（安全技术及工程专业论文）尾矿库危险性分级.pdf

q 一 z t ? ，一 ，j ad i s s e r t a t i o ni ns a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g r i s kc l a s s i f i c a t i o no f t a i l i n gp o n d b yl i uj i a x i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx u k a i l i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 _l 。 y i j 。 一- g p 一 o = m a x s e ”j ( 1 3 ) 式中石一系统组成要素集； 尼一系统组成要素的相关关系集； d 一系统要素及其相关关系在阶层上的可能分布形式； 尸一x 月c 的结合效果函数； 伊一表示这个函数是对应于某个条件； d 一尸一 d 表示尸函数相应于环境因素约束集的条件下； 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 f 拳毒一尸函数在两个对应条件下所能得到的最优结合效果； s 一系统结构的各个阶层； 从工业安全角度来看，( 1 2 ) 式表示具有最安全结合效果的系统结构中能 给出最好的安全输出系统，即s 叫。 显然，对系统安全性评价就是寻求x r c 的最安全的结合形式，即具有 最优结合效果f 木木的系统结构形式和在f 书幸条件下给出最优安全条件的输出系 统s o p t 。系统的要素集，关系集以及阶层关系的分析，说明了系统整体的性质。 为了衡量和分析评价系统的整体效果，必须建立评价指标体系。任何事物的 变化都不是孤立的，都是在其它事物的发展变化相互影响过程中确定其轨迹。如 化学物质的火灾爆炸危险与物质的闪点燃点、爆炸极限密切相关，与其沸点、状 态也有关。深入分析事物的依存关系和影响程度是揭示它的变化特征和规律的有 效途径，并可用以预测其未来状态。相关是两种或两种以上客观现象之间的依存 关系。对自变量和因变量依存关系密切程度的研究称为相关性分析。相关性分析 能透过错综复杂的现象，测定其相关程度，揭示其内在联系，由于安全评价不能 通过实验方法进行分析，所以相关性分析就显得特别重要。利用事故发展过程中 的相关性进行评价时，如能找到一个或几个与评价对象密切相关的、可控的因子， 或者是可以预先知道其变化情况的变量，利用历史数据建立起它们与评价对象之 间的数学模型会收到较好的评价效果。 在利用事物发展过程中相关性进行评价之前，首先要确定事物之间是否有相 关性，不具备相关性，或相关性太小，是难以建立相关模型的。相关原理有助于 指导评价者深入研究评价对象与相关事物的关系，有助于评价者对评价对象所处 环境进行全面分析，因此，相关原理是系统因果评价的理论基础。 ( 3 ) 类推与概率推断评价原理 如果两个不同事物之间的相互联系规律是已知的，则可利用先导事件的发展 概率来评价迟发事件的发展趋势，这就是所谓的类推评价。类推评价的前提条件 就是寻找类似事件。对安全管理而言，不管技术如何进步，管理如何先进，而安 全原理，事故发生与预防原理却是不变的。类推法是经常使用的一种安全评价方 法，类推法的种类及其应用领域取决于评价事件与先导模型之间的联系性质。具 体类推方法有： 平衡推算法：根据相互依存的平衡关系来推算所缺有关指标资料的方法； 代替推算法：利用有密切联系的有关资料来代替所缺少的资料项目的方 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 法； 因素推算法：根据指标之间的因素联系，从已知因素、数值来推算未知指 标数； 抽样和典型推算法：根据抽样调查和典型调查资料来代替所缺少的资料项 目的方法： 比例推算法：根据社会经济现象的内在联系，从某一时期、地区、部门、 和单位的实际比例推算另一类似时期、地区、部门和单位有关指标的方法。 系统的不确定性分析和概率判断在推断评价中非常重要，由于复杂的不安 全因素和多种变量呈随机变化的形式，而正是这随机变化的不确定性给预测评价 工作又带来了很大的困难。例如，某个车间下个月的安全生产状态可能很好，可 能一般，也可能事故频频，事先难以确定。影响的因素越多，关系越复杂，评价 对象的未来状态就越难估计。 所谓不确定性，即一个系统在发展过程中的状态是随时间进程而变化的，如 果系统在任何时刻的状态都是随机性的，则其变化过程就是一随机过程。在安全 评价中，采用概率论和数理统计方法求出随机事件概率，然后根据概率判断准则 去推测评价对象的未来状态。 根据小概率事件判断准则，如果某项评价结果的概率非常小，则认为该结果 不可能发生，反之评价结论成立，在实际应用中概率应伴随评价结果同时给出。 ( 4 ) 惯性原理 可以说没有一种事物的发展与其过去的行为没有联系，任何事物的发展都带 有一定的延续性，这个特点称为惯性。惯性表现为趋势外推、惯性大小和延续性。 利用事物发展具用惯性这一特点进行评价是有条件的，一般以系统的稳定性为前 提。但是由于生产环境非常复杂，系统的安全性又易受各种偶然因素的影响，所 以绝对稳定的系统是不存在的。因此在应用惯性原理进行安全评价时，一方面要 抓住惯性发展的主要环节，另一方面还要研究可能出现的偏离现象和偏离程度。 