工程科学学报，第40卷，第5期：526-539.2018年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.5:526-539,May 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.002;http://journals.ustb.edu.cn 尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 王 昆1,2)，杨鹏，3)，Karen Hudson-Edwards2),吕文生)，卜磊) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)埃克塞特大学环境与可持续发展研究所，康沃尔TR109FE 3)北京联合大学北京市信息服务工程重点实验室，北京100101 ☒通信作者，E-mail:yang即eng@buu.cd山.cm 摘要尾矿库溃坝灾害应急响应时间短、潜在威胁巨大，往往造成惨重人员伤亡与巨额财产损失.近些年尾矿库安全事故 发生数量的总体下降趋势充分体现出现代化技术及安全管理方面的进步，然而重大事故发生频次却不减反增，2015年巴西 Samarco铁矿与2014年加拿大Mount Polley重大遗坝事故及其惨重后果，再次为尾矿库安全敲响警钟.我国现存尾矿库8869 座，含“头顶库”1425座，安全形势复杂.本文在收集大量相关领域文献的基础上，聚焦尾矿库遗坝灾害防控体系中的安全监 测、灾害预警与应急准备、安全管理与标准规范这三大方面核心内容，分别综述对比国内外现状及前沿进展，探讨分析我国当 前所面临的问题并尝试提出改进建议，为尾矿库防灾减灾理论研究与技术革新提供参考.结果表明：(1)我国尾矿库安全监 测标准更高，但仪器耐久性、可靠度与实用性不足，专用监测器件与新技术的研发应用势在必行：(2)灾害预警方法单一且可 信度不高，而信息技术融合应用成为发展趋势：(3)应急管理与预警决策需以充分的科学论证为基础，当前研究在试验手段与 计算方法上存在局限：(4)我国拥有完善的安全管理标准规范体系，但在安全等别划分、全生命周期管理、主体变更、事故总结 等方面相对欠缺 关键词尾矿库溃坝：安全监测：预警：应急准备计划：安全管理 分类号TD77.1 Status and development for the prevention and management of tailings dam failure accidents WANG Kun'2),YANG Peng)Karen Hudson-Edwards),L0 Wen-sheng),BU Lei) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Environment and Sustainability Institute,University of Exeter,Cornwall TR10 9FE,United Kingdom 3)Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering,Beijing Union University,Beijing 100101,China Corresponding author,E-mail:yangpeng@buu.edu.cn ABSTRACT Tailings dam failure accidents with limited emergency response time and substantial potential threats often lead to heavy casualties and severe financial losses.In recent years,the decreasing trend of tailings dam failure accidents shows the development of modern technology and safety management.However,the frequency of major tailings dam failure accidents has increased,rather than decreased.The 2015 Samarco Accident in Brazil and the 2014 Mount Polley Accident in Canada,along with their disastrous conse- quences,once again sounded the alarm to improve the safety of tailings ponds.China is now facing a complicated safety situation be- cause there are 8869 tailings ponds throughout the country,including 1425 overhead tailings ponds that represent the tailings ponds lo- cated within I km upstream of residential areas,workshops,schools,or other important facilities.Based on a large number of relevant research studies,focusing on three main aspects of accident prevention and management that include safety monitoring,early-warning and emergency preparation,safety management codes and standards,the status and frontier progress are reviewed in this paper.Fur- thermore,the relevant problems in China are discussed,and several improvement recommendations are presented that can provide a reference for theoretical research and technological innovation for preventing tailings pond accidents.The results are as follows: 收稿日期：2018-01-02 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51774045)：国家留学基金委建设高水平大学公派研究生资助项目(201706460051)
工程科学学报,第 40 卷,第 5 期:526鄄鄄539,2018 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 40, No. 5: 526鄄鄄539, May 2018 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2018. 05. 002; http: / / journals. ustb. edu. cn 尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 王 昆1,2) , 杨 鹏1,3) 苣 , Karen Hudson鄄Edwards 2) , 吕文生1) , 卜 磊1) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 2) 埃克塞特大学环境与可持续发展研究所, 康沃尔 TR10 9FE 3) 北京联合大学北京市信息服务工程重点实验室, 北京 100101 苣 通信作者, E鄄mail: yangpeng@ buu. edu. cn 摘 要 尾矿库溃坝灾害应急响应时间短、潜在威胁巨大,往往造成惨重人员伤亡与巨额财产损失. 近些年尾矿库安全事故 发生数量的总体下降趋势充分体现出现代化技术及安全管理方面的进步,然而重大事故发生频次却不减反增,2015 年巴西 Samarco 铁矿与 2014 年加拿大 Mount Polley 重大溃坝事故及其惨重后果,再次为尾矿库安全敲响警钟. 我国现存尾矿库 8869 座,含“头顶库冶1425 座,安全形势复杂. 本文在收集大量相关领域文献的基础上,聚焦尾矿库溃坝灾害防控体系中的安全监 测、灾害预警与应急准备、安全管理与标准规范这三大方面核心内容,分别综述对比国内外现状及前沿进展,探讨分析我国当 前所面临的问题并尝试提出改进建议,为尾矿库防灾减灾理论研究与技术革新提供参考. 结果表明:(1)我国尾矿库安全监 测标准更高,但仪器耐久性、可靠度与实用性不足,专用监测器件与新技术的研发应用势在必行;(2)灾害预警方法单一且可 信度不高,而信息技术融合应用成为发展趋势;(3)应急管理与预警决策需以充分的科学论证为基础,当前研究在试验手段与 计算方法上存在局限;(4)我国拥有完善的安全管理标准规范体系,但在安全等别划分、全生命周期管理、主体变更、事故总结 等方面相对欠缺. 关键词 尾矿库溃坝; 安全监测; 预警; 应急准备计划; 安全管理 分类号 TD77郾 1 收稿日期: 2018鄄鄄01鄄鄄02 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51774045);国家留学基金委建设高水平大学公派研究生资助项目(201706460051) Status and development for the prevention and management of tailings dam failure accidents WANG Kun 1,2) , YANG Peng 1,3) 苣 , Karen Hudson鄄Edwards 2) , L譈 Wen鄄sheng 1) , BU Lei 1) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Environment and Sustainability Institute, University of Exeter, Cornwall TR10 9FE, United Kingdom 3) Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering, Beijing Union University, Beijing 100101, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: yangpeng@ buu. edu. cn ABSTRACT Tailings dam failure accidents with limited emergency response time and substantial potential threats often lead to heavy casualties and severe financial losses. In recent years, the decreasing trend of tailings dam failure accidents shows the development of modern technology and safety management. However, the frequency of major tailings dam failure accidents has increased, rather than decreased. The 2015 Samarco Accident in Brazil and the 2014 Mount Polley Accident in Canada, along with their disastrous conse鄄 quences, once again sounded the alarm to improve the safety of tailings ponds. China is now facing a complicated safety situation be鄄 cause there are 8869 tailings ponds throughout the country, including 1425 overhead tailings ponds that represent the tailings ponds lo鄄 cated within 1 km upstream of residential areas, workshops, schools, or other important facilities. Based on a large number of relevant research studies, focusing on three main aspects of accident prevention and management that include safety monitoring, early鄄warning and emergency preparation, safety management codes and standards, the status and frontier progress are reviewed in this paper. Fur鄄 thermore, the relevant problems in China are discussed, and several improvement recommendations are presented that can provide a reference for theoretical research and technological innovation for preventing tailings pond accidents. The results are as follows:
