【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于自動控制，具體涉及礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、礦井開采是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，隨著資源開采深度的增加和礦體復(fù)雜性的提高，礦井開采過程中產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境問題日益凸顯。礦井充填作為一種關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于礦井開采后期的采空區(qū)治理、地表沉降控制以及礦山資源回收利用中。其中，充填材料的性能直接關(guān)系到采空區(qū)的穩(wěn)定性、礦山作業(yè)的安全性以及環(huán)境保護的效果。然而，目前公開的礦井充填技術(shù)在材料配比、性能優(yōu)化以及自動化控制等方面仍存在許多技術(shù)瓶頸，難以滿足復(fù)雜工況下礦井充填作業(yè)的高效、安全和可持續(xù)性需求?，F(xiàn)有技術(shù)中，礦井充填材料通常以尾砂為主要骨料，輔以水泥作為膠結(jié)材料，并通過水或外加劑調(diào)整流動性。這些材料通過管道輸送至井下采空區(qū)后形成充填體，對空區(qū)起到支護和穩(wěn)定作用。以尾砂、水泥和水為基礎(chǔ)的“三組分”漿體是傳統(tǒng)礦井充填材料的代表，具有原料易得、成本低廉和施工簡單的特點。然而，這種充填技術(shù)在性能優(yōu)化方面存在較大局限性，尤其在長距離輸送、高落差管道布局以及復(fù)雜地質(zhì)條件下，漿體流動性不足、強度難以滿足要求的問題尤為突出。
2、近年來，為了改善傳統(tǒng)漿體充填技術(shù)的性能，許多研究工作集中在充填材料組分優(yōu)化和輸送技術(shù)改進方面。例如，加入化學(xué)外加劑（如減水劑、增塑劑或早強劑）已被廣泛用于提高漿體的流動性和強度。然而，這種改進在實際應(yīng)用中仍面臨以下問題：現(xiàn)有的充填材料配比多采用固定方案，基于經(jīng)驗公式或?qū)嶒炇覝y試數(shù)據(jù)確定各組分的比例。這種靜態(tài)的配比方案缺乏對井下實際工況動態(tài)變化的適應(yīng)能力，例如管道壓力波動、漿體輸
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的主要目的在于提供礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了充填材料配比的動態(tài)優(yōu)化和壓力的精確管理。系統(tǒng)基于拉格朗日函數(shù)構(gòu)建多目標優(yōu)化框架，將材料強度、流動性與輸送安全性綜合納入優(yōu)化目標，并采用牛頓-拉夫森方法動態(tài)求解最優(yōu)配比。在復(fù)雜礦井工況下，系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)整組分配比和泵閥控制指令，以保證充填材料性能的穩(wěn)定性和輸送過程的安全性。
2、為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提供礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)測單元，智能控制與優(yōu)化計算單元以及自動化執(zhí)行單元；所述數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)測單元，用于通過布設(shè)的各種傳感器采集管道或井下空間的壓力和充填材料漿體各組分的實時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，定義多組分配比約束與總質(zhì)量約束，構(gòu)建充填材料漿體在管道或井下空間的對流-擴散方程，結(jié)合漿體流動速度場，計算充填材料漿體的各組分的實時局部濃度，建立衡量充填性能好壞的綜合目標函數(shù)；所述智能控制與優(yōu)化計算單元，用于根據(jù)確定的壓力安全上限，構(gòu)建壓力懲罰函數(shù)量化超限風(fēng)險；將綜合目標函數(shù)和壓力懲罰函數(shù)集成到一個拉格朗日函數(shù)中，對拉格朗日函數(shù)求偏導(dǎo)，得到一階條件，采用牛頓-拉夫森方法，動態(tài)求解最優(yōu)配比；所述自動化執(zhí)行單元，用于將最優(yōu)配比轉(zhuǎn)化為各組分的投料流量，通過泵閥控制執(zhí)行。
3、進一步的，充填材料漿體的組分包括：尾砂、水泥、水和外加劑；充填材料漿體各組分的實時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：質(zhì)量和坍落度。
4、進一步的，設(shè)在時刻的總充填材料漿體的質(zhì)量為，尾砂、水泥、水和外加劑的質(zhì)量分別為，，和；定義多組分配比約束與總質(zhì)量約束為：
5、；
6、其中，為符號下標索引；代表尾砂；代表水泥；代表水；代表添加劑；為配比向量；；為組分的質(zhì)量配比，無量綱，取值范圍為。
7、進一步的，設(shè)在時刻時組分在位置的實時局部濃度為，滿足以下流-擴散方程：
8、；
9、其中，為漿體流動速度場；為梯度算子；為漿體密度；為組分的相對沉降速度，；為組分的密度；；為預(yù)先設(shè)定的組分和之間的交互阻力系數(shù)；為在時刻時組分在位置的實時局部濃度；為重力加速度；為漿體粘度；為組分的平均顆粒粒徑；為預(yù)先設(shè)定的組分的有效擴散系數(shù)。
10、進一步的，漿體流動速度場，通過如下方程求解得到：
11、；
12、其中，為壓力。
13、進一步的，綜合目標函數(shù)由兩個部分的加和得到，分別為：局部強度部分和局部流動性部分；其中，局部強度部分通過如下公式進行表示：
14、；
15、局部流動性部分，通過如下公式進行表示：
16、；
17、其中，組分的坍落度；；則綜合目標函數(shù)的公式為：
18、；
19、其中，為設(shè)定的局部強度系數(shù)。
20、進一步的，壓力安全上限使用如下公式進行表示：
21、；
22、其中，為設(shè)定的壓力安全上限；表示時刻在管道或井下空間的中出現(xiàn)的最大壓力；壓力懲罰函數(shù)通過如下公式進行表示：
23、。
24、進一步的，將綜合目標函數(shù)和壓力懲罰函數(shù)集成到一個拉格朗日函數(shù)中，公式如下：
25、；
26、其中，為拉格朗日乘子；對拉格朗日函數(shù)求偏導(dǎo)，得到的一階條件通過如下公式進行表示：
27、。
28、進一步的，采用牛頓-拉夫森方法，動態(tài)求解最優(yōu)配比的過程具體包括：
29、通過如下公式進行迭代：
30、；
31、其中，表示時刻的第次迭代的配比向量；表示時刻的第次迭代的配比向量；為轉(zhuǎn)置運算；
32、為時刻的第次迭代的梯度向量：
33、；
34、其中，為時刻的第次迭代的拉格朗日函數(shù)；
35、為時刻的第次迭代的雅可比矩陣：
36、；
37、當滿足以下條件時，終止迭代：