上述的一个理论和三个基本原理是人们经过长期研究和实践后总结出来的， 在实际的评价过程中，人们用上述原理指导分析评价，并加以综合应用。在掌握 了评价的基本原理后，人们可以建立正确的思维程序，遵循科学的评价原理，做 出令人信服的评价工作。 1 2 2 2 尾矿库危险性评价 ! 尾矿库安全现状评价的目的是查找出尾矿库建设运行过程中存在或可能出 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 现的危险因素，提出科学、合理、可行的安全技术调整方案与安全管理对策，以消 除危险因素，使尾矿库达到安全运行的目的。尾矿库的安全评价程序及要求是依 据尾矿库安全技术规程。尾矿库的安全评价体系与方法，目前尚无统一的规 范基本上还处于探讨、摸索阶段。在评价体系与方法的选择、定性定量评价内容 的深度与广度、评价指标的确定等方面，由于评价人员专业水平的不同，编制出的 评价报告质量差异较大。作者通过收集的资料和对尾矿库现场调查研究，对尾矿 库的评价体系与方法进行分析探讨，并结合对尾矿库安全评价工作，编制出了具有 较为科学、合理、可操作的尾矿库评价指标体系( 详见第3 章) 。 1 2 3 危险性分级方法现状及发展趋势 由于评价实施过程特点的限制，定性危险性评价方法对评价人员的要求过 高，再加上人的主观判断容易出错，所以定性危险性评价方法和定量危险性评价 方法比起来，应用范围有很大的局限性，因此本文主要对定量危险性评价方法进 行讨论。 1 2 3 1 危险指数评价法 危险指数评价法是由美国道化学公司首创的、一种比较成熟的评价方法。它 开创了化工企业定量危险性评价的先例。这种方法以物质系数为基础，另外考虑 对特定物质、一般工艺或特殊工艺的危险修正系数，求出火灾爆炸指数，然后根 据火灾爆炸指数的大小来划分危险程度级别。该方法于1 9 6 4 年发布了第一版， 1 9 9 4 年发布了第七版。此种评价方法包括评价危险物质及工艺过程的火灾爆炸 危险性和评价一旦发生事故造成经济损失的情况。 1 9 7 4 年英国帝国化学公司( i c i ) 的蒙德( m o n d ) 部门在道化学公司火灾 爆炸指数评价法的基础上，增加了毒性指标。 荷兰劳动总管理局提出的单元危险性快速排序法得到国际劳工局的推荐。该 种方法是道化学公司火灾爆炸指数法的简化方法，使用起来简捷方便，容易推广。 自从2 0 世纪8 0 年代初期以来，我国陆续开发了具有我国特色的评价方法。如 化工厂危险程度分级方法、光气及光气化产品生产装置安全评价方法、火炸药和 弹药企业重大危险源评估方法，冶金工厂( 冶炼) 危险程度分级方法等。 我国在“八五 期间对易燃、易爆、有毒重大危险源辨识评价技术进行了研 究，并取得了重要成果。其中之一就是有易燃、易爆、有毒重大危险源的评价方 法，此种方法将危险性评价分为固有危险性评价和现实危险性评价。固有危险性 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 评价分为事故易发性评价和事故严重度评价两部分。其中的事故易发性评价吸收 了上述各种方法的优点，在建立火灾、爆炸、毒物泄漏模型的基础上，考虑了人 口密度、财产分布密度和气象、环境条件等因素，可达到定量评价事故后果严重 度的水平。 在各种评价方法中，比较著名的评价方法是道化学公司的火灾爆炸指数法。 它是一种比较成功的评价方法，解决了有关行业的许多安全问题，在许多国家获 得了应用。但是，其评价参数取值范围过宽，选用时缺乏一定标准，因而难于保 证评价结果的精度。英国帝国化学公司的蒙德法是对道化学公司的火灾爆炸指数 法的补充和完善。其最大局限性是很难保证综合危险性指标修正结果的准确性。 1 2 3 2 概率危险性评价 概率危险性评价( p r o b a b i l i s t i c 砒s ka s s e s s m e n t ，p r a ) 起源于核电站安全性 的研究，这方面的研究以拉氏姆逊的工作最为著名。概率危险性评价是以某种伤 亡事故或财产损失事故的发生概率为基础进行的系统危险性评价，它主要采用故 障树和事件树分析方法。这种方法早已应用于化工系统的危险性评价。在实际应 用中，该法在美国和大多数的欧洲国家获得了显著的效果。例如，欧共体要求对 正在运行的1 8 0 0 个危险装置进行概率危险性评价。目前在国外仍然是广泛应用 的方法之一。 由于概率危险性评价耗费人力、物力和时间，它最适合以下几种系统的危险 性评价【6 】： ( 1 ) 一次事故也不允许发生的系统，如洲际导弹、核电站等； ( 2 ) 其安全性受到世人瞩目的系统，如宇宙航行、海洋开发工程等； ( 3 ) 一旦发生事故会造成多人伤亡或严重环境污染的系统，如民航飞机、 矿山、海洋石油平台、石油化工和化工装置等。 1 2 3 3 模糊评价法 模糊评价法是随着模糊数学的迅速发展而出现的一种全新的评价方法。由于 定性评价法主要借助于专家的知识和经验进行判断，其结果有时难免会因为人的 认识差异而出现较大的偏差，进而影响评价的客观性，而定量评价法又缺乏一定 的全局观，计算较复杂，再加上模糊数学理论能很好地解决在生产和生活中大量 存在的内涵和外延都不明确的模糊概念，因而模糊评价法一经出现便获得了广泛 的应用。! 就目前来说，模糊评价法主要可以分为模糊综合评价法和模糊聚类分析法。