張家榮,劉建林

(1.商洛學院 陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西 商洛 726000) (2.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

1 尾礦庫的危害

我國現(xiàn)有各類大小尾礦庫1萬多座，一旦發(fā)生尾礦庫事故(如潰壩、尾礦泄漏等)就會給環(huán)境、安全等帶來很多問題。首先是尾礦庫容易造成環(huán)境的污染和危害。干涸的尾礦礦砂遇到大風形成揚沙污染環(huán)境，尾礦庫一旦潰壩或者發(fā)生泄漏將會對周圍以及下游環(huán)境造成極大的危害，危害源主要來自2個方面，其一礦石在選煉過程中會添加大量的化學藥劑，有些未能完全在選煉過程中消耗而殘留于尾礦中[1]；另一方面尾礦中本身就存在很多對生物及環(huán)境有危害的重金屬元素，如：Ti、Hg、Co、Cd、Bi、 V、Cr、Zn、Ni、Cu、Mn、Pd以及Mo等。其次是尾礦庫容易引發(fā)安全問題。容易給人民生命財產(chǎn)造成極大損失，大量的尾礦庫危庫、險庫、病庫仍占一定的比例，存在諸多安全隱患，尾礦庫主要分布在華中、東北、華北地區(qū)，3個地區(qū)中小型數(shù)量占到總數(shù)的95%多；全國未經(jīng)過環(huán)境評價和安全評價的尾礦庫分別占到總數(shù)的64.5%和43.36%。也曾出現(xiàn)過由于管理不善、防洪不利、自然災(zāi)害、違規(guī)操作、超負荷運行、超期使用等原因，還存在極大的安全隱患，出現(xiàn)尾礦泄漏、潰壩對周圍及下游人民生命財產(chǎn)造成威脅，甚至影響社會的安定[2]。

2 國內(nèi)外尾礦庫研究現(xiàn)狀

國外對于尾礦庫研究的兩大重點分別是環(huán)境污染和環(huán)境保護。在環(huán)境污染方面：位于美國的Clark University(克拉克大學)公害評定研究小組分別對全球90多種事故隱患、公害進行了全面系統(tǒng)的研究，并對其危害程度進行了排序，研究結(jié)果表明，尾礦庫事故危害僅次于核輻射與核爆炸等危害，位列第18位[2-3]；在尾礦庫環(huán)境保護方面：2002年T.rosner、2001年Mascaro和K.Mohd.Azizili，兩位學者主要對尾礦廢水成分及尾礦廢水對庫區(qū)周圍環(huán)境(包括動植物、微生物、土壤及水體)影響進行了全面研究[4]。20世紀國外就比較重視尾礦庫的管理，為提高尾礦庫管理信息化做了很多具體工作：如制定尾礦庫管理指南、尾礦庫全面普查、監(jiān)理尾礦庫數(shù)據(jù)庫(包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及圖形資料)等。如澳大利亞、新西蘭等國家。

國內(nèi)對尾礦庫的研究主要集中在風險應(yīng)對、 管理制度、對生態(tài)影響、安全影響評價等方面。風險應(yīng)對方面：主要是尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)的提高與應(yīng)用。 50年代利用經(jīng)緯儀、水準儀等對大壩、高邊坡的變形進行人工監(jiān)測→70年代末引進傳感器→90年代GPS 技術(shù)的研究與發(fā)展[5-6]；管理制度方面：主要有剖析礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的環(huán)境保護法律制度、建立礦區(qū)環(huán)境保護和治理制度、如何科學界定各監(jiān)管部門的職責、如何強化行政監(jiān)管權(quán)力的制約機制[7-8]；生態(tài)環(huán)境影響方面：目前在水環(huán)境和區(qū)域生態(tài)領(lǐng)域方面進行理論和方法的探討比較多[9-11]；安全影響評價方面：主要研究內(nèi)容包括了安全評價指標、評價模型、數(shù)值模擬、實證分析等[12-13]。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀上我們可以看出，國外研究的重點主要集中在環(huán)境污染、環(huán)境保護2個方面；國內(nèi)主要集中在風險應(yīng)對、管理制度、對生態(tài)影響、安全影響評價4個方面。對于尾礦庫事故成因和預(yù)控措施的研究較少，加強尾礦庫事故調(diào)查統(tǒng)計，對尾礦庫潰壩和尾礦泄漏的路徑進行分析，研究引起潰壩及尾礦泄漏事故的成因，對各類尾礦庫事故的影響因素和對策進行概括，對于減少事故隱患，防止事故發(fā)生，降低尾礦庫對環(huán)境的不利影響，減少尾礦庫對人民生命財產(chǎn)的危害是很有必要的[14]。