38、；
39、；
40、其中，為設(shè)定的梯度閾值；為設(shè)定的迭代閾值。
41、本專利技術(shù)的礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，具有以下有益效果：
42、本專利技術(shù)通過實時數(shù)據(jù)采集和動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)了充填材料配比的精準優(yōu)化。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)測單元能夠?qū)崟r獲取漿體各組分（尾砂、水泥、水、外加劑）的濃度分布、管道壓力、流速等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。相比于傳統(tǒng)依賴經(jīng)驗公式或固定比例的充填方法，本專利技術(shù)根據(jù)實時數(shù)據(jù)構(gòu)建了一個多目標優(yōu)化框架，將漿體強度、流動性和輸送安全性綜合納入優(yōu)化目標。尤其是在工況變化頻繁的礦井環(huán)境中（如管道布局調(diào)整或輸送距離增加），本專利技術(shù)能夠通過智能算法對組分配比進行動態(tài)調(diào)整，從而確保充填材料性能始終符合設(shè)計要求。本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)測單元，智能控制與優(yōu)化計算單元以及自動化執(zhí)行單元；所述數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)測單元，用于通過布設(shè)的各種傳感器采集管道或井下空間的壓力和充填材料漿體各組分的實時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，定義多組分配比約束與總質(zhì)量約束，構(gòu)建充填材料漿體在管道或井下空間的對流-擴散方程，結(jié)合漿體流動速度場，計算充填材料漿體的各組分的實時局部濃度，建立衡量充填性能好壞的綜合目標函數(shù)；所述智能控制與優(yōu)化計算單元，用于根據(jù)確定的壓力安全上限，構(gòu)建壓力懲罰函數(shù)量化超限風(fēng)險；將綜合目標函數(shù)和壓力懲罰函數(shù)集成到一個拉格朗日函數(shù)中，對拉格朗日函數(shù)求偏導(dǎo)，得到一階條件，采用牛頓-拉夫森方法，動態(tài)求解最優(yōu)配比；所述自動化執(zhí)行單元，用于將最優(yōu)配比轉(zhuǎn)化為各組分的投料流量，通過泵閥控制執(zhí)行。
2.如權(quán)利要求1所述的礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，充填材料漿體的組分包括：尾砂、水泥、水和外加劑；充填材料漿體各組分的實時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：質(zhì)量。
3.如權(quán)利要求2所述的礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)在時刻的總充
4.如權(quán)利要求3所述的礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)在時刻時組分在位置的實時局部濃度為，滿足以下流-擴散方程：
5.如權(quán)利要求4所述的礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，漿體流動速度場，通過如下方程求解得到：
6.如權(quán)利要求5所述的礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，綜合目標函數(shù)由兩個部分的加和得到，分別為：局部強度部分和局部流動性部分；其中，局部強度部分通過如下公式進行表示：
7.如權(quán)利要求6所述的礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，壓力安全上限使用如下公式進行表示：
8.如權(quán)利要求7所述的礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，將綜合目標函數(shù)和壓力懲罰函數(shù)集成到一個拉格朗日函數(shù)中，公式如下：
9.如權(quán)利要求8所述的礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，采用牛頓-拉夫森方法，動態(tài)求解最優(yōu)配比的過程具體包括：
...【技術(shù)特征摘要】
1.礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)測單元，智能控制與優(yōu)化計算單元以及自動化執(zhí)行單元；所述數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)測單元，用于通過布設(shè)的各種傳感器采集管道或井下空間的壓力和充填材料漿體各組分的實時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，定義多組分配比約束與總質(zhì)量約束，構(gòu)建充填材料漿體在管道或井下空間的對流-擴散方程，結(jié)合漿體流動速度場，計算充填材料漿體的各組分的實時局部濃度，建立衡量充填性能好壞的綜合目標函數(shù)；所述智能控制與優(yōu)化計算單元，用于根據(jù)確定的壓力安全上限，構(gòu)建壓力懲罰函數(shù)量化超限風(fēng)險；將綜合目標函數(shù)和壓力懲罰函數(shù)集成到一個拉格朗日函數(shù)中，對拉格朗日函數(shù)求偏導(dǎo)，得到一階條件，采用牛頓-拉夫森方法，動態(tài)求解最優(yōu)配比；所述自動化執(zhí)行單元，用于將最優(yōu)配比轉(zhuǎn)化為各組分的投料流量，通過泵閥控制執(zhí)行。
2.如權(quán)利要求1所述的礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，充填材料漿體的組分包括：尾砂、水泥、水和外加劑；充填材料漿體各組分的實時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：質(zhì)量。
3.如權(quán)利要求2所述的礦井交結(jié)充填材料的自動化配比控制系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)在...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：丁希陽，殷宏杰，郭玉保，胡國輝，高峻，張剛，姜偉，王文啟，孫亮，周偉，
申請(專利權(quán))人：山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，
類型：發(fā)明
國別省市：
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