我國(guó)尾礦庫(kù)事故致災(zāi)機(jī)理分析及防范對(duì)策*

郭廷亭，趙周能

(西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

尾礦庫(kù)是通過(guò)筑壩或圍墾的方式建造的儲(chǔ)存金屬或非金屬礦山尾礦或其他工業(yè)廢渣的場(chǎng)所[1]。尾礦庫(kù)是一種極富有勢(shì)能性的人工自然危險(xiǎn)源，一旦潰壩，將對(duì)下游地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅，也將給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定等帶來(lái)極大的負(fù)面影響[2]。例如，2008年9月，山西新塔礦業(yè)有限公司發(fā)生了一起尾礦庫(kù)潰壩事故，造成277人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)9 619.2萬(wàn)元[3]。在全球93種事故隱患和安全公害中，尾礦庫(kù)安全事故率排名第18位。到目前為止，世界上現(xiàn)有尾礦庫(kù)2萬(wàn)多個(gè)，而中國(guó)就有逾1.2萬(wàn)個(gè)[4]。尤其是一些小型尾礦庫(kù)，施工不規(guī)范，也不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，防洪防滲等重要安全措施缺失，且相關(guān)管理人員大多不具備應(yīng)有的安全知識(shí)[5]。因此，分析尾礦庫(kù)的潰壩因素，研究其致災(zāi)機(jī)理，落實(shí)應(yīng)急管理措施，建立尾礦庫(kù)事前防范、事中應(yīng)對(duì)、事后治理的管理體系，對(duì)于尾礦庫(kù)災(zāi)害預(yù)防具有重要意義。

本文對(duì)我國(guó)2001年以來(lái)的尾礦庫(kù)事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了尾礦庫(kù)致災(zāi)機(jī)理，從工程措施和應(yīng)急管理措施兩個(gè)方面提出相應(yīng)的對(duì)策，以期為我國(guó)尾礦庫(kù)安全事故防范提供參考。

1 我國(guó)尾礦庫(kù)事故統(tǒng)計(jì)及原因分析

1.1 事故統(tǒng)計(jì)

尾礦庫(kù)不僅是礦山安全生產(chǎn)的重要設(shè)施，而且是一個(gè)重大危險(xiǎn)源。2001-2020年，全國(guó)共發(fā)生尾礦庫(kù)事故90余起(見(jiàn)圖1)，死亡500余人，其中重特大事故4起，較大事故8起[6]。

從圖1可以看出：2001-2008年，事故起數(shù)和傷亡人數(shù)逐年遞增，在2008年達(dá)到了峰值；2009-2011年，尾礦庫(kù)的事故起數(shù)小幅增加，死亡人數(shù)急劇減少，說(shuō)明安全監(jiān)管工作發(fā)揮了實(shí)效；2011-2020年，事故起數(shù)雖有小幅波動(dòng)，但死亡人數(shù)幾近于0，尤其是2019年以來(lái)，事故起數(shù)和死亡人數(shù)均達(dá)到最低值，反映出我國(guó)對(duì)于尾礦庫(kù)的綜合治理效果顯著。

圖1 2001-2020年尾礦庫(kù)事故起數(shù)及死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)

尾礦庫(kù)潰壩事故重在預(yù)防，建立科學(xué)的應(yīng)急預(yù)案，增強(qiáng)應(yīng)急管理意識(shí)，是遏制尾礦庫(kù)潰壩事故的有力抓手。隨著我國(guó)尾礦庫(kù)的管理水平和尾礦綜合利用率的不斷提升，尾礦庫(kù)事故終將得到有效控制[7]。

1.2 事故原因

對(duì)2001-2020年發(fā)生的典型尾礦庫(kù)潰壩成因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 2001-2020年尾礦庫(kù)潰壩成因分析

由圖2可知，滲透破壞在尾礦庫(kù)潰壩事故中占比高達(dá)50.72%，洪水漫頂占比34.78%，壩體失穩(wěn)和地震災(zāi)害分別占8.70%和5.80%。因此，尾礦庫(kù)潰壩的主要原因是滲透破壞和洪水漫頂[8]。

2 尾礦庫(kù)事故致災(zāi)機(jī)理研究現(xiàn)狀

尾礦庫(kù)是一個(gè)巨大的人造危險(xiǎn)源，在其生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，由于各種因素的耦合，易造成尾礦庫(kù)潰壩事故。通過(guò)對(duì)尾礦庫(kù)事故原因的分析，發(fā)現(xiàn)造成尾礦庫(kù)潰壩的主要原因是滲透破壞、洪水漫頂、壩體失穩(wěn)和地震災(zāi)害。研究致災(zāi)機(jī)理對(duì)于保障尾礦庫(kù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常關(guān)鍵。

