（采矿工程专业论文）高粘性松散矿岩流动性及助流机理的研究.pdf

y y l l l lt l l18i1 1 1 t l l 3 1 4 i i l 6 1 1 7 i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。 与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 储躲擀眺丑砸月血 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩 印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：蝉导师签名： 日期：2 晕年卫月幽 中南人学硕七学位论文 摘要 摘要 高粘性松散矿岩作为一种特殊的颗粒物质，对其研究具有重要 的代表意义。颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类 型之一，日常生活、工业生产和交通运输中普遍存在，自然界中的沙 漠、浮冰、泥石流、山体滑坡等以及日常生活中的谷物堆积运输、药 品制造等都与颗粒物质及其运动规律有关。大量矿岩颗粒组成的高粘 性松散体系具有特别的性质和运动规律。高粘性松散矿岩颗粒表现出 许多不同于固、液、气物质的奇特现象和独特的运动规律。因此，对 高粘性松散矿岩颗粒物质流动性及其助流机理的研究具有重要科学 意义和应用背景。 本文结合中国铝业股份有限公司审批项目矿山破碎站成品矿仓 放矿技术研究，基于放矿理论和散体力学理论，对不同条件下铝土 矿矿仓矿石的粘仓，成拱规律进行分析，发现含水量、漏斗壁面的摩 擦系数、装矿量、以及漏斗半顶角、漏斗口大小等都对矿岩的流动性 有重要的影响，提出了运用超高分子量聚乙烯板材做料斗内壁衬板、 在漏斗内安装振动棒、优化漏斗结构参数( 漏斗半项角、漏斗口尺寸) 等方法来改善矿岩的流动性。用颗粒流模拟软件对矿岩颗粒在矿仓中 的流动进行了模拟，验证了物理模拟试验的结论，并对高粘性松散矿 岩流动机理和助流方法进行了优化。提出在矿石的放出过程中防止矿 石结拱和粘仓的理论，并将理论研究的成果运用到解决工程实际问 题，为目前铝土矿矿仓中大量出现的矿石结拱、粘仓现象的解决提供 理论依据。 关键词高粘性松散矿岩，料仓，颗粒流模拟，流动性，助流机理 一一 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t p a c t t h eh i g hv i s c o u si n c o m p a c to r e - r o c ki sas o r to f p e c u l i a rg r a n u l a r m a t t e r ，r e s e a r c ho fi th a si m p o r t a n tr e p r e s e n t a t i o n a ls i g n i f i c a n c e g r a n u l a r m a t t e ri st h em o s tf a m i l i a rf o r mo fm a t t e ri ne x i s t e n c eo nt h ee a r t h ，e x i s t s u b i q u i t o u si no u rd a i l yl i v e s ，i n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n i n t h en a t u r e ，d e s e r t ，f l o a t i n g i c e ，d e b r i sf l o w ，m o n t a i nl a n d s l i d ee t c ； g r a i np a c k i n ga n dt a n s p o r t ，m e d i c i n ep r o d u c ta n ds oo ni no u rd a i l yl i v e s a r ea l lr e l a t i v ew i t hg r a n u l a rm a r e ra n di t sm o v e m e n tr e g u l a r i t y a s y s t e mo fh i g hv i s c o u si n c o m p a c tc o n s i s t i n go fag r e a ta m o u n to f o r e r o c kg r a i n sh a s p a r t i c u l a rq u a l i t ya n dm o