尾礦庫事故隱患及風(fēng)險表征與防控方法*

馬 波，陳聰聰，李仲學(xué)

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083;2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

尾礦庫(Tailings Storage Facilities,TSF)作為金屬礦山生產(chǎn)過程中尾礦排放貯存設(shè)施，一旦發(fā)生潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏、庫區(qū)揚(yáng)塵等尾礦庫事故，將造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失及生態(tài)環(huán)境損害，存在一定安全隱患[1]。

尾礦庫事故致因包括人員、設(shè)備或管理/作業(yè)等方面，可能發(fā)生在尾礦庫設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、閉庫、再利用等生命周期各個階段。尾礦庫潰壩事故伴隨巨大能量的突然釋放，對礦山安全生產(chǎn)、環(huán)境及人員生命造成嚴(yán)重危害。2008年9月8日，山西省襄汾尾礦庫發(fā)生潰壩事故[2]；2015年11月5日，巴西Samarco公司Germano礦尾礦庫潰壩[3]。

礦山生產(chǎn)安全事故事故誘因、孕育、發(fā)展等演化模式具有較強(qiáng)不確定性，且難以形成概率及統(tǒng)計(jì)規(guī)律。李全明等[4]運(yùn)用相關(guān)性分析和模糊理論建立尾礦庫潰壩風(fēng)險評價模型，但對人為影響因素考慮不全面；柯麗華等[5]采用集對分析方法和可拓理論建立尾礦庫安全綜合評價模型，但無法直觀傳遞風(fēng)險概念。因此，本文基于尾礦庫生命周期各個階段，考慮人員行為、工藝技術(shù)、作業(yè)實(shí)踐等方面，運(yùn)用基于證據(jù)(Evidence-based)思路，對尾礦庫事故隱患及風(fēng)險進(jìn)行個性化表征，并嘗試給出1種以個性化表征為目的的尾礦庫事故隱患及風(fēng)險防控體系新框架及新方法，具有一定理論意義與實(shí)用價值。

1 尾礦庫事故隱患辨識及清單

尾礦庫生命周期是1個包括選址、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、閉庫、再利用等階段的持續(xù)發(fā)展過程，尾礦庫工藝技術(shù)流程與人員作業(yè)程序不斷變化，使尾礦庫生產(chǎn)安全存在隱患。

本文運(yùn)用基于證據(jù)(Evidence-based)思路，通過對尾礦庫相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)規(guī)程、國內(nèi)外事故案例及Riskgate[5]網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行分析，將尾礦庫事故劃分為潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏、庫區(qū)揚(yáng)塵5類，并對5類事故影響因素及隱患致災(zāi)演化過程進(jìn)行動態(tài)分析，得到尾礦庫相關(guān)事故隱患，其中潰壩隱患48種、漫頂隱患53種、滲流隱患51種、輸送冒漏隱患17種、庫區(qū)揚(yáng)塵隱患33種。

通過對比國內(nèi)外礦山尾礦庫生產(chǎn)安全整體狀況與其他工業(yè)行業(yè)安全狀況，發(fā)現(xiàn)尾礦庫事故發(fā)生頻次較高。事故致因表現(xiàn)出較大偶然性、獨(dú)特性。2010—2020年典型尾礦庫事故案例及影響見表1[6]。在全球金屬礦產(chǎn)需求增加，礦石品位下降且礦山尾礦增加的背景下，未來繼續(xù)建造高產(chǎn)量、高風(fēng)險礦山尾礦庫可能性較大，尾礦設(shè)施面臨前所未有的緊迫感及風(fēng)險隱患。

表1 2010—2020年典型尾礦庫事故案例及其影響

2 尾礦庫事故隱患分析

對尾礦庫潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏、庫區(qū)揚(yáng)塵5類事故樹進(jìn)一步分析，得到尾礦庫事故及其風(fēng)險影響因素、隱患形成及演化過程、潛在后果間關(guān)系，主要包括以下4個方面：

