CN111008486A - 一种2d模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法 - Google Patents

一种2d模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法 Download PDF

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Abstract

一种2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法，适用于采矿研究。在线性粘结模型设定软件中球元素与墙元素数据，在墙元素内生成球元素建立初始模拟模型；建立前期单轴压缩、巴西劈裂试验初始模型，确定模型的细观参数与煤体宏观物理力学参数之间的比例关系，建立初始煤体模型；生成滚筒模型，赋予滚筒适当的转速与水平向右速度截割煤体模型，直至截割完成；统计截割完成后的模型块煤率，与参照工作面实际块煤率对比，调整模型滚筒的转速与水平速度，直至模型块煤率与实际工作面块煤率相同。可直接运用模拟软件统计工作面截割块煤率，操作简单，避免了在工作面中统计块煤率造成采煤效率下降的问题。

Description

一种2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法
技术领域
本发明涉及一种模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法，尤其适用于一种采煤研究中使用的2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法。
技术背景
块煤是指每块直径超过30mm的煤块，块煤率则是衡量煤炭产品品质和价值的重要指标，块煤率越高，煤炭的品质越好，煤炭价格越高，同时，提高块煤率也有利于降低粉尘。随着我国工业技术的发展，我国煤矿开采从炮采，机械化开采发展到综合开采、智能化开采，自动化，机械化程度越来越高。与此同时，工作面的块煤率却难以直接统计，无法针对工作面块煤率进行及时的调整，造成煤矿效益不能及时提升。
离散单元法从提出开始，经过多年的发展，在采矿工程、隧道工程、边坡、断裂力学等方面有非常广泛的应用。PFC全称Particle Flow Code作为一种颗粒流离散元模拟软件，在研究较为破碎的宏观对象，如土和石料堆等有很大的优势。
为了更好模拟井下滚筒截割过程，以起到预测井下块煤产生规律，并以此规律及时调整截割方式，或是采用工作面超前预裂以提高工作面块煤率，进而增加矿井效益的作用，提出了基于李村矿工作面为研究背景与参照，运用PFC2D的细观参数模拟工作面采煤过程，并统计工作面的块煤率，确定细观参数与煤体宏观特性，模型滚筒与实际滚筒之间的关系，为工作面统计块煤率提供一种新方法。
发明内容
针对上述井下工作面直接统计块煤率困难的问题，本发明提供一种步骤简单，使用效果好的2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法。
为实现上述技术目的，本发明的2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法，其步骤如下：
a首先在PFC2D软件中设置一个长宽为15000×15000mm的初始矩形区域modeldomain，将初始矩形区域左下角坐标为原点；设置初始线性粘结模型Linear Model接触力的弹性模量emod为1GPa、法向刚度kn为5MPa，从而完成PFC2D元素之间初始接触力的设定；
利用PFC软件中的墙元素生成命令wall create圈起一个长宽为9000×3000mm的封闭矩形，矩形左下角坐标为(5000mm,5000mm)，再利用球元素ball生成命令balldistribute在墙元素wall圈起的范围内生成球元素ball，生成孔隙率为0.12，恰好使生成的球元素ball充满封闭矩形区域，且不会因为孔隙率太低导致生成的球元素ball大量重合；之后形成在墙元素wall的封闭矩形范围内充满球元素ball构成初始煤体模型；
