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        基于WBS-RBS與故障樹耦合的尾礦庫風(fēng)險評估*

        2021-06-23 11:57:24趙瑞家于云鶴王越郝宇
        工業(yè)安全與環(huán)保 2021年6期
        關(guān)鍵詞:尾礦庫敏感度概率

        趙瑞家 于云鶴 王越 郝宇

        (北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 北京 100144)

        0 引言

        尾礦庫作為維護礦山正常運轉(zhuǎn)的必需構(gòu)造物,它的主要功能是用于堆放、儲存礦石尾礦。與水壩類似,都具有較大的儲存功能,但由于尾礦庫多用于儲存金屬礦渣、非金屬工業(yè)廢料等,屬于高勢能污染源,其存在具有比水壩更嚴(yán)重的安全風(fēng)險[1-4]。尾礦或礦山廢水滲漏、尾礦庫潰壩等災(zāi)害,對下游環(huán)境及人們的生命財產(chǎn)安全造成極大的威脅。美國克拉克大學(xué)公害評定小組曾做過一項公害排名研究,其中由于尾礦庫事故引起的危害在世界93種事故、公害的隱患中排名第18位,屬于極端危害之一,因此必須對其風(fēng)險進行嚴(yán)格管控,研究需求非常迫切。

        近幾年,我國對尾礦庫的研究主要集中在尾礦的綜合利用和環(huán)境保護方面,尾礦庫的穩(wěn)定性,防滲,防洪排水,安全管理與評價等方面的研究同樣較為突出。在尾礦庫安全監(jiān)管方面取得了顯著的成果,加強尾礦庫事故統(tǒng)計分析,正確識別風(fēng)險因素,找到控制風(fēng)險的有效途徑,對尾礦庫的安全運行有著重要意義。根據(jù)徐宏達教授在第十一屆全國尾礦庫安全運行高峰論壇上的報告,并根據(jù)分析整理后得到如下數(shù)據(jù)與分類。從1957年至2015年共58年的時間,采集了175個尾礦庫事故樣本,統(tǒng)計結(jié)果如表1、表2所示。

        表1 175件事故分類統(tǒng)計結(jié)果

        表2 175件事故分類及事故簡述

        通過上表得知,在收集到的175件事故中,塔管隧結(jié)構(gòu)破壞、跑礦和滲流破壞、洪水沖擊破壞占事件總數(shù)的78.3%。同時,對具體事故原因的分析結(jié)果表明:人為因素是造成塔管隧結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。

        由此可見,已有研究主要是針對事故誘因溯源和事故處理辦法,尾礦庫的風(fēng)險評估問題亟待解決,本文擬對尾礦庫的風(fēng)險來源展開深入研究,獲得的研究成果可為實際工程中的風(fēng)險規(guī)避提供借鑒。

        1 WBS-RBS分解結(jié)構(gòu)與故障樹

        1.1 WBS-RBS分解結(jié)構(gòu)

        WBS-RBS是一種既可以掌握工程項目的全局,又能兼顧工程施工具體細節(jié)的工程風(fēng)險判識方法。

        建立工作分解結(jié)構(gòu)WBS圖和風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)RBS圖,如圖1和圖2所示。

        圖1 工作分解結(jié)構(gòu)WBS圖

        圖2 風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)RBS圖

        建立WBS-RBS耦合矩陣[5],將WBS分解圖和RBS分解圖中最小的子項相結(jié)合構(gòu)造矩陣結(jié)構(gòu),明確工作與風(fēng)險的關(guān)系。

        1.2 故障樹分析法及故障樹繪制

        故障樹分析法(FTA,F(xiàn)ault Tree Analysis)又稱事故樹分析法,如圖3所示,是安全系統(tǒng)工程中最重要的一種分析辦法。1961年,由美國貝爾電報公司電話實驗室研發(fā),能夠描述事故發(fā)展的因果關(guān)系及發(fā)展方向。根據(jù)邏輯關(guān)系,以頂事件為起點,逐層向下按照導(dǎo)致上層事件發(fā)生的路徑繪制,因果之間用邏輯符號鏈接,最終得到故障樹[6]。

        圖3 故障樹分析簡圖

        2 尾礦庫風(fēng)險判識與分析

        2.1 構(gòu)造分解結(jié)構(gòu)WBS和RBS及耦合矩陣

        根據(jù)逐級分解的原則,將尾礦庫工程分為尾礦庫設(shè)計、尾礦庫施工、尾礦庫運營管理3個分項,各分項再向下分解為次級部分,如圖4所示。

        圖4 尾礦庫WBS圖

        影響尾礦庫安全的因素有很多,根據(jù)實際工程經(jīng)驗,組織建立風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)(RBS),如圖5所示。

        圖5 尾礦庫RBS圖

        依據(jù)上述建立的工作分解結(jié)構(gòu)與風(fēng)險分解結(jié)構(gòu),將兩部分分解結(jié)構(gòu)的最底層單元兩兩耦合,判斷耦合后事件是否成立,若工作存在風(fēng)險記為1,否則記為0[7]。構(gòu)件的耦合矩陣如表3所示。

