基于YADE的綜放工作面進(jìn)刀放煤三維仿真

楊 藝，高 陽，羅開成，王科平，費(fèi)樹岷

（1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000；2.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450013；3.鄭州煤機(jī)液壓電控有限公司，河南 鄭州 450013；4.東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

我國煤碳資源豐富，其中厚煤層儲(chǔ)量占煤碳總儲(chǔ)量的45%以上，厚煤層產(chǎn)量占全國煤碳產(chǎn)量的40%～50%[1-2]。自20世紀(jì)80年代，綜合機(jī)械化放頂煤開采（簡稱綜放開采）引入我國，經(jīng)過近40年的礦生產(chǎn)實(shí)踐證明，綜放開采已成為我國厚煤層的主要開采方式[3]。但綜放開采普遍存在著頂煤采出率低，含矸率高的生產(chǎn)問題[4]。許多學(xué)者為提高頂煤采出率，對(duì)綜放開采相關(guān)規(guī)律進(jìn)行了研究，取得了許多重要的成果[5-12]。此外，綜放開采放煤工藝參數(shù)也是研究的熱點(diǎn)[13-17]。

針對(duì)綜放開采環(huán)境復(fù)雜，放煤口控制模型難以建立的問題，從智能決策控制角度出發(fā)，將綜放開采中放煤口動(dòng)作的控制看作馬爾可夫決策過程，并利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)免模型算法求解最優(yōu)策略，實(shí)現(xiàn)放煤口動(dòng)作的智能化。2019年，課題組提出了一種基于Qlearning模型的智能化放頂煤控制策略，通過調(diào)整放煤過程中各放煤口開閉的實(shí)時(shí)策略，提升頂煤采出率和降低含矸率[18]。隨著人工智能，特別是深度學(xué)習(xí)的火熱，課題組又開始嘗試將深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用到綜放開采工藝中。2020年1月，提出了一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Deep Q-Network的放頂煤控制系統(tǒng)，對(duì)各放煤口動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整，并在三維仿真平臺(tái)上驗(yàn)證了該方法的有效性[19]。2020年3月，課題組又將綜放工作面液壓支架群抽象為圖概率模型，結(jié)合隱馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)，提出了一種放頂煤多智能體系統(tǒng)優(yōu)化決策的方法[20]。

在綜放工作面回采過程中，當(dāng)前刀的放煤過程及結(jié)果將影響下一刀的放煤效果。因此，在研究綜放工作面放煤工藝時(shí)，各刀之間必須將采煤機(jī)截割、支架移架和放煤口放煤在時(shí)間維度上予以考慮。上述研究在理論和放煤工藝參數(shù)2個(gè)方面對(duì)綜放開采工藝的優(yōu)化起到了重要的作用。然而，在時(shí)間維度上，大多停留在單刀放煤基礎(chǔ)上，針對(duì)整個(gè)工作面在連續(xù)進(jìn)刀放煤條件下，放煤工藝對(duì)放煤效果的影響尚無研究。此外，目前基于離散元的仿真系統(tǒng)，大多將液壓支架尾梁抽象為水平開關(guān)口。然而，液壓支架掩護(hù)梁的傾斜角度以及尾梁的擺動(dòng)都對(duì)頂煤放出產(chǎn)生影響。因此，在三維仿真環(huán)境中，設(shè)計(jì)更加貼近生產(chǎn)實(shí)際的液壓支架模型，研究工作面回采過程中液壓支架群連續(xù)進(jìn)刀放煤工藝對(duì)于放煤智能決策意義重大。為此，結(jié)合散體介質(zhì)流理論，采用YADE離散元程序建立了進(jìn)刀放煤三維仿真平臺(tái)，對(duì)不同放煤方式在連續(xù)進(jìn)刀放煤條件下的放煤效果進(jìn)行研究，為綜放工作面放煤工藝的智能最優(yōu)決策提供依據(jù)。

1 基于YADE的進(jìn)刀放煤三維仿真平臺(tái)

結(jié)合Yade開源代碼，在Ubuntu系統(tǒng)上開發(fā)了一種基于離散元方法的綜采放頂煤三維仿真平臺(tái)，模擬放煤厚度3.8m，采高3.8m，采放比為1∶1的情況，并在該情況下對(duì)整個(gè)綜放工作面連續(xù)進(jìn)刀放煤條件下，放煤工藝對(duì)放煤效果的影響展開研究。進(jìn)刀放煤三維模型如圖1。模型中煤與矸石顆粒材料參數(shù)根據(jù)塔山礦8222綜放工作面設(shè)計(jì)，煤與矸石顆粒的主要力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 進(jìn)刀放煤三維模型Fig.1 Three dimensional model of feeding and coal caving

