中國尾礦庫安全現(xiàn)狀與治理對策

中國尾礦庫安全現(xiàn)狀與治理對策

水流沖積法沉積的水庫為尾礦沉積水庫。子壩的筑壩方法還可以分為人工筑壩、機(jī)械筑壩、池田法筑壩等。排放方法有多點排放,即支管分散排放,獨管排放等。前者方便筑壩,后者多用于冬季排放和水下排放。有時,為了調(diào)整沉積灘坡度,需要考慮不同支管的濃度和粒度,有目的的開啟支管。高濃度、細(xì)顆粒尾礦筑壩設(shè)計缺乏經(jīng)驗,有幾個典型工程使用規(guī)程的上游法,投產(chǎn)以后出現(xiàn)了筑壩困難的問題。尾礦濃縮、分級、壓濾設(shè)備的發(fā)展,為尾礦膏體排放和“干堆”創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件,具備了推廣的要素之一。由于上游法與干堆法差別較大,干堆設(shè)計“不能按上游法規(guī)范做”,膏體排放的設(shè)計也如此。平面布置、空間利用、庫容計算、堆壩方法、材料分布等,許多環(huán)節(jié)都有別于上游法。當(dāng)前尾礦膏排和干堆沒有設(shè)計、施工規(guī)范,也缺少系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗,更難找到勘察、試驗、實測資料,應(yīng)鼓勵開展這方面工作。從政府角度:加大對尾礦庫的安全設(shè)施建設(shè)根據(jù)金屬非金屬礦山尾礦庫安全技術(shù)中心2009年5月《尾礦庫安全技術(shù)和監(jiān)管重點》,至2008年底,全國各類尾礦庫共12655座,其中已閉庫1950座、在建1853座,四、五等庫占95%。壩高60m以下占95%,庫容小于100萬m3占89%;100～1000萬m3占9%。90%上游式筑壩,90%分布在冶金、有色、黃金及建材等行業(yè)。這幾組數(shù)據(jù)表明,尾礦庫的安全狀況堪憂。三分之一以上的尾礦庫未經(jīng)正規(guī)設(shè)計,近40%的尾礦庫并未取得安全生產(chǎn)許可證,這是必須改善的現(xiàn)實。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家發(fā)展和改革委員會、國土資源部、環(huán)境保護(hù)部,以安監(jiān)總管62號文《全國尾礦庫專項整治行動2010年工作總結(jié)和2011年重點工作安排》肯定了治理尾礦庫的成績:“各地區(qū)、各單位嚴(yán)格落實尾礦庫隱患綜合治理責(zé)任,強(qiáng)化掛牌督辦和督導(dǎo)檢查,加大投入,加強(qiáng)政策引導(dǎo)扶持,尾礦庫專項整治行動取得了重大進(jìn)展。截至2010年底,全國危、險、病庫數(shù)量由2008年底的4910座下降到1477座,下降69.9%;排查出一般隱患53353項,已整改51620項,整改率96.8%;排查出重大隱患243項,已整改210項,整改率86.4%。河南、山西兩省大力推進(jìn)尾礦庫閉庫治理工作,共投入閉庫治理資金7億元,列入強(qiáng)制閉庫治理計劃的1453座尾礦庫已經(jīng)全部治理驗收完畢”?！?010年底,全國已有5717座尾礦庫取得了安全生產(chǎn)許可證,占在用尾礦庫總數(shù)6640座的86.1%;全國已有454座尾礦庫達(dá)到了安全標(biāo)準(zhǔn)化最低以上等級”。這個文件也指出:截至2010年底,全國共有尾礦庫11946座(其中:在用庫6640座,在建庫1507座,停用庫1710座,已閉庫2089座),其中,四、五等小型庫占尾礦庫總量的94.1%。沒有正規(guī)設(shè)計、沒有按設(shè)計或規(guī)范施工、未批先建、未經(jīng)許可擅自生產(chǎn)的現(xiàn)象在一定范圍內(nèi)依然存在,尾礦庫“小、散、亂、差”的狀況尚未得到根本改變。