3 我國尾礦庫事故統(tǒng)計

我國尾礦庫事故時有發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)造成極大的威脅和損失，對環(huán)境造成極大的破壞，在一定程度上影響著社會的和諧與穩(wěn)定。據(jù)統(tǒng)計，從2001年到2015年15年間，我國發(fā)生尾礦庫事故共計99起[15-16]，加上20世紀60年代一直到2000年有重大傷亡的10起尾礦庫事故[17]，對109起尾礦庫事故按事故類型統(tǒng)計分析[18]見表1。

表1 我國尾礦庫事故統(tǒng)計表

由表1可以看出尾礦庫對周圍及下游環(huán)境和人民生命財產(chǎn)造成影響與傷害，主要是由于潰壩和尾礦泄漏引起的，前者接近2/3，后者接近1/3，二者之和占到總事故數(shù)量的96.33%。相關(guān)研究表明，尾礦庫事故中將近20%都是由于洪水導致的，主要包括排水泄洪設(shè)施發(fā)生故障或損壞、行洪不暢、超標洪水侵襲、泄洪不力、洪水漫頂?shù)?；排洪設(shè)施事故主要發(fā)生在主汛期，并且多是由于管理疏忽，防洪意識不強所致，運行第一年事故發(fā)生率接近30%；尾礦滲漏事故主要發(fā)生在尾礦庫運行初期，運行第一年大約占50%，運行前5年約占到30%左右。

尾礦庫潰壩事故危害的主要形式有：①尾礦設(shè)施毀壞等；②尾礦庫下游的河流、農(nóng)田、植被受到污染；③導致尾礦庫下游的人員大量傷亡，建筑物、構(gòu)筑物、公路、鐵路、農(nóng)田等被沖毀；尾礦庫尾礦泄漏事故危害的主要形式有：①導致潰壩事故的發(fā)生；②污染下游河流、農(nóng)田、植被。對正在運行的尾礦庫來說，失事主要原因是洪水漫頂，壩坡穩(wěn)定性差而失事，壩體振動液化而潰壩[19]。因此對尾礦庫事故原因進行統(tǒng)計分析，對尾礦庫不同類型制定相應(yīng)的應(yīng)對措施，減少事故隱患，防止事故發(fā)生是有必要的。

對69起尾礦庫潰壩事故和36起尾礦泄漏事故按事故原因進行統(tǒng)計分析，其結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 我國尾礦庫潰壩事故原因統(tǒng)計圖

由圖1可以看出，在1960年到2015年69起尾礦庫潰壩事故中，管涌破壞35起占50.72%；洪水漫頂24起占34.78%；壩體不穩(wěn)固6起占8.70%；地質(zhì)災(zāi)害4起占5.80%。管涌破壞和洪水漫頂是引起尾礦庫潰壩的兩大主因，二者之和占到85.51%。

圖2 我國尾礦庫尾礦泄漏事故原因統(tǒng)計圖

由圖2可以看出，在1960年到2015年36起尾礦庫尾礦泄漏事故中，壩體滲漏16起占44.44%；排水設(shè)施泄漏9起占25.00%；排水涵管泄漏6起占16.67%；輸送管路泄漏3起占8.33%；庫內(nèi)泄漏2起占5.56%。壩體泄漏和排水設(shè)施泄漏是引起尾礦庫尾礦泄漏的兩大主要原因，二者之和占到69.44%，排名第三的是排水涵管泄漏。

4 潰壩及尾礦泄漏事故路徑分析

4.1 引起潰壩的路徑分析

地震災(zāi)害引起的壩體液化和壩體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，引起滑坡，發(fā)生潰壩，庫內(nèi)有水或遇降雨則容易形成泥石流，破壞巨大。有3類主要因素影響著尾礦庫地震液化：一是尾礦砂自身的物理及力學性質(zhì)(如粒徑大小、級配、密實度、穩(wěn)定性等)；二是地震的烈度大小；三是浸潤線的埋深。地震災(zāi)害引起潰壩的路徑有兩種情況：①超過尾礦庫抗震等級，尾礦砂發(fā)生液化，造成壩體深層失穩(wěn)或壩體坍塌，尾砂下泄，使壩體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，造成潰壩；②未超過尾礦庫抗震等級，但是由于尾礦庫地質(zhì)勘查、設(shè)計或施工存在失誤或缺陷，由地震誘發(fā)而導致潰壩；③由于地震使壩體出現(xiàn)橫向或縱向裂縫，產(chǎn)生漏水通道發(fā)生壩體坍塌或管涌，引發(fā)潰壩。

