尾礦壩潰壩因素分析及管涌破壞情景構(gòu)建

(青島理工大學(xué) 山東 青島 266033)

尾礦壩潰壩因素分析及管涌破壞情景構(gòu)建

周福強(qiáng)于廣明宋琨謝焦焦

(青島理工大學(xué)山東青島266033)

本文在綜合研究以往尾礦壩事故的基礎(chǔ)上，對尾礦壩潰壩原因進(jìn)行了分類，大體上分為物理力學(xué)因素、工程因素及自然因素，并對基于在線監(jiān)測平臺的尾礦壩管涌破壞情景構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)行了簡單描述。

潰壩因素；在線監(jiān)測；管涌破壞；情景構(gòu)建

一、引言

尾礦庫作為礦山選礦企業(yè)的重要安全之設(shè)施，也是礦山生產(chǎn)設(shè)施的重要組成部分，它包括尾礦壩和庫區(qū)等。另一方面，尾礦庫是一個重大危險源，它的安全直接關(guān)系到下游人民生命財產(chǎn)和庫區(qū)周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。我國尾礦壩潰決事故的危害極其嚴(yán)重，近年來，由于各種原因，我國國內(nèi)尾礦庫潰壩事故呈多發(fā)趨勢。

國內(nèi)很多學(xué)者對情景構(gòu)建這一概念進(jìn)行了系統(tǒng)的闡釋，劉鐵民[1]王旭坪[2]等在情景構(gòu)建方面進(jìn)行了深入研究。但國內(nèi)對尾礦壩管涌破壞情景構(gòu)建的研究基本沒有。本文在研究總結(jié)以往尾礦壩事故的基礎(chǔ)上，對尾礦壩潰壩事故成因進(jìn)行了系統(tǒng)的分類，并針對尾礦壩管涌破壞這一類型事故，基于在線監(jiān)測平臺，建立情景構(gòu)建系統(tǒng)，系統(tǒng)研究分析了尾礦壩管涌破壞情景構(gòu)建系統(tǒng)。

二、尾礦庫潰壩的物理力學(xué)、工程及自然因素分析

影響壩體穩(wěn)定性的因素有很多，有設(shè)計、管理方面的原因，也有筑壩材料及筑壩方式等因素，本文總結(jié)以往的尾礦壩事故案例，從物理力學(xué)、工程及自然因素三個方面研究尾礦壩穩(wěn)定性。

(一)物理力學(xué)因素

尾礦壩中尾礦砂的物理力學(xué)性質(zhì)是影響尾礦壩穩(wěn)定性的內(nèi)在因素，也是導(dǎo)致尾礦壩潰壩的元兇之一，總體來說尾礦砂的物理力學(xué)性質(zhì)主要是指尾礦顆粒的組成、顆粒形狀、顆粒大小、排列狀況、尾礦密度、內(nèi)摩擦角等。

1.細(xì)粒含量。尾礦壩是水力沖填壩，尾礦漿的排放方式和尾礦的沉積規(guī)律決定了尾礦壩的獨特性質(zhì)，顆粒越粗沉積速度越快，因此顆粒直徑越大，其沉積距離就越近。

隨著尾礦中細(xì)粒含量的增加，黏粒含量也不斷增加，在此過程中尾礦的抗液化強(qiáng)度不斷增加，直至黏粒含量增加到臨界含量，此時尾礦的抗液化強(qiáng)度最強(qiáng)。尾礦材料的這種特性是因為粗細(xì)尾礦材料在這個比例時其尾礦顆粒骨架最為穩(wěn)定，抗液化能力最強(qiáng)[3]。

2.顆粒形狀。顆粒形狀對尾礦性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在三個方面：顆粒表面的紋理特征、顆粒的棱角性及顆粒整體輪廓[5]。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，尾礦顆粒可以分為黏土礦物顆粒、非黏土礦物顆粒、混合礦物顆粒以及金屬礦物顆粒。

3.尾礦密度及排列狀況。尾礦材料的室內(nèi)試驗表明，壩體密度對抗剪強(qiáng)度有明顯影響，密實度越高，抗剪強(qiáng)度越大。

尾礦砂的相對密度越大，抗液化強(qiáng)度越高，排列結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和膠結(jié)狀況良好的尾礦同樣具有較高的抗液化能力，粒徑大的尾礦比粒徑小的尾礦也較難發(fā)生液化。而且，震動方向接近尾礦的內(nèi)摩擦角時抗剪強(qiáng)度最低，最容易引起液化[4]。

4.內(nèi)摩擦角。內(nèi)摩擦角越大，抗剪強(qiáng)度也越大,穩(wěn)定性系數(shù)值也越大，壩體的穩(wěn)定性越好。一般內(nèi)摩擦角Φ每增加1°，穩(wěn)定性系數(shù)值增加4.2%—9.4%。

(二)工程因素

1.泄洪、排洪系統(tǒng)故障。幾乎所有尾礦壩的破壞，或多或少都與排洪系統(tǒng)有關(guān)，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國有色金屬礦山因排洪系統(tǒng)失事引起的災(zāi)難幾乎占尾礦壩事故的50%。江西贛南某鎢礦，因尾礦庫內(nèi)排水井被樹枝石塊等雜物堵塞，排水不暢，導(dǎo)致尾礦庫內(nèi)的水位上漲，造成尾礦庫的主壩一半潰決；云南錫業(yè)公司火谷都尾礦壩潰壩事故直接原因就是因排洪系統(tǒng)故障或設(shè)計有誤引起洪水漫頂，諸如此類事故屢見不鮮。

