预裂辅助冲击截齿的破煤特性.pdf

第4 4 卷第1 0 期 2 0 1 9 年1 0 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 4 0 c t ． N o ．1 0 2 叭9 移动阅读 张强，王聪，田莹．预裂辅助冲击截齿的破煤特性[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 9 ，4 4 1 0 3 2 0 9 3 2 2 2 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ． c nk i ．j c c s ．2 0 1 8 ．1 2 8 8 z H A N GQ i a n g ，w A N Gc o n g ，T I A NY i n g ．c o a lb r e a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp r e s p l i t t i n ga s s i s t e di m p a c tp i c k [ J ] ．J o u r n a l o fC h i n aC o a lS o c i e f y ，2 0 1 9 ，4 4 1 0 3 2 0 9 3 2 2 2 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．2 0 1 8 ．1 2 8 8 预裂辅助冲击截齿的破煤特性 张强1 ’2 ’3 5 ，王聪1 ，田莹2 1 ．辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 ；2 ．矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京1 0 0 1 6 0 ；3 ．山东科技大学机械电子工 程学院，山东青岛2 6 6 0 0 0 ；4 ．辽宁工程技术大学煤炭资源安全开发与洁净利用工程研究中心，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 ；5 ，辽宁工程技术大学辽宁 省矿产资源开发利用技术及装备研究院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 摘要近年来我国煤炭资源持续性大规模开采，如今国内的整体煤炭开采难度与日俱增，硬质煤 层和黏性煤层的比例增加是制约煤炭开采效率的主要因素，而传统机械破煤技术很难实现硬煤、黏 煤的高效截割。因此针对传统截齿在硬质和黏性煤岩破煤效果不佳的问题，从煤壁辅助预裂与截 割相结合的角度出发，利用理论分析和数值模拟的方法研究了冲击预裂与截齿截割煤岩破碎特性， 在综合考虑实际工作中的牵引、回转与冲击运动，提出了截齿运动轨迹模型，建立了预裂辅助冲击 截齿的破煤轨迹数学模型，得到了截齿破煤运动轨迹的解析解。并根据分析结果建立了预裂辅助 冲击截齿与传统截齿的单截齿滚筒破煤离散元模型，从破煤颗粒实际占比、破煤难易程度、截齿受 力波动等角度对两种截齿的破煤特性进行了对比分析。研究结果表明在破煤颗粒实际占比上，预 裂辅助冲击截齿在煤体硬度同为，6 时提高了3 l ％，当黏度黏聚力为2 ．6M P a 时预裂辅助冲击截齿 的效率提升接近1 4 ％；在破煤难易程度上，预裂辅助冲击截齿在硬度值为．，6 时可降低5 0 ％的破煤 难度，当黏度黏聚力为1 ．8 8M P a 时，预裂辅助冲击截齿可降低约1 2 ％的难度；在截齿受力波动上， 预裂辅助冲击截齿在硬质煤或黏性煤均能够减小近70 0 0N 的力，因此，开展预裂辅助冲击截齿的 研究，将有利于破碎硬质和黏性等特殊煤岩介质。 关键词预裂辅助冲击截齿；硬、黏煤；运动轨迹；离散元；破煤特性 中图分类号T D 4 2 l文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 9 1 0 3 2 0 9 1 4 C o a lb r e a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp r e s p l i t t i n ga s s i s t e di n l p a c tp i c k z H A N GQ i a n 9 1 2 ，3 ，4 ⋯，w A N GC o n 9 1 ，T I A NY i n 9 2 I ．