譚欽文,辛保泉,2,萬 露,董 勇,杜 姍
(1. 西南科技大學(xué),四川 綿陽 621010; 2. 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院,山東 青島 266101;3.賽飛特工程技術(shù)集團(tuán)有限公司,山東 青島 266061)
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,截至2017年底,我國共有尾礦庫約10 500座,病庫數(shù)量達(dá)4%,大中型尾礦庫(壩高≥30 m)占20%。2007—2017年共發(fā)生尾礦庫事故80余起,死亡和失蹤350余人,給人民生命財(cái)產(chǎn)安全和周圍環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為加強(qiáng)對重大危險(xiǎn)源的監(jiān)督管理,有效防范重、特大事故的發(fā)生,原國家安監(jiān)總局將尾礦庫列為重大危險(xiǎn)源申報(bào)范圍,但未對危險(xiǎn)源等級的判定作詳細(xì)說明。
針對重大危險(xiǎn)源分級,有部分學(xué)者已進(jìn)行了一定探討。謝旭陽等[1]根據(jù)危險(xiǎn)源可能造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失等后果,將尾礦庫危險(xiǎn)源定性的分為了A,B,C,D 4個(gè)等級;沙錫東等[2]基于死亡半徑分級法,引入人員密度和經(jīng)濟(jì)密度,提出了?;分卮笪kU(xiǎn)源分級方法;魏利軍等[3]通過對比分析易燃、易爆、有毒重大危險(xiǎn)源分級法、死亡半徑法和死亡人數(shù)分級法,將?;房偭颗c其臨界量的比值經(jīng)校正后的R值作為重大危險(xiǎn)源分級指標(biāo)。
我國重大危險(xiǎn)源的分級目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)有研究也多是參考國外相關(guān)研究成果[4-6],其分級方法整體上可分為2類:一類是靜態(tài)分級法,即分級標(biāo)準(zhǔn)不變或分級結(jié)果不隨危險(xiǎn)源數(shù)量多少而改變,如死亡半徑法和易燃、易爆、有毒重大危險(xiǎn)源分級法;另一類是動(dòng)態(tài)分級法,即分級標(biāo)準(zhǔn)或危險(xiǎn)源數(shù)目會(huì)發(fā)生變化,如層次分級法、分級全息建模等方法。此外,雖然目前國內(nèi)外對重大危險(xiǎn)源分級已有研究,但主要集中在?;奉I(lǐng)域,并不適用于尾礦庫,且還存在以下主要問題:
1)分級標(biāo)準(zhǔn)缺乏系統(tǒng)性?,F(xiàn)有分級標(biāo)準(zhǔn)多是參考事故分級標(biāo)準(zhǔn)而制定,以死亡人數(shù)和財(cái)產(chǎn)損失等簡單后果因素為分級指標(biāo),屬于后果假設(shè)性判定,并未考慮尾礦庫的現(xiàn)實(shí)特性和事故發(fā)生的時(shí)間、空間敏感度等[7]。
2)分級指標(biāo)較為單一。很多分級指標(biāo)都把重點(diǎn)放在了臨界量的確定上,以臨界量為實(shí)際的分級標(biāo)準(zhǔn),忽視了尾礦庫這一復(fù)雜工程的危險(xiǎn)性級別會(huì)受固有屬性和外部附加條件等多重因素的影響,對隱患存在的必要條件考慮太少。
3)分級模型復(fù)雜,評價(jià)步驟繁多,計(jì)算過程冗長,不適合企業(yè)申報(bào)和政府監(jiān)管。
基于此,本文根據(jù)現(xiàn)有的尾礦庫相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8-9],通過系統(tǒng)安全分析和評價(jià)方法,確定了20個(gè)尾礦庫重大危險(xiǎn)源分級指標(biāo),并根據(jù)專家打分結(jié)果和層次分析法理論,確定了評價(jià)指數(shù)和權(quán)重,根據(jù)評價(jià)指數(shù)確定了尾礦庫重大危險(xiǎn)源等級和劃分標(biāo)準(zhǔn)。
影響“尾礦庫系統(tǒng)”危險(xiǎn)性的因素具有多樣性和復(fù)雜性,根據(jù)系統(tǒng)性原則,任何系統(tǒng)都由多個(gè)子系統(tǒng)組成,且呈一定的層次結(jié)構(gòu)。
因此,指標(biāo)體系的構(gòu)建過程,整體上遵循安全系統(tǒng)工程中的“系統(tǒng)切割”原則,即根據(jù)分析對象的可分性,依據(jù)其性質(zhì)、功能、結(jié)構(gòu)等方面的準(zhǔn)則,對系統(tǒng)對象進(jìn)行類型或情形的劃分。首先,將評價(jià)指標(biāo)分為固有危險(xiǎn)性指標(biāo)和附加危險(xiǎn)性指標(biāo)2大類;根據(jù)危險(xiǎn)性來源,固有危險(xiǎn)性指標(biāo)可分為尾礦庫自身固有危險(xiǎn)指標(biāo)和外部固有危險(xiǎn)指標(biāo)2類;根據(jù)危險(xiǎn)指標(biāo)的性質(zhì)、類別和作用方式等,通過總結(jié),得到了對尾礦庫安全度造成直接影響的安全度指標(biāo)和其他造成間接影響的隱患指標(biāo)。參照以上分析原則,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)[8-9],將上述類別再層層細(xì)分,直至底層的獨(dú)立元素,如圖1所示。