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 模糊综合评价法是一种应用十分广泛的方法，尤其是在系统危险性评价领域，它 体现了系统安全状态的模糊性的客观现实，使得评价中的数据易于测取。模糊安 全评价目前已在海上钻井系统中获得了广泛的应用，海上装置和钻井要经常使用 新装置和新技术，从而也增加了新的设计和操作规则，因此在应用传统的安全评 价方法时就遇到了很大的困难，而模糊安全评价法就更适用于这种没有确定的安 全数据的情况。模糊聚类分析法可以对系统危险性进行预测评价和系统危险性评 价。 1 2 3 4 其它评价方法及评价学发展趋势 除了以上所介绍的评价方法以外，另外还有神经网络评价法、层次分析法、 改进的层次分析法、故障树分析法、模糊故障树分析法、灰色评价法及改进的灰 色评价法、事故致因突变模型评价法等等。虽然这些将新的理论、新的数学方法 引入危险性评价所形成的新的评价方法尚不够完善，但却为危险性评价的研究开 辟了新的领域。 无论是何种评价方法，其目的都是给出被评价对象的危险状态及后果情况。 事故致因理论研究表明，导致事故发生的原因是人的不安全行为和物( 包括环境) 的不安全状态的交叉，也可以说是能量的意外释放或系统内能量、物质和信息的 不正常流动。人的行为、物的状态和能量的释放等都可以通过开发出工程学的方 法来描述，即可以实现由工程学的方法来预测系统一旦发生事故后的性状。如果 将这种工程学的思想应用到系统的危险性评价中，那么将可使评价的过程更趋于 合理、评价的结果更准确地反映系统客观的实际情况，从而可以指导人们采取更 加科学的措施预防事故的发生，把系统的危险状态控制到人们可以接受的范围之 内，避免无谓的损失。这种工程化的危险性评价方法是评价领域以后的一个重要 的研究方向。 1 3 本论文研究内容及研究方法 本论文运用现代系统安全理论，在深入、细致地分析、辨识尾矿库总体危险 有害因素的基础上，建立尾矿库危险评价指标体系，并编制安全检查表采集必要 基础数据计算分析，运用基于模糊模式识别模型的多层次模糊综合评价法，对尾 矿库总体危险性进行评价，得出选厂尾矿库总体安全状况，最后得出尾矿库危险 性的等级。! 主要内容如下： 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 运用系统安全理论和模糊数学理论，参考国内外常用分级方法，总结 出尾矿库系统危险性分级的评价方法。 ( 2 ) 深入、细致的分析尾矿库危险有害因素和重大危险源辨识相关内容。 ( 3 ) 建立尾矿库危险性评价指标体系。 ( 4 ) 编制安全检查表，以便收集必要基础数据。 ( 5 ) 研究模糊理论，建立模糊模式识别和多层次模糊综合评价模型。 ( 6 ) 以抚顺红透山铜矿尾矿库为例，对其总体危险性进行评价，得出该库 安全状况，最后得出尾矿库危险等级。 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 第2 章尾矿库危险有害因素分析 2 1 引言 金属或非金属矿山采出的矿石，经选矿厂选出有价值的精矿后产生砂一样的 “废渣”，就叫做尾矿。这些尾矿不仅数量大，有些还含有目前不能回收的有用 成分，如随意排放，就会造成资源的流失，更主要的是会大面积覆没农田，淤塞 河道，造成严重的环境污染，因此必须妥善处理。将选矿厂排出的尾矿送往指定 地点堆存或利用的技术就叫做尾矿处理。为尾矿处理所建造的构筑物系统就叫做 尾矿设施。 尾矿设施通常由以下四部分组成：尾矿水力输送系统、尾矿回水系统、尾矿 堆存系统、尾矿水处理系统。尾矿堆存系统即通常所说的尾矿库，包括库区、尾 矿坝、排洪构筑物和坝的观测设备等，用以贮存选矿厂排出的尾矿。 尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流的危险源，是矿山生产最大的危险 源。在长达数十年的时间里，各种天然的和人为的不利因素威胁着它的安全。事 实一再表明，尾矿库一旦失事，将给工农业生产及下游人民生命财产造成巨大的 灾害和损失。 2 2 尾矿库 尾矿库是选择有利地形筑坝拦截谷口或围地够成的，用以贮存金属非金属矿 山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。 2 2 1 尾矿库的基本术语 尾矿坝：挡尾矿和水的尾矿库外围构筑物，常泛指尾矿库初期坝和堆积坝的 总体。 初期坝：基建中用作支撑后期尾矿堆存体的坝。 后期坝：生产过程中在初期坝坝顶上用尾矿充填堆筑而成的坝。 坝高：坝顶与坝轴线处坝底的高差。 沉积滩：水力冲积尾矿形成的沉积体表层，常指露出水面部分。 滩顶：沉积滩面与堆积坝外坡的交线，为沉积滩的最高点。 最小干滩长度：设计洪水位时，由滩顶至库内水边线的水平距离。 最小安全超高：规定的尾矿坝沉积滩顶至设计洪水位的高差的最小允许值。 1 6 东北大学硕士学位论文 第2 章尾矿库危险有害因素分析 尾矿库的库容随着堆积高度的增大而逐渐增大。某一堆积标高时，坝顶水平 面f e 以下，尾矿堆外坡面、初期坝内坡面f g a 以内和库底地面a b e 以上区间 所形成的空间( 如图2 1 中的a e f g 部份) 称为全库容。根据设计生产年限内选矿 厂排出的总尾矿量确定的最终堆积标高时的全库容称为总库容。 全库容可进一步分为有效库容、调洪库容和安全库容。 