CN116046535A - 一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟*** - Google Patents

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Abstract

一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，提出了充填全过程模拟技术，通过充填料浆制备模块，可模拟尾砂浓密和充填料制备过程，可实现深部金属矿充填料浆管道输送过程模拟，可实现充填体固化和承载过程模拟。本发明提出了与工程实际相符的充填体加载技术，可实现5m级试样三向加载，最大加载能力达6MPa，最高加热温度达80℃，可等效模拟3000m埋深采场充填体的三向高应力高温加载模拟。本发明完善了充填体固化与承载过程监测技术，通过孔隙水压传感器、土总压力传感器和温度传感器，实现水化进程、挡墙压力和水化放热量的获取，通过应力应变集成传感器和微震监测传感器，实现充填体承载过程中变形破坏特征以及充填体‑围岩相互作用机理的获取。

Description

一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***
技术领域
本发明属于金属矿山充填技术领域，特别是涉及一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***。
背景技术
随着金属矿产资源需求的不断增长和千米级浅资源的逐步消耗殆尽，越来越多的金属矿山转入深部开采。在深部高地应力作用下，采矿开挖将形成破坏性的地压活动，导致岩爆、塌方、冒顶、突水等开采动力灾害的发生，严重影响生产安全和正常作业，而充填成为深部金属矿开采控制地压必不可少的手段。
深部金属矿开采普遍面临高井深、高地应力、高地温和强烈开采扰动的问题，这也给充填带来了一系列难题，具体包括以下几个方面：
①、充填管道压力大、冲击磨损严重、堵管爆管频发；
②、充填体刚度与高应力环境不匹配，支撑作用弱；
③、充填材料水化放热大，加剧了深井高温热害问题；
④、大高度大跨度采场充填体稳定性差。
目前，国内外深部金属矿充填面临着满管率低、冲击磨损严重、堵管爆管事故频发、充填体稳定性差、充填体水化放热量大、接顶率低、承载力差等技术难题。为此，国内外相关学者专家相继研发了一系列的深部金属矿充填模拟试验***及设备，但仍存在以下几点不足：
①、智能化仅局限于设备运行参数调控
现有的智能充填试验***及设备，仅实现了充填料浆制备和输送环节的智能化调控，未涉及基于充填体性能目标(强度、变形、放热量、流动性、接顶率等)的智能化决策和管控，同时也未涉及充入空区后的充填材料性态(孔隙水压、挡墙压力、接顶率等)对充填料浆制备和输送环节中设备工艺的智能反馈调控；
②、未实现充填全过程模拟试验
现有的智能充填试验***及设备，主要聚焦充填材料、充填料浆管道输送等局部问题，未涉及整个***(浓密-搅拌-输送-充填体性能-智能管控)的性能及充填体目标；
③、模拟环境与实际工程条件不符
现有的充填体力学行为模拟试验设备，多为圆筒加压物理模型及平面加载物理模型，且试验温度多为常温环境，不能客观表征充填体和围岩的三向受力和高温环境条件。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，提出了充填全过程模拟技术，提出了与工程实际相符的充填体加载技术，完善了充填体固化与承载过程监测技术。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，包括智能管控平台、PLC控制柜、充填料浆制备模块、充填料浆输送模块及充填体加载模块；所述智能管控平台通过PLC控制柜与充填料浆制备模块、充填料浆输送模块及充填体加载模块通信连接；所述充填料浆制备模块通过充填料浆输送模块与充填体加载模块管道连接。
