2016, Vol. 7引用本文 |
| 充填系统稳定性的在线监测及评价 |  [PDF全文] |
数字化矿山建设是未来矿山发展的方向之一，矿山建设正朝着无人化、机械化、智能化方向发展[1-5]. 随着国家对环境保护越来越重视，加上充填采矿法具有较低的贫化率和较高的回采率，能够充分利用现有资源，并且能够控制地表的沉陷及控制地压等特点[6]，充填采矿法得到越来越广泛的应用. 充填系统的稳定对矿山正常运营起着至关重要的作用，但是充填系统较为复杂，对充填系统的稳定性监测就显得极为重要. 充填作业分为3个阶段，一是充填材料的准备，二是浆体的制备，三是浆体的输送[7]. 矿山的充填系统包括浆体输送系统、浆体制备系统、原料供给系统、采区系统和其他因素[8]，按照这4大充填系统构建充填系统稳定性在线监测方案，使矿山充填系统朝着数字化建设方向发展更进一步.
1 监测方案构建 1.1 原料供给系统监测充填原料包括骨料、胶凝剂、水、添加剂.充填尾砂的监测包括物理和化学方面的监测. 物理力学性能监测包括全尾砂粒径、比重、容重、孔隙率、稠度、黏度等，这些对水力输送、充填质量、充填能力有较大的影响，针对不同目的选择监测仪器，如粒度仪、比表面仪、密度仪等. 化学方面监测内容包括化学成分、酸碱性等，如果含有有毒有害物质，充填到井下不仅会污染环境，对充填设备也会造成一定的损害，这对充填系统的稳定是不利的[9]. 水的酸碱性对水泥的活性有影响，也会对充填设备造成损害，在进入制备系统前须对其进行监测分析. 胶凝剂大部分矿山使用的是水泥，水泥的监测确保其没有失效，水泥活性在正常范围，否则水泥与水不能产生正常的水化反应，影响充填体强度. 原料供给系统是矿山充填的基础，应该作为重点监测对象. 目前这方面监测主要还是靠人工完成，化学成分的在线监测设备在不久的将来将会实现，将为原料供给系统的在线监测提供可能.
1.2 浆体制备系统监测制备系统监测主要为充填配比的实时监测，灰沙比、溶度、水灰比是影响充填体强度的重要因素[10]，充填体强度太低，不能满足生产要求，太高则增加充填成本. 对骨料、水泥、水、胶凝剂给料量严格控制，可以降低生产成本，提高充填质量. 对采用活化搅拌技术的矿山，活化搅拌机的转速、搅拌时间对充填体的强度和流动性影响较大，所以对搅拌机的转速、时间控制非常重要. 浆体制备系统监测实质是确保各成分的量，从而确保料浆的溶度，使其满足输送和生产需要. 可使用冲板流量计监测水泥给料量，流量计监测水泵流量、尾砂流量、浆体流量，同位素溶度仪监测浆体溶度变化. 浆体制备系统监测示意图如图 1所示[11]，通过对水量、尾砂量、水泥量等监测，及时发现问题并修正参数，如水泥量可以通过电动阀2控制，尾砂量可以通过电动阀3控制，水泥量通过螺旋给料机控制，使浆体溶度满足生产需求.
 |
| 图 1 浆体制备系统监测示意 Fig. 1 monitoring map of slurry system |
1.3 浆体输送系统监测
矿山充填目前大多数是采用管道输送浆体，由于浆体的特殊性，在输送浆体过程中，与管道之间产生摩擦，日积月累，使管道发生泄露，情况严重的将影响矿山的正常生产. 由此，浆体输送系统稳定性监测也显得非常重要，监测的内容主要集中在管道的泄露监测，在发生泄露处前后，管道的浆体流量、压力会发生较大改变，对管道流量、压力的监测可及时发现泄露信息，及时向用户报警.流量计、压力计是目前常用的监测工具，要及时发现泄露点，目前先进的方法是声波法，其基本原理如下：在泄露处会产生压力波动，以弹性波的形式进行传播，可以通过声波传感器接受，接受到的弹性波一般含有噪声，可通过小波去噪分析确定点源. 其工作原理如图 2所示，可在泄露点下游设置音波传感器，接收泄露点发射的弹性波，按照一定的技术手段推测泄露点位置，用户可以及时地采取适当修补措施或替换管道确保浆体输送系统的稳定.
