基于故障树的尾矿库溃坝原因分析★

张 森 王志军 潘祥勇 王金玲

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003; 2.泰安瑞兴工程咨询有限公司，山东泰安 271000;3.济南凯城消防自控设备有限公司，山东济南 250000)

0 引言

尾矿库是通过筑坝拦截谷口或围地构成的用以堆存尾矿的场所，它是专门为解决尾矿的堆放问题而建造的。据统计，截至2010年年底，我国堆积的尾矿已达50多亿吨，建有尾矿库11 946座，其数量为世界第一，其中总库容在100×104m3以上的占11%。我国尾矿库数量多，人口密度大，尾矿库选址难以完全避开居民区、生态敏感区和重要工业交通设施，尾矿库内存储的尾矿具有很大的势能，一旦发生溃坝事故，大量尾矿顺势而出，就会给下游人们的生命财产和环境带来严重的危害。近年来我国已经发生了多起严重的尾矿坝溃坝事故。因此，研究尾矿库溃坝原因并提出预防措施具有重要的现实意义。

1 尾矿库溃坝原因分析

尾矿坝溃坝的实质是坝体失稳。坝体要经受筑坝期正常高水位的渗透压力、坝体自重、坝体及坝基中孔隙压力、最高洪水位有可能形成的稳定渗透压力和地表惯性力等载荷作用，当坝体强度不能承受载荷作用时则将发生溃坝。影响尾矿坝稳定性的因素很多，导致层矿坝渍坝的主要原因有渗透破坏、地震液化和洪水漫顶等。

1)渗透破坏。尾矿坝渗流破坏的演变过程主要与土体参数、水利参数、尾矿的物理特性和尾矿坝实施的防、排水措施等条件有关。水在渗流过程中，会使尾矿颗粒受到一种沿渗流方向的拖拽力，也就是渗透压力，因为渗透力的存在，坝体的稳定性可能降低，进而导致溃坝;另外，由于渗透压力的影响下，尾矿坝自身也会发生坝体变形和破坏，可能导致尾矿坝的溃坝。

2)地震液化。当地震发生时，构成坝体的尾矿或土体颗粒就会重新排列，坝体发生变形，土体颗粒间的孔隙率减小，颗粒的接触应力一部分转移给孔隙水，当孔隙水压力超过原有静水压力并与有效应力相等时，动力抗剪强度完全丧失，坝体变成粘滞液体，尾矿坝在这种情况下很容易发生溃坝现象。

3)洪水漫顶。洪水漫顶是导致尾矿库溃坝事故的主要原因之一，而一座尾矿坝的漫顶溃坝往往是许多原因共同造成的，造成洪水漫顶的原因是多方面的，主要有:水文资料短缺造成洪水设计标准偏低;泄洪能力不足，坝顶高度不足等导致尾矿坝漫顶进而发展为溃坝，另外施工质量、运行管理也直接影响着尾矿坝的抗洪能力。随着水位的增加，水流产生的剪应力和对颗粒的拉拽力也会增加，当水位超过坝高，并且坡度比较陡时，由于张力和剪应力的作用将会引起坝体的大面积坍塌，当坝体的粗颗粒成分暴露于水流中，侵蚀过程则很容易被加快，造成溃坝事故。

2 建立尾矿坝溃坝故障树

故障树也叫事故树，是一种描述事故因果关系的有方向的“树”，是安全系统工程的重要分析方法之一。它能对各种系统的危险性进行识别评价，既适用于定性分析，又能进行定量分析，具有简明、形象化的特点，是一种图形演绎方法，具有很大的灵活性，不仅可以分析某些单元故障对系统的影响，还可以对导致系统事故的特殊原因如人为因素、环境影响进行分析。

作者通过查找分析以前尾矿库溃坝资料，得到了48种尾矿库基本事件和27种相关事件，并分析把握系统内各要素之间的关系，弄清各潜在因素对事故树发生影响的途径和程度，层层分析，最后建立了尾矿库溃坝事故树模型(见图1)。

