基于EDEM 仿真的煤巖截割產塵規律研究

王 磊，程 煜，徐榮蕭

（1.國家能源集團新疆能源有限責任公司 烏東煤礦，新疆 烏魯木齊 830000；2.山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590）

隨著近些年機械化程度的提高，煤礦井下粉塵量逐漸上升，嚴重威脅礦工的身心健康，而研究截割產塵機制是控制粉塵污染的首要問題。任志鋒等[1]通過分析截割產塵的粉塵濃度大小，得到采煤機截割產塵運移分布規律；蔣仲安等[2]通過研究掘進機動態截割煤巖時粉塵的污染效應，分析不同海拔高度下顆粒物的擴散及沉降特性，并確定了顆粒物的擴散特性對高原礦井掘進工作面通風“控塵”及“排塵”的參數；鄒常富等[3]通過分析掘進機司機位置粉塵濃度隨滾筒割煤高度的變化規律，研究了工作面巷道內粉塵運移沉降及其橫縱斷面上的擴散規律。現階段對掘進面粉塵產生原因的研究僅限于從地質構造及煤層賦存條件、生產強度等簡單因素對各產塵環節進行宏觀分析，未能明確煤巖截割的產塵規律。因此，基于煤巖的物理性質、礦山壓力、煤層厚度、割煤高度等因素對粉塵產生原因的影響，對綜掘面產塵規律進行離散元仿真模擬，以期在一定程度上摸清煤巖體截割產塵規律。

1 顆粒接觸模型

2004 年，D O Potyondy 等[4]利用離散元計算方法研究出了適用于模擬煤巖破碎的顆粒黏結模型BPM，該模型可通過同粒徑或不同粒徑顆粒球之間的堆積黏結作用形成可破碎的煤巖體模型。為此，將被黏結的顆粒定義為Fraction，并引入黏結單元反映煤巖顆粒間的接觸與黏結力學模型。

BPM 模型的原理是：當Fraction 顆粒在某一時刻被黏結起來時，顆粒間的法向黏結力Fn、切向黏結力Ft及法向力矩Mn、切向力矩Mt隨時間步長的增加而增加[5]。其公式如下：

式中：vn為顆粒的法向速度，m/s；Sn為法向剛度，N/m3；A 為接觸部分面積，mm2；t 為時間步長，s；vt為切向速度，m/s；St為切向剛度，N/m3；wn為法向角速度，rad/s；wt為切向角速度，rad/s；RB為黏結半徑，mm；J 為顆粒慣性矩，m4。

當黏結單元內的最大拉應力及剪切力小于黏結顆粒受到的法向力及切向力時，顆粒間的黏結力會被破壞[6-8]，即：

式中：σmax為顆粒之間黏結所能夠承受的最大法向應力；τmax為顆粒之間黏結所能夠承受的最大切向應力。

2 煤巖截割破碎模型

2.1 掘進工作面物理模型參數

1）煤巷。+400 m 水平B2 煤巷綜掘工作面斷面形狀為矩形，巷道寬、高分別為5.2、4 m。煤層發育穩定，圍巖為煤，局部含夾石，具有弱沖擊危險性。煤層傾角平均在88°之間，硬度系數為3。

2）巖巷。+318 m 水平石門巖巷綜掘工作面斷面形狀為圓弧形，巷道寬、高分別為4.4、3.9 m。巷道水平掘進，主要揭露硬度系數為8 的粉砂巖。

3）掘進機。現場采用了EBZ-260 型掘進機，該掘進機截割頭形狀為球錐臺形，截割軸形式為縱軸式，截割頭轉速為46 r/min；掘進機鏟板的長×寬×高=3.2 m×0.3 m×0.83 m，掘進機截割臂的長×直徑=1.7 m×0.8 m，掘進機截割頭圓柱體的長×直徑=1.1 m×1.0 m，掘進機截割頭半球形體的直徑為1.0 m。

2.2 求解參數

依據研究實例概況，以密度為1 410 kg/m3、硬度系數為3 的煤體及密度為2 630 kg/m3、硬度系數為8 的巖體作為破碎對象，通過單顆粒破碎實驗和仿真，對顆粒黏結模型進行黏結參數標定。煤巖顆粒黏結模型黏結參數見表1，破碎模型物理參數見表2。

