武彥濤，徐建云，邢皓晨

某尾礦庫潰壩對下游影響風(fēng)險評估

武彥濤，徐建云，邢皓晨

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，山西 太原 030000）

近年來尾礦庫潰壩事故時有發(fā)生，破壞性巨大，造成不可挽回的生命和財產(chǎn)損失。選取幾個潰壩后對下游影響較大的參數(shù)，通過數(shù)學(xué)模擬的方法分析尾礦庫潰壩形成的泥石流對下游的影響，并以申太選礦有限公司尾礦庫為例進(jìn)行了風(fēng)險評估探討，為企業(yè)和安監(jiān)部門提供參考。

尾礦庫；潰壩；風(fēng)險評估；數(shù)學(xué)模擬

Abstarct:Tailings dam break accident in recent years occurs sometimes,with enormous destructive and irreparable lost of life and property.This thesis is aiming atanalysing this influence through building mathematical model of several paramter playing important roles in tailings dam break accident.With an example of Shentai tailings dam the thesis makes risk assessment and conclusion for the purpose of providing references for enterprises and safe production supervision administration.

Kew words:tailings dam; dam break; risk assessment; mathematical simulation

近年來尾礦庫潰壩、決口事故時有發(fā)生，給尾礦庫下游人員的生命安全造成了嚴(yán)重的危害。2010年9月21日，廣東茂名市信宜紫金礦業(yè)銀巖錫礦高旗嶺尾礦庫發(fā)生潰壩，造成22人死亡，受損815戶；2008年9月8日，山西省襄汾縣新塔礦業(yè)公司尾礦庫發(fā)生潰壩事故，造成277人死亡、4人失蹤、33人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)9 619萬元?？梢?，一旦尾礦庫發(fā)生潰壩事故，對下游的建筑、居民的危害非常巨大[1]。

本文以婁煩縣申太選礦有限公司尾礦庫為例，應(yīng)用模擬計(jì)算分析的方法，對尾礦庫潰壩對下游居民區(qū)和重要設(shè)施構(gòu)成的影響程度進(jìn)行了安全風(fēng)險評估，為企業(yè)的安全管理和當(dāng)?shù)匕脖O(jiān)部門的管理工作提供了重要依據(jù)。

1 尾礦庫及周邊概況

婁煩縣申太選礦有限公司位于婁煩縣蓋家莊鄉(xiāng)擇石村東約0.8km的山溝內(nèi)，該選廠尾礦庫位于北側(cè)山溝內(nèi)，大致呈北—南走向，設(shè)計(jì)攔砂壩壩高7.0m，為山皮土碾壓筑壩，后期尾砂堆放分三期進(jìn)行，尾砂干堆體高80m，尾礦庫總高程87m，總庫容為196× 104m3，等別為三等，為山谷型尾礦庫。

尾礦庫所在溝內(nèi)沒有居民、耕地、文物古跡、輸變電線路等重要設(shè)施。由申太尾礦庫下游3km現(xiàn)狀實(shí)測圖可知，尾礦庫下游50m處為婁嵐鄉(xiāng)村路，下游90m處為選礦車間和選廠辦公生活區(qū)，選礦車間和辦公生活區(qū)分別坐落在兩側(cè)山坡上，溝底標(biāo)高1 545.2m，廠房辦公區(qū)標(biāo)高分別為1 559.4m、1 553.6m，辦公生活區(qū)高程高于溝底10～15m，兩處建筑物與尾礦庫西、東溝谷之間均有山梁自然安全屏障。下游2.4km為南峪村。

2 潰壩模擬計(jì)算

本文選取兩種情況進(jìn)行計(jì)算，即現(xiàn)狀庫容潰壩計(jì)算的泄砂總量為36.4×104m3，設(shè)計(jì)最終庫容潰壩計(jì)算的泄砂總量為196×104m3。根據(jù)理論分析以及事故案例，結(jié)合實(shí)際情況，筆者選取了以下參數(shù)進(jìn)行計(jì)算：潰口泄砂總量、潰口特性參數(shù)、最大泄砂流量、泥石流到達(dá)下游的時間、下游某斷面泄砂流量、泥石流沖擊力[2-4]。

2.1 潰口寬度計(jì)算

潰口寬度計(jì)算采用黃河水利委員會水力科學(xué)研究院根據(jù)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)得到的經(jīng)驗(yàn)公式：

b =0.1KW1/4B1/4H1/2

式中：b ——潰口寬度(m)；

W ——潰壩時的砂流量(萬m3)；

B ——主壩長度(m)；

H ——壩高(m)；

K ——與壩體土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。

2.2 最大泄砂流量計(jì)算

對于尾礦庫潰壩來說，考慮到潰決時往往為庫內(nèi)水位較高，尾礦砂處于液態(tài)，因此，本次最大泄砂流量計(jì)算采用肖克列奇經(jīng)驗(yàn)公式。計(jì)算公式為：

式中：b ——潰口寬度(m)；

B ——主壩長度(m)；

g ——重力加速度，取9.8m/s2；

H0——為潰壩前上游水深(m)。

2.3 最大流量計(jì)算

壩址處的潰壩流量過程線在向下游演進(jìn)中，將不斷展平，潰壩和最大流量將很快衰減，采用非恒定流解法，由壩址處的潰壩流量過程逐段演算出下游各斷面處的流量過程，潰壩在下游某斷面處形成的最大流量，其經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)為：

