基于WBS-RBS與故障樹耦合的尾礦庫風險評估*

趙瑞家 于云鶴 王越 郝宇

(北方工業大學土木工程學院 北京 100144)

0 引言

尾礦庫作為維護礦山正常運轉的必需構造物，它的主要功能是用于堆放、儲存礦石尾礦。與水壩類似，都具有較大的儲存功能，但由于尾礦庫多用于儲存金屬礦渣、非金屬工業廢料等，屬于高勢能污染源，其存在具有比水壩更嚴重的安全風險[1-4]。尾礦或礦山廢水滲漏、尾礦庫潰壩等災害，對下游環境及人們的生命財產安全造成極大的威脅。美國克拉克大學公害評定小組曾做過一項公害排名研究，其中由于尾礦庫事故引起的危害在世界93種事故、公害的隱患中排名第18位，屬于極端危害之一，因此必須對其風險進行嚴格管控，研究需求非常迫切。

近幾年，我國對尾礦庫的研究主要集中在尾礦的綜合利用和環境保護方面，尾礦庫的穩定性，防滲，防洪排水，安全管理與評價等方面的研究同樣較為突出。在尾礦庫安全監管方面取得了顯著的成果，加強尾礦庫事故統計分析，正確識別風險因素，找到控制風險的有效途徑，對尾礦庫的安全運行有著重要意義。根據徐宏達教授在第十一屆全國尾礦庫安全運行高峰論壇上的報告，并根據分析整理后得到如下數據與分類。從1957年至2015年共58年的時間，采集了175個尾礦庫事故樣本，統計結果如表1、表2所示。

表1 175件事故分類統計結果

表2 175件事故分類及事故簡述

通過上表得知，在收集到的175件事故中，塔管隧結構破壞、跑礦和滲流破壞、洪水沖擊破壞占事件總數的78.3%。同時，對具體事故原因的分析結果表明：人為因素是造成塔管隧結構破壞的主要原因。

由此可見，已有研究主要是針對事故誘因溯源和事故處理辦法，尾礦庫的風險評估問題亟待解決，本文擬對尾礦庫的風險來源展開深入研究，獲得的研究成果可為實際工程中的風險規避提供借鑒。

1 WBS-RBS分解結構與故障樹

1.1 WBS-RBS分解結構

WBS-RBS是一種既可以掌握工程項目的全局，又能兼顧工程施工具體細節的工程風險判識方法。

建立工作分解結構WBS圖和風險分解結構RBS圖，如圖1和圖2所示。

圖1 工作分解結構WBS圖

圖2 風險分解結構RBS圖

建立WBS-RBS耦合矩陣[5]，將WBS分解圖和RBS分解圖中最小的子項相結合構造矩陣結構，明確工作與風險的關系。

1.2 故障樹分析法及故障樹繪制

故障樹分析法(FTA，Fault Tree Analysis)又稱事故樹分析法，如圖3所示，是安全系統工程中最重要的一種分析辦法。1961年，由美國貝爾電報公司電話實驗室研發，能夠描述事故發展的因果關系及發展方向。根據邏輯關系，以頂事件為起點，逐層向下按照導致上層事件發生的路徑繪制，因果之間用邏輯符號鏈接，最終得到故障樹[6]。

圖3 故障樹分析簡圖

2 尾礦庫風險判識與分析

2.1 構造分解結構WBS和RBS及耦合矩陣

根據逐級分解的原則，將尾礦庫工程分為尾礦庫設計、尾礦庫施工、尾礦庫運營管理3個分項，各分項再向下分解為次級部分，如圖4所示。

圖4 尾礦庫WBS圖

影響尾礦庫安全的因素有很多，根據實際工程經驗，組織建立風險分解結構(RBS)，如圖5所示。

圖5 尾礦庫RBS圖

依據上述建立的工作分解結構與風險分解結構，將兩部分分解結構的最底層單元兩兩耦合，判斷耦合后事件是否成立，若工作存在風險記為1，否則記為0[7]。構件的耦合矩陣如表3所示。

