南京山景尾礦庫重大危險源安全評價及對策

劉 斌

(南京梅山冶金發展有限公司礦業分公司)

尾礦庫作為一類專門用于存儲尾礦的高勢能人造泥石流危險源，在服務期間及閉庫后長達十多年或數十年的時間段內，其安全性受到各種自然及人為因素的影響[1]。我國每年因尾礦庫安全事故造成了大量人員傷亡和重大財產損失[2-4]，尤其是2008年發生于山西襄汾縣新塔礦業公司的特別重大尾礦庫潰壩事故，造成了277人死亡、34人受傷，直接經濟損失高達9 619.2萬元。該起事故是近年來我國死亡人數最多的一起安全生產事故，引起了社會極大關注[5]。目前，我國尾礦庫數量位居世界第一，尾礦庫的安全形勢日趨嚴峻，提高尾礦庫的安全管理水平尤為重要。本研究以南京山景尾礦庫為例，對其危險源進行劃分和辨識，并進行定量安全評價，根據評價結果進一步探討相應的安全管理對策。

1 尾礦庫概況

山景尾礦庫位于南京山景村以北的山溝內，該山溝俯視呈橢圓形，三面環山，為山谷型尾礦庫(圖1)。山體標高為80～200 m，溝內分布有2條較長的岔溝，溝底平緩，溝底平均縱坡坡度為7%。周邊山體較高，兩岸山坡陡峭，溝口較小，由初期壩攔截形成了近似“碗狀”庫容。山景尾礦庫初期壩高28 m，總壩高60 m，庫容672萬m3，屬三等庫。采用上游法堆壩[6-8]，初期壩為透水堆石壩，通過對選礦生產排出的尾礦進行特性分析，認為該尾礦屬于典型的高濃度細粒尾礦，考慮其安全性，后期堆壩采用廢石筑壩，排洪方式采用框架式排水井+排水管，現已堆筑至第一期子壩。

圖1 山景尾礦庫衛星照片

2 尾礦庫危險源辨識與定量評價

危險源是指系統中存在的、可能發生意外釋放能量或危險物質的設備、設施或場所。危險源辨識是指發現、識別系統中的危險源，是危險源控制、應急預案編制的基礎[9-10]。預防工業事故發生的前提是準確辨識或確認高危險的工作場所(危險源)。針對山景尾礦庫的實際特點，同時根據《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)、《尾礦庫安全監督管理規定》(國家安全生產監督管理總局2011年第38號令)、《尾礦庫安全技術規程》(AQ 2006—2005)，本研究對山景尾礦庫的危險源進行詳細分析。對于尾礦庫而言，當尾礦庫的庫容≥100萬m3或壩高≥30 m時，尾礦庫即構成重大危險源。山景尾礦庫已滿足構成重大危險源的條件。

2.1 尾礦庫重大危險源劃分與辨識

重大危險源作為評價對象一般是由若干個相對獨立、相互聯系的系統組成，各系統功能、存在危險有害因素、危險程度以及可以接受的風險水平各不相同，因此，需要將系統劃分為若干個有限單元進行等級確定。根據重大危險源的實際情況和等級確定需要，單元劃分原則為：①以危險、有害因素類別為主進行劃分；②以裝置、設施和工藝流程特征進行劃分；③將安全管理、外部周邊情況分別劃分為1個評價單元。尾礦壩壩體、排洪系統為尾礦庫的重大危險源，也是發生重大安全事故的2個主要單元。因此，本研究分別從尾礦壩、排洪構筑物兩個方面對山景尾礦庫的危險源進行辨識。

