尾礦庫事故隱患及風險表征與防控方法*

馬 波，陳聰聰，李仲學

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083;2.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

0 引言

尾礦庫(Tailings Storage Facilities,TSF)作為金屬礦山生產過程中尾礦排放貯存設施，一旦發生潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏、庫區揚塵等尾礦庫事故，將造成人員傷亡、經濟損失及生態環境損害，存在一定安全隱患[1]。

尾礦庫事故致因包括人員、設備或管理/作業等方面，可能發生在尾礦庫設計、建設、運行、閉庫、再利用等生命周期各個階段。尾礦庫潰壩事故伴隨巨大能量的突然釋放，對礦山安全生產、環境及人員生命造成嚴重危害。2008年9月8日，山西省襄汾尾礦庫發生潰壩事故[2]；2015年11月5日，巴西Samarco公司Germano礦尾礦庫潰壩[3]。

礦山生產安全事故事故誘因、孕育、發展等演化模式具有較強不確定性，且難以形成概率及統計規律。李全明等[4]運用相關性分析和模糊理論建立尾礦庫潰壩風險評價模型，但對人為影響因素考慮不全面；柯麗華等[5]采用集對分析方法和可拓理論建立尾礦庫安全綜合評價模型，但無法直觀傳遞風險概念。因此，本文基于尾礦庫生命周期各個階段，考慮人員行為、工藝技術、作業實踐等方面，運用基于證據(Evidence-based)思路，對尾礦庫事故隱患及風險進行個性化表征，并嘗試給出1種以個性化表征為目的的尾礦庫事故隱患及風險防控體系新框架及新方法，具有一定理論意義與實用價值。

1 尾礦庫事故隱患辨識及清單

尾礦庫生命周期是1個包括選址、設計、建設、運行、閉庫、再利用等階段的持續發展過程，尾礦庫工藝技術流程與人員作業程序不斷變化，使尾礦庫生產安全存在隱患。

本文運用基于證據(Evidence-based)思路，通過對尾礦庫相關技術標準、作業規程、國內外事故案例及Riskgate[5]網站數據庫等進行分析，將尾礦庫事故劃分為潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏、庫區揚塵5類，并對5類事故影響因素及隱患致災演化過程進行動態分析，得到尾礦庫相關事故隱患，其中潰壩隱患48種、漫頂隱患53種、滲流隱患51種、輸送冒漏隱患17種、庫區揚塵隱患33種。

通過對比國內外礦山尾礦庫生產安全整體狀況與其他工業行業安全狀況，發現尾礦庫事故發生頻次較高。事故致因表現出較大偶然性、獨特性。2010—2020年典型尾礦庫事故案例及影響見表1[6]。在全球金屬礦產需求增加，礦石品位下降且礦山尾礦增加的背景下，未來繼續建造高產量、高風險礦山尾礦庫可能性較大，尾礦設施面臨前所未有的緊迫感及風險隱患。

表1 2010—2020年典型尾礦庫事故案例及其影響

2 尾礦庫事故隱患分析

對尾礦庫潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏、庫區揚塵5類事故樹進一步分析，得到尾礦庫事故及其風險影響因素、隱患形成及演化過程、潛在后果間關系，主要包括以下4個方面：

1)潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏和庫區揚塵事故基本事件或蟄伏隱患分別為32，37，36，10，19個；致因涉及人員設計不當、施工人員失誤、工作人員失誤、維護人員失誤和設備故障等方面。

2)潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏和庫區揚塵事故基本事件或蟄伏隱患最小割集分別為29，34，33，9，17。針對潰壩事故，存在29條可能的潰壩事故演化途徑，即29個最小割集中基本事件或蟄伏隱患亦或耦合狀況一旦發生，即可導致尾礦庫潰壩事故發生。表明包含單一事件割集數量較多，一旦有基本事件或蟄伏隱患出現，可能直接導致事故發生。

3)潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏和庫區揚塵事故的基本事件或蟄伏隱患最小徑集分別為8，8，8，2，4。在潰壩事故預防中存在8種綜合防控措施，且只有確保每個最小徑集中所有基本事件均不出現，才可避免潰壩事故發生。由于每個最小徑集均包含較多基本事件或蟄伏隱患，若要有效避免事故發生，必須同時防控多種基本事件或蟄伏隱患出現。

4)基本事件或蟄伏隱患對尾礦庫事故結構重要度或影響程度如式(1)所示[6]：

(1)

式中：Φ為基本事件對頂事件影響程度函數；k為事故樹包含的最小割集合數量；m為包含第i個基本事件或蟄伏隱患的最小割集數目；Rj為包含第i個基本事件的第j個最小割集中基本事件數目。

