基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法与流程

1.本发明涉及崩落矿岩细小颗粒穿流研究技术领域，特别涉及一种基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法。


背景技术：

2.崩落采矿法是以崩落围岩的方式实现地压管理的采矿方法，该采矿方法生产工艺简单，生产能力大，成本低且管理方便，在国内外的金属矿山中应用十分广泛。在崩落法放矿中，崩落的矿石在松散覆盖岩层散体的覆盖下靠重力放出，由于岩石与矿石直接接触，故损失贫化率很高。上覆废石细小颗粒的穿流作用是造成贫化损失高的重要原因。
3.在放矿过程中，矿岩颗粒会受到剪切和重力的作用，使得上部覆岩中废石细颗粒极易混入矿石中，不仅对崩落矿岩的流动特性产生显著影响，而且还会造成矿石的损失贫化，使矿山经济效益降低。细小颗粒穿流规律是矿岩颗粒流动特性研究的重要内容，研究放矿过程中废石细小颗粒的穿流规律对于预测矿石的损失贫化、确定合理的采场结构参数和优化放矿管理制度具有重要的指导作用。然而，受限于现有的现有测试分析手段，现有的矿岩细小颗粒穿流研究多采用数值模拟，室内试验手段较少且试验过程不可视，以定性分析为主，定量分析偏少，对矿岩细小颗粒的穿流特性认识不足。
4.此外，结构是矿岩颗粒体系物理力学性质的基础，也是影响细小颗粒穿流的重要因素。对矿岩颗粒体系结构的定量表征是认识和理解细小颗粒穿流现象的基础，然而，目前对于矿岩颗粒体系的结构研究较少，矿岩颗粒体系的结构特征对细小颗粒穿流特性的关联机制尚不明确。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，以解决现有的对崩落矿岩细小颗粒穿流过程不可视且缺少定量分析的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
7.一种基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，包括：
8.制备二维循环剪切试验装置；
9.通过所述二维循环剪切试验装置，对矿岩颗粒开展颗粒的循环剪切试验；
10.使用图像采集设备，对每次循环剪切运动结束后，所述二维循环剪切试验装置内所装填的矿岩颗粒的堆积状态图像进行采集和记录；
11.对所采集的图像进行处理，提取出图像中所有颗粒的位置和轮廓信息；
12.基于提取的所有颗粒的位置和轮廓信息，计算细小颗粒穿流特性参量，对细小颗粒穿流特性进行定量化分析，得到循环剪切过程细小颗粒的穿流规律；
13.基于提取的所有颗粒的位置和轮廓信息，计算颗粒体系结构表征量，对颗粒体系结构进行定量化表征，得到循环剪切过程颗粒体系结构的演化规律；
14.利用预设的相关性分析算法，定量表征所述颗粒体系结构表征量与所述细小颗粒
穿流特性参量之间的关联性，以揭示矿岩颗粒体系的结构特征与细小颗粒的穿流特性之间的关联机制。
15.进一步地，所述二维循环剪切试验装置包括：剪切机构、驱动机构以及控制机构；其中，
16.所述剪切机构包括上平行板、下平行板、第一剪切侧板、第二剪切侧板、前钢化玻璃板、后钢化玻璃板及加压盖板；其中，所述上平行板与所述下平行板平行分布，所述上平行板上沿水平方向开设有多个第一通孔，所述下平行板上沿水平方向开设有多个第二通孔；所述第一剪切侧板一端通过所述第一通孔与所述上平行板铰接，另一端通过所述第二通孔与所述下平行板铰接，所述第二剪切侧板一端通过所述第一通孔与所述上平行板铰接，另一端通过所述第二通孔与所述下平行板铰接，且所述第一剪切侧板与所述第二剪切侧板平行分布；
