考虑三维(3D)形貌与岩性特征的集料数字化破碎模拟方法

《Applied Sciences》：A Digital Crushing Simulation Method for Aggregates That Considers Three-Dimensional Morphology and Lithological Characteristics

　　

常规岩石爆破产生的大块岩体不能完全满足工程建设要求，因此需借助机械破碎技术将其破碎至特定粒径的碎石，提高开挖料的综合利用率并拓展新应用途径具有重要意义。研究人员首先对两种不同强度的石灰岩进行了初始破碎试验，基于实测参数开展模拟试验以分析不同强度颗粒的破碎精度；立方体试件验证所建立的破碎模型能准确反映不同强度颗粒的实际破碎行为。采用Structure Sensor三维(3D)扫描仪扫描代表性岩石颗粒形状，经软件处理获得岩石材料真实三维(3D)表观形貌，结合物理破碎试验与模拟试验证实所开发破碎模型在考虑真实形貌时能准确反映岩石颗粒实际破碎行为。研究结果表明，该数字化破碎模型可准确描述具有不同岩性特征和真实形貌岩石材料的破碎过程及粒径分布。

论文解读：《考虑三维(3D)形貌与岩性特征的集料数字化破碎模拟方法》

基础设施建设工程对砂石集料需求日益增长，如何高效二次机械破碎大块爆破岩块为规范集料并优化破碎参数，是提升工程集料整体利用率的关键瓶颈。爆破产生的岩块具高度不规则三维(3D)形状，其三维(3D)形貌与岩性（lithological characteristics，指岩石的矿物组成、结构构造等固有物理属性）共同决定破碎后粒度分布。传统依赖大规模物理试验确定碎石级配的方法效率低且缺乏预测能力，而现有离散元方法(Discrete Element Method, DEM)破碎数值模拟多依赖规则几何形状和简化模型，无法准确再现岩体在机械压缩下的破裂过程，亦未考虑特定岩种破碎参数。因此，研究人员提出一种同时考虑岩石三维(3D)形貌与岩性特征的数字化破碎模拟方法，通过落重试验标定破碎模型参数，结合三维(3D)扫描与逆向建模将真实岩块形貌导入DEM数值模拟，经物理试验验证该方法可精确模拟不同岩性、复杂表观形貌岩块的动态破碎过程。该论文发表于《Applied Sciences》。

主要关键技术方法：

研究人员以重庆白马水电站枢纽工地的两种石灰岩为对象，采用JK落重试验测定材料冲击破碎参数A和b，通过堆积密度试验、斜面滑移及休止角试验获取散体物理与接触参数，并以休止角模拟迭代优化动摩擦系数；使用Structure Sensor 3D扫描仪获取典型不规则石块真实三维(3D)表观形貌，经Geomagic Design X软件进行坐标系对齐与多边形面片简化（由47662面减至2436面）处理后导入DEM；在EDEM等离散元软件中建立PE-150×250颚式破碎机几何模型（动颚频率5 Hz，排料口5–20 mm，振幅7.5 mm），采用基于键合颗粒模型(Bonded Particle Model, BPM)结合颗粒替换法(Particle Replacement Method, PRM)的可破碎团聚体模型，将落重试验所得A、b参数输入Ab?t₁₀破碎模型，分别对100 mm立方规则石灰岩试件及扫描重建的真实形态不规则岩块进行颚式破碎机破碎数值模拟，最终将模拟产物粒度分布与实验室物理破碎试验结果对比验证。

3. Results and Analysis（结果与分析）

3.1. Drop Weight Test（落重试验）

对不同粒径石灰岩在各比破碎能（specific crushing energy, E_cs= mgh/m_particle）下冲击破碎产物筛分，绘制半对数坐标下筛下累积曲线，确定特征粒径t₁₀（小于进料粒径十分之一的产品质量百分比），通过回归分析得到两种石灰岩冲击破碎参数：石灰岩1为A=49.01, b=0.62；石灰岩2为A=54.54, b=0.74。结果表明相同粒径下比破碎能增大则筛下细粒产率升高、产品变细；各粒级曲线趋势一致，粗、细粒占比相近而中粒级产率差异显著。落重试验证实不同物理性质岩石吸能破碎能力存在差异，岩性决定机械破碎能耗及最终模拟粒度分布准确性，需针对具体岩种标定参数。

3.2. Crushing Test（破碎试验）

使用PE-150×250实验室颚式破碎机分别对石灰岩1、石灰岩2的规则立方体试件及典型不规则石块进行破碎，对新国标方孔筛各级筛余产物称重记录，获取各试样破碎产物实际粒度分布数据，供后续与模拟结果对照。

