基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法

摘要

本发明公开了基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法，属于摄影测量学或视频测量学技术领域，用于尾矿库的放矿优化，包括采集选矿厂输送来的尾矿矿浆样品，构建冲击侵蚀模型，在尾矿库现场开展无人机遥感外业测量，进行尾矿库表面微地形的模型建立；调整尾矿库放矿布置参数，分别建立不同放矿布置方案下的SPH模拟初始条件；运算求解进行SPH模拟，得到尾砂排放后在库区表面随时间推移的变化过程，包括携带原有尾砂颗粒运动变化过程，可观测相应时间段尾砂的分布状况，并与红外热成像相机拍摄得到的矿浆运移流动路径做对比验证；重复调整尾矿库放矿位置与间距放矿布置参数，直至得到最佳的放矿模拟效果。

权利要求

1.基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法，其特征在于，包括：

S1.采集选矿厂输送来的尾矿矿浆样品，使用浓度壶法测试放矿浓度，通过激光粒度仪测试尾矿颗粒的粒级级配组成，通过桨式流变仪测试流变参数，建立放矿矿浆的两相流变模型；

S2.自尾矿库放矿位置向库内采集沉积尾矿试样，在实验室测试材料内摩擦角、内聚力以及物理力学性能参数，构建冲击侵蚀模型；

S3.在尾矿库现场开展无人机遥感外业测量，搭载可见光传感器通过摄影测量SfM算法获取库区高分辨率数字表面模型DSM与正射影像，搭载红外热成像相机利用管道内矿浆与库内矿浆温度差异监测放矿矿浆运移流动路径；

S4.通过获得的高分辨率数字表面模型DSM进行尾矿库表面微地形的模型建立，获得含尾矿库内微地形的三维几何模型；

S5.结合S1构建的两相流变模型、S2建立的冲击侵蚀模型、S4获取的含尾矿库内微地形的三维几何模型，调整尾矿库放矿布置参数，包括放矿位置和间距，分别建立不同放矿布置方案下的SPH模拟初始条件；

S6.运算求解进行SPH模拟，得到尾砂排放后在库区表面随时间推移的变化过程，包括携带原有尾砂颗粒运动变化过程，可观测相应时间段尾砂的分布状况，并与S3中红外热成像相机拍摄得到的矿浆运移流动路径做对比验证；

S7.根据S6得到的结果，重复S5调整尾矿库放矿位置与间距，直至得到最佳的放矿模拟效果，得到更大的干滩长度及干滩坡度，避免出现侧坡、扇形坡或细粒尾矿大量集中沉积于一端或一侧；

S6中的SPH模拟包括：

所述两相流变模型构建使用非牛顿两相流流体模型HBP，HBP模型是一种广义的非牛顿流体模型，包括4项参数表征流体，即流体表观黏度 、屈服应力 、幂律指数n、应力增长指数m，HBP模型为： ，式中， 是应变率张量第二常量，，为应变率张量，和 分别是坐标轴方向；

冲击侵蚀模型选用屈服模型： ，  是偏切应力

张量，、为参数，当满足 屈服条件时判定沉积物表面发生侵蚀作

用；

流体表观黏度 的等效黏度系数为：

，式中K和m1是恒定系数。

2. 根据权利要求1所述的基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法，其特征在于，通过激光粒度仪测试尾矿颗粒的粒级级配组成时，土的不均匀系数为反映组成土的颗粒均匀程度的一个指标，用  表示： ，其中， 为重量占10%的粒径,  为重量占60%的粒径，土的曲率系数是反映土的粒径级配累计曲线的斜率是否连续的指标系数，用 表示：  ，其中， 为重量占30%的粒径。

3.根据权利要求2所述的基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法，其特征在于，通过桨式流变仪测试流变参数中，流变仪控制剪切率或剪切应力进行旋转测量，通过改变流变仪转速和扭矩，自动调整控制参数，获得流变参数：转速、扭矩、剪切率、剪切应力、粘度、温度、时间，绘制流变曲线。

4.根据权利要求3所述的基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法，其特征在于，所述S3中的摄影测量包括：布置控制点放置标识，进行无人机航线规划，通过搭载可见光传感器的无人机获取尾矿库表面图像信息，人工携带RTK测量获取控制点的高程、经纬度两种位置信息，将位置信息导入摄影测量后处理软件，运用SfM算法进行多次数据处理构造尾矿库三维模型，得到库区高分辨率数字表面模型DSM与正射影像。