17.所述前钢化玻璃板和所述后钢化玻璃板分别设置在所述剪切机构的前后侧；所述加压盖板放置于所述第一剪切侧板与第二剪切侧板之间；所述第一剪切侧板、第二剪切侧板、前钢化玻璃板、后钢化玻璃板、下平行板以及加压盖板组成用于容纳矿岩颗粒的封闭空间，所述第一剪切侧板与所述第二剪切侧板的内侧均为波浪线；所述加压盖板用于向所述封闭空间内部装填的颗粒施加恒定的垂直压力；
18.所述驱动机构包括驱动杆、滚珠丝杠直线滑台、伺服电机以及交流电源；其中，所述驱动杆一端通过所述第一通孔与所述上平行板铰接，另一端通过所述第二通孔与所述下平行板铰接；所述控制机构和所述伺服电机均与所述交流电源电连接，所述伺服电机通过所述滚珠丝杠直线滑台与所述驱动杆传动连接，在所述控制机构的控制下，所述伺服电机驱动所述滚珠丝杠直线滑台作直线运动，以带动所述驱动杆运动，使得所述剪切机构做循环剪切运动。
19.进一步地，所述驱动杆的中部开设有一矩形滑槽；
20.所述滚珠丝杠直线滑台包括丝杠和穿设在所述丝杠上的滑台，所述滑台的侧面设置有滑动杆，所述滑动杆穿设在所述矩形滑槽中；所述伺服电机与所述丝杠传动连接，在所述伺服电机的驱动下，所述滑台沿所述丝杠作直线运行。
21.进一步地，所述控制机构为可编程控制器。
22.进一步地，通过所述二维循环剪切试验装置，对矿岩颗粒开展颗粒的循环剪切试验，包括：
23.将待研究的矿岩颗粒材料填装到所述二维循环剪切试验装置内，通过所述控制机构调整剪切参数，使所述驱动机构带动所述剪切机构对矿岩颗粒材料进行往复循环剪切运动；其中，所述剪切参数包括剪切角度和剪切应变率。
24.进一步地，所述将待研究的矿岩颗粒材料填装到所述二维循环剪切试验装置内，包括：
25.先在所述二维循环剪切试验装置内部下方填装一定高度的预设类型的第一矿岩颗粒，然后再在所述第一矿岩颗粒的最上层添加一层预设类型的第二矿岩颗粒；其中，所述第一矿岩颗粒的粒度大于所述第二矿岩颗粒的粒度。
26.进一步地，所述细小颗粒穿流特性参量包括：细小颗粒的穿流率和穿流速率；所述对细小颗粒穿流特性进行定量化分析，包括：
27.对循环剪切过程颗粒体系中细小颗粒的穿流率和穿流速率的最小值、最大值、平均值和分布频率进行统计分析。
28.进一步地，所述颗粒体系结构表征量包括：颗粒体系的空隙率、配位数、局部堆积密度、各向异性系数和键取向序参数；
29.所述对颗粒体系结构进行定量化表征，包括：
30.对每次循环剪切结束后颗粒体系的空隙率、配位数、局部堆积密度、各向异性系数、键取向序参数最小值、最大值、平均值和分布频率进行统计分析。
31.进一步地，所述空隙率α，根据公式(1)计算得到：
[0032][0033]
其中，sa为颗粒体系的总空隙面积，s
l
为包含空隙在内颗粒体系的总面积；
[0034]
所述配位数的计算方式为：统计与中心颗粒直接接触的颗粒数量；
[0035]
所述局部堆积密度φ的计算方式为：根据颗粒体系的位置和轮廓信息，利用不规则voronoi剖分算法算出每一个颗粒的voronoi元胞，提取出颗粒的面积和所属voronoi元胞面积，再计算局部堆积密度φ，计算公式如式(2)所示：
[0036][0037]
其中，s
p
为单个颗粒的面积，s
voro
为颗粒所属的voronoi元胞的面积；
[0038]
所述各向异性系数的计算方式，包括：
[0039]
计算出每个voronoi元胞的minkowski张量w
102
，计算公式如式(3)所示：
[0040][0041]
其中，s表示对voronoi元胞的表面积积分，表示向量的直积，r表示某点到粒子质心的矢量，n(r)表示r处的表面法向量；a表示voronoi元胞的表面积。
[0042]
定义各向异性系数β为：
[0043][0044]
其中，η1、η2为minkowski张量的特征值；
[0045]
所述键取向序参数的计算公式如下：
[0046][0047][0048][0049]
其中，q
lm
(i)表示颗粒i的局部张量键取向序参数；ni表示颗粒i的邻接颗粒数目；j
