尾矿库事故隐患及风险表征与防控方法*

马 波，陈聪聪，李仲学

(1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083;2.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

0 引言

尾矿库(Tailings Storage Facilities,TSF)作为金属矿山生产过程中尾矿排放贮存设施，一旦发生溃坝、漫顶、渗流、输送冒漏、库区扬尘等尾矿库事故，将造成人员伤亡、经济损失及生态环境损害，存在一定安全隐患[1]。

尾矿库事故致因包括人员、设备或管理/作业等方面，可能发生在尾矿库设计、建设、运行、闭库、再利用等生命周期各个阶段。尾矿库溃坝事故伴随巨大能量的突然释放，对矿山安全生产、环境及人员生命造成严重危害。2008年9月8日，山西省襄汾尾矿库发生溃坝事故[2]；2015年11月5日，巴西Samarco公司Germano矿尾矿库溃坝[3]。

矿山生产安全事故事故诱因、孕育、发展等演化模式具有较强不确定性，且难以形成概率及统计规律。李全明等[4]运用相关性分析和模糊理论建立尾矿库溃坝风险评价模型，但对人为影响因素考虑不全面；柯丽华等[5]采用集对分析方法和可拓理论建立尾矿库安全综合评价模型，但无法直观传递风险概念。因此，本文基于尾矿库生命周期各个阶段，考虑人员行为、工艺技术、作业实践等方面，运用基于证据(Evidence-based)思路，对尾矿库事故隐患及风险进行个性化表征，并尝试给出1种以个性化表征为目的的尾矿库事故隐患及风险防控体系新框架及新方法，具有一定理论意义与实用价值。

1 尾矿库事故隐患辨识及清单

尾矿库生命周期是1个包括选址、设计、建设、运行、闭库、再利用等阶段的持续发展过程，尾矿库工艺技术流程与人员作业程序不断变化，使尾矿库生产安全存在隐患。

本文运用基于证据(Evidence-based)思路，通过对尾矿库相关技术标准、作业规程、国内外事故案例及Riskgate[5]网站数据库等进行分析，将尾矿库事故划分为溃坝、漫顶、渗流、输送冒漏、库区扬尘5类，并对5类事故影响因素及隐患致灾演化过程进行动态分析，得到尾矿库相关事故隐患，其中溃坝隐患48种、漫顶隐患53种、渗流隐患51种、输送冒漏隐患17种、库区扬尘隐患33种。

通过对比国内外矿山尾矿库生产安全整体状况与其他工业行业安全状况，发现尾矿库事故发生频次较高。事故致因表现出较大偶然性、独特性。2010—2020年典型尾矿库事故案例及影响见表1[6]。在全球金属矿产需求增加，矿石品位下降且矿山尾矿增加的背景下，未来继续建造高产量、高风险矿山尾矿库可能性较大，尾矿设施面临前所未有的紧迫感及风险隐患。

表1 2010—2020年典型尾矿库事故案例及其影响

2 尾矿库事故隐患分析

对尾矿库溃坝、漫顶、渗流、输送冒漏、库区扬尘5类事故树进一步分析，得到尾矿库事故及其风险影响因素、隐患形成及演化过程、潜在后果间关系，主要包括以下4个方面：

1)溃坝、漫顶、渗流、输送冒漏和库区扬尘事故基本事件或蛰伏隐患分别为32，37，36，10，19个；致因涉及人员设计不当、施工人员失误、工作人员失误、维护人员失误和设备故障等方面。

2)溃坝、漫顶、渗流、输送冒漏和库区扬尘事故基本事件或蛰伏隐患最小割集分别为29，34，33，9，17。针对溃坝事故，存在29条可能的溃坝事故演化途径，即29个最小割集中基本事件或蛰伏隐患亦或耦合状况一旦发生，即可导致尾矿库溃坝事故发生。表明包含单一事件割集数量较多，一旦有基本事件或蛰伏隐患出现，可能直接导致事故发生。

3)溃坝、漫顶、渗流、输送冒漏和库区扬尘事故的基本事件或蛰伏隐患最小径集分别为8，8，8，2，4。在溃坝事故预防中存在8种综合防控措施，且只有确保每个最小径集中所有基本事件均不出现，才可避免溃坝事故发生。由于每个最小径集均包含较多基本事件或蛰伏隐患，若要有效避免事故发生，必须同时防控多种基本事件或蛰伏隐患出现。

4)基本事件或蛰伏隐患对尾矿库事故结构重要度或影响程度如式(1)所示[6]：

(1)

