基于格子Boltzmann方法的地下突水?dāng)?shù)值模擬.pdf

1、巷道突水是指開(kāi)采礦層時(shí),在水壓和礦壓等因素綜合作用下,底板含水層內(nèi)的地下水突破礦層或含水層間的相對(duì)隔水層,沿?cái)鄬印⒐?jié)理等結(jié)構(gòu)面突然涌入礦井的現(xiàn)象。巷道突水是一種與工程和采礦活動(dòng)有關(guān)的誘發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,是工程地質(zhì)問(wèn)題。大量突水,不僅淹沒(méi)巷道和井巷,還能導(dǎo)致塌方和圍巖失穩(wěn),甚至造成人身傷亡、工程報(bào)廢的災(zāi)難性結(jié)果。因此選擇科學(xué)的方法,研究地下突水在巷道內(nèi)的變化情況和運(yùn)行規(guī)律,對(duì)于我們提高礦山生產(chǎn)安全,保障人員財(cái)產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。
　　通

2、過(guò)閱讀大量的文獻(xiàn)資料,了解了目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在地下突水方面的研究的現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)學(xué)者在突水?dāng)?shù)值模擬方面所做的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)少一些,其中以東北大學(xué)和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)為主,且采用有限元方法結(jié)合FLAC軟件進(jìn)行模擬,解決方法較為單一。所以本文選擇在諸多領(lǐng)域已經(jīng)有很好研究成果的格子Boltzmann來(lái)對(duì)地下突水情況進(jìn)行研究。
　　首先研究了一個(gè)二維巷道的突水過(guò)程。通過(guò)介紹D2Q9模型來(lái)向大家介紹格子Boltzmann的方法原理。為了提高模擬的可靠性和

3、精度,我們選擇了Guo等人提出的針對(duì)類似于水一樣的不可壓縮流體的G2Q9模型。在進(jìn)行邊界處理的時(shí)候,根據(jù)不同的邊界情況,我們選擇了不同的解決方法。對(duì)于平直邊界來(lái)說(shuō),我們選用了修正的反彈格式進(jìn)行處理,對(duì)于那些不規(guī)則的邊界來(lái)說(shuō),我們選用BFL進(jìn)行曲面邊界的處理。同時(shí)由于巷道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜,為了降低運(yùn)算量,提高運(yùn)算的效率,我們使用分塊耦合的方法對(duì)巷道進(jìn)行了相應(yīng)的處理。最后通過(guò)一個(gè)實(shí)例模擬來(lái)驗(yàn)證我們的理論。
　　其次針對(duì)突水搶救的兩種方式進(jìn)行

4、了數(shù)值模擬,提出堵式模擬和疏式模擬模型。對(duì)于堵式模擬,我們建立了相應(yīng)的突水阻滯模型,使用BFL進(jìn)行邊界的處理。通過(guò)模擬擋水墻的完成情況,我們得到了不同時(shí)刻的巷道內(nèi)的壓力、速度、流向等結(jié)果,分析這些結(jié)果,我們可以比較清楚的看到這種方法對(duì)于巷道內(nèi)壓力,速度,水流方向的改變都有一定的作用,符合我們的預(yù)期情況。對(duì)于疏式模擬,我們建立了相應(yīng)的抽放模型,并使用作用力的方式來(lái)模擬抽水機(jī)的原理,最后通過(guò)對(duì)比有壓力和無(wú)壓力下的兩種狀況,得到的各種壓力圖,

5、速度圖,流線圖等結(jié)果滿足了我們的期望值。
　　最后為了直觀清楚的了解LBM方法在巷道突水方面的模擬作用,我們?cè)谇皟烧碌幕A(chǔ)上，我們選用D3Q15模型來(lái)對(duì)三維巷道的突水情況進(jìn)行模擬。最后也通過(guò)一個(gè)實(shí)例模擬來(lái)驗(yàn)證了我們的理論。
　　如何簡(jiǎn)化處理復(fù)雜的巷道問(wèn)題,如何選用合適的Boltzmann模型,如何進(jìn)行網(wǎng)格邊界的處理,如何提高程序的運(yùn)行效率,如何得到滿意的仿真結(jié)果,這些都是本文的研究重點(diǎn)。本文的研究對(duì)于礦山開(kāi)發(fā),綜合治理,以及