尾礦庫重大危險源風險評價指標及分級方法*

譚欽文，辛保泉,2，萬 露，董 勇，杜 姍

(1. 西南科技大學，四川 綿陽 621010； 2. 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266101；3.賽飛特工程技術集團有限公司，山東 青島 266061)

0 引言

統計數據顯示，截至2017年底，我國共有尾礦庫約10 500座，病庫數量達4%，大中型尾礦庫(壩高≥30 m)占20%。2007—2017年共發生尾礦庫事故80余起，死亡和失蹤350余人，給人民生命財產安全和周圍環境構成了嚴重威脅。為加強對重大危險源的監督管理，有效防范重、特大事故的發生，原國家安監總局將尾礦庫列為重大危險源申報范圍，但未對危險源等級的判定作詳細說明。

針對重大危險源分級，有部分學者已進行了一定探討。謝旭陽等[1]根據危險源可能造成的人員傷亡和財產損失等后果，將尾礦庫危險源定性的分為了A，B，C，D 4個等級；沙錫東等[2]基于死亡半徑分級法，引入人員密度和經濟密度，提出了危化品重大危險源分級方法；魏利軍等[3]通過對比分析易燃、易爆、有毒重大危險源分級法、死亡半徑法和死亡人數分級法,將危化品總量與其臨界量的比值經校正后的R值作為重大危險源分級指標。

我國重大危險源的分級目前還沒有統一的標準，現有研究也多是參考國外相關研究成果[4-6]，其分級方法整體上可分為2類：一類是靜態分級法，即分級標準不變或分級結果不隨危險源數量多少而改變，如死亡半徑法和易燃、易爆、有毒重大危險源分級法；另一類是動態分級法，即分級標準或危險源數目會發生變化，如層次分級法、分級全息建模等方法。此外，雖然目前國內外對重大危險源分級已有研究，但主要集中在危化品領域，并不適用于尾礦庫，且還存在以下主要問題：

1)分級標準缺乏系統性。現有分級標準多是參考事故分級標準而制定，以死亡人數和財產損失等簡單后果因素為分級指標，屬于后果假設性判定，并未考慮尾礦庫的現實特性和事故發生的時間、空間敏感度等[7]。

2)分級指標較為單一。很多分級指標都把重點放在了臨界量的確定上，以臨界量為實際的分級標準，忽視了尾礦庫這一復雜工程的危險性級別會受固有屬性和外部附加條件等多重因素的影響，對隱患存在的必要條件考慮太少。

3)分級模型復雜，評價步驟繁多，計算過程冗長，不適合企業申報和政府監管。

基于此，本文根據現有的尾礦庫相關標準[8-9]，通過系統安全分析和評價方法，確定了20個尾礦庫重大危險源分級指標，并根據專家打分結果和層次分析法理論，確定了評價指數和權重，根據評價指數確定了尾礦庫重大危險源等級和劃分標準。

1 尾礦庫重大危險源評價指標體系

1.1 評估指標體系的建立

影響“尾礦庫系統”危險性的因素具有多樣性和復雜性，根據系統性原則，任何系統都由多個子系統組成，且呈一定的層次結構。

因此，指標體系的構建過程，整體上遵循安全系統工程中的“系統切割”原則，即根據分析對象的可分性，依據其性質、功能、結構等方面的準則，對系統對象進行類型或情形的劃分。首先，將評價指標分為固有危險性指標和附加危險性指標2大類；根據危險性來源，固有危險性指標可分為尾礦庫自身固有危險指標和外部固有危險指標2類；根據危險指標的性質、類別和作用方式等，通過總結，得到了對尾礦庫安全度造成直接影響的安全度指標和其他造成間接影響的隱患指標。參照以上分析原則，結合標準[8-9]，將上述類別再層層細分，直至底層的獨立元素，如圖1所示。

1.2 評估指標特征值分析

D級指標是在C級指標基礎上，提取設計規范和安全標準中重點監測的指標、結合工程設計經驗總結對尾礦庫安全度造成重要影響的主要指標，最終得到的。在D級指標時，應充分融合現有的尾礦庫相關規定，以保證評估指標的有效性和通用性。參照的主要規定有：尾礦庫規模等級劃分方法、尾礦庫安全度、壩體結構設計要求、自然環境條件、滲流穩定性計算場景、不同等級的安全監測指標、浸潤線埋深分類要求等。

圖1 尾礦庫重大危險源評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of major hazard of tailing reservoir

