南京山景尾礦庫重大危險源安全評價及對策

劉 斌

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司)

尾礦庫作為一類專門用于存儲尾礦的高勢能人造泥石流危險源，在服務(wù)期間及閉庫后長達十多年或數(shù)十年的時間段內(nèi)，其安全性受到各種自然及人為因素的影響[1]。我國每年因尾礦庫安全事故造成了大量人員傷亡和重大財產(chǎn)損失[2-4]，尤其是2008年發(fā)生于山西襄汾縣新塔礦業(yè)公司的特別重大尾礦庫潰壩事故，造成了277人死亡、34人受傷，直接經(jīng)濟損失高達9 619.2萬元。該起事故是近年來我國死亡人數(shù)最多的一起安全生產(chǎn)事故，引起了社會極大關(guān)注[5]。目前，我國尾礦庫數(shù)量位居世界第一，尾礦庫的安全形勢日趨嚴峻，提高尾礦庫的安全管理水平尤為重要。本研究以南京山景尾礦庫為例，對其危險源進行劃分和辨識，并進行定量安全評價，根據(jù)評價結(jié)果進一步探討相應(yīng)的安全管理對策。

1 尾礦庫概況

山景尾礦庫位于南京山景村以北的山溝內(nèi)，該山溝俯視呈橢圓形，三面環(huán)山，為山谷型尾礦庫(圖1)。山體標高為80～200 m，溝內(nèi)分布有2條較長的岔溝，溝底平緩，溝底平均縱坡坡度為7%。周邊山體較高，兩岸山坡陡峭，溝口較小，由初期壩攔截形成了近似“碗狀”庫容。山景尾礦庫初期壩高28 m，總壩高60 m，庫容672萬m3，屬三等庫。采用上游法堆壩[6-8]，初期壩為透水堆石壩，通過對選礦生產(chǎn)排出的尾礦進行特性分析，認為該尾礦屬于典型的高濃度細粒尾礦，考慮其安全性，后期堆壩采用廢石筑壩，排洪方式采用框架式排水井+排水管，現(xiàn)已堆筑至第一期子壩。

圖1 山景尾礦庫衛(wèi)星照片

2 尾礦庫危險源辨識與定量評價

危險源是指系統(tǒng)中存在的、可能發(fā)生意外釋放能量或危險物質(zhì)的設(shè)備、設(shè)施或場所。危險源辨識是指發(fā)現(xiàn)、識別系統(tǒng)中的危險源，是危險源控制、應(yīng)急預(yù)案編制的基礎(chǔ)[9-10]。預(yù)防工業(yè)事故發(fā)生的前提是準確辨識或確認高危險的工作場所(危險源)。針對山景尾礦庫的實際特點，同時根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)、《尾礦庫安全監(jiān)督管理規(guī)定》(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2011年第38號令)、《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ 2006—2005)，本研究對山景尾礦庫的危險源進行詳細分析。對于尾礦庫而言，當(dāng)尾礦庫的庫容≥100萬m3或壩高≥30 m時，尾礦庫即構(gòu)成重大危險源。山景尾礦庫已滿足構(gòu)成重大危險源的條件。

2.1 尾礦庫重大危險源劃分與辨識

重大危險源作為評價對象一般是由若干個相對獨立、相互聯(lián)系的系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)功能、存在危險有害因素、危險程度以及可以接受的風(fēng)險水平各不相同，因此，需要將系統(tǒng)劃分為若干個有限單元進行等級確定。根據(jù)重大危險源的實際情況和等級確定需要，單元劃分原則為：①以危險、有害因素類別為主進行劃分；②以裝置、設(shè)施和工藝流程特征進行劃分；③將安全管理、外部周邊情況分別劃分為1個評價單元。尾礦壩壩體、排洪系統(tǒng)為尾礦庫的重大危險源，也是發(fā)生重大安全事故的2個主要單元。因此，本研究分別從尾礦壩、排洪構(gòu)筑物兩個方面對山景尾礦庫的危險源進行辨識。