D級指標(biāo)是在C級指標(biāo)基礎(chǔ)上,提取設(shè)計(jì)規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)中重點(diǎn)監(jiān)測的指標(biāo)、結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)對尾礦庫安全度造成重要影響的主要指標(biāo),最終得到的。在D級指標(biāo)時(shí),應(yīng)充分融合現(xiàn)有的尾礦庫相關(guān)規(guī)定,以保證評估指標(biāo)的有效性和通用性。參照的主要規(guī)定有:尾礦庫規(guī)模等級劃分方法、尾礦庫安全度、壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求、自然環(huán)境條件、滲流穩(wěn)定性計(jì)算場景、不同等級的安全監(jiān)測指標(biāo)、浸潤線埋深分類要求等。
圖1 尾礦庫重大危險(xiǎn)源評價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of major hazard of tailing reservoir
1)尾礦庫全庫容(V/萬m3)D111
指某壩頂標(biāo)高時(shí),壩頂標(biāo)高平面以下、庫底面以上所圍成的空間的容積,與總壩高一樣,是決定尾礦庫等級的重要指標(biāo)。分為:V<100,100≤V<1 000,1 000≤V<10 000,V≥10 000共4類。
2)尾礦庫總壩高(H/m)D112
指設(shè)計(jì)最終堆積標(biāo)高時(shí)堆積壩壩頂與初期壩壩軸線處原地面的高差。分為:H<30,30≤H<60,60≤H<100,H≥100共4類。
3)尾礦庫危害類別D113
危害類別直接決定著尾礦庫的潛在危險(xiǎn)性,按照尾礦庫等級,將危害類別分為4類,四等庫和五等庫為第四類,一、二、三等庫分別對應(yīng)于一、二、三類,根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告獲取。
4)初期壩下游坡比(P)D114
將尾礦庫初期壩下游坡比分為5類:P≤1∶2.5,1∶2.5
1∶1.6,對尾礦庫穩(wěn)定性非常重要。
5)尾礦庫已使用年限(N/a)D115
分為4類:N<5,5≤N<24,4≤N<29,N≥30,根據(jù)尾礦庫實(shí)際使用情況確定。
6) 壩址區(qū)地震基本烈度D121
是指在一般場地條件下,未來50 a內(nèi)可能遭遇的超過概率為10%的地震烈度值,分為:Ⅴ以下,Ⅵ,Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ以上,共5類,是較為重要的外部固有危險(xiǎn)性指標(biāo),由地質(zhì)勘查報(bào)告確定。
7)庫周山體有無滑坡或泥石流條件D122
滑坡是尾礦壩危險(xiǎn)因素之一,較大規(guī)模的滑坡往往是垮壩事故先兆[10]。根據(jù)尾礦庫地質(zhì)勘查報(bào)告中庫區(qū)周邊環(huán)境情況,分為“有”、“無”2類。
8)庫區(qū)是否處于巖溶或裂隙發(fā)育地區(qū)D123
巖溶或裂隙有可能形成壩體的集中滲漏通道,分為“是”、“否”,根據(jù)尾礦庫地質(zhì)勘查報(bào)告中庫區(qū)地質(zhì)情況確定。
9)多年平均降水量(R/mm·a-1)D124
降水量直接影響尾礦庫的滲流和穩(wěn)定性[11],分為5類:R<400,400≤R<650,650≤R<900,900≤R<1 150,R≥1 150,由地質(zhì)勘查報(bào)告或當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件資料確定。
10)最大一日降水量(Rd/mm)D125
最大一日降水量由于具有突發(fā)性,會(huì)直接威脅排洪系統(tǒng)安全性,比D124指標(biāo)對尾礦庫穩(wěn)定性影響更大,分為5類:Rd<50,50≤Rd<70,70≤Rd<90,90≤Rd<110,Rd≥110,由地質(zhì)勘查報(bào)告或當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件資料確定。
11)尾礦庫安全度分類D211
安全度是直接反應(yīng)尾礦庫防洪能力和壩體穩(wěn)定性的重要指標(biāo),分為正常庫,病庫,險(xiǎn)庫或危庫3類,具體分類可參照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行。
12)最小干灘長度符合度D212
