尾矿库排洪系统结构仿真APP助力尾矿库本质安全

1、背景介绍

尾矿库作为重大危险源之一，在国际灾害事故排名中位列第18位，根据中国钼业2019年8月刊《中国尾矿库溃坝与泄漏事故统计及成因分析》的统计，在46起尾矿库泄漏事故中，由于排洪设施导致的尾矿泄漏事故占比高达1/3，给人民生命和财产安全造成了巨大损失。

2015年至2020年五年间，不少于4座尾矿库发生了排洪系统坍塌事故，甚至引发了次生重大突发环境事件，数十万人民的正常生活受到影响。

图 1 排水竖井坍塌引起的尾矿库泄漏事故现场（图片源自网络）

《尾矿库安全规程GB39496-2020》中明确指出，“尾矿库排洪构筑物应进行结构计算，结构计算应满足相应水工建筑物设计规范要求，排水井还应满足 GB 50135 的相关要求”。目前尾矿库排洪系统结构计算依据的主要资料为《尾矿设施设计参考资料》，专用计算软件尚为空白。这主要是由于尾矿专业、结构专业、数值仿真模拟等多专业的融合知识体系庞杂，工程经验依赖性强。

云道智造基于自主通用多物理场仿真PaaS平台Simdroid（伏图），对排水井、排水斜槽、涵管、隧洞等多种排洪系统结构，开展了计算模块定制与功能开发，为尾矿设计人员更加科学、可靠地进行结构选型与配筋设计提供了有效手段。将复杂的框架式排水井有限元仿真流程进行APP封装，设计工程师使用封装的仿真APP，只需输入形状和材料参数，无需考虑建模流程及仿真细节，就可轻松掌握框架式排水井受力状态。尾矿库排洪系统结构仿真APP的使用，大幅度降低了排洪系统结构计算的专业技术门槛，提高了设计与现行规范的融合水平。

图 2  尾矿库排洪系统结构仿真软件

2、尾矿库排洪系统结构仿真解决方案

本文以6柱框架式排水井为例，对尾矿库排洪系统结构仿真软件的计算流程进行介绍。

（1）参数设置与荷载生成

根据界面引导输入必要的材料参数和几何参数，点击“确定”按钮后，程序会将所有数据传递给荷载计算模块和内力计算模块。参数设置界面引导清晰、概念明确、用户操作感受十分良好。

图 3 参数设置界面

用户可根据需求自定义或选择默认荷载进行工况组合，陆续开展拱板、基础、井座筒壁、盖板封堵、地基承载力、抗倾覆和抗浮验算。

荷载计算模块会自动生成排水井建成未蓄水、建成未投产已蓄水、尾矿堆积至排水井顶部、尾矿堆积至排水井最终标高等关键工况的各种荷载结果。用户可根据实际需求进行默认值的引用和自定义设置。

图 4 复杂荷载工况自动计算

（2）基于概率极限状态设计理论的排水井承载能力极限状态计算

根据框架式排水井的受力特点，程序内置拱板、井座、底板、盖板、框架的内力计算和配筋、抗倾覆验算、抗浮验算、地基承载力验算等计算模块，各计算模块默认配置荷载组合工况及荷载分项系数，以满足现行规范的设计需求，用户也可根据实际需求进行自定义荷载组合。

用户在完成基本参数和荷载工况的设置后，程序内部自动将参数传递给各个计算模块，用户只需要点击计算按钮，界面即可输出对应计算过程及最终结果。

图 5  仿真APP分析功能 

图 6 框架式排水井内力及变形计算结果—框架变形图（放大200倍）

（3）辅助功能助力工程设计成果梳理

尾矿库排洪系统结构仿真APP具备的计算书生成功能，旨在为工程人员提供便捷的成果梳理工具支持计算书的预览、自定义模板设定及导出。工程师可以轻松生成、查看并调整计算结果，确保其符合项目要求和格式规范。此外，该功能的灵活性和友好性大大提高了工作效率，使工程文档的管理和呈现变得更为专业和高效。

目前，本仿真APP已被成功应用在200m级新建尾矿库的排洪设施初步设计中。仿真平台与行业专业算法的融合，不仅提高了软件的适用性和有效性，还使得仿真技术更加贴合实际工程应用，为行业带来创新和效率的提升。

3、行业算法结合仿真工具，助力智慧矿山本质安全

在矿山数字孪生建设中，数值模拟仿真工具可以精确地模拟矿山的复杂工况和环境，助力设计优化和运维安全，减少风险并提高效率。利用仿真手段能够提前识别安全隐患，如边坡失稳、浸润线过高、排洪系统结构危险受力等，提前制定有效的预防措施。仿真工具可有效降低工程试错成本和风险，基于持续的监测和评估支持，提供科学的决策依据，保障智慧矿山本质安全。

图 7 仿真技术助力数字矿山建设

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