A fully coupled solid and fluid model for simulating coal and gas outburst with DEM and LBM

• Autorzy: Wang Y. C. , Xue S. , Xie J.

Warianty tytułu

PL

W pełni zintegrowany model oddziaływania pomiędzy cieczą a ciałem stałym do symulacji wyrzutów węgla i gazu metodą elementów dyskretnych i metodą siatkową Boltzmanna

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper, we present a fully coupled solid-fluid code which is developed to model the whole process of coal and gas outbursts. The Discrete Element Method is used to model the deformation and fracture of solid, while Lattice Boltzmann Method models fluid flow, including free flow and Darcy flow. These two methods are coupled in a two-way process: the solid part provides a moving boundary condition and transfers momentum to the fluid, and the fluid exerts a dragging force to the solid. Gas desorption occurs at solid-fluid boundary, and gas diffusion is implemented in the solid code where particles are assumed as porous material. Some preliminary simulations are carried out to validate the code.

PL

W niniejszej publikacji prezentujemy w pełni zintegrowany kod oddziaływania pomiędzy cieczą a ciałem stałym, opracowany do modelowania całego procesu wyrzutów węgla i gazu. Metoda elementów dyskretnych stosowana jest do modelowania deformacji i pęknięcia ciała stałego, podczas gdy metoda siatkowa Boltzmanna - do modelowania przepływu cieczy, w tym przepływu swobodnego i przepływu zgodnie z prawem Darcy'ego. Te dwie metody połączone są w procesie dwukierunkowym: część stała zapewnia warunki ruchomej granicy rozdziału, przenosząc pęd do cieczy, a ciecz wywiera opór na ciele stałym. Desorpcja gazu występuje na granicy oddziaływania pomiędzy cieczą a ciałem stałym, a do rozproszenia gazu dochodzi w kodzie ciała stałego, gdzie cząsteczki traktowane są jako materiał porowaty. Prowadzone są wstępne symulacje w celu sprawdzenia poprawności kodu.

Słowa kluczowe

EN

coal and gas outbursts; solid-fluid coupling; Discrete Element Method; lattice Boltzmann method

PL

wyrzut węgla i gazu; oddziaływanie ciecz-ciało stałe; metoda elementów dyskretnych; metoda siatkowa Boltzmanna

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: AGH Journal of Mining and Geoengineering
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 36, no. 3
• Strony: 377--384
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys.

Twórcy

autor

Wang Y. C.

• CSIRO Earth Science and Resource Engineering, P.O. Box 333, Kenmore, QLD 4069, Brisbane, Australia

autor

Xue S.

• CSIRO Earth Science and Resource Engineering, P.O. Box 333, Kenmore, QLD 4069, Brisbane, Australia

autor

Xie J.

• CSIRO Earth Science and Resource Engineering, P.O. Box 333, Kenmore, QLD 4069, Brisbane, Australia

Bibliografia

• [1] Lama R.D., Bodziony J.: Management of outburst in underground coal mines, International Journal of Coal Geology 35: 83-115, 1998.
• [2] Cao Y.X., Davis A., Liu R.X., Liu X.W., Zhang Y.G.: The influence of tectonic deformation on some geochemical properties of coals — a possible indicator of outburst potential, International Journal of Coal Geology 53: 69-79, 2003.
• [3] Li H.: Major and minor structural features of a bedding shear zone along a coal seam and related gas outburst, Pingdingshan coalfield, northern China, International Journal of Coal Geology 35: 83-115, 2001.
• [4] Aguado M.B.D., Nicieza C.G.: Control and prevention of gas outbursts in coal mines, Riosa-Olloniego coalfield, Spain, International Journal of Coal Geology 69: 253-266, 2007.
• [5] Litwiniszyn J.: A model for initiation of gas outburst, International Journal of Rock Mechanics, Mining Sciences Geomechanics Abstract 22: 39-46, 1985.
• [6] Paterson L.: A model for outbursts in coal. International Journal of Rock Mechanics Mining Sciences Geomechanics Abstract 23: 327-332, 1986.
• [7] Barron K., Kullmann D.: Modeling of outburst at #26 Colliery, Glace Bay, Nova Scotia, Part 2, proposed outburst mechanism and model, Mining Science and Technology 2: 261-268, 1990.
• [8] Otuonye F., Sheng J.: A numerical simulation of gas flow during coal/gas outbursts, Geotechnical and Geological Engineering 12: 15-34, 1994.
• [9] Odintsev V.N.: Sudden outburst of coal and gas — failure of natural coal as a solution of methane in a solid substance, Journal of Mining Science 33: 508-516, 1997.
• [10] Xu T., Tang C.A., Yang T.H., Zhu W.C., Liu J.: Numerical investigation of coal and gas outbursts in underground collieries, International Journal of Rock Mechanics Mining Sciences 43: 905-919, 2006.
• [11] Xue S., Wang Y.C., Xie J., Wang G.: A coupled approach to simulate initiation of outbursts of coal and gas — model development, Int J Coal Geol 86: 222-230, 2011.
• [12] Cundall P.A., Strack O.: A discrete element model for granular assemblies, Geotechnique 29: 47-65, 1979.
• [13] Mora P., Place D.: A lattice solid model for the nonlinear dynamics of earthquakes, Int J Mod Phys C4: 1059-1074, 1993.
• [14] Wang Y.C.: A new algorithm to model the dynamics of 3-D bonded rigid bodies with rotations, Acta Geotechnica 4: 117-127, 2009.
• [15] Wang Y.C., Mora P.: Esys_Particle: A new 3-D discrete element model with single particle rotation. Advances in Geocomputing, Xing, H.L. (ed.), Springer, 183-288, 2009.
• [16] Wang Y.C., Alonso-Marroquin F.: A finite deformation method for discrete element modeling: particle rotation and parameter calibration, Granular Matter 11: 331-343, 2009.
• [17] https://launchpad.net/esys-particle.
• [18] Chen S., Doolen G.: Lattice Boltzmann method for fluid flows, Anu Rev Fluid Mech 30: 329-364, 1998.
• [19] http://www.numhpc.org/openlb/.
• [20] Yu D., Mei R., Luo L., Shyy W.: Viscous flow computations with the method of lattice Boltzmann equation, Prog. Aerospace Sci 39: 329-367, 2003.
• [21] Dardis O., McClosky J.: Permeability porosity relationships from numerical simulations of fluid flow, Geophys Res Lett 25: 1471-1474, 1998.
• [22] Dardis O., McClosky J.: Lattice Boltzmann scheme with real numbered solid density for the simulation of flow in porous media, Phys Rev E 57: 4834-4837, 1998.
• [23] Detournay E., Cheng A.H.D.: Fundamentals of poroelasticity, Comprehensive Rock Engineering: Principles, Practice and Projects, Vol. II, Analysis and Design Method, Pergamon Press, 1993.