不同储煤量工况下煤仓围岩稳定性数值模拟分析研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）；天地科技开采设计事业部自立项目（）作者简介：王永明（），男，山东邹城人，高级工程师，硕士，主要从事矿井生产技术管理工作。引用格式：王永明，雷顺，张弘毅 不同储煤量工况下煤仓围岩稳定性数值模拟分析研究 能源与环保，（）：，（）：不同储煤量工况下煤仓围岩稳定性数值模拟分析研究王永明，雷顺，张弘毅（中煤科工开采研究院有限公司，北京 ；天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 ；南方科技大学 理学院数学系，深圳 ）摘要：煤仓稳定性对整个矿井的高效生产至关重要。提出了一种离散元和有限元相结合的技术分析方法，用于研究不同储煤量对煤仓围岩稳定性的影响。首先，使用离散元仿真分析提取了散体煤块颗粒作用于仓壁的应力数据；然后，将这些节点应力数据重新加载到有限元仿真分析中的煤仓壁对应节点，从而实现了煤仓储煤量分布应力对煤仓围岩稳定性的分析。研究结果表明，在煤仓满载时，底部料斗连接处水平位移较大；此外，随着储量的增加，垂直位移也不断增加。该研究提供了煤仓设计施工的指导，并为散体颗粒应力表征和重加载的研究提供了新思路。关键词：煤仓；储煤量；围岩稳定性；离散元；有限元中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；冲击灾害防治一直是岩层控制研究的难点和热点 ，同时围岩变形与破坏时间尺度存在差异 ，井下煤仓使用过程中，存在煤流冲击破坏 ，损坏后影响矿井效益且修复繁琐、耗时长 ，煤仓直径及高度直接影响到仓储容量和冲击能的大小，且长期处于反复储存、冲击的工作状态。井下煤仓布置的空间位置相对特殊，一般作为矿井平衡主运煤流的均衡器，与其相连接的上下仓硐室、给煤机头硐室巷道等形成了矿井生产系统中最复杂的空间硐室群，且使用年限长，一般同矿井或采（盘）区服务年限。因此，保障井下煤仓的可靠性与稳定性具有重要意义。井下煤仓直径一般为 ，随着矿井产能的不断提高，井下煤仓容积及尺寸随之不断增大，有的直径达 以上，因而对大直径煤仓 年第 期王永明，等：不同储煤量工况下煤仓围岩稳定性数值模拟分析研究第 卷的结构稳定性研究愈发重要 。为研究不同储煤量工况下煤仓围岩稳定性，本文基于离散元与有限元相结合的分析方法，模拟分析煤仓在不同运行工况下仓壁应力分布及煤仓围岩稳定性，根据分析结果对应力分布集中区域进行补强施工设计。解决了井下煤仓因“空间硐室群”受力叠加、理论计算困难，而多以文献 中经验公式验算的问题，为保证大直径煤仓在装煤及放煤过程中仓壁围岩的稳定性提供了解决思路和方法。该方案能有效降低物理实验投入并缩短设计周期 ，提高煤仓安全稳定性，为其设计、建造、使用提供了应对措施和方法。离散元与有限元相结合的分析 原理介绍为研究不同运行工况下煤仓壁应力分布规律及围岩稳定性，可以通过离散元与有限元分析相结合的技术方法。采用离散元模拟方法，获取散体煤块颗粒堆积应力分布数据，再对应加载至有限元程序后进行煤仓围岩稳定性分析，整个模拟分析流程可靠，分析结果准确度更高。原理分析流程如图 所示。具体研究流程包括三维建模、离散元仿真分析、有限元仿真分析和方案优化设计 个步骤。