有效库容：如图2 1 中a b f g 部份，它是尾矿库实际可容纳尾矿的库容。 最终堆积标高时的有效库容称为总有效库容，它表示一个尾矿库最终能容 纳多少尾矿量。 调洪库容：如图2 1 中i h c d 部份，它是用来调节洪水的库容。这部份库 容库容在j 下常生产情况下不允许被尾矿或水侵占。 安全库容：如图2 1 中f i d e 部份，它是防止洪水漫坝，确保坝的安全预留 出的安全储备库容。这部份库容是任何时候都不允许被尾矿或水侵占。 2 2 2 尾矿库类型及特点 图2 1 尾矿库库容 尾矿库通常可分为三种类型，即：山谷型( 有时将之细分为跨谷型和谷底 型) 、傍山型和平地型( 也叫环型) 。其特点见表2 2 2 4 。 表2 1 尾矿库的型式及特点 库型初期坝平面形式特点 备注 山谷初期坝短，工程量小，基建费省，尾矿堆坝工作量 在谷口一面筑坝 见图2 2 型小，管理维护简单，应优先选用 傍山 利用山坡阶地两 见图2 3 型面或三面筑坝 初期坝长，工程量大，基建费高，管理维护复杂， 平地 安全性差，只在无合适的山谷做尾矿库时才选用 在平地四周筑坝 见图2 4 型 东北大学硕士学位论文 第2 章尾矿库危险有害因素分析 图2 2 山谷型尾矿库 图2 3 傍山型尾矿库 2 2 3 尾矿库的等级划分 图2 4 平地型尾矿库 一般来说，尾矿库的库容越大，坝高越高，其基建费就越高，失事后对下游 可能造成的灾害就越重，因而其重要性也就越大。 尾矿库的等别体现了尾矿的重要性，它是根据全库容和坝高两个因素，由表 2 2 和表2 3 确定。 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 表2 2 尾矿库的等级 尾矿库等级全库容( 万m 3 )坝高( m ) 二等库具备提高等别条件者 v 1 0 0 0 0h 1 0 0 10 0 0 v 1 0 0 0 0 6 0 h 1 0 0 四 1 0 0 v 1 0 0 03 0 h 6 0 五v 1 0 0h 3 0 表2 3 尾矿库构筑物的级别 构筑物的级别 尾矿库等级 主要构筑物次要构筑物临时构筑物 l34 234 355 四 4 5 5 五555 注：主要构筑物指尾矿坝、库内排水构筑物等失事后难以修复的构筑物；次要构筑物指失事 后不致造成下游灾害或对尾矿库安全影响不大并易于修复的构筑物；临时构筑物指尾矿 库施工期临时使用的构筑物。 当用库容和坝高两个因素分别确定出的等别相差一等时，尾矿库等别应按高 的确定；当相差大于一等时，则应按高的降低一等确定。另外，如果尾矿库失事 会使下游重要城镇、工矿企业或重要铁路干线遭受严重灾害者，尾矿库的等别要 提高一等。 由于尾矿库是不断堆坝的，尾矿库的库容和坝高逐渐增大，因此，尾矿库使 用后期的等别常较初期或中期高些。 2 2 4 尾矿库的选址 尾矿库址选择是影响尾矿库安全最重要的因素之一。尾矿库系统设计的目标 是：采用当前最先进的科学技术封贮尾矿，以使未来的污染物释放率最小，最好 在无需监察和维护的条件下满足长期贮积尾矿的需要。 每个可能的备选库址都有一定的优点和缺点，必须与采选作业结合起来加以 考虑。尾矿库址选择最常用的方法是筛选，即对备选库址通过若干个约束饮食店 1 9 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 综合考察，优选劣汰，确定出最佳的尾矿库址。这些约束因素主要有如下几个方 面。 ( 1 ) 相对选厂的距离和高程 相对选厂的距离和高程是极重要的因素，它直接关系到尾矿浆和循环水输送 系统的初期建设费、作业费和能源消耗。应当尽可能地靠近选厂选取尾矿库，除 了需要极大贮积库容或者需要极良好地质条件的特殊情况外，一般最初选取范围 约距选厂8 k m 之内为宜。即使需要极大贮积库容，可能在选厂附近建设几个小 型尾矿库也比远距离建一个大型尾矿库更优越。 尾矿库最好选在选厂的下坡，使尾矿浆重力流动，降低泵送成本，通常，以 百分之几的平均坡度最为适宜，较陡的坡度可能需要在尾矿输送管路上加设缓流 箱，同时也将增大循环水返回选厂的泵送成本。 ( 2 ) 地形 经过距离和高程因素筛选之后，天然地形即成为决定性因素。通常，在适当 比例地形图上寻找适宜的天然谷地或凹陷区，凭借经验对每个可能的场地反复进 行坝一库的试布置和比较，以求以最少量的筑坝材料最大限度的达到所要求贮积 容量。 ( 3 ) 水文 与地形因素密切相关的是地表水文因素，目标是选择正常条件和洪水条件下 地表径流流入量或流出水量最小的尾矿库址。地表水流入库内的水量与汇水面积 成正比，为使流入量最小，避免水处理量过大，应尽可能地把尾矿库布设在流域 上部靠近分水岭区，一般地，总汇水面积以小于尾矿库面积的5 1 0 倍为宜。 水文因素影响主要来自三个方面。其一是大气降雨，其二是地表径流，其三 是河流。暴雨径流和河流控制可能是初期投入极大的长期项目。在确定坝址和坝 结构时，应考虑适当的设计流量；为把地表水引出库区，可采用河流引水渠、周 边排水沟、盲沟；为加速径流，设计适当地面坡度，或采用不透水材料覆盖地表； 同时，应在建库之前，测定河流的原始水质数据。 ( 4 ) 地质 地质因素影响坝基条件和潜在的渗流速率。软弱基础可能危及坝总体稳定 性，可能因不适当的孔隙压力消散而限制坝体升高的允许速度，其影响方式如同 尾矿泥限制坝升高一样。此外，尾矿库的渗漏通常受下伏天然土壤或岩层的渗透 性控制。