王昆等：尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 527· (1)The safety monitoring standards in China are relatively strict.However,the monitoring instruments lack stability,reliability,and practicability.Thus,specific devices and new technologies need to be developed.(2)The current early-warning method lacks diversi- ty and reliability,and using information technology in interdisciplinary applications is becoming the developing trend.(3)The emer- gency management and decision-making should be based on sufficient scientific proof.However,the relevant research is limited by test methods and simulating algorithms.(4)Lastly,China has established a complete system of safety management codes and standards, but with the current problems of safety level classification,life-cycle management,change management process,and accident investiga- tion,greater progress is needed. KEY WORDS tailings dam failure;safety monitoring;early-warning;emergency preparation plan;safety management 尾矿库是指由一个或多个尾矿坝堆筑拦截谷口 矿泥砂将下游Hazeltine河宽度由1m冲刷到45m, 或围地所构成的矿山生产设施，用以堆存矿石粉碎 淹没大片森林与湖泊，生态环境遭到严重毁坏，引发 选别后所残余的有用成分含量低、当前经济技术条 加拿大政府与民众的高度关注.)：2009年8月 件下不宜进一步分选的固体废弃材料[1-2].全球范29日，俄罗斯Karamken尾矿库因强降雨引发溃坝 围内，人类文明进步尤其是近代城镇化进程离不开 事故，向下游倾泻120万m3泥砂，摧毁11座房屋并 各类矿产资源的开发利用，因此，尾矿库在大多数国 造成至少1人死亡)：2008年9月8日，我国山西 家均有分布[2-)，特别是美国、加拿大、南非、澳大利 省襄汾县塔山铁矿尾矿库因违规运营发生特别重大 亚、巴西、中国等矿产资源丰富地区.同时，全球矿 溃坝事故，泄露尾矿约19万m3,淹没下游仅50m外 产品需求量当前仍处于高位，而高品位、易采矿体逐 的办公楼、农贸市场、居民区等人群密集区，酿成至 渐开采殆尽，低品位矿体的开采和提取成为矿业未 少277死、33伤的惨重后果，给当地经济发展和社 来发展方向之一，可以预见尾矿废弃物排放规模仍 会稳定造成极其恶劣影响[4).上述事故的产生及 将持续增大[).以我国为例，2016年统计数据显 其惨痛教训，均凸显出尾矿库现行溃坝灾害防控体 示，尾矿累积堆存量高达146亿吨，年排放量超15 系的薄弱，事故发生前监测系统形同虚设，并且缺乏 亿吨并仍呈增涨态势，在大宗工业固体废弃物中占 稳定可靠的灾害预警机制以及高效合理的应急管理 比最高：而用于空区充填、建筑材料等综合回收利用 措施 率仅18.9%，其余绝大部分被贮存于尾矿库中[s-] 我国在2007年后开展了卓有成效的尾矿库综 众所周知，尾矿库是具有高势能的重大危险源， 合治理及专项整治行动，消除了绝大多数的危库、险 溃坝事故由于致灾因素多、机理复杂、突发性强、破 库，但是总体安全形势仍旧不容乐观，且情况较为复 坏力巨大，往往造成惨重人员伤亡、巨额财产损失以杂，具有数量多、上游法筑坝比例高、安全等级低的 及难以修复的环境污染).据世界范围内18401座 特点[.据统计，我国现存尾矿库数量高达8869 矿山的统计数据，近一百年间尾矿坝溃决事故率高 座，其中包括“头顶库”（系指下游1km内有居民区 达1.2%[8]，比蓄水坝0.01%的溃坝事故率高出2 或其他重要设施的尾矿库)1425座，易导致重特大 个数量级].近些年随着社会经济发展与技术革 安全生产事故、重大突发环境事件和群体事件，严重 新，尾矿库事故发生数量总体呈下降趋势，但重大事 威胁群众生命财产安全与社会和谐稳定[16-).2016 故发生频次却不减反增.据1910~2010年期间全 年5月，国家安全监管总局印发《遏制尾矿库“头顶 球统计数据，55%的尾矿库重大遗坝事故发生在 库”重特大事故工作方案》，指出“头顶库”溃坝事故 1990年以后，并且2000年之后的遗坝事故中74% 突发性强，溃坝时间短，泥砂流速大，应急时间有限， 属于重大或特别重大事故[0-山.例如，2015年11 下游居民撤离和设施转移难度高，将以提高安全保 月5日，巴西Samarco铁矿尾矿库因小型地震触发 障能力、完善应急管理机制为目标，开展综合治理工 本身已接近饱和的超高坝体液化溃决，约3200万 作)：2017年1月，国务院办公厅印发《安全生产 m3尾矿涌出，淹没下游5km外Bento Rodrigues村庄 “十三五”规划》，提出健全监测预警应急机制、提高 158座房屋，造成至少17人遇难，污染650km河流 应急救援处置效能等工作任务，切实降低重特大事 并汇入大西洋，引发巴西史上最严重的环境灾 故危害后果、最大限度减少人员伤亡和财产损 害[u-2]:2014年8月4日，加拿大Mount Polley金铜 失[18]，充分体现出我国对于尾矿库灾害防控工作的 矿尾矿坝由于坝基设计未考虑冰层而引发溃坝，约 高度重视 2500万m3尾矿及废水瞬间倾出，破坏性巨大的尾 鉴于上述情况，笔者针对我国尾矿库复杂的安
王 昆等: 尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 (1) The safety monitoring standards in China are relatively strict. However, the monitoring instruments lack stability, reliability, and practicability. Thus, specific devices and new technologies need to be developed. (2) The current early鄄warning method lacks diversi鄄 ty and reliability, and using information technology in interdisciplinary applications is becoming the developing trend. (3) The emer鄄 gency management and decision鄄making should be based on sufficient scientific proof. However, the relevant research is limited by test methods and simulating algorithms. (4) Lastly, China has established a complete system of safety management codes and standards, but with the current problems of safety level classification, life鄄cycle management, change management process, and accident investiga鄄 tion, greater progress is needed. KEY WORDS tailings dam failure; safety monitoring; early鄄warning; emergency preparation plan; safety management 尾矿库是指由一个或多个尾矿坝堆筑拦截谷口 或围地所构成的矿山生产设施,用以堆存矿石粉碎 选别后所残余的有用成分含量低、当前经济技术条 件下不宜进一步分选的固体废弃材料[1鄄鄄2] . 全球范 围内,人类文明进步尤其是近代城镇化进程离不开 各类矿产资源的开发利用,因此,尾矿库在大多数国 家均有分布[2鄄鄄3] ,特别是美国、加拿大、南非、澳大利 亚、巴西、中国等矿产资源丰富地区. 同时,全球矿 产品需求量当前仍处于高位,而高品位、易采矿体逐 渐开采殆尽,低品位矿体的开采和提取成为矿业未 来发展方向之一,可以预见尾矿废弃物排放规模仍 将持续增大[4] . 以我国为例,2016 年统计数据显 示,尾矿累积堆存量高达 146 亿吨,年排放量超 15 亿吨并仍呈增涨态势,在大宗工业固体废弃物中占 比最高;而用于空区充填、建筑材料等综合回收利用 率仅 18郾 9% ,其余绝大部分被贮存于尾矿库中[5鄄鄄6] . 众所周知,尾矿库是具有高势能的重大危险源, 溃坝事故由于致灾因素多、机理复杂、突发性强、破 坏力巨大,往往造成惨重人员伤亡、巨额财产损失以 及难以修复的环境污染[7] . 据世界范围内 18401 座 矿山的统计数据,近一百年间尾矿坝溃决事故率高 达 1郾 2% [8] ,比蓄水坝 0郾 01% 的溃坝事故率高出 2 个数量级[9] . 近些年随着社会经济发展与技术革 新,尾矿库事故发生数量总体呈下降趋势,但重大事 故发生频次却不减反增. 据 1910 ~ 2010 年期间全 球统计数据,55% 的尾矿库重大溃坝事故发生在 1990 年以后,并且 2000 年之后的溃坝事故中 74% 属于重大或特别重大事故[10鄄鄄11] . 例如,2015 年 11 月 5 日,巴西 Samarco 铁矿尾矿库因小型地震触发 本身已接近饱和的超高坝体液化溃决,约 3200 万 m 3尾矿涌出,淹没下游 5 km 外 Bento Rodrigues 村庄 158 座房屋,造成至少 17 人遇难,污染 650 km 河流 并汇入大西洋, 引发巴西史上最严重的环境灾 害[11鄄鄄12] ;2014 年 8 月 4 日,加拿大 Mount Polley 金铜 矿尾矿坝由于坝基设计未考虑冰层而引发溃坝,约 2500 万 m 3尾矿及废水瞬间倾出,破坏性巨大的尾 矿泥砂将下游 Hazeltine 河宽度由 1 m 冲刷到 45 m, 淹没大片森林与湖泊,生态环境遭到严重毁坏,引发 加拿大政府与民众的高度关注[11,13] ;2009 年 8 月 29 日,俄罗斯 Karamken 尾矿库因强降雨引发溃坝 事故,向下游倾泻 120 万 m 3泥砂,摧毁 11 座房屋并 造成至少 1 人死亡[11] ;2008 年 9 月 8 日,我国山西 省襄汾县塔山铁矿尾矿库因违规运营发生特别重大 溃坝事故,泄露尾矿约19 万 m 3 ,淹没下游仅50 m 外 的办公楼、农贸市场、居民区等人群密集区,酿成至 少 277 死、33 伤的惨重后果,给当地经济发展和社 会稳定造成极其恶劣影响[14] . 上述事故的产生及 其惨痛教训,均凸显出尾矿库现行溃坝灾害防控体 系的薄弱,事故发生前监测系统形同虚设,并且缺乏 稳定可靠的灾害预警机制以及高效合理的应急管理 措施. 我国在 2007 年后开展了卓有成效的尾矿库综 合治理及专项整治行动,消除了绝大多数的危库、险 库,但是总体安全形势仍旧不容乐观,且情况较为复 杂,具有数量多、上游法筑坝比例高、安全等级低的 特点[15] . 据统计,我国现存尾矿库数量高达 8869 座,其中包括“头顶库冶(系指下游 1 km 内有居民区 或其他重要设施的尾矿库)1425 座,易导致重特大 安全生产事故、重大突发环境事件和群体事件,严重 威胁群众生命财产安全与社会和谐稳定[16鄄鄄17] . 2016 年 5 月,国家安全监管总局印发《遏制尾矿库“头顶 库冶重特大事故工作方案》,指出“头顶库冶溃坝事故 突发性强,溃坝时间短,泥砂流速大,应急时间有限, 下游居民撤离和设施转移难度高,将以提高安全保 障能力、完善应急管理机制为目标,开展综合治理工 作[17] ;2017 年 1 月,国务院办公厅印发《安全生产 “十三五冶规划》,提出健全监测预警应急机制、提高 应急救援处置效能等工作任务,切实降低重特大事 故危害后果、 最大限度减少人员伤亡和财产损 失[18] ,充分体现出我国对于尾矿库灾害防控工作的 高度重视. 鉴于上述情况,笔者针对我国尾矿库复杂的安 ·527·
