山东微山湖某矿山是一座井下开采矿山，矿区位于微山县韩庄镇境内，设计生产规模为日采选矿石120t。矿山多年来一直选用浅孔留矿采矿，产生了巨大面积的采空区，未进行有效治理，随着开采深度的加大，矿山地压逐渐显现，加之矿山规模的进一步扩大，地压问题不仅严重影响矿山的安全生产，而且影响矿山贫损两率等技术经济指标。 

矿山固废充填采矿是解决空区地压显现、预防动力灾害、缓解地表变形沉降的重要方法。微山湖某矿山具有充填站一座，采用全尾砂胶结充填处理技术，但因为充填系统底流浓度低、充填工艺流程不畅和充填运行成本高等原因，并未取得满意的充填效果。

山东杰控公司通过现场调研，深入分析原有充填系统问题，以提高充填料浆质量、安全经济置换矿产资源为出发点，从充填全流程工艺配套实验、充填设备改造更新及工艺优化、“一键”智能充填系统建设开展系统研究，提出针对性的充填工艺与智能化升级改造方案，对于保障矿山高质量地压控制、安全开采、固废利用等具有重要的现实意义。

一、原充填系统概况

该矿山原充填系统设备设施配置包括：2座平底型立式砂仓，1座水泥仓，1台卧式搅拌机，1台立式搅拌机，1台80m³/h混凝土拖泵。充填系统配置如图1所示。

图1 充填系统配置

充填生产工艺为：选矿厂尾矿经渣浆泵泵送至2座立式砂仓，胶结充填所需胶固粉由散装水泥车运到充填站，通过气力输送装置将胶固粉输送至胶固粉仓内储存。需要胶结充填时，打开砂仓底的闸门和胶固粉仓下的叶轮给料机向搅拌装置定量给料。搅拌装置将尾砂浆和胶固粉进行搅拌后经拖泵泵送到充填孔。充填工艺流程如图2所示。

图2 原系统充填工艺流程图

原充填系统存在问题如下：

（1）井下开采地压显现，地压及采矿工艺对充填体质量要求尚不清楚。井下开采过程中已显现出地压特征，充填系统投入使用后，采矿工艺由浅孔留矿采矿法变为浅孔留矿嗣后充填采矿法，其中，充填体质量决定着开采安全性和物料充填配比，也直接影响充填成本。因此，充填体强度等质量关键指标的确定是保证经济安全开采和科学物料配比的前提。

（2）特殊水质要求高浓度低泌水充填，充填设备待更新、工艺待优化。 

①尾砂料浆易板结：原充填系统平底结构立式砂仓，极易造成料浆板结现象，引发充填流量不稳定、充填浓度低等系列问题，致使井下充填料浆排水量增加、环境污染。

②胶凝材料无计量：胶凝材料的准确添加是充填质量和充填成本控制的重要保证，现系统胶凝材料仓出口无计量装置。 

③充填料浆制备效果差：该环节是能否制备出合格充填料浆的关键，现充填系统制备系统通过压风进行搅拌混合，效果不佳。 

（3）缺乏自动化仪器仪表，智能充填有待实施，高质量充填无法实现。原充填系统缺乏仪器仪表监控，如流量、浓度、料仓液位的监测；缺乏设备、阀门等的智能控制，如电动阀门、泵的控制；充填全流程工艺信息监测储存缺乏，工作人员完全通过现场经验控制设备启停，造成充填料浆制备不精准、充填管道输送安全性不明、充填物料消耗信息缺乏、工人劳动强度大、充填成本增加、充填质量差等问题。

