尾礦庫潰壩研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)思考

910 編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng) 來源：湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院

2023-06-12 14:15:24

0 引言

尾礦庫作為礦山企業(yè)堆存選礦廢棄物的一個(gè)重要設(shè)施，同時(shí)也是一個(gè)危險(xiǎn)源，它運(yùn)行的好壞，不僅影響到企業(yè)的正常生產(chǎn)，而且對(duì)庫區(qū)周邊尤其是其下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的影響，在世界93種事故、公害的隱患中，尾礦庫事故名列第18位。我國(guó)尾礦庫數(shù)目龐大，雖自2008年以來，國(guó)家大量拔款對(duì)危、險(xiǎn)庫和病庫進(jìn)行綜合治理，并取得了一定的成效，但由于尾礦庫管理隊(duì)良莠不齊，尾礦庫的管理又是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，因此無法從根本上實(shí)現(xiàn)尾礦庫的本質(zhì)化安全。所以開展尾礦庫潰壩相關(guān)的研究在尾礦庫日常管理及應(yīng)急管理方面具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)尾礦庫潰壩研究現(xiàn)狀

以2008年山西襄汾尾礦庫潰壩事故為分水嶺，國(guó)內(nèi)尾礦庫潰壩研究可以分為兩個(gè)階段，一個(gè)階段是2008年之前，由尾礦庫設(shè)計(jì)單位或個(gè)別中介機(jī)構(gòu)為了使自己的技術(shù)文件更具說服力或工作方便，自發(fā)地進(jìn)行了一些有關(guān)尾礦庫潰壩方面的研究，并在潰壩機(jī)理研究等方面形成了一定的共識(shí);第二個(gè)階段是2008年之后，由于國(guó)家與地方的扶持，設(shè)計(jì)院、科研院所、學(xué)校以及各種中介機(jī)構(gòu)均在尾礦庫潰壩方面投入了相當(dāng)?shù)牧α窟M(jìn)行相關(guān)研究，這一階段各方學(xué)者提出的成果很多，大多數(shù)成果均集中在尾礦庫潰壩模型與潰壩泥石流演進(jìn)兩個(gè)方面，本文就這一階段的研究成果與企業(yè)尾礦庫安全管理相結(jié)合進(jìn)行論述。

1.1 尾礦庫潰壩機(jī)理研究現(xiàn)狀

尾礦庫潰壩過程在時(shí)空上可分為3個(gè)階段：尾礦壩在一定的條件下開始失穩(wěn);失穩(wěn)過程中尾礦砂和水相互作用形成具有高能量的泥石流;高能泥石流向下游演進(jìn)。以上三個(gè)階段在一個(gè)潰壩事件當(dāng)中會(huì)反復(fù)出現(xiàn)，相互交叉，而使得潰壩過程更加復(fù)雜[1]。從潰壩原因上來分析，尾礦庫的潰壩一般不是單一因素引起的，往往是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，就其本質(zhì)而言，潰壩機(jī)理可分為以下幾種：洪水漫頂導(dǎo)致尾礦壩坡失穩(wěn)而潰壩、滲流場(chǎng)直接誘發(fā)尾礦壩失穩(wěn)、尾礦壩壩基失穩(wěn)導(dǎo)致尾礦庫潰壩以及地震作用下導(dǎo)致尾礦庫潰壩等。[2]也正因?yàn)槲驳V庫潰壩所涉及的領(lǐng)域較為復(fù)雜，也使得尾礦庫的安全管理存在一定的難度。

1.1.1 洪水漫壩型潰壩

尾礦庫遭遇洪水時(shí)，若防洪、排洪能力不足或排洪設(shè)施出現(xiàn)問題，則庫區(qū)水位在短時(shí)間內(nèi)上升較快，且其洪水來量超過尾礦庫調(diào)洪庫容及安全庫容之和時(shí)，就會(huì)造成尾礦壩洪水漫頂，洪水漫頂是尾礦庫潰壩的重要原因之一。典型案例如廣東信宜紫金礦業(yè)尾礦庫潰壩事故。目前關(guān)于洪水漫頂導(dǎo)致尾礦壩侵蝕而漸近失穩(wěn)機(jī)理的研究較少，多數(shù)為借鑒土石壩的研究成果。這類侵蝕機(jī)理以水力侵蝕和重力侵蝕為主。該種潰壩方式一般按潰壩洪峰流量之后按一定的比例形成泥石流進(jìn)行相應(yīng)的漫壩流量估算，并且均假設(shè)為全庫潰出[3]-[4],[8]。

