一、项目的提出

矿业作为国民经济的支柱性产业，对我国的经济发展起到了不可替代的作用。然而，矿山开采过程中的安全与环境问题，也制约着我国矿产资源的可持续发展。膏体充填是解决矿业开采引发的环境污染、安全隐患、资源浪费等问题的首选方法，经过多年的探索与实践，在膏体配料和长距离管道泵压输送理论与技术等方面取得了重大突破，实现了全尾固废的全部利用，解决了尾矿库排放安全与环境污染问题。同时在安全、环保、经济和高效等方面的综合技术优势在世界上得到了广泛认可和应用,被誉为21世纪绿色开采新技术。

目前常用的膏体充填回采控制技术，通常为地面膏体配料系统自动，井下输送及充填过程及控制手动进行，存在如下几个问题：①、井下手动操作工作量大，对熟练工和员工责任心的依耐性很强，不利于实施过程管理；②、由于线路长，井下路况条件不佳，故障处理难免有滞后，易造成堵管和跑浆；③、用工量大，招工难，不利于效率提升。借助有效的自动化控制，对井下充填闸阀和工艺过程进行控制和检测，可减少井下手动操作工作量大和操作失误等问题，保障膏体安全平稳充填，降低作业人员劳动强度。

由上可见，深入开展膏体充填工作面智能充填项目研发与应用技术研究既符合矿山充填技术发展的趋势和需要，又属当前存在的技术难题范畴，具有实际推广应用前景，属矿业工程中的前沿性研究课题。该项目拟对膏体充填井下进行改造，根据工艺要求在各类先进传感器、可靠执行器和先进控制算法的综合应用下，开发一套适应于膏体充填的智能充填数据化平台，建立井上下远程控制架构，研究开发的技术与国内外同类技术相比，在国内乃至国际市场上都具有很强的市场竞争力。

二、项目组成与功能

本项目通过对山东康格能源科技有限公司现有膏体充填开采过程、地面配料系统、内部管理流程的分析，对膏体充填开采过程关键节点进行分析，结合当前计算机技术、传感器技术、视频监控技术、电液控技术、通讯技术和PLC技术的发展成果，创新设计膏体充填工作面智能化系统架构。针对原有膏体充填开采过程井下人工操作工位多、管道线路长、漏浆或者堵管现象不易发现等不足，对充填工艺过程进行全新设计，研制出智能充填数字化平台、井上下远程控制架构、充填工作面液位检测技术、雷达液位传感器安装机构、充填结束前待充填量测算技术、保障阀及布料阀控制技术、三通泄浆阀压力检测系统和关键部位视频监控系统，与原有的膏体充填工艺系统有机结合，开创性的建立了膏体充填工作面智能充填系统。在建设过程中，依照系统论的思想，按照技术逻辑将建设内容分为7个模块，将企业资源合理配置，分步实现，最终集成为一个完整的体系。

该项目主要分为如下几个模块：

智能充填数字化平台，基于微软平台和开源系统完全自主开发的SCADA系统，实现对充填工作面的智能监控，并且通过3D技术进行可视化。作为充填的大脑学习优秀充填作业人员及集控人员的经验，为智能化充填提供技术保障，从而确保充填工序的安全高效运行。

图2 智能充填数字化平台3D可视化界面示例

该系统需具备如下几点关键特性：

可在充填集控室电脑上开关井下的保障阀和布料阀，并形成操作记录；

可在充填集控室电脑上实时显示充填工作面液位情况；

可在充填集控室电脑上实时显示4台三通泄浆阀的压力；

可根据充填工作面液位情况，自动切换布料阀；

充填结束前，可根据充填工作面液位情况，自动计算待充填量；

可与山东康格能源科技有限公司充填站原配料系统实现数据对接；

可通过3D技术进行可视化显示充填液位情况。

井上下远程控制架构，基于光纤技术、以太网通讯技术和PLC技术等的发展成果，研究出了一套适用于山东康格能源科技有限公司膏体充填工作面井上下远程控制的系统架构。

图2 智能充填系统整体架构示意图

充填工作面液位检测技术：通常情况下，充填液位检测采用人工探针测量方式，探针从液压支架后隔离板之间的缝隙伸入，隔离板间的间隙不固定，每次拉架后间隙差异较大，且面后有彩条布防护，支架隔离板间隙还有铁丝网和草帘子。本项目创造性的采用在后隔离板中间区域安装电容式液位传感器的方式，在不影响整体隔离效果的前提下测量充填液位，该技术方案是本项目的首创！

