权利要求
1.一种复杂条件下零星矿体的回采方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)构建精细化三维空间建模技术与矿体参数的耦合模型，通过整合资源储量报告、钻孔资料以及历史开采数据，利用空间插值算法在三维空间内对矿体品位进行属性建模，建立空间离散点与品位值的对应关系，并利用不规则三角网技术构建矿体的几何边界模型，将几何边界模型与品位属性模型进行空间叠合，实现对预设深度水平零星矿体空间分布的精确表征;
(2)执行设备参数与矿体三维形态的动态映射匹配优化，建立凿岩设备与装运设备的技术包络线模型，将技术包络线模型与步骤一建立的矿体几何边界模型进行空间相交运算，确立设备作业参数与矿体形态的动态映射函数，计算炮孔布置角度与深度以及设备循环周期，以优化开采路径和凿岩方案;
(3)实施基于实时实测的回采方案动态响应控制，在每一分层回采完成后，利用激光扫描工具实时采集采场顶板、侧帮以及断层与裂隙的空间坐标信息，将实测数据反馈至回采控制系统进行偏差对比，通过调整回采步距、改变凿岩方向或增加支护强度实现对地质异动的动态响应;
(4)采用上向分层或分段嗣后充填
采矿法结合
固废利用进行地压控制，根据矿体厚度与围岩稳定性选择具体的充填采矿工艺，利用矿山固废材料配制充填浆液对采空区进行及时回填，并在充填体内部预埋应力监测
传感器，通过分析应力演化曲线实现对地压状态的实时监控与预警;
(5)优化矿井通风系统以适应深部开采需求，利用通风网络解算软件建立通风网络数学模型，识别通风阻力大于预设阻力阈值的关键路径，通过增设通风构筑物并调整主扇工况，确保各需风点风量分配合理。
2.根据权利要求1所述的一种复杂条件下零星矿体的回采方法，其特征在于：步骤(1)中精细化三维空间建模技术与矿体参数的耦合模型构建过程具体为：提取预设深度水平及其周边区域的原始地质勘探数据，所述原始地质勘探数据包括钻孔坐标、岩芯取样品位、岩性物理力学参数及地下水文监测数据;采用克里金插值法，通过计算空间自相关函数确定待估点周边的权重分配，建立空间离散点与品位值的多维映射关系;利用不规则三角网技术根据离散的地质采样点构建反映矿体走向和倾向非线性变化的几何边界模型;将几何边界模型与品位属性模型进行空间叠合，形成集形态、规模及品位分布于一体的耦合模型;通过设置品位边界阈值和空间连续性约束条件，自动识别厚度小于预设厚度阈值或走向长度小于预设长度阈值的孤立矿体，并对所述孤立矿体的空间坐标进行独立标记并分配唯一识别编码。
3.根据权利要求1所述的一种复杂条件下零星矿体的回采方法，其特征在于：步骤(2)中设备参数与矿体三维形态的动态映射匹配优化具体涉及：调取凿岩台车与
铲运机的技术性能指标，所述技术性能指标包括最大推进压力、钻孔偏斜率、钻杆有效行程、最小转弯半径及额定载荷;建立设备的机电特性包络线模型，所述机电特性包络线模型涵盖凿岩台车的最大作业高度、水平覆盖范围以及钻杆的有效推进长度;利用几何拓扑关联引擎将所述机电特性包络线模型与所述矿体几何边界模型进行空间相交运算，计算每一排炮孔的空间坐标与偏转角度，确保炮孔末端落在矿体设计边界内;根据矿石的破碎功指数动态调整凿岩台车的冲击频率与推进速度;根据采场巷道的截面尺寸和底板坡度，利用动态规划算法计算铲运机的满载运行速度与循环周期，实现设备效能与采场空间的匹配。
4.根据权利要求1所述的一种复杂条件下零星矿体的回采方法，其特征在于：步骤(3)中基于实时实测的回采方案动态响应控制具体涉及：利用三维激光扫描仪对暴露出的掌子面、顶板及侧帮进行全断面扫描以获取实时点云数据;将实时点云模型与设计模型进行布尔运算，识别实际开挖边界与设计边界的偏差;利用特征识别算法提取新显露断层的走向、倾角及宽度参数，并将所述参数反馈至动态控制逻辑;若实测的偏差、断层位移或裂隙发育程度超过预设安全阈值，则启动重新规划程序，动态调整下一分层的回采步距、分层高度及顶板锚杆的布置密度;在回采前方布置超前探水钻孔并安装压力传感器，实时获取水压变化数据，并与预设透水征兆指标进行对比。
5.根据权利要求1所述的一种复杂条件下零星矿体回采的方法，其特征在于：步骤(4)中地压控制方案具体涉及：针对产状连续性满足预设稳定性条件的区域，采用分段嗣后充填法，在回采完一个分段后进行全断面充填;针对产状不规则的零星矿体，采用上向分层充填法，每回采预设高度即进行一次充填，并将充填体作为后续作业的底板;所述充填浆液由选矿尾砂、废石碎料与
胶凝材料按预定比例混合制备而成;通过对尾砂进行分级处理，利用粒径大于预设粒径阈值的粗砂作为充填骨料，利用细砂制备高浓度膏体;在充填体内部预埋振弦式应力计，采集充填体与围岩接触面的法向应力数据，并通过分析应力演化曲线评估采空区的稳定性;当监测到应力增长速率异常时，调节充填泵的输出流量并增加胶凝材料的比例。
