尾矿库重大危险源风险评价指标及分级方法*

2018-08-06谭钦文辛保泉

中国安全生产科学技术 2018年7期

谭钦文，辛保泉,2，万露，董勇，杜姗

(1. 西南科技大学，四川绵阳 621010； 2. 中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东青岛 266101；3.赛飞特工程技术集团有限公司，山东青岛 266061)

0 引言

统计数据显示，截至2017年底，我国共有尾矿库约10 500座，病库数量达4%，大中型尾矿库(坝高≥30 m)占20%。2007—2017年共发生尾矿库事故80余起，死亡和失踪350余人，给人民生命财产安全和周围环境构成了严重威胁。为加强对重大危险源的监督管理，有效防范重、特大事故的发生，原国家安监总局将尾矿库列为重大危险源申报范围，但未对危险源等级的判定作详细说明。

针对重大危险源分级，有部分学者已进行了一定探讨。谢旭阳等[1]根据危险源可能造成的人员伤亡和财产损失等后果，将尾矿库危险源定性的分为了A，B，C，D 4个等级；沙锡东等[2]基于死亡半径分级法，引入人员密度和经济密度，提出了危化品重大危险源分级方法；魏利军等[3]通过对比分析易燃、易爆、有毒重大危险源分级法、死亡半径法和死亡人数分级法,将危化品总量与其临界量的比值经校正后的R值作为重大危险源分级指标。

我国重大危险源的分级目前还没有统一的标准，现有研究也多是参考国外相关研究成果[4-6]，其分级方法整体上可分为2类：一类是静态分级法，即分级标准不变或分级结果不随危险源数量多少而改变，如死亡半径法和易燃、易爆、有毒重大危险源分级法；另一类是动态分级法，即分级标准或危险源数目会发生变化，如层次分级法、分级全息建模等方法。此外，虽然目前国内外对重大危险源分级已有研究，但主要集中在危化品领域，并不适用于尾矿库，且还存在以下主要问题：

1)分级标准缺乏系统性。现有分级标准多是参考事故分级标准而制定，以死亡人数和财产损失等简单后果因素为分级指标，属于后果假设性判定，并未考虑尾矿库的现实特性和事故发生的时间、空间敏感度等[7]。

2)分级指标较为单一。很多分级指标都把重点放在了临界量的确定上，以临界量为实际的分级标准，忽视了尾矿库这一复杂工程的危险性级别会受固有属性和外部附加条件等多重因素的影响，对隐患存在的必要条件考虑太少。

3)分级模型复杂，评价步骤繁多，计算过程冗长，不适合企业申报和政府监管。

基于此，本文根据现有的尾矿库相关标准[8-9]，通过系统安全分析和评价方法，确定了20个尾矿库重大危险源分级指标，并根据专家打分结果和层次分析法理论，确定了评价指数和权重，根据评价指数确定了尾矿库重大危险源等级和划分标准。

1 尾矿库重大危险源评价指标体系

1.1 评估指标体系的建立

影响“尾矿库系统”危险性的因素具有多样性和复杂性，根据系统性原则，任何系统都由多个子系统组成，且呈一定的层次结构。

因此，指标体系的构建过程，整体上遵循安全系统工程中的“系统切割”原则，即根据分析对象的可分性，依据其性质、功能、结构等方面的准则，对系统对象进行类型或情形的划分。首先，将评价指标分为固有危险性指标和附加危险性指标2大类；根据危险性来源，固有危险性指标可分为尾矿库自身固有危险指标和外部固有危险指标2类；根据危险指标的性质、类别和作用方式等，通过总结，得到了对尾矿库安全度造成直接影响的安全度指标和其他造成间接影响的隐患指标。参照以上分析原则，结合标准[8-9]，将上述类别再层层细分，直至底层的独立元素，如图1所示。

1.2 评估指标特征值分析

D级指标是在C级指标基础上，提取设计规范和安全标准中重点监测的指标、结合工程设计经验总结对尾矿库安全度造成重要影响的主要指标，最终得到的。在D级指标时，应充分融合现有的尾矿库相关规定，以保证评估指标的有效性和通用性。参照的主要规定有：尾矿库规模等级划分方法、尾矿库安全度、坝体结构设计要求、自然环境条件、渗流稳定性计算场景、不同等级的安全监测指标、浸润线埋深分类要求等。

图1 尾矿库重大危险源评价指标体系Fig.1 Evaluation index system of major hazard of tailing reservoir

1)尾矿库全库容(V/万m3)D111

指某坝顶标高时，坝顶标高平面以下、库底面以上所围成的空间的容积，与总坝高一样，是决定尾矿库等级的重要指标。分为：V<100，100≤V<1 000，1 000≤V<10 000，V≥10 000共4类。

