一种矿岩散体破裂时空演化规律分析系统及方法

摘要

本发明公开了一种矿岩散体破裂时空演化规律分析系统及方法，该系统包括：散体制备模具，用于制备待剪切试验的矿岩散体；剪切试验装置，包括试验机和剪切盒，剪切盒用于容纳矿岩散体，试验机用于对矿岩散体施加不同范围的垂直载荷及横向外力；其中，剪切盒的前面板由透明材料制成；图像采集及识别模块，用于在剪切试验过程中，采集矿岩散体图像并对矿岩散体进行边缘识别；数据分析模块，用于基于矿岩散体边缘识别结果分析矿岩散体破裂参数，得到矿岩散体破裂时空演化规律。本发明克服了以往关于散体破裂研究试验过程不可视、无法实时观测、难以实现室内试验和定量研究分析不足的缺点。

说明书

技术领域

本发明涉及矿业工程散体矿岩二次破裂运移演化规律分析技术领域，特别涉及一种矿岩散体破裂时空演化规律分析系统及方法。

背景技术

矿岩散体的二次破裂细观机理及时空演化规律研究是降低矿石损失率和贫化率的基础。由自然或者强制崩落的矿岩散体大小不同、形状各异、排列复杂，实际放矿过程中的矿岩散体的二次破裂对放矿过程以及最终的放矿结果有很大的影响。因此探究矿岩散体运移过程中的颗粒破裂发生时间、破裂形式、破裂位置及破裂范围等情况对于降低矿石的损失率和贫化率具有重要作用。

目前，为研究矿岩散体的二次破裂细观机理及运移演化规律，主要集中在二次破裂影响因素研究和二次破裂块度预测研究两个方面。分析矿岩散体的二次破裂的影响因素及其破裂块度对于矿岩散体流动特性的影响，为放出体形态的真实表征以及矿石贫损指标的准确预测奠定技术基础，这对矿山安全、高效、绿色开采有重要意义。

但截至目前，国内外学者针对矿岩散体的二次破裂细观机理及运移演化规律的研究相对偏少，且存在定性研究多、定量研究少、系统性差等缺点。此外，现有的矿岩散体二次破裂研究多采用数值模拟，室内试验手段较少且试验过程不可视，无法实时观测到二次破裂的发生时间、形式、位置及范围等情况。

发明内容

本发明提供了一种矿岩散体破裂时空演化规律分析系统及方法，以解决现有的矿岩散体破裂研究试验不可视、无法实时观测及缺少定量分析的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种矿岩散体破裂时空演化规律分析系统，其包括：

散体制备模具，用于制备待剪切试验的矿岩散体；

剪切试验装置，所述剪切试验装置包括试验机和剪切盒，所述剪切盒用于容纳待剪切试验的矿岩散体，所述试验机用于对所述剪切盒内的矿岩散体施加不同范围的垂直载荷及横向外力；其中，所述剪切盒的前面板由透明材料制成；

图像采集及识别模块，用于在剪切试验过程中，透过所述剪切盒的前面板，对所述剪切盒内的矿岩散体的图像进行实时采集，并采用预设的图像识别技术，根据采集到的矿岩散体的图像，对剪切试验过程中的矿岩散体进行边缘识别；

数据分析模块，用于基于所述图像采集及识别模块对剪切试验过程中矿岩散体边缘的识别结果分析矿岩散体破裂参数，得到矿岩散体破裂时空演化规律。

进一步地，所述散体制备模具包括盖板和底板；

所述盖板与所述底板可拆卸连接，所述盖板与所述底板配合形成至少一个容纳空间，所述盖板上设置有与所述容纳空间的数量相适配的浇注口，所述浇注口与所述容纳空间一一对应，且所述浇筑口与对应的所述容纳空间连通。

进一步地，所述盖板和所述底板上分别设置有相对应的销栓孔，当所述盖板与所述底板连接时，通过在所述销栓孔中穿设销栓实现所述盖板与所述底板间的可拆卸连接。

进一步地，所述剪切盒还包括下剪切盒和上剪切盒，所述下剪切盒的侧面设置有固定端，所述上剪切盒设置在所述下剪切盒上方，并可相对于所述下剪切盒滑移；其中，所述前面板设置在所述下剪切盒和上剪切盒的前面，所述上剪切盒的顶部自上而下依次设置有顶部压板、圆柱状滚子以及垫板。

