中国尾矿库溃坝与泄露事故统计及成因分析

2019-08-29张家荣刘建林

中国钼业 2019年4期

张家荣,刘建林

(1.商洛学院陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛 726000) (2.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西西安 710048)

1 尾矿库的危害

我国现有各类大小尾矿库1万多座，一旦发生尾矿库事故(如溃坝、尾矿泄漏等)就会给环境、安全等带来很多问题。首先是尾矿库容易造成环境的污染和危害。干涸的尾矿矿砂遇到大风形成扬沙污染环境，尾矿库一旦溃坝或者发生泄漏将会对周围以及下游环境造成极大的危害，危害源主要来自2个方面，其一矿石在选炼过程中会添加大量的化学药剂，有些未能完全在选炼过程中消耗而残留于尾矿中[1]；另一方面尾矿中本身就存在很多对生物及环境有危害的重金属元素，如：Ti、Hg、Co、Cd、Bi、 V、Cr、Zn、Ni、Cu、Mn、Pd以及Mo等。其次是尾矿库容易引发安全问题。容易给人民生命财产造成极大损失，大量的尾矿库危库、险库、病库仍占一定的比例，存在诸多安全隐患，尾矿库主要分布在华中、东北、华北地区，3个地区中小型数量占到总数的95%多；全国未经过环境评价和安全评价的尾矿库分别占到总数的64.5%和43.36%。也曾出现过由于管理不善、防洪不利、自然灾害、违规操作、超负荷运行、超期使用等原因，还存在极大的安全隐患，出现尾矿泄漏、溃坝对周围及下游人民生命财产造成威胁，甚至影响社会的安定[2]。

2 国内外尾矿库研究现状

国外对于尾矿库研究的两大重点分别是环境污染和环境保护。在环境污染方面：位于美国的Clark University(克拉克大学)公害评定研究小组分别对全球90多种事故隐患、公害进行了全面系统的研究，并对其危害程度进行了排序，研究结果表明，尾矿库事故危害仅次于核辐射与核爆炸等危害，位列第18位[2-3]；在尾矿库环境保护方面：2002年T.rosner、2001年Mascaro和K.Mohd.Azizili，两位学者主要对尾矿废水成分及尾矿废水对库区周围环境(包括动植物、微生物、土壤及水体)影响进行了全面研究[4]。20世纪国外就比较重视尾矿库的管理，为提高尾矿库管理信息化做了很多具体工作：如制定尾矿库管理指南、尾矿库全面普查、监理尾矿库数据库(包括基础数据及图形资料)等。如澳大利亚、新西兰等国家。

国内对尾矿库的研究主要集中在风险应对、管理制度、对生态影响、安全影响评价等方面。风险应对方面：主要是尾矿库安全监测技术的提高与应用。 50年代利用经纬仪、水准仪等对大坝、高边坡的变形进行人工监测→70年代末引进传感器→90年代GPS 技术的研究与发展[5-6]；管理制度方面：主要有剖析矿产资源开发利用的环境保护法律制度、建立矿区环境保护和治理制度、如何科学界定各监管部门的职责、如何强化行政监管权力的制约机制[7-8]；生态环境影响方面：目前在水环境和区域生态领域方面进行理论和方法的探讨比较多[9-11]；安全影响评价方面：主要研究内容包括了安全评价指标、评价模型、数值模拟、实证分析等[12-13]。

从国内外研究现状上我们可以看出，国外研究的重点主要集中在环境污染、环境保护2个方面；国内主要集中在风险应对、管理制度、对生态影响、安全影响评价4个方面。对于尾矿库事故成因和预控措施的研究较少，加强尾矿库事故调查统计，对尾矿库溃坝和尾矿泄漏的路径进行分析，研究引起溃坝及尾矿泄漏事故的成因，对各类尾矿库事故的影响因素和对策进行概括，对于减少事故隐患，防止事故发生，降低尾矿库对环境的不利影响，减少尾矿库对人民生命财产的危害是很有必要的[14]。

3 我国尾矿库事故统计

我国尾矿库事故时有发生，给人民生命财产造成极大的威胁和损失，对环境造成极大的破坏，在一定程度上影响着社会的和谐与稳定。据统计，从2001年到2015年15年间，我国发生尾矿库事故共计99起[15-16]，加上20世纪60年代一直到2000年有重大伤亡的10起尾矿库事故[17]，对109起尾矿库事故按事故类型统计分析[18]见表1。