5.根据权利要求4所述的基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法，其特征在于，红外热成像相机的测量包括：在尾矿库最新排放尾砂时，进行无人机航线规划，通过无人机搭载红外热成像相机进行循环飞行测量，进行软件处理后获取尾矿库区域的红外线图像，利用管道内矿浆与库内矿浆温度差异监测放矿矿浆运移流动路径。

6.根据权利要求5所述的基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法，其特征在于，所述S4包括：将无人机获取的高分辨率DSM导入处理软件，载入栅格数据并转换生成三维模型，将单元格数据转换为点数据，并将三维几何模型平移至坐标系原点位置，导出生成包含尾矿库内微地形的三维几何模型，供下一步使用。

说明书

基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法

技术领域

[0001] 本发明公开了基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法，属于摄影测量学或视频测量学技术领域。

背景技术

[0002] 尾矿是矿石经破碎磨细分选后所残余有用成分少、当前经济技术条件不宜进一步分选的固体颗粒废弃物。高效安全的尾矿处置方法是维持矿山采选生产的关键因素。当前尾矿处置主要方法仍然是将一定浓度的尾矿浆体通过放矿管道排放至矿山固废堆存场地尾矿库内。尾矿库通常由尾矿坝堆筑拦截山谷或围地构成，是公认的矿山重大危险源之一。我国尾矿库大多采用坝前分散管放矿，尾矿在库内的沉积运动是一个典型的泥沙介质运动学行为，粗细不均的尾矿颗粒在库内运移流动并沉积形成具有颗粒分级的干滩，放矿浓度及流量流速、放矿位置及间距、尾矿颗粒级配及沉积特性等参数以及库区内部地形因素尤其是放矿口附近局部微地形，直接影响矿浆运移沉积行为，决定排矿后尾矿库干滩面长度坡度、尾矿夹层内尾矿颗粒分布与坝体渗透性能，关系到尾矿库安全运行能力。《尾矿库安全规程》（GB39496—2020）规定湿排尾矿应在坝前均匀、分散排放，维持滩面均匀上升，滩面不得出现侧坡、扇形坡或细粒尾矿大量集中沉积于某端或某侧。

[0003] 由于矿山各生产阶段尾矿颗粒材料性质在时间空间尚存在一定差异，放矿布置方式亦应当随着矿山生产与尾矿库堆存进度而动态变化。而当前尾矿库放矿布置设计优化主要依据经验类比法、模型试验法，经验类比法已逐渐难以适应当前细粒尾矿堆存与尾矿库安全管控收紧的现状。

发明内容

[0004] 本发明提出了基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法，解决现有技术中放矿模型试验法存在条件设置复杂、可重复性差、地形还原度低、相似比误差的问题。

[0005] 基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法，包括：

[0006] S1.采集选矿厂输送来的尾矿矿浆样品，使用浓度壶法测试放矿浓度，通过激光粒度仪测试尾矿颗粒的粒级级配组成，通过桨式流变仪测试流变参数，建立放矿矿浆的两相流变模型；

[0007] S2.自尾矿库放矿位置向库内采集沉积尾矿试样，在实验室测试材料内摩擦角、内聚力以及物理力学性能参数，构建冲击侵蚀模型；

[0008] S3.在尾矿库现场开展无人机遥感外业测量，搭载可见光传感器通过摄影测量SfM算法获取库区高分辨率数字表面模型DSM与正射影像，搭载红外热成像相机利用管道内矿浆与库内矿浆温度差异监测放矿矿浆运移流动路径；

[0009] S4.考虑库区内部高分辨率地形因素，尤其是微地形对放矿运移路径的导向作用，通过获得的高分辨率数字表面模型DSM进行尾矿库表面微地形的模型建立，获得含尾矿库内微地形的三维几何模型；

[0010] S5.结合S1构建的两相流变模型、S2建立的冲击侵蚀模型、S4获取的含尾矿库内微地形的三维几何模型，调整尾矿库放矿布置参数，包括放矿位置和间距，分别建立不同放矿布置方案下的SPH模拟初始条件；

[0011] S6.运算求解进行SPH模拟，得到尾砂排放后在库区表面随时间推移的变化过程，包括携带原有尾砂颗粒运动变化过程，可观测相应时间段尾砂的分布状况，并与S3中红外热成像相机拍摄得到的矿浆运移流动路径做对比验证；

[0012] S7.根据S6得到的结果，重复S5调整尾矿库放矿位置与间距，直至得到最佳的放矿模拟效果，得到更大的干滩长度及干滩坡度，避免出现侧坡、扇形坡或细粒尾矿大量集中沉积于一端或一侧。