事故基本事件結構重要度表明，在事故基本事件發生概率未知情況下應采取優先措施，預防結構重要度較大的基本事件。

3 尾礦庫事故風險表征

根據國際標準組織風險管理表征界定，風險是對事物造成一定損失的不確定性，也是復雜社會技術系統的新興屬性，受系統中所有參與者決策影響[7]。尾礦庫事故風險通常由各個層面多個促成因素引起，不是單個災難性的決策或行動。

3.1 事件發生可能性

標準風險分析方法主要針對事件發生概率進行評估，但考慮尾礦庫生命周期，概率計算比較困難。尾礦庫等領域事件、事故發生具有不確定性，這種不確定性由研究對象系統人員行為、技術屬性等因素決定。因此，基于工作經驗并結合數學量化方法，研究人為與技術因素對尾礦庫事故發生可能性影響。

1)量化方法

空間距離模型[8](Spatial Distance Model,SDM)基于歐幾里得距離理論，具有理論簡單明了，算法速度快以及結果可視化等優勢，可計算評估各類風險指標綜合價值。歐幾里得距離用以測量多維空間中點之間絕對距離最重要的距離度量標準之一，如式(2)所示：

(2)

式中：X，Y是具有多維特征的個體，X=(x1，x2，x3，…，xn)，Y=(y1，y2，y3，…，yn)；xi,yj分別表示坐標系中某點橫縱坐標，其中i，j∈[0，+∞)；d(X，Y)表示X，Y的歐氏距離。

2)人為與技術因素分析

對于尾礦庫而言，Wei等[9]提出人的不安全行為導致意外失誤與事故的因果關系理論得到廣泛認可。不同認知與操作因素可獨立改變人類活動的身體表現，這些因素包括但不限于情景意識(Situational Awareness,SA)、態度動機(Attitude Motivation,AM)和知識技能(Knowledge Skills,KS)等。基于人為因素主觀性及可量化的前提定義不同維度，并采用SDM量化人為因素。

技術一方面包括工具和設備，另一方面包括生產過程和程序。尾礦庫事故發生與尾礦貯存技術發展、生產過程以及工作方法相關，需要考慮其長期生命周期內可能發生的技術變化。依據《尾礦庫安全規程》(GB 39496—2020)，尾礦庫技術因素主要集中在設計標準(Design Standards,DS)、防洪設施(Flood-control Facilities,FF)和監測設施(Monitoring Facility,MF)3個方面。

應用SDM對人為、技術因素2個無形數量做直接和絕對判斷。一方面，對人的不安全行為數值量化幾乎不可能；另一方面，尾礦庫事故統計數據較少，無法正確估計與人員、技術執行相關事故的可能性。因此，2種因素量化評價通常采用清晰數值轉換尺度(即整數集，如{1，2，3，4，5})完成，尾礦庫影響因素量化評價見表2。

表2 尾礦庫影響因素量化評價

基于SDM，人為因素指數(Human Factor Index,HFI)綜合計算如式(3)所示：

(3)

式中：SA表示情景意識；AM表示態度動機；KS表示知識技能。3者是研究人員對特定人為因素給出的賦值分數。

技術因素指數(Technical Factor Index,TFI)綜合計算如式(4)所示：

(4)

式中：DS表示設計標準；FF表示防洪設施；MF表示監測設施。3者是研究人員對特定技術因素給出的賦值分數。

3)事件發生可能性等級

基于尾礦庫人為、技術因素分析評價結果，對2種因素導致事件發生可能性進行表征，依據前人研究成果，并參考相關專家意見，設置2個因素權重分別為人為因素占比0.8，技術因素占比0.2。尾礦庫事件發生可能性P如式(5)所示：

P=0.8HFI+0.2TFI

(5)

根據式(5)計算結果取值范圍，將尾礦庫事件發生可能性P劃分等級1、2、3、4，見表3。

表3 尾礦庫事件發生可能性等級劃分

3.2 潛在后果嚴重性

尾礦庫通常伴山而建，壩高坡陡，是潛在的高勢能重大危險源[10]。本文通過引入空間維度，即采用空間參數量化“風險源-受體”，以評估尾礦庫自身潛在后果嚴重性。

尾礦庫自身潛在后果嚴重性表示為受體與風險源間距離d的經驗公式S(d)，如式(6)所示：

S(d)=0.5×Li×di

(6)

