单一粗颗粒影响下的矿岩颗粒体系三维力链演化特征

针对现有放矿研究中未充分考虑粗颗粒影响的问题,基于滚动阻抗模型开展放矿数值试验,对不同粒径和位置单一粗颗粒影响下的矿岩颗粒体系三维力链宏观分布、数量、平均强度、准直性、长度以及方向等演化特征进行量化研究。研究结果表明：1)针对0.3～0.8 m的三维矿岩细颗粒体系,仅当粗细颗粒粒径比大于6.0且粗颗粒处于矿岩颗粒剪切带区域时,单一粗颗粒的存在才会导致粗颗粒一侧的松动体形态产生明显变异,引起局域细颗粒的提前移动。2)粗颗粒能够产生力链聚集效应,显著提高其四周局域内力链分布密度、力链接触数占比以及力链平均强度,而对力链准直性无显著影响。3)无论是否存在粗颗粒,在各放矿阶段局域内力链概率均随其长度增加而呈负指数函数形式减小;从统计意义的角度而言,力链最大长度均不超过10。4)当粗颗粒及其四周细颗粒未产生松动时,粗颗粒的存在可显著提高局域力链方向各向异性程度;当粗颗粒及其四周细颗粒产生松动后,其局域力链方向各向同性程度不断提高,局域力链方向逐渐向放矿口方向集中。     

崩落法采矿中放出体流动特性的影响因素

基于颗粒元理论和PFC3D程序,构建具有矿石散体细观力学性质的放矿模型,开展崩落法采矿中放出体流动特性影响因素研究。运用统计学知识确定对放出体流动特性有显著影响的主要因素及其敏感性,得出其与放出体流动特性的关系,并通过已有研究结论与模拟结果的对比分析,验证了基于PFC3D程序的放矿模型在放出体流动特性影响因素研究中的适宜性与可靠性。研究表明：放出体颗粒形状、摩擦系数及放矿口尺寸三种因素是显著影响崩落矿岩流动特性的重要参数。在放矿初始阶段,放矿口尺寸对放出体形态影响最大,其次为摩擦系数,颗粒形状对其影响最小;在之后的放矿过程中,颗粒形状对放出体形态影响最大,其次为放矿口尺寸和摩擦系数。散体颗粒形状越不规则、散体内摩擦角越大以及放矿口尺寸越小则放矿越困难。     

基于离散元理论的自然崩落法放矿细颗粒渗移过程研究

为探讨自然崩落法放矿过程中废石细颗粒的渗移规律及诱因,利用离散元软件EDEM分别从粗细颗粒数量比、直径比及矿岩含水率三个方面对细颗粒的渗移过程进行模拟,并设置标志颗粒对不同区域的相邻粗细颗粒进行跟踪。研究结果表明：放矿提前贫化率随粗细颗粒数量比的增大不断降低;废石细颗粒渗移速率随粗细颗粒直径比的增大而增大,且受含水率影响显著;相邻位置的细颗粒的渗移速度大于粗颗粒的下降速度。研究结果为进一步探讨矿石损失贫化、确定采场结构参数及优化放矿管理制度提供理论支持。     

单一粗颗粒影响下的松动体形态演化特征试验研究

在崩落矿岩颗粒流动过程中,粗颗粒的存在会影响散体的运移特性和规律。针对现有放矿研究中未充分考虑粗颗粒影响的问题,基于自主设计的矿岩颗粒体系非接触式放矿监测与分析系统开展一系列放矿试验,对比手动圈绘与Image Pro Plus(简称IPP)软件圈绘这2种方式所得松动体(IMZ)形态及松动体高度与最大半径的关系,从定性和定量两个方面验证IPP圈绘在放矿试验中的可靠性,并探究粗颗粒对松动体形态及其四周细颗粒运移特性的影响。研究结果表明：IPP软件可更高效、便捷地自动圈绘松动体。粗颗粒会对四周局部细颗粒位移产生显著影响,且相较于上方细颗粒,粗颗粒对下方细颗粒的影响更大。当松动体经过粗颗粒时,粗颗粒上方局部区域颗粒位移由幂律分布转变为Logistic分布,粗颗粒下方局域区域颗粒位移由幂律分布转变为波动的无规律分布。单个粗颗粒会对松动体局部形态产生显著影响。当松动体边界经过粗颗粒时,松动体局部形态出现凹陷及不连续弯曲现象。当模型中普通颗粒粒径为3～8 mm时,粗细颗粒粒径比dc/df大于6.0的粗颗粒会引起松动体的形态发生变化。粗颗粒的存在会提高四周细颗粒达到放矿口的速度,其上、下方局部区域分别...     

