一种井下煤仓装煤过程中仓壁受力特征的模拟方法

摘要

本发明属于煤仓模拟仿真技术领域，具体一种井下煤仓装煤过程中仓壁受力特征的模拟方法。包括以下步骤，S100～煤仓模型的建立；S200～煤块模型的建立；S300～材料参数的标定：标定的参数包括材料的本征参数以及煤块间、煤块与煤仓围岩壁间的基本接触参数；S400～确定模拟的外部环境及时间步长参数，进行模拟分析，然后通过后处理，最后导出不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布规律，并实现应力分布规律的可视化。本发明可以提前探知危险区域并做出相应的设计优化改进，大大的提高了煤仓设计的效率及安全性，减少了实验投入，缩短了实际施工工期，能为企业带来巨大的经济效益。

权利要求

1.一种井下煤仓装煤过程中仓壁受力特征的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，S100～煤仓模型的建立；

首先，根据煤仓设计手册及施工设计，获得煤仓与皮带输送机的位置及尺寸参数之间的数学关系，从而按工程实际进行参数化建模，以准确模拟出煤仓模型特征；然后，在三维绘图软件SOLIDWORKS中，逐一绘制煤仓围岩壁，皮带输送机，漏斗面的三维实体模型，保存并输出*.STEP格式文件，之后导入WORKBENCH软件进行网格单元的划分；最后，将模型文件通过*.STL格式文件导入至EDEM程序中进行后续环节的分析；

S200～煤块模型的建立；

首先，根据皮带输送机运输煤块的形状，设定煤块的三维模型模板；根据皮带输送机运输煤块的大小分布比例，设定煤块模板的大小分布比例；根据皮带输送机运输煤块的速度，设定煤块生成的速度，最后在EDEM程序中输入设计好的颗粒工厂参数，准确模拟出实际装煤过程中，皮带输送机运输煤块的过程；

S300～材料参数的标定：标定的参数包括材料的本征参数以及煤块间、煤块与煤仓围岩壁间的基本接触参数；

在EDEM程序中的材料参数的标定，基本特征参数包括材料密度，泊松比，弹性模量；基本接触参数包括碰撞恢复系数，静摩擦力及滑动摩擦力；材料间的接触模型参数，其中通过自由下落实验测量标定煤块间、煤块与煤仓围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系数，通过滑板实验测量标定煤块与煤仓围岩壁间的摩擦系数，通过虚拟实验进行参数匹配模拟标定接触模型参数；

S400～确定模拟的外部环境及时间步长参数，进行模拟分析，然后通过后处理，导出不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布规律，实现应力分布规律的可视化；

根据皮带输送机的运输速度，选择将煤块运至煤仓总容积三分之二时作为模拟时间段，并设置时间步长为固定的20%，选择每0.01秒作为输出数据的时间间隔，保存文件并进行模拟分析，得出装煤过程中，不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布特征；然后通过后处理，导出不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布规律的*.AXDT格式的结果文件，再通过ADD‑IN插件将EDEM程序导出的结果文件导入WORKBENCH软件，实现应力分布规律的可视化。

说明书

一种井下煤仓装煤过程中仓壁受力特征的模拟方法

技术领域

[0001] 本发明属于煤仓模拟仿真技术领域，具体一种井下煤仓装煤过程中仓壁受力特征的模拟方法。

背景技术

[0002] 煤块从采煤工作面的回采到运输至地面，既要保证采区工作效率，也得兼顾运输及提升效率，还需防止其它意外突发事件影响矿井开采效率，因此，需要井下煤仓的临时储存及转运功能保证生产系统的可靠性与稳定性。回采及掘进煤块通过皮带输送机运输至煤仓入口，堆积储存至煤仓中，再从底部的给煤口放出，通过皮带输送机或其它提升设备运至地面。随着高产高效矿区的生产需求，井下煤仓体积设计要求不断扩增，为保证煤仓装煤过程中围岩壁的稳定性，因此，需要对装煤过程中煤仓围岩壁应力分布进行探究，为煤仓结构、支护参数的设计提供依据。