.528· 工程科学学报，第40卷，第5期 全形势，结合新时代背景下安全生产的新要求，围绕 用航天飞机雷达、星载热辐射和反射辐射计获取数 安全监测、灾害预警方法与应急准备、安全管理与标 字高程模型，研究美国坦桑尼亚Geita金矿尾矿库 准规范这三大方面核心内容，梳理总结国内外研究 周边2000年~2006年期间的地形地貌和水文演变 现状及前沿进展，探讨我国尾矿库溃坝灾害防控当 特征：Minacapilli等[3】、Zwissler等[]指出利用红外 前所面临的问题，并尝试提出发展建议，为尾矿库防 热惯量和热红外图像遥感监测土壤或尾矿中水分时 灾减灾理论研究与技术革新提供参考 空分布规律具有巨大应用潜力.近几年，无人机摄 影测量受益于技术成熟和产品商业化，续航能力、极 1尾矿库溃坝灾害防控国内外现状 端条件航行、路径导航、建模算法、模型精度等难题 1.1尾矿库安全监测国内外现状 在一定程度上得到解决，应用于古迹维护、环境保 1.1.1国外现状及前沿进展 护、地质灾害凋查、地图测绘、精准农业等领域取得 安全监测是尾矿库安全管理的耳目，库区健康 了理想的效果4-5).Pajares]列举了大量无人机 运营、事故预防及应急响应均离不开准确及时的监 遥感技术在各个行业的应用实例，所搭载的传感器 测信息.国外尾矿库设计规定的监测内容包括位 类型包括普通相机、热红外相机、Lidar激光扫描仪、 移、渗流、坝基稳定性等坝体安全指标，以及扬尘、地 多光谱和高光谱传感器、合成孔径雷达(SAR)、化学 表水、地下水等环境指标9-20)，而相关研究多见于 传感器、磁传感器、声呐等，可借鉴用于尾矿库干滩 环境污染的监测[21-2].安全监测方面，加拿大黄金 面、尾矿温湿度等指标的快速监测：巴西Samarco铁 公司(Goldcorp)[]为保障BC省一处已闭库、缺乏 矿尾矿库2]除采用常规监测手段外，自2013年开 人员看管的银矿尾矿库安全，引进了由太阳能供电、 始施行月度周期的无人机影像监测及地形测量，监 数据收集、无线传输、自动测量、气象站、图像采集等 测数据为溃坝事故调查提供了重要依据；Peternel 模块集合而成的Trimble T4D智能化自动监测系 等[36]通过无人机摄影测量三维建模，分析2a期间 统，包含最优化布置的水位、孔隙水压力、位移等传 内某山体表面高程和体积变化规律，揭示出了该山 感器，保证监测信息实时汇总至管理人员：Vanden 体的滑坡运动模式. Berghe等2]研究指出合格的监测方案除水位、坝体 1.1.2国内现状及前沿进展 位移等参数外，还应涉及基于实时监测数据的坝体 近些年在监管部门严格监督与矿山企业积极配 稳定性评估、潜在溃坝形式特点及其关键监测参数 合下，我国尾矿库安全监测普及率大幅提高，大大改 体现、预警等级划分及其相应对策：Zandarin等2] 善了刊矿山安全保障水平.根据现行《尾矿库安全监 认为毛细现象对坝体稳定性至关重要，建议在安全 测技术规范》[列与《尾矿库在线安全监测系统工程 监测中新增毛细水位测量指标. 技术规范》[3]要求，尾矿库安全监测需与人工巡查、 在安全监测新技术的研究与应用方面，Couliba- 库区安全检查结合并进行比测，规定需监测坝体位 y等2]、Sjodahl等]分别使用电阻率成像仪探测 移、渗流、干滩、库水位，四等库及以上还需监测降水 了加拿大Westwood与瑞典南部Enemossen尾矿坝 量，另酌情监测孔隙水压力、渗透水量、浑浊度，三等 内部含水饱和度、裂缝及变形情况，展现出地球物理 库及以上需安装在线监测系统. 方法在尾矿坝监测中的应用前景：Colombo和Mac- 国内学者围绕上述监测内容在工程实践中所遇 Donald2]尝试使用千涉合成孔径雷达(InSAR)技术 到的问题开展了大量研究.针对浸润线观测准确度 监测非洲两座露天矿地貌演化与尾矿坝变形，以及 低的问题，李晓新等]设计了基于高密度电阻率法 波兰某煤矿地下开采引起的地表沉降，并取得了理 的监测方案：袁子清等[0]提出了基于实时浸润线与 想的效果：Palmer[]指出大型滑坡事故在产生致命 库水位的渗流反推法.为解决系统稳定性差的难 破坏之前通常可观测到数月或数年的缓速蠕变，卫 题，陈凯等[研究了监测系统防护、封装、分布式供 星遥感可在地质灾害防控方面发挥重要作用，譬如 电、混合式Mesh网络通信等技术，以保障极端气象 欧洲航天局于2017年3月部署完成的两颗“哨兵2 条件下的数据稳定获取：王利岗等[2-)基于ZigBee 号”卫星可实现每间隔5d对同一区域的遥感监测； 无线传感技术设计了具有自愈、自组网能力的在线 Schmidt等[3o]通过处理卫星数据提取地形图和航摄 监测系统，归纳了防雷保护措施与注意事项，以期提 影像，监测墨西哥某长达11km的尾矿坝，克服了传 高系统运行稳定性：余乐文等[]设计了风光互补冗 统测量方法劳动强度大、危险性高等缺点，为库区建 余供电系统，保障监测数据的连续采集.关于尾矿 设与运营提供了宝贵参考资料：Emel等[3]探索使 库安全监测的发展趋势，于广明等4]认为系统组成
工程科学学报,第 40 卷,第 5 期 全形势,结合新时代背景下安全生产的新要求,围绕 安全监测、灾害预警方法与应急准备、安全管理与标 准规范这三大方面核心内容,梳理总结国内外研究 现状及前沿进展,探讨我国尾矿库溃坝灾害防控当 前所面临的问题,并尝试提出发展建议,为尾矿库防 灾减灾理论研究与技术革新提供参考. 1 尾矿库溃坝灾害防控国内外现状 1郾 1 尾矿库安全监测国内外现状 1郾 1郾 1 国外现状及前沿进展 安全监测是尾矿库安全管理的耳目,库区健康 运营、事故预防及应急响应均离不开准确及时的监 测信息. 国外尾矿库设计规定的监测内容包括位 移、渗流、坝基稳定性等坝体安全指标,以及扬尘、地 表水、地下水等环境指标[19鄄鄄20] ,而相关研究多见于 环境污染的监测[21鄄鄄22] . 安全监测方面,加拿大黄金 公司(Goldcorp) [23] 为保障 BC 省一处已闭库、缺乏 人员看管的银矿尾矿库安全,引进了由太阳能供电、 数据收集、无线传输、自动测量、气象站、图像采集等 模块集合而成的 Trimble T4D 智能化自动监测系 统,包含最优化布置的水位、孔隙水压力、位移等传 感器,保证监测信息实时汇总至管理人员;Vanden Berghe 等[24]研究指出合格的监测方案除水位、坝体 位移等参数外,还应涉及基于实时监测数据的坝体 稳定性评估、潜在溃坝形式特点及其关键监测参数 体现、预警等级划分及其相应对策;Zandar侏n 等[25] 认为毛细现象对坝体稳定性至关重要,建议在安全 监测中新增毛细水位测量指标. 在安全监测新技术的研究与应用方面,Couliba鄄 ly 等[26] 、Sj觟dahl 等[27] 分别使用电阻率成像仪探测 了加拿大 Westwood 与瑞典南部 Enemossen 尾矿坝 内部含水饱和度、裂缝及变形情况,展现出地球物理 方法在尾矿坝监测中的应用前景;Colombo 和 Mac鄄 Donald [28]尝试使用干涉合成孔径雷达(InSAR)技术 监测非洲两座露天矿地貌演化与尾矿坝变形,以及 波兰某煤矿地下开采引起的地表沉降,并取得了理 想的效果;Palmer [29]指出大型滑坡事故在产生致命 破坏之前通常可观测到数月或数年的缓速蠕变,卫 星遥感可在地质灾害防控方面发挥重要作用,譬如 欧洲航天局于 2017 年 3 月部署完成的两颗“哨兵 2 号冶卫星可实现每间隔 5 d 对同一区域的遥感监测; Schmidt 等[30]通过处理卫星数据提取地形图和航摄 影像,监测墨西哥某长达 11 km 的尾矿坝,克服了传 统测量方法劳动强度大、危险性高等缺点,为库区建 设与运营提供了宝贵参考资料;Emel 等[31] 探索使 用航天飞机雷达、星载热辐射和反射辐射计获取数 字高程模型,研究美国坦桑尼亚 Geita 金矿尾矿库 周边 2000 年 ~ 2006 年期间的地形地貌和水文演变 特征;Minacapilli 等[32] 、Zwissler 等[33] 指出利用红外 热惯量和热红外图像遥感监测土壤或尾矿中水分时 空分布规律具有巨大应用潜力. 近几年,无人机摄 影测量受益于技术成熟和产品商业化,续航能力、极 端条件航行、路径导航、建模算法、模型精度等难题 在一定程度上得到解决,应用于古迹维护、环境保 护、地质灾害调查、地图测绘、精准农业等领域取得 了理想的效果[34鄄鄄35] . Pajares [35] 列举了大量无人机 遥感技术在各个行业的应用实例,所搭载的传感器 类型包括普通相机、热红外相机、Lidar 激光扫描仪、 多光谱和高光谱传感器、合成孔径雷达(SAR)、化学 传感器、磁传感器、声呐等,可借鉴用于尾矿库干滩 面、尾矿温湿度等指标的快速监测;巴西 Samarco 铁 矿尾矿库[12] 除采用常规监测手段外,自 2013 年开 始施行月度周期的无人机影像监测及地形测量,监 测数据为溃坝事故调查提供了重要依据;Peternel 等[36]通过无人机摄影测量三维建模,分析 2 a 期间 内某山体表面高程和体积变化规律,揭示出了该山 体的滑坡运动模式. 1郾 1郾 2 国内现状及前沿进展 近些年在监管部门严格监督与矿山企业积极配 合下,我国尾矿库安全监测普及率大幅提高,大大改 善了矿山安全保障水平. 根据现行《尾矿库安全监 测技术规范》 [37]与《尾矿库在线安全监测系统工程 技术规范》 [38]要求,尾矿库安全监测需与人工巡查、 库区安全检查结合并进行比测,规定需监测坝体位 移、渗流、干滩、库水位,四等库及以上还需监测降水 量,另酌情监测孔隙水压力、渗透水量、浑浊度,三等 库及以上需安装在线监测系统. 国内学者围绕上述监测内容在工程实践中所遇 到的问题开展了大量研究. 针对浸润线观测准确度 低的问题,李晓新等[39]设计了基于高密度电阻率法 的监测方案;袁子清等[40]提出了基于实时浸润线与 库水位的渗流反推法. 为解决系统稳定性差的难 题,陈凯等[41]研究了监测系统防护、封装、分布式供 电、混合式 Mesh 网络通信等技术,以保障极端气象 条件下的数据稳定获取;王利岗等[42鄄鄄43] 基于 ZigBee 无线传感技术设计了具有自愈、自组网能力的在线 监测系统,归纳了防雷保护措施与注意事项,以期提 高系统运行稳定性;余乐文等[44]设计了风光互补冗 余供电系统,保障监测数据的连续采集. 关于尾矿 库安全监测的发展趋势,于广明等[45]认为系统组成 ·528·
王昆等：尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 ·529· 应根据设计级别、筑坝方式、地质条件、地理环境等 多个传感网络节点监测法国南部山体孔隙水压力、 因素具体制定，力求做到理论实践结合、监测内容全 倾斜度及温度等参数，耦合水动力学模型实现了滑 面、测点布置科学、信息终端可视及数据分类存储共 坡灾害的实时预警：Intrieri等[s4]将意大利中部某滑 享等目标：李青石等46]指出我国尾矿库安全监测存 坡体划分为普通、警惕与报警三个危险级别，其中警 在成本高、适用性与稳定性差等缺陷，并探讨了基于 惕级别由预设阈值触发，报警级别基于专家评估法 视频可视化与多通道微震系统的全天候监测方法可 预测确定，另通过数据冗余与均值处理减少错误警 行性，指出弹性波传播衰减速度快与信号不易采集 报；Capparelli和Tirantitss]深人系统分析滑坡与降雨 的难题 量关系，建立出降雨因素诱发滑坡的预警经验模型： 遥感技术在安全监测研究中的交叉应用同样受 Intrieri等s6]概述了滑坡预警系统组成及其实践准 到国内学者追捧，马国超等[]为提高尾矿库安全监 则，指出预警敏感度与准确率互相矛盾，误报警无法 测效率，提出高分遥感与地表三维激光扫描相结合 完全避免，强调预警机制必须以人为本，培养强化人 的“天地一体化”监测模式，为安全监测提供了新思 员应急能力；Krzhizhanovskaya等[s)提出了传感器 路：高永志等[4]通过高分辨率遥感影像与GS软件 网络与溃坝模拟相结合的洪水预警决策支持系统， 识别分析黑龙江省内重点矿集区尾矿库分布情况， 并利用人工智能及可视化技术保障该系统的稳定运 为尾矿库普查与监管提供依据：刘军等[9)探索使用 行：Zare等[s8]尝试运用多层神经网与径向基网络 无人机搭载数码相机获取露天矿边坡区域高分辨率 两种人工神经网络方法分析预测山体滑坡，以期实 图像数据，通过影像三维重建制作边坡精细三维模 现更为科学有效的灾害风险评估 型，进而分析掌控边坡区域稳定性：马国超等0]通 国内学者在灾害预警平台开发、指标选取、算法 过统一控制点坐标系，实现三维激光扫描与无人机倾 优化等方面做了大量研究.黄磊等[]设计搭建了 斜摄影技术结合的三维数据完整采集，并在露天采场 基于空间信息网络访问模型的尾矿库监测预警平 开展应用研究：王海龙]将摄影测量技术应用于露天 台，并成功应用于洛阳市某五座尾矿库，但存在数据 矿山土石方量计算中，为生产计划提供数据支持 处理算法过于简单及预警模型准确率低等问题：王 综上所述，相较于国外，我国拥有更加严格的尾 刚毅等[0]运用信息融合技术实现尾矿库多指标预 矿库安全监测规定，国内学者为解决稳定性差、精度 警体系，系统由数据综合管理、实时评估、监控中 低等具体实践问题开展了一系列研究.同时，国内 心与预报预警四个模块构成，与实时气象信息融合， 外学者在尾矿库安全遥感监测方面均开展了大量研 超前诊断尾矿库在极端条件下的运行状态；Dong 究，但国内学者主要集中于理论研究，在实践应用方 等[6利用物联网与云计算技术构建了基于实时监 面相对欠缺.可以预见随着高分遥感、无人机、摄影 测与数值仿真的尾矿库灾害预警评估平台，根据监 测量等理论技术进步与装备革新，上述新型监测方 测数据及仿真计算结果划分预警级别.在预警指标 法的大规模应用推广将成为可能 选取方面，王晓航等[6]选用洪水危险性、承灾体易 1.2尾矿库溃坝灾害预警方法与应急准备国内外 损性和工程防御能力作为参数，基于GS平台与线 现状 性加权模型，构建出蓄水坝溃坝生命损失预警综合 1.2.1预警方法国内外现状 评价模型：何学秋等[6]试验得出尾矿坝变形包括衰 尾矿坝溃决泥砂下泄是极其短时间的过程，若 减、稳定、加速三个阶段，基于流变-突变理论，预警 灾害发生后才启动应急疏散程序是完全来不及的. 准则应根据各阶段特征分别制定：谢旭阳等[6]选取 而溃坝灾害在孕育发展阶段均会呈现不同形式的征 地形坡度、地质构造、降雨量、采矿活动、下游状况等 兆，可表征体现在各监测指标上，因此，溃坝灾害预 9个指标建立了尾矿库区域预警指标体系.在预测 测预警方法的研究对于尾矿库尤其是“头顶库”隐 算法优化方面，王英博等6s-]构建了和声搜索算法 患治理与灾害防控具有重要意义. 与修正型果蝇算法优化的神经网络安全评价模型， 国外针对尾矿库溃坝灾害预警的研究较为少 选用滩顶高度、库水位、浸润线、干滩高度和安全超 见，而地质灾害领域的研究具有一定借鉴意义. 高五种指标实例验证，显示出较高的预测精度；李娟 Azzam等[s2]通过太阳能供电网关连接测量传感器 等[6]利用支持向量机预测尾矿库浸润线高度，实现 与通信处理单元节点，建立具有自组织、自愈能力的 了小样本情况下的高精度预测：Dong等[6s]建立了 无线传感网络，构建出建筑物、滑坡山体、水坝、尾矿 区间非概率可靠度模型，验证可适用于数据不连续 库及桥梁等的实时监测预警平台：Peters等is]使用 时尾矿坝稳定性评价：为克服监测信息的非线性与