b在PFC软件中球元素ball之间的接触力为线性平行粘结模型Linear parallelbond model从而模拟模拟岩体和煤，墙元素wall与球元素之间保持线性粘结模型LinearModel不变，使球元素ball的仿真模拟更符合实际；
c选择已知详细地质信息的采煤工作面为参照，将其工作面取出的煤体建成直径为50mm、长为100mm的单轴压缩模型，以及直径为50mm长为50mm的巴西劈裂，通过实际的单轴压缩与巴西劈裂试验确定参照煤体的宏观物理力学参数与试件单轴压缩应力应变曲线、巴西劈裂应力应变曲线与试件破坏形态；
d以上述a、b步骤的方法，在PFC软件中建立长宽为100mm×50mm的长方形单轴压缩模型，以及直径为50mm的圆形巴西劈裂，两种模型均为2D模型，接触模型为线性平行粘结模型Linear parallel bond model，参数与b步骤中的相同，利用本步骤建立好的单轴压缩与巴西劈裂模型，进行单轴压缩与巴西劈裂模拟试验；
以步骤c中参照煤体的宏观物理力学参数将建立好的PFC2D单轴压缩模型、巴西劈裂模型进行单轴压缩与巴西劈裂模拟试验，将模拟试验得出的宏观物理力学参数与单轴压缩应力应变曲线、巴西劈裂应力应变曲线、破坏形态与实际试验的进行对比，若与参考煤体的实际数值相差较大，则修改b步骤中的PFC2D细观参数；将此步骤确定的细观参数代替b步骤的细观参数，完成煤体模型的建立，最终将此软件模拟的模型与现场的物理学模型统一；
e利用PFC2D中墙元素wall为刚体的特性，将墙元素设定为滚筒进行模拟，利用墙元素建立滚筒2D模型直径大小为1500mm，与b步骤中起到约束作用不同，此过程中墙元素wall的作用为作为刚体起到模拟实际滚筒截割煤体的作用；
f用墙元素wall模拟的步骤a生成的滚筒2D模型截割球元素ball组成的初始煤体模型，在截割过程结束后，利用软件中的FISH语言识别球元素ball之间接触力的模型类型用以判断块煤和粉煤：由于球元素ball之间的线性平行粘结模型Linear parallel bondmodel在受到破坏后模型受到破坏后会发生断裂，若球元素在模拟过程中再相互接触则模型会变为线性粘结模型Linear Model；因此当FISH语言识当前球元素ball接触力的模型类型为线性平行粘结模型Linear parallel bond model时，可认定为球元素ball之间的接触力未发生破坏，则识别为实际中的块煤；当FISH语言识别当前的球元素ball之间接触力类型为线性粘结时，可则识别为实际中的粉煤，并统计墙元素wall模拟滚筒截割范围内的球元素ball的总数量即模拟块煤与粉煤的数量，与接触力类型为线性平行粘结模型Linearparallel bond model的球元素ball的数量模拟块煤的数量，从而获得模拟截割的块煤率。
g对比软件模拟得出的块煤率与现场统计的块煤率，如果PFC2D模拟得出的块煤率比实际块煤率小则降低软件滚筒模型的转速、水平速度，若PFC2D模拟得出的块煤率比实际块煤率大则升高软件滚筒模型的转速、水平速度，再进行割煤模拟，直至软件模拟得出的块煤率与现场统计的块煤率相同。进行此步骤的目的是为了进一步确定模拟精度，以达到仿真模拟的内容。
步骤a中所述球元素ball直径范围在20mm～30mm之间，采用该直径是为了综合考虑运算速度与模拟效果之间的关系，若采用较小的直径，则生成的球元素ball球元素数量多，运算速度就会慢，若采用较大直径，则不能保证模拟的效果，设定球元素ball直径在一个范围内，而不是统一值，是为了模拟煤体的各向异性的性质，设定在20～30mm是基于独立煤块在直径为30mm以上采煤称为块煤，30mm以下的被称为粉煤，这样单个球元素ball就可以视为粉煤，两个或两个以上的球元素ball连接在一起就可以视为块煤，这既保证了模拟效果，也保证了运算速度，还简化了之后块煤统计的方法。
步骤a中在初始煤体模型中依据煤的密度设定球元素ball的密度为1400kg/m3，设置重力为9.81m/s2。由于墙元素wall是刚体，受力不会变形，生成的是封闭区间，再加上线性粘结模型赋予元素球元素之间、球元素与墙元素之间的接触力，不会使球元素ball发生重叠，多种球元素ball紧密相连，可以起到固定球元素ball的作用，这样就可以形成初始模型。