∞“e 雕∥肘e c 胁凡i c n fE 凡g 泌e 昭，L i o o 凡i 昭y b c n 泌酬“n ‘Ⅲ善。f y ，，州m 1 2 3 0 U U ，m z 胍；2 ．5 把匏K e yL 0 6 0 r Ⅱ胁r yQ ，朋‘n e r o fP r o 删洲g ，B e v ‘昭 1 0 0 1 6 0 ，劬i n n ；3 ．c o f f e g eo ，胁c o n 曲o f 肌dE f e c ￡r o n i cE n g 批e r i 馏，5 托n 幽n g 踟i 即P 邶i ￡y0 ，s i n c en 几dn c n o f o g y ，Q i 馏如o2 6 6 0 0 0 ，肌i M ；4 ．E 嚼心r i 馏 m 跏柚C e 凡f 盯q 厂c o n f 尺∞o “r c e sS 咖￡yM 洲昭o n dC f 眦n 们甜妇￡幻凡，L 缸。川皤死c h i c ⅡfU n 觇耶i ￡y ，胁伽 l2 3 0 0 0 ，∞￡，Ⅺ；5 ．L i ∞n i n g 胁n e r n f 尺∞o u 艇s D 时e 卸靴凡fn n d 耽i f 池砌凡扎c n o f o ∥o 以团u 咖砌小R ∞∞砌挑舭蛾L i o o n } 昭死如n i c o f ‰泌耶i ￡y ，f 1 蹦流 1 2 3 0 0 0 ，c 砌m A b s t r a c t I nr e c e n ty e a r s ，t h ec o n t i n u o u sl a r g e s c a l em i n i n go fc o a lr e s o u r c e si nC h i n ah a sm a d et h eo v e r a Uc o a lm i n i n gm o r ea n dm o r ed i m c u l t ．T h ei n c r e a s i n gp r o p o r t i o no fh a r dc o a la n dV i s c o u sc o a li st h em a i nf a c t o rr e s t r i c t i n gt h e e f f i c i e n c yo fc o a lm i n i n g ．H o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lc o a lb r e a k i n gt e c h n o l o g ri sd i m c u l tt o a c h i e V ea ne f f i c i e n tc u t t i n go fh a r dc o a la n dv i s c o u sc o a l ．T h e r e f b r e ，a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fp o o rc o a lb r e a k i n ge f k c to ft r a d i t i o n a l p i c ki nh a r da n dv i s c o u sc o a la n dr o c k ，s t a r t i n gf m mt h ea n g l eo fc o m b i n a t i o no fa u x i l i a I 了p r e s p l i t t i n ga n dc u t t i n go f c o a l ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi m p a c tp r e s p l i t t i n ga n dc u t t i n go fc o a la n dr o c ka r es t u d i e db ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s 收稿日期2 0 1 8 0 9 2 6修回日期2 0 1 9 0 4 0 4 责任编辑郭晓炜 基金项目国家自然科学基金资助项目 u 1 8 l 叭1 9 ，5 1 7 7 4 1 6 l ，5 1 8 0 4 1 5 1 作者简介张强 1 9 8 0 一 ．