图3 液位检测传感器安装示意图

雷达液位传感器安装机构：充填工作面液位连续测量，是本项目成功的关键问题之一，通过现有测距传感器的市场调研和性能分析，本项目决定采用进口雷达传感器作为液位测量的工具，针对雷达测距的特性，首先要解决雷达在工作面上部固定及不用时及时收回的问题。为此，项目组通过反复研究和测试，决定通过在液压支架后隔离板上增加伸缩式机构，驱动高精度雷达物位传感器的方式（在使用时伸出到充填工作面上，而在充填结束前和不充填时，缩回到充填工作面外，避免其被充填浆体包裹损坏），实现充填工作面剩余充填高度实时检测。

图4 雷达液位传感器安装装置示意图

充填结束前待充填量测算技术：研究了膏体充填隔离板面后充填液位增长方式，建立待充填量测算数据模型，采用MySQL、SPSS和CAE分析技术,在线动态估算剩余充填方量。

图5 液位传感器安装布局示意图

如上图所示，充填会从80#架开始，逐步过渡到1#架，当27#架到达高液位时，根据第1#和9#后面架子测量浆体高度，根据斜率推算出在此斜面上浆体的高度，由此推算出每架的剩余空间体积。再加上后面2个架子的空间体积，则为最后的待充填体积，推算矸石浆和灰浆的切换时间。

保障阀及布料阀远程控制技术：首次实现对保障阀的远程开度控制，创新 “PLC→电液阀→布料阀或保障阀”控制回路结构，实现远程控制；基于经验算法实现对保障阀0-100%的开度控制。

图6 保障阀运行原理示意图

关键部位视频监控系统，作为辅助监控手段，方便中控员和管理人员直观的掌握现场状况，避免一些小概率的电气故障发生而引起连锁反应。

图7 视频监控装置示意图

三、项目经济社会效益

项目研究成功后，充填工艺过程将会实现全数字化，过程透明化，从而促进充填过程安全精益生产。充填过程由地面集控室一键操作代替井下人工手动操作，可将充填工、管路巡视工、阀门操作人员定员由原来的12人缩减为3人，从而显著提升生产效率，提高充填工作面产能，具有良好的经济效益。减员增效方面：充填作业人员由12人缩减为3人，减少9人，1个充填1.5班，共节省了13.5人；3.2米/个循环，该工作面总共还有480米未回采，共需要约150个循环，1个月按24个工作日计12个循环，剩余充填开采时间12.5个月。按日工资200元/人计，节约人员工资：200元/人/班×24工作日/月×12.5月×13.5人=81万元。

提质增效方面：增加原煤产量，原3天1个充填循环生产改成2天1个循环，每月增产4个循环月增产8000吨产量，按513元/吨煤计算，产生的效益：8000吨/月×513元/吨×12.5月=5130万元。

投入成本：项目研发经费103万元；采煤充填运营成本：435元/吨×8000吨/月×12.5月=4350万元。合计投入成本： 4453万元。

产生经济效益：81万元+5130万元-4453万元=758万元。

同时，该充填工作面智能充填应用于充填开采控制领域，能够保证膏体充填开采顺利实施，提高矿井煤炭资源采出率，优化了生产工艺，保障了人员和设备安全，延长矿井服务年限，还能控制地表沉陷、消灭矸石山，有效的降低了生态环境破坏，降低事故造成的直接损失和间接损失，对促进我国煤炭绿色开采技术进步具有十分巨大的推动作用。