所述充填料浆制备模块包括尾砂浆池、低浓度尾砂浆泵、浓密机、絮凝剂池、絮凝剂加药计量泵、沉淀池、清水池、搅拌机、清水池计量泵、底流泵、胶结料仓、双管螺旋称重给料机、废石仓及振动放矿机；所述尾砂浆池的出料口与低浓度尾砂浆泵的进料口相连通，低浓度尾砂浆泵的出料口与浓密机的进料口相连通；所述絮凝剂池的出料口与絮凝剂加药计量泵的进料口相连通，絮凝剂加药计量泵的出料口与浓密机的进料口相连通；所述浓密机的液相排料口与沉淀池的进料口相连通，沉淀池的澄清液排出口与清水池的进液口相连通，清水池的出液口与清水池计量泵的进液口相连通，清水池计量泵的出液口与搅拌机的进料口相连通；所述浓密机的固相排料口与底流泵的进料口相连通，底流泵的出料口与搅拌机的进料口相连通；所述胶结料仓的出料口与双管螺旋称重给料机的进料口相连通，双管螺旋称重给料机的出料口与搅拌机的进料口相连通；所述搅拌机的出料口接入充填料浆输送模块；所述废石仓的出料口与振动放矿机的进料口相连通，振动放矿机的出料口接入充填料浆输送模块。
在所述清水池计量泵的出料口安装有自动水阀；在所述胶结料仓上安装有料位计，在胶结料仓的出料口安装有板式闸阀；在所述浓密机的出料口安装有扭矩指示仪，在浓密机上安装有液位计和耙架提升指示器；在所述底流泵出料口与搅拌机进料口之间的管道上依次安装有第一流量计和浓度计。
所述充填料浆输送模块包括充填泵和输送环管；所述输送环管一端与充填泵的进料口相连通，输送环管另一端与充填泵的出料口相连通；所述搅拌机的出料口与充填泵的进料泵斗相连通；所述输送环管分为水平走向段和垂直走向段；在所述水平走向段上设置有第一变径区和第二变径区，第一变径区和第二变径区在水平走向段上均采用可拆卸结构；所述垂直走向段一端通过第一弯头与水平走向段相连通，垂直走向段另一端通过第二弯头与水平走向段相连通；在所述第一变径区一端安装有料浆输出接头，所述输送环管通过料浆输出接头接入充填体加载模块。
在所述充填泵的出料口安装有第二流量计；在所述垂直走向段的顶部安装有截止阀；在所述第一变径区的两端分别安装有第一压力计和第二压力计；在所述第二变径区的两端分别安装有第三压力计和第四压力计；在所述充填泵出料口与第二变径区之间的管道上安装有第五压力计；在所述垂直走向段与第一变径区之间的管道上安装有第六压力计；在所述垂直走向段的两端分别安装有第七压力计和第八压力计。
所述充填体加载模块包括三维应力加载装置、温度施加与控制装置、柔性机械臂开挖装置、原位检测***、试样3D打印机、液压油源及控制器；所述三维应力加载装置包括水平向反力框架和竖直向反力框架，竖直向反力框架位于水平向反力框架内侧，竖直向反力框架采用可升降结构；所述试样3D打印机并列设置在三维应力加载装置侧方；所述竖直向反力框架内部用于安装围岩相似材料物理模型试样，围岩相似材料物理模型试样通过试样3D打印机进行制备；所述柔性机械臂开挖装置并列设置在三维应力加载装置侧方，通过柔性机械臂开挖装置在围岩相似材料物理模型试样中心进行开挖，模拟充填空区；所述充填空区与料浆输出接头通过管道相连通，充填空区用于制备充填体物理模型试样；所述液压作动器共设有六组，在所述水平向反力框架内部沿周向均布设有四组液压作动器，在所述竖直向反力框架的顶部和底部分别设有一组液压作动器；在所述液压作动器与围岩相似材料物理模型试样之间安装有隔热板；在所述水平向反力框架侧部设有开挖孔道，与开挖孔道的液压作动器采用穿心式液压作动器，开挖孔道与穿心式液压作动器的中心孔同轴分布，所述柔性机械臂开挖装置与水平向反力框架上的开挖孔道同侧分布；所述液压油源设置在三维应力加载装置外部，液压油源与液压作动器相连通；所述围岩相似材料物理模型试样内部预埋有加热管，所述温度施加与控制装置与加热管电连接；所述原位检测***预埋安装在围岩相似材料物理模型试样内部。
所述原位检测***包括应力应变集成传感器、孔隙水压传感器、土总压力传感器、温度传感器、微震监测传感器及空区雷达物位计；在所述围岩相似材料物理模型试样内部预埋安装有应力应变集成传感器、孔隙水压传感器、土总压力传感器及温度传感器；在所述围岩相似材料物理模型试样的边界处预埋安装有微震监测传感器；所述空区雷达物位计位于充填空区上方。