进一步地，所述数据分析模块具体用于：

基于所述图像采集及识别模块对剪切试验过程中矿岩散体边缘的识别结果，分析得到矿岩散体的破裂发生时间、破裂形式、破裂位置以及破裂范围。

进一步地，在分析得到矿岩散体的破裂发生时间、破裂形式、破裂位置以及破裂范围之后，所述数据分析模块具体还用于：

引入相对破碎率概念，基于所述相对破碎率概念对分析得到矿岩散体的破裂发生时间、破裂形式、破裂位置以及破裂范围进行定量分析；

根据对破裂发生时间、破裂形式、破裂位置以及破裂范围的定量分析结果，得到矿岩散体破裂位置的不均匀性，以获取实际放矿中矿岩散体二次破裂规律。

另一方面，本发明还提供了一种利用上述的矿岩散体破裂时空演化规律分析系统实现的矿岩散体破裂时空演化规律分析方法，该方法包括：

采用所述散体制备模具制备待剪切试验的矿岩散体；

将制备好的矿岩散体填充至所述剪切盒中，通过所述试验机对所述剪切盒内的矿岩散体施加预设范围的垂直载荷及横向外力；

在剪切试验过程中，通过所述图像采集及识别模块，透过所述剪切盒的前面板，对所述剪切盒内的矿岩散体的图像进行实时采集；

根据采集到的矿岩散体图像，对剪切试验过程中的矿岩散体进行边缘识别；

通过所述数据分析模块，基于对剪切试验过程中的矿岩散体边缘的识别结果，分析矿岩散体的破裂参数，得到矿岩散体破裂时空演化规律。

进一步地，采用所述散体制备模具制备待剪切试验的矿岩散体，包括：

结合真实矿岩散体及强度相似比，确定待剪切试验的矿岩散体配比；

根据确定的矿岩散体配比，采用所述散体制备模具浇筑矿岩散体；

对脱模后的矿岩散体进行养护，获得待剪切试验的矿岩散体。

进一步地，所述将制备好的矿岩散体填充至所述剪切盒中，通过所述试验机对所述剪切盒内的矿岩散体施加预设范围的垂直载荷及横向外力，包括：

将所述剪切盒的下剪切盒固定，通过所述剪切盒的顶部压板、圆柱状滚子和垫板对剪切盒内的矿岩散体施加不同范围的垂直载荷，并对所述剪切盒侧面施加不同范围的横向外力，使剪切盒的上剪切盒滑移，进行多组别的剪切试验。

进一步地，所述将制备好的矿岩散体填充至所述剪切盒中，通过所述试验机对所述剪切盒内的矿岩散体施加预设范围的垂直载荷及横向外力，还包括：

通过所述剪切盒的顶部压板、圆柱状滚子和垫板对剪切盒内的矿岩散体施加不同范围的垂直载荷，并对所述剪切盒侧面施加不同范围的横向外力，使矿岩散体由于相互之间的挤压和剪切作用而出现二次破裂现象，形成新的散体。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明的用于矿岩散体二次破裂时空演化规律的研究方法是运用图像识别技术对自制相似材料散体在大尺寸剪切盒中进行的剪切试验的图像进行处理，引入相对破碎率等概念对处理结果进行定量分析，从而得到试验过程中相似材料散体的破裂发生时间、破裂形式、破裂位置及破裂范围等情况。

本发明克服了以往关于散体破裂研究试验过程不可视、无法实时观测、难以实现室内试验和定量研究分析不足的缺点；本发明中的自制相似材料散体外尺寸模具可制作不同强度、形状及尺寸的相似材料散体，且可以实现室内放矿试验过程中的二次破裂现象，形成新的不规则散体；本发明中的剪切试验包括万能试验机与大尺寸剪切盒，可进行不同垂直载荷及横向外力下的散体剪切试验，且自制剪切盒前面板为透明材料，便于实时观测剪切试验中相似材料散体的破裂过程；本发明中运用图像识别技术对试验过程中的相似材料散体边缘进行识别，得到试验过程中相似材料散体的破裂发生时间、破裂形式、破裂位置及破裂范围等情况；本发明中引入相对破碎率等概念对图像处理后得到的相似材料散体的破裂结果进行定量分析研究，得到关于散体破裂时空演化的规律；本发明操作简单、实用性强、可视化、能简单高效的观测和研究剪切过程中相似材料散体的破裂现象，并进行定量研究分析，从而广泛运用于矿岩散体运移过程中由于相互之间的挤压和剪切等力学作用而导致的二次破裂现象研究，对实际矿山降低矿石的贫损率以及提高矿山企业经济效益等具有重要指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的矿岩散体破裂时空演化规律分析系统的结构图；

