0 引言
尾矿库作为矿山企业堆存选矿废弃物的一个重要设施，同时也是一个危险源，它运行的好坏，不仅影响到企业的正常生产，而且对库区周边尤其是其下游居民的生命财产安全产生巨大的影响，在世界93种事故、公害的隐患中，尾矿库事故名列第18位。我国尾矿库数目庞大，虽自2008年以来，国家大量拔款对危、险库和病库进行综合治理，并取得了一定的成效，但由于尾矿库管理队良莠不齐，尾矿库的管理又是一个动态的过程，因此无法从根本上实现尾矿库的本质化安全。所以开展尾矿库溃坝相关的研究在尾矿库日常管理及应急管理方面具有重要意义。
1 国内尾矿库溃坝研究现状
以2008年山西襄汾尾矿库溃坝事故为分水岭，国内尾矿库溃坝研究可以分为两个阶段，一个阶段是2008年之前，由尾矿库设计单位或个别中介机构为了使自己的技术文件更具说服力或工作方便，自发地进行了一些有关尾矿库溃坝方面的研究，并在溃坝机理研究等方面形成了一定的共识;第二个阶段是2008年之后，由于国家与地方的扶持，设计院、科研院所、学校以及各种中介机构均在尾矿库溃坝方面投入了相当的力量进行相关研究，这一阶段各方学者提出的成果很多，大多数成果均集中在尾矿库溃坝模型与溃坝泥石流演进两个方面，本文就这一阶段的研究成果与企业尾矿库安全管理相结合进行论述。
1.1 尾矿库溃坝机理研究现状
尾矿库溃坝过程在时空上可分为3个阶段：尾矿坝在一定的条件下开始失稳;失稳过程中尾矿砂和水相互作用形成具有高能量的泥石流;高能泥石流向下游演进。以上三个阶段在一个溃坝事件当中会反复出现，相互交叉，而使得溃坝过程更加复杂[1]。从溃坝原因上来分析，尾矿库的溃坝一般不是单一因素引起的，往往是多个因素共同作用的结果，就其本质而言，溃坝机理可分为以下几种：洪水漫顶导致尾矿坝坡失稳而溃坝、渗流场直接诱发尾矿坝失稳、尾矿坝坝基失稳导致尾矿库溃坝以及地震作用下导致尾矿库溃坝等。[2]也正因为尾矿库溃坝所涉及的领域较为复杂，也使得尾矿库的安全管理存在一定的难度。
1.1.1 洪水漫坝型溃坝
尾矿库遭遇洪水时，若防洪、排洪能力不足或排洪设施出现问题，则库区水位在短时间内上升较快，且其洪水来量超过尾矿库调洪库容及安全库容之和时，就会造成尾矿坝洪水漫顶，洪水漫顶是尾矿库溃坝的重要原因之一。典型案例如广东信宜紫金矿业尾矿库溃坝事故。目前关于洪水漫顶导致尾矿坝侵蚀而渐近失稳机理的研究较少，多数为借鉴土石坝的研究成果。这类侵蚀机理以水力侵蚀和重力侵蚀为主。该种溃坝方式一般按溃坝洪峰流量之后按一定的比例形成泥石流进行相应的漫坝流量估算，并且均假设为全库溃出[3]-[4],[8]。
1.1.2 渗流场诱发型溃坝
作为尾矿堆积坝，由于其筑坝材料为尾矿或细粒土，其渗透系数较低，坝体渗流场对尾矿坝失稳破坏影响极大，浸润线(面)的高低是尾矿坝的安全系数的重要影响因素。目前对尾矿库渗流场的研究主要包括理论方法、模型试验和数值模拟。受地下水的影响，饱水尾矿的力学性质明显低于干尾矿，同时浸润线以下尾矿中的孔隙水压力减小了尾矿坝中的有效应力，渗流场存在向下游方向的动水压力也是不利于坝体稳定的因素;当尾矿坝承受不了边坡下滑力时，就会造成尾矿坝深层剪切滑移破坏，这种类型破坏历时短，泄砂量大，溃坝后泥石流演进速度快、冲击强度大，往往对下游一定距离造成很大的危害，如山西襄汾新塔矿业尾矿库、广西南丹尾矿坝溃坝等[3]-[4]。
