基于光滑粒子動力學頂煤放落與輸送過程仿真研究

摘要：目前針對綜放開采中頂煤放出規律的數值模擬研究中，對于頂煤運動的連續?非連續性問題需復雜的耦合算法，必須解決煤巖界面信息精確交互問題，且忽略了刮板輸送機輸送過程。針對該問題，基于光滑粒子動力學構建了無網格數值計算模型，通過建立連續介質力學控制方程的光滑粒子動力學離散方程，并引入彈塑性土體本構模型和Drucker?Prager 屈服準則，實現了頂煤坍塌、運移、放出過程的動態模擬。考慮采場實際放煤和輸煤過程，構建了刮板輸送機模型，模擬沿工作面水平方向頂煤放出和底煤輸送過程，得到不同刮板輸送機運行速度（0～1.5 m/s） 下的煤巖界面和煤流速度變化規律。仿真結果表明：彈塑性土體本構模型可有效模擬顆粒的流動行為，通過設定摩擦角、彈性模量等材料參數，避免了傳統離散元法模型的參數不定問題；煤流速度穩定后，放煤口附近的頂煤應力分布呈 “雙峰”形態；刮板輸送機運行速度對放煤時間影響較大，但對終止的煤巖界面和放出體形狀影響較小；多支架同時放煤需考慮刮板輸送機的輸送能力，不同支架之間的底煤輸送干涉可能導致放煤口的堵塞效應； “見矸關門”準則導致不同放煤口放煤量存在差異，40 個放煤口頂煤放出量的標準差（7.52 m2）高于自動放煤的標準差（1.93 m2）。

關鍵詞：綜放開采；光滑粒子法；散煤顆粒；放煤?輸送耦合；煤巖界面；煤流速度

中圖分類號：TD821 文獻標志碼：A

0 引言

我國厚煤層儲量和產量占地下煤炭資源和產量的45%，放頂煤技術是開采厚煤層的主要方法之一[1-2]。傳統放頂煤的終止條件是“見矸關門”，需人工控制放煤口。目前自動化頂煤冒落控制系統已應用[3]。由于放頂煤工藝和條件的復雜性，全面實現智能化綜放還有許多難題需要攻克[4]。以往學者直接將頂煤假設為松散體[5-6]，進行散體冒放運移和成拱機理的研究，對松軟易碎或裂隙發育的煤層有較好的適用性[7]，但大多忽略了刮板輸送機與支架放煤的協同過程。在實際放煤工藝中，刮板輸送機是保障連續放煤和輸送的關鍵環節。因此，有必要考慮支架放煤與刮板輸送機運煤的相互影響，進一步建立符合實際采場環境的放頂煤工藝優化方法，為提高頂煤采出率和放煤效率提供指導。

數值模擬是研究頂煤運動和放出規律的重要工具。常用的數值模擬方法包括離散元法（DiscreteElement Method， DEM） 、有限差分法（FiniteDifference Method， FDM） 、有限元法（Finite ElementMethod，FEM）等。DEM 的代表性軟件有PFC，EDEM等；FDM，FEM 的代表性軟件有FLAC3D，LS?DYNA等。張寧波等[8]使用PFC2D 軟件，基于鶴壁煤電股份有限公司第十煤礦的實際條件，模擬不同頂煤厚度條件下的煤矸流場，分析了煤層厚度及采放比對煤矸流場特征和頂煤放出規律的影響。王家臣等[9]利用PFC3D 軟件模擬了綜放開采過程中煤矸三維放出體形態，分析了不同放煤方式對放出體空間形態的影響。孫強等[10]對淺埋雙硬特厚煤層放煤規律進行研究，利用FLAC3D 軟件分析了綜放工作面回采過程中的煤巖破壞規律。何欣等[11]以中煤平朔集團有限公司34201 工作面為背景，結合現場地質條件，使用PFC2D 軟件建立了仰斜角分別為0， 13，23，33°時的數值模型，分析了不同條件下的頂煤位移場、接觸應力場、煤矸分界面、頂煤位移始動點及頂煤放出體形態。張錦旺等[12]基于BBR（Boundary-Body-Ratio）研究體系，采用PFC 軟件建立數值模型，模擬了工作面傾角為0～50°時的頂煤放出過程，分析了工作面傾角對散體頂煤放出規律的影響。馮宇峰[13]使用LS?DYNA3D 軟件模擬不同裝藥方式和炮孔位置的爆破對頂板破碎效果的影響。鄒光華等[14]使用PFC 軟件模擬不同煤層傾角下的煤巖分界線，建立了等效于放出橢球體面積的煤巖分界線拋物線方程。姜志剛等[15]針對開灤（集團）有限責任公司唐山礦業分公司大傾角綜放工作面，使用PFC2D軟件研究了煤巖分界線的不對稱分布特征及放煤工藝優化方法。Wang Shuai 等[16]使用PFC2D 軟件研究了重采工作面散體頂煤和頂板運動及煤巖質界面演化規律。Liu Yang 等[17]使用PFC2D 軟件模擬和比較不同垮落技術下的頂煤采出率和采動平衡過程，認為獨立簇群垮落技術可提高厚煤層的頂煤采出率。Wei Weijie 等[18]測量了頂煤塊體的尺寸分布，通過離散元計算和物理實驗，研究了特厚煤層中頂煤和矸石塊體的混合運動機制。

在綜放開采中，頂煤產生漸進破壞過程，是典型的連續?非連續性問題。而傳統的DEM，FEM 一般僅適用于單一的連續或非連續問題。研究連續?非連續轉換過程需不同方法進行耦合來實現。張文輝等[19]使用FLAC3D 和PFC3D 軟件，通過界面耦合方法實現連續塊體和離散顆粒的動態耦合模擬，研究特厚煤層大采高綜放開采中頂煤的漸進破壞行為。

Zhang Qunlei 等[20]采用連續介質與非連續單元耦合方法（Continuum Discrete Element Method， CDEM）來模擬頂煤放出過程，引入液壓支架的本構模型模擬液壓支架與周圍巖石的耦合作用。李東印等[21]采用CDEM 建立沿工作面走向的二維數值模型，探究放煤步距對頂煤遺失和采出率的影響。劉闖等[22]利用CDEM 建立沿工作面傾向的數值模型，模擬研究不同頂煤厚度（4.0，8.0，12.0 m）下的放煤過程，分析煤矸分界面和頂煤采出率的變化規律。然而，連續?非連續耦合方法涉及復雜的耦合算法，且在轉換過程中必須解決界面信息精確交互問題。近年來，連續粒子方法， 如光滑粒子動力學（Smoothed ParticleHydrodynamics，SPH）[23]、物質點方法（Material PointMethod，MPM） [24]發展迅速。這些方法不僅繼承了無網格技術在處理大變形問題時的優勢，還具備了連續介質力學模型的確定性特征，為解決連續?非連續問題提供了一種統一的方案。

此外，以往放煤過程模擬研究往往忽略了刮板輸送機的輸送過程，煤流流向無阻礙的自由空間，這與實際情況不符。本文采用SPH 建立綜放開采頂煤放出和底煤輸送過程的數值模型，結合非黏聚彈塑性土體本構，模擬顆粒散煤的流動行為，研究了煤巖界面的演化、煤流速度及支架放煤?刮板輸送之間的相互影響。