Управление процессом приготовления закладочной смеси и возведения искусственного массива Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

------------------------------------ © Г.Д. Замосковцева, 2004

УДК 622.27.271 Г.Д. Замосковцева

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЗАКЛАДОЧНОЙ СМЕСИ И ВОЗВЕДЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО МАССИВА

Семинар № 11

7 Технико-экономическая сущность • задачи

В настоящее время на типовом закладочном комплексе подземного рудника в качестве материала для закладки используются:

1) песок с процентным содержанием глины от 20 до 50 и влажностью от 4 до 14,5%, хвосты обогатительной фабрики;

2) шлак доменный гранулированный (Бело-рецкого, Орско-Халиловского, Магнитогорского комбинатов) с влажностью от 7 до 25 %;

3) цемент М 300;

4) вода;

Закладочный комплекс рассчитан на 50 м3/час.

Гранулированный доменный шлак (БМК, ОХМК, ММК) железнодорожным транспортом доставляется в открытый двухсторонний склад. При помощи двух скреперных лебедок 2 ЛСЗ-55 и скреперов емкостью 1 м3 шлак загружается через грохот в два бункера емкостью 20 м каждый. Затем гранулированный шлак электровибропитателями подается на ленту транспортера В-500 (V = =0,6M/ceK.) и через неподвижный наклонный питатель в паровую мельницу с размерами 2,7x3^ м. Размол шлака производится с водой в замкнутом цикле. Из мельницы по лотку пульпа самотеком поступает в смеситель С-543.

Помол шлака является одним из основных режимов приготовления закладочной смеси. От соблюдения режима измельчения шлака зависит качество искусственного массива. С другой стороны с увеличением тонкости вяжущего растут затраты на помол.

Песок доставляется из карьера автосамосвалами, складируется на специальной бетонной площадке, с нее бульдозером сталкивается в два приемных бункера, затем электровибропитателем перегружается на ленточный транспортер В-500 (V = 0,85 м/сек.) и подается в смеситель. Приемные бункеры для шлака и

песка заглублены в землю и размещены в специальном бункерном помещении.

Верхняя часть бункеров расположена на уровне бетонной площадки.

Приемные бункеры перекрыты грохотами с отверстиями 150 мм.

Активирующая добавка - цемент доставляется автоцементовозами в три силоса емкостью 50 м3 каждый. Из силосов цемент шнековыми питателями подается в смеситель.

При производительности комплекса 50 м3/час по жидкому и водовяжущему отношению 0,95 годовой расход материала составляет: доменный гранулированный шлак

90-100 тыс. т. песок 300-320 тыс. т.

цемент 10 тыс. т.

На вновь проектируемом комплексе производительностью 1200000 м3/год планируется в качестве заполнителя использовать два компонента:

1) хвосты обогатительной фабрики;

2) дробленую породу.

Общая технология приготовления усложняется тем, что повлечет изменение и в процессе управления.

Годовой расход материалов на вновь проектируемом комплексе составит:

1) доменный гранулированный шлак 600 тыс. т.

2) портландцемент 480 тыс. т.

3) порода 650 тыс. т.

4) хвосты обогатительной фабрики 500 тыс.

т.

5) вода 500 тыс. т.

В условиях АСУТП представляется контроль как расхода компонентов, выхода класса минус 0,074 мм, так и возведение искусственного массива.

ПЭВМ будет выдавать на локальные системы регулирование расхода компонентов смеси, скорректированные сигналы с целью под-

держания заданного соотношения компонентов закладочной смеси, поддержание оптимальной величины выхода класса минус 0,074 мм. и рациональное возведение закладочного массива.

2. Информационное обеспечение задачи

На выход автоматической системы должны

поступать сигналы по удельной поверхности заполнителя, влажности шлака и заполнителя, масса сосудов, заполненных заполнителем, пластичности закладочной смеси, количества шлака, поступающего в мельницу, масса сосуда с вяжущим тестом, расхода воды, высоты слоя заполнителя, перепада давления заполнителя, сопротивления подводящих проводов, давления на перемычках, номера замкнутых контактов при возведении закладки.

Сигналы, пропорциональные скорректированной массе заполнителя, шлака и воды в смеситель, снимаются и подаются на автоматические задатчики массы. После коррекции массы вяжущего подается сигнал на расчет оптимальной величины выхода класса минус 0,074 мм. Далее подается сигнал на расчет ожидаемой прочности, затем сигнал на сравнение ожидаемой и рекомендуемой проектной. На рисунке представлена блок-схема системы управления процессом приготовления и возведения закладочных работ.