图 原理分析流程 由 程序完成煤仓围岩、煤仓和煤块三维模型的建立；离散元仿真主要通过 程序进行，通过模拟仿真装卸煤过程中煤仓实际运行工况，结合煤块和仓体模型导出不同储煤量工况下煤仓壁节点应力分布数据；有限元仿真分析通过 程序进行，结合仓体及围岩整体模型，将上一步骤中节点应力分布数据结果进行重加载，从而实现对不同储煤量工况下的煤仓围岩稳定性分析；最后，根据煤仓围岩稳定性分析结果，对应力集中分布区域进行对应优化及补强方案设计。通过离散元与有限元相结合的数值模拟仿真分析，可为大直径煤仓研究设计及施工方案提供依据。模型建立综上，通过查阅煤仓设计及工程地质资料，优化仓体及煤仓围岩整体结构，简化力学结构模型，并于 程序中绘制煤仓及围岩整体的三维模型 。煤仓及围岩整体的三维模型如图 所示。考虑边界效应，将围岩整体模型尺寸设置为边长 的立方体结构，立方体选取固定边界，煤仓体结构设于整个围岩模型的中部，且煤仓上下均布置有硐室和巷道。煤仓仓体直径设置为 ，仓体高度设置为 。图 煤仓及围岩整体三维模型 煤仓运行工况离散元仿真在 离散元程序中，结合煤块及仓体模型，通过设置颗粒参数表征煤块，从而实现对煤仓装卸煤工况进行仿真分析。程序中所需煤块和仓体模型的物理及接触参数见表 。其中，材料密度、泊松比、弹性模量等基本特征参数可通过物理实验直接测得；碰撞恢复系数、静摩擦力及滑动摩擦力等接触参数难以通过物理实验直接测出，则可通过参数标定获得。如：通过自由下落实验测量标定煤块间、煤块与煤仓围 年第 期能源与环保第 卷岩壁间的碰撞恢复系数，通过坍塌实验和堆积角实验测量标定煤块间的摩擦因数，通过滑板实验测量标定煤块与煤仓围岩壁间的摩擦因数。表 颗粒参数设置 材料密度（）剪切模量 泊松比碰撞恢复系数静摩擦因数滚动摩擦因数煤块 仓体 参数设置完成后，在煤仓顶部设置“颗粒工厂”，通过连续生成煤块颗粒落入煤仓内部，用以表示回采煤块通过胶带输送机运至煤仓临时储存过程。储煤高度分别为、时煤仓运行工况如图 所示。依次编号为存煤、存煤、存煤、存煤 和存煤 工况，便于后文进行分析。图 不同储煤量模拟工况 节点应力分布数据提取及重加载在 的后处理分析中，导出模型接触应力 数据。通过定位上述 种存煤工况所对应的模拟分析时刻，从相应 文件中提取出对应仓壁节点应力分布数据结果；之后通过数据处理将其作为节点应力数据源，导入 程序中并重加载至仓壁模型的对应节点。通过上述应力提取以及重加载过程，实现了对煤仓中散体煤块颗粒作用于煤仓壁应力分布数据的提取工作，之后将提取应力重加载至有限元分析中煤仓模型仓壁对应节点进行稳定性分析。通过该技术分析方法，简单且准确地实现了不同储煤量对煤仓围岩稳定性的分析过程。程序中仓壁节点应力重加载如图 所示。图 中，箭头方向表示节点加载应力方向。由图 可知，不同工况下，随着储煤量的增加，仓壁节点应力对应加载高度增加。图 不同储煤量下仓壁节点应力加载示意 煤仓及围岩稳定性分析对煤仓壁进行节点应力重加载后，通过 程序模拟分析 种储煤量工况下煤仓及围岩稳定性。由于不同工况下围岩水平位移云图分布趋势基本相同，限于篇幅，仅对存煤 工况下煤仓围岩水平位移云图进行分析。煤仓围岩水平位移云图如图 所示。由图 可知，围岩模型最大位移分布于上下巷道硐室中部位置以及煤仓仓体底部料斗连接处附近一小块区域，其水平位移最大可达 ；同时，位于煤仓中其他部位的水平位移量较低，大约 左右；煤仓底部水平位移量随着高度增加而逐渐降低。