本發(fā)明涉及地質(zhì)研究技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于礦巖破裂的松動體、放出體及崩落礦巖形狀的模擬方法。

背景技術(shù)：

實(shí)際礦山中的礦巖形狀不規(guī)則，且在放礦過程中會由于相互之間的擠壓和剪切而出現(xiàn)二次破裂現(xiàn)象，形成新的不規(guī)則散體。而實(shí)際的放礦室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，僅能達(dá)到幾何相似，不能做到力學(xué)相似，因此，試驗(yàn)中散體材料不會出現(xiàn)二次破裂現(xiàn)象。此外，在基于離散單元法的放礦數(shù)值研究中，絕大多數(shù)是采用球形顆粒模型或雙顆粒模型(也被稱為花生模型，peanutmodel)。上述兩種模型存在如下兩個缺點(diǎn)：(1)可靠性不強(qiáng)：不能很好地反映實(shí)際礦巖形狀的不規(guī)則性，從而不能實(shí)現(xiàn)礦巖間的較高的內(nèi)鎖力(interlockingforce)；(2)適用性不廣：花生模型破裂后變成兩個獨(dú)立的球形顆粒，而球形顆粒本身為剛體，無法破裂。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于礦巖破裂的松動體、放出體及崩落礦巖形狀的模擬方法，能夠準(zhǔn)確模擬發(fā)生二次破裂的特征。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種基于礦巖破裂的松動體、放出體及崩落礦巖形狀的模擬方法，所述方法包括：

根據(jù)橢圓及其內(nèi)接多邊形的幾何關(guān)系，采用橢圓的內(nèi)接多邊形模擬實(shí)際不規(guī)則礦巖散體形狀，利用顆粒流數(shù)值軟件構(gòu)建具有不規(guī)則顆粒模型；

根據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用散體材料的物理力學(xué)性質(zhì)，確定放礦數(shù)值模型及顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)；

通過改變顆粒間的平行粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)行放礦數(shù)值試驗(yàn)確定平行粘結(jié)強(qiáng)度和礦巖二次破裂的關(guān)系；

驗(yàn)證不規(guī)則顆粒模型以及礦數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

優(yōu)選的，所述根據(jù)橢圓及其內(nèi)接多邊形的幾何關(guān)系，采用橢圓的內(nèi)接多邊形模擬實(shí)際不規(guī)則礦巖散體，包括：

將不規(guī)則顆粒模型實(shí)際面積sclu表示為：

將不規(guī)則顆粒模型的等效半徑rclu表示為：

其中，sp表示內(nèi)接多邊形的面積，ρ為不規(guī)則顆粒模型即內(nèi)接多邊形內(nèi)的空隙率，a和b分別表示橢圓的半長軸和半短軸，θk表示多邊形的第k個內(nèi)角，e表示橢圓的離心率，rcir表示橢圓外接圓的半徑。

優(yōu)選的，所述利用顆粒流數(shù)值軟件構(gòu)建不規(guī)則顆粒模型，包括：

根據(jù)rcir和rclu的關(guān)系，生成不同半徑的圓形顆粒；

根據(jù)內(nèi)接多邊形的頂點(diǎn)坐標(biāo)，編寫程序生成表示內(nèi)接多邊形的墻體，并刪除圓形顆粒；

根據(jù)既定空隙率ρ，在每個內(nèi)接多邊形內(nèi)生成一定數(shù)量的圓形小顆粒并使其相互粘結(jié)，將所有墻體刪除，圓形小顆粒間采用的粘結(jié)模型為平行粘結(jié)模型。

優(yōu)選的，所述根據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用散體材料的物理力學(xué)性質(zhì)，確定放礦數(shù)值模型及顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，包括：