1.1.3 坝基失稳型溃坝
当坝基存在软弱夹层或破裂面时，在巨大的边坡偏心力的作用下，也极易导致坝体失稳，如西班牙阿斯纳科利亚尔尾矿库溃坝事件。这样的尾矿坝在滑动破坏过程中，坝体基本没有大的变形，类似刚体滑动，但对坝体的整体强度却有极大的破坏作用。目前对于尾矿坝的稳定性均采用静力抗滑稳定性分析来确定[3]-[4]。
1.1.4 地震诱发型溃坝
地震作用导致尾矿库发生溃坝的机理主要表现为地震导致浸润线之下的尾矿液化，使得尾矿抗剪强度瞬间大幅降低，边坡的下滑力叠加地震的水平力后极易造成尾矿坝失稳。目前尾矿坝的动力稳定分析方法一般有两种，一种是采用拟静力法，一种采用动力时程分析法。拟静力法是一种用静力学方法近似解决动力学问题的简易方法，由于其简单易行而被广泛应用[3]-[4]。
1.2 尾矿库溃坝演进研究现状
1.2.1 模型试验法
国内部分学者[9]-[13]采用相似性理论(遵循水流重力相似、水流阻力相似、水流挟沙相似、尾沙悬移相似、河床变形相似及尾沙起动相似等条件)结合某一具体尾矿库的特征进行尾矿库溃坝模型研究，模拟漫顶溃坝、溃坝泥石流演进、泥石流冲击力强度、淹没范围，取得了一些经验公式和溃坝泥石流的演进规律，可用于某种溃坝状态、环境下的溃坝泥石流演进分析。
1.2.2 经验公式法
工程类比法是尾矿库溃坝泥石流演进常用的一种方法，溃坝泥石流与其他类型泥石流的基本特点是相同的，溃坝泥石流的流量、流速等可参考泥石流的相关经验公司进行估算，同是借鉴水库溃坝后水流的演进模式，来对尾矿库的总泄砂量、溃口宽度、最大流量、流量过程线等进行估算，同进还可通过泥石流的流速近似确定泥石流冲击力和冲高，以确定尾矿库溃坝后的危险与安全区域范围[14]-[17]。
1.2.3 数值模拟法
国内外很多学者[5]-[6]基于成熟的流体模型，考虑分散应力、侵蚀与淤积等作用，提供泥石流的流变参数和泥石流演进的微分方程并求解，以期通过对材料流变性质的阐述获得尾矿坝溃坝泥石流的真实流态，通过Fluent 3D等软件来进行分析，并与模型试验结果相对比、调整，从而达到预测和模拟尾矿坝溃坝后下游泥石流演进过程及尾矿淤积区域。
1.2.4 滑坡滑移法
郭天勇[18]将尾矿库溃坝简化成溃坝滑坡体，根据滑坡体滑移距离来估算溃坝后尾矿掩埋区滑移范围，提出了刚体沿折面滑动和刚体沿圆弧曲面滑动的2种滑动模型，分别建立了溃坝滑坡体滑移距离的计算公式，重点分析了扩散角掺气深度空气阻力滑移体高度残余强度撞击动压力和拦挡坝等尾矿库溃坝发生滑移所涉及到的几个主要问题。
2 企业尾矿库管理需求
2.1 企业尾矿库安全管理现状
2.1.1 尾矿库日常管理
矿山企业的尾矿库管理一般由其选矿厂负责，国有企业一般会配备专门的尾矿班组，而民营企业则只有从属于选矿厂的尾矿工从事尾矿库管理，而矿山企业管理尾矿库的技术人员多为兼职，不会有相应水工专业的人员从事尾矿库管理，因此现有大多数矿山企业的尾矿库管理处于一个技术水平不高的阶段。
尾矿库的管理缺少针对性;尾矿库由设计院设计并建成后，所有技术资料均被企业所封存，能为其所用者不多。中介机构三年一次的安全现状评价也只是一个点上的评价，对尾矿库三年间的动态管理涉及很少。尾矿库安全标准化工作也是建成后就搁置在一边，走走形式，不会产生真正的效果。