1.1.2 滲流場(chǎng)誘發(fā)型潰壩

作為尾礦堆積壩，由于其筑壩材料為尾礦或細(xì)粒土，其滲透系數(shù)較低，壩體滲流場(chǎng)對(duì)尾礦壩失穩(wěn)破壞影響極大，浸潤(rùn)線(面)的高低是尾礦壩的安全系數(shù)的重要影響因素。目前對(duì)尾礦庫滲流場(chǎng)的研究主要包括理論方法、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。受地下水的影響，飽水尾礦的力學(xué)性質(zhì)明顯低于干尾礦，同時(shí)浸潤(rùn)線以下尾礦中的孔隙水壓力減小了尾礦壩中的有效應(yīng)力，滲流場(chǎng)存在向下游方向的動(dòng)水壓力也是不利于壩體穩(wěn)定的因素;當(dāng)尾礦壩承受不了邊坡下滑力時(shí)，就會(huì)造成尾礦壩深層剪切滑移破壞，這種類型破壞歷時(shí)短，泄砂量大，潰壩后泥石流演進(jìn)速度快、沖擊強(qiáng)度大，往往對(duì)下游一定距離造成很大的危害，如山西襄汾新塔礦業(yè)尾礦庫、廣西南丹尾礦壩潰壩等[3]-[4]。

1.1.3 壩基失穩(wěn)型潰壩

當(dāng)壩基存在軟弱夾層或破裂面時(shí)，在巨大的邊坡偏心力的作用下，也極易導(dǎo)致壩體失穩(wěn)，如西班牙阿斯納科利亞爾尾礦庫潰壩事件。這樣的尾礦壩在滑動(dòng)破壞過程中，壩體基本沒有大的變形，類似剛體滑動(dòng)，但對(duì)壩體的整體強(qiáng)度卻有極大的破壞作用。目前對(duì)于尾礦壩的穩(wěn)定性均采用靜力抗滑穩(wěn)定性分析來確定[3]-[4]。

1.1.4 地震誘發(fā)型潰壩

地震作用導(dǎo)致尾礦庫發(fā)生潰壩的機(jī)理主要表現(xiàn)為地震導(dǎo)致浸潤(rùn)線之下的尾礦液化，使得尾礦抗剪強(qiáng)度瞬間大幅降低，邊坡的下滑力疊加地震的水平力后極易造成尾礦壩失穩(wěn)。目前尾礦壩的動(dòng)力穩(wěn)定分析方法一般有兩種，一種是采用擬靜力法，一種采用動(dòng)力時(shí)程分析法。擬靜力法是一種用靜力學(xué)方法近似解決動(dòng)力學(xué)問題的簡(jiǎn)易方法，由于其簡(jiǎn)單易行而被廣泛應(yīng)用[3]-[4]。

1.2 尾礦庫潰壩演進(jìn)研究現(xiàn)狀

1.2.1 模型試驗(yàn)法

國(guó)內(nèi)部分學(xué)者[9]-[13]采用相似性理論(遵循水流重力相似、水流阻力相似、水流挾沙相似、尾沙懸移相似、河床變形相似及尾沙起動(dòng)相似等條件)結(jié)合某一具體尾礦庫的特征進(jìn)行尾礦庫潰壩模型研究，模擬漫頂潰壩、潰壩泥石流演進(jìn)、泥石流沖擊力強(qiáng)度、淹沒范圍，取得了一些經(jīng)驗(yàn)公式和潰壩泥石流的演進(jìn)規(guī)律，可用于某種潰壩狀態(tài)、環(huán)境下的潰壩泥石流演進(jìn)分析。

1.2.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

工程類比法是尾礦庫潰壩泥石流演進(jìn)常用的一種方法，潰壩泥石流與其他類型泥石流的基本特點(diǎn)是相同的，潰壩泥石流的流量、流速等可參考泥石流的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公司進(jìn)行估算，同是借鑒水庫潰壩后水流的演進(jìn)模式，來對(duì)尾礦庫的總泄砂量、潰口寬度、最大流量、流量過程線等進(jìn)行估算，同進(jìn)還可通過泥石流的流速近似確定泥石流沖擊力和沖高，以確定尾礦庫潰壩后的危險(xiǎn)與安全區(qū)域范圍[14]-[17]。

1.2.3 數(shù)值模擬法

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者[5]-[6]基于成熟的流體模型，考慮分散應(yīng)力、侵蝕與淤積等作用，提供泥石流的流變參數(shù)和泥石流演進(jìn)的微分方程并求解，以期通過對(duì)材料流變性質(zhì)的闡述獲得尾礦壩潰壩泥石流的真實(shí)流態(tài)，通過Fluent 3D等軟件來進(jìn)行分析，并與模型試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比、調(diào)整，從而達(dá)到預(yù)測(cè)和模擬尾礦壩潰壩后下游泥石流演進(jìn)過程及尾礦淤積區(qū)域。

