高压气体快速卸荷粉化矿石技术是一种新型的矿石碎磨方法。该方法通过向矿石内部注入高压气体并快速卸荷,诱导矿石内外产生高压力梯度并在毫秒量级时间跨尺度拉伸破坏产生微米量级颗粒。与传统机械破碎方法相比,具有降低矿石碎磨能耗、提升磨矿效率的潜力。然而,目前该技术仍处于发展的初期阶段,存在以下关键科学问题亟待解决:1)高压气体快速卸荷诱导矿石动态破坏粉化过程不清晰;2)关键控制参数对矿石粉化效果的影响规律不明确;3)高压气体快速卸荷粉化矿石理论解析模型未建立;4)高压气体快速卸荷粉化矿石产物解离富集效果不确定。针对于此,本文以高压气体快速卸荷粉化矿石的机理及技术研究为导向,综合采用理论分析、实验室实验和数值模拟等手段开展研究,主要创新成果如下: (1)结合高速摄影与红外热成像技术,实现高压气体快速卸荷诱导矿石动态破坏过程与射流温度场时空演化的同步观测,构建了矿石粉化全过程物理图像。并进一步结合数值模拟与模型实验,揭示了粉化过程中矿石内部损伤演化规律、破坏时序特征以及多尺度粉化产物生成机制。 (2)基于矿石粉化过程物理图像,通过量纲分析法,提取矿石粉化效果关键控制参数。综合采用实验室实验、数值模拟和理论分析等手段,相对系统地阐明了矿石尺寸、饱水状态、气体渗流压力、气体种类、矿石充装量以及卸荷孔尺寸等多个关键参数对矿石粉化效果的影响及内在机理。为高压气体快速卸荷粉化矿石技术工艺优化与装备研发提供支撑和参考。 (3)分析高压气体快速卸荷过程中单颗矿石受力状态,结合考虑有效应力的Mohr-Coulomb准则,构建粉化过程中矿石内部颗粒断裂判据。基于矿石内部矿物颗粒粘聚力及粒径随机分布假设,推导了高压气体快速卸荷粉化矿石产物理论粒径分布表达式。基于最小二乘法反演矿石内部微结构随机分布参数,给出特定矿石粉化产物粒径分布理论解,并与实验对比验证了反演结果的合理性。最终实现高压气体快速卸荷粉化矿石效果理论解析模型的构建及矿石内部微结构的反演。 (4)研究了高压气体快速卸荷粉化矿石产物解离及富集特性。揭示了高压气体快速卸荷粉化矿石过程中,裂纹沿矿物晶界选择性扩展规律。明确了矿石粉化产物中不同矿物充分解离并富集于特定区间的特性。对比了高压气体快速卸荷方法相对球磨法在矿石粉碎解离方面的优势和不足。进一步夯实了高压气体快速卸荷粉化矿石技术进入工业应用的基础。