应当指出，决定尾矿库性能的往往不是一般地质条件，而是关键性地质 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 因素。如果发现与地质因素有关的“致命缺陷”，便可以提早识别和放弃。 ( 5 ) 地下水 地下水的当前状态在尾矿库选址中也起重要作用。天然地下水位高及土壤饱 和必将限制初期筑坝所取用干材料的数量，同时亦必将使选矿废水迅速渗入地下 水系，如果尾矿库底与地下水位之间的非饱和带很长的话，可以减少这种渗漏影 响，地下水渗流方向和梯度将决定未来污染物迁移的速度和对地下水用户的可能 不利影响，地下水原水质将决定废水渗漏对其水质的影响。 ( 6 ) 岩土材料 土的特性和可利用性也是尾矿库选址的重要因素，必须提供足够数量的天然 土构筑初期坝，还须包含各种材料类型，例如充填心墙和垫层的粘土，内部排水 带的砾石和渗滤层的砂等排水材料。对于岩土材料，需考察其成因，例如冲积、 残积、塌积等；需考察土壤风化作用，土壤特性随时间的变化；需考虑土壤阳离 子交换和溶滤作用。 ( 7 ) 尾矿性质 不同类型和性质的尾矿对尾矿库有不同的要求。应当考虑尾矿的物理性质、 化学性质、放射性和毒性及其可能的变化；尾矿状态( 浆状、干或半干) 及其输 送和排放方法；硫化物数量及分贮与否。 表2 4 列出上述各因素的基本影响。应当指出，在不同设计阶段，这些因素 在确定库址中的作用可能不同。在开始阶段，相对于选厂的距离、地形和水文因 素似为最重要因素，而在后期阶段，地质和地下水因素可能起决定性作用。经详 细地质和水文地质研究之后，若发现不利的地质条件或地下水条件，则可能必须 重新评价选址问题，甚至否定前面的选址决定。尾矿库选址还必须结合尾矿排放 规划中的其它许多因素如当地岩土材料的适用性、尾矿的特殊性质等综合考虑。 尾矿库址与坝类型、布置方案密切相关，尚需通过合理调整实现总体优化。 表2 4 影响尾矿库选址的因素 因素影响 ( 1 ) 相对选厂的距离和高程尾矿输送和返回水管路长度 泵送的基建费和作业费 ( 2 ) 地形坝的布置 筑坝材料需求量 导流的可行性 ( 3 ) 水文和汇水面积长期的水蓄积 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 洪水处理量 ( 4 ) 地质渗漏 基础稳定性 ( 5 ) 地下水渗流速率和方向 污染潜势 岩土材料的含水量 ( 6 ) 岩土材料筑坝材料的数量 防渗和排水材料适用性 ( 7 ) 尾矿性质特定工程需要 2 3 尾矿坝 2 3 1 尾矿坝坝型的分类 为了减少尾矿坝的建设投资，大、中型尾矿坝通常都是用当地土石料建一个 较矮的坝用以短时期贮存尾矿。堆满后，再利用粗粒尾矿本身逐级向上加高坝体。 前者称初期坝，后者称后期坝( 又称尾矿堆积坝) 。 初期坝可分为不透水坝和透水坝。 不透水初期坝一一用透水性较小的材料筑成的初期坝。因其透水性远小于库 内尾矿的透水性，不利于库内沉积尾矿的排水固结。当尾矿堆高后，浸润线往往 从初期坝坝顶以上的尾矿堆积坝坝坡逸出，造成坝面沼泽化，不利于后期坝坝体 的稳定。这种坝型适用于挡水式尾矿坝或尾矿堆坝不高的尾矿坝。 透水初期坝用透水性较好的材料筑成的初期坝。囚其透水性大于库内沉 积尾矿，有利于后期坝的排水固结，并可降低坝体浸润线，提高坝体的稳定性。 它是比较合理的初期坝坝型 2 3 2 尾矿堆积坝的筑坝形式 尾矿堆积坝是由尾矿堆积而成的坝，它是尾矿库中最主要的构筑物。目前， 尾矿的湿法堆积形式有上游法、中线法、下游法和水库式尾矿堆积法( 尾矿库挡 水坝) 等。 ( 1 ) 上游式堆坝法 上游式筑坝的特点是子坝中心线位置不断向初期坝上游方向移升，坝体由流 动的矿浆水力充填沉积而成，如图2 5 所示，该坝型受排矿方式的影响，往往含 2 2 东北大学硕士学位论文 第2 章尾矿库危险有害因素分析 细粒夹层较多，渗透性能较差，浸润线位置较高，故坝体稳定性较差。但它具有 筑坝工艺简单，管理方便，运营费用较低等突出优点，所以国内外均普遍采用。 图2 5 上游尾矿堆积坝 ( 2 ) 中线式堆坝法 中线式尾矿筑坝工艺用水力旋流器将尾矿分级，溢流部分( 细粒尾矿) 排向 初期坝上游方向沉积，底流部分( 粗粒尾矿) 排向初期坝下游方向。在堆积过程 中保持坝顶中心线位置始终不变。如图2 - 6 所示。 中线式堆坝法的优点是：坝顶升高到任意高度时所要求的尾砂量都较少，因 此，初期分层加高时，要求超越尾矿池面高度的困难少些。尾矿坝的上游面时要 十分谨慎，如上游充填上升速度快、坡陡坏，水位高时也可能漫项。缺点是：升 高到，会出现剪切破坏，水位高时也可能漫顶。 图2 6 中线法尾矿堆积坝 ( 3 ) 下游式堆坝法 下游式尾矿筑坝用水力旋流器将尾矿分级，溢流部分( 细粒尾矿) 排向初期 坝上游方向沉积，底流部分( 粗粒尾矿) 排向初期坝下游方向。其特点是子坝中 心线位置不断向初期坝下游方向移升，如图2 7 所示。由于坝体尾矿颗粒粗，抗 剪强度高，渗透性能较好，浸润线位置较低，故坝体稳定性较好。但管理复杂， 且之适用于颗粒较粗的原尾矿，又要比较狭窄的坝址地形条件。国外使用较多， 国内使用较少。 东北大学硕士学位论文 第2 章尾矿库危险有害因素分析 下游式堆坝法的优点是： 尾矿堆积坝不必建在充填密度较低的上游尾矿冲积滩上； 下游面粗粒尾砂充填可按作业规定分层压实筑坝； 下游面底部排水系统可控制降低坝内浸润线位置。 