3.3. Physical and Contact Parameter Test（物理及接触参数测试）

测得石灰岩1堆积密度1517 kg/m3，石灰岩2为1570 kg/m3；石灰岩1集料间静摩擦系数0.6、与钢板间0.7；石灰岩2集料间静摩擦系数0.62、与钢板间0.65；两石灰岩集料间碰撞恢复系数0.12，与钢板间0.15。休止角试验得石灰岩1集料5–10 mm粒级平均休止角30.29°、10–20 mm粒级32.39°；石灰岩2分别为29.11°和31.83°。上述参数为DEM模型提供物性输入。

4. Fragmentation Simulation Test（破碎模拟试验）

4.1. Model Parameter Validation（模型参数验证）

建立与实验室坍落度筒同尺寸DEM模型，按实验所得参数填充颗粒并模拟休止角试验。石灰岩1模拟休止角5–10 mm粒级30.47°（误差0.59%）、10–20 mm粒级32.83°（误差1.34%）；石灰岩2模拟休止角5–10 mm粒级30.96°（误差5.98%）、10–20 mm粒级32.21°（误差1.18%）。所有误差均在6%以内，表明所确定的物理接触参数及通过迭代优化的动摩擦系数可靠，模型参数验证合格。

4.2. Simulation Experiment on Crushing Regularly Shaped Stone Materials（规则形状石料破碎模拟试验）

将100 mm立方石灰岩1、石灰岩2试件导入颚式破碎机DEM模型进行单颗粒破碎模拟。模拟显示0 s颗粒入破碎腔未受压完整，0.4 s颗粒被压碎表层剥落、细粒从排料口排出、大颗粒留腔继续破碎，0.7 s腔内大颗粒进一步破碎细化后排出，与实验观测破碎过程定性吻合。产物筛分显示：石灰岩1的0–4.75 mm累积分布模拟值4.28与实测7.23偏差约40.8%，0–19 mm模拟39.58与实测35.21偏差12.1%，0–53 mm一致；石灰岩2的0–4.75 mm模拟4.61与实测7.80偏差约40.9%，0–19 mm模拟42.38与实测39.69偏差6.35%，其余粒级误差多在10%以内。偏差主要来自软件设定最小破碎粒径1 mm而实际产生大量<1 mm微粉，中粗粒级预测与实验吻合良好，证明模型可反映不同强度岩石颚式破碎产物粒度分布。

4.3. Simulation Experiment on the Crushing of Real-Shaped Aggregates（真实形态集料破碎模拟试验）

用Structure Sensor扫描典型不规则石灰岩块（实测与扫描三向尺寸误差<1%），经Geomagic简化三角面片（最大3D偏差±2.6377 mm，平均误差0.1418 mm）并转为凸多面体（体积较原始扫描模型偏大10%因填充凹面）后导入破碎模型。模拟破碎过程时序特征与物理实验一致。产物筛分：0–4.75 mm模拟4.2与实测10.18偏差58.7%，0–9.5 mm模拟15.12与实测19.49偏差22.4%，0–16 mm偏差2.7%，0–19 mm偏差2.4%，其余粒级误差<5%。虽微粉粒级因最小破碎粒径设置（1.5 mm）偏差较大，但中粗粒级预测精度高，凸多面体简化引入的体积误差对宏观粒度分布预测影响有限，证实含真实三维(3D)形貌的数字化破碎模型可准确反映不规则岩石破碎产物粒度分布。

讨论与结论总结（Conclusions）：

(1) 落重试验确定两种石灰岩冲击破碎参数（石灰岩1：A=49.01, b=0.62；石灰岩2：A=54.54, b=0.74），岩石种类决定机械破碎能耗及最终模拟粒度分布准确性，针对特定岩种标定参数是准确模拟破碎过程的必要条件。

(2) 规则立方石灰岩破碎模拟与物理实验对比显示，除因软件设最小破碎粒径1 mm导致0–4.75 mm粒级偏差可达40%外，其余粒级误差多<10%，实测与预测粒度分布曲线吻合良好。

(3) 经Structure Sensor 3D扫描与Geomagic逆向工程重建岩石模型，三向尺寸偏差<1%，体积误差10%，可实现工程背景下岩体三维(3D)形貌数字化重构。

(4) 真实形态不规则岩块颚式破碎模拟显示，除因最小破碎粒径设置导致0–4.75 mm和0–9.5 mm粒级偏差约40%外，其余粒级误差<5%，模型可准确反映不规则岩石破碎产物粒度分布，可指导开挖及边坡工程大块岩体利用。

(5) 传统DEM破碎模拟依赖规则球体或简化黏结颗粒模型难以准确模拟真实颗粒破碎行为，本研究引入真实三维(3D)颗粒形貌并通过试验标定参数，将中粗粒级模拟—实验误差控制在约10%，证明了方法的准确性与工程实用价值。该方法具良好适应性框架，应用于不同岩性或破碎设备时需重新进行落重试验标定参数、3D扫描代表性样本并更新破碎机腔型几何。