国内外尾矿坝事故致灾因素分析*

刘海明 曹 净 杨春和

(1.昆明理工大学建筑工程学院;2.岩土力学与工程国家重点实验室)

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地形成的，用以堆存选矿后排出的尾矿或其他工业废渣的场所［1］。尾矿库是选矿厂生产设施的重要组成部分，同时，它也是一个高势能的危险源，一旦垮塌，不仅使国家蒙受巨大经济损失，更危及下游地区居民的生命财产安全。另外，尾矿库中的有害化学物质将污染周围地下水和江河流域，造成严重的环境破坏。我国尾矿库数量多、规模小，大都采用稳定性差的上游式筑坝，且尾矿库下游为居民区或厂区，安全性得不到保障。

1985年7月19日，意大利Stava尾矿坝发生溃坝事故［2］，该事故造成了268人死亡，是当时最严重的尾矿坝溃坝事故。2008年9月8日，山西襄汾县新塔矿业有限公司尾矿库发生特大溃坝事故，造成277人死亡，4人失踪，事故发生后震惊中外，这也是目前尾矿坝最为惨重的事故。Azam［3］统计了1910—2009年全球的218起尾矿坝破坏事故，分析表明尾矿坝破坏事故正从发达国家向发展中国家转移;引起事故的主要原因为不寻常的降雨以及管理不善。因此，为及时消除尾矿坝事故隐患，减少和防止尾矿坝事故的发生，确保尾矿库的安全运行，使之更好地为矿山安全生产服务，分析尾矿坝事故案例、总结尾矿坝事故特点和规律是十分必要且急需的。

1 国外尾矿坝事故分析

尾矿坝事故是指由于修建、运行尾矿坝或尾矿库给周边环境、生态带来的不利影响，主要包括溃坝、排洪系统破损、尾矿泄露、洪水漫坝及污染地下水等。尾矿坝溃坝是指由于边坡失稳、洪水漫坝及地震等原因造成初期坝或是后期坝的垮塌。由于尾矿坝筑坝材料的特殊性，这种垮塌极易形成泥石流，对生态环境破坏性极大。

美国大坝委员会［4］(USCOLD)系统地收集了1917—1989期间185起尾矿坝事故的资料，随后，美国环境工程局［5］(USEP)和美国环境计划署［6］在此基础上进行了补充，并整理了1989—2006年4月期间的尾矿坝事故案例，进行分析后，得到了83起较为全面的尾矿坝事故资料。在此基础上，国际大坝委员会(ICOLD)收集了世界范围内其他地区的尾矿坝事故案例，得到了221起尾矿坝事故资料。

通过对上述数据进行整理分析，获得了147起有详细资料的尾矿坝破坏事故，按事故发生地分成4类，分别为欧洲(26起)、美国(57起)、欧美之外的对环境控制较严的国家(如加拿大、日本等)(14起)、其他国家(包括中国)(50起)。对这些尾矿坝事故分析了尾矿坝筑坝工艺、破坏时的坝高及尾矿坝破坏原因与破坏次数的关系。

1.1 尾矿坝事故与坝高的关系分析

尾矿坝破坏时的坝高见图 1［7］，由图可知:77.4%的尾矿坝事故发生时其坝高不足30 m。这一方面是因为坝高小于30 m的数量较多;另一方面，由于尾矿坝不同于水坝，不是一次性筑坝而成，而是分阶段筑坝而成，坝高超过30 m的尾矿坝也要经历坝高小于30 m的阶段。

图1 尾矿坝事故与坝高关系

1.2 尾矿坝事故致灾因素分析

Rico［7］分析了尾矿坝事故的原因，指出了导致尾矿坝事故发生的15个因素。研究表明，约有39%的尾矿坝事故是由多个原因共同引起的，例如气象原因(包括强降雨、飓风、温度的骤升导致雪融等等)引起的事故同时也与冒顶、渗流、基础破坏或管理体系有关。在分析中，归纳出10个破坏因素，每一个尾矿坝事故只归因于1个最主要的因素，见图2［7］。分析结果表明:引起尾矿坝事故的主要因素为降雨，其次为地震、管理等。

