基于LBM的地下矿突水蔓延仿真实现

摘要

近年来，随着地下矿开采深度加深，巷道突水事故频繁发生，一旦发生大型突水事故，极有可能造成人员伤亡，也可能淹没井巷和损坏井下机械设备，迫使停产从而造成巨大的经济损失。在我国采矿行业重特大事故中，突水事故给国家造成的直接经济损失一直名列首位。模拟地下矿突水事故，研究其蔓延规律和行为特征，对改善地下矿突水安全管理工作具有重要的理论指导意义。
　　 首先，本文在采矿工程、流体力学和计算机仿真等学科知识的基础上，对地下矿巷道突水蔓延机理进行了研究。介绍了符合地下矿突水蔓延规律的格子Boltzmann方法的D2G9模型，以及与该模型相关的网格划分技术和边界处理技术。在此基础上建立了基于格子Boltzmann方法的地下矿突水蔓延仿真模型，并以一个平直巷道的完水蔓延实例验证了该模型的有效性。
　　 其次，为了解决复杂巷道网格划分问题和网格数量巨大计算时间长的问题，引入了分块耦合算法和并行计算，以期望解决这两个问题。通过分析巷道网格结构图，发现巷道都是由基本的L型和Y型结构组成的。对L型和Y型结构巷道进行分块，使其成为最简单和规则的巷道结构，分析其两个块之间的公共边界和公共点上的数据交换方法，得出一般的规律，这样就解决了网格划分问题。巷道结构庞大,网格划分好之后，面临计算量大、计算时间长的问题，因此引入并行计算技术。利用实验室的多台PC机，搭建计算机集群。编写并行计算程序，实现并行计算，解决计算时间长的问题。在此基础上，应用分块耦合算法和并行计算技术，建立了基于分块耦合和并行计算的LBM突水仿真模型，并以一个交叉的巷道突水蔓延实例验证了该模型的有效性。
　　 最后，为了对突水冲刷巷道底板泥沙的蔓延进行仿真，引入了两相流格子Boltzmzam模型。在地下矿巷道突水蔓延的过程中，突水会对底板上的泥沙进行冲刷。当速度较大时，会携带泥沙向其他的巷道蔓延，当速度较小时，又会沉积在巷道中。在前面两章研究分析的基础上，建立了地下矿巷道突水仿真液固两相流格子Boltzmarm模型，并以一个弯曲的交叉巷道突水蔓延实例验证了该模型的有效性。
　　 本文重点内容是建立基于格子Boltzmann方法的地下矿突水蔓延仿真模型，解决了在采用格于Boltzmann方法建模时，复杂巷道结构网格划分困难和计算量大的问题，以及地下水携带泥沙蔓延的仿真问题。这项研究工作的内容对分析地下矿突水的行为特点，有效控制地下矿突水事故的发生，保障安全生产等具有重要的理论指导意义．从而提高地下矿突水事故的安全管理工作水平。

目录

1 绪论

2 基于格子Boltzmann柚方法的巷道突水蔓延仿真

3 基于分块耦合和并行计算的LBM复杂巷道蔓延仿真

4 基于多相流的LBM复杂巷道突水蔓延仿真

5 总结与展望

致谢

参考文献

硕士生期间发表的学术论文及科研工作

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