1)尾礦庫全庫容(V/萬m3)D111

指某壩頂標高時，壩頂標高平面以下、庫底面以上所圍成的空間的容積，與總壩高一樣，是決定尾礦庫等級的重要指標。分為：V<100，100≤V<1 000，1 000≤V<10 000，V≥10 000共4類。

2)尾礦庫總壩高(H/m)D112

指設計最終堆積標高時堆積壩壩頂與初期壩壩軸線處原地面的高差。分為：H<30，30≤H<60，60≤H<100，H≥100共4類。

3)尾礦庫危害類別D113

危害類別直接決定著尾礦庫的潛在危險性，按照尾礦庫等級，將危害類別分為4類，四等庫和五等庫為第四類，一、二、三等庫分別對應于一、二、三類，根據設計報告獲取。

4)初期壩下游坡比(P)D114

將尾礦庫初期壩下游坡比分為5類：P≤1∶2.5，1∶2.51∶1.6，對尾礦庫穩定性非常重要。

5)尾礦庫已使用年限(N/a)D115

分為4類：N<5，5≤N<24，4≤N<29，N≥30，根據尾礦庫實際使用情況確定。

6) 壩址區地震基本烈度D121

是指在一般場地條件下，未來50 a內可能遭遇的超過概率為10%的地震烈度值，分為：Ⅴ以下，Ⅵ，Ⅶ，Ⅷ，Ⅸ以上，共5類，是較為重要的外部固有危險性指標，由地質勘查報告確定。

7)庫周山體有無滑坡或泥石流條件D122

滑坡是尾礦壩危險因素之一，較大規模的滑坡往往是垮壩事故先兆[10]。根據尾礦庫地質勘查報告中庫區周邊環境情況，分為“有”、“無”2類。

8)庫區是否處于巖溶或裂隙發育地區D123

巖溶或裂隙有可能形成壩體的集中滲漏通道，分為“是”、“否”，根據尾礦庫地質勘查報告中庫區地質情況確定。

9)多年平均降水量(R/mm·a-1)D124

降水量直接影響尾礦庫的滲流和穩定性[11]，分為5類：R<400，400≤R<650，650≤R<900，900≤R<1 150，R≥1 150，由地質勘查報告或當地水文地質條件資料確定。

10)最大一日降水量(Rd/mm)D125

最大一日降水量由于具有突發性，會直接威脅排洪系統安全性，比D124指標對尾礦庫穩定性影響更大，分為5類：Rd<50，50≤Rd<70，70≤Rd<90，90≤Rd<110，Rd≥110，由地質勘查報告或當地水文地質條件資料確定。

11)尾礦庫安全度分類D211

安全度是直接反應尾礦庫防洪能力和壩體穩定性的重要指標，分為正常庫，病庫，險庫或危庫3類，具體分類可參照文獻[9]進行。

12)最小干灘長度符合度D212

最小干灘長度是指設計洪水位時的干灘長度，反映了尾礦庫的抗洪能力和壩體穩定性。通過定義最小干灘長度符合度K=實際值/標準值，分為K≥1，0.8≤K<1，K<0.8共3類。如果尾礦庫處于地震基本烈度Ⅵ度及以上區域，則標準值還應根據烈度大小在基本標準(見表1)基礎上加0.5～1.5 m。

表1 最小干灘長度與最小安全超高基本標準Table 1 The minimum dry beach length and the minimum freeboard basic standard

13)最小安全超高符合度D213

最小安全超高反映了尾礦庫的抗洪能力，指灘頂標高與設計洪水位之間的高差。定義最小安全超高符合度K=實際值/標準值，分為K≥1，0.8≤K<1，K<0.8共3類。如果尾礦庫處于地震基本烈度Ⅵ度及以上區域，則標準最小安全超高還應根據烈度大小在基本標準(見表1)基礎上加0.4～1.0 m。

14)堆積壩下游浸潤線最小埋深符合度D214

浸潤線在壩體橫剖面上為一條曲線，表示壩體滲流水的自由表面位置，最小埋深經滲流計算或傳感器測量確定。定義浸潤線最小埋深符合度K=實際最小埋深/標準最小埋深，分為K≥1，0.8≤K<1，K<0.8共3類。如果尾礦庫處于地震基本烈度Ⅵ度及以上區域，則標準浸潤線最小埋深還應根據烈度大小在基本標準(見表2)基礎上加0.5～1.5 m。

