基于EDEM的矿用顶管机掘进系统排碴性能分析

摘要：针对矿用顶管机在煤岩地层掘进时掘进参数对煤碴流动性影响不明确的问题，本文采用EDEM离散元软件建立了矿用顶管机掘进系统煤渣排放性能的分析模型，并仿真分析了不同掘进参数下煤渣流动的速度和流量的变化过程和趋势。仿真结果表明，在地层较稳定的情况下，可以同时提高刀盘转速和顶进速度，以获得最佳的排碴效率。而在地层较不稳定的情况下，采用较低的刀盘转速和较高的顶进速度的控制参数组合较为有利。

关键词：矿用顶管机;排碴性能;参数优化;EDEM

一、引言

煤矿灾害事故中的应急救援是矿山安全工作的重要组成部分。在煤矿坍塌事故发生后，快速打通井下救援通道是减少被困人员损伤、防止事故升级的重要途径。然而，构建井下救援通道需要在已坍塌或地质稳定性差的煤岩地层进行掘进施工，面临安全性和快速性的双重挑战[1]。顶管机是一种用于地下通道掘进的大型工程设备，具有快速掘进的特点。经过几十年的发展，顶管法施工技术日益精湛，工具管的功能和规格不断创新，管材日趋丰富，具有了一定的快速构建井下救援通道的适用性优势。

顶管法施工在构建井下救援通道的应用中，其掘进的安全性和快速性与其排碴性能密切相关。因此，研究矿用顶管机排碴性能的影响因素及其对排渣性能的影响规律对于井下救援通道的安全快速构建具有重要意义[2]。

为了提高岩石掘进机的破岩效率和掘进效率，许多研究人员从数值计算和仿真的角度进行了研究。韩美东等人[3]考虑到掘进过程中岩石碎屑的产生、下落以及与滚刀的碰撞等因素，建立了TBM刀盘出碴过程的数值计算模型。另有学者采用PFC3D离散元软件建立了刀盘排碴仿真模型，并研究了出碴槽数量和结构尺寸对岩石碎屑流动性的影响。耿麒[4]采用颗粒离散元方法，构建了一个考虑到岩石碎屑形状和级配的刀盘落碴、铲碴、溜碴过程的数值模型。Byungkwan Park在其研究中采用不同螺杆转速为变量，并以粘性颗粒为材料模型，采用离散元法对不同倾角的螺旋输送机的输送能力进行模拟和评价。

虽然上述研究对影响岩石掘进机掘进性能和排碴性能的影响因素进行了大量的数值模拟和仿真研究，为本文工作提供了有力的理论研究基础，但是目前煤岩地层掘进性能研究较少，而煤碴排放的研究尚未见报道。

本文旨在分析和评价煤岩地层顶管机掘进的排碴性能。采用EDEM离散元软件仿真[5]模拟矿用顶管机刀盘切削作用下煤岩被切削、输送和排放的过程。通过分析煤碴的流速、流动方向和流量的变化规律，以及刀盘转速和顶进速度对排碴性能的影响，得出了复杂工作环境下矿用顶管机控制参数的设定参考。

二、数值仿真模型建立

为了描述煤炭颗粒间黏结键的作用，使所建煤壁中颗粒黏结模型[6]更符合实际，需要对煤样进行宏观物理机械性质测定，根据测定结果对煤炭颗粒进行平行键参数进行标定[7]，煤样的物理参数和颗粒接触参数如表1所示。

对煤岩开挖面模式的参数进行以下设定：①假设矿用顶管机水平掘进，即不考虑煤层倾角的影响，开挖面模型垂直于顶管机掘进系统模型。②开挖面模型由性质均匀、直径为30 mm的等粒径球形颗粒构成，开挖面在破碎过程中煤炭颗粒间作用力可视为同等大小。③高度150mm、宽度800mm、长度3000mm。

采用Solid Works软件建模[8]，再导入EDEM中。顶管机模型的主要参数如表2所示。

经过合理简化后的顶管掘进机系统，主要由掘进机外壳，掘进机刀盘，螺旋输送机构成。掘进机刀盘为辐条式刀盘，刀具采用刮刀，均匀分布于辐条上。由于顶管机的刀盘和螺旋输送机采用外周同步驱动，因此刀盘和螺旋输送机的转速相同。

