基于EDEM的礦用頂管機掘進系統排碴性能分析

摘要：針對礦用頂管機在煤巖地層掘進時掘進參數對煤碴流動性影響不明確的問題，本文采用EDEM離散元軟件建立了礦用頂管機掘進系統煤渣排放性能的分析模型，并仿真分析了不同掘進參數下煤渣流動的速度和流量的變化過程和趨勢。仿真結果表明，在地層較穩定的情況下，可以同時提高刀盤轉速和頂進速度，以獲得最佳的排碴效率。而在地層較不穩定的情況下，采用較低的刀盤轉速和較高的頂進速度的控制參數組合較為有利。

關鍵詞：礦用頂管機;排碴性能;參數優化;EDEM

一、引言

煤礦災害事故中的應急救援是礦山安全工作的重要組成部分。在煤礦坍塌事故發生后，快速打通井下救援通道是減少被困人員損傷、防止事故升級的重要途徑。然而，構建井下救援通道需要在已坍塌或地質穩定性差的煤巖地層進行掘進施工，面臨安全性和快速性的雙重挑戰[1]。頂管機是一種用于地下通道掘進的大型工程設備，具有快速掘進的特點。經過幾十年的發展，頂管法施工技術日益精湛，工具管的功能和規格不斷創新，管材日趨豐富，具有了一定的快速構建井下救援通道的適用性優勢。

頂管法施工在構建井下救援通道的應用中，其掘進的安全性和快速性與其排碴性能密切相關。因此，研究礦用頂管機排碴性能的影響因素及其對排渣性能的影響規律對于井下救援通道的安全快速構建具有重要意義[2]。

為了提高巖石掘進機的破巖效率和掘進效率，許多研究人員從數值計算和仿真的角度進行了研究。韓美東等人[3]考慮到掘進過程中巖石碎屑的產生、下落以及與滾刀的碰撞等因素，建立了TBM刀盤出碴過程的數值計算模型。另有學者采用PFC3D離散元軟件建立了刀盤排碴仿真模型，并研究了出碴槽數量和結構尺寸對巖石碎屑流動性的影響。耿麒[4]采用顆粒離散元方法，構建了一個考慮到巖石碎屑形狀和級配的刀盤落碴、鏟碴、溜碴過程的數值模型。Byungkwan Park在其研究中采用不同螺桿轉速為變量，并以粘性顆粒為材料模型，采用離散元法對不同傾角的螺旋輸送機的輸送能力進行模擬和評價。

雖然上述研究對影響巖石掘進機掘進性能和排碴性能的影響因素進行了大量的數值模擬和仿真研究，為本文工作提供了有力的理論研究基礎，但是目前煤巖地層掘進性能研究較少，而煤碴排放的研究尚未見報道。

本文旨在分析和評價煤巖地層頂管機掘進的排碴性能。采用EDEM離散元軟件仿真[5]模擬礦用頂管機刀盤切削作用下煤巖被切削、輸送和排放的過程。通過分析煤碴的流速、流動方向和流量的變化規律，以及刀盤轉速和頂進速度對排碴性能的影響，得出了復雜工作環境下礦用頂管機控制參數的設定參考。

二、數值仿真模型建立

為了描述煤炭顆粒間黏結鍵的作用，使所建煤壁中顆粒黏結模型[6]更符合實際，需要對煤樣進行宏觀物理機械性質測定，根據測定結果對煤炭顆粒進行平行鍵參數進行標定[7]，煤樣的物理參數和顆粒接觸參數如表1所示。

對煤巖開挖面模式的參數進行以下設定：①假設礦用頂管機水平掘進，即不考慮煤層傾角的影響，開挖面模型垂直于頂管機掘進系統模型。②開挖面模型由性質均勻、直徑為30 mm的等粒徑球形顆粒構成，開挖面在破碎過程中煤炭顆粒間作用力可視為同等大小。③高度150mm、寬度800mm、長度3000mm。

采用Solid Works軟件建模[8]，再導入EDEM中。頂管機模型的主要參數如表2所示。

經過合理簡化后的頂管掘進機系統，主要由掘進機外殼，掘進機刀盤，螺旋輸送機構成。掘進機刀盤為輻條式刀盤，刀具采用刮刀，均勻分布于輻條上。由于頂管機的刀盤和螺旋輸送機采用外周同步驅動，因此刀盤和螺旋輸送機的轉速相同。

礦用頂管機掘進系統在煤巖地層掘進的仿真模型如圖1所示。

三、仿真結果與分析

煤渣流動的速度和流量是衡量掘進機性能的重要參數。單位時間內進入刀盤開口的煤渣流量越大，煤渣的流動性就越好，這意味著掘進效率越高。然而，另一方面，過大的煤渣流量也可能對開挖面的穩定性造成不良影響。因此，研究刀盤轉速和頂進速度對煤顆粒流量和顆粒速度的影響，對于提高掘進機性能有著重要的意義和價值。

為了研究不同刀盤轉速和掘進速度對煤顆粒流量和顆粒速度的影響規律，本研究采用開口率為60％的輻條式刀盤，并分別選取4組不同的刀盤轉速和4組不同的頂進速度，總共設計了16組仿真方案。各種方案仿真得到的顆粒速度和流量如表3所示。

不同刀盤轉速下，顆粒速度和流量隨頂進速度的關系如圖2所示。

從圖2中可以看出，當刀盤轉速一定時，隨著頂進速度的不斷增加，顆粒速度的各分量均呈增大的趨勢。當頂進速度從0.5mm/s增加到4mm/s時，顆粒進入艙體的速度（X方向顆粒速度）增加了8倍。在不同的刀盤轉速下，顆粒速度隨著頂進速度增大的趨勢沒有改變。

此外，當頂進速度從0.5mm/s增加到4.0mm/s時，顆粒流量從1.01kg/s增加到了3.72kg/s，顆粒流量也是隨著頂進速度增大而增多。從顆粒進入艙體的速度和流量來看，頂進速度增大，頂管機的排碴效率將增大。然而，當頂進速度一定時，隨著刀盤轉速從1r/min增大到4r/min，顆粒速度從0.34mm/s降低到0.111mm/s，顆粒流量從2.79kg/s降低到1.98kg/s，最終到1.877kg/s。可以發現，隨著刀盤轉速的增大，顆粒進入艙體的速度有所降低，而流量變化不明顯。與頂進速度相比，刀盤轉速對排碴效率的影響程度不明顯。

四、結束語

本研究采用EDEM離散元分析軟件模擬了礦用頂管機掘進系統破碎煤巖和排放煤碴的過程，并獲得了不同掘進參數（刀盤轉速、頂進速度）對排碴流動性的影響規律。

仿真結果表明，在掘進面上被剝離的煤巖顆粒隨刀盤轉動而做圓周運動。刀盤面板中心處顆粒的線速度最低，說明此處顆粒流動性差，掘進過程中易發生堵轉現象。當刀盤轉速一定時，隨著頂進速度的不斷增加，頂管機的排碴效率將增大。當頂進速度一定時，排碴效率隨刀盤轉速增大有一定的提升，但與頂進速度相比，刀盤轉速對排碴效率的影響程度不明顯。綜合來看，在地層較穩定的情況下，可以同時提升刀盤轉速和頂進速度，以獲得最優的排碴效率。而在地層穩定性較差的情況下，采用較低的刀盤轉速和較高的頂進速度的控制參數組合較為有利。

作者單位：紀英男 洛陽光電設備研究所

參 ?考 ?文 ?獻

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