1.2.4 滑坡滑移法

郭天勇[18]將尾礦庫潰壩簡(jiǎn)化成潰壩滑坡體，根據(jù)滑坡體滑移距離來估算潰壩后尾礦掩埋區(qū)滑移范圍，提出了剛體沿折面滑動(dòng)和剛體沿圓弧曲面滑動(dòng)的2種滑動(dòng)模型，分別建立了潰壩滑坡體滑移距離的計(jì)算公式，重點(diǎn)分析了擴(kuò)散角摻氣深度空氣阻力滑移體高度殘余強(qiáng)度撞擊動(dòng)壓力和攔擋壩等尾礦庫潰壩發(fā)生滑移所涉及到的幾個(gè)主要問題。

2 企業(yè)尾礦庫管理需求

2.1 企業(yè)尾礦庫安全管理現(xiàn)狀

2.1.1 尾礦庫日常管理

礦山企業(yè)的尾礦庫管理一般由其選礦廠負(fù)責(zé)，國(guó)有企業(yè)一般會(huì)配備專門的尾礦班組，而民營(yíng)企業(yè)則只有從屬于選礦廠的尾礦工從事尾礦庫管理，而礦山企業(yè)管理尾礦庫的技術(shù)人員多為兼職，不會(huì)有相應(yīng)水工專業(yè)的人員從事尾礦庫管理，因此現(xiàn)有大多數(shù)礦山企業(yè)的尾礦庫管理處于一個(gè)技術(shù)水平不高的階段。

尾礦庫的管理缺少針對(duì)性;尾礦庫由設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)并建成后，所有技術(shù)資料均被企業(yè)所封存，能為其所用者不多。中介機(jī)構(gòu)三年一次的安全現(xiàn)狀評(píng)價(jià)也只是一個(gè)點(diǎn)上的評(píng)價(jià)，對(duì)尾礦庫三年間的動(dòng)態(tài)管理涉及很少。尾礦庫安全標(biāo)準(zhǔn)化工作也是建成后就擱置在一邊，走走形式，不會(huì)產(chǎn)生真正的效果。

2.1.2 尾礦庫應(yīng)急管理

尾礦庫企業(yè)均編制有尾礦庫潰壩等事故的專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，預(yù)案的編制一般由企業(yè)自身編制或委托相關(guān)中介機(jī)構(gòu)進(jìn)行編制，在編制的過程中，可能有部分企業(yè)對(duì)尾礦庫潰壩等危險(xiǎn)有害因素進(jìn)行了辨識(shí)，但也有很多預(yù)案并未進(jìn)行相應(yīng)的程序，也就是說尾礦庫潰壩影響范圍在應(yīng)急預(yù)案中的體現(xiàn)很少，或者基本上未體現(xiàn)，預(yù)案的編制很大程度上受編制人的主觀意識(shí)的影響，無法客觀體現(xiàn)尾礦庫的真實(shí)情況，在應(yīng)急預(yù)案的管理上也就形成了一種無法落實(shí)到位的現(xiàn)象。

2.2 潰壩研究成果在企業(yè)管理中的應(yīng)用及不足之處

2.2.1尾礦庫潰壩在企業(yè)管理中的應(yīng)用

尾礦庫潰壩研究體現(xiàn)了政府對(duì)其安全的重視，也體現(xiàn)了企業(yè)對(duì)尾礦庫安全管理的要求，企業(yè)需要對(duì)尾礦庫進(jìn)行潰壩分析，找出其尾礦庫選址的合理性、筑壩方式的合理性、尾礦庫安全防護(hù)措施以及應(yīng)急措施等的合理性與可行性，政府則需要對(duì)其安全隱患做到心里有底，做到有效控制所轄范圍內(nèi)的尾礦庫及其周邊相互影響的情況。

因此應(yīng)企業(yè)或政府的要求，各地尾礦庫均進(jìn)行了潰壩方面的計(jì)算，以為其日常與應(yīng)急管理提供依據(jù)，該項(xiàng)工作一般委托設(shè)計(jì)單位、安全評(píng)價(jià)中介機(jī)構(gòu)、科研單位等進(jìn)行。各單位根據(jù)自己的研究成果對(duì)尾礦庫進(jìn)行了相應(yīng)的估算，各企業(yè)也根據(jù)這些估算成果編制了自己的日常管理計(jì)劃與應(yīng)急預(yù)案，政府部門也根據(jù)這些計(jì)算成果對(duì)在用的尾礦庫進(jìn)行了相應(yīng)等級(jí)的區(qū)分對(duì)待，對(duì)于新建庫則給出了搬遷等更嚴(yán)格的要求。