最小干灘長度是指設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的干灘長度,反映了尾礦庫的抗洪能力和壩體穩(wěn)定性。通過定義最小干灘長度符合度K=實(shí)際值/標(biāo)準(zhǔn)值,分為K≥1,0.8≤K<1,K<0.8共3類。如果尾礦庫處于地震基本烈度Ⅵ度及以上區(qū)域,則標(biāo)準(zhǔn)值還應(yīng)根據(jù)烈度大小在基本標(biāo)準(zhǔn)(見表1)基礎(chǔ)上加0.5~1.5 m。
表1 最小干灘長度與最小安全超高基本標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The minimum dry beach length and the minimum freeboard basic standard
13)最小安全超高符合度D213
最小安全超高反映了尾礦庫的抗洪能力,指灘頂標(biāo)高與設(shè)計(jì)洪水位之間的高差。定義最小安全超高符合度K=實(shí)際值/標(biāo)準(zhǔn)值,分為K≥1,0.8≤K<1,K<0.8共3類。如果尾礦庫處于地震基本烈度Ⅵ度及以上區(qū)域,則標(biāo)準(zhǔn)最小安全超高還應(yīng)根據(jù)烈度大小在基本標(biāo)準(zhǔn)(見表1)基礎(chǔ)上加0.4~1.0 m。
14)堆積壩下游浸潤線最小埋深符合度D214
浸潤線在壩體橫剖面上為一條曲線,表示壩體滲流水的自由表面位置,最小埋深經(jīng)滲流計(jì)算或傳感器測量確定。定義浸潤線最小埋深符合度K=實(shí)際最小埋深/標(biāo)準(zhǔn)最小埋深,分為K≥1,0.8≤K<1,K<0.8共3類。如果尾礦庫處于地震基本烈度Ⅵ度及以上區(qū)域,則標(biāo)準(zhǔn)浸潤線最小埋深還應(yīng)根據(jù)烈度大小在基本標(biāo)準(zhǔn)(見表2)基礎(chǔ)上加0.5~1.5 m。
表2 尾礦壩下游浸潤線最小埋深基本標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Basic standards for the minimum depth of infiltration line in the downstream of the stacked dam
15)尾礦壩完好性D215
指有無因巖性劣化造成的尾礦壩局部滑塌或隆起,壩面有無裂縫、沖刷、塌坑等不良現(xiàn)象。如果不存在則為“很好”;如果只存在1種危害因素,且對尾礦壩安全沒有明顯影響則為“好”;如果只存在2種危害因素,但對尾礦壩安全沒有明顯影響則為“一般”;其他情況則為“差”。
16)尾礦壩滲流情況D216
滲流是尾礦庫常見的有害因素。根據(jù)尾礦壩壩面有無沼澤化、管涌、流土、異常滲流,滲流量是否增大等,將滲流情況分為:無、少量、中等、高4類,可根據(jù)尾礦庫的地質(zhì)勘察報(bào)告確定。如果不存在以上危害因素,則為“無”;如果只存在1種,則為“少量”;如果只存在2種,則為“中等”,如果存在3種及以上滲流不利因素,則為“高”。
17)尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)D221
防洪標(biāo)準(zhǔn)反映了尾礦庫的設(shè)計(jì)抗洪能力,根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告中的數(shù)據(jù),對照表3,確定結(jié)果為符合、不符合2項(xiàng)。
表3 尾礦庫防洪標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Flood control standard of tailings reservoir
注:PMF為可能最大洪水。
18)排洪系統(tǒng)完好性D222
排洪系統(tǒng)安全可靠是決定尾礦庫穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)保障,其完好性是指排水管、排水井和溢洪道等是否存在破裂、堵塞、變形、淤積等危害因素。如果沒有則為“好”;如果只存在1種危害因素則為“一般”;如果存在2種及以上的排洪系統(tǒng)不利因素,則為“差”。
19)尾礦壩監(jiān)測系統(tǒng)D223
根據(jù)《尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(AQ 2030-2010)的規(guī)定,一等、二等、三等、四等尾礦庫應(yīng)監(jiān)測位移、浸潤線、干灘、庫水位、降水量,必要時(shí)還應(yīng)監(jiān)測孔隙水壓力、滲透水量、混濁度;五等尾礦庫可不監(jiān)測降水量;一等、二等、三等尾礦庫應(yīng)安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)。
據(jù)此分為無觀測系統(tǒng)、觀測項(xiàng)目不全、觀測項(xiàng)目齊全3類。
20)庫區(qū)有無影響尾礦庫安全的外界人為因素D224