有限宽度崩落矿岩散体侧压力分布规律

金属矿山崩落矿岩散体侧压力对支撑围岩和控制岩体移动具有不可忽视的作用.采用散体颗粒流侧向压力测试实验系统,以弓长岭铁矿崩落矿石为例,研究有限宽度散体崩落矿岩侧压力分布规律:散体静止侧压力随散体埋深的增加呈非线性增加趋势,并基于量纲和谐原理回归散体侧压力随埋深和角度的变化计算式;在无散体回填工况下,散体侧压力随散体放出量的增加而减小,增加散体放出范围,可加速散体侧压力下降速度;在散体回填工况条件下,以模型中间为界,随着散体放出,下部4个测点侧压力值降低,上部4个测点侧压力值升高.上盘侧散体侧压力总体受放矿流动的影响不明显,放矿开始后的突变量也要明显小于下盘侧压力,即在散体补充条件下,散体放出对散体侧压力的影响范围在高度和宽度上都是有限的.该成果对揭示散体承压机理,开发崩落矿岩散体在矿山工程中的应用具有指导意义.     

非均匀崩落矿岩散体流动的仿真模型

基于离散元思想,结合随机理论,以崩落矿岩散体为研究对象,建立了非均匀散体碰撞运动模型.该模型主要研究内容包括:模型假设条件、散体颗粒的随机生成、颗粒单元的稳定性分析、颗粒单元的初始移动、颗粒单元的碰撞过程以及颗粒单元运动的随机性等.根据所建立的非均匀散体碰撞运动模型,利用C#编程语言研发了二维放矿仿真系统.该系统包括参数输入、模型生成、仿真模拟和数据统计四个功能模块.设计了无底柱分段崩落法放矿模拟方案,所得结论与类似文献对比,基本相同,说明利用非均匀散体碰撞运动模型模拟散体流动是可行的.     

堆浸过程中矿岩散体粒间孔隙尺寸的演化规律

根据X射线CT技术无损伤地探测细菌浸出前、后矿岩散体介质孔隙结构特征,利用MATLAB环境编写程序对矿岩散体介质颗粒间横向及纵向孔隙尺寸分布进行统计,研究细菌浸出过程中矿岩散体粒间孔隙尺寸演化规律及其对溶浸液渗流特性的影响.研究结果表明:矿岩散体介质孔隙尺寸分布不均匀,分布范围广,基本呈正态规律分布;浸出后顶部区域中等孔隙和大孔隙数量增加,小孔隙数量减少,底部区域中等孔隙也有所增加,但小孔隙数量减少,横向大孔隙数量减少,纵向大孔隙数量变化不明显;浸出后平均孔隙尺寸比浸出前有所增大,大孔隙含量增加,加强了浸堆的渗流各向异性;微细颗粒的运移和沉积对孔隙尺寸演化影响程度最大.     

基于PFC2D的综放开采顶煤冒放规律数值模拟

为了更加形象地研究顶煤冒放形态特征、宏观地把破碎的散体看作非理想状态下随机流动的松散介质.以某矿1302N大采高综放工作面为工程背景，利用离散元散体颗粒流软件PFC2D建立放顶煤二维横剖面模型，主要研究顶煤位移、煤矸动场变化、放出体衍化以及超前支承压力分布等现象.研究对比得出：顶煤流动规律方面，走向上放煤步距增大，顶煤的始动点边界线前移，顶煤运移范围增大；倾向上间隔放煤的煤损主要集中于同一轮放煤支架间的漏斗煤损.煤矸流场规律方面，采高增大煤矸分界线逐渐变陡；放煤步距增大，煤矸分界线始终保持双线形态前移.矿压显现规律方面，顶煤的硬度增大，顶煤分区中范围逐渐缩小，即超前支承压力峰值区向煤壁靠拢；采放比增大，超前支承压力峰值区远离煤壁，综放开采顶煤破碎后的流动特点和运移路径的数值模拟研究，有利于掌握散体顶煤的放出规律，据此对放煤工艺参数进行针对性的优化设计，对提高煤炭资源采出率具有重要意义.     