2.1 滲透破壞

長(zhǎng)期以來(lái)，尾礦庫(kù)的滲透破壞一直是研究的難點(diǎn)，也是礦山安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。滲透破壞的主要原因是浸潤(rùn)線位置過(guò)高，滲水流出堆積壩，導(dǎo)致壩體局部淹沒(méi)，易使壩體坍塌。浸潤(rùn)線被稱為尾礦庫(kù)的“生命線”，其位置反映了尾礦壩排水的綜合性能。浸潤(rùn)線深度是影響尾礦庫(kù)安全的主要因素之一。長(zhǎng)期持續(xù)的大暴雨、洪水以及各種排滲設(shè)施失效等均會(huì)使浸潤(rùn)線升高，進(jìn)而誘發(fā)尾礦庫(kù)滲透破壞。對(duì)于尾礦庫(kù)而言，一旦達(dá)到滲流條件，尾礦庫(kù)內(nèi)就易發(fā)生管涌[9]。壩體滲透破壞主要發(fā)生在壩體或壩基，目前的研究主要集中于壩體的滲透破壞，其主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①壩體內(nèi)存在滲流通道，在滲流力作用下,尾礦顆粒被水流帶走，形成空腔，進(jìn)而造成局部坍塌，降低了灘頂高程，當(dāng)其小于安全超高時(shí)，將引發(fā)漫頂；②由于滲流通道堵塞，排水受阻，造成壩體局部變形，最終導(dǎo)致潰壩[10]。

目前關(guān)于滲透破壞機(jī)理研究的成果較多。時(shí)悅琪[11]通過(guò)室內(nèi)中小型滲透破壞試驗(yàn)，模擬了不同細(xì)顆粒含量尾礦在高應(yīng)力作用下的力學(xué)性質(zhì)，分析了滲透破壞現(xiàn)象及原因；羅曉輝等[12]基于有效應(yīng)力分析方法，根據(jù)滲流場(chǎng)計(jì)算分析了條間孔隙水壓力；金佳旭等[13]研究發(fā)現(xiàn)，采用局部水平孔排滲方案，可以有效排滲，降低壩體浸潤(rùn)線，保證壩體安全；敬小非等[14]通過(guò)專業(yè)的系統(tǒng)和設(shè)備模擬了尾礦壩遭遇洪水時(shí)的工況，獲得了位移矢量的演化、浸潤(rùn)線和應(yīng)力的變化特征，揭示了洪水作用下尾礦壩的潰壩機(jī)理和潰壩模式。尾礦庫(kù)在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)排放的尾礦中細(xì)顆粒含量較高時(shí)，由于其滲透性較差，會(huì)導(dǎo)致浸潤(rùn)線偏高，造成尾礦壩壩坡水頭壓力較大，極易導(dǎo)致壩坡滲透破壞[15]。

目前，研究尾礦庫(kù)滲流最常用的方法是數(shù)值分析法?？紤]特征變化的耦合滲流模型和參數(shù)設(shè)置是尾礦庫(kù)數(shù)值分析的難點(diǎn)，科學(xué)合理的數(shù)值模型將能有效提高尾礦庫(kù)工程的評(píng)價(jià)水平。當(dāng)尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線過(guò)高且向壩坡表面溢出時(shí)，極易導(dǎo)致尾礦表面出現(xiàn)流土；發(fā)生流土現(xiàn)象后，壩坡表面會(huì)進(jìn)一步被侵蝕，隨著侵蝕的不斷積累，最終會(huì)引發(fā)壩體失穩(wěn)，導(dǎo)致尾礦庫(kù)潰壩。造成滲透破壞的原因并非單一的，而是多因素共同作用的結(jié)果，因此考慮多因素耦合作用將是滲透破壞研究的主要方向之一。

2.2 洪水漫頂

洪水漫頂潰壩事故造成的危害相較其他因素是最大的，也是最容易發(fā)生的，所以必須引起足夠的重視。導(dǎo)致洪水漫頂?shù)闹饕蛴校孩傥驳V庫(kù)安全超高不符合規(guī)范要求，干灘長(zhǎng)度不滿足設(shè)計(jì)要求；②雨季汛期未做好相應(yīng)的防護(hù)措施，安全檢查不足，導(dǎo)致水量過(guò)大；③尾礦庫(kù)防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，排洪系統(tǒng)堵塞使得泄洪出現(xiàn)問(wèn)題，不能應(yīng)對(duì)極端惡劣天氣；④防洪能力不足，排水溝、截洪溝等排滲設(shè)施不足或出現(xiàn)問(wèn)題，達(dá)不到排洪要求；⑤當(dāng)遭遇汛期暴雨等極度惡劣天氣時(shí)，尾礦庫(kù)水位急速上升，未及時(shí)采取有效應(yīng)急處置措施，致使洪水漫過(guò)子壩，沖刷壩體，最終失穩(wěn)坍塌。