同時,全國尚有16座尾礦庫未能確定等別、892座尾礦庫未能確定安全度,這些都給安全、環(huán)保帶來很大壓力”。盡管有閉庫、有停用庫,從所謂“危險源”、“污染源”的意義上看,“兩源”總量幾乎沒變化。對環(huán)境和社會公眾安全的壓力基本沒有減緩。不妨引用田文旗教授的話,概括當(dāng)前尾礦庫的安全現(xiàn)狀:“數(shù)量多、規(guī)模小,四等庫以下占95%以上;普遍采用上游式筑壩;尾礦庫安全度低,非正常庫近40%;尾礦庫下游居民多,下游居民人數(shù)100人以上的占53%;尾礦庫技術(shù)力量薄弱等。”如何緩解尾礦庫對環(huán)境和社會公眾安全的壓力,如何防范尾礦庫事故帶來的損失,是近幾年監(jiān)管部門、使用管理尾礦庫的企業(yè)、技術(shù)專家和公眾關(guān)心的問題。以筆者的體驗,監(jiān)管部門提出的辦法和措施有很多,舉例如下。(1)把尾礦庫的主要分項工程或單項工程定義為“安全設(shè)施”,嚴(yán)格執(zhí)行“三同時”。(2)嚴(yán)格許可制度,對“尾礦庫企業(yè)”或“有尾礦庫企業(yè)”單獨發(fā)安全生產(chǎn)許可證。(3)增加尾礦庫安全現(xiàn)狀評價、尾礦壩勘察和穩(wěn)定性分析的頻次。(4)嚴(yán)格選址或建庫或擴(kuò)建條件,例如:“居民區(qū)和重要工業(yè)設(shè)施上游3km內(nèi)不得建設(shè)山谷型或者傍山型尾礦庫,已建成的山谷型或者傍山型尾礦庫下游3km內(nèi)不得批準(zhǔn)建設(shè)居民區(qū)和重要工業(yè)設(shè)施;同一溝谷20km內(nèi)不得重復(fù)建設(shè)尾礦庫”,還有的禁止建超過100m的壩等。(5)提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),據(jù)說有的地區(qū)把大、小庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)都提高到千年一遇。(6)倡導(dǎo)各尾礦庫企業(yè)推廣應(yīng)用在線監(jiān)測、尾礦充填和干式排尾等先進(jìn)適用技術(shù)。這些措施執(zhí)行的效果如何,是否減少了尾礦庫的事故總量、改善了安全運行現(xiàn)狀?還是通過數(shù)據(jù)來窺其概貌。2011年5月3日,安監(jiān)總管一62號文指出:“2010年8月7日和12日,甘肅省甘南、隴南等市(州)發(fā)生特大強(qiáng)降雨,造成9座尾礦庫決口、10座尾礦庫漫壩、112座尾礦庫遇險。陜西、廣東等地也因極端氣候?qū)ξ驳V庫造成不同程度的損害和安全威脅。”我們都知道,廣東信宜紫金不是威脅,而是發(fā)生了潰壩,造成了嚴(yán)重后果。“尾礦庫安全環(huán)?；A(chǔ)仍然脆弱”這就是我們面臨的局面。改善和扭轉(zhuǎn)這一局面的辦法就是在技術(shù)、許可、企業(yè)三個層面上把工作做實:提高尾礦庫勘察、設(shè)計、筑壩操作、運行管理技術(shù)水準(zhǔn);堅持嚴(yán)格的正常建設(shè)標(biāo)準(zhǔn);狠抓企業(yè)主體責(zé)任的落實。這些工作的目的就是保證工程安全,大壩要做到不漫、不潰、不滑、不裂;排洪構(gòu)筑物要不傾、不倒、不塌、暢通。近幾年的實踐表明,現(xiàn)在各類應(yīng)急預(yù)案,包括尾礦庫的預(yù)案,都是針對嚴(yán)重事故的,是減少事故損失的,不是為了減少和杜絕事故總量的。我們要討論的筑壩和排放是為了改善和提高工程安全,從而保障社會和公眾安全。在尾礦庫運行中,企業(yè)主體責(zé)任的核心是編制“年季度作業(yè)計劃”,作業(yè)計劃的核心是筑壩。