外界人為因素主要包括采礦、爆破、炸魚、濫伐、濫墾、濫牧、濫挖尾礦、違章建筑、違章施工等現(xiàn)象。分為“無、偶爾有、經(jīng)?!庇?項(xiàng),根據(jù)尾礦庫可研報(bào)告中的尾礦庫周邊環(huán)境評價(jià)確定。
綜上,20個(gè)評價(jià)指標(biāo)中對尾礦庫重大危險(xiǎn)源影響性較大的有:尾礦庫危害類別、全庫容、總壩高、安全度分類、排洪系統(tǒng)和地震烈度等。
根據(jù)原國家安監(jiān)總局文件要求,將“全庫容≥100萬m3或者壩高≥30 m的尾礦庫”列為重大危險(xiǎn)源申報(bào)范圍。
2.2.1 評價(jià)指數(shù)
尾礦庫重大危險(xiǎn)源的評價(jià)指數(shù)表示為:
P=[A]·[R]
(1)
式中:[A]為評價(jià)指標(biāo)相對危險(xiǎn)指數(shù)集;[R]為評價(jià)指標(biāo)權(quán)重集。
[A]中的評價(jià)指標(biāo)即為圖1中的20個(gè)指標(biāo):D111~D115,D121~D125,D211~D216,D221~D224。各類指標(biāo)的相對危險(xiǎn)指數(shù)結(jié)合指標(biāo)特征值數(shù)目,根據(jù)專家評議結(jié)果給出的平均量化值,主要分為了5組:[1,9],[1,5,9],[1,7,9] ,[1,3.6,6.3,9],[1,3,5,7,9]。
[R]=[ri]T,i=1,2,…,20,ri為第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重。
2.2.2 評價(jià)指標(biāo)特征值的量化
1)量化方法及基本理論
目前的指標(biāo)特征值量化方法主要分為2類:儀器測試法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等定量方法;置信法、綜合分析法等定性方法。由于尾礦庫重大危險(xiǎn)源的系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)特征值具有很強(qiáng)的模糊性,本研究采用模糊綜合分析法[12],根據(jù)專家評議結(jié)果確定特征值。對于定性指標(biāo),專家評議給出的特征值是無量綱特征值。綜合分析如下:
設(shè)某一子指標(biāo)體系其危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)有m個(gè),構(gòu)成的集合U={u1,u2, Λ,ui, Λ,um};參與確定指標(biāo)無量綱特征值的專家由q個(gè),構(gòu)成的集合為P={p1,p2, Λ,pi, Λ,pq}。
對于指標(biāo)ui,專家pj依據(jù)其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和對該指標(biāo)的了解給出一個(gè)特征值區(qū)間[aij,bij],由此構(gòu)成一個(gè)集值統(tǒng)計(jì)序列:(ai1,bi2),Λ,(aij,bij),Λ,(aiq,biq)。則評價(jià)指標(biāo)ui的特征值xi可按下式計(jì)算:
(2)
式中:i=1,2,…,m;j=1,2,…,q;wj表示第j個(gè)指標(biāo)的特征值。借助于模糊數(shù)學(xué)和灰色系統(tǒng)理論中的關(guān)聯(lián)度分析[13-14],可以確定各專家的賦值與按照式(2)求得的指標(biāo)特征值的關(guān)聯(lián)程度:
(3)
式中:Δij=|xi-uij|,uij為區(qū)間[aij,bij]的上限、中值或下限中的某一值;ρ是分辨系數(shù),通常取0.5。在關(guān)聯(lián)度分析中,分辨系數(shù)的取值通常會(huì)影響分辨率,在實(shí)際使用時(shí)還需進(jìn)一步確定,但本文重點(diǎn)在于闡述重大危險(xiǎn)源分級方法,此處的分辨系數(shù)僅是一個(gè)數(shù)值計(jì)算問題,并不影響方法的使用。
2)量化結(jié)果
根據(jù)上述對尾礦庫重大危險(xiǎn)源評價(jià)指數(shù)及其特征值的分析,得到各特征值量化結(jié)果,見表4。
尾礦庫重大危險(xiǎn)源這一評價(jià)對象的各個(gè)指標(biāo)在整體中價(jià)值的大小和相對重要性以及所占比例的大小量化值,即為本次研究的指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)權(quán)重的主要確定方法有統(tǒng)計(jì)分析法、專家打分法及在專家打分法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的層次分析法(AHP)等。在對尾礦庫重大危險(xiǎn)源評價(jià)指標(biāo)及其特征值分析基礎(chǔ)上,綜合目前最新的權(quán)重確定方法,采用改進(jìn)層次分析法(IAHP)[15]確定20個(gè)指標(biāo)權(quán)重。