所述料位计、双管螺旋称重给料机内置称重传感器、扭矩指示仪、液位计、耙架提升指示器、浓度计、全部流量计、全部压力计、全部应力应变集成传感器、全部孔隙水压传感器、全部土总压力传感器、全部温度传感器、全部微震监测传感器及空区雷达物位计的信号输出端均通过输入接口与PLC控制柜通信连接；所述低浓度尾砂浆泵、浓密机、絮凝剂加药计量泵、搅拌机、底流泵、充填泵、截止阀及液压油源的信号输入端均通过输出结构与PLC控制柜通信连接。
本发明的有益效果：
①、提出了充填全过程模拟技术
本发明通过充填料浆制备模块，可模拟尾砂浓密和充填料制备过程，可实现深部金属矿充填料浆管道输送过程模拟，可实现充填体固化和承载过程模拟，形成了完善的充填全过程模拟***。
②、提出了与工程实际相符的充填体加载技术
本发明通过大型三维应力加载装置，可实现5m×5m×5m级的试样三向加载，最大加载能力可达6MPa，最高加热温度可达80℃，可等效模拟3000m埋深采场充填体的三向高应力高温加载模拟。
③、完善了充填体固化与承载过程监测技术
本发明通过孔隙水压传感器、土总压力传感器和温度传感器，可实现水化进程、挡墙压力和水化放热量的获取，通过应力应变集成传感器和微震监测传感器，可实现充填体承载过程中变形破坏特征以及充填体-围岩相互作用机理的获取。
附图说明
图1为本发明的一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***的结构示意图；
图2为本发明的充填料浆制备模块的结构示意图；
图3为本发明的充填料浆输送模块的结构示意图；
图4为本发明的充填体加载模块的结构示意图；
图5为本发明的三维应力加载装置的剖视结构示意图；
图6为本发明的原位检测***内各个传感器的空间分布图；
图7为本发明的智能管控原理框图；
图中，1—智能管控平台，2—PLC控制柜，3—尾砂浆池，4—低浓度尾砂浆泵，5—浓密机，6—絮凝剂池，7—絮凝剂加药计量泵，8—沉淀池，9—清水池，10—搅拌机，11—清水池计量泵，12—自动水阀，13—底流泵，14—胶结料仓，15—料位计，16—板式闸阀，17—双管螺旋称重给料机，18—废石仓，19—振动放矿机，20—充填泵，21—扭矩指示仪，22—液位计，23—耙架提升指示器，24—第一流量计，25—浓度计，26—输送环管，27—水平走向段，28—垂直走向段，29—第一弯头，30—第二弯头，31—第一变径区，32—第二变径区，33—料浆输出接头，34—第二流量计，35—第一压力计，36—第二压力计，37—第三压力计，38—第四压力计，39—第五压力计，40—第六压力计，41—第七压力计，42—第八压力计，43—截止阀，44—三维应力加载装置，45—温度施加与控制装置，46—围岩相似材料物理模型试样，47—柔性机械臂开挖装置，48—原位检测***，49—充填体物理模型试样，50—试样3D打印机，51—液压油源，52—控制器，53—水平向反力框架，54—竖直向反力框架，55—液压作动器，56—加热管，57—隔热板，58—应力应变集成传感器，59—孔隙水压传感器，60—土总压力传感器，61—温度传感器，62—微震监测传感器，63—空区雷达物位计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～7所示，一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，包括智能管控平台1、PLC控制柜2、充填料浆制备模块、充填料浆输送模块及充填体加载模块；所述智能管控平台1通过PLC控制柜2与充填料浆制备模块、充填料浆输送模块及充填体加载模块通信连接；所述充填料浆制备模块通过充填料浆输送模块与充填体加载模块管道连接。