3. Алгоритм решения задачи

3.1. Управление процессом мокрого помола шлака в шаровой мельнице

Для определения оптимальной величины выхода тонкомолотой фракции шлака воспользуемся методом исследования функции на экстремум.

Оптимальный выход тонкой фракции при соответствующей производительности комплекса определяет удельные энергетические затраты, ущерб от поступления крупной фракции шлака в качестве заполнителя и ущерба от перерасхода цемента, призванного компенсировать недоизмельченный шлак в целях сохранения требуемой прочности.

Минимальная точка С, С2 и С3 будет иметь место при выполнении условий следующего вида

Блок-схема системы управления приготовления зак-ладочной смеси

Коэффициент изменяется от плотности пульпы

Плотность пульпы, г/см3 (А) 1,92 1,83 1,745 1,67

Значение коэффициента/ 0,0011 0,0012 0,0014 0,0016

= 0,

д(д + С2 + С3)

58

где с1 + с2 + с3 - в области Б = 20-100%. Тогда уравнение 1 примет вид:

(1)

Мш

I Ба-0,59Л°’в(М+Ь)

сое ф-24'365-яшл |^8с _ 0,59 д°

+ (Сш - Сп )(100 - Б)

100

’(ас +1)

ки +

дБ

(2)

где qшл = ^Б).

Варьируя показатели Б от 200 до 100 с шагом равным 1 методом перебора решаем уравнение 2. Таким образом, для определенной производительности мельницы определяем оптимальное значение S.

Для поддержания установленной оптимальной величины выхода класса минус 0,074 мм, можно воздействовать либо на плотность пульпы в мельнице, либо на количество шлака, поступающего на помол, используя следующие выражения:

а) для открытого цикла:

3о(А,фЛшл АО =

62,28Д0,8е~(0,015^шл )2 - 2,267(А 143 - 100ф |)(

х[1 -(Си^шл -2,05)(а-40)0,01], %;

б) для замкнутого цикла:

3о(л,адшл ,¿,4) "

= е-й 62,2Д0,8е~(0,0152^™ )2 - 2,267(А | 43 - 100ф |)0,8

(3)

х[1-(0,Щшл - 2,05)(а - 40)0,01], %. (4)

При решении необходимо учитывать следующие ограничения:

а) плотность пульпы в мельнице 1,9<Д>1,6 г/см3

б) коэффициент заполнения мельницы ша-

рами 0,5 > ф > 0,36

в) диаметр шаров 30 < < 50 мм

г) время работы шаров без догрузки 12< 4 < 0,5 час.

Статистический характер связи между прочностью и составляющими закладки, а также водовяжущих отношений и составляющими не позволяют обеспечить постоянство прочностных характеристик смеси. Поэтому есть целесообразность осуществлять автоматическую коррекцию заданного состава закладочной смеси в процессе ее приготовления посредством учета таких переменных свойств заполнителя, как пустотность, влажность и поверхность, при постоянном контроле ожидаемой прочности искусственного массива и пластичности закладочной смеси.

Предлагаемый способ более полно учитывает переменные свойства заполнителей, позволяет поддерживать рациональный состав смеси и существенно уменьшить колебания в прочности закладочной смеси.

На вход управляемой системы поступают сигналы по влажности шлака и заполнителя; массы сосудов, наполненных заполнителем, вяжущим тестом, высоты слоя заполнителя и перепада давления заполнителя (для расчета удельной поверхности заполнителя1.

Скорректированная масса заполнителя определится по выражению

W,

р' =

г 3

Рвп-р|1 + 100

т/м

(5)

У 3 -

є 3 - О

Ус ’

т/м .

(6)

1Гоголин В.А. Управление физико-техническими процессами при выемки угля. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - Кемерово, 1994. - 29 с.

1 3

У 3

(8)

где

п, - і

(9)

3 3.

---, М

У 3 У 3

Объемная масса вяжуще-песчаного раствора определяется аналогично объемной массе

заполнителя, т. е.:

О

У о.в.п.р

в.п.р

-О'

У'

(10)

где Ов п р - масса сосуда, наполненного вяжущепесчаным раствором, т; О' - масса мерного сосуда, т; У’с - объем мерного сосуда вяжущепесчаного раствора, м3.