图2 7f 游法尾矿堆积坝 下游式堆坝法主要缺点是： 需要大量的粗粒尾矿，特别是在使用初期，存在粗粒尾矿量不足的问题； 需要一套旋流器分级设施及推土机等机械配合； 存在产生粉尘的问题，不便维护管理。 ( 4 ) 水库式尾矿堆积法( 尾矿库挡水坝) 该法不用尾矿堆坝，而是用其它材料像修水库那样修建水坝。此类坝称为尾 矿库挡水坝，设计时应按水库坝的要求进行。 2 4 尾矿库排洪系统 2 4 1 排洪系统布置的原则 尾矿库设置排洪系统的作用有两个方面：一是为了及时排除库内暴雨；二是 兼作回收库内尾矿澄清水用。 对于一次建坝的尾矿库，可在坝项一端的山坡上开挖溢洪道排洪。其形式与 水库的溢洪道相类似。 对于非一次建坝的尾矿库，排洪系统应靠尾矿库一侧山坡进行布置，选线应 力求短直；地基的工程地质条件应尽量好，最好无断层、破碎带、滑坡带及软弱 岩层或结构面。 尾矿库排洪系统布置的关键是进水构筑物( 有关进水构筑物知识见2 4 3 ) 的位置。我们知道：坝上排矿口的位置在使用过程中是不断改变的，进水构筑物 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 与排矿口之间的距离应始终能满足安全排洪和尾矿水得以澄清的要求。也就是 说，这个距离一般应不小于尾矿水最小澄清距离、调洪所需滩长和设计最小安全 滩长( 或最小安全超高所对应的滩长) 三者之和。 当采用排水井作为进水构筑物时，为了适应排矿口位置的不断改变，往往需 建多个井接替使用，相邻二井井筒有一定高度的重叠( 一般为o 5 1 o 米) 。进水 构筑物以下可采用排水涵管或排水隧洞的结构型式进行排水。 当采用排水斜槽方案排洪时，为了适应排矿口位置的不断改变，需根据地形 条件和排洪量大小确定斜槽的断面和敷设坡度。 有时为了避免全部洪水流经尾矿库增大排水系统的规模，当尾矿库淹没范围 以上具备较缓山坡地形时，可沿库周边开挖截洪沟或在库后部的山谷狭窄处设拦 洪坝和溢洪道分流，以减小库区淹没范围内的排洪系统的规模。 排洪系统出水口以下用明渠与下游水系连通。 2 4 2 排洪计算步骤简介 洪水计算的目的在于根据选定的排洪系统和布置，计算出不同库水位时的泄 洪流量，以确定排洪构筑物的结构尺寸。 当尾矿库的调洪库容足够大，可以容纳得下一场暴雨的洪水总量时，问题就 比较简单，先将洪水汇积后再慢慢排出，排水构筑物可做得较小，工程投资费用 最低；当尾矿库没有足够的调洪库容时，问题就比较复杂。排水构筑物要做得较 大，工程投资费用较高。 排洪计算的步骤一般如下： ( 1 ) 确定防洪标准 我国现行设计规范规定尾矿库的防洪标准按表2 5 确定。当确定尾矿库等别 的库容或坝高偏于下限，或尾矿库使用年限较短，或失事后危害较轻者，宣取重 现期的下限；反之，宜取上限。 表2 5 尾矿库防洪标准 尾矿库等别四五 洪水重现初期 10 0 , - , 2 0 05 1 0 03 0 5 02 0 一3 0 期( 年)中、后期 1 0 0 0 之0 0 05 0 0 1o o o2 0 0 5 0 01 0 0 2 0 05 0 1 0 0 注：初期指尾矿库启用后的头3 5 年。 ( 2 ) 洪水计算及调洪演算 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 确定防洪标准后，可从当地水文手册查得有关降雨量等水文参数，先求出尾 矿库不同高程汇水面积的洪峰流量和洪水总量，这叫洪水计算。再根据尾矿沉积 滩的坡度求出不同高程的调洪库容，这叫调洪演算。 ( 3 ) 排洪计算 根据洪水计算及调洪演算的结果，再进行库内水量平衡计算，就可求出经过 调洪以后的洪峰流量。该流量即为尾矿库所需排洪流量。最后，设计者以尾矿库 所需排洪流量作为依据，进行排洪构筑物的水力计算，以确定构筑物的净空断面 尺寸。 因本论文着重研究尾矿库的总体危险性，关于尾矿库设计的具体计算可参考 其他尾矿库设计书籍【刀。 2 4 3 排洪构筑物的类型 尾矿库库内排洪构筑物通常由进水构筑物和输水构筑物两部分组成。尾矿坝 下游坡面的洪水用排水沟排除。排洪构筑物型式的选择，应根据尾矿库排水量的 大小、尾矿库地形、地质条件、使用要求以及施工条件等因素，经技术经济比较 确定。 ( 1 ) 进水构筑物 进水构筑物的基本型式有排水井、排水斜槽、溢洪道以及山坡截洪沟等。 排水井是最常用的进水构筑物。有窗口式、框架式、井圈叠装式和砌块式等 型式。窗口式排水井整体性好，堵孔简单。但进水量小，未能充分发挥井筒的作 用，早期应用较多。框架式排水井由现浇梁柱构成框架，用预制拱板逐层加高。 结构合理，进水量大，操作也比较简便。从2 0 世纪6 0 年代后期起，广泛采用。 井圈叠装式和砌块式等型式排水井分别用预制拱板和预制砌块逐层加高。虽能充 分发挥井筒的进水作用，但加高操作要求位置准确性较高，整体性差些，应用不 多。 排水斜槽既是进水构筑物，又是输水构筑物。随着库水位的升高，进水口的 位置不断向上移动。它没有复杂的排水井，但毕竟进水量小，一般在排洪量较小 时经常采用。 洪道常用于一次性建库的排洪进水构筑物。为了尽量减小进水深度，往往作 成宽浅式结构。 ! 山坡截洪沟也是进水构筑物兼作输水构筑物。沿全部沟长均可进水。在较陡 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 山坡处的截洪沟易遭暴雨冲毁，管理维护工作量大。 ( 2 ) 输水构筑物 尾矿库输水构筑物的基本形式有排水管、隧洞、斜槽、山坡截洪沟等。 排水管是最常用的输水构筑物。一般埋设在库内最底部，因承受载荷较大， 一般采用钢筋混凝土结构。 斜槽的盖板采用钢筋混凝土板，槽身有钢筋混凝土和浆砌块石两种。钢筋混 凝土管整体性好，承压能力高，适用于堆坝较高的尾矿库。 隧洞需由专门凿岩机械施工，结构稳定性好，是大、中型尾矿库常用的输水 构筑物。当排洪量较大，且地质条件较好时，隧洞方案往往比较经济。 ( 3 ) 坝坡排水沟 坝坡排水沟有两类：一类是沿山坡与坝坡结合部设置浆砌块石截水沟，以防 止山坡暴雨汇流冲刷坝肩。另一类是在坝体下游坡面设置纵横排水沟，将坝面的 雨水导流排出坝外，以免雨水滞留在坝面造成坝面拉沟，影响坝体安全。 2 5 尾矿库危险有害因素辨识及分析 2 5 1 影响尾矿库安全的病害分析 尾矿库从勘察、设计、施工到使用的全过程中，任何一个环节有毛病，都可 能导致尾矿库不能正常使用。其中，由于生产管理不善、操作不当或外界环境因 素干扰所造成的病害比较容易检查发现；而勘察、设计、施工或其它原因造成隐 患，在使用初期不易显现出来，这些常被人忽视的隐患往往属于很难补救和治理 的病害。 ( 1 ) 勘察因素造成的病害 对库区、坝基、排洪管线等处的不良地质条件未能查明，就可能造成库内滑 坡、坝体变形、坝基渗漏、排洪涵管断裂、排水井倒塌等病害。对尾矿堆坝坝体 及沉积滩的勘察质量低劣，则导致稳定分析、排洪验算等结论的不可靠。 ( 2 ) 设计因素造成的病害 设计质量低劣表现在基础资料不确切、设计方案及技术论证方法不当、不遵 循设计规范、对库水位及浸润线深度的控制要求不明确，或要求不切实际等方面。 尽管目前设计单位资质齐全，但上述因素造成尾矿库带病运行的现象屡见不鲜。 由此造成的隐患大多为坝体在中、后期稳定性和防洪能力不能满足设计规范的要 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 求。其次，排水构筑物出现断裂、气蚀、倒塌等病害也可能是由于设计人员技术 不高或经验不足所造成。 ( 3 ) 施工因素造成的病害 初期坝施工中清基不彻底、坝体密实度不均、坝料不符合要求、反滤层铺设 不当等，会造成坝体沉降不均、坝基或坝体漏矿、后期坝局部塌陷；排洪构筑物 有蜂窝、麻面或强度不达标，当负荷载逐渐增大时，会造成掉块、漏筋、断裂， 甚至倒塌等病害。 ( 4 ) 操作管理不当造成的病害 在长期生产过程中，由于操作不当造成的常见病害和隐患如下： 放矿支管开启太少，造成沉积滩坡度过缓，导致调洪库容不足； 未能均匀放矿，沉积滩此起彼伏，造成局部坝段干滩过短； 长期独头放矿，致使矿浆顺坝流淌，冲刷子坝坡脚，且易造成细粒尾矿在 坝前大量聚积，严重影响坝体稳定； 长时间不调换放矿点，造成个别放矿点的矿浆外溢，冲刷坝体； 巡查不及时，放矿管件漏矿冲刷坝体； 坝面维护不善，雨水冲刷拉沟，严重时会造成局部坝段滑坡； 每级子坝高度堆筑太高，致使坝前沉积厚层抗剪强度很低、渗透性极差的 矿泥，抬高了坝体内的浸润线，对坝体稳定十分不利； 片面追求回水水质而抬高库水位，造成调洪库容不足； 长期对排洪构筑物不进行检查、维修，致使堵塞、露筋、塌陷等隐患未能 及时发现。 由于管理不当造成的问题主要表现在未能有效地对勘察、设计、施工和操作 进行必要的审查和监督；对设计意图不甚了解，片面追求经济效益，未按设计要 求指导生产；对防洪、防震问题抱有侥幸心理；明知有隐患，不能及时采取措施 消除；未经原设计同意，擅自修改设计等。 ( 5 ) 其它因素造成的病害 暴雨、地震之后可能对坝体、排洪构筑物造成病害： 由于矿石性质或选矿工艺流程变更，引起尾矿性质( 粒度组成、粒径、比 重、矿浆浓度等) 的改变，而这种改变如果对坝体稳定和防洪不利时，自然会成 为隐患；! 因工农关系未协调好，而产生的干扰常常造成尾矿库隐患。如农民在库区 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 上游甚至于在库区以内乱采、滥挖等。 2 5 2 主要危险有害因素辨识及分析 根据尾矿库实际发生事故的统计资料分析，各种事故发生的原因及其几率 列入表2 6 。 表2 6 尾矿库各类事故几率 事故原因 洪水漫顶 坝基渗漏 坝体破坏排洪设施其他 i 几率 2 82 21 91 61 5 从表中可以看出，尾矿库事故中几乎占1 3 的是由于洪水原因所造成的，其 中包括泄洪能力不足，超标洪水、排洪设施损坏或淤堵等；其次坝基渗漏事故约 占1 5 强，其中运行前5 年发生事故的约占1 3 ，而其中运行第一年发生事故的 约占一半；排洪设施事故多发生在投入运行后的第一年的约占1 3 ，其中大半发 生在汛期泄流时，其他事故中包括坝坡失稳以及地震液化等。 ( 1 ) 漫顶 很多原因可以导致漫顶，进而发展为溃坝。尾矿库如果管理不善、安全超高 不足、排洪设施不完善、排水系统不畅，在降雨量集中的月份，容易发生漫顶事 故，进而可能引发溃坝事故，后果是严重的。因此，企业在以后的生产过程中， 应做好对上述导致漫顶的诸因素的预防工作。 ( 2 ) 坝基渗流 渗流破坏是尾矿坝最常见的病险症状之一。从机理上说，有4 种破坏形式， 即管涌、流土、接触冲刷和接触流土。但是不管是什么原因引起的渗流破坏，导 致大坝溃决，总是表现为集中渗流，发展成为管涌、流土，冲刷周边通道不断坍 塌、扩大，管涌无法控制而最终溃坝。