柔性隔离层下单漏斗散体矿岩流动规律

同步充填留矿法因柔性隔离层的存在,其散体矿岩流动规律突破传统放矿理论的描述范围,因此开展柔性隔离层下单漏斗散体矿岩流动规律研究对于丰富放矿学理论具有重要意义。基于相似原理建立物理试验模型,以标记颗粒刻画出放出体和松动体形态,采用高清摄像机记录试验基础数据。基于试验数据,对柔性隔离层下单漏斗放矿放出体、松动体、空腔等演化规律进行分析。最高层位矿石未放出前,放出体呈完整封闭的近似椭球体形态;放出后,放出体呈现为陀螺体。最高层位矿石产生沉降前,松动体为完整封闭的近似椭球体形态;产生沉降后,松动体形态整体上呈喇叭状,喇叭状松动体上部为指数曲线,下部为近似部分椭球体。空腔在最高层位矿石产生沉降瞬间开始形成;隔离层边界与矿石层边界相切于空腔边界,切角随着隔离层下降深度的增大而增大,至散体自然安息角后保持不变,切点位置随着隔离层下沉由中间逐渐向两侧发展至放矿终止。     

放矿条件下塌陷区内尾砂穿流特性

针对尾矿堆存和塌陷区占用土地资源的问题,研究尾砂干排至活动地表塌陷区的可行性.设计了放矿条件下尾砂穿流特性实验,以矿岩散体高度和尾砂高度作为影响因素,采用高速摄影技术,实现尾砂移动过程的可视化.实验结果表明:松动体高度小于尾砂和矿岩散体的交界面时,尾砂不能到达放矿口;松动体高度高于交界面时,尾砂受到放矿扰动的影响且与尾砂接触的岩石发生松散,随即颗粒大量到达放矿口,对井下回采造成影响.随着尾砂高度的不断增加,尾砂在初始阶段渗入量增大,但松动体高度小于尾砂和矿岩散体的交界面时,尾矿未能到达放矿口,因此持续向塌陷区内干排尾砂对矿石的贫化影响较小.     

不同端壁倾角条件下放出体形态研究及最优崩矿步距的确定

为分析端部放矿中放出体形态,获得大结构参数下最优的崩矿步距,基于颗粒元理论和PFC3D程序,构建具有矿石散体细观力学性质的放矿模型. 通过已有研究结论与模拟结果的对比分析,验证了基于PFC程序的放矿模型的可靠性. 在此基础上,开展18m×20m结构参数下不同端壁倾角崩矿步距研究. 研究结果表明,不同倾角端壁条件下放出体形态不完整,并不是一个规则的椭球体. 当放矿量相同时,放出体高度随端壁倾角的减小而增大,放出体整体形态也随之越来越"瘦长".在无限边界和不同倾角端壁条件下,放出体高度的变化趋势均可概括为两个阶段:在放矿初始阶段,放出体高度呈指数形式快速增加,随放矿量的增加,其增长率逐渐减小;随后,放出体高度将随放矿量的增加而呈线性增长的趋势. 建议在18 m × 20 m结构参数下采用85°~90°的端壁倾角,4. 8 m的崩矿步距.     

基于DDPM的螺旋离心泵磨蚀特性分析

应用雷诺涡黏模型、DDPM(density discrete phase model,稠密离散相模型)及颗粒直径Rosin-Rammler分布方法,以黄河含沙水为介质,对一台100LN-7型螺旋离心泵内固液两相流动进行全三维数值模拟,并与基于Mixture混合多项流模型的泵内两相流动数值模拟结果进行对比分析,得到不同粒径和固相体积分数对应的泵过流部件的磨蚀规律及磨蚀强度.结果表明:颗粒混合状态不同会形成不同的粒径分布,混合粒径中平均粒径增大导致叶片进口边及工作面轮缘线附近磨蚀强度增大,平均粒径为1mm时整台泵过流部件磨蚀率达到最大值,平均粒径继续增大磨蚀率反而降低;固相体积分数的增大使整台泵过流部件的磨蚀强度显著提高,叶片背面较其他部位磨蚀强度大;Mixture模型下固相体积分数较高部位与稠密离散相模型下颗粒磨蚀部位相对应,局部区域存在较高体积分数的固相颗粒增加了过流部件表面发生磨蚀的几率,但DDPM模型数值模拟表明只有部分颗粒参与局部区域的塑性磨蚀.     