男，辽宁岫岩人，教授，博士生导师。E n l a j 】4 1 5 5 6 4 4 7 6 q q ．c o m 通讯作者王聪 1 9 9 4 一 ，男，辽宁沈阳人，博士研究生。E m a i l 4 4 7 0 9 50 1 2 q q ．c o m 万方数据 3 2 1 0 煤炭 学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．C o n s i d e r i n gt h et r a c t i o n ，r o t a t i o na n di m p a c tm o v e m e n ti na c t u a lw o r k ，t h em o t i o nt r a j e c t o r y m o d e lo fp i c ki sp u tf o r w a r da n dt h ep r e s p l i t t i n gi se s t a b l i s h e d ．T h em a t h e m a t i cm o d e lo fc o a l - b r e a k i n gt r a j e c t o r yo f p r e s p l i t t i n ga s s i s t e di m p a c tp i c ki se s t a b l i s h e d ，a n dt h ea n a l y t i c a ls 0 1 u t i o no fc o a l - b r e a k i n gt r a j e c t o r yo fp i c ki s o b t a i n e d ．B a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h ed i s c r e t ee l e m e n tm o d e lo fc o a lb r e a k i n go fp r e s p l i t t i n ga s s i s t e di m p a c tp i c k a n ds i n g l ep i c kd 1 1 J mw i t ht r a d i t i o n a lp i c ki se s t a b l i s h e d ．T h ec o a lb r e a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h et w ok i n d so fp i c ka r e c o m p a r e da n da n a l y z e df 而mt h ea s p e c t so ft h ea c t u a lp r o p o r t i o no fc o a lb r e a k i n gp a n i c l e s ，a n dt h ed e g r e eo fd i f f i c u l t y i nt h ec o a lb r e a k i n ga n df o r c en u c t u a t i o no ft h ep i c k ．T h er e s u l t ss h o wt h a ti nc o a lb r e a k i n ge m c i e n c y ，t h ep r e s p l i t t i n g a s s i s t e di m p a c tp i c ki n c r e a s e s3 6 ％w h e nt h eh a r d n e s so fc o a li s 加．W h e nt h ec o h e s i V ef o r c ei s2 ．6M P a ，t h ee m c i e n - c yp r o m o t i o no ft h ep r e s p l i t t i n ga s s i s t e di m p a c tp i c ki s c l o s et o1 4 ％．I nt h ed i m c u l t yo fc o a lb r e a k i n g ，t h ep r e s p l i t t i n g a s s i s t e di m p a c tp i c kc a nr e d u c et h ed i f f i c u l t yb y5 0 ％w h e nt h eh a r d n e s si s 声．