1、背景介紹

尾礦庫作為重大危險(xiǎn)源之一，在國際災(zāi)害事故排名中位列第18位，根據(jù)中國鉬業(yè)2019年8月刊《中國尾礦庫潰壩與泄漏事故統(tǒng)計(jì)及成因分析》的統(tǒng)計(jì)，在46起尾礦庫泄漏事故中，由于排洪設(shè)施導(dǎo)致的尾礦泄漏事故占比高達(dá)1/3，給人民生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大損失。

2015年至2020年五年間，不少于4座尾礦庫發(fā)生了排洪系統(tǒng)坍塌事故，甚至引發(fā)了次生重大突發(fā)環(huán)境事件，數(shù)十萬人民的正常生活受到影響。

圖 1 排水豎井坍塌引起的尾礦庫泄漏事故現(xiàn)場（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

《尾礦庫安全規(guī)程GB39496-2020》中明確指出，“尾礦庫排洪構(gòu)筑物應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)滿足相應(yīng)水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范要求，排水井還應(yīng)滿足 GB 50135 的相關(guān)要求”。目前尾礦庫排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算依據(jù)的主要資料為《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》，專用計(jì)算軟件尚為空白。這主要是由于尾礦專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、數(shù)值仿真模擬等多專業(yè)的融合知識(shí)體系龐雜，工程經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)。

云道智造基于自主通用多物理場仿真PaaS平臺(tái)Simdroid（伏圖），對排水井、排水斜槽、涵管、隧洞等多種排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開展了計(jì)算模塊定制與功能開發(fā)，為尾礦設(shè)計(jì)人員更加科學(xué)、可靠地進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型與配筋設(shè)計(jì)提供了有效手段。將復(fù)雜的框架式排水井有限元仿真流程進(jìn)行APP封裝，設(shè)計(jì)工程師使用封裝的仿真APP，只需輸入形狀和材料參數(shù)，無需考慮建模流程及仿真細(xì)節(jié)，就可輕松掌握框架式排水井受力狀態(tài)。尾礦庫排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真APP的使用，大幅度降低了排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算的專業(yè)技術(shù)門檻，提高了設(shè)計(jì)與現(xiàn)行規(guī)范的融合水平。

圖 2  尾礦庫排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真軟件

2、尾礦庫排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真解決方案

本文以6柱框架式排水井為例，對尾礦庫排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真軟件的計(jì)算流程進(jìn)行介紹。

（1）參數(shù)設(shè)置與荷載生成

根據(jù)界面引導(dǎo)輸入必要的材料參數(shù)和幾何參數(shù)，點(diǎn)擊“確定”按鈕后，程序會(huì)將所有數(shù)據(jù)傳遞給荷載計(jì)算模塊和內(nèi)力計(jì)算模塊。參數(shù)設(shè)置界面引導(dǎo)清晰、概念明確、用戶操作感受十分良好。

圖 3 參數(shù)設(shè)置界面

用戶可根據(jù)需求自定義或選擇默認(rèn)荷載進(jìn)行工況組合，陸續(xù)開展拱板、基礎(chǔ)、井座筒壁、蓋板封堵、地基承載力、抗傾覆和抗浮驗(yàn)算。

荷載計(jì)算模塊會(huì)自動(dòng)生成排水井建成未蓄水、建成未投產(chǎn)已蓄水、尾礦堆積至排水井頂部、尾礦堆積至排水井最終標(biāo)高等關(guān)鍵工況的各種荷載結(jié)果。用戶可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行默認(rèn)值的引用和自定義設(shè)置。

圖 4 復(fù)雜荷載工況自動(dòng)計(jì)算

（2）基于概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論的排水井承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

根據(jù)框架式排水井的受力特點(diǎn)，程序內(nèi)置拱板、井座、底板、蓋板、框架的內(nèi)力計(jì)算和配筋、抗傾覆驗(yàn)算、抗浮驗(yàn)算、地基承載力驗(yàn)算等計(jì)算模塊，各計(jì)算模塊默認(rèn)配置荷載組合工況及荷載分項(xiàng)系數(shù)，以滿足現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)需求，用戶也可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行自定義荷載組合。

用戶在完成基本參數(shù)和荷載工況的設(shè)置后，程序內(nèi)部自動(dòng)將參數(shù)傳遞給各個(gè)計(jì)算模塊，用戶只需要點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，界面即可輸出對應(yīng)計(jì)算過程及最終結(jié)果。

圖 5  仿真APP分析功能 

圖 6 框架式排水井內(nèi)力及變形計(jì)算結(jié)果—框架變形圖（放大200倍）

（3）輔助功能助力工程設(shè)計(jì)成果梳理

尾礦庫排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真APP具備的計(jì)算書生成功能，旨在為工程人員提供便捷的成果梳理工具支持計(jì)算書的預(yù)覽、自定義模板設(shè)定及導(dǎo)出。工程師可以輕松生成、查看并調(diào)整計(jì)算結(jié)果，確保其符合項(xiàng)目要求和格式規(guī)范。此外，該功能的靈活性和友好性大大提高了工作效率，使工程文檔的管理和呈現(xiàn)變得更為專業(yè)和高效。

目前，本仿真APP已被成功應(yīng)用在200m級(jí)新建尾礦庫的排洪設(shè)施初步設(shè)計(jì)中。仿真平臺(tái)與行業(yè)專業(yè)算法的融合，不僅提高了軟件的適用性和有效性，還使得仿真技術(shù)更加貼合實(shí)際工程應(yīng)用，為行業(yè)帶來創(chuàng)新和效率的提升。

3、行業(yè)算法結(jié)合仿真工具，助力智慧礦山本質(zhì)安全

在礦山數(shù)字孿生建設(shè)中，數(shù)值模擬仿真工具可以精確地模擬礦山的復(fù)雜工況和環(huán)境，助力設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)維安全，減少風(fēng)險(xiǎn)并提高效率。利用仿真手段能夠提前識(shí)別安全隱患，如邊坡失穩(wěn)、浸潤線過高、排洪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)受力等，提前制定有效的預(yù)防措施。仿真工具可有效降低工程試錯(cuò)成本和風(fēng)險(xiǎn)，基于持續(xù)的監(jiān)測和評估支持，提供科學(xué)的決策依據(jù)，保障智慧礦山本質(zhì)安全。

圖 7 仿真技術(shù)助力數(shù)字礦山建設(shè)

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