适用读者： 煤矿矿长、总工程师、充填站站长、自动化科长、地测科长
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持
一、 煤矿井下矸石充填自动化转型的工业痛点与控制红线
在绿色矿山建设与“双碳”目标推动下，煤矸石井下充填已成为实现固废源头减量与采空区灾害治理的关键技术。然而，在传统充填站运行过程中，普遍存在自动化程度低、人工经验拌料偏差大、配比波动剧烈以及充填管路频繁堵管爆管等突出问题。
传统人工控制或半自动化充填系统面临三大工程红线与效益瓶颈：
- 原矸粒径与含水率波动剧烈导致浆体流变性失控：井下掘进矸石与洗选矸石的比重、硬度及吸水率差异巨大。当地面粗碎与细碎环节控制不精准时，骨料级配失衡会导致料浆在管道内的流动阻力急剧飙升，极易在倾斜管路拐弯处发生离析沉降，造成恶性堵管事故，单次堵管清理直接经济损失达数十万元。
- 多源物料在线称量精度滞后与配比偏差：矸石、粉煤灰、胶结粉及防渗改性剂的给料速度受料仓仓位、物料拱堵及下料口粘连影响显著。常规 PID 调节响应迟缓，导致料浆固液比在 1:0.8 至 1:1.5 之间大幅波动，直接引发充填体接顶强度不均匀、后期沉降超限等隐患。
- 充填全过程物理场缺乏实时可视化监控：充填浆体在井下数百米深度的管路流场、采空区充填包持压状态以及顶板关键层位移属于典型“黑箱操作”。传统手段无法实时感知浆体扩散前沿与接顶密封性，易引发充填假接顶或沿空跑浆。
因此，研发并应用基于 PLC 深度闭环控制与数字孪生（Digital Twin）三维可视化的自动化配比优化系统，是保障高粘度矸石浆体长距离稳定泵送与高强度固结的核心基石。
二、 高粘度矸石浆体流变学力学模型与自动控制算法
2.1 宾汉姆（Bingham）流体管内流动阻力方程
煤矸石高浓高粘浆体在管道内流动可视为典型的宾汉姆流体，其剪切应力与剪切速率的关系服从下式：
式中：\(\tau\) 为浆体剪切应力（Pa）；\(\tau_0\) 为屈服应力（Pa）；\(\mu_p\) 为塑性粘度（Pa·s）；\(\gamma\) 为剪切速率（1/s）。
高粘度浆体在直径为 \(D\) 的水平管道内的泵送沿程阻力损失 \(i\)（Pa/m）由 Buckingham-Reiner 方程推导得出：
其中：\(v\) 为浆体在管道内的平均流速（m/s）。
控制系统通过在线高频采集泵出口压力表与电磁流量计数据，反算实时屈服应力 \(\tau_0\) 和塑性粘度 \(\mu_p\)。当监测到 \(\tau_0 > 80\text{ Pa}\) 时，自动化 PLC 立即启动微量减水剂加注与给料变频调节，防止浆体进入进入“高粘结固化区”。
2.2 多变量自适应模糊 PID 闭环调节方程
系统针对矸石给料量 \(Q_{gangue}\)、粉煤灰量 \(Q_{flyash}\)、水流量 \(Q_{water}\) 建立多输入多输出（MIMO）自适应控制模型。其输出变频器控制量 \(u(t)\) 为：
模糊控制器根据比重计反馈的密度误差 \(e(t)\) 和误差变化率 \(de(t)/dt\)，动态修正比例系数 \(K_p\)、积分系数 \(K_i\) 和微分系数 \(K_d\)，确保搅拌桶内料浆密度偏差低于 \(\pm 0.01\text{ g/cm}^3\)。
原料仓微重连续称量
减重式失重秤高频采集矸石与粉煤灰质量流量，给料误差控制在 ±0.5% 以内
变频螺旋给料与自动抑水补偿
根据皮带微波含水率仪反馈，自动动态扣除湿水重，保持总水固比恒定
双轴高速强力连续搅拌
高剪切搅拌桶内物料充分胶结，流变屈服应力控制在 80Pa 最佳泵送区间
密度与流量在线双重检测
放射性密度计与高精度电磁流量计实时反馈浆体流变参数至 PLC 主控模块
PLC 自适应模糊 PID 闭环调节
智能解算变频冲程，毫秒级响应防止浆体进入高粘固化阻力飙升区
数字孪生三维物理场实时渲染
1:1 映射井下采空区包体持压与接顶状态，压力达到 5.0MPa 实现智能化自动停泵
三、 充填自动化控制系统硬件配置与核心技术参数
系统采用西门子 S7-1500 重建级主控 PLC，结合工业以太网（Profinet）与多传感网络，实现毫秒级数据采集与变频响应。
3.1 自动化充填控制系统核心技术参数对账表
| 控制模块 | 硬件/仪器选型 | 关键测量/控制指标 | 控制精度与闭环响应 | 自动化控制安全逻辑 |
|---|---|---|---|---|
| 矸石/粉煤灰称量 | 减重式连续失重秤 | 0 ~ 150 t/h | \(\le \pm 0.5\%\) | 给料卡阻自动反转清料与声光报警 |
| 主水/添加剂计量 | 高精度电磁流量计 | 0 ~ 80 m³/h | \(\le \pm 0.2\%\) | 水压跌落自动启动备用水泵加压 |
