一种充填体质量评价试验装置及试验方法与流程

本发明涉及矿井，特别涉及一种充填体质量评价试验装置及试验方法。

背景技术：

1、地下矿山将矿石回采完成后将形成一定体积的开采空区，采空区由于缺乏支撑，存在垮塌风险，威胁相邻采场的矿石回采，为矿山安全生产带来隐患。目前矿山通常采用充填法进行采空区处置，将尾砂、水泥等物料制备成充填料浆，再将其输送入采空区。充填料浆进入采空区后将受到自身流动预计采空区内复杂环境影响，导致充填体内部结构、强度分布不均匀，充填体出现质量薄弱区域。这将使得在开采相邻区域时，充填体因质量不足，易出现剥落或整体垮落的事故，威胁着地下矿山的安全生产。为此，需要对用于充填的充填料浆及其形成的充填体的质量进行评价，明确其质量特点，对于质量较差的情况进行优化，才能杜绝充填体因质量过差导致的事故发生。

2、比如说，中国专利cn120494536a公开了一种基于物联网的金属矿山井下充填体质量智能监测方法，构建自适应混合传输网络，通过量化路径性能动态选择最优传输路径，并部署不同种类型的传感器实时采集原始测量值，利用基于卡尔曼滤波的传感器集群互校验技术对接收到的原始测量值进行自动校准，在自动校准过程中仅对检测到漂移、失效的原始测量值进行互校验修复得到校准后的测量值；基于德姆斯特谢弗证据理论对相同类型的传感器校准后的测量值进行融合得到不同类型传感器融合数据，将不同类型传感器的融合数据作为输入，通过时间窗口构建时间序列并提取充填体质量劣化的关键特征生成低维特征向量；基于低维特征向量，通过特征选择加权随机森林预测算法预测金属矿山井下充填体质量的风险概率。

3、但是，充填料浆进入采空区后受自身流动特性、采空区不规则形态与复杂环境的共同作用，充填体内部结构、强度分布天然存在不均匀性，质量薄弱区域呈离散、随机分布，上述方案布设传感器，属于典型的离散点位监测架构，传感器采集的应变、超声、微震等数据仅能代表布设点位的局部状态，难以覆盖全域随机分布的质量薄弱区域，当薄弱区未落在传感器监测范围内时，完全无法捕捉对应的质量异常，监测数据的空间代表性存在先天不足；其采用的特征选择加权随机森林预测算法，训练样本多基于理想均匀充填体的监测数据，难以充分覆盖非均匀分布薄弱区的失效特征与演化规律，导致模型更擅长识别整体应力异常引发的风险，对局部离散缺陷引发的剥落、沿薄弱面垮落等事故模式识别度低，放大了点位监测带来的评价偏差，最终导致充填体质量评价的准确性不足。

4、综上，亟须一种能够提高质量评价准确性的充填体质量评价试验装置及试验方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种充填体质量评价试验装置及试验方法，能够提高质量评价准确性。

2、为了解决上述技术问题，本技术提供如下技术方案：

3、一种充填体质量评价试验装置，包括料浆输送件、充填槽体、数据监测组件与数据处理模块；

4、所述料浆输送件包括搅拌槽、叶轮、驱动部件和输送部件，所述驱动部件与叶轮传动连接，用于驱动叶轮旋转以搅拌混合搅拌槽内的充填原料制得充填料浆；所述输送部件的进料端与搅拌槽连通，出料端与充填槽体连通，用于将搅拌槽内的充填料浆按设计速率输送至充填槽体；所述充填槽体为带有容纳腔体的密封仓体，用于接收充填料浆并供充填料浆在腔体内流动；

5、所述数据监测组件包含至少3组主监测终端与至少1组补偿监测终端，所述主监测终端与补偿监测终端布设于充填槽体内部；所述至少3组主监测终端沿充填料浆流动方向分别布置于充填槽体的两端位置与随机中心取芯位置，所述主监测终端用于采集充填体的多场监测数据；