尾礦壩最大的危險因素為潰壩，一旦潰壩會引發(fā)滑坡、泥石流等重大災(zāi)害，引起重大人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境污染。山景尾礦庫引起潰壩的主要因素為：①洪水漫壩，由于泄洪排水構(gòu)筑物被破壞、淤堵，庫區(qū)水位超過壩頂漫壩，導(dǎo)致壩坡失穩(wěn)而引發(fā)潰壩；②壩坡失穩(wěn)，由于壩體構(gòu)筑質(zhì)量差、邊坡較陡，有局部坍塌或隆起、壩面有沖刷和塌坑等不良現(xiàn)象，壩基下存在軟基，壩體疏松使得滲流破壞不斷擴大導(dǎo)致壩體產(chǎn)生裂縫、管涌或流土，引起壩體發(fā)生滑坡和坍塌；③壩面沖刷，未進行壩面維護，壩面無防沖刷措施，遇暴雨會引起壩面沖溝；④滲流破壞，由于浸潤線位置過高，尾礦沉積灘長度過短，壩面或下游發(fā)生沼澤化，導(dǎo)致壩體、壩肩以及不同材料的結(jié)合部位有滲流水流出，滲流量增大，滲流水混濁引起管涌；⑤管涌，庫區(qū)水位過高易引起壩基滲透壓力過大，使得壩體發(fā)生管涌；⑥裂縫，由于壩體、壩基發(fā)生不均勻沉降或滑坡，加之壩體施工質(zhì)量差，當(dāng)遇到暴雨或低溫冰凍天氣時，壩體極易產(chǎn)生裂縫；⑦尾水滲漏，經(jīng)選礦廠排出的尾礦水經(jīng)過處理后，輸送至尾礦庫，應(yīng)盡可能儲存于庫內(nèi)，不允許滲漏和外排，這對壩體安全性提出了較高要求，若壩體施工質(zhì)量較差，尾礦水一旦發(fā)生滲漏則會威脅壩體穩(wěn)定和污染庫區(qū)周邊環(huán)境[9-10]。

作為上游法筑壩的尾礦庫，泄洪構(gòu)筑物的安全性也十分重要，特別是尾礦壩不允許壩體溢流。因此尾礦庫的安全性從很大程度上取決于排洪系統(tǒng)的安全性。排洪構(gòu)筑物的危險、危害因素主要有：①排洪系統(tǒng)所依據(jù)的水文資料不充分，設(shè)計過水能力不足、標準偏低，將導(dǎo)致在暴雨季節(jié)無法有效利用排洪系統(tǒng)排泄尾礦庫的匯水，從而在很大程度上威脅了尾礦庫壩體安全；②滑坡、低溫冰凍、構(gòu)建質(zhì)量低劣等引起地基產(chǎn)生不均勻沉陷易導(dǎo)致排水井、排水管、隧洞的泄洪能力降低或失效，從而導(dǎo)致排洪系統(tǒng)發(fā)生故障[9-10]。

2.2 定量評價

2.2.1 尾礦壩壩體穩(wěn)定性評價

目前邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡法、數(shù)值分析法和不確定性分析法[11-12]。按照《尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)和《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ 2006—2005)，本研究采用瑞典圓弧滑動法和簡化畢肖普法對山景尾礦庫進行壩體穩(wěn)定分析。

在壩體穩(wěn)定計算過程中，壩體、壩基材料參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場地勘資料、室內(nèi)土工試驗以及相關(guān)工程經(jīng)驗進行取值(表1)[13]。

表1 壩體材料抗滑穩(wěn)定計算參數(shù)

根據(jù)該尾礦庫的尾礦筑壩設(shè)計方案，加高至140 m壩高時尾礦庫為三等庫。計算得到的各種工況下各壩體的安全系數(shù)如表2所示。分析表2可知：加高至140 m壩高時，在正常運行、洪水運行、特殊運行等工況下，最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，壩體具有一定的穩(wěn)定性。

表2 140 m壩高剖面壩體穩(wěn)定性分析

分析圖2可知：滑動面均位于堆積壩壩體處，且屬于淺層滑動；在洪水運行、特殊運行工況下，由于干灘長度不足，浸潤線埋深相對較淺，最小安全系數(shù)超出規(guī)范值較少，壩體穩(wěn)定性安全儲備不足，宜采取相應(yīng)的壩體加固措施或增加排滲措施，降低壩體浸潤線來提高其安全儲備，降低其滑坡危險。