v e m e n tr e g u l a r i t y t i l eh i 曲 v i s c o u si n c o m p a c to r e - r o c kg r a i n sb e h a v e sq u i t e d i f f e r e n t l yf r o mt h e s o l i d s ，f l u i d sa n dg a s e s t h e r e f o r e ，s t u d yt h e f l u i d i t ya n df l o w - a i d i n g m e c h a n i s mh a sm o r e i m p o r t a n ts c i e n t i f i cm e a n i n ga n da p p l i c a t i o n s b a c k g r o t m d t h ep a p e rc o m b i n ew i t ht h ea l u m i n u mc o r p o r a t i o no fc h i n a l i m i t e da p p r o v a lp r o j e c t r e s e a r c ho fm i n ec r u s h i n gs t a t i o no r eb i n s d r a w i n gt e c h n i c , b a s e do no r ed r a w i n gt h e o r ya n dg r a n u l a rm e c h a n i c s t h e o r y ，a n a l y s eb a u x i t ed e p o s i to r eb o n d i n ga n da r c h i n gm e c h a n i s mi n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，d i s c o v e r e d t h a tw a t e r c o n t a i n n i n g ，衔c t i o n c o e f f i c i e n to fh o p p e ri n n e rs u r f a c e ，f i l l i n gq u a n t i t yo fo r e ，h a l f t o pa n g l e ， o p e n i n g - s i z eo fh o p p e re t ca r ea l lh a v ei m p o r t a n te f f e c to nt h eo r e f l u i d i t y p r o p o s i n gt h a tu s et h es u p e r - h i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y t h e n e s h e e t sa st h e h o p p e r i n n e rs u r f a c e s c a l e b o a r d ，i n s t a l l v i b r a t o ri n h o p p e r , o p t i m i z eh o p p e rs t r u c t u r ep a r a m e t e r s ( h a l ft o pa n g l e ，o p e n i n g s i z e o f h o p p e r ) t oi m p r o v et h eo r ef l u i d i t y u s eg r a n u l a ra s s e m b l ys i m u l a t i o n s o f t w a r et os i m u l a t eo r ef l o wi nt h eo r eb i n s ，v a l i d a t et h ec o n c l u s i o no f t h ep h y s i c a ls i m u l a t i o nt e s t ，a n do p t i m i z et h ef l o w i n gm e c h a n i s ma n d f l o w - a i d i n gm e t h o d o b t a i nt h et h e o r yo fa v o i do r eb o n d i n ga n da r c h i n g d u r i n go r ed r a w i n g u s et h et h e o r yi