王 磊，程 煜，徐榮蕭

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

隨著近些年機(jī)械化程度的提高，煤礦井下粉塵量逐漸上升，嚴(yán)重威脅礦工的身心健康，而研究截割產(chǎn)塵機(jī)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(chǎn)塵的粉塵濃度大小，得到采煤機(jī)截割產(chǎn)塵運(yùn)移分布規(guī)律；蔣仲安等[2]通過研究掘進(jìn)機(jī)動(dòng)態(tài)截割煤巖時(shí)粉塵的污染效應(yīng)，分析不同海拔高度下顆粒物的擴(kuò)散及沉降特性，并確定了顆粒物的擴(kuò)散特性對高原礦井掘進(jìn)工作面通風(fēng)“控塵”及“排塵”的參數(shù)；鄒常富等[3]通過分析掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置粉塵濃度隨滾筒割煤高度的變化規(guī)律，研究了工作面巷道內(nèi)粉塵運(yùn)移沉降及其橫縱斷面上的擴(kuò)散規(guī)律。現(xiàn)階段對掘進(jìn)面粉塵產(chǎn)生原因的研究僅限于從地質(zhì)構(gòu)造及煤層賦存條件、生產(chǎn)強(qiáng)度等簡單因素對各產(chǎn)塵環(huán)節(jié)進(jìn)行宏觀分析，未能明確煤巖截割的產(chǎn)塵規(guī)律。因此，基于煤巖的物理性質(zhì)、礦山壓力、煤層厚度、割煤高度等因素對粉塵產(chǎn)生原因的影響，對綜掘面產(chǎn)塵規(guī)律進(jìn)行離散元仿真模擬，以期在一定程度上摸清煤巖體截割產(chǎn)塵規(guī)律。

1 顆粒接觸模型

2004 年，D O Potyondy 等[4]利用離散元計(jì)算方法研究出了適用于模擬煤巖破碎的顆粒黏結(jié)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(jié)作用形成可破碎的煤巖體模型。為此，將被黏結(jié)的顆粒定義為Fraction，并引入黏結(jié)單元反映煤巖顆粒間的接觸與黏結(jié)力學(xué)模型。

BPM 模型的原理是：當(dāng)Fraction 顆粒在某一時(shí)刻被黏結(jié)起來時(shí)，顆粒間的法向黏結(jié)力Fn、切向黏結(jié)力Ft及法向力矩Mn、切向力矩Mt隨時(shí)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(shí)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(jié)半徑，mm；J 為顆粒慣性矩，m4。

當(dāng)黏結(jié)單元內(nèi)的最大拉應(yīng)力及剪切力小于黏結(jié)顆粒受到的法向力及切向力時(shí)，顆粒間的黏結(jié)力會(huì)被破壞[6-8]，即：

式中：σmax為顆粒之間黏結(jié)所能夠承受的最大法向應(yīng)力；τmax為顆粒之間黏結(jié)所能夠承受的最大切向應(yīng)力。

2 煤巖截割破碎模型

2.1 掘進(jìn)工作面物理模型參數(shù)

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(fā)育穩(wěn)定，圍巖為煤，局部含夾石，具有弱沖擊危險(xiǎn)性。煤層傾角平均在88°之間，硬度系數(shù)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(jìn)，主要揭露硬度系數(shù)為8 的粉砂巖。

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

2.2 求解參數(shù)

依據(jù)研究實(shí)例概況，以密度為1 410 kg/m3、硬度系數(shù)為3 的煤體及密度為2 630 kg/m3、硬度系數(shù)為8 的巖體作為破碎對象，通過單顆粒破碎實(shí)驗(yàn)和仿真，對顆粒黏結(jié)模型進(jìn)行黏結(jié)參數(shù)標(biāo)定。煤巖顆粒黏結(jié)模型黏結(jié)參數(shù)見表1，破碎模型物理參數(shù)見表2。

表1 煤巖顆粒黏結(jié)模型黏結(jié)參數(shù)Table 1 Bond parameters of coal and rock particle bonding model

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

由于掘進(jìn)機(jī)截割煤巖只發(fā)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(jìn)機(jī)截割頭為研究對象，在Solidworks 中創(chuàng)建截割頭模型，并以STL 格式導(dǎo)入離散元軟件EDEM 中，經(jīng)過網(wǎng)格自動(dòng)劃分將截割頭離散成9 534 個(gè)顆粒單元，以實(shí)現(xiàn)最大程度地描述截割頭的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。煤巖截割過程中產(chǎn)塵顆粒量超過了1×109個(gè)，若考慮將煤巖離散成微觀尺度下的顆粒，其仿真顆粒數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有計(jì)算能力范圍，因此選擇一定宏觀尺度對煤巖截割過程進(jìn)行定性分析，選取顆粒尺寸為20 mm。

3 模擬結(jié)果

利用EDEM 二次開發(fā)API 接口，通過C++語言實(shí)現(xiàn)煤巖體的三向應(yīng)力加載，進(jìn)行截割頭擠壓煤巖體并破碎產(chǎn)塵仿真過程。截割粉塵的產(chǎn)生規(guī)律主要與煤巖的物理性質(zhì)、截割深度、截割煤巖高度及顆粒間的微觀性質(zhì)有關(guān)，采用EDEM 軟件對影響粉塵產(chǎn)生量的因素進(jìn)行模擬仿真。