6、所述补偿监测终端包括外力驱动单元、振动检测单元、超声探伤单元、偏差校正单元与物性检测单元；所述外力驱动单元用于向充填体施加定向激励；所述振动检测单元用于采集定向激励作用下充填体的低频振动传递数据；所述超声探伤单元用于采集定向激励作用下充填体内部的高频超声探伤数据；所述偏差校正单元用于接收低频振动传递数据与高频超声探伤数据进行激励干扰与信号畸变的前端补偿修正，得到校正后的低频振动传递数据与高频超声探伤数据；所述物性检测单元用于基于校正后的低频振动传递数据与高频超声探伤数据采集定向激励作用下充填体因空隙压实减小所对应的物性变化数据；

7、所述数据监测组件与数据处理模块信号连接，所述数据处理模块根据多场监测数据与物性变化数据进行充填体质量评价，得到质量评价数据。

8、基础方案原理及有益效果如下：在实际矿山场景中，充填料浆沿采空区流动过程中会因重力沉降产生离析现象，粗颗粒多聚集于进浆端与底部，细颗粒与水泥组分则随浆体流向远端，导致充填体强度、密实度沿流动方向分布不均，质量薄弱区随机分布，单点位钻芯取样或单点监测仅能反映局部状态，极易遗漏薄弱区域，出现“单点合格但整体不均”的评价偏差，本方案沿充填料浆流动方向，外力驱动单元输出定向激励，激励能量可稳定穿透充填槽体内充填体整体介质，震动检测单元的低频震动信号具备优异的穿透能力，能够贯穿充填体检测路径，采集全域震动传播信号，超声探伤单元的高频超声波可穿透充填固体介质深入内部，依靠这三类单元信号的穿透特性，整套补偿监测采集的信号，可全面反映充填体内部全域的密实、空隙结构情况，不再局限于表层或局部点位；搭配布设于充填槽体两端（对应现场进浆口、采场末端）与随机中心位置的主监测终端，入口、中段、远端全区段均具备可穿透检测条件，各点位穿透采集的数据能够同步体现整条流动路径上各处的内部状态差异，不会因检测范围受限遗漏充填体深处、偏远位置的缺陷与密实度波动，杜绝单点采样仅能获知局部内部状况的弊端，全面提升全槽体范围内质量检测的完整性，让最终评价可以依托穿透式全域信号，精准还原整条流动线路上充填体内部完整的质量分布规律。而且，实际井下充填体内部存在着大量的微小空隙、界面弱黏结带等隐蔽缺陷，这是后续地压作用下充填体剥落、垮落的核心诱因，但静态监测参数难以精准量化内部空隙的规模与分布，钻芯取样也存在“未钻中缺陷则误判为合格”的概率性偏差，本方案通过补偿监测终端的外力驱动单元施加定向激励，结合低频振动检测与高频超声探伤形成高低频互补探测：低频振动传递特征可反映充填体宏观尺度的整体密实度与大尺度空隙分布，高频超声探伤可捕捉细观尺度的微小裂隙、空洞缺陷，二者结合实现了从宏观到细观的内部结构全覆盖探测，能够提升内部质量缺陷的识别率，避免静态评价对隐蔽缺陷的漏判。

9、在主动激振的试验场景下，外力驱动单元自身的振动会向传感器传递串扰信号，导致采集到的振动波形、超声回波出现基线漂移与波形畸变，若直接使用原始数据计算物性参数会引入固定的系统性偏差，直接拉低评价结果的可信度，本方案在补偿监测终端内置偏差校正单元，通过偏差校正单元对外部激励引入的激励干扰与信号畸变实施前端补偿修正，剥离驱动设备自身产生的干扰分量，还原充填体真实振动响应与超声回波信号，由此从数据源头保障监测数据真实性，有效规避激励干扰引发的物性参数计算偏差。此外，实验室充填体质量评价多基于静态养护后的试样参数开展，未考虑井下充填体在高地压作用下会发生空隙压实、密实度提升的实际服役效应，导致实验室评价结果与现场实际服役性能存在偏差，无法准确反映真实服役状态下的质量水平，本方案以常规多场监测数据为基准，结合外力驱动下孔隙压实对应的物性变化数据进行融合评价，相当于通过主动激振模拟现场地压的压实作用，将静态实验室评价结果修正为更贴近井下真实服役状态的质量结论，使质量评价结果更贴合矿山实际工况，能够提升质量评价结论的工程参考价值与准确性。

