基于肌-腱仿生与热力学熵产的深部金属矿回采优化方法与流程

本发明涉及深部采矿工程，具体涉及一种基于肌-腱仿生与热力学熵产的深部金属矿回采优化方法，具体涉及一种融合肌-腱协同生物力学本构与非平衡热力学熵产耗散理论、全参数量化标定、闭环迭代求解的深部硬岩分步有序释能回采纯工艺优化方法。

背景技术：

1、深部金属矿开采进入千米级深度后，原位岩体处于超高地应力与强开挖扰动叠加的非平衡力学环境中。开挖卸荷过程中，岩体内积聚的弹性应变能瞬时释放极易诱发岩爆、围岩片帮等动力灾害，已成为制约深部矿产资源安全高效回采的关键瓶颈。

2、围绕深部高地应力条件下的回采优化与灾害防控，现有技术主要从回采工艺优化、卸压开采设计和能量耗散分析三个方向展开研究：在回采工艺优化方面，公开号为cn118774824a的发明专利提出了一种深部金属矿下向进路式采场低损伤回采方法，通过优化周边孔爆破参数并改进人工假底铺设工艺，在一定程度上降低了采场回采过程中爆破振动对周边矿岩的损伤。在卸压开采方面，公开号为cn121007008a的发明专利提出了一种深部高应力厚大矿体卸压开采方法，通过在矿体上盘布置卸压巷道与卸压立槽，人为削弱围岩整体性以形成连续卸压带，实现应力的区域性转移。在能量耗散分析方面，公开号为cn121562194a的发明专利提出了一种基于改进近场动力学的深部岩石动态能耗分析与实施方法，尝试从能量耗散角度对深部岩石在开挖扰动下的动态响应进行量化评估。上述现有技术在特定工程条件下取得了一定成效，但仍存在以下共性技术缺陷：（1）回采参数确定缺乏多场耦合的定量化理论依据。现有技术的回采顺序、回采步距、开挖间隔等核心参数，主要依赖工程类比经验或单一力学场数值模拟确定，未能统筹考虑开挖过程中应力迁移路径、能量耗散演化与损伤累积之间的耦合效应，难以实现回采参数的科学量化与动态优化。（2）灾害判据未能反映深部开挖的非平衡热力学本质。现有技术的动力灾害预警判据多采用静态弹性应变能阈值或应力强度比等单一指标，忽略了深部开挖卸荷本质上是一个伴随能量耗散与熵增的非平衡不可逆热力学过程。由于未能量化开挖扰动速率、损伤累积速率与熵产突变之间的动态关联，现有判据对动力失稳的预警存在明显的滞后性与误判风险。（3）力学损伤演化与热力学熵产耗散相互割裂。虽有技术尝试引入能量耗散分析，但其力学模型与热力学模型各自独立构建，未将损伤演化方程与非平衡热力学熵产方程纳入统一的数理框架进行耦合求解，力-热脱节导致对岩体从局部损伤到整体失稳的演化路径描述失真，预测精度难以满足深部工程实际需求。

3、有鉴于此，有必要建立一套能够统一描述深部岩体力学损伤演化与非平衡热力学熵产耗散耦合关系的系统性方法，用以解决深部金属矿回采过程中的参数优化与灾害防控仍停留在经验驱动或单一物理场分析的层面而导致难以适应千米级深部开采的复杂工况需求的技术难题。

技术实现思路

1、鉴于背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于肌-腱仿生与热力学熵产的深部金属矿回采优化方法。该方法将骨骼肌-肌腱原生协同的柔性储能、应力筛分与渐进损伤耗散机理，量化为岩体非线性本构方程，并将其与非平衡热力学熵产耗散理论耦合，构建出全热-力耦合量化体系，用于采场风险分区的量化界定、回采参数组合的优化求解以及能量释放过程的动态调控。

2、本发明实施例提供了一种基于肌-腱仿生与热力学熵产的深部金属矿回采优化方法，其包括如下步骤：

3、s1，基于岩体完整性差异，将采场岩体划分为至少两类仿生力学单元，所述两类仿生力学单元分别对应骨骼肌储能特性与肌腱传力耗散特性，并标定各单元的仿生力学参数；

4、s2，基于所述仿生力学参数，分别构建所述两类仿生力学单元的耦合非线性生物力学本构方程组，所述本构方程组用于描述岩体在开挖扰动下的非线性储能行为与渐进损伤演化行为；