表示颗粒i的某个邻接颗粒j；表示球面谐波函数；θ
ij
，分别表示空间向量ij在球坐标系中的极角和方位角；q
l
(i)表示q
lm
(i)的二阶旋转不变量，-l≤m≤l；w
l
(i)表示q
lm
(i)的三阶旋转不变量；公式(7)括号中的l，m1，m2，m3为wigner 3-j符号，-l≤m1，m2，m3≤l，l＝2，4，6，8，10。
[0050]
进一步地，所述预设的相关性分析算法为person相关系数法。
[0051]
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0052]
本发明提供的穿流特性研究方法，操作简单且实验过程可视，能够对矿岩细小颗粒穿流特性进行定量化表征，并能够从结构层面探究小颗粒穿流的机理，进而能够通过相关性分析探究矿岩颗粒体系的结构特征与细小颗粒穿流特性之间的关联机制。从而克服了现有研究手段的不足，为细小矿岩颗粒穿流特性研究提供了一种新的方法，对放矿过程中细小颗粒的穿流现象研究具有重要意义。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0054]
图1是本发明实施例提供的基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法的执行流程示意图；
[0055]
图2是本发明实施例提供的二维循环剪切试验装置的结构示意图；
[0056]
图3是本发明实施例提供的驱动杆的结构示意图；
[0057]
图4是本发明实施例提供的驱动机构的俯视图。
[0058]
附图标记说明：
[0059]
1、加压盖板；2、上平行板；3、钢化玻璃板；4、半牙半螺纹螺丝；5、驱动杆；6、滚珠丝杠直线滑台；7、控制机构；8、伺服电机；9、电线；10、交流电源；11、下平行板；12、矿岩粗颗粒；13、剪切侧板；14、矿岩细颗粒；15、矩形滑槽；16、滑动杆。
具体实施方式
[0060]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0061]
本实施例提供了一种基于矿岩颗粒体系结构特征的细小颗粒穿流特性研究方法，该细小颗粒穿流特性研究方法的执行流程如图1所示，包括以下步骤：
[0062]
s1，制备二维循环剪切试验装置；
[0063]
具体地，在本实施例中，所制备的二维循环剪切试验装置如图2所示，其由三部分构成，分别为：剪切机构、驱动机构以及控制机构7；其中，
[0064]
剪切机构包括上平行板2、下平行板11、两个剪切侧板13、钢化玻璃板3及加压盖板1；其中，剪切侧板13、上平行板2、下平行板11和加压盖板1均为铝合金材料；上平行板2与下平行板11平行分布，上平行板2上沿水平方向开设有多个第一通孔，下平行板11上沿水平方向开设有多个第二通孔；剪切侧板13一端利用半牙半螺纹螺丝4通过第一通孔与上平行板2
铰接，另一端利用半牙半螺纹螺丝4通过第二通孔与下平行板11铰接，且两个剪切侧板13平行分布，剪切侧板13内侧为波浪线；剪切侧板13可绕上平行板2及下平行板11转动，使下平行板11固定不动，从而形成平行四边形的平面连杆机构。
[0065]
剪切机构前后部分为钢化玻璃板3，将剪切机构内部厚度限制在0.7cm；加压盖板1放置于两个剪切侧板13之间；两个剪切侧板13、前后的钢化玻璃板3、下平行板11以及加压盖板1组成用于容纳矿岩颗粒的封闭空间，加压盖板1用于向封闭空间内部装填的颗粒施加恒定的垂直压力；通过调整剪切侧板13、上平行板2、下平行板11、钢化玻璃板3及加压盖板1的尺寸和相对位置，可使剪切机构内部尺寸达到30cm
×
25cm
×
0.7cm。
[0066]
