基于黏结颗粒模型的特厚坚硬煤层综放开采数值模拟研究

基于榆神矿区特厚坚硬煤层超大采高综放开采技术条件,针对散体颗粒模型在埋深较浅的坚硬煤层综放开采模拟中顶煤冒放情况与实际不相符的问题,对比黏结颗粒模型与无黏结散体颗粒模型力学性质,讨论两种模型适用条件,得出黏结颗粒模型更适合坚硬煤层综放开采模拟。阐述了黏结颗粒模型的建模和模拟过程:岩层内部采用平行黏结颗粒模型以模拟层内整体块体力学特性,层间采用光滑节理模型以模拟结构面力学性质;通过Fish语言和伺服控制原理实现液压支架初撑阶段、增阻阶段和恒阻阶段不同工况的模拟;根据支架顶梁位态采用逆向运动学方法更新支架整体位姿;通过Fish语言实现尾梁的不同幅度摆动。数值模拟结果表明:覆岩可形成下位基本顶不稳定砌体梁结构和上位基本顶稳定砌体梁结构,顶板来压步距介于10~20 m;顶煤破碎度和冒放性具有双周期性(走向周期与周期来压步距一致,表现为来压期间顶煤破碎较充分、冒放性好,优于非来压期间;垂向周期与顶煤层位相关,表现为下位顶煤破碎充分、冒放性好,优于上位顶煤);工作面煤壁整体稳定性较好,来压期间会出现煤壁破坏现象;液压支架总体处于较高的工作阻力状态;不同块度的顶煤冒放过程中可能形成小块度瞬时动态松散拱结构、中等块度不稳定拱结构和大块度稳定拱结构,尾梁成拱可采用"小拱小摆、大拱大摆"对策高效破拱,掩护梁成拱则需移架才可破拱。超大采高综放开采实践表明数值模拟结果与现场情况一致,黏结颗粒模型能较好地模拟埋深较浅的坚硬煤层综放开采顶煤冒放特征和矿压显现规律。本研究可为坚硬煤层顶煤冒放性和顶板覆岩结构数值模拟研究提供力学模型选择依据,为模拟过程实现方法提供借鉴。

矿石破碎颗粒黏结模型黏结键特征及表征

目的针对矿石颗粒黏结模型与实际矿石破碎特性存在差异造成的仿真不准确问题,重点对不同粒级矿石颗粒黏结模型中的黏结键特征进行研究。方法依据矿石强度尺寸效应理论,设计铜矿石颗粒黏结模型中基础颗粒间的黏结键参数,应用离散元方法对30,40,60 mm三种粒级铜矿石矿样进行落重试验和破碎仿真。本文给出黏结键等效临界变形的概念,讨论了矿石落重试验t10和冲击能量的关系,探讨黏结键参数变化规律。结果结果表明,三种粒级铜矿石颗粒黏结模型破碎仿真与落重试验粒级质量分数的平均误差分别为1.75%,1.66%,1.84%,试验和仿真得到的破碎粒度质量分数具有很好的一致性;法向和切向等效临界变形可以表征黏结键强度,单位冲击能量下落重试验的tn10可以表征矿石强度。结论利用黏结键等效临界变形和tn10的对应关系确定黏结键参数,提高了矿石颗粒黏结模型的建模效率和仿真精度。

基于颗粒离散元模型的花岗岩压缩试验模拟研究

基于颗粒流理论,以黄岛国家石油储备库地下洞库的花岗岩室内试验测试为背景,借助PFC2D(particle flow code)的黏结颗粒模型(bonded particle model,BPM)建立双轴压缩模型。以花岗岩室内试验的宏观力学参数和破坏形态为参照,通过"试错法"得出黏结颗粒模型相对应的细观物理力学性质参数。模拟试验的弹性模量、泊松比与室内试验值吻合较好,BPM模型由于选用圆形颗粒导致黏聚力和内摩擦角与室内试验值相比有一定偏差。模拟试验与室内试验的试件破坏形态均以单斜面剪切破坏为主。采用校准的细观物理力学性质参数,应用BPM模型再现花岗岩压缩试验全过程,深入分析微裂纹萌生演化及能量变化规律。研究表明,压缩过程中岩石试件内裂纹扩展主要经历平稳发展-急剧增加-平稳发展3个阶段;变形过程中,花岗岩试件边界能、应变能、黏结能、摩擦能及动能在各个阶段的变化很好地解释花岗岩受力破坏的细观力学机制。