np r a c t i c e ，a n dp r o v i d et h e o r e t i c a l b a s i sf o rs o l v et h ep r o b l e mo fb a u x i t ed e p o s i to r eb o n d i n ga n d a r c h i n gi n p r e s e n t 中南人学硕十学位论文a b s t r a c t k e yw o r d sh i g hv i s c o u si n c o m p a c to r e r o c k ，h o p p e r ，g r a n u l a r a s s e m b l ys i m u l a t i o n ，f l u i d i t y ，f l o w - a i d i n gm e c h a n i s m m 中南人学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论l 1 1j ；i 言1 1 2 研究的目的和意义l 1 3 研究的历史和现状2 1 4 本文研究内容4 第二章高粘性松散矿岩流动性及其助流机理的研究方法5 2 1 物理模拟实验5 2 2 数值模拟6 2 3 力学在颗粒流动研究中的应用7 2 3 1 散体静力学在放矿中的应用7 2 3 2 散体动力学在放矿中的应用。9 2 3 3 流体力学在放矿中的应用l l 2 4 本章小结1 2 第三章颗粒物质动静状态下的基本规律。1 3 3 1 颗粒中力的分布( 压力凹陷) 。1 3 3 2 超压现象1 3 3 3 粮仓效应1 4 3 4 振动离析。1 5 3 5 颗粒的膨胀1 7 3 6 本章小结1 7 第四章高粘性松散矿岩流动性影响因素分析1 8 4 1 放矿模拟实验1 8 4 1 1 实验目的l8 4 1 2 底部放矿模拟实验l8 4 1 3 结论3 7 4 2 影响矿石流动性的主要因素3 7 4 2 1 含水量对矿石流动性的影响3 7 4 2 2 料仓几何因素对矿石流动性的影响3 8 4 2 3 料仓材料的摩擦系数对矿石流动性的影响4 0 4 2 4 装矿高度对矿石流动性的影响4 0 4 2 5 其它因素4 l 4 3 本章小结4 l 第五章矿岩流动的数值模拟4 2 5 1 建立模型4 2 5 2 模拟放矿过程4 4 i v 中南人学硕十学位论文目录 5 2 1 采用不同的漏斗壁面摩擦系数的颗粒流动情况4 4 5 2 2 有无振动情况下颗粒的流动情况4 6 5 3 结果及分析。4 7 5 4 结论4 9 5 5 本章小结4 9 第六章改善矿岩流动性的方法5 0 6 1 超高分子量聚乙烯( u h m w - - p e ) 做衬板改善矿石的流动性。5 0 6 1 1 超高分子量聚乙烯的力学性能实验5 l 6 1 2 超高分子量聚乙烯衬板的安装方法5 5 6 1 3 超高分子材料使用注意事项5 9 6 2 振动助流5 9 6 2 1 振动助流的基本原理6 0 6 2 2 振动放矿与重力放矿效果对比6 3 6 2 3 振动助流设计6 4 6 3 现场- t 业试验。7 l 6 3 1 振动棒安装7 l 6 3 2 实验7 3 6 3 3 结论。7 6 6 4 本章小结7 6 第七章结论与展望。7 7 7 1 本文结论7 7 7 2 研究展望。7 7 参考文献7 9 附：录8 4 致谢9 0 攻读硕士学位期间发表的论文_ 9 l v 颗粒流是多相流，具有高粘性等复杂的力学性能。但是，如果粒子是紧密堆积 的或比间隙流体稠密得多，则描述流动时可以忽略间隙流体效应。颗粒流通常 指这种狭义上所说的颗粒流动。颗粒物质作为一种在自然界和工农业生产中广 泛存在的物质形态，已经引起了物理学家的浓厚兴趣，它不仅涉及许多自然现 象和工业技术问题，而且还涉及许多饶有兴趣的非线性开放体系的课题，如混 沌、自组织、斑图掣z j 。 1 2 研究的目的和意义 颗粒物质一般指由尺寸d l p 聊的颗粒组成的宏观体系。当颗粒尺度小于 1 历时，热运动即布朗运动会有重要影响。若颗粒尺度更小，微观相互作用则 起主要作用。因此，这些小尺度的颗粒的运动规律与宏观颗粒不同。对于宏观 颗粒，经典力学可以给出单个颗粒运动状态的精确解。然而，大量颗粒组成的 体系具有特别的性质和运动规律。颗粒物质静止时类似于固体，流动时则类似 于液体或气体。它属于一种软物质，是界于固体与液体之间的一种特殊状态， 具有其特有的性质，表现为非常丰富的物理现象，因此有人称之为物质的“第 四态一或“颗粒物质态 【3 l 。