Numerical Modelling of Flow and Capillary Barrier Effects in Unsaturated Waste Rock Piles

Abstract  Flow systems in unsaturated waste rock piles were simulated using a two-dimensional numerical model (HYDRUS). The conceptual models are based on homogeneous (unstructured) waste piles, and on structured piles that include either horizontal or inclined fine-grained layers within a coarser host material, forming a capillary barrier system. The approach considers fully transient conditions and uses observed climatic data from a mine site in northern Quebec, Canada. All physical properties of the porous media, including the water retention curves, were obtained from measured data. Different geometric configurations were tested to determine their effect on moisture distribution and water flow, which ultimately control the potential for acid rock drainage (ARD). The simulations begin with a relatively dry initial condition under hydrostatic equilibrium. After an initial transient period, the simulated internal moisture distribution became periodic with a regular pattern of seasonal fluctuations. The simulations suggest that flow can be controlled in such systems using inclined fine-grained layers that retain and divert moisture due to capillary barrier effects. With horizontal layers, the local flow regimes become unstable, causing vertical preferential flow zones to develop below the barriers wherever the local water pressure first exceeds the entry pressure of the underlying coarser material. In this scenario, ARD production can remain high since a large fraction of the internal pile is being flushed. A shallow downward slope in the layers forces drainage toward the outer boundary and maintains lower saturation in the centre of the pile, thus potentially reducing the amount and mobility of ARD. NSERC Polytechnique/UQAT Industrial Chair: Env and Mine Waste Mgmt     

Geophysical Diagnosis of Diversion Channel Infiltration in a Uranium Waste Rock Pile

The Osamu Utsumi mine was the first to economically mine uranium ore in Brazil. During its operation, a river valley was buried for the construction of the waste rock pile. The original stream was diverted to the northwest side of the pile and has since flowed into a diversion channel devoid of basal waterproofing, while an acid mine drainage (AMD) source flows at the base of this waste rock pile. This research aims to evaluate the possible relationship between water infiltration of the diversion channel and the AMD resurgence at the base of the pile using electrical resistivity tomography and induced polarization. 2D inversion models and pseudo-3D maps allowed the recognition of low resistivity zones (<?100 Ω·m) with high chargeability areas (10 mV/V). Some of these low-resistivity areas have been interpreted as infiltration zones in segments of the diversion channel into the pile, and in one of them, the flow intercepts a high chargeability area interpreted as a sulfide-rich zone that is expected to contribute to AMD at the base of the pile. Understanding the hydrogeochemical process will help select effective actions to mitigate the generation of AMD at the mine, which is currently in the decommissioning phase.

     

回填废石层下放矿损贫预测及颗粒流数值分析

露天转地下开采,回填废石层在放矿过程中对矿石的损失和贫化有一定的影响。回填废石层下放矿损贫的主要影响因素有回填层厚度、废石的粒径和非均匀度3个方面,对不同试验者的实验数据重新处理,总结出了回填废石层下放矿贫化率和损失率的数学模型,并结合司家营铁矿Ⅲ采场的露天转地下工程进行了回填废石粒径与非均匀度的设计。通过颗粒流数值正交试验方法,分别从绝对因素和相对因素回归建立了贫化率λ、回填层厚度h、回填层粒径d、回填层粒径非均匀度K4个因素和损失率之间的关系,为类似条件下的回填层合理设计提供参考。     

孔隙水压力对高应力软岩巷道稳定性影响的数值仿真

为了研究孔隙水压力对深部高应力软岩巷道围岩稳定性的影响规律,利用有限差分程序对不同孔隙水压力工况下深部软岩巷道围岩稳定性及孔隙水压力分布规律进行了数值仿真,结果表明:随着孔隙水压力的增加,围岩应力集中程度及其影响范围呈增加趋势,顶底板集中区到巷道中心点的距离逐渐趋于定值;随着孔隙水压力的增加,围岩位移量增加,其趋势为:两帮明显大于顶板,顶板大于底板,围岩治理的重点在于两帮收敛变形控制。     

不同喷嘴结构下水射流流场及破岩特征数值模拟

为了获取高压水射流流场结构参数,优化喷嘴结构以及研究岩石破坏特征,采用了CFD方法对高压纯水射流流场结构、射流核心区长度以及速度分布进行研究,并采用ALE方法研究了高压水射流破岩特征。研究结果具有一定的参考价值。     

承压水体上岩浆岩底板采动效应的数值分析

为防治卧龙煤矿首采区的底板突水,根据首采区煤层底板地质特征,分析了底板岩浆岩岩性及其组合特征,考查了太原组灰岩水的富水性和水压情况,并采用了应变软化本构关系,建立地质力学模型.运用快速拉格朗日元法对承压水体上底板的采动效应进行了数值模拟,分析了应力、位移场,确定10煤回采底板破坏深度为13 m.结果表明底板导水裂隙带深...     

