CN107587895A - 一种高浓度放砂、自动化控制的井下采空区的充填*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高浓度放砂、自动化控制的井下采空区的充填***。通过一种特殊设计的类平底结构的立式砂仓，造浆时仅通过高压水进行多点化、流态化水力造浆，并通过单管垂直放砂，产生虹吸力，实现高浓度造浆、稳定放砂；并将自动控制***引入井下采空区充填***中，使整个综合自动化***分层三层结构：设备层、控制层、管理层。分别承担对充填的工艺监测、控制调整与控制操作管理等，从而保证充填自动化控制。本***可控制充填成本、降低能耗、稳定充填料浆浓度和质量，同时可对设备的运行状态进行实时跟踪、监控、控制，减少操作人员数量和劳动强度，具有较高的经济和社会效益。

Description

一种高浓度放砂、自动化控制的井下采空区的充填***

技术领域

本发明涉及采空区填充技术领域，尤其是涉及一种井下采空区的充填***。

技术背景

井下采空区的充填是矿山生产工艺中最重要的一环之一，充井下采空区填质量的优劣对于矿山，尤其是步入深部开采的矿山，在控制地压，提高资源回收率，降低矿石贫化与损失等涉及矿山经济效益等方面起着关键性作用。

在一般矿产中，例如山东黄金集团股份有限公司新城金矿，其充填***多年来一直依赖人工对生产过程中的重要工艺参数，如：砂仓料位、充填料浆浓度、水泥添加量等。如此导致充填原料配比不准确，井下采空区充填体固化后强度未能达到预期要求，且工人劳动强度大，各充填子***间难以沟通、协调，充填质量不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种高浓度放砂、自动化控制的井下采空区的充填***，用以解决充填料浆制备过程中，人工控制充填原料配比不精确、各子***间难以协调、充填料浆配比质量难以控制和监测，且放砂浓度低，经常造成管线堵塞的问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种高浓度放砂、自动化控制的井下采空区的充填***，它包括选厂和采空区，选厂通过尾砂泵和旋流器连接有砂仓，砂仓还连接有用于测定砂仓内尾砂体积的重球料位器；所述充填***还包括互相连接的高位水池和生产水池，高位水池和生产水池中均安装有用于测定水位的超声波液位计；生产水池通过水泵和水管连接有带有电动开关阀的水包；所述砂仓为立式砂仓，砂仓底部设计成一个上部宽下部略窄的圆台；水包通过带有电磁流量计的造浆水管连接有造浆环形水管，其中造浆环形水管位于所述圆台内并且开设有多点布置的造浆嘴；造浆环形水管位置均低于水包的最低液位；砂仓底端口连接有放砂管，放砂管上自上至下依次安装有电动铸石球、电磁流量计、浓度计和电动管夹阀；放砂管下端连接有搅拌桶；放砂管与水泵之间还连接有一条下砂冲洗管路，该下砂冲洗管路带有电磁流量计和电动开关阀，并且一端连接在电动铸石球阀上方；高位水池通过带有电磁流量计的补水管路连接所述搅拌桶；

所述充填***还包括料仓，料仓通过打灰管连接有水泥运输车，在料仓出料口处安装振打器，料仓的出料口连接有双缸格轮给料机，双缸格轮给料机的出料端连接有螺旋计量秤，螺旋计量秤的出料端通过管路连接所述搅拌桶；搅拌桶连接有带有雷达料位计的副桶，副桶通过依次布置的电磁流量计、浓度计和电动三通换向阀与所述采空区相连接。

进一步地：所述充填***还包括控制器；重球料位器、超声波液位计、电磁流量计、电动开关阀、螺旋计量称、雷达料位计、浓度计、电动管夹阀和三通换向阀分别连接所述控制器。