2.2.2 尾礦庫排洪系統(tǒng)可靠性分析

目前，山景尾礦庫在用的排洪系統(tǒng)為2#排水井+排水管。2#排水井進水口標高110 m，井高11 m，內(nèi)徑4.0 m，排水管內(nèi)徑1.8 m，全長1 079 m，排水管出口標高為80 m，排水管經(jīng)主壩伸向壩外，通向消力池。山景尾礦庫現(xiàn)狀屬四等庫，根據(jù)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ 2006—2005)，該尾礦庫中、后期洪水重現(xiàn)期應(yīng)取100～200 a一遇，尾礦庫的防洪標準按表3確定，本研究調(diào)洪演算按百年一遇進行，即洪水重現(xiàn)期為100 a。

圖2 壩體穩(wěn)定性分析結(jié)果

尾礦庫等級洪水重現(xiàn)期/a初期后期一1000～2000二100～200500～1000三50～100200～500四30～50100～200五20～3050～100

山景尾礦庫現(xiàn)狀排洪系統(tǒng)采用井-管式，現(xiàn)狀庫水位標高111 m，灘頂標高113.5 m，干灘長度400 m。該尾礦庫現(xiàn)狀屬于四等庫，庫區(qū)現(xiàn)狀匯水面積0.99 km2，尾礦庫周邊設(shè)置截洪溝后匯水面積變?yōu)?.32 km2，尾礦庫截洪溝不作為尾礦庫的主要排洪設(shè)施，本研究仍按匯水面積0.99 km2進行水文計算和調(diào)洪演算。為有效進行尾礦庫調(diào)洪演算，需要推求排洪系統(tǒng)的泄流過程、洪水過程以及調(diào)洪庫容曲線。本研究洪水過程線根據(jù)計算出的洪峰流量、洪水總量按三角形概化求得，結(jié)果偏保守。調(diào)洪庫容曲線根據(jù)山景尾礦庫現(xiàn)狀實測地形圖和山景尾礦庫灘面實測技術(shù)參數(shù)量取求得。尾礦庫評價按照高切林公式進行調(diào)洪演算，結(jié)果見表4。

表4 調(diào)洪演算結(jié)果

分析表4可知：山景尾礦庫在現(xiàn)狀條件下的最大調(diào)洪庫容為15萬m3，經(jīng)調(diào)洪后，所需排水井的泄流量為15.65 m3/s，最高洪水時溢流井的泄流量為17 m3/s，大于所需泄流量。因而，山景尾礦庫在現(xiàn)狀條件下的排洪能力滿足100 a一遇洪水的排洪要求。

3 尾礦庫重大危險源防范對策

3.1 尾礦壩體安全管理

(1)由于該尾礦庫所排尾礦具有高濃度、細顆粒的特點，子壩堆筑時應(yīng)嚴格按照設(shè)計要求采用上游法廢石堆筑，并確保筑壩材料特性符合要求，子壩內(nèi)外坡比、高度、軸線位置應(yīng)符合設(shè)計要求。

(2)每級子壩堆筑前應(yīng)進行岸坡處理，將岸坡的樹木、樹根、草皮等清除，若有泉眼、洞穴等應(yīng)作妥善處理，清除的雜物不得就地堆積，應(yīng)運置庫外，岸坡清理后做好隱蔽工程記錄，經(jīng)技術(shù)人員檢查合格后方可筑壩[14]。

(3)隨著子壩堆積高度上升應(yīng)及時按照設(shè)計要求修筑壩肩排水溝，同時按設(shè)計要求在110，120，130 m標高設(shè)置排滲盲溝，并保證施工質(zhì)量。

(4)應(yīng)在壩前均勻放礦，使灘面均勻上升，并避免灘面出現(xiàn)側(cè)坡、扇形坡或細粒尾礦集中沉積于一端或一側(cè)，放礦初期應(yīng)采用多管小流量的放礦方式，以利于盡快形成灘面。

(5)應(yīng)加強壩下滲流水水量和水質(zhì)監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)滲水量突然增大、減少或變渾濁時，應(yīng)及時進行隱患排查和治理。