表1 煤與矸石顆粒的主要力學(xué)參數(shù)Table1 Main mechanical parameters of coal and gangue particles

為了更加真實(shí)地模擬放頂煤過程，保證模擬的效果更加接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，利用YADE中墻（Wall）單元建立了三維液壓支架模型。事先對(duì)液壓支架進(jìn)行了簡化，簡化后的液壓支架由頂梁、掩護(hù)梁以及尾梁組成。液壓支架根據(jù)塔山礦8222綜放工作面中實(shí)際液壓支架設(shè)計(jì)，其主要參數(shù)為：①液壓支架寬度why＝1.5m；②液壓支架的高度hhy＝3.8m；③掩護(hù)梁長度lsh＝3m；④尾梁長度lta＝2m；⑤頂梁與掩護(hù)梁之間的銳角夾角θs＝50°；⑥尾梁上擺與掩護(hù)梁的銳角夾角θu＝15°；⑦尾梁下擺與掩護(hù)梁的銳角夾角θl＝45°。

液壓支架上放煤口的打開與關(guān)閉，通過對(duì)代表尾梁的墻單元設(shè)置繞尾梁與掩護(hù)梁連接處逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角速度實(shí)現(xiàn)。當(dāng)尾梁順時(shí)針旋轉(zhuǎn)代表打開放煤口，尾梁逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)代表關(guān)閉放煤口，其效果如圖1。設(shè)置通過放煤口的頂煤顆粒由綠色變?yōu)樗{(lán)色，與未通過放煤口的頂煤顆粒區(qū)別開。放煤口的打開與關(guān)閉由放出煤矸的瞬時(shí)狀態(tài)決定，設(shè)置當(dāng)放出煤流中矸石比例達(dá)大于30%時(shí)關(guān)閉放煤口[21]。

為了減少模型計(jì)算時(shí)間，同時(shí)又能保證有足夠多的支架進(jìn)行不同放煤方式的模擬，在綜放工作面上共設(shè)置10臺(tái)液壓支架。支架的移架動(dòng)作通過賦予液壓支架沿工作面推進(jìn)方向的水平速度實(shí)現(xiàn)，并通過控制水平速度存在的時(shí)間控制移架距離。綜放工作面推進(jìn)過程如圖2，當(dāng)綜放工作面上全部支架放煤結(jié)束后，從首臺(tái)支架開始，沿工作面推進(jìn)方向逐架移動(dòng)支架，移架工序結(jié)束后開始放下一刀煤。

圖2 綜放工作面推進(jìn)過程Fig.2 Advance of fully mechanized top coal caving face

與其它三維仿真平臺(tái)區(qū)別在于，建立的三維仿真平臺(tái)采用python語言進(jìn)行編寫，可以接入深度學(xué)習(xí)框架，為后續(xù)利用深度學(xué)習(xí)優(yōu)化放煤工藝作基礎(chǔ)。

2 基于三維仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的放煤工藝

在綜放開采中選擇合理的放煤方式是提高頂煤采出率的關(guān)鍵[22]。為研究在綜放工作面連續(xù)進(jìn)刀放煤條件下，不同放煤工藝的放煤效果;利用進(jìn)刀放煤三維模型分別模擬了單輪順序放煤、單輪間隔放煤、雙輪分段順序放煤、雙輪分段間隔放煤4種放煤方式的連續(xù)進(jìn)刀放煤過程，并從綜放工作面方向和綜放工作面推進(jìn)方向分別對(duì)4種放煤方式的連續(xù)進(jìn)刀放煤過程進(jìn)行分析。每次模擬累計(jì)進(jìn)刀2次，放3刀煤。

2.1 沿綜放工作面方向放煤工藝

在綜放工作面連續(xù)進(jìn)刀放煤過程中，相比于其它刀的放煤過程，在第1刀放煤過程中煤矸運(yùn)動(dòng)情況更容易被觀察。因此，在綜放工作面方向上只分析了4種放煤方式第1刀放煤過程。