表1 我国尾矿库事故统计表

由表1可以看出尾矿库对周围及下游环境和人民生命财产造成影响与伤害，主要是由于溃坝和尾矿泄漏引起的，前者接近2/3，后者接近1/3，二者之和占到总事故数量的96.33%。相关研究表明，尾矿库事故中将近20%都是由于洪水导致的，主要包括排水泄洪设施发生故障或损坏、行洪不畅、超标洪水侵袭、泄洪不力、洪水漫顶等；排洪设施事故主要发生在主汛期，并且多是由于管理疏忽，防洪意识不强所致，运行第一年事故发生率接近30%；尾矿渗漏事故主要发生在尾矿库运行初期，运行第一年大约占50%，运行前5年约占到30%左右。

尾矿库溃坝事故危害的主要形式有：①尾矿设施毁坏等；②尾矿库下游的河流、农田、植被受到污染；③导致尾矿库下游的人员大量伤亡，建筑物、构筑物、公路、铁路、农田等被冲毁；尾矿库尾矿泄漏事故危害的主要形式有：①导致溃坝事故的发生；②污染下游河流、农田、植被。对正在运行的尾矿库来说，失事主要原因是洪水漫顶，坝坡稳定性差而失事，坝体振动液化而溃坝[19]。因此对尾矿库事故原因进行统计分析，对尾矿库不同类型制定相应的应对措施，减少事故隐患，防止事故发生是有必要的。

对69起尾矿库溃坝事故和36起尾矿泄漏事故按事故原因进行统计分析，其结果见图1、图2。

图1 我国尾矿库溃坝事故原因统计图

由图1可以看出，在1960年到2015年69起尾矿库溃坝事故中，管涌破坏35起占50.72%；洪水漫顶24起占34.78%；坝体不稳固6起占8.70%；地质灾害4起占5.80%。管涌破坏和洪水漫顶是引起尾矿库溃坝的两大主因，二者之和占到85.51%。

图2 我国尾矿库尾矿泄漏事故原因统计图

由图2可以看出，在1960年到2015年36起尾矿库尾矿泄漏事故中，坝体渗漏16起占44.44%；排水设施泄漏9起占25.00%；排水涵管泄漏6起占16.67%；输送管路泄漏3起占8.33%；库内泄漏2起占5.56%。坝体泄漏和排水设施泄漏是引起尾矿库尾矿泄漏的两大主要原因，二者之和占到69.44%，排名第三的是排水涵管泄漏。

4 溃坝及尾矿泄漏事故路径分析

4.1 引起溃坝的路径分析

地震灾害引起的坝体液化和坝体结构失稳，引起滑坡，发生溃坝，库内有水或遇降雨则容易形成泥石流，破坏巨大。有3类主要因素影响着尾矿库地震液化：一是尾矿砂自身的物理及力学性质(如粒径大小、级配、密实度、稳定性等)；二是地震的烈度大小；三是浸润线的埋深。地震灾害引起溃坝的路径有两种情况：①超过尾矿库抗震等级，尾矿砂发生液化，造成坝体深层失稳或坝体坍塌，尾砂下泄，使坝体结构发生破坏，造成溃坝；②未超过尾矿库抗震等级，但是由于尾矿库地质勘查、设计或施工存在失误或缺陷，由地震诱发而导致溃坝；③由于地震使坝体出现横向或纵向裂缝，产生漏水通道发生坝体坍塌或管涌，引发溃坝。

洪水漫顶引起溃坝的路径是：①由于超标洪水侵袭，现有排洪设施不能满足排洪要求，致使安全超高不足，库内水位不断上升，冲刷坝体，洪水漫顶，发生溃坝；②排水设施由于堵塞、损坏、坍塌、破裂等原因，造成泄洪能力不足，又不能及时排除故障，致使库内水位上升，洪水漫顶，发生溃坝；③排水泄洪措施存在设计缺陷，不能满足实际需要，致使库内水位上升，洪水漫顶，发生溃坝；④防洪意识不强，汛前管理失误，未留足调洪库容，干滩长度临界，遭大雨侵袭，致使库内水位上升，洪水漫顶，发生溃坝。

管涌是渗透破坏的主要形式，其多发生于坝基或者坝体之内，出现此种破坏需至少达到2个条件，其一是坝体内有渗漏的通道，其二是实际渗透坡降要大于坝体的抗渗能力。管涌破坏引起溃坝的路径是：①坝体先发生局部细微渗漏进而诱发集中渗漏，其表现形式为管涌，有可能引发溃坝，应急处理通常效果不佳；②集中管涌发生破坏坝体，使得坝体局部发生破坏而失稳，坝体局部坍塌，坝顶高程降低，坝体安全超高不足，库容骤减，发生洪水漫顶，应急处理一般效果不佳，进而引发溃坝；③坝体发生集中管涌破坏，坝体内部被不断掏刷，引发深层滑动，应急处理效果不佳甚至无效，引发溃坝；④坝体由于质量缺陷，密实度不足，易发生管涌，引发溃坝；⑤由于尾矿库内水位过高、排渗系统失效等原因使得坝体浸润线过高，进而产生管涌，使得坝体失稳，发生溃坝。

