0 引言

尾礦庫作為礦山企業(yè)堆存選礦廢棄物的一個重要設施，同時也是一個危險源，它運行的好壞，不僅影響到企業(yè)的正常生產，而且對庫區(qū)周邊尤其是其下游居民的生命財產安全產生巨大的影響，在世界93種事故、公害的隱患中，尾礦庫事故名列第18位。我國尾礦庫數目龐大，雖自2008年以來，國家大量拔款對危、險庫和病庫進行綜合治理，并取得了一定的成效，但由于尾礦庫管理隊良莠不齊，尾礦庫的管理又是一個動態(tài)的過程，因此無法從根本上實現尾礦庫的本質化安全。所以開展尾礦庫潰壩相關的研究在尾礦庫日常管理及應急管理方面具有重要意義。

1 國內尾礦庫潰壩研究現狀

以2008年山西襄汾尾礦庫潰壩事故為分水嶺，國內尾礦庫潰壩研究可以分為兩個階段，一個階段是2008年之前，由尾礦庫設計單位或個別中介機構為了使自己的技術文件更具說服力或工作方便，自發(fā)地進行了一些有關尾礦庫潰壩方面的研究，并在潰壩機理研究等方面形成了一定的共識;第二個階段是2008年之后，由于國家與地方的扶持，設計院、科研院所、學校以及各種中介機構均在尾礦庫潰壩方面投入了相當的力量進行相關研究，這一階段各方學者提出的成果很多，大多數成果均集中在尾礦庫潰壩模型與潰壩泥石流演進兩個方面，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合進行論述。

1.1 尾礦庫潰壩機理研究現狀

尾礦庫潰壩過程在時空上可分為3個階段：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。以上三個階段在一個潰壩事件當中會反復出現，相互交叉，而使得潰壩過程更加復雜[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，往往是多個因素共同作用的結果，就其本質而言，潰壩機理可分為以下幾種：洪水漫頂導致尾礦壩坡失穩(wěn)而潰壩、滲流場直接誘發(fā)尾礦壩失穩(wěn)、尾礦壩壩基失穩(wěn)導致尾礦庫潰壩以及地震作用下導致尾礦庫潰壩等。[2]也正因為尾礦庫潰壩所涉及的領域較為復雜，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，若防洪、排洪能力不足或排洪設施出現問題，則庫區(qū)水位在短時間內上升較快，且其洪水來量超過尾礦庫調洪庫容及安全庫容之和時，就會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。目前關于洪水漫頂導致尾礦壩侵蝕而漸近失穩(wěn)機理的研究較少，多數為借鑒土石壩的研究成果。這類侵蝕機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行相應的漫壩流量估算，并且均假設為全庫潰出[3]-[4],[8]。

1.1.2 滲流場誘發(fā)型潰壩

作為尾礦堆積壩，由于其筑壩材料為尾礦或細粒土，其滲透系數較低，壩體滲流場對尾礦壩失穩(wěn)破壞影響極大，浸潤線(面)的高低是尾礦壩的安全系數的重要影響因素。目前對尾礦庫滲流場的研究主要包括理論方法、模型試驗和數值模擬。受地下水的影響，飽水尾礦的力學性質明顯低于干尾礦，同時浸潤線以下尾礦中的孔隙水壓力減小了尾礦壩中的有效應力，滲流場存在向下游方向的動水壓力也是不利于壩體穩(wěn)定的因素;當尾礦壩承受不了邊坡下滑力時，就會造成尾礦壩深層剪切滑移破壞，這種類型破壞歷時短，泄砂量大，潰壩后泥石流演進速度快、沖擊強度大，往往對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

當壩基存在軟弱夾層或破裂面時，在巨大的邊坡偏心力的作用下，也極易導致壩體失穩(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破壞過程中，壩體基本沒有大的變形，類似剛體滑動，但對壩體的整體強度卻有極大的破壞作用。目前對于尾礦壩的穩(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