在顆粒流數(shù)值軟件構(gòu)建單口放礦模型，根據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用散體材料的物理力學(xué)性質(zhì)，確定放礦數(shù)值模型及顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，所述細(xì)觀力學(xué)參數(shù)包括密度、摩擦系數(shù)、形狀、粒徑分布、剛度、平行粘結(jié)強(qiáng)度。

優(yōu)選的，所述根據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用散體材料的物理力學(xué)性質(zhì)，確定放礦數(shù)值模型及顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，包括：

依據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用的礫石材料的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)調(diào)試并確定數(shù)值模擬中散體顆粒的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)。

優(yōu)選的，所述依據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用的礫石材料的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)調(diào)試并確定數(shù)值模擬中散體顆粒的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，包括：

利用下表設(shè)置顆粒密度及顆粒摩擦系數(shù)：

在不規(guī)則顆粒模型將模型中的最小圓形顆粒半徑設(shè)為60mm，不規(guī)則顆粒模型的長寬比范圍設(shè)為2.0～2.5，設(shè)置顆粒粒徑分布為(150～1350mm)，相似比為1:1，將顆粒的法向及切向剛度設(shè)為1.0e8n/m，通過雙軸壓縮試驗(yàn)測量顆粒的宏觀散體摩擦角，并與實(shí)際散體摩擦角對比，從而確定不規(guī)則顆粒模型中顆粒間的平行粘結(jié)強(qiáng)度。

優(yōu)選的，所述通過改變顆粒間的平行粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)行放礦數(shù)值試驗(yàn)確定平行粘結(jié)強(qiáng)度和礦巖二次破裂的關(guān)系，包括：

生成符合粒徑分布的圓形顆粒，將其替換為花生模型或不規(guī)則顆粒模型cluster模型，并賦予指定的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)；

當(dāng)模型中顆粒在重力作用下達(dá)到自然平衡狀態(tài)后，刪除放礦口的顆粒，使模型中顆粒能夠不斷從放礦口放出；

在整個模擬過程中，記錄每個放出顆粒的初始位置、id編號、半徑等信息，以用于圈定放出體；

改變顆粒間的平行粘結(jié)強(qiáng)度，重復(fù)上述步驟，確定平行粘結(jié)強(qiáng)度和礦巖二次破裂的關(guān)系。

優(yōu)選的，所述生成符合粒徑分布的圓形顆粒，將其替換為花生模型或不規(guī)則顆粒模型，并賦予指定的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，包括：

當(dāng)圓形顆粒半徑大于等于150mm時，其將被替換為不規(guī)則顆粒模型；而當(dāng)圓形顆粒半徑小于150mm時，其將被等效替換為花生模型。

優(yōu)選的，所述當(dāng)模型中顆粒在重力作用下達(dá)到自然平衡狀態(tài)后，刪除放礦口的顆粒，使模型中顆粒能夠不斷從放礦口放出，包括：

將垂直位移大于1m的顆粒所圈定的范圍定義為松動體。

優(yōu)選的，所述在整個模擬過程中，記錄每個放出顆粒的初始位置、id編號、半徑等信息，以用于圈定放出體，包括：

將通過顆粒流數(shù)值軟件中的fish程序記錄發(fā)生的每個粘結(jié)破裂事件，并通過離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊生成小裂隙的方式存儲粘結(jié)破裂事件發(fā)生的位置、大小和方向。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：

上述方案中，不僅實(shí)現(xiàn)了散體顆粒在形狀上與實(shí)際礦巖散體更為接近，而且滿足了礦巖能夠發(fā)生二次破裂的特性，提高了放礦數(shù)值模擬研究的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于礦巖破裂的松動體、放出體及崩落礦巖形狀的模擬方法流程圖。

圖2為本發(fā)明的基于礦巖破裂的松動體、放出體及崩落礦巖形狀的模擬方法橢圓內(nèi)接多邊形示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種基于礦巖破裂的松動體、放出體及崩落礦巖形狀的模擬方法，所述方法包括：