2.尾礦壩管理不到位。尾礦壩的日常管理、檢查及維護(hù)工作不及時或者不完善，千里之堤毀于蟻穴，日積月累下，尾礦壩的問題逐漸增多，而且越來越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致尾礦壩事故的發(fā)生。

3.其他因素。壩體邊坡過陡，有局部坍塌、隆起或裂縫，壩基下存在軟基或巖溶，庫區(qū)內(nèi)亂采亂挖、放牧及開墾都可能會引起壩體滑坡坍塌。

當(dāng)尾礦庫建在陡峭山體上，采礦活動、巖體風(fēng)化、尾礦庫水淹浸泡而導(dǎo)致山體失穩(wěn)，最終引起滑坡。

(三)自然因素

1.氣候。降水對尾礦壩穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)在兩方面。一方面，當(dāng)某地區(qū)汛期雨量大，而泄洪排水構(gòu)筑物破壞、堵塞，或排洪能力太小，便會引起水流高速沖擊壩體或庫區(qū)水位超過壩頂，致使壩坡失穩(wěn)決口。另一方面，暴雨強(qiáng)度和暴雨次數(shù)的增加，可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和加大泥沙沖淤，從而影響尾礦庫工程安全和壽命[5]。

2.地震。地震導(dǎo)致尾礦壩潰壩事故的作用機(jī)理主要是地震作用使尾礦砂液化，從而使尾礦物理力學(xué)指標(biāo)降低，穩(wěn)定性變差，最終導(dǎo)致尾礦壩失穩(wěn)破壞。

三、基于尾礦壩管涌破壞的情景構(gòu)建系統(tǒng)

(一)系統(tǒng)組成

尾礦壩管涌破壞情景構(gòu)建系統(tǒng)是建立在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，利用模型方法庫和專家知識庫的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的可靠性檢驗、提取、轉(zhuǎn)換、應(yīng)用等操作。

系統(tǒng)主要包括3個子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理中心、可視化還原子系統(tǒng)。3個子系統(tǒng)下分?jǐn)?shù)個模塊，各個模塊間的相互協(xié)調(diào)作用實現(xiàn)了其子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能。

(二)可視化還原

情景構(gòu)建的關(guān)鍵就在于可視化還原，即借助計算機(jī)將情景以動畫的形式生動形象的構(gòu)建出來，使非本專業(yè)的人也能通過動畫感受到事態(tài)的嚴(yán)重性以及防災(zāi)的緊迫性，以達(dá)到警示和指導(dǎo)的作用。可視化還原的具體步驟為：

1.數(shù)據(jù)采集。可視化還原的首要步驟是信息的采集和篩選。基于地質(zhì)勘測報告及在線監(jiān)測系統(tǒng)，獲取尾礦壩的基本信息，包括尾礦砂的密實度、浸潤線高度、庫水位高度、降雨、位移、壩型、坡度、干灘長度、壩高、壩寬、泊松比、密度、內(nèi)摩擦角、粘聚力、彈性模量等。

2.動畫制作。可視化還原的重要步驟是進(jìn)行動畫制作，動畫制作可以將災(zāi)害發(fā)生的場景生動形象的展現(xiàn)出來，其原因、過程和后果以大眾化的視角被人們了解和分析。

四、結(jié)論

1.尾礦壩潰壩災(zāi)害的發(fā)生源于各種各樣的因素，大體總結(jié)為物理力學(xué)因素、工程因素、自然因素。實際上，導(dǎo)致尾礦壩事故發(fā)生的原因有時候并不僅僅只有一個，可能是多個因素相互影響、相互作用、協(xié)同耦合的結(jié)果。

2.基于在線監(jiān)測平臺的尾礦壩管涌破壞情景構(gòu)建系統(tǒng)，實現(xiàn)了對風(fēng)險進(jìn)行深入剖析的應(yīng)急準(zhǔn)備策略，凝聚整體力量對各類重大突發(fā)事件進(jìn)行有效的預(yù)防、準(zhǔn)備、響應(yīng)和恢復(fù)，提高國家應(yīng)對重大突發(fā)事件挑戰(zhàn)的能力。

[1]劉鐵民.應(yīng)急預(yù)案重大突發(fā)事件情景構(gòu)建——基于“情景-任務(wù)-能力”應(yīng)急預(yù)案編制技術(shù)研究之一[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012,(04)

[2]王旭坪,楊相英,樊雙蛟,阮俊虎.非常規(guī)突發(fā)事件情景構(gòu)建與推演方法體系研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(社科版),2013,(01)

[3]張超,楊春和.細(xì)粒含量對尾礦材料液化特性的影響[J].巖土力學(xué),2006,27(7)

[4]鄭欣,秦華禮,許開立.導(dǎo)致尾礦壩潰壩的因素分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2008,08(01)

[5]沈樓燕.氣候變化對尾礦庫工程防洪安全的影響[J].中國礦業(yè),2010,19(3)

周福強(qiáng)(1992.12-)，研究生在讀，土木工程專業(yè)。