5、s3，将采场定义为开放非平衡热力学系统，基于所述本构方程组构建内部不可逆熵产速率方程，并标定临界熵产速率；

6、s4，基于所述本构方程组与所述熵产速率方程，建立包含静态能量约束与动态熵产速率约束的双阈值联合灾变判据，并据此将采场区域量化分区为至少三个风险等级；

7、s5，基于所述双阈值联合灾变判据，构建力-热协同多目标优化函数，求解回采参数组合；

8、s6，基于现场微震监测数据实时反演所述熵产速率，当所述熵产速率偏离所述临界熵产速率超过预设阈值时，基于梯度迭代算法自适应修正回采参数组合，形成闭环调控。

9、作为本发明的进一步改进，步骤s1中，所述仿生力学单元包括：

10、肌肉储能单元，对应完整性好、裂隙不发育的硬岩区域，表征骨骼肌的柔性储能与渐进形变特性；

11、标定所述肌肉储能单元的非线性刚度修正系数，用于表征深部高地应力岩体的非线性硬化或软化特征，表达式为：

12、；

13、式中，为岩体非线性刚度修正系数；为静态弹性模量；为卸荷动态弹性模量，深部开挖卸荷扰动下的瞬时变形模量；为室内三轴卸荷极限应变。

14、作为本发明的进一步改进，步骤s1中，所述仿生力学单元还包括：

15、肌腱传力耗散单元，对应节理裂隙网络密集的破碎区域，表征肌腱的应力筛分、摩擦耗散与疲劳渐进损伤特性；

16、标定所述肌腱传力耗散单元的肌腱应力分散系数，用于表征节理网络应力匀化与耗散能力，表达式为：

17、；

18、式中，

η

t为肌腱应力分散系数，取值区间(0,1)；

ξ为围岩节理组数；

ρ

f为裂隙面密度；

φ为节理界面内摩擦角，表征裂缝接触面的粗糙咬合程度；

19、标定所述肌腱传力耗散单元的损伤敏感指数与生物-岩体映射比例系数，所述损伤敏感指数表征损伤演化速率对应力水平变化的敏感程度，所述生物-岩体映射比例系数将生物体肌腱组织的疲劳损伤演化规律映射至岩体结构面损伤演化；其中，所述损伤敏感指数的表达式为：

20、；

21、式中，

m为损伤敏感指数；δ

d

1、δ

d

2为两组不同应力水平下的损伤增量；

σ

t1、

σ

t2为两组差异化试验剪切应力；

22、其中，所述生物-岩体映射比例系数的表达式为：

23、；

24、式中，

λ为生物-岩体映射比例系数；δ

d

t，test为室内循环剪切试验单级损伤增量；δ

n

test为室内试验循环加载次数；

σ

t，test为试验施加剪切应力水平；

σ

t, lim为标定试验中试验实际施加的剪切应力水平。

25、作为本发明的进一步改进，步骤s2中，所述耦合非线性生物力学本构方程组包括：

26、所述肌肉储能单元的等效主应力表示为初始弹性模量与等效应变的线性项及非线性刚度修正系数与等效应变平方项的叠加，对应的储能密度表示为弹性储能项与非线性储能项的叠加；肌肉储能单元等效主应力方程的表达式为：

27、；

28、对应的储能密度方程为：

29、；

30、式中，

σ

m为肌肉储能单元等效主应力；

e

m为不同岩体初始弹性模量；

ε

m为岩体等效轴向应变；

w

m为岩体弹性储能密度；

31、所述肌腱传力耗散单元的等效传递应力表示为应力分散系数、肌肉储能单元等效主应力与累积损伤变量的函数，所述累积损伤变量的演化速率表示为生物-岩体映射比例系数、应力水平与极限承载力比值的幂函数及累积损伤变量的函数；其中，肌腱传力耗散单元的等效传递应力与连续疲劳损伤演化方程组的表达式为：

32、；

33、；

34、式中，

σ

t为肌腱传力耗散单元等效传递应力；

d

t为肌腱累积损伤变量，取值[0,1]，0为完整无损，1为完全贯通失效；

n为开挖扰动循环次数；

σ

t, lim为结构面极限抗剪承载力；

m为损伤敏感指数；

n为损伤衰减指数；为肌腱累积损伤变量随开挖扰动循环次数的演化速率，即单次开挖循环产生的损伤增量；

35、对应的损伤迭代更新方程为：

36、；

37、式中，为n+1次开挖扰动循环后的肌腱累积损伤变量；为第n次开挖扰动循环后的肌腱累积损伤变量。

38、作为本发明的进一步改进，步骤s3中，所述内部不可逆熵产速率方程分解为结构面摩擦滑移耗散熵产项与损伤演化耗散熵产项，所述结构面摩擦滑移耗散熵产项由肌腱传力耗散单元的等效传递应力与剪切滑移应变率的乘积确定，所述损伤演化耗散熵产项由结构面损伤能释放率与损伤演化速率的乘积确定；其中，所述内部不可逆熵产速率的表达式为：