1）單輪順序放煤。單輪順序第1刀放煤過程如圖3。由圖3可知，打開放煤口放煤時(shí)，相鄰側(cè)支架放煤口上方的頂煤與矸石也向放煤口運(yùn)動(dòng)。隨著頂煤持續(xù)放出，矸石到達(dá)放煤口，此時(shí)放煤口上方仍存在大量頂煤。如果嚴(yán)格按照“見矸關(guān)窗”的原則，放煤口剛出現(xiàn)矸石就立刻關(guān)閉放煤口，會(huì)導(dǎo)致頂煤損失嚴(yán)重。此外，由于每個(gè)放煤口都只打開1次，單個(gè)放煤口的放煤量巨大，煤巖分界面迅速下降，直線度遭到嚴(yán)重破環(huán)，幾乎垂直于放煤口，導(dǎo)致相鄰支架放煤時(shí)竄矸現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖3 單輪順序第1刀放煤過程Fig.3 Coal caving process of the first cutter in single round sequence

2）單輪間隔放煤。單輪間隔第1刀放煤過程如圖4。由圖4可知，打開單號(hào)支架放煤口放煤時(shí)，兩側(cè)雙號(hào)支架放煤口上方的頂煤與矸石也向放煤口運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致單號(hào)支架放煤量巨大。當(dāng)所有的單號(hào)支架結(jié)束放煤后，煤巖分界面變得十分不規(guī)則，不利于雙號(hào)支架放煤口放煤。從圖4（b）中可以看出，兩側(cè)已結(jié)束放煤工作單號(hào)支架放煤口上方的矸石極易混入正在放煤的雙號(hào)支架放煤口中，導(dǎo)致雙號(hào)支架混矸嚴(yán)重。

圖4 單輪間隔第1刀放煤過程Fig.4 Coal caving process of the first cutter in single round interval

3）雙輪分段順序放煤。雙輪分段順序放煤將頂煤分2輪放出，每次放煤量較少，煤巖分界面均勻下沉，避免了放煤漏斗1次下降過多，降低相鄰放煤口之間的影響，可以提高頂煤采出率、降低含矸率。雙輪分段順序第1刀放煤過程如圖5。由圖5可知，第1輪放煤結(jié)束后沒有矸石到達(dá)放煤口，煤矸分界面比較均勻地下降，直線度保持較好。但受第1輪放煤時(shí)運(yùn)動(dòng)作用的影響，上部頂煤已經(jīng)與下位直接頂矸石混合。第2輪放煤過程與單輪順序放煤不同地方在于煤層變薄。因此，第2輪放煤過程中相鄰放煤口混矸程度降低，架間殘留煤量小。

圖5 雙輪分段順序第1刀放煤過程Fig.5 Coal caving process of the first cutter in double round segmented sequence

4）雙輪分段間隔放煤。雙輪分段間隔第1刀放煤過程如圖6。由圖6可知，第1輪放煤結(jié)束后沒有矸石到達(dá)放煤口，煤巖分界面直線度保持較好。但受第1輪放煤時(shí)煤矸運(yùn)動(dòng)作用的影響，上部頂煤已經(jīng)與下位直接頂矸石混合。第2輪放煤過程與單輪間隔放煤相同，不過由于頂煤厚度減小，相鄰放煤口之間影響程度降低，架間殘留煤量小。

圖6 雙輪分段間隔第1刀放煤過程Fig.6 Coal caving process of the first cutter in double round segmented interval

2.2 沿綜放工作面推進(jìn)方向放煤工藝

4種放煤方式沿綜放工作面推進(jìn)方向的煤矸運(yùn)移變化如圖7～圖10。

圖7 單輪順序連續(xù)進(jìn)刀放煤示意圖Fig.7 Schematic diagrams of sequential feeding and coal drawing of single round

圖8 單輪間隔連續(xù)進(jìn)刀放煤示意圖Fig.8 Schematic diagrams of single round interval continuous feeding and coal caving

從圖7～圖10可以看出，每次綜放工作面向前推進(jìn)時(shí)，支架后上方的頂煤與矸石顆粒由于失去支架的支撐作用，將向前下方運(yùn)動(dòng)，占據(jù)支架原來所處的空間。移架工作結(jié)束后，原本在尾梁附近的部分頂煤顆粒將被遺留在采空區(qū)底部，造成一定的頂煤損失。

圖9 雙輪分段順序連續(xù)進(jìn)刀放煤示意圖Fig.9 Schematic diagrams of double round segmented sequence continuous feeding and coal caving

圖10 雙輪分段間隔連續(xù)進(jìn)刀放煤示意圖Fig.10 Schematic diagrams of double round segmented interval continuous feeding and coal caving