尾礦壩最大的危險因素為潰壩，一旦潰壩會引發滑坡、泥石流等重大災害，引起重大人員傷亡、財產損失和環境污染。山景尾礦庫引起潰壩的主要因素為：①洪水漫壩，由于泄洪排水構筑物被破壞、淤堵，庫區水位超過壩頂漫壩，導致壩坡失穩而引發潰壩；②壩坡失穩，由于壩體構筑質量差、邊坡較陡，有局部坍塌或隆起、壩面有沖刷和塌坑等不良現象，壩基下存在軟基，壩體疏松使得滲流破壞不斷擴大導致壩體產生裂縫、管涌或流土，引起壩體發生滑坡和坍塌；③壩面沖刷，未進行壩面維護，壩面無防沖刷措施，遇暴雨會引起壩面沖溝；④滲流破壞，由于浸潤線位置過高，尾礦沉積灘長度過短，壩面或下游發生沼澤化，導致壩體、壩肩以及不同材料的結合部位有滲流水流出，滲流量增大，滲流水混濁引起管涌；⑤管涌，庫區水位過高易引起壩基滲透壓力過大，使得壩體發生管涌；⑥裂縫，由于壩體、壩基發生不均勻沉降或滑坡，加之壩體施工質量差，當遇到暴雨或低溫冰凍天氣時，壩體極易產生裂縫；⑦尾水滲漏，經選礦廠排出的尾礦水經過處理后，輸送至尾礦庫，應盡可能儲存于庫內，不允許滲漏和外排，這對壩體安全性提出了較高要求，若壩體施工質量較差，尾礦水一旦發生滲漏則會威脅壩體穩定和污染庫區周邊環境[9-10]。

作為上游法筑壩的尾礦庫，泄洪構筑物的安全性也十分重要，特別是尾礦壩不允許壩體溢流。因此尾礦庫的安全性從很大程度上取決于排洪系統的安全性。排洪構筑物的危險、危害因素主要有：①排洪系統所依據的水文資料不充分，設計過水能力不足、標準偏低，將導致在暴雨季節無法有效利用排洪系統排泄尾礦庫的匯水，從而在很大程度上威脅了尾礦庫壩體安全；②滑坡、低溫冰凍、構建質量低劣等引起地基產生不均勻沉陷易導致排水井、排水管、隧洞的泄洪能力降低或失效，從而導致排洪系統發生故障[9-10]。

2.2 定量評價

2.2.1 尾礦壩壩體穩定性評價

目前邊坡穩定性分析方法主要有極限平衡法、數值分析法和不確定性分析法[11-12]。按照《尾礦設施設計規范》(GB 50863—2013)和《尾礦庫安全技術規程》(AQ 2006—2005)，本研究采用瑞典圓弧滑動法和簡化畢肖普法對山景尾礦庫進行壩體穩定分析。

在壩體穩定計算過程中，壩體、壩基材料參數根據現場地勘資料、室內土工試驗以及相關工程經驗進行取值(表1)[13]。

表1 壩體材料抗滑穩定計算參數

根據該尾礦庫的尾礦筑壩設計方案，加高至140 m壩高時尾礦庫為三等庫。計算得到的各種工況下各壩體的安全系數如表2所示。分析表2可知：加高至140 m壩高時，在正常運行、洪水運行、特殊運行等工況下，最小安全系數均滿足規范要求，壩體具有一定的穩定性。

表2 140 m壩高剖面壩體穩定性分析

分析圖2可知：滑動面均位于堆積壩壩體處，且屬于淺層滑動；在洪水運行、特殊運行工況下，由于干灘長度不足，浸潤線埋深相對較淺，最小安全系數超出規范值較少，壩體穩定性安全儲備不足，宜采取相應的壩體加固措施或增加排滲措施，降低壩體浸潤線來提高其安全儲備，降低其滑坡危險。

2.2.2 尾礦庫排洪系統可靠性分析

目前，山景尾礦庫在用的排洪系統為2#排水井+排水管。2#排水井進水口標高110 m，井高11 m，內徑4.0 m，排水管內徑1.8 m，全長1 079 m，排水管出口標高為80 m，排水管經主壩伸向壩外，通向消力池。山景尾礦庫現狀屬四等庫，根據《尾礦庫安全技術規程》(AQ 2006—2005)，該尾礦庫中、后期洪水重現期應取100～200 a一遇，尾礦庫的防洪標準按表3確定，本研究調洪演算按百年一遇進行，即洪水重現期為100 a。

圖2 壩體穩定性分析結果

尾礦庫等級洪水重現期/a初期后期一1000～2000二100～200500～1000三50～100200～500四30～50100～200五20～3050～100