Объемная масса вяжущего теста составит:

О вт - с

У О.В.Т =-а^-------------------------------------> (11)

У"с

где Ов п.р - масса мерного сосуда, наполненного вяжущим тестом, т; О" - масса мерного сосуда, т; О"с - объем мерного сосуда вяжущего теста, м3.

Определяем скорректированную массу вяжущего:

W -влажность заполнителя, %.

Расход вяжуще-песчаного раствора на 1 м3 закладки определится по формуле:

(83д + П3 )уовт +1 где Рв пр - расход вяжуще-песчаного раствора на 1 м3 закладки, т/м3; Б3 - удельная поверхность заполнителя, м2/т; д - толщина цементной смазки (проектная), м; уовт - объемная масса вяжущего теста, т/м3;

100уЕ

кр.з ±АП

У о.в.п.р

т/м

где О - масса сосуда (мерного), т; Ус - объем мерного сосуда заполнителя, м3; О3 - масса сосуда, напольного заполнителем, т.

Изменение пустотности определяем по формуле

АП = П 'з - пз (7)

(12)

где Р3 - расход заполнителя на 1 м3 закладки (проектный), т/м3; П’3 - пустотность заполнителя (проектная), м3; W3 - влажность заполнителя (проектная), %; крз - коэффициент раздвижки зерен заполнителя (фактическая величина); ДП3 - изменение пустотности заполнителя, м3; Уо.в.п.р - объемная масса вяжущего раствора (фактическая), т/м3; ув - объемная масса воды, т/м3.

Коэффициент раздвижки зерен заполнителя (если он один) определим по формуле

к У 3 У 'з (ув У В + РВ )

к р.з. 0 , • ч , (13)

У Врз (Уз-Уз)

где у, - плотность заполнителя (заданная по проекту), т/м3; у’3 -насыпная масса заполнителя, т/м3; Ув - объем воды, содержащийся в 1 м3 закладочной смеси, м3; ув - плотность вяжущего (задана по проекту), т/м3; Р3 - расход запол-

нителя на 1 м3 закладки, т/м3; Рв - расход вяжущего на 1 м3 смеси, т/м3.

Масса величины задана за исключением насыпной массы заполнителя, для ее определения должны поступить сигналы массы сосуда наполненного заполнителем (О3), т.е.

Р'В =

Р '3 (Б3 8 + П3 )у0.в.т

1 +

(14)

В

шлака, т.е.

Р ш - Р'в -

Ра Р'в , т/м3, 100

(15)

где РА - заданный (проектный) процент активи-затора от массы вяжущего;

Р3 (Б38 + П3 )уо в т ( Рд

Р' =-г ш

1+в,

В

1 |. (16)

100 '

Тогда скорректированный расход воды в

смеситель составит:

ГО,

(17)

Р 'п =-

1 + -

-1, 2

т/м

(18)

где В/ - водовяжущее отношение.

/в

Из условия минимального расхода активи-затора находим скорректированную подачу

(3-0, 01 + 0, 43)1, 8 +1 ^ 100)

Скорректированная масса вяжущего

1,2(3-0,01 + 0,4)-0,18 ,3 .1П.

Р 'я = ——^— = 0,442 т/м3. (19) й 1 +1,1

Учитывая, что оптимальное содержание ак-тивизатора в смеси не превышает 10% от массы вяжущего скорректированная масса шлака на 1 м3 закладки составит:

р, = 1,2(3-0,01 + 0,4)-0,18 Г1 _ кП 0 398 т/м3. (20)

1 +1,1 ^ 100 у

Вода, поступает в мельницу, при отношении 1:1=1:0,5 составит 0,199 т, тогда в смеситель должны подавать:

Р' = 0,42-1,1 -1,2—— 0,199 = 0,191 т/м3. (21)

см 100 В том случае, когда в качестве заполнителя используется два компонента, например как вновь запроектированном комплексе (порода и хвосты обогатительной фабрики) необходимо при расчете суммарного веса смеси (формула 12) учесть:

1) Вместо Р3 следует подставлять общий расход заполнителей, т.е.

р' - р' .В/ _ р' ___!. _ р

1 В.СМ 1 В /ц 1 3 100 В.м>

где Рв м - расход воды в мельницу, т/м3.

Пользуясь формулой (1.1), рассчитываем ожидаемую прочность закладочной смеси на скорректированном составе (а’закл) и ожидаемую прочность на проектном составе (аэакл). После чего величины сравниваем. Прочность закладочной смеси на скорректированном составе не должна быть меньше прочности на проектном составе.

