尾礦庫環境風險評估實例研究

楚敬龍，林星杰，譚海偉，劉 芳

(北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

20世紀以來，我國在經濟快速發展的同時加速了對礦產資源的開采，礦業的發展導致尾礦產生量逐年增多，而各類尾礦庫的數量則高速增加，因尾礦庫潰壩、尾砂泄漏等事故而造成的環境污染問題十分突出[1-2]。尾礦庫是具有高勢能的人造泥石流危險源，在降雨、地震及人類活動等因素影響下存在潰壩失穩的危險[3]。美國克拉克大學的一項研究認為，尾礦庫潰壩事故造成的危害僅次于核武器爆炸、神經毒氣泄漏、核輻射等災害，在世界公害隱患中排名較前[1，4]。近年來，為延長服務年限，節省投資，尾礦庫正朝著高堆壩方向發展，危險性增大，安全狀況與形勢不容樂觀[5]。對尾礦庫進行環境風險評估，掌握尾礦庫事故原因，預測尾礦庫事故影響程度與范圍，排查并治理尾礦庫環境隱患，對預防和減少尾礦庫事故的發生以及指導尾礦庫應急預案制定具有重要意義。

在尾礦庫風險評估中，潰壩分析是其中的重要組成部分，尾礦庫潰壩不但會造成尾礦大量泄漏，還會淹沒農田，污染環境，危害人們的生命財產安全[6-7]。目前已有研究表明，利用數學模型可以對尾礦庫潰壩進行模擬，但尚無法計算潰壩后果及推算影響范圍，在實際工作中對潰壩后礦漿泥石流的運動規律和沖擊影響范圍的研究還不多，需要憑借研究及管理人員的經驗進行判斷[7-8]。

本文在尾礦庫環境風險因素分析的基礎上，以預測潰壩風險影響范圍為重點，對新疆阿勒泰地區某山谷型尾礦庫進行環境風險評估實例研究，同時對排查出的環境隱患進行整改，以期為同類型尾礦庫環境風險評估提供借鑒。

1 尾礦庫環境風險因素

根據《尾礦庫環境風險評估技術導則(試行)》(HJ740-2015)，尾礦庫環境風險指尾礦庫在運行期間發生突發環境事件的可能性及突發環境事件可能造成的危害程度。風險因素包括尾礦庫本身的因素及周邊環境因素。尾礦庫本身的因素包括尾礦庫環境危害性指標：尾砂含重金屬種類、特征污染物濃度、庫容(潰壩事故的主要因素)等，以及尾礦庫控制機制可靠性指標：尾礦堆存方式、尾礦輸送及回水方式、防洪系統、地質條件、隱患排查與治理等；周邊環境因素包括尾礦庫周邊環境敏感性指標：跨界情況、周邊環境風險受體(國家重點生態功能區、飲用水源保護區、人口聚集區等)、周邊環境功能類別等。對尾礦庫環境危害性、控制機制可靠性、周邊環境敏感性三方面進行評分，將尾礦庫環境風險劃分為重大、較大、一般三個等級。

尾礦庫風險事故類型中，對環境影響最大的是尾礦庫潰壩事故。尾礦庫潰壩可定為金屬礦山采選項目環境風險的最大可信事故[9]。造成尾礦庫潰壩的原因有很多：1)自然因素，包括降雨、地震、滑坡等；2)設計因素，包括尾礦壩地質及水文地質勘察、壩體設計等，如尾礦庫選址地質勘察不清、壩體設計不合理等；3)施工因素，尾礦庫排洪、排滲構筑物質量不達標或損壞，包括排洪或排滲管道裂縫、堵塞、破壞等；4)人為因素，包括工作人員日常管理的失察、養護和維修不善、或發現問題未及時處理等[1]。其中由降雨引起的洪水漫頂是造成尾礦庫潰壩的主要因素。

2 尾礦庫潰壩預測方法

尾礦庫潰壩往往發生在暴雨時期，庫內匯集的雨水裹挾著尾砂漫至壩頂，導致發生潰壩，此時尾礦在降雨的作用下形成潰決型泥石流，在短時間內沿山谷向下游傾瀉，因此可將尾礦庫視為水庫型儲水設施，可應用水庫潰壩經驗公式進行尾礦庫潰壩預測。