管涌的部位可以在坝体、坝基、坝体和岸 坡结合部或者坝下埋管和坝体结合部。另外一种是异常渗流导致坝体浸润线抬 高，坝后大面积散浸，使得下游坝体稳定性下降而导致滑坡，引起坝顶高程不足， 库水漫溢而溃坝。 ( 3 ) 坝体破坏 坝体破坏的主要形式是裂缝，是一种尾矿坝较为常见的危险因素，某些细小 的横向裂缝有可能发展成为坝体的集中渗流通道，有的纵向裂缝可能是滑坡的预 兆，应予以重视。裂缝的成因，主要是由于坝基承载力不均衡、坝体施工质量差、 坝身结构及断面尺寸设计不当或其他因素所引起的。有的裂缝是由于单一因素所 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 造成，有的则是多种因素所形成。 ( 4 ) 排洪设施 排洪设施的作用有两个方面：一是为了及时排除库内暴雨；二是兼作回收库 内尾矿澄清水用。在保证设计合理和施工质量的基础上，企业应定期检查、维护 排洪设施，使其各项功能正常，排水系统流畅，达到预期的效果。 ( 5 ) 坝坡失稳及地震液化 滑坡能导致尾矿库溃坝事故，因此，即使是小滑坡也不可掉以轻心。 滑坡按性质可分为剪切性滑坡、塑流性滑坡和液化性滑坡；按滑面形状可分 为圆弧滑坡、折线滑坡和混合滑坡。 滑坡成因很复杂，有勘察、设计、施工等方面的原因：在勘察时没有查明坝 基地质情况、淤泥和高压缩性软土层，设计时未采取相应措施；坝脚处沉陷过大 而引起滑坡，坝基岩石破碎发育，设计未采取防渗措施；坝坡稳定分析选用各项 指标偏高，对地震因素考虑不周等；筑坝碾压时铺土太厚，碾压不实，达不到设 计要求值；冬季施工形成冻层，筑坝材料采用不同风化程度的残积土等。 此外，地震、持续特大暴雨在坝体附近爆破等原因均可造成坝体滑坡事故。 ( 6 ) 粉尘 尾矿砂的粒度较小，容易随风扬起。在气候干燥季节，尾矿库内和堆积坝外 坡面都将随风扬尘。若采取的防尘措施不力，接尘从业人员吸入大量的粉尘( 尾 砂颗粒) ，将可能导致尘肺病。 此外，尾矿扬尘还污染了周边环境。 2 5 3 重大危险源辨识及分析 2 5 3 1 辨识依据 金属非金属矿山尾矿库重大危险源的辨识以尾矿库为单元。辨识依据是尾矿 库坝高、全库容和最大可能的事故后果。尾矿库重大危险源的辨识不包括经安全 验收、已封闭的尾矿库。对没有经过安全验收的已封闭的尾矿库，仍在尾矿库重 大危险源的辨识范围之内。 2 5 3 2 辨识方法 满足下列三个条件之一者，即为金属非金属矿山尾矿库重大危险源。 ( 1 ) 全库容1 0 0 0 万m 3 以上或坝高：6 0 m 以上的尾矿库，即一、二、三等尾 矿库。 东北大学硕士学位论文 第2 章尾矿库危险有害因素分析 ( 2 ) 一旦发生最大程度的溃坝事故，可能造成下游居民死亡5 0 人以上的尾 矿库； ( 3 ) 一旦发生失事，将会对下游的城镇、工矿企业、交通运输及其他重要 设施造成严重危害，或有毒有害物质会大面积扩散的尾矿库。 2 5 3 3 辨识分析与计算 本文的尾矿库事故后果严重度将参考此方法计算。 ( 1 ) 尾矿库的全库容和坝高 尾矿库溃坝的事故后果，主要由尾矿库的全库容和坝高，以及周围地形 地貌、下游居民密度、农田和工业设施等情况来决定。尾矿库溃坝事故的能量， 主要是具有很大势能的尾矿、水等。衡量尾矿库的能量两个指标即是全库容和坝 高。 ( 2 ) 尾矿库的事故可能影响范围计算 根据尾矿库所处的地理位置、流域特征、地形地貌条件、设计防洪标准的洪 水总量、洪水过程线、尾矿库现有库容、可能性溃坝的水力坡降，经分析计算， 确定尾矿库一旦发生最大可能的溃坝事故所殃及的范围。现场勘察确定殃及范围 内可能危及人员伤亡或造成重大财产损失 ( 3 ) 尾矿库事故可能造成的伤亡人员估算 根据可能殃及区内居民点的居民人数、居民点的位置及离坝距离、人口密集 程度、房屋坚固程度及尾矿库的等别等因素，尾矿库溃坝事故可能造成的死亡人 数按以下经验公式( 2 1 ) 估算。 s = ( m k ) f = l ( k ，= 0 5 k k i ，“k 2 ，“k 3 ，。k 4 1 ) ( 2 1 ) 式中： s 尾矿库事故可能造成的死亡人数，人； i 尾矿坝下游8 0 倍坝高范围内，1 1 个居民点的顺序数； n 广第i 个居民点的居民人数，人； k 广一第i 个居民点的居民致死率； k 尾矿库等别系数； 见表2 7 k 1 i 第i 个居民点沿主河道到尾矿坝的距离系数；见表2 8 k 2 i 第i 个居民点的房屋不坚固系数；见表2 9 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 k 3 广一第i 个居民点的位置系数；见表2 1 0 豳i 第i 个居民点的密集程度系数。见表2 11 表2 7 尾矿库等别系数( k ) 尾矿库四五 系数 1 o1 oo 50 10 0 5 表2 8 居民点距离系数( k i i ) 居民点至尾矿 l 5 h5 h l l o h1 0 h l 2 0 h2 0 h l 4 4 0 h l o oo o 表2 1 1 居民密度系数( k i ) 居民密集程度较密集 较分散 系数 1 o o0 8 0 由于该式计算涉及许多系数选取，进一步简化，可采用下式估算： 3 2 东北大学硕士学位论文第2 章尾矿库危险有害因素分析 s = 0 5 n i + 0 1 2 5x m j s