基于故障樹的尾礦庫潰壩原因分析★

張 森 王志軍 潘祥勇 王金玲

(1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作 454003; 2.泰安瑞興工程咨詢有限公司，山東泰安 271000;3.濟南凱城消防自控設(shè)備有限公司，山東濟南 250000)

0 引言

尾礦庫是通過筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的用以堆存尾礦的場所，它是專門為解決尾礦的堆放問題而建造的。據(jù)統(tǒng)計，截至2010年年底，我國堆積的尾礦已達50多億噸，建有尾礦庫11 946座，其數(shù)量為世界第一，其中總庫容在100×104m3以上的占11%。我國尾礦庫數(shù)量多，人口密度大，尾礦庫選址難以完全避開居民區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)和重要工業(yè)交通設(shè)施，尾礦庫內(nèi)存儲的尾礦具有很大的勢能，一旦發(fā)生潰壩事故，大量尾礦順勢而出，就會給下游人們的生命財產(chǎn)和環(huán)境帶來嚴重的危害。近年來我國已經(jīng)發(fā)生了多起嚴重的尾礦壩潰壩事故。因此，研究尾礦庫潰壩原因并提出預防措施具有重要的現(xiàn)實意義。

1 尾礦庫潰壩原因分析

尾礦壩潰壩的實質(zhì)是壩體失穩(wěn)。壩體要經(jīng)受筑壩期正常高水位的滲透壓力、壩體自重、壩體及壩基中孔隙壓力、最高洪水位有可能形成的穩(wěn)定滲透壓力和地表慣性力等載荷作用，當壩體強度不能承受載荷作用時則將發(fā)生潰壩。影響尾礦壩穩(wěn)定性的因素很多，導致層礦壩漬壩的主要原因有滲透破壞、地震液化和洪水漫頂?shù)取?/p>

1)滲透破壞。尾礦壩滲流破壞的演變過程主要與土體參數(shù)、水利參數(shù)、尾礦的物理特性和尾礦壩實施的防、排水措施等條件有關(guān)。水在滲流過程中，會使尾礦顆粒受到一種沿滲流方向的拖拽力，也就是滲透壓力，因為滲透力的存在，壩體的穩(wěn)定性可能降低，進而導致潰壩;另外，由于滲透壓力的影響下，尾礦壩自身也會發(fā)生壩體變形和破壞，可能導致尾礦壩的潰壩。

2)地震液化。當?shù)卣鸢l(fā)生時，構(gòu)成壩體的尾礦或土體顆粒就會重新排列，壩體發(fā)生變形，土體顆粒間的孔隙率減小，顆粒的接觸應(yīng)力一部分轉(zhuǎn)移給孔隙水，當孔隙水壓力超過原有靜水壓力并與有效應(yīng)力相等時，動力抗剪強度完全喪失，壩體變成粘滯液體，尾礦壩在這種情況下很容易發(fā)生潰壩現(xiàn)象。

3)洪水漫頂。洪水漫頂是導致尾礦庫潰壩事故的主要原因之一，而一座尾礦壩的漫頂潰壩往往是許多原因共同造成的，造成洪水漫頂?shù)脑蚴嵌喾矫娴?，主要?水文資料短缺造成洪水設(shè)計標準偏低;泄洪能力不足，壩頂高度不足等導致尾礦壩漫頂進而發(fā)展為潰壩，另外施工質(zhì)量、運行管理也直接影響著尾礦壩的抗洪能力。隨著水位的增加，水流產(chǎn)生的剪應(yīng)力和對顆粒的拉拽力也會增加，當水位超過壩高，并且坡度比較陡時，由于張力和剪應(yīng)力的作用將會引起壩體的大面積坍塌，當壩體的粗顆粒成分暴露于水流中，侵蝕過程則很容易被加快，造成潰壩事故。

2 建立尾礦壩潰壩故障樹

故障樹也叫事故樹，是一種描述事故因果關(guān)系的有方向的“樹”，是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一。它能對各種系統(tǒng)的危險性進行識別評價，既適用于定性分析，又能進行定量分析，具有簡明、形象化的特點，是一種圖形演繹方法，具有很大的靈活性，不僅可以分析某些單元故障對系統(tǒng)的影響，還可以對導致系統(tǒng)事故的特殊原因如人為因素、環(huán)境影響進行分析。

作者通過查找分析以前尾礦庫潰壩資料，得到了48種尾礦庫基本事件和27種相關(guān)事件，并分析把握系統(tǒng)內(nèi)各要素之間的關(guān)系，弄清各潛在因素對事故樹發(fā)生影響的途徑和程度，層層分析，最后建立了尾礦庫潰壩事故樹模型(見圖1)。