式中：Qm——壩址處潰壩最大泥石流流量(m3/s)；

Qm，l——Qm演進(jìn)至距壩址l處的潰壩最大泥石流流量(m3/s)；

V ——潰壩時的尾礦庫有效容積(m3)；

v ——洪水期間河道斷面平均流速(m/s)。

2.4 礦砂流到達(dá)時間估算

計(jì)算潰壩最大流量從壩址到下游某處的傳播時間，其計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：t ——潰壩最大流量從壩址到下游L處傳播時間(s)；

W ——潰壩時的尾礦庫有效容積(m3)；

hm——下游斷面處最大流量時的平均水深(m)；

k ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

H ——為潰壩前上游水深(m)。

2.5 潰壩泥石流沖擊力估算

(1) 泥位深度。

R=kV/S

式中：R ——泥石流斷面處泥位深度(m)；

V ——尾礦庫庫容(m3)；

k ——比例系數(shù)；

S ——尾礦庫下游泄流面積(m2)。

計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)法，尾礦砂泄流距離按3km計(jì)，泄流寬度取下游溝谷寬度，從現(xiàn)狀實(shí)測圖中可以測得下游溝谷寬度為264m，根據(jù)以往潰壩事故的經(jīng)驗(yàn)k 取0.88。

(2) 泥石流流速計(jì)算。

尾礦庫潰壩形成的泥石流流速根據(jù)以下公式進(jìn)行估算：

式中：R ——水力半徑(m)；

Mm——泥石流溝粗糙系數(shù)；

I ——泥石流溝縱坡比降(%)；

α——阻力系數(shù)。

(3) 泥石流動壓力計(jì)算。

泥石流動壓力計(jì)算公式：

式中：α——施于垂直面的動壓(kN/m2)；

Uc——泥石流的平均流速(m/s)；

ρm——泥石流重力密度(kN/m3)。

2.6 計(jì)算結(jié)果匯總

根據(jù)以上所選取的計(jì)算方法，得到的計(jì)算結(jié)果如下表。

尾礦庫潰壩模擬計(jì)算結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 尾礦庫現(xiàn)狀潰壩模擬分析

潰壩發(fā)生后潰口經(jīng)過發(fā)展最終寬約1.1m；潰壩發(fā)生后，泥石流流量約為46.7m3/s；尾砂最終潰壩砂流下泄過程中，砂流占據(jù)溝谷底標(biāo)高以上0～5m左右的空間，整個潰壩過程泥石流平均速度0.52m/s，泥位深度0.404m，泥石流動壓力為0.414kN/m2；通過計(jì)算，潰壩砂流從潰壩開始經(jīng)過10.6s到達(dá)下游90m左右申太選礦有限公司廠房、辦公區(qū)、生活區(qū)，流量為46.6m3/s，該處距溝底高差為3.5m，大于計(jì)算泥位深度；潰壩后18′5″泥石流到達(dá)位于尾礦庫下游2.45km處的南峪村，流量為44.7m3/s，該處距溝底高差為3.0m，大于計(jì)算泥位深度。

3.2 尾礦庫設(shè)計(jì)總庫容堆滿潰壩模擬分析

潰壩發(fā)生后潰口經(jīng)過發(fā)展最終寬約1.6m；潰壩發(fā)生后，泥石流流量約為61.8m3/s；尾砂最終潰壩砂流下泄過程中，砂流占據(jù)溝谷底標(biāo)高以上0～5m左右的空間，整個潰壩過程泥石流平均速度1.59m/s，泥位深度2.18m，泥石流動壓力為3.87kN/m2；通過計(jì)算，潰壩砂流從潰壩開始經(jīng)過7.6s到達(dá)下游90m處申太選礦有限公司廠房、辦公區(qū)、生活區(qū)，流量為61.8m3/s，該處距溝底高差為3.5m，大于計(jì)算泥位深度；潰壩后12′55″泥石流到達(dá)位于尾礦庫下游2.45km處的南峪村，流量為61.1m3/s，該處距溝底高差為3.0m，小于計(jì)算泥位深度。

4 結(jié)論

本次分析結(jié)果為理想狀態(tài)下，計(jì)算結(jié)果未考慮當(dāng)?shù)氐貏莸匦蔚挠绊憽Ｔ撐驳V庫為干堆排放，考慮下游地勢地形的作用，會對潰壩過程中產(chǎn)生的動壓力產(chǎn)生很大的消能作用，流量也會相應(yīng)的減少，實(shí)際造成的影響要遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值，所以此尾礦庫一旦潰壩不會對下游建構(gòu)筑物造成影響[5-6]。

[1]王又武，袁平，陳珂佳，等.尾礦庫潰壩有關(guān)問題探討[J].工程建設(shè)，2009，41(5)35-41.

[2]李全明，張興凱，王云海，等.尾礦庫潰壩風(fēng)險指標(biāo)體系及風(fēng)險評價模型研究[J].水力學(xué)報，2009，40(8)：989-994.

[3]郭朝陽，唐治亞.尾礦庫潰壩模型探討[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010，6(1)：63-67.

[4]彭康，李夕兵，王世鳴，等.基于未確知測度模型的尾礦庫潰壩風(fēng)險評價[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，43(4)：1447-1452.

[5]陳殿強(qiáng)，何峰，王來貴.鳳城市某尾礦庫潰壩數(shù)值計(jì)算[J].金屬礦山，2009(10)：74-80.

[6]徐克，趙云勝，張強(qiáng).尾礦庫潰壩后果數(shù)值分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38(10)：28-43.

Risk Assessment on the Downstream Areas Influence of A Tailings Dam Break

WU Yan-tao, XU Jian-yun, XING Hao-chen
(Shanxi Xingxin Security Service Center, Taiyuan 030000, China)

X936

A

1007-9386(2014)06-0056-002

2014-06-04