3.1 顆粒間黏結(jié)鍵數(shù)量與截割時(shí)間的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)截齒的結(jié)構(gòu)及運(yùn)轉(zhuǎn)特性與產(chǎn)塵量有密切關(guān)系，直接影響產(chǎn)塵量的大小。截齒對煤巖擠壓形成密實(shí)核，當(dāng)接觸應(yīng)力達(dá)到極限時(shí)，黏結(jié)鍵斷裂破壞顆粒間的連接力，從而產(chǎn)生粉塵并具有一定動(dòng)量[9-12]。因此通過提取黏結(jié)鍵的斷裂數(shù)量可分析截割頭運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間與煤巖破碎的關(guān)系。不同截割時(shí)間顆粒速度分布圖如圖1，顆粒間黏結(jié)鍵及破壞鍵隨截割頭運(yùn)作時(shí)間的變化如圖2。

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

圖2 顆粒間黏結(jié)鍵及破壞鍵隨截割頭運(yùn)作時(shí)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(yè)時(shí)間下顆粒速度分布情況及顆粒之間黏結(jié)鍵和顆粒之間破壞鍵隨截割時(shí)間的變化情況可得出：顆粒間黏結(jié)鍵數(shù)量隨截割頭運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(gè)黏結(jié)鍵；而黏結(jié)鍵破壞數(shù)量Cd隨截割時(shí)間t 大致呈線性遞增趨勢，其函數(shù)擬合關(guān)系式為Cd=1 157.8t-4 833。

3.2 煤巖性質(zhì)對產(chǎn)塵量的影響

研究發(fā)現(xiàn)在截齒擠壓黏結(jié)顆粒體過程中，不同黏結(jié)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(chǎn)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(xiàn)截割產(chǎn)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(shí)例，仿真模擬得到煤巷掘進(jìn)和巖巷掘進(jìn)時(shí)截割產(chǎn)塵過程，通過EDEM 后處理模塊在截割頭軸心處構(gòu)建半徑為600 mm 的統(tǒng)計(jì)圓柱虛體，從而得到不同煤巖性質(zhì)對產(chǎn)塵量的影響。不同煤巖性質(zhì)對產(chǎn)塵量的影響如圖3。

圖3 不同煤巖性質(zhì)對產(chǎn)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(shí)間不超過1.0 s 時(shí)，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(dòng)分布，顆粒平均速度在1.6～2.1 m/s 范圍內(nèi)，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(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)具有顯著的一致性，均表明巖性表現(xiàn)較大的掘進(jìn)面產(chǎn)塵量明顯較大。

3.3 截割深度與產(chǎn)塵量的關(guān)系

掘進(jìn)過程中截割深度對粉塵產(chǎn)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(chǎn)塵量的關(guān)系進(jìn)行仿真研究。通過EDEM 后處理模塊在截割頭軸心處構(gòu)建半徑為600 mm 的統(tǒng)計(jì)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(shí)間的關(guān)系。巖體顆粒拋擲平均速度與時(shí)間的關(guān)系圖如圖4。

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

由圖4 可知：隨截割頭運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(nèi)呈指數(shù)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(chǎn)塵量的影響

由于截割產(chǎn)塵受煤質(zhì)特性、掘進(jìn)深度、煤巖構(gòu)造特性等多因素影響，通過現(xiàn)場實(shí)測難以得到頂板壓力單因素的對比數(shù)據(jù)，因此針對同一掘進(jìn)深度和巖質(zhì)不同頂板壓力（5、10、15 MPa）的顆粒體進(jìn)行截割仿真模擬，通過EDEM 后處理模塊在截割頭軸心處構(gòu)建半徑為600 mm 的統(tǒng)計(jì)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(shí)間的關(guān)系。不同頂板壓力同一時(shí)刻截割作業(yè)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(shí)間的關(guān)系圖如圖6。

圖5 不同頂板壓力同一時(shí)刻截割作業(yè)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(shí)間的關(guān)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??；5.0 s 迭代周期內(nèi)顆粒平均速度穩(wěn)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(guī)律性較為復(fù)雜，但頂板壓力越大，顆粒平均速度5 MPa＜10 MPa＜15 MPa 的規(guī)律性比較明顯，這主要是因?yàn)殡S著采深增加，煤巖體內(nèi)賦存能量不斷加大，厚而堅(jiān)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(qiáng)烈沖擊，而彈性勢能的釋放也決定了產(chǎn)塵量大小。

因此，可知頂板壓力越大其產(chǎn)塵量增加的傾向性越大，即采深越深粉塵越易產(chǎn)生。

3.5 截割煤巖高度對產(chǎn)塵量的影響

通過EDEM 后處理模塊在截割頭軸心處構(gòu)建半徑為600 mm 的統(tǒng)計(jì)圓柱虛體，從而得到不同割煤巖高度與顆粒平均速度關(guān)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(guān)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(guān)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(guī)律性表現(xiàn)得不明顯，截割高度與顆粒平均速度相關(guān)性不足，表明割煤巖高度對截割產(chǎn)塵過程的影響較小。

4 結(jié) 語

基于EDEM 仿真法分別構(gòu)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(chǎn)塵規(guī)律。

1）顆粒間黏結(jié)鍵數(shù)量隨截割頭運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(gè)黏結(jié)鍵；顆粒間破壞鍵數(shù)量Cd隨截割時(shí)間t 大致呈線性遞增趨勢，其函數(shù)擬合關(guān)系式為Cd=1 157.8t-4 833。

2）截割時(shí)間不超過1.0 s 時(shí)，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(dòng)分布，顆粒平均速度在1.6～2.1 m/s 范圍內(nèi)，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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加逐漸增加，顆粒拋擲平均速度在1.0 s 內(nèi)呈指數(shù)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(guī)律性較為復(fù)雜，但頂板壓力越大，顆粒平均速度5 MPa＜10 MPa＜15 MPa 的規(guī)律性比較明顯，產(chǎn)塵量增加的傾向性越高。截割煤巖高度與顆粒平均速度規(guī)律性較差，相關(guān)性不足，表明截割煤巖高度對截割產(chǎn)塵過程的影響較小。