W h e nt h ec o h e s i v ef o r c ei s1 ．8 8M P a ， t h ep r e s p l i t t i n ga s s i s t e di m p a c tp i c kc a nr e d u c et h ed i m c u l t yo fa b o u t12 ％．I nt h ef o r c en u c t u a t i o no ft h ep i c k ，t h e p r e s p l i t t i n ga s s i s t e di m p a c tp i c kc a nr e d u c et h ef o r c eo fn e a r l y70 0 0Ni nt h eh a r dc o a lo rt h ev i s c o u sc o a l ．T h e r e f o r e ， t h es t u d yo ft h ep r e s p l i t t i n ga s s i s t e di m p a c tp i c kw i l lb eb e n e f i c i a lt ot h ec n 】s h i n go ft h es p e c i a lc o a lr o c km e d i u m s u c ha sh a r da n dv i s c o u s ． K e yw o r d s p r e s p l i t t i n ga s s i s t e di m p a c tp i c k ；h a r do rv i s c o u sc o a l ；t 阳j e c t o r y ；d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ；c o a lb r e a k i n g P h aT - a r t e s t j c s 随着我国煤炭资源的大规模持续开采，硬质煤层 和黏性煤层的比例不断上升，导致破煤岩难度加 大’1 。2J 。预裂辅助冲击截齿针对复杂煤岩条件，在牵 引截割过程中加入截齿的高强度往复冲击运动，以使 煤体内部实现同步预裂，降低硬煤的截割阻抗或黏煤 的黏性，从而令采煤工作的效率得到提升，因此对预 裂辅助冲击截齿这种新型技术进行其破煤特性的研 究具有重要意义。目前国内外对于破煤岩性能评价 的研究大多集中在传统截齿的角度，张强等。3o 基于 A B A Q u S 软件得到了不同初始地应力条件下凿岩机 破岩效率的变化规律；刘春生Mo 基于分形理论，给出 了评价截割阻力曲线的分形维数等特征量的实际物 理含义；李德根等”o 从混沌分形的角度给出了截割 动力系统的截割性能评价指标和系统演变混沌状态 的数学关系；张倩倩等。6o 分析了破岩机制及不同截 线间距对破岩效果的影响；李祥松o 通过比能耗、截 齿损耗率及截齿受力等多角度全面评价了不同截割 头的实际性能；李晓豁等博1 利用切削图分析了掘进 机的截割性能；于彬等∽o 基于煤的破碎度研究了截 割阻力的影响因素；江红祥。1 叫研究了高压水射流冲 击和机械刀具的破岩性能；杜玉昆- 一研究了超临界 二氧化碳射流的破煤岩性能；徐广举’1 副研究了振动 式掘进机振动截割时的截齿截割性能；乔时和3 。研 究了高压气液两相射流瞬态动力的破煤特性；付 林4o 研究了新型钻式采煤机钻具的截割性能；刘春 生等5 。采用熵理论研究了煤岩截割性能的评价方 法。 对于预裂辅助冲击截齿，由于破煤机制与传统截 齿不同，其截齿与齿座整体形成一个闭式液压回 路6 I ，截齿在液压驱动作用下进行切线方向上的冲 击运动，故无法按照传统截齿或气液射流等方式的破 煤机理进行分析，且目前较为缺乏在复杂煤层条件下 的破煤性能评价体系，需要针对新型破煤技术及新的 煤层地质条件进行综合分析。 笔者以预裂辅助冲击截齿为研究对象，利用理论 分析和数值模拟的方法，考虑截齿的回转、牵引和冲 击运动，确定截齿的破煤运动轨迹，并基于离散元方 法建立截齿破煤模型，对传统截齿与预裂辅助冲击截 齿的破煤特性进行对比分析。 