尾矿库安全风险分析及对策措施研究

郑学鑫，岑 建

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 引言

我国是一个矿业大国，金属非金属矿山是工业生产的高危行业，其事故发生数和死亡人数在全国工业安全生产领域占较大的比重[1]。尾矿库是矿山企业专门用于存储尾矿的堆存系统，一般在山谷口部或洼地的周围筑坝而成，作为金属非金属矿山重要的生产设施、安全设施和环保设施，是金属非金属矿山安全生产的重要环节，但其作为具有高势能的人造泥石流源，一旦失事，将会给下游人民财产造成巨大损失，给当地环境造成严重污染，给当地的经济发展和社会稳定也带来严重的负面影响[2]。尾矿库的安全风险是客观存在的，有必要对尾矿库存在的安全风险进行分析并提出对策措施，进而降低尾矿库安全事故发生的概率、控制事故造成的后果。

1 尾矿库安全风险定义

尾矿库是选择有利地形筑坝拦截谷口或围地形成的具有一定容积，用以贮存尾矿和澄清尾矿水的专用场地[3]，通常设有尾矿坝、排洪系统、回水系统、值班室和尾矿分散排放系统等建、构筑物。尾矿库是矿山企业生产不可或缺的重要设施之一，但是尾矿库也面临着各种安全风险，如不加以控制，将发生严重的安全事故，相关安全事故往往导致巨大的人员伤亡、财产损失或环境污染。20世纪末，国外相继发生了数起尾矿库安全事故[4-6]，造成了大量人员伤亡和巨大的财产损失，引起了相关国家对尾矿库安全研究的深入和管理的日益强化，国外尾矿库安全问题已经得到持续改善。我国20世纪末和21世纪初处于经济社会发展的高速期，由于矿产资源的大量开发，建设了大量尾矿库，最高峰时，我国尾矿库数量超过1.2万座，大量的尾矿库面临的安全风险问题日益突出[7-9]。近年来，国内外发生了数起重大的尾矿库安全事故，2008年9月8日山西省襄汾县新塔矿业有限公司尾矿库发生溃坝事故，造成271人遇难，巴西在2015年和2019年分别发生了两次溃坝事故，合计造成近300人的人员伤亡，这些事故造成的重大的环境污染和人员伤亡，影响了社会的和谐稳定。

尾矿库与水库相似，对周边生命、健康、财产和环境负面影响主要为尾矿坝溃坝；但区别于水库的是尾矿库库内一般均设有排水系统，排水系统出现事故除了可能会引起尾矿库溃坝，也可能只是发生尾砂泄露事故。所以本文综合上述两方面原因并借鉴澳大利亚大坝委员会对风险的定义对尾矿库风险的定义为：尾矿库安全风险是指对生命、健康、财产和环境负面影响的可能性和严重性的度量，是溃坝、库内排水系统泄露可能性和产生的后果的乘积。

2 尾矿库安全风险识别及分类

安全风险识别是安全风险及对策措施研究工作的第一步，也是对安全风险对策措施研究的基础。尾矿库安全风险识别的主要工作就是确定哪些因素会影响到尾矿库的安全，并将这些因素进行汇总、分类。

联合国环境规划署(UNEP)和美国大坝委员会(USCOLD)对197起尾矿库事故进行了调查，事故类型见表1。从表1中可以看出尾矿库可能发生的事故类型主要有：边坡失稳、结构破坏、洪水漫顶、渗流破坏、地震破坏、基础破坏。

从表1中可以看出，我国发生尾矿库溃坝的主要事故类型为：边坡失稳、结构破坏、洪水漫顶、渗流破坏。

表1 尾矿库事故类型统计表

综合分析上述两组数据结果可知，尾矿坝事故类型主要为：边坡稳定性、结构破坏、洪水漫顶、渗流破坏、地震破坏及基础破坏。

根据尾矿库的事故类型可以把尾矿库安全风险一次分解为：(1)边坡失稳；(2)结构破坏；(3)洪水漫顶；(4)渗流破坏；(5)地震破坏；(6)基础破坏。

3 尾矿库安全风险二次分解

安全风险识别的基础在于对项目安全风险的分解，然而通过一次分解意识到项目存在风险是远远不够的，还需要进一步判断是哪些安全风险因素，在何种条件下、以何种方式导致安全风险的发生。

项目安全风险的分解就是根据项目安全风险的相互关系将其分解成若干个子系统，而且分解的程度足以使人们较为容易地识别出项目的安全风险，使风险识别具有较好的准确性、完整性和系统性。