所述充填料浆制备模块包括尾砂浆池3、低浓度尾砂浆泵4、浓密机5、絮凝剂池6、絮凝剂加药计量泵7、沉淀池8、清水池9、搅拌机10、清水池计量泵11、底流泵13、胶结料仓14、双管螺旋称重给料机17、废石仓18及振动放矿机19；所述尾砂浆池3的出料口与低浓度尾砂浆泵4的进料口相连通，低浓度尾砂浆泵4的出料口与浓密机5的进料口相连通；所述絮凝剂池6的出料口与絮凝剂加药计量泵7的进料口相连通，絮凝剂加药计量泵7的出料口与浓密机5的进料口相连通；所述浓密机5的液相排料口与沉淀池8的进料口相连通，沉淀池8的澄清液排出口与清水池9的进液口相连通，清水池9的出液口与清水池计量泵11的进液口相连通，清水池计量泵11的出液口与搅拌机10的进料口相连通；所述浓密机5的固相排料口与底流泵13的进料口相连通，底流泵13的出料口与搅拌机10的进料口相连通；所述胶结料仓14的出料口与双管螺旋称重给料机17的进料口相连通，双管螺旋称重给料机17的出料口与搅拌机10的进料口相连通；所述搅拌机10的出料口接入充填料浆输送模块；所述废石仓18的出料口与振动放矿机19的进料口相连通，振动放矿机19的出料口接入充填料浆输送模块。
在所述清水池计量泵11的出料口安装有自动水阀12；在所述胶结料仓14上安装有料位计15，在胶结料仓14的出料口安装有板式闸阀16；在所述浓密机5的出料口安装有扭矩指示仪，在浓密机5上安装有液位计22和耙架提升指示器23；在所述底流泵13出料口与搅拌机10进料口之间的管道上依次安装有第一流量计24和浓度计25。
所述充填料浆输送模块包括充填泵20和输送环管26；所述输送环管26一端与充填泵20的进料口相连通，输送环管26另一端与充填泵20的出料口相连通；所述搅拌机10的出料口与充填泵20的进料泵斗相连通；所述输送环管26分为水平走向段27和垂直走向段28；在所述水平走向段27上设置有第一变径区31和第二变径区32，第一变径区31和第二变径区32在水平走向段27上均采用可拆卸结构；所述垂直走向段28一端通过第一弯头29与水平走向段27相连通，垂直走向段28另一端通过第二弯头30与水平走向段27相连通；在所述第一变径区31一端安装有料浆输出接头33，所述输送环管26通过料浆输出接头33接入充填体加载模块。
在所述充填泵20的出料口安装有第二流量计34；在所述垂直走向段28的顶部安装有截止阀43；在所述第一变径区31的两端分别安装有第一压力计35和第二压力计36；在所述第二变径区32的两端分别安装有第三压力计37和第四压力计38；在所述充填泵20出料口与第二变径区32之间的管道上安装有第五压力计39；在所述垂直走向段28与第一变径区31之间的管道上安装有第六压力计40；在所述垂直走向段28的两端分别安装有第七压力计41和第八压力计42。
所述充填体加载模块包括三维应力加载装置44、温度施加与控制装置45、柔性机械臂开挖装置47、原位检测***48、试样3D打印机50、液压油源51及控制器52；所述三维应力加载装置44包括水平向反力框架53和竖直向反力框架54，竖直向反力框架54位于水平向反力框架53内侧，竖直向反力框架54采用可升降结构；所述试样3D打印机50并列设置在三维应力加载装置44侧方；所述竖直向反力框架54内部用于安装围岩相似材料物理模型试样46，围岩相似材料物理模型试样46通过试样3D打印机50进行制备；所述柔性机械臂开挖装置47并列设置在三维应力加载装置44侧方，通过柔性机械臂开挖装置47在围岩相似材料物理模型试样46中心进行开挖，模拟充填空区；所述充填空区与料浆输出接头33通过管道相连通，充填空区用于制备充填体物理模型试样49；所述液压作动器55共设有六组，在所述水平向反力框架53内部沿周向均布设有四组液压作动器55，在所述竖直向反力框架54的顶部和底部分别设有一组液压作动器55；在所述液压作动器55与围岩相似材料物理模型试样46之间安装有隔热板57；在所述水平向反力框架53侧部设有开挖孔道，与开挖孔道的液压作动器55采用穿心式液压作动器，开挖孔道与穿心式液压作动器的中心孔同轴分布，所述柔性机械臂开挖装置47与水平向反力框架53上的开挖孔道同侧分布；所述液压油源51设置在三维应力加载装置44外部，液压油源51与液压作动器55相连通；所述围岩相似材料物理模型试样46内部预埋有加热管56，所述温度施加与控制装置45与加热管56电连接；所述原位检测***48预埋安装在围岩相似材料物理模型试样46内部。
所述原位检测***48包括应力应变集成传感器58、孔隙水压传感器59、土总压力传感器60、温度传感器61、微震监测传感器62及空区雷达物位计63；在所述围岩相似材料物理模型试样46内部预埋安装有应力应变集成传感器58、孔隙水压传感器59、土总压力传感器60及温度传感器61；在所述围岩相似材料物理模型试样46的边界处预埋安装有微震监测传感器62；所述空区雷达物位计63位于充填空区上方。
