摘要：針對(duì)礦用頂管機(jī)在煤巖地層掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)煤碴流動(dòng)性影響不明確的問(wèn)題，本文采用EDEM離散元軟件建立了礦用頂管機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)煤渣排放性能的分析模型，并仿真分析了不同掘進(jìn)參數(shù)下煤渣流動(dòng)的速度和流量的變化過(guò)程和趨勢(shì)。仿真結(jié)果表明，在地層較穩(wěn)定的情況下，可以同時(shí)提高刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和頂進(jìn)速度，以獲得最佳的排碴效率。而在地層較不穩(wěn)定的情況下，采用較低的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和較高的頂進(jìn)速度的控制參數(shù)組合較為有利。

關(guān)鍵詞：礦用頂管機(jī);排碴性能;參數(shù)優(yōu)化;EDEM

一、引言

煤礦災(zāi)害事故中的應(yīng)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(fā)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(jí)的重要途徑。然而，構(gòu)建井下救援通道需要在已坍塌或地質(zhì)穩(wěn)定性差的煤巖地層進(jìn)行掘進(jìn)施工，面臨安全性和快速性的雙重挑戰(zhàn)[1]。頂管機(jī)是一種用于地下通道掘進(jìn)的大型工程設(shè)備，具有快速掘進(jìn)的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，頂管法施工技術(shù)日益精湛，工具管的功能和規(guī)格不斷創(chuàng)新，管材日趨豐富，具有了一定的快速構(gòu)建井下救援通道的適用性優(yōu)勢(shì)。

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

為了提高巖石掘進(jìn)機(jī)的破巖效率和掘進(jìn)效率，許多研究人員從數(shù)值計(jì)算和仿真的角度進(jìn)行了研究。韓美東等人[3]考慮到掘進(jìn)過(guò)程中巖石碎屑的產(chǎn)生、下落以及與滾刀的碰撞等因素，建立了TBM刀盤(pán)出碴過(guò)程的數(shù)值計(jì)算模型。另有學(xué)者采用PFC3D離散元軟件建立了刀盤(pán)排碴仿真模型，并研究了出碴槽數(shù)量和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)巖石碎屑流動(dòng)性的影響。耿麒[4]采用顆粒離散元方法，構(gòu)建了一個(gè)考慮到巖石碎屑形狀和級(jí)配的刀盤(pán)落碴、鏟碴、溜碴過(guò)程的數(shù)值模型。Byungkwan Park在其研究中采用不同螺桿轉(zhuǎn)速為變量，并以粘性顆粒為材料模型，采用離散元法對(duì)不同傾角的螺旋輸送機(jī)的輸送能力進(jìn)行模擬和評(píng)價(jià)。

雖然上述研究對(duì)影響巖石掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)性能和排碴性能的影響因素進(jìn)行了大量的數(shù)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(chǔ)，但是目前煤巖地層掘進(jìn)性能研究較少，而煤碴排放的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文旨在分析和評(píng)價(jià)煤巖地層頂管機(jī)掘進(jìn)的排碴性能。采用EDEM離散元軟件仿真[5]模擬礦用頂管機(jī)刀盤(pán)切削作用下煤巖被切削、輸送和排放的過(guò)程。通過(guò)分析煤碴的流速、流動(dòng)方向和流量的變化規(guī)律，以及刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和頂進(jìn)速度對(duì)排碴性能的影響，得出了復(fù)雜工作環(huán)境下礦用頂管機(jī)控制參數(shù)的設(shè)定參考。

二、數(shù)值仿真模型建立

為了描述煤炭顆粒間黏結(jié)鍵的作用，使所建煤壁中顆粒黏結(jié)模型[6]更符合實(shí)際，需要對(duì)煤樣進(jìn)行宏觀物理機(jī)械性質(zhì)測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果對(duì)煤炭顆粒進(jìn)行平行鍵參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定[7]，煤樣的物理參數(shù)和顆粒接觸參數(shù)如表1所示。

對(duì)煤巖開(kāi)挖面模式的參數(shù)進(jìn)行以下設(shè)定：①假設(shè)礦用頂管機(jī)水平掘進(jìn)，即不考慮煤層傾角的影響，開(kāi)挖面模型垂直于頂管機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)模型。②開(kāi)挖面模型由性質(zhì)均勻、直徑為30 mm的等粒徑球形顆粒構(gòu)成，開(kāi)挖面在破碎過(guò)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(zhǎng)度3000mm。

采用Solid Works軟件建模[8]，再導(dǎo)入EDEM中。頂管機(jī)模型的主要參數(shù)如表2所示。

經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化后的頂管掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)，主要由掘進(jìn)機(jī)外殼，掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)，螺旋輸送機(jī)構(gòu)成。掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)為輻條式刀盤(pán)，刀具采用刮刀，均勻分布于輻條上。由于頂管機(jī)的刀盤(pán)和螺旋輸送機(jī)采用外周同步驅(qū)動(dòng)，因此刀盤(pán)和螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速相同。

