尾矿库环境风险评估实例研究

楚敬龙，林星杰，谭海伟，刘 芳

(北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

20世纪以来，我国在经济快速发展的同时加速了对矿产资源的开采，矿业的发展导致尾矿产生量逐年增多，而各类尾矿库的数量则高速增加，因尾矿库溃坝、尾砂泄漏等事故而造成的环境污染问题十分突出[1-2]。尾矿库是具有高势能的人造泥石流危险源，在降雨、地震及人类活动等因素影响下存在溃坝失稳的危险[3]。美国克拉克大学的一项研究认为，尾矿库溃坝事故造成的危害仅次于核武器爆炸、神经毒气泄漏、核辐射等灾害，在世界公害隐患中排名较前[1，4]。近年来，为延长服务年限，节省投资，尾矿库正朝着高堆坝方向发展，危险性增大，安全状况与形势不容乐观[5]。对尾矿库进行环境风险评估，掌握尾矿库事故原因，预测尾矿库事故影响程度与范围，排查并治理尾矿库环境隐患，对预防和减少尾矿库事故的发生以及指导尾矿库应急预案制定具有重要意义。

在尾矿库风险评估中，溃坝分析是其中的重要组成部分，尾矿库溃坝不但会造成尾矿大量泄漏，还会淹没农田，污染环境，危害人们的生命财产安全[6-7]。目前已有研究表明，利用数学模型可以对尾矿库溃坝进行模拟，但尚无法计算溃坝后果及推算影响范围，在实际工作中对溃坝后矿浆泥石流的运动规律和冲击影响范围的研究还不多，需要凭借研究及管理人员的经验进行判断[7-8]。

本文在尾矿库环境风险因素分析的基础上，以预测溃坝风险影响范围为重点，对新疆阿勒泰地区某山谷型尾矿库进行环境风险评估实例研究，同时对排查出的环境隐患进行整改，以期为同类型尾矿库环境风险评估提供借鉴。

1 尾矿库环境风险因素

根据《尾矿库环境风险评估技术导则(试行)》(HJ740-2015)，尾矿库环境风险指尾矿库在运行期间发生突发环境事件的可能性及突发环境事件可能造成的危害程度。风险因素包括尾矿库本身的因素及周边环境因素。尾矿库本身的因素包括尾矿库环境危害性指标：尾砂含重金属种类、特征污染物浓度、库容(溃坝事故的主要因素)等，以及尾矿库控制机制可靠性指标：尾矿堆存方式、尾矿输送及回水方式、防洪系统、地质条件、隐患排查与治理等；周边环境因素包括尾矿库周边环境敏感性指标：跨界情况、周边环境风险受体(国家重点生态功能区、饮用水源保护区、人口聚集区等)、周边环境功能类别等。对尾矿库环境危害性、控制机制可靠性、周边环境敏感性三方面进行评分，将尾矿库环境风险划分为重大、较大、一般三个等级。

尾矿库风险事故类型中，对环境影响最大的是尾矿库溃坝事故。尾矿库溃坝可定为金属矿山采选项目环境风险的最大可信事故[9]。造成尾矿库溃坝的原因有很多：1)自然因素，包括降雨、地震、滑坡等；2)设计因素，包括尾矿坝地质及水文地质勘察、坝体设计等，如尾矿库选址地质勘察不清、坝体设计不合理等；3)施工因素，尾矿库排洪、排渗构筑物质量不达标或损坏，包括排洪或排渗管道裂缝、堵塞、破坏等；4)人为因素，包括工作人员日常管理的失察、养护和维修不善、或发现问题未及时处理等[1]。其中由降雨引起的洪水漫顶是造成尾矿库溃坝的主要因素。

2 尾矿库溃坝预测方法

尾矿库溃坝往往发生在暴雨时期，库内汇集的雨水裹挟着尾砂漫至坝顶，导致发生溃坝，此时尾矿在降雨的作用下形成溃决型泥石流，在短时间内沿山谷向下游倾泻，因此可将尾矿库视为水库型储水设施，可应用水库溃坝经验公式进行尾矿库溃坝预测。