炮孔密集系数对破碎效果的影响

对逐孔起爆和排间顺序起爆2种方式下,炮孔密集系数对爆破块度和块内损伤度的影响进行了数值模拟。计算中炮孔密集系数从1.00逐渐增大变化至1.92,块度以平均破碎尺寸d50、极限破碎尺寸d90和大块率Br为评价指标,块内损伤度以系统破裂度Fr为评价指标。数值计算表明,当采用逐孔起爆时,由于每孔只有2个自由面,炮孔密集系数的变化影响不明显;当采用排间顺序起爆时,密集系数较大时,爆区内岩体的破碎较为均匀,随着密集系数的减小,由各炮孔包围的矩形区域中部出现大块分布,且密集系数越小,大块分布越明显。所以,在采用排间顺序起爆时,适当增大孔间距及缩小孔排距可以明显改善爆破效果。     

矸石充填沿空留巷稳定性数值模拟研究

本文以木城涧煤矿西四壁工作面矸石充填沿空留巷为研究对象,在充分分析了煤层顶底板及围岩地质条件的情况下建立FLAC3D数值模拟模型,并制定充填体宽度为1 m、1.5 m、2 m三个方案。经过分析各个方案的围岩塑性区、顶底板位移、两帮移近量与垂直应力分布等,最终确定充填体宽度为1.5 m为最优方案。研究结果对充填体的留设具有科学指导作用。     

含单一孔洞岩石形状效应数值模拟研究

为研究形状效应对含孔洞岩石强度特征、变形特征和破裂演化规律的影响,利用岩石破裂过程分析系统RFPA2D,对不同宽度孔洞岩石试样进行单轴压缩数值模拟。结果表明:随着试样宽度增大,完整试样峰值强度表现为逐渐减小的特征,而含孔洞岩石试样峰值强度先增大后又逐渐减小,当试样宽度为160 mm时,取得最大值;孔洞岩石试样的破坏模式随着试样宽度的增大逐渐由拉伸破坏演化为剪切破坏。     

新型三产品重介质旋流器流场的数值模拟研究

新型三产品重介质旋流器是一种先排矸的三产品重介质旋流器。文章阐述了采用不同的湍流模型对先排矸三产品重介质旋流器的流场进行了数值模拟和实验验证,选用RSM模型进行了流场模拟,并与相同工艺条件下的DWP重介质旋流器的模拟结果进行了对比。     

某铀矿废石场地下水截渗墙设计

针对硬岩铀矿山关停后,在铀矿山废石场进行最终退役治理之前,为防止废石场渗出水污染地下水;提出了截渗墙与集水井设计方案,并进行了实际工程建设。废石场渗出水经截渗墙拦截后,引入集水井,避免了无组织排放对水体的污染。     

破裂井壁大流量涌水治理措施

平煤一矿北三风井在解冻后壁后注浆的过程中,在井筒591 m处,北偏西23°方位,井壁压裂形成直径约0.6 m的孔洞,最大涌水量达到300 m3/h,并伴随碎石及黄泥涌出现象,造成井筒被淹。采用的治理过程为:构筑水下止浆垫→利用原冻结孔割管注浆→以止浆垫为平台进行检查及补充注浆→施工垫下卸压孔→破除止浆垫,在破垫的过程中边进行壁后探测及补注→在井壁破裂严重的段,构筑内层井壁。通过上述一系列的治理措施,最终安全揭露破裂涌水点,井壁得到有效加固,井壁残余渗水也得到有效控制。     