图2为本发明实施例提供的散体制备模具的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的散体制备模具中盖板的俯视图；

图4为本发明实施例提供的散体制备模具中盖板的仰视图；

图5为本发明实施例提供的散体制备模具中底板的俯视图；

图6为本发明实施例提供的散体制备模具中底板的仰视图；

图7为本发明实施例提供的剪切盒进行剪切试验的示意图；

图8为本发明实施例提供的矿岩散体破裂时空演化规律分析方法的流程图；

图9为本发明实施例提供的运用图像识别技术进行散体边缘识别的示意图。

附图标记说明：

1、盖板；2、底板；3、浇注口；4、销栓孔；5、下剪切盒；6、上剪切盒；

7、固定端；8、顶部压板；9、圆柱状滚子；10、垫板；11、矿岩散体；

12、破裂前的散体图像的边缘；13、破裂后的散体图像的边缘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一实施例

请参阅图1至图7，本实施例针对矿岩散体二次破裂室内手段匮乏、无法实时观测、结果定量分析少等问题，提供了一种矿岩散体破裂时空演化规律分析系统，所述矿岩散体破裂时空演化规律分析系统包括以下模块：

散体制备模具，用于制备待剪切试验的矿岩散体；

剪切试验装置，所述剪切试验装置包括试验机和剪切盒，所述剪切盒用于容纳待剪切试验的矿岩散体，所述试验机用于对所述剪切盒内的矿岩散体施加不同范围的垂直载荷及横向外力；其中，所述剪切盒的前面板由透明材料制成；

图像采集及识别模块，用于在剪切试验过程中，透过所述剪切盒的前面板，对所述剪切盒内的矿岩散体的图像进行实时采集，并采用预设的图像识别技术，根据采集到的矿岩散体的图像，对剪切试验过程中的矿岩散体进行边缘识别；

数据分析模块，用于基于所述图像采集及识别模块对剪切试验过程中矿岩散体边缘的识别结果分析矿岩散体破裂参数，得到矿岩散体破裂时空演化规律。

具体地，如图2至图6所示，所述散体制备模具包括盖板1和底板2；所述盖板1与所述底板2可拆卸连接，所述盖板1与所述底板2配合形成至少一个容纳空间，所述盖板1上设置有与所述容纳空间的数量相适配的浇注口3，所述浇注口3与所述容纳空间一一对应，且所述浇筑口3与对应的所述容纳空间连通。进一步地，所述盖板1和所述底板2上分别设置有相对应的销栓孔4，通过在所述销栓孔4中穿设销栓实现所述盖板1与所述底板2间的可拆卸连接。

其中，在本实施例中，所述散体制备模具可根据真实矿岩散体的形状特性自行设计后续用于进行剪切试验的矿岩散体强度、形状及尺寸。所述盖板1和所述底板2通过销栓连接，从而可以便于矿岩散体的浇筑及脱模，操作简单。通过本实施例的散体制备模具所制备的矿岩散体可实现室内放矿过程中由于相互之间的挤压和剪切作用而出现的二次破裂现象，形成新的不规则散体。

如图7所示，所述剪切盒还包括下剪切盒5和上剪切盒6，所述下剪切盒5的侧面设置有固定端7，所述上剪切盒6设置在下剪切盒5上方，并可相对于所述下剪切盒5滑移；其中，所述前面板设置在下剪切盒5和上剪切盒6的前面，上剪切盒6的顶部自上而下依次设置有顶部压板8、圆柱状滚子9以及垫板10。