颗粒粒径对粗粒土-混凝土接触面剪切特性影响试验研究

为研究颗粒粒径对粗粒土与混凝土结构接触面剪切力学特性的影响,进行3不同粒径范围(2.36~4.75mm、4.75~9.5mm、13.6~16mm)均匀粒径组粗粒土与两种不同混凝土接触面(光滑和粗糙)大型直剪试验,研究粗粒土粒径对接触面剪切强度的影响规律.试验结果表明:随粒径的增大接触面剪切应力-剪切位移曲线从剪切软化型逐渐向剪切硬化型发展.光滑接触面剪切强度随粗粒土平均粒径的增大几乎呈线性增大;而粗糙接触面剪切强度在平均粒径达到7.13mm后,其增大速率逐渐变小.相同法向应力下粗糙接触面剪切强度明显高于光滑接触面.摩尔库伦强度指标分析表明:粒径的增大显著提高了接触面的表观黏聚力;但对接触面内摩擦角的影响不明显.     

基于Hertz-Mindlin接触模型的摩擦界面颗粒剪切膨胀特性研究

为了研究颗粒流在平行板之间的剪切膨胀特性,文章针对平行板颗粒流的理想状态,利用离散元法(discrete element method,DEM)建立了颗粒物质剪切流的二维数值Hertz-Mindlin接触模型,并分别从驱动面摩擦因数和剪切膨胀个数出发,通过改变颗粒的内外参数变化来探究颗粒流的剪切膨胀特性。结果表明:载荷增大则驱动面摩擦因数减小,速度增大则驱动面摩擦因数增大;随着载荷的增加,剪切膨胀个数先增大后减少,即剪切膨胀出现的可能性降低并最终消失;而随着速度的增大,剪切膨胀个数呈先增大后趋于稳定的趋势;颗粒层数的增加使得剪切膨胀个数不断增加,而随着颗粒粒径的减小,剪切膨胀个数呈现递减趋势。     

空气外掠钢渣颗粒准则关系式及其影响因素

通过空冷固态高温钢渣颗粒实验,由实验数据拟合平均努塞尔数实验关联式。对空冷高温钢渣颗粒进行三维数值模拟,研究不同绕流雷诺数下的准则关系式,分析空气外掠固态钢渣颗粒影响因素。研究得出空气冷却固态钢渣颗粒的实验关联式与数值计算关联式,实验与数值计算之间误差较小,验证了采用SST k-棕模型计算的可靠性。实验结果表明：钢渣颗粒的平均努塞尔数随着绕流雷诺数、粒径和气体流速的增大而增大。在同等条件下,钢渣粒径对平均努塞尔数的影响作用大于气体流速;模拟空冷高温钢渣颗粒时,直径对钢渣颗粒凝固时间的影响作用最大,导热系数的影响作用次之,来流空气温度影响作用最小。     

双模态颗粒声凝并微观行为的数值模拟

考虑颗粒间多种相互作用机理及颗粒碰撞后的凝并与反弹机制，建立声凝并微观动力学模型，对大粒径外加颗粒及两个邻近的亚微米细颗粒之间的声凝并微观行为进行数值模拟研究。结果表明，双模态颗粒声凝并行为主要表现为外加颗粒仅与一个细颗粒发生凝并，以及外加颗粒先后与两个细颗粒发生凝并，声尾流效应、重力沉降作用是双模态颗粒声凝并的重要机理。随着外加颗粒初始位置与波节间距的增大，外加颗粒与较近细颗粒的平均凝并时间变化很小，两者形成的团聚体与较远细颗粒的平均凝并时间显著缩短；外加颗粒距离波节很近时，其仍能与较近的细颗粒发生凝并。对于外加颗粒与较近细颗粒以及两者形成的团聚体与较远细颗粒的凝并，随着外加颗粒直径的增加，平均凝并时间显著缩短，凝并概率先增加而后趋于恒定。     

