方案，采用全景状态监测对工艺过程和设备运行状态进行监测和分析，持续改进工艺过程的控制，发现系统和设备的异常表现并进行预案处理，形成一个智能化充填系统［6］。

3.2 总体架构

按照网络架构（图1）［7］将自动化系统分为浓密机耙架控制（采用S7-1200 成品机柜）、絮凝控制（采用S7-1200成品机柜）、浓密机底流（采用S7-300成品机柜）［8］、搅拌机子系统（采用S7-1200成品机柜）、新增废石子系统（采用S7-1500成品机柜［9］）、泵送子系统（采用S7-300成品机柜）、水泥子系统共7个子系统，6个子系统通过以太网实现控制系统组网，水泥子系统通过硬接线接入到中控PLC柜［10］。子系统分别就地安装于现场的各指定机柜中，每个机柜只安装一个站点，用于完成就近仪器仪表的数据采集、执行结构的过程控制及就近子系统的工艺流程控制。

根据现场工艺流程要求，实现全流程整体自动控制。通过对充填过程中产生的大量数据进行采集、存储和分析，挖掘隐藏在数据中的有价值信息，帮助优化充填工艺和提高生产效率。数据分析技术能够识别出充填过程中的关键参数和影响因素，找到最佳的控制策略和优化方案，保证充填系统输出质量稳定。

3.3 智能控制

3.3.1 一键充填

在矿山开采过程中，为了确保矿山的稳定性和安全性，通常需要进行填充处理。传统的填充方式可能需要大量的人力和时间，而一键充填则能够提高填充的效率和准确性。一键充填通常指的是按照充填工艺和配方，操作员点击“一键充填”后，充填自动控制系统依照充填任务单，自动运行，若运行过程中有异常情况，则可以按下“一键充填停止”键，系统则按照流程自动停止。所有过程全靠智能化程序和逻辑运算、算法来运行。具体的软件架构和硬件架构见图2和图3。

该阶段充填自动控制系统以配方和泵送能力确定各物料（尾砂、废石、水泥、调浓水、絮凝剂等）的目标给料能力，实时监控物料实际能力，对比分析实际数据与目标数据的偏差，根据模型算法自动调整设备进行能力纠偏，使得各物料实际数据与目标数据的偏差在允许误差范围内。对充填过程中温度、液压油位、充填方量、充填浓度、充填流量、充填液位等参数实时监测和控制。采用人工智能、机器学习和模型预测等算法，通过对历史充填数据的分析和建模，预测充填过程中的最佳参数配置和最优化控制策略。这些算法能够根据实际情况进行自适应调整，提高充填过程的稳定性和效率。整个系统自动运行，运行到累计充填方量达到设定充填参数后，系统自动停止配料，进入下一个阶段。

当系统停止配料后，自动进入充填管路清洗阶段，系统按照工艺参数里面的清洗管路时间，自动给水至搅拌机清洗设备，清洗水经底流输送泵泵送，清洗整个充填管路，待达到设定的清洗管路时间，停止给水，最终启动风水联动装置，清洗管路，充填结束。

3.3.2 状态监测

状态监测系统在一键充填系统之外对工艺过程和设备进行实时监测和预警分析，并对数据进行分析处理。系统运行中会产生大量数据，数据采集并形成数据库。数据主要有进砂流量、浓度，浓密机油压，泥层高度，絮凝剂溶液添加流量，底流循环流量，浓度，至搅拌机的尾砂浆输送流量、浓度，水泥给料量，废石给料量，补充水流量，第二级搅拌机料位，充填膏体输送泵油压，井下沿程压力传感器压力等信号。通过对工艺过程的运行控制参数和监测参数进行数据挖掘分析，提前发现系统工艺过程异常征兆，并进行预警报警处理，保证工艺过程稳定可靠。在整个充填过程中，运行数据保存在服务器中并始终在分析系统和设备的状态，为系统安全可靠运行提供有力的保障。

3.3.3 3D数字孪生系统

某金属矿一键智能充填平台（图4）正是基于数字孪生技术，使企业远程智能化控制成为可能，企业远程智能化控制的实现可以大大减少现场人员配置，降低现场智能化控制成本，提高服务效率。智能充填平台包含了充填系统的操作和远程监控，主要是以充填无人化为特征的设备状态的远程监测，还包含了远程诊断、远程维护保养和远程专家数据分析决策等。不论工厂工程师和工艺专家身在何处，都可以使用远程智能化控制来监控生产过程，提供智能化控制支持，并根据需要快速排除问题。数字孪生是充填数字化转型快速有效的使能技术，基于数字孪生建立矿山智能管控系统，对充填设备进行实时监控，便于技术人员和专家为矿山提供更好的远程服务，对采集到数据进行智能分析，优化充填运营。在此基础上创建适用于充填的数据分析算法，使海量数据可以有效地被用于分析决策。通过算法逐步提高系统自主分析决策能力，实现充填高水准可视化运维、智能化运转，为充填任务降本增效，保证充填任务高效、安全地进行，有效延长设备使用寿命，增强充填安全保障，提高生产经营效益，向建设本质安全型无人化智能充填模式迈进，是实现智能充填的核心竞争力。

4 结 论

采用一键充填技术实现了多个参数的单回路自动控制或多参数联动控制。如水箱自动补水，絮凝剂自动添加，干砂量、水泥、废石定量给料的自动调节，二段搅拌机料位与膏体输送泵的联动控制等。实现了系统一键顺序开机及顺序停机，充填正常作业过程中，膏体制备及输送参数得到了有效的调控，从而使系统在设定参数下稳定运行。建立了充填系统运行参数数据库。可对系统运行数据（包括报警记录等）进行历史曲线查询，同时还设立了生产数据报表，以便于生产管理。

某金属矿采用一键充填技术可以提高填充作业的效率和安全性，减少人力和时间成本。同时，它还可以确保矿山开采后的空区得到合理填补，防止地表塌陷和资源浪费。通过远程监测可以直接查看现场设备当前的情况。系统应用后，减少工位人员12名，包括中控操作人员、机电人员、维护保养人员、实验人员以及检修工作人员等，在改善原来控制系统的同时，达到了降本增效的效果。

智能化控制系统通过对底流泵频率和夹管阀的调节，同时引入浓度因素，使用专有控制算法，达到统一调度、混合控制的目的。实际调节分正常工控、不稳定工况及异常工况3 种模式，稳定工况下，干砂流量控制比较平稳，平均偏差在3%以内；不稳定工况下流量会有上下波动，平均偏差在5%以内。异常工况下，在短时间的大幅波动过后，快速将流量拉回至正常值，可实现全程自动控制的要求。通过对调浓阀调节，将浓度控制在稳定状态，防止浓度突变导致的干砂流量不稳。通过进砂流量浓度启动絮凝剂制备系统及投加泵，同时计算对应投加泵频率，实现絮凝剂系统的无人值守。