山景尾礦庫現狀排洪系統采用井-管式，現狀庫水位標高111 m，灘頂標高113.5 m，干灘長度400 m。該尾礦庫現狀屬于四等庫，庫區現狀匯水面積0.99 km2，尾礦庫周邊設置截洪溝后匯水面積變為0.32 km2，尾礦庫截洪溝不作為尾礦庫的主要排洪設施，本研究仍按匯水面積0.99 km2進行水文計算和調洪演算。為有效進行尾礦庫調洪演算，需要推求排洪系統的泄流過程、洪水過程以及調洪庫容曲線。本研究洪水過程線根據計算出的洪峰流量、洪水總量按三角形概化求得，結果偏保守。調洪庫容曲線根據山景尾礦庫現狀實測地形圖和山景尾礦庫灘面實測技術參數量取求得。尾礦庫評價按照高切林公式進行調洪演算，結果見表4。

表4 調洪演算結果

分析表4可知：山景尾礦庫在現狀條件下的最大調洪庫容為15萬m3，經調洪后，所需排水井的泄流量為15.65 m3/s，最高洪水時溢流井的泄流量為17 m3/s，大于所需泄流量。因而，山景尾礦庫在現狀條件下的排洪能力滿足100 a一遇洪水的排洪要求。

3 尾礦庫重大危險源防范對策

3.1 尾礦壩體安全管理

(1)由于該尾礦庫所排尾礦具有高濃度、細顆粒的特點，子壩堆筑時應嚴格按照設計要求采用上游法廢石堆筑，并確保筑壩材料特性符合要求，子壩內外坡比、高度、軸線位置應符合設計要求。

(2)每級子壩堆筑前應進行岸坡處理，將岸坡的樹木、樹根、草皮等清除，若有泉眼、洞穴等應作妥善處理，清除的雜物不得就地堆積，應運置庫外，岸坡清理后做好隱蔽工程記錄，經技術人員檢查合格后方可筑壩[14]。

(3)隨著子壩堆積高度上升應及時按照設計要求修筑壩肩排水溝，同時按設計要求在110，120，130 m標高設置排滲盲溝，并保證施工質量。

(4)應在壩前均勻放礦，使灘面均勻上升，并避免灘面出現側坡、扇形坡或細粒尾礦集中沉積于一端或一側，放礦初期應采用多管小流量的放礦方式，以利于盡快形成灘面。

(5)應加強壩下滲流水水量和水質監測，若發現滲水量突然增大、減少或變渾濁時，應及時進行隱患排查和治理。

3.2 尾礦庫防排洪安全管理

(1)應嚴格按照設計要求控制庫內水位，每年汛期應在滿足回水水質和水量要求的前提下，盡可能降低庫內水位，提高尾礦庫的防洪、抗洪能力；汛期尾礦庫初期應確保安全超高2 m以上，干灘長度在400 m以上。

(2)應根據尾礦庫的實際運行情況和庫內水位標高及時加蓋框架式排水井拱板，并保證密封質量，避免出現漏沙現象。

(3)每年汛期前應對排水井、排水管和庫邊截洪溝進行檢查、維修和疏浚，確保排洪設施暢通。

(4)應按照設計要求的排尾濃度和流量進行排尾作業，確保干灘坡度滿足設計要求，若干灘坡度比設計變緩，需重新進行調洪演算并采取相應的處理措施。

(5)汛期應實時關注庫內水情，加強巡邏，一旦發現險情須及時上報，并采取緊急措施，嚴防事態惡化；洪水過后應對壩體和排洪構筑物進行全面認真地檢查和清理，一旦發現問題應及時處理[15]。

3.3 尾礦庫日常安全管理

(1)尾礦庫在后續運行過程中，應嚴格按設計要求的項目、位置、數量及時安裝位移觀測設施、浸潤線觀測設施以及在線監測系統，并加強尾礦庫在線監測系統的維護和管理，進一步加強數據分析處理，使之能夠真正發揮起監測、預警和保護尾礦庫安全的作用。