步骤b中赋值线性平行粘结模型Linear parallel bond model细观参数数值：平行弹性模量pb_deform emod为2GPa、弹性模量emod为2GPa、平行黏结抗拉强度pb_ten为为45.8MPa，平行黏结粘聚力pb_coh为8MPa、法向刚度kn为1MPa切向刚度ks为0.5MPa；
其中细观参数与宏观参数之间的决定关系为：细观参数中的法向刚度，切向刚度决定宏观杨氏模量E的值；细观参数中平行粘结抗拉强度，平行粘结粘聚力决定宏观单轴抗压强度的值；细观参数中刚度比kn/ks决定宏观参数中泊松比的值；细观参数中的平行粘结抗拉强度与平行粘结粘聚力的比值pb_coh/pb_ten决定破坏形态与微裂隙性质。
步骤d中单轴压缩与巴西劈裂模拟试验方法是：在单轴压缩模型上下两个短边上分别利用wall create命令添加一个长度为60mm以模型短边中点为中点墙元素wall，在巴西劈裂模型中以同样的方法添加两条长度为60mm并与巴西劈裂模型相切的墙元素wall一条在上方，方向水平，一条在下方，方向水平，且两个墙元素wall相互平行。之后赋予单轴压缩模型、巴西劈裂上方墙元素wall大小为0.02mm/step方向为垂直向下的速度，为了模拟实际单轴压缩与巴西劈裂过程中压缩机下压的过程，利用PFC2D中的rock_test中的history命令与FISH语言监测应力大小，当最终的应力小于最大应力的0.7倍后停止模拟，在此时模型已经破坏完全，得出模型的宏观物理力学参数、破坏形态与应力应变曲线。
修改PFC2D细观参数标定过程中，先设置不同的平行粘结抗拉强度与平行粘结粘聚力的比，保持其他参数不变，确保PFC2D模型的破坏形态与实际试验的破坏形态相同，确定平行粘结抗拉强度与平行粘结粘聚力的比后保持不变，改变其他细观参数，通过应力应变曲线对比与b步骤所描述的细观参数与宏观参数之间的关系逐一校核其他宏观物理力学参数，直至实际试验曲线与模拟曲线相似；
确定的细观参数为PFC2D模型中所求得的细观参数，具体数值为：平行弹性模量pb_deform emod为1.28GPa、弹性模量emod为1.28GPa、平行黏结抗拉强度pb_ten为68.8MPa，平行黏结粘聚力pb_coh为8.1MPa、法向刚度kn为1.6MPa切向刚度ks为0.8MPa。
将墙元素设定为滚筒的模拟方法是：先在PFC2D初始煤体模型上偏左设定滚筒模型圆心的初始坐标，滚筒模型最右边与煤体模型最左边预留出100mm的距离，使在截割过程中预留一个缓冲区间，滚筒模型最高点与初始煤体模型上边界呈一条水平线，依据b步骤中初始煤体模型左下点坐标、长宽与滚筒模型直径的大小最终确定滚筒模型圆心初始坐标为(4150mm,7250mm)。再以此坐标设计出简化的滚筒2D模型，直径大小为1500mm，依据实际滚筒转速与水平速度赋予2D滚筒模型的转速1.25rad/s与水平速度50mm/s。
有益效果：本发明确定实际工作面煤体参数与软件细观参数之间的关系，还可以确定工作面滚筒转速、水平速度与软件生成滚筒模型的转速与水平速度之间的比例关系，根据这个方法，提供某一综采工作面滚筒的转速、水平速度、直径，工作面煤体的宏观物理力学参数，就可以根据比例关系有效准确的模拟煤矿井下工作面滚筒割煤过程，可应用于煤矿井下作为工作面块煤率统计手段。
附图说明
图1为本发明的模拟滚筒截割煤壁并且统计块煤率方法的流程框图；
图2为初始煤体模型图；；
图3(a)为PFC软件2D模拟单轴压缩试验初始示意图；
图3(b)为PFC软件2D模拟巴西劈裂试初始示意图；
图4(a)为单轴压缩破坏裂隙发育图；
图4(b)为巴西劈裂破坏裂隙发育图；
图5(a)为单轴压缩试件应力应变对比图；
图5(b)为巴西劈裂模型应力应变对比图；
图6为滚筒煤壁模型初始图；
图7为截割完成后块煤分布与效果图；
图8为统计块煤率方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的示意图做详细说明。