地震作用導致尾礦庫發(fā)生潰壩的機理主要表現為地震導致浸潤線之下的尾礦液化，使得尾礦抗剪強度瞬間大幅降低，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，一種采用動力時程分析法。擬靜力法是一種用靜力學方法近似解決動力學問題的簡易方法，由于其簡單易行而被廣泛應用[3]-[4]。

1.2 尾礦庫潰壩演進研究現狀

1.2.1 模型試驗法

國內部分學者[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相似等條件)結合某一具體尾礦庫的特征進行尾礦庫潰壩模型研究，模擬漫頂潰壩、潰壩泥石流演進、泥石流沖擊力強度、淹沒范圍，取得了一些經驗公式和潰壩泥石流的演進規(guī)律，可用于某種潰壩狀態(tài)、環(huán)境下的潰壩泥石流演進分析。

1.2.2 經驗公式法

工程類比法是尾礦庫潰壩泥石流演進常用的一種方法，潰壩泥石流與其他類型泥石流的基本特點是相同的，潰壩泥石流的流量、流速等可參考泥石流的相關經驗公司進行估算，同是借鑒水庫潰壩后水流的演進模式，來對尾礦庫的總泄砂量、潰口寬度、最大流量、流量過程線等進行估算，同進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與安全區(qū)域范圍[14]-[17]。

1.2.3 數值模擬法

國內外很多學者[5]-[6]基于成熟的流體模型，考慮分散應力、侵蝕與淤積等作用，提供泥石流的流變參數和泥石流演進的微分方程并求解，以期通過對材料流變性質的闡述獲得尾礦壩潰壩泥石流的真實流態(tài)，通過Fluent 3D等軟件來進行分析，并與模型試驗結果相對比、調整，從而達到預測和模擬尾礦壩潰壩后下游泥石流演進過程及尾礦淤積區(qū)域。

1.2.4 滑坡滑移法

郭天勇[18]將尾礦庫潰壩簡化成潰壩滑坡體，根據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和剛體沿圓弧曲面滑動的2種滑動模型，分別建立了潰壩滑坡體滑移距離的計算公式，重點分析了擴散角摻氣深度空氣阻力滑移體高度殘余強度撞擊動壓力和攔擋壩等尾礦庫潰壩發(fā)生滑移所涉及到的幾個主要問題。

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責，國有企業(yè)一般會配備專門的尾礦班組，而民營企業(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)管理尾礦庫的技術人員多為兼職，不會有相應水工專業(yè)的人員從事尾礦庫管理，因此現有大多數礦山企業(yè)的尾礦庫管理處于一個技術水平不高的階段。

尾礦庫的管理缺少針對性;尾礦庫由設計院設計并建成后，所有技術資料均被企業(yè)所封存，能為其所用者不多。中介機構三年一次的安全現狀評價也只是一個點上的評價，對尾礦庫三年間的動態(tài)管理涉及很少。尾礦庫安全標準化工作也是建成后就擱置在一邊，走走形式，不會產生真正的效果。

2.1.2 尾礦庫應急管理

尾礦庫企業(yè)均編制有尾礦庫潰壩等事故的專項應急預案，預案的編制一般由企業(yè)自身編制或委托相關中介機構進行編制，在編制的過程中，可能有部分企業(yè)對尾礦庫潰壩等危險有害因素進行了辨識，但也有很多預案并未進行相應的程序，也就是說尾礦庫潰壩影響范圍在應急預案中的體現很少，或者基本上未體現，預案的編制很大程度上受編制人的主觀意識的影響，無法客觀體現尾礦庫的真實情況，在應急預案的管理上也就形成了一種無法落實到位的現象。

2.2 潰壩研究成果在企業(yè)管理中的應用及不足之處

2.2.1尾礦庫潰壩在企業(yè)管理中的應用

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

因此應企業(yè)或政府的要求，各地尾礦庫均進行了潰壩方面的計算，以為其日常與應急管理提供依據，該項工作一般委托設計單位、安全評價中介機構、科研單位等進行。各單位根據自己的研究成果對尾礦庫進行了相應的估算，各企業(yè)也根據這些估算成果編制了自己的日常管理計劃與應急預案，政府部門也根據這些計算成果對在用的尾礦庫進行了相應等級的區(qū)分對待，對于新建庫則給出了搬遷等更嚴格的要求。

