南京山景尾矿库重大危险源安全评价及对策

刘 斌

(南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司)

尾矿库作为一类专门用于存储尾矿的高势能人造泥石流危险源，在服务期间及闭库后长达十多年或数十年的时间段内，其安全性受到各种自然及人为因素的影响[1]。我国每年因尾矿库安全事故造成了大量人员伤亡和重大财产损失[2-4]，尤其是2008年发生于山西襄汾县新塔矿业公司的特别重大尾矿库溃坝事故，造成了277人死亡、34人受伤，直接经济损失高达9 619.2万元。该起事故是近年来我国死亡人数最多的一起安全生产事故，引起了社会极大关注[5]。目前，我国尾矿库数量位居世界第一，尾矿库的安全形势日趋严峻，提高尾矿库的安全管理水平尤为重要。本研究以南京山景尾矿库为例，对其危险源进行划分和辨识，并进行定量安全评价，根据评价结果进一步探讨相应的安全管理对策。

1 尾矿库概况

山景尾矿库位于南京山景村以北的山沟内，该山沟俯视呈椭圆形，三面环山，为山谷型尾矿库(图1)。山体标高为80～200 m，沟内分布有2条较长的岔沟，沟底平缓，沟底平均纵坡坡度为7%。周边山体较高，两岸山坡陡峭，沟口较小，由初期坝拦截形成了近似“碗状”库容。山景尾矿库初期坝高28 m，总坝高60 m，库容672万m3，属三等库。采用上游法堆坝[6-8]，初期坝为透水堆石坝，通过对选矿生产排出的尾矿进行特性分析，认为该尾矿属于典型的高浓度细粒尾矿，考虑其安全性，后期堆坝采用废石筑坝，排洪方式采用框架式排水井+排水管，现已堆筑至第一期子坝。

图1 山景尾矿库卫星照片

2 尾矿库危险源辨识与定量评价

危险源是指系统中存在的、可能发生意外释放能量或危险物质的设备、设施或场所。危险源辨识是指发现、识别系统中的危险源，是危险源控制、应急预案编制的基础[9-10]。预防工业事故发生的前提是准确辨识或确认高危险的工作场所(危险源)。针对山景尾矿库的实际特点，同时根据《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)、《尾矿库安全监督管理规定》(国家安全生产监督管理总局2011年第38号令)、《尾矿库安全技术规程》(AQ 2006—2005)，本研究对山景尾矿库的危险源进行详细分析。对于尾矿库而言，当尾矿库的库容≥100万m3或坝高≥30 m时，尾矿库即构成重大危险源。山景尾矿库已满足构成重大危险源的条件。

2.1 尾矿库重大危险源划分与辨识

重大危险源作为评价对象一般是由若干个相对独立、相互联系的系统组成，各系统功能、存在危险有害因素、危险程度以及可以接受的风险水平各不相同，因此，需要将系统划分为若干个有限单元进行等级确定。根据重大危险源的实际情况和等级确定需要，单元划分原则为：①以危险、有害因素类别为主进行划分；②以装置、设施和工艺流程特征进行划分；③将安全管理、外部周边情况分别划分为1个评价单元。尾矿坝坝体、排洪系统为尾矿库的重大危险源，也是发生重大安全事故的2个主要单元。因此，本研究分别从尾矿坝、排洪构筑物两个方面对山景尾矿库的危险源进行辨识。