1)潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏和庫區(qū)揚(yáng)塵事故基本事件或蟄伏隱患分別為32，37，36，10，19個；致因涉及人員設(shè)計(jì)不當(dāng)、施工人員失誤、工作人員失誤、維護(hù)人員失誤和設(shè)備故障等方面。

2)潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏和庫區(qū)揚(yáng)塵事故基本事件或蟄伏隱患最小割集分別為29，34，33，9，17。針對潰壩事故，存在29條可能的潰壩事故演化途徑，即29個最小割集中基本事件或蟄伏隱患亦或耦合狀況一旦發(fā)生，即可導(dǎo)致尾礦庫潰壩事故發(fā)生。表明包含單一事件割集數(shù)量較多，一旦有基本事件或蟄伏隱患出現(xiàn)，可能直接導(dǎo)致事故發(fā)生。

3)潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏和庫區(qū)揚(yáng)塵事故的基本事件或蟄伏隱患最小徑集分別為8，8，8，2，4。在潰壩事故預(yù)防中存在8種綜合防控措施，且只有確保每個最小徑集中所有基本事件均不出現(xiàn)，才可避免潰壩事故發(fā)生。由于每個最小徑集均包含較多基本事件或蟄伏隱患，若要有效避免事故發(fā)生，必須同時防控多種基本事件或蟄伏隱患出現(xiàn)。

4)基本事件或蟄伏隱患對尾礦庫事故結(jié)構(gòu)重要度或影響程度如式(1)所示[6]：

(1)

式中：Φ為基本事件對頂事件影響程度函數(shù)；k為事故樹包含的最小割集合數(shù)量；m為包含第i個基本事件或蟄伏隱患的最小割集數(shù)目；Rj為包含第i個基本事件的第j個最小割集中基本事件數(shù)目。

事故基本事件結(jié)構(gòu)重要度表明，在事故基本事件發(fā)生概率未知情況下應(yīng)采取優(yōu)先措施，預(yù)防結(jié)構(gòu)重要度較大的基本事件。

3 尾礦庫事故風(fēng)險表征

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)組織風(fēng)險管理表征界定，風(fēng)險是對事物造成一定損失的不確定性，也是復(fù)雜社會技術(shù)系統(tǒng)的新興屬性，受系統(tǒng)中所有參與者決策影響[7]。尾礦庫事故風(fēng)險通常由各個層面多個促成因素引起，不是單個災(zāi)難性的決策或行動。

3.1 事件發(fā)生可能性

標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險分析方法主要針對事件發(fā)生概率進(jìn)行評估，但考慮尾礦庫生命周期，概率計(jì)算比較困難。尾礦庫等領(lǐng)域事件、事故發(fā)生具有不確定性，這種不確定性由研究對象系統(tǒng)人員行為、技術(shù)屬性等因素決定。因此，基于工作經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)學(xué)量化方法，研究人為與技術(shù)因素對尾礦庫事故發(fā)生可能性影響。

1)量化方法

空間距離模型[8](Spatial Distance Model,SDM)基于歐幾里得距離理論，具有理論簡單明了，算法速度快以及結(jié)果可視化等優(yōu)勢，可計(jì)算評估各類風(fēng)險指標(biāo)綜合價值。歐幾里得距離用以測量多維空間中點(diǎn)之間絕對距離最重要的距離度量標(biāo)準(zhǔn)之一，如式(2)所示：

(2)

式中：X，Y是具有多維特征的個體，X=(x1，x2，x3，…，xn)，Y=(y1，y2，y3，…，yn)；xi,yj分別表示坐標(biāo)系中某點(diǎn)橫縱坐標(biāo)，其中i，j∈[0，+∞)；d(X，Y)表示X，Y的歐氏距離。