式中：Φ为基本事件对顶事件影响程度函数；k为事故树包含的最小割集合数量；m为包含第i个基本事件或蛰伏隐患的最小割集数目；Rj为包含第i个基本事件的第j个最小割集中基本事件数目。

事故基本事件结构重要度表明，在事故基本事件发生概率未知情况下应采取优先措施，预防结构重要度较大的基本事件。

3 尾矿库事故风险表征

根据国际标准组织风险管理表征界定，风险是对事物造成一定损失的不确定性，也是复杂社会技术系统的新兴属性，受系统中所有参与者决策影响[7]。尾矿库事故风险通常由各个层面多个促成因素引起，不是单个灾难性的决策或行动。

3.1 事件发生可能性

标准风险分析方法主要针对事件发生概率进行评估，但考虑尾矿库生命周期，概率计算比较困难。尾矿库等领域事件、事故发生具有不确定性，这种不确定性由研究对象系统人员行为、技术属性等因素决定。因此，基于工作经验并结合数学量化方法，研究人为与技术因素对尾矿库事故发生可能性影响。

1)量化方法

空间距离模型[8](Spatial Distance Model,SDM)基于欧几里得距离理论，具有理论简单明了，算法速度快以及结果可视化等优势，可计算评估各类风险指标综合价值。欧几里得距离用以测量多维空间中点之间绝对距离最重要的距离度量标准之一，如式(2)所示：

(2)

式中：X，Y是具有多维特征的个体，X=(x1，x2，x3，…，xn)，Y=(y1，y2，y3，…，yn)；xi,yj分别表示坐标系中某点横纵坐标，其中i，j∈[0，+∞)；d(X，Y)表示X，Y的欧氏距离。

2)人为与技术因素分析

对于尾矿库而言，Wei等[9]提出人的不安全行为导致意外失误与事故的因果关系理论得到广泛认可。不同认知与操作因素可独立改变人类活动的身体表现，这些因素包括但不限于情景意识(Situational Awareness,SA)、态度动机(Attitude Motivation,AM)和知识技能(Knowledge Skills,KS)等。基于人为因素主观性及可量化的前提定义不同维度，并采用SDM量化人为因素。

技术一方面包括工具和设备，另一方面包括生产过程和程序。尾矿库事故发生与尾矿贮存技术发展、生产过程以及工作方法相关，需要考虑其长期生命周期内可能发生的技术变化。依据《尾矿库安全规程》(GB 39496—2020)，尾矿库技术因素主要集中在设计标准(Design Standards,DS)、防洪设施(Flood-control Facilities,FF)和监测设施(Monitoring Facility,MF)3个方面。

应用SDM对人为、技术因素2个无形数量做直接和绝对判断。一方面，对人的不安全行为数值量化几乎不可能；另一方面，尾矿库事故统计数据较少，无法正确估计与人员、技术执行相关事故的可能性。因此，2种因素量化评价通常采用清晰数值转换尺度(即整数集，如{1，2，3，4，5})完成，尾矿库影响因素量化评价见表2。

表2 尾矿库影响因素量化评价

基于SDM，人为因素指数(Human Factor Index,HFI)综合计算如式(3)所示：

(3)

式中：SA表示情景意识；AM表示态度动机；KS表示知识技能。3者是研究人员对特定人为因素给出的赋值分数。

技术因素指数(Technical Factor Index,TFI)综合计算如式(4)所示：

(4)

式中：DS表示设计标准；FF表示防洪设施；MF表示监测设施。3者是研究人员对特定技术因素给出的赋值分数。

3)事件发生可能性等级

基于尾矿库人为、技术因素分析评价结果，对2种因素导致事件发生可能性进行表征，依据前人研究成果，并参考相关专家意见，设置2个因素权重分别为人为因素占比0.8，技术因素占比0.2。尾矿库事件发生可能性P如式(5)所示：

P=0.8HFI+0.2TFI

(5)

根据式(5)计算结果取值范围，将尾矿库事件发生可能性P划分等级1、2、3、4，见表3。

表3 尾矿库事件发生可能性等级划分

3.2 潜在后果严重性

尾矿库通常伴山而建，坝高坡陡，是潜在的高势能重大危险源[10]。本文通过引入空间维度，即采用空间参数量化“风险源-受体”，以评估尾矿库自身潜在后果严重性。

尾矿库自身潜在后果严重性表示为受体与风险源间距离d的经验公式S(d)，如式(6)所示：

S(d)=0.5×Li×di

(6)

