劉海明 曹 凈 楊春和

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院;2.巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室)

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地形成的，用以堆存選礦后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所［1］。尾礦庫是選礦廠生產(chǎn)設(shè)施的重要組成部分，同時，它也是一個高勢能的危險源，一旦垮塌，不僅使國家蒙受巨大經(jīng)濟(jì)損失，更危及下游地區(qū)居民的生命財產(chǎn)安全。另外，尾礦庫中的有害化學(xué)物質(zhì)將污染周圍地下水和江河流域，造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞。我國尾礦庫數(shù)量多、規(guī)模小，大都采用穩(wěn)定性差的上游式筑壩，且尾礦庫下游為居民區(qū)或廠區(qū)，安全性得不到保障。

1985年7月19日，意大利Stava尾礦壩發(fā)生潰壩事故［2］，該事故造成了268人死亡，是當(dāng)時最嚴(yán)重的尾礦壩潰壩事故。2008年9月8日，山西襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司尾礦庫發(fā)生特大潰壩事故，造成277人死亡，4人失蹤，事故發(fā)生后震驚中外，這也是目前尾礦壩最為慘重的事故。Azam［3］統(tǒng)計了1910—2009年全球的218起尾礦壩破壞事故，分析表明尾礦壩破壞事故正從發(fā)達(dá)國家向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移;引起事故的主要原因為不尋常的降雨以及管理不善。因此，為及時消除尾礦壩事故隱患，減少和防止尾礦壩事故的發(fā)生，確保尾礦庫的安全運行，使之更好地為礦山安全生產(chǎn)服務(wù)，分析尾礦壩事故案例、總結(jié)尾礦壩事故特點和規(guī)律是十分必要且急需的。

1 國外尾礦壩事故分析

尾礦壩事故是指由于修建、運行尾礦壩或尾礦庫給周邊環(huán)境、生態(tài)帶來的不利影響，主要包括潰壩、排洪系統(tǒng)破損、尾礦泄露、洪水漫壩及污染地下水等。尾礦壩潰壩是指由于邊坡失穩(wěn)、洪水漫壩及地震等原因造成初期壩或是后期壩的垮塌。由于尾礦壩筑壩材料的特殊性，這種垮塌極易形成泥石流，對生態(tài)環(huán)境破壞性極大。

美國大壩委員會［4］(USCOLD)系統(tǒng)地收集了1917—1989期間185起尾礦壩事故的資料，隨后，美國環(huán)境工程局［5］(USEP)和美國環(huán)境計劃署［6］在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)充，并整理了1989—2006年4月期間的尾礦壩事故案例，進(jìn)行分析后，得到了83起較為全面的尾礦壩事故資料。在此基礎(chǔ)上，國際大壩委員會(ICOLD)收集了世界范圍內(nèi)其他地區(qū)的尾礦壩事故案例，得到了221起尾礦壩事故資料。

通過對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，獲得了147起有詳細(xì)資料的尾礦壩破壞事故，按事故發(fā)生地分成4類，分別為歐洲(26起)、美國(57起)、歐美之外的對環(huán)境控制較嚴(yán)的國家(如加拿大、日本等)(14起)、其他國家(包括中國)(50起)。對這些尾礦壩事故分析了尾礦壩筑壩工藝、破壞時的壩高及尾礦壩破壞原因與破壞次數(shù)的關(guān)系。

1.1 尾礦壩事故與壩高的關(guān)系分析

尾礦壩破壞時的壩高見圖 1［7］，由圖可知:77.4%的尾礦壩事故發(fā)生時其壩高不足30 m。這一方面是因為壩高小于30 m的數(shù)量較多;另一方面，由于尾礦壩不同于水壩，不是一次性筑壩而成，而是分階段筑壩而成，壩高超過30 m的尾礦壩也要經(jīng)歷壩高小于30 m的階段。