表1 煤巖顆粒黏結模型黏結參數Table 1 Bond parameters of coal and rock particle bonding model

表2 破碎模型物理參數Table 2 Physical parameters of crushing model

由于掘進機截割煤巖只發生在截割頭與煤巖之間，故只需建立截割頭部分及煤巖，忽略次要部分模型。以EBZ-260 型掘進機截割頭為研究對象，在Solidworks 中創建截割頭模型，并以STL 格式導入離散元軟件EDEM 中，經過網格自動劃分將截割頭離散成9 534 個顆粒單元，以實現最大程度地描述截割頭的結構細節。煤巖截割過程中產塵顆粒量超過了1×109個，若考慮將煤巖離散成微觀尺度下的顆粒，其仿真顆粒數量將遠遠超過現有計算能力范圍，因此選擇一定宏觀尺度對煤巖截割過程進行定性分析，選取顆粒尺寸為20 mm。

3 模擬結果

利用EDEM 二次開發API 接口，通過C++語言實現煤巖體的三向應力加載，進行截割頭擠壓煤巖體并破碎產塵仿真過程。截割粉塵的產生規律主要與煤巖的物理性質、截割深度、截割煤巖高度及顆粒間的微觀性質有關，采用EDEM 軟件對影響粉塵產生量的因素進行模擬仿真。

3.1 顆粒間黏結鍵數量與截割時間的關系

研究發現截齒的結構及運轉特性與產塵量有密切關系，直接影響產塵量的大小。截齒對煤巖擠壓形成密實核，當接觸應力達到極限時，黏結鍵斷裂破壞顆粒間的連接力，從而產生粉塵并具有一定動量[9-12]。因此通過提取黏結鍵的斷裂數量可分析截割頭運轉時間與煤巖破碎的關系。不同截割時間顆粒速度分布圖如圖1，顆粒間黏結鍵及破壞鍵隨截割頭運作時間的變化如圖2。

圖1 不同截割時間顆粒速度分布圖Fig.1 Particle velocity distribution at different cutting time

圖2 顆粒間黏結鍵及破壞鍵隨截割頭運作時間的變化Fig.2 Change of bonding bond and breaking bond between particles with operation time of cutting head

由圖1 和圖2 分析截割頭不同作業時間下顆粒速度分布情況及顆粒之間黏結鍵和顆粒之間破壞鍵隨截割時間的變化情況可得出：顆粒間黏結鍵數量隨截割頭運轉時間呈周期性遞減趨勢，其周期長度范圍為0.2～0.7 s，每周期平均遞減0.01×106個黏結鍵；而黏結鍵破壞數量Cd隨截割時間t 大致呈線性遞增趨勢，其函數擬合關系式為Cd=1 157.8t-4 833。

3.2 煤巖性質對產塵量的影響

研究發現在截齒擠壓黏結顆粒體過程中，不同黏結特性的顆粒體將不斷累積彈性勢能，累積彈性勢能大小將直接影響粉塵產生量，而顆粒體在破碎前累積的彈性勢能將直接決定粉塵顆粒拋擲速度大小，基于此分析煤巖截割過程中顆粒拋擲速度可間接表現截割產塵量大小[13-19]。以+400 m 水平B2 煤巷綜掘工作面和+318 m 水平石門巖巷綜掘工作面為研究實例，仿真模擬得到煤巷掘進和巖巷掘進時截割產塵過程，通過EDEM 后處理模塊在截割頭軸心處構建半徑為600 mm 的統計圓柱虛體，從而得到不同煤巖性質對產塵量的影響。不同煤巖性質對產塵量的影響如圖3。

圖3 不同煤巖性質對產塵量的影響Fig.3 Effects of different coal and rock properties on dust production

由圖3 可知：截割時間不超過1.0 s 時，截割過程中巖體和煤體的顆粒平均拋擲速度隨截割深度的增加大體呈增加趨勢；1.0 s 后呈周期性波動分布，顆粒平均速度在1.6～2.1 m/s 范圍內，但巖體截割過程的顆粒平均拋擲速度值明顯較大。該模擬結果與現場實測數據具有顯著的一致性，均表明巖性表現較大的掘進面產塵量明顯較大。

3.3 截割深度與產塵量的關系

掘進過程中截割深度對粉塵產生量具有較大影響，因此以+318 m 水平石門巖巷綜掘工作面為例，針對截割深度與粉塵產塵量的關系進行仿真研究。通過EDEM 后處理模塊在截割頭軸心處構建半徑為600 mm 的統計圓柱虛體，從而得到巖體截割頭周圍顆粒拋擲平均速度與時間的關系。巖體顆粒拋擲平均速度與時間的關系圖如圖4。

圖4 巖體顆粒拋擲平均速度與時間的關系圖Fig.4 Relationship between average velocity and time of rock particle throwing