表2 尾礦壩下游浸潤線最小埋深基本標準Table 2 Basic standards for the minimum depth of infiltration line in the downstream of the stacked dam

15)尾礦壩完好性D215

指有無因巖性劣化造成的尾礦壩局部滑塌或隆起，壩面有無裂縫、沖刷、塌坑等不良現象。如果不存在則為“很好”；如果只存在1種危害因素，且對尾礦壩安全沒有明顯影響則為“好”；如果只存在2種危害因素，但對尾礦壩安全沒有明顯影響則為“一般”；其他情況則為“差”。

16)尾礦壩滲流情況D216

滲流是尾礦庫常見的有害因素。根據尾礦壩壩面有無沼澤化、管涌、流土、異常滲流，滲流量是否增大等，將滲流情況分為：無、少量、中等、高4類，可根據尾礦庫的地質勘察報告確定。如果不存在以上危害因素，則為“無”；如果只存在1種，則為“少量”；如果只存在2種，則為“中等”，如果存在3種及以上滲流不利因素，則為“高”。

17)尾礦庫防洪標準D221

防洪標準反映了尾礦庫的設計抗洪能力，根據設計報告中的數據，對照表3，確定結果為符合、不符合2項。

表3 尾礦庫防洪標準Table 3 Flood control standard of tailings reservoir

注：PMF為可能最大洪水。

18)排洪系統完好性D222

排洪系統安全可靠是決定尾礦庫穩定性的重要基礎保障，其完好性是指排水管、排水井和溢洪道等是否存在破裂、堵塞、變形、淤積等危害因素。如果沒有則為“好”；如果只存在1種危害因素則為“一般”；如果存在2種及以上的排洪系統不利因素，則為“差”。

19)尾礦壩監測系統D223

根據《尾礦庫安全監測技術規范》(AQ 2030-2010)的規定，一等、二等、三等、四等尾礦庫應監測位移、浸潤線、干灘、庫水位、降水量，必要時還應監測孔隙水壓力、滲透水量、混濁度；五等尾礦庫可不監測降水量；一等、二等、三等尾礦庫應安裝在線監測系統。

據此分為無觀測系統、觀測項目不全、觀測項目齊全3類。

20)庫區有無影響尾礦庫安全的外界人為因素D224

外界人為因素主要包括采礦、爆破、炸魚、濫伐、濫墾、濫牧、濫挖尾礦、違章建筑、違章施工等現象。分為“無、偶爾有、經常”有3項，根據尾礦庫可研報告中的尾礦庫周邊環境評價確定。

綜上，20個評價指標中對尾礦庫重大危險源影響性較大的有：尾礦庫危害類別、全庫容、總壩高、安全度分類、排洪系統和地震烈度等。

2 尾礦庫重大危險源分級

2.1 辨識依據

根據原國家安監總局文件要求，將“全庫容≥100萬m3或者壩高≥30 m的尾礦庫”列為重大危險源申報范圍。

2.2 評價指數及指標特征值量化

2.2.1 評價指數

尾礦庫重大危險源的評價指數表示為：

P=[A]·[R]

(1)

式中：[A]為評價指標相對危險指數集；[R]為評價指標權重集。

[A]中的評價指標即為圖1中的20個指標：D111～D115，D121～D125，D211～D216，D221～D224。各類指標的相對危險指數結合指標特征值數目，根據專家評議結果給出的平均量化值，主要分為了5組：[1,9]，[1,5,9]，[1,7,9] ，[1,3.6,6.3,9]，[1,3,5,7,9]。

[R]=[ri]T，i=1，2，…，20，ri為第i個評價指標權重。

2.2.2 評價指標特征值的量化

1)量化方法及基本理論

目前的指標特征值量化方法主要分為2類：儀器測試法、數理統計法等定量方法；置信法、綜合分析法等定性方法。由于尾礦庫重大危險源的系統評價指標特征值具有很強的模糊性，本研究采用模糊綜合分析法[12]，根據專家評議結果確定特征值。對于定性指標，專家評議給出的特征值是無量綱特征值。綜合分析如下：

設某一子指標體系其危險性評價指標有m個,構成的集合U={u1，u2, Λ,ui, Λ,um}；參與確定指標無量綱特征值的專家由q個，構成的集合為P={p1，p2, Λ,pi, Λ,pq}。

對于指標ui，專家pj依據其評價標準和對該指標的了解給出一個特征值區間[aij,bij]，由此構成一個集值統計序列：(ai1,bi2)，Λ，(aij,bij)，Λ，(aiq,biq)。則評價指標ui的特征值xi可按下式計算：