礦用頂管機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)在煤巖地層掘進(jìn)的仿真模型如圖1所示。

三、仿真結(jié)果與分析

煤渣流動(dòng)的速度和流量是衡量掘進(jìn)機(jī)性能的重要參數(shù)。單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入刀盤(pán)開(kāi)口的煤渣流量越大，煤渣的流動(dòng)性就越好，這意味著掘進(jìn)效率越高。然而，另一方面，過(guò)大的煤渣流量也可能對(duì)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性造成不良影響。因此，研究刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和頂進(jìn)速度對(duì)煤顆粒流量和顆粒速度的影響，對(duì)于提高掘進(jìn)機(jī)性能有著重要的意義和價(jià)值。

為了研究不同刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度對(duì)煤顆粒流量和顆粒速度的影響規(guī)律，本研究采用開(kāi)口率為60％的輻條式刀盤(pán)，并分別選取4組不同的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和4組不同的頂進(jìn)速度，總共設(shè)計(jì)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(pán)轉(zhuǎn)速下，顆粒速度和流量隨頂進(jìn)速度的關(guān)系如圖2所示。

從圖2中可以看出，當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著頂進(jìn)速度的不斷增加，顆粒速度的各分量均呈增大的趨勢(shì)。當(dāng)頂進(jìn)速度從0.5mm/s增加到4mm/s時(shí)，顆粒進(jìn)入艙體的速度（X方向顆粒速度）增加了8倍。在不同的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速下，顆粒速度隨著頂進(jìn)速度增大的趨勢(shì)沒(méi)有改變。

此外，當(dāng)頂進(jìn)速度從0.5mm/s增加到4.0mm/s時(shí)，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(jìn)速度增大而增多。從顆粒進(jìn)入艙體的速度和流量來(lái)看，頂進(jìn)速度增大，頂管機(jī)的排碴效率將增大。然而，當(dāng)頂進(jìn)速度一定時(shí)，隨著刀盤(pán)轉(zhuǎn)速?gòu)?r/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?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的增大，顆粒進(jìn)入艙體的速度有所降低，而流量變化不明顯。與頂進(jìn)速度相比，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)排碴效率的影響程度不明顯。

四、結(jié)束語(yǔ)

本研究采用EDEM離散元分析軟件模擬了礦用頂管機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)破碎煤巖和排放煤碴的過(guò)程，并獲得了不同掘進(jìn)參數(shù)（刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、頂進(jìn)速度）對(duì)排碴流動(dòng)性的影響規(guī)律。

仿真結(jié)果表明，在掘進(jìn)面上被剝離的煤巖顆粒隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)而做圓周運(yùn)動(dòng)。刀盤(pán)面板中心處顆粒的線速度最低，說(shuō)明此處顆粒流動(dòng)性差，掘進(jìn)過(guò)程中易發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著頂進(jìn)速度的不斷增加，頂管機(jī)的排碴效率將增大。當(dāng)頂進(jìn)速度一定時(shí)，排碴效率隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)速增大有一定的提升，但與頂進(jìn)速度相比，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)排碴效率的影響程度不明顯。綜合來(lái)看，在地層較穩(wěn)定的情況下，可以同時(shí)提升刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和頂進(jìn)速度，以獲得最優(yōu)的排碴效率。而在地層穩(wěn)定性較差的情況下，采用較低的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和較高的頂進(jìn)速度的控制參數(shù)組合較為有利。

作者單位：紀(jì)英男 洛陽(yáng)光電設(shè)備研究所

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

[1]錢(qián)七虎，李朝甫，傅德明.隧道掘進(jìn)機(jī)在中國(guó)地下工程中應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望[J].地下空間，2002，22（01）：1-11.

[2]李世忠.鉆探工藝學(xué)： 上、中[ M] .北京： 地質(zhì)出版社， 1988.

[3]韓美東，陳饋，蔡宗熙，等. TBM刀盤(pán)有限元參數(shù)化建模方法[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2016，35（10）：1489-1493.

[4]耿麒，謝立揚(yáng)，張澤宇等.全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)刮碴鏟斗結(jié)構(gòu)性能的影響[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 54（11）：149-157.

[5]王柯扉. 基于EDEM刨煤機(jī)刨頭工作性能仿真分析與研究[D]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)， 2019.

[6]馮西成.采用黏性顆粒接觸模型的黏性土離散元數(shù)值模擬研究[D].大連理工大學(xué)，2020.

[7]王子寒，王鵬舉，景曉昆，等.粗粒土顆粒接觸力學(xué)特性及細(xì)觀接觸模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，37（08）：1980-1992.

[8]高智勇. 基于SolidWorks的輻條式盾構(gòu)刀盤(pán)參數(shù)化設(shè)計(jì)研究[D].西南交通大學(xué)， 2019.