2.1 潰口寬度計算

由于尾礦庫潰壩發生時大量泄漏的尾砂往下游運動的特征近似于流體，因此尾礦壩潰口寬度采用黃河水利委員會的潰壩經驗公式[10]進行計算，公式為：

b=0.1KW0.25B0.25H0.5

(1)

式中：b為尾礦壩潰口平均寬度，m；W為潰壩時可泄庫容，m3；B為壩頂長度，m；H為壩高，m；K為經驗系數(黏土類壩K=0.65，壤土類壩K=1.3)。

2.2 潰口處最大泄砂流量

潰口處最大泄砂流量采用肖克列奇經驗公式進行計算，公式為：

(2)

式中：Qmax為潰口處最大泄砂流量，m3/s；B為壩頂長度，m；b為尾礦壩潰口平均寬度，m；H0為壩前上游水深(尾礦庫最大壩高H減去壩前淤積深和校核水位與壩頂的距離，洪水漫頂導致潰壩時取壩高H)，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

2.3 潰壩后尾砂最大流量沿程演進計算

在潰壩初始時段，潰口處的尾砂流量從零快速增至最大，最大流量在向下游流動演進過程中，將不斷衰減[7]。潰壩后尾砂向下游演進至距離壩址L斷面時的最大流量，可采用下式估算：

(3)

式中：QL為距壩址L斷面處的尾砂最大流量，m3/s；L為距壩址的距離，m；W為潰壩時可泄庫容，m3；Qmax為潰口處最大泄砂流量，m3/s；vmax為尾砂最大流速(山區vmax=3.0～5.0 m/s，丘陵區vmax=2.0～3.0 m/s，平原區vmax=1.0～2.0 m/s)；K為經驗系數(山區K=1.1～1.5，丘陵區K=1.0，平原區K=0.8～0.9)。

2.4 潰壩尾砂流到達時間

1)尾砂流前鋒到達時間

尾砂流前鋒到達時間采用黃河水利委員會水科所經驗公式進行計算，公式為：

(4)

式中：t1為尾砂流前鋒到達時間，s；k1為經驗系數，取0.7×10-3；L為距壩址的距離，m；W為潰壩時可泄庫容，m3；H0為壩前上游水深，m。

垂直方向變化情況：區內自上而下顆粒粒度逐漸變細，而下部出現的帶狀構造主要是中細或中粗粒的石英、微斜長石帶，鋰輝石、石英、微斜長石塊體帶一般自地表延深30～60m，交代的鈉長石化帶可延深200～400m，但其蝕變強度均屬弱-中等。總體來說，原生的帶狀構造自花崗巖向外1km以內主要是中細粒石英、微斜長石帶和文象結構帶，交代的帶狀構造則為弱-中等鈉長石化帶。1km以外，原生帶狀構造比較明顯，而且是由粗粒石英、微斜長石帶和鋰輝石、石英、微斜長石塊體帶或者石英、微斜長石塊體帶為主，交代的帶狀構造則以中-葉片狀鈉長石化帶為主。

2)尾砂流最大流量到達時間

尾砂流最大流量到達時間的經驗公式為：

(5)

式中：t2為尾砂流最大流量到達時間，s；k2為經驗系數，取0.8～1.2；hm為下游典型斷面處最大流量時的平均深度，m；L為距壩址的距離，m；W為潰壩時可泄庫容，m3；H0為壩前上游水深，m。

3)尾砂泄空時間

將尾礦庫比作水庫時，尾礦庫潰壩發生后尾砂泄空時間的經驗公式為：

(6)

式中：T為泄空時間，s；W為潰壩時可泄庫容，m3；Qmax為潰口處最大泄砂流量，m3/s；u為經驗系數，取u=3.5。

2.5 潰壩最大影響距離

目前預測潰壩后尾砂最大影響距離的方法有壩高倍數估算法，將尾礦庫潰壩后尾砂最大影響距離估算為40倍或80倍壩高。一般而言，將平地型尾礦庫潰壩后尾砂最大影響距離估算為40倍壩高，將山谷型、傍山型、截河型尾礦庫潰壩后尾砂最大影響距離估算為80倍壩高。計算公式為：