本发明提供一种利用PFC模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法。
如图1所示，本方法的一种2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法，其步骤如下：
a首先在PFC2D软件中设置一个长宽为15000×15000mm的初始矩形区域modeldomain，将初始矩形区域左下角坐标为原点；设置初始线性粘结模型Linear Model接触力的弹性模量emod为1GPa、法向刚度kn为5MPa，从而完成PFC2D元素之间初始接触力的设定；
利用PFC软件中的墙元素生成命令wall create圈起一个长宽为9000×3000mm的封闭矩形，矩形左下角坐标为(5000mm,5000mm)，再利用球元素ball生成命令balldistribute在墙元素wall圈起的范围内生成球元素ball，生成孔隙率为0.12，恰好使生成的球元素ball充满封闭矩形区域，且不会因为孔隙率太低导致生成的球元素ball大量重合；之后形成在墙元素wall的封闭矩形范围内充满球元素ball构成初始煤体模型，如图2所示，所述球元素ball直径范围在20mm～30mm之间，采用该直径是为了综合考虑运算速度与模拟效果之间的关系，若采用较小的直径，则生成的球元素ball球元素数量多，运算速度就会慢，若采用较大直径，则不能保证模拟的效果，设定球元素ball直径在一个范围内，而不是统一值，是为了模拟煤体的各向异性的性质，设定在20～30mm是基于独立煤块在直径为30mm以上采煤称为块煤，30mm以下的被称为粉煤，这样单个球元素ball就可以视为粉煤，两个或两个以上的球元素ball连接在一起就可以视为块煤，这既保证了模拟效果，也保证了运算速度，还简化了之后块煤统计的方法；在初始煤体模型中依据煤的密度设定球元素ball的密度为1400kg/m3，设置重力为9.81m/s2。由于墙元素wall是刚体，受力不会变形，生成的是封闭区间，再加上线性粘结模型赋予元素球元素之间、球元素与墙元素之间的接触力，不会使球元素ball发生重叠，多种球元素ball紧密相连，可以起到固定球元素ball的作用，这样就可以形成初始模型；
b在PFC软件中球元素ball之间的接触力为线性平行粘结模型Linear parallelbond model从而模拟模拟岩体和煤，墙元素wall与球元素之间保持线性粘结模型LinearModel不变，使球元素ball的仿真模拟更符合实际；赋值线性平行粘结模型Linearparallel bond model细观参数数值：平行弹性模量pb_deform emod为2GPa、弹性模量emod为2GPa、平行黏结抗拉强度pb_ten为为45.8MPa，平行黏结粘聚力pb_coh为8MPa、法向刚度kn为1MPa切向刚度ks为0.5MPa；其中细观参数与宏观参数之间的决定关系为：细观参数中的法向刚度，切向刚度决定宏观杨氏模量E的值；细观参数中平行粘结抗拉强度，平行粘结粘聚力决定宏观单轴抗压强度的值；细观参数中刚度比kn/ks决定宏观参数中泊松比的值；细观参数中的平行粘结抗拉强度与平行粘结粘聚力的比值pb_coh/pb_ten决定破坏形态与微裂隙性质，如图4(a)和图4(b)所示；
c如图3(a)和图3(b)所示，选择已知详细地质信息的采煤工作面为参照，本申请中选择李村矿为例，将其工作面取出的煤体建成直径为50mm、长为100mm的单轴压缩模型，以及直径为50mm长为50mm的巴西劈裂，通过实际的单轴压缩与巴西劈裂试验确定参照煤体的宏观物理力学参数与试件单轴压缩应力应变曲线、巴西劈裂应力应变曲线与试件破坏形态，如图5(a)和图5(b)所示；
