FLOW-3D HYDRO 尾矿模型Tailing

管理和缓解与矿山废物设施相关的风险对采矿运营商和利益相关者非常重要。尾矿流径流评估用于了解下游基础设施和环境的潜在故障风险。尾矿是采矿作业的常见副产品。为了回收矿石中所含的矿物质或金属，矿石被粉碎，以便后续流程能够有效地提取所需的材料。提取后，被称为尾矿的残余物质被存放在尾矿池中，或用于建造被称为尾矿坝的尾矿池围护结构。尾矿池含有尾矿颗粒和水的混合物，称为泥浆。如果尾矿坝失败，它可能会以巨大的力量流动，并对其路径上的任何东西造成重大损害。除了生命和基础设施的潜在成本外，环境破坏也可能非常严重。

FLOW-3D HYDRO的尾矿模型允许用户对水和尾矿的高浓度混合物的流动进行建模。该模型包括对细颗粒和粗颗粒分别或一起进行建模的能力，以及对不同尾矿浓度的多个初始层进行建模的能力。在非牛顿尾砂材料层的上方还可以包括上清液水层。尾矿流表现出高度非牛顿特性，粘度取决于剪切速率、尾矿浓度和粒度。为了准确有效地模拟尾矿流，需要进行几项先进的开发。

Viscosity Model粘度模型

尾矿坝由各种粒度的尾矿材料组成，具体取决于采矿工艺和尾矿坝施工方法。下图显示了由不同粗细材料层建造的尾矿坝的一些典型横截面。利用FLOW-3D HYDRO中的新尾矿模型可以模拟尾矿坝的破坏。

Bimodal viscosity model双峰粘度模型

为了模拟此类结构物失效时的流动，开发了双峰粘度模型。这种模式的特点包括：

• Coarse (>40 micron) tailings model粗粒（>40微米）尾矿模型
•   方法包括距离比、Thomas和Ovarlez相关性
•   粒度相关
• 细粒尾矿模型（<40微米）
•   列表函数
•     浓度相关的流量指数
•     浓度相关的屈服应力
•   实证的相关性
• 浅水中的两层Herschel-Bulkley模型
• 粘性模型
• 湍流床层剪应力模型 (Strickler, Manning, 等)

在网格划分中，只有一个垂直单元用于模拟地形和水流。由于尾矿材料的粘性很高，如果不进行特殊处理，很难解决粘性边界层。为了解决这个问题，开发了浅水网格中的两层Herschel-Bulkley模型。

网格划分方法

尾矿坝不仅组成复杂，而且通常相当大，通常有数百米甚至数千米宽。为了在如此大的区域上精确建模，可以使用3D和浅水网格。3D模型允许对水流和粗细尾矿进行建模，包括混合和沉淀。一旦尾矿充分混合，浅水网格可与3D网格耦合，以便有效模拟大面积尾矿径流。

三维网格

•   提供可变成分尾矿坝的精确建模
•   多块网格、偏置网格划分方法可用于捕捉感兴趣区域的细节

浅水模型网格

•   大区域计算分析的快速解决方案
•   链接式网格块可提高网格划分效率

混合三维/浅水模型网格

•   同一模型中的三维和浅水耦合网格
•   在完全混合的尾矿区域，通过浅水网格提供可变尾矿成分的三维分辨率

By Ibama from Brasil - Brumadinho, Minas Gerais, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=76936072

尾矿模型的应用

任何建模方法的最终测试都是将模型应用于实验结果或真实事件。近年来最严重的尾矿坝溃决之一是2019年1月25日发生在巴西米纳斯吉拉斯的Brumadinho溃决。这一失败体现在死亡人数和造成的损害程度上。该事件提供了一个有价值的案例研究，因为建筑材料有很好的记录。尾矿流到达河谷沿线不同位置的时间也有很好的记录，这使得模拟径流可以与观测结果进行比较。以下是模拟洪水与观测洪水的比较。

Observation points along the tailings runout flow path.

Satellite overlay taken from “Modeling the Brumadinho tailings dam failure, the subsequent loss of life and how it could have been reduced”, Darren Lumbruso, et al.

计算结果与观察结果比较良好，如下所示：

•   Runout observation times观测时间
  •   食堂 ~ 2 minutes
  •   铁路桥~ 10至12分钟
  •   帕拉奥佩巴河~1小时30分钟到2小时10分钟

《Brumadinho尾矿坝溃坝建模、随后的生命损失以及如何减少生命损失》中报告的观察结果，Lumbruso等人。

•   模拟结果
  •     食堂 ~ 2 minutes 10 seconds
  •     铁路桥 ~ 9 minutes 30 seconds
  •     帕拉奥佩巴河~ 2 hrs 18 minutes