這是一個可執(zhí)行文件,是一份筑壩和尾礦排放的細(xì)則,是企業(yè)自己的圖、表、文字,不是設(shè)計院的施工圖。但你不能違反施工圖要求的外坡比、子壩高、平臺寬、尾礦排放方式、水位控制、浸潤線控制要求等基本參數(shù)。歷史的經(jīng)驗是有實用價值的,1989年到冶金部撤銷,每年冶金工業(yè)部礦山司和冶金部尾礦壩工程安全技術(shù)監(jiān)督站,汛前都請專家從冶金系統(tǒng)礦山尾礦庫中選出幾個最差的庫,限期治理改善。冶金系統(tǒng)當(dāng)年至少有300多個尾礦庫,那個時期沒有潰壩。尾礦的排放與管理尾礦輸送可分為干法和濕法,干法用汽車或皮帶,濕法使用泵送,也叫尾礦漿體輸送或膏體輸送。對應(yīng)輸送方法的排放方式是干排、膏體排放(也叫圓錐法)、水力沖積法(也叫水力沖填)。不同的排放方式,對場地的要求不同,對約束或支撐尾礦的壩也不同。由于尾礦性質(zhì)各異,平面布置、防洪設(shè)計、地基處理的要求也有較大差別。水力沖積法堆積的稱為尾礦堆積壩。尾礦堆積壩(embankment)是指生產(chǎn)過程中用尾礦充填堆筑而成的壩。常用的方法有3種:上游式尾礦筑壩法(upstreamembankmentmethod)在初期壩上游方向充填堆積尾礦的筑壩方式。其特點是堆積壩壩頂軸線逐級向初期壩上游方向推移。中線式尾礦筑壩法(centerlineembankmentmethod)在初期壩軸線處采用旋流器分離粗尾砂筑壩方式。其特點是壩頂?shù)妮S線始終不變。下游式尾礦筑壩法(downstreamembankmentmethod)在初期壩下游方向用旋流器分離粗尾砂筑壩方式。其特點是子壩壩頂軸線逐級向初期壩下游方向推移。各方法的要點見表1,管理和操作重大事項舉例見表2。子壩的筑壩方法可以分為人工筑壩、機(jī)械筑壩、池田法筑壩等。排放方法有多點排放,即支管分散排放,獨管排放等。前者方便筑壩,后者多用于冬季排放和水下排放。有時,為了調(diào)整沉積灘坡度,需要考慮不同支管的濃度和粒度,有目的的開啟支管。這都是企業(yè)長期積累的“絕招”,通常不為認(rèn)知。如前所述,高濃度、細(xì)顆粒尾礦堆壩設(shè)計缺乏經(jīng)驗,現(xiàn)有規(guī)程主要內(nèi)容是上游法,或者說上游法的條款較多。有幾個典型工程使用上游法,投產(chǎn)以后出現(xiàn)了筑壩困難的問題。著名的有魯中、大頂、洪都等。細(xì)顆粒尾礦筑壩設(shè)計常采用補強(qiáng)方法增加穩(wěn)定性,例如:洪都尾礦壩每期子壩(高約3m)鋪設(shè)100m的土工格柵。西石門后井壩曾經(jīng)用旋流器在子壩前隔一個安全灘長的距離,再堆筑一道子壩用來排礦、擋水以滿足安全灘長要求。魯中不用尾礦筑子壩,用廢石土擠泥筑壩,無紡布做隔離層,再用旋流器沉砂形成排水層。大頂?shù)V的排放濃度低,尾礦粗、細(xì)兩級分化明顯,則用池田法就地沉砂,以獲得較寬厚的壩體,支撐細(xì)粒尾礦泥。據(jù)了解,欒川龍宇鉬業(yè)有限公司尾礦庫設(shè)計初期壩高60m,初期庫容83.2萬m3,堆積壩高200m,總有效庫容3845.4萬m3。前100m的堆積壩坡1:4,后100m的堆積壩坡1:5。2008年10月投入運行,排放濃度55%。2009年5月下旬堆積高度超過了初期壩頂(高程1270m),到2010年3月,堆至第十一期子壩時,堆高22m(高程1292m),為了運行安全采取了如下措施:針對上升速率過快采取了減產(chǎn)、限產(chǎn)措施;針對第一、二期子壩沼澤化的問題,增設(shè)了水平排滲,在高程1270～1370m、距離壩頂142～160m還預(yù)埋了排滲盲溝;在高程1470m、距離壩頂180～200m區(qū)間設(shè)置土工席墊,土工席外包400g/m無紡布;把55%的排放濃度降至25%～35%,以改善尾礦漿的分選性和壩前沉積灘面坡度;調(diào)整選礦工藝,使尾礦中負(fù)200目的粒組由原來的65%以上減少到50%～60%。