我国尾矿库事故致灾机理分析及防范对策*

郭廷亭，赵周能

(西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

尾矿库是通过筑坝或围垦的方式建造的储存金属或非金属矿山尾矿或其他工业废渣的场所[1]。尾矿库是一种极富有势能性的人工自然危险源，一旦溃坝，将对下游地区人民生命财产安全构成巨大威胁，也将给当地的经济发展和社会稳定等带来极大的负面影响[2]。例如，2008年9月，山西新塔矿业有限公司发生了一起尾矿库溃坝事故，造成277人死亡，直接经济损失高达9 619.2万元[3]。在全球93种事故隐患和安全公害中，尾矿库安全事故率排名第18位。到目前为止，世界上现有尾矿库2万多个，而中国就有逾1.2万个[4]。尤其是一些小型尾矿库，施工不规范，也不符合设计标准，防洪防渗等重要安全措施缺失，且相关管理人员大多不具备应有的安全知识[5]。因此，分析尾矿库的溃坝因素，研究其致灾机理，落实应急管理措施，建立尾矿库事前防范、事中应对、事后治理的管理体系，对于尾矿库灾害预防具有重要意义。

本文对我国2001年以来的尾矿库事故进行了统计分析，总结了尾矿库致灾机理，从工程措施和应急管理措施两个方面提出相应的对策，以期为我国尾矿库安全事故防范提供参考。

1 我国尾矿库事故统计及原因分析

1.1 事故统计

尾矿库不仅是矿山安全生产的重要设施，而且是一个重大危险源。2001-2020年，全国共发生尾矿库事故90余起(见图1)，死亡500余人，其中重特大事故4起，较大事故8起[6]。

从图1可以看出：2001-2008年，事故起数和伤亡人数逐年递增，在2008年达到了峰值；2009-2011年，尾矿库的事故起数小幅增加，死亡人数急剧减少，说明安全监管工作发挥了实效；2011-2020年，事故起数虽有小幅波动，但死亡人数几近于0，尤其是2019年以来，事故起数和死亡人数均达到最低值，反映出我国对于尾矿库的综合治理效果显著。

图1 2001-2020年尾矿库事故起数及死亡人数统计

尾矿库溃坝事故重在预防，建立科学的应急预案，增强应急管理意识，是遏制尾矿库溃坝事故的有力抓手。随着我国尾矿库的管理水平和尾矿综合利用率的不断提升，尾矿库事故终将得到有效控制[7]。

1.2 事故原因

对2001-2020年发生的典型尾矿库溃坝成因进行了统计分析，结果如图2所示。

图2 2001-2020年尾矿库溃坝成因分析

由图2可知，渗透破坏在尾矿库溃坝事故中占比高达50.72%，洪水漫顶占比34.78%，坝体失稳和地震灾害分别占8.70%和5.80%。因此，尾矿库溃坝的主要原因是渗透破坏和洪水漫顶[8]。

2 尾矿库事故致灾机理研究现状

尾矿库是一个巨大的人造危险源，在其生产运行过程中，由于各种因素的耦合，易造成尾矿库溃坝事故。通过对尾矿库事故原因的分析，发现造成尾矿库溃坝的主要原因是渗透破坏、洪水漫顶、坝体失稳和地震灾害。研究致灾机理对于保障尾矿库的安全稳定运行非常关键。

2.1 渗透破坏

长期以来，尾矿库的渗透破坏一直是研究的难点，也是矿山安全领域的研究热点。渗透破坏的主要原因是浸润线位置过高，渗水流出堆积坝，导致坝体局部淹没，易使坝体坍塌。浸润线被称为尾矿库的“生命线”，其位置反映了尾矿坝排水的综合性能。浸润线深度是影响尾矿库安全的主要因素之一。长期持续的大暴雨、洪水以及各种排渗设施失效等均会使浸润线升高，进而诱发尾矿库渗透破坏。对于尾矿库而言，一旦达到渗流条件，尾矿库内就易发生管涌[9]。坝体渗透破坏主要发生在坝体或坝基，目前的研究主要集中于坝体的渗透破坏，其主要表现在两个方面：①坝体内存在渗流通道，在渗流力作用下,尾矿颗粒被水流带走，形成空腔，进而造成局部坍塌，降低了滩顶高程，当其小于安全超高时，将引发漫顶；②由于渗流通道堵塞，排水受阻，造成坝体局部变形，最终导致溃坝[10]。

