基于EDEM,仿真的煤岩截割产尘规律研究
时间：2023-04-24 08:20:04 来源：千叶帆 本文已影响人
王 磊，程 煜，徐荣萧
（1.国家能源集团新疆能源有限责任公司 乌东煤矿，新疆 乌鲁木齐 830000；
2.山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590）
随着近些年机械化程度的提高，煤矿井下粉尘量逐渐上升，严重威胁矿工的身心健康，而研究截割产尘机制是控制粉尘污染的首要问题。任志锋等[1]通过分析截割产尘的粉尘浓度大小，得到采煤机截割产尘运移分布规律；
蒋仲安等[2]通过研究掘进机动态截割煤岩时粉尘的污染效应，分析不同海拔高度下颗粒物的扩散及沉降特性，并确定了颗粒物的扩散特性对高原矿井掘进工作面通风“控尘”及“排尘”的参数；
邹常富等[3]通过分析掘进机司机位置粉尘浓度随滚筒割煤高度的变化规律，研究了工作面巷道内粉尘运移沉降及其横纵断面上的扩散规律。现阶段对掘进面粉尘产生原因的研究仅限于从地质构造及煤层赋存条件、生产强度等简单因素对各产尘环节进行宏观分析，未能明确煤岩截割的产尘规律。因此，基于煤岩的物理性质、矿山压力、煤层厚度、割煤高度等因素对粉尘产生原因的影响，对综掘面产尘规律进行离散元仿真模拟，以期在一定程度上摸清煤岩体截割产尘规律。
2004 年，D O Potyondy 等[4]利用离散元计算方法研究出了适用于模拟煤岩破碎的颗粒黏结模型BPM，该模型可通过同粒径或不同粒径颗粒球之间的堆积黏结作用形成可破碎的煤岩体模型。为此，将被黏结的颗粒定义为Fraction，并引入黏结单元反映煤岩颗粒间的接触与黏结力学模型。
BPM 模型的原理是：当Fraction 颗粒在某一时刻被黏结起来时，颗粒间的法向黏结力Fn、切向黏结力Ft及法向力矩Mn、切向力矩Mt随时间步长的增加而增加[5]。其公式如下：
式中：vn为颗粒的法向速度，m/s；
Sn为法向刚度，N/m3；
A 为接触部分面积，mm2；
t 为时间步长，s；
vt为切向速度，m/s；
St为切向刚度，N/m3；
wn为法向角速度，rad/s；
wt为切向角速度，rad/s；
RB为黏结半径，mm；
J 为颗粒惯性矩，m4。
当黏结单元内的最大拉应力及剪切力小于黏结颗粒受到的法向力及切向力时，颗粒间的黏结力会被破坏[6-8]，即：
式中：σmax为颗粒之间黏结所能够承受的最大法向应力；
τmax为颗粒之间黏结所能够承受的最大切向应力。
2.1 掘进工作面物理模型参数
1）煤巷。+400 m 水平B2 煤巷综掘工作面断面形状为矩形，巷道宽、高分别为5.2、4 m。煤层发育稳定，围岩为煤，局部含夹石，具有弱冲击危险性。煤层倾角平均在88°之间，硬度系数为3。
2）岩巷。+318 m 水平石门岩巷综掘工作面断面形状为圆弧形，巷道宽、高分别为4.4、3.9 m。巷道水平掘进，主要揭露硬度系数为8 的粉砂岩。
3）掘进机。现场采用了EBZ-260 型掘进机，该掘进机截割头形状为球锥台形，截割轴形式为纵轴式，截割头转速为46 r/min；
掘进机铲板的长×宽×高=3.2 m×0.3 m×0.83 m，掘进机截割臂的长×直径=1.7 m×0.8 m，掘进机截割头圆柱体的长×直径=1.1 m×1.0 m，掘进机截割头半球形体的直径为1.0 m。
2.2 求解参数
依据研究实例概况，以密度为1 410 kg/m3、硬度系数为3 的煤体及密度为2 630 kg/m3、硬度系数为8 的岩体作为破碎对象，通过单颗粒破碎实验和仿真，对颗粒黏结模型进行黏结参数标定。煤岩颗粒黏结模型黏结参数见表1，破碎模型物理参数见表2。
表1 煤岩颗粒黏结模型黏结参数Table 1 Bond parameters of coal and rock particle bonding model
表2 破碎模型物理参数Table 2 Physical parameters of crushing model