2.2.2 不足之處

2.2.2.1尾礦庫潰壩研究本身的不足之處

尾礦庫潰壩研究還處于一種自發(fā)階段，比較散亂，還沒有一個(gè)十分明確的目的與出發(fā)點(diǎn)，不同的人在開展研究時(shí)各取所需，因此開發(fā)出來的成果各具特色，用處也各不相同，往往以偏概全，不能推廣應(yīng)用，其存在的不足之處為：

(1)經(jīng)驗(yàn)公式法受經(jīng)驗(yàn)的適用性影響，很難對(duì)所有類型、不同條件的尾礦庫進(jìn)行全面概括。

(2)數(shù)值模擬法的邊界條件設(shè)定受不同人的經(jīng)驗(yàn)影響，差別極大，且使用軟件的流變模型等與尾礦庫潰壩泥石流的適用性有多大還未經(jīng)過全面論證。

(3)尾礦庫潰壩模擬試驗(yàn)條件與潰壩現(xiàn)狀相差太大，不能代表潰壩后的實(shí)際泥流，且模擬那么大的庫，究竟有多少尾礦能從壩中潰出，是一個(gè)值得研究的問題，憑什么會(huì)全潰，如果全潰有什么條件，都沒有給出說明，因此尾礦潰出量是個(gè)值得思考的問題。試驗(yàn)中只對(duì)壩高加以對(duì)應(yīng)，而庫內(nèi)其他條件如庫容、尾礦的含水率、庫內(nèi)積水量、瞬時(shí)來水量、匯水面積、尾礦庫溝谷形態(tài)、尾礦庫堆積形態(tài)等考慮太少。模型的可比性與相似性等比例參數(shù)無可供參考的經(jīng)驗(yàn)，也未作出相應(yīng)的相似性比例研究及規(guī)定等。

2.2.2.2潰壩研究在實(shí)際應(yīng)用中的中足之處

如前所述，正因?yàn)槲驳V庫潰壩研究還處于一個(gè)初級(jí)階段，導(dǎo)致其應(yīng)用也處于一種自發(fā)的、零散的階段，還存在很多不足，如：

(1)企業(yè)需要的是可以根據(jù)尾礦庫不同時(shí)期，不同的條件來快速計(jì)算與標(biāo)出潰壩危險(xiǎn)的范圍，為其管理工作提供依據(jù)，應(yīng)好用、易用、易推廣，易利用現(xiàn)有的資料?，F(xiàn)狀：一般由設(shè)計(jì)單位、中介機(jī)構(gòu)、科研單位等對(duì)尾礦庫潰壩可能產(chǎn)生的后果進(jìn)行估算，而且一般算法都是滿庫全潰，比較偏于保守，不利于企業(yè)的管理和工作的推進(jìn)。

(2)現(xiàn)在國(guó)家推行的無尾礦山的概念，雖說對(duì)已有的尾礦庫影響不大，但其對(duì)新建庫、擴(kuò)建庫或者主要充填使用的尾礦減少入庫等方面的影響很大，一則給尾礦庫的使用年限延長(zhǎng)，工作狀態(tài)、尾礦固結(jié)狀態(tài)發(fā)生改變，使尾礦庫變得更加結(jié)實(shí)、穩(wěn)定，同時(shí)也有可能不再使用到設(shè)計(jì)標(biāo)高了，從而使中介機(jī)構(gòu)根據(jù)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行的計(jì)算更加偏于保守，不利于資金和資源的節(jié)約。

(3)現(xiàn)有模型均由技術(shù)人員根據(jù)所涉及的尾礦庫量身定做，不具備普遍性，甚至一個(gè)因素的變化也可能導(dǎo)致其誤差過大，而且尾礦庫的潰壩由多種因素造成的，只考慮了單一因素的數(shù)學(xué)模型無法覆蓋所有潰壩機(jī)理，也沒有一種方法可以對(duì)不同的尾礦庫可能涉及的潰壩機(jī)理進(jìn)行分類，從而影響了潰壩研究成果在實(shí)際管理中的應(yīng)用。