基础颗粒粒径对颗粒黏结模型精度的影响

应用离散元方法(Discrete elementmethod,DEM)仿真矿石破碎时,通常采用颗粒黏结模型对矿石进行建模,颗粒黏结模型中的基础颗粒粒径对仿真结果影响显著。为了研究基础颗粒粒径变化对模型精度的影响,本文设计了9组基础颗粒粒径组合,构建了矿石的颗粒黏结模型,进行了金矿石破碎的离散元仿真,得到了不同粒径组合下的破碎粒度分布,并将仿真结果与试验得到的破碎粒度分布进行了对比分析。结果表明:基础颗粒粒径组合对模型精度存在影响,采用适当的基础颗粒粒径组合构造颗粒黏结模型能够提高模型精度。当基础颗粒粒径之间的差值相当时,模型精度较高,仿真得到的破碎粒度分布和落重试验结果的一致性良好。对相同粒度的铁矿石与铜矿石进行了仿真,验证了基础颗粒粒径选取方法的有效性。

基础颗粒数量组合对颗粒黏结模型精度的影响

针对矿石破碎模型与实际矿石性质差异造成的破碎仿真不准确及磨矿工艺参数难以确定的问题,采用离散元法建立矿石颗粒黏结模型,重点研究基础颗粒的数量组合对颗粒黏结模型精度的影响。依据落重试验破碎的63~53 mm粒级矿石,构建了5组不同粒径颗粒的数量组合及对应的颗粒黏结模型。通过对颗粒黏结模型的破碎仿真及实际矿石的破碎试验,得到破碎后粒度分布结果,对比分析了仿真与试验的破碎后粒度分布差异。研究结果表明:当大颗粒体积不超过总体积的50%,且中间颗粒与大颗粒体积比为0.21~0.22时,破碎仿真粒度的分布与实际矿石破碎试验结果较为一致。在模型体积填充率不变的情况下,不同基础颗粒的数量组合对破碎后颗粒团簇粒度有较大影响,选择合适的基础颗粒数量组合能够提高颗粒黏结模型的精度。

基于离散颗粒模型的岩体结构面动-静态刚度系数对比的数值模拟研究

岩体工程计算分析中结构面刚度系数是至关重要的力学参数,计算分析的精度和可靠程度与这个参数密不可分,结构面刚度系数取值仍然是一个难点。岩体中应力波传播至结构面处将会发生反射和透射现象,利用应力波透射系数可反演结构面动态刚度系数。本文从细观力学角度运用颗粒离散元方法,开发分段线性接触模型及应力波吸收边界模型,开展宏观岩体中应力波传播的模拟,结合准静态压缩试验模拟,研究了较为平直的岩体结构面分别在不同正应力条件下的动、静态刚度系数的变化特征。模拟结果表明:(1)利用C++语言开发的分段线性接触模型很好地实现了结构面非线性变形特征的模拟;(2)基于颗粒离散元方法能够准确地反映岩体中应力波传播规律,应力波通过不同刚度结构面的透射系数与理论解一致;(3)在离散颗粒模型中加入黏滞吸收边界条件很好地实现了在有限尺寸模型中远场应力波传播模拟;(4)在岩体模型中结构面接触部位运用分段线性接触模型,通过模拟应力波传播与单轴压缩试验分别获得了一致性较好的结构面动、静态刚度系数,结构面动/静态刚度系数之比值约为1.0。本文对岩体中结构面刚度的测试和取值具有重要的指导意义。

基于落重试验的离散元多颗粒黏结建模技术

确定磨矿工艺参数以保证最佳的物料粒度分布是近年来矿物加工研究的热点,而矿物加工过程的物料粒度控制是提高选矿效率的关键。离散元法(DEM)仿真是研究物料破碎过程的有效方法,物料模型的构建对离散元仿真结果有显著影响。本文基于物料落重试验,提出了离散元仿真用多颗粒黏结模型关键参数颗粒组成和颗粒间黏结键参数值的设置方法。应用该方法对单块矿石进行了多颗粒黏结建模,通过离散元仿真冲击破碎过程,得到了单块矿石的破碎粒度分布。离散元仿真结果与落重试验得到的破碎粒度分布具有良好的一致性,表明该建模技术可以表征矿石物料的破碎特性,为破磨过程仿真提供了一种有效的物料建模方法。