驱动机构包括驱动杆5、滚珠丝杠直线滑台6、伺服电机8及交流电源10；其中，伺服电机8最大功率为1.5kw，最高转速为3000转，通过电线9连接交流电源10和控制机构7，同时控制机构7也通过电线9连接交流电源10，交流电源10的电压为38v。驱动杆5一端利用半牙半螺纹螺丝4通过第一通孔与上平行板2铰接，另一端利用半牙半螺纹螺丝4通过第二通孔与下平行板11铰接，且其与剪切侧板13平行；伺服电机8通过滚珠丝杠直线滑台6与驱动杆5连接；在控制机构7的控制下，伺服电机8驱动滚珠丝杠直线滑台6作直线运动，通过滚珠丝杠直线滑台6带动驱动杆5运动，使剪切机构做循环剪切运动。
[0067]
进一步地，如图3和图4所示，驱动杆5的中部开设有一矩形滑槽15；滚珠丝杠直线滑台6包括丝杠和穿设在丝杠上的滑台，滑台的侧面设置有滑动杆16，滑动杆16穿设在矩形滑槽15中，滑动杆16可在矩形滑槽15内滑动；伺服电机8与丝杠传动连接；运动时，伺服电机8转动使丝杆转动，使得滑台沿丝杠作直线运行，进而带动驱动杆5运动，使得剪切机构做循环剪切运动。
[0068]
控制机构7为可编程控制器，通过自主编程控制伺服电机8的转动，实现对剪切机构的控制。
[0069]
s2，通过二维循环剪切试验装置，对矿岩颗粒开展颗粒的循环剪切试验；
[0070]
具体地，在本实施例中，上述s2的实现过程为：将待研究的矿岩颗粒材料填装到二维循环剪切试验装置内，通过控制机构7调整剪切参数(剪切角度和剪切应变率)，使驱动机构带动剪切机构对矿岩颗粒进行往复循环剪切运动。
[0071]
其中，本实施例将循环剪切试验装置中的剪切侧板13内侧之间的距离调整为30cm，并固定在上、下平行板上，使得剪切侧板13初始为竖直状态。
[0072]
将矿岩颗粒材料填装到二维循环剪切试验装置内的方式如下：
[0073]
先在二维循环剪切试验装置内部下方填装一定高度的矿岩粗颗粒12，再在所装填的矿岩粗颗粒12的最上层添加一层矿岩细颗粒14，最后加上加压盖板1。
[0074]
具体地，本实施例采用3d打印设备制作的pla柱状颗粒代替矿岩颗粒，pla颗粒轮廓均取自真实矿岩颗粒二维轮廓，外接圆直径范围为3～30mm，高均为6mm。向剪切装置内部随机充填外接圆直径范围为5～30mm的pla柱状颗粒，使填装颗粒高度达到25cm，再向最上层添加一层外接圆直径为3mm的pla柱状颗粒，如图2所示。最后加上加压盖板1，调整其重量为2.14kg。利用可编程控制器进行剪切参数的控制，使剪切机构进行左右循环剪切运动，调整剪切直线距离使得剪切角度达到26.5
°
，设置剪切应变率为0.04s-1
，每完成一次循环剪切试验进行短暂停顿，以便记录图像信息，共进行32次循环剪切运动。
[0075]
s3，使用图像采集设备，对每次循环剪切运动结束后，二维循环剪切试验装置内所
装填的矿岩颗粒的堆积状态图像进行采集和记录；
[0076]
具体地，在进行剪切试验时，本实施例采用高分辨率相机作为图像采集设备，记录每次循环剪切结束后，剪切机构内颗粒体系的堆积状态。
[0077]
s4，对所采集的图像进行处理，提取出图像中所有颗粒的位置和轮廓信息；
[0078]
具体地，在本实施例中，对所采集的图像进行处理的过程如下：
[0079]
利用matlab软件对所采集的图像进行预处理、二值化处理并进行颗粒边缘检测，以提取出每次循环剪切运动后所采集图像上所有颗粒的位置和轮廓信息。
[0080]
s5，基于提取的所有颗粒的位置和轮廓信息，计算细小颗粒穿流特性参量，对细小颗粒穿流特性进行定量化分析，得到循环剪切过程细小颗粒的穿流规律；
[0081]
具体地，在本实施例中，所计算的细小颗粒穿流特性参量包括：细小颗粒的穿流率和穿流速率；对细小颗粒穿流特性进行定量化分析的过程如下：
[0082]
对循环剪切过程颗粒体系中细小颗粒的穿流率和穿流速率的最小值、最大值、平均值和分布频率进行统计分析，得到循环剪切过程细小颗粒穿流特性。
[0083]