圖1 尾礦壩事故與壩高關(guān)系

1.2 尾礦壩事故致災(zāi)因素分析

Rico［7］分析了尾礦壩事故的原因，指出了導(dǎo)致尾礦壩事故發(fā)生的15個因素。研究表明，約有39%的尾礦壩事故是由多個原因共同引起的，例如氣象原因(包括強(qiáng)降雨、颶風(fēng)、溫度的驟升導(dǎo)致雪融等等)引起的事故同時也與冒頂、滲流、基礎(chǔ)破壞或管理體系有關(guān)。在分析中，歸納出10個破壞因素，每一個尾礦壩事故只歸因于1個最主要的因素，見圖2［7］。分析結(jié)果表明:引起尾礦壩事故的主要因素為降雨，其次為地震、管理等。

1.3 尾礦壩事故與壩體狀態(tài)和筑壩工藝的關(guān)系

圖2 尾礦壩事故原因分布

當(dāng)尾礦庫堆存至設(shè)計要求或采礦活動終止時，尾礦庫將處于非使用狀態(tài)。通常，這些處于非使用狀態(tài)的尾礦庫也需要維護(hù);但在某些情況下，尤其是當(dāng)采礦活動終止后，尾礦壩就被廢棄，無人管理。鑒于此，將尾礦壩的使用狀態(tài)分為使用、非使用維護(hù)及廢棄狀態(tài)3類。尾礦壩事故與尾礦庫的使用狀態(tài)的關(guān)系見圖3［7］。由圖3可知:發(fā)生尾礦壩事故時，83%的尾礦庫處于使用狀態(tài)，15%的處于廢棄狀態(tài)，2%的處于非使用維護(hù)狀態(tài)。對于處于使用狀態(tài)的尾礦壩，引發(fā)尾礦壩事故的主要因素是自然災(zāi)害，包括強(qiáng)降雨、地震;同時，管理失策和邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致的尾礦壩事故只發(fā)生于處于使用狀態(tài)的尾礦壩。

圖3 尾礦壩事故與筑壩方式及使用狀態(tài)關(guān)系

對尾礦壩事故與尾礦壩筑壩工藝的關(guān)系也進(jìn)行了分析。目前，在尾礦壩筑壩工藝中，除了常見的上游法筑壩、下游壩筑壩以及中線法筑壩外，還有一種混合式筑壩應(yīng)用較多，該筑壩工藝采用多種方式筑壩，例如:前期筑壩時，粗顆粒較少，采用上游法筑壩，到后期，由于粗顆粒的增多，采用中線法筑壩或下游法筑壩。不同筑壩方式的破壞分析表明:76%的尾礦壩事故為上游法筑壩;15%的尾礦壩事故為下游法筑壩;5%的尾礦壩事故為中線法筑壩;4%的尾礦壩事故為混合法筑壩。

2 國內(nèi)尾礦壩事故分析

2.1 尾礦壩事故分析

建國以來，由于資源開采的需要，建立了許多礦山企業(yè)，尤其是改革開發(fā)之后，很多私立礦山企業(yè)得到了發(fā)展，而這些私立企業(yè)缺少監(jiān)管，同時也缺乏安全監(jiān)管及安全隱患意識，很多尾礦庫建設(shè)甚至連最基本的設(shè)計流程都沒有遵守，就直接施工，導(dǎo)致了很多尾礦壩事故發(fā)生。圖4是我國自2001年以來發(fā)生的尾礦壩事故［9-11］。

圖4 國內(nèi)2001以來尾礦壩事故統(tǒng)計結(jié)果

從圖4可以看出，我國尾礦壩事故起數(shù)在2008年以前呈上升趨勢，2009—2010年由于國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局各級領(lǐng)導(dǎo)及礦業(yè)生產(chǎn)單位的共同努力，尾礦壩事故起數(shù)下降。