基于非解析计算流体力学和离散单元法的大颗粒在流场中的高效率运动模拟

为实现占据多个流体网格的大颗粒在流场中运动的仿真,基于计算流体力学和离散单元法耦合(computational fluid dy namics-discrete element mothod,CFD-DEM),提出了一种新的数值方法。使用黏结颗粒模型将大颗粒近似表示为多个小球形颗粒黏结而成,基于非解析CFD-DEM方法计算流体对每个小球颗粒的作用力,将所有小球颗粒运动参数的平均值用于描述整个黏结颗粒的运动状态。通过黏性流体中球形大颗粒的沉降运动模拟,比较仿真结果与相关实验数据,结果表明:该方法不仅能准确模拟球形大颗粒的沉降运动,而且与浸没边界法相比计算效率更高。与传统的解析CFD-DEM方法相比,此方法还可以方便且准确地模拟三维情况下非球形大颗粒在流场中的运动。

基于离散元法的颗粒破碎模拟研究进展

颗粒破碎对颗粒集合体的力学响应有着显著的影响。由于试验手段的限制,基于物理试验的颗粒破碎细观尺度的研究受到很大制约。离散元法为从不同尺度上研究颗粒破碎对颗粒集合体力学特性的影响提供了一条有效的方法。通过回顾国内外现有研究成果,介绍了基于离散元模拟颗粒破碎的两种方法,即基于颗粒黏结模型和基于碎片替换法的颗粒破碎模拟方法,论述了这两类方法的特点。基于颗粒黏结模型的颗粒破碎模拟方法破碎程度有限而且难以开展较大规模模拟计算,基于碎片替换法的颗粒破碎模拟方法需要考虑碎片替换模式和颗粒破碎准则这两个关键问题。整理并讨论了现有破碎模式中碎片颗粒的数目、尺寸分布、满足质量守恒定律的策略以及破碎的应力判定准则和力判定准则。提出了基于离散元的颗粒破碎模拟方法可能的研究方向。

对辊破碎机对钨矿石的层压破碎特性研究

针对岩石破碎过程的复杂性以及传统仿真模型的局限性——反映替换颗粒群信息少且无法定位替换颗粒群中某一颗粒,使得所模拟的颗粒无法被连续破碎,导致仿真精度较低等问题,提出了通过离散元应用编程接口开发的改进破碎模型——多次替换的颗粒黏结模型(bonded particle model,BPM)。该方法能实现颗粒在破碎过程中的多次连续替换,更加贴近实际破碎过程,可提升仿真精度。基于对辊破碎机的三维模型与参数标定后的钨矿石颗粒群,对破碎机内的钨矿石颗粒群进行层压破碎可视化仿真分析,并结合室内试验研究了对辊破碎机的层压破碎特性,以验证数值仿真的有效性。结果表明:通过仿真得到的钨矿石颗粒受力与破碎速率的关系说明对辊破碎机可实现层压破碎;钨矿石碎后粒径分布误差为0.889~1.940 mm,且碎后粒径分布满足正态分布,说明仿真分析准确且有效。不同粒径配比下的钨矿石层压破碎试验结果表明,颗粒间相互作用力对破碎效率的影响程度大于颗粒低孔隙率。研究结果为进一步提高对辊破碎机的生产效率提供了依据,且所提出的改进破碎模型为物料的破碎研究提供了一种新方法。

等效岩体技术在岩体工程中的应用

以某露天矿边坡为工程背景,结合岩石力学参数室内和现场原位试验,基于颗粒流理论和PFC3D程序,运用等效岩体技术,建立充分反映节理分布特征并考虑细观破裂效应的等效岩体模型,采用Fish语言编制加卸载命令流,研究岩体的强度和力学效应。研究结果表明:(1)等效岩体在单轴压缩时,轴向应力–应变曲线分为弹性变形阶段、非稳定破裂塑性阶段和破裂后阶段,抗压强度和弹性模量与标准岩块试样相比,有较大幅度降低;(2)随围压增大,等效岩体抗压强度和残余强度明显提高,延性特征增强,逐渐向理想塑性过渡;(3)等效岩体技术能有效地描述岩体受节理分布影响而表现的各向异性特征;(4)等效岩体内部微裂纹主要沿节理走向分布并扩展,破坏形式受主导节理面产状及性质控制。