|
| 图 2 声波法泄露监测技术工作原理 Fig. 2 Working principle of acoustic leakage monitoring technology |
1.4 采区系统监测
采区系统监测主要包括充填体稳定性监测、充填挡墙的稳定性监测. 采空区在回填充填过程中，由于产生较大的水平压力（沿挡墙方向）导致墙体变形因而可能产生挡墙破坏现象.挡墙破坏致使未胶结、未脱水充填料浆冲出巷道极易造成重大安全事故，由于充填料浆特殊的力学性能及水力输送的流动性，使挡墙受力条件变得更加复杂，有必要对充填挡墙的稳定性进行监测. 可利用数字式传感器土压力计测量在充填过程中及后期各安装点局部的受力大小，用测斜仪测量充填挡墙的变形、位移大小. 考虑在充填过程矿砂所含有的水需要通过墙体管道排放，建议选择2个不同高度管道放置渗压力计，通过渗压大小可以判断渗水排放情况及时了解矿砂的固化时间，挡墙在矿砂固化时的受力大小及变形情况.土压力和渗压安装示意图如图 3所示，测斜仪安装如图 4所示. 充填体的变形可以通过顶底板的下沉量来测得，即通过顶底板变形仪监测，其结构如图 5所示[12]. 采区系统监测组成如图 6所示，通过此系统实时分析矿山充填过程中充填挡墙的受力、位移变化及充填体变形规律，自动实现实时的数据采集和预警预报，保证充填采区的稳定性.
|
| 图 3 土压力和渗压安装示意 Fig. 3 Schematic diagram of earth pressure and seepage pressure installation |
|
| 图 4 测斜仪安装示意 Fig. 4 Schematic diagram of installation |
 |
| 图 5 顶底板变形仪结构 Fig. 5 Structure of roof and floor |
|
| 图 6 采区系统监测组成 Fig. 6 Mining area monitoring system |
2 充填系统稳定性监测方案总布局
如图 7所示，建立矿山充填系统的监测网络，通过对不同子系统的实时监测，及时发现问题解决问题，确保充填系统的稳定性，维持矿山的正常运行.该系统包括传感器子系统、数据传输子系统、数据处理和控制子系统、辅助支持子系统.传感器子系统由冲板流量计、电子皮带秤、涡轮流量计、核子溶度计、液位变送器、核子料位计、测斜仪、压力盒、音波传感器、顶底板变形仪多种传感器融合的系统. 数据传输子系统由光纤、环网、无线网桥、2G/3G通讯模块等组合的灵活通信方案. 数据处理和控制子系统是整个监测系统的数据处理与分析中心及系统的监控中心，监控中心服务器实时采集、处理、存储、分析、显示、报警各类传感器数据. 辅助系统包括供电、避雷、综合布线等，保障整个系统在各种环境下安全、稳定、长时间连续工作. 充填监测系统要求监测灵敏度高、精确度要好，系统能够实现24 h自动监测，监测数据保证稳定性输送.
|
| 图 7 充填系统监测示意 Fig. 7 Schematic diagram of filling system |
3 充填系统稳定性评价
目前充填系统的稳定性评价方法主要有层次分析法和模糊综合评判[13-15]，王石等利用系统动力学的方法对充填系统的稳定性进行预测[16]，张钦礼采用可拓学原理对充填管道输送可靠度进行分析[17]. 三角图法作为系统的评价和分类的应用比较广泛[8, 18-20]，该方法结果较为直观，基于此，作者提出运用三角图法对充填系统的稳定性进行评价，以此为充填系统的稳定性评价研究提供新的思路.