После расчета прочности, ее сравнения поступает сигнал на задатчики расхода материала. Затем подается сигнал о пластичности смеси, величина которой должна находится в пределах 10-13 см. Если у скорректированного состава пластичность ниже допустимой, то подается сигнал на задатчик подачи воды в смеситель.

Например.

Масса вяжуще-песчаного раствора 2 т; удельная поверхность песка - 3 м2/кг; пустотность заполнителя в 1 м смеси - 0,43 м3. Объемная масса вяжущего теста -1.8 т/м3, влажность песка - 8 %.

Тогда скорректированная масса песка составит

Р.™ = Р,.м + Р™, т/м :

(22)

2) Пустотность заполнителя берется как сумма пустотности крупного и мелкого заполнителя

П',с = П',м + П'зк; (23)

3) Коэффициент раздвижки зерен следует определять по формуле (2.22)

Уз.кУ :

р.з.

Ув У ВУ В.мрз.о-^ (У з.к

(24)

*)

{Ув ) РвУвУз.“ + РВУвУз.м + Рз.оУВУв I 1 -

УвУВУВ.мрз.о-^(Уз.к -У'з.к)

^3.0

где в/в - водовяжущее отношение; Р30 - общий расход заполнителей на 1 м3 закладки, т/м3; узк

- плотность крупного заполнителя (проектная), т/м3; у'з к - насыпная масса крупного заполнителя (фактическая), т/м3; Рзк - расход крупного заполнителя на 1 м3 закладочной смеси т/м3; Рв

- расход вяжущего на 1 м3 смеси, т/м3; ув -плотность вяжущего, т/м3; узм - плотность мелкого заполнителя, т/м3.

Тогда скорректированная масса крупного заполнителя будет:

р I 1 + см' 100

(25)

(83.к8 + П3.к )7 о.в.п.р +1 где Рсм - вес смеси, т/м3; W3.к - влажность крупного заполнителя, %; 8З К - удельная поверхность крупного заполнителя, м2/т; Пз к - пус-тотность крупного заполнителя, м3; у0.вп.р -объемная масса вяжущепесчаного раствора, т/м3; 8' - толщина вяжущепесчаной смазки, м.

Ожидаемый расход смеси на 1 м3 закладки составит:

W

V о

(26)

гДе Уо.с.м - объемная масса смеси, т/м3.

Скорректированная масса мелкого заполнителя будет:

W

Рв п р I1 + 100

(^З.М Пзм )Уо.в.Т

+ 1'

(27)

масса вяжущепесчаного раствора,

где Рп.в.р т/м3.

При определении массы вяжущепесчаного раствора необходимо учитывать, что пустот-ность крупного заполнителя определяет количество вяжущепесчаного раствора, т.е.

,к + ^к“ ±АП,К]у0.в.п.р ,т/м3.

(28)

Скорректированная масса вяжущего соста-

р' _ Р з.м(^з.м^ + Пз.м)Уо.в.т , х/м3. (29)

В

Количество скорректированной воды определится следующим образом:

Р' .В/ _ р'

ґ в /в ґ :

100

100

т/м

ГДД =2 (Я - Зі)^ г=0 (1 _ Е)

(31)

где - результаты, достигаемые на 1-ом шаге расчета; 34 - затраты (включая капитальные) на том же шаге; Т - длительность оцениваемого срока (год, квартал, месяц); Е - норма дисконта, доли единицы.

Рекомендуемая производительность по шлаку и цементу определяется как средневзвешенная величина с учетом того, что на 1 м закладки расходуется 0,0408 т. цемента и 0,367 т. шлака. При расчете годового превышения и подаче шлака и цемента не учитываются данные, которые меньше необходимых значений, так как это является нарушением с точки зрения безопасного ведения горных работ.

Учитывая, что производительность комплекса в среднем составляет 314 тыс.м3/год, экономический эффект от управления процессом приготовления и дозирования составляющих составит 1674 тыс. деноминированных рублей.

В процессе возведения искусственного массива на панель управления обязательно должны поступать сигналы о состоянии перемычек на этажах и подэтажах, если состояние предаварийное, то подается сигнал остановки, если перемычки выдерживают давление пульпы, то подается сигнал о продолжении подачи твердеющего раствора. Необходимы сигналы о номере замкнутого контакта уровнемеров, установленных в определенных точках. Это даст возможность рассчитать угол растекания раствора, а следовательно, на маркшейдерском разрезе нанести уровень заполнения камеры раствором, т.е.

