基于WBS-RBS与故障树耦合的尾矿库风险评估*

2021-06-23赵瑞家于云鹤王越郝宇

工业安全与环保 2021年6期

赵瑞家于云鹤王越郝宇

(北方工业大学土木工程学院北京 100144)

0 引言

尾矿库作为维护矿山正常运转的必需构造物，它的主要功能是用于堆放、储存矿石尾矿。与水坝类似，都具有较大的储存功能，但由于尾矿库多用于储存金属矿渣、非金属工业废料等，属于高势能污染源，其存在具有比水坝更严重的安全风险[1-4]。尾矿或矿山废水渗漏、尾矿库溃坝等灾害，对下游环境及人们的生命财产安全造成极大的威胁。美国克拉克大学公害评定小组曾做过一项公害排名研究，其中由于尾矿库事故引起的危害在世界93种事故、公害的隐患中排名第18位，属于极端危害之一，因此必须对其风险进行严格管控，研究需求非常迫切。

近几年，我国对尾矿库的研究主要集中在尾矿的综合利用和环境保护方面，尾矿库的稳定性，防渗，防洪排水，安全管理与评价等方面的研究同样较为突出。在尾矿库安全监管方面取得了显著的成果，加强尾矿库事故统计分析，正确识别风险因素，找到控制风险的有效途径，对尾矿库的安全运行有着重要意义。根据徐宏达教授在第十一届全国尾矿库安全运行高峰论坛上的报告，并根据分析整理后得到如下数据与分类。从1957年至2015年共58年的时间，采集了175个尾矿库事故样本，统计结果如表1、表2所示。

表1 175件事故分类统计结果

表2 175件事故分类及事故简述

通过上表得知，在收集到的175件事故中，塔管隧结构破坏、跑矿和渗流破坏、洪水冲击破坏占事件总数的78.3%。同时，对具体事故原因的分析结果表明：人为因素是造成塔管隧结构破坏的主要原因。

由此可见，已有研究主要是针对事故诱因溯源和事故处理办法，尾矿库的风险评估问题亟待解决，本文拟对尾矿库的风险来源展开深入研究，获得的研究成果可为实际工程中的风险规避提供借鉴。

1 WBS-RBS分解结构与故障树

1.1 WBS-RBS分解结构

WBS-RBS是一种既可以掌握工程项目的全局，又能兼顾工程施工具体细节的工程风险判识方法。

建立工作分解结构WBS图和风险分解结构RBS图，如图1和图2所示。

图1 工作分解结构WBS图

图2 风险分解结构RBS图

建立WBS-RBS耦合矩阵[5]，将WBS分解图和RBS分解图中最小的子项相结合构造矩阵结构，明确工作与风险的关系。

1.2 故障树分析法及故障树绘制

故障树分析法(FTA，Fault Tree Analysis)又称事故树分析法，如图3所示，是安全系统工程中最重要的一种分析办法。1961年，由美国贝尔电报公司电话实验室研发，能够描述事故发展的因果关系及发展方向。根据逻辑关系，以顶事件为起点，逐层向下按照导致上层事件发生的路径绘制，因果之间用逻辑符号链接，最终得到故障树[6]。

图3 故障树分析简图

2 尾矿库风险判识与分析

2.1 构造分解结构WBS和RBS及耦合矩阵

根据逐级分解的原则，将尾矿库工程分为尾矿库设计、尾矿库施工、尾矿库运营管理3个分项，各分项再向下分解为次级部分，如图4所示。

图4 尾矿库WBS图

影响尾矿库安全的因素有很多，根据实际工程经验，组织建立风险分解结构(RBS)，如图5所示。

图5 尾矿库RBS图

依据上述建立的工作分解结构与风险分解结构，将两部分分解结构的最底层单元两两耦合，判断耦合后事件是否成立，若工作存在风险记为1，否则记为0[7]。构件的耦合矩阵如表3所示。

表3 WBS-RBS耦合矩阵

W11R11不良地质未查明、W12R12调洪设计不足、W13R12排渗设施设计不合理、W21R21尾矿砂压实不足、W21R22库内乱采乱挖、W21R23/W22R23施工设备/器械不符合标准、W22R21排水结构混凝土剥落、露筋、开裂等、W22R22未及时封堵停用排水井、W21R31/W22R31施工安全监管不到位、W31R31设备监管、维护不及时、W32R31水文监测、预警系统不完善、W11R32/W12R32/W13R32勘测、设计人员无资质、W21R32/W22R32施工人员不重视安全规章制度、W32R41短时降水量大、水位上升过快致坝坡失稳、W21R42坝体地震液化、W22R42排水结构地震损坏、W31R42地震应急预案不完备。

2.2 顶事件确定

根据前文对尾矿库事故的统计及分类，塔管隧结构破坏事故发生60次，发生概率最大，为34.3%，故以这种事故类型作为尾矿坝建设施工的故障树顶事件。

2.3 尾矿库风险故障树

在前文对事故统计与分析的基础之上，依据WBS-RBS耦合矩阵中得出的风险事件，对事故顶事件进行故障树分析，顶事件的故障树如图6所示。

图6 塔管隧结构破坏事故故障树分析

2.4 尾矿库风险敏感度分析

敏感度分析是从定量分析的角度，研究发生某一事故多种原因的影响程度的一种不确定分析技术。本文以顶事件为塔管隧结构破坏事故为例，对其进行敏感度分析，进而说明尾矿库风险敏感度。

由图6可知，塔管隧结构破坏事故共有5个基本事件，其最小割集为：{W13R12、W22R21、W31R31、W13R32、W22R42}。将事故统计中事故原因发生频率作为概率，未统计的事故原因概率设为0.01，则所有事故原因概率为：排渗设施设计不合理发生概率为0.017，排水结构混凝土剥落、露筋、开裂发生概率为0.097，设备监管、维护不及时发生概率为0.251，勘测、设计人员无资质发生概率为0.01，排水结构地震损坏发生概率为0.149，即：

(1)

顶事件发生的概率计算公式为[8]：

(2)

式中，T为顶事件，q为基本事件发生的概率，Q(T)为顶事件发生的概率。

将式(1)带入式(2)得：

Q(T)=q(K1+K2+K3+K4+K5)+0.435 4

(3)

考虑到实际工程和研究的合理性，采用临界重要度系数作为敏感系数，则基本事件的敏感度系数计算公式为：

(4)

将式(1)和式(3)带入式(4)可得各基本事件的敏感度系数：

同理可得：

则尾矿库塔管隧结构破坏事故的各风险因素按敏感度系数如表4所示。

表4 风险因素重要度排序

由上述敏感度计算结果可知，尾矿库塔管隧结构破坏事故主要由设备监管、维护不及时和地震破坏造成。

2.5 风险分析与控制措施

塔管隧结构破坏是尾矿库主要的事故类型，这类事故主要诱发因素为设备监管、维护不及时，应从三方面解决此类问题：政府做好监管工作，对尾矿库监管体系进一步完善，对灾害风险按其重要度进行分级细化[9]，对危险级别较大的问题库，进行重点监管；尾矿库企业应完善安全管理机制，增强安全管理意识，建立完善的安全责任制度，完善灾害应急方案，做好安全生产教育工作；库区工作人员应自觉树立安全意识，规范自身操作，自觉接受安全教育。