3 尾礦庫潰壩研究趨勢(shì)的思考

3.1 潰壩研究需解決的問題

當(dāng)前潰壩研究中需要解決的問題為：

(1)從理論上建立與實(shí)際相符的潰壩機(jī)理理論。潰壩機(jī)理的研究可以促進(jìn)尾礦庫運(yùn)行規(guī)律的研究，找出尾礦庫運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)，采用工程、管理、應(yīng)急等手段來盡可能消除不利因素的影響，從而為尾礦庫的運(yùn)行管理提供正確的思路與方向。

(2)從尾礦庫管理的層面上需要建立一個(gè)全面、通用的潰壩計(jì)算模擬模型，使其能廣泛的使用于各種類型的尾礦庫以及管理企業(yè)，并形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以為企業(yè)日常管理及應(yīng)急管理提供相應(yīng)的、可供參考的依據(jù)。

3.2 潰壩研究的重點(diǎn)方向

個(gè)人認(rèn)為，尾礦庫潰壩研究有了一個(gè)好的開始，但如何走得更好，應(yīng)從以下幾個(gè)方面作為重點(diǎn)突破口：

(1)加強(qiáng)尾礦庫潰壩機(jī)理的研究，從理論上建立與尾礦庫實(shí)際運(yùn)行情況相似的模型，利用現(xiàn)有的一些流體變形的模型，解決尾礦庫潰壩的機(jī)理以及潰壩泥石流的流態(tài)問題，以為尾礦庫潰壩模型的建立及尾礦庫管理工作提供理論依據(jù)。

(2)試驗(yàn)中流速流量的測(cè)定及其變化規(guī)律，應(yīng)有詳盡的數(shù)據(jù)，應(yīng)解決提出的流態(tài)問題，作出相應(yīng)的計(jì)算模型以供應(yīng)用，還應(yīng)根據(jù)不同的下游地形條件建立相應(yīng)的流態(tài)變化規(guī)律模型。

(3)針對(duì)不同條件的尾礦庫怎么確定其潰壩的方式、范圍及潰壩量，要作出研究，并提出相應(yīng)的規(guī)律，以供廣大技術(shù)人員參考使用。

4 總結(jié)

尾礦庫潰壩研究工作在國(guó)內(nèi)發(fā)展很快，但遠(yuǎn)未達(dá)到理想的效果，尤其是在提供企業(yè)應(yīng)用的時(shí)候還存在很多意想不到的難點(diǎn)與缺點(diǎn)，需要去研究解決，而這其中尤為重要的是需要建立一種簡(jiǎn)單有效易用的計(jì)算模型，以供企業(yè)尾礦庫管理的技術(shù)人員以及中介機(jī)構(gòu)的技術(shù)人員使用的統(tǒng)一的模型，是以后工作中需要解決的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

1.張力霆. 尾礦庫潰壩研究綜述[J]. 水利學(xué)報(bào), 2013, (5).

2.鄭欣，許開立，魏勇. 尾礦壩潰壩致災(zāi)機(jī)理研究[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2008,4(5).

3.魏勇，許開立，鄭欣. 常見潰壩模型綜述[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2009, (4).

4.于廣明, 宋傳旺, 潘永戰(zhàn)等. 尾礦壩安全研究的國(guó)外新進(jìn)展及我國(guó)的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014.

5.王孟來, 李耀基, 李小雙等. 尾礦壩潰壩數(shù)值模擬研究[J]. 能源技術(shù)與管理, 2013, 38(2):1-3. DOI:10.3969/j.issn.1672-9943.2013.02.001.

6.李全明, 李玲, 王云海等. 尾礦庫潰壩淹沒范圍的定量計(jì)算方法研究[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 21(11):92-96. DOI:10.3969/j.issn.1003-3033.2011.11.015.

7.陳星, 朱遠(yuǎn)樂, 肖雄等. 尾礦壩潰壩對(duì)下游淹沒和撞擊的研究[J]. 金屬礦山, 2014, (12).

8.劉磊, 張紅武, 鐘德鈺等. 尾礦庫漫頂潰壩模型研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 2014, (6). DOI:10.13243/j.cnki.slxb.2014.06.006.

9.王永強(qiáng), 張繼春. 尾礦型泥石流沖擊高度的正交試驗(yàn)[J]. 現(xiàn)代礦業(yè), 2013, (12):39-42.

10.王璐璐, 蔣國(guó)勝, 蘆新建. 潰壩模型在尾礦庫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用[J]. 安全與環(huán)境工程, 2012, 19(3):33-36. DOI:10.3969/j.issn.1671-1556.2012.03.008.

11.尹志光，敬小非，魏作安等. 尾礦庫潰壩相似模擬試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, (9).