上游法在我國具有豐富的實踐和資料,長期積累、形成了以下重要共識。(1)一般全尾礦的平均粒徑大于0.046mm可以用上游法筑壩。這包括粉砂、粉土類尾礦,平均粒徑0.037～0.074mm。當(dāng)排放濃度為15%～25%,支管流量為10～30L/s時,宏觀沉積規(guī)律接近,粉土尾礦沉積灘面坡度稍緩。粗尾礦多一個中砂區(qū),細(xì)尾礦則無中砂。灘面上形成以排礦口為起點的扇形漫流區(qū),這里的尾礦多為沉砂質(zhì)。(2)初期壩倡導(dǎo)采用透水壩型。設(shè)計高度宜為總壩高的1/4～1/6,并且至少滿足半年的尾礦排放量和設(shè)計洪水的要求。從滲流控制角度看,1/4～1/6的比例恰好與均質(zhì)土壩中排滲棱體高度與土壩高度的比值規(guī)定一致。從穩(wěn)定角度看,因堆石比尾礦的抗剪強(qiáng)度高,所以當(dāng)初期壩的高度增加時,尾礦壩的安全系數(shù)也增加。(3)在一定條件下堆積壩高度不是決定壩坡安全系數(shù)的重要因素。影響安全系數(shù)的因素有:壩坡、尾礦分層、密度、浸潤線位置、沉積灘長度、初期壩高、總壩高、壩料的抗剪強(qiáng)度等,浸潤線位置和摩擦角對安全系數(shù)最敏感。一旦摩擦角大于24°,即使堆積壩高度再大,安全系數(shù)也會大于1.30。但是,壩高過大,即h/H>8,安全系數(shù)會降低。(4)壩坡對抗滑安全的影響與合理壩坡。尾礦分層、密度、浸潤線位置、沉積灘長度、壩高度、力學(xué)參數(shù)一定的條件下,壩坡比不同,計算的安全系數(shù)相差很大,見表3。一般說壩坡越緩越穩(wěn)定,當(dāng)壩坡過緩時,坡面到浸潤線的距離縮短,浸潤線埋深過淺或者出逸,對動力穩(wěn)定極為不利。壩坡過陡,則難以保證抗滑穩(wěn)定,表3表明,1:3的坡,三級壩的穩(wěn)定要求就滿足不了,動力條件將更加困難,需要緩一點。(5)浸潤線位置對抗滑穩(wěn)定的影響最大。一般說,浸潤線每差1m,安全系數(shù)變化1%,關(guān)鍵位置的影響更大。(6)沉積尾礦的諸多特性指標(biāo)中抗剪強(qiáng)度參數(shù)對于穩(wěn)定最重要。當(dāng)摩擦角φ在14゜～33゜之間,安全系數(shù)Fs隨摩擦系數(shù)tgφ的變化率大約是1.58,即摩擦角φ每增加或減少1゜,安全系數(shù)隨之增減△Fs=0.083。按大壩的級別,達(dá)標(biāo)的安全系數(shù)如表4所示。摩擦角φ每增加或減少1゜,對標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)的影響大于5%?？辜魪?qiáng)度的另一個參數(shù),凝聚力c對安全系數(shù)影響就沒有摩擦角那么大。(7)細(xì)顆粒尾礦的筑壩問題還沒有比較統(tǒng)一的意見和妥善解決方法。這就是上游法工作的重點和方向,當(dāng)沒有突破性成果或不能確保筑壩安全時,就應(yīng)采用一次性筑壩,或者嘗試其他排放方法。尾礦堆場的形成采用干式排放和膏體排放來堆存尾礦,都需要先把尾礦漿濃縮到一個理想的濃度,再進(jìn)一步濃縮為膏體(在泵送前需要添加劑),或者把理想濃度的礦漿送入壓濾機(jī),強(qiáng)制縮水為“濕餅”或“干餅”。經(jīng)過深錐濃密機(jī)脫水后,不分選、離析,尾礦濃度大于臨界流態(tài)濃度而小于極限可輸送濃度。這種尾礦多用于膏體地表排放,以排放點作為中心,形成3o～10o坡度。顯然,中心高度越大,坡角也隨之增大。這樣在中心點排放,尾礦會形成一個堆體。