d以上述a、b步骤的方法，在PFC软件中建立长宽为100mm×50mm的长方形单轴压缩模型，以及直径为50mm的圆形巴西劈裂，两种模型均为2D模型，接触模型为线性平行粘结模型Linear parallel bond model，参数与b步骤中的相同，利用本步骤建立好的单轴压缩与巴西劈裂模型，进行单轴压缩与巴西劈裂模拟试验，单轴压缩与巴西劈裂模拟试验方法是：在单轴压缩模型上下两个短边上分别利用wall create命令添加一个长度为60mm以模型短边中点为中点墙元素wall，在巴西劈裂模型中以同样的方法添加两条长度为60mm并与巴西劈裂模型相切的墙元素wall一条在上方，方向水平，一条在下方，方向水平，且两个墙元素wall相互平行。之后赋予单轴压缩模型、巴西劈裂上方墙元素wall大小为0.02mm/step方向为垂直向下的速度，为了模拟实际单轴压缩与巴西劈裂过程中压缩机下压的过程，利用PFC2D中的rock_test中的history命令与FISH语言监测应力大小，当最终的应力小于最大应力的0.7倍后停止模拟，在此时模型已经破坏完全，得出模型的宏观物理力学参数、破坏形态与应力应变曲线；
以步骤c中参照煤体的宏观物理力学参数将建立好的PFC2D单轴压缩模型、巴西劈裂模型进行单轴压缩与巴西劈裂模拟试验，将模拟试验得出的宏观物理力学参数与单轴压缩应力应变曲线、巴西劈裂应力应变曲线、破坏形态与实际试验的进行对比，若与参考煤体的实际数值相差较大，则修改b步骤中的PFC2D细观参数；将此步骤确定的细观参数代替b步骤的细观参数，完成煤体模型的建立，最终将此软件模拟的模型与现场的物理学模型统一；确定的细观参数为PFC2D模型中所求得的细观参数，具体数值为：平行弹性模量pb_deformemod为1.28GPa、弹性模量emod为1.28GPa、平行黏结抗拉强度pb_ten为68.8MPa，平行黏结粘聚力pb_coh为8.1MPa、法向刚度kn为1.6MPa切向刚度ks为0.8MPa。
e利用PFC2D中墙元素wall为刚体的特性，将墙元素设定为滚筒进行模拟，利用墙元素建立滚筒2D模型直径大小为1500mm，与b步骤中起到约束作用不同，此过程中墙元素wall的作用为作为刚体起到模拟实际滚筒截割煤体的作用；将墙元素设定为滚筒的模拟方法是：先在PFC2D初始煤体模型上偏左设定滚筒模型圆心的初始坐标，滚筒模型最右边与煤体模型最左边预留出100mm的距离，使在截割过程中预留一个缓冲区间，滚筒模型最高点与初始煤体模型上边界呈一条水平线，依据b步骤中初始煤体模型左下点坐标、长宽与滚筒模型直径的大小最终确定滚筒模型圆心初始坐标为(4150mm,7250mm)。再以此坐标设计出简化的滚筒2D模型，直径大小为1500mm，依据实际滚筒转速与水平速度赋予2D滚筒模型的转速1.25rad/s与水平速度50mm/s；
f如图6和图7所示，用墙元素wall模拟的步骤a生成的滚筒2D模型截割球元素ball组成的初始煤体模型，在截割过程结束后，利用软件中的FISH语言识别球元素ball之间接触力的模型类型用以判断块煤和粉煤：由于球元素ball之间的线性平行粘结模型Linearparallel bond model在受到破坏后模型受到破坏后会发生断裂，若球元素在模拟过程中再相互接触则模型会变为线性粘结模型Linear Model；因此当FISH语言识当前球元素ball接触力的模型类型为线性平行粘结模型Linear parallel bond model时，可认定为球元素ball之间的接触力未发生破坏，则识别为实际中的块煤；当FISH语言识别当前的球元素ball之间接触力类型为线性粘结时，可则识别为实际中的粉煤，并统计墙元素wall模拟滚筒截割范围内的球元素ball的总数量即模拟块煤与粉煤的数量，与接触力类型为线性平行粘结模型Linear parallel bond model的球元素ball的数量模拟块煤的数量，从而获得模拟截割的块煤率。
g如图8所示，对比软件模拟得出的块煤率与现场统计的块煤率，如果PFC2D模拟得出的块煤率比实际块煤率小则降低软件滚筒模型的转速、水平速度，若PFC2D模拟得出的块煤率比实际块煤率大则升高软件滚筒模型的转速、水平速度，再进行割煤模拟，直至软件模拟得出的块煤率与现场统计的块煤率相同。进行此步骤的目的是为了进一步确定模拟精度，以达到仿真模拟的内容。
实施例：
下面分别阐述利用软球模型对模型赋值初始细观参数的单轴压缩与巴西劈裂模型的公式理论、进行模型试验的数值参数赋予、滚筒转速与水平位移速度赋值与块煤统计的方法过程。