尾矿坝最大的危险因素为溃坝，一旦溃坝会引发滑坡、泥石流等重大灾害，引起重大人员伤亡、财产损失和环境污染。山景尾矿库引起溃坝的主要因素为：①洪水漫坝，由于泄洪排水构筑物被破坏、淤堵，库区水位超过坝顶漫坝，导致坝坡失稳而引发溃坝；②坝坡失稳，由于坝体构筑质量差、边坡较陡，有局部坍塌或隆起、坝面有冲刷和塌坑等不良现象，坝基下存在软基，坝体疏松使得渗流破坏不断扩大导致坝体产生裂缝、管涌或流土，引起坝体发生滑坡和坍塌；③坝面冲刷，未进行坝面维护，坝面无防冲刷措施，遇暴雨会引起坝面冲沟；④渗流破坏，由于浸润线位置过高，尾矿沉积滩长度过短，坝面或下游发生沼泽化，导致坝体、坝肩以及不同材料的结合部位有渗流水流出，渗流量增大，渗流水混浊引起管涌；⑤管涌，库区水位过高易引起坝基渗透压力过大，使得坝体发生管涌；⑥裂缝，由于坝体、坝基发生不均匀沉降或滑坡，加之坝体施工质量差，当遇到暴雨或低温冰冻天气时，坝体极易产生裂缝；⑦尾水渗漏，经选矿厂排出的尾矿水经过处理后，输送至尾矿库，应尽可能储存于库内，不允许渗漏和外排，这对坝体安全性提出了较高要求，若坝体施工质量较差，尾矿水一旦发生渗漏则会威胁坝体稳定和污染库区周边环境[9-10]。

作为上游法筑坝的尾矿库，泄洪构筑物的安全性也十分重要，特别是尾矿坝不允许坝体溢流。因此尾矿库的安全性从很大程度上取决于排洪系统的安全性。排洪构筑物的危险、危害因素主要有：①排洪系统所依据的水文资料不充分，设计过水能力不足、标准偏低，将导致在暴雨季节无法有效利用排洪系统排泄尾矿库的汇水，从而在很大程度上威胁了尾矿库坝体安全；②滑坡、低温冰冻、构建质量低劣等引起地基产生不均匀沉陷易导致排水井、排水管、隧洞的泄洪能力降低或失效，从而导致排洪系统发生故障[9-10]。

2.2 定量评价

2.2.1 尾矿坝坝体稳定性评价

目前边坡稳定性分析方法主要有极限平衡法、数值分析法和不确定性分析法[11-12]。按照《尾矿设施设计规范》(GB 50863—2013)和《尾矿库安全技术规程》(AQ 2006—2005)，本研究采用瑞典圆弧滑动法和简化毕肖普法对山景尾矿库进行坝体稳定分析。

在坝体稳定计算过程中，坝体、坝基材料参数根据现场地勘资料、室内土工试验以及相关工程经验进行取值(表1)[13]。

表1 坝体材料抗滑稳定计算参数

根据该尾矿库的尾矿筑坝设计方案，加高至140 m坝高时尾矿库为三等库。计算得到的各种工况下各坝体的安全系数如表2所示。分析表2可知：加高至140 m坝高时，在正常运行、洪水运行、特殊运行等工况下，最小安全系数均满足规范要求，坝体具有一定的稳定性。

表2 140 m坝高剖面坝体稳定性分析

分析图2可知：滑动面均位于堆积坝坝体处，且属于浅层滑动；在洪水运行、特殊运行工况下，由于干滩长度不足，浸润线埋深相对较浅，最小安全系数超出规范值较少，坝体稳定性安全储备不足，宜采取相应的坝体加固措施或增加排渗措施，降低坝体浸润线来提高其安全储备，降低其滑坡危险。

2.2.2 尾矿库排洪系统可靠性分析

目前，山景尾矿库在用的排洪系统为2#排水井+排水管。2#排水井进水口标高110 m，井高11 m，内径4.0 m，排水管内径1.8 m，全长1 079 m，排水管出口标高为80 m，排水管经主坝伸向坝外，通向消力池。山景尾矿库现状属四等库，根据《尾矿库安全技术规程》(AQ 2006—2005)，该尾矿库中、后期洪水重现期应取100～200 a一遇，尾矿库的防洪标准按表3确定，本研究调洪演算按百年一遇进行，即洪水重现期为100 a。

图2 坝体稳定性分析结果

尾矿库等级洪水重现期/a初期后期一1000～2000二100～200500～1000三50～100200～500四30～50100～200五20～3050～100