目前关于渗透破坏机理研究的成果较多。时悦琪[11]通过室内中小型渗透破坏试验，模拟了不同细颗粒含量尾矿在高应力作用下的力学性质，分析了渗透破坏现象及原因；罗晓辉等[12]基于有效应力分析方法，根据渗流场计算分析了条间孔隙水压力；金佳旭等[13]研究发现，采用局部水平孔排渗方案，可以有效排渗，降低坝体浸润线，保证坝体安全；敬小非等[14]通过专业的系统和设备模拟了尾矿坝遭遇洪水时的工况，获得了位移矢量的演化、浸润线和应力的变化特征，揭示了洪水作用下尾矿坝的溃坝机理和溃坝模式。尾矿库在运行过程中，当排放的尾矿中细颗粒含量较高时，由于其渗透性较差，会导致浸润线偏高，造成尾矿坝坝坡水头压力较大，极易导致坝坡渗透破坏[15]。

目前，研究尾矿库渗流最常用的方法是数值分析法。考虑特征变化的耦合渗流模型和参数设置是尾矿库数值分析的难点，科学合理的数值模型将能有效提高尾矿库工程的评价水平。当尾矿库浸润线过高且向坝坡表面溢出时，极易导致尾矿表面出现流土；发生流土现象后，坝坡表面会进一步被侵蚀，随着侵蚀的不断积累，最终会引发坝体失稳，导致尾矿库溃坝。造成渗透破坏的原因并非单一的，而是多因素共同作用的结果，因此考虑多因素耦合作用将是渗透破坏研究的主要方向之一。

2.2 洪水漫顶

洪水漫顶溃坝事故造成的危害相较其他因素是最大的，也是最容易发生的，所以必须引起足够的重视。导致洪水漫顶的主要原因有：①尾矿库安全超高不符合规范要求，干滩长度不满足设计要求；②雨季汛期未做好相应的防护措施，安全检查不足，导致水量过大；③尾矿库防洪设计标准低，排洪系统堵塞使得泄洪出现问题，不能应对极端恶劣天气；④防洪能力不足，排水沟、截洪沟等排渗设施不足或出现问题，达不到排洪要求；⑤当遭遇汛期暴雨等极度恶劣天气时，尾矿库水位急速上升，未及时采取有效应急处置措施，致使洪水漫过子坝，冲刷坝体，最终失稳坍塌。

尾矿坝的筑坝形式有一次性筑坝(土石坝)和尾砂分期筑坝。土石坝的破坏过程主要由坝体的材料类型决定，但也受粒径分布、含水量、密实度、坝体几何特性、坝前蓄水能力等因素影响[16]。相关研究表明，坝料的性质是影响溃坝发生时间和发展速度的重要因素。宁聪等[17]运用HEC-RAS模型研究了溃坝后洪水的演进情况，研究了中下游平原丘陵区溃坝的洪水形势、洪水风险分布的差异以及水库泄洪对溃坝洪水的影响，结果表明，不同闸门开度下，中下游平原丘陵地区溃坝洪水淹没深度和淹没范围有明显差异，最大流速和滞洪时间差异不大，说明水库全力泄洪能有效降低溃坝时洪水对下游平原地区的危害。因此，在各种外部因素和条件下，充分考虑尾矿库的洪水效应是十分必要的。

2.3 坝体失稳

坝体失稳是引起尾矿库溃坝事故的另一重要原因。根据边坡失稳的不同结果，坝体滑动可分为深滑动、浅滑动、折线滑动和整体滑动4种类型[18]。王世鹏[19]利用模糊层次分析法(FAHP)建立了尾矿坝失稳因素的层次结构模型，通过求解FAHP模型得到引起尾矿坝失稳因素的优先系数，并对失稳因素的相对重要性进行了排序，即排水系统故障>大坝故障>尾矿坝故障>不可抗力因素。尾矿库坝体失稳通常是由多种因素引起的，因此在尾矿库的日常管理过程中，应实时监测尾矿库各项数据的变化，一旦发现异常，应及时对尾矿库安全性进行评估，做到早发现、早处理，从而降低尾矿库坝体失稳事故发生的概率。