步驟101：根據(jù)橢圓及其內(nèi)接多邊形的幾何關(guān)系，采用橢圓的內(nèi)接多邊形模擬實(shí)際不規(guī)則礦巖散體，利用顆粒流數(shù)值軟件構(gòu)建不規(guī)則顆粒模型；

步驟102：根據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用散體材料的物理力學(xué)性質(zhì)，確定放礦數(shù)值模型及顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)；

步驟103：通過改變顆粒間的平行粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)行放礦數(shù)值試驗(yàn)確定平行粘結(jié)強(qiáng)度和礦巖二次破裂的關(guān)系；

步驟104：驗(yàn)證不規(guī)則顆粒模型以及放礦數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明實(shí)施例的基于礦巖破裂的松動體、放出體及崩落礦巖形狀的模擬方法，不僅實(shí)現(xiàn)了散體顆粒在形狀上與實(shí)際礦巖散體更為接近，而且滿足了礦巖能夠發(fā)生二次破裂的特性，提高了放礦數(shù)值模擬研究的準(zhǔn)確性。

優(yōu)選的，所述根據(jù)橢圓及其內(nèi)接多邊形的幾何關(guān)系，采用橢圓的內(nèi)接多邊形模擬實(shí)際不規(guī)則礦巖散體，包括：

將不規(guī)則顆粒模型實(shí)際面積sclu表示為：

將不規(guī)則顆粒模型的等效半徑rclu表示為：

其中，sp表示內(nèi)接多邊形的面積，ρ為不規(guī)則顆粒模型即內(nèi)接多邊形內(nèi)的空隙率，a和b分別表示橢圓的半長軸和半短軸，θk表示多邊形的第k個內(nèi)角，e表示橢圓的離心率，rcir表示橢圓外接圓的半徑。

具體的，o表示外接圓的圓心，θk表示多邊形的第k個內(nèi)角，(xk,yk)表示內(nèi)接多邊形的第k個頂點(diǎn)坐標(biāo)，α表示橢圓長軸與x坐標(biāo)軸的夾角，其變化范圍為0～2π，用于改變橢圓的布置方向。

圖中，(xo,yo)表示外接圓的圓心坐標(biāo)，a和b分別表示橢圓的半長軸和半短軸。

橢圓的面積se是：

se＝πab

半徑為rcir的外接圓的面積scir是：

橢圓的內(nèi)接多邊形的面積sp是：

優(yōu)選的，所述利用顆粒流數(shù)值軟件構(gòu)建不規(guī)則顆粒模型，包括：

根據(jù)rcir和rclu的關(guān)系，生成不同半徑的圓形顆粒；

根據(jù)內(nèi)接多邊形的頂點(diǎn)坐標(biāo)，編寫程序生成表示內(nèi)接多邊形的墻體，并刪除圓形顆粒；

根據(jù)既定空隙率ρ，在每個內(nèi)接多邊形內(nèi)生成一定數(shù)量的圓形小顆粒并使其相互粘結(jié)，將所有墻體刪除，圓形小顆粒間采用的粘結(jié)模型為平行粘結(jié)模型。

優(yōu)選的，所述根據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用散體材料的物理力學(xué)性質(zhì)，確定放礦數(shù)值模型及顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，包括：

在顆粒流數(shù)值軟件構(gòu)建單口放礦模型，根據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用散體材料的物理力學(xué)性質(zhì)，確定放礦數(shù)值模型及細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，所述細(xì)觀力學(xué)參數(shù)包括密度、摩擦系數(shù)、形狀、粒徑分布、剛度、平行粘結(jié)強(qiáng)度。

具體的，在pfc2d中構(gòu)建尺寸為40m×50m(寬×高)單口放礦模型。通過被固定住的直徑為0.7m的黑色顆粒構(gòu)成模型的側(cè)墻和底墻，用來模擬實(shí)際采場中較為粗糙的邊壁；通過底墻上的中央顆粒模擬實(shí)際的放礦口。