式中：Li代表尾矿库设计等别，见表4；di表示受体距离系数，见表5。

表4 尾矿库设计等别

表5 受体距离系数

当按尾矿库全库容和尾矿坝高分别确定尾矿库等别时，应以坝高确定的尾矿库等别为准。

通过假设近距离受体更容易遭受尾矿库事故，造成相对破坏实现距离系数归一化，因尾矿库事故影响范围地形不同，将距离系数归一化分为平原和山地2种类型系数值。

为验证尾矿设施相对人类群体的邻近性，假设尾矿坝与距离最近的下游居民点间距离为10 km,尾矿平均流速5 km/h(保守估计值)，表明政府机构和矿山企业员工要在2 h内全部撤离[11]。

尾矿库自身潜在后果严重性参数主要受冲击能量、冲击特征和环境影响。针对大多数尾矿库共有特征，将库容、坝高、受体距离和地形特征作为描述尾矿库自身潜在后果严重等级初始参数。根据式(6)确定事件自身严重性等级，见表6。

表6 尾矿库潜在后果严重性等级划分

3.3 受体暴露程度

“暴露”在风险评估框架中反映“谁或什么处于风险中”。相关研究认为，“受体暴露是比隐患更重要的灾难原因”[12]。

受体指可能敏感地暴露于尾矿库事故的实体。在尾矿设施中，受体分为人、环境、材料3类。

1)受体暴露程度划分

依据《生态环境健康风险评估技术指南 总纲》(HJ 1111—2020)，结合尾矿库周围人口密度、环境密度和材料(建筑设施)密度分布情况，将尾矿库周围受体暴露程度划分为4个数量级，见表7。

表7 受体暴露程度数量级

给定尾矿库周围环境，受体暴露特征由潜在目标数量及对不同事故相对暴露程度决定。基于SDM，受体整体暴露程度是每个目标暴露的非线性组合，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)表示环境暴露程度；EMk(k=1,2,3,4)表示材料暴露程度。

2)受体暴露程度等级

根据式(7)，将尾矿库受体暴露程度划分为4个等级，见表8。

表8 受体暴露程度等级划分

3.4 事故风险表征

尾矿库事故风险通过事件发生可能性、潜在后果严重性和受体暴露程度有关的3维独立参数紧密耦合表征，具有尽可能基于完整数据，在统计上独立，可操作、成因的3种特征。

尾矿库事故风险R如式(8)所示：

(8)

式中：Pi(i=1,2,3,4)表示事件发生可能性等级；Sj(j=1,2,3,4)表示潜在后果严重性等级；Ek(k=1,2,3,4)表示受体暴露程度等级。

根据尾矿库事件发生可能性、潜在后果严重性、受体暴露程度以及各指标等级赋值，将尾矿库事故风险分为4个等级，见表9。

表9 尾矿库事故风险等级

3.5 实例应用

2019年1月25日，巴西布鲁马迪尼奥尾矿坝突然坍塌，瞬间释放高速向下游流动的尾矿，事故造成259人死亡[13]。基于事故风险表征，从事故发生前的角度深入研究事故致因并验证该方法可行性[14-16]。

1)巴西布鲁马迪尼奥尾矿库事故发生可能性评估

①人为因素。巴西布鲁马迪尼奥尾矿库所属淡水河谷公司内部报告早在2003年知晓该尾矿库结构不安全，但未对尾矿库进行实质性维护。另外，负责监督该尾矿库的巴西国家矿业局行政结构较差、工作人员技术水平低。

②技术因素。根据事故调查报告，尾矿库Ⅰ号大坝偏离原始设计，上游坡度陡峭；尾矿坝内部排水设施问题明显，尾矿库水位居高不下。该尾矿库已采用约200个设备监测大坝特性，足以证明其监测设施完整性。

综合该尾矿库人为因素(情景意识、态度动机、知识技能)和技术因素(设计标准、防洪设施、监测设施)，分别对6个影响因素赋值为1(很低)、2(低)、1(很低)、2(低)、2(低)、5(很高)。结合式(3)～(5)，计算得到可能性数值为1.79，依据表3确定人为和技术因素导致尾矿库事件发生可能性等级为4级(很高)。