(一)初始模拟模型建立
建立长宽为9000×3000mm的初始模拟模型，如图2所示。
(二)建立单轴压缩、巴西劈裂模拟模型
建立符合国家标准的长宽为100mm×50mm的二维长方形单轴压缩初始模型，如图3(a)所示和直径为50mm的二维圆形巴西劈裂初始模型，如图3(b)所示。
(三)进行单轴压缩、巴西劈裂模拟试验
在单轴压缩、巴西劈裂模拟模型的基础上，给单轴压缩模型与巴西劈裂模型的上方墙元素(wall)赋予速度为0.02mm/step的垂直向下与垂直向上的速度，并利用PFC中的history命令与FISH语言监测应力大小，设定当最终的应力小于最大应力的0.7倍后模拟停止。
单轴压缩模型破坏与裂隙发育如图4(a)所示，巴西劈裂模型破坏与裂隙发育如图4(b)所示。之后生成应力应变曲线，将模拟试验得出的宏观物理力学参数与单轴压缩应力应变曲线、巴西劈裂应力应变曲线、破坏形态与实际试验的进行对比，若相差较大，修改PFC2D细观参数。在参数修改的过程中，先保持其他参数不变，设置不同的平行粘结抗拉强度与平行粘结粘聚力的比，确保PFC2D模型的破坏形态与实际试验的破坏形态相同。确定平行粘结抗拉强度与平行粘结粘聚力的比后，保持不变，改变其他细观参数，通过应力应变曲线对比细观参数与宏观参数之间的关系逐一校核其他宏观物理力学参数，直至实际试验曲线与模拟曲线相似。符合煤的物理力学特性的单轴压缩应力应变图如图5(a)所示，巴西劈裂应力应变图如图5(b)所示。
(四)截割模型建模与割煤并统计块煤率
在PFC2D初始煤体模型上人为标定滚筒模型圆心的初始坐标，一般是在初始煤体模型左边，滚筒模型最右边与煤体模型最左边预留出100mm的距离，其目的是使在截割过程中预留一个缓冲区间，滚筒模型最高点与初始煤体模型上边界呈一条水平线，依据步骤2中初始煤体模型左下点坐标、长宽与滚筒模型直径的大小最终确定滚筒模型圆心初始坐标为(4150mm,7250mm)，再在AutoCAD中以此坐标设计出简化的滚筒2D模型，直径大小为1500mm，再导出为DXF文件，将生成的DXF文件放到PFC2D保存改发明模拟模型的文件夹里，再用PFC2D中的wall import命令将设计好的滚筒模型DXF文件导入到PFC2D中，这样就会在PFC2D中生成形状且在标定位置上的滚筒模型，如图6左边圆和圆周凸起部分，并依据实际滚筒转速与水平速度赋予2D滚筒模型的转速(1.25rad/s)与水平速度(50mm/s)；煤体因受到滚筒的破坏，会产生粉煤与块煤。在PFC模型中，受到墙元素(wall)运动的影响，会使部分球元素(ball)分离模型本体，其本质是球元素(ball)之间的平行黏结力链破坏。当截割结束后，单个球元素(ball)可视为粉煤，两球元素(ball)及以上之间有平行黏结可视为块煤，截割结束后效果图如图7所示。
截割结束后运用FISH语言判断在滚筒截割范围内总球元素(ball)的的数量和总的具有平行粘结力链的球元素(ball)数量，用后者除以前者就可得出本次模型模拟中的块煤率，具体块煤率统计方法图如图8所示。

Claims (7)

1.一种2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法，其特征在于步骤如下：
a首先在PFC2D软件中设置一个长宽为15000×15000mm的初始矩形区域model domain，将初始矩形区域左下角坐标为原点；设置初始线性粘结模型Linear Model接触力的弹性模量emod为1GPa、法向刚度kn为5MPa，从而完成PFC2D元素之间初始接触力的设定；
利用PFC软件中的墙元素生成命令wall create圈起一个长宽为9000×3000mm的封闭矩形，矩形左下角坐标为(5000mm,5000mm)，再利用球元素ball生成命令ball distribute在墙元素wall圈起的范围内生成球元素ball，生成孔隙率为0.12，恰好使生成的球元素ball充满封闭矩形区域，且不会因为孔隙率太低导致生成的球元素ball大量重合；之后形成在墙元素wall的封闭矩形范围内充满球元素ball构成初始煤体模型；