39、；

40、式中，

s

int为岩体内部不可逆熵产速率；

t

abs为井下绝对温度；

ε

t为结构面剪切滑移应变率；

y

t为结构面损伤能释放率；为损伤演化速率。

41、作为本发明的进一步改进，步骤s3中，所述标定临界熵产速率的计算包括：调取目标矿山历史岩爆灾变案例对应的微震数据集；基于所述微震数据集计算各灾变案例对应的微震辐射能量；对所述微震辐射能量进行统计分析，确定临界微震辐射能量阈值；以及基于所述临界微震辐射能量阈值、岩体计算单元体积与井下绝对温度，由此计算所述临界熵产速率，表达式如下：

42、；

43、式中，

s

cr为岩爆临界熵产速率；

v

unit为岩体计算单元体积数值模型网格单元尺寸；

e

seis,cr,i为临界灾变对应的单事件微震辐射能量；

k为有效统计样本数量。

44、作为本发明的进一步改进，步骤s4中，所述双阈值联合灾变判据包括：岩体弹性储能密度不超过岩体弹性储能临界值；内部不可逆熵产速率不超过所述临界熵产速率；以及熵产速率时变梯度不超过零，以强制系统处于热力学稳态耗散；判据的表达式为：

45、；

46、式中，

w

m,cr为岩体弹性储能临界值；为熵产速率时变梯度。

47、作为本发明的进一步改进，步骤s4中，所述将采场区域量化分区为至少三个风险等级，包括：

48、高危区：；

49、可控区：；

50、稳定区：。

51、作为本发明的进一步改进，步骤s5中，所述力-热协同多目标优化函数以综合目标函数值最小化为优化目标，所述综合目标函数值由单次开挖最大储能释放量与允许最大安全释能值的归一化比值、开挖产生最大传递剪应力与结构面极限抗剪承载力的归一化比值以及单次开挖最大熵产速率与所述临界熵产速率的归一化比值的加权和确定；表达式为：

52、；

53、式中，

f为综合目标函数值；

w

1

、w

2

、w

3为归一化权重系数，三者总和为1；δ

w

m，max为单次开挖最大储能释放量；δ

w

m，allow为允许最大安全释能值；

σ

t,max为开挖产生最大传递剪应力；

s

int,max为单次开挖最大熵产速率；

54、制定的约束条件如下：

55、；

56、式中，

w

pre

、w

aft为开挖前后岩体储能密度；

l

s为单次回采步距；

l

s, min

、l

s, max为回采步距上下限；

t

gap为开挖静置间隔时间；为最小热力学弛豫时间。

57、作为本发明的进一步改进，步骤s6中，熵产速率的反演方程为：

58、

59、式中 ，

s

int(

t)为

t时刻实时熵产速率；

v为监测控制单元岩体体积；

l(

t)为

t时刻累计有效微震事件数；

e

seis, l(

t)为第

l个微震事件辐射能量；

60、参数自适应迭代修正的过程为：

61、将待优化的回采参数构成向量

x，建立的迭代方程为：

62、；

63、式中，为第

k次迭代时的回采参数向量；为第

k+1次迭代时的回采参数向量；

x为回采参数向量，包含步距、速率、间隔、时序；为目标函数梯度，表征参数优化下降方向；

α为自适应迭代步长，标定公式为：

64、；

65、其中，

α

0为初始迭代基准步长，预设0.1。

66、有益效果：

67、第一，通过肌-腱仿生划分与非线性本构的引入，克服了传统线弹性本构无法描述深部卸荷条件下岩体非线性储能与损伤耗散的缺陷，使力学模型与深部工况更为匹配。

68、第二，通过将力学损伤变量直接嵌入熵产分解方程，建立了力学损伤演化与热力学耗散之间的直接数理联系，使灾变判据同时包含储能状态与耗散速率两方面的信息，并且引入了熵产速率对时间的梯度约束，使得判据具备捕捉系统演化趋势的能力。

69、第三，所有物理参数均有明确的室内或现场标定方法，优化目标的权重系数采用历史数据变异系数客观赋值，避免了人工经验赋值带来的不确定性。

70、第四，通过微震数据实时反演熵产速率并结合梯度迭代算法对回采参数进行动态修正，其调控幅度随系统趋近临界状态而自动增大，具备自适应特征。

71、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。