一方面，颗粒就个体而言属于固体，其运动规律服 从牛顿定律，但作为整体的颗粒系统有时就会表现出某些流体的性质；另一方 面，作为个体的颗粒主要作用表现为非弹性碰撞和摩擦相互作用，但许多颗粒 的集合体就表现了复杂的力学性质，其简单的沙堆力学结构到目前为止还没有 完全被认识【4 】。向地板上撒一筒沙子，沙粒并不会像水那样平铺在地板上，处于 势能最小状态，而是根据抛洒方式及过程的不同形成各种不同的堆积形态，即 中南人学硕十学位论文第一章绪论 有许多亚稳态。若将支撑一个沙堆的地板慢慢倾斜，沙子会发生流动，然而这 种流动只发生在沙堆的表面几层。如果在沙堆上继续添加沙粒或施加扰动，超 过某一临界状态时，就会引起沙堆崩塌。拿一块石子扔向沙堆，石子不会像撞 在固体表面那样反弹，而是将其动能完全耗散在沙堆中。向一个容器内填充颗 粒，颗粒对容器底部施加的压强先随颗粒填充高度增加而变大，到一定高度后， 压强会趋于某一饱和值而不再增大，称之为“粮仓效应”。颗粒有成拱的特性， 颗粒物质中的力通过不均匀力链传递，不像固体和液体中的应力会均匀分布。 振动会引起不同大小和质量颗粒的分离，也可在颗粒体系表面形成各种斑图。 颗粒流动中的稀疏流、密集流和堵塞等行为不同于一般流体运动。颗粒物质的 状态，有时很稳定，而在有些情况下，会因极小的作用而改变，如发生崩塌。 所有这些表明，颗粒物质是不同于固体、液体和气体的一种特殊的物质形态， 它具有丰富的现象和不同于固、液、气物质的独特的运动规律。 颗粒体系为能量耗散体系，外界作用或颗粒运动能量会通过与其他颗粒的 摩擦和碰撞而耗散。外加转动与振动会使容器中不同大小的颗粒分离开来，而 不是像一般热力学系统那样，加速系统趋于混合均匀的平衡状态。因此，颗粒 物质的行为一般不能用通常解释固体和流体的理论给予解答【5 】。 全世界谷物及其他各种颗粒物的年产量数以百亿吨计，其中包括煤、矿石、 冶金材料、水泥建材、砂子与碎石等低附加值材料，以及高附加值的食品、工 业原料、药品和化妆品等。这些物质的生产、运输、加工及储存等，如采矿工 作中的放矿、高浓度充填料浆的输送，粉末冶金，水泥的输送，谷物的储藏等， 由于其具有粘性等，在输送、分散过程中容易粘结设备，结块，造成设备的堵 塞等。人工处理，处理时间长，劳动强度大，工作环境差，安全隐患极大，机 械处理费用多，严重影响企业的生产效率。每年约消耗地球上1 0 的能量。因 此，通过对高粘性松散矿岩流动机理的研究，改进工艺和设备，增强其流动性 是一项十分有意义的工作。 1 3 研究的历史和现状 关于颗粒物质的研究最早起始于1 8 世纪，文艺复兴之后的几个世纪以来， 不少著名科学家对颗粒物质和颗粒流进行了研究 6 引：1 7 7 3 年，库伦( c h a l e s d e c o u l o m b 引，1 7 3 6 - 1 8 0 6 ) 研究石块建筑稳定性的问题，提出固体间磨擦作用的 c o u l o m b 定律。最早提了出沙堆倾斜角度与摩擦系数关系，他的有关固体摩擦 问题的表述现在还被反复提及。1 7 8 0 年e c h l a d n i 发现混合颗粒在运动过程中， 2 中南人学硕十学位论文第一章绪论 轻而光滑的颗粒与重而粗糙的颗粒的运动规律明显不同。法拉第( m i c h a e l f a r a d a y ，1 7 9 1 1 8 6 7 ) 1 8 3 1 年发现振动使颗粒形成对流而堆积起来，提出了颗 粒运动不同于固、液、气三态的运动规律。雷诺( o s b o r n er e y n o l d s ，1 8 4 2 1 9 1 2 ) 于1 8 8 5 年指出，如果颗粒紧密堆积在一个弹性袋中，任何外加作用都会 使颗粒所占体积增大，称之为雷诺挤压膨胀原理。1 8 8 4 年英国科学家r o b e r t s 在研究粮仓底面的受力时发现：在粮食堆积高度约大于两倍底面直径后，粮仓 底面所受压力达到饱和而不再增加，即著名的粮仓效应，这和液体在容器中所 表现的性质完全不同。德国工程师j a n s s e n h 【9 】在1 8 9 5 年提出一个模型来解释 粮仓效应，这一模型直到现在已被人们普遍接受。美国学者j m d a l l a v a l l e ， 1 9 4 3 年出版了世界上第一部颗粒学专著m i c r o m e r i t i c s 。5 0 年代德国k a r i s r h e 大学的r u m p f 教授开展了粉体工程的教学工作。其后，1 9 6 0 年德国的i r m e l d a u 编写了h a n d b u c hd e rs t a u b t e c h n i k ，d a l l a v a l l e 的学生0 r r1 9 6 6 年出版了 p a r t i c u l a t et e c h n o l o g y 一书。