其中，在本实施例中，剪切试验使用万能试验机及大尺寸剪切盒，从而可以保证较大尺寸的矿岩散体能够实现剪切。剪切盒顶部可对模型箱内的矿岩散体11施加不同范围的垂直载荷，侧面也可施加不同范围的横向外力。剪切盒的前面板为透明材料(例如钢化玻璃，当然也可为其他透明材质，本实施例对此不作限定)，实现了试验过程中剪切面的可视化，从而在试验过程中可以通过其透明的前面板进行矿岩散体图像的记录，观测剪切试验中矿岩散体的破裂过程。

所述数据分析模块具体用于：基于所述图像采集及识别模块对剪切试验过程中矿岩散体边缘的识别结果，分析得到矿岩散体的破裂发生时间、破裂形式、破裂位置以及破裂范围等。在分析得到矿岩散体的破裂发生时间、破裂形式、破裂位置以及破裂范围等之后，通过引入相对破碎率等概念，基于所述相对破碎率等概念对分析得到矿岩散体的破裂发生时间、破裂形式、破裂位置以及破裂范围等进行定量分析；根据定量分析结果，得到矿岩散体破裂位置的不均匀性，即关键区域的破裂情况，从而研究实际放矿中矿岩散体二次破裂规律。

综上，本实施例通过散体制备模具、剪切试验装置、图像采集及识别模块以及数据分析模块，采用图像识别技术和相对破碎率等概念对矿岩散体的二次破裂进行研究，进而获得矿岩散体二次破裂细观机理和时空运移演化规律，从而深入研究矿岩散体的流动特性，为采矿结构参数优选和矿岩贫损指标预测等奠定基础，为崩落法矿山矿产资源的安全高效开采提供了理论基础和技术保障。

第二实施例

本实施例提供了一种利用上述第一实施例的矿岩散体破裂时空演化规律分析系统实现的矿岩散体破裂时空演化规律分析方法，如图8所示，该方法包括：

S1，采用散体制备模具制备待剪切试验的矿岩散体；

其中，待剪切试验的矿岩散体是通过自制的相散体制备模具根据真实矿岩散体的形状特性自行设计矿岩散体强度、形状及尺寸。其实现过程如下：

首先，结合真实矿岩散体及强度相似比，确定用于进行剪切试验的矿岩散体合理配比，以达到相当强度。根据实际矿岩散体的形状特性，设计多种形式的散体制备模具，用于实现剪切试验的矿岩散体的浇筑及脱模。制备时，沿浇筑口浇筑，脱模得到若干不同形式的矿岩散体。

其次，对脱模后的矿岩散体进行养护，多次重复浇筑、脱模、养护的过程，以获得足够数量的不同形式的用于进行剪切试验的矿岩散体。

S2，将制备好的矿岩散体填充至剪切盒中，通过试验机对剪切盒内的矿岩散体施加预设范围的垂直载荷及横向外力；

其中，本实施例是使用万能试验机和自制大尺寸剪切盒进行剪切试验。并且在进行剪切试验时，可改变垂直载荷、横向外力的大小，从而保证自制的矿岩散体能够实现剪切，并且能够进行多组别的剪切试验。

试验中通过剪切盒的顶部压板、圆柱状滚子和垫板可对模型箱内矿岩散体施加不同范围垂直载荷，也可施加不同范围的横向外力。试验过程中，上剪切盒滑移，下剪切盒由两个固定端固定。其中，垫板上的圆柱状滚子可以在实验过程中有效减少摩擦阻力。

S3，在剪切试验过程中，通过图像采集及识别模块，透过剪切盒的前面板，对剪切盒内的矿岩散体的图像进行实时采集；

S4，根据矿岩散体图像，对剪切试验过程中的矿岩散体进行边缘识别；

S5，通过数据分析模块，基于对剪切试验过程中的矿岩散体边缘的识别结果，分析矿岩散体的破裂参数，得到矿岩散体破裂时空演化规律。

其中，如图9所示，本实施例运用图像识别技术对试验过程中所记录的矿岩散体图像进行处理，识别试验过程中破裂前的散体图像的边缘12和破裂后的散体图像的边缘13，从而得到其破裂发生时间、破裂形式、破裂位置及破裂范围等的处理结果。通过对试验图像处理结果引入相对破碎率等概念进行定量研究，得到关于破裂发生时间、破裂形式、破裂位置及破裂范围等的规律，进而研究矿岩散体运移过程中破裂的时空演化规律。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。