王 昆等: 尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 应根据设计级别、筑坝方式、地质条件、地理环境等 因素具体制定,力求做到理论实践结合、监测内容全 面、测点布置科学、信息终端可视及数据分类存储共 享等目标;李青石等[46]指出我国尾矿库安全监测存 在成本高、适用性与稳定性差等缺陷,并探讨了基于 视频可视化与多通道微震系统的全天候监测方法可 行性,指出弹性波传播衰减速度快与信号不易采集 的难题. 遥感技术在安全监测研究中的交叉应用同样受 到国内学者追捧,马国超等[47]为提高尾矿库安全监 测效率,提出高分遥感与地表三维激光扫描相结合 的“天地一体化冶监测模式,为安全监测提供了新思 路;高永志等[48]通过高分辨率遥感影像与 GIS 软件 识别分析黑龙江省内重点矿集区尾矿库分布情况, 为尾矿库普查与监管提供依据;刘军等[49] 探索使用 无人机搭载数码相机获取露天矿边坡区域高分辨率 图像数据,通过影像三维重建制作边坡精细三维模 型,进而分析掌控边坡区域稳定性;马国超等[50] 通 过统一控制点坐标系,实现三维激光扫描与无人机倾 斜摄影技术结合的三维数据完整采集,并在露天采场 开展应用研究;王海龙[51]将摄影测量技术应用于露天 矿山土石方量计算中,为生产计划提供数据支持. 综上所述,相较于国外,我国拥有更加严格的尾 矿库安全监测规定,国内学者为解决稳定性差、精度 低等具体实践问题开展了一系列研究. 同时,国内 外学者在尾矿库安全遥感监测方面均开展了大量研 究,但国内学者主要集中于理论研究,在实践应用方 面相对欠缺. 可以预见随着高分遥感、无人机、摄影 测量等理论技术进步与装备革新,上述新型监测方 法的大规模应用推广将成为可能. 1郾 2 尾矿库溃坝灾害预警方法与应急准备国内外 现状 1郾 2郾 1 预警方法国内外现状 尾矿坝溃决泥砂下泄是极其短时间的过程,若 灾害发生后才启动应急疏散程序是完全来不及的. 而溃坝灾害在孕育发展阶段均会呈现不同形式的征 兆,可表征体现在各监测指标上,因此,溃坝灾害预 测预警方法的研究对于尾矿库尤其是“头顶库冶 隐 患治理与灾害防控具有重要意义. 国外针对尾矿库溃坝灾害预警的研究较为少 见,而地质灾害领域的研究具有一定借鉴意义. Azzam 等[52]通过太阳能供电网关连接测量传感器 与通信处理单元节点,建立具有自组织、自愈能力的 无线传感网络,构建出建筑物、滑坡山体、水坝、尾矿 库及桥梁等的实时监测预警平台;Peters 等[53] 使用 多个传感网络节点监测法国南部山体孔隙水压力、 倾斜度及温度等参数,耦合水动力学模型实现了滑 坡灾害的实时预警;Intrieri 等[54]将意大利中部某滑 坡体划分为普通、警惕与报警三个危险级别,其中警 惕级别由预设阈值触发,报警级别基于专家评估法 预测确定,另通过数据冗余与均值处理减少错误警 报;Capparelli 和 Tiranti [55]深入系统分析滑坡与降雨 量关系,建立出降雨因素诱发滑坡的预警经验模型; Intrieri 等[56]概述了滑坡预警系统组成及其实践准 则,指出预警敏感度与准确率互相矛盾,误报警无法 完全避免,强调预警机制必须以人为本,培养强化人 员应急能力;Krzhizhanovskaya 等[57] 提出了传感器 网络与溃坝模拟相结合的洪水预警决策支持系统, 并利用人工智能及可视化技术保障该系统的稳定运 行;Zare 等[58]尝试运用多层神经网络与径向基网络 两种人工神经网络方法分析预测山体滑坡,以期实 现更为科学有效的灾害风险评估. 国内学者在灾害预警平台开发、指标选取、算法 优化等方面做了大量研究. 黄磊等[59] 设计搭建了 基于空间信息网络访问模型的尾矿库监测预警平 台,并成功应用于洛阳市某五座尾矿库,但存在数据 处理算法过于简单及预警模型准确率低等问题;王 刚毅等[60]运用信息融合技术实现尾矿库多指标预 警体系,系统由数据综合管理、 实时评估、 监控中 心与预报预警四个模块构成,与实时气象信息融合, 超前诊断尾矿库在极端条件下的运行状态;Dong 等[61]利用物联网与云计算技术构建了基于实时监 测与数值仿真的尾矿库灾害预警评估平台,根据监 测数据及仿真计算结果划分预警级别. 在预警指标 选取方面,王晓航等[62] 选用洪水危险性、承灾体易 损性和工程防御能力作为参数,基于 GIS 平台与线 性加权模型,构建出蓄水坝溃坝生命损失预警综合 评价模型;何学秋等[63]试验得出尾矿坝变形包括衰 减、稳定、加速三个阶段,基于流变鄄鄄突变理论,预警 准则应根据各阶段特征分别制定;谢旭阳等[64]选取 地形坡度、地质构造、降雨量、采矿活动、下游状况等 9 个指标建立了尾矿库区域预警指标体系. 在预测 算法优化方面,王英博等[65鄄鄄66]构建了和声搜索算法 与修正型果蝇算法优化的神经网络安全评价模型, 选用滩顶高度、库水位、浸润线、干滩高度和安全超 高五种指标实例验证,显示出较高的预测精度;李娟 等[67]利用支持向量机预测尾矿库浸润线高度,实现 了小样本情况下的高精度预测;Dong 等[68] 建立了 区间非概率可靠度模型,验证可适用于数据不连续 时尾矿坝稳定性评价;为克服监测信息的非线性与 ·529·
.530. 工程科学学报，第40卷，第5期 非对称性引起的误差，王肖霞等[]提出并验证了基 段描述溃决破坏形式：张兴凯等[]利用雷达干涉 于柔性相似度量和可能性歪度的风险评估方法 仪、高速摄像机、流速仪等仪器的模型试验装置模拟 国外学者围绕地质灾害领域、国内学者聚焦尾 分析洪水漫顶溃决过程，得出了溃坝位移与坝体饱 矿库安全，在预警平台构建、指标选取、算法优化等 和度的关系：尹光志等[]以云南某尾矿库设计资料 方面均开展了卓有成效的研究，其中不乏无线传感 为依据，对不同高度尾矿坝瞬间全溃后的泥浆演进 网络、云技术、水力学模型、大数据、人工智能等前沿 规律及动力特性进行研究，结果表明溃决泥浆淹没 理论方法，力求进一步提升灾害预警的准确率、实用 高程、冲击强度、运移速度均与坝高有关，冲击强度 性与智能化 峰值在泥深峰值之前出现：郑欣等[sO]使用CFD软 1.2.2应急准备国内外现状 件模拟溃坝砂流演进过程，得出淹没范围、时间、流 根据Helbing等[o]的研究，突发性事件中人群 速等参数，据此估算出灾害生命损失，但研究存在大 处于恐慌逃逸情形下容易出现从众、盲目、无组织的 量假设条件且未考虑下游地形：刘洋等8通过数值 “羊群行为”，因此在事故已无法避免的情形下，高 模拟对比验证河北某尾矿库溃坝事故案例中泥石流 效合理的应急准备将在紧急疏散、灾后救援、次生灾 演进过程，总结出淹没范围、速度、厚度随时间的变 害防治等方面发挥极大作用，力争将损失伤亡降到 化规律，并模拟出拦挡导流坝防护效果显著.在应 最低.国内外监管机构对于尾矿库灾害应急准备均 急撤离方案方面，张士辰等2]针对溃坝情况下应急 有明确规定.例如，澳大利亚维多利亚州[)规定应 撤离路径灾民分流优化配置问题，建立基于最优化 急预案要根据事故最坏情形来制定，必须包括受灾 理论与运筹学的分配机制：黄诗峰等[3]探索了基于 体特征评估、疏散程序、人员培训方案等细节：加拿 GS网络分析功能的灾民撤离过程仿真技术，为洪 大最新版尾矿设施管理规范)]明确规定应急预案 水灾害应急措施的制定提供依据. 应覆盖建设初期、运营及闭库的全生命周期，并应与 从上述分析不难看出，国内外监管机构均高度 灾害可能涉及的其他单位或社群建立协同机制：加 重视尾矿库这一重大危险源的应急准备工作，并具 拿大大坝协会(Canadian Dam Association,CDA) 体规定了应急预案、物资准备、撤离疏散及日常演练 2015年应急管理研讨会报告[)指出，尾矿坝应急 等基本内容.相比之下，国外在应急准备制定原则、 响应预案不可忽视环境危害的防治，且需随着库区 可行性分析、经验总结、案例共享以及改进升级等方 运营阶段及时更新升级，应急演练必须全员参与，同 面的先进机制值得我国学习.我国学者采用数值仿 时还将开设线上论坛为会员企业共享应急管理经验 真和相似模拟方法深入研究分析了尾矿库溃坝泥砂 及资料提供平台：加拿大矿业协会(the Mining Asso 演进规律及可能的致灾后果，为应急措施的制定与 ciation of Canada,MAC)【a]总结Mount Polley事故 完善提供科学依据. 教训，建议应急措施计划及救援物资预备需要根据 1.3尾矿库安全管理与标准规范国内外现状 溃坝发生后可能波及的范围来具体制定：由必和必 科学合理的安全管理方法与健全的配套标准规 拓、淡水河谷、英美资源等23家矿业巨头组成的国 范是尾矿库安全运营的基本保障，将在灾害防控工 际矿业与金属理事会(International Council on Min- 作中发挥出事半功倍的效果.Schoenbergerts4]深入 ing&Metals,ICMM)20l6年底联合发布尾矿库灾 研究分析了巴布亚新几内亚Ok Tedi与加拿大Mout 害防控立场声明[]，颁布安全管理一系列改进举 Polley两起重大溃坝事故深层次原因，并列举了美 措，其中提及应急预案需要包含触发条件、响应计 国McLaughlin尾矿库长达二十年的安全与环保成 划、机构职责、通讯方式、演练周期、应急物资保障、 功管理案例，批判性地揭露出溃坝事故频频发生的 与可行性分析等：在我国，矿山企业需针对溃坝、洪 根本症结在于矿山安全管理方法缺陷或执行不力， 水漫顶、排洪设施故障等灾害情形编制应急预案并 而绝非工程技术层面的瓶颈. 定期组织演练，预案应包括机构职责、通讯保障、人 1.3.1国外现状及前沿进展 员物资、撤离方案等内容[6] 美国、加拿大、澳大利亚等矿业发达国家在尾矿 溃坝泥砂演进规律能够为应急措施制定提供直 库安全管理方面积累了丰富的经验.加拿大作为世 接依据，为此国内学者结合数值仿真与相似模型试 界上矿山事故率最低的国家之一，由大坝协会CDA 验开展了大量研究.张力霆等)利用自主研发的 与矿业协会MAC共同制定了非常完善的尾矿库安 尾矿库模型试验平台进行了坝体排渗系统失效致使 全管理框架.CDA于2014年出版技术报告，详细诠 浸润线持续升高而诱发溃坝的缩尺模型试验，分阶 释了大坝安全相关概念及技术规范在尾矿坝领域的
工程科学学报,第 40 卷,第 5 期 非对称性引起的误差,王肖霞等[69]提出并验证了基 于柔性相似度量和可能性歪度的风险评估方法. 国外学者围绕地质灾害领域、国内学者聚焦尾 矿库安全,在预警平台构建、指标选取、算法优化等 方面均开展了卓有成效的研究,其中不乏无线传感 网络、云技术、水力学模型、大数据、人工智能等前沿 理论方法,力求进一步提升灾害预警的准确率、实用 性与智能化. 1郾 2郾 2 应急准备国内外现状 根据 Helbing 等[70] 的研究,突发性事件中人群 处于恐慌逃逸情形下容易出现从众、盲目、无组织的 “羊群行为冶,因此在事故已无法避免的情形下,高 效合理的应急准备将在紧急疏散、灾后救援、次生灾 害防治等方面发挥极大作用,力争将损失伤亡降到 最低. 国内外监管机构对于尾矿库灾害应急准备均 有明确规定. 例如,澳大利亚维多利亚州[71] 规定应 急预案要根据事故最坏情形来制定,必须包括受灾 体特征评估、疏散程序、人员培训方案等细节;加拿 大最新版尾矿设施管理规范[72] 明确规定应急预案 应覆盖建设初期、运营及闭库的全生命周期,并应与 灾害可能涉及的其他单位或社群建立协同机制;加 拿大大坝协会 ( Canadian Dam Association, CDA) 2015 年应急管理研讨会报告[73] 指出,尾矿坝应急 响应预案不可忽视环境危害的防治,且需随着库区 运营阶段及时更新升级,应急演练必须全员参与,同 时还将开设线上论坛为会员企业共享应急管理经验 及资料提供平台;加拿大矿业协会(the Mining Asso鄄 ciation of Canada, MAC) [74] 总结 Mount Polley 事故 教训,建议应急措施计划及救援物资预备需要根据 溃坝发生后可能波及的范围来具体制定;由必和必 拓、淡水河谷、英美资源等 23 家矿业巨头组成的国 际矿业与金属理事会( International Council on Min鄄 ing & Metals, ICMM)2016 年底联合发布尾矿库灾 害防控立场声明[75] ,颁布安全管理一系列改进举 措,其中提及应急预案需要包含触发条件、响应计 划、机构职责、通讯方式、演练周期、应急物资保障、 与可行性分析等;在我国,矿山企业需针对溃坝、洪 水漫顶、排洪设施故障等灾害情形编制应急预案并 定期组织演练,预案应包括机构职责、通讯保障、人 员物资、撤离方案等内容[76] . 溃坝泥砂演进规律能够为应急措施制定提供直 接依据,为此国内学者结合数值仿真与相似模型试 验开展了大量研究. 张力霆等[77] 利用自主研发的 尾矿库模型试验平台进行了坝体排渗系统失效致使 浸润线持续升高而诱发溃坝的缩尺模型试验,分阶 段描述溃决破坏形式;张兴凯等[78] 利用雷达干涉 仪、高速摄像机、流速仪等仪器的模型试验装置模拟 分析洪水漫顶溃决过程,得出了溃坝位移与坝体饱 和度的关系;尹光志等[79]以云南某尾矿库设计资料 为依据,对不同高度尾矿坝瞬间全溃后的泥浆演进 规律及动力特性进行研究,结果表明溃决泥浆淹没 高程、冲击强度、运移速度均与坝高有关,冲击强度 峰值在泥深峰值之前出现;郑欣等[80] 使用 CFD 软 件模拟溃坝砂流演进过程,得出淹没范围、时间、流 速等参数,据此估算出灾害生命损失,但研究存在大 量假设条件且未考虑下游地形;刘洋等[81] 通过数值 模拟对比验证河北某尾矿库溃坝事故案例中泥石流 演进过程,总结出淹没范围、速度、厚度随时间的变 化规律,并模拟出拦挡导流坝防护效果显著. 在应 急撤离方案方面,张士辰等[82]针对溃坝情况下应急 撤离路径灾民分流优化配置问题,建立基于最优化 理论与运筹学的分配机制;黄诗峰等[83] 探索了基于 GIS 网络分析功能的灾民撤离过程仿真技术,为洪 水灾害应急措施的制定提供依据. 从上述分析不难看出,国内外监管机构均高度 重视尾矿库这一重大危险源的应急准备工作,并具 体规定了应急预案、物资准备、撤离疏散及日常演练 等基本内容. 相比之下,国外在应急准备制定原则、 可行性分析、经验总结、案例共享以及改进升级等方 面的先进机制值得我国学习. 我国学者采用数值仿 真和相似模拟方法深入研究分析了尾矿库溃坝泥砂 演进规律及可能的致灾后果,为应急措施的制定与 完善提供科学依据. 1郾 3 尾矿库安全管理与标准规范国内外现状 科学合理的安全管理方法与健全的配套标准规 范是尾矿库安全运营的基本保障,将在灾害防控工 作中发挥出事半功倍的效果. Schoenberger [84] 深入 研究分析了巴布亚新几内亚 Ok Tedi 与加拿大 Mout Polley 两起重大溃坝事故深层次原因,并列举了美 国 McLaughlin 尾矿库长达二十年的安全与环保成 功管理案例,批判性地揭露出溃坝事故频频发生的 根本症结在于矿山安全管理方法缺陷或执行不力, 而绝非工程技术层面的瓶颈. 1郾 3郾 1 国外现状及前沿进展 美国、加拿大、澳大利亚等矿业发达国家在尾矿 库安全管理方面积累了丰富的经验. 加拿大作为世 界上矿山事故率最低的国家之一,由大坝协会 CDA 与矿业协会 MAC 共同制定了非常完善的尾矿库安 全管理框架. CDA 于 2014 年出版技术报告,详细诠 释了大坝安全相关概念及技术规范在尾矿坝领域的 ·530·