1 9 6 0 年，英国b r a d f o r d 大学的d r w i l l i a m s 建立了粉体技术研究院，并创刊了p o w d e rt e c h n o l o g y 杂志。前苏联学者克列 因、高尔得什琴、李科洛夫斯基等对谷物、水泥等材料进行了理论和试验研究。 1 9 7 0 年，日本学者久保辉一郎、水渡英二，对粉体的力学特性和运动理论进行 了研究。1 9 8 5 年，近尺正敏、金泽孝文针对颗粒间作用力进行了深入研究。1 9 9 1 年诺贝尔奖获得者法国科学家g e n n e s 提出了颗粒物质的概念。我国至少在南朝 ( 公元4 1 2 _ 5 8 9 年) 就有“簸之扬之，糠秕在前洮之汰之，砂砾在后。 的说 法了( 出自世说新语，南朝宋) 1 3 j 。 颗粒流的研究始于2 0 世纪2 0 年代【l j 。1 9 2 5 年t e r z a g h i 提出了有效应力理 论，对于散体的流动性研究起了重要作用。2 0 世纪3 0 年代，形成了运用物理学 和数学工具描述交通特性的交通流理论【4 】。1 9 3 6 年，c a s a g r a n d e 提出了临界空 隙比的概念，2 0 世纪7 0 年代，他根据他指导的博士生c a s t r o 的研究成果，又 提出了“流动结构 的概念。5 0 年代，b a g n o l d 1 0 】做了蜡球在甘油一酒精一水溶液 中的同轴剪切流变仪试验，这是最早揭示颗粒摩擦应力本构关系的研究。由于 工程实际需要，颗粒流问题逐步地吸引学者的关注。早先的工作主要集中于一 些简单的试验观测和近似分析，并为工程设计提供一些经验公式。1 9 6 7 年 m a n d e l b r o t 最早引入分形概念以来，分形在散体流动机理的研究中取得了广泛 的应用。7 0 年代以后，人们开始对颗粒流动的物理机制发生了兴趣，颗粒流研 究进入一个蓬勃发展的阶段，许多力学家、物理学家和应用数学家投入到颗粒 流的研究中来。这当中o g a w a 1 1 j 最早引入“颗粒温度 的概念。此后，人们很快 建立起颗粒流的动理论( k i n e t i ct h e o r y ) 模型，得到的结果与采用g o n t ec a r l o 3 中南人学硕十学位论文第一章绪论 直接模拟的结果符合得相当好。1 9 7 9 年c u n d a l l 和s t r a c k 1 2 】开发了第一个研究 颗粒介质力学行为的二维离散元模拟程序，得到与动光弹实验极为吻合的结果， 成为离散元模拟颗粒运动的开端。s p e n c e r 1 3 】对以m o h r - - c o u l u m b 条件为基础的 “双剪切 理论作了发展，并用于颗粒流动研究，实际证明这个模型是很有 效的。值得一提的是，1 9 8 7 年b a k t a n g 和w i s e n f e l d 提出了颗粒“自组织临 界 的理论，物理学界对颗粒材料的性质也产生了广泛兴趣。在我国，1 9 9 8 年 中国农业大学教授徐泳应英国a s t o n 大学t h o r n t o n 博士邀请前往进行颗粒离散 元法合作研究，并将世界先进的颗粒离散元法引入中国，建立了相应的研究室。 我国学者汪闻韶根据散体液化形成的不同原因，对液化的三种形式：“砂沸 、“流 滑”、和“循环活动性 作出总结。中国工程院古德生院士等人进行了散体动力 学研究，在矿山生产中进行振动放矿取得成功。中南大学吴爱祥教授在散体力 学、土力学、土动力学和前人研究的基础上对散体的动力特性、振动液化、波 动理论、振动助流、振动减阻、分形特征进行了探索。陆坤权、鲍德松等人也 对颗粒物质的动静物理力学性能进行了较为深入的研究“。 近年来，虽然开展了关于颗粒物质的多方面的实验和模拟计算，获得了许 多有意义的结果，到目前为止对于微观粒子可以用量子力学理论解释得十分清 楚，而对于宏观世界颗粒物质的各种现象的解释还有一定的困难，对其运动规 律研究的认识还很肤浅，描述颗粒物质的基本理论尚未建立，有关颗粒物质的 一些最基本问题还在困扰人们。关于对颗粒物质的认识，著名理论物理学家d e g e n n e s 和k a d a n o f 作了评述。d eg e n n e s 认为，这一领域几乎每一件事都尚待 理解，目前对其认识程度只相当于2 0 世纪3 0 年代固体物理的水平【1 5 】，而其对 工程施工和工业生产的影响又较之固体和液体的影响更为重要和普遍。因此， 进行高粘性松散矿岩的流动性和助流机理的研究非常必要。 1 4 本文研究内容 本文结合中国铝业股份有限公司审批项目矿山破碎站成品矿仓放矿技术 研究( 项目编号：k y 2 0 0 6 c a g c 0 3 ) ，基于放矿理论和散体、流动力学，对不同 条件下铝土矿矿仓矿石的粘仓、成拱机理进行分析，提出在矿石的放出过程中 防止矿石结拱和粘仓的理论，并将理论研究的成果运用到解决工程实际问题， 为目前铝土矿矿仓中大量出现的矿石结拱，粘仓现象的解决提供理论依据。 