能引起頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合稱為最小割集。由圖1可知，事故樹有49組最小割集，表明尾礦庫發(fā)生潰壩災害的49種途徑，表示了頂事件發(fā)生的原因組合，也為降低系統(tǒng)的危險性提出控制方向和預防措施。

根據(jù)本事故樹的成功樹可以求出事故樹的最小徑集，本事故樹共有12組最小徑集，表示系統(tǒng)的安全性，每一個最小徑集都是防止頂上事件發(fā)生的一種方案。

3 減少尾礦壩潰壩事故的措施

由尾礦庫潰壩事故樹可知，引起頂上事件發(fā)生的三大因素是:A1為人為管理缺陷，A2為壩體質(zhì)量問題，A3為自然災害。X31為發(fā)生超過設(shè)計地震烈度的地震，X32為采礦活動，X33為巖體風化，X34為尾礦庫水淹浸泡這四個基本事件中，任一事件發(fā)生都有可能造成自然災害而引起頂事件發(fā)生;X14為無設(shè)計或設(shè)計不規(guī)范，X17為施工質(zhì)量差，X15為無設(shè)計或設(shè)計不當，X16為設(shè)計單位不具備資質(zhì)，X18為設(shè)計參數(shù)與實際不符，X19為不按設(shè)計施工，X30為放礦工藝不合理，X21為人為改動陡坡比中任一事件發(fā)生都有可能引起壩體質(zhì)量問題而造成頂事件發(fā)生;X1為安全投入不足，X5為礦區(qū)亂采亂挖，X4為庫區(qū)爆破，X8為安全意識薄弱，X7為技術(shù)水平低，X2為未進行定期維護，X3為未對壩體進行檢查，X10為發(fā)現(xiàn)隱患未處理，X11為未執(zhí)行法律法規(guī)及技術(shù)規(guī)范，X6為無水位監(jiān)測設(shè)施，X9為監(jiān)測設(shè)施失效中任一事件發(fā)生都有可能引起因人為管理缺陷造成頂上事件的發(fā)生，所以應(yīng)針對這些事件特點進行控制，可以減少潰壩事故的發(fā)生。例如，因為尾礦庫水淹浸泡而造成的尾礦壩潰壩事故，就要經(jīng)常疏理管道，確保流水管道暢通，防止因自然災害而引起頂事件發(fā)生;因為發(fā)現(xiàn)隱患未處理而造成潰壩事故的，我們就要做到一旦發(fā)現(xiàn)，立即處理，確保任何時候沒有發(fā)現(xiàn)隱患而未處理的隱患，防止因人為管理缺陷而引起頂事件的發(fā)生。

另外還有一種情況，兩種或兩種以上的事件只有同時發(fā)生時，才有可能造成頂事件的發(fā)生。例如:X37為汛期雨量大和A24為排洪能力不足或喪失，只有兩者同時發(fā)生時才有可能造成頂事件發(fā)生，因此我們只要防止其中的一個事件發(fā)生就可以了，因為汛期雨量我們無法控制，所以只要有足夠的排洪能力就能避免因汛期雨量大和排洪能力不足或喪失同時發(fā)生造成潰壩事故。

圖1 尾礦庫潰壩事故樹

基于以上分析，筆者提出以下幾點建議:

1)企業(yè)必須按照《冶金礦山尾礦設(shè)施管理規(guī)程》，嚴格的進行勘察、設(shè)計、施工，從源頭杜絕隱患，同時建立尾礦壩的安全監(jiān)測系統(tǒng)，并加強對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、整理，掌握壩體安全狀況，消除隱患。

2)建立尾礦庫應(yīng)急預案，明確有關(guān)機構(gòu)職責，建立健全統(tǒng)一指揮、分級管理、職責明確、反應(yīng)靈敏的應(yīng)急機制，一旦發(fā)現(xiàn)，立即處理，降低尾礦庫垮壩事故風險和事故災難的可能，最大限度降低尾礦庫潰壩事故災難造成的人員傷亡和損失，例如做好防震機制、做好防洪排洪工作等。

3)加強尾礦庫作業(yè)人員的安全教育培訓工作，提高安全意識與現(xiàn)場操作水平，杜絕違章作業(yè)，降低因人為原因造成尾礦壩潰壩事故的風險。

4 結(jié)語

我國國土面積大，地質(zhì)過程復雜，礦產(chǎn)資源豐富，在礦產(chǎn)資源開采過程中形成了大量的尾礦，這就給尾礦庫的管理帶來了困難，在管理過程中，一方面應(yīng)該長期堅持不懈，從長遠的角度去規(guī)劃，特別是對尾礦壩設(shè)計與管理，另一方面采取減少尾礦壩潰壩事故的措施，本文提出了一些預防措施，可對企業(yè)起指導作用。

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