进一步地：所述造浆环形水管包括上环形水管和下环形水管，上环形水管上的造浆嘴朝向砂仓的侧壁，下环形水管上的造浆嘴朝向砂仓的顶部。

进一步地：所述上环形水管上的造浆嘴在t时刻的总喷水流量：

下环形水管上的造浆嘴在t时刻的总喷水流量：

上述两组公式中，Q₀为基准流量，Q_A为上环形水管喷水流量的变化幅度，Q_B为下环形水管喷水流量的变化幅度，Q₀＞Q_A且Q₀＞Q_B，T为流量波动的周期。

进一步地：Q_A＞Q_B。

本发明的积极效果在于：

(1)、本发明采用了一种特殊形状的类平底结构的立式砂仓，将砂仓底部结构设计成一个上部宽下部略窄的圆台，该圆台空间用于安装环形喷水管。取消风水联动造浆方式，内部仅设置几条高压水路，通过多点布置的造浆嘴，利用内部桨体流动压力差引导外部沉积层缓慢同步下落，从而进行多点流态化高浓度造浆。同时将砂仓底部的放砂管“L”型布置，使放砂时能够产生一个向下的虹吸力，加速放砂，使整个放砂造浆过程稳定、高浓度、高效率。本发明实现了稳定造浆、高浓度放砂，提高了各工艺间充填原料的配比精度，达到了提高充填质量、避免充填原料的浪费、降低充填成本的目的。

(2)、本发明引入自动控制***，将整个***分成三层：管理层、控制层与现场设备层。管理层通过给定控制层给定的充填料浆浓度确保充填料浆的浓度、质量达到要求。控制层对现场设备层进行设备开关、管理、监控。现场设备层内的监控设备将各子***中充填料浆的配比情况、浓度情况进行监控，并将信息及时反馈回控制层。

(3)、将水泥、分级尾砂，加水按照给定浓度形成充填料浆，将充填料浆输入井下采空区，经固化形成高强度的充填体。

(4)、上环形水管和下环形水管的造浆嘴分别朝向砂仓的侧壁和顶部，一方面避免砂浆在侧壁堆积，另一方面使砂仓中间部位和周围侧的喷水量随时间波动且此消彼长，加速砂浆的混合。

附图说明

图1为本发明现场设备层一个实施例的结构和工作原理示意图。

图2是本发明造浆水管及其造浆嘴的布置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述。

本发明的***包括管理层、控制层与现场设备层。管理层通过给定控制层设定的充填料浆浓度确保充填料浆的浓度、质量达到要求。控制层对现场设备层进行设备开关、管理、监控。现场设备层内的监控设备将各子***中充填料浆的配比情况、浓度情况进行监控，并将信息及时反馈回控制层。

在控制层中输入给定的充填料浆浓度，控制层按照给定浓度将选厂尾砂、水和水泥按照给定比例配置成充填料浆，并将所述充填料浆填充在井下采空区，经固化形成充填体。

控制层与现场设备层，现场设备层包括就地检测仪表、执行机构和电机控制设备。设备之间采用标准4-20mA信号或者标准数字量IO信号连接；控制层和信息层即操作员站、工程师站的连接，采用100Mbps工业以太网连接，可以实现与设备层和信息层的高效互联、互通，确保网路效率和数据流的合理性。

如图1所示，现场设备层的实施例包括选厂25和采空区23，选厂25通过尾砂泵和旋流器1连接有砂仓2。开车后，选厂25的尾砂经尾砂泵输送至砂仓顶部的旋流器1，经旋流器1分级后的尾砂作为充填骨料沉入砂仓2中。砂仓2还连接有用于测定砂仓内尾砂体积的重球料位器3，重球料位器3的作用是将砂仓内尾砂体积数据传回管理层，管理层根据此信息进行检测，追踪。

本实施例还包括互相连接的高位水池6和生产水池7，高位水池6和生产水池7中均安装有用于测定水位的超声波液位计，超声波液位计的作用是将高位水池6和生产水池7内的水位数据传回管理层，管理层根据此信息进行检测，追踪。生产水池7通过水泵8和水管连接有带有电动开关阀11的水包9，水包9通过带有电磁流量计10的造浆水管连接有造浆环形水管26，结合图1和图2，其中造浆环形水管26位于砂仓2内部底端并且开设有多点布置的造浆嘴5。造浆环形水管26位置均低于水包9的最低液位。

所述砂仓2为立式砂仓，砂仓底部设计成一个上部宽下部略窄的圆台。这种形状能够确保造浆环形水管26具有安装空间以实现造浆嘴5的多点布置。

所述造浆环形水管26包括上环形水管和下环形水管，上环形水管上的造浆嘴5朝向砂仓2的侧壁，下环形水管上的造浆嘴5朝向砂仓2的顶部，确保喷水均匀，同时避免砂浆在侧壁堆积。