所述料位计15、双管螺旋称重给料机17内置称重传感器、扭矩指示仪21、液位计22、耙架提升指示器23、浓度计25、全部流量计、全部压力计、全部应力应变集成传感器58、全部孔隙水压传感器59、全部土总压力传感器60、全部温度传感器61、全部微震监测传感器62及空区雷达物位计63的信号输出端均通过输入接口与PLC控制柜2通信连接；所述低浓度尾砂浆泵4、浓密机5、絮凝剂加药计量泵7、搅拌机10、底流泵13、充填泵20、截止阀43及液压油源51的信号输入端均通过输出结构与PLC控制柜2通信连接。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
首先预计模拟的现场条件(采场应力与温度环境、围岩稳固性、采场几何尺寸、采矿工艺、充填管线布设参数等)，然后由智能管控平台1进行智能决策，经分析计算后得到满足充填目标的理想参数(充填体预期强度、充填量等)，之后确定试验方案(充填材料组分与配比、尾砂浓密底流浓度、充填泵压力、空区充填策略等工艺参数等)，并将确定的试验方案反馈回智能管控平台1，最后由智能管控平台1设置试验参数并下达试验启动指令，试验启动指令经由PLC控制柜2进一步下达至***内的各个仪器设备。
当试验启动指令下达至充填料浆制备模块时，开始执行充填料浆制备程序。具体的，充填料浆制备模块的充填料浆制备能力为20m3/h，制备后的充填料浆浓度为72％。在尾砂浆池3中存储有低浓度尾砂砂浆，尾砂浆池3自带搅拌机构，搅拌机构根据需要控制转速，以确保尾砂砂浆不会发生沉淀。当尾砂浆池3内制备好符合要求的低浓度尾砂砂浆后，在低浓度尾砂浆泵4的泵送作用下通过管道将低浓度尾砂砂浆输入浓密机5，低浓度尾砂浆泵4的砂浆泵运送方量调节为40m3/h。
当低浓度尾砂砂浆进入浓密机5后，由浓密机5对低浓度尾砂砂浆进行浓密处理。具体的，浓密机5选用高效浓密机，浓密机5的槽体内径为5.3m，浓密机5的槽体高度为7m。在低浓度尾砂砂浆进入浓密机5的同时，在絮凝剂池6中将粉状絮凝剂配备成一定浓度药液，絮凝剂池6中由絮凝剂加药计量泵7泵送入浓密机5中，以辅助浓密机5对低浓度尾砂砂浆的浓密作业，絮凝剂药液的加药量为15g/t，经浓密后的砂浆底流浓度为60％。
当低浓度尾砂砂浆经浓密机5完成浓密作业后，由浓密机5液相排料口溢流出的液相料流入沉淀池8，并在沉淀池8完成澄清，澄清液则直接泵送入清水池9中进行存储，之后用于为搅拌机10提供清水，清水则在清水池计量泵11的泵送作用下通过管道进入搅拌机10中，为搅拌机10提供清水时，由自动水阀12精确控制进入搅拌机10中的水量。同时，浓密机5底部的固相排料口输出浓缩后的尾砂浆，并在底流泵13的泵送作用下通过管道进入搅拌机10中，底流泵13的流量为20m3/h。在胶结料仓14中存储有充填用胶结料，通过料位计15实时检测仓内料位，并由板式闸阀16控制胶结料的配给，胶结料则由双管螺旋称重给料机17根据设定配比均匀添加到搅拌机10中。当设定灰砂比、固体浓度浆水、浓密后的尾砂料浆和胶结料都添加到搅拌机10中后，由搅拌机10对原料进行均匀搅拌，直至制备出符合充填要求的充填料浆。
在充填料浆制备过程中，扭矩指示仪21、液位计22、耙架提升指示器23、第一流量计24和浓度计25会分别将浓密机负荷、料浆液位、浓密机压矿量、料浆流量及料浆浓度等数据传输至PLC控制柜2内，之后由PLC控制柜2回传至智能管控平台1进行分析汇总并存储记录。若智能管控平台1分析后，得出实际生产参数不满足试验要求时，则智能管控平台1会以智能决策方式自动下达调控指令，修改充填料浆制备模块的运行参数，再经PLC控制柜2进一步下达调控指令，调整充填料浆制备模块内的仪器设备运转功率，实现料浆组分及配比的精准调控，直到制备出的充填料浆满足试验要求。