2.1 溃口宽度计算

由于尾矿库溃坝发生时大量泄漏的尾砂往下游运动的特征近似于流体，因此尾矿坝溃口宽度采用黄河水利委员会的溃坝经验公式[10]进行计算，公式为：

b=0.1KW0.25B0.25H0.5

(1)

式中：b为尾矿坝溃口平均宽度，m；W为溃坝时可泄库容，m3；B为坝顶长度，m；H为坝高，m；K为经验系数(黏土类坝K=0.65，壤土类坝K=1.3)。

2.2 溃口处最大泄砂流量

溃口处最大泄砂流量采用肖克列奇经验公式进行计算，公式为：

(2)

式中：Qmax为溃口处最大泄砂流量，m3/s；B为坝顶长度，m；b为尾矿坝溃口平均宽度，m；H0为坝前上游水深(尾矿库最大坝高H减去坝前淤积深和校核水位与坝顶的距离，洪水漫顶导致溃坝时取坝高H)，m；g为重力加速度，9.8 m/s2。

2.3 溃坝后尾砂最大流量沿程演进计算

在溃坝初始时段，溃口处的尾砂流量从零快速增至最大，最大流量在向下游流动演进过程中，将不断衰减[7]。溃坝后尾砂向下游演进至距离坝址L断面时的最大流量，可采用下式估算：

(3)

式中：QL为距坝址L断面处的尾砂最大流量，m3/s；L为距坝址的距离，m；W为溃坝时可泄库容，m3；Qmax为溃口处最大泄砂流量，m3/s；vmax为尾砂最大流速(山区vmax=3.0～5.0 m/s，丘陵区vmax=2.0～3.0 m/s，平原区vmax=1.0～2.0 m/s)；K为经验系数(山区K=1.1～1.5，丘陵区K=1.0，平原区K=0.8～0.9)。

2.4 溃坝尾砂流到达时间

1)尾砂流前锋到达时间

尾砂流前锋到达时间采用黄河水利委员会水科所经验公式进行计算，公式为：

(4)

式中：t1为尾砂流前锋到达时间，s；k1为经验系数，取0.7×10-3；L为距坝址的距离，m；W为溃坝时可泄库容，m3；H0为坝前上游水深，m。

垂直方向变化情况：区内自上而下颗粒粒度逐渐变细，而下部出现的带状构造主要是中细或中粗粒的石英、微斜长石带，锂辉石、石英、微斜长石块体带一般自地表延深30～60m，交代的钠长石化带可延深200～400m，但其蚀变强度均属弱-中等。总体来说，原生的带状构造自花岗岩向外1km以内主要是中细粒石英、微斜长石带和文象结构带，交代的带状构造则为弱-中等钠长石化带。1km以外，原生带状构造比较明显，而且是由粗粒石英、微斜长石带和锂辉石、石英、微斜长石块体带或者石英、微斜长石块体带为主，交代的带状构造则以中-叶片状钠长石化带为主。

2)尾砂流最大流量到达时间

尾砂流最大流量到达时间的经验公式为：

(5)

式中：t2为尾砂流最大流量到达时间，s；k2为经验系数，取0.8～1.2；hm为下游典型断面处最大流量时的平均深度，m；L为距坝址的距离，m；W为溃坝时可泄库容，m3；H0为坝前上游水深，m。

3)尾砂泄空时间

将尾矿库比作水库时，尾矿库溃坝发生后尾砂泄空时间的经验公式为：

(6)

式中：T为泄空时间，s；W为溃坝时可泄库容，m3；Qmax为溃口处最大泄砂流量，m3/s；u为经验系数，取u=3.5。

2.5 溃坝最大影响距离

目前预测溃坝后尾砂最大影响距离的方法有坝高倍数估算法，将尾矿库溃坝后尾砂最大影响距离估算为40倍或80倍坝高。一般而言，将平地型尾矿库溃坝后尾砂最大影响距离估算为40倍坝高，将山谷型、傍山型、截河型尾矿库溃坝后尾砂最大影响距离估算为80倍坝高。计算公式为：