式中：Li代表尾礦庫設計等別，見表4；di表示受體距離系數，見表5。

表4 尾礦庫設計等別

表5 受體距離系數

當按尾礦庫全庫容和尾礦壩高分別確定尾礦庫等別時，應以壩高確定的尾礦庫等別為準。

通過假設近距離受體更容易遭受尾礦庫事故，造成相對破壞實現距離系數歸一化，因尾礦庫事故影響范圍地形不同，將距離系數歸一化分為平原和山地2種類型系數值。

為驗證尾礦設施相對人類群體的鄰近性，假設尾礦壩與距離最近的下游居民點間距離為10 km,尾礦平均流速5 km/h(保守估計值)，表明政府機構和礦山企業員工要在2 h內全部撤離[11]。

尾礦庫自身潛在后果嚴重性參數主要受沖擊能量、沖擊特征和環境影響。針對大多數尾礦庫共有特征，將庫容、壩高、受體距離和地形特征作為描述尾礦庫自身潛在后果嚴重等級初始參數。根據式(6)確定事件自身嚴重性等級，見表6。

表6 尾礦庫潛在后果嚴重性等級劃分

3.3 受體暴露程度

“暴露”在風險評估框架中反映“誰或什么處于風險中”。相關研究認為，“受體暴露是比隱患更重要的災難原因”[12]。

受體指可能敏感地暴露于尾礦庫事故的實體。在尾礦設施中，受體分為人、環境、材料3類。

1)受體暴露程度劃分

依據《生態環境健康風險評估技術指南 總綱》(HJ 1111—2020)，結合尾礦庫周圍人口密度、環境密度和材料(建筑設施)密度分布情況，將尾礦庫周圍受體暴露程度劃分為4個數量級，見表7。

表7 受體暴露程度數量級

給定尾礦庫周圍環境，受體暴露特征由潛在目標數量及對不同事故相對暴露程度決定。基于SDM，受體整體暴露程度是每個目標暴露的非線性組合，如式(7)所示：

(7)

式中：EHi(i=1,2,3,4)表示人口暴露程度；EEj(j=1,2,3,4)表示環境暴露程度；EMk(k=1,2,3,4)表示材料暴露程度。

2)受體暴露程度等級

根據式(7)，將尾礦庫受體暴露程度劃分為4個等級，見表8。

表8 受體暴露程度等級劃分

3.4 事故風險表征

尾礦庫事故風險通過事件發生可能性、潛在后果嚴重性和受體暴露程度有關的3維獨立參數緊密耦合表征，具有盡可能基于完整數據，在統計上獨立，可操作、成因的3種特征。

尾礦庫事故風險R如式(8)所示：

(8)

式中：Pi(i=1,2,3,4)表示事件發生可能性等級；Sj(j=1,2,3,4)表示潛在后果嚴重性等級；Ek(k=1,2,3,4)表示受體暴露程度等級。

根據尾礦庫事件發生可能性、潛在后果嚴重性、受體暴露程度以及各指標等級賦值，將尾礦庫事故風險分為4個等級，見表9。

表9 尾礦庫事故風險等級

3.5 實例應用

2019年1月25日，巴西布魯馬迪尼奧尾礦壩突然坍塌，瞬間釋放高速向下游流動的尾礦，事故造成259人死亡[13]。基于事故風險表征，從事故發生前的角度深入研究事故致因并驗證該方法可行性[14-16]。

1)巴西布魯馬迪尼奧尾礦庫事故發生可能性評估

①人為因素。巴西布魯馬迪尼奧尾礦庫所屬淡水河谷公司內部報告早在2003年知曉該尾礦庫結構不安全，但未對尾礦庫進行實質性維護。另外，負責監督該尾礦庫的巴西國家礦業局行政結構較差、工作人員技術水平低。

②技術因素。根據事故調查報告，尾礦庫Ⅰ號大壩偏離原始設計，上游坡度陡峭；尾礦壩內部排水設施問題明顯，尾礦庫水位居高不下。該尾礦庫已采用約200個設備監測大壩特性，足以證明其監測設施完整性。

綜合該尾礦庫人為因素(情景意識、態度動機、知識技能)和技術因素(設計標準、防洪設施、監測設施)，分別對6個影響因素賦值為1(很低)、2(低)、1(很低)、2(低)、2(低)、5(很高)。結合式(3)～(5)，計算得到可能性數值為1.79，依據表3確定人為和技術因素導致尾礦庫事件發生可能性等級為4級(很高)。