6.一种复杂条件下零星矿体回采系统，其特征在于：包括：
耦合模型构建模块，用于构建精细化三维空间建模技术与矿体参数的耦合模型，通过整合资源储量报告、钻孔资料以及历史开采数据，利用空间插值算法在三维空间内对矿体品位进行属性建模，建立空间离散点与品位值的对应关系，并利用不规则三角网技术构建矿体的几何边界模型，将几何边界模型与品位属性模型进行空间叠合，实现对预设深度水平零星矿体空间分布的精确表征;
映射匹配优化模块，用于执行设备参数与矿体三维形态的动态映射匹配优化，建立凿岩设备与装运设备的技术包络线模型，将技术包络线模型与所述耦合模型构建模块建立的矿体几何边界模型进行空间相交运算，确立设备作业参数与矿体形态的动态映射函数，计算炮孔布置角度与深度以及设备循环周期，以优化开采路径和凿岩方案;
动态响应控制模块，用于实施基于实时实测的回采方案动态响应控制，在每一分层回采完成后，利用激光扫描工具实时采集采场顶板、侧帮以及断层与裂隙的空间坐标信息，将实测数据反馈至回采控制服务器进行偏差对比，通过调整回采步距、改变凿岩方向或增加支护强度实现对地质异动的动态响应;
地压控制模块，用于采用上向分层或分段嗣后充填采矿法结合固废利用进行地压控制，根据矿体厚度与围岩稳定性选择具体的充填采矿工艺，利用自动化充填泵站将矿山固废材料配制成充填浆液对采空区进行及时回填，并在充填体内部预埋应力监测传感器，通过分析应力演化曲线实现对地压状态的实时监控与预警;
通风优化模块，用于优化矿井通风系统以适应深部开采需求，利用通风网络解算软件建立通风网络数学模型，识别通风阻力大于预设阻力阈值的关键路径，通过调节自动化风门调节机构并调整主扇工况，确保各需风点风量分配合理。
7.根据权利要求6所述的一种复杂条件下零星矿体回采系统，其特征在于：所述系统还包括感知层、传输层、处理层与执行层;所述感知层包括高精度三维激光扫描仪、全站仪、振弦式应力监测传感器、多参数环境监测站、超前探水钻孔压力变送器以及微震监测子系统;所述传输层基于工业以太网与无线通信技术，通过工业级网关实现数据与指令的实时双向传输;所述处理层包括高性能工业服务器集群、三维建模工作站、回采控制服务器以及部署于矿井中段配电硐室内的边缘计算节点，所述边缘计算节点具备本地化数据存储与初步处理能力，用于在主干网络故障时接管动态响应控制职能;所述执行层包括自动化凿岩台车、智能铲运机、自动化充填泵站、变频主扇风机以及自动化风门调节机构。
8.根据权利要求7所述的一种复杂条件下零星矿体回采系统，其特征在于：所述处理层内置有空间数据引擎，所述空间数据引擎支持点云数据的并行处理与空间插值运算;所述映射匹配优化模块采用基于势场法的路径规划算法，将矿体边界设定为引力场，将巷道围岩与设备物理尺寸设定为斥力场，通过求解动力学方程确定钻头在每一时刻的切入点;所述动态响应控制模块采用模糊PID控制算法，将实测的地质偏差作为输入变量，将回采步距的调整量作为输出变量，通过模糊推理引擎输出控制参数;所述地压控制模块内置有充填浆液流变学模型，根据充填管路的物理参数实时计算浆液的屈服应力与塑性粘度，并通过质量平衡原理调节泵送功率。
9.根据权利要求6所述的一种复杂条件下零星矿体回采系统，其特征在于：所述系统还包括回采全过程经济与安全评价体系模块，所述模块通过收集回采过程中的炸药单耗、电能消耗、人工成本、充填成本及矿石品位数据，利用多准则决策模型实时计算每吨矿石的可采价值并生成经济效益指标;所述多准则决策模型将回收率、贫化率、充填成本及通风能耗作为关键指标，通过赋予不同权重计算得出最优开采时序;所述系统还包括数字孪生矿井全域控制中心，所述控制中心集成地理信息系统、生产调度系统及设备生命周期管理系统，并利用增强现实技术将三维矿体模型叠加在实际岩壁图像上。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于采矿工程领域，具体涉及一种复杂条件下零星矿体的回采方法及其回采系统，属于复杂条件下零星(-270m水平)矿体的回采技术研究及应用。
背景技术
[0002]地下矿山深部资源回采是保障金属矿产持续供应的关键环节，随着浅部资源的枯竭，矿井开采重心逐步向深部中段转移，地质环境与作业条件愈发复杂。矿体回采技术涉及采矿工艺选择、地压灾害控制以及通风环境优化等多个维度，其技术水平直接影响矿井的生产安全、资源回收率以及企业的经济效益。
[0003]其中，针对复杂地质条件下的零星矿体回采，由于此类矿体分布零散且受深部开采扰动影响较大，对采矿设计的精确性与施工过程的动态调控提出了更高要求。该技术的方向旨在通过精细化的空间表征与工艺适配，解决残余资源回收难度大、地压控制复杂以及深部作业环境恶劣等核心问题。