洪水漫頂引起潰壩的路徑是：①由于超標洪水侵襲，現(xiàn)有排洪設(shè)施不能滿足排洪要求，致使安全超高不足，庫內(nèi)水位不斷上升，沖刷壩體，洪水漫頂，發(fā)生潰壩；②排水設(shè)施由于堵塞、損壞、坍塌、破裂等原因，造成泄洪能力不足，又不能及時排除故障，致使庫內(nèi)水位上升，洪水漫頂，發(fā)生潰壩；③排水泄洪措施存在設(shè)計缺陷，不能滿足實際需要，致使庫內(nèi)水位上升，洪水漫頂，發(fā)生潰壩；④防洪意識不強，汛前管理失誤，未留足調(diào)洪庫容，干灘長度臨界，遭大雨侵襲，致使庫內(nèi)水位上升，洪水漫頂，發(fā)生潰壩。

管涌是滲透破壞的主要形式，其多發(fā)生于壩基或者壩體之內(nèi)，出現(xiàn)此種破壞需至少達到2個條件，其一是壩體內(nèi)有滲漏的通道，其二是實際滲透坡降要大于壩體的抗?jié)B能力。管涌破壞引起潰壩的路徑是：①壩體先發(fā)生局部細微滲漏進而誘發(fā)集中滲漏，其表現(xiàn)形式為管涌，有可能引發(fā)潰壩，應(yīng)急處理通常效果不佳；②集中管涌發(fā)生破壞壩體，使得壩體局部發(fā)生破壞而失穩(wěn)，壩體局部坍塌，壩頂高程降低，壩體安全超高不足，庫容驟減，發(fā)生洪水漫頂，應(yīng)急處理一般效果不佳，進而引發(fā)潰壩；③壩體發(fā)生集中管涌破壞，壩體內(nèi)部被不斷掏刷，引發(fā)深層滑動，應(yīng)急處理效果不佳甚至無效，引發(fā)潰壩；④壩體由于質(zhì)量缺陷，密實度不足，易發(fā)生管涌，引發(fā)潰壩；⑤由于尾礦庫內(nèi)水位過高、排滲系統(tǒng)失效等原因使得壩體浸潤線過高，進而產(chǎn)生管涌，使得壩體失穩(wěn)，發(fā)生潰壩。

壩體不穩(wěn)固引起潰壩的路徑是：①堆積壩由于勘察設(shè)計缺陷、未按設(shè)計施工或施工馬虎、尾礦庫水位過高、壩肩受雨水沖刷、排滲系統(tǒng)失效、壩外破過陡、壩外破受雨水沖刷等原因引起的不穩(wěn)定，進而引發(fā)潰壩；②由于尾礦庫壩基未經(jīng)過勘察或勘察走過場，致使尾礦庫建在不良地基之上，進而引發(fā)潰壩；③初期壩由于監(jiān)督不到位、未按設(shè)計施工、施工隊伍素質(zhì)低下等造成質(zhì)量缺陷，使得壩體不穩(wěn)固，引發(fā)潰壩。

4.2 引起尾礦滲漏的路徑分析

發(fā)生庫內(nèi)泄漏的條件是有聯(lián)通庫內(nèi)與庫區(qū)外界環(huán)境的孔洞或裂隙。庫內(nèi)泄漏引起尾礦滲漏的路徑是：①尾礦砂沿庫內(nèi)的地質(zhì)斷層、溶洞泄露出庫區(qū)，造成環(huán)境污染；②庫內(nèi)演示接力縫隙發(fā)育，導致尾礦砂及尾礦廢水泄漏。

排滲設(shè)施泄漏引起尾礦泄漏的路徑是：①由于設(shè)計缺陷尾礦庫未設(shè)排滲設(shè)施或者排滲設(shè)施排滲不力，引起尾礦泄漏；②施工過程馬虎造成排滲設(shè)施質(zhì)量達不到要求，導致尾礦砂及尾礦廢水泄漏；③在庫內(nèi)違章取土、采礦、炸魚、爆破、濫取尾礦等破壞排滲設(shè)施發(fā)生尾礦泄漏。

壩體滲漏引起尾礦泄漏的路徑是：①未按照設(shè)計施工或施工馬虎，造成壩體質(zhì)量缺陷，造成尾礦砂及尾礦廢水經(jīng)壩體泄漏；②管理措施落實不到位，平時缺乏對壩體的監(jiān)測和維護，致使壩體長期處于病險狀態(tài)，穩(wěn)定性和抗?jié)B能力不斷減弱，進而發(fā)生尾礦泄漏；④在庫內(nèi)違章取土、采礦、炸魚、爆破、濫取尾礦等破壞壩體發(fā)生尾礦泄漏。