为进一步加速混合，对环形水管的流量进行如下控制：

所述上环形水管上的造浆嘴5在t时刻的总喷水流量设定为：

下环形水管上的造浆嘴(5)在t时刻的总喷水流量设定为：

上述两组公式中，Q₀为基准流量，Q_A为上环形水管喷水流量的变化幅度，Q_B为下环形水管喷水流量的变化幅度，且Q₀＞Q_A＞Q_B，T为流量波动的周期。Q_A＞Q_B的设置，能够在保证侧壁冲洗效果的前提下，避免中部涌动过于激烈，影响顶部进料。

通过上述流量控制，可使砂仓2中间部位和周围侧的喷水量都随时间波动，且此消彼长，加速砂浆的混合。

砂仓2底端口连接有放砂管27，放砂管27上自上至下依次安装有电动铸石球19、电磁流量计10、浓度计20和电动管夹阀21。放砂管27下端连接有搅拌桶4。放砂管27与水泵8之间还连接有一条下砂冲洗管路，该下砂冲洗管路带有电磁流量计10和电动开关阀11，并且一端连接在电动铸石球阀19上方。高位水池6通过带有电磁流量计10的补水管路连接所述搅拌桶4。

一般情况下，供水工作由生产水池7完成，其水源来自高位水池6。高位水池6一般不直接进行供水，仅在搅拌桶4缺水时进行供水，对搅拌桶4进行补水。生产水池7分两条水路保证充填料浆调配时的供水任务。其中一条水路为造浆水路，供砂仓造浆用水；另一条水路为下砂冲洗管路，在充填料浆浓度过高时供水，从而调节料浆浓度。每条水路上均需通过电磁流量计10和电动开关阀11对给水量进行控制。

本实施例还包括料仓12，料仓12通过打灰管13连接有水泥运输车14，在料仓12出料口处安装振打器15，料仓12的出料口连接有双缸格轮给料机16，双缸格轮给料机16的出料端连接有螺旋计量秤17，螺旋计量秤17的出料端通过管路连接所述搅拌桶4。

搅拌桶4连接有带有雷达料位计18的副桶22，副桶22通过依次布置的电磁流量计10、浓度计20和电动三通换向阀24与所述采空区23相连接。

料仓12通过打灰管13从水泥运输车14中吸取水泥。在料仓12出料口处安装振打器15，其目的在于使水泥能够连续、稳定地输送到双缸格轮给料机16中，防止管道堵塞。水泥通过双缸格轮给料机16给料，并经由螺旋计量称17测定后，即可将水泥给料至搅拌桶4内进行进一步的配比工作。其中螺旋计量称17、雷达料位计18分别与控制层相连，可随时对灰砂配比情况进行监控或终止操作，料仓12中水泥多少可由雷达料位计18监控。

砂仓内完成充填料浆的风水造浆过程后，即可通过电动铸石球阀19、电磁流量计10、浓度计20、电动管夹阀21汇入搅拌桶4内与水泥混合、搅拌至给定配比。搅拌桶4在进行充分搅拌后，充填料浆即可流入副桶22中准备充填至地下采空区23中。在采空区23被充填之前，副桶22中的充填料浆需要经过电磁流量计10和浓度计20监测、并由控制层监测合格后方可通过电动三通换向阀24对采空区23进行充填。这里电动三通换向阀24的作用是联通不同的地下充填管路，使充填料浆能够对预定采场进行充填。

工作时，开启高压水泵，打开造浆水阀门，水由高位水池6流入生产水池7，经水泵8加压，给水至水包9，水包9中的水经由电磁流量计10和电动开关阀11后放入砂仓2。造浆水管26完成2分钟的高压力冲洗造浆嘴5后，调低造浆水管26压力为0.5兆帕，即可打开搅拌桶前面的电动管夹阀21正常放砂充填。造浆开车整个时间不超过5分钟，操作简单快捷。其中电磁流量计10通过控制电动开关阀11可进一步的控制进入砂仓水量的供给，进而确保砂仓内充填料浆的浓度。砂仓内尾砂与造浆嘴5喷出的高压水充分混合，达到一种平面流态化的状态，并可自行不断旋转搅拌，砂浆浓度高，并通过重力下放至放砂管27。放砂管27在布置时可设计为呈“L”型，砂浆下放流动时会产生负压，形成虹吸力，配合重力作用，大大的提高了出砂量，并使砂浆能够稳定自流，阻止其上向以及侧向流动。***工作时，造浆水管由两条独立的水路组成，彼此互不干扰，互不影响，单点出现故障时，其他地方仍可保持正常工作状态，不影响整个造浆过程，大大降低了故障点与检修率，减少了维护维护成本。

