基于PFC3D磷石膏尾矿库溃坝数值模拟研究.pdf
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1、工业安全与环保24Industrial Safety and Environmental Protection2023年第49 卷第8 期August 2023基于PFC3D磷石膏尾矿库溃坝数值模拟研究朱远乐1,2王淇萱1,2廖文景1.2赵新勇3(1.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南长沙41 0 0 1 2;2.金属矿山安全技术国家重点实验室,湖南长沙41 0 0 1 2;3.广西华锡矿业有限公司铜坑矿业分公司,广西河池5 47 2 0 4)摘要为探究尾矿库溃坝灾害作用对下游区域的影响,利用GOCAD/Rhino软件对某磷石膏尾矿库地形进行建模,采用颗粒流离散元方法研究设计1 40 m堆积高度
2、尾矿库在4个不同方向上溃决砂流演进过程,分析了尾砂的位移和流速随溃坝时间的变化规律,为尾矿库下游合理规划、企业应急处置和科学防控提供依据。结果表明:1 40 m堆积高度初期坝溃决工况为溃坝影响最大、下泄体量最大的工况,下泄体最大宽度42 8 m,最大深度1 5 m左右,体积达2.0 1 7 1 0 m,尾砂最终滑移距离为1 2 2 9 m,途中淹没回水泵房及多处房屋,对下游居民造成严重影响;1 40 m堆积高度北部、西部堆积坝溃决对下游影响较小;1 40 m堆积高度东部堆积坝溃决,未影响任何下游建筑物。关键词尾矿库溃坝模拟PFC3D离散元方法Numerical simulation of ph
3、osphogypsum tailings dam failure based on PFC3DZHU Yuanlel-2 WANG Qixuan*-2 LIAO Wenjing*-ZHAO Xinyong(1.Changsha Mining Research Institute Co.,Ltd.,Changsha Hunan 410012,China)Abstract In order to explore the impact of tailings pond dam break disaster on the downstream area,the terrain of aphosphog
4、ypsum tailings pond was modeled by GOCAD/Rhino software,and the particle flow discrete element methodwas used to study the design of tailings ponds with a stacking height of 140 m in four different directions.The evolutionprocess of the burst sand flow is analyzed,and the variation law of the displa
5、cement and flow velocity of the tailingswith the dam burst time is analyzed,which provides a basis for the rational planning of the downstream of the tailingspond,emergency disposal of enterprises and scientific prevention and control.The results show that the dam failurecondition at the initial acc
6、umulation height of 140 m is the condition with the greatest impact of dam failure and thelargest discharge volume.The discharge body has a maximum width of 428 m,a maximum depth of about 15 m,a vol-ume of 2.01710 m,and a final sliding distance of tailings of 1 229 m,the backwater pump house and man
7、y houseswere submerged on the way,which had a serious impact on the downstream residents;the collapse of the northern andwestern accumulation dams with the 140 m accumulation height had little impact on the downstream;the 140 m ac-cumulation height of the eastern accumulation dam collapsed and did n