輸送管路泄漏引起尾礦泄漏的路徑是：①輸送管存在質(zhì)量問題、或年久失修，引起尾礦砂及尾礦廢水泄漏；②由于其他原因造成輸送管路出現(xiàn)裂隙、破壞造成尾礦砂及尾礦廢水泄漏。

排水涵管泄漏引起尾礦泄漏的路徑是：①涵管接頭處密封不嚴造成尾礦泄漏；②排水涵管由于未按設(shè)計施工、監(jiān)督不到位、超過涵管抗壓強度等原因出現(xiàn)裂隙、破壞造成尾礦砂及尾礦廢水泄漏[20]。

5 潰壩及尾礦泄漏事故成因分析

根據(jù)尾礦庫潰壩破壞路徑分析，結(jié)合尾礦潰壩事故資料，可得尾礦潰壩成因分析魚刺圖，見圖3。

圖3 尾礦庫潰壩成因分析魚刺圖

由圖3可以看出，引起尾礦庫潰壩主要有地震災(zāi)害、洪水漫頂、管涌破壞、壩體不穩(wěn)固四大原因。其中地震災(zāi)害包括：地震、泥石流、滑坡；引起洪水漫頂?shù)脑虬ǎ何驳V庫水位過高、排洪設(shè)施失效、降雨量過大；引起管涌破壞的原因有：浸潤線過高(包括尾礦庫水位過高、排滲設(shè)施失效)、壩體質(zhì)量缺陷；引起壩體不穩(wěn)定的原因包括：壩基礎(chǔ)不良(包括勘察走過場、未勘察)、初期壩質(zhì)量缺陷(包括監(jiān)督不到位、未按設(shè)計施工、施工隊素質(zhì)低)、堆積壩不穩(wěn)定(包括未按設(shè)計施工、尾礦庫水位過高、壩肩受雨水沖刷、排滲系統(tǒng)失效、壩外坡過陡、壩外坡受雨水沖刷)[21]。

根據(jù)尾礦庫泄漏破壞路徑分析，結(jié)合尾礦泄漏事故資料，可得尾礦泄漏成因分析魚刺圖，見圖4。

圖4 尾礦泄漏成因分析魚刺圖

由圖4可以看出，引起尾礦庫尾礦泄漏主要有庫內(nèi)泄漏、排滲設(shè)施泄漏、壩體滲漏、輸水管路滲漏、排水涵管泄漏五大原因。其中引起庫內(nèi)泄漏的原因包括：斷層、溶洞、巖石節(jié)理縫隙發(fā)育；引起排水設(shè)施泄漏的原因包括：設(shè)計缺陷、施工馬虎、尾礦庫庫內(nèi)違法取土；引起壩體滲漏的原因包括：未按設(shè)計施工、施工馬虎、管理措施不到位；引起排水涵管泄漏的原因包括：涵管接頭滲漏、排水涵管開裂(包括未按設(shè)計施工、監(jiān)督不到位、超過涵管抗壓強度)。

6 結(jié) 論

95%以上的能源和80%以上的工業(yè)原料均來源于礦產(chǎn)資源，其對經(jīng)濟發(fā)展、社會進步起到巨大的支撐和促進作用，作為礦產(chǎn)資源開發(fā)與利用必要設(shè)施的尾礦庫，隨著其作用與功能的發(fā)揮也帶來一系列安全與環(huán)境問題。本文通過研究與分析得出以下結(jié)論：

(1)對尾礦庫事故案例進行分析研究，從典型實例中汲取到有益的教訓[22]，分析事故成因顯得很有必要。

(2)尾礦庫在發(fā)揮積極作用的同時，也給環(huán)境、安全等帶來許多問題。

(3)通過對109起尾礦事故統(tǒng)計與分析，可知絕大多數(shù)尾礦事故均由潰壩和尾礦泄漏引起的，前者接近2/3，后者接近1/3，二者之和占到總事故數(shù)量的96.33%。

(4)通過對尾礦庫潰壩及尾礦泄漏的路徑及原因分析，可以得出引起尾礦庫潰壩及尾礦泄漏的路徑及原因都是多方面的。

總之，任何一尾礦庫事故的發(fā)生，其誘發(fā)原因都是明確的，而且是多因素綜合作用的結(jié)果，同時也離不開人的因素的影響與干預(yù)，只要我們堅持科學規(guī)范管理，貫徹落實“安全第一，預(yù)防為主，綜合治理”的正確方針，制定科學、針對性和可操作性強的應(yīng)對對策與措施，尾礦庫不安全事故是可以避免的。