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。

考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型开发及应用

针对冻土的各向异性特性,基于线性黏结接触模型,建立了能够反映冻土各向异性特性的修正线性黏结接触模型,并通过C++语言生成供颗粒流程序PFC^(3D)调用的离散元本构子程序DLL。首先对单一接触进行了拉伸、直接剪切测试,通过对比数值与理论结果,验证了考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型的正确性。此外,模拟了不同温度条件下的冻土三轴压缩试验,并与试验得到的应力-应变曲线进行对比,结果表明,所提出的修正线性黏结接触模型对冻土具有较好的适用性。基于标定后的模型细观参数,开展了一系列的三轴压缩离散元数值模拟,利用模拟结果探讨了虚拟弱面法向倾角对冻土的应力-应变曲线特征、强度及抗剪强度指标的影响,并分析了有效配位数、细观组构量的演化规律。研究结果可为冻土各向异性宏-细观力学特性提供数值基础。

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。

考虑损伤的平行黏结接触模型开发及其参数影响分析

为研究颗粒细观接触之间的损伤、断裂过程,基于离散元颗粒流程序(PFC;),在平行黏结模型的基础之上,引入拉伸损伤变量和剪切损伤变量表征颗粒黏结键的变形、强度及能量演化特征,根据最大应力准则确定黏结键损伤起始判据,通过C++语言编程对该接触模型进行二次开发。对单一黏结键进行拉伸、剪切、弯曲及扭转测试,对比理论计算结果,验证了考虑损伤的平行黏结接触模型的计算精度;建立三维细观离散元模型,模拟砂岩单轴压缩试验和花岗岩三轴试验,表明了该模型的适用性和准确性。在此研究基础之上,对考虑损伤的平行黏结模型进行参数影响分析,结果表明:损伤演化系数对应力-应变全曲线的弹性段范围、峰值应力以及达到峰值应力后的软化速率有显著影响;对比研究了应力-应变曲线在不同阶段黏结键损伤、裂隙萌发、扩展及贯通的演化过程;进一步研究了弹性应变能和耗散能的演化规律,引入了耗散能释放率参数,阐释了损伤演化系数越大应力-应变曲线达到峰值应力后下降速率越快的原因。

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。

基于平行黏结模型的类岩石材料宏细观参数影响

为了研究材料宏观力学特性与细观参数的关系并进行细观参数标定,将平行黏结模型作为颗粒的接触模型,对颗粒流程序中的细观参数进行正交试验设计,结合室内试验确定类岩石材料的细观参数。结果表明:类岩石材料宏观弹性模量主要由颗粒模量、平行黏结模量以及半径乘子影响;法向黏结强度与切向黏结强度共同影响抗压强度,且不同黏结强度比对裂纹的分布有影响;泊松比主要由颗粒刚度控制,且颗粒刚度越大,剪切裂纹占比越大。物理试验与数值模拟的峰值应力接近,应力-应变曲线基本吻合,裂纹扩展形态一致,表明细观参数结果可靠,为其他岩石材料颗粒流模拟提供借鉴。

H-M黏结接触模型在某大型岩质滑坡预测中的应用

为了探究大型岩质滑坡在运动过程中的各项特性,提出采用Hertz-Mindlin黏结接触模型模拟岩石颗粒间的相互作用,并将其用于预测某大型岩质滑坡的滑动过程,结果表明:根据滑坡运动速度分布规律,可将岩质滑坡运动过程划分为坡体失稳、加速滑动和减速堆积3个阶段;在边坡失稳阶段,滑坡体整体运动速度小,局部岩体发生坍塌掉落,这是发生大规模滑坡的前兆,应引起重视;滑坡体前部和中部运动速度大,最终堆积到河谷内,而后部坡体滑动受阻,大部分岩体堆积在上部峡谷内部,是发生二次滑坡和泥石流的物源;随着滑坡的运动,岩体结构破坏逐渐增加,岩体贯穿性裂缝出现在失稳阶段。根据滑坡的堆积特征,发现小岩块位于上游,大岩块位于下游,滑坡体往下游运动的距离更远,说明滑坡对下游影响更大。根据以上计算成果,认为将Hertz-Mindlin黏结接触模型用于岩质滑坡的模拟预测是合理的。

正交-响应面法在PBM细观参数标定中的应用

数值模拟作为研究岩石力学特性、再现细观裂纹演化的主要途径,已受到大量关注。现有的数值模拟参数标定方法主要为试错法及正交试验法,但二者都未能充分考虑细观参数交互作用的影响,模拟精度欠佳且宏观破坏形态与室内试验存在较大差异。因此,采用正交-响应面法相结合的数值分析方法,首先通过正交试验筛选出具有显著影响的平行黏结模型(PBM)细观参数,其次应用响应面法(RSM)研究其交互作用对模型试样宏观参量的影响规律,最后结合岩石宏观破坏形态提出一套PBM参数标定流程。结果表明:有效模量E*与刚度比k n/k s对弹性模量E影响显著;k n/k s、接触摩擦系数μ、最小颗粒半径R_(min)对泊松比ν影响显著;黏聚力c与法向黏结强度σc及其交互作用对单轴抗压强度UCS影响显著,应用响应面法计算分析得出的细观参数的模拟值与试验值误差绝对值小于7%,且二者应力应变曲线力学特征相似,宏观破坏形态相同,证明所提出的PBM细观参数标定流程具备科学性和可靠性。