由圖4 可知：隨截割頭運轉時間的增加，截割深度逐漸增加，顆粒拋擲平均速度在1.0 s 內呈指數分布增加至1.75 m/s；隨后增加速率降低，大致呈周期性增加趨勢。

3.4 頂板壓力條件對產塵量的影響

由于截割產塵受煤質特性、掘進深度、煤巖構造特性等多因素影響，通過現場實測難以得到頂板壓力單因素的對比數據，因此針對同一掘進深度和巖質不同頂板壓力（5、10、15 MPa）的顆粒體進行截割仿真模擬，通過EDEM 后處理模塊在截割頭軸心處構建半徑為600 mm 的統計圓柱虛體，從而得到不同頂板壓力條件下巖體截割頭周圍顆粒拋擲平均速度與時間的關系。不同頂板壓力同一時刻截割作業顆粒速度分布圖如圖5。不同頂板壓力條件巖體截割頭周圍顆粒拋擲平均速度與時間的關系圖如圖6。

圖5 不同頂板壓力同一時刻截割作業顆粒速度分布圖Fig.5 Particle velocity distribution of cutting operation at the same time at different roof pressures

圖6 不同頂板壓力條件巖體截割頭周圍顆粒拋擲平均速度與時間的關系圖Fig.6 Relationship between average velocity and time of particle throwing around rock mass cutting head under different roof pressure conditions

由圖5 可知：不同頂板壓力條件下，隨著截割深度的增加，顆粒平均速度自0.5 s 后均呈周期性增加趨勢，但總體增加速率較小；5.0 s 迭代周期內顆粒平均速度穩定在2.0～2.2 m/s。

由圖6 可知：不同頂板壓力條件下顆粒平均速度規律性較為復雜，但頂板壓力越大，顆粒平均速度5 MPa＜10 MPa＜15 MPa 的規律性比較明顯，這主要是因為隨著采深增加，煤巖體內賦存能量不斷加大，厚而堅硬的頂板往往在破斷或滑落過程中釋放大量彈勢能而造成煤體強烈沖擊，而彈性勢能的釋放也決定了產塵量大小。

因此，可知頂板壓力越大其產塵量增加的傾向性越大，即采深越深粉塵越易產生。

3.5 截割煤巖高度對產塵量的影響

通過EDEM 后處理模塊在截割頭軸心處構建半徑為600 mm 的統計圓柱虛體，從而得到不同割煤巖高度與顆粒平均速度關系。不同截煤巖高度顆粒速度分布情況如圖7，不同截煤巖高度與顆粒平均速度關系如圖8。

圖7 不同截煤巖高度顆粒速度分布情況Fig.7 Particle velocity distribution of different coal seam heights

圖8 不同截煤巖高度與顆粒平均速度關系Fig.8 Relationship between different coal seam heights and average velocity of particles

由圖7 和圖8 可知：不同截割煤巖高度下顆粒的平均速度規律性表現得不明顯，截割高度與顆粒平均速度相關性不足，表明割煤巖高度對截割產塵過程的影響較小。

4 結 語

基于EDEM 仿真法分別構建綜掘工作面煤、巖體三軸受力模型，分析不同截割因素影響下煤、巖截割產塵規律。

1）顆粒間黏結鍵數量隨截割頭運轉時間呈周期性遞減趨勢，其周期長度范圍為0.2～0.7 s，每周期平均遞減0.01×106個黏結鍵；顆粒間破壞鍵數量Cd隨截割時間t 大致呈線性遞增趨勢，其函數擬合關系式為Cd=1 157.8t-4 833。

2）截割時間不超過1.0 s 時，截割過程中巖體和煤體的顆粒平均拋擲速度隨截割深度的增加大體呈增加趨勢，1.0 s 后呈周期性波動分布，顆粒平均速度在1.6～2.1 m/s 范圍內，但巖體截割過程的顆粒平均拋擲速度值明顯較大；截割深度隨截割頭運轉時間的增加逐漸增加，顆粒拋擲平均速度在1.0 s 內呈指數分布增加至1.75 m/s，隨后增加速率降低，大致呈周期性增加趨勢。

3）不同頂板壓力條件下顆粒平均速度規律性較為復雜，但頂板壓力越大，顆粒平均速度5 MPa＜10 MPa＜15 MPa 的規律性比較明顯，產塵量增加的傾向性越高。截割煤巖高度與顆粒平均速度規律性較差，相關性不足，表明截割煤巖高度對截割產塵過程的影響較小。