1.3 尾矿坝事故与坝体状态和筑坝工艺的关系

图2 尾矿坝事故原因分布

当尾矿库堆存至设计要求或采矿活动终止时，尾矿库将处于非使用状态。通常，这些处于非使用状态的尾矿库也需要维护;但在某些情况下，尤其是当采矿活动终止后，尾矿坝就被废弃，无人管理。鉴于此，将尾矿坝的使用状态分为使用、非使用维护及废弃状态3类。尾矿坝事故与尾矿库的使用状态的关系见图3［7］。由图3可知:发生尾矿坝事故时，83%的尾矿库处于使用状态，15%的处于废弃状态，2%的处于非使用维护状态。对于处于使用状态的尾矿坝，引发尾矿坝事故的主要因素是自然灾害，包括强降雨、地震;同时，管理失策和边坡失稳导致的尾矿坝事故只发生于处于使用状态的尾矿坝。

图3 尾矿坝事故与筑坝方式及使用状态关系

对尾矿坝事故与尾矿坝筑坝工艺的关系也进行了分析。目前，在尾矿坝筑坝工艺中，除了常见的上游法筑坝、下游坝筑坝以及中线法筑坝外，还有一种混合式筑坝应用较多，该筑坝工艺采用多种方式筑坝，例如:前期筑坝时，粗颗粒较少，采用上游法筑坝，到后期，由于粗颗粒的增多，采用中线法筑坝或下游法筑坝。不同筑坝方式的破坏分析表明:76%的尾矿坝事故为上游法筑坝;15%的尾矿坝事故为下游法筑坝;5%的尾矿坝事故为中线法筑坝;4%的尾矿坝事故为混合法筑坝。

2 国内尾矿坝事故分析

2.1 尾矿坝事故分析

建国以来，由于资源开采的需要，建立了许多矿山企业，尤其是改革开发之后，很多私立矿山企业得到了发展，而这些私立企业缺少监管，同时也缺乏安全监管及安全隐患意识，很多尾矿库建设甚至连最基本的设计流程都没有遵守，就直接施工，导致了很多尾矿坝事故发生。图4是我国自2001年以来发生的尾矿坝事故［9-11］。

图4 国内2001以来尾矿坝事故统计结果

从图4可以看出，我国尾矿坝事故起数在2008年以前呈上升趋势，2009—2010年由于国家安全生产监督总局各级领导及矿业生产单位的共同努力，尾矿坝事故起数下降。

对我国2001年以来发生的72次事故进行分类整理，结果如图5所示。由图5可知:排在首位的事故类型为溃坝，占57%。一方面，图5反应了尾矿坝溃坝事故发生的概率大;另一方面，影响此分析结果的因素可能还有尾矿坝溃坝事故发生后社会影响恶劣、对人民生命财产破坏大，难以隐瞒，而尾矿泄露及排洪系统损坏事故发生后，社会影响相对较小，部分企业尤其是上市企业采取各种措施隐瞒事故真相，没有被媒体及相关部门报道。

图5 2001以来我国尾矿坝事故类型统计结果

2.2 尾矿坝溃坝因素分析

由分析可知，溃坝事故占尾矿坝事故的比例较大。由于尾矿坝下游一般为居民区或是工业区，一旦溃坝，对生命财产损失极大。通过查阅文献［11-14］，获得了56起尾矿坝溃坝事故，能初步确定溃坝原因的有42起。通过查阅文献和对溃坝因素进行分析后，将溃坝因素分为以下几种。

(1)尾矿坝边坡稳定性不足。在尾矿坝边坡中，引起尾矿坝边坡失稳的原因主要分为3种:一是尾矿坝坡度过陡;二是上部荷载过大;三是尾矿浸润线升高，导致坝体自重增加，同时导致尾矿黏聚力和内摩擦角下降，使材料抗剪强度减小。总之，一切增加下滑力或是减小抗滑力的因素都可能使尾矿坝边坡失稳后溃坝。