式中：Lmax为溃坝后尾砂最大影响距离，m；H1为平地型尾矿库坝高，m；H2为山谷型、傍山型、截河型尾矿库坝高，m。

3 实例研究

3.1 尾矿库概况

新疆阿勒泰地区某铅锌矿尾矿库，属三等库，由1#尾矿坝、2#尾矿坝、3#尾矿坝及库区最上游的一座拦水坝组成。1#尾矿坝为土质斜墙堆石坝，一次性筑坝，坝顶标高为1 322 m，坝长190 m，坝高56 m，有效库容为406.72万m3，设计服务年限10年。拦水坝与1#尾矿坝、两岸山体之间形成的尾矿库为1#尾矿库，见图1。尾矿库所涉及的主要设施包括尾矿库初期坝及后期坝、排洪排渗系统、尾矿浆输送系统及回水系统等。目前1#尾矿库正在运行，2#尾矿坝及3#尾矿坝未建，因此本文针对1#尾矿库进行风险预测。根据《尾矿库环境风险评估技术导则(试行)》(HJ740-2015)中尾矿库风险等级的划分，本尾矿库风险等级为较大。

图1 尾矿库平面布置图Fig.1 Layout plan of tailings pond

尾矿库位于阿勒泰山南麓山前中低山区的一处开阔沟谷内，沿沟谷下游8 500 m处为一地表河流，谷内无其他敏感点分布。地形起伏较大，地面高程1 263～1 377 m，切割高差30～100 m，地势总体由北东向南西倾斜，场地坡降4.98%。

3.2 计算结果及分析

基于公式(1)-(7)，分别计算该尾矿库溃坝后尾砂泄漏203.36万m3(50%有效库容)和406.72万m3(100%有效库容)两种情景尾砂流沿途演进过程，预测溃坝后尾砂流在下游各典型断面处的最大流量(QL)、过流面积(SL)、淹没深度(hm)、最大流量到达时间(t)等要素。计算结果见表1。

由表1可以看出：溃坝时尾砂下泄是一个非常短时间的过程，在尾砂流向下游演进的过程中，最大流量(QL)迅速衰减，1 km以内衰减速率最大，之后趋于平缓。两种情景的尾砂沿程演进规律基本一致，但全库容泄漏比50%库容泄漏的典型断面尾砂最大流量要大。

表1 预测结果

以尾砂堆积厚度降到0.2 m时的泄流距离作为溃坝尾砂影响范围，则50%库容尾砂泄漏的影响距离为3 500 m(约60倍坝高)，泄空时间为207.8 s，最大流量到达时间为963.2 s；100%库容尾砂泄漏的影响距离为6 000 m(约100倍坝高)，泄空时间为365.0 s，最大流量到达时间为1 796.8 s。两种情景的预测结果表明，溃坝后泄漏尾砂不会对下游8 500 m处的地表水体造成明显不利影响。以经验公式法确定的溃坝尾砂影响范围与坝高倍数估算法确定的影响范围差异较大。前者可预测多种情景下的溃坝后果，而后者仅是单一的粗略估计。前者较后者更灵活、更有依据和指导意义。

在实际溃坝过程中，泄漏尾砂向下游的演进受到泄漏的尾砂量、地形粗糙度、上下游高差、沿途泄流宽度、两边坡度等因素的影响，需要对理论计算值进行适当修正，并在此基础上根据实际情况确定需要防控的距离。

3.3 尾矿库环境隐患排查及整治

为进一步加强企业环境管理及预防尾矿库突发环境事件的发生，对该尾矿库进行了全面的环境隐患排查，并提出了相应的整改建议，见表2。

表2 环境风险隐患排查及整改建议

4 结论

1)利用经验公式法对新疆某铅锌矿尾矿库溃坝后尾砂流向下游的演进过程进行了预测，结果表明：尾砂流向下游演进的过程中，最大流量迅速衰减，1 km以内衰减速率最大，之后趋于平缓。溃坝后尾砂泄漏50%库容的情况下，尾砂影响距离为3 500 m；尾砂泄漏100%库容的情况下，尾砂影响距离为6 000 m；不会对下游8 500 m处的地表水体造成明显不利影响。此结果比坝高倍数估算法的结果更可靠。

2)实际操作中，根据尾矿库溃坝泄砂量及所在区域的地形条件对预测结果进行修正，可为尾矿库环境隐患排查及整改措施的落实、尾矿库应急预案的制定提供重要参考。