上世紀(jì)90年代,國內(nèi)叫錐式排放(conicalcenterdisposal)。經(jīng)過壓濾或過濾后,不發(fā)生分選、離析,重量濃度80%或更高,含水在塑限附近,飽和度在75～90%之間的尾礦,稱為尾礦“干餅”或“濕餅”。可以用汽車或傳送帶運至特定地點排放,可以在初期壩或平地圍堤所形成區(qū)域內(nèi)存放、排放,有的在溝谷的末端開始向下游排。這就是人們說的干堆(drystacking)。存放壓濾、過濾工藝后的尾礦干餅、濕餅的場所,如果場地內(nèi)無存水,可以叫尾礦干堆場(drytailingsyard)。錐式排放能形成尾礦堆,無需建壩的,也屬于尾礦堆場。為了收集徑流、防洪、防止揚塵、回水和方便管理等,應(yīng)布置必要的工程,屬于附屬設(shè)施,主要有防滲、排滲、護(hù)坡、綠化、噴淋、集水及排水等。尾礦庫堆存方案尾礦濃縮、分級、壓濾設(shè)備的發(fā)展,為尾礦膏體排放和“干堆”創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件,具備了推廣的要素之一。膏體是在靜態(tài)條件下,基本不離析的固液兩相體,重量濃度在65%～75%。選礦專業(yè)有學(xué)者認(rèn)為膏體或高濃度直接排放工藝有以下特點:濃度高,如果濃縮系統(tǒng)在選廠,廠內(nèi)回水率高;排放場所選擇靈活,可建在塌陷坑、低洼地、開礦坑等負(fù)地形和緩坡地;實現(xiàn)運營和復(fù)墾同步進(jìn)行;面積小,建設(shè)和維護(hù)費用低。由于國內(nèi)膏體堆放的實際工程尚少見,從尾礦庫建設(shè)和運行角度,為了和傳統(tǒng)尾礦堆存方法探討比較,假設(shè)有同一“V”型山谷,一個方案是傳統(tǒng)濕法排放,見圖1、2。筑壩后使用濕法排放,初期壩高55m,筑壩的方量190萬m3,庫容700萬m3,不堆壩。由于這是一個帶有心墻的壩,不用尾礦堆壩,國內(nèi)通常稱為一次性筑壩。另一個方案是膏體堆排,筑壩后在壩內(nèi)錐形堆放,圍壩高20m,壩的方量15.35萬m3,庫容5500萬m3,錐高50m。如果粗尾礦,上游法筑壩,初期壩高20m,再堆壩35m,總庫容就肯定大于5500萬m3。需要說明,在這個舉例中要注意尾礦特性,如果需建55m高的心墻壩堆存的尾礦,按國內(nèi)的經(jīng)驗,全尾礦的評價粒徑當(dāng)小于0.04mm,-200目的大于80%,-400目大于或接近40%。這種尾礦膏排易,干堆難。尾礦及壩體的整理施工當(dāng)前尾礦膏排和干堆沒有設(shè)計、施工規(guī)范,也缺少系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗,更難找到勘察、試驗、實測資料,在以前的文章或講演中提到過有關(guān)設(shè)計的問題,摘錄如下。由于上游法的許多術(shù)語概念與干堆差別較大,干堆設(shè)計“不能按上游法規(guī)范做”,膏排設(shè)計也如此。平面布置、空間利用、庫容計算、堆壩方法及材料分布等,許多環(huán)節(jié)都和上游式壩不同。(1)宜采用尾礦膏排或干堆的幾種情況。行政或規(guī)劃要求;與常規(guī)尾礦濕排筑壩相比更經(jīng)濟(jì)的;對尾礦庫安全、環(huán)保有特殊要求的;節(jié)能、節(jié)水、減排有特殊要求的;庫區(qū)地形差(坡陡、溝短),地質(zhì)條件差(土洞、落水洞、溶洞及滲漏等壩基處理費用高、難)、尾礦物理力學(xué)條件不適宜采用濕法輸送和排放筑壩的;尾礦可以綜合利用、資源化的;小型選廠,例如日處理規(guī)模小于200t。(2)堆場的平面布置應(yīng)考慮以下幾點。堆場或庫的布置應(yīng)服從總圖要求;考慮地理和氣候條件,滿足冬雨