[0013] 优选地，通过激光粒度仪测试尾矿颗粒的粒级级配组成时，土的不均匀系数为反映组成土的颗粒均匀程度的一个指标，用 表示： ，其中， 为重量占10%的粒径, 为重量占60%的粒径，土的曲率系数是反映土的粒径级配累计曲线的斜率是否连续的指标系数，用 表示：  ，其中， 为重量占30%的粒径。

[0014] 优选地，通过桨式流变仪测试流变参数中，流变仪控制剪切率或剪切应力进行旋转测量，通过改变流变仪转速和扭矩，自动调整控制参数，获得流变参数：转速、扭矩、剪切率、剪切应力、粘度、温度、时间，绘制流变曲线。

[0015] 优选地，所述S3中的摄影测量包括：布置控制点放置标识，进行无人机航线规划，通过搭载可见光传感器的无人机获取尾矿库表面图像信息，人工携带RTK测量获取控制点的高程、经纬度两种位置信息，将位置信息导入摄影测量后处理软件，运用SfM算法进行多次数据处理构造尾矿库三维模型，得到库区高分辨率数字表面模型DSM与正射影像。

[0016] 优选地，红外热成像相机的测量包括：在尾矿库最新排放尾砂时，进行无人机航线规划，通过无人机搭载红外热成像相机进行循环飞行测量，进行软件处理后获取尾矿库区域的红外线图像，利用管道内矿浆与库内矿浆温度差异监测放矿矿浆运移流动路径。

[0017] 优选地，所述S4包括：将无人机获取的高分辨率DSM导入处理软件，载入栅格数据并转换生成三维模型，将单元格数据转换为点数据，并将三维几何模型平移至坐标系原点位置，导出生成包含尾矿库内微地形的三维几何模型，供下一步使用。

[0018] 优选地，S6中的SPH模拟包括：

[0019] 所述两相流变模型构建使用非牛顿两相流流体模型HBP，HBP模型是一种广义的非牛顿流体模型，包括4项参数表征流体，即流体表观黏度 、屈服应力 、幂律指数n、应力增长指数m，HBP模型为： ，式中， 是应变率张量第二常量， ，为应变率张量，和 分别是坐标轴方向。

[0020] 优选地，冲击侵蚀模型选用屈服模型： ，  是偏切应力张量，、为参数，当满足 屈服条件时判定沉积物表面发生侵
蚀作用。

[0021] 优选地，流体黏度 的等效黏度系数为： ，式中K和m是恒定系数。

[0022] 与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明为尾矿库坝前放矿效果定量评价与效果预测的提供了实现方法，相比于经验类比与模型相似模拟的方法，具有成本低廉、智能化程度高、节能环保、可重复、可靠性强等优势。结果可为矿浆输送浓度、流速流量、放矿间距及放矿位置等放矿参数的优化改进提供依据，最大程度保障尾矿库运营管理干滩长度及坡度等指标符合安全规程要求，从放矿堆存筑坝环节保障尾矿库的安全运行。

附图说明

[0023] 图1是本发明的技术流程图；

[0024] 图2是无人机遥感流程图。

具体实施方式

[0025] 下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

[0026] 基于无人机遥感与多相SPH算法的尾矿库放矿布置方法，包括：

[0027] S1.采集选矿厂输送来的尾矿矿浆样品，使用浓度壶法测试放矿浓度，通过激光粒度仪测试尾矿颗粒的粒级级配组成，通过桨式流变仪测试流变参数，建立放矿矿浆的两相流变模型；

[0028] S2.自尾矿库放矿位置向库内采集沉积尾矿试样，在实验室测试材料内摩擦角、内聚力以及物理力学性能参数，构建冲击侵蚀模型；

[0029] S3.在尾矿库现场开展无人机遥感外业测量，搭载可见光传感器通过摄影测量SfM算法获取库区高分辨率数字表面模型DSM与正射影像，搭载红外热成像相机利用管道内矿浆与库内矿浆温度差异监测放矿矿浆运移流动路径；

[0030] S4.考虑库区内部高分辨率地形因素，尤其是微地形对放矿运移路径的导向作用，通过获得的高分辨率数字表面模型DSM进行尾矿库表面微地形的模型建立，获得含尾矿库内微地形的三维几何模型；

[0031] S5.结合S1构建的两相流变模型、S2建立的冲击侵蚀模型、S4获取的含尾矿库内微地形的三维几何模型，调整尾矿库放矿布置参数，包括放矿位置和间距，分别建立不同放矿布置方案下的SPH模拟初始条件；