4 中南人学硕士学位论文第二章高粘性松散矿岩流动性及其助流机理的研究方法 第二章高粘性松散矿岩流动性及其助流机理的研究方法 对于高粘性松散矿岩颗粒流动性及其助流机理的研究方法主要有物理模拟 实验、数值模拟和力学分析方法三种，它们各自有着自己的特点和优点，互相 补充，共同促进着颗粒物质研究向前发展。 2 1 物理模拟实验 本文的物理模拟实验采用底部放矿模拟实验。通过室内模型的模拟实验，研 究矿石在漏斗中的流动规律，观察造成矿仓堵塞的原因和方式，确定影响矿石 流动性的主要因素。 放矿理论是放矿模拟实验的理论基础。对放矿理论的研究，长期以来最主 要的研究方法是物理模拟方法，并于二十世纪五十年代在大量实验室模型研究 和现场试验的基础上提出了椭球体放矿理论，以及最优放矿管理制度。其后的 一二十年，相关研究工作主要集中于进一步完善椭球体放矿理论，扩大其应用 范围、简化计算方法和寻求放矿模拟相似条件等方面。 1 9 4 0 年c h 米纳耶夫在试验条件下得出放出体是一个旋转椭球体的结 论，并对多漏斗口水平接触面下的放矿进行了研究，提出了极限高度的概念。 1 9 5 2 年苏联学者r m 马拉霍夫出版的放矿专著 崩落矿块的放矿，建立了椭 球体放矿理论体系。苏联学者b b 库里柯夫分别于1 9 6 5 、1 9 7 2 、1 9 8 0 年立足 于放出体是椭球体和放出体的过渡关系，首先建立了表述单漏斗放矿移动规律 的基本方程，根据放出体表面颗粒在移动过程中保持相关关系不变( x 0 h 0 = x h ) 建立了理想散体( 无二次松散现象) 完全椭球体放矿理论【1 6 j 。 国内在放矿理论研究方面开展的比较晚，1 9 7 9 年东北大学刘兴国教授1 1 6 提 出偏心率为常数才能避免移动迹线与椭球面过渡理论的矛盾，建立了等偏心率 放矿理论。1 9 8 3 年西安建筑科技大学李荣福教授在试验研究的理论基础上首先 提出了偏心率方程1 一占2 = k ，并应用该方程建立了放矿基本规律的统一数学方 程，形成了变偏心率截头椭球体放矿理论。同时从该理论得出变偏心率完整椭 球体理论。1 9 9 4 年他又通过试验和理论研究创立了类椭球体放矿理论【1 7 1 。2 0 世 纪7 0 年代，中南大学在国内开创振动出矿技术研究。近年来振动出矿技术取得 了很大的发展，1 9 8 4 年中南大学古德生院士在放矿理论的基础上创立了振动出 中南人学硕+ 学位论文第二章高粘性松散矿岩流动性及其助流机理的研究方法 矿技术，并取得广泛应用。 2 2 数值模拟 数值模型试验与物理模型试验相比，具有节省费用及人力，试验周期短， 便于改变试验条件等优点。例如，我们可以改变漏斗壁材料的摩擦系数，改变 颗粒尺寸的大小等。另外一个特点是有很好的重复性，条件易于控制，可以重 复模拟过程，这对于放矿的模拟过程尤为重要。由于数值模拟试验可以得到一 个时刻整个流场范围的流动信息，可以排除外界不确定因素对试验结果的干扰， 对于深刻理解和揭示物理现象的内在机理有很大帮助，这一点是传统的物理模 型模拟试验所无法比拟的“。”。 随着计算机技术的发展，数值模拟在颗粒流的研究方面得到广泛地应用， 目前所采用的方法主要分为两种【2 0 】：一种是连续介质模型，另一种是非连续介 质模型。在连续介质模型方面，国内外一些学者进行了专门研究和试验测试， 但基本上都是建立在将仓内流动的散体抽象成连续介质，应用极限平衡理论来 描述动态压力的，由于缺乏实验基础，计算不方便且结果又十分粗略，故难于 在生产中获得应用。非连续介质模型中目前最为活跃的是颗粒离散单元法【2 l 】 ( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ，简称d e m ) 。d e m 是p a c u n d a l l 【2 2 j 于1 9 7 1 年提出 的，其思想源于较早的分子动力学( m o l e c u l a rd y n a m i c s ) ，用来分析岩石力学 问题。1 9 7 9 年，c u n d a l l 和s t r a c k 将其应用于对土的研究，并推出二维圆盘( d i s c ) 程序b a l l 和三维圆球程序t r u b a l ( 后发展成商业软件) ，形成较系统的模型与方 法，被称为软球模型【2 3 2 4 l ；1 9 8 0 年c a m p b e l l l 3 0 3 3 1 提出了硬球模型并用于分析剪 切流。