| 浆体密度监测 | 管道式放射性/超声波密度计 | 1.30 ~ 1.85 g/cm³ | \(\pm 0.005\text{ g/cm}^3\) | 密度超限自动切入旁路回流冲洗 |
| 泵站高压监测 | 隔膜式高压压力变送器 | 0 ~ 25 MPa | \(\le \pm 0.1\%\) FS | 压力达到22MPa触发高压自动减频保护 |
| 井下持压与接顶 | 采空区埋设超声波声呐/压力盒 | 0 ~ 10 MPa | \(\pm 1\%\) FS | 达到 5.0MPa 持压稳态自动结束注浆 |
四、 充填过程突发异常自动化响应 SOP
针对井下充填过程中发生的爆管、堵管前兆、含水率突变等异常，系统内建安全联锁控制 SOP 流程：
SOP 1：泵送压力突升（堵管前兆）自动化应急响应
- 触发判定：管道压力变送器检测到泵出口压力在 10 秒内连续上升突破 18MPa，且流量计读数下降 25% 以上。
- PLC 自动响应步骤：
- 步骤 A：控制系统在 0.5 秒内自动降低高压柱塞泵冲程频率 50%。
- 步骤 B：自动开启稀释水计量阀，向泵口注入 5% 容积的比率高压水，降低浆体屈服应力 \(\tau_0\)。
- 步骤 C：若 30 秒内压力未降至 14MPa 以下，自动切断主给料，开启三通换向阀，将管内存浆切换至洗管旁路。
- 步骤 D：启动高压水氮联合扫线系统，以 2.5m/s 以上流速强制冲洗管路，防止浆体固化堵死管道。
五、 陕北大型特厚煤层矿井自动化充填工程案例
5.1 工程背景与改造方案
陕北榆神矿区某年产 1000 万吨特大型矿井，年产掘进煤矸石与洗矸约 120 万吨。矿井采用采空区连片膏体充填开采，输送距离长达 3200 米，垂直落差 280 米。
该矿引进了“基于 PLC 与数字孪生的高粘度浆体配比自动化控制系统”。系统构建了包含地面制浆站、立质管路、井下管网及采空区包体在内的 1:1 数字孪生三维物理场模型。
5.2 自动化改造前后核心指标对账表
| 对比项目 | 传统人工/半自动充填 | 基于PLC与数字孪生控制系统 | 优化提升效果 |
|---|---|---|---|
| 料浆密度波动范围 | 1.45 ~ 1.75 g/cm³ (大幅波动) | 1.68 \(\pm 0.02\text{ g/cm}^3\) | 配比稳定性提升 85% |
| 充填堵管发生频次 | 4 ~ 6 次/年 | 0 次/年 | 彻底消除堵管停工事故 |
| 充填体28天抗压强度 | 3.2 ~ 4.5 MPa | 5.8 \(\pm 0.3\text{ MPa}\) | 强度提升 38%，接顶率达98% |
| 单班作业操作人员 | 12 人/班 | 3 人/班 (集中中控) | 减员增效 75% |
| 年消纳煤矸石总量 | 65 万吨/年 | 118.5 万吨/年 | 实现井下固废零出井 |
六、 自动化充填系统选型与建设准备清单
矿方在规划建设充填自动化控制系统前，防冲与自动化科需准备以下基础资料：
- [ ] 矸石物理力学与化学物性报告：包含矸石硬度系数（Protokonofov）、密度、吸水率及 XRF 元素分析。
- [ ] 充填管道长程水力损失实测图谱：沿线井筒与平巷管网的倾角、弯头半径及垂直落差数据。
- [ ] 制浆站供电与工业以太网带宽规格：确保数字孪生三维渲染服务器与 PLC 之间通讯延时 \(< 20\text{ms}\)。
- [ ] 粉煤灰与胶结粉流化下料特性数据：用于给料仓防拱气破装置与失重秤的精准匹配选型。
七、 常见问题 FAQ
Q：原矸含水率在雨季大幅变化时，PLC 系统如何防止浆体变稀或变稠？
A：系统在矸石给料皮带上方配置了微波在线含水率测定仪，每 0.5 秒反馈一次含水量。PLC 实时将测得的实时水重从主加水阀设定值中扣除，实现动态抑水补偿，保证搅拌总水固比绝对恒定。
Q：数字孪生系统如何验证井下采空区充填体已经实实在在完全接顶？
A：系统通过部署在采空区顶板的无导线微型超声波声呐与高压持压盒。当数字孪生模型接收到的持压压力达到 5.0MPa 且声呐反射界面与顶板基岩完全重合时，三维界面自动显示“100% 密集接顶”，闭环触发充填泵停机。
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。
专注于煤矿充填自动化系统集成、高粘度浆体长距离泵送控压技术及数字孪生智慧充填站建设。
联合中国矿业大学矿山灾害防治与环保重点实验室，为您提供系统设计、硬件选型与软硬件一体化交付服务。
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*声明：文中技术数据与案例指标均已脱敏。充填控制系统需结合具体矿井物料特性进行定制化调试。*