大理岩脆-延-塑转换特性的细观模拟研究

针对锦屏深埋大理岩峰后变形破坏的脆-延-塑转换特性,采用颗粒流程序(PFC)中的簇单元模型(CPM)对其进行细观模拟研究。经过对室内试验结果的反复模拟校准,获得描述锦屏深埋大理岩力学性质的一组细观物理力学性质参数。模型试验结果表明:试样的一系列宏观力学表现,包括弹性模量、泊松比、单轴与启裂抗压强度、应力-应变曲线、峰值与残余强度包络线、拉压强度比以及破坏形态等均与锦屏深埋大理岩的试验结果具有良好的一致性。对不同围压下裂纹发育规律的研究表明:不同应力状态下细观裂纹发育特征的显著差异是导致大理岩的变形破坏出现脆-延-塑转换特性的主要原因;张性裂纹的大量发育决定介质的脆性破坏模式,而剪切裂纹数目的快速增长则促使介质由脆性破坏模式逐渐向延-塑性破坏模式转换。

考虑粗骨料破碎的混凝土力学特性细观模拟

基于离散元方法,采用三维扫描技术获得粗骨料真实形态,并通过黏结颗粒模型实现粗骨料破碎,构建混凝土粗骨料-砂浆-ITZ的三相离散元模型,从细观层次探究粗骨料破碎对混凝土变形和破坏特性的影响.结果表明:含有不同可破碎粗骨料质量分数的混凝土应力应变曲线变化趋势基本相同,峰值应力和峰值应变整体上随可破碎粗骨料质量分数的增加而减少;粗骨料的破碎会影响混凝土的抗压强度,随着可破碎粗骨料质量分数的增加,混凝土抗压强度先短暂上升而后迅速下降,达到临界值32%后,混凝土抗压强度基本不变;从细观角度解释了裂缝不仅沿着ITZ拓展,还存在贯穿粗骨料的现象.

基于离散元和全析因实验设计的BPM力学参数

为研究岩石微观力学参数与宏观力学性能之间关系并提高岩石破碎离散元仿真效率,从破碎原理出发,基于EDEM进行单轴压缩数值分析,研究摩擦系数、材料剪切模量、微观颗粒个数、平行键强度和刚度对岩石抗压强度和宏观刚度的影响.再通过全析因实验设计得到影响岩石力学性能关键的主效应和交互效应,并以此为变量运用回归方法对黏结颗粒模型(bonded particle model,简称BPM)的宏观力学参数进行预测并进行方差、拟合优度和残差分析.仿真及物理实验结果证明该预测模型可行,误差率小于10%.

不同加载条件下的煤岩体压缩试验模拟研究

为研究不同加载条件下的煤岩破坏特征,采用离散元数值软件PFC建立了双轴压缩模型。选取颗粒间黏结颗粒模型,设定其接触关系,并利用伺服加载机制实现了不同围压下变速率双轴压缩数值模拟。对部分煤岩模拟试件破坏形态、微裂纹发育过程、应力-应变曲线以及声发射事件数进行研究,分析了围压与加载速率对试件破坏特征的影响。研究结果表明:围压越大,试件的轴向应力峰值越大;加载速率对试件的轴向应力峰值影响较弱;压缩过程中岩石试件内裂纹扩展主要经历平稳发展-急剧增加-平稳发展3个阶段,煤岩体损伤程度越高,声发射事件数越多。

基于EDEM的立磨机工作参数仿真与试验研究

运用颗粒黏结建模思想构建矿石模型,以黏结键断裂现象描述矿石破碎,并应用于立磨机破碎仿真中。通过对立磨机结构参数及工作原理的分析,得出影响立磨机破碎效果的因素,并对这些参数的取值范围进行分析;同时针对上述参数设计单因素仿真试验与正交试验,对粉磨后的平均粒径进行筛分,分析结果得出立磨机在最佳破碎效果下的参数组合,验证了单因素仿真试验的准确性。