張 森 王志軍 潘祥勇 王金玲

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)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(jì)南凱城消防自控設(shè)備有限公司，山東濟(jì)南 250000)

0 引言

尾礦庫(kù)是通過(guò)筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的用以堆存尾礦的場(chǎng)所，它是專門為解決尾礦的堆放問(wèn)題而建造的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2010年年底，我國(guó)堆積的尾礦已達(dá)50多億噸，建有尾礦庫(kù)11 946座，其數(shù)量為世界第一，其中總庫(kù)容在100×104m3以上的占11%。我國(guó)尾礦庫(kù)數(shù)量多，人口密度大，尾礦庫(kù)選址難以完全避開(kāi)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(kù)內(nèi)存儲(chǔ)的尾礦具有很大的勢(shì)能，一旦發(fā)生潰壩事故，大量尾礦順勢(shì)而出，就會(huì)給下游人們的生命財(cái)產(chǎn)和環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害。近年來(lái)我國(guó)已經(jīng)發(fā)生了多起嚴(yán)重的尾礦壩潰壩事故。因此，研究尾礦庫(kù)潰壩原因并提出預(yù)防措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 尾礦庫(kù)潰壩原因分析

尾礦壩潰壩的實(shí)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(dāng)壩體強(qiáng)度不能承受載荷作用時(shí)則將發(fā)生潰壩。影響尾礦壩穩(wěn)定性的因素很多，導(dǎo)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(guò)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(shí)施的防、排水措施等條件有關(guān)。水在滲流過(guò)程中，會(huì)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?yàn)闈B透力的存在，壩體的穩(wěn)定性可能降低，進(jìn)而導(dǎo)致潰壩;另外，由于滲透壓力的影響下，尾礦壩自身也會(huì)發(fā)生壩體變形和破壞，可能導(dǎo)致尾礦壩的潰壩。

2)地震液化。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，構(gòu)成壩體的尾礦或土體顆粒就會(huì)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(dāng)孔隙水壓力超過(guò)原有靜水壓力并與有效應(yīng)力相等時(shí)，動(dòng)力抗剪強(qiáng)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(dǎo)致尾礦庫(kù)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蚴嵌喾矫娴模饕?水文資料短缺造成洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低;泄洪能力不足，壩頂高度不足等導(dǎo)致尾礦壩漫頂進(jìn)而發(fā)展為潰壩，另外施工質(zhì)量、運(yùn)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(duì)顆粒的拉拽力也會(huì)增加，當(dāng)水位超過(guò)壩高，并且坡度比較陡時(shí)，由于張力和剪應(yīng)力的作用將會(huì)引起壩體的大面積坍塌，當(dāng)壩體的粗顆粒成分暴露于水流中，侵蝕過(guò)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(shù)

故障樹(shù)也叫事故樹(shù)，是一種描述事故因果關(guān)系的有方向的“樹(shù)”，是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一。它能對(duì)各種系統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行識(shí)別評(píng)價(jià)，既適用于定性分析，又能進(jìn)行定量分析，具有簡(jiǎn)明、形象化的特點(diǎn)，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(duì)系統(tǒng)的影響，還可以對(duì)導(dǎo)致系統(tǒng)事故的特殊原因如人為因素、環(huán)境影響進(jìn)行分析。

作者通過(guò)查找分析以前尾礦庫(kù)潰壩資料，得到了48種尾礦庫(kù)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(duì)事故樹(shù)發(fā)生影響的途徑和程度，層層分析，最后建立了尾礦庫(kù)潰壩事故樹(shù)模型(見(jiàn)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(shù)有49組最小割集，表明尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩災(zāi)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(xiǎn)性提出控制方向和預(yù)防措施。

根據(jù)本事故樹(shù)的成功樹(shù)可以求出事故樹(shù)的最小徑集，本事故樹(shù)共有12組最小徑集，表示系統(tǒng)的安全性，每一個(gè)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(kù)潰壩事故樹(shù)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(wèn)題，A3為自然災(zāi)害。X31為發(fā)生超過(guò)設(shè)計(jì)地震烈度的地震，X32為采礦活動(dòng)，X33為巖體風(fēng)化，X34為尾礦庫(kù)水淹浸泡這四個(gè)基本事件中，任一事件發(fā)生都有可能造成自然災(zāi)害而引起頂事件發(fā)生;X14為無(wú)設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)不規(guī)范，X17為施工質(zhì)量差，X15為無(wú)設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)不當(dāng)，X16為設(shè)計(jì)單位不具備資質(zhì)，X18為設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際不符，X19為不按設(shè)計(jì)施工，X30為放礦工藝不合理，X21為人為改動(dòng)陡坡比中任一事件發(fā)生都有可能引起壩體質(zhì)量問(wèn)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(kù)區(qū)爆破，X8為安全意識(shí)薄弱，X7為技術(shù)水平低，X2為未進(jìn)行定期維護(hù)，X3為未對(duì)壩體進(jìn)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(wú)水位監(jiān)測(cè)設(shè)施，X9為監(jiān)測(cè)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(duì)這些事件特點(diǎn)進(jìn)行控制，可以減少潰壩事故的發(fā)生。例如，因?yàn)槲驳V庫(kù)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(zāi)害而引起頂事件發(fā)生;因?yàn)榘l(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(shí)候沒(méi)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(shí)發(fā)生時(shí)，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(shí)發(fā)生時(shí)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(gè)事件發(fā)生就可以了，因?yàn)檠雌谟炅课覀儫o(wú)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(shí)發(fā)生造成潰壩事故。

圖1 尾礦庫(kù)潰壩事故樹(shù)

基于以上分析，筆者提出以下幾點(diǎn)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(yán)格的進(jìn)行勘察、設(shè)計(jì)、施工，從源頭杜絕隱患，同時(shí)建立尾礦壩的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)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(kù)應(yīng)急預(yù)案，明確有關(guān)機(jī)構(gòu)職責(zé)，建立健全統(tǒng)一指揮、分級(jí)管理、職責(zé)明確、反應(yīng)靈敏的應(yīng)急機(jī)制，一旦發(fā)現(xiàn)，立即處理，降低尾礦庫(kù)垮壩事故風(fēng)險(xiǎn)和事故災(zāi)難的可能，最大限度降低尾礦庫(kù)潰壩事故災(zāi)難造成的人員傷亡和損失，例如做好防震機(jī)制、做好防洪排洪工作等。

3)加強(qiáng)尾礦庫(kù)作業(yè)人員的安全教育培訓(xùn)工作，提高安全意識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)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(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)國(guó)土面積大，地質(zhì)過(guò)程復(fù)雜，礦產(chǎn)資源豐富，在礦產(chǎn)資源開(kāi)采過(guò)程中形成了大量的尾礦，這就給尾礦庫(kù)的管理帶來(lái)了困難，在管理過(guò)程中，一方面應(yīng)該長(zhǎng)期堅(jiān)持不懈，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度去規(guī)劃，特別是對(duì)尾礦壩設(shè)計(jì)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(yù)防措施，可對(duì)企業(yè)起指導(dǎo)作用。

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