優(yōu)選的，所述根據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用散體材料的物理力學(xué)性質(zhì)，確定放礦數(shù)值模型及顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，包括：

依據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用的礫石材料的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)調(diào)試并確定數(shù)值模擬中散體顆粒的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)。

優(yōu)選的，所述依據(jù)已知放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用的礫石材料的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)調(diào)試并確定數(shù)值模擬中散體顆粒的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，包括：

利用下表設(shè)置顆粒密度及顆粒摩擦系數(shù)：

在不規(guī)則顆粒模型將模型中的最小圓形顆粒半徑設(shè)為60mm，不規(guī)則顆粒模型的長寬比范圍設(shè)為2.0～2.5，設(shè)置顆粒粒徑分布為(150～1350mm)，相似比為1:1，將顆粒的法向及切向剛度設(shè)為1.0e8n/m，通過雙軸壓縮試驗(yàn)測量顆粒的宏觀散體摩擦角，并與實(shí)際散體摩擦角對比，從而確定不規(guī)則顆粒模型中顆粒間的平行粘結(jié)強(qiáng)度。

具體的本模擬將依據(jù)學(xué)者castro所做放礦室內(nèi)試驗(yàn)中所用的礫石材料的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)調(diào)試并確定數(shù)值模擬中散體顆粒的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)。castro中所用的試驗(yàn)材料是來自澳大利亞布里斯班mountcoutha采石場的千枚巖礫石，其主要物理力學(xué)參數(shù)如上表所示。

(1)顆粒密度及摩擦系數(shù)的取值與表1中相應(yīng)參數(shù)一致。

(2)顆粒使用不規(guī)則顆粒模型以滿足散體形狀的不規(guī)則性。每個不規(guī)則顆粒模型中的最小圓形顆粒半徑設(shè)為60mm，cluster模型的長寬比范圍設(shè)為2.0～2.5。

(3)不規(guī)則顆粒模型中顆粒粒徑分布(150～1350mm)基本與castro模型中顆粒粒徑分布(70.8～1350mm)保持一致，只是出于計算效率的考慮，最小顆粒粒徑設(shè)為150mm。需要說明的是，不規(guī)則顆粒模型相似比為1:1，castro模型相似比為1:30，因此不規(guī)則顆粒模型中的顆粒粒徑為擴(kuò)大30倍后的結(jié)果。

(4)根據(jù)之前學(xué)者的研究，顆粒剛度僅對模擬速度有影響，而對模擬結(jié)果無影響。因此，參考之前學(xué)者的取值，將顆粒的法向及切向剛度設(shè)為1.0e8n/m。

(5)通過雙軸壓縮試驗(yàn)測量顆粒的宏觀散體摩擦角，并與實(shí)際散體摩擦角對比，從而確定不規(guī)則顆粒模型中顆粒間的平行粘結(jié)強(qiáng)度。散體摩擦角φ反映材料抵抗變形的能力。隨著應(yīng)變逐漸增大，散體試樣也將逐漸達(dá)到峰值強(qiáng)度σ1并逐漸降低。可以根據(jù)摩爾-庫倫理論，通過峰值強(qiáng)度σ1與圍壓σ3的關(guān)系計算散體摩擦角φ。

散體試樣的初始寬高比為1:2。圍壓σ3設(shè)為5.0e5mpa，應(yīng)變率保持0.005/s直至最終應(yīng)變達(dá)到0.2。平行粘結(jié)強(qiáng)度取值范圍為1.0mpa～1.0e4mpa，其余細(xì)觀參數(shù)均保持不變。