尾礦壩的筑壩形式有一次性筑壩(土石壩)和尾砂分期筑壩。土石壩的破壞過(guò)程主要由壩體的材料類型決定，但也受粒徑分布、含水量、密實(shí)度、壩體幾何特性、壩前蓄水能力等因素影響[16]。相關(guān)研究表明，壩料的性質(zhì)是影響潰壩發(fā)生時(shí)間和發(fā)展速度的重要因素。寧聰?shù)萚17]運(yùn)用HEC-RAS模型研究了潰壩后洪水的演進(jìn)情況，研究了中下游平原丘陵區(qū)潰壩的洪水形勢(shì)、洪水風(fēng)險(xiǎn)分布的差異以及水庫(kù)泄洪對(duì)潰壩洪水的影響，結(jié)果表明，不同閘門(mén)開(kāi)度下，中下游平原丘陵地區(qū)潰壩洪水淹沒(méi)深度和淹沒(méi)范圍有明顯差異，最大流速和滯洪時(shí)間差異不大，說(shuō)明水庫(kù)全力泄洪能有效降低潰壩時(shí)洪水對(duì)下游平原地區(qū)的危害。因此，在各種外部因素和條件下，充分考慮尾礦庫(kù)的洪水效應(yīng)是十分必要的。

2.3 壩體失穩(wěn)

壩體失穩(wěn)是引起尾礦庫(kù)潰壩事故的另一重要原因。根據(jù)邊坡失穩(wěn)的不同結(jié)果，壩體滑動(dòng)可分為深滑動(dòng)、淺滑動(dòng)、折線滑動(dòng)和整體滑動(dòng)4種類型[18]。王世鵬[19]利用模糊層次分析法(FAHP)建立了尾礦壩失穩(wěn)因素的層次結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)求解FAHP模型得到引起尾礦壩失穩(wěn)因素的優(yōu)先系數(shù)，并對(duì)失穩(wěn)因素的相對(duì)重要性進(jìn)行了排序，即排水系統(tǒng)故障>大壩故障>尾礦壩故障>不可抗力因素。尾礦庫(kù)壩體失穩(wěn)通常是由多種因素引起的，因此在尾礦庫(kù)的日常管理過(guò)程中，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尾礦庫(kù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)及時(shí)對(duì)尾礦庫(kù)安全性進(jìn)行評(píng)估，做到早發(fā)現(xiàn)、早處理，從而降低尾礦庫(kù)壩體失穩(wěn)事故發(fā)生的概率。

2.4 地震災(zāi)害

在導(dǎo)致尾礦庫(kù)潰壩事故的因素中，地震災(zāi)害的發(fā)生概率是最小的，但是一旦發(fā)生，其造成的危害往往極為嚴(yán)重。由于其破壞性巨大，因此尾礦庫(kù)地震下的安全問(wèn)題一直是學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。我國(guó)絕大部分尾礦壩都是采用上游法建造，而該方法建造的壩體抗震能力較差，一旦發(fā)生地震，壩體安全性難以保證。上游法尾礦壩一般采用水力沖淤法施工，壩體浸潤(rùn)線較高，大部分壩體處于飽和狀態(tài)，地震時(shí)容易液化，導(dǎo)致壩體破壞失穩(wěn)。可通過(guò)確定尾礦壩浸潤(rùn)線的埋深，計(jì)算浸潤(rùn)線以下飽和尾礦砂層的有效覆蓋壓力。當(dāng)下部飽和尾礦砂積累的超孔隙水壓力大于上覆尾礦砂的有效壓力時(shí)，下部飽和尾礦砂可能會(huì)液化[20]。地震會(huì)使庫(kù)內(nèi)尾砂迅速液化，導(dǎo)致壩體失穩(wěn)破壞。飽和砂土或尾礦受到水平地震運(yùn)動(dòng)的反復(fù)剪切或垂直地震運(yùn)動(dòng)的反復(fù)振動(dòng)，導(dǎo)致壩體反復(fù)變形，從而使尾砂顆粒重新排列，降低了孔隙率，壓實(shí)了壩體，將飽和砂土或尾礦顆粒的部分接觸應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了孔隙水；當(dāng)孔隙水壓力等于壩體有效應(yīng)力時(shí)，動(dòng)力抗剪強(qiáng)度完全喪失，變成黏性液體，飽和砂土或尾礦液化[21]，導(dǎo)致潰壩事故發(fā)生。