3.1 三角图法矿山的充填系统有浆体输送系统、浆体制备系统、原料供给系统、采区系统和其他因素，其中浆体输送系统起主要作用，其次为浆体制备系统，最后为原料供给系统[8]. 则充填系统的稳定性可由原料供给系统稳定性、浆体制备系统稳定性、浆体输送系统稳定性近似表示，即RT=RW+RS+RP，其中RT为充填系统稳定性，RW为浆体输送系统稳定性，RS为浆体制备系统稳定性，RP为原料供给系统稳定性.
对充填系统的稳定性评价主要根据RW、RS、RP在RT所占的比例大小. 如图 8所示，在三角形ABC内，A点代表充填系统稳定性的RW'（RW'为RW在RT所占的比例大小，下同）为100 %，在B、C 2点的RW'为0，B点代表充填系统稳定性的RS'为100 %，在B、C 2点的RS'为0，C点代表充填系统稳定性的RP'为100 %，在B、C 2点的RP'为0. 如图 8所示，在三角形内任意的J，过J分别作3边的平行线，HE、IF、GD分别为RS'、RW'、RP'的值，且RW'+RS'+RP'=1，则充填系统的稳定性可以直观的表示出来[20-23].
|
| 图 8 三角图法示意 Fig. 8 Triangular diagram method |
3.2 界定评价标准
将浆体输送系统、浆体制备系统、原料供给系统的R'值按表 1划分3个等级.如此，充填系统的稳定性等级也划分成3个等级，如图 9所示.
| 表1 RW'、RS'、RP'等级划分 Table 1 RW '、RS'、RP' classification |
 |
| 点击放大 |
|
| 图 9 三角形图法的评价标准 Fig. 9 Evaluation criteria of Triangle Chart |
3.3 指标选取
按照上述3个主要的充填系统构建充填系统稳定性评价的指标体系[8](表 2).
| 表2 充填系统稳定性评价指标体系 Table 2 Stability evaluation index system for filling system |
 |
| 点击放大 |
3.4 建立模型
按照上述指标建立如表 3所列评价模型.
| 表3 充填系统稳定性评价模型 Table 3 Stability evaluation model for filling system |
 |
| 点击放大 |
3.5 评价结果
根据上述RW、RS、RP和RT值，求出RW'、RS'和RP'，构建三角形图，得到充填系统稳定性等级，如表 4所列.
| 表4 RT等级划分 Table 4 RT classification |
 |
| 点击放大 |
如表 4所列，如果RT等级为低，说明3个系统中，1个稳定性程度高，另外2个系统稳定性程度低，应该加强稳定性程度较差的系统整改，提高系统的稳定性；如果RT等级为中等，说明其中1个系统稳定性中等，另外2个系统稳定性较差，整改力度要小于RT等级为低时；如果RT等级为高等，说明其中1个系统稳定性低，另外2个为中等稳定，或者3个都是中等稳定性，充填系统稳定性较好，不需要对系统做大的整改.
4 结束语通过上述分析，原料供给系统、浆体制备系统、浆体输送系统、采区系统可作为矿山充填系统的监测子系统，充填系统的稳定性离不开各个子系统的稳定.此方案具有可行性，对各子系统的实时监测确保充填系统的稳定，从而为矿山的正常生产提供保障.充填系统稳定性评价中主要考虑到浆体输送系统、浆体制备系统和原料供给系统这3个系统在充填系统稳定性中的重要作用，运用三角图法分析充填系统的稳定性，该方法较为直观，可根据充填系统的稳定性等级，提出提高充填系统稳定性的技术措施.本次划分充填系统稳定性等级较少，读者可以根据情况所需，将充填系统稳定性等级划分多个等级.该方法具有片面性，充填系统是大复杂系统，对其稳定性评价应全面考虑各个影响充填系统稳定性因素，不只是考虑其中几个，但可为充填系统稳定性评价提供借鉴.