2)人為與技術(shù)因素分析

對于尾礦庫而言，Wei等[9]提出人的不安全行為導(dǎo)致意外失誤與事故的因果關(guān)系理論得到廣泛認(rèn)可。不同認(rèn)知與操作因素可獨(dú)立改變?nèi)祟惢顒拥纳眢w表現(xiàn)，這些因素包括但不限于情景意識(Situational Awareness,SA)、態(tài)度動機(jī)(Attitude Motivation,AM)和知識技能(Knowledge Skills,KS)等?；谌藶橐蛩刂饔^性及可量化的前提定義不同維度，并采用SDM量化人為因素。

技術(shù)一方面包括工具和設(shè)備，另一方面包括生產(chǎn)過程和程序。尾礦庫事故發(fā)生與尾礦貯存技術(shù)發(fā)展、生產(chǎn)過程以及工作方法相關(guān)，需要考慮其長期生命周期內(nèi)可能發(fā)生的技術(shù)變化。依據(jù)《尾礦庫安全規(guī)程》(GB 39496—2020)，尾礦庫技術(shù)因素主要集中在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(Design Standards,DS)、防洪設(shè)施(Flood-control Facilities,FF)和監(jiān)測設(shè)施(Monitoring Facility,MF)3個方面。

應(yīng)用SDM對人為、技術(shù)因素2個無形數(shù)量做直接和絕對判斷。一方面，對人的不安全行為數(shù)值量化幾乎不可能；另一方面，尾礦庫事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較少，無法正確估計(jì)與人員、技術(shù)執(zhí)行相關(guān)事故的可能性。因此，2種因素量化評價通常采用清晰數(shù)值轉(zhuǎn)換尺度(即整數(shù)集，如{1，2，3，4，5})完成，尾礦庫影響因素量化評價見表2。

表2 尾礦庫影響因素量化評價

基于SDM，人為因素指數(shù)(Human Factor Index,HFI)綜合計(jì)算如式(3)所示：

(3)

式中：SA表示情景意識；AM表示態(tài)度動機(jī)；KS表示知識技能。3者是研究人員對特定人為因素給出的賦值分?jǐn)?shù)。

技術(shù)因素指數(shù)(Technical Factor Index,TFI)綜合計(jì)算如式(4)所示：

(4)

式中：DS表示設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；FF表示防洪設(shè)施；MF表示監(jiān)測設(shè)施。3者是研究人員對特定技術(shù)因素給出的賦值分?jǐn)?shù)。

3)事件發(fā)生可能性等級

基于尾礦庫人為、技術(shù)因素分析評價結(jié)果，對2種因素導(dǎo)致事件發(fā)生可能性進(jìn)行表征，依據(jù)前人研究成果，并參考相關(guān)專家意見，設(shè)置2個因素權(quán)重分別為人為因素占比0.8，技術(shù)因素占比0.2。尾礦庫事件發(fā)生可能性P如式(5)所示：

P=0.8HFI+0.2TFI

(5)

根據(jù)式(5)計(jì)算結(jié)果取值范圍，將尾礦庫事件發(fā)生可能性P劃分等級1、2、3、4，見表3。

表3 尾礦庫事件發(fā)生可能性等級劃分

3.2 潛在后果嚴(yán)重性

尾礦庫通常伴山而建，壩高坡陡，是潛在的高勢能重大危險源[10]。本文通過引入空間維度，即采用空間參數(shù)量化“風(fēng)險源-受體”，以評估尾礦庫自身潛在后果嚴(yán)重性。

尾礦庫自身潛在后果嚴(yán)重性表示為受體與風(fēng)險源間距離d的經(jīng)驗(yàn)公式S(d)，如式(6)所示：

S(d)=0.5×Li×di

(6)

式中：Li代表尾礦庫設(shè)計(jì)等別，見表4；di表示受體距離系數(shù)，見表5。

表4 尾礦庫設(shè)計(jì)等別

表5 受體距離系數(shù)

