基于三维重构与离散元模拟的矸石充填压实工艺参数优化研究

针对固体充填开采工艺参数设计缺乏理论指导的问题，研究人员通过图像建模三维重构方法结合EDEM离散元模拟，建立了矸石充填性能评价体系。研究发现压实次数、目标角度与速度对孔隙率、配位数等指标存在差异化影响，构建的多元非线性回归模型（R2>0.9993）为工艺优化提供量化依据，最佳参数组合为7次压实、32°角、0.08m/s速度。该研究突破传统经验设计局限，为绿色矿山建设提供关键技术支撑。

　　

煤炭开采每年产生数十亿吨煤矸石，长期露天堆存不仅占用土地，还会释放SO₂等有害气体，造成土壤重金属污染和地下水酸化。尽管中国煤矸石综合利用率达60-70%，但高值化利用不足5%。传统条带开采回收率低于50%，而注浆充填成本高昂。充填开采技术能同步解决地表沉降控制与固废处置难题，但现有工艺参数设计主要依赖工程经验，缺乏量化理论指导。

中国矿业大学的研究人员创新性地将三维图像建模与多物理场耦合模拟相结合，通过SOLIDWORKS、RecurDyn和EDEM构建了矸石充填离散元模型。研究首次系统揭示了压实次数、目标角度和速度三大工艺参数对充填效果的耦合影响规律，相关成果发表在《Powder Technology》。关键技术包括：基于旋转摄影的矸石颗粒三维重构、EDEM离散元参数校准（密度2.5g/cm³、泊松比0.25）、RecurDyn-EDEM联合仿真平台搭建，以及基于熵权法的多指标评价体系构建。

研究结果

1. 矸石颗粒形态分类：通过120个样本的形态学分析，将矸石分为长条形（长宽比>1.5）、等轴状（球形度>0.7）、片状（扁平度<0.3）和棱角状（角度指数>15°）四类，为离散元建模提供形态基准。

2. 参数影响规律：

   • 压实次数与顶板接触率呈正相关（7次时达92%），但会延长作业时间（每次增加1.2min）
   • 目标角度32°时接触力分布最优，但角度变化对作业时间无显著影响
   • 速度超过0.1m/s会导致配位数下降12%，显示"速度-质量"权衡效应

3. 评价模型：建立的多元非线性回归模型精度达R²>0.9993，指标权重分析显示接触力（权重0.38）>配位数（0.25）>孔隙率（0.18）>堆积高度比（0.12）>作业时间（0.07）。

结论与意义
该研究首次实现充填工艺参数从经验设计到量化优化的跨越：

1. 提出的三维重构方法突破传统钢筒压缩试验局限，可精确模拟不同形态颗粒的相互作用；
2. 揭示的"压实次数-速度"耦合效应（7次/0.08m/s组合效率提升40%）为现场操作提供明确指导；
3. 构建的评价体系将 strata control（顶板控制）效果量化，使充填质量预测误差<5%。

这项研究不仅为"三下"压煤高效开采提供新方案，其建立的"形态建模-参数优化-效果预测"技术路线，对冶金渣、建筑垃圾等固废回填领域具有重要借鉴价值。后续研究可结合数字孪生技术，实现充填过程的实时动态调控。