對我國2001年以來發(fā)生的72次事故進(jìn)行分類整理，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:排在首位的事故類型為潰壩，占57%。一方面，圖5反應(yīng)了尾礦壩潰壩事故發(fā)生的概率大;另一方面，影響此分析結(jié)果的因素可能還有尾礦壩潰壩事故發(fā)生后社會影響惡劣、對人民生命財產(chǎn)破壞大，難以隱瞞，而尾礦泄露及排洪系統(tǒng)損壞事故發(fā)生后，社會影響相對較小，部分企業(yè)尤其是上市企業(yè)采取各種措施隱瞞事故真相，沒有被媒體及相關(guān)部門報道。

圖5 2001以來我國尾礦壩事故類型統(tǒng)計結(jié)果

2.2 尾礦壩潰壩因素分析

由分析可知，潰壩事故占尾礦壩事故的比例較大。由于尾礦壩下游一般為居民區(qū)或是工業(yè)區(qū)，一旦潰壩，對生命財產(chǎn)損失極大。通過查閱文獻(xiàn)［11-14］，獲得了56起尾礦壩潰壩事故，能初步確定潰壩原因的有42起。通過查閱文獻(xiàn)和對潰壩因素進(jìn)行分析后，將潰壩因素分為以下幾種。

(1)尾礦壩邊坡穩(wěn)定性不足。在尾礦壩邊坡中，引起尾礦壩邊坡失穩(wěn)的原因主要分為3種:一是尾礦壩坡度過陡;二是上部荷載過大;三是尾礦浸潤線升高，導(dǎo)致壩體自重增加，同時導(dǎo)致尾礦黏聚力和內(nèi)摩擦角下降，使材料抗剪強(qiáng)度減小?？傊?，一切增加下滑力或是減小抗滑力的因素都可能使尾礦壩邊坡失穩(wěn)后潰壩。

(2)違規(guī)建設(shè)。違規(guī)建設(shè)是指沒有按照建設(shè)基本步驟(先勘察、后設(shè)計、再施工的基本建設(shè)步驟)，沒做勘察直接設(shè)計，或是沒有設(shè)計直接施工，或是聘請的勘察設(shè)計單位資質(zhì)不合要求，或是勘察深度不符合要求的尾礦壩建設(shè)。由于我國特殊的國情，在尾礦壩建設(shè)的早期(20世紀(jì)70年代之前)，很多尾礦壩沒有遵循最基本的建設(shè)流程;改革開發(fā)后，國家鼓勵部分私立企業(yè)進(jìn)入礦產(chǎn)開發(fā)，這些企業(yè)缺乏相應(yīng)的專業(yè)人員，片面追求經(jīng)濟(jì)利益，其中不少尾礦壩也沒有遵循最基本的建設(shè)流程。

(3)不尋常降雨。降雨量過大，超過尾礦庫的正常排洪能力時，導(dǎo)致尾礦庫內(nèi)水位急劇上升，當(dāng)水位上升超過壩高后，導(dǎo)致漫壩，漫過壩體的水沖刷尾礦堆積壩，形成沖拉溝后成為薄弱面;同時壩體浸潤線上升，壩坡穩(wěn)定性下降，最終導(dǎo)致潰壩。

(4)排洪系統(tǒng)破損。當(dāng)尾礦庫排洪系統(tǒng)破壞或是部分失效后，進(jìn)水量大于排水量或是回水量，庫內(nèi)水位上升，致使壩坡浸潤線也上升，導(dǎo)致壩體自重增加，同時尾礦材料黏聚力和內(nèi)摩擦角降低，再加上基質(zhì)吸力的喪失，壩坡從原先的穩(wěn)定狀態(tài)逐漸降低到極限平衡狀態(tài)，此時，任何微小的擾動將導(dǎo)致壩坡失穩(wěn)。

(5)管涌滲流破壞。當(dāng)壩基為強(qiáng)風(fēng)化巖石或是卵石層等地基時，地基孔隙相互貫通，或是由于初期壩的反濾層失效等造成管涌，細(xì)顆粒隨滲透通道不斷被帶走，導(dǎo)致壩體材料力學(xué)性質(zhì)不斷下降，最終導(dǎo)致潰壩。