當(dāng)按尾礦庫全庫容和尾礦壩高分別確定尾礦庫等別時，應(yīng)以壩高確定的尾礦庫等別為準(zhǔn)。

通過假設(shè)近距離受體更容易遭受尾礦庫事故，造成相對破壞實(shí)現(xiàn)距離系數(shù)歸一化，因尾礦庫事故影響范圍地形不同，將距離系數(shù)歸一化分為平原和山地2種類型系數(shù)值。

為驗(yàn)證尾礦設(shè)施相對人類群體的鄰近性，假設(shè)尾礦壩與距離最近的下游居民點(diǎn)間距離為10 km,尾礦平均流速5 km/h(保守估計(jì)值)，表明政府機(jī)構(gòu)和礦山企業(yè)員工要在2 h內(nèi)全部撤離[11]。

尾礦庫自身潛在后果嚴(yán)重性參數(shù)主要受沖擊能量、沖擊特征和環(huán)境影響。針對大多數(shù)尾礦庫共有特征，將庫容、壩高、受體距離和地形特征作為描述尾礦庫自身潛在后果嚴(yán)重等級初始參數(shù)。根據(jù)式(6)確定事件自身嚴(yán)重性等級，見表6。

表6 尾礦庫潛在后果嚴(yán)重性等級劃分

3.3 受體暴露程度

“暴露”在風(fēng)險評估框架中反映“誰或什么處于風(fēng)險中”。相關(guān)研究認(rèn)為，“受體暴露是比隱患更重要的災(zāi)難原因”[12]。

受體指可能敏感地暴露于尾礦庫事故的實(shí)體。在尾礦設(shè)施中，受體分為人、環(huán)境、材料3類。

1)受體暴露程度劃分

依據(jù)《生態(tài)環(huán)境健康風(fēng)險評估技術(shù)指南 總綱》(HJ 1111—2020)，結(jié)合尾礦庫周圍人口密度、環(huán)境密度和材料(建筑設(shè)施)密度分布情況，將尾礦庫周圍受體暴露程度劃分為4個數(shù)量級，見表7。

表7 受體暴露程度數(shù)量級

給定尾礦庫周圍環(huán)境，受體暴露特征由潛在目標(biāo)數(shù)量及對不同事故相對暴露程度決定?；赟DM，受體整體暴露程度是每個目標(biāo)暴露的非線性組合，如式(7)所示：

(7)

式中：EHi(i=1,2,3,4)表示人口暴露程度；EEj(j=1,2,3,4)表示環(huán)境暴露程度；EMk(k=1,2,3,4)表示材料暴露程度。

2)受體暴露程度等級

根據(jù)式(7)，將尾礦庫受體暴露程度劃分為4個等級，見表8。

表8 受體暴露程度等級劃分

3.4 事故風(fēng)險表征

尾礦庫事故風(fēng)險通過事件發(fā)生可能性、潛在后果嚴(yán)重性和受體暴露程度有關(guān)的3維獨(dú)立參數(shù)緊密耦合表征，具有盡可能基于完整數(shù)據(jù)，在統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立，可操作、成因的3種特征。

尾礦庫事故風(fēng)險R如式(8)所示：

(8)

式中：Pi(i=1,2,3,4)表示事件發(fā)生可能性等級；Sj(j=1,2,3,4)表示潛在后果嚴(yán)重性等級；Ek(k=1,2,3,4)表示受體暴露程度等級。

根據(jù)尾礦庫事件發(fā)生可能性、潛在后果嚴(yán)重性、受體暴露程度以及各指標(biāo)等級賦值，將尾礦庫事故風(fēng)險分為4個等級，見表9。

表9 尾礦庫事故風(fēng)險等級

3.5 實(shí)例應(yīng)用

2019年1月25日，巴西布魯馬迪尼奧尾礦壩突然坍塌，瞬間釋放高速向下游流動的尾礦，事故造成259人死亡[13]?；谑鹿曙L(fēng)險表征，從事故發(fā)生前的角度深入研究事故致因并驗(yàn)證該方法可行性[14-16]。