由于掘进机截割煤岩只发生在截割头与煤岩之间，故只需建立截割头部分及煤岩，忽略次要部分模型。以EBZ-260 型掘进机截割头为研究对象，在Solidworks 中创建截割头模型，并以STL 格式导入离散元软件EDEM 中，经过网格自动划分将截割头离散成9 534 个颗粒单元，以实现最大程度地描述截割头的结构细节。煤岩截割过程中产尘颗粒量超过了1×109个，若考虑将煤岩离散成微观尺度下的颗粒，其仿真颗粒数量将远远超过现有计算能力范围，因此选择一定宏观尺度对煤岩截割过程进行定性分析，选取颗粒尺寸为20 mm。
利用EDEM 二次开发API 接口，通过C++语言实现煤岩体的三向应力加载，进行截割头挤压煤岩体并破碎产尘仿真过程。截割粉尘的产生规律主要与煤岩的物理性质、截割深度、截割煤岩高度及颗粒间的微观性质有关，采用EDEM 软件对影响粉尘产生量的因素进行模拟仿真。
3.1 颗粒间黏结键数量与截割时间的关系
研究发现截齿的结构及运转特性与产尘量有密切关系，直接影响产尘量的大小。截齿对煤岩挤压形成密实核，当接触应力达到极限时，黏结键断裂破坏颗粒间的连接力，从而产生粉尘并具有一定动量[9-12]。因此通过提取黏结键的断裂数量可分析截割头运转时间与煤岩破碎的关系。不同截割时间颗粒速度分布图如图1，颗粒间黏结键及破坏键随截割头运作时间的变化如图2。
图1 不同截割时间颗粒速度分布图Fig.1 Particle velocity distribution at different cutting time
图2 颗粒间黏结键及破坏键随截割头运作时间的变化Fig.2 Change of bonding bond and breaking bond between particles with operation time of cutting head
由图1 和图2 分析截割头不同作业时间下颗粒速度分布情况及颗粒之间黏结键和颗粒之间破坏键随截割时间的变化情况可得出：颗粒间黏结键数量随截割头运转时间呈周期性递减趋势，其周期长度范围为0.2～0.7 s，每周期平均递减0.01×106个黏结键；
而黏结键破坏数量Cd随截割时间t 大致呈线性递增趋势，其函数拟合关系式为Cd=1 157.8t-4 833。
3.2 煤岩性质对产尘量的影响
研究发现在截齿挤压黏结颗粒体过程中，不同黏结特性的颗粒体将不断累积弹性势能，累积弹性势能大小将直接影响粉尘产生量，而颗粒体在破碎前累积的弹性势能将直接决定粉尘颗粒抛掷速度大小，基于此分析煤岩截割过程中颗粒抛掷速度可间接表现截割产尘量大小[13-19]。以+400 m 水平B2 煤巷综掘工作面和+318 m 水平石门岩巷综掘工作面为研究实例，仿真模拟得到煤巷掘进和岩巷掘进时截割产尘过程，通过EDEM 后处理模块在截割头轴心处构建半径为600 mm 的统计圆柱虚体，从而得到不同煤岩性质对产尘量的影响。不同煤岩性质对产尘量的影响如图3。
图3 不同煤岩性质对产尘量的影响Fig.3 Effects of different coal and rock properties on dust production
由图3 可知：截割时间不超过1.0 s 时，截割过程中岩体和煤体的颗粒平均抛掷速度随截割深度的增加大体呈增加趋势；
1.0 s 后呈周期性波动分布，颗粒平均速度在1.6～2.1 m/s 范围内，但岩体截割过程的颗粒平均抛掷速度值明显较大。该模拟结果与现场实测数据具有显著的一致性，均表明岩性表现较大的掘进面产尘量明显较大。
3.3 截割深度与产尘量的关系
掘进过程中截割深度对粉尘产生量具有较大影响，因此以+318 m 水平石门岩巷综掘工作面为例，针对截割深度与粉尘产尘量的关系进行仿真研究。通过EDEM 后处理模块在截割头轴心处构建半径为600 mm 的统计圆柱虚体，从而得到岩体截割头周围颗粒抛掷平均速度与时间的关系。岩体颗粒抛掷平均速度与时间的关系图如图4。
图4 岩体颗粒抛掷平均速度与时间的关系图Fig.4 Relationship between average velocity and time of rock particle throwing
由图4 可知：随截割头运转时间的增加，截割深度逐渐增加，颗粒抛掷平均速度在1.0 s 内呈指数分布增加至1.75 m/s；
随后增加速率降低，大致呈周期性增加趋势。
