孙浩等：基于刚性块体模型的近-远场崩落矿岩流动特性 207· 场中松动体、放出体形态演化规律尚未形成统一 (2)近场放矿试验材料 认识，崩落矿岩运移机理研究尚不深入，这也导致 因本次研究问题为矿岩散体流动特性，故物 放矿理论与方法的发展相对缓慢，一定程度上限 理试验中散体材料及标志颗粒均选用密度相对较 制了崩落采矿法尤其是自然崩落法在我国地下金 小且易得的建筑用石灰石颗粒（图2(a) 属矿山中的应用.因此，本文综合利用放矿物理试 验、数值模拟以及理论分析等手段，探究基于刚性 (a) 块体模型的金属矿山近-远场矿岩颗粒流动特性， Triangular pyramid type 为崩落法矿山结构参数优化以及矿产资源的安全 高效开采提供理论与技术支持 Symmetrical type 1近场放矿试验 1.1近场放矿模型构建 本文首先通过对比近场条件下放矿物理试验 Slender type 与数值试验结果，检验近场放矿模拟的可靠性，分 析近场条件下的矿岩颗粒流动特性，为远场放矿 (b) 研究奠定基础. (1)近场放矿模型设计 本次近场室内试验采用如图1(a)所示自主研 制的能够满足不同相似比的大型三维放矿物理试 验平台，材质为PVC和有机玻璃.模型最大高度 为2.5m,模型内可装填尺寸为长×宽×高=0.8m×0.8m× 2.0m.本次试验设计为相似比1：25的单口底部 放矿试验（模拟实际50m的放矿高度），放矿口位 (c) 于模型底部中心位置，其尺寸为0.12m×0.12m. (a) (b) 图2物理与数值试验中的三维颗粒形状.(a)物理试验中存在的颗 2.5m 粒形状：(b)过往数值模拟中选用的颗粒形状：(c)本次数值模拟中选 用的颗粒形状 Fig.2 3D particle shapes used in physical and numerical draw tests:(a) particle shapes in the physical test,(b)particle shapes used in previous numerical simulations;(c)particle shapes used in these numerical simulations 在过往基于PFC、EDEM等颗粒离散元软件 因1三维放矿物理与数值模型.(a)放矿物理试验平台：(b)放矿数 研究放矿问题时，通常采用球形颗粒或由若干球 值模型 形颗粒组成的颗粒簇(Clump)(图2(b)模拟真实 Fig.1 3D physical and numerical draw models:(a)physical draw test 矿岩，但球形颗粒因其表面过于光滑而无法提供 platform;(b)numerical draw model 颗粒间足够的内锁力，从而无法定量、准确表征放 本次近场放矿数值模型为原位模型（图1(b), 出体与松动体形态及其变化规律.若不能有效提 与物理试验模型呈儿何相似，即数值模型尺寸较 高放矿模拟结果的可靠性，后续将难以进一步定 物理模型尺寸扩大了25倍.模型底部中心位置的 量分析崩落矿岩运移演化规律及其力学机理.因 红色墙体为出矿结构，放矿模拟开始前将其删除 此，本次数值试验采用P℉C软件中的刚性块体模 即可形成放矿口. 型(Rigid block model)构建如图2(c)所示的三种场中松动体、放出体形态演化规律尚未形成统一 认识，崩落矿岩运移机理研究尚不深入，这也导致 放矿理论与方法的发展相对缓慢，一定程度上限 制了崩落采矿法尤其是自然崩落法在我国地下金 属矿山中的应用. 因此，本文综合利用放矿物理试 验、数值模拟以及理论分析等手段，探究基于刚性 块体模型的金属矿山近−远场矿岩颗粒流动特性， 为崩落法矿山结构参数优化以及矿产资源的安全 高效开采提供理论与技术支持. 1    近场放矿试验 1.1    近场放矿模型构建 本文首先通过对比近场条件下放矿物理试验 与数值试验结果，检验近场放矿模拟的可靠性，分 析近场条件下的矿岩颗粒流动特性，为远场放矿 研究奠定基础. （1）近场放矿模型设计. 本次近场室内试验采用如图 1（a）所示自主研 制的能够满足不同相似比的大型三维放矿物理试 验平台，材质为 PVC 和有机玻璃. 模型最大高度 为2.5 m，模型内可装填尺寸为长×宽×高=0.8 m×0.8 m× 2.0 m. 本次试验设计为相似比 1∶25 的单口底部 放矿试验（模拟实际 50 m 的放矿高度），放矿口位 于模型底部中心位置，其尺寸为 0.12 m×0.12 m. (a) (b) 2.5 m 图 1    三维放矿物理与数值模型. （a）放矿物理试验平台；（b）放矿数 值模型 Fig.1    3D physical and numerical draw models: (a) physical draw test platform; (b) numerical draw model 本次近场放矿数值模型为原位模型（图 1（b））， 与物理试验模型呈几何相似，即数值模型尺寸较 物理模型尺寸扩大了 25 倍. 模型底部中心位置的 红色墙体为出矿结构，放矿模拟开始前将其删除 即可形成放矿口. （2）近场放矿试验材料. 因本次研究问题为矿岩散体流动特性，故物 理试验中散体材料及标志颗粒均选用密度相对较 小且易得的建筑用石灰石颗粒（图 2（a））. (b) (c) Symmetrical type Slender type Triangular pyramid type (a) 图 2    物理与数值试验中的三维颗粒形状. （a）物理试验中存在的颗 粒形状；（b）过往数值模拟中选用的颗粒形状；（c）本次数值模拟中选 用的颗粒形状 Fig.2    3D particle shapes used in physical and numerical draw tests: (a) particle shapes in the physical test; (b) particle shapes used in previous numerical  simulations;  (c)  particle  shapes  used  in  these  numerical simulations 在过往基于 PFC、EDEM 等颗粒离散元软件 研究放矿问题时，通常采用球形颗粒或由若干球 形颗粒组成的颗粒簇 (Clump)（图 2（b））模拟真实 矿岩，但球形颗粒因其表面过于光滑而无法提供 颗粒间足够的内锁力，从而无法定量、准确表征放 出体与松动体形态及其变化规律. 若不能有效提 高放矿模拟结果的可靠性，后续将难以进一步定 量分析崩落矿岩运移演化规律及其力学机理. 因 此，本次数值试验采用 PFC 软件中的刚性块体模 型 (Rigid block model)[32] 构建如图 2（c）所示的三种 孙    浩等： 基于刚性块体模型的近−远场崩落矿岩流动特性 · 207 ·