高寒地区含冰层尾矿库渗流场的数值模拟和应用研究

【摘要】：尾矿库作为矿山生产的重要设施,在安全和环保上又是重大的危险源和污染源,它的安全运行直接关系尾矿库下游居民生命财产和公共设施的安全。高寒地区的尾矿库在运行过程中,低温放矿会导致尾矿砂冻结,冻结后的尾矿砂渗透性降低,会引起浸润面的抬升,对尾矿库渗流稳定性带来极为不利的影响,因此研究冰层对尾矿库渗流场的影响对于高寒地区尾矿库的修筑和运行具有理论指导意义。尾矿砂冻结后,其物理力学性质发生改变,渗透系数变小。为准确地对含冰层尾矿库进行渗流场分析,利用变水头渗透试验测定饱和尾矿砂和冻结尾矿砂的渗透系数,为尾矿库渗流场的数值模拟提供可靠的参数。尾矿库所处地区的气候环境、地形条件、矿浆浓度都会影响冰层的形成,使冰层呈现不同的层数、位置、形态或者渗透系数,冰层的上述因素会不同程度影响尾矿库的渗流稳定性。鉴于冰层会对渗流场造成不利影响,研究冰层层数、冰层位置、冰层形态及冰层渗透系数不同时各自的浸润面分布,进而得出冰层不同的变化形式对渗流场的影响规律。以河北省某含冰层尾矿库为工程实例,通过工程资料构建该尾矿库三维数值模型,使用流固耦合-强度折减法对其进行渗流稳定性和抗滑稳定性分析。通过渗流稳定性分析,得到总水头分布,浸润面分布,渗透流速分布,得出尾矿库浸润面的最小埋深满足规范要求,渗流稳定性符合要求的结论;通过抗滑稳定性分析,求得三维坝体的最小安全系数和塑性贯通区。使用极限平衡法对坝体主剖面进行稳定性分析,验证强度折减法计算三维坝体抗滑稳定性的正确性。最后,提出避免冰层出现的措施,为尾矿库安全运行提供重要的科学依据。