山景尾矿库现状排洪系统采用井-管式，现状库水位标高111 m，滩顶标高113.5 m，干滩长度400 m。该尾矿库现状属于四等库，库区现状汇水面积0.99 km2，尾矿库周边设置截洪沟后汇水面积变为0.32 km2，尾矿库截洪沟不作为尾矿库的主要排洪设施，本研究仍按汇水面积0.99 km2进行水文计算和调洪演算。为有效进行尾矿库调洪演算，需要推求排洪系统的泄流过程、洪水过程以及调洪库容曲线。本研究洪水过程线根据计算出的洪峰流量、洪水总量按三角形概化求得，结果偏保守。调洪库容曲线根据山景尾矿库现状实测地形图和山景尾矿库滩面实测技术参数量取求得。尾矿库评价按照高切林公式进行调洪演算，结果见表4。

表4 调洪演算结果

分析表4可知：山景尾矿库在现状条件下的最大调洪库容为15万m3，经调洪后，所需排水井的泄流量为15.65 m3/s，最高洪水时溢流井的泄流量为17 m3/s，大于所需泄流量。因而，山景尾矿库在现状条件下的排洪能力满足100 a一遇洪水的排洪要求。

3 尾矿库重大危险源防范对策

3.1 尾矿坝体安全管理

(1)由于该尾矿库所排尾矿具有高浓度、细颗粒的特点，子坝堆筑时应严格按照设计要求采用上游法废石堆筑，并确保筑坝材料特性符合要求，子坝内外坡比、高度、轴线位置应符合设计要求。

(2)每级子坝堆筑前应进行岸坡处理，将岸坡的树木、树根、草皮等清除，若有泉眼、洞穴等应作妥善处理，清除的杂物不得就地堆积，应运置库外，岸坡清理后做好隐蔽工程记录，经技术人员检查合格后方可筑坝[14]。

(3)随着子坝堆积高度上升应及时按照设计要求修筑坝肩排水沟，同时按设计要求在110，120，130 m标高设置排渗盲沟，并保证施工质量。

(4)应在坝前均匀放矿，使滩面均匀上升，并避免滩面出现侧坡、扇形坡或细粒尾矿集中沉积于一端或一侧，放矿初期应采用多管小流量的放矿方式，以利于尽快形成滩面。

(5)应加强坝下渗流水水量和水质监测，若发现渗水量突然增大、减少或变浑浊时，应及时进行隐患排查和治理。

3.2 尾矿库防排洪安全管理

(1)应严格按照设计要求控制库内水位，每年汛期应在满足回水水质和水量要求的前提下，尽可能降低库内水位，提高尾矿库的防洪、抗洪能力；汛期尾矿库初期应确保安全超高2 m以上，干滩长度在400 m以上。

(2)应根据尾矿库的实际运行情况和库内水位标高及时加盖框架式排水井拱板，并保证密封质量，避免出现漏沙现象。

(3)每年汛期前应对排水井、排水管和库边截洪沟进行检查、维修和疏浚，确保排洪设施畅通。

(4)应按照设计要求的排尾浓度和流量进行排尾作业，确保干滩坡度满足设计要求，若干滩坡度比设计变缓，需重新进行调洪演算并采取相应的处理措施。

(5)汛期应实时关注库内水情，加强巡逻，一旦发现险情须及时上报，并采取紧急措施，严防事态恶化；洪水过后应对坝体和排洪构筑物进行全面认真地检查和清理，一旦发现问题应及时处理[15]。

3.3 尾矿库日常安全管理

(1)尾矿库在后续运行过程中，应严格按设计要求的项目、位置、数量及时安装位移观测设施、浸润线观测设施以及在线监测系统，并加强尾矿库在线监测系统的维护和管理，进一步加强数据分析处理，使之能够真正发挥起监测、预警和保护尾矿库安全的作用。

