论文摘要
经过近60年的发展,我国已成为世界矿业大国,而金属、非金属矿山大都拥有尾矿设施。经调查统计,我国尾矿库存在数量多、规模小等特点,并且绝大多数尾矿库下游为生活区,工矿企业,一旦发生溃坝事故,不仅使尾矿流失,破坏下游地区的生态环境,而且造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此对尾矿库溃坝风险进行研究并根据评价结果采取相应的风险管理措施是减灾防灾工程和维护尾矿库安全运行的必要手段。目前我国尾矿库溃坝风险研究主要集中在尾矿库坝体稳定性分析、尾矿库防洪能力测算、安全管理等方面。多侧重针对尾矿库溃坝风险的某一方面进行分析,而少有对尾矿库溃坝风险进行全面系统的研究。全面系统的尾矿库溃坝风险研究应包括尾矿坝溃坝致灾机理研究、尾矿坝溃坝概率计算、尾矿坝溃坝损失评价及尾矿坝溃坝可接受风险标准研究等四个大的方面,本文主要从这几个方面开展了研究工作,主要研究内容及结果如下：首先对国内外尾矿库事故情况及病害类型进行了统计分析,研究尾矿坝溃坝的致灾机理,共得到5大类溃坝模式和24种可能的溃决路径。从突变学角度对导致尾矿坝坡失稳溃坝的主要原因进行分析,找出其导致溃坝的主要影响因素为尾矿砂的粘聚力和内摩擦角。以北京首云铁矿的和尚峪尾矿库为示范工程,进行了现场试验和室内尾矿砂力学特性试验研究,研究了尾矿坝的堆积特性和特征指标的分布规律及尾矿砂力学特性,得到尾矿砂的粘聚力及内摩擦角等物理力学参数,为尾矿坝溃坝概率分析提供了依据。其次摒弃传统的尾矿坝抗滑稳定性安全系数定值计算方法,选取综合考虑诸因素的不确定性的概率方法来度量坝体失稳导致溃坝的概率。研究了几种典型的可靠度计算方法的优缺点,最终确定选择蒙特卡罗方法对尾矿坝坝坡失稳溃坝概率进行计算；建立了尾矿坝坡失稳破坏的功能函数,确定模拟参数及模拟次数,采用考虑随机变量相关性的基于Nataf分布并结合Cholesky分解的蒙特卡罗方法进行尾矿坝坝坡失稳溃坝概率计算。该方法成功克服了natlab传统子集模拟方法只能解决随机变量为正态分布且变量之间相互独立的不足,而且考虑了尾矿砂力学参数的相关性对稳定性计算结果的影响,提高了计算结果的准确性。考虑下游建筑物对溃坝砂流演进范围的影响,对溃坝砂流演进过程使用fluent软件进行了两相流三维模拟,物理模型的建立和网格的划分均使用ICEM CFD,求解方法选取SIMPLE算法。数学模型以Navier-Stokes方程为基础,紊流方程为封闭模型,自由表面的追踪采用VOF法。对溃坝后导致的生命损失进行研究。通过对国内外溃坝生命损失研究的对比分析,进一步完善尾矿坝溃坝生命损失估算方法。以某尾矿库为例,对溃坝后下泄砂流演进行模拟,模拟得到的最终影响范围及泥深均与溃坝后的现场观测结果比较吻合,证明了模拟的有效性和正确性。建立了我国尾矿坝溃坝个人及社会生命可接受风险标准,填补了我国尾矿库溃坝生命风险可接受标准的空白。采用基于LQI的社会可接受准则方法对我国尾矿库目前安全投入进行评估,计算得到把尾矿坝目前的风险率降到可接受风险标准社会愿意支付的费用为33亿元,而我国目前每年尾矿库可以提取的安全费用约为4.5亿元。根据ALARP原则,我国应适当提高《企业安全生产费用提取和使用管理办法》中尾矿库安全费用的提取比例,增加尾矿库的安全投入,降低行业风险。首次引入生活质量指数LQI,对安全投入进行评估,并结合ALARP原则来确定与社会发展目标一致的可接受风险标准。最后将处理确定和不确定性问题的集对分析方法应用到尾矿坝稳定性评价中,为尾矿坝的风险评价提供了一个新的方法。尾矿坝溃坝后果严重度是由尾矿坝本身的因素和溃坝造成的损失因素两方面共同决定的,具体可用尾矿坝规模、生命损失、经济损失和社会环境影响这四个子系统来度量,由综合因子加权法构成尾矿坝溃坝后果严重度评价函数。根据前述研究成果,编制了尾矿坝溃坝的风险评价软件,软件使用了基于JSP的web开发技术,该软件通过专门机构进行的软件评测,测试报告作为附件附于论文后,开发的尾矿库风险评价软件,有望为我国尾矿库的风险评估提供科学的依据和技术支持。以北京首云铁矿和尚峪尾矿库为例,进行了工程实例风险分析。
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