1)巴西布魯馬迪尼奧尾礦庫事故發(fā)生可能性評估

①人為因素。巴西布魯馬迪尼奧尾礦庫所屬淡水河谷公司內(nèi)部報告早在2003年知曉該尾礦庫結(jié)構(gòu)不安全，但未對尾礦庫進(jìn)行實(shí)質(zhì)性維護(hù)。另外，負(fù)責(zé)監(jiān)督該尾礦庫的巴西國家礦業(yè)局行政結(jié)構(gòu)較差、工作人員技術(shù)水平低。

②技術(shù)因素。根據(jù)事故調(diào)查報告，尾礦庫Ⅰ號大壩偏離原始設(shè)計(jì)，上游坡度陡峭；尾礦壩內(nèi)部排水設(shè)施問題明顯，尾礦庫水位居高不下。該尾礦庫已采用約200個設(shè)備監(jiān)測大壩特性，足以證明其監(jiān)測設(shè)施完整性。

綜合該尾礦庫人為因素(情景意識、態(tài)度動機(jī)、知識技能)和技術(shù)因素(設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、防洪設(shè)施、監(jiān)測設(shè)施)，分別對6個影響因素賦值為1(很低)、2(低)、1(很低)、2(低)、2(低)、5(很高)。結(jié)合式(3)～(5)，計(jì)算得到可能性數(shù)值為1.79，依據(jù)表3確定人為和技術(shù)因素導(dǎo)致尾礦庫事件發(fā)生可能性等級為4級(很高)。

2)巴西布魯馬迪尼奧尾礦庫潛在后果嚴(yán)重性評估

巴西布魯馬迪尼奧尾礦壩采用上游式尾礦筑壩法，高86 m。依據(jù)表4確定該尾礦庫設(shè)計(jì)等別為3。根據(jù)Google map，下游距離最近建筑設(shè)施至尾礦庫距離小于300 m，又因礦壩位于費(fèi)羅卡維尼奧河山谷，根據(jù)表5選擇受體距離系數(shù)為1，結(jié)合式(6)計(jì)算得到尾礦庫自身嚴(yán)重性為1.5。依據(jù)表6，確定該尾礦庫自身嚴(yán)重性等級為4級(很高)。

3)巴西布魯馬迪尼奧尾礦庫受體暴露程度評估

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)，該尾礦庫下游采礦設(shè)施集中，人員密集，附近住宅建筑數(shù)量多，農(nóng)業(yè)區(qū)占地面積大。依據(jù)表7進(jìn)行賦值：人口暴露程度很高，4級；材料(房屋建筑等)密度高，3級；周邊環(huán)境資源密度中等，2級。結(jié)合式(7)計(jì)算得到暴露程度為3.11，依據(jù)表8確定該尾礦庫受體暴露程度等級為最高級別4級(很高)。

4)巴西尾礦庫事故風(fēng)險表征

綜合尾礦庫人為、技術(shù)因素導(dǎo)致事件發(fā)生可能性等級4、尾礦庫自身潛在后果嚴(yán)重性等級4、受體暴露程度等級4，由式(8)計(jì)算得到該尾礦庫風(fēng)險等級為4級，依據(jù)表9確定該尾礦庫事故風(fēng)險等級為最高級別4級，存在特別重大風(fēng)險。

4 尾礦庫事故風(fēng)險防控方法框架

基于風(fēng)險管理原則，針對尾礦庫事故影響因素及耦合作用形成隱患、隱患演化過程、潛在后果間關(guān)系及模式，提出集事故風(fēng)險預(yù)防、控制及消減機(jī)制于一體的風(fēng)險防控方法框架，如圖1所示，為保障尾礦庫安全生產(chǎn)提供理論支持。