2)巴西布鲁马迪尼奥尾矿库潜在后果严重性评估

巴西布鲁马迪尼奥尾矿坝采用上游式尾矿筑坝法，高86 m。依据表4确定该尾矿库设计等别为3。根据Google map，下游距离最近建筑设施至尾矿库距离小于300 m，又因矿坝位于费罗卡维尼奥河山谷，根据表5选择受体距离系数为1，结合式(6)计算得到尾矿库自身严重性为1.5。依据表6，确定该尾矿库自身严重性等级为4级(很高)。

3)巴西布鲁马迪尼奥尾矿库受体暴露程度评估

根据遥感数据，该尾矿库下游采矿设施集中，人员密集，附近住宅建筑数量多，农业区占地面积大。依据表7进行赋值：人口暴露程度很高，4级；材料(房屋建筑等)密度高，3级；周边环境资源密度中等，2级。结合式(7)计算得到暴露程度为3.11，依据表8确定该尾矿库受体暴露程度等级为最高级别4级(很高)。

4)巴西尾矿库事故风险表征

综合尾矿库人为、技术因素导致事件发生可能性等级4、尾矿库自身潜在后果严重性等级4、受体暴露程度等级4，由式(8)计算得到该尾矿库风险等级为4级，依据表9确定该尾矿库事故风险等级为最高级别4级，存在特别重大风险。

4 尾矿库事故风险防控方法框架

基于风险管理原则，针对尾矿库事故影响因素及耦合作用形成隐患、隐患演化过程、潜在后果间关系及模式，提出集事故风险预防、控制及消减机制于一体的风险防控方法框架，如图1所示，为保障尾矿库安全生产提供理论支持。

图1 尾矿库隐患演化、风险表征及风险防控框架

风险防控方法框架展现针对尾矿库事故多情景、多阶段(3段)、多层次和多等级(4级)的风险防控方法。其中，“多情景”指引发尾矿库事故发生的各种基本事件；“多阶段(3段)”指影响因素及蛰伏隐患耦合成濒危隐患、濒危隐患失控引发事故、事故失控导致灾害等3个演化阶段；“多层次”指风险演化过程中设置不同层次预防措施与减灾措施；“多等级(4级)”指事故风险数值被划分为4个等级，分别为低、中等、重大、特别重大。

根据《金属非金属矿山安全标准化规范尾矿库实施指南》(AQ/T 2050.4—2016)，尾矿库风险防控措施确定应遵循以下5个层次：消除(通过各种手段直接消除作业中存在的隐患)；替代(当作业中隐患无法消除时，可采用替代方法降低风险程度)；工程控制、隔离(通过各种工程技术手段使隐患与人的生产作业活动隔离)；管理措施(通过加强风险管理提高安全水平，确保管理措施涵盖尾矿库相关作业场所、活动、设备、设施和人员等)；个体防护(在作业人员身上建立防护屏障，利用自身防护设备使作业人员在生产中避免接触危险因素)。

考虑尾矿库不同生命周期阶段，针对具体尾矿库溃坝、漫顶、渗流、输送冒漏和库区扬尘等事故及事故风险程度，采取不同层次水平风险防控措施，兼顾技术合理、经济可行及社会可接受原则，减缓或阻断由于系统复杂性、非线性等常态意外或干扰而触发事故灾害的扩大或次生事故的产生，确保事故风险能够降低到可接受水平以下，且始终处于受控状态。

5 结论

1)对尾矿库5类事故进行分析，得出溃坝事故的32个基本事件、29条风险演化途径、8种事故防控综合措施；漫顶事故的37个基本事件、34条风险演化途径、8种事故防控综合措施；渗流事故的36个基本事件、33条风险演化途径、8种事故防控综合措施；输送冒漏事故的10个基本事件、9条风险演化途径、2种事故防控综合措施；库区扬尘事故的19个基本事件、17条风险演化途径、4种事故防控综合措施，得出上述基本事件或蛰伏隐患对尾矿库事故结构重要度或影响程度。

2)基于空间距离模型，综合衡量尾矿库人为、技术因素导致事故发生可能性、自身潜在后果严重性、受体暴露程度以及各指标等级赋值，给出尾矿库事故风险3维表征方法，并结合巴西布鲁马迪尼奥尾矿库进行实例应用，确定该尾矿库风险等级(最高级4级)，存在特别重大风险，验证该方法可行性与有效性。

3)根据经济合理、技术可行、社会可接受原则，面向尾矿库不同生命周期阶段，针对尾矿库溃坝、漫顶、渗流、输送冒漏和库区扬尘等事故，构建多水平风险防控方法框架，为尾矿库减灾防灾提供理论支撑与实践指导。