[0003] 由于现场实际情况复杂性，可以采用模拟仿真的方法，根据现场数据，通过三维建模、颗粒离散元及有限元数值模拟技术的结合应用，能够准确的模拟出装煤的全过程，并能够获得在装煤过程中的不同时刻，煤块的堆积作用于煤仓围岩壁的应力分布规律。根据应力分布规律，提前探知危险区域并做出相应的设计优化改进，大大的提高煤仓设计的效率及安全性，减少实验投入，缩短实际施工工期，能为企业带来巨大的经济效益。

发明内容

[0004] 本发明为了解决上述问题，提供一种井下煤仓装煤过程中仓壁受力特征的模拟方法。

[0005] 本发明采取以下技术方案：一种井下煤仓装煤过程中仓壁受力特征的模拟方法，包括以下步骤，S100～煤仓模型的建立；S200～煤块模型的建立；S300～材料参数的标定：标定的参数包括材料的本征参数以及煤块间、煤块与煤仓围岩壁间的基本接触参数；S400～确定模拟的外部环境及时间步长参数，进行模拟分析，然后通过后处理，最后导出不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布规律，并实现应力分布规律的可视化。

[0006] 步骤S100中，首先，根据煤仓设计手册及施工设计，获得煤仓与皮带输送机的位置及尺寸参数之间的数学关系，从而按工程实际进行参数化建模，以准确模拟出煤仓模型特征；然后，在三维绘图软件SOLIDWORKS中，逐一绘制煤仓围岩壁，皮带输送机和漏斗面的三维实体模型，保存并输出*.STEP格式文件，之后导入WORKBENCH软件进行网格单元的划分；最后，将模型文件通过*.STL格式文件导入至EDEM程序中进行后续环节的分析。

[0007] 步骤S200中，首先，根据皮带输送机运输煤块的形状，设定煤块的三维模型模板；根据皮带输送机运输煤块的大小分布比例，设定煤块模板的大小分布比例；根据皮带输送机运输煤块的速度，设定煤块生成的速度。最后在EDEM程序中输入设计好的颗粒工厂参数，准确模拟出实际装煤过程中，皮带输送机运输煤块的过程。

[0008] 步骤S300中，在EDEM程序中的材料参数的标定，基本特征参数包括如材料密度，泊松比，弹性模量；基本接触参数包括如碰撞恢复系数，静摩擦力及滑动摩擦力；接触模型参数。其中通过自由下落实验测量标定煤块间、煤块与煤仓围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系数，通过滑板实验测量标定煤块与煤仓围岩壁间的摩擦系数，通过虚拟实验进行参数匹配模拟标定接触模型参数。

[0009] 步骤S400中，根据皮带输送机的运输速度，选择将煤块运至煤仓总容积三分之二时作为模拟时长，并设置时间步长为固定的20%，选择每0.01秒作为输出数据的时间间隔，保存文件并进行模拟分析，得出装煤过程中，不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布特征；然后通过后处理，导出不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布规律的*.AXDT格式的结果文件，再通过ADD‑IN插件将EDEM程序导出的结果文件导入WORKBENCH软件，实现应力分布规律的可视化。

[0010] 与现有技术相比，本发明采用模拟仿真的方法，根据现场数据，通过三维建模、颗粒离散元及有限元数值模拟技术的结合应用，能够准确的模拟出装煤的全过程，并能够获得在装煤过程中的不同时刻，煤块的堆积作用于煤仓围岩壁的应力分布规律。根据应力分布规律，可以提前探知危险区域并做出相应的设计优化改进，大大的提高了煤仓设计的效率及安全性，减少了实验投入，缩短了实际施工工期，能为企业带来巨大的经济效益。