1 9 8 9 年英国a s t o n 大学t h o r n t o n 弓1 人c u n d a l l 的t r u b a l 程序，从发展颗粒 接触模型人手对程序进行了全面改造形成t r u b a l a s t o n 版，后定名g r a n u l e 。它 完全符合弹塑性圆球接触力学原理，能模拟干一湿、弹性一塑性和颗粒两相流 问题。1 9 8 8 年c u n d a l l 和h a r t 等人的论文、2 0 0 0 年i t a s c a 的u d e c 手册都对离散单 元法做了详细的描述。我国的离散元研究始于2 0 世纪8 0 年代王泳嘉引入c u n d a l l 的离散元法进行的岩石力学和颗粒系统的模拟，以边坡、危岩和矿井稳定等岩 石力学问题居多。经过近3 0 多年的发展，其原理和计算方法日趋成熟，应用也 越来越广。颗粒离散法是一种适用于解决离散介质力学问题的数值计算方法， 已在结构工程、岩土工程、散体力学以及爆炸力学等领域得到了成功应用，取 得了一些令人瞩目的研究成果1 2 5 l 。 颗粒离散法的基本原理是将散粒体分离成离散单元的集合，利用牛顿第二 6 中南人学硕士学位论文第二章高粘性松散矿岩流动性及其助流机理的研究方法 定律建立每个颗粒单元的运动方程，进而求得颗粒群的整体运动状态。接触颗 粒单元间的作用力模拟为弹性力、阻尼力和摩擦力，用弹性、阻尼及摩擦滑移 等机理模型进行计算。当两颗粒产生接触时，其法向即两圆心连线方向的相互 作用可简化为弹簧阻尼器，切线方向的相互作用可简化为弹簧阻尼器和滑动摩 擦器。根据颗粒所受的合力和力矩，可以计算颗粒在不同时刻的位置、速度等 参数【1 6 1 。 本文主要应用离散单元法颗粒流模拟程序 2 6 、2 8 进行了颗粒流动的数值模 拟。其即可解决静态问题也可解决动态问题；既可用于参数预测，电可用于在 原始资料详细情况下的实际模拟。数值模拟试验可以代替室内试验。在松散介 质流动问题中，影响流体不规律分布的影响因素很难定量描述等等，此时先应 用颗粒流模拟程序初步研究影响整个体系的一些参数的特性，对整个体系的特 性有所了解后，就可以方便地设计模型模拟整个过程。 2 3 力学在颗粒流动研究中的应用 对于散体颗粒流动性的研究，就是流动中散体颗粒的力学问题，是散体颗 粒在力场作用下的运动现象，要真正弄清楚颗粒的移动规律，就必须从力学的 角度去分析和研究，这样才能从本质上搞清颗粒的流动过程。目前主要有散体 静力学、散体动力学和流体力学 3 4 36 | 。 2 3 1 散体静力学在放矿中的应用 六十年代初，前苏联学者已经对放矿过程中的力学问题进行了初步的探讨。 1 9 6 8 年，p a r i s e a u 和p f l e i d e r 利用塑性理论模拟矿石的移动，提出了求解应 力和速度场的数学方程，这些方程包括经典的运动方程和屈服条件( 由于矿岩 的特有性质和不连续性，尽管塑性力学取得了一些成果，为放矿理论的研究提 供了一定的基础，但是塑性力学理论难以解决放矿过程中所遇到的所有问题) 因为放出矿石具有散体的一些性质，所以国内外许多学者试图从散体力学入手 来解决放矿问题，其中，极限平衡理论是散体静力学的代表。 1 7 世纪末，m 彪尔列等人以研究填料对挡土墙的压力为目的，发表了最早 的散体力学方面的论文，1 7 7 6 年c o u l o m b 根据平面楔形体的极限平衡很完善地 解决了这一问题，得出水平压力： p h = k y z 7 ( 2 - 1 ) 中南大学硕十学位论文第二章高粘性松散矿岩流动性及其助流机理的研究方法 式中：后= c o s 2 缈【l + s i n ( 缈+ ) s i n 缈c o s 】2 ，散体单位体积的质量； 矽散体内摩擦角； 钆散体与墙壁的摩擦角； z 散体层距离上表面的距离。 1 8 5 7 年，朗肯研究了倾斜平面下半无限松散介质的极限平衡问题，这是松 散介质力学极限平衡理论发展的初始阶段。随后，极限平衡理论的进一步发展 主要按两个方向进行：一是简化的极限平衡理论，它假定存在某种简单形状的 滑移面，散体沿着滑移面滑动而发生破坏。二是试图建立严格的极限平衡理论。 1 8 7 5 年r a n k i n e 根据微元体土的极限平衡，发表了独特的土压理论，提出 了主动平衡状态和被动平衡状态的观点，奠定了散体介质理论的基础。极限平 衡状态散体的水平压力公式同上面第一式，但是，此处的尼称为侧压系数， 且主动状态： k = ( 1 一s i n 缈) ( 1 + s i n 缈) ( 2 2 ) 被动状态： k = ( 1 + s i nq o ( 1 - s i n b ) ( 2 3 ) c o u l o m b 和r a n k i n e 的理论适用于估算浅仓中散体对仓壁的压力。 