| [1] | 吴立新, 汪云甲, 丁恩杰, 等.三论数字矿山——借力物联网保障矿山安全与智能采矿[J]. 煤炭学报,2012 (3):357–365. |
| [2] | 李白萍, 赵安新, 卢建军.数字化矿山体系结构模型[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2008 (6):829–831. |
| [3] | 伍佑伦, 路军, 胡建华, 等.远程地压监控技术在地下矿山中的应用研究[J]. 岩石力学与工程学报,2007 (增刊1):2815–2819. |
| [4] | 邱宇, 王进, 肖凌.基于Digital Mine架构的开磷现代化矿山建设[J]. 有色金属科学与工程,2010,1 (2):69–72. |
| [5] |
SCOBLE M. Canadian mining automation evolution: the digital mine en route to minewide automation[J].
International Journal of Rock Mechanics & Mining Science & Geomechanics Abstracts, 1995,32 (990):351A–354A. |
| [6] | 张海波, 宋卫东, 许英霞.充填采矿技术应用发展及存在问题研究[J]. 黄金,2010 (1):23–25. |
| [7] | 王新民, 肖卫国, 张钦礼, 等. 深井矿山充填理论与技术[M]. 长沙: 中南大学出版社 , 2005 . |
| [8] | 李夕兵, 魏威, 赵彬.充填系统稳定性评价指标体系的构建及定量分析[J]. 科技导报,2013 (31):43–47. |
| [9] | 周生, 惠林.尾矿特性对充填工艺及胶结强度的影响[J]. 中国矿山工程,2011 (3):10–12. |
| [10] | 赵国彦, 马举, 彭康, 等.基于响应面法的高寒矿山充填配比优化[J]. 北京科技大学学报,2013 (5):559–565. |
| [11] | 彭倩. 矿山充填的自动控制研究与应用[D]. 西安: 西安科技大学, 2011. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10704-1011300209.htm |
| [12] | 张新国, 江宁, 江霞, 等.采空区膏状充填体在线监测系统研制[J]. 金属矿山,2011,40 (11):132–134. |
| [13] | 陈长杰, 蔡嗣经.金川二矿膏体泵送充填系统可靠性研究[J]. 金属矿山,2002 (1):8–9. |
| [14] | 冯巨恩. 金属矿深井充填系统的安全评价与失效控制方法研究[D]. 长沙: 中南大学, 2005. |
| [15] | 王鹏宇, 冯光明, 戚洋, 等.新型高水材料巷旁充填系统可靠性分析[J]. 金属矿山,2012 (4):27–31. |
| [16] | 崔磊, 杨宝贵, 郭海龙, 等.煤矿高浓度胶结充填系统可靠性评价研究[J]. 中国安全生产科学技术,2012 (8):120–124. |
| [17] | 张钦礼, 王石, 谢盛青.基于FMEA的金川龙首矿充填系统失效风险模糊评估[J]. 武汉理工大学学报,2012 (34):115–119. |
| [18] | 王石, 张钦礼, 王新民.SD在金川龙首矿充填系统稳定性预测中的应用[J]. 中国安全科学学报,2014 (9):159–165. |
| [19] | 张钦礼, 胡威, 高瑞文.基于可拓学的充填管道输送可靠度分析[J]. 中国安全科学学报,2012,22 (12):109–115. |
| [20] | 李福来, 双宝, 辛馨, 等.基于三角图法的矿山复垦评价研究[J]. 金属矿山,2009 (11):162–165. |
| [21] | 徐福留, 赵珊珊, 张颖, 等.经济发展可持续性状态与趋势定量评价方法研究[J]. 环境科学学报,2005,25 (6):711–720. |
| [22] | 李博, 韩增林.基于三角图法的沿海城市系统脆弱性分类方法研究[J]. 海洋开发与管理,2011,28 (11):99–102. |
| [23] | 詹巍, 徐福留, 赵臻彦, 等.区域生态系统景观结构演化定量评价方法[J]. 生态学报,2004,24 (10):2263–2268. |