图 煤仓及围岩整体水平位移云图 年第 期王永明，等：不同储煤量工况下煤仓围岩稳定性数值模拟分析研究第 卷为进一步研究不同储煤量工况下对煤仓围岩稳定性的影响，在煤仓底部料斗壁和硐室顶板位置分别选取测点，提取不同储煤量工况下煤仓围岩垂直位移并进行分析。如图 所示，于模型中区段 红线位置均匀选取 个测点，提取垂直位移数据；于模型中区段 红线位置均匀选取 个测点，提取垂直位移数据。之后，将提取垂直位移数据分别绘制成点线图，以分析不同储煤量工况对煤仓围岩垂直位移的影响。区段 和区段 测点垂直位移分布如图 所示。其中，条形图显示为未存煤时煤仓测点初始位移，点线图显示为 种储煤量工况下煤仓围岩对应位置垂直位移。由图 可知，较低的储煤量对煤仓的垂直位移影响较小（仓壁垂直位移 ，相对未装煤时垂直位移增大 ）；同时，随着储煤量的增加，煤仓料斗部位垂直位移不断增加（仓壁垂直位移增高至 ，相对未装煤时垂直位移增量 ），底部硐室顶图 垂直位移测点选取位置 板垂直位移也不断增加。总体上，煤仓中不同储煤量对于煤仓围岩稳定性影响较小。图 区段测点垂直位移分布 结论（）通过离散元与有限元相结合的技术分析方法，不仅能够提取煤仓应力分布数据，还能够通过重加载节点应力数据来分析煤仓围岩稳定性的影响。该方法的成功应用，为处理其他散体颗粒贮料应力分布数据提供了简单、可靠的分析思路。（）煤仓中储存的煤多少会影响其围岩的稳定性，随着储煤量的增加，煤仓围岩的位移逐渐增大。因此，在不影响煤仓围岩稳定性的情况下，可以考虑少放一些煤，以降低煤块冲击破坏仓壁的可能性。（）在储煤状态下，煤仓模型中位移最大的区域（即应力增高区域）位于底部料斗连接区附近的一个小区域。在施工设计时，应考虑对该区域的仓壁进行加强处理，以确保煤仓的正常运行。参考文献（）：康红普，徐刚，王彪谋，等 我国煤炭开采与岩层控制技术发展 及展望 采矿与岩层控制工程学报，（）：，（）：康红普 煤炭开采与岩层控制的时间尺度分析 采矿与岩层控制工程学报，（）：年第 期能源与环保第 卷 ，（）：唐德玉，段振铎 煤仓破坏的原因和设计的改进 煤炭科学技术，（）：，（）：唐德玉 井下煤仓下口结构设计改进 煤炭工程，（）：，（）：师同民，范智海 井底煤仓二次锚网索支护加固技术 煤炭科学技术，（）：，（）：，刘明银，伍永平 井底煤仓修复设计及工程实践 煤炭工程，（）：，（）：中国煤炭建设协会 煤矿立井井筒及硐室设计规范：北京：中国计划出版社，张荣立，何国纬，李铎 采矿工程设计手册 北京：煤炭工业出版社，马洪涛 大直径大垂高煤仓设计及施工技术 煤炭工程，（）：，（）：康丹，刘伟，张站群，等 大直径煤仓对主井稳定性的时效影响特性研究 煤炭技术，（）：，（）：刘明银，煤矿井底煤仓壁稳定性控制技术研究 山西焦煤科技，（）：，（）：莫积冲，庞建勇，张峰，等 复杂地质条件大直径煤仓围岩稳定性分析 建井技术，（）：，（）：伍永平，刘明银，解盘石，等 煤矿井底煤仓内散体颗粒三维结构分析 西安科技大学学报，（）：，（）：张锦旺，王家臣，魏炜杰，等 块度级配对散体顶煤流动特性影响的试验研究 煤炭学报，（）：，（）：吴生慧，王同林，宋学锋 基于 耦合法的转运站料仓壁面受力仿真分析 起重运输机械，（）：，（）：肖昭然，王军，何迎春 筒仓侧压力的离散元数值模拟 河南工业大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，肖国先 料仓内散体流动的数值模拟研究 南京：南京工业大学，徐宏民“锚网喷 混凝土”在煤仓施工中的应用 煤炭技术，（）：，（）：