附图说明

[0011] 图1是本发明应用实例的工作流程图；

[0012] 图2是本发明应用实例的超大直径井下煤仓的SOLIDWORKS三维实体模型示意图；

[0013] 图3是本发明应用实例的超大直径井下煤仓的SOLIDWORKS三维实体模型正视图；

[0014] 图4是本发明应用实例的EDEM离散元模拟仿真过程图I；

[0015] 图5是本发明应用实例的EDEM离散元模拟仿真过程图II；

[0016] 图6是本发明应用实例的后处理中导出煤仓围岩壁应力分布规律的结果文件；

[0017] 图7是本发明应用实例根据应力分布规律的结果文件，通过插件导入有限元分析软件WORKBENCH中展示井下煤仓装煤过程中仓壁受力分布的特征图；

[0018] 图8是图7的下部放大图；

[0019] 图例说明：其中1表示漏斗面，2表示皮带输送机，3表示煤仓，4表示的颗粒工厂，5表示煤块，6表示力的分布（其中箭头表示力的方向，长度表示力的大小）。

具体实施方式

[0020] 参照附图说明实施方案1一种井下煤仓装煤过程中仓壁受力特征的模拟方法，包括以下步骤。

[0021] S100～煤仓模型的建立：首先，根据煤仓设计手册及施工设计，获得煤仓与皮带输送机的位置及尺寸参数之间的数学关系，从而按工程实际进行参数化建模，以准确模拟出煤仓模型特征；然后，在三维绘图软件SOLIDWORKS中，逐一绘制煤仓围岩壁，皮带输送机和漏斗面的三维实体模型（如图2，其中1表示漏斗面，2表示皮带输送机，3表示煤仓），保存并输出*.STEP格式文件，之后导入WORKBENCH软件进行网格单元的划分；最后，将模型文件通过*.STL格式文件导入至EDEM程序中进行后续环节的分析。

[0022] S200～EDEM程序中煤块模型的建立：首先，根据皮带输送机运输煤块的形状，设定煤块的三维模型模板；根据皮带输送机运输煤块的大小分布比例，设定煤块模板的大小分布比例；根据皮带输送机运输煤块的速度，设定煤块生成的速度。最后在EDEM程序中输入设计好的颗粒工厂参数，准确模拟出实际装煤过程中，皮带输送机运输煤块的过程。（如图3，其中1表示漏斗面，2表示皮带输送机，3表示煤仓，4表示颗粒工厂，5表示煤块）。

[0023] S300～EDEM程序中的材料参数的标定：标定的参数包括材料的本征参数，如密度、泊松比和弹性模量，这些参数是材料自身的特征参数，从文献和手册中查得；包括煤块间、煤块与煤仓围岩壁间的基本接触参数，如碰撞恢复系数、静摩擦系数、滑动摩擦系数；包括接触模型参数（其中通过自由下落实验测量标定煤块间、煤块与煤仓围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系数，通过滑板实验测量标定煤块与煤仓围岩壁间的摩擦系数，通过虚拟实验进行参数匹配模拟标定接触模型参数。）。

[0024] S400～EDEM程序中模拟计算及后处理：根据皮带输送机的运输速度，选择将煤块运至煤仓总容积三分之二时作为模拟时间段，并设置时间步长为固定的20%，选择每0.01秒作为输出数据的时间间隔，保存文件并进行模拟分析，得出装煤过程中，不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布特征；然后通过后处理，导出不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布规律的*.AXDT格式的结果文件，再通过ADD‑IN插件将EDEM程序导出的结果文件导入WORKBENCH软件，实现应力分布规律的可视化。（如图5，其中1表示漏斗面，2表示皮带输送机，3表示煤仓，6表示力的分布）。

[0025] 在模型的建立过程中，首先，要根据实际煤仓及皮带输送机的大小及位置参数之间的数学关系，按工程实际在SOLIDWORKS软件中逐一建立模型，以准确模拟出煤仓模型特征；再通过WORKBENCH软件划分网格后，通过软件数据传输接口，将网格文件导入EDEM程序中，进行后续的模拟分析。