不同放煤方式放出頂煤數(shù)量統(tǒng)計(jì)表見表2。由表2可知，4種放煤方式都在第1刀放出了大量的頂煤，這是因?yàn)榉诺?刀煤時(shí)，支架后方不存在矸石。第1刀放煤結(jié)束后，向前推進(jìn)綜放工作面，開始放第2刀煤，但4種放煤方式第2刀放出的頂煤數(shù)量都急劇減小。這是因?yàn)榈?刀放煤結(jié)束后會(huì)在支架后方形成煤巖分界面，后續(xù)放煤過程都在煤巖分界面下進(jìn)行。此外，由于4種放煤方式在第1刀放出了大量的頂煤，造成煤巖分界面過于靠近液壓支架，導(dǎo)致第2刀放出的頂煤數(shù)量急劇減少。但正由于第2刀放出的頂煤數(shù)量過少，才導(dǎo)致第2刀放煤結(jié)束后，煤巖分界面距離液壓支架較遠(yuǎn)，待放頂煤較多，4種放煤方式在第3刀放出了較多的頂煤。

表2 不同放煤方式放出頂煤數(shù)量統(tǒng)計(jì)表Table2 Statistical table of top coal quantity in different coal caving methods

2.3 放煤工藝對(duì)比分析

由表2可知，以第1刀放煤結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，雙輪分段順序放煤在第1刀放出的頂煤數(shù)量最多；但第2刀放出頂煤數(shù)量最多的是單輪順序放煤。因此，單刀放煤結(jié)果無法準(zhǔn)確反映不同放煤方式放煤效果的優(yōu)劣。因此，通過統(tǒng)計(jì)不同放煤方式連續(xù)3刀累計(jì)放出的煤與矸石顆粒數(shù)量，計(jì)算最終的頂煤采出率與含矸率，從而對(duì)比各放煤方式的放煤效果。頂煤采出率ωc與含矸率ωr由式（1）、式（2）得到。

式中：Nc為放出頂煤顆粒的個(gè)數(shù)；Nd為統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)頂煤顆粒的個(gè)數(shù)：Nr為放出矸石顆粒的個(gè)數(shù)。

在對(duì)4種放煤方式各進(jìn)行了6次模擬，不同放煤方式的頂煤采出率見表3，不同放煤方式的含矸率見表4。

表3 不同放煤方式的頂煤采出率Table3 Top coal recovery rate of different coal caving methods

由表3、表4可知，在采出率方面，雙輪分段間隔放煤平均頂煤采出率最高為86.64 %，單輪順序放煤平均頂煤采出率最低為82.75 %；在含矸率方面，雙輪分段間隔放煤含矸率最低為4.06 %，單輪順序放煤含矸率最高為4.62 %。因此，在綜放工作面連續(xù)進(jìn)刀放煤條件下，雙輪分段間隔放煤方式的放煤效果最好。此外，2種雙輪的放煤方式的平均頂煤采出率均高于另外2種單輪的放煤方式，平均含矸率均低于另外2種單輪的放煤方式。因此，可以通過增加放煤輪次，提高頂煤采出率，降低含矸率。

表4 不同放煤方式的含矸率Table4 Gangue ratios of different coal caving methods

3 結(jié) 語

1）利用離散元軟件YADE建立了綜放工作面進(jìn)刀放煤三維仿真平臺(tái)。其中，建立的液壓支架模型可以模擬尾梁擺動(dòng)和移架過程。支架的移架速度與距離可控，更加真實(shí)地模擬了頂煤三維放出過程，為放煤過程的智能最優(yōu)決策提供了可靠依據(jù)。

2）在三維仿真模型基礎(chǔ)上，按進(jìn)刀放煤過程，對(duì)單輪放煤、雙輪放煤、順序放煤及間隔放煤等不同放煤工藝進(jìn)行了對(duì)比；從三維角度展示了不同放煤工藝在連續(xù)進(jìn)刀放煤條件下頂煤的放出過程。結(jié)果表明：在連續(xù)進(jìn)刀放煤條件下，雙輪分段間隔放煤方式放煤效果最好，平均頂煤采出率為86.64 %、含矸率4.06 %。

3）為優(yōu)化放煤工藝，在后續(xù)研究中，將基于進(jìn)刀放煤三維模型，從智能決策控制角度出發(fā)，將強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論應(yīng)用到液壓支架放煤口動(dòng)作決策過程中，優(yōu)化液壓支架群組放煤過程，提高綜放工作面頂煤采出率。