[0004]现有技术在处理此类复杂矿体回采时存在多方面的局限性。首先，空间建模精度不足且数据维度单一，难以实现矿体产状及品位参数与三维空间的深度耦合，导致开采边界界定模糊，资源回收率难以保障;其次，采矿设备参数与矿体几何形态缺乏动态映射机制，凿岩及装运工艺难以根据矿体形态实时调整，极易造成矿石贫化或超挖;再次，回采方案对断层和裂隙等局部地质异动的响应滞后，缺乏基于实时实测数据的动态控制逻辑，增加了作业风险;最后，地压控制手段与固废利用的结合不够紧密，且随着开采深度增加，通风系统面临路径延长和阻力激增带来的风流紊乱难题，难以满足新增需风点的配风需求，这些问题共同构成了复杂条件下零星矿体高效安全回采的技术瓶颈。
发明内容
[0005]本发明的目的就是在于通过精细化的空间表征与工艺适配，解决残余资源回收难度大、地压控制复杂以及深部作业环境恶劣等核心问题，提供一种复杂条件下零星矿体的回采方法及其回采系统。
[0006]本发明的一种复杂条件下零星矿体的回采方法，包括以下步骤：
(1)构建精细化三维空间建模技术与矿体参数的耦合模型，通过整合资源储量报告、钻孔资料以及历史开采数据，利用空间插值算法在三维空间内对矿体品位进行属性建模，建立空间离散点与品位值的对应关系，并利用不规则三角网技术构建矿体的几何边界模型，将几何边界模型与品位属性模型进行空间叠合，实现对预设深度水平零星矿体空间分布的精确表征;
(2)执行设备参数与矿体三维形态的动态映射匹配优化，建立凿岩设备与装运设备的技术包络线模型，将技术包络线模型与步骤一建立的矿体几何边界模型进行空间相交运算，确立设备作业参数与矿体形态的动态映射函数，计算炮孔布置角度与深度以及设备循环周期，以优化开采路径和凿岩方案;
(3)实施基于实时实测的回采方案动态响应控制，在每一分层回采完成后，利用激光扫描工具实时采集采场顶板、侧帮以及断层与裂隙的空间坐标信息，将实测数据反馈至回采控制系统进行偏差对比，通过调整回采步距、改变凿岩方向或增加支护强度实现对地质异动的动态响应;
(4)采用上向分层或分段嗣后充填采矿法结合固废利用进行地压控制，根据矿体厚度与围岩稳定性选择具体的充填采矿工艺，利用矿山固废材料配制充填浆液对采空区进行及时回填，并在充填体内部预埋应力监测传感器，通过分析应力演化曲线实现对地压状态的实时监控与预警;
(5)优化矿井通风系统以适应深部开采需求，利用通风网络解算软件建立通风网络数学模型，识别通风阻力大于预设阻力阈值的关键路径，通过增设通风构筑物并调整主扇工况，确保各需风点风量分配合理。
[0007]进一步地，步骤(1)中精细化三维空间建模技术与矿体参数的耦合模型构建过程具体为：提取预设深度水平及其周边区域的原始地质勘探数据，所述原始地质勘探数据包括钻孔坐标、岩芯取样品位、岩性物理力学参数及地下水文监测数据;采用克里金插值法，通过计算空间自相关函数确定待估点周边的权重分配，建立空间离散点与品位值的多维映射关系;利用不规则三角网技术根据离散的地质采样点构建反映矿体走向和倾向非线性变化的几何边界模型;将几何边界模型与品位属性模型进行空间叠合，形成集形态、规模及品位分布于一体的耦合模型;通过设置品位边界阈值和空间连续性约束条件，自动识别厚度小于预设厚度阈值或走向长度小于预设长度阈值的孤立矿体，并对所述孤立矿体的空间坐标进行独立标记并分配唯一识别编码。
[0008]进一步地，步骤(2)中设备参数与矿体三维形态的动态映射匹配优化具体涉及：调取凿岩台车与铲运机的技术性能指标，所述技术性能指标包括最大推进压力、钻孔偏斜率、钻杆有效行程、最小转弯半径及额定载荷;建立设备的机电特性包络线模型，所述机电特性包络线模型涵盖凿岩台车的最大作业高度、水平覆盖范围以及钻杆的有效推进长度;利用几何拓扑关联引擎将所述机电特性包络线模型与所述矿体几何边界模型进行空间相交运算，计算每一排炮孔的空间坐标与偏转角度，确保炮孔末端落在矿体设计边界内;根据矿石的破碎功指数动态调整凿岩台车的冲击频率与推进速度;根据采场巷道的截面尺寸和底板坡度，利用动态规划算法计算铲运机的满载运行速度与循环周期，实现设备效能与采场空间的匹配。
[0009]进一步地，步骤(3)中基于实时实测的回采方案动态响应控制具体涉及：利用三维激光扫描仪对暴露出的掌子面、顶板及侧帮进行全断面扫描以获取实时点云数据;将实时点云模型与设计模型进行布尔运算，识别实际开挖边界与设计边界的偏差;利用特征识别算法提取新显露断层的走向、倾角及宽度参数，并将所述参数反馈至动态控制逻辑;若实测的偏差、断层位移或裂隙发育程度超过预设安全阈值，则启动重新规划程序，动态调整下一分层的回采步距、分层高度及顶板锚杆的布置密度;在回采前方布置超前探水钻孔并安装压力传感器，实时获取水压变化数据，并与预设透水征兆指标进行对比。