1 预裂辅助冲击截齿破煤轨迹分析 在分析预裂辅助冲击截齿的破煤特性前，首先应 确定截齿破煤的作用形式，即截齿的运动轨迹，为使 结果更贴近实际工况，设定截齿以滚筒为载体，综合 截齿的回转运动、牵引运动以及冲击运动建立截齿的 破煤轨迹模型，得到破煤作用范围的解析解，与单独 设定截齿只进行牵引运动或回转运动相比，虽同为分 析单个截齿的破煤轨迹，但将3 种截齿的运动状态综 合考虑对于预裂辅助冲击截齿这一新型破煤方式更 有实际意义，且对后续破煤仿真分析中的截齿运动轨 迹控制具有一定的理论参考依据。 图1 为预裂辅助冲击截齿的实际破煤轨迹曲线， 其中，r 为滚筒的筒毂半径； 为预裂辅助冲击截齿的 齿座高度；f 为截齿长度；秽为截齿进给速度；n 为截割 转速。为建立截齿破煤的轨迹模型，首先假定截齿只 进行回转运动，经￡s 后运动至n 点，由于截齿的回转 万方数据 第1 0 期张强等预裂辅助冲击截齿的破煤特性 3 2 1 1 运动与牵引行进运动同步进行，故以。点出发在滚筒 的牵引方向上延长至6 点，0 6 的距离是滚筒经￡s 后 的行进距离。在破煤轨迹的局部放大图中，以6 为终 点的破煤轨迹曲线上的弧形突起则为截齿的往复冲 击作用形成的微小破坏，最终局部放大图中以o ，6 为 终点曲线围成的面积即为预裂辅助冲击截齿的破煤 作用面积S 。 图l预裂辅助冲击截齿的破煤轨迹模型 F i g ．1 C o a lb r e a k i n gt 阳j e c t o r ym o d e lo fh y d r a u l i ca s s i s t e d i m p a c tp i c k 为计算出截齿在时间￡s 内的理论破煤面积S ， 将图1 的破煤轨迹简化并分为若干便于计算的区域， 建立出数学模型如图2 所示。 图2 截齿破煤轨迹的数学模型 F i g ．2 M a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o a lc u t t i n gt r a j e c t o r yo fp i c k 图2 中，a 为截齿截割角度；J B 为截齿安装角度。 设滚筒筒毂中心至截齿齿尖的距离为R ，以￡s 后筒 毂的中心D ’到截齿齿尖作辅助圆，由于滚筒是以匀 速回转和牵引行进，则面积S 必然是环形0 6 c d 面积 的一半。 以D 点为中心建立直角坐标系，将环形0 6 c d 分 为础，出驴，砒，耐，Ⅱ6 i 五个区域，分别计算各区域 面积，最终将各面积相加即可得到环形区域的面积。 图2 中c 点是截齿齿尖与煤体的最初接触点，计 算S 。的面积，首先应确定c 点、d 点的坐标，以z ，y 轴 为基准，设c 点的横纵坐标分别为4 和B ，则A ，B 的 值分别为 f A 尺s i n 9 p n ，，、 I B R c 。s 9 I | B a ‘1 ’ 式中，9 为齿座与筒毂中心的连线与y 轴 垂直方向 的夹角。 设圆D 的解析表达式为 戈2 y 2 R 2 2 图2 中0 6 和D D ’的长度为滚筒牵引行进距离， 由前述内容可知滚筒牵引速度秽与截割时间￡，设行 进距离为C ，则C 的表达式和圆D ’的方程为 f c 一盖 3 【 戈一c 2 y 2 R 2 式中，C 为滚筒牵引行进距离，m ；秽为滚筒牵引速 度，Ⅱ∥m i n ；￡为截割时间，s 。 由于c 点、d 点纵坐标的值同为B ，根据圆D ’方 程可得到d 点横坐标，故利用定积分可求出区域c 如 的面积S ．为 s I IB v 伍2 一戈2d 戈 觑 舡c o s 素一毒厢孵岫“。㈩ 由图2 可知g 点坐标为 尺，0 ，则根据坐标关系 利用定积分求出区域e 始的面积S 为 s ， 。征丽一屈了出 譬【a r c c 。s 素⋯c c o s 孚一毒何了了【a K ∞8 百一盯∞0 81 r 万√“一戈 警瓣】l 二 。㈤ 根据，点横坐标可由圆D ’方程求出厂点纵坐标 的值，将扇形D ’矿面积减去三角形D ’矿面积即可得 到区域泓的面积S ，为 s ，划a r c t a n 迈掣一 R c 撕r 彳矿巧F 6 确定6 点坐标需要根据截齿在￡时间内转过的 角度计算，由图l 已知滚筒的转速几，将截齿旋转角 度以D 表示，则D 的值为 D 6 眦 7 式中，n 为滚筒转速，r ／m i n ；D 为滚筒旋转角度， 。 。 已知c 点坐标，则由截齿旋转角度D 可以得到6 点的横纵坐标，进而利用定积分求得区域蛔的面 积S 。为 s 。2L 呐。。