(2)违规建设。违规建设是指没有按照建设基本步骤(先勘察、后设计、再施工的基本建设步骤)，没做勘察直接设计，或是没有设计直接施工，或是聘请的勘察设计单位资质不合要求，或是勘察深度不符合要求的尾矿坝建设。由于我国特殊的国情，在尾矿坝建设的早期(20世纪70年代之前)，很多尾矿坝没有遵循最基本的建设流程;改革开发后，国家鼓励部分私立企业进入矿产开发，这些企业缺乏相应的专业人员，片面追求经济利益，其中不少尾矿坝也没有遵循最基本的建设流程。

(3)不寻常降雨。降雨量过大，超过尾矿库的正常排洪能力时，导致尾矿库内水位急剧上升，当水位上升超过坝高后，导致漫坝，漫过坝体的水冲刷尾矿堆积坝，形成冲拉沟后成为薄弱面;同时坝体浸润线上升，坝坡稳定性下降，最终导致溃坝。

(4)排洪系统破损。当尾矿库排洪系统破坏或是部分失效后，进水量大于排水量或是回水量，库内水位上升，致使坝坡浸润线也上升，导致坝体自重增加，同时尾矿材料黏聚力和内摩擦角降低，再加上基质吸力的丧失，坝坡从原先的稳定状态逐渐降低到极限平衡状态，此时，任何微小的扰动将导致坝坡失稳。

(5)管涌渗流破坏。当坝基为强风化岩石或是卵石层等地基时，地基孔隙相互贯通，或是由于初期坝的反滤层失效等造成管涌，细颗粒随渗透通道不断被带走，导致坝体材料力学性质不断下降，最终导致溃坝。

(6)库内滑坡。尾矿库内水位升高后，原先周边稳定的边坡可能变得不稳定，库内边坡滑动，滑动后的坡体堆积在库内，导致库内水位急剧升高，同时边坡滑动时会产生动荷载，尾矿坝在上述作用下发生溃坝。

(7)地震。尾矿堆积坝采用尾砂堆筑，尾砂一般处于松散—欠密状态，在地震作用下，坝体内孔隙水压力迅速上升，当其达到或超过颗粒自重时，颗粒将处于悬浮状态，此时，尾矿材料抗剪强度迅速下降，尾矿坝发生溃坝。

(8)其他。其他因素包括尾矿坝运行过程中的管理问题，以及一些不常见的人为原因，比如:云南永福锡矿尾矿库闭库后，由于当地一些居民违反规定，在尾矿坝下游挖尾砂，导致该尾矿坝大面积塌方后溃坝。值得注意的是，这类溃坝事故时有发生，希望尾矿库管理人员加强管理。

对42起溃坝事故进行深入分析后表明，尾矿坝溃坝是多方面因素共同作用的结果，且这些因素相互交叉，从不同的角度得出的结论往往不一样。将搜集的42个溃坝事故归因于1个主要因素，整理后如图6所示。由图6可知，我国尾矿坝溃坝事故的主要原因为坝坡稳定性不足、违规建设、降雨量过大以及排洪系统破损。

图6 我国尾矿坝溃坝事故原因统计结果

2.3 尾矿坝溃坝与坝高的关系

在这42起溃坝事故中，能确定发生溃坝时的坝高有19起，见图7。由图可知:坝高为20～40 m的尾矿坝发生溃坝事故相对较多;文献［14］表1统计了我国主要矿山企业不同坝高的尾矿坝分布情况，结果表明，坝高处于30～60 m只占尾矿坝总数的25%左右。结合图7，在某种程度上表明坝高为20～40 m的溃坝事故较多，绝非偶然。

图7 我国尾矿坝溃坝事故与坝高的关系

2.4 尾矿坝溃坝事故与筑坝工艺的关系

在42起溃坝事故当中，有17起溃坝事故有初期坝的资料(其中不透水初期坝12起，透水初期坝5起)，不透水初期坝的形式主要为黏土坝、黏土斜墙干砌石坝、土石坝外贴黏土护坡等，比较多的为黏土坝。另外，在这42起溃坝事故中，39起尾矿坝处于运行状态，这也包括闭库后重新扩容加高的尾矿坝;3起尾矿坝已闭库，其中1起事故原因为当地村民在尾矿坝下游挖尾砂而导致溃坝。

