冲击载荷下准脆性块体细观-宏观破碎机理研究

Selective crushing separation for coal and gangue underground can reduce the discharge of gangue and be significant for green mining. The key problem is to indicate the meso-macro mechanism of crushing granularity difference for coal and gangue quasi-brittle lumps under impact load. This project takes quasi-brittle lumps as research object. On the basis of fractal distribution for microcracks, we will set up the meso-macro damage constitutive model of quasi-brittle lumps containing elasticity, plasticity and brittleness using the multiscale analysis method. In order to explain the influence rule of meso force transmission to macro crushing characteristics and determine the criterion of macro crushing, we will build the macro particle system with microcracks for quasi-brittle lumps using discrete element method and explore the relation between force chain evolution and microcracks cross-scale propagation for quasi-brittle lumps under impact force. We will do the true triaxial experiment of coal and gangue lumps to obtain the macro particle system whose mechanical properties are agree with the experimental results. Then, we will write the simulation program to research the evolution law for force chain network and the variation rule of macro crushing properties with meso-structure parameters. Based on the above researches, we can establish the prediction model of crushing granularity difference for coal and gangue lumps. The research results will provide theoretical basis for the prediction and control of crushing granularity difference. It is significant to determining design parameters reasonably, improving the separation precision and promoting the application process of separation for coal and gangue underground effectively.

井下煤矸选择性破碎分选能有效减少矸石排放，对煤炭绿色开采有重要意义，其关键问题是揭示冲击载荷下煤和矸石准脆性块体破碎粒度差异的细观-宏观机理。本项目以准脆性块体为研究对象，以微裂隙分形分布为基础，采用多尺度分析方法，建立准脆性块体在冲击载荷下弹性、塑性及脆性阶段的细观-宏观损伤本构模型；利用离散元方法，建立含微裂隙准脆性块体宏观颗粒体系，探索冲击载荷下准脆性块体内部力链演化与微裂隙跨尺度扩展的关系，明确细观传力特性对宏观破碎的影响规律，确定宏观破碎判定准则；以煤和矸石块体真三轴试验为依据，得到符合试验力学特性的宏观颗粒体系模型，分析不同细观参数下颗粒体系内部力链网络演化规律，揭示细观参数对宏观破碎特性的影响规律，构建煤和矸石块体破碎粒度差异的预测模型。项目研究成果将为煤和矸石块体破碎粒度的预测和控制提供理论依据，对合理确定设计参数、提高分选精度有重要意义，能有效推动井下煤矸分离的应用进程。

井下煤矸选择性破碎分选能有效减少矸石排放，对煤炭绿色开采有重要意义，其关键问题是揭示冲击载荷下煤和矸石准脆性块体破碎粒度差异的细观-宏观机理。本项目以准脆性块体为研究对象，基于裂隙分形分布、离散元模拟和多尺度方法，对冲击载荷下煤和矸石的破碎分选行为进行了四个方面的研究。首先，基于分形裂隙分布，建立准脆性块体在冲击载荷下的分段力学模型。未发生破碎前考虑弹性和塑性，得到最大接触力和变形量之间的关系；发生破碎时，基于裂纹扩展理论，得到裂纹服从分形分布的准脆性块体断裂破碎概率和破碎粒度模型。通过冲击破碎试验对理论模型进行验证。其次，对单轴压缩实验条件下的14种细观结构参数进行数值模拟分析，得到对宏观力学性能的影响规律。采用基于遗传算法的BP神经网络二次学习方法实现根据已知宏观力学性能对细观结构参数的快速匹配。对赵固二矿的煤和矸石进行单轴压缩实验，利用研究成果得到与之相匹配的细观结构参数，弹性模量、泊松比以及单轴抗压强度误差均小于10%。再次，分别对完整和包含不同角度初始张开裂纹的煤和矸石圆形块体在不同冲击速度下的微裂隙扩展和破碎行为进行数值模拟研究。揭示了块体内部力链演化对微裂隙扩展的影响规律，发现裂纹尖端的拉应力促使裂纹沿该方向扩展，压应力阻止裂纹继续扩展。分析得到冲击速度、初始裂纹倾角对裂纹扩展和块体破碎效果的影响规律。最后，对粒度不同的二元块体体系的振动分离行为进行研究，用球形块体模拟确定振动参数对分离效果的影响规律；通过clump方法模拟球体、椭球体、圆柱体、棱柱体的振动分离，揭示块体形状对分离过程及分离机理的影响规律。建立煤炭块体气力输送系统，提出一种多功能可调节起旋器结构，以及旋流强度测试算法，并对起旋器和测试算法的有效性进行了验证。项目研究成果将为煤和矸石块体破碎粒度的预测和控制提供理论依据，对合理确定设计参数、提高分选精度、煤炭绿色输送有重要意义，能有效推动井下煤矸分离的应用进程。