首先专门研究仓内散体力学问题的是德国人j a n s s e n ，他以研究筒仓内小麦 的应力为目的，于1 8 9 5 年提出了著名的j a n s s e n 公式，他的理论是建立在如下 的假定之上的： ( 1 ) 在水平面内散体垂直方向的正应力均匀分布，即：仃= 盯( z ) ： ( 2 ) 散体内任一点水平方向的正应力与垂直方向的正应力成比例，即： o r r = 七吒； ( 3 ) 散体沿仓壁的滑动阻力与仓壁法向压力成正比，即f = 心q + 。其中： 以为散体与仓壁的摩擦系数；勺为散体与仓壁的粘聚力： ( 4 ) 散体不可压缩，密度均匀，各向同性； ( 5 ) 筒仓壁为刚性体； ( 6 ) 筒仓无限深，即不计仓底的影响。 不计散体与仓壁的粘聚力气，则由块( 或片) 的微体平衡徽分方程，可得垂 直方向的应力： 吒= 学卜擎 倍4 ， s 中南人学硕十学位论文 第二二章高粘性松散矿岩流动性及其助流机理的研究方法 其中：口= d 4 为轴对称问题，口= d 2 为平面问题；d 为平面或轴对 称筒仓直径；p 为散体密度；g 为重力加速度；z 为散体层距顶面的距离；k 为 侧压系数。 目前一般采用根据极限平衡理论推导出的筒仓设计j a n s s e n 公式来计算放 矿口的压力分布。y e n g e 认为，筒仓静压力j a n s s e n 公式，不适用于采矿中的矿 岩情况。因为筒仓和采场的边界条件不同，采场有非常粗糟的壁面和多个放矿 口，他们除了在物理上不相似外，在确定诸如内摩擦角和外摩擦角等参数时也 有一定的难度。采场中的放矿是在动力接触的条件下进行的，所以，y e n g e 认为 矿岩作用于采场底部和侧壁上的静压力是不太重要的，即对放矿没有多大的帮 助，即使在放矿中要用j a n s s e n 方程，也必须回到放矿动力学上。贾建民、童 光煦通过实验室来模拟有底柱崩落法采场地压。 1 9 0 3 年，德国学者克( f k o t t e r ) 建立了散体的塑性平衡理论方程，为极 限平衡理论朝严密的数学理论发展开辟了道路。此后，不少学者继续在这方面 进行研究，解决了一些个别的问题，如普朗特尔人( l p r a n d t l ) ，诺沃托尔采 夫( b n h o b o t o p u e b ) 等。 前苏联学者索科洛夫斯基( b b c0k0j 10bckm 玖) 首先应用了滑 移线法来解决塑性平衡方程式，成功的解决了一系列重要的散体塑性平面问题， 并于1 9 4 2 年出版了著名的松散介质静力学一书( 1 9 6 0 年该书出版了第3 版) ， 从而建立了完整的松散介质塑性平衡理论。此后，戈卢什克维奇( c c ro j iyi l lkebi ieb ) 提出了积分极限平衡方程的图解法，别列赞采夫( b r bepe3ah1 2e ) 研究了轴对称的完全极限平衡问题，继续发展了这方面的 理论。 索科洛夫斯基松散介质静力学理论的应用有一定的局限性，这是因为他忽 略了松散介质在静力许可应力场下能否真正变形滑移的问题。关于确定极限载 荷时必须同时考虑静力平衡和动力平衡的概念，首先出现在金属材料的塑性理 论中。英国学者希尔( r h i l l ) 对极限平衡下了定义，普拉格尔( w p r a g e r ) 和德鲁克尔( d c d r u c k e r ) 把这一概念用于土体稳定性分析，并建立了应力场 和应变速度场之间的关系式，希尔德( r t s h e i l d ) 推导了塑性流动方程。 2 3 2 散体动力学在放矿中的应用 2 0 世纪7 0 年代后期，国内外学者开始研究散体动力学。研究方法有两大 主流：一类是连续化方法( c o n t i n u u ma p p r o a c h ) ，另一类是离散化方法 9 中南人学硕+ 学位论文第二章高粘性松散矿岩流动性及其助流机理的研究方法 ( p a r t i c u l a t ea p p r o a c h ) 。 连续化方法不考虑散体颗粒尺寸的大小，假设颗粒材料的性质是可以用连 续函数来表征，本构关系只是通过试验或一些假定来确定。g o o d m a n 和c o w i n 首 先提出颗粒材料的连续理论( c o n t i n u u mt h e o r yf o rg r a n u l a rm a t e r i a l s ) ，该 理论涉及的是颗粒材料在重力作用下的流动问题。他们提出一个重要的体积分 布函数v ( v o i u m ed i s t r i b u t i o nf u n t i o n ) 的概念，把此函数分为一个内变量， 它是散体中颗粒实体的量度，是区别于颗粒材料的一个重要特征。认为v 的梯 度对应力是有影响的，应力与应变率成线性关系，本构关系就是在这些假定下 建立的，并得出结论：散体颗粒材料的