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，還沒有一個十分明確的目的與出發(fā)點，不同的人在開展研究時各取所需，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，不能推廣應用，其存在的不足之處為：

(1)經驗公式法受經驗的適用性影響，很難對所有類型、不同條件的尾礦庫進行全面概括。

(2)數值模擬法的邊界條件設定受不同人的經驗影響，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過全面論證。

(3)尾礦庫潰壩模擬試驗條件與潰壩現狀相差太大，不能代表潰壩后的實際泥流，且模擬那么大的庫，究竟有多少尾礦能從壩中潰出，是一個值得研究的問題，憑什么會全潰，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值得思考的問題。試驗中只對壩高加以對應，而庫內其他條件如庫容、尾礦的含水率、庫內積水量、瞬時來水量、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無可供參考的經驗，也未作出相應的相似性比例研究及規(guī)定等。

2.2.2.2潰壩研究在實際應用中的中足之處

如前所述，正因為尾礦庫潰壩研究還處于一個初級階段，導致其應用也處于一種自發(fā)的、零散的階段，還存在很多不足，如：

(1)企業(yè)需要的是可以根據尾礦庫不同時期，不同的條件來快速計算與標出潰壩危險的范圍，為其管理工作提供依據，應好用、易用、易推廣，易利用現有的資料?，F狀：一般由設計單位、中介機構、科研單位等對尾礦庫潰壩可能產生的后果進行估算，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。

(2)現在國家推行的無尾礦山的概念，雖說對已有的尾礦庫影響不大，但其對新建庫、擴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，工作狀態(tài)、尾礦固結狀態(tài)發(fā)生改變，使尾礦庫變得更加結實、穩(wěn)定，同時也有可能不再使用到設計標高了，從而使中介機構根據原有數據進行的計算更加偏于保守，不利于資金和資源的節(jié)約。

(3)現有模型均由技術人員根據所涉及的尾礦庫量身定做，不具備普遍性，甚至一個因素的變化也可能導致其誤差過大，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學模型無法覆蓋所有潰壩機理，也沒有一種方法可以對不同的尾礦庫可能涉及的潰壩機理進行分類，從而影響了潰壩研究成果在實際管理中的應用。

3 尾礦庫潰壩研究趨勢的思考

3.1 潰壩研究需解決的問題

當前潰壩研究中需要解決的問題為：

(1)從理論上建立與實際相符的潰壩機理理論。潰壩機理的研究可以促進尾礦庫運行規(guī)律的研究，找出尾礦庫運行中的薄弱環(huán)節(jié)，采用工程、管理、應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全面、通用的潰壩計算模擬模型，使其能廣泛的使用于各種類型的尾礦庫以及管理企業(yè)，并形成一個統(tǒng)一的標準，以為企業(yè)日常管理及應急管理提供相應的、可供參考的依據。

3.2 潰壩研究的重點方向

個人認為，尾礦庫潰壩研究有了一個好的開始，但如何走得更好，應從以下幾個方面作為重點突破口：

(1)加強尾礦庫潰壩機理的研究，從理論上建立與尾礦庫實際運行情況相似的模型，利用現有的一些流體變形的模型，解決尾礦庫潰壩的機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。

(2)試驗中流速流量的測定及其變化規(guī)律，應有詳盡的數據，應解決提出的流態(tài)問題，作出相應的計算模型以供應用，還應根據不同的下游地形條件建立相應的流態(tài)變化規(guī)律模型。

(3)針對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，并提出相應的規(guī)律，以供廣大技術人員參考使用。

4 總結

尾礦庫潰壩研究工作在國內發(fā)展很快，但遠未達到理想的效果，尤其是在提供企業(yè)應用的時候還存在很多意想不到的難點與缺點，需要去研究解決，而這其中尤為重要的是需要建立一種簡單有效易用的計算模型，以供企業(yè)尾礦庫管理的技術人員以及中介機構的技術人員使用的統(tǒng)一的模型，是以后工作中需要解決的重點。

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