(6)庫內(nèi)滑坡。尾礦庫內(nèi)水位升高后，原先周邊穩(wěn)定的邊坡可能變得不穩(wěn)定，庫內(nèi)邊坡滑動，滑動后的坡體堆積在庫內(nèi)，導(dǎo)致庫內(nèi)水位急劇升高，同時邊坡滑動時會產(chǎn)生動荷載，尾礦壩在上述作用下發(fā)生潰壩。

(7)地震。尾礦堆積壩采用尾砂堆筑，尾砂一般處于松散—欠密狀態(tài)，在地震作用下，壩體內(nèi)孔隙水壓力迅速上升，當(dāng)其達(dá)到或超過顆粒自重時，顆粒將處于懸浮狀態(tài)，此時，尾礦材料抗剪強(qiáng)度迅速下降，尾礦壩發(fā)生潰壩。

(8)其他。其他因素包括尾礦壩運行過程中的管理問題，以及一些不常見的人為原因，比如:云南永福錫礦尾礦庫閉庫后，由于當(dāng)?shù)匾恍┚用襁`反規(guī)定，在尾礦壩下游挖尾砂，導(dǎo)致該尾礦壩大面積塌方后潰壩。值得注意的是，這類潰壩事故時有發(fā)生，希望尾礦庫管理人員加強(qiáng)管理。

對42起潰壩事故進(jìn)行深入分析后表明，尾礦壩潰壩是多方面因素共同作用的結(jié)果，且這些因素相互交叉，從不同的角度得出的結(jié)論往往不一樣。將搜集的42個潰壩事故歸因于1個主要因素，整理后如圖6所示。由圖6可知，我國尾礦壩潰壩事故的主要原因為壩坡穩(wěn)定性不足、違規(guī)建設(shè)、降雨量過大以及排洪系統(tǒng)破損。

圖6 我國尾礦壩潰壩事故原因統(tǒng)計結(jié)果

2.3 尾礦壩潰壩與壩高的關(guān)系

在這42起潰壩事故中，能確定發(fā)生潰壩時的壩高有19起，見圖7。由圖可知:壩高為20～40 m的尾礦壩發(fā)生潰壩事故相對較多;文獻(xiàn)［14］表1統(tǒng)計了我國主要礦山企業(yè)不同壩高的尾礦壩分布情況，結(jié)果表明，壩高處于30～60 m只占尾礦壩總數(shù)的25%左右。結(jié)合圖7，在某種程度上表明壩高為20～40 m的潰壩事故較多，絕非偶然。

圖7 我國尾礦壩潰壩事故與壩高的關(guān)系

2.4 尾礦壩潰壩事故與筑壩工藝的關(guān)系

在42起潰壩事故當(dāng)中，有17起潰壩事故有初期壩的資料(其中不透水初期壩12起，透水初期壩5起)，不透水初期壩的形式主要為黏土壩、黏土斜墻干砌石壩、土石壩外貼黏土護(hù)坡等，比較多的為黏土壩。另外，在這42起潰壩事故中，39起尾礦壩處于運行狀態(tài)，這也包括閉庫后重新擴(kuò)容加高的尾礦壩;3起尾礦壩已閉庫，其中1起事故原因為當(dāng)?shù)卮迕裨谖驳V壩下游挖尾砂而導(dǎo)致潰壩。

3 結(jié)論

(1)通過收集、整理國外147起尾礦壩破壞事故資料，研究表明:大多數(shù)尾礦壩尾礦壩事故發(fā)生時其壩高不足30 m;事故原因主要為降雨、地震以及管理;不僅處于使用狀態(tài)的尾礦壩易于發(fā)生事故，處于非使用狀態(tài)的尾礦壩也會發(fā)生潰壩事故;采用上游法筑壩的尾礦壩發(fā)生事故的可能性較高。