(2)礦山企業應針對尾礦編制年、季作業計劃和詳細運行圖表，統籌安排和實施尾礦輸送、分級、筑壩和排放的管理工作[14]；加強尾礦庫運行期間的安全管理工作，嚴格落實安全檢查制度，一旦發現安全隱患應及時進行治理。

(3)加強應急救援預案的安全教育培訓，并在日常工作中注重應急預案的演練工作，不斷提高各級人員的應變能力和突發事故應急處理能力，并根據演練結果不斷完善應急救援預案；進一步細化落實救援物資和裝備，包括救援物資和裝備的名稱、數量、存放地點，一旦發生尾礦庫安全事故時，可為應急救援預案的及時有效實施提供時間上和物資上的保障。

(4)應加強尾礦庫管理機構各崗位人員的培訓工作，包括尾礦庫安全管理方面的各項管理制度、崗位職責、尾礦庫專業知識以及尾礦庫設計文件，了解尾礦處理工藝，熟悉政府部門的有關標準及規定等。

(5)應建立重大危險源檔案，重大危險源檔案類型主要有重大危險源安全評估報告、重大危險源安全管理制度、重大危險源安全管理與監控實施方案、重大危險源監控檢查表以及重大危險源應急救援預案、演練方案等。

4 結 語

以南京山景尾礦庫為例，對其危險源進行了劃分和辨識，并進行了尾礦庫壩體穩定性分析及排洪系統調洪演算，認為該尾礦庫壩體的安全系數符合規范要求，排洪系統基本能夠滿足防排洪要求，按照《尾礦庫安全技術規程》(AQ 2006—2005)，該尾礦庫屬于正常庫。在此基礎上，分別從尾礦壩體安全管理、尾礦庫防排洪安全管理以及尾礦庫日常安全管理等方面討論了該尾礦庫危險源的防治對策，供相關研究參考。

[1] 高春學，張玉坤，何秀艷.尾礦庫安全管理方法探討[J].金屬材料與冶金工程，2013，41(1)：36-38.

[2] 梅國棟，王云海.我國尾礦庫事故統計分析與對策研究[J].中國安全生產科學技術，2010(3)：211-213.

[3] 徐宏達.我國尾礦庫病害事故統計分析[J].工業建筑，2001，31(1)：69-71.

[4] 謝旭陽，田文旗，王云海，等.我國尾礦庫安全現狀分析及管理對策研究[J].中國安全生產科學技術，2009(2)：5-9.

[5] 閃淳昌，張振東，鐘開斌，等.襄汾“9·8”特別重大尾礦庫潰壩事故處置過程回顧與總結[J].中國應急管理，2011(10)：13-18.

[6] 王榮林，吳小剛.壩體排滲工藝在青山尾礦庫的應用[J].現代礦業，2016(5)：210-212.

[7] 宋志飛，馬 騰，趙澤印，等.某礦膏體尾礦庫筑埂沉壩法的應用實踐[J].現代礦業，2017(1)：223-224.

[8] 宋志飛，趙澤印，馬 騰，等.子壩堆積高度對膏體尾礦初期壩壩體穩定性的影響[J].現代礦業，2017(3)：213-215.

[9] 丁軍明，黃德鏞，李 雄，等.尾礦庫危險源辨識及事故預防[J].現代礦業，2006(7)：24-27.

[10] 丁軍明.尾礦庫危險源分析及安全評價導則建議方案研究[D].昆明：昆明理工大學，2007.

[11] 賈住平，鄭祿璟，姚 松.極限平衡法與有限元強度折減法在露天礦邊坡穩定性分析中的應用對比[J].現代礦業，2016(9)：38-41.

[12] 傅能武.降雨條件下某堆侵場邊坡穩定性分析及防治對策[J].現代礦業，2017(8)：286-287.

[13] 中華人民共和國水利部水文局.中國暴雨統計參數圖集[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[14] 張超蘭.非漿體尾礦地表堆存穩定性[D].長沙：中南大學，2012.

[15] 楊舜成.有色金屬礦山排土場(廢石場)水土流失防治探討[J].亞熱帶水土保持，2012，24(3)：50-53.