釉 ／R 2 一 x c 2 一瓶2 一戈2 拈 譬[ a r c c 。s 素一a r c c 。s 生≠一素撕日了【a r c c o s 百一a r c c o sT 一万√代一x 争瓣心扣⋯。翱 8 万方数据 煤炭学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 通过6 点坐标易得。点坐标，则利用定积分求出 区域。何的面积S ，为 s ， J f i i 墨 。R s i n 。一a r c t a n 鲁 一 撕阿如 舭s i n D a r c t a n 鲁 譬 a r c c 。s 素一 毒厨慷篡_ ㈩ 经上述计算求解可得到传统破煤方式的单截 齿在时间￡内的破煤理论面积。而在图1 中预裂辅 助冲击截齿的往复冲击作用还额外造成了煤体的 破坏，为计算截齿截割过程中由于冲击运动产生的 额外破煤面积，首先应确定截齿在时间￡内的冲击 次数入，设截齿的冲击频率为肛，则截齿的冲击次数 为 | L [ 彬] 1 0 式中，[ 彬] 为不超过两数乘积的最大整数。 由于截齿每次往复冲击运动的时间极短，在截齿 单次冲击过程中滚筒牵引及回转运动对其运动方向 的变化几乎没有影响，且考虑到截齿的冲击运动是为 了对煤体产生预裂作用，而非截割作用，故可以将截 齿每次冲击后的额外破煤区域简化为等腰梯形如图 3 所示。 图3额外破煤面积的数学模型 F i g ．3 M a t h e m a t i c a lm o d e lo fe x t r ac o a lb r e a k i n ga r e a 图中梯形的上底d 。是截齿齿尖合金头达到最大 冲击行程后与煤体接触的部分，因已将截齿冲击产生 的额外破煤区域简化为等腰梯形，即忽略掉极短时间 内滚筒牵引与回转运动对其产生的影响，故可将d 。 长度认定为截齿齿尖合金头的直径，日是由截齿在冲 击的过程中继续进行回转运动所产生，图3 中的两个 9 相加即为截齿在单次往复运动的时间内旋转的角 度，设截齿的单次往复冲击时间为￡，，则可得到9 的 表达式为 9 3 眦， 1 1 图3 中梯形两腰是由截齿最大冲击行程Z ．和截 齿单次冲击至最大行程用时内牵引行进的距离叠加 而成，故易得梯形面积，设截齿长度为Z ，截齿末端直 径为d ，则根据截齿在时间￡内的冲击次数可进一步 求得因冲击运动造成煤体额外破坏的总面积- s 。为 s 。会k 掣忆”i n 。1 二L ‘ J f l 秽￡1 c o s9 1 2 最终综合以上表达式，得到预裂辅助冲击截齿在 时间￡内的破煤轨迹曲线所围成的二维面积s 为 PS l S 2 S 3 S 4 S 5 ．S 6，1 ，、 - 一_ 一 Ll j ， 对截齿破煤作用面积理论分析的意义在于，根据 理论面积与截齿三维模型的实际截割厚度可以得到 截齿破煤的理论破煤体积，经理论公式计算得到的破 煤体积必然比粗略计算破煤体积的准确度高很多，因 为预裂辅助冲击截齿是新型破煤方式，针对的是硬 煤、黏煤的恶劣煤质工况，所以对此进行精确的分析 才更有实际意义。另一方面，将后文仿真得到的模拟 破煤体积与理论破煤体积进行比对，可以得到不同工 况下的破煤颗粒实际占比，也从侧面提出了一种新的 截割性能评价。 2 预裂辅助冲击截齿破煤的离散元模型建立 2 ．1 单截齿滚筒建模及煤壁模型设计 2 ．1 ．1 单截齿滚筒模型建立 由于对截齿的破煤轨迹分析从回转、牵引和冲击 3 种运动方式综合考虑，则对单个截齿的破煤特征分 析应以滚筒为载体，同时因离散元模拟中关于几何体 三维模型的分析较为理想化，不会产生偏载现象而进 一步影响仿真结果，故利用S o l i d w o r k s 软件建立单截 齿简化模型如图4 所示。 图4 单截齿滚筒模型 F i g ．4 M o d e lo fs i n g l ep i c k 1 n J m 单截齿滚筒的模型尺寸参数如图4 所示，其中筒 毂直径为7 5 0m m ，齿座距滚筒中心的垂直距离为 1 1 5m m ，截齿齿尖至滚筒中心的长度为5 8 lm m ，截 齿安装角度为3 5 。。 2 ．1 ．2 煤壁整体形状设计与模拟方案确定 在截齿破煤特征分析的离散元模拟中，另一主要 万方数据 第1 0 期张强等预裂辅助冲击截齿的破煤特性 研究对象是由若干颗粒元堆积而成的煤壁模型，在建 立煤壁模型前，应设计煤壁的整体形状，考虑到破煤 工具为单截齿滚筒，为了在防止筒毂本身直接接触到 煤体的条件下，保证较好的模拟效果，故设定煤壁已 被理想化截割一定时间，其破坏区域恰好为单截齿滚 筒的大小，根据单截齿滚筒的尺寸参数，得到仿真所 采用煤壁模型的形状如图5 所示。 