[0010]进一步地，步骤(4)中地压控制方案具体涉及：针对产状连续性满足预设稳定性条件的区域，采用分段嗣后充填法，在回采完一个分段后进行全断面充填;针对产状不规则的零星矿体，采用上向分层充填法，每回采预设高度即进行一次充填，并将充填体作为后续作业的底板;所述充填浆液由选矿尾砂、废石碎料与胶凝材料按预定比例混合制备而成;通过对尾砂进行分级处理，利用粒径大于预设粒径阈值的粗砂作为充填骨料，利用细砂制备高浓度膏体;在充填体内部预埋振弦式应力计，采集充填体与围岩接触面的法向应力数据，并通过分析应力演化曲线评估采空区的稳定性;当监测到应力增长速率异常时，调节充填泵的输出流量并增加胶凝材料的比例。
[0011]本发明的一种复杂条件下零星矿体回采系统，包括：
耦合模型构建模块，用于构建精细化三维空间建模技术与矿体参数的耦合模型，通过整合资源储量报告、钻孔资料以及历史开采数据，利用空间插值算法在三维空间内对矿体品位进行属性建模，建立空间离散点与品位值的对应关系，并利用不规则三角网技术构建矿体的几何边界模型，将几何边界模型与品位属性模型进行空间叠合，实现对预设深度水平零星矿体空间分布的精确表征;
映射匹配优化模块，用于执行设备参数与矿体三维形态的动态映射匹配优化，建立凿岩设备与装运设备的技术包络线模型，将技术包络线模型与所述耦合模型构建模块建立的矿体几何边界模型进行空间相交运算，确立设备作业参数与矿体形态的动态映射函数，计算炮孔布置角度与深度以及设备循环周期，以优化开采路径和凿岩方案;
动态响应控制模块，用于实施基于实时实测的回采方案动态响应控制，在每一分层回采完成后，利用激光扫描工具实时采集采场顶板、侧帮以及断层与裂隙的空间坐标信息，将实测数据反馈至回采控制服务器进行偏差对比，通过调整回采步距、改变凿岩方向或增加支护强度实现对地质异动的动态响应;
地压控制模块，用于采用上向分层或分段嗣后充填采矿法结合固废利用进行地压控制，根据矿体厚度与围岩稳定性选择具体的充填采矿工艺，利用自动化充填泵站将矿山固废材料配制成充填浆液对采空区进行及时回填，并在充填体内部预埋应力监测传感器，通过分析应力演化曲线实现对地压状态的实时监控与预警;
通风优化模块，用于优化矿井通风系统以适应深部开采需求，利用通风网络解算软件建立通风网络数学模型，识别通风阻力大于预设阻力阈值的关键路径，通过调节自动化风门调节机构并调整主扇工况，确保各需风点风量分配合理。
[0012]所述系统还包括感知层、传输层、处理层与执行层;所述感知层包括高精度三维激光扫描仪、全站仪、振弦式应力监测传感器、多参数环境监测站、超前探水钻孔压力变送器以及微震监测子系统;所述传输层基于工业以太网与无线通信技术，通过工业级网关实现数据与指令的实时双向传输;所述处理层包括高性能工业服务器集群、三维建模工作站、回采控制服务器以及部署于矿井中段配电硐室内的边缘计算节点，所述边缘计算节点具备本地化数据存储与初步处理能力，用于在主干网络故障时接管动态响应控制职能;所述执行层包括自动化凿岩台车、智能铲运机、自动化充填泵站、变频主扇风机以及自动化风门调节机构。
[0013]所述处理层内置有空间数据引擎，所述空间数据引擎支持点云数据的并行处理与空间插值运算;所述映射匹配优化模块采用基于势场法的路径规划算法，将矿体边界设定为引力场，将巷道围岩与设备物理尺寸设定为斥力场，通过求解动力学方程确定钻头在每一时刻的切入点;所述动态响应控制模块采用模糊PID控制算法，将实测的地质偏差作为输入变量，将回采步距的调整量作为输出变量，通过模糊推理引擎输出控制参数;所述地压控制模块内置有充填浆液流变学模型，根据充填管路的物理参数实时计算浆液的屈服应力与塑性粘度，并通过质量平衡原理调节泵送功率。
[0014]所述系统还包括回采全过程经济与安全评价体系模块，所述模块通过收集回采过程中的炸药单耗、电能消耗、人工成本、充填成本及矿石品位数据，利用多准则决策模型实时计算每吨矿石的可采价值并生成经济效益指标;所述多准则决策模型将回收率、贫化率、充填成本及通风能耗作为关键指标，通过赋予不同权重计算得出最优开采时序;所述系统还包括数字孪生矿井全域控制中心，所述控制中心集成地理信息系统、生产调度系统及设备生命周期管理系统，并利用增强现实技术将三维矿体模型叠加在实际岩壁图像上。
[0015]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
显著提升资源回收水平与回采质量：通过构建精细化三维空间建模技术与矿体参数的耦合模型，本发明实现了对预设深度水平零星矿体边界的精确界定，使得矿石回收率得到显著提升，优于传统开采方法;同时，设备参数与矿体形态的动态映射匹配优化技术有效减少了超挖和欠挖现象，将矿石贫化率严格控制在预设范围内，显著提升了进入选矿流程的矿石品质。
[0016]2.增强了复杂地质条件下的作业安全性：基于实时实测数据的回采方案动态响应控制逻辑，使得生产过程能够对断层、裂隙等地质异动做出即时反馈，有效避免了因地质信息滞后导致的冒顶、片帮等安全事故;结合固废利用的地压控制方案，通过及时充填采空区并实施实时应力监测，构建了稳定的承载体系，大幅降低了深部开采过程中的地压灾害风险，保障了人员与设备的作业安全。
