一种矿石崩落过程模拟试验系统及方法与流程

本技术涉及采矿工程，尤其涉及一种矿石崩落过程模拟试验系统及方法。

背景技术：

1、自然崩落法是一种大规模、低成本、高效率的地下采矿方法，其核心机理在于通过拉底工程诱导上覆矿体在自重和地应力共同作用下，内部裂隙逐步萌生、扩展并最终贯通形成自然崩落。该方法适用于矿体厚大、节理裂隙发育的矿山。为深入研究自然崩落法的崩落机理、块度分布特征及放矿规律，物理模拟试验已成为不可或缺的研究手段。

2、目前，针对矿体崩落过程的物理模拟试验系统，通常采用模型箱装填相似材料来模拟矿体，并在底部设置放矿口模拟出矿过程。在监测手段方面，现有装置主要依赖高速摄像或数码照相进行外部宏观变形观测，或通过在模型内部稀疏埋设位移计、压力盒等点式传感器获取局部变形信息。

3、然而，现有监测技术存在明显局限性。矿体崩落是一个从内部微破裂萌生、扩展、汇聚到宏观断裂、崩落的渐进演化过程，而外部摄像仅能捕捉到物料箱表面或出矿口的表观形态变化，无法揭示矿体层内部的破裂演化过程；点式位移传感器虽然能获取局部变形数据，但因测点稀疏，难以覆盖整个矿体层的空间破裂场，更无法实现对矿体层内部的破裂演化过程的实时监测。

技术实现思路

1、为解决现有技术中在利用试验物料和物料箱对矿体崩落过程进行模拟实验时，无法实现对矿体层内部的破裂演化过程的实时监测的问题，本技术在以下方面提供技术方案。

2、在第一方面中，本发明提供了一种基于模拟试验系统的模拟试验方法，所述模拟试验系统包括用于模拟待采矿体的试验物料，以及用于容纳和装填所述试验物料，并为崩落过程提供可视化观察条件和物料放出通道的物料箱，所述方法包括：

3、利用分布式声波监测系统监测崩落过程中所述试验物料的矿体层内部的微震事件以及所述微震事件释放的能量；

4、将所述物料箱内部空间映射为空间网格，并设置所述空间网格的各个网格单元的空间搜索区域；

5、针对每个所述网格单元，统计对应的所述空间搜索区域内所述微震事件的数量及各所述微震事件释放的所述能量，进而计算微震监测破裂指标；

6、针对每个所述网格单元，依据所述微震监测破裂指标计算综合裂缝发育数值；

7、基于所有所述网格单元的所述综合裂缝发育数值，采用插值方法生成连续的三维裂缝发育场，并依据预设的颜色映射规则，生成展示矿体层破裂形态的热图。

8、优选地，所述微震监测破裂指标与所述能量成正相关，与所述数量成负相关。

9、优选地，所述依据所述微震监测破裂指标计算综合裂缝发育数值包括：

10、利用分布式岩层裂缝监测系统监测所述矿体层内的裂缝、所述裂缝的应变数据、以及所述矿体层内各个监测点的应变数据；

11、判断所述网格单元的所述空间搜索区域是否处于所述分布式岩层裂缝监测系统的监测区域内；

12、若处于所述分布式岩层裂缝监测系统的监测区域内，则依据所述分布式岩层裂缝监测系统的监测结果，统计所述网格单元的所述空间搜索区域内各个所述监测点的累计应变增量以及超过应变阈值的裂缝条数；

13、依据所述裂缝条数和所述累计应变增量计算光纤监测裂缝指标，所述光纤监测裂缝指标与所述裂缝条数和所述累计应变增量均成正相关；与所述裂缝条数和第一预设数值之间的和值成负相关；