2)尾矿库总坝高(H/m)D112

指设计最终堆积标高时堆积坝坝顶与初期坝坝轴线处原地面的高差。分为：H<30，30≤H<60，60≤H<100，H≥100共4类。

3)尾矿库危害类别D113

危害类别直接决定着尾矿库的潜在危险性，按照尾矿库等级，将危害类别分为4类，四等库和五等库为第四类，一、二、三等库分别对应于一、二、三类，根据设计报告获取。

4)初期坝下游坡比(P)D114

将尾矿库初期坝下游坡比分为5类：P≤1∶2.5，1∶2.51∶1.6，对尾矿库稳定性非常重要。

5)尾矿库已使用年限(N/a)D115

分为4类：N<5，5≤N<24，4≤N<29，N≥30，根据尾矿库实际使用情况确定。

6) 坝址区地震基本烈度D121

是指在一般场地条件下，未来50 a内可能遭遇的超过概率为10%的地震烈度值，分为：Ⅴ以下，Ⅵ，Ⅶ，Ⅷ，Ⅸ以上，共5类，是较为重要的外部固有危险性指标，由地质勘查报告确定。

7)库周山体有无滑坡或泥石流条件D122

滑坡是尾矿坝危险因素之一，较大规模的滑坡往往是垮坝事故先兆[10]。根据尾矿库地质勘查报告中库区周边环境情况，分为“有”、“无”2类。

8)库区是否处于岩溶或裂隙发育地区D123

岩溶或裂隙有可能形成坝体的集中渗漏通道，分为“是”、“否”，根据尾矿库地质勘查报告中库区地质情况确定。

9)多年平均降水量(R/mm·a-1)D124

降水量直接影响尾矿库的渗流和稳定性[11]，分为5类：R<400，400≤R<650，650≤R<900，900≤R<1 150，R≥1 150，由地质勘查报告或当地水文地质条件资料确定。

10)最大一日降水量(Rd/mm)D125

最大一日降水量由于具有突发性，会直接威胁排洪系统安全性，比D124指标对尾矿库稳定性影响更大，分为5类：Rd<50，50≤Rd<70，70≤Rd<90，90≤Rd<110，Rd≥110，由地质勘查报告或当地水文地质条件资料确定。

11)尾矿库安全度分类D211

安全度是直接反应尾矿库防洪能力和坝体稳定性的重要指标，分为正常库，病库，险库或危库3类，具体分类可参照文献[9]进行。

12)最小干滩长度符合度D212

最小干滩长度是指设计洪水位时的干滩长度，反映了尾矿库的抗洪能力和坝体稳定性。通过定义最小干滩长度符合度K=实际值/标准值，分为K≥1，0.8≤K<1，K<0.8共3类。如果尾矿库处于地震基本烈度Ⅵ度及以上区域，则标准值还应根据烈度大小在基本标准(见表1)基础上加0.5～1.5 m。

表1 最小干滩长度与最小安全超高基本标准Table 1 The minimum dry beach length and the minimum freeboard basic standard

13)最小安全超高符合度D213

最小安全超高反映了尾矿库的抗洪能力，指滩顶标高与设计洪水位之间的高差。定义最小安全超高符合度K=实际值/标准值，分为K≥1，0.8≤K<1，K<0.8共3类。如果尾矿库处于地震基本烈度Ⅵ度及以上区域，则标准最小安全超高还应根据烈度大小在基本标准(见表1)基础上加0.4～1.0 m。

14)堆积坝下游浸润线最小埋深符合度D214

浸润线在坝体横剖面上为一条曲线，表示坝体渗流水的自由表面位置，最小埋深经渗流计算或传感器测量确定。定义浸润线最小埋深符合度K=实际最小埋深/标准最小埋深，分为K≥1，0.8≤K<1，K<0.8共3类。如果尾矿库处于地震基本烈度Ⅵ度及以上区域，则标准浸润线最小埋深还应根据烈度大小在基本标准(见表2)基础上加0.5～1.5 m。

表2 尾矿坝下游浸润线最小埋深基本标准Table 2 Basic standards for the minimum depth of infiltration line in the downstream of the stacked dam

15)尾矿坝完好性D215

指有无因岩性劣化造成的尾矿坝局部滑塌或隆起，坝面有无裂缝、冲刷、塌坑等不良现象。如果不存在则为“很好”；如果只存在1种危害因素，且对尾矿坝安全没有明显影响则为“好”；如果只存在2种危害因素，但对尾矿坝安全没有明显影响则为“一般”；其他情况则为“差”。

16)尾矿坝渗流情况D216

渗流是尾矿库常见的有害因素。根据尾矿坝坝面有无沼泽化、管涌、流土、异常渗流，渗流量是否增大等，将渗流情况分为：无、少量、中等、高4类，可根据尾矿库的地质勘察报告确定。如果不存在以上危害因素，则为“无”；如果只存在1种，则为“少量”；如果只存在2种，则为“中等”，如果存在3种及以上渗流不利因素，则为“高”。

