块体崩落中多放矿口间距下的流动机制与三维IEZ演化：基于实验、DEM和DBSCAN-α-shape

《International Journal of Mining Science and Technology》：Flow mechanisms and 3D IEZ evolution under multi-drawbell spacing in block caving using experiment, DEM and DBSCAN-α-shape

　　

多放矿口间距如何在不均匀放矿条件下控制三维流动相互作用和停滞矿柱的形成，是块体崩落中一个关键且尚未量化的挑战。为解决这一科学问题，建立了一个多尺度运动学框架。开展了大规模（1:33）物理放矿实验，并利用其结果严格标定了离散元法（DEM）模型，分析了不同放矿口间距（4、6和8 m）下的颗粒流动力学。为定量解码复杂空间相互作用，引入了一种基于DBSCAN-α-shape算法的新型数据驱动框架，实现了孤立开采区（IEZ）的精确三维形态重建。综合分析表明，停滞矿柱的质量随间距呈二次增长，受可确定的静力平衡极限控制。此外，严格量化了IEZ的非线性形态演化，从初始受约束的椭球体转变为无约束的“倒喇叭”几何形状。基于现场特定破碎特征（主要为200–300 mm的原位块度），定量确定了6 m间距为最优配置，以平衡最大流动效率与矿柱稳定性。该研究为多放矿口开采提供了新的分析范式和精确设计准则。

块体崩落是一种依赖重力驱动破碎矿石流动的高效大规模采矿方法，广泛应用于大规模、裂隙发育的矿体。然而，多放矿口之间的流动相互作用以及不均匀放矿下停滞矿柱的形成机制尚未被量化，现有研究缺乏对孤立开采区（IEZ）的精确三维表征和对其非对称形态演化的机理理解。为解决这一问题，Jinghuan Pan等研究人员在《International Journal of Mining Science and Technology》上发表了论文，通过整合大规模物理实验、离散元法（DEM）数值模拟和基于DBSCAN-α-shape的数据驱动框架，系统研究了不同放矿口间距（4、6和8 m）下的流动机制与IEZ空间演化，为多放矿口开采设计提供了新的定量分析范式。

研究人员采用的关键技术方法包括：（1）基于云南普朗铜矿现场破碎特征（主导块度200–300 mm）的1:33比例物理放矿实验，捕捉宏观流动与沉降模式；（2）利用物理实验累积提取曲线严格标定的DEM模型（PFC3D），实现不同间距下的颗粒流动力学模拟与分析；（3）耦合DBSCAN（空间密度聚类）与α-shape（非凸包络重构）的智能算法，自动重建IEZ的三维形态并计算体积参数。

研究结果部分：

**2.6 物理实验的运动学演化与细粒材料流入**
通过四阶段放矿实验，研究人员观察到表面逐渐形成M形剖面和中央纵向槽，最终出现多个沉陷坑，再现了现场局部沉降和不均匀放矿现象。

**3.3 不同放矿口间距下放矿横截面形状分析**
基于DEM模拟，对比4 m、6 m和8 m间距的提取剖面，发现4 m间距产生明显的中央凹陷，而6 m和8 m间距则形成更平缓的提取轮廓，证实扩大间距可缓解局部速度梯度。

**4.3 矿石颗粒位移场演化分析**
通过三维位移云图，研究人员识别出放矿口上方形成“钟乳石”状高速流动通道，而相邻放矿口之间出现近零位移的三角形停滞区，称为停滞矿柱。间距越大，停滞柱的横向扩展越显著。

**4.4 停滞矿柱的形态与机制**
基于静力极限平衡分析，建立了停滞矿柱高度（H_P）与底部宽度（W）的线性关系（H_P ≈ 1.0725W，R² > 0.99），并推导出临界宽度W_cr ≈ 7.1 m。当间距超过此临界值时，停滞柱质量呈二次增长且内部剪切应力超过材料承载力，导致结构失稳。

**5.2 基于聚类算法的IEZ形态与特征参数提取**
利用DBSCAN-K-means框架，研究人员重建了不同间距下的IEZ三维形态。早期IEZ保持椭球体，后期随着上覆颗粒耗尽，形态过渡为无约束的“倒喇叭”形。提取的参数显示，最终提取体积随间距增大而增加（4 m: 4.8380 m³，6 m: 5.4814 m³，8 m: 5.8959 m³），但8 m间距导致严重的横向不对称和不均匀放矿。

**5.3 基于DBSCAN-α-shape的IEZ轮廓与体积计算**
通过α-shape算法重构非凸包络，研究人员分析了分区体积。中央通道体积占比最大（约38%），8 m间距中央区累积增长469%，远高于4 m的346%，但横向体积差异达0.11 m³，表明流动不稳定性。

讨论部分指出，离散颗粒模型排除了破裂传播，物理实验由于截断细粒而缺少局部塌陷，主要矿柱间距对三维流动的影响需进一步研究，智能重构框架存在平滑效应，物理模型缺乏内部三维坐标数据的定量验证。研究结论翻译如下：
（1）1:33比例物理实验成功捕获了不均匀放矿的动态演化；DEM模型与实验累积提取曲线高度吻合（R² ≈ 0.994），验证了宏观运动学保真度。
（2）极限平衡分析确立了停滞矿柱高度与底部宽度的线性关系（H_P ≈ 1.0725W，R² > 0.99），基于标定颗粒参数（φ＝25°，θ＝65°，μ＝0.35）推导出理论临界宽度W_cr ≈ 7.1 m，结合现场主导块度200–300 mm，6 m为最优间距。
（3）开发了耦合DBSCAN与α-shape的聚类框架（α=1.0），直接从DEM数据中提取复杂非凸三维运动学边界。
（4）该框架追踪了IEZ从受约束椭球体到无约束倒喇叭形的非线性过渡，最终提取体积分别为4.8380、5.4814、5.8959 m³，表明扩大间距虽增强横向运动自由度，但加剧体积不对称和不均匀放矿，为动态放矿控制提供了严谨力学基础。