(2)分析已有尾礦壩事故表明，2001年以來我國尾礦壩事故呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，通過采取有效措施，2009年以來尾礦壩事故起數(shù)不斷下降。通過對42起能確定潰壩原因的事故研究表明:引起尾礦壩潰壩因素依次為尾礦壩邊坡穩(wěn)定性不足、違規(guī)建設(shè)、不尋常降雨;壩高為20～40 m的尾礦壩發(fā)生潰壩事故的概率較大。

(3)國內(nèi)和國外尾礦壩潰壩數(shù)據(jù)都反映出上游式筑壩方法導(dǎo)致尾礦壩潰壩所占比例大，因此在尾礦壩建設(shè)中，應(yīng)盡可能地采用中游式筑壩或下游式筑壩方法，同時應(yīng)加強(qiáng)研究新的筑壩工藝，以改善尾礦壩的穩(wěn)定性。

(4)初期壩為不透水壩時其潰壩概率較透水壩大得多，因此，在初期壩設(shè)計時，應(yīng)盡可能采取透水壩;當(dāng)初期壩不能采用透水壩時，應(yīng)采取能提高尾礦壩穩(wěn)定性的有效措施。

(5)我國應(yīng)加緊建設(shè)和完善”尾礦庫數(shù)字化安全管理“，做好全國范圍內(nèi)的尾礦壩事故調(diào)查與分析，建立尾礦壩安全在線監(jiān)測系統(tǒng)，全天候?qū)崟r監(jiān)控尾礦壩，以保證尾礦壩安全穩(wěn)定地運行。

［1］ Vick S G．Planning，Design，and Analysis of Tailings Dams［M］．New York:John Wiley and Sons，1983．

［2］ Chandler R J，Tosatti G．The Stava tailings dams failure，Italy，July 1985［J］．Geotechnical Engineering，1995，113(2):67-69．

［3］ Azam S，Li Q R．Tailings dam failures:a review of the last one hundred years［J］．Geotechnical News，2010，28(4):50-53．

［4］ U.S.Committee on Large Dams．USCOLD，Tailings Dam Incidents［R］．Denver:Colorado，1994．

［5］ U.S.Environmental Protection Agency，Office of Solid Waste．EPA，Damage Cases and Environmental Releases from Mines and Mineral Processing Sites［R］．Washington:DC，1997．

［6］ United Nations Environment Programme，Industry and Environmen．UNEP，Environmental and Safety Incidents Concerning Tailings Dams at Mines:Results of a Survey for the Years 1980-1996 by Mining Journal Research Services［R］．Paris:［s．n．］，1996．

［7］ Rico M，Benito G，and Salgueiro A R．Reported tailings dam failures:a review of the European incidents in the worldwide context［J］．Journal of Hazardous Materials，2008，152(2):846-852．

［8］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局．關(guān)于印發(fā)全國尾礦庫專項整治行動2009年工作總結(jié)和2010年重點工作安排的通知［OL］．［2012-10-30］http:∥ www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel_5330/2010/0430/93179/content_93179.htm．

［9］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局．關(guān)于印發(fā)全國尾礦庫專項整治行動2008年工作總結(jié)和2009年重點工作安排意見的通知［OL］．［2012-10-30］http:∥ www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel_5921/2009/0519/60368/content_60368.htm．

［10］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局．關(guān)于印發(fā)全國尾礦庫專項整治行動工作2007年工作總結(jié)和2008年重點工作安排意見的通知［OL］．［2012-10-30］http:∥www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel_592/2008/0526/9345/content_9345.htm．

［11］ 《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》編寫組．尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1987．

［12］ 《中國有色金屬尾礦庫概論》編輯委員會．中國有色金屬尾礦庫概論［M］．北京:中國有色金屬工業(yè)總公司，1991．

［13］ 魏 勇，許開立，鄭 欣．尾礦壩潰壩事故致因分析［J］．中國礦業(yè)，2009，18(6):98-99．

［14］ 徐宏達(dá)．我國尾礦庫病害事故統(tǒng)計分析［J］．工業(yè)建筑，2001，31(1):69-71．