2.4 地震灾害

在导致尾矿库溃坝事故的因素中，地震灾害的发生概率是最小的，但是一旦发生，其造成的危害往往极为严重。由于其破坏性巨大，因此尾矿库地震下的安全问题一直是学者关注的热点。我国绝大部分尾矿坝都是采用上游法建造，而该方法建造的坝体抗震能力较差，一旦发生地震，坝体安全性难以保证。上游法尾矿坝一般采用水力冲淤法施工，坝体浸润线较高，大部分坝体处于饱和状态，地震时容易液化，导致坝体破坏失稳。可通过确定尾矿坝浸润线的埋深，计算浸润线以下饱和尾矿砂层的有效覆盖压力。当下部饱和尾矿砂积累的超孔隙水压力大于上覆尾矿砂的有效压力时，下部饱和尾矿砂可能会液化[20]。地震会使库内尾砂迅速液化，导致坝体失稳破坏。饱和砂土或尾矿受到水平地震运动的反复剪切或垂直地震运动的反复振动，导致坝体反复变形，从而使尾砂颗粒重新排列，降低了孔隙率，压实了坝体，将饱和砂土或尾矿颗粒的部分接触应力转移到了孔隙水；当孔隙水压力等于坝体有效应力时，动力抗剪强度完全丧失，变成黏性液体，饱和砂土或尾矿液化[21]，导致溃坝事故发生。

3 防范对策

尾矿库的溃坝事故导致的后果往往极为严重，所以有必要在分析其事故原因的基础上提出相应的防范对策。

3.1 工程措施

a.尾矿库分级应以坝高为依据，重视尾矿库的选址，加强尾矿库全寿命周期的工程地质勘察，做好尾矿库筑坝材料的验证工作。

b.针对干滩长度、排渗设施不足所导致的渗流破坏，可采取增加尾矿库干滩长度、增设排水设施等措施。

c.陡坡尾矿应采用削坡减载、凸削、凹填等方式处理，如库内转运法、压坡法、初期坝前移法等。

d.在极端天气条件下，应确定调洪水深相对应的最小澄清距离和调洪滩长，且要明确最小安全超高和最小安全滩长。

e.尾矿库坝面出现流土、沼泽、管涌等情况时，应及时增设反滤层，增设降水或排渗设施，并进行压坡处理。

f.接收到地震警报后，立即采取在下游坡脚处增设土石料压坡、对堆积坝进行削坡处理、降低水库水位、增设排水设施等措施。

3.2 应急管理

a.建立健全尾矿库各项安全管理制度，提高安全监管的有效性，强化企业安全生产主体责任意识。加强企业员工的安全培训和安全教育，加大考核力度，提高员工的安全意识。

b.政府部门要切实履行监督职能，注重安全管理，对违规者要严惩。生态环境部与安监局、国土部等联合执法，避免监管漏洞。

c.制定尾矿库应急预案，建设区域风险防控设施，完善应急响应流程，做好突发事件结束后的善后管理。

d.及时的应急救援可以减少次生灾害的发生，最大限度地减少人员伤亡、财产损失和环境污染。因此，建立和完善应急救援预案和应急救援体系对预防尾矿库事故具有重要意义。政府和企业要加强对公众和从业人员的安全培训和应急演练，普及相关应急救援知识，提高自救互救和应急处置能力。

e.做好尾矿库坝体监测工作，加强日常巡查，提高监测数据的日常管理和分析能力，并掌握判定尾矿库安全性的科学方法。

4 结论

a.通过对尾矿库溃坝事故的统计分析可知，自2001年以来，事故数和死亡人数均明显减少，尤其是2019年以来，事故数和死亡人数降至历史最低水平，反映了尾矿库安全监管工作成效显著。

b.造成尾矿库溃坝的主要影响因素是渗透破坏、洪水漫顶、坝体失稳和地震灾害，其中的渗透破坏和洪水漫顶需要重点关注。

c.从工程措施和应急管理两方面提出了相应的防范对策，对于我国尾矿库的建设、维护和应急救援具有一定的借鉴意义。