3.4 顶板压力条件对产尘量的影响
由于截割产尘受煤质特性、掘进深度、煤岩构造特性等多因素影响，通过现场实测难以得到顶板压力单因素的对比数据，因此针对同一掘进深度和岩质不同顶板压力（5、10、15 MPa）的颗粒体进行截割仿真模拟，通过EDEM 后处理模块在截割头轴心处构建半径为600 mm 的统计圆柱虚体，从而得到不同顶板压力条件下岩体截割头周围颗粒抛掷平均速度与时间的关系。不同顶板压力同一时刻截割作业颗粒速度分布图如图5。不同顶板压力条件岩体截割头周围颗粒抛掷平均速度与时间的关系图如图6。
图5 不同顶板压力同一时刻截割作业颗粒速度分布图Fig.5 Particle velocity distribution of cutting operation at the same time at different roof pressures
图6 不同顶板压力条件岩体截割头周围颗粒抛掷平均速度与时间的关系图Fig.6 Relationship between average velocity and time of particle throwing around rock mass cutting head under different roof pressure conditions
由图5 可知：不同顶板压力条件下，随着截割深度的增加，颗粒平均速度自0.5 s 后均呈周期性增加趋势，但总体增加速率较小；
5.0 s 迭代周期内颗粒平均速度稳定在2.0～2.2 m/s。
由图6 可知：不同顶板压力条件下颗粒平均速度规律性较为复杂，但顶板压力越大，颗粒平均速度5 MPa＜10 MPa＜15 MPa 的规律性比较明显，这主要是因为随着采深增加，煤岩体内赋存能量不断加大，厚而坚硬的顶板往往在破断或滑落过程中释放大量弹势能而造成煤体强烈冲击，而弹性势能的释放也决定了产尘量大小。
因此，可知顶板压力越大其产尘量增加的倾向性越大，即采深越深粉尘越易产生。
3.5 截割煤岩高度对产尘量的影响
通过EDEM 后处理模块在截割头轴心处构建半径为600 mm 的统计圆柱虚体，从而得到不同割煤岩高度与颗粒平均速度关系。不同截煤岩高度颗粒速度分布情况如图7，不同截煤岩高度与颗粒平均速度关系如图8。
图7 不同截煤岩高度颗粒速度分布情况Fig.7 Particle velocity distribution of different coal seam heights
图8 不同截煤岩高度与颗粒平均速度关系Fig.8 Relationship between different coal seam heights and average velocity of particles
由图7 和图8 可知：不同截割煤岩高度下颗粒的平均速度规律性表现得不明显，截割高度与颗粒平均速度相关性不足，表明割煤岩高度对截割产尘过程的影响较小。
基于EDEM 仿真法分别构建综掘工作面煤、岩体三轴受力模型，分析不同截割因素影响下煤、岩截割产尘规律。
1）颗粒间黏结键数量随截割头运转时间呈周期性递减趋势，其周期长度范围为0.2～0.7 s，每周期平均递减0.01×106个黏结键；
颗粒间破坏键数量Cd随截割时间t 大致呈线性递增趋势，其函数拟合关系式为Cd=1 157.8t-4 833。
2）截割时间不超过1.0 s 时，截割过程中岩体和煤体的颗粒平均抛掷速度随截割深度的增加大体呈增加趋势，1.0 s 后呈周期性波动分布，颗粒平均速度在1.6～2.1 m/s 范围内，但岩体截割过程的颗粒平均抛掷速度值明显较大；
截割深度随截割头运转时间的增加逐渐增加，颗粒抛掷平均速度在1.0 s 内呈指数分布增加至1.75 m/s，随后增加速率降低，大致呈周期性增加趋势。
3）不同顶板压力条件下颗粒平均速度规律性较为复杂，但顶板压力越大，颗粒平均速度5 MPa＜10 MPa＜15 MPa 的规律性比较明显，产尘量增加的倾向性越高。截割煤岩高度与颗粒平均速度规律性较差，相关性不足，表明截割煤岩高度对截割产尘过程的影响较小。
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