因此，构建一套智能充填系统，实现充填系统“一键”启停与智能调控，是完成充填系统升级改造、服务井下安全经济开采的必要措施。

二、充填工艺优化与智能化控制升级

1、充填工艺优化内容

针对原有充填系统存在的问题，对充填工艺进行了升级改造，改造内容包：

（1）对原有砂仓平底结构进行了锥体改造，增设风水联动造浆系统及絮凝剂添加和给料装置，提升了尾砂浆絮凝沉降效果，保证了砂仓高浓度、稳定、顺畅放砂。

（2）将原有风动卧式搅拌系统更换为高浓度立式搅拌系统，增设胶凝材料给料与计量装置，解决了原有搅拌系统制备效果差的难题，实现充填料浆高浓度、高质量精准制备。

（3）对改造后的充填工艺流程进行料浆取样，开展充填体强度实验，实验结果表明，充填系统改造后，充填浓度和充填体强度均显著提升，满足采矿工艺对充填体质量的要求，为资源的高效安全回采提供了有利的保障。

改造后的工艺流程见图3。

2、充填工艺改造方案

2.1 立式砂仓改造

针对原充填系统砂仓底流出料和充填系统不稳定等现象，对1100m3平底型立式砂仓进行锥体结构改造，解决了尾砂板结问题；增设风水联动造浆系统，对砂仓料浆进行充分活化，保证砂仓稳定高浓度放砂；增设絮凝剂添加和给料设备，加速尾矿浆与絮凝剂充分混合，尾砂浆絮凝沉降效果更好，很好地解决了尾砂过度堆积的问题。

图4 某充填站立式砂仓锥体结构加工及改造

改造后立式砂仓结构如图5所示。

图5 改造后立式砂仓结构

絮凝剂制备及添加装置为我公司自主设计研发的产品。该装置主要由溶液箱、搅拌箱、计量泵、液位计、电控柜、管路、阀门、安全阀、止回阀、压力表、过滤器、底座、扶梯等组成(可根据用户实际要求配置)。如图5所示。该装置可实现絮凝剂药剂的自动制备和添加，制备浓度范围可控制在0.001%~0.1%，可设置多个加药点，均匀分布在砂仓入料井上部。

充填智能控制系统可依据进入砂仓的尾砂浓度、流量数据，自动计算絮凝剂的应加药量，并通过调节絮凝剂添加设备，对絮凝剂进行跟随精准添加。

图6 絮凝剂制备及添加系统

2.2胶凝材料添加系统改造

原系统胶凝材料添加无计量添加装置，无法实现自动化控制，为此，增加稳流给料装置、螺旋给料添加设备及计量设备。同时，在水泥仓顶设置雷达料位计，底部锥体结构增设2个仓壁振打器。改造后，实现了胶固粉给料的远程自动控制和精准添加。经过现场标定后，胶固粉给料误差≤1%，保证了灰砂配比和充填体强度，节省了水泥用量。

图7 胶凝材料添加系统改造

2.3料浆制备系统改造

采用立式高浓度搅拌桶代替原料浆制备气动卧式搅拌装置，简化了充填工艺，提升了搅拌效果。水泥和尾砂直接进入搅拌桶进行搅拌，搅拌完成后由充填泵送至井下采空区，搅拌桶上设有料位计，用于搅拌桶内料浆高度检测。

改造料浆制备系统如图8所示。

图8 料浆制备系统改造

2.4 智能化控制系统

2.4.1 智能化系统架构

充填控制系统分为3层结构，即现场设备层、控制层和管理层，现场设备层由执行设备如立式搅拌机、螺旋给料机、充填泵、阀门等组成，以及检测设备如流量计、料位计、浓度计、螺旋秤等组成。

控制层由PLC控制系统、电控系统组成，其中电控系统可根据PLC指令控制设备的启停和调节，并具有现场手动操作功能，且手动功能优先级为最高；PLC控制系统的CPU与主控制室工控上位机通过工业以太网连接。管理层由人机交互计算机、数据存储服务器、充填自动化软件等组成，并预留矿级管理平台数据接口。

