基于散体介质颗粒结构演变机理的渣堆危险性研究

Slag dumps from engineering construction and mining activities easily induce landslides and debris flow with high hazard. Slag structure is complex and has remarkable time-variation which cannot assess its hazard with static parameters. Based on the evolution of granule structure in slag, this study establishes a failure probability analysis method of slag dump considering time scale. Taking mine areas in Guangxi Heshan and Hubei Daye as study areas, based on the investigation of granule structure in new and old slag dumps, the laboratory experiment controlling the granule structure and discrete element model, we simulated the mechanical process of slag consolidation, seepage and failure. Using granular mechanics and energy theory, we studied the synergistic effect between granule structure, internal stress and macroscopic strength. Through changing slag structure and mechanical in PFC, we studied on the data flow and uncertainty expression of slag structure and mechanical parameters with accumulation time increasing, and established a hazard analysis method of slag considering itself structure evolution. The results have scientific significance for developing granular mechanics theory and guiding disaster reduction engineering of slag dump. It breaks traditional reliability analysis theory of landslide that mainly considers environmental reproduction period and add uncertainty parameters with time evolution model in slag structure.

工程建设和矿业活动形成的渣堆(排土场)容易引发滑坡、泥石流，具有高危险性。渣堆结构复杂、有显著的时变性，不能用静态参数评价其危险性。本项目以渣堆内部颗粒结构演变为线索，建立了时间尺度的渣堆危险性分析方法。以广西合山和湖北大冶两矿区为研究区，在新、老渣堆颗粒结构调查的基础上，通过控制颗粒结构的室内实验和数值分析，模拟渣堆经历固结、渗流和破坏的力学过程，结合散体力学和能量学理论，研究颗粒结构-内部应力-宏观强度之间的协同作用机理和动态。设计渣体细观结构和力学输入参数，构建渣堆内部颗粒结构随堆积时间的模拟数据流，分析渣堆宏观力学参数的不确定性表达，建立考虑渣堆自身结构演变的危险性研究方法。成果对发展散体颗粒介质力学理论，指导人工弃渣场的防灾减灾工程具有重要科学意义。理论创新方面，突破了传统灾害危险性主要考虑外部环境重现期的计算模型，增加了渣堆内部结构和力学随时间演变的机理和不确定性参数。

矿山和工程建设形成堆渣场具有高危险性和高风险性。渣堆结构演化是其风险评估和管理的基础。为了揭示渣堆结构及其力学效应的演变规律、评估堆渣场风险，项目以大冶矿区、合山矿区和深圳某新区的三类堆渣场为对象，开展基于散体介质颗粒结构演变机理的渣堆动态风险研究。. 研究了堆渣场散体介质颗粒结构的组合及演化规律；提出了渣体颗粒“力链”和宏观力学参数的定量分析方法；建立了“瓢形体”堆渣场稳定性的多剖面分析方法；开展了堆渣场动态风险评估管理的实证研究。. 通过现场调查、CT扫描、压（击）实实验和柱实验分析了渣堆结构演化规律。堆渣场初始结构存在沿渣体自然休止角分层和顺坡运动颗粒分选；粗颗粒含量和圆度是影响颗粒压裂破碎的主要原因，而加压荷载、渣体分层和分层角度对破碎率影响小；渗流引起的颗粒变化与水头差有关，渣堆由上至下可分为细粒流失区、传导区和积淀区。. 以自制散体介质压缩实验和PFC数值实验，揭示了颗粒结构-力链-宏观力学参数的协同演化机理。粗颗粒是散体介质力链传递的媒介，强力链致使颗粒破碎，颗粒间应力和颗粒结构调整表现为轴向压缩和体积变化。散体介质初始结构影响力链传递，颗粒分层倾角对压缩性和力链传递影响显著，软弱夹层弱化力链传递及其效应。. 山谷等“瓢形体”堆渣场存在应力集中现象，提出了适合于此类堆渣场稳定性分析的多剖面法。山谷坡度大于渣体自然休止角是堆渣场应力集中的发生条件，山谷长宽比是确定多剖面集中点位置的主要参数。项目提出了堆渣场动态风险和极端事件风险的评估方案，以及多利益群体参与的风险管理模式。. 项目成果揭示了渣堆内部颗粒结构时变规律，以及散体介质颗粒间“力链”和宏观力学参数的演变规律，建立了堆渣场稳定性的多剖面法分析方法，对发展散体颗粒介质力学理论和堆渣场风险管控具有重要的科学意义。