17)尾矿库防洪标准D221

防洪标准反映了尾矿库的设计抗洪能力，根据设计报告中的数据，对照表3，确定结果为符合、不符合2项。

表3 尾矿库防洪标准Table 3 Flood control standard of tailings reservoir

注：PMF为可能最大洪水。

18)排洪系统完好性D222

排洪系统安全可靠是决定尾矿库稳定性的重要基础保障，其完好性是指排水管、排水井和溢洪道等是否存在破裂、堵塞、变形、淤积等危害因素。如果没有则为“好”；如果只存在1种危害因素则为“一般”；如果存在2种及以上的排洪系统不利因素，则为“差”。

19)尾矿坝监测系统D223

根据《尾矿库安全监测技术规范》(AQ 2030-2010)的规定，一等、二等、三等、四等尾矿库应监测位移、浸润线、干滩、库水位、降水量，必要时还应监测孔隙水压力、渗透水量、混浊度；五等尾矿库可不监测降水量；一等、二等、三等尾矿库应安装在线监测系统。

据此分为无观测系统、观测项目不全、观测项目齐全3类。

20)库区有无影响尾矿库安全的外界人为因素D224

外界人为因素主要包括采矿、爆破、炸鱼、滥伐、滥垦、滥牧、滥挖尾矿、违章建筑、违章施工等现象。分为“无、偶尔有、经常”有3项，根据尾矿库可研报告中的尾矿库周边环境评价确定。

综上，20个评价指标中对尾矿库重大危险源影响性较大的有：尾矿库危害类别、全库容、总坝高、安全度分类、排洪系统和地震烈度等。

2 尾矿库重大危险源分级

2.1 辨识依据

根据原国家安监总局文件要求，将“全库容≥100万m3或者坝高≥30 m的尾矿库”列为重大危险源申报范围。

2.2 评价指数及指标特征值量化

2.2.1 评价指数

尾矿库重大危险源的评价指数表示为：

P=[A]·[R]

(1)

式中：[A]为评价指标相对危险指数集；[R]为评价指标权重集。

[A]中的评价指标即为图1中的20个指标：D111～D115，D121～D125，D211～D216，D221～D224。各类指标的相对危险指数结合指标特征值数目，根据专家评议结果给出的平均量化值，主要分为了5组：[1,9]，[1,5,9]，[1,7,9] ，[1,3.6,6.3,9]，[1,3,5,7,9]。

[R]=[ri]T，i=1，2，…，20，ri为第i个评价指标权重。

2.2.2 评价指标特征值的量化

1)量化方法及基本理论

目前的指标特征值量化方法主要分为2类：仪器测试法、数理统计法等定量方法；置信法、综合分析法等定性方法。由于尾矿库重大危险源的系统评价指标特征值具有很强的模糊性，本研究采用模糊综合分析法[12]，根据专家评议结果确定特征值。对于定性指标，专家评议给出的特征值是无量纲特征值。综合分析如下：

设某一子指标体系其危险性评价指标有m个,构成的集合U={u1，u2, Λ,ui, Λ,um}；参与确定指标无量纲特征值的专家由q个，构成的集合为P={p1，p2, Λ,pi, Λ,pq}。

对于指标ui，专家pj依据其评价标准和对该指标的了解给出一个特征值区间[aij,bij]，由此构成一个集值统计序列：(ai1,bi2)，Λ，(aij,bij)，Λ，(aiq,biq)。则评价指标ui的特征值xi可按下式计算：

(2)

式中：i=1,2,…,m；j=1,2,…,q；wj表示第j个指标的特征值。借助于模糊数学和灰色系统理论中的关联度分析[13-14]，可以确定各专家的赋值与按照式(2)求得的指标特征值的关联程度：

(3)

式中：Δij=|xi-uij|，uij为区间[aij,bij]的上限、中值或下限中的某一值；ρ是分辨系数，通常取0.5。在关联度分析中，分辨系数的取值通常会影响分辨率，在实际使用时还需进一步确定，但本文重点在于阐述重大危险源分级方法，此处的分辨系数仅是一个数值计算问题，并不影响方法的使用。

2)量化结果

根据上述对尾矿库重大危险源评价指数及其特征值的分析，得到各特征值量化结果，见表4。

2.3 评价指标权重

尾矿库重大危险源这一评价对象的各个指标在整体中价值的大小和相对重要性以及所占比例的大小量化值，即为本次研究的指标权重。指标权重的主要确定方法有统计分析法、专家打分法及在专家打分法基础上发展起来的层次分析法(AHP)等。在对尾矿库重大危险源评价指标及其特征值分析基础上，综合目前最新的权重确定方法，采用改进层次分析法(IAHP)[15]确定20个指标权重。

AHP或IAHP用于定性评价，有优点与不足，部分前述评价指标也可用其他方法做定量评价，文中采用IAHP方法，因为尾矿库的危险性影响指标较多，且有很多属于非定量事件，危险指数等数据需要结合专家经验，综合判断确定，而IAHP是目前可对非定量事件进行层次化整理，并综合人们主观判断，使思维数学化、定量化的主流方法，适合本文的研究。