能引起顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合称为最小割集。由图1可知，事故树有49组最小割集，表明尾矿库发生溃坝灾害的49种途径，表示了顶事件发生的原因组合，也为降低系统的危险性提出控制方向和预防措施。

根据本事故树的成功树可以求出事故树的最小径集，本事故树共有12组最小径集，表示系统的安全性，每一个最小径集都是防止顶上事件发生的一种方案。

3 减少尾矿坝溃坝事故的措施

由尾矿库溃坝事故树可知，引起顶上事件发生的三大因素是:A1为人为管理缺陷，A2为坝体质量问题，A3为自然灾害。X31为发生超过设计地震烈度的地震，X32为采矿活动，X33为岩体风化，X34为尾矿库水淹浸泡这四个基本事件中，任一事件发生都有可能造成自然灾害而引起顶事件发生;X14为无设计或设计不规范，X17为施工质量差，X15为无设计或设计不当，X16为设计单位不具备资质，X18为设计参数与实际不符，X19为不按设计施工，X30为放矿工艺不合理，X21为人为改动陡坡比中任一事件发生都有可能引起坝体质量问题而造成顶事件发生;X1为安全投入不足，X5为矿区乱采乱挖，X4为库区爆破，X8为安全意识薄弱，X7为技术水平低，X2为未进行定期维护，X3为未对坝体进行检查，X10为发现隐患未处理，X11为未执行法律法规及技术规范，X6为无水位监测设施，X9为监测设施失效中任一事件发生都有可能引起因人为管理缺陷造成顶上事件的发生，所以应针对这些事件特点进行控制，可以减少溃坝事故的发生。例如，因为尾矿库水淹浸泡而造成的尾矿坝溃坝事故，就要经常疏理管道，确保流水管道畅通，防止因自然灾害而引起顶事件发生;因为发现隐患未处理而造成溃坝事故的，我们就要做到一旦发现，立即处理，确保任何时候没有发现隐患而未处理的隐患，防止因人为管理缺陷而引起顶事件的发生。

另外还有一种情况，两种或两种以上的事件只有同时发生时，才有可能造成顶事件的发生。例如:X37为汛期雨量大和A24为排洪能力不足或丧失，只有两者同时发生时才有可能造成顶事件发生，因此我们只要防止其中的一个事件发生就可以了，因为汛期雨量我们无法控制，所以只要有足够的排洪能力就能避免因汛期雨量大和排洪能力不足或丧失同时发生造成溃坝事故。

图1 尾矿库溃坝事故树

基于以上分析，笔者提出以下几点建议:

1)企业必须按照《冶金矿山尾矿设施管理规程》，严格的进行勘察、设计、施工，从源头杜绝隐患，同时建立尾矿坝的安全监测系统，并加强对监测数据的分析、整理，掌握坝体安全状况，消除隐患。

2)建立尾矿库应急预案，明确有关机构职责，建立健全统一指挥、分级管理、职责明确、反应灵敏的应急机制，一旦发现，立即处理，降低尾矿库垮坝事故风险和事故灾难的可能，最大限度降低尾矿库溃坝事故灾难造成的人员伤亡和损失，例如做好防震机制、做好防洪排洪工作等。

3)加强尾矿库作业人员的安全教育培训工作，提高安全意识与现场操作水平，杜绝违章作业，降低因人为原因造成尾矿坝溃坝事故的风险。

4 结语

我国国土面积大，地质过程复杂，矿产资源丰富，在矿产资源开采过程中形成了大量的尾矿，这就给尾矿库的管理带来了困难，在管理过程中，一方面应该长期坚持不懈，从长远的角度去规划，特别是对尾矿坝设计与管理，另一方面采取减少尾矿坝溃坝事故的措施，本文提出了一些预防措施，可对企业起指导作用。

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