[0017]3.实现了深部作业环境的全面优化：针对深部开采面临的通风阻力大、风量分配不均等难题，本发明通过系统性的通风网络优化与构筑物合理布设，解决了风流紊乱及关键区域风量不足的问题;主扇工况的动态调整与环境监控网络的建立，确保了井下新鲜空气的稳定供应，有效降低了有毒有害气体及粉尘浓度，为深部矿井提供了符合安全标准的工作环境。
[0018]4.具有突出的经济效益与环保优势：本发明通过上向分层或分段嗣后充填法大规模利用矿山固废材料，不仅解决了尾砂、废石等固体废弃物的处置难题，减少了地表
尾矿库的建设与维护成本，还通过充填控压实现了残余零星资源的高效回收，延长了矿山的服务年限;精细化的工艺控制降低了能源及人工的单位消耗，实现了采矿作业在经济效益与生态环境效益上的双重提升。
[0019]5.具备高度的技术集成性与动态适应性：本发明将三维建模、设备映射、实时控制、充填固废利用及通风优化等多个技术维度有机结合，形成了一套完整的复杂条件下矿体回采技术体系;该体系能够根据现场实测数据不断自我修正与优化，表现出极强的动态适应能力，为类似地质条件下的深部
矿产资源开发提供了科学、高效且可复制的技术范式。
附图说明
[0020]图1是本发明实施例1提出的复杂条件下零星矿体回采技术的整体技术方案架构示意图;
图2是本发明中精细化三维空间建模与设备参数动态映射匹配的核心原理框架示意图;
图3是本发明中基于实时实测的回采方案动态响应控制的逻辑流程框架图。
具体实施方式
[0021]为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
实施例1
[0022]本实施例涉及一种复杂条件下零星(-270m水平)矿体回采技术研究及应用的系统架构构建。本发明系统旨在通过高维度的数字化手段与精密化的机电控制逻辑，解决深部零星矿体在回采过程中的空间定位难、设备匹配度低、地质变动响应滞后以及地压环境恶化等核心技术难题。
[0023]参见图1-图3,在系统架构维度，本实施例构建了一套集成了感知层1、传输层2、处理层3与执行层4的全栈式智能回采控制系统。感知层1部署了高精度三维激光扫描仪11、全站仪、振弦式应力监测传感器12、多参数环境监测站13(涵盖一氧化碳、二氧化氮、甲烷及粉尘浓度监测)以及超前探水钻孔压力变送器。传输层基于矿井千兆工业以太网与5G无线通信技术，通过工业级网关实现现场传感器数据与执行机构指令的实时双向传输，通信协议遵循Modbus TCP与工业以太网协议，确保数据传输的时延低于20毫秒。处理层3由高性能工业服务器集群、三维建模工作站31及回采控制服务器组32成，核心软件平台内置了空间插值算法、几何拓扑关联引擎、动态响应控制逻辑以及通风解算软件33。执行层4则涵盖了自动化凿岩台车41、智能铲运机、自动化充填泵站42、变频主扇风机43以及自动化风门调节机构。
[0024]在系统架构的基础上，本实施例详细演绎了回采技术的工作流程。首先，执行步骤1，构建精细化三维空间建模技术与矿体参数的耦合模型。该过程由三维建模工作站主导，首先通过数据接口接入-270米水平及其周边区域的原始地质勘探数据库1，提取钻孔坐标、岩芯取样品位、岩性物理力学参数及地下水文监测数据。工作站运行空间插值算法，在三维笛卡尔坐标系下对矿体品位进行属性建模。具体而言，采用克里金插值法，通过计算空间自相关函数，确定待估点周边的权重分配，建立空间离散点与品位值的多维映射关系。同时，系统利用不规则三角网技术，根据离散的地质采样点构建矿体的几何边界模型，该模型能够以0.01米的精度捕捉矿体在走向和倾向上的非线性变化。处理层将几何边界模型与品位属性模型进行空间叠合，形成一个包含了矿体产状、边界、品位及围岩稳固性参数的耦合模型。对于识别出的厚度小于2米或走向长度小于10米的孤立零星矿体，系统会自动将其空间坐标进行独立标记，并分配唯一的识别编码，以便于后续的精细化开采路径规划。
[0025]随后，系统进入步骤2，执行设备参数与矿体三维形态的动态映射匹配优化。回采控制服务器从设备数据库中调取凿岩台车、铲运机等关键设备的性能参数，包括凿岩台车的最大推进压力、钻孔偏斜率、钻杆有效行程、铲运机的最小转弯半径及额定载荷。系统建立设备的机电特性包络线模型，并将其引入至步骤1建立的矿体耦合模型中。通过几何拓扑关联引擎，系统计算设备作业空间与矿体几何形态的重叠度。针对凿岩作业，系统会自动计算每一排炮孔的理想空间坐标与偏转角度，确保炮孔末端与矿体边界的拟合度优于98%。在映射过程中，系统会根据矿石的破碎功指数动态调整凿岩台车的冲击频率与推进速度。例如，当系统检测到局部矿体硬度由6级上升至8级时，会自动下发指令给凿岩台车的PLC控制器，将液压冲击系统的压力调增15%，以保证钻进效率。