8、ot affect any downstream buildings.Key words tailings pond dam break simulation PFC3D discrete element method0引言近年来,随着磷化工企业新增产能的急剧扩大,磷固废总量也随之增加。在当前磷化工企业磷石膏利用率总体仍低于总堆存2 0%的情况下,磷石膏的处理方式仍然以堆存为主,因此磷矿渣尾矿库仍是保证磷化工企业正常生产运行的重要设施2 。而尾矿库作为一个具有高势能的人造泥石流库,是一个潜在的污染源、危险源。尾矿库溃坝时泥沙流速大,从坝脚到下游1 km处往往只需几分钟,应急时间非常短3。尾矿库
9、溃坝造成的事故和危害十分巨大,尤其在我国的矿山企业中存在着大量的头顶库,*基金项目:湖南省应急管理厅科技专项(2 0 2 0 YJ002);金属矿山安全技术国家重点实验室开放基金(CKY/YJ202101)。尾矿库的下游通常分布着居民住宅和交通等设施,一旦发生溃坝事故,将严重威胁到下游村民的人身和财产安全4。2 0 0 7 年,辽宁省鞍山市海城某选矿厂5 号尾矿坝发生溃坝,约5 4万m尾矿下泄,造成其下游约2 km处的部分房屋被冲毁,1 6 人死亡、39人受伤5 ;2 0 0 8 年,山西省襄汾铁矿尾矿坝发生溃坝事故,约2 6.8 万m尾矿下泄,造成2 5 8 人死亡、34人受伤0 。目前,国
10、内外学者对于尾矿库溃坝方面的研究,主要有理论计算法、模型试验法和数值模拟法等,其中数值模拟法以其高效率、低成本、条件设置灵活等25优势应用最广。WANGK等 7 利用无人机摄影测量式中,F为线性力;F为阻尼力;M为滚动阻力矩。和光滑无网格粒子SPH三维数值模拟方法,模拟溃线性力和阻尼力的更新与线性模型相同,而滚坝泥浆在下游真实地形上的演进过程,并揭示了坝动阻力矩则通过以下步骤进行更新。高、溃口宽度、泥浆黏度影响因素对于溃坝演进后果首先,滚动阻力力矩增加为:的影响规律。罗昌泰等 8 利用RAMMS碎屑流软件M:=M-k,0 b建立了数值三维模型进行数值仿真溃坝模拟,并建式中,,为相对弯曲旋转增量
11、,k,为颗粒转动刚度,立了相应的1:1 50 物理模型,综合研究了溃坝的尾与切向接触刚度k,相关。砂流对下游的演变进程和影响范围。梁萱等 9 利用另外,滚动阻力矩没有扭曲分量。可以在接触FLOW-3D软件建立了尾矿库及其下游3km范围内平面坐标系中表示为:的实体地形及房屋和村庄三维数值模型,对尾矿库逐M=MbsS.+Mb,t渐溃坝的动态过程进行了模拟计算,分析了溃坝对下滚动阻力刚度定义为:游的影响。孙银华等 1 0 1 利用FLUENT数值模拟软件ki=k,R?建立了三维尾矿坝溃坝模型,并对尾矿坝下游3个式中,R为接触有效半径,定义为:不同位置6 个不同时间段的冲击压力、掩埋高度、流11+1动
12、速度进行了分析。张家勇等 1 以贵州省开阳县鱼RR+RO式中,R)、R(2)分别为触点的端部1 和端部2 的半径鳅坡滑坡为研究对象,采用颗粒流离散元PFC3D对(用于球面触点)。其破坏运动过程进行数值模拟,对滑坡不同关键部然后根据阈值极限检查更新的滚动阻力力矩的位颗粒进行位移、速度监测,阐明其破坏运动特征。大小:本研究以某磷石膏尾矿库为工程背景,借助GO-CAD/Rhino软件对坝体及其下游2 km范围内的地形及重要建筑物进行建模,并利用PFC3D三维离散元模拟软件对磷石膏尾矿库溃坝后尾矿的演进过程进行模拟分析。1颗粒离散元方法颗粒流的计算方法是基于离散单元法(DEM),离散元方法由Peter
13、Cundall于1 9 7 1 年提出的 1 2 1,经过多年时间的发展以及后续学者不断的完善,离散单元法已成为研究散体介质的一种强有力工具。PFC颗粒流离散元软件因其以刚性球体为计算基本单元,能够很好的符合尾矿矿渣的力学特性,所以用PFC软件来模拟滑坡和尾矿库的溃坝能够很好地展现颗粒从坡上滑落的全过程。接触模型是PFC(ParticleFlowCode)计算理论的核心问题,其中PFC5.0中的抗滚动接触模型有以下优点:采用圆形颗粒,且避免对不规则颗粒间接触的反复判断,可提高计算效率;引入具有明确物理意义的形状参数,表示颗粒间的接触情况;引入滚动阻力力矩并与滚动刚度联系。另外,由于尾砂颗粒具有
14、离散特性及不规则特性,考虑到颗粒之间存在的相互作用(咬合、摩擦等)对颗粒滚动产生的阻碍。因此,溃坝颗粒离散元模拟的接触模型考虑选用抗滚动接触模型。抗滚动接触模型的接触力F和力矩M通过力-位移定律更新:F=F+F,MC=M(2)(3)(4)(5)M,IMIM*M=MMMT),/MIM*极限转矩M*定义为:M=u,RF,式中,,为滚动摩擦因数;F为颗粒间的法向接触力。滚动滑移状态s,也更新为:ture,IlMII=M*S,=false,其他2工程概况某磷石膏尾矿库为典型的“头顶库”(下游1 km距离内有居民或重要设施的尾矿库),初期坝采用碾压土石坝,坝顶高程1 0 0.0 m,坝底高程7 7.0
15、m,坝高23.0m,顶宽5.0 m,坝轴线长度约为40 3.6 m,上、下游每级坡比均为1:2.5,堆积坝采用上游胶结法磷石膏筑坝,平均堆积坡比为1:3,设计最终堆积标高140.0m,总坝高6 4.0 m,总库容为4.2 2 51 0 m,属于三等库。磷石膏库区周边环境如图1 所示,库区下游东南侧3.1 km为长江,场区东侧约0.3km为老渣库,场区西侧约0.6 km有水库,西侧1.8 km为S225省道,均有天然山脊分隔,北部距离3.7 km为31 8 国道,场区东侧2 km为姚港三路,东偏北方向约3km为化工厂,库区下游0.1 1 km范围内有大量居民。3溃坝数值模拟3.1溃决工况(1)为
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