岩土层含水量分层监测系统的研究及应用

开发为地质灾害预测预报所需用的岩土层含水量和渗透力测试仪,并和气候雨量、地质灾害成灾规律联系起来,是我国地质灾害监测预报发展的趋势。岩土层含水量分层监测系统是采用TDR(Time Domain Refiectometry)技术原理、方法研制的仪器,通过波导棒探针发射的电磁波射入岩土层,测量电磁波脉冲从波导棒的起点传播到接收末端的反射电压值,此反射电压值与岩土体本身含水量介电常数有函数关系,经过计算转换为测点岩土体积含水量,实时测量和采集地质灾害岩土层含水量和渗透力参数。介绍了该监测系统的基本原理、主要技术参数、监测工艺技术方法以及现场应用情况。     

高应力条件下岩巷层位选择的数值模拟分析

某矿即将开采6煤,拟将6煤轨道大巷、回风大巷及运输大巷布置在其底板岩层中。为了确定大巷的具体位置,通过FLAC3D数值计算软件对巷道的具体层位选择情况进行模拟研究,分析了不同层位条件下巷道的围岩变形、塑性区分布以及应力分布情况,模拟结果表明将巷道布置在6煤底板9.0m厚的石英砂岩中,巷道的变形量最小,受力状态最好,有利于巷道的整体维护。     

改性粉煤灰处理含磷废水的探索研究

通过对粉煤灰进行改性处理来吸附舍磷废水中的磷,取得了良好的吸附效果.探讨了吸附接触时间、改性粉煤灰投加量、磷初始浓度、pH值和温度等因素对除磷效果的影响.结果表明,对于50mg/L的含磷废水,在室温,pH值4～10范围内.当水灰比为100:3时.吸附20min后磷的去除率可迭99%以上,净化后的污水中磷含量达国家一级排放标准的要求.吸附等温线拟合结果表明,该吸附过程可用Laagrauir吸附等温式来描述,吸附过程以化学吸附为主.     

某含悬浮物、有机物废水处理试验研究

叙述了用絮凝—氧化方法处理含悬浮物、有机物废水的新工艺及主要影响因素。     

铁物质流研究综述

近年来,将物质流分析方法运用于铁资源的研究大量涌现,本文从产业层面、国家层面和全球层面的铁元素物质流研究,以及将物质流方法与系统动力学模型和复杂网络模型等其他分析方法相结合的研究,这两个方面对目前的研究成果进行了梳理。研究发现:在产业层面或单个国家内部的铁物质流研究已经较为成熟,将来主要的创新点是与其他分析方法的结合;在跨区域或全球层面的铁物质流研究成果相对较少,与其他分析方法相结合的研究也不够深入,未来的研究可以在这方面取得较多创新成果;由于铁的最终产品种类繁多,对钢铁产业链终端产品的铁物质量进行识别和统计,并纳入铁资源全生命周期研究,也是铁物质流研究未来取得突破的方向之一。     

高水速凝材料在破碎围岩巷道支护中的应用研究

针对某煤矿盘区变电所围岩松散破碎变形严重的问题,通过研究内聚力、内摩擦角以及支护阻力对巷道周边位移的影响,确定了围岩注浆压力为2.5 MPa,以增强围岩强度,为锚杆和锚索提供可靠的着力基础。采用间排距为850 mm×850 mm的锚杆和锚索对围岩进行支护,控制住了变电所的变形,保证了变电所的正常使用。     

基于Fluent的纯水大流量三用阀的数值模拟

利用流场仿真软件Fluent对具有复杂流道的纯水大流量三用阀进行了数值模拟,分析其压力和流量变化,并通过模拟单向阀和安全阀的内部流场。验证了其工作可靠性,提高了大流量三用阀对顶板的抗冲击适应性和在煤矿单体液压支柱中的实用性。从而为大流量三用阀的结构设计满足其性能要求提供了坚实的理论基础。     

地应力对岩体爆破影响的数值模拟

将无限大岩体内柱状药包爆破简化为平面应变问题,基于双线性随动硬化屈服理论,采用ANSYS/ LS-DYNA对爆破过程进行模拟,研究垂直炮孔方向的双向地应力场对裂纹扩展规律的影响。模拟结果表明：双向等压下,裂纹区形状为圆形,其面积随地应力增大而非线性减小,但裂纹密度增大,给出了裂纹区面积与压应力之间的定量关系;而双向不等压情况下,裂纹区形状为近似椭圆形,长轴出现在较大压应力作用方向,短轴出现在较小压应力作用方向,在较小压应力不变的情况下,随着较大压应力增大,长轴先增大后减小,短轴减小,裂纹区面积先增加后减小,呈非单调变化。