2)巴西布魯馬迪尼奧尾礦庫潛在后果嚴重性評估

巴西布魯馬迪尼奧尾礦壩采用上游式尾礦筑壩法，高86 m。依據表4確定該尾礦庫設計等別為3。根據Google map，下游距離最近建筑設施至尾礦庫距離小于300 m，又因礦壩位于費羅卡維尼奧河山谷，根據表5選擇受體距離系數為1，結合式(6)計算得到尾礦庫自身嚴重性為1.5。依據表6，確定該尾礦庫自身嚴重性等級為4級(很高)。

3)巴西布魯馬迪尼奧尾礦庫受體暴露程度評估

根據遙感數據，該尾礦庫下游采礦設施集中，人員密集，附近住宅建筑數量多，農業區占地面積大。依據表7進行賦值：人口暴露程度很高，4級；材料(房屋建筑等)密度高，3級；周邊環境資源密度中等，2級。結合式(7)計算得到暴露程度為3.11，依據表8確定該尾礦庫受體暴露程度等級為最高級別4級(很高)。

4)巴西尾礦庫事故風險表征

綜合尾礦庫人為、技術因素導致事件發生可能性等級4、尾礦庫自身潛在后果嚴重性等級4、受體暴露程度等級4，由式(8)計算得到該尾礦庫風險等級為4級，依據表9確定該尾礦庫事故風險等級為最高級別4級，存在特別重大風險。

4 尾礦庫事故風險防控方法框架

基于風險管理原則，針對尾礦庫事故影響因素及耦合作用形成隱患、隱患演化過程、潛在后果間關系及模式，提出集事故風險預防、控制及消減機制于一體的風險防控方法框架，如圖1所示，為保障尾礦庫安全生產提供理論支持。

圖1 尾礦庫隱患演化、風險表征及風險防控框架

風險防控方法框架展現針對尾礦庫事故多情景、多階段(3段)、多層次和多等級(4級)的風險防控方法。其中，“多情景”指引發尾礦庫事故發生的各種基本事件；“多階段(3段)”指影響因素及蟄伏隱患耦合成瀕危隱患、瀕危隱患失控引發事故、事故失控導致災害等3個演化階段；“多層次”指風險演化過程中設置不同層次預防措施與減災措施；“多等級(4級)”指事故風險數值被劃分為4個等級，分別為低、中等、重大、特別重大。

根據《金屬非金屬礦山安全標準化規范尾礦庫實施指南》(AQ/T 2050.4—2016)，尾礦庫風險防控措施確定應遵循以下5個層次：消除(通過各種手段直接消除作業中存在的隱患)；替代(當作業中隱患無法消除時，可采用替代方法降低風險程度)；工程控制、隔離(通過各種工程技術手段使隱患與人的生產作業活動隔離)；管理措施(通過加強風險管理提高安全水平，確保管理措施涵蓋尾礦庫相關作業場所、活動、設備、設施和人員等)；個體防護(在作業人員身上建立防護屏障，利用自身防護設備使作業人員在生產中避免接觸危險因素)。

考慮尾礦庫不同生命周期階段，針對具體尾礦庫潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏和庫區揚塵等事故及事故風險程度，采取不同層次水平風險防控措施，兼顧技術合理、經濟可行及社會可接受原則，減緩或阻斷由于系統復雜性、非線性等常態意外或干擾而觸發事故災害的擴大或次生事故的產生，確保事故風險能夠降低到可接受水平以下，且始終處于受控狀態。

5 結論

1)對尾礦庫5類事故進行分析，得出潰壩事故的32個基本事件、29條風險演化途徑、8種事故防控綜合措施；漫頂事故的37個基本事件、34條風險演化途徑、8種事故防控綜合措施；滲流事故的36個基本事件、33條風險演化途徑、8種事故防控綜合措施；輸送冒漏事故的10個基本事件、9條風險演化途徑、2種事故防控綜合措施；庫區揚塵事故的19個基本事件、17條風險演化途徑、4種事故防控綜合措施，得出上述基本事件或蟄伏隱患對尾礦庫事故結構重要度或影響程度。

2)基于空間距離模型，綜合衡量尾礦庫人為、技術因素導致事故發生可能性、自身潛在后果嚴重性、受體暴露程度以及各指標等級賦值，給出尾礦庫事故風險3維表征方法，并結合巴西布魯馬迪尼奧尾礦庫進行實例應用，確定該尾礦庫風險等級(最高級4級)，存在特別重大風險，驗證該方法可行性與有效性。

3)根據經濟合理、技術可行、社會可接受原則，面向尾礦庫不同生命周期階段，針對尾礦庫潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏和庫區揚塵等事故，構建多水平風險防控方法框架，為尾礦庫減災防災提供理論支撐與實踐指導。