3 防范對(duì)策

尾礦庫(kù)的潰壩事故導(dǎo)致的后果往往極為嚴(yán)重，所以有必要在分析其事故原因的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的防范對(duì)策。

3.1 工程措施

a.尾礦庫(kù)分級(jí)應(yīng)以壩高為依據(jù)，重視尾礦庫(kù)的選址，加強(qiáng)尾礦庫(kù)全壽命周期的工程地質(zhì)勘察，做好尾礦庫(kù)筑壩材料的驗(yàn)證工作。

b.針對(duì)干灘長(zhǎng)度、排滲設(shè)施不足所導(dǎo)致的滲流破壞，可采取增加尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度、增設(shè)排水設(shè)施等措施。

c.陡坡尾礦應(yīng)采用削坡減載、凸削、凹填等方式處理，如庫(kù)內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)法、壓坡法、初期壩前移法等。

d.在極端天氣條件下，應(yīng)確定調(diào)洪水深相對(duì)應(yīng)的最小澄清距離和調(diào)洪灘長(zhǎng)，且要明確最小安全超高和最小安全灘長(zhǎng)。

e.尾礦庫(kù)壩面出現(xiàn)流土、沼澤、管涌等情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)增設(shè)反濾層，增設(shè)降水或排滲設(shè)施，并進(jìn)行壓坡處理。

f.接收到地震警報(bào)后，立即采取在下游坡腳處增設(shè)土石料壓坡、對(duì)堆積壩進(jìn)行削坡處理、降低水庫(kù)水位、增設(shè)排水設(shè)施等措施。

3.2 應(yīng)急管理

a.建立健全尾礦庫(kù)各項(xiàng)安全管理制度，提高安全監(jiān)管的有效性，強(qiáng)化企業(yè)安全生產(chǎn)主體責(zé)任意識(shí)。加強(qiáng)企業(yè)員工的安全培訓(xùn)和安全教育，加大考核力度，提高員工的安全意識(shí)。

b.政府部門(mén)要切實(shí)履行監(jiān)督職能，注重安全管理，對(duì)違規(guī)者要嚴(yán)懲。生態(tài)環(huán)境部與安監(jiān)局、國(guó)土部等聯(lián)合執(zhí)法，避免監(jiān)管漏洞。

c.制定尾礦庫(kù)應(yīng)急預(yù)案，建設(shè)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)防控設(shè)施，完善應(yīng)急響應(yīng)流程，做好突發(fā)事件結(jié)束后的善后管理。

d.及時(shí)的應(yīng)急救援可以減少次生災(zāi)害的發(fā)生，最大限度地減少人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染。因此，建立和完善應(yīng)急救援預(yù)案和應(yīng)急救援體系對(duì)預(yù)防尾礦庫(kù)事故具有重要意義。政府和企業(yè)要加強(qiáng)對(duì)公眾和從業(yè)人員的安全培訓(xùn)和應(yīng)急演練，普及相關(guān)應(yīng)急救援知識(shí)，提高自救互救和應(yīng)急處置能力。

e.做好尾礦庫(kù)壩體監(jiān)測(cè)工作，加強(qiáng)日常巡查，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的日常管理和分析能力，并掌握判定尾礦庫(kù)安全性的科學(xué)方法。

4 結(jié)論

a.通過(guò)對(duì)尾礦庫(kù)潰壩事故的統(tǒng)計(jì)分析可知，自2001年以來(lái)，事故數(shù)和死亡人數(shù)均明顯減少，尤其是2019年以來(lái)，事故數(shù)和死亡人數(shù)降至歷史最低水平，反映了尾礦庫(kù)安全監(jiān)管工作成效顯著。

b.造成尾礦庫(kù)潰壩的主要影響因素是滲透破壞、洪水漫頂、壩體失穩(wěn)和地震災(zāi)害，其中的滲透破壞和洪水漫頂需要重點(diǎn)關(guān)注。

c.從工程措施和應(yīng)急管理兩方面提出了相應(yīng)的防范對(duì)策，對(duì)于我國(guó)尾礦庫(kù)的建設(shè)、維護(hù)和應(yīng)急救援具有一定的借鑒意義。