А - В - (п - Пт )1 1

tga =-------^±-,

с с

(32)

(30)

Таким образом, при управлении процессом дозирования компонентов будет достигнута стабильная подача дорогостоящих и дефицитных шлака и цемента.

Интегральный эффект от внедрения системы управления процессом приготовления вяжущего и процессом дозирования составляющих твердеющей закладки определится:

где А, В - маркшейдерские отметки (исходные данные); пь п2 - номера замкнутых контактов уровнемеров, установленных в точках и; с -расстояние между уровнемерами в плане (исходные данные); 1 - расстояние между смежными контактами уровнемеров (исходные данные).

При управлении температурным режимом сигналы об общем сопротивлении, замеряемом на клеммах панели замерной станции, о сопротивлении подводящих проводов и сопротивлении меди (металла) при 0°С поступают на панель управления, где рассчитывается температура твердеющего массива.

1

1 = (к.

общ

Я0а

(33)

где Яобщ - общее сопротивление, замеряемое на клеммах панели замерной станции, Ом; Яц,, -сопротивление подводящих проводов, Ом; Ко -сопротивление меди (металла) при 0°С, Ом; а -температурный коэффициент сопротивления меди (металла).

Если 4 > 55 °С, то процесс закладки следует приостановить, до ее понижения до 20-25 °С.

Заключение

С целью повышения качества приготовления закладочной смеси и снижения ее себестоимости выполнены исследования процесса приготовления монолитной закладки, а так же проведен анализ работы закладочных комплексов на других рудниках, применяющих системы с твердеющей закладкой. Рассмотрен режим работы отдельных технологических звеньев, непосредственно влияющих на качество закладки. В результате исследования установлено, что в смеситель подается четыре-пять компонентов (заполнитель может быть двух типов). Их подача чрезвычайно неравномерна. Обусловлено это явление не только отсутствием автоматической дозировки, но и физико-механическим изменением составляющих (содержанием влажности, гранулометрическим составом заполнителей, их пустотно-стью и поверхностью). Это свидетельствует о необходимости постоянной коррекции подачи составляющих и установлению оптимальной величины выхода класса минус 0,074 мм.

Для системы управления процессом дозирования компонентов и режимом приготовления вяжущего выдвинуты следующие основные технологические требования:

1) прочность закладочной смеси может откланяться от нормативной (заданной) только в сторону увеличения на +3,5 %;

2) водовяжущие отношения должны находиться в пределах 0,9-1,2;

3) при приготовлении вяжущего необходимо, чтобы:

а) плотность пульпы находилась в пределах 1,74-1,92 г/см3;

б) коэффициент шаровой загрузки 0,450,43;

в) диаметр мелющих тел был 35-40 мм;

г) оптимальный срок догрузки шаров составлял 85 часов.

Установлены критерии оптимизации режимов приготовления вяжущего (минимум удельных энергетических затрат с учетом ущерба от недоизмельчимой его части) и режима коррекции состава закладки (пустотность и удельная поверхность заполнителя).

Анализ хронометражных наблюдений за мокрым помолом вяжущего позволил установить закономерности изменения выхода класса минус 0,074 мм от удельных энергетических затрат и от количества шпака поступающего в мельницу при той или иной плотности пульпы, а так же общую закономерность изменения от всех определяющих их параметров. Получены зависимости изменения песчано-вяжущего раствора от пустотности, влажности и коэффициента раздвижки зерен заполнителя, скорректированного расхода песка и вяжущего от удельной поверхности и пустотности заполнителя, и соответственно скорректированного расхода воды в смеситель с учетом влажности заполнителя.

Разработана математическая модель оперативного управления горными работами при возведении закладочного массива. Подготовлены исходные данные для апробации модели.

На основании имеющихся математических зависимостей разработаны алгоритмы управления процессом приготовления и возведения закладки. Внедрение этих алгоритмов позволит стабилизировать процесс приготовления закладочной смеси, повысить ее качество, ликвидировать перерасход вяжущего, а следовательно, в целом снизить себестоимость закладки и обеспечить полноту выемки полезного ископаемого.

— Коротко об авторах -------------------------------------

Замосковцева Г.Д. — кандидат технических наук, МГТУ им. Г.И. Носова.