圖1 尾礦庫隱患演化、風(fēng)險表征及風(fēng)險防控框架

風(fēng)險防控方法框架展現(xiàn)針對尾礦庫事故多情景、多階段(3段)、多層次和多等級(4級)的風(fēng)險防控方法。其中，“多情景”指引發(fā)尾礦庫事故發(fā)生的各種基本事件；“多階段(3段)”指影響因素及蟄伏隱患耦合成瀕危隱患、瀕危隱患失控引發(fā)事故、事故失控導(dǎo)致災(zāi)害等3個演化階段；“多層次”指風(fēng)險演化過程中設(shè)置不同層次預(yù)防措施與減災(zāi)措施；“多等級(4級)”指事故風(fēng)險數(shù)值被劃分為4個等級，分別為低、中等、重大、特別重大。

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范尾礦庫實(shí)施指南》(AQ/T 2050.4—2016)，尾礦庫風(fēng)險防控措施確定應(yīng)遵循以下5個層次：消除(通過各種手段直接消除作業(yè)中存在的隱患)；替代(當(dāng)作業(yè)中隱患無法消除時，可采用替代方法降低風(fēng)險程度)；工程控制、隔離(通過各種工程技術(shù)手段使隱患與人的生產(chǎn)作業(yè)活動隔離)；管理措施(通過加強(qiáng)風(fēng)險管理提高安全水平，確保管理措施涵蓋尾礦庫相關(guān)作業(yè)場所、活動、設(shè)備、設(shè)施和人員等)；個體防護(hù)(在作業(yè)人員身上建立防護(hù)屏障，利用自身防護(hù)設(shè)備使作業(yè)人員在生產(chǎn)中避免接觸危險因素)。

考慮尾礦庫不同生命周期階段，針對具體尾礦庫潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏和庫區(qū)揚(yáng)塵等事故及事故風(fēng)險程度，采取不同層次水平風(fēng)險防控措施，兼顧技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)可行及社會可接受原則，減緩或阻斷由于系統(tǒng)復(fù)雜性、非線性等常態(tài)意外或干擾而觸發(fā)事故災(zāi)害的擴(kuò)大或次生事故的產(chǎn)生，確保事故風(fēng)險能夠降低到可接受水平以下，且始終處于受控狀態(tài)。

5 結(jié)論

1)對尾礦庫5類事故進(jìn)行分析，得出潰壩事故的32個基本事件、29條風(fēng)險演化途徑、8種事故防控綜合措施；漫頂事故的37個基本事件、34條風(fēng)險演化途徑、8種事故防控綜合措施；滲流事故的36個基本事件、33條風(fēng)險演化途徑、8種事故防控綜合措施；輸送冒漏事故的10個基本事件、9條風(fēng)險演化途徑、2種事故防控綜合措施；庫區(qū)揚(yáng)塵事故的19個基本事件、17條風(fēng)險演化途徑、4種事故防控綜合措施，得出上述基本事件或蟄伏隱患對尾礦庫事故結(jié)構(gòu)重要度或影響程度。

2)基于空間距離模型，綜合衡量尾礦庫人為、技術(shù)因素導(dǎo)致事故發(fā)生可能性、自身潛在后果嚴(yán)重性、受體暴露程度以及各指標(biāo)等級賦值，給出尾礦庫事故風(fēng)險3維表征方法，并結(jié)合巴西布魯馬迪尼奧尾礦庫進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用，確定該尾礦庫風(fēng)險等級(最高級4級)，存在特別重大風(fēng)險，驗(yàn)證該方法可行性與有效性。

3)根據(jù)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、社會可接受原則，面向尾礦庫不同生命周期階段，針對尾礦庫潰壩、漫頂、滲流、輸送冒漏和庫區(qū)揚(yáng)塵等事故，構(gòu)建多水平風(fēng)險防控方法框架，為尾礦庫減災(zāi)防災(zāi)提供理論支撐與實(shí)踐指導(dǎo)。