式中：Lmax為潰壩后尾砂最大影響距離，m；H1為平地型尾礦庫壩高，m；H2為山谷型、傍山型、截河型尾礦庫壩高，m。

3 實例研究

3.1 尾礦庫概況

新疆阿勒泰地區某鉛鋅礦尾礦庫，屬三等庫，由1#尾礦壩、2#尾礦壩、3#尾礦壩及庫區最上游的一座攔水壩組成。1#尾礦壩為土質斜墻堆石壩，一次性筑壩，壩頂標高為1 322 m，壩長190 m，壩高56 m，有效庫容為406.72萬m3，設計服務年限10年。攔水壩與1#尾礦壩、兩岸山體之間形成的尾礦庫為1#尾礦庫，見圖1。尾礦庫所涉及的主要設施包括尾礦庫初期壩及后期壩、排洪排滲系統、尾礦漿輸送系統及回水系統等。目前1#尾礦庫正在運行，2#尾礦壩及3#尾礦壩未建，因此本文針對1#尾礦庫進行風險預測。根據《尾礦庫環境風險評估技術導則(試行)》(HJ740-2015)中尾礦庫風險等級的劃分，本尾礦庫風險等級為較大。

圖1 尾礦庫平面布置圖Fig.1 Layout plan of tailings pond

尾礦庫位于阿勒泰山南麓山前中低山區的一處開闊溝谷內，沿溝谷下游8 500 m處為一地表河流，谷內無其他敏感點分布。地形起伏較大，地面高程1 263～1 377 m，切割高差30～100 m，地勢總體由北東向南西傾斜，場地坡降4.98%。

3.2 計算結果及分析

基于公式(1)-(7)，分別計算該尾礦庫潰壩后尾砂泄漏203.36萬m3(50%有效庫容)和406.72萬m3(100%有效庫容)兩種情景尾砂流沿途演進過程，預測潰壩后尾砂流在下游各典型斷面處的最大流量(QL)、過流面積(SL)、淹沒深度(hm)、最大流量到達時間(t)等要素。計算結果見表1。

由表1可以看出：潰壩時尾砂下泄是一個非常短時間的過程，在尾砂流向下游演進的過程中，最大流量(QL)迅速衰減，1 km以內衰減速率最大，之后趨于平緩。兩種情景的尾砂沿程演進規律基本一致，但全庫容泄漏比50%庫容泄漏的典型斷面尾砂最大流量要大。

表1 預測結果

以尾砂堆積厚度降到0.2 m時的泄流距離作為潰壩尾砂影響范圍，則50%庫容尾砂泄漏的影響距離為3 500 m(約60倍壩高)，泄空時間為207.8 s，最大流量到達時間為963.2 s；100%庫容尾砂泄漏的影響距離為6 000 m(約100倍壩高)，泄空時間為365.0 s，最大流量到達時間為1 796.8 s。兩種情景的預測結果表明，潰壩后泄漏尾砂不會對下游8 500 m處的地表水體造成明顯不利影響。以經驗公式法確定的潰壩尾砂影響范圍與壩高倍數估算法確定的影響范圍差異較大。前者可預測多種情景下的潰壩后果，而后者僅是單一的粗略估計。前者較后者更靈活、更有依據和指導意義。

在實際潰壩過程中，泄漏尾砂向下游的演進受到泄漏的尾砂量、地形粗糙度、上下游高差、沿途泄流寬度、兩邊坡度等因素的影響，需要對理論計算值進行適當修正，并在此基礎上根據實際情況確定需要防控的距離。

3.3 尾礦庫環境隱患排查及整治

為進一步加強企業環境管理及預防尾礦庫突發環境事件的發生，對該尾礦庫進行了全面的環境隱患排查，并提出了相應的整改建議，見表2。

表2 環境風險隱患排查及整改建議

4 結論

1)利用經驗公式法對新疆某鉛鋅礦尾礦庫潰壩后尾砂流向下游的演進過程進行了預測，結果表明：尾砂流向下游演進的過程中，最大流量迅速衰減，1 km以內衰減速率最大，之后趨于平緩。潰壩后尾砂泄漏50%庫容的情況下，尾砂影響距離為3 500 m；尾砂泄漏100%庫容的情況下，尾砂影響距離為6 000 m；不會對下游8 500 m處的地表水體造成明顯不利影響。此結果比壩高倍數估算法的結果更可靠。

2)實際操作中，根據尾礦庫潰壩泄砂量及所在區域的地形條件對預測結果進行修正，可為尾礦庫環境隱患排查及整改措施的落實、尾礦庫應急預案的制定提供重要參考。