[0026]在实际回采阶段，系统执行步骤3，实施基于实时实测的回采方案动态响应控制。每一分层回采结束后，感知层的三维激光扫描仪对暴露出的掌子面、顶板及侧帮进行全断面扫描，获取实时点云数据。回采控制服务器将实时点云模型与设计模型进行布尔运算，识别出实际开挖边界与设计边界的偏差。若在扫描过程中发现新显露的断层或裂隙，系统利用特征识别算法提取断层的走向、倾角及宽度参数，并将其反馈至动态控制逻辑中。若实测的断层位移或裂隙发育程度超过预设的安全阈值，系统会自动启动重新规划程序，动态调整下一分层的回采步距。例如，将原定的3米回采分层高度降低至2.4米，并增加顶板锚杆的布置密度，由原来的1.5米乘1.5米调整为1.2米乘1.2米。这种基于反馈环路的动态响应机制，确保了系统能够实时修正作业参数，以应对复杂地质环境的不确定性。
[0027]紧接着，系统执行步骤4，采用上向分层或分段嗣后充填采矿法结合固废利用进行地压控制。根据步骤1中识别出的矿体形态，对于产状连续性较好的区域，系统配置为分段嗣后充填模式;对于高度零散的零星矿体，系统配置为上向分层充填模式。自动化充填泵站依据处理层下达的配比指令，将选矿尾砂、废石碎料与胶凝材料按预定比例(如1比8)进行混合搅拌，制备成高浓度浆液。在充填过程中，感知层的应力监测传感器被预埋在充填体内部，实时采集充填体与围岩接触面的法向应力数据。数据经由工业以太网传回处理层，系统通过分析应力演化曲线来评估采空区的稳定性。若监测到应力增长速率异常，系统会立即调节充填泵的输出流量，并增加胶凝材料的比例，以提升充填体的早期支护强度。
[0028]最后，系统执行步骤5，优化矿井通风系统以适应深部开采需求。针对-360米中段开采带来的通风阻力增加，处理层的通风网络解算软件建立全矿井的三维通风数学模型。系统根据各作业面的实时需风量，利用节点风压法计算全系统的风流分布。若解算结果显示-270米水平的零星回采点风速低于0.25米每秒，系统会自动调节主扇风机的变频器频率，并指令相关路径上的自动化风门进行开度调节，实现风量的按需分配。环境监测站实时监测回风流中的有害气体浓度，一旦浓度超标，系统将自动触发局部通风强化模式，确保作业环境符合安全规程。
实施例2
[0029]参见图1-图3,在实施例一的基础上，本实施例进一步细化了在极端复杂地质条件下，针对-270米水平零星矿体回采的系统冗余设计与算法深度扩充，以确保系统在面临通信中断或极端地质灾害时的鲁棒性。
[0030]系统架构方面，本实施例在处理层增设了边缘计算节点，部署于矿井各中段的配电硐室内。边缘计算节点具备本地化的数据存储与初步处理能力，当主干光纤环网发生故障导致与地面服务器失联时，边缘节点能够接管回采方案的动态响应控制职能。感知层增加了微震监测子系统，通过布设在矿体周边的拾震器阵列，捕获岩体破裂产生的微弱震动信号，其采样频率不低于2000赫兹。执行层增加了应急排水泵组与自动化逃生指示系统，与感知层的超前探水传感器形成联动。
[0031]在工作流程维度，本实施例对步骤1的建模过程进行了算法升级。在处理品位分布时，系统引入了地质统计学中的条件模拟方法，通过生成多个等概率的品位分布实现方案，评估矿体边界的不确定性风险。系统计算矿体厚度变化的梯度张量，对于厚度梯度剧烈波动的区域，自动划定为高风险作业区。在构建几何边界模型时，系统采用非均匀有理B样条曲面技术，对矿体的形态进行平滑拟合，从而在后续步骤2中为凿岩台车提供更加连续、平滑的作业路径参考。
[0032]针对步骤2的动态映射匹配，本实施例引入了机械臂动力学约束算法。对于自动化凿岩台车，系统不仅计算炮孔的空间坐标，还需实时解算台车机械臂在复杂巷道空间内的运动学正逆解。系统通过建立巷道内壁的障碍物避障模型，确保台车在调整钻杆角度时不会与巷道顶板或帮壁发生碰撞。映射函数中增加了能量效率因子，系统会根据实时采集的液压系统油压与油温，自动优化凿岩频率，使设备始终工作在高效能区间。
[0033]在步骤3的动态响应控制中，本实施例增加了基于微震信号的岩体损伤等级评估环节。当微震监测子系统捕获到集中的震群活动时，处理层会利用矩张量反演技术分析破裂源的性质(剪切破裂或张性破裂)。若判定为岩爆预兆，动态响应控制逻辑会立即中断当前的步骤3流程，下发强制停工指令给执行层的所有设备。同时，系统会自动修正回采顺序，通过改变相邻矿块的开采间隔时间，诱导地压向深部围岩转移。
[0034]在步骤4的地压控制方案中，本实施例强化了固废利用的材料科学细节。系统内置了充填浆液流变学模型，根据充填管道的长度、坡度及内径，实时计算浆液的屈服应力与塑性粘度。自动化充填泵站配备了高精度的电磁流量计与质量计，确保尾砂浓度的波动控制在正负1%以内。系统还引入了超声波非破损检测技术，通过安装在采空区顶部的超声换能器，检测充填体与顶板的接顶率。若接顶率低于95%，系统会自动启动二次注浆泵，利用高压注浆工艺充填顶部的残余空隙，确保地压的有效传递。
