基于光滑粒子动力学顶煤放落与输送过程仿真研究

摘要：目前针对综放开采中顶煤放出规律的数值模拟研究中，对于顶煤运动的连续−非连续性问题需复杂的耦合算法，必须解决煤岩界面信息精确交互问题，且忽略了刮板输送机输送过程。针对该问题，基于光滑粒子动力学构建了无网格数值计算模型，通过建立连续介质力学控制方程的光滑粒子动力学离散方程，并引入弹塑性土体本构模型和Drucker−Prager 屈服准则，实现了顶煤坍塌、运移、放出过程的动态模拟。考虑采场实际放煤和输煤过程，构建了刮板输送机模型，模拟沿工作面水平方向顶煤放出和底煤输送过程，得到不同刮板输送机运行速度（0～1.5 m/s） 下的煤岩界面和煤流速度变化规律。仿真结果表明：弹塑性土体本构模型可有效模拟颗粒的流动行为，通过设定摩擦角、弹性模量等材料参数，避免了传统离散元法模型的参数不定问题；煤流速度稳定后，放煤口附近的顶煤应力分布呈 “双峰”形态；刮板输送机运行速度对放煤时间影响较大，但对终止的煤岩界面和放出体形状影响较小；多支架同时放煤需考虑刮板输送机的输送能力，不同支架之间的底煤输送干涉可能导致放煤口的堵塞效应； “见矸关门”准则导致不同放煤口放煤量存在差异，40 个放煤口顶煤放出量的标准差（7.52 m2）高于自动放煤的标准差（1.93 m2）。

关键词：综放开采；光滑粒子法；散煤颗粒；放煤−输送耦合；煤岩界面；煤流速度

中图分类号：TD821 文献标志码：A

0 引言

我国厚煤层储量和产量占地下煤炭资源和产量的45%，放顶煤技术是开采厚煤层的主要方法之一[1-2]。传统放顶煤的终止条件是“见矸关门”，需人工控制放煤口。目前自动化顶煤冒落控制系统已应用[3]。由于放顶煤工艺和条件的复杂性，全面实现智能化综放还有许多难题需要攻克[4]。以往学者直接将顶煤假设为松散体[5-6]，进行散体冒放运移和成拱机理的研究，对松软易碎或裂隙发育的煤层有较好的适用性[7]，但大多忽略了刮板输送机与支架放煤的协同过程。在实际放煤工艺中，刮板输送机是保障连续放煤和输送的关键环节。因此，有必要考虑支架放煤与刮板输送机运煤的相互影响，进一步建立符合实际采场环境的放顶煤工艺优化方法，为提高顶煤采出率和放煤效率提供指导。

数值模拟是研究顶煤运动和放出规律的重要工具。常用的数值模拟方法包括离散元法（DiscreteElement Method， DEM） 、有限差分法（FiniteDifference Method， FDM） 、有限元法（Finite ElementMethod，FEM）等。DEM 的代表性软件有PFC，EDEM等；FDM，FEM 的代表性软件有FLAC3D，LS−DYNA等。张宁波等[8]使用PFC2D 软件，基于鹤壁煤电股份有限公司第十煤矿的实际条件，模拟不同顶煤厚度条件下的煤矸流场，分析了煤层厚度及采放比对煤矸流场特征和顶煤放出规律的影响。王家臣等[9]利用PFC3D 软件模拟了综放开采过程中煤矸三维放出体形态，分析了不同放煤方式对放出体空间形态的影响。孙强等[10]对浅埋双硬特厚煤层放煤规律进行研究，利用FLAC3D 软件分析了综放工作面回采过程中的煤岩破坏规律。何欣等[11]以中煤平朔集团有限公司34201 工作面为背景，结合现场地质条件，使用PFC2D 软件建立了仰斜角分别为0， 13，23，33°时的数值模型，分析了不同条件下的顶煤位移场、接触应力场、煤矸分界面、顶煤位移始动点及顶煤放出体形态。张锦旺等[12]基于BBR（Boundary-Body-Ratio）研究体系，采用PFC 软件建立数值模型，模拟了工作面倾角为0～50°时的顶煤放出过程，分析了工作面倾角对散体顶煤放出规律的影响。冯宇峰[13]使用LS−DYNA3D 软件模拟不同装药方式和炮孔位置的爆破对顶板破碎效果的影响。邹光华等[14]使用PFC 软件模拟不同煤层倾角下的煤岩分界线，建立了等效于放出椭球体面积的煤岩分界线抛物线方程。姜志刚等[15]针对开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司大倾角综放工作面，使用PFC2D软件研究了煤岩分界线的不对称分布特征及放煤工艺优化方法。Wang Shuai 等[16]使用PFC2D 软件研究了重采工作面散体顶煤和顶板运动及煤岩质界面演化规律。Liu Yang 等[17]使用PFC2D 软件模拟和比较不同垮落技术下的顶煤采出率和采动平衡过程，认为独立簇群垮落技术可提高厚煤层的顶煤采出率。Wei Weijie 等[18]测量了顶煤块体的尺寸分布，通过离散元计算和物理实验，研究了特厚煤层中顶煤和矸石块体的混合运动机制。

在综放开采中，顶煤产生渐进破坏过程，是典型的连续−非连续性问题。而传统的DEM，FEM 一般仅适用于单一的连续或非连续问题。研究连续−非连续转换过程需不同方法进行耦合来实现。张文辉等[19]使用FLAC3D 和PFC3D 软件，通过界面耦合方法实现连续块体和离散颗粒的动态耦合模拟，研究特厚煤层大采高综放开采中顶煤的渐进破坏行为。

Zhang Qunlei 等[20]采用连续介质与非连续单元耦合方法（Continuum Discrete Element Method， CDEM）来模拟顶煤放出过程，引入液压支架的本构模型模拟液压支架与周围岩石的耦合作用。李东印等[21]采用CDEM 建立沿工作面走向的二维数值模型，探究放煤步距对顶煤遗失和采出率的影响。刘闯等[22]利用CDEM 建立沿工作面倾向的数值模型，模拟研究不同顶煤厚度（4.0，8.0，12.0 m）下的放煤过程，分析煤矸分界面和顶煤采出率的变化规律。然而，连续−非连续耦合方法涉及复杂的耦合算法，且在转换过程中必须解决界面信息精确交互问题。近年来，连续粒子方法， 如光滑粒子动力学（Smoothed ParticleHydrodynamics，SPH）[23]、物质点方法（Material PointMethod，MPM） [24]发展迅速。这些方法不仅继承了无网格技术在处理大变形问题时的优势，还具备了连续介质力学模型的确定性特征，为解决连续−非连续问题提供了一种统一的方案。

此外，以往放煤过程模拟研究往往忽略了刮板输送机的输送过程，煤流流向无阻碍的自由空间，这与实际情况不符。本文采用SPH 建立综放开采顶煤放出和底煤输送过程的数值模型，结合非黏聚弹塑性土体本构，模拟颗粒散煤的流动行为，研究了煤岩界面的演化、煤流速度及支架放煤−刮板输送之间的相互影响。