10、综上，本方案通过监测布局、探测方式、数据校正与评价维度的协同改进，避免了空间代表性不足、隐蔽缺陷漏判、数据存在系统偏差、与现场工况脱节等核心痛点，提高了充填体质量评价的准确性。

11、进一步，所述偏差校正单元用于根据外力驱动单元输出的激励基准信号对低频振动传递数据进行激励串扰与基线漂移的剥离处理，得到校正后的低频振动传递数据；根据超声探伤单元输出的超声入射波基准参数对高频超声探伤数据进行波形畸变与回波噪声的滤波修正处理，得到校正后的高频超声探伤数据。

12、有益效果在于：偏差校正单元同步获取外力驱动单元输出的激励基准信号，该信号为向外输出的标准激励波形，代表激振源原始输出特征；充填体采集得到的原始低频振动传递数据，是充填体真实响应信号叠加驱动设备耦合串扰、基线漂移分量的混合信号；将激励基准信号作为先验参考量，通过信号拟合运算分离出与激励同源的串扰分量，再剔除激励施加前静息区间统计得到的基线漂移量，完成原始信号净化；外力驱动单元产生的振动串扰与激励基准信号波形同源、具备固定线性关联特征，偏差校正单元以时序同步的激励基准信号作为参照模板，能够定量识别并分离驱动设备传导至传感器的寄生振动干扰，有效区分充填体受激响应信号与驱动器自身带来的串扰分量；此外，基线漂移为传感器温漂、接触应力变化引发的慢变偏移信号，校正单元利用激励施加前无激励静息阶段的传感器输出确定稳态基线数值，依托同步采集的基准信号与预先获取的基线参数，在前端能实现干扰分量精准剥离；同时，修正超声传播过程中的波形畸变与背景噪声，从数据源头上消除主动激励工况引入的系统性测量误差；经校正后的振动与超声数据更贴近充填体真实响应特征，可避免因原始数据畸变导致的内部缺陷误判与密实度评估偏差。

13、进一步，所述物性检测单元用于根据校正后的低频振动传递数据进行振动波速与衰减系数的提取计算，得到宏观密实度数据；根据校正后的高频超声探伤数据进行回波时延与缺陷尺度的识别计算，得到细观空隙率数据；对宏观密实度数据与细观空隙率数据进行整合匹配，得到定向激励作用下充填体因空隙压实减小对应的物性变化数据。

14、有益效果在于：通过低频振动与高频超声的多尺度联合检测，可同时覆盖充填体宏观整体密实度变化与细观空隙缺陷演化，实现空隙压实效应的跨尺度量化表征，弥补单一检测手段的尺度局限；可精准捕捉定向激励下充填体内部空隙减小的幅度与分布特征，获取的物性变化数据精度更高，能更真实模拟井下地压作用下的充填体密实化过程，为质量评价修正计算提供准确的量化依据。

15、进一步，所述外力驱动单元可输出不同幅值的基准激励与定向激励；所述物性检测单元根据基准振动数据进行时延衰减运算得到初始波速参数；根据激励振动数据进行时延衰减运算得到激励波速参数；根据初始波速参数、激励波速参数进行差值计算得到宏观密实度数据；所述基准振动数据为基准激励下的校正后低频振动数据，所述激励振动数据为定向激励施加下的校正后低频振动数据。