b在PFC软件中球元素ball之间的接触力为线性平行粘结模型Linear parallel bondmodel从而模拟模拟岩体和煤，墙元素wall与球元素之间保持线性粘结模型Linear Model不变，使球元素ball的仿真模拟更符合实际；
c选择已知详细地质信息的采煤工作面为参照，将其工作面取出的煤体建成直径为50mm、长为100mm的单轴压缩模型，以及直径为50mm长为50mm的巴西劈裂，通过实际的单轴压缩与巴西劈裂试验确定参照煤体的宏观物理力学参数与试件单轴压缩应力应变曲线、巴西劈裂应力应变曲线与试件破坏形态；
d以上述a、b步骤的方法，在PFC软件中建立长宽为100mm×50mm的长方形单轴压缩模型，以及直径为50mm的圆形巴西劈裂，两种模型均为2D模型，接触模型为线性平行粘结模型Linear parallel bond model，参数与b步骤中的相同，利用本步骤建立好的单轴压缩与巴西劈裂模型，进行单轴压缩与巴西劈裂模拟试验；
以步骤c中参照煤体的宏观物理力学参数将建立好的PFC2D单轴压缩模型、巴西劈裂模型进行单轴压缩与巴西劈裂模拟试验，将模拟试验得出的宏观物理力学参数与单轴压缩应力应变曲线、巴西劈裂应力应变曲线、破坏形态与实际试验的进行对比，若与参考煤体的实际数值相差较大，则修改b步骤中的PFC2D细观参数；将此步骤确定的细观参数代替b步骤的细观参数，完成煤体模型的建立，最终将此软件模拟的模型与现场的物理学模型统一；
e利用PFC2D中墙元素wall为刚体的特性，将墙元素设定为滚筒进行模拟，利用墙元素建立滚筒2D模型直径大小为1500mm，与b步骤中起到约束作用不同，此过程中墙元素wall的作用为作为刚体起到模拟实际滚筒截割煤体的作用；
f用墙元素wall模拟的步骤a生成的滚筒2D模型截割球元素ball组成的初始煤体模型，在截割过程结束后，利用软件中的FISH语言识别球元素ball之间接触力的模型类型用以判断块煤和粉煤：由于球元素ball之间的线性平行粘结模型Linear parallel bond model在受到破坏后模型受到破坏后会发生断裂，若球元素在模拟过程中再相互接触则模型会变为线性粘结模型Linear Model；因此当FISH语言识当前球元素ball接触力的模型类型为线性平行粘结模型Linear parallel bond model时，可认定为球元素ball之间的接触力未发生破坏，则识别为实际中的块煤；当FISH语言识别当前的球元素ball之间接触力类型为线性粘结时，可则识别为实际中的粉煤，并统计墙元素wall模拟滚筒截割范围内的球元素ball的总数量即模拟块煤与粉煤的数量，与接触力类型为线性平行粘结模型Linear parallelbond model的球元素ball的数量模拟块煤的数量，从而获得模拟截割的块煤率。
g对比软件模拟得出的块煤率与现场统计的块煤率，如果PFC2D模拟得出的块煤率比实际块煤率小则降低软件滚筒模型的转速、水平速度，若PFC2D模拟得出的块煤率比实际块煤率大则升高软件滚筒模型的转速、水平速度，再进行割煤模拟，直至软件模拟得出的块煤率与现场统计的块煤率相同。进行此步骤的目的是为了进一步确定模拟精度，以达到仿真模拟的内容。
2.根据权利要求1所述的2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法，其特征在于：步骤a中所述球元素ball直径范围在20mm～30mm之间，采用该直径是为了综合考虑运算速度与模拟效果之间的关系，若采用较小的直径，则生成的球元素ball球元素数量多，运算速度就会慢，若采用较大直径，则不能保证模拟的效果，设定球元素ball直径在一个范围内，而不是统一值，是为了模拟煤体的各向异性的性质，设定在20～30mm是基于独立煤块在直径为30mm以上采煤称为块煤，30mm以下的被称为粉煤，这样单个球元素ball就可以视为粉煤，两个或两个以上的球元素ball连接在一起就可以视为块煤，这既保证了模拟效果，也保证了运算速度，还简化了之后块煤统计的方法。
