尾矿库溃坝风险预测模型探讨

吕红丹

摘要：目前相关文献并没有具体计算尾矿库溃坝后下游不同距离处的淤积厚度。文中将尾矿库溃坝后的影响范围建立为一个数学模型，通过多个尾矿库的溃坝实例，对其进行论证，提出修正系数。并将尾矿库下游泄砂简化为一个三棱锥体，利用几何公式计算尾矿坝下游的尾矿淤积厚度。

关键词：尾矿库；溃坝；数学模型；三棱锥体；淤积厚度

1 前言

在尾矿库设计、环境影响评价以及尾矿库日常管理，尤其是在尾矿库应急管理工作中，需预测尾矿库溃坝可能影响的范围以及溃坝后尾矿在下游不同距离处的淤积厚度，但目前并没有一个成熟可用的数学模型对尾矿库溃坝进行模拟分析。因此有必要建立一个相对成熟的数学模型，对尾矿库溃坝后的影响进行预测，以便为尾矿库管理工作提供技术参考[1]。

2 数学模型的建立

尾矿库溃坝除泄砂时间与影响范围较大以外，溃坝后的运动形态与排矸场溃坝基本相同，因此文中尾矿库溃坝范围参考排矸场溃坝向外蔓延最大影响范围的计算公式[2]：

式中： m---滑坡量，m3；

ρ1---混合物密度，t/m3；取1.2t/m3；

r---扩散半径（m）；

t---时间（s）。

溃坝时尾砂向外蔓延的范围与尾砂含水量、沖沟坡度、狭窄情况以及弯曲情况有关。因此本评价采用修正系数η、坡度I和弯曲系数B进行修正。修正公式如下：

L=r·B·I·η

式中：L—修正后溃坝影响范围，m；

r—溃坝后最大影响范围，m；

B—下游冲沟弯曲系数，冲沟直线长度与实际长度的比值；

I—冲沟坡度，m/m；

η—修正系数。

下泄尾砂流动时间与溃坝量、下游冲沟坡度等因素有关，因此不能确定尾砂流动持续时间，应根据尾矿库实际情况确定；由于尾矿库不可能完全溃坝，一般按照50%溃坝考虑，也可根据库容、地形等实际情况考虑。

3 引用实例对模型进行修正

（1）广西南丹大厂镇鸿图选矿厂有一座山谷型尾矿库。2000年10月18日上午9时50分，尾矿坝垮塌，尾矿泄露量为1.16万m3，下泄尾砂流动历时约150s，最大影响距离为700m，绝大部分尾砂淤积在坝下方30m范围内，尾矿库下游坡度约9°，下游冲沟弯曲系数约0.8。

将尾矿库以上参数带入最大影响范围公式中计算得r=271m，发生溃坝时实际影响范围为700m，并带入修正公式，由此反推出修正系数η=20.5。

（2）山西襄汾县新塔矿业有限公司尾矿库用于堆存选铁后的尾矿，该尾矿库设有二级坝，2008年9月8日上午9点58分新塔矿业尾矿库发生溃坝，下泄量约19万m3，下泄尾砂流动过程历时约1360s，最大波及长度约2.5km，宽度350m，淹没面积35hm2，尾矿库下游坡度约5°，下游冲沟弯曲系数约0.9。

将尾矿库泄砂量、时间、下游坡度带入最大影响范围公式中计算得r=1645m，发生溃坝时实际影响范围为2500m，并带入修正公式，由此反推出修正系数η=19.3。

根据上述几个溃坝实例可知，尾矿库溃坝用理论影响范围计算实际影响范围时，其修正系数范围为19～21，一般取中间值20。

尾矿库溃坝实例论证：

安徽省马鞍山市黄梅山铁矿金山尾矿库[3]于1986年4月30日凌晨3点50分发生溃坝事故，坝顶溃口宽245m，尾矿的下泄量为84万m3，下泄尾砂流动过程历时260s，溃坝时坝高约21.7m，下游最大影响距离约1150m，尾矿库下游坡度约4°，下游冲沟弯曲系数约0.8，两侧山坡夹角120°。

将金山尾矿库溃坝量、时间、下游坡度带入最大影响范围公式中计算得r=1024m，带入修正公式，尾矿库溃坝实际影响范围约1147m，与实际基本相符。

4 尾矿库溃坝下游尾砂淤积厚度

当尾矿库发生溃坝时，尾矿均淤积在初期坝下游，由于一般尾矿库下游冲沟断面为“V”形，本次将下游淤积体简化为一个三棱锥体，计算初期坝下游冲沟各断面淤积厚度，见下图。

冲沟淤积厚度计算公式如下：

式中：H—冲沟淤积厚度，m；

l1—溃坝最大影响长度，m；

l2—沿冲沟底线距离初期坝的长度，m；

I—冲沟坡度；

α—冲沟两侧山坡夹角，°；

V—溃坝量，m3；

采用以上公式计算山西襄汾县新塔矿业有限公司尾矿库溃坝后下游淤积厚度，结果见下表：

根据公式计算出的淤积厚度与实际基本相符，因此以上几何模型基本准确。

5 防止尾矿库溃坝的措施

尾矿库主要风险防范措施如下：

A.尾矿坝施工应选用能承担大坝施工且有施工资质的单位，并在施工过程中加强监理制度，确保施工质量。

B.要定期观测尾矿坝，包括坝体变形、坝内浸润线观测，以保证能够及时发现问题，及时解决，防患于未然。

C.生产期应对尾矿坝进行管理和维护，随时检查库内排水、排洪等构筑物的排洪情况，特别是在雨季、汛期，要坚持24小时值班，以保证遇到险情及时报告、及时排除。

D.当接到震情预报时，根据实际情况作出防震计划和安排。

E.在库区内严禁爆破、采石、挖土、滥挖尾矿等危害尾矿库安全的活动。如企业需要回采或综合利用库区尾矿时，必须做开发工程设计，并经上级主管部门批准后方可进行。

6 结束语

尾矿库是选矿厂的一个重要环保设施，但同时也是一个重大危险源，建设或管理不当，将会对尾矿库下游环境造成较大影响，甚至对下游居民生命财产安全构成威胁。通过公式计算影响距离以及将溃坝后下泄尾砂所形成的模型简化为三棱锥体，计算下游尾砂堆积厚度，同时提出相应的风险防范措施。

参考文献：

[1]陈殿强，何峰，王来贵.凤城市某尾矿库溃坝数值计算[J].金属矿山.2009，10（1）：74-76.

[2]刘勇，李志强，赵凯吉.五凤煤矿环境风险分析及防范措施[J].科学时代.2010，1（2）：16-18.

[3]李海港，王汉强，刘辉.非煤矿山尾矿库溃坝最大影响距离的探讨[J].有色冶金设计与研究.2011，32（6）.