尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型探討

呂紅丹

摘要：目前相關(guān)文獻(xiàn)并沒(méi)有具體計(jì)算尾礦庫(kù)潰壩后下游不同距離處的淤積厚度。文中將尾礦庫(kù)潰壩后的影響范圍建立為一個(gè)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)多個(gè)尾礦庫(kù)的潰壩實(shí)例，對(duì)其進(jìn)行論證，提出修正系數(shù)。并將尾礦庫(kù)下游泄砂簡(jiǎn)化為一個(gè)三棱錐體，利用幾何公式計(jì)算尾礦壩下游的尾礦淤積厚度。

關(guān)鍵詞：尾礦庫(kù)；潰壩；數(shù)學(xué)模型；三棱錐體；淤積厚度

1 前言

在尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)以及尾礦庫(kù)日常管理，尤其是在尾礦庫(kù)應(yīng)急管理工作中，需預(yù)測(cè)尾礦庫(kù)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(méi)有一個(gè)成熟可用的數(shù)學(xué)模型對(duì)尾礦庫(kù)潰壩進(jìn)行模擬分析。因此有必要建立一個(gè)相對(duì)成熟的數(shù)學(xué)模型，對(duì)尾礦庫(kù)潰壩后的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便為尾礦庫(kù)管理工作提供技術(shù)參考[1]。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

尾礦庫(kù)潰壩除泄砂時(shí)間與影響范圍較大以外，潰壩后的運(yùn)動(dòng)形態(tài)與排矸場(chǎng)潰壩基本相同，因此文中尾礦庫(kù)潰壩范圍參考排矸場(chǎng)潰壩向外蔓延最大影響范圍的計(jì)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(kuò)散半徑（m）；

t---時(shí)間（s）。

潰壩時(shí)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(guān)。因此本評(píng)價(jià)采用修正系數(shù)η、坡度I和彎曲系數(shù)B進(jìn)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(shù)，沖溝直線長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度的比值；

I—沖溝坡度，m/m；

η—修正系數(shù)。

下泄尾砂流動(dòng)時(shí)間與潰壩量、下游沖溝坡度等因素有關(guān)，因此不能確定尾砂流動(dòng)持續(xù)時(shí)間，應(yīng)根據(jù)尾礦庫(kù)實(shí)際情況確定；由于尾礦庫(kù)不可能完全潰壩，一般按照50%潰壩考慮，也可根據(jù)庫(kù)容、地形等實(shí)際情況考慮。

3 引用實(shí)例對(duì)模型進(jìn)行修正

（1）廣西南丹大廠鎮(zhèn)鴻圖選礦廠有一座山谷型尾礦庫(kù)。2000年10月18日上午9時(shí)50分，尾礦壩垮塌，尾礦泄露量為1.16萬(wàn)m3，下泄尾砂流動(dòng)歷時(shí)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(nèi)，尾礦庫(kù)下游坡度約9°，下游沖溝彎曲系數(shù)約0.8。

將尾礦庫(kù)以上參數(shù)帶入最大影響范圍公式中計(jì)算得r=271m，發(fā)生潰壩時(shí)實(shí)際影響范圍為700m，并帶入修正公式，由此反推出修正系數(shù)η=20.5。

（2）山西襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司尾礦庫(kù)用于堆存選鐵后的尾礦，該尾礦庫(kù)設(shè)有二級(jí)壩，2008年9月8日上午9點(diǎn)58分新塔礦業(yè)尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩，下泄量約19萬(wàn)m3，下泄尾砂流動(dòng)過(guò)程歷時(shí)約1360s，最大波及長(zhǎng)度約2.5km，寬度350m，淹沒(méi)面積35hm2，尾礦庫(kù)下游坡度約5°，下游沖溝彎曲系數(shù)約0.9。

將尾礦庫(kù)泄砂量、時(shí)間、下游坡度帶入最大影響范圍公式中計(jì)算得r=1645m，發(fā)生潰壩時(shí)實(shí)際影響范圍為2500m，并帶入修正公式，由此反推出修正系數(shù)η=19.3。