[0035]在步骤5的通风系统优化中，本实施例引入了基于深度学习的风量预测模型。系统收集历史通风数据、环境监测数据以及回采进度数据，训练出一个能够预测未来24小时内各需风点风量需求的人工神经网络。通风解算软件根据预测结果，提前调节主扇风机的导叶角度，避免了风量调节的滞后性。此外，系统在风流紊乱区增设了空气幕装置，通过高速射流形成的空气屏障，有效防止了污风串连，提升了-270米水平作业区域的有效风量率。
实施例3
[0036]参见图1-图3,本实施例重点阐述本发明在多源数据融合与跨系统协同控制方面的具体实施方式，特别是在应对-360米中段与-270米中段协同开采时的复杂工况。
[0037]系统架构层面，本实施例构建了一个基于数字孪生技术的矿井全域控制中心。该中心集成了地理信息系统、生产调度系统、设备生命周期管理系统以及安全监控系统。感知层增加了对铲运机、凿岩台车等移动设备的实时定位子系统，采用UWB定位技术，定位精度优于0.15米。传输层采用了冗余环网结构，当任意一处光纤断开时，系统可在30毫秒内自动切换至备用链路。处理层引入了多准则决策模型，用于在多个回采目标之间进行资源分配。
[0038]在工作流程维度，本实施例对步骤1进行了跨中段的数据融合。建模系统不仅考虑-270米水平的矿体参数，还将-360米水平的开采扰动场纳入耦合模型中。通过有限元数值分析软件，系统计算-360米水平开采导致的应力重分布对-270米水平零星矿体稳定性的影响。这种跨空间维度的建模方式，使得步骤1生成的模型具备了时间演化特性。
[0039]针对步骤2，本实施例实现了设备参数与作业环境的深度融合。系统不仅匹配设备与矿体形态，还考虑了巷道的底板平整度。铲运机上安装了高精度倾角传感器，实时获取底板坡度数据。处理层根据坡度变化，动态调节铲运机的动力分配系统，防止在湿滑或陡坡路段发生打滑。同时，系统建立了设备维护预警模型，通过监测凿岩台车液压油的颗粒度与含水量，提前预测设备故障，确保映射匹配优化方案的连续执行。
[0040]在步骤3的动态响应中，本实施例增加了多源信息互校验逻辑。系统将三维激光扫描获取的几何偏差与微震监测获取的物理损伤进行加权融合。若几何偏差显示顶板下沉量增大，且微震信号显示能量释放频率增加，系统将判定该区域处于临界失稳状态，立即启动最高等级的动态响应程序，包括撤离人员、关闭设备电源并启动自动化支护机器人进行加强支护。
[0041]步骤4的地压控制方案在本实施例中被扩展为闭环的应力平衡系统。系统根据实测的围岩应力张量，动态调整充填体的刚度设计。对于应力集中区，系统通过增加胶凝材料用量，提高充填体的弹性模量，使其充当“人工矿柱”的作用;对于应力释放区，则采用低浓度充填，以降低成本。这种差异化的充填策略，实现了地压控制与经济效益的最优平衡。
[0042]在步骤5的通风优化中，本实施例重点解决了深部开采的热害问题。系统在通风网络模型中加入了热力学参数，计算风流在流经-360米深部巷道时的温升情况。根据计算结果，系统自动调节各中段的风量分配，利用低温进风流对高温作业区进行强制冷却。同时，系统联动了局部制冷设备，当环境监测站检测到作业面温度超过28摄氏度时，自动开启制冷循环，确保作业人员的生理舒适度与作业安全。
[0043]此外，本实施例还建立了一套基于大数据分析的回采效率评价体系。系统实时收集炸药单耗、电能消耗、充填成本以及回收的矿石品位，通过多准则决策模型计算每一分层的经济效益指标。若某一零星矿体的回采成本超过其资源价值，系统会自动提示管理层进行方案调整，实现了从技术可行性到经济合理性的全面管控。
实施例4
[0044]参见图1-图3,本实施例详细描述本发明在软件逻辑层面的具体实现细节，重点在于步骤1至步骤5中涉及的核心算法与数据处理逻辑，以体现系统维度与方法维度的深度融合。
[0045]在系统层面，处理层的工作站运行着一套基于C++开发的高性能空间数据引擎。该引擎支持海量点云数据的并行处理，利用GPU加速技术进行空间插值运算。数据库采用时空数据库架构，能够存储每一时刻矿体的形态演化过程。执行层的PLC控制器采用了冗余CPU配置，确保在恶劣环境下控制逻辑的绝对可靠。
[0046]在方法流程层面，步骤1中的克里金插值过程被细化为：首先对原始品位数据进行正态分布检验与异常值处理;然后计算实验变异函数，并利用加权最小二乘法进行理论模型拟合;最后在三维网格内进行权重求解，其数学表达式为：
Z(x) = ∑ [λ_i * Z(x_i)]
其中，Z(x)为待估点的品位值，Z(x_i)为已知采样点的品位值，λ_i为对应的权重系数，该系数通过求解克里金方程组获得，确保估值无偏且方差最小。系统将插值结果以体素的形式存储，每个体素的大小为0.5m×0.5m×0.5m，包含了品位、岩性、密度等属性。