3.根据权利要求1所述的2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法，其特征在于：步骤a中在初始煤体模型中依据煤的密度设定球元素ball的密度为1400kg/m3，设置重力为9.81m/s2。由于墙元素wall是刚体，受力不会变形，生成的是封闭区间，再加上线性粘结模型赋予元素球元素之间、球元素与墙元素之间的接触力，不会使球元素ball发生重叠，多种球元素ball紧密相连，可以起到固定球元素ball的作用，这样就可以形成初始模型。
4.根据权利要求1所述的2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法，其特征在于：步骤b中赋值线性平行粘结模型Linear parallel bond model细观参数数值：平行弹性模量pb_deform emod为2GPa、弹性模量emod为2GPa、平行黏结抗拉强度pb_ten为为45.8MPa，平行黏结粘聚力pb_coh为8MPa、法向刚度kn为1MPa切向刚度ks为0.5MPa；
其中细观参数与宏观参数之间的决定关系为：细观参数中的法向刚度，切向刚度决定宏观杨氏模量E的值；细观参数中平行粘结抗拉强度，平行粘结粘聚力决定宏观单轴抗压强度的值；细观参数中刚度比kn/ks决定宏观参数中泊松比的值；细观参数中的平行粘结抗拉强度与平行粘结粘聚力的比值pb_coh/pb_ten决定破坏形态与微裂隙性质。
5.根据权利要求1所述的2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法，其特征在于：步骤d中单轴压缩与巴西劈裂模拟试验方法是：在单轴压缩模型上下两个短边上分别利用wall create命令添加一个长度为60mm以模型短边中点为中点墙元素wall，在巴西劈裂模型中以同样的方法添加两条长度为60mm并与巴西劈裂模型相切的墙元素wall一条在上方，方向水平，一条在下方，方向水平，且两个墙元素wall相互平行。之后赋予单轴压缩模型、巴西劈裂上方墙元素wall大小为0.02mm/step方向为垂直向下的速度，为了模拟实际单轴压缩与巴西劈裂过程中压缩机下压的过程，利用PFC2D中的rock_test中的history命令与FISH语言监测应力大小，当最终的应力小于最大应力的0.7倍后停止模拟，在此时模型已经破坏完全，得出模型的宏观物理力学参数、破坏形态与应力应变曲线。
6.根据权利要求1所述的2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法，其特征在于：修改PFC2D细观参数标定过程中，先设置不同的平行粘结抗拉强度与平行粘结粘聚力的比，保持其他参数不变，确保PFC2D模型的破坏形态与实际试验的破坏形态相同，确定平行粘结抗拉强度与平行粘结粘聚力的比后保持不变，改变其他细观参数，通过应力应变曲线对比与b步骤所描述的细观参数与宏观参数之间的关系逐一校核其他宏观物理力学参数，直至实际试验曲线与模拟曲线相似；
确定的细观参数为PFC2D模型中所求得的细观参数，具体数值为：平行弹性模量pb_deform emod为1.28GPa、弹性模量emod为1.28GPa、平行黏结抗拉强度pb_ten为68.8MPa，平行黏结粘聚力pb_coh为8.1MPa、法向刚度kn为1.6MPa切向刚度ks为0.8MPa。
7.根据权利要求1所述的2D模拟综采面滚筒截割煤壁并统计块煤率的方法，其特征在于：将墙元素设定为滚筒的模拟方法是：先在PFC2D初始煤体模型上偏左设定滚筒模型圆心的初始坐标，滚筒模型最右边与煤体模型最左边预留出100mm的距离，使在截割过程中预留一个缓冲区间，滚筒模型最高点与初始煤体模型上边界呈一条水平线，依据b步骤中初始煤体模型左下点坐标、长宽与滚筒模型直径的大小最终确定滚筒模型圆心初始坐标为(4150mm,7250mm)。再以此坐标设计出简化的滚筒2D模型，直径大小为1500mm，依据实际滚筒转速与水平速度赋予2D滚筒模型的转速1.25rad/s与水平速度50mm/s。
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