基于細(xì)觀力學(xué)的礦石顆粒破碎特性研究

　　摘要：為研究礦石顆粒動(dòng)態(tài)破碎過程中內(nèi)部力學(xué)變化和礦石顆粒宏觀破碎狀態(tài)，從細(xì)觀力學(xué)的角 度出發(fā)，以二維巴西圓盤為研究對(duì)象，運(yùn)用離散元法分析其內(nèi)部力鏈變化情況和宏觀破碎情況。 采用鎢礦石作為研究對(duì)象，建立了礦石顆粒模型，得到顆粒系統(tǒng)內(nèi)部粘結(jié)鍵強(qiáng)度的判斷依據(jù)和沖 量函數(shù)。仿真計(jì)算結(jié)果表明：強(qiáng)力鏈在力鏈網(wǎng)絡(luò)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(nèi)部力鏈累積沖量隨時(shí)間的增加而不斷增大，并且受到顆粒內(nèi)部粘結(jié)鍵斷裂的 影響，粘結(jié)鍵斷裂數(shù)量越多，顆粒內(nèi)部力和沖量下降程度越大。

　　關(guān)鍵詞：細(xì)觀力學(xué);破碎特性;巴西圓盤;顆粒破碎;力鏈網(wǎng)絡(luò)

　　1 引 言

　　礦業(yè)在我國的能源結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)活動(dòng)中有著重 要作用[1]。礦石破碎作為礦業(yè)活動(dòng)中最重要的環(huán)節(jié)， 在礦產(chǎn)業(yè)中擁有巨大的研究價(jià)值。礦石破碎的相關(guān) 技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到化工、冶金、建筑等國民基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中[2]。目前我國相關(guān)的企業(yè)所使用的破碎 設(shè)備主要是顎式破碎機(jī)、回旋破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、 高壓輥磨機(jī)等破碎機(jī)械。 破碎機(jī)械按照其所破碎的對(duì)象可分為兩類，其中顎 式破碎機(jī)、回旋破碎機(jī)和圓錐破碎機(jī)均為單顆粒破 碎，而高壓輥磨機(jī)為料層粉碎[2]，但是物料在進(jìn)行 粉碎之前也需要經(jīng)過單顆粒破碎。

　　顆粒材料由于其組成物質(zhì)及成型環(huán)境的多樣性， 導(dǎo)致其物理性質(zhì)無規(guī)律可循，因此顆粒破碎過程會(huì)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(jì)理論[6]、細(xì)觀力學(xué)[7]等理論知識(shí)進(jìn)行顆粒的宏 觀或細(xì)觀破碎過程研究。巴西實(shí)驗(yàn)作為測試脆性或 者準(zhǔn)脆性材料的工具[8]，在礦石破碎的研究中具有 很高的關(guān)注度，許多學(xué)者以巴西實(shí)驗(yàn)及巴西圓盤為 研究對(duì)象，研究礦石的動(dòng)態(tài)破碎過程。

　　文獻(xiàn)[9]建立 了擴(kuò)展邊界元法，研究了巴西圓盤應(yīng)力強(qiáng)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(xiàn)[10]基于離散元法并結(jié)合礦石破碎實(shí) 驗(yàn)，構(gòu)建了符合礦石破碎特性的多尺度內(nèi)聚礦石顆 粒模型。 綜上所述，在礦石破碎研究領(lǐng)域，對(duì)細(xì)觀力學(xué) 角度下單顆粒礦石在擠壓受力情況下顆粒內(nèi)部裂紋 擴(kuò)展情況的研究較少。本文以基于細(xì)觀力學(xué)所建立 的巴西圓盤為研究對(duì)象，采用離散元法研究二維巴 西圓盤的動(dòng)態(tài)破碎過程，分析礦石顆粒的破碎特性。