此种充填***可以将地下矿山采空区的充填自动化管理、控制，能够有效提高充填料浆浓度的稳定性，达到预期充填效果，避免充填事故的发生，降低充填成本，值得推广应用。

Claims (5)

1.一种高浓度放砂、自动化控制的井下采空区的充填***，它包括选厂(25)和采空区(23)，选厂(25)通过尾砂泵和旋流器(1)连接有砂仓(2)，砂仓(2)还连接有用于测定砂仓内尾砂体积的重球料位器(3)；其特征在于所述充填***还包括互相连接的高位水池(6)和生产水池(7)，高位水池(6)和生产水池(7)中均安装有用于测定水位的超声波液位计；生产水池(7)通过水泵(8)和水管连接有带有电动开关阀(11)的水包(9)；所述砂仓(2)为立式砂仓，砂仓底部设计成一个上部宽下部略窄的圆台；水包(9)通过带有电磁流量计(10)的造浆水管连接有造浆环形水管(26)，其中造浆环形水管(26)位于所述圆台内并且开设有多点布置的造浆嘴(5)；造浆环形水管(26)位置均低于水包(9)的最低液位；砂仓(2)底端口连接有放砂管(27)，放砂管(27)上自上至下依次安装有电动铸石球(19)、电磁流量计(10)、浓度计(20)和电动管夹阀(21)；放砂管(27)下端连接有搅拌桶(4)；放砂管(27)与水泵(8)之间还连接有一条下砂冲洗管路，该下砂冲洗管路带有电磁流量计(10)和电动开关阀(11)，并且一端连接在电动铸石球阀(19)上方；高位水池(6)通过带有电磁流量计(10)的补水管路连接所述搅拌桶(4)；

所述充填***还包括料仓(12)，料仓(12)通过打灰管(13)连接有水泥运输车(14)，在料仓(12)出料口处安装振打器(15)，料仓(12)的出料口连接有双缸格轮给料机(16)，双缸格轮给料机(16)的出料端连接有螺旋计量秤(17)，螺旋计量秤(17)的出料端通过管路连接所述搅拌桶(4)；搅拌桶(4)连接有带有雷达料位计(18)的副桶(22)，副桶(22)通过依次布置的电磁流量计(10)、浓度计(20)和电动三通换向阀(24)与所述采空区(23)相连接。

2.如权利要求1所述的高浓度放砂、自动化控制的井下采空区的充填***，其特征在于：所述充填***还包括控制器；重球料位器(3)、超声波液位计、电磁流量计(10)、电动开关阀(11)、螺旋计量称(17)、雷达料位计(18)、浓度计(20)、电动管夹阀(21)和三通换向阀(24)分别连接所述控制器。

3.如权利要求1或2所述的高浓度放砂、自动化控制的井下采空区的充填***，其特征在于：所述造浆环形水管(26)包括上环形水管和下环形水管，上环形水管上的造浆嘴(5)朝向砂仓(2)的侧壁，下环形水管上的造浆嘴(5)朝向砂仓(2)的顶部。

4.如权利要求3所述的高浓度放砂、自动化控制的井下采空区的充填***，其特征在于：所述上环形水管上的造浆嘴(5)在t时刻的总喷水流量：

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下环形水管上的造浆嘴(5)在t时刻的总喷水流量：

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上述两组公式中，Q₀为基准流量，Q_A为上环形水管喷水流量的变化幅度，Q_B为下环形水管喷水流量的变化幅度，Q₀＞Q_A且Q₀＞Q_B，T为流量波动的周期。

5.如权利要求4所述的高浓度放砂、自动化控制的井下采空区的充填***，其特征在于：Q_A＞Q_B。