AHP或IAHP用于定性評價(jià),有優(yōu)點(diǎn)與不足,部分前述評價(jià)指標(biāo)也可用其他方法做定量評價(jià),文中采用IAHP方法,因?yàn)槲驳V庫的危險(xiǎn)性影響指標(biāo)較多,且有很多屬于非定量事件,危險(xiǎn)指數(shù)等數(shù)據(jù)需要結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn),綜合判斷確定,而IAHP是目前可對非定量事件進(jìn)行層次化整理,并綜合人們主觀判斷,使思維數(shù)學(xué)化、定量化的主流方法,適合本文的研究。
表4 風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)特征值量化結(jié)果Table 4 Quantitative results of characteristic value of rapid evaluation index
續(xù)表4
注:Dijk表示評價(jià)指標(biāo);Ai表示相對危險(xiǎn)性指數(shù)。
2.3.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法
1)構(gòu)造比較矩陣,設(shè):
(4)
式中:Aij為第i個(gè)因素相對第j個(gè)因素的重要度,且有Aij=1,則比較矩陣為:
(5)
2)計(jì)算重要性序數(shù)ri
(6)
式中:ri為第i行各元素之和,rmax=max(ri),rmin=min(ri)。
3)確定判斷矩陣
(7)
式中:km=rmax/rmin。
4)求判斷矩陣的傳遞矩陣
(8)
5)求解判斷矩陣的擬優(yōu)一致矩陣
Dj=10Cij
(9)
(10)
式中:Mi為第i行各元素的乘機(jī),取方根得:
(11)
在進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí),精度為0.000 1,代入數(shù)值計(jì)算,并對各個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行層次總排序,即可得20個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。
2.3.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果
根據(jù)各指標(biāo)對重大危險(xiǎn)源的影響大小,將20個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,按各因素在各層次的權(quán)重自上而下乘積求出后,即可得到各指標(biāo)權(quán)重,如表5所示。
表5 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of weight of evaluation index
根據(jù)表4中評價(jià)指標(biāo)各特征值的相對危險(xiǎn)指數(shù)分類情況,同時(shí)結(jié)合上述IAHP法分析和專家評議結(jié)果,將尾礦庫重大危險(xiǎn)源分為4個(gè)級別,見表6。
表6 尾礦庫重大危險(xiǎn)源級別Table 6 Major hazard sources of tailings
根據(jù)尾礦庫實(shí)際運(yùn)行條件,對照表4中的20個(gè)評價(jià)指標(biāo)及其相對危險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行選擇,然后與表5中對應(yīng)的權(quán)重相乘,最后將20個(gè)乘積相加后與表6中的評價(jià)指數(shù)P值對照,即可確定出某尾礦庫的重大危險(xiǎn)源等級。
1)目前關(guān)于尾礦庫重大危險(xiǎn)源的分級標(biāo)準(zhǔn)研究較少且缺乏系統(tǒng)性,分級指標(biāo)較為單一,分級模型過于復(fù)雜,很難適合企業(yè)申報(bào)和政府監(jiān)管。
2)文中給出了一個(gè)較為明確、詳細(xì)的尾礦庫重大危險(xiǎn)源分級方法,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)尾礦庫實(shí)際運(yùn)行情況,對照選擇評價(jià)指標(biāo)及其對應(yīng)的危險(xiǎn)指數(shù),經(jīng)過簡單的數(shù)值計(jì)算,與表6給出的分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比后即可確定分級結(jié)果。
3)根據(jù)系統(tǒng)安全分析與評價(jià)方法建立了包括20個(gè)具體指標(biāo)的尾礦庫重大危險(xiǎn)源評價(jià)指標(biāo)體系,并基于專家打分法和IAHP,確定了所有指標(biāo)特征值的相對危險(xiǎn)指數(shù)和權(quán)重,將尾礦庫重大危險(xiǎn)源分為了4級,為尾礦庫重大危險(xiǎn)源的分級申報(bào)和監(jiān)管提供了依據(jù)。