基于格子Boltzmann方法的地下突水数值模拟

论文摘要

巷道突水是指开采矿层时,在水压和矿压等因素综合作用下,底板含水层内的地下水突破矿层或含水层间的相对隔水层,沿断层、节理等结构面突然涌入矿井的现象。巷道突水是一种与工程和采矿活动有关的诱发性地质灾害,是工程地质问题。大量突水,不仅淹没巷道和井巷,还能导致塌方和围岩失稳,甚至造成人身伤亡、工程报废的灾难性结果。因此选择科学的方法,研究地下突水在巷道内的变化情况和运行规律,对于我们提高矿山生产安全,保障人员财产有重要的指导意义。通过阅读大量的文献资料,了解了目前国内外学者在地下突水方面的研究的现状,发现学者在突水数值模拟方面所做的研究相对来说少一些,其中以东北大学和中国矿业大学为主,且采用有限元方法结合FLAC软件进行模拟,解决方法较为单一。所以本文选择在诸多领域已经有很好研究成果的格子Boltzmann来对地下突水情况进行研究。首先研究了一个二维巷道的突水过程。通过介绍D2Q9模型来向大家介绍格子Boltzmann的方法原理。为了提高模拟的可靠性和精度,我们选择了Guo等人提出的针对类似于水一样的不可压缩流体的G2Q9模型。在进行边界处理的时候,根据不同的边界情况,我们选择了不同的解决方法。对于平直边界来说,我们选用了修正的反弹格式进行处理,对于那些不规则的边界来说,我们选用BFL进行曲面边界的处理。同时由于巷道结构的复杂,为了降低运算量,提高运算的效率,我们使用分块耦合的方法对巷道进行了相应的处理。最后通过一个实例模拟来验证我们的理论。其次针对突水抢救的两种方式进行了数值模拟,提出堵式模拟和疏式模拟模型。对于堵式模拟,我们建立了相应的突水阻滞模型,使用BFL进行边界的处理。通过模拟挡水墙的完成情况,我们得到了不同时刻的巷道内的压力、速度、流向等结果,分析这些结果,我们可以比较清楚的看到这种方法对于巷道内压力,速度,水流方向的改变都有一定的作用,符合我们的预期情况。对于疏式模拟,我们建立了相应的抽放模型,并使用作用力的方式来模拟抽水机的原理,最后通过对比有压力和无压力下的两种状况,得到的各种压力图,速度图,流线图等结果满足了我们的期望值。最后为了直观清楚的了解LBM方法在巷道突水方面的模拟作用,我们在前两章的基础上,我们选用D3Q15模型来对三维巷道的突水情况进行模拟。最后也通过一个实例模拟来验证了我们的理论。如何简化处理复杂的巷道问题,如何选用合适的Boltzmann模型,如何进行网格边界的处理,如何提高程序的运行效率,如何得到满意的仿真结果,这些都是本文的研究重点。本文的研究对于矿山开发,综合治理,以及相关技术的研究提供了方法参考和研究依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究的现状
• 1.3 目前研究中存在的问题
• 1.4 研究内容及研究方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 1.5 小结
• 2 二维巷道突水过程LBM模拟
• 2.1 地下巷道拓扑结构
• 2.2 二维巷道突水模型原理与构建
• 2.2.1 D2Q9 模型
• 2.2.2 D2G9 模型
• 2.3 突水模型边界处理
• 2.3.1 平直边界条件
• 2.3.2 曲面边界处理
• 2.4 巷道分块耦合算法
• 2.5 突水模拟的运算步骤
• 2.6 巷道突水模拟实例
• 2.7 本章小结
• 3 巷道突水抢救方式模拟
• 3.1 突水“堵”式数值模拟
• 3.1.1 突水阻滞模型
• 3.1.2 突水阻滞模型边界处理
• 3.1.3 “堵”式实例模拟
• 3.2 突水“疏”式数值模拟
• 3.2.1 突水抽放模型
• 3.2.2 突水抽放模型边界处理
• 3.2.3 “疏”式实例模拟
• 3.3 总结
• 4 三维巷道突水数值模拟
• 4.1 三维巷道突水模型的构建及原理
• 4.2 三维巷道突水模型的边界处理
• 4.3 三维巷道突水模拟
• 4.4 小结
• 5 总结与展望
• 5.1 本文工件总结
• 5.2 本文展望
• 5.2.1 重力因素
• 5.2.2 算法优化
• 5.2.3 并行计算
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者简介及硕士生期间发表的学术论文