[0047]步骤2中的动态映射匹配逻辑采用了一种基于势场法的路径规划算法。系统将矿体边界设定为引力场，将巷道围岩与设备物理尺寸设定为斥力场。凿岩台车的作业轨迹在合力的作用下进行动态调整。系统通过求解动力学方程，确定钻头在每一时刻的最佳切入点。对于装运设备，系统利用动态规划算法，在满足铲运机转弯半径约束的前提下，计算出最短的回采运输路径，使单次循环时间缩短15%以上。
[0048]步骤3的动态响应控制逻辑采用了模糊PID控制算法。系统将实测的地质偏差作为输入变量，将回采步距的调整量作为输出变量。模糊推理引擎根据预设的隶属度函数，处理诸如“断层宽度较大”、“裂隙发育中等”等模糊语言变量，输出精确的控制参数。这种方法有效解决了地质数据模糊性带来的决策难题。
[0049]步骤4中的充填控制逻辑基于质量平衡原理。系统实时监测充填管路的压力损失，其计算公式遵循达西-魏斯巴赫方程：
ΔP = f * (L/D) * (ρv²/2)
其中，ΔP为压力损失，f为摩擦因子，L为管路长度，D为管径，ρ为浆液密度，v为流速。系统根据压力监测值自动调节泵送功率，防止因浆液浓度过高导致的堵管事故。同时，系统记录每一批次充填材料的来源与配比，实现了充填体质量的全生命周期追溯。
[0050]步骤5的通风解算逻辑采用了改进的Hardy-Cross迭代算法。系统将全矿井通风网络抽象为由节点和分支组成的图结构。在迭代过程中，系统通过不断修正各分支的风量，使每个回路的压力降之和趋于零，同时满足节点风量平衡条件。系统在软件界面上实时显示风流的流向与风速分布，并根据环境监测站的报警反馈，自动生成风量调节方案，下发至风门执行器。
实施例5
[0051]参见图1-图3,本实施例进一步拓展本发明在智能化运维与远程协同方面的应用场景。系统架构中增加了云端专家系统，通过卫星链路将矿井本地数据同步至集团数据中心。云端系统利用深度学习算法，对全国范围内多个类似矿山的回采数据进行挖掘，为-270米水平的零星矿体回采提供类比参考。
[0052]在工作流程维度，步骤1的建模过程引入了增强现实技术。技术人员佩戴AR头显进入井下作业面，系统将三维矿体模型实时叠加在实际岩壁上，使作业人员能够直观地看到矿体边界与设计炮孔位置。这种虚实结合的方式极大地提升了施工精度。
[0053]步骤2的设备匹配增加了能效监测维度。系统实时分析凿岩台车的能耗曲线，识别出设备性能退化的特征信号。例如，当液压泵的效率下降5%时，系统会自动调整映射函数，优先安排该设备进行轻载作业，并提醒维护人员进行检修。
[0054]步骤3的动态响应控制被扩展到了多工序协同层面。当回采方案因地质原因调整后，系统会自动同步更新充填计划、通风计划以及电力供应计划。例如，若回采步距减小导致产矿速度下降，系统会自动调减充填浆液的制备量，避免材料浪费。
[0055]步骤4的地压控制方案中，本实施例引入了分布式光纤传感技术。在回采巷道的顶板内安装分布式光纤应变计，通过监测光纤中布里渊散射光的频率漂移，获取巷道全长范围内的应变分布。相比于点式应力计，光纤传感能够提供连续的变形曲线，更早地发现顶板冒落风险。
[0056]步骤5的通风优化增加了智能反风功能。系统预设了多种火灾或突发事故工况，并针对每种工况生成了最优的反风控制逻辑。一旦系统检测到火灾信号，能够自动关闭受影响区域的进风风门，启动反风风机，将烟气迅速排向回风井，保障人员撤离通道的空气清新。
[0057]通过上述多个实施例的详细描述，本发明构建了一套完整的复杂条件下零星矿体回采技术体系。系统不仅在硬件层面实现了感知、传输与执行的闭环，更在软件逻辑层面实现了从建模、匹配、响应到控制的深度融合。各实施例中所述的技术细节，如坐标误差控制在正负0.05米以内、风量分配精度、充填体强度监测等，均通过具体的机电结构与算法逻辑得以实现。本发明通过精细化的三维空间建模、动态的设备参数映射、实时的地质响应控制以及科学的地压与通风管理，显著提升了-270米水平零星矿体的回收效率与作业安全性，为深部矿产资源的开发提供了高效的技术手段。
[0058]需要说明的是：上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制;凡本领域普通技术人员利用上述揭示的技术内容所作出的任何等同变化的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内。
说明书附图(3)
声明：
“复杂条件下零星矿体的回采方法及其回采系统” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：武钢资源集团大冶铁矿有限公司
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