[0026] 对于煤块模型的建立，首先，根据皮带输送机运输煤块的形状，设定煤块的三维模型模板；根据皮带输送机运输煤块的大小分布比例，设定煤块模板的大小分布比例；根据皮带输送机运输煤块的速度，设定煤块生成的速度。最后在颗粒工厂输入数据，准确的模拟出装煤过程中皮带输送机运输煤块至煤仓入口，下落并堆积的过程。

[0027] 参数标定中，首先，确定材料的基本特征参数设置，如材料密度，泊松比，弹性模量；然后，确定不同材料之间的接触参数，主要包括煤块与煤块之间，煤块与煤仓围岩壁之间的接触参数，如碰撞恢复系数，静摩擦力及滑动摩擦力；还包括材料之间的接触模型参数（其中自由下落实验测量标定煤块间、煤块与煤仓围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系数，通过滑板实验测量标定煤块与煤仓围岩壁间的摩擦系数，通过虚拟实验进行参数匹配模拟标定接触模型参数。）。

[0028] 模拟过程中，根据皮带输送机的运输速度，选择将煤块运至煤仓总容积三分之二时作为模拟时间段，并设置时间步长为固定的20%，选择每0.01秒作为输出数据的时间间隔，保存文件并进行模拟分析，得出装煤过程中，不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布特征。

[0029] 实施方案1以一个50m深的超大直径井下煤仓为例，对本发明作进一步说明。

[0030] 1).煤仓模型的建立：首先，根据煤仓设计手册及施工设计，获得煤仓与皮带输送机的位置及尺寸参数之间的数学关系，从而按工程实际进行参数化建模，以准确模拟出煤仓模型特征；然后，在三维绘图软件SOLIDWORKS中，按照模型参数关系逐一绘制煤仓围岩壁，皮带输送机和漏斗面的三维实体模型(如图2，其中1表示漏斗面，2表示皮带输送机，3表示煤仓)。

[0031] 2).煤仓模型的数据传输：将SOLIDWORKS软件中的模型文件以*.STEP格式导出保存，再将模型文件导入至WORKBENCH软件中，进行网格单元的划分；最后将模型以*.STL格式文件导入至EDEM软件中进行后续环节分析。

[0032] 3).EDEM程序中煤块模型的建立：根据皮带输送机运输煤块的形状，设定煤块的三维模型模板；根据皮带输送机运输煤块的大小分布比例，设定煤块模板的大小分布比例；根据皮带输送机运输煤块的速度，设定煤块生成的速度。最后在EDEM程序中输入设计好的颗粒工厂参数，准确模拟出实际装煤过程中，皮带输送机运输煤块的过程。（如图3，其中1表示漏斗面，2表示皮带输送机，3表示煤仓，4表示颗粒工厂，5表示煤块）。

[0033] 4).EDEM程序中的材料参数的标定：标定的参数包括材料的本征参数，如密度、泊松比和弹性模量，这些参数是材料自身的特征参数，从文献和手册中查得；还包括煤块间、煤块与煤仓围岩壁间的基本接触参数，如碰撞恢复系数、静摩擦系数、滑动摩擦系数；材料间的接触模型参数（其中通过自由下落实验测量标定煤块间、煤块与煤仓围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系数，通过滑板实验测量标定煤块与煤仓围岩壁间的摩擦系数，通过虚拟实验进行参数匹配模拟标定接触模型参数。）。

[0034] 5).应力分布规律模拟计算及后处理：根据皮带输送机的运输速度，选择将煤块运至煤仓总体积三分之二的体积容量时作为模拟时间段，并设置时间步长为固定的20%，选择每0.01秒作为输出数据的时间间隔，保存文件并进行模拟分析，得出装煤过程中，不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布特征；然后通过后处理，导出不同装煤时刻，煤块作用于煤仓围岩壁的应力分布规律的*.AXDT结果文件（如图4），通过ADD‑IN插件将EDEM程序导出的结果文件导入WORKBENCH软件，实现应力分布规律的可视化（如图5，其中1表示漏斗面，2表示皮带输送机，3表示煤仓，6表示力的分布）。