为了进一步找出尾矿库的安全风险，有必要对一次分解后的6个尾矿库安全风险进行二次分解。以便清楚地了解尾矿库工程全生命周期所面临的安全风险。

3.1 边坡失稳安全风险二次分解

(1)工程勘察不全面，对坝体区域勘察范围不够，给出的物理力学参数与工程实际不符。

(2)采用的设计标准偏低。

(3)初期坝、后期坝选型不当。

(4)采用上游法尾矿堆坝时，尾矿坝上升速度太快，库内沉积尾矿固结时间不够。

(5)尾矿概化分区不合理。

(6)对于库长较短的尾矿库，为了追求库容或澄清距离，堆积坝坡过陡。

(7)由于施工单位资质、施工材料质量造成坝体施工质量不合格。

(8)寒冷地区后期坝采用上游法尾矿堆坝时，冬季排矿过程中形成的夹冰层。

3.2 结构破坏安全风险二次分解

(1)排水系统施工质量差。

(2)排水系统沿线地基不均匀沉降或抗压强度不够造成变形、破坏、断裂。

(3)对排水系统的封堵不满足设计要求。

(4)在尾矿库的日常运行管理中，不重视对排水设施的日常检查、维护工作，将不能发现事故隐患并排出，不能保证排水系统的安全稳定运行。

3.3 洪水漫顶安全风险二次分解

(1)防洪等级选择偏低、汇水面积计算偏小和暴雨强度选择不当等造成对洪峰流量估算不足，排水构筑物的泄水能力不足、调洪库容偏小及坝的安全超高不足。

(2)未按设计要求放矿，沉积滩的坡度不满足设计要求等造成调洪库容变小。

(3)对于大库容尾矿库，未按设计要求进行库尾和周边放矿，影响调洪库容。

(4)发生了超过设计标准的大洪水。

(5)施工过程中随意变更排水系统的型式、布置及尺寸。

(6)对尾矿库的观测和科学管理不到位，暴雨时的应急措施不科学，造成洪水漫顶。

(7)未设置库内水位标尺，不易随时掌握库内水位信息。

3.4 渗流破坏安全风险二次分解

(1)对尾矿库勘察的范围不够，勘察阶段对水文地质的工作不够。

(2)前期库尾放矿，坝前淤泥太厚，浸润线高；在转向坝前放矿，加固处理不当，导致失稳溃坝。

(3)库侧或坝顶独头放矿，在尾矿坝中产生淤泥夹层，抬高浸润线。

3.5 地震破坏

(1)针对地震开展工程地质勘察工作深度不够，未能对找出库区对抗震不利的因素，无法提出动力计算必须的设计指标。

(2)设计采用的坝型对抗震不利。

3.6 基础破坏

(1)选择的坝址存在不良地质情况。

(2)软土、湿陷性性黄土、易液化土、冻土地基：处理不当，滑坡和溃坝。

(3)易管涌地基：渗透破坏，溃坝。

(4)岩溶地基：坍塌溃坝。

4 降低安全风险的对策措施

通过对尾矿库安全风险识别和分析研究，本文提出了相应的对策措施，主要措施如下：

(1)尾矿库应以坝高作为尾矿库定等的依据，不应根据库容降低尾矿库的等别。

(2)重视尾矿库选址工作，加强尾矿库选址过程中的工程地质勘察工作。

(3)加强尾矿库全生命周期的工程地质勘察工作，并根据工程地质勘察资料对设计文件进行复核。

(4)加强尾矿坝筑坝材料的勘察工作，确保工程施工达到设计文件的要求。

(5)对于高震区的高坝尾矿库应适当限制采用对抗震不利的坝型，加大高震区高坝尾矿库抗震设计的研究工作。

(6)对于高坝尾矿库，应适当限制上游法尾矿堆坝，条件允许时应采用中线法、下游法尾矿堆坝及当地材料坝。

(7)对于上游法尾矿堆坝的高坝尾矿库，应限制尾矿坝上升速度，为尾矿坝整体稳定提供坚实基础，降低尾矿坝坝坡失稳的安全风险。

(8)对于上游法尾矿堆坝的高坝尾矿库，应加强初期排矿安全监管工作；在使用初期坝所形成库容时，应尽快形成沉积滩，尾矿在坝前不得水下排矿，尾矿库应具备初期坝标高以下维持低水位运行的工程措施。

(9)对于大库容尾矿库，设计中应充分考虑周边和库尾排矿对尾矿库安全的影响，加强周边和库尾排矿的管理工作，使大库容尾矿库的周边和库尾排矿安全有序的进行。

(10)对于寒冷地区上游法高坝尾矿库，应限制冬季坝前放矿，降低冬季放矿形成永久夹冰层的可能性，从而降低由此带来的安全风险。

(11)对于采用尾矿堆坝的尾矿库，尾矿库使用前期不得进行周边和库尾放矿，不得在库侧或坝顶独头放矿，须在坝前进行均匀放矿，防止坝前形成尾矿泥软弱层。

(12)对于服务期长的尾矿库，特别是高坝尾矿库，应加强对入库尾矿的粒度、比重、浓度及入库量的监管，一旦发现某项指标发生剧烈变化，应要求使用单位重新对尾矿库安全性论证。

(13)加强库区及上游设施和人类活动监管工作，限制库区及上游设施和人类活动。

(14)应加强排水设施封堵的设计及安全管理工作。

(15)对于高坝尾矿库，排水系统应限制使用排水管型式，防止尾矿库排水系统在高应力状态下发生破坏。

(16)强调尾矿库管理单位技术人员的培训工作，并建立尾矿库管理单位与咨询设计单位长期服务机制。

(17)应尽可能采用低水位运行。

(18)条件允许的前提下，尾矿应优先选用超高浓度堆存、干式堆存。

5 结论

(1)本文通过对尾矿库的分析，给出了尾矿库安全风险是指对生命、健康、财产和环境负面影响的可能性和严重性的度量，是溃坝、库内排水系统泄露可能性和产生的后果的乘积。

(2)尾矿库面临的安全风险可以总体分为：边坡失稳、结构破坏、洪水漫顶、渗流破坏、地震破坏和基础破坏六大类。

(3)本文通过尾矿库安全风险的二次分解，可以清楚的了解尾矿库工程全生命周期所面临的安全风险，有助于矿山企业在尾矿库日常管理过程中尽快找到尾矿库所面临的安全风险，获得切实可行的降低安全风险的对策措施。

(4)在尾矿库项目的全生命周期过程中，采取合适的对策措施，有利于降低尾矿库的安全风险。在尾矿库安全管理过程可根据工程自身特点结合本文给出的对策措施尽快给出不同尾矿库项目降低安全风险的对策措施。