矿用对旋风机气固两相流磨损特性

为探索对旋风机在矿井含尘环境中叶片的磨损情况,以及颗粒长久性磨损造成叶片表面粗糙度增加的后果,基于SST k-ω湍流模型和Finnie磨损模型,利用多相流求解技术对FBD No.6.3矿用对旋式局部通风机进行气固两相流数值模拟,分析不同颗粒浓度和粒径条件下叶片磨损分布特征,探究叶片表面粗糙度对风机内部流场和整机性能的影响。结果表明：气固两相流场内颗粒浓度对叶片磨损率的影响较大,磨损率随浓度的增加而增大;叶片表面粗糙度的均匀和非均匀分布形式导致前缘和尾缘不同程度的能量耗散,在进行对旋风机气固两相非定常流动特性的分析时,应采用粗糙度非均匀分布的方法真实反映叶片粗糙度变化的影响;风机性能随叶片粗糙度的增大而降低,大流量工况下的影响更为显著,但随工作时间的增长,叶片表面粗糙度均匀性提高,流场恶化情况减缓。因此,适时修复或更换磨损叶片,有利于风机安全高效运行。     

多放矿口间的矿岩颗粒均匀流与应力演化规律

针对当前多口放矿研究中存在的放矿口间距阈值和应力分布等问题,基于刚性块体模型开展不同放矿口间距和放矿方式条件下的放矿数值试验,对多放矿口间的矿岩颗粒均匀流与应力演化规律进行量化研究.研究结果表明:多口放矿条件下能够产生矿岩颗粒均匀流的放矿口间距阈值介于1.0~1.25倍的松动体最大宽度.矿岩颗粒流动体系内存在明显的应力拱效应,放矿过程中松动体上方的垂直应力会逐渐向两侧非松动区域转移.在所研究的取值范围内,采场底部最大垂直应力已接近初始垂直应力的1.8倍.放矿过程中采场内非松动区域的配位数约为8~9,且空间高度越低其配位数越大;在松动区域内越接近放矿口的位置,其矿岩颗粒越松散且运移与接触变化的无序程度越高.     

煤矿井底煤仓内散体颗粒三维结构分析

煤矿中井底煤仓装卸煤过程实际上为仓内散体物料对仓壁力学作用过程,其侧压力出现原因一直是研究的难点,确定合理的仓壁径向压力是研究的关键。以直立筒状井底煤仓为例,通过简化井底煤仓建立了仓内贮料卸载过程中散体颗粒形成的三维立体承载结构力学模型,从散体力学角度进行了理论分析,并结合PFC~(3D)数值模拟实验及三维物理相似模拟实验模拟了井底煤仓卸料过程。结果表明:仓壁承受的侧压力主要是仓内煤矸散体颗粒在流动过程中相互挤压形成类似"三维锥壳"承载结构引起的。随着井底煤仓卸煤,仓内散体贮料不断放出,该结构不断形成和失稳,导致"三维锥壳"结构的支承点作用于仓壁形成动载,并随时间推移呈现卸载超压现象。散体颗粒对仓壁作用力与内部所形成的承载结构及上部荷载有关,结构稳定性受仓内散体贮料颗粒的粒径影响最大,内摩擦角及黏聚力次之,与现场工程实际及三维物理模拟实验具有较好的一致性。     

基于放矿下临界散体柱理论的地表塌陷范围预测

临界散体柱理论是通过散体侧压力来确定临界散体柱的高度,从而预测地表塌陷范围.以往散体侧压力的测试未考虑井下放矿对散体侧压力的影响,导致预测不准确.因此利用散体侧压力测试系统对流动散体侧压力进行了实验.通过对比散体侧压力的变化曲线,得出放矿过程对散体侧压力的影响.结果表明:下部放矿,仅对放矿口区域附近的散体侧压力产生影响,且影响范围较小,随着散体的沉实,散体侧压力将会进一步增大.同时结合古典杨森理论和临界散体柱理论,推导出在放矿情况下临界散体柱高度的计算方法;结合陷落角与采深的关系,为预测地表塌陷范围提供相关参考.