[0032] S6.运算求解进行SPH模拟，得到尾砂排放后在库区表面随时间推移的变化过程，包括携带原有尾砂颗粒运动变化过程，可观测相应时间段尾砂的分布状况，并与S3中红外热成像相机拍摄得到的矿浆运移流动路径做对比验证；

[0033] S7.根据S6得到的结果，重复S5调整尾矿库放矿位置与间距，直至得到最佳的放矿模拟效果，得到更大的干滩长度及干滩坡度，避免出现侧坡、扇形坡或细粒尾矿大量集中沉积于一端或一侧。

[0034] 通过激光粒度仪测试尾矿颗粒的粒级级配组成时，土的不均匀系数为反映组成土的颗粒均匀程度的一个指标，用 表示： ，其中， 为重量占10%的粒径,  为重量占60%的粒径，土的曲率系数是反映土的粒径级配累计曲线的斜率是否连续的指标系数，用 表示：  ，其中， 为重量占30%的粒径。

[0035] 通过桨式流变仪测试流变参数中，流变仪控制剪切率或剪切应力进行旋转测量，通过改变流变仪转速和扭矩，自动调整控制参数，获得流变参数：转速、扭矩、剪切率、剪切应力、粘度、温度、时间，绘制流变曲线。

[0036] 所述S3中的摄影测量包括：布置控制点放置标识，进行无人机航线规划，通过搭载可见光传感器的无人机获取尾矿库表面图像信息，人工携带RTK测量获取控制点的高程、经纬度两种位置信息，将位置信息导入摄影测量后处理软件，运用SfM算法进行多次数据处理构造尾矿库三维模型，得到库区高分辨率数字表面模型DSM与正射影像。

[0037] 红外热成像相机的测量包括：在尾矿库最新排放尾砂时，进行无人机航线规划，通过无人机搭载红外热成像相机进行循环飞行测量，进行软件处理后获取尾矿库区域的红外线图像，利用管道内矿浆与库内矿浆温度差异监测放矿矿浆运移流动路径。

[0038] 所述S4包括：将无人机获取的高分辨率DSM导入处理软件，载入栅格数据并转换生成三维模型，将单元格数据转换为点数据，并将三维几何模型平移至坐标系原点位置，导出生成包含尾矿库内微地形的三维几何模型，供下一步使用。

[0039] S6中的SPH模拟包括：

[0040] 所述两相流变模型构建使用非牛顿两相流流体模型HBP，HBP模型是一种广义的非牛顿流体模型，包括4项参数表征流体，即流体表观黏度 、屈服应力 、幂律指数n、应力增长指数m，HBP模型为： ，式中， 是应变率张量第二常量， ，为应变率张量，和 分别是坐标轴方向。

[0041] 冲击侵蚀模型选用屈服模型： ，  是偏切应力张量，、为参数，当满足 屈服条件时判定沉积物表面发生侵蚀作用。

[0042] 流体黏度 的等效黏度系数为： ，式中K和m是恒定系数。

[0043] 本发明的技术流程如图1所示。使用浓度壶法测试放矿浓度，测得实施例放矿浓度为29.5%，浓度壶是选矿过程中用来直接测定矿浆浓度的壶形器具。由于检查浓度是经常性的检验工作，为了适应调节工艺流程的及时要求，浓度壶法省去了现场每次测定浓度的计算工作，方便操作，有利于及时调整浓度变化。选矿厂一般都根据选别不同过程的矿物比重，针对容积一定，重量已知的浓度壶，算出某一矿浆重量下的浓度。即将不同矿浆重量，换算成不同的矿浆浓度，然后制成一一对应的表格，通称为矿浆浓度查对表。选矿厂常用的浓度壶容积有1000毫升、500毫升、250毫升等。为了浓度和细度的测定尽可能准确，对于粒度组成较不均匀的矿浆，如球、棒磨排矿可采用500‑1000毫升的浓度壶进行测定;对于粒度组成较均匀的矿浆，如分级机或旋流器的溢流、重选、浮选、湿式磁选各作业的矿浆，可用250‑500毫升的浓度壶进行测定。

[0044] 主要操作步骤是：

[0045] 1.清洗浓度壶内部，保证浓度壶内部干净、清洗浓度勺及铁盘，保证测量结果的准确性。

[0046] 2.用浓度勺将矿浆装入到浓度壶中，要求浓度勺要从搅拌槽溢流耳箱的中央位置舀取矿浆，保证取样的代表性及均匀性。

[0047] 3.往浓度壶中加满矿浆，待矿浆液位高于溢流嘴时停止加矿，等待片刻，待部分矿浆从溢流嘴流出直至不流时，用手指堵住浓度壶溢流嘴，将浓度壶转移至冲洗水管处冲洗。