一般而言，崩落礦巖在峰值強(qiáng)度時的散體摩擦角范圍是35～45°。當(dāng)不規(guī)則顆粒模型中顆粒間的平行粘結(jié)強(qiáng)度大于3mpa時，其散體摩擦角與實(shí)際礦巖摩擦角相符。因此，在本次放礦試驗(yàn)研究中，將選取如下三個取值：3.0mpa、5.0mpa和1.0e4mpa。需要說明的是，當(dāng)平行粘結(jié)強(qiáng)度為3.0mpa和5.0mpa時，cluster顆粒模型可以發(fā)生破裂；而當(dāng)平行粘結(jié)強(qiáng)度取值足夠大，如1.0e4mpa，顆粒模型則不會發(fā)生破裂，從而用于與castro的放礦室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證不規(guī)則顆粒模型以及放礦模型的可靠性。

優(yōu)選的，所述通過改變顆粒間的平行粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)行放礦數(shù)值試驗(yàn)確定平行粘結(jié)強(qiáng)度和礦巖二次破裂的關(guān)系，包括：

生成符合粒徑分布的圓形顆粒，將其替換為花生模型或不規(guī)則顆粒模型，并賦予指定的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)；

當(dāng)模型中顆粒在重力作用下達(dá)到自然平衡狀態(tài)后，刪除放礦口的顆粒，使模型中顆粒能夠不斷從放礦口放出；

在整個模擬過程中，記錄每個放出顆粒的初始位置、id編號、半徑等信息，以用于圈定放出體；

改變顆粒間的平行粘結(jié)強(qiáng)度，重復(fù)上述步驟，確定平行粘結(jié)強(qiáng)度和礦巖二次破裂的關(guān)系。

優(yōu)選的，所述生成符合粒徑分布的圓形顆粒，將其替換為花生模型或不規(guī)則顆粒模型，并賦予指定的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，包括：

當(dāng)圓形顆粒半徑大于等于150mm時，其將被替換為不規(guī)則顆粒模型；而當(dāng)圓形顆粒半徑小于150mm時，其將被等效替換為花生模型。

優(yōu)選的，所述當(dāng)模型中顆粒在重力作用下達(dá)到自然平衡狀態(tài)后，刪除放礦口的顆粒，使模型中顆粒能夠不斷從放礦口放出，包括：

將垂直位移大于1m的顆粒所圈定的范圍定義為松動體。

優(yōu)選的，所述在整個模擬過程中，記錄每個放出顆粒的初始位置、id編號、半徑等信息，以用于圈定放出體，包括：

將通過顆粒流數(shù)值軟件中的fish程序記錄發(fā)生的每個粘結(jié)破裂事件，并通過離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模塊生成小裂隙的方式存儲粘結(jié)破裂事件發(fā)生的位置、大小和方向。

本發(fā)明實(shí)施例的基于礦巖破裂的松動體、放出體及崩落礦巖形狀的模擬方法，當(dāng)平行粘結(jié)強(qiáng)度取值為1.0e4mpa，即顆粒不發(fā)生破裂時，其松動體和放出體的高度與寬度曲線與castro物理試驗(yàn)結(jié)果十分符合，均滿足冪函數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)均接近于1，較好地驗(yàn)證了不規(guī)則顆粒模型以及pfc放礦模擬方法的準(zhǔn)確性。

模擬結(jié)果中，所有松動體和放出體形狀均近似一個倒置的水滴，具有上下不對稱性，符合放礦水滴理論(upside-downdropshapetheory)。此外，松動體和放出體的寬度會隨著粘結(jié)強(qiáng)度的減小而增大。因此，對于礦巖強(qiáng)度較小的崩落法礦山，可以適當(dāng)增大放礦口間距。

礦巖強(qiáng)度越小，二次破裂后的平均粒徑越小。礦巖破裂主要發(fā)生在剪切區(qū)域，即松動體區(qū)域和未松動區(qū)域之間的過渡區(qū)域。該結(jié)果也驗(yàn)證了之前學(xué)者的結(jié)論：崩落礦巖的流動主要受松動體頂部應(yīng)力拱塌落以及松動體四周礦巖間的相互擠壓、剪切的控制。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。