王昆等：尾矿库遗坝灾害防控现状及发展 ·531· 适用性，并做了必要补充：MAC发布了《OMS手册 估管理、潜在灾害应急准备、减少污染物泄露的基本 编写指南》[ss],即尾矿库运行、维护与监测(opera- 原则，并且对尾矿库从设计到闭库的全生命周期安 tion,maintenance and surveillance manual,OMS) 全管理内容做出详细规定：在设计选址阶段要求论 册的制定规范，矿山企业在设计阶段据此独立编写 证闭库后长远影响、生态环境保护、人文社会与区域 相应的OMS手册，从而构成完整的企业安全管理体 经济背景、风险评估与应急准备计划、安全监测方 系，督促企业维护职工及公众权益、遵守政府法规与 案、粉尘防治等问题；在建设阶段需重视施工方案、 集团政策、尽职尽责开展安全管理、并在实践中持续 图纸资料归类、专家监理等：运营阶段的规定包括实 改进；同时MAC还发布了《尾矿设施管理指导》[】 时监控、监测数据与尾矿排放日志维护、日常安全巡 (the tailings guide),附有详细的安全检查清单，旨在 查、操作流程规范、事故责任界定、应急预案维护、安 明确安全与环保主体责任、帮助企业建立安全管理 全状态独立审查等：闭库及闭库后阶段的规定包括 体系、健全库区建设工程管理准则：在Mount Polley 基础设施维护、极端事件（地震、洪水、台风）应急、 事故后，MAC公布报告[4]，探讨反思在可持续矿业 土壤与水污染防治、水冲冰冻风化腐蚀、土地恢复 (towards sustainable mining,TSM)协议框架下的管 等.国际大坝协会(nternational Commission on Large 理规范可否防止该溃坝事故的发生，并总结提出修 Dams,ICOLD)与联合国环境规划署(The United 改完善《尾矿设施管理指导》及《OMS手册指南》， Nations Environment Programme,UNEP)[]分析了大 增添设计运营各环节独立审查流程、最优技术方案 量事故案例，总结出尾矿库溃坝事故预防的四个关 评估遴选准则、加强已闭库尾矿库管理、共享成熟管 键点：建设初期质量控制、排洪设施有效维护、操作 理案例经验、整改低等级库工作计划等29条具体建 技术规范掌握，以及管理责任明确落实 议：事故发生地BC省于2016年7月更新矿业标 1.3.2国内现状及前沿进展 准，规定尾矿库需新增设具有从业资质且无利益相 我国尾矿库安全由国家及地方安全生产监督管 关的资料记录工程师(engineer of record,EOR),在 理部门管理，各省市根据需要在国家法律法规及行 库区易主或其他变更发生时保证数据、报告、安全记 业标准的基础上颁布地方法规与规范，尾矿库经营 录等资料档案的完整且准确交接[%] 单位制定规章制度与操作规程，形成自上而下的法 在澳大利亚，大坝委员会(Australian National 律法规及标准规范体系.国家安全监管总局于2011 Committee on Large Dams,ANCOLD)成员矿业公司 年公布修订版《尾矿库安全监督管理规定》，对尾矿 在尾矿库安全管理方面积累了大量成功实践案例， 库建设、运行、回采、闭库等环节程序及其安全管理 ANCOLD标准虽未对管理体系做出详细规定，但在 监督做出了明确指示：李全明等6]围绕法规标准、 技术指标方面比CDA更加严格，高度重视尾矿坝的 生命周期管理流程、关键设计参数、施工管理、安全 安全监测，以揭示坝体堆积过程中结构及其稳定性 监测、闭库流程等方面对比了我国与加拿大尾矿库 的演变规律，并及时做出有效调整：维多利亚州[】 安全管理现状，提出完善闭库与复垦法规标准、设立 对尾矿库安全管理全生命周期内的设计阶段选址、 复垦与环保基金、根据安全性与遗坝严重性划分等 渗流、污水处置、氰化物管理与闭库规划，建设阶段 级、提高防洪与安全系数设防标准等具体建议：李仲 行政审批与资料管理，运营阶段组织结构、尾矿输送 学等[器]运用系统分析方法，提取分类尾矿库设计、 与坝体堆积方式、安全环保监测以及资料存档，闭库 建设、运营与闭库全生命周期的风险因素，包括技术 阶段覆盖材料、地貌恢复、复垦方案及进度计划，闭 因素、外部环境、人为因素与法规标准，运用计划、实 库后的防洪、渗流与腐蚀防控、复垦状态及水质监测 施、检查、处理(plan,do,check and action,PDCA) 均做出了详细要求，并附上了各环节工作流程图与 循环过程的PDCA模式持续改进方法，构建出各环 检查清单 节Safety Case安全管理体系框架：王涛等[s9运用定 美国SANS研究所颁布的标准同样拥有大量尾 性与定量相结合的层次分析法确定并排序尾矿库排 矿库安全管理成功案例，区别在于SANS标准未详 洪、回水、输送与堆存等系统影响安全运行的因素权 细规定管理体系职位及其责任划分，将权力下放增 重，得出排洪与调洪能力是正常运行的主导因素，为 强企业自主决定权，称身裁衣提高管理效率]：欧 安全管理指明了侧重点：谢旭阳等]综合规模等 盟委员会]于2009年发布了尾矿管理最佳可行技 级、服务年限、筑坝方式、排洪设施等11个方面分析 术(best available techniques,BAT)的指导文件，明 了我国尾矿库安全现状与不足，提出落实企业主体 确了最小化尾矿排放量、最大化综合利用量、风险评 责任、完善内部制度规程、规范尾矿库设计及安环评
王 昆等: 尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 适用性,并做了必要补充;MAC 发布了《OMS 手册 编写指南》 [85] ,即尾矿库运行、维护与监测( opera鄄 tion, maintenance and surveillance manual, OMS) 手 册的制定规范,矿山企业在设计阶段据此独立编写 相应的 OMS 手册,从而构成完整的企业安全管理体 系,督促企业维护职工及公众权益、遵守政府法规与 集团政策、尽职尽责开展安全管理、并在实践中持续 改进;同时 MAC 还发布了《尾矿设施管理指导》 [72] (the tailings guide),附有详细的安全检查清单,旨在 明确安全与环保主体责任、帮助企业建立安全管理 体系、健全库区建设工程管理准则;在 Mount Polley 事故后,MAC 公布报告[74] ,探讨反思在可持续矿业 (towards sustainable mining, TSM) 协议框架下的管 理规范可否防止该溃坝事故的发生,并总结提出修 改完善《尾矿设施管理指导》 及《OMS 手册指南》, 增添设计运营各环节独立审查流程、最优技术方案 评估遴选准则、加强已闭库尾矿库管理、共享成熟管 理案例经验、整改低等级库工作计划等 29 条具体建 议;事故发生地 BC 省于 2016 年 7 月更新矿业标 准,规定尾矿库需新增设具有从业资质且无利益相 关的资料记录工程师( engineer of record, EOR),在 库区易主或其他变更发生时保证数据、报告、安全记 录等资料档案的完整且准确交接[86] . 在澳大利亚,大坝委员会 ( Australian National Committee on Large Dams, ANCOLD)成员矿业公司 在尾矿库安全管理方面积累了大量成功实践案例, ANCOLD 标准虽未对管理体系做出详细规定,但在 技术指标方面比 CDA 更加严格,高度重视尾矿坝的 安全监测,以揭示坝体堆积过程中结构及其稳定性 的演变规律,并及时做出有效调整;维多利亚州[71] 对尾矿库安全管理全生命周期内的设计阶段选址、 渗流、污水处置、氰化物管理与闭库规划,建设阶段 行政审批与资料管理,运营阶段组织结构、尾矿输送 与坝体堆积方式、安全环保监测以及资料存档,闭库 阶段覆盖材料、地貌恢复、复垦方案及进度计划,闭 库后的防洪、渗流与腐蚀防控、复垦状态及水质监测 均做出了详细要求,并附上了各环节工作流程图与 检查清单. 美国 SANS 研究所颁布的标准同样拥有大量尾 矿库安全管理成功案例,区别在于 SANS 标准未详 细规定管理体系职位及其责任划分,将权力下放增 强企业自主决定权,称身裁衣提高管理效率[86] ;欧 盟委员会[87]于 2009 年发布了尾矿管理最佳可行技 术( best available techniques, BAT) 的指导文件,明 确了最小化尾矿排放量、最大化综合利用量、风险评 估管理、潜在灾害应急准备、减少污染物泄露的基本 原则,并且对尾矿库从设计到闭库的全生命周期安 全管理内容做出详细规定:在设计选址阶段要求论 证闭库后长远影响、生态环境保护、人文社会与区域 经济背景、风险评估与应急准备计划、安全监测方 案、粉尘防治等问题;在建设阶段需重视施工方案、 图纸资料归类、专家监理等;运营阶段的规定包括实 时监控、监测数据与尾矿排放日志维护、日常安全巡 查、操作流程规范、事故责任界定、应急预案维护、安 全状态独立审查等;闭库及闭库后阶段的规定包括 基础设施维护、极端事件(地震、洪水、台风) 应急、 土壤与水污染防治、水冲冰冻风化腐蚀、土地恢复 等. 国际大坝协会(International Commission on Large Dams, ICOLD) 与联合国环境规划署 ( The United Nations Environment Programme, UNEP) [9]分析了大 量事故案例,总结出尾矿库溃坝事故预防的四个关 键点:建设初期质量控制、排洪设施有效维护、操作 技术规范掌握,以及管理责任明确落实. 1郾 3郾 2 国内现状及前沿进展 我国尾矿库安全由国家及地方安全生产监督管 理部门管理,各省市根据需要在国家法律法规及行 业标准的基础上颁布地方法规与规范,尾矿库经营 单位制定规章制度与操作规程,形成自上而下的法 律法规及标准规范体系. 国家安全监管总局于 2011 年公布修订版《尾矿库安全监督管理规定》,对尾矿 库建设、运行、回采、闭库等环节程序及其安全管理 监督做出了明确指示;李全明等[16] 围绕法规标准、 生命周期管理流程、关键设计参数、施工管理、安全 监测、闭库流程等方面对比了我国与加拿大尾矿库 安全管理现状,提出完善闭库与复垦法规标准、设立 复垦与环保基金、根据安全性与溃坝严重性划分等 级、提高防洪与安全系数设防标准等具体建议;李仲 学等[88]运用系统分析方法,提取分类尾矿库设计、 建设、运营与闭库全生命周期的风险因素,包括技术 因素、外部环境、人为因素与法规标准,运用计划、实 施、检查、处理( plan, do, check and action, PDCA) 循环过程的 PDCA 模式持续改进方法,构建出各环 节 Safety Case 安全管理体系框架;王涛等[89]运用定 性与定量相结合的层次分析法确定并排序尾矿库排 洪、回水、输送与堆存等系统影响安全运行的因素权 重,得出排洪与调洪能力是正常运行的主导因素,为 安全管理指明了侧重点;谢旭阳等[90] 综合规模等 级、服务年限、筑坝方式、排洪设施等 11 个方面分析 了我国尾矿库安全现状与不足,提出落实企业主体 责任、完善内部制度规程、规范尾矿库设计及安环评 ·531·