图5 煤壁整体形状 F i g ．5 W h o l es h a p eo fc o a l w a J l 2 ．1 ．3 煤壁模型预填充 为建立单截齿滚筒的截割模型，且保证每种 工况下除煤体内部参数外均完全相同，首先需要 在E D E M 离散元分析软件中预先生成对应形状的 颗粒集合体。 1 全局设置 接触模型H e r t z M i n d l i n 方式，添加2 种材料分 别为煤与钢，为防止这一情况颗粒元接触重叠量过 大，将煤材料的剪切模量设定为8 0C P a ，煤与煤之间 的两项摩擦因数均设定为O ．0 0 l 。 2 粒子模型设置 颗粒元半径设置为2 5m m ，接触半径通常为颗粒 元半径的1 ．1 倍ⅢJ ，故设为2 7 ．5m m 。 3 几何体模型设置 在S e c t i o n s 处导入图5 所示的煤壁整体模型，设 定模型的材料为煤，其余保持默认。 4 颗粒工厂设置 添加几何体设置中导入的煤壁三维模型为颗粒 工厂，其余保持默认。 设定时间步长为3 0 ％，网格大小设定为3 R 。。，最 终得到稳定填满的煤壁模型如图6 所示。 图6 煤壁模型 F i g ．6 C o a lw a Um o d e l 2 ．2 煤壁硬度与黏度的参数设定 2 ．2 ．1E D E M 的颗粒接触模型选择 预填充的煤壁模型虽较为规整，但颗粒元仅在边 界条件约束下紧凑堆积，若去掉边界条件会导致颗粒 集合体松散破坏，为使各颗粒元共同构成完整的煤壁 模型，同时表达出煤壁的坚硬特征或黏性特征，需要 重新设定颗粒接触模型。 采用颗粒间内力代替边界约束力来限制颗粒运 动的方法，在所有接触模型中，H e r t M i n d l i nw i t h b o n d i n g 与L i n e a rC o h e s i o n 可在颗粒元间生成黏结 键，若黏结键被破坏，则恢复弹性接触模型自由运动。 由于L i n e a rC o h e s i o n 模型只计算黏结键所受法向力， 与煤壁实际物理特征不符，所以选择H e n M i n d l i n w i t hb o n d i n g 作为颗粒元的黏结模型。该模型生成的 黏结键可同时受到外力的法向和切向作用，黏结键产 生后会随模拟过程中外力的作用实时更新黏结力F 与力矩T ，其计算方法Ⅲo 为 6 F 。 一秽。S 。A 6 ￡ 6 F 。 一秽，S 。∞￡ 6 T 。 一 o 。J s 。J 6 ￡ 6 r 一∞，s 。知￡ 1 4 A 1 T 尺2 ， 娑 式中，秽。，秽，为颗粒的法向、切向速度，r n ／s ；S 。，s ，为黏 结键的法向、切向刚度，N ／m 3 ；R 为黏结半径，m ；6 ￡为 时间步长，s ；4 为单位接触面积，m m 2 ；I ，为极惯性 矩，m m 4 ；叫，，为颗粒元的法向旋转角速度；叫，为颗粒 元的切向旋转角速度；T 。为黏结键的法向力矩；r 为 黏结键的切向力矩；F 。为黏结键的法向黏结力；F ，为 黏结键的切向黏结力。 随着黏结力与力矩的不断更新，当黏结键受力超 过所设定的极限法向应力盯。。。或切向应力丁。、时即 被破坏，其判断条件的计算方法为 吒一 专 岁尺 ㈤， ‰√竿弓R 一 综合式 1 4 和 1 5 可知，对于单截齿滚筒的破 煤仿真，截齿接触煤壁将力传递到煤壁模型内部后， 根据牛顿第二定律，力的传导作用会引起若干颗粒元 的加速度变化，进而改变法向、切向的运动速度，最终 通过离散元计算方法判断黏结键是否被破坏，即煤壁 是否被破坏，若破坏区域在煤壁内部且范围不大，则 万方数据 3 2 1 4 煤炭学报 2 叭9 年第4 4 卷 反映的是煤壁内部产生裂隙破坏，若破坏区域延伸至 煤壁外部，则反映的是块煤产生剥离破坏。 2 ．2 ．2 硬度黏结参数的确定 煤体的硬度属性主要以普氏系数．厂值作为衡量 标准，为使本文研究更具实际意义，以芦，∥，声做为 煤壁模型的硬度值，并以这3 个硬度普氏系数为参考 建立相关黏结参数。 黏结键法向刚度S 。与弹性模量E 关联，切向刚 度S ，与剪切模量G 关联，其计算方法为 r 、E 3 n 2 i ，1 1 6 c 一旦 L ‘一L 式中，￡为颗粒间距，m 。 由于颗粒元的接触半径为2 7 ．