尾礦庫潰壩風險預測模型探討

呂紅丹

摘要：目前相關文獻并沒有具體計算尾礦庫潰壩后下游不同距離處的淤積厚度。文中將尾礦庫潰壩后的影響范圍建立為一個數學模型，通過多個尾礦庫的潰壩實例，對其進行論證，提出修正系數。并將尾礦庫下游泄砂簡化為一個三棱錐體，利用幾何公式計算尾礦壩下游的尾礦淤積厚度。

關鍵詞：尾礦庫；潰壩；數學模型；三棱錐體；淤積厚度

1 前言

在尾礦庫設計、環境影響評價以及尾礦庫日常管理，尤其是在尾礦庫應急管理工作中，需預測尾礦庫潰壩可能影響的范圍以及潰壩后尾礦在下游不同距離處的淤積厚度，但目前并沒有一個成熟可用的數學模型對尾礦庫潰壩進行模擬分析。因此有必要建立一個相對成熟的數學模型，對尾礦庫潰壩后的影響進行預測，以便為尾礦庫管理工作提供技術參考[1]。

2 數學模型的建立

尾礦庫潰壩除泄砂時間與影響范圍較大以外，潰壩后的運動形態與排矸場潰壩基本相同，因此文中尾礦庫潰壩范圍參考排矸場潰壩向外蔓延最大影響范圍的計算公式[2]：

式中： m---滑坡量，m3；

ρ1---混合物密度，t/m3；取1.2t/m3；

r---擴散半徑（m）；

t---時間（s）。

潰壩時尾砂向外蔓延的范圍與尾砂含水量、沖溝坡度、狹窄情況以及彎曲情況有關。因此本評價采用修正系數η、坡度I和彎曲系數B進行修正。修正公式如下：

L=r·B·I·η

式中：L—修正后潰壩影響范圍，m；

r—潰壩后最大影響范圍，m；

B—下游沖溝彎曲系數，沖溝直線長度與實際長度的比值；

I—沖溝坡度，m/m；

η—修正系數。

下泄尾砂流動時間與潰壩量、下游沖溝坡度等因素有關，因此不能確定尾砂流動持續時間，應根據尾礦庫實際情況確定；由于尾礦庫不可能完全潰壩，一般按照50%潰壩考慮，也可根據庫容、地形等實際情況考慮。

3 引用實例對模型進行修正

（1）廣西南丹大廠鎮鴻圖選礦廠有一座山谷型尾礦庫。2000年10月18日上午9時50分，尾礦壩垮塌，尾礦泄露量為1.16萬m3，下泄尾砂流動歷時約150s，最大影響距離為700m，絕大部分尾砂淤積在壩下方30m范圍內，尾礦庫下游坡度約9°，下游沖溝彎曲系數約0.8。

將尾礦庫以上參數帶入最大影響范圍公式中計算得r=271m，發生潰壩時實際影響范圍為700m，并帶入修正公式，由此反推出修正系數η=20.5。

（2）山西襄汾縣新塔礦業有限公司尾礦庫用于堆存選鐵后的尾礦，該尾礦庫設有二級壩，2008年9月8日上午9點58分新塔礦業尾礦庫發生潰壩，下泄量約19萬m3，下泄尾砂流動過程歷時約1360s，最大波及長度約2.5km，寬度350m，淹沒面積35hm2，尾礦庫下游坡度約5°，下游沖溝彎曲系數約0.9。

將尾礦庫泄砂量、時間、下游坡度帶入最大影響范圍公式中計算得r=1645m，發生潰壩時實際影響范圍為2500m，并帶入修正公式，由此反推出修正系數η=19.3。

根據上述幾個潰壩實例可知，尾礦庫潰壩用理論影響范圍計算實際影響范圍時，其修正系數范圍為19～21，一般取中間值20。

尾礦庫潰壩實例論證：

安徽省馬鞍山市黃梅山鐵礦金山尾礦庫[3]于1986年4月30日凌晨3點50分發生潰壩事故，壩頂潰口寬245m，尾礦的下泄量為84萬m3，下泄尾砂流動過程歷時260s，潰壩時壩高約21.7m，下游最大影響距離約1150m，尾礦庫下游坡度約4°，下游沖溝彎曲系數約0.8，兩側山坡夾角120°。

將金山尾礦庫潰壩量、時間、下游坡度帶入最大影響范圍公式中計算得r=1024m，帶入修正公式，尾礦庫潰壩實際影響范圍約1147m，與實際基本相符。

4 尾礦庫潰壩下游尾砂淤積厚度

當尾礦庫發生潰壩時，尾礦均淤積在初期壩下游，由于一般尾礦庫下游沖溝斷面為“V”形，本次將下游淤積體簡化為一個三棱錐體，計算初期壩下游沖溝各斷面淤積厚度，見下圖。

沖溝淤積厚度計算公式如下：

式中：H—沖溝淤積厚度，m；

l1—潰壩最大影響長度，m；

l2—沿沖溝底線距離初期壩的長度，m；

I—沖溝坡度；

α—沖溝兩側山坡夾角，°；

V—潰壩量，m3；

采用以上公式計算山西襄汾縣新塔礦業有限公司尾礦庫潰壩后下游淤積厚度，結果見下表：

根據公式計算出的淤積厚度與實際基本相符，因此以上幾何模型基本準確。

5 防止尾礦庫潰壩的措施

尾礦庫主要風險防范措施如下：

A.尾礦壩施工應選用能承擔大壩施工且有施工資質的單位，并在施工過程中加強監理制度，確保施工質量。

B.要定期觀測尾礦壩，包括壩體變形、壩內浸潤線觀測，以保證能夠及時發現問題，及時解決，防患于未然。

C.生產期應對尾礦壩進行管理和維護，隨時檢查庫內排水、排洪等構筑物的排洪情況，特別是在雨季、汛期，要堅持24小時值班，以保證遇到險情及時報告、及時排除。

D.當接到震情預報時，根據實際情況作出防震計劃和安排。

E.在庫區內嚴禁爆破、采石、挖土、濫挖尾礦等危害尾礦庫安全的活動。如企業需要回采或綜合利用庫區尾礦時，必須做開發工程設計，并經上級主管部門批準后方可進行。

6 結束語

尾礦庫是選礦廠的一個重要環保設施，但同時也是一個重大危險源，建設或管理不當，將會對尾礦庫下游環境造成較大影響，甚至對下游居民生命財產安全構成威脅。通過公式計算影響距離以及將潰壩后下泄尾砂所形成的模型簡化為三棱錐體，計算下游尾砂堆積厚度，同時提出相應的風險防范措施。

參考文獻：

[1]陳殿強，何峰，王來貴.鳳城市某尾礦庫潰壩數值計算[J].金屬礦山.2009，10（1）：74-76.

[2]劉勇，李志強，趙凱吉.五鳳煤礦環境風險分析及防范措施[J].科學時代.2010，1（2）：16-18.

[3]李海港，王漢強，劉輝.非煤礦山尾礦庫潰壩最大影響距離的探討[J].有色冶金設計與研究.2011，32（6）.