3.2 尾礦庫防排洪安全管理

(1)應(yīng)嚴格按照設(shè)計要求控制庫內(nèi)水位，每年汛期應(yīng)在滿足回水水質(zhì)和水量要求的前提下，盡可能降低庫內(nèi)水位，提高尾礦庫的防洪、抗洪能力；汛期尾礦庫初期應(yīng)確保安全超高2 m以上，干灘長度在400 m以上。

(2)應(yīng)根據(jù)尾礦庫的實際運行情況和庫內(nèi)水位標高及時加蓋框架式排水井拱板，并保證密封質(zhì)量，避免出現(xiàn)漏沙現(xiàn)象。

(3)每年汛期前應(yīng)對排水井、排水管和庫邊截洪溝進行檢查、維修和疏浚，確保排洪設(shè)施暢通。

(4)應(yīng)按照設(shè)計要求的排尾濃度和流量進行排尾作業(yè)，確保干灘坡度滿足設(shè)計要求，若干灘坡度比設(shè)計變緩，需重新進行調(diào)洪演算并采取相應(yīng)的處理措施。

(5)汛期應(yīng)實時關(guān)注庫內(nèi)水情，加強巡邏，一旦發(fā)現(xiàn)險情須及時上報，并采取緊急措施，嚴防事態(tài)惡化；洪水過后應(yīng)對壩體和排洪構(gòu)筑物進行全面認真地檢查和清理，一旦發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時處理[15]。

3.3 尾礦庫日常安全管理

(1)尾礦庫在后續(xù)運行過程中，應(yīng)嚴格按設(shè)計要求的項目、位置、數(shù)量及時安裝位移觀測設(shè)施、浸潤線觀測設(shè)施以及在線監(jiān)測系統(tǒng)，并加強尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的維護和管理，進一步加強數(shù)據(jù)分析處理，使之能夠真正發(fā)揮起監(jiān)測、預(yù)警和保護尾礦庫安全的作用。

(2)礦山企業(yè)應(yīng)針對尾礦編制年、季作業(yè)計劃和詳細運行圖表，統(tǒng)籌安排和實施尾礦輸送、分級、筑壩和排放的管理工作[14]；加強尾礦庫運行期間的安全管理工作，嚴格落實安全檢查制度，一旦發(fā)現(xiàn)安全隱患應(yīng)及時進行治理。

(3)加強應(yīng)急救援預(yù)案的安全教育培訓(xùn)，并在日常工作中注重應(yīng)急預(yù)案的演練工作，不斷提高各級人員的應(yīng)變能力和突發(fā)事故應(yīng)急處理能力，并根據(jù)演練結(jié)果不斷完善應(yīng)急救援預(yù)案；進一步細化落實救援物資和裝備，包括救援物資和裝備的名稱、數(shù)量、存放地點，一旦發(fā)生尾礦庫安全事故時，可為應(yīng)急救援預(yù)案的及時有效實施提供時間上和物資上的保障。

(4)應(yīng)加強尾礦庫管理機構(gòu)各崗位人員的培訓(xùn)工作，包括尾礦庫安全管理方面的各項管理制度、崗位職責(zé)、尾礦庫專業(yè)知識以及尾礦庫設(shè)計文件，了解尾礦處理工藝，熟悉政府部門的有關(guān)標準及規(guī)定等。

(5)應(yīng)建立重大危險源檔案，重大危險源檔案類型主要有重大危險源安全評估報告、重大危險源安全管理制度、重大危險源安全管理與監(jiān)控實施方案、重大危險源監(jiān)控檢查表以及重大危險源應(yīng)急救援預(yù)案、演練方案等。

4 結(jié) 語

以南京山景尾礦庫為例，對其危險源進行了劃分和辨識，并進行了尾礦庫壩體穩(wěn)定性分析及排洪系統(tǒng)調(diào)洪演算，認為該尾礦庫壩體的安全系數(shù)符合規(guī)范要求，排洪系統(tǒng)基本能夠滿足防排洪要求，按照《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》(AQ 2006—2005)，該尾礦庫屬于正常庫。在此基礎(chǔ)上，分別從尾礦壩體安全管理、尾礦庫防排洪安全管理以及尾礦庫日常安全管理等方面討論了該尾礦庫危險源的防治對策，供相關(guān)研究參考。

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