5m m ，颗粒间距为 两个相邻颗粒元中心的距离，则与式 1 6 所对应的 颗粒间距为0 ．0 5 5m 。另一方面，黏结键的极限法向 强度即表示煤体的极限抗压强度盯。，可根据普氏系 数与抗压强度的经验关系式副求得3 种煤壁硬度下 的极限抗压强度分别为4 0 ，5 0 ，6 0M P a ，同时又有 盯，盯I 丁 1 0 0 3 ～1 0 1 0 ～4 0 1 7 式中，仃。为极限抗拉强度；丁为极限抗剪强度。 由式 1 7 可得到其余两种极限强度的范围，至 此确定了所有黏结参数的设定标准，但考虑到仅有煤 体的硬度值作为已知量，故而从煤体的三向极限强度 切入，在常见煤层地质条件中选取极限强度在合理范 围内的煤系为参考，进而得到模拟中煤材料的本构参 数及各硬度下的黏结参数。 表1 为某矿区的煤层力学参数，在三向极限应力 强度的选择上，由于表中只给出煤体的抗拉强度，故 首先确定不同硬度下煤体的抗拉强度取值范围，根据 式 1 7 ，得到硬度值为．芦时抗拉强度取值范围是 1 ．2 ～4 ．0M P a ，硬度值为．．7 5 时取值范围是1 ．5 5 ．0M P a ，硬度值为声时取值范围是1 ．8 6 ．0M P a 。 为使不同硬度的煤壁模型更具对比性，进一步将3 种 硬度下的抗拉强度取值范围缩小到3 ～4 ，4 ～5 ，5 6M P a ，若表中超过一种煤系符合取值范围，则选择 弹性模量即煤体刚度更大的煤系序号。 表l 煤系力学参数 T a b l e1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fc o a lm e a s u r 船 最终确定分别以6 ，4 ，1 号煤系作为硬度值分别 为芦√5 和声的煤质条件。为排除由煤颗粒密度不 同造成煤壁模型结构产生较大变化的因素，设定3 种 硬度下的煤颗粒密度相同，故最终得到不同硬度条件 下黏结键参数见表2 。 2 ．2 ．3 黏度黏结参数的确定 本文研究的黏性煤既非原煤燃烧时的黏性，也非 煤层开采时碎煤附着于截齿表面的黏性，而是指煤体 内部韧性的程度，即煤壁受到变形破坏后不一定产生 剥离破坏。传统机械破煤方式往往很难完全破坏煤 体内部的黏性，若盲目增加截割功率无疑会提高破煤 工作的成本，预裂辅助冲击截齿可以利用截齿高强度 的往复冲击不断破坏煤体内部黏性，虽然在煤体内 部的黏性阻力下，其裂隙发育程度可能减弱，但截 齿的冲击作用已令黏性失效，进而达到高效开采的 效果。 万方数据 第1 0 期张强等预裂辅助冲击截齿的破煤特性 3 2 1 5 表2 不同硬度下的材料参数与黏结参数 T a b l e2 】Ⅵa t e r i a lp a r a m e t e r sa n db o n d i n gp a r a m e t e r s u n d e rd i f f b r e n th a r d n e s s 罗汀、姚仰平等‘1 9 1 基于s M P 准则得到了适用于 黏性固体材料的平面应变强度公式，通过引入材料的 黏聚力和摩擦角计算出黏性材料的三向极限应力值， 即 盯v5 盯v 盯0 盯l2 盯l 盯。 1 8 72 丁 盯O 盯o c c o t ‘；p 式中，c 为黏聚力，M P a ；妒为摩擦角， 。 ；盯。为黏性 条件下的新极限抗压强度；仃．为黏性条件下的新极 限抗拉强度；盯。为黏性条件下的额外三向强度值；丁 为黏性条件下的新极限抗剪强度。 根据式 1 8 并结合表1 可知，各序号煤系之间 的盯。相差不大，为突出煤壁模型的黏性属性，应尽量 选择硬度较低、黏聚力较大且摩擦角较小的煤系序 号，再从表中筛选3 个最大的黏聚力数值做为3 种黏 度，最终确定以序号1 0 煤系为煤壁模型的材料参数 标准，选择摩擦角为2 0 0 ，3 种黏度下的黏聚力分别为 1 ．2 0 ，1 ．8 8 和2 ．6 0M P a 。 将3 种黏度下的黏聚力和摩擦角代人式 1 8 ， 得到不同黏度下的盯。约为3 ．2 9 7 ，5 ．1 6 5 和 7 ．1 4 3M P a 。在煤体三向极限强度的确定上，根据 式 1 7 计算出合理范围内最大的强度值，根据序号 1 0 煤系的抗拉强度盯．为O ．6 4M P a ，得到该条件下煤 体的盯。，丁约为2 1 ．3 3 3M P a 和8 ．5 3 3M P a 。将各项 本构参数代人式 1 6 求得煤体的刚度，并通过 式 1 8 得到三向应力强度的新值，最