(2)

式中：i=1,2,…,m；j=1,2,…,q；wj表示第j個指標的特征值。借助于模糊數學和灰色系統理論中的關聯度分析[13-14]，可以確定各專家的賦值與按照式(2)求得的指標特征值的關聯程度：

(3)

式中：Δij=|xi-uij|，uij為區間[aij,bij]的上限、中值或下限中的某一值；ρ是分辨系數，通常取0.5。在關聯度分析中，分辨系數的取值通常會影響分辨率，在實際使用時還需進一步確定，但本文重點在于闡述重大危險源分級方法，此處的分辨系數僅是一個數值計算問題，并不影響方法的使用。

2)量化結果

根據上述對尾礦庫重大危險源評價指數及其特征值的分析，得到各特征值量化結果，見表4。

2.3 評價指標權重

尾礦庫重大危險源這一評價對象的各個指標在整體中價值的大小和相對重要性以及所占比例的大小量化值，即為本次研究的指標權重。指標權重的主要確定方法有統計分析法、專家打分法及在專家打分法基礎上發展起來的層次分析法(AHP)等。在對尾礦庫重大危險源評價指標及其特征值分析基礎上，綜合目前最新的權重確定方法，采用改進層次分析法(IAHP)[15]確定20個指標權重。

AHP或IAHP用于定性評價，有優點與不足，部分前述評價指標也可用其他方法做定量評價，文中采用IAHP方法，因為尾礦庫的危險性影響指標較多，且有很多屬于非定量事件，危險指數等數據需要結合專家經驗，綜合判斷確定，而IAHP是目前可對非定量事件進行層次化整理，并綜合人們主觀判斷，使思維數學化、定量化的主流方法，適合本文的研究。

表4 風險評估指標特征值量化結果Table 4 Quantitative results of characteristic value of rapid evaluation index

續表4

注：Dijk表示評價指標；Ai表示相對危險性指數。

2.3.1 指標權重計算方法

1)構造比較矩陣，設：

(4)

式中：Aij為第i個因素相對第j個因素的重要度，且有Aij=1，則比較矩陣為：

(5)

2)計算重要性序數ri

(6)

式中：ri為第i行各元素之和，rmax=max(ri)，rmin=min(ri)。

3)確定判斷矩陣

(7)

式中：km=rmax/rmin。

4)求判斷矩陣的傳遞矩陣

(8)

5)求解判斷矩陣的擬優一致矩陣

Dj=10Cij

(9)

(10)

式中：Mi為第i行各元素的乘機，取方根得：

(11)

在進行迭代計算時，精度為0.000 1，代入數值計算，并對各個評價指標進行層次總排序，即可得20個指標的權重。

2.3.2 指標權重計算結果

根據各指標對重大危險源的影響大小，將20個評價指標的權重，按各因素在各層次的權重自上而下乘積求出后，即可得到各指標權重，如表5所示。

表5 評價指標權重計算結果Table 5 Calculation results of weight of evaluation index

2.4 尾礦庫重大危險源分級標準

根據表4中評價指標各特征值的相對危險指數分類情況，同時結合上述IAHP法分析和專家評議結果，將尾礦庫重大危險源分為4個級別，見表6。

表6 尾礦庫重大危險源級別Table 6 Major hazard sources of tailings

根據尾礦庫實際運行條件，對照表4中的20個評價指標及其相對危險指數進行選擇，然后與表5中對應的權重相乘，最后將20個乘積相加后與表6中的評價指數P值對照，即可確定出某尾礦庫的重大危險源等級。

3 結論

1)目前關于尾礦庫重大危險源的分級標準研究較少且缺乏系統性，分級指標較為單一，分級模型過于復雜，很難適合企業申報和政府監管。

2)文中給出了一個較為明確、詳細的尾礦庫重大危險源分級方法，在實際應用時需要根據尾礦庫實際運行情況，對照選擇評價指標及其對應的危險指數，經過簡單的數值計算，與表6給出的分級標準進行對比后即可確定分級結果。

3)根據系統安全分析與評價方法建立了包括20個具體指標的尾礦庫重大危險源評價指標體系，并基于專家打分法和IAHP，確定了所有指標特征值的相對危險指數和權重，將尾礦庫重大危險源分為了4級，為尾礦庫重大危險源的分級申報和監管提供了依據。