基于細觀力學的礦石顆粒破碎特性研究

　　摘要：為研究礦石顆粒動態(tài)破碎過程中內部力學變化和礦石顆粒宏觀破碎狀態(tài)，從細觀力學的角 度出發(fā)，以二維巴西圓盤為研究對象，運用離散元法分析其內部力鏈變化情況和宏觀破碎情況。 采用鎢礦石作為研究對象，建立了礦石顆粒模型，得到顆粒系統(tǒng)內部粘結鍵強度的判斷依據和沖 量函數。仿真計算結果表明：強力鏈在力鏈網絡中所占的比例較低，且多集中在載荷端和支撐端 的接觸部位;圓盤內部力鏈累積沖量隨時間的增加而不斷增大，并且受到顆粒內部粘結鍵斷裂的 影響，粘結鍵斷裂數量越多，顆粒內部力和沖量下降程度越大。

　　關鍵詞：細觀力學;破碎特性;巴西圓盤;顆粒破碎;力鏈網絡

　　1 引 言

　　礦業(yè)在我國的能源結構和生產活動中有著重 要作用[1]。礦石破碎作為礦業(yè)活動中最重要的環(huán)節(jié)， 在礦產業(yè)中擁有巨大的研究價值。礦石破碎的相關 技術已經被應用到化工、冶金、建筑等國民基礎工業(yè)領域當中[2]。目前我國相關的企業(yè)所使用的破碎 設備主要是顎式破碎機、回旋破碎機、圓錐破碎機、 高壓輥磨機等破碎機械。 破碎機械按照其所破碎的對象可分為兩類，其中顎 式破碎機、回旋破碎機和圓錐破碎機均為單顆粒破 碎，而高壓輥磨機為料層粉碎[2]，但是物料在進行 粉碎之前也需要經過單顆粒破碎。

　　顆粒材料由于其組成物質及成型環(huán)境的多樣性， 導致其物理性質無規(guī)律可循，因此顆粒破碎過程會伴隨多種物理變化[4]。目前普遍采用接觸理論[5]、分形 統(tǒng)計理論[6]、細觀力學[7]等理論知識進行顆粒的宏 觀或細觀破碎過程研究。巴西實驗作為測試脆性或 者準脆性材料的工具[8]，在礦石破碎的研究中具有 很高的關注度，許多學者以巴西實驗及巴西圓盤為 研究對象，研究礦石的動態(tài)破碎過程。

　　文獻[9]建立 了擴展邊界元法，研究了巴西圓盤應力強度因子， 提出了純圍壓作用下巴西裂紋圓盤和小張角巴西切 口圓盤是閉合的，而大張角巴西切口圓盤受 I 型劈 裂破壞。文獻[10]基于離散元法并結合礦石破碎實 驗，構建了符合礦石破碎特性的多尺度內聚礦石顆 粒模型。 綜上所述，在礦石破碎研究領域，對細觀力學 角度下單顆粒礦石在擠壓受力情況下顆粒內部裂紋 擴展情況的研究較少。本文以基于細觀力學所建立 的巴西圓盤為研究對象，采用離散元法研究二維巴 西圓盤的動態(tài)破碎過程，分析礦石顆粒的破碎特性。

　　2 模型的構建

　　巖石是由長期的地質作用形成的具有復雜內 部結構的聚合物[11]，因此為了構建具有符合巖石特 性的巖石顆粒模型，選取鎢礦石為研究對象，對其 內部巖相特性進行觀察。礦石組成物質的多樣性，導致礦石結構和物理 特性復雜[12]。因此，國內外學者基于離散元理論， 將礦石內部物理性質復雜的顆粒簡化為剛性球狀顆 粒，礦石內部細微顆粒之間填充的膠結物質定義為 粘結鍵，以模擬礦石內部粘結力，進行顆粒破碎研 究[13]。

　　根據 Cundall 離散單元法和赫茲接觸理論[14]，將礦石內部的細微 顆粒簡化為球形顆粒，繼而將填充在顆粒之間的膠 結物質以粘結鍵表示，將礦石內部不同大小的細微 顆粒通過粘結鍵(如圖 3(b)所示)相互聚合成類似礦石 顆粒結構的模型。

　　3 顆粒系統(tǒng)內部力的判據

　　礦石顆粒在受到外部載荷條件下，其內部細觀顆粒受力是通過顆粒之間的粘結鍵進行傳遞的，統(tǒng) 計粘結鍵上力的大小和方向，進而分析粘結鍵上的 受力，可以得到外部載荷在礦石顆粒內部力鏈的各 個方向上的分布情況[15]。

　　4 結果分析

　　4.1 動態(tài)破碎分析

　　在離散元軟件 EDEM 中設置參數，對二維巴西圓盤進行壓縮實驗，對粘結鍵開始斷裂后一段時 間內的情況進行統(tǒng)計。二維巴西圓盤在破裂過程中 裂紋呈現 X 狀分布，并且以 V 字形進行對稱開裂;上端加 載部分裂紋產生變化，兩條裂紋開始沿水平方向進 行交匯;下端支撐端裂紋基本沒有變化， 上端加載端裂紋徹底交匯，并且二維巴西圓盤產生 宏觀上的破碎，出現缺口。

　　4.2 強力鏈網絡分析 二維巴西圓盤在離散元軟件中持續(xù)加載的過 程中，內部力以載荷端為起點，沿粘結鍵路徑向顆 粒內部進行傳遞，內部力在傳遞過程中構成的路徑網絡稱為力鏈網絡。

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　　5 結 論

　　通過顆粒粘結理論構建了巴西圓盤二維顆粒 模型，通過仿真分析得到二維巴西圓盤在動態(tài)破碎 過程中粘結鍵斷裂情況;對顆粒內部結構進行定義， 得到顆粒系統(tǒng)內部粘結鍵強度的判斷依據和沖量函 數，得出以下結論。1) 驗證了礦石顆粒在破碎過程中，首先在承載端 發(fā)生裂紋并逐漸擴展交匯產生宏觀破碎這一實際破 碎現象。 2) 對所建立的二維巴西圓盤動態(tài)破碎過程中強力 鏈及沖量的變化過程進行分析，得到強力鏈在力鏈 網絡中所占的比例較低，并且多集中在載荷端和支 撐端的接觸部位;隨著加載時間的持續(xù)，圓盤內部 力鏈累積沖量隨時間的增加而不斷增大;受到顆粒 內部粘結鍵斷裂的影響，粘結鍵斷裂數量越多，顆 粒內部力和沖量下降程度越大。

　　參 考 文 獻 (References)

　　[1] 趙博深.露天礦群開發(fā)設計理論與工程優(yōu)化研究[D].北京：中國礦 業(yè)大學(北京)，2015.(ZHAO Boshen.The research on the surface mine group development & design theory and engineering optimization[D].Beijing ： China University of Mining and Technology-Beijing，2015(in Chinese)).

　　[2] TORRES M，CASALI A.A novel approach for the modeling of high-pressure grinding rolls[J].Minerals engineer，2009，22(2)： 1137-1146.

　　[3] 閔廣全，張世濤，楊光，等.鍺礦石和銦礦石化學成分分析標準物 質研制[J].巖礦測試，2015，34(3)：335-339.(MIN Guangquan， ZHANG Shitao，YANG Guang，et al.The preparation of reference materials for germanium and indium ores[J].Rock and mineral analysis，2015，34(3)：335-339(in Chinese)).

　　作者：蔡改貧 趙小濤

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