[0048] 4.将外表面冲洗干净的浓度壶放至台秤铁盘上面，通过加减秤砣及调节游码，称取装满矿浆的浓度壶总质量。

[0049] 5.根据所称出的数据对照现场矿浆浓度对照表读取所测矿浆浓度。

[0050] 实施例测得样品参数如表1：

[0051] 表1 样品参数

[0052]

[0053] 与RST流变仪配套软件中提供Newton、Bingham、Casson、Hershel‑Bulky、Ostwald、Steiger‑Ory六种流体模型。测得实施例放矿料浆的流变模型为Bingham，黏度0.06Pa·s，屈服应力2.74Pa。

[0054] 实施中，采集选矿厂输送来的尾矿矿浆样品，分别测试放矿浓度，使用激光粒度仪测试尾矿颗粒粒级级配组成、使用桨式流变仪测试矿浆流变参数，根据上述测试结果，建立放矿矿浆的两相流流变模型。在DualSPHysics_v5.0中编写XML文件调取三维几何模型、定义多相SPH各项流体参数，在Linux环境下执行.sh脚本文件执行多相SPH求解运算。

[0055] 根据研究区域库区面积、高程等条件，规划航线、航行高度、设置地面控制点（条件不允许时可省去），使用大疆M300搭载禅思P1、XTS机载传感器开展航测任务，如图2[0056] 自尾矿库放矿位置向库内1m、2m、3m、4m、5m、7m、10m、15m、30m分别采集沉积尾矿试样，实施例沉积尾矿参数：内摩擦角30.3°，内聚力3.53kPa。

[0057] S4中，为将无人机获取的高分辨率DSM导入QGIS软件，通过GRASS工具箱的v.in.ogr模块载入栅格数据，通过v.out.vk模块转换生成VTK格式三维模型，在ParaView软件中利用将单元格数据转换为点数据，并将三维几何模型平移至坐标系原点位置，导出生成包含尾矿库内微地形的STL格式三维几何模型，供下一步SPH模拟使用。STL格式三维几何模型即为反应尾矿库表面微地形的模型，STL文件仅描述三维物体的表面几何形状，所以该模型为仅含有尾矿库表面形状的三维立体模型，反应尾矿库库表面起伏变化。

[0058] 含尾矿库内微地形的三维几何模型主要根据所获得的数字表面模型（DSM）建立，由于DSM主要包含尾矿库表面的高程信息，因此模型表面会因高程不同显现凸起和凹陷，也就反映了尾矿库表面微地形的起伏变化。该模型主要是将尾矿库表面模型转化为便于进一步操作的三维立体模型。

[0059] 冲击侵蚀模型具体为：当排放尾砂冲击侵蚀堆存尾砂冲击力超过原尾砂分层的屈服应力后，将对原有尾矿沉积滩面产生冲击侵蚀作用。冲击力与距排放口距离、流速、流变参数以及原尾矿库表面的微地形有关，冲击力大的地方破坏程度更高，会携带更多的原有尾砂继续流动，也就发生了较严重的冲击侵蚀；冲击力小的地方破坏程度较低，仅携带表面的原有尾砂继续流动或不携带原尾砂。因此受冲击侵蚀的地方尾砂会重新分布，尾砂排放位置不同，冲击侵蚀的范围和程度也就不同。

[0060] S5中，SPH算法为光滑粒子流体动力学算法是一种无网格类、纯拉格朗日流体动力学方法，相比于传统网格类欧拉算法，更加适用于放矿尾矿浆体流动冲击这一类带有自由面、大变形的数值仿真。该方法的基本思想是将连续的流体(或固体)用相互作用的质点组来描述，各个物质点上承载各种物理量，包括质量、速度等，通过求解质点组的动力学方程和跟踪每个质点的运动轨迹，求得整个系统的力学行为。

[0061] 本发明提出融合应用无人机遥感与多相SPH流体动力学数值模拟方法，充分考虑库区内部高分辨率地形因素尤其是微地形对放矿运移路径的导向作用以及放矿过程不同区域尾矿力学特征分别植入HBP非牛顿两相流流体模型、Drucker‑Prager屈服模型、Mohr‑Coulomb屈服模型，研究不同放矿参数下尾矿流动冲击携带已沉积尾砂过程、尾矿流动运移过程。

[0062] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。