根據(jù)上述幾個(gè)潰壩實(shí)例可知，尾礦庫(kù)潰壩用理論影響范圍計(jì)算實(shí)際影響范圍時(shí)，其修正系數(shù)范圍為19～21，一般取中間值20。

尾礦庫(kù)潰壩實(shí)例論證：

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

將金山尾礦庫(kù)潰壩量、時(shí)間、下游坡度帶入最大影響范圍公式中計(jì)算得r=1024m，帶入修正公式，尾礦庫(kù)潰壩實(shí)際影響范圍約1147m，與實(shí)際基本相符。

4 尾礦庫(kù)潰壩下游尾砂淤積厚度

當(dāng)尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩時(shí)，尾礦均淤積在初期壩下游，由于一般尾礦庫(kù)下游沖溝斷面為“V”形，本次將下游淤積體簡(jiǎn)化為一個(gè)三棱錐體，計(jì)算初期壩下游沖溝各斷面淤積厚度，見(jiàn)下圖。

沖溝淤積厚度計(jì)算公式如下：

式中：H—沖溝淤積厚度，m；

l1—潰壩最大影響長(zhǎng)度，m；

l2—沿沖溝底線距離初期壩的長(zhǎng)度，m；

I—沖溝坡度；

α—沖溝兩側(cè)山坡夾角，°；

V—潰壩量，m3；

采用以上公式計(jì)算山西襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司尾礦庫(kù)潰壩后下游淤積厚度，結(jié)果見(jiàn)下表：

根據(jù)公式計(jì)算出的淤積厚度與實(shí)際基本相符，因此以上幾何模型基本準(zhǔn)確。

5 防止尾礦庫(kù)潰壩的措施

尾礦庫(kù)主要風(fēng)險(xiǎn)防范措施如下：

A.尾礦壩施工應(yīng)選用能承擔(dān)大壩施工且有施工資質(zhì)的單位，并在施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)理制度，確保施工質(zhì)量。

B.要定期觀測(cè)尾礦壩，包括壩體變形、壩內(nèi)浸潤(rùn)線觀測(cè)，以保證能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)解決，防患于未然。

C.生產(chǎn)期應(yīng)對(duì)尾礦壩進(jìn)行管理和維護(hù)，隨時(shí)檢查庫(kù)內(nèi)排水、排洪等構(gòu)筑物的排洪情況，特別是在雨季、汛期，要堅(jiān)持24小時(shí)值班，以保證遇到險(xiǎn)情及時(shí)報(bào)告、及時(shí)排除。

D.當(dāng)接到震情預(yù)報(bào)時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況作出防震計(jì)劃和安排。

E.在庫(kù)區(qū)內(nèi)嚴(yán)禁爆破、采石、挖土、濫挖尾礦等危害尾礦庫(kù)安全的活動(dòng)。如企業(yè)需要回采或綜合利用庫(kù)區(qū)尾礦時(shí)，必須做開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)，并經(jīng)上級(jí)主管部門(mén)批準(zhǔn)后方可進(jìn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

尾礦庫(kù)是選礦廠的一個(gè)重要環(huán)保設(shè)施，但同時(shí)也是一個(gè)重大危險(xiǎn)源，建設(shè)或管理不當(dāng)，將會(huì)對(duì)尾礦庫(kù)下游環(huán)境造成較大影響，甚至對(duì)下游居民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。通過(guò)公式計(jì)算影響距離以及將潰壩后下泄尾砂所形成的模型簡(jiǎn)化為三棱錐體，計(jì)算下游尾砂堆積厚度，同時(shí)提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳殿強(qiáng)，何峰，王來(lái)貴.鳳城市某尾礦庫(kù)潰壩數(shù)值計(jì)算[J].金屬礦山.2009，10（1）：74-76.

[2]劉勇，李志強(qiáng)，趙凱吉.五鳳煤礦環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析及防范措施[J].科學(xué)時(shí)代.2010，1（2）：16-18.

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