        表3 WBS-RBS耦合矩陣

        W11R11不良地質(zhì)未查明、W12R12調(diào)洪設(shè)計不足、W13R12排滲設(shè)施設(shè)計不合理、W21R21尾礦砂壓實不足、W21R22庫內(nèi)亂采亂挖、W21R23/W22R23施工設(shè)備/器械不符合標(biāo)準(zhǔn)、W22R21排水結(jié)構(gòu)混凝土剝落、露筋、開裂等、W22R22未及時封堵停用排水井、W21R31/W22R31施工安全監(jiān)管不到位、W31R31設(shè)備監(jiān)管、維護不及時、W32R31水文監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)不完善、W11R32/W12R32/W13R32勘測、設(shè)計人員無資質(zhì)、W21R32/W22R32施工人員不重視安全規(guī)章制度、W32R41短時降水量大、水位上升過快致壩坡失穩(wěn)、W21R42壩體地震液化、W22R42排水結(jié)構(gòu)地震損壞、W31R42地震應(yīng)急預(yù)案不完備。

        2.2 頂事件確定

        根據(jù)前文對尾礦庫事故的統(tǒng)計及分類,塔管隧結(jié)構(gòu)破壞事故發(fā)生60次,發(fā)生概率最大,為34.3%,故以這種事故類型作為尾礦壩建設(shè)施工的故障樹頂事件。

        2.3 尾礦庫風(fēng)險故障樹

        在前文對事故統(tǒng)計與分析的基礎(chǔ)之上,依據(jù)WBS-RBS耦合矩陣中得出的風(fēng)險事件,對事故頂事件進行故障樹分析,頂事件的故障樹如圖6所示。

        圖6 塔管隧結(jié)構(gòu)破壞事故故障樹分析

        2.4 尾礦庫風(fēng)險敏感度分析

        敏感度分析是從定量分析的角度,研究發(fā)生某一事故多種原因的影響程度的一種不確定分析技術(shù)。本文以頂事件為塔管隧結(jié)構(gòu)破壞事故為例,對其進行敏感度分析,進而說明尾礦庫風(fēng)險敏感度。

        由圖6可知,塔管隧結(jié)構(gòu)破壞事故共有5個基本事件,其最小割集為:{W13R12、W22R21、W31R31、W13R32、W22R42}。將事故統(tǒng)計中事故原因發(fā)生頻率作為概率,未統(tǒng)計的事故原因概率設(shè)為0.01,則所有事故原因概率為:排滲設(shè)施設(shè)計不合理發(fā)生概率為0.017,排水結(jié)構(gòu)混凝土剝落、露筋、開裂發(fā)生概率為0.097,設(shè)備監(jiān)管、維護不及時發(fā)生概率為0.251,勘測、設(shè)計人員無資質(zhì)發(fā)生概率為0.01,排水結(jié)構(gòu)地震損壞發(fā)生概率為0.149,即:

        (1)

        頂事件發(fā)生的概率計算公式為[8]:

        (2)

        式中,T為頂事件,q為基本事件發(fā)生的概率,Q(T)為頂事件發(fā)生的概率。

        將式(1)帶入式(2)得:

        Q(T)=q(K1+K2+K3+K4+K5)+0.435 4

        (3)

        考慮到實際工程和研究的合理性,采用臨界重要度系數(shù)作為敏感系數(shù),則基本事件的敏感度系數(shù)計算公式為:

        (4)

        將式(1)和式(3)帶入式(4)可得各基本事件的敏感度系數(shù):

        同理可得:

        則尾礦庫塔管隧結(jié)構(gòu)破壞事故的各風(fēng)險因素按敏感度系數(shù)如表4所示。

        表4 風(fēng)險因素重要度排序

        由上述敏感度計算結(jié)果可知,尾礦庫塔管隧結(jié)構(gòu)破壞事故主要由設(shè)備監(jiān)管、維護不及時和地震破壞造成。

        2.5 風(fēng)險分析與控制措施

        塔管隧結(jié)構(gòu)破壞是尾礦庫主要的事故類型,這類事故主要誘發(fā)因素為設(shè)備監(jiān)管、維護不及時,應(yīng)從三方面解決此類問題:政府做好監(jiān)管工作,對尾礦庫監(jiān)管體系進一步完善,對災(zāi)害風(fēng)險按其重要度進行分級細化[9],對危險級別較大的問題庫,進行重點監(jiān)管;尾礦庫企業(yè)應(yīng)完善安全管理機制,增強安全管理意識,建立完善的安全責(zé)任制度,完善災(zāi)害應(yīng)急方案,做好安全生產(chǎn)教育工作;庫區(qū)工作人員應(yīng)自覺樹立安全意識,規(guī)范自身操作,自覺接受安全教育。

        3 結(jié)論

        尾礦庫事故的產(chǎn)生受多種因素的綜合影響,采用WBS-RBS耦合矩陣分析法建立尾礦庫故障樹的頂事件, 有助于解決由于環(huán)境復(fù)雜、不確定因素多導(dǎo)致風(fēng)險分析不全面的問題。

        (1)本文對影響尾礦庫安全的風(fēng)險要素進行了敏感性分析,提出了尾礦庫WBS-RBS耦合矩陣模型,確定了影響尾礦庫安全的22種因素。

        (2)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),在尾礦庫事故中,塔管隧結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生概率最大,為34.3%。造成這一事故的因素有5個,其中設(shè)備監(jiān)管、維護不及時的敏感度系數(shù)為0.421 5,為最大值,是導(dǎo)致塔管隧結(jié)構(gòu)事故的主要風(fēng)險因素。

        本文研究成果對尾礦庫工程中的設(shè)計、施工和監(jiān)測具有指導(dǎo)意義,可為尾礦庫風(fēng)險分析提供新的研究思路。

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