3 结论

(1)通过收集、整理国外147起尾矿坝破坏事故资料，研究表明:大多数尾矿坝尾矿坝事故发生时其坝高不足30 m;事故原因主要为降雨、地震以及管理;不仅处于使用状态的尾矿坝易于发生事故，处于非使用状态的尾矿坝也会发生溃坝事故;采用上游法筑坝的尾矿坝发生事故的可能性较高。

(2)分析已有尾矿坝事故表明，2001年以来我国尾矿坝事故呈现不断增加的趋势，通过采取有效措施，2009年以来尾矿坝事故起数不断下降。通过对42起能确定溃坝原因的事故研究表明:引起尾矿坝溃坝因素依次为尾矿坝边坡稳定性不足、违规建设、不寻常降雨;坝高为20～40 m的尾矿坝发生溃坝事故的概率较大。

(3)国内和国外尾矿坝溃坝数据都反映出上游式筑坝方法导致尾矿坝溃坝所占比例大，因此在尾矿坝建设中，应尽可能地采用中游式筑坝或下游式筑坝方法，同时应加强研究新的筑坝工艺，以改善尾矿坝的稳定性。

(4)初期坝为不透水坝时其溃坝概率较透水坝大得多，因此，在初期坝设计时，应尽可能采取透水坝;当初期坝不能采用透水坝时，应采取能提高尾矿坝稳定性的有效措施。

(5)我国应加紧建设和完善”尾矿库数字化安全管理“，做好全国范围内的尾矿坝事故调查与分析，建立尾矿坝安全在线监测系统，全天候实时监控尾矿坝，以保证尾矿坝安全稳定地运行。

［1］ Vick S G．Planning，Design，and Analysis of Tailings Dams［M］．New York:John Wiley and Sons，1983．

［2］ Chandler R J，Tosatti G．The Stava tailings dams failure，Italy，July 1985［J］．Geotechnical Engineering，1995，113(2):67-69．

［3］ Azam S，Li Q R．Tailings dam failures:a review of the last one hundred years［J］．Geotechnical News，2010，28(4):50-53．

［4］ U.S.Committee on Large Dams．USCOLD，Tailings Dam Incidents［R］．Denver:Colorado，1994．

［5］ U.S.Environmental Protection Agency，Office of Solid Waste．EPA，Damage Cases and Environmental Releases from Mines and Mineral Processing Sites［R］．Washington:DC，1997．

［6］ United Nations Environment Programme，Industry and Environmen．UNEP，Environmental and Safety Incidents Concerning Tailings Dams at Mines:Results of a Survey for the Years 1980-1996 by Mining Journal Research Services［R］．Paris:［s．n．］，1996．

［7］ Rico M，Benito G，and Salgueiro A R．Reported tailings dam failures:a review of the European incidents in the worldwide context［J］．Journal of Hazardous Materials，2008，152(2):846-852．

［8］ 国家安全生产监督总局．关于印发全国尾矿库专项整治行动2009年工作总结和2010年重点工作安排的通知［OL］．［2012-10-30］http:∥ www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel_5330/2010/0430/93179/content_93179.htm．

［9］ 国家安全生产监督总局．关于印发全国尾矿库专项整治行动2008年工作总结和2009年重点工作安排意见的通知［OL］．［2012-10-30］http:∥ www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel_5921/2009/0519/60368/content_60368.htm．

［10］ 国家安全生产监督总局．关于印发全国尾矿库专项整治行动工作2007年工作总结和2008年重点工作安排意见的通知［OL］．［2012-10-30］http:∥www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel_592/2008/0526/9345/content_9345.htm．

［11］ 《尾矿设施设计参考资料》编写组．尾矿设施设计参考资料［M］．北京:冶金工业出版社，1987．

［12］ 《中国有色金属尾矿库概论》编辑委员会．中国有色金属尾矿库概论［M］．北京:中国有色金属工业总公司，1991．

［13］ 魏 勇，许开立，郑 欣．尾矿坝溃坝事故致因分析［J］．中国矿业，2009，18(6):98-99．

［14］ 徐宏达．我国尾矿库病害事故统计分析［J］．工业建筑，2001，31(1):69-71．