坝体不稳固引起溃坝的路径是：①堆积坝由于勘察设计缺陷、未按设计施工或施工马虎、尾矿库水位过高、坝肩受雨水冲刷、排渗系统失效、坝外破过陡、坝外破受雨水冲刷等原因引起的不稳定，进而引发溃坝；②由于尾矿库坝基未经过勘察或勘察走过场，致使尾矿库建在不良地基之上，进而引发溃坝；③初期坝由于监督不到位、未按设计施工、施工队伍素质低下等造成质量缺陷，使得坝体不稳固，引发溃坝。

4.2 引起尾矿渗漏的路径分析

发生库内泄漏的条件是有联通库内与库区外界环境的孔洞或裂隙。库内泄漏引起尾矿渗漏的路径是：①尾矿砂沿库内的地质断层、溶洞泄露出库区，造成环境污染；②库内演示接力缝隙发育，导致尾矿砂及尾矿废水泄漏。

排渗设施泄漏引起尾矿泄漏的路径是：①由于设计缺陷尾矿库未设排渗设施或者排渗设施排渗不力，引起尾矿泄漏；②施工过程马虎造成排渗设施质量达不到要求，导致尾矿砂及尾矿废水泄漏；③在库内违章取土、采矿、炸鱼、爆破、滥取尾矿等破坏排渗设施发生尾矿泄漏。

坝体渗漏引起尾矿泄漏的路径是：①未按照设计施工或施工马虎，造成坝体质量缺陷，造成尾矿砂及尾矿废水经坝体泄漏；②管理措施落实不到位，平时缺乏对坝体的监测和维护，致使坝体长期处于病险状态，稳定性和抗渗能力不断减弱，进而发生尾矿泄漏；④在库内违章取土、采矿、炸鱼、爆破、滥取尾矿等破坏坝体发生尾矿泄漏。

输送管路泄漏引起尾矿泄漏的路径是：①输送管存在质量问题、或年久失修，引起尾矿砂及尾矿废水泄漏；②由于其他原因造成输送管路出现裂隙、破坏造成尾矿砂及尾矿废水泄漏。

排水涵管泄漏引起尾矿泄漏的路径是：①涵管接头处密封不严造成尾矿泄漏；②排水涵管由于未按设计施工、监督不到位、超过涵管抗压强度等原因出现裂隙、破坏造成尾矿砂及尾矿废水泄漏[20]。

5 溃坝及尾矿泄漏事故成因分析

根据尾矿库溃坝破坏路径分析，结合尾矿溃坝事故资料，可得尾矿溃坝成因分析鱼刺图，见图3。

图3 尾矿库溃坝成因分析鱼刺图

由图3可以看出，引起尾矿库溃坝主要有地震灾害、洪水漫顶、管涌破坏、坝体不稳固四大原因。其中地震灾害包括：地震、泥石流、滑坡；引起洪水漫顶的原因包括：尾矿库水位过高、排洪设施失效、降雨量过大；引起管涌破坏的原因有：浸润线过高(包括尾矿库水位过高、排渗设施失效)、坝体质量缺陷；引起坝体不稳定的原因包括：坝基础不良(包括勘察走过场、未勘察)、初期坝质量缺陷(包括监督不到位、未按设计施工、施工队素质低)、堆积坝不稳定(包括未按设计施工、尾矿库水位过高、坝肩受雨水冲刷、排渗系统失效、坝外坡过陡、坝外坡受雨水冲刷)[21]。

根据尾矿库泄漏破坏路径分析，结合尾矿泄漏事故资料，可得尾矿泄漏成因分析鱼刺图，见图4。

图4 尾矿泄漏成因分析鱼刺图

由图4可以看出，引起尾矿库尾矿泄漏主要有库内泄漏、排渗设施泄漏、坝体渗漏、输水管路渗漏、排水涵管泄漏五大原因。其中引起库内泄漏的原因包括：断层、溶洞、岩石节理缝隙发育；引起排水设施泄漏的原因包括：设计缺陷、施工马虎、尾矿库库内违法取土；引起坝体渗漏的原因包括：未按设计施工、施工马虎、管理措施不到位；引起排水涵管泄漏的原因包括：涵管接头渗漏、排水涵管开裂(包括未按设计施工、监督不到位、超过涵管抗压强度)。