14、依据所述光纤监测裂缝指标和所述微震监测破裂指标计算所述综合裂缝发育数值，所述综合裂缝发育数值与所述光纤监测裂缝指标以及所述微震监测破裂指标均成正相关。

15、优选地，所述依据所述光纤监测裂缝指标和所述微震监测破裂指标计算所述综合裂缝发育数值包括：

16、利用钻孔成像系统采集所述矿体层内部微型探头探测区域的孔壁图像；

17、判断所述网格单元的所述空间搜索区域是否处于所述探测区域内；

18、若处于所述探测区域内，依据对应的所述孔壁图像识别所述空间搜索区域内的裂缝数量和平均裂缝宽度，进而计算钻孔电视裂缝指标，所述钻孔电视裂缝指标与所述裂缝数量和所述平均裂缝宽度均成正相关，与所述裂缝数量和第二预设数值之间的和值成负相关；若对应的所述网格单元的所述空间搜索区域未处于所述探测区域内，将所述钻孔电视裂缝指标的数值置零；

19、对所述微震监测破裂指标的归一化值、所述光纤监测裂缝指标的归一化值和钻孔电视裂缝指标的归一化值进行加权求和，得到对应的所述网格单元的综合裂缝发育数值。

20、在第二方面中，本发明提供了一种矿石崩落过程模拟试验系统，包括：

21、物料箱，用于装填试验物料，其底部设置有用于将所述试验物料从所述物料箱内放出的底部结构；所述物料箱的箱壳内壁设置有水平方向波浪形的粗糙表面；

22、试验物料，包括拉底层物料和矿体层物料，用于模拟待采矿体；所述拉底层物料和所述矿体层物料分层装填与所述物料箱内部；

23、分布式声波监测系统，包括若干根第一传感光纤与第一解调仪，用于崩落过程中采集和解析微震信号以监测所述矿体层内部的各个微震事件以及所述微震事件释放的能量；

24、分布式岩层裂缝监测系统，包括若干根第二传感光纤与第二解调仪，用于监测所述矿体层内的裂缝、所述裂缝的应变数据、以及所述第二传感光纤沿线各个监测点的应变数据；

25、钻孔成像系统，包括微型探头与配套实时成像设备，用于采集所述矿体层内部微型探头探测区域的孔壁图像；

26、模拟器，采集连接至所述分布式声波监测系统、所述分布式岩层裂缝监测系统以及所述钻孔成像系统，用于执行本发明的基于模拟试验系统的模拟试验方法。

27、优选地，所述底部结构包括：

28、聚矿沟，用于汇集因模拟放矿而崩落的试验物料；

29、放矿漏斗，用于将聚矿沟汇集的试验物料，通过重力作用导向出矿通道；

30、出矿通道，用于将放矿漏斗导入的试验物料，可控地放出至物料箱外部；所述出矿通道为闸板式结构，且其内壁表面经抛光处理；

31、支座，用于对所述底部结构进行支撑。

32、优选地，所述拉底层物料由细颗粒矿石散料构成，其装填高度根据模拟矿山的拉底层高度并按照几何相似比计算确定；所述拉底层中的细颗粒矿石采用连续级配，且其最大粒径小于所述出矿通道最小出口尺寸的第一预设比例；几何相似比用于表征模拟矿山的原型尺寸与试验模型对应尺寸之间的比例关系。

33、优选地，所述矿体层物料的装填高度根据模拟矿山的开采高度并按照所述几何相似比计算确定，其最大粒径小于所述出矿通道最小出口尺寸的第二预设比例。

34、优选地，所述第一传感光纤以螺旋形弯曲路径埋设于所述矿体层内部，使螺旋环靠近箱体边界；所述第二传感光纤沿垂直方向直线埋设于箱体四角。

35、优选地，所述试验物料还包括标记层，所述标记层与所述矿体层交替铺设与所述物料箱内部，以将所述矿体层分割为多个部分。

36、本技术具有如下有益效果：

37、本技术的方法通过将分布式声波监测获取的离散微震事件能量与数量信息，映射至物料箱空间网格并计算为网格化的综合裂缝发育数值，再经由插值与颜色映射生成三维热图，首次实现了从矿体层内部微震信号到连续破裂形态可视化场的端到端转化。该方法突破了现有技术仅能获取点式、离散监测数据的局限，能够以三维热图形式直观、连续地展示放矿过程中矿体层内部破裂的空间分布、相对密集区域及整体发育趋势，为崩落机理的精细化解析和崩落过程的全局态势感知提供了高质量、直观可视的数据基础。