当试验启动指令下达至充填料浆输送模块时，且充填料浆制备模块制备出符合试验要求的充填料浆后，搅拌机10会将制备好的充填料浆输送至充填泵20的进料泵斗内。具体的，充填泵20的流量为30m3/h，输送环管26的主体管道部分的直径为50mm，垂直走向段28可通过调整泵压来模拟深井垂直输送，第一变径区31和第二变径区32可通过更换不同直径的管道来满足不同试验需求。
当充填料浆进入充填泵20后，在充填泵20的泵送作用下，充填料浆被直接推挤入输送环管26，可使充填料浆在输送环管26内部循环流动，可开展环管试验。具体的，充填泵20的流速为1m/s，通过调节充填泵20的泵速来保证第二流量计34的数值稳定，充填料浆在输送环管26内部循环流动过程中，由第一压力计35与第二压力计36配合、由第三压力计37与第四压力计38配合、由第五压力计39与第六压力计40配合、由第七压力计41与第八压力计42配合，可测量输送环管19各管段的压差。当截止阀43关闭时，可开展L管试验。
在环管试验过程中，PLC控制柜2可将各个压力计和第二流量计34反馈的数据直接传输给智能管控平台1，可在线监测不同条件下输送环管19的各管段压差以及管内料浆流速，实现输送环管19内料浆流变参数实时记录监测，同时智能管控平台1可以智能决策方式自动下达调控指令，修改充填料浆输送模块的运行参数，再经PLC控制柜2进一步下达调控指令，调整充填泵20的运转功率，调控料浆在输送环管19内流动的压力、流速等参数，以便环管试验完成后输出充填浆料供充填体加载模块使用。
当试验启动指令下达至充填体加载模块时，试样3D打印机50首先运行。具体的，试样3D打印机50的打印原料，满足围岩相似材料物理模型试样46的内摩擦角、粘聚力、强度、容重、弹性模量等关键物理力学参数相似条件要求，打印原料由骨料、胶结剂(水泥+石膏)、重晶石及水按照上述参数相似条件要求进行配比。
当试样3D打印机50在打印围岩相似材料物理模型试样46的过程中，在围岩相似材料物理模型试样46的内部设定位置处完成加热管56、应力应变集成传感器58、孔隙水压传感器59、土总压力传感器60及温度传感器61的预埋安装，在围岩相似材料物理模型试样46的内部边界处设定位置处完成微震监测传感器62的预埋安装。
当围岩相似材料物理模型试样46完成打印后，其形成尺寸为5m×5m×5m的立方体。具体的，立方体试样内共预埋有十二根加热管56、六个应力应变集成传感器58、两个孔隙水压传感器59、两个总压力传感器60、两个温度传感器61及六个微震传感器62。此外，打印好的围岩相似材料物理模型试样46还需要进行28天的常温养护，待养护期结束后，对围岩相似材料物理模型试样46的平整度、垂直度和密实度进行检测，保证各项数据达到合格要求，之后再对加热管56、应力应变集成传感器58、孔隙水压传感器59、总压力传感器60、温度传感器61及微震传感器62进行检测，确保加热管56和各个传感器都能够正常工作。
当围岩相似材料物理模型试样46养护结束并完成各项检测后，便可将围岩相似材料物理模型试样46转移到三维应力加载装置44内部，同时完成隔热板57的铺设，通过隔热板57将围岩相似材料物理模型试样46的六个面包裹起来。
当围岩相似材料物理模型试样46在三维应力加载装置44内部安装好后，便可开展加载试验。具体的，三维应力加载装置44施加的最大静应力为6MPa，可等效模拟3000m埋深的岩石工程应力场，液压油源51用于向六组液压作动器55提供压力油，液压油源51的长时保载能力为5000h，具备自动监测油温、流量、油压的能力，控制器52具备实现试样应力控制、变形控制、循环加卸载控制的能力。
在加载试验启动后，首先采用应力控制方式同步控制六组液压作动器55对围岩相似材料物理模型试样46施加预应力至目标值，并依次加载至最小主应力的目标值、中间主应力的目标值、最大主应力的目标值。
当围岩相似材料物理模型试样46完成三维应力施加后，柔性机械臂开挖装置47启动，其柔性机械臂依次穿过水平向反力框架53的开挖孔道和穿心式液压作动器55的中心孔，通过柔性机械臂对围岩相似材料物理模型试样46进行开挖作业，直至在围岩相似材料物理模型试样46中心形成充填空区，之后将柔性机械臂依次从充填空区、穿心式液压作动器55的中心孔及水平向反力框架53的开挖孔道退出。具体的，充填空区为1m×1m×1m的正方体空间。