表3 WBS-RBS耦合矩陣

W11R11不良地質未查明、W12R12調洪設計不足、W13R12排滲設施設計不合理、W21R21尾礦砂壓實不足、W21R22庫內亂采亂挖、W21R23/W22R23施工設備/器械不符合標準、W22R21排水結構混凝土剝落、露筋、開裂等、W22R22未及時封堵停用排水井、W21R31/W22R31施工安全監管不到位、W31R31設備監管、維護不及時、W32R31水文監測、預警系統不完善、W11R32/W12R32/W13R32勘測、設計人員無資質、W21R32/W22R32施工人員不重視安全規章制度、W32R41短時降水量大、水位上升過快致壩坡失穩、W21R42壩體地震液化、W22R42排水結構地震損壞、W31R42地震應急預案不完備。

2.2 頂事件確定

根據前文對尾礦庫事故的統計及分類，塔管隧結構破壞事故發生60次，發生概率最大，為34.3%，故以這種事故類型作為尾礦壩建設施工的故障樹頂事件。

2.3 尾礦庫風險故障樹

在前文對事故統計與分析的基礎之上，依據WBS-RBS耦合矩陣中得出的風險事件，對事故頂事件進行故障樹分析，頂事件的故障樹如圖6所示。

圖6 塔管隧結構破壞事故故障樹分析

2.4 尾礦庫風險敏感度分析

敏感度分析是從定量分析的角度，研究發生某一事故多種原因的影響程度的一種不確定分析技術。本文以頂事件為塔管隧結構破壞事故為例，對其進行敏感度分析，進而說明尾礦庫風險敏感度。

由圖6可知，塔管隧結構破壞事故共有5個基本事件，其最小割集為：{W13R12、W22R21、W31R31、W13R32、W22R42}。將事故統計中事故原因發生頻率作為概率，未統計的事故原因概率設為0.01，則所有事故原因概率為：排滲設施設計不合理發生概率為0.017，排水結構混凝土剝落、露筋、開裂發生概率為0.097，設備監管、維護不及時發生概率為0.251，勘測、設計人員無資質發生概率為0.01，排水結構地震損壞發生概率為0.149，即：

(1)

頂事件發生的概率計算公式為[8]：

(2)

式中，T為頂事件，q為基本事件發生的概率，Q(T)為頂事件發生的概率。

將式(1)帶入式(2)得：

Q(T)=q(K1+K2+K3+K4+K5)+0.435 4

(3)

考慮到實際工程和研究的合理性，采用臨界重要度系數作為敏感系數，則基本事件的敏感度系數計算公式為：

(4)

將式(1)和式(3)帶入式(4)可得各基本事件的敏感度系數：

同理可得：

則尾礦庫塔管隧結構破壞事故的各風險因素按敏感度系數如表4所示。

表4 風險因素重要度排序

由上述敏感度計算結果可知，尾礦庫塔管隧結構破壞事故主要由設備監管、維護不及時和地震破壞造成。

2.5 風險分析與控制措施

塔管隧結構破壞是尾礦庫主要的事故類型，這類事故主要誘發因素為設備監管、維護不及時，應從三方面解決此類問題：政府做好監管工作，對尾礦庫監管體系進一步完善，對災害風險按其重要度進行分級細化[9]，對危險級別較大的問題庫，進行重點監管；尾礦庫企業應完善安全管理機制，增強安全管理意識，建立完善的安全責任制度，完善災害應急方案，做好安全生產教育工作；庫區工作人員應自覺樹立安全意識，規范自身操作，自覺接受安全教育。

3 結論

尾礦庫事故的產生受多種因素的綜合影響，采用WBS-RBS耦合矩陣分析法建立尾礦庫故障樹的頂事件, 有助于解決由于環境復雜、不確定因素多導致風險分析不全面的問題。

(1)本文對影響尾礦庫安全的風險要素進行了敏感性分析，提出了尾礦庫WBS-RBS耦合矩陣模型，確定了影響尾礦庫安全的22種因素。

(2)統計分析發現，在尾礦庫事故中，塔管隧結構破壞發生概率最大，為34.3%。造成這一事故的因素有5個，其中設備監管、維護不及時的敏感度系數為0.421 5，為最大值，是導致塔管隧結構事故的主要風險因素。

本文研究成果對尾礦庫工程中的設計、施工和監測具有指導意義，可為尾礦庫風險分析提供新的研究思路。