矿用顶管机掘进系统在煤岩地层掘进的仿真模型如图1所示。

三、仿真结果与分析

煤渣流动的速度和流量是衡量掘进机性能的重要参数。单位时间内进入刀盘开口的煤渣流量越大，煤渣的流动性就越好，这意味着掘进效率越高。然而，另一方面，过大的煤渣流量也可能对开挖面的稳定性造成不良影响。因此，研究刀盘转速和顶进速度对煤颗粒流量和颗粒速度的影响，对于提高掘进机性能有着重要的意义和价值。

为了研究不同刀盘转速和掘进速度对煤颗粒流量和颗粒速度的影响规律，本研究采用开口率为60％的辐条式刀盘，并分别选取4组不同的刀盘转速和4组不同的顶进速度，总共设计了16组仿真方案。各种方案仿真得到的颗粒速度和流量如表3所示。

不同刀盘转速下，颗粒速度和流量随顶进速度的关系如图2所示。

从图2中可以看出，当刀盘转速一定时，随着顶进速度的不断增加，颗粒速度的各分量均呈增大的趋势。当顶进速度从0.5mm/s增加到4mm/s时，颗粒进入舱体的速度（X方向颗粒速度）增加了8倍。在不同的刀盘转速下，颗粒速度随着顶进速度增大的趋势没有改变。

此外，当顶进速度从0.5mm/s增加到4.0mm/s时，颗粒流量从1.01kg/s增加到了3.72kg/s，颗粒流量也是随着顶进速度增大而增多。从颗粒进入舱体的速度和流量来看，顶进速度增大，顶管机的排碴效率将增大。然而，当顶进速度一定时，随着刀盘转速从1r/min增大到4r/min，顆粒速度从0.34mm/s降低到0.111mm/s，颗粒流量从2.79kg/s降低到1.98kg/s，最终到1.877kg/s。可以发现，随着刀盘转速的增大，颗粒进入舱体的速度有所降低，而流量变化不明显。与顶进速度相比，刀盘转速对排碴效率的影响程度不明显。

四、结束语

本研究采用EDEM离散元分析软件模拟了矿用顶管机掘进系统破碎煤岩和排放煤碴的过程，并获得了不同掘进参数（刀盘转速、顶进速度）对排碴流动性的影响规律。

仿真结果表明，在掘进面上被剥离的煤岩颗粒随刀盘转动而做圆周运动。刀盘面板中心处颗粒的线速度最低，说明此处颗粒流动性差，掘进过程中易发生堵转现象。当刀盘转速一定时，随着顶进速度的不断增加，顶管机的排碴效率将增大。当顶进速度一定时，排碴效率随刀盘转速增大有一定的提升，但与顶进速度相比，刀盘转速对排碴效率的影响程度不明显。综合来看，在地层较稳定的情况下，可以同时提升刀盘转速和顶进速度，以获得最优的排碴效率。而在地层稳定性较差的情况下，采用较低的刀盘转速和较高的顶进速度的控制参数组合较为有利。

作者单位：纪英男 洛阳光电设备研究所

参  考  文  献

[1]钱七虎，李朝甫，傅德明.隧道掘进机在中国地下工程中应用现状及前景展望[J].地下空间，2002，22（01）：1-11.

[2]李世忠.钻探工艺学： 上、中[ M] .北京： 地质出版社， 1988.

[3]韩美东，陈馈，蔡宗熙，等. TBM刀盘有限元参数化建模方法[J].机械科学与技术， 2016，35（10）：1489-1493.

[4]耿麒，谢立扬，张泽宇等.全断面隧道掘进机刀盘刮碴铲斗结构性能的影响[J]. 西安交通大学学报， 2020， 54（11）：149-157.

[5]王柯扉. 基于EDEM刨煤机刨头工作性能仿真分析与研究[D]. 辽宁工程技术大学， 2019.

[6]冯西成.采用黏性颗粒接触模型的黏性土离散元数值模拟研究[D].大连理工大学，2020.

[7]王子寒，王鹏举，景晓昆，等.粗粒土颗粒接触力学特性及细观接触模型研究[J].岩石力学与工程学报，2018，37（08）：1980-1992.

[8]高智勇. 基于SolidWorks的辐条式盾构刀盘参数化设计研究[D].西南交通大学， 2019.