.532. 工程科学学报，第40卷，第5期 价流程、加强从业人员培训等建议 发展中国家的上游式坝体.而由于工艺简单、经济 综上所述，我国拥有完整的国家及地方标准规 合理，我国80%左右的尾矿坝采用上游法工艺堆 范体系，但相较于发达国家，尾矿库安全管理仅局限 筑，并且安全基础薄弱的中小型尾矿库数量庞大，其 于全生命周期的运营阶段，而对于规划设计、建设、 中坝高低于30m的五等库占比高达64%.另一方 闭库及闭库后等环节缺乏重视.随着我国经济社会 面，如图1(a)所示，溃坝危险性巨大的1425座“头 进步与安全环保标准提高，亟需学习借鉴国外尾矿 顶库”中，78.3%属于四等库或五等库).由于历 库全生命周期管理先进理念与成熟经验，顺应“绿 史原因，部分中小型尾矿库未经过正规勘察与设计 色矿山”发展趋势，在各环节全面考虑、具体论证对 流程，建设运营资料缺失，在建设时期遗留大量问 生态环境与人文社会的长远影响，以及安全管理与 题，安全基础薄弱[].而中小型矿山投人安全及环 应急准备计划的可行性：另外在事故教训总结方面 保管理的预算本来就有限，难以承担监测系统高昂 同样需要进一步加强. 的建设维护成本，将其安全管理置于恶性循环态势. 此外，中小型尾矿库在设计单位、施工单位、管理运 2我国尾矿库溃坝灾害防控存在的问题及 营者或所有人变更时，其勘察设计、施工运营、变更 建议 维护、闭库规划、监测日志以及软硬件接口等档案资 2.1存在的问题 料常无法完整交接，导致出现大量无证经营、无设计 2.1.1中小型尾矿库比例高，灾害防控基础薄弱 资料、无人认领尾矿库，其安全管理基础更加薄弱且 根据Azam和Li8]对1910年~2010年间全球 缺乏资金投人.如图1(b)中统计数据显示，处于停 尾矿库遗坝案例的统计，约80%有明确记载的事故 用或闭库状态的尾矿库约占“头顶库”总数的一半， 发生在坝高不足30m的小型库，尤其是广泛存在于 其安全管理及监测同样不容疏忽 一等库 二等库 10.165(4.6%) 243(17% 已闭库 再利用 五等库 217(15.2% 80.6%) 63044.2% 在建 在用 50(3.5% 651(45.7%) a (b) 图1我国“头顶库”各等别(a)与运行状态(b)数量统计 Fig.1 Percentages of various levels (a)and running status (b)of overhead tailings ponds in China 2.1.2监测系统稳定性差，缺乏有效管理维护 频繁更换设备供应商，监测设备或平台软件不相兼 由于尾矿坝在构造特征、组成介质、几何形态、 容，无形中大幅增加企业负担，还造成系统臃肿，维 堆筑周期与力学行为等方面较为特殊[45)]，当前监测 护难度增大.有些矿山投入大量资金按照规范建设 手段单一、稳定性差、可靠度低等问题愈发凸显.首 在线监测系统并验收合格后，因缺乏专业技术人员 先，尾矿浆多具有腐蚀性，传感器及其信号线缆极易 或为节约成本，未能实现监测设备及软件平台的定 老化失效，而多数监测设备沿用自蓄水坝或岩土边 期维护升级，难以保证其持续健康运行，甚至监测数 坡等工程领域，难以适应尾矿坝大变形监测以及库 据已严重失准、失去参考价值.目前多数矿山仍主 区严苛复杂的环境，且部分设备易受天气、能见度、 要依赖定性观察的人工巡查，即人员按照预定线路， 温度等外部条件制约.张达等[9]指出传统尾矿库 借助自身经验或便携式仪器观测坝体、排洪设施及 在线监测系统立足于正常运行时数据的采集与展 周边环境情况，不仅工作量大，且难以避免因地形、 示，并非如何降低灾害损失，多存在“灵时不用，用 天气等限制出现数据采集盲区及人工操作误差.另 时不灵”的情况.其次，尾矿坝高度随服务年限不断 外，监测数据的资源访问权限分布在不同管理部门， 增长，监测系统常需分期建设及更新升级，部分矿企 不同设备供应商数据库格式多种多样、接口混乱，造
工程科学学报,第 40 卷,第 5 期 价流程、加强从业人员培训等建议. 综上所述,我国拥有完整的国家及地方标准规 范体系,但相较于发达国家,尾矿库安全管理仅局限 于全生命周期的运营阶段,而对于规划设计、建设、 闭库及闭库后等环节缺乏重视. 随着我国经济社会 进步与安全环保标准提高,亟需学习借鉴国外尾矿 库全生命周期管理先进理念与成熟经验,顺应“绿 色矿山冶发展趋势,在各环节全面考虑、具体论证对 生态环境与人文社会的长远影响,以及安全管理与 应急准备计划的可行性;另外在事故教训总结方面 同样需要进一步加强. 2 我国尾矿库溃坝灾害防控存在的问题及 建议 2郾 1 存在的问题 2郾 1郾 1 中小型尾矿库比例高,灾害防控基础薄弱 根据 Azam 和 Li [8] 对 1910 年 ~ 2010 年间全球 尾矿库溃坝案例的统计,约 80% 有明确记载的事故 发生在坝高不足 30 m 的小型库,尤其是广泛存在于 发展中国家的上游式坝体. 而由于工艺简单、经济 合理,我国 80% 左右的尾矿坝采用上游法工艺堆 筑,并且安全基础薄弱的中小型尾矿库数量庞大,其 中坝高低于 30 m 的五等库占比高达 64% . 另一方 面,如图 1(a)所示,溃坝危险性巨大的 1425 座“头 顶库冶 中,78郾 3% 属于四等库或五等库[17] . 由于历 史原因,部分中小型尾矿库未经过正规勘察与设计 流程,建设运营资料缺失,在建设时期遗留大量问 题,安全基础薄弱[90] . 而中小型矿山投入安全及环 保管理的预算本来就有限,难以承担监测系统高昂 的建设维护成本,将其安全管理置于恶性循环态势. 此外,中小型尾矿库在设计单位、施工单位、管理运 营者或所有人变更时,其勘察设计、施工运营、变更 维护、闭库规划、监测日志以及软硬件接口等档案资 料常无法完整交接,导致出现大量无证经营、无设计 资料、无人认领尾矿库,其安全管理基础更加薄弱且 缺乏资金投入. 如图 1(b)中统计数据显示,处于停 用或闭库状态的尾矿库约占“头顶库冶总数的一半, 其安全管理及监测同样不容疏忽. 图 1 我国“头顶库冶各等别(a)与运行状态(b)数量统计 Fig. 1 Percentages of various levels (a) and running status (b) of overhead tailings ponds in China 2郾 1郾 2 监测系统稳定性差,缺乏有效管理维护 由于尾矿坝在构造特征、组成介质、几何形态、 堆筑周期与力学行为等方面较为特殊[45] ,当前监测 手段单一、稳定性差、可靠度低等问题愈发凸显. 首 先,尾矿浆多具有腐蚀性,传感器及其信号线缆极易 老化失效,而多数监测设备沿用自蓄水坝或岩土边 坡等工程领域,难以适应尾矿坝大变形监测以及库 区严苛复杂的环境,且部分设备易受天气、能见度、 温度等外部条件制约. 张达等[91] 指出传统尾矿库 在线监测系统立足于正常运行时数据的采集与展 示,并非如何降低灾害损失,多存在“灵时不用,用 时不灵冶的情况. 其次,尾矿坝高度随服务年限不断 增长,监测系统常需分期建设及更新升级,部分矿企 频繁更换设备供应商,监测设备或平台软件不相兼 容,无形中大幅增加企业负担,还造成系统臃肿,维 护难度增大. 有些矿山投入大量资金按照规范建设 在线监测系统并验收合格后,因缺乏专业技术人员 或为节约成本,未能实现监测设备及软件平台的定 期维护升级,难以保证其持续健康运行,甚至监测数 据已严重失准、失去参考价值. 目前多数矿山仍主 要依赖定性观察的人工巡查,即人员按照预定线路, 借助自身经验或便携式仪器观测坝体、排洪设施及 周边环境情况,不仅工作量大,且难以避免因地形、 天气等限制出现数据采集盲区及人工操作误差. 另 外,监测数据的资源访问权限分布在不同管理部门, 不同设备供应商数据库格式多种多样、接口混乱,造 ·532·
王昆等：尾矿库遗坝灾害防控现状及发展 ·533· 成系统升级与集成难度高，数据共享程度有限，海量 特征，以及地质、气象、地表植被等影响因素，边界条 历史数据的存储管理有待进一步规范 件过于粗放或理想化，因此结果具有不确定性：(2) 安全监测系统应当以保障尾矿库安全运营、辅 土体特性是由密度和应力水平共同决定的，上述缩 助矿山管理决策并提升企业经济效益为主要目标， 尺物理模拟试验未能复制原型问题的土体应力水 而上述现状已逐渐背离监管部门对于监测系统建设 平，可能出现较大误差甚至给出与实际情况相反的 强制性规定的初衷，监测系统逐渐沦为遮挡在企业 结论；(3)主要通过试验现象以及库区水位、干滩 落后管理机制上、用先进装备拼装出的“皇帝新 面、坝体位移等参数简单描述溃决演进过程，缺乏更 衣”，值得全体从业人员反思 为先进、精确的量测手段：(4)尾矿溃坝泥砂是类似 2.1.3灾害预警模型准确度低，新方法缺乏实践验证 于泥石流的带有自由面的多相流体，当自由面发生 当前监测数据处理分析手段过于简单，主要由 较大变形时，网格类数值模拟方法难以给出精确可 设备配套软件平台自动生成图表，管理人员基于数 信的计算结果. 据变化趋势及速率结合自身经验做出直观判断，与 当前应急措施的评价主要依赖监管部门强制性 系统建设高投入严重不相匹配[].而灾害警报触 要求的应急演练，由尾矿库管理人员及下游群众定 发通过设置监测数据预警阈值及人工巡查实现，预 期参与，模拟事故发生情形，检验考察应急程序、物 设阈值伴随坝体堆筑具有一定时效性，无效报警消 资配备、通讯能力、组织机构协调、应急人员技术水 息频发干扰正常生产秩序，预警系统逐渐失去管理 平.然而，长期实践过程中逐渐凸显出演练形式单 者及公众的信任，已无法满足新时代背景下信息化 一、关键环节缺失、参与度低、应付检查、形式主义等 安全管理的要求.另一方面，尾矿坝溃决致灾要素 问题，导致实际效果大打折扣 复杂，包括地震、洪水漫顶、管涌、坝体裂缝、坝体渗 2.2发展建议 漏、滑坡、排水构筑物垮塌、排水系统失效等]，简2.2.1科学划分尾矿库安全等别，规范主体变更程序 单的监测数据趋势分析难以准确及时揭露出各要素 当前我国尾矿库的设计等别根据库容与坝高从 致灾演化过程，将灾害预警及应急管理置于不利局 高至低划分为一等库至五等库，安全度等级根据坝 面.如前文所述，国内外学者针对灾害预警模型及 体状态与调洪能力划分为危库、险库、病库、正常库 其算法的优化开展了大量研究，取得了可喜的成果， 四级[]，各等别对应不同严格程度的设计与安全标 但普遍存在训练及验证数据样本量有限的问题，甚 准.然而如上所述，我国低等级中小型库数量庞大、 至有学者建立出100%准确率的预警模型，可靠性 安全基础薄弱，溃坝风险更大、后果更加严重，现行 有待进一步实践验证.在大数据、人工智能等技术 等别划分标准不能全面反映出坝体安全性与危害程 高速发展的信息时代，基于尾矿库事故案例库以及 度.建议我国可借鉴国外先进经验，综合评估库区 海量历史数据的预警算法将为预警准确率改进提供 规模、溃坝后果严重程度、安全保障能力、应急准备 新的思路 情况来进一步科学细分安全等级 2.1.4应急措施制定与评价不规范，理论支撑不足 为解决部分废弃尾矿库无人认领或主体不明确 近几年矿山企业效益不佳，部分中小型矿山为 问题，可考虑借鉴加拿大管理经验，设置记录工程师 控制成本，未完全按规定制定应急预案[或委托设 职务，根据尾矿库等别及其安全性，由具备从业资质 计院全权负责库区规划及建设方案设计.有些设计 的专人独立审查并管理一至多个库区档案资料，在 人员根据自身经验及矿山资料草草制定应急预案， 主体变更、企业破产等特殊情况下，记录工程师能够 并未经过严谨的科学论证，方案未必高效实用甚至 维持资料的完整与可溯性.另可参照国外经验，在 未必可行. 建设初期由企业出资筹建复垦环保基金[6]，从资金 国内学者对溃坝灾害泥砂演进机制已开展了大 上保障尾矿库的全生命周期管理 量试验研究，为应急措施的制定及改进提供理论支 2.2.2传统监测设备研发升级及新兴技术交叉应用 撑.然而，该研究是涉及土力学，水力学、流体力学 为提高监测系统的运行稳定性，亟需在传统监 等多学科交叉的复杂议题，由于溃坝砂流破坏性巨 测设备的基础上，研究开发适应尾矿库岩土特征的 大不易控制，只能借助物理相似模拟结合计算机数 耐高压、耐腐蚀、高稳定性专用监测仪器，实现坝体 值仿真重现，当前研究在以下四个方面仍存在不足： 深部及表层长期大变形、孔隙水压力、浸润线等参数 (1)往往忽略或简化处理库区及下游复杂地形，未 的高精度连续监测.同时，为促进监测设备供应行 考虑尾矿坝堆积材料的多维、多相、多层次复杂工程 业的健康良性发展、调动矿企建设与维护的积极性
王 昆等: 尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 成系统升级与集成难度高,数据共享程度有限,海量 历史数据的存储管理有待进一步规范. 安全监测系统应当以保障尾矿库安全运营、辅 助矿山管理决策并提升企业经济效益为主要目标, 而上述现状已逐渐背离监管部门对于监测系统建设 强制性规定的初衷,监测系统逐渐沦为遮挡在企业 落后管理机制上、用先进装备拼装出的“ 皇帝新 衣冶,值得全体从业人员反思. 2郾 1郾 3 灾害预警模型准确度低,新方法缺乏实践验证 当前监测数据处理分析手段过于简单,主要由 设备配套软件平台自动生成图表,管理人员基于数 据变化趋势及速率结合自身经验做出直观判断,与 系统建设高投入严重不相匹配[92] . 而灾害警报触 发通过设置监测数据预警阈值及人工巡查实现,预 设阈值伴随坝体堆筑具有一定时效性,无效报警消 息频发干扰正常生产秩序,预警系统逐渐失去管理 者及公众的信任,已无法满足新时代背景下信息化 安全管理的要求. 另一方面,尾矿坝溃决致灾要素 复杂,包括地震、洪水漫顶、管涌、坝体裂缝、坝体渗 漏、滑坡、排水构筑物垮塌、排水系统失效等[93] ,简 单的监测数据趋势分析难以准确及时揭露出各要素 致灾演化过程,将灾害预警及应急管理置于不利局 面. 如前文所述,国内外学者针对灾害预警模型及 其算法的优化开展了大量研究,取得了可喜的成果, 但普遍存在训练及验证数据样本量有限的问题,甚 至有学者建立出 100% 准确率的预警模型,可靠性 有待进一步实践验证. 在大数据、人工智能等技术 高速发展的信息时代,基于尾矿库事故案例库以及 海量历史数据的预警算法将为预警准确率改进提供 新的思路. 2郾 1郾 4 应急措施制定与评价不规范,理论支撑不足 近几年矿山企业效益不佳,部分中小型矿山为 控制成本,未完全按规定制定应急预案[90] 或委托设 计院全权负责库区规划及建设方案设计. 有些设计 人员根据自身经验及矿山资料草草制定应急预案, 并未经过严谨的科学论证,方案未必高效实用甚至 未必可行. 国内学者对溃坝灾害泥砂演进机制已开展了大 量试验研究,为应急措施的制定及改进提供理论支 撑. 然而,该研究是涉及土力学、水力学、流体力学 等多学科交叉的复杂议题,由于溃坝砂流破坏性巨 大不易控制,只能借助物理相似模拟结合计算机数 值仿真重现,当前研究在以下四个方面仍存在不足: (1)往往忽略或简化处理库区及下游复杂地形,未 考虑尾矿坝堆积材料的多维、多相、多层次复杂工程 特征,以及地质、气象、地表植被等影响因素,边界条 件过于粗放或理想化,因此结果具有不确定性;(2) 土体特性是由密度和应力水平共同决定的,上述缩 尺物理模拟试验未能复制原型问题的土体应力水 平,可能出现较大误差甚至给出与实际情况相反的 结论;(3) 主要通过试验现象以及库区水位、干滩 面、坝体位移等参数简单描述溃决演进过程,缺乏更 为先进、精确的量测手段;(4)尾矿溃坝泥砂是类似 于泥石流的带有自由面的多相流体,当自由面发生 较大变形时,网格类数值模拟方法难以给出精确可 信的计算结果. 当前应急措施的评价主要依赖监管部门强制性 要求的应急演练,由尾矿库管理人员及下游群众定 期参与,模拟事故发生情形,检验考察应急程序、物 资配备、通讯能力、组织机构协调、应急人员技术水 平. 然而,长期实践过程中逐渐凸显出演练形式单 一、关键环节缺失、参与度低、应付检查、形式主义等 问题,导致实际效果大打折扣. 2郾 2 发展建议 2郾 2郾 1 科学划分尾矿库安全等别,规范主体变更程序 当前我国尾矿库的设计等别根据库容与坝高从 高至低划分为一等库至五等库,安全度等级根据坝 体状态与调洪能力划分为危库、险库、病库、正常库 四级[76] ,各等别对应不同严格程度的设计与安全标 准. 然而如上所述,我国低等级中小型库数量庞大、 安全基础薄弱,溃坝风险更大、后果更加严重,现行 等别划分标准不能全面反映出坝体安全性与危害程 度. 建议我国可借鉴国外先进经验,综合评估库区 规模、溃坝后果严重程度、安全保障能力、应急准备 情况来进一步科学细分安全等级. 为解决部分废弃尾矿库无人认领或主体不明确 问题,可考虑借鉴加拿大管理经验,设置记录工程师 职务,根据尾矿库等别及其安全性,由具备从业资质 的专人独立审查并管理一至多个库区档案资料,在 主体变更、企业破产等特殊情况下,记录工程师能够 维持资料的完整与可溯性. 另可参照国外经验,在 建设初期由企业出资筹建复垦环保基金[16] ,从资金 上保障尾矿库的全生命周期管理. 2郾 2郾 2 传统监测设备研发升级及新兴技术交叉应用 为提高监测系统的运行稳定性,亟需在传统监 测设备的基础上,研究开发适应尾矿库岩土特征的 耐高压、耐腐蚀、高稳定性专用监测仪器,实现坝体 深部及表层长期大变形、孔隙水压力、浸润线等参数 的高精度连续监测. 同时,为促进监测设备供应行 业的健康良性发展、调动矿企建设与维护的积极性, ·533·