当充填空区开挖完成后，温度施加与控制装置45启动。具体的，温度施加与控制装置45可以控制加热管56达到的最高加热温度为80℃，可等效模拟3000m埋深的矿井作业面温度。当温度施加与控制装置45启动后，由加热管56对充填空区周围的围岩相似材料物理模型试样46进行加热，直至达到试验预定温度，之后通过温度施加与控制装置45控制加热管56进入保温加热模式，使试验预定温度保持恒定。同时，按照应力相似比条件，通过液压作动器55对加热状态下的围岩相似材料物理模型试样46施加三向静应力并进行保载。
在围岩相似材料物理模型试样46进行长时保载过程中，原位检测***48启动，通过应力应变集成传感器58、孔隙水压传感器59、土总压力传感器60、温度传感器61、微震监测传感器62进行数据采集与监测。同时，充填料浆制备模块的振动放矿机19启动，将废石仓18中的废石颗粒定量输送至充填空区内，料浆输出接头33同步开启，充填料浆通过料浆输出接头33输送至充填空区内，并通过空区雷达物位计63实时监测充填料浆的充填高度，直至在充填空区内制备形成充填体物理模型试样49。
当充填体物理模型试样49制备好后，通过孔隙水压传感器59和土总压力传感器60实时监测挡墙压力，通过应力应变集成传感器58和微震监测传感器62对围岩相似材料物理模型试样46内部应力、变形及破坏情况进行实时监测。当围岩相似材料物理模型试样46发生大范围破裂损伤后，将载荷依次从最大主应力的目标值卸载至中间主应力的目标值、最小主应力的目标值及0。
在试验结束后，将充填料浆输送模块中测得的流量和管道压力数据、充填体加载模块中测得的温度、应力、应变、孔隙水压、土总压力及微震数据实时上传至PLC控制柜2，进一步由PLC控制柜2上传至智能管控平台1，由智能管控平台1对数据进行分析计算，进而得到管道输送阻力、接顶率、挡墙压力、围岩-充填体匹配系数、破坏模式等关键性能参数，这些关键性能参数将作为充填性能评价依据，实现充填效果的直观评价。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，其特征在于：包括智能管控平台、PLC控制柜、充填料浆制备模块、充填料浆输送模块及充填体加载模块；所述智能管控平台通过PLC控制柜与充填料浆制备模块、充填料浆输送模块及充填体加载模块通信连接；所述充填料浆制备模块通过充填料浆输送模块与充填体加载模块管道连接。
2.根据权利要求1所述的一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，其特征在于：所述充填料浆制备模块包括尾砂浆池、低浓度尾砂浆泵、浓密机、絮凝剂池、絮凝剂加药计量泵、沉淀池、清水池、搅拌机、清水池计量泵、底流泵、胶结料仓、双管螺旋称重给料机、废石仓及振动放矿机；所述尾砂浆池的出料口与低浓度尾砂浆泵的进料口相连通，低浓度尾砂浆泵的出料口与浓密机的进料口相连通；所述絮凝剂池的出料口与絮凝剂加药计量泵的进料口相连通，絮凝剂加药计量泵的出料口与浓密机的进料口相连通；所述浓密机的液相排料口与沉淀池的进料口相连通，沉淀池的澄清液排出口与清水池的进液口相连通，清水池的出液口与清水池计量泵的进液口相连通，清水池计量泵的出液口与搅拌机的进料口相连通；所述浓密机的固相排料口与底流泵的进料口相连通，底流泵的出料口与搅拌机的进料口相连通；所述胶结料仓的出料口与双管螺旋称重给料机的进料口相连通，双管螺旋称重给料机的出料口与搅拌机的进料口相连通；所述搅拌机的出料口接入充填料浆输送模块；所述废石仓的出料口与振动放矿机的进料口相连通，振动放矿机的出料口接入充填料浆输送模块。
3.根据权利要求2所述的一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，其特征在于：在所述清水池计量泵的出料口安装有自动水阀；在所述胶结料仓上安装有料位计，在胶结料仓的出料口安装有板式闸阀；在所述浓密机的出料口安装有扭矩指示仪，在浓密机上安装有液位计和耙架提升指示器；在所述底流泵出料口与搅拌机进料口之间的管道上依次安装有第一流量计和浓度计。