颗粒流细观强度参数与岩石断裂韧度之间的关系

为研究岩石颗粒流分析模型中细观强度参数的物理意义,以接触黏结模型(CBM)中等效微梁的模型为基础,通过对2个黏结颗粒的拉伸和剪切状态进行分析,推导岩石颗粒流细观应力和断裂强度因子关系的理论公式,进而建立强度参数与岩石断裂韧度关系的理论模型。分析结果表明,岩石断裂韧度与细观强度呈线性关系。岩石颗粒最小粒径与颗粒半径比均对断裂强度因子有不利影响,且颗粒半径比的影响较大。以重庆地区砂岩为例,给出岩石断裂韧度与颗粒流细观强度之间的定量表达式,结果表明,岩石I型断裂韧度理论计算值范围与实测值较为相符。

深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟

由于颗粒流程序(PFC)对岩石基本力学特性的描述是从颗粒间接触状态及其变化特征入手,因此PFC能够克服由于岩石本身细观特性所造成的描述上的困难,实现在岩石模型中对细观结构的模拟,而这些都是传统断裂力学理论无法解决的。针对锦屏深埋大理岩在破裂过程中表现出的时间效应,通过在平行黏结模型中引入损伤速率概念形成平行黏结应力腐蚀模型(PSC),结合室内大理岩静态疲劳破坏试验,确定PSC模型中的相关细观力学参数。利用PSC模型对锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应的模拟,分析在不同驱动应力比作用下大理岩的变形特征、裂纹特征和破裂特征。研究结果表明,利用PFC能够展现出与岩石破裂过程相符的细观特征,而这些细观表现有利于更好地理解脆性岩石强度的时间效应。

轻钢与EPS混凝土的黏结滑移性能试验研究

为研究轻钢与聚苯颗粒(EPS)混凝土界面黏结滑移的作用机理,制作了20个轻钢EPS混凝土短柱试件进行拉拔试验,研究EPS混凝土强度、钢管埋置长度及保护层厚度对轻钢与EPS混凝土黏结性能的影响.结果表明:轻钢与EPS混凝土的黏结应力要比钢筋与普通混凝土的黏结应力小;峰值黏结应力随EPS混凝土强度和保护层厚度的增加有所提高;钢管埋置长度的变化对峰值黏结应力的影响不明显.基于试验结果,提出了轻钢与EPS混凝土的三段式黏结-滑移本构模型,计算值与试验值基本吻合.

基于三维颗粒离散元法的喷射混凝土单轴抗压试验研究

以喷射混凝土室内单轴抗压试验为基础,研究喷射混凝土单轴抗压试验的三维颗粒离散元模拟方法。根据平行黏结模型的黏结尺寸理论,将室内试验级配进行合理简化,建立三维数值力学试验模型。研究试件在数值试验中的受力全过程和细观破坏形态,得到试验数据,绘制应力-应变曲线和裂缝数-荷载步曲线,与室内试验结果进行对比分析。结果表明:利用简化模型,可提高计算速率;三维颗粒离散元单轴抗压试验模拟获得的喷射混凝土强度特性、微观裂缝的发展过程和试件破坏特点与室内试验结果吻合;三维颗粒离散元法可以描述喷射混凝土这类具有明显非连续性特征材料在单轴受压状态下的细观破坏特征,为研究其在复杂受力条件下的破坏机理奠定基础。

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%.

大斜度井段岩屑床休止角预测模型的建立及修正

大斜度井段岩屑床容易失稳或整体下滑迅速堆积成砂塞,而岩屑床失稳位置不好预测。为解决该问题,分析了岩屑床在大斜度井段的受力情况,建立了岩屑床休止角预测模型。基于楔入堆积模型,通过分析平均岩屑床面颗粒滚动与滑动时的受力情况,结合泥沙沉积学中的容重概念,建立了岩屑床休止角预测模型;同时,通过岩屑在不同浓度聚丙烯酰胺聚合物(PAM)溶液中的休止角测量试验,对该预测模型进行了修正。不同浓度聚丙烯酰胺聚合物溶液中岩屑床休止角的试验值分别为26.9°、27.5°、29.7°和30.2°,由滑动休止角预测模型得到滑动休止角的理论值分别为24.2°、25.8°、27.1°和28.5°,而滚动休止角理论值也不超过30°,理论值相较于试验值偏于保守,但按理论值可保证钻井作业安全。研究认为,建立和修正后的大斜度井段岩屑床休止角预测模型,其预测结果较为可靠,可在确定井眼清洁工具有效位置、判断井下故障位置时应用和参考。

构造煤的常规三轴试验仿真参数敏感度分析研究

目前,煤与瓦斯突出、冒顶等动力事故不间断发生,严重威胁煤矿安全生产,揭示动力灾害背后煤岩体力学损伤演化机制至关重要。利用离散元软件PFC^(3D),构建了以构造煤体为原型的颗粒流模型,通过改变模型的接触模量、刚度比、黏结强度比、内摩擦角、摩擦因数参数,对模型进行了常规三轴试验仿真参数敏感度分析。结果表明,接触模量对构造煤模型力学性能的影响主要体现在模型变形性能;刚度比对构造煤模型的强度和变形特性存在影响;黏结强度比对构造煤模型的最大抗压强度与峰值应变均有影响;内摩擦角对模型的损伤破坏形式存在影响;摩擦因数对构造煤模型影响体现在模型的强度与峰值应变。而后指导了参数标定过程,得出模拟结果与实验结果具有较好的一致性。研究结果为后续煤岩动力灾害机理的研究奠定了基础。

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。