.534. 工程科学学报，第40卷，第5期 设备厂商应充分考虑监测系统实用性与经济性，不 急联动机制，提高灾害预警信息发布的准确性与时 应仅立足于安全监测与灾害防控，还需兼顾尾矿库 效性，同样具有重要意义.尾矿库尤其是“头顶库” 运行参数的准确掌控与评估，迎合矿山企业安全生 溃坝灾害往往不单涉及矿山企业，还可能危及下游 产及经济利益的诉求，为库区运营与规划提供决策 群众、厂房、医院、学校、古迹等重要设施，并且应急 支持 措施的制定与完善、，预警信息的发布与传播、灾情动 在新兴技术交叉应用方面，近些年涌现出的卫 态的实时掌控均需要政府部门、涉灾企业、社会组织 星遥感、边坡雷达、摄影测量、智能机器人、无人机、 与民众团体的共同参与、协调配合.建议进一步健 无人船及无人车等新技术与装备，在自然灾害防治 全矿山灾情信息传递与共享体系、救灾物资装备高 领域各显神通，积累了大量成功案例.可尝试借鉴 效统筹调运机制、规范协同工作方案，融合构成由预 引入到尾矿库灾害防控中，扩充安全监测视角，从技 警触发、应急决策、警报发布、传播通知、紧急处置到 术装备层面提高尾矿库安全保障水准.然而，受卫 解除警报的应急管理闭环全过程，并在库区各致灾 星轨道竞争、监测区域天气情况等不可预测因素影 形式的日常应急预案演练过程中持续考察改进 响，卫星遥感具有无法及时获取合格数据的风险，尤 2.2.4尾矿库灾害防控基础知识的普及宣传 其我国北方地区雾霾天气频繁，使得卫星监测手段 目前公众对于尾矿库基本构成、潜在危害及灾 具有不确定性：微波遥感、热红外遥感、高分影像等 害应急等基础知识的了解普遍存在偏差，并且缺乏 在尾矿库监测中应用范围以及识别解译规则，时间 学习认知途径.近几年受矿业形势波动影响，矿山 序列数据集构建方法等仍有待深入研究：无人机摄 人才流失严重，部分尾矿库运营及监管人员同样严 影测量实践过程中图像畸变、强光照、地表反射率等 重缺乏认识，灾害防控与自救互救的意识和能力不 因素会对三维重建模型精确度造成较大影响，该技 足.需进一步加强尾矿库尤其是“头顶库”全体职工 术应用到尾矿库监测领域中如何优化设计工作参 及涉灾群体的安全培训与教育，借助宣传专栏、移动 数、提高重建模型精度成为亟需研究的问题.在数 终端媒体、集中培训等通俗易懂的形式向公众宣传 据库管理维护方面，受矿石品位下降、矿产品价格波 普及基本知识，帮助公众正确认知尾矿库及其潜在 动、选矿技术装备革新、环保标准提升等因素促动， 危险性，提高谣言与伪科学的辨别能力，在思想上提 贮存尾矿在未来将具备潜在回采价值，而库区运营 与监测数据的合理存储管理，需建立界面更友好、操 高其重视程度，从而保证灾害应急演练实际效果 此外，尾可矿库是粉尘与有毒化学物聚集的工作环境 作更简洁、兼容性与扩展性更强的数据库，为安全管 理及闭库、复垦与将来可能的二次回采提供数据 职工的生命健康不可忽视，矿山企业应遵守国家规 支撑. 律法规，重视职业病预防常识宣传工作 2.2.3提高灾害预警精度，缩短预警响应时间，并 2.2.5正视事故原因，积极总结教训 建立完善应急联动机制 事故调查工作的最根本目的在于总结吸取教 尾矿库溃坝灾害突发性强、演进速度快，灾害应 训，并防止同类事故再次发生，而责任追究只是为实 急疏散分秒必争.尤其是我国大量存在的“头顶 现该目的的手段之一·过度强调责任追究势必忽视 库”，预警响应时间往往关乎群众生命财产安危，其 教训总结，并可能导致事故发生时涉事人员为逃避 重要性不言而喻.灾害预警的关键问题在于准确及 惩罚，刻意瞒报谎报事故真相，互相推脱责任，造成 时地触发警报，迅速制定合理的应急决策，并及时传 更加严重的后果，这也是重大事故频频发生的主要 播到应急响应主体，以提供尽量长的应急疏散时间， 原因之一.因此，事故调查报告不应将大篇幅用在 即尽可能缩短预警响应时间.因此，除通过优化预 责任划分与人员处分上，而对于事故原因轻描淡写. 警模型增加预警提前度与精度之外，还可借助数值 事故发生原因的深入挖掘、独立调查、科学论证，多 分析、灾害仿真等先进手段，快速评估事故严重性及 角度、客观还原事故演化过程与后果，将为事故预 后果，辅助管理人员制定完善应急准备方案以及警 防、隐患治理、应急措施改进及相关研究等提供一手 报发出时快速应急决策.针对当前研究存在的不 资料，对于“依法治安、科技强安”的推进、安全生产 足，可引入无网格法、离心模拟、GS等先进手段，结 基础保障能力建设以及政府公信力提升具有深远意 合典型事故案例验证分析，以增加遗坝灾害模拟结 义.此外，小型事故或未遂事故同样需要引起各级 果可信度 安全管理人员重视，及时发现事故隐患并采取合理 同时，建立完善高效可靠的信息通讯系统与应 整改措施，将有效防止更大事故的酿成
工程科学学报,第 40 卷,第 5 期 设备厂商应充分考虑监测系统实用性与经济性,不 应仅立足于安全监测与灾害防控,还需兼顾尾矿库 运行参数的准确掌控与评估,迎合矿山企业安全生 产及经济利益的诉求,为库区运营与规划提供决策 支持. 在新兴技术交叉应用方面,近些年涌现出的卫 星遥感、边坡雷达、摄影测量、智能机器人、无人机、 无人船及无人车等新技术与装备,在自然灾害防治 领域各显神通,积累了大量成功案例. 可尝试借鉴 引入到尾矿库灾害防控中,扩充安全监测视角,从技 术装备层面提高尾矿库安全保障水准. 然而,受卫 星轨道竞争、监测区域天气情况等不可预测因素影 响,卫星遥感具有无法及时获取合格数据的风险,尤 其我国北方地区雾霾天气频繁,使得卫星监测手段 具有不确定性;微波遥感、热红外遥感、高分影像等 在尾矿库监测中应用范围以及识别解译规则,时间 序列数据集构建方法等仍有待深入研究;无人机摄 影测量实践过程中图像畸变、强光照、地表反射率等 因素会对三维重建模型精确度造成较大影响,该技 术应用到尾矿库监测领域中如何优化设计工作参 数、提高重建模型精度成为亟需研究的问题. 在数 据库管理维护方面,受矿石品位下降、矿产品价格波 动、选矿技术装备革新、环保标准提升等因素促动, 贮存尾矿在未来将具备潜在回采价值,而库区运营 与监测数据的合理存储管理,需建立界面更友好、操 作更简洁、兼容性与扩展性更强的数据库,为安全管 理及闭库、复垦与将来可能的二次回采提供数据 支撑. 2郾 2郾 3 提高灾害预警精度,缩短预警响应时间,并 建立完善应急联动机制 尾矿库溃坝灾害突发性强、演进速度快,灾害应 急疏散分秒必争. 尤其是我国大量存在的“ 头顶 库冶,预警响应时间往往关乎群众生命财产安危,其 重要性不言而喻. 灾害预警的关键问题在于准确及 时地触发警报,迅速制定合理的应急决策,并及时传 播到应急响应主体,以提供尽量长的应急疏散时间, 即尽可能缩短预警响应时间. 因此,除通过优化预 警模型增加预警提前度与精度之外,还可借助数值 分析、灾害仿真等先进手段,快速评估事故严重性及 后果,辅助管理人员制定完善应急准备方案以及警 报发出时快速应急决策. 针对当前研究存在的不 足,可引入无网格法、离心模拟、GIS 等先进手段,结 合典型事故案例验证分析,以增加溃坝灾害模拟结 果可信度. 同时,建立完善高效可靠的信息通讯系统与应 急联动机制,提高灾害预警信息发布的准确性与时 效性,同样具有重要意义. 尾矿库尤其是“头顶库冶 溃坝灾害往往不单涉及矿山企业,还可能危及下游 群众、厂房、医院、学校、古迹等重要设施,并且应急 措施的制定与完善、预警信息的发布与传播、灾情动 态的实时掌控均需要政府部门、涉灾企业、社会组织 与民众团体的共同参与、协调配合. 建议进一步健 全矿山灾情信息传递与共享体系、救灾物资装备高 效统筹调运机制、规范协同工作方案,融合构成由预 警触发、应急决策、警报发布、传播通知、紧急处置到 解除警报的应急管理闭环全过程,并在库区各致灾 形式的日常应急预案演练过程中持续考察改进. 2郾 2郾 4 尾矿库灾害防控基础知识的普及宣传 目前公众对于尾矿库基本构成、潜在危害及灾 害应急等基础知识的了解普遍存在偏差,并且缺乏 学习认知途径. 近几年受矿业形势波动影响,矿山 人才流失严重,部分尾矿库运营及监管人员同样严 重缺乏认识,灾害防控与自救互救的意识和能力不 足. 需进一步加强尾矿库尤其是“头顶库冶全体职工 及涉灾群体的安全培训与教育,借助宣传专栏、移动 终端媒体、集中培训等通俗易懂的形式向公众宣传 普及基本知识,帮助公众正确认知尾矿库及其潜在 危险性,提高谣言与伪科学的辨别能力,在思想上提 高其重视程度,从而保证灾害应急演练实际效果. 此外,尾矿库是粉尘与有毒化学物聚集的工作环境, 职工的生命健康不可忽视,矿山企业应遵守国家规 律法规,重视职业病预防常识宣传工作. 2郾 2郾 5 正视事故原因,积极总结教训 事故调查工作的最根本目的在于总结吸取教 训,并防止同类事故再次发生,而责任追究只是为实 现该目的的手段之一. 过度强调责任追究势必忽视 教训总结,并可能导致事故发生时涉事人员为逃避 惩罚,刻意瞒报谎报事故真相,互相推脱责任,造成 更加严重的后果,这也是重大事故频频发生的主要 原因之一. 因此,事故调查报告不应将大篇幅用在 责任划分与人员处分上,而对于事故原因轻描淡写. 事故发生原因的深入挖掘、独立调查、科学论证,多 角度、客观还原事故演化过程与后果,将为事故预 防、隐患治理、应急措施改进及相关研究等提供一手 资料,对于“依法治安、科技强安冶的推进、安全生产 基础保障能力建设以及政府公信力提升具有深远意 义. 此外,小型事故或未遂事故同样需要引起各级 安全管理人员重视,及时发现事故隐患并采取合理 整改措施,将有效防止更大事故的酿成. ·534·
王昆等：尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 ·535· (6283):288 3结论 [5]Wang HJ,Xue Y Z,Lei PX,et al.The Report of Mineral Re- 我国尾矿库数量庞大，“头顶库”安全问题棘 sources Saring&Comprehensive Utilization in China (2016).Bei- 手.在“十三五”国民经济稳速发展、矿产资源需求 jing:Geological Publishing House,2016 (王海军，薛亚洲，雷平喜，等.全国矿产资源节约与综合利 总量维持高位、传统矿业绿色转型的大背景下，尾矿 用报告(2016).北京：地质出版社，2016) 库溃坝灾害防控的研究对于促进防灾减灾理论研究 [6]Ministry of Environmental Protection of People's Republic of Chi- 与技术革新、保障矿山安全生产、实现资源绿色开 na.The 2016 Annual Report of Large and Medium Urban Solid 采、维持社会和谐稳定具有重要意义.本文梳理总 Waste Prevention and Control in China.Beijing:Ministry of Envi- ronmental Protection of People's Republic of China,2016 结了安全监测、预警方法与应急准备、安全管理方法 (中华人民共和国环境保护部.2016年全国大、中城市固体废 与标准法规这三方面的国内外现状及前沿进展，分 物污染环境防治年报.北京：中华人民共和国环境保护部， 析得出如下结论： 2016) (1)尾矿库安全监测在我国得到高度重视，但 [7]Kossoff D,Dubbin W E,Alfredsson M,et al.Mine tailings 监测仪器精度低、效果差、缺乏维护等问题普遍.需 dams:characteristics,failure,environmental impacts,and reme- 针对尾矿库复杂岩土特征及较大变形监测需求，研 diation.Appl Geochem,2014,51:229 [8]Azam S,Li Q R.Tailings dam failures:a review of the last one 发高稳定性、高可靠度、高耐久性的专用监测器件， hundred years.Geotech Ners,2010,28(4):50 并交叉融合新兴技术丰富监测手段.同时还需提高 [9]ICOLD,UNEP.Tailings Dams Risk of Dangerous Occurrences, 监测系统的实用性与经济性，从而调动矿山企业建 Lessons Learnt From Practical Experiences Bulletin 121).France: 设维护的积极性.此外，中小型尾矿库的安全监测 International Commission on Large Dams,2001 同样不容忽视 [10]Bowker L N,Chambers D M.The risk,public liability,eco- nomics of tailings storage facility failures EB/OL].Earthicork (2)当前监测数据处理方法过于单一，灾害预 Action (2015-07-21 2017-10-19 ]https://earthworks. 