4.根据权利要求3所述的一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，其特征在于：所述充填料浆输送模块包括充填泵和输送环管；所述输送环管一端与充填泵的进料口相连通，输送环管另一端与充填泵的出料口相连通；所述搅拌机的出料口与充填泵的进料泵斗相连通；所述输送环管分为水平走向段和垂直走向段；在所述水平走向段上设置有第一变径区和第二变径区，第一变径区和第二变径区在水平走向段上均采用可拆卸结构；所述垂直走向段一端通过第一弯头与水平走向段相连通，垂直走向段另一端通过第二弯头与水平走向段相连通；在所述第一变径区一端安装有料浆输出接头，所述输送环管通过料浆输出接头接入充填体加载模块。
5.根据权利要求4所述的一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，其特征在于：在所述充填泵的出料口安装有第二流量计；在所述垂直走向段的顶部安装有截止阀；在所述第一变径区的两端分别安装有第一压力计和第二压力计；在所述第二变径区的两端分别安装有第三压力计和第四压力计；在所述充填泵出料口与第二变径区之间的管道上安装有第五压力计；在所述垂直走向段与第一变径区之间的管道上安装有第六压力计；在所述垂直走向段的两端分别安装有第七压力计和第八压力计。
6.根据权利要求5所述的一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，其特征在于：所述充填体加载模块包括三维应力加载装置、温度施加与控制装置、柔性机械臂开挖装置、原位检测***、试样3D打印机、液压油源及控制器；所述三维应力加载装置包括水平向反力框架和竖直向反力框架，竖直向反力框架位于水平向反力框架内侧，竖直向反力框架采用可升降结构；所述试样3D打印机并列设置在三维应力加载装置侧方；所述竖直向反力框架内部用于安装围岩相似材料物理模型试样，围岩相似材料物理模型试样通过试样3D打印机进行制备；所述柔性机械臂开挖装置并列设置在三维应力加载装置侧方，通过柔性机械臂开挖装置在围岩相似材料物理模型试样中心进行开挖，模拟充填空区；所述充填空区与料浆输出接头通过管道相连通，充填空区用于制备充填体物理模型试样；所述液压作动器共设有六组，在所述水平向反力框架内部沿周向均布设有四组液压作动器，在所述竖直向反力框架的顶部和底部分别设有一组液压作动器；在所述液压作动器与围岩相似材料物理模型试样之间安装有隔热板；在所述水平向反力框架侧部设有开挖孔道，与开挖孔道的液压作动器采用穿心式液压作动器，开挖孔道与穿心式液压作动器的中心孔同轴分布，所述柔性机械臂开挖装置与水平向反力框架上的开挖孔道同侧分布；所述液压油源设置在三维应力加载装置外部，液压油源与液压作动器相连通；所述围岩相似材料物理模型试样内部预埋有加热管，所述温度施加与控制装置与加热管电连接；所述原位检测***预埋安装在围岩相似材料物理模型试样内部。
7.根据权利要求6所述的一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，其特征在于：所述原位检测***包括应力应变集成传感器、孔隙水压传感器、土总压力传感器、温度传感器、微震监测传感器及空区雷达物位计；在所述围岩相似材料物理模型试样内部预埋安装有应力应变集成传感器、孔隙水压传感器、土总压力传感器及温度传感器；在所述围岩相似材料物理模型试样的边界处预埋安装有微震监测传感器；所述空区雷达物位计位于充填空区上方。
8.根据权利要求7所述的一种超大型三维深部金属矿智能充填全过程模拟***，其特征在于：所述料位计、双管螺旋称重给料机内置称重传感器、扭矩指示仪、液位计、耙架提升指示器、浓度计、全部流量计、全部压力计、全部应力应变集成传感器、全部孔隙水压传感器、全部土总压力传感器、全部温度传感器、全部微震监测传感器及空区雷达物位计的信号输出端均通过输入接口与PLC控制柜通信连接；所述低浓度尾砂浆泵、浓密机、絮凝剂加药计量泵、搅拌机、底流泵、充填泵、截止阀及液压油源的信号输入端均通过输出结构与PLC控制柜通信连接。
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