尾矿库隐患识别与风险动态演化机理研究

Encountered with the serious influences of the tailings impoundment failures, and short for the knowledge of the hidden danger and the risk evolution of the hazard mechanism, based on the text data mining technology this paper focuses on the three-dimensional system of hidden danger identification for influencing factors of tailings impoundment, tailings impoundment life expectancy and tailings impoundment hidden danger categories. The complex network for risk evolution of tailings impoundment is established using the theory of complex network, adjacency matrix and Pajek visible network technology in order to make an analysis of the complex network structural characteristics, center index, and the community structure and self-network. The key points in the complex network are identified via the method of network interference and the test of all-round network efficiency index. Based on the theory of disaster evolution dynamics, the dynamic model for risk evolution of the tailings impoundment is implemented, which takes into consideration of not only the influences from the self-repairing ability, the disaster-spread mechanism, the internal and external noise / disturbance, but also the tailings dynamic model evaluated over time and space. Then, the method of characterizing the risk of hidden danger, influence scope and transmission speed of risk is given. Finally, the laboratory tests and actual examples are applied in order to test the validity of the theory, method and model. The research results are expected to identify key hidden dangers in the risk evolution process, reveal the mechanism of time and space of multiple hidden dangers to risk and risk evolution to safety accidents, reduce tailings impoundment hidden danger and risk, and facilitate the pre-control and emergency treatment of failures and disasters.

针对尾矿库事故严峻、隐患与风险演化致灾动力学机理认知不足，采用文本数据挖掘技术研究面向尾矿库事故因素集、尾矿库生命周期阶段和尾矿库隐患类别的隐患识别三维体系；运用复杂网络理论、邻接矩阵和Pajek网络可视化技术，构建尾矿库风险演化复杂网络，对复杂网络结构特性、中心性指标、社团结构及自我网络等方面进行分析，通过网络干扰和测试全网效率指数，识别尾矿库复杂网络中的关键节点；基于灾害演化动力学理论，建立考虑尾矿库自修复能力、灾害蔓延机制、内外部噪声/干扰等因素耦合影响及随时空而演化的尾矿库风险演化动力学模型，给出表征尾矿库隐患风险度、风险演化范围和传播速度的方法；利用室内试验和现场实例检验理论、方法和模型的有效性。预期成果可以有效的辨识尾矿库风险演化过程中的关键隐患，揭示尾矿库多因素耦合产生风险、风险演化导致事故的时空关系机理，有助于尾矿库隐患与风险的消减、事故及灾害的预控及应急处理。

尾矿库是矿山生产重要设施，尾矿库安全事故，尤其是溃坝事故是国内外最为严峻的安全生产事故之一。在对尾矿库现状研究基础上，本项目统计、分析了大量国内外尾矿库事故案例，构建了“过程—致因—类别”的三维隐患识别模型，通过对于尾矿库事故文本的挖掘，研究尾矿库事故隐患因素之间的关系，同时采用基于DIC的尾矿库降雨模型试验、振动模型试验以及数值模拟，展开了降雨和地震隐患因素对尾矿库的影响研究。其主要内容包括：运用“过程—致因—类别”网格法面向尾矿库生命周期即建设、运行、闭库、复垦等阶段，从人员、技术、管理、环境因素对尾矿库初始蛰伏、衍生威胁、最终活动等隐患进行辨识，找出尾矿库生命周期中的主要隐患。通过文本挖掘的方式将尾矿库事故案例文本进行分词处理，采用词频法从尾矿库事故案例分析中得到导致事故的关键隐患因素；利用Apriori算法进行隐患因素之间的关联分析，寻找隐患因素导致事故的耦合关系，利用共现分析的方法得出共现网络，实现隐患因素之间的网络可视化。结合灾害演化动力学模型，建立了适合于尾矿库风险演化的动力学模型，形成了以节点的相对风险度作为节点演化判别的动力学表达式，应用于和尚峪尾矿库，对其可能存在的隐患进行了仿真，给出了相应事故隐患的演化随时间的变化趋势。通过尾矿坝降雨模型试验得出在相同降雨时间下，对于不同坡比的尾矿库，降雨对尾矿库库区以及坝体顶部的影响较大，坡比越大，产生的位移变化量也越大，整个坝体的位移变化从库区底部到坡面顶部呈递增的趋势，在坝体的坡顶达到最大。通过振动模型试验及数值模拟，对含水尾砂堆积坝振动破坏规律及局部变形化启动过程进行探究，定量表征了含水坝面的损伤演化，将正弦波加载方式施加于基于PFC3D的尾矿坝模型，对尾矿坝振动过程中的位移、应力、裂隙、颗粒位置变化进行分析，进而对尾矿坝位移变化，溃坝情况进行稳定性分析。研究结果对防范尾矿库事故、提升尾矿库安全管理水平具有重要参考意义。