警方法在准确率、可靠度等方面存在不足.而大数 org/cms/assets/uploads/archive/files/pubs-others/BowkerCham- 据、人工智能等理论方法应用于数据分析预测及灾 bers-Risk PublicLiability EconomicsOfTailingsStorageFacility% 害预警，成为安全管理信息化发展的必然趋势 20Failures-23Jul15.pdf (3)溃坝灾害应急准备及预警决策制定需经过 [11]WISE Uranium Project.Chronology of major tailings dam failures 充分科学论证.在国内学者大量研究的基础上，需 (fom1960)[EB/0L].(2017-07-08)[2017-10-19].ht- 进一步完善计算方法、提高模型精准度与真实度. tp://www.wise-uranium.org/mdaf.html [12]Fundao Tailings Dam Review Panel.Report on the immediate 同时，规范完善各涉灾主体与政府部门、救援队伍的 causes of the failure of the Fundao Dam EB/OL].The Fundao 应急联动机制，对于灾害应急的及时启动与有序开 Tailings Dam Inrestigation (2016-08-25)[2017-10-19].ht- 展同样至关重要. tp://fundaoinvestigation.com/the-panel-report (4)我国在安全管理方面拥有完善的国家及地 [13]Byme P,Hudson-Edwards K,Macklin M,et al.The long-term 方标准规范体系，监管部门协同矿山企业开展了大 environmental impacts of the Mount Polley mine tailings spill / 量工作.但相比于国外，在安全等别划分、全生命周 EGU General Assembly Conference Abstracts.British Columbia, 2015 期管理、主体变更等方面仍存在不足.此外还需进 [14]Mei G D.Quantitative assessment method study based on weak- 一步树立事故原因分析与教训总结的正确导向，加 ness theory of dam failure risks in tailings dam.Procedia Eng, 强灾害防控基础知识的普及宣传. 2011,26:1827 [15]Li C H,Bu L,Chen LG.Research situation of the disaster-cau- 参考文献 sing mechanism of tailing dams and its developing trend.Chin [1]Cai S J,Yang P.Tailings problems and tailings utilization and Eng,2016,38(8):1039 treatments in the metal mines.Eng Sci,2000,2(4):89 (李长洪，卜磊，陈龙根.尾矿坝致灾机理研究现状及发展 (蔡嗣经，杨鹏.金属矿山尾矿问题及其综合利用与治理.中 态势.工程科学学报，2016,38(8)：1039) 国工程科学，2000,2(4)：89) [16]Li Q M,Zhang H,Li G.Comparative analysis on safety manage- [2]Lottermoser B G.Mine Wastes:Characterization,Treatment and ment of tailings ponds in China and Canada.China Min Mag. Enrironmental Impacts.3rd Ed.Berlin,Heidelberg:Springer, 2017,26(1):21 2010 (李全明，张红，李钢.中国与加拿大尾矿库安全管理对比 [3]Hudson-Edwards K A,Jamieson H E,Lottermoser B G.Mine 分析.中国矿业，2017,26(1)：21) wastes:past,present,future.Elements,2011,7(6):375 [17]State Administration of Work Safety.Notifications on issuing the [4]Hudson-Edwards K.Tackling mine wastes.Sci,2016,352 "work plan for the prevention and control of the Overhead Tail-
王 昆等: 尾矿库溃坝灾害防控现状及发展 3 结论 我国尾矿库数量庞大,“头顶库冶 安全问题棘 手. 在“十三五冶国民经济稳速发展、矿产资源需求 总量维持高位、传统矿业绿色转型的大背景下,尾矿 库溃坝灾害防控的研究对于促进防灾减灾理论研究 与技术革新、保障矿山安全生产、实现资源绿色开 采、维持社会和谐稳定具有重要意义. 本文梳理总 结了安全监测、预警方法与应急准备、安全管理方法 与标准法规这三方面的国内外现状及前沿进展,分 析得出如下结论: (1)尾矿库安全监测在我国得到高度重视,但 监测仪器精度低、效果差、缺乏维护等问题普遍. 需 针对尾矿库复杂岩土特征及较大变形监测需求,研 发高稳定性、高可靠度、高耐久性的专用监测器件, 并交叉融合新兴技术丰富监测手段. 同时还需提高 监测系统的实用性与经济性,从而调动矿山企业建 设维护的积极性. 此外,中小型尾矿库的安全监测 同样不容忽视. (2)当前监测数据处理方法过于单一,灾害预 警方法在准确率、可靠度等方面存在不足. 而大数 据、人工智能等理论方法应用于数据分析预测及灾 害预警,成为安全管理信息化发展的必然趋势. (3)溃坝灾害应急准备及预警决策制定需经过 充分科学论证. 在国内学者大量研究的基础上,需 进一步完善计算方法、提高模型精准度与真实度. 同时,规范完善各涉灾主体与政府部门、救援队伍的 应急联动机制,对于灾害应急的及时启动与有序开 展同样至关重要. (4)我国在安全管理方面拥有完善的国家及地 方标准规范体系,监管部门协同矿山企业开展了大 量工作. 但相比于国外,在安全等别划分、全生命周 期管理、主体变更等方面仍存在不足. 此外还需进 一步树立事故原因分析与教训总结的正确导向,加 强灾害防控基础知识的普及宣传. 参 考 文 献 [1] Cai S J, Yang P. Tailings problems and tailings utilization and treatments in the metal mines. Eng Sci, 2000, 2(4): 89 (蔡嗣经, 杨鹏. 金属矿山尾矿问题及其综合利用与治理. 中 国工程科学, 2000, 2(4): 89) [2] Lottermoser B G. Mine Wastes: Characterization, Treatment and Environmental Impacts. 3rd Ed. Berlin, Heidelberg: Springer, 2010 [3] Hudson鄄Edwards K A, Jamieson H E, Lottermoser B G. Mine wastes: past, present, future. Elements, 2011, 7(6): 375 [4] Hudson鄄Edwards K. Tackling mine wastes. Sci, 2016, 352 (6283): 288 [5] Wang H J, Xue Y Z, Lei P X, et al. The Report of Mineral Re鄄 sources Saving & Comprehensive Utilization in China (2016). Bei鄄 jing: Geological Publishing House, 2016 (王海军, 薛亚洲, 雷平喜, 等. 全国矿产资源节约与综合利 用报告(2016). 北京: 地质出版社, 2016) [6] Ministry of Environmental Protection of People蒺s Republic of Chi鄄 na. The 2016 Annual Report of Large and Medium Urban Solid Waste Prevention and Control in China. Beijing: Ministry of Envi鄄 ronmental Protection of People蒺s Republic of China, 2016 (中华人民共和国环境保护部. 2016 年全国大、中城市固体废 物污染环境防治年报. 北京: 中华人民共和国环境保护部, 2016) [7] Kossoff D, Dubbin W E, Alfredsson M, et al. Mine tailings dams: characteristics, failure, environmental impacts, and reme鄄 diation. Appl Geochem, 2014, 51: 229 [8] Azam S, Li Q R. Tailings dam failures: a review of the last one hundred years. Geotech News, 2010, 28(4): 50 [9] ICOLD, UNEP. Tailings Dams Risk of Dangerous Occurrences, Lessons Learnt From Practical Experiences (Bulletin 121). France: International Commission on Large Dams, 2001 [10] Bowker L N, Chambers D M. The risk, public liability, & eco鄄 nomics of tailings storage facility failures [ EB/ OL]. Earthwork Action (2015鄄鄄 07鄄鄄 21 ) [2017鄄鄄 10鄄鄄 19 ]. https: / / earthworks. org / cms/ assets/ uploads/ archive / files/ pubs鄄others/ BowkerCham鄄 bers鄄RiskPublicLiability _ EconomicsOfTailingsStorageFacility% 20Failures鄄23Jul15. pdf [11] WISE Uranium Project. Chronology of major tailings dam failures (from 1960) [EB/ OL]. (2017鄄鄄07鄄鄄08) [2017鄄鄄10鄄鄄19]. ht鄄 tp: / / www. wise鄄uranium. org / mdaf. html [12 ] Fund觔o Tailings Dam Review Panel. Report on the immediate causes of the failure of the Fund觔o Dam [EB/ OL]. The Fund觔o Tailings Dam Investigation (2016鄄鄄08鄄鄄25) [2017鄄鄄10鄄鄄19]. ht鄄 tp: / / fundaoinvestigation. com/ the鄄panel鄄report [13] Byrne P, Hudson鄄Edwards K, Macklin M, et al. The long鄄term environmental impacts of the Mount Polley mine tailings spill / / EGU General Assembly Conference Abstracts. British Columbia, 2015 [14] Mei G D. Quantitative assessment method study based on weak鄄 ness theory of dam failure risks in tailings dam. Procedia Eng, 2011, 26: 1827 [15] Li C H, Bu L, Chen L G. Research situation of the disaster鄄cau鄄 sing mechanism of tailing dams and its developing trend. Chin J Eng, 2016, 38(8): 1039 (李长洪, 卜磊, 陈龙根. 尾矿坝致灾机理研究现状及发展 态势. 工程科学学报, 2016, 38(8): 1039) [16] Li Q M, Zhang H, Li G. Comparative analysis on safety manage鄄 ment of tailings ponds in China and Canada. China Min Mag, 2017, 26(1): 21 (李全明, 张红, 李钢. 中国与加拿大尾矿库安全管理对比 分析. 中国矿业, 2017, 26(1): 21) [17] State Administration of Work Safety. Notifications on issuing the “work plan for the prevention and control of the Overhead Tail鄄 ·535·