(2)矿山企业应针对尾矿编制年、季作业计划和详细运行图表，统筹安排和实施尾矿输送、分级、筑坝和排放的管理工作[14]；加强尾矿库运行期间的安全管理工作，严格落实安全检查制度，一旦发现安全隐患应及时进行治理。

(3)加强应急救援预案的安全教育培训，并在日常工作中注重应急预案的演练工作，不断提高各级人员的应变能力和突发事故应急处理能力，并根据演练结果不断完善应急救援预案；进一步细化落实救援物资和装备，包括救援物资和装备的名称、数量、存放地点，一旦发生尾矿库安全事故时，可为应急救援预案的及时有效实施提供时间上和物资上的保障。

(4)应加强尾矿库管理机构各岗位人员的培训工作，包括尾矿库安全管理方面的各项管理制度、岗位职责、尾矿库专业知识以及尾矿库设计文件，了解尾矿处理工艺，熟悉政府部门的有关标准及规定等。

(5)应建立重大危险源档案，重大危险源档案类型主要有重大危险源安全评估报告、重大危险源安全管理制度、重大危险源安全管理与监控实施方案、重大危险源监控检查表以及重大危险源应急救援预案、演练方案等。

4 结 语

以南京山景尾矿库为例，对其危险源进行了划分和辨识，并进行了尾矿库坝体稳定性分析及排洪系统调洪演算，认为该尾矿库坝体的安全系数符合规范要求，排洪系统基本能够满足防排洪要求，按照《尾矿库安全技术规程》(AQ 2006—2005)，该尾矿库属于正常库。在此基础上，分别从尾矿坝体安全管理、尾矿库防排洪安全管理以及尾矿库日常安全管理等方面讨论了该尾矿库危险源的防治对策，供相关研究参考。

[1] 高春学，张玉坤，何秀艳.尾矿库安全管理方法探讨[J].金属材料与冶金工程，2013，41(1)：36-38.

[2] 梅国栋，王云海.我国尾矿库事故统计分析与对策研究[J].中国安全生产科学技术，2010(3)：211-213.

[3] 徐宏达.我国尾矿库病害事故统计分析[J].工业建筑，2001，31(1)：69-71.

[4] 谢旭阳，田文旗，王云海，等.我国尾矿库安全现状分析及管理对策研究[J].中国安全生产科学技术，2009(2)：5-9.

[5] 闪淳昌，张振东，钟开斌，等.襄汾“9·8”特别重大尾矿库溃坝事故处置过程回顾与总结[J].中国应急管理，2011(10)：13-18.

[6] 王荣林，吴小刚.坝体排渗工艺在青山尾矿库的应用[J].现代矿业，2016(5)：210-212.

[7] 宋志飞，马 腾，赵泽印，等.某矿膏体尾矿库筑埂沉坝法的应用实践[J].现代矿业，2017(1)：223-224.

[8] 宋志飞，赵泽印，马 腾，等.子坝堆积高度对膏体尾矿初期坝坝体稳定性的影响[J].现代矿业，2017(3)：213-215.

[9] 丁军明，黄德镛，李 雄，等.尾矿库危险源辨识及事故预防[J].现代矿业，2006(7)：24-27.

[10] 丁军明.尾矿库危险源分析及安全评价导则建议方案研究[D].昆明：昆明理工大学，2007.

[11] 贾住平，郑禄璟，姚 松.极限平衡法与有限元强度折减法在露天矿边坡稳定性分析中的应用对比[J].现代矿业，2016(9)：38-41.

[12] 傅能武.降雨条件下某堆侵场边坡稳定性分析及防治对策[J].现代矿业，2017(8)：286-287.

[13] 中华人民共和国水利部水文局.中国暴雨统计参数图集[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[14] 张超兰.非浆体尾矿地表堆存稳定性[D].长沙：中南大学，2012.

[15] 杨舜成.有色金属矿山排土场(废石场)水土流失防治探讨[J].亚热带水土保持，2012，24(3)：50-53.