智能控制系统网络拓扑图如图9所示。

图9 智能化控制系统网络拓扑图

2.4.2 智能化软件功能

山东杰控采用WINCC软件来实现系统人机界面（HMI）的开发，全中文界面显示，工艺流程界面简洁清晰，对全部工艺过程、工艺参数、设备状态可以通过颜色变化、百分比、色标填充等手段动态显示并记录工艺参数，如搅拌机电流、泵压的变化曲线或趋势图，在控制图上可以通过鼠标和键盘对工艺参数进行修改，对工艺过程和控制设备按要求进行控制与调节。针对不同的操作者设置相应的加密等级，记录操作员及其操作信息；利用历史数据和实时数据建立各种必需的数据库，完成数据传送、日志统计和报表打印。

山东杰控开发的一键充填智能化软件包含控制功能如下：

（1）组态录入各类工艺参数；

（2）根据工艺要求对控制回路进行组态和优化；

（3）对各类工艺参数进行采集、分析、整理、存储、转发、显示；

（4）对工艺控制参数进行优化处理并用于控制工艺流程；

（5）对越限的工艺参数进行报警，实现事故时的紧急停车；

（6）实现设备的顺序控制和联锁；

（7）实现设备运行状态的显示；

（8）显示重要设备、工艺参数的历史趋势；

（9）各类生产报表的生成和打印；

控制界面如图10所示。

图10 智能化充填控制系统界面

2.4.3 一键充填智能化控制

传统的填充方式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。一键充填全流程智能生产是建立在对充填工艺充分理解和消化的基础上，对人为操作模式通过智能化控制系统来拟人化的实现，主要包含三部分内容。

（1）充填生产一键启动。如图11所示，在充填开始前，只需要操作人员设定好相关的参数，如采场编号、灰砂比、充填浓度、搅拌桶编号，随后点击一键充填按钮，系统将根据预先设置好的流程进行自动启动；启动过程中，具备应急处理功能，快速调整生产状态，达到充填生产的稳定控制。

图11 一键充填启动控制界面

（2）充填全流程正常生产稳态控制。相对于启动过程，稳态控制将在本次充填结束前持续投入工作，也是充填智能控制的核心内容。对生产过程中的波动能够自动纠偏和调整，故障报警及时有效；稳态过程中对充填浓度、流量、灰砂比等重要指标的控制准确、计量精准。若有超出范围的波动，智能控制系统会自动介入，并根据相应的逻辑控制进行处理。

（3）充填生产一键停车。如图12所示，在充填作业结束时，生产操作人员通过计算机实现一键停机，即由充填控制系统对充填生产流程实行按程序设计顺序停车。包括自动冲洗、关闭设备、自动形成生产报表等工作。

图12 一键停车控制界面

三、充填系统优化升级效果

充填工艺与智能化升级改造完成后，充填各环节均实现智能化一键控制，整体运行效果良好，充填料浆进入采场后基本不泌水、不离析，且能在采场内流平，整体性能好，充填料浆和采场出料口效果如图13所示。改造后充填系统实现了大流量无动力稳态造浆、精准自动物料添加与料浆高效制备、充填全流程一键智能化启停控制及充填过程中智能化稳态控制。立式砂仓底流浓度为64%~66%，充填料浆浓度为68%~72%，胶凝材料添加范围为1∶16~1∶4，充填能力为40~60 m3/h。同时大大降低了职工的劳动强度，节省了人力成本，改造后充填现场由5~6人降低至1~2人。

图13 充填料浆和采场出料口效果

四、结论

此次升级改造，成功构建了一套完整、先进、高效的似膏体智能化充填系统。该系统整体运行稳定，性能卓越，不仅显著提升了充填作业的质量，还有效解决了现场人工操作繁琐、工作负荷大、作业效率低等问题，赢得了业主方的高度评价与充分认可。

未来，山东杰控将继续秉承“诚信、专业、服务、共赢”的原则，继续加大在矿山智能化方面的研发与创新，为客户提供更优质的系统与服务，努力将山东杰控打造成矿山智能化领域的领航企业！