　　2 模型的構(gòu)建

　　巖石是由長期的地質(zhì)作用形成的具有復(fù)雜內(nèi) 部結(jié)構(gòu)的聚合物[11]，因此為了構(gòu)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(duì)象，對(duì)其 內(nèi)部巖相特性進(jìn)行觀察。礦石組成物質(zhì)的多樣性，導(dǎo)致礦石結(jié)構(gòu)和物理 特性復(fù)雜[12]。因此，國內(nèi)外學(xué)者基于離散元理論， 將礦石內(nèi)部物理性質(zhì)復(fù)雜的顆粒簡化為剛性球狀顆 粒，礦石內(nèi)部細(xì)微顆粒之間填充的膠結(jié)物質(zhì)定義為 粘結(jié)鍵，以模擬礦石內(nèi)部粘結(jié)力，進(jìn)行顆粒破碎研 究[13]。

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

　　3 顆粒系統(tǒng)內(nèi)部力的判據(jù)

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

　　4 結(jié)果分析

　　4.1 動(dòng)態(tài)破碎分析

　　在離散元軟件 EDEM 中設(shè)置參數(shù)，對(duì)二維巴西圓盤進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)粘結(jié)鍵開始斷裂后一段時(shí) 間內(nèi)的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。二維巴西圓盤在破裂過程中 裂紋呈現(xiàn) X 狀分布，并且以 V 字形進(jìn)行對(duì)稱開裂;上端加 載部分裂紋產(chǎn)生變化，兩條裂紋開始沿水平方向進(jìn) 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(chǎn)生 宏觀上的破碎，出現(xiàn)缺口。

　　4.2 強(qiáng)力鏈網(wǎng)絡(luò)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(nèi)部力以載荷端為起點(diǎn)，沿粘結(jié)鍵路徑向顆 粒內(nèi)部進(jìn)行傳遞，內(nèi)部力在傳遞過程中構(gòu)成的路徑網(wǎng)絡(luò)稱為力鏈網(wǎng)絡(luò)。

　　礦產(chǎn)論文投稿刊物：《巖礦測試》主要報(bào)道：國內(nèi)與巖礦測試及分析科學(xué)相關(guān)的新技術(shù)、新方法、新理論和新設(shè)備等研究成果、動(dòng)態(tài)、展望和評(píng)述以及有關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，突出服務(wù)于地質(zhì)科學(xué)和地質(zhì)找礦事業(yè)，促進(jìn)巖礦測試技術(shù)的發(fā)展。

　　5 結(jié) 論

　　通過顆粒粘結(jié)理論構(gòu)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(dòng)態(tài)破碎 過程中粘結(jié)鍵斷裂情況;對(duì)顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義， 得到顆粒系統(tǒng)內(nèi)部粘結(jié)鍵強(qiáng)度的判斷依據(jù)和沖量函 數(shù)，得出以下結(jié)論。1) 驗(yàn)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(kuò)展交匯產(chǎn)生宏觀破碎這一實(shí)際破 碎現(xiàn)象。 2) 對(duì)所建立的二維巴西圓盤動(dòng)態(tài)破碎過程中強(qiáng)力 鏈及沖量的變化過程進(jìn)行分析，得到強(qiáng)力鏈在力鏈 網(wǎng)絡(luò)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(shí)間的持續(xù)，圓盤內(nèi)部 力鏈累積沖量隨時(shí)間的增加而不斷增大;受到顆粒 內(nèi)部粘結(jié)鍵斷裂的影響，粘結(jié)鍵斷裂數(shù)量越多，顆 粒內(nèi)部力和沖量下降程度越大。

　　參 考 文 獻(xiàn) (References)

　　[1] 趙博深.露天礦群開發(fā)設(shè)計(jì)理論與工程優(yōu)化研究[D].北京：中國礦 業(yè)大學(xué)(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)).

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　　[3] 閔廣全，張世濤，楊光，等.鍺礦石和銦礦石化學(xué)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物 質(zhì)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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