s6，基于提取的所有颗粒的位置和轮廓信息，计算颗粒体系结构表征量，对颗粒体系结构进行定量化表征，得到循环剪切过程颗粒体系结构的演化规律；
[0084]
具体地，在本实施例中，所计算的颗粒体系结构表征量包括：颗粒体系的空隙率、配位数、局部堆积密度、各向异性系数和键取向序参数；
[0085]
对颗粒体系结构进行定量化表征的过程如下：
[0086]
对每次循环剪切结束后颗粒体系的空隙率、配位数、局部堆积密度、各向异性系数和键取向序参数(键取向序参数最小值、最大值、平均值和分布频率)进行统计分析，得到循环剪切过程颗粒体系结构的演化规律。
[0087]
具体地，颗粒体系的空隙率α，根据公式(1)计算得到：
[0088][0089]
其中，sa为颗粒体系的总空隙面积，s
l
为包含空隙在内颗粒体系的总面积；
[0090]
配位数的计算方式为：统计与中心颗粒直接接触的颗粒数量，中心颗粒为遍历颗粒体系的所有颗粒。
[0091]
局部堆积密度φ的计算方式为：根据颗粒体系的位置和轮廓信息，利用不规则voronoi剖分算法算出每一个颗粒的voronoi元胞，提取出颗粒的面积和所属voronoi元胞面积，再计算局部堆积密度φ，计算公式如式(2)所示：
[0092][0093]
其中，s
p
为单个颗粒的面积，s
voro
为颗粒所属的voronoi元胞的面积；
[0094]
各向异性系数的计算方式，包括：
[0095]
计算出每个voronoi元胞的minkowski张量w
102
，计算公式如式(3)所示：
[0096][0097]
其中，s表示对voronoi元胞的表面积积分，表示向量的直积，r表示某点到粒子
质心的矢量，n(r)表示r处的表面法向量；a表示voronoi元胞的表面积。
[0098]
minkowski张量均有三个特征值(η1》η2》η3)和三个特征向量组成的矩阵，并定义β为：
[0099][0100]
以β的大小来定量表征各项异性程度。
[0101]
键取向序参数的计算公式如下：
[0102][0103][0104][0105]
其中，q
lm
(i)表示颗粒i的局部张量键取向序参数；ni表示颗粒i的邻接颗粒数目；j表示颗粒i的某个邻接颗粒j；表示球面谐波函数；θ
ij
，分别表示空间向量ij在球坐标系中的极角和方位角；q
l
(i)表示q
lm
(i)的二阶旋转不变量，-l≤m≤l；w
l
(i)表示q
lm
(i)的三阶旋转不变量；公式(7)括号中的l，m1，m2，m3为wigner 3-j符号，-l≤m1，m2，m3≤l；l＝2，4，6，8，10。
[0106]
s7，利用预设的相关性分析算法，定量表征所述颗粒体系结构表征量与所述细小颗粒穿流特性参量之间的关联性，以揭示矿岩颗粒体系的结构特征与细小颗粒的穿流特性之间的关联机制。
[0107]
具体地，在本实施例中，上述s7为运用person相关系数法计算颗粒体系的结构量与细小颗粒的穿流特性参量之间的相关系数，基于此定量表征两者之间的关联性，揭示矿岩颗粒体系结构特征与细小颗粒穿流特性之间的关联机制。根据相关系数得到颗粒体系各个结构表征量对细小颗粒特性参量的影响程度。
[0108]
综上，本实施例提供的研究方法，操作简单且实验过程可视，能够对矿岩细小颗粒穿流特性进行定量化表征，并能够从结构层面探究小颗粒穿流的机理，进而能够通过相关性分析探究矿岩颗粒体系的结构特征与细小颗粒穿流特性之间的关联机制。从而克服了现有研究手段的不足，为细小矿岩颗粒穿流特性研究提供了一种新的方法，对放矿过程中细小颗粒的穿流现象研究具有重要意义。
[0109]
此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
[0110]
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。