16、有益效果在于：以激励前的初始波速参数为基准开展差值计算，可剥离充填体初始状态离散、测试系统固有偏差的干扰，使计算结果精准对应空隙压实引发的物性变化，获取的宏观密实度数据精度更高，可真实模拟井下地压作用下的充填体密实化效应。

17、进一步，所述物性检测单元根据校正后的高频超声探伤数据进行波峰拾取得到波峰时序数据，根据波峰时序数据进行时延差值计算得到时延特征数据，根据时延特征数据进行尺度反演得到细观空隙率数据。

18、有益效果在于：依托高频超声的高分辨率特性，通过回波时延提取与缺陷尺度量化的逐层运算，可精准捕捉充填体内部细观空隙的分布与压实变化，这样可覆盖微小尺度的空隙缺陷，弥补低频振动宏观检测的细观识别盲区，得到的细观空隙数据可精准量化定向激励下的空隙压实幅度，与宏观密实度数据形成跨尺度互补，提升物性参数的计算精度。

19、进一步，所述物性检测单元结合宏观密实度数据与细观空隙率数据进行空间配准得到配准对齐数据，根据配准对齐数据进行加权融合得到物性变化数据。

20、有益效果在于：通过尺度融合将宏观全域的密实变化数据与细观局部的空隙变化数据进行匹配整合，可弥补单一尺度检测的固有局限，既掌握充填体整体的压实程度，又精准反映细观空隙的演化幅度，实现跨尺度的物性变化表征；通过空间配准可对齐两类数据的空间坐标，消除不同尺度检测的空间错位偏差，保证宏观与细观数据的匹配精度，在此基础上开展加权融合，可依据两类检测的精度特性分配权重，兼顾充填体全域的整体压实特性与局部的细观空隙演化，得到的物性变化数据维度更完整、量化更精准，可真实反映定向激励下的空隙压实效应。

21、进一步，所述数据处理模块根据多场监测数据进行基准评价得到基准评价数据，根据物性变化数据进行修正计算得到压实修正数据，根据基准评价数据结合压实修正数据进行融合修正得到质量评价数据。

22、有益效果在于：基于空隙压实对应的物性变化数据生成专项修正量，可弥补传统静态评价未考虑井下地压密实效应的固有缺陷，经融合修正得到的最终评价结果，既保留常规评价的基础框架，又贴合井下真实服役工况，有效缩小实验室评价与现场实际性能的偏差，提升质量评价结果的准确性。

23、进一步，所述主监测终端还用于采集充填料浆的料浆监测数据；所述数据处理模块根据料浆监测数据进行水化特征计算得到水化特征数据，根据多场监测数据进行成型评价得到成型评价数据；根据水化特征数据结合成型评价数据进行全期融合得到全期评价数据，根据全期评价数据结合物性变化数据进行综合修正得到质量评价结果。

24、有益效果在于：通过新增料浆阶段的监测数据采集，能够捕捉充填料浆早期水化反应特征，预判强度发展趋势，弥补传统评价仅关注成型后终态性能的局限；将水化阶段与成型阶段的监测数据进行全期融合，可实现从料浆到充填体的完整周期评价，全面反映质量演化全过程；在此基础上结合空隙压实对应的物性变化数据开展综合修正，使评价结果既覆盖全周期质量演化规律，又贴合井下真实服役工况，有效提升质量评价的全面性与准确性。

25、进一步，所述外力驱动单元根据预设激励参数进行波形生成得到驱动波形数据，根据驱动波形数据进行功率放大得到放大驱动信号，根据放大驱动信号进行定向激振输出得到定向激励。

26、有益效果在于：通过预设激励参数与波形生成的精准控制，可灵活调节激励的频率、幅值与波形特征，满足不同试验工况的激励需求；经功率放大处理后的驱动信号能量充足，可有效驱动充填体产生空隙压实效应，确保激励强度达到试验设计要求；定向激振输出可保证激励方向的精准可控，真实模拟井下定向地压的作用方式。