2.1.2 尾矿库应急管理
尾矿库企业均编制有尾矿库溃坝等事故的专项应急预案，预案的编制一般由企业自身编制或委托相关中介机构进行编制，在编制的过程中，可能有部分企业对尾矿库溃坝等危险有害因素进行了辨识，但也有很多预案并未进行相应的程序，也就是说尾矿库溃坝影响范围在应急预案中的体现很少，或者基本上未体现，预案的编制很大程度上受编制人的主观意识的影响，无法客观体现尾矿库的真实情况，在应急预案的管理上也就形成了一种无法落实到位的现象。
2.2 溃坝研究成果在企业管理中的应用及不足之处
2.2.1尾矿库溃坝在企业管理中的应用
尾矿库溃坝研究体现了政府对其安全的重视，也体现了企业对尾矿库安全管理的要求，企业需要对尾矿库进行溃坝分析，找出其尾矿库选址的合理性、筑坝方式的合理性、尾矿库安全防护措施以及应急措施等的合理性与可行性，政府则需要对其安全隐患做到心里有底，做到有效控制所辖范围内的尾矿库及其周边相互影响的情况。
因此应企业或政府的要求，各地尾矿库均进行了溃坝方面的计算，以为其日常与应急管理提供依据，该项工作一般委托设计单位、安全评价中介机构、科研单位等进行。各单位根据自己的研究成果对尾矿库进行了相应的估算，各企业也根据这些估算成果编制了自己的日常管理计划与应急预案，政府部门也根据这些计算成果对在用的尾矿库进行了相应等级的区分对待，对于新建库则给出了搬迁等更严格的要求。
2.2.2 不足之处
2.2.2.1尾矿库溃坝研究本身的不足之处
尾矿库溃坝研究还处于一种自发阶段，比较散乱，还没有一个十分明确的目的与出发点，不同的人在开展研究时各取所需，因此开发出来的成果各具特色，用处也各不相同，往往以偏概全，不能推广应用，其存在的不足之处为：
(1)经验公式法受经验的适用性影响，很难对所有类型、不同条件的尾矿库进行全面概括。
(2)数值模拟法的边界条件设定受不同人的经验影响，差别极大，且使用软件的流变模型等与尾矿库溃坝泥石流的适用性有多大还未经过全面论证。
(3)尾矿库溃坝模拟试验条件与溃坝现状相差太大，不能代表溃坝后的实际泥流，且模拟那么大的库，究竟有多少尾矿能从坝中溃出，是一个值得研究的问题，凭什么会全溃，如果全溃有什么条件，都没有给出说明，因此尾矿溃出量是个值得思考的问题。试验中只对坝高加以对应，而库内其他条件如库容、尾矿的含水率、库内积水量、瞬时来水量、汇水面积、尾矿库沟谷形态、尾矿库堆积形态等考虑太少。模型的可比性与相似性等比例参数无可供参考的经验，也未作出相应的相似性比例研究及规定等。
2.2.2.2溃坝研究在实际应用中的中足之处
如前所述，正因为尾矿库溃坝研究还处于一个初级阶段，导致其应用也处于一种自发的、零散的阶段，还存在很多不足，如：
(1)企业需要的是可以根据尾矿库不同时期，不同的条件来快速计算与标出溃坝危险的范围，为其管理工作提供依据，应好用、易用、易推广，易利用现有的资料。现状：一般由设计单位、中介机构、科研单位等对尾矿库溃坝可能产生的后果进行估算，而且一般算法都是满库全溃，比较偏于保守，不利于企业的管理和工作的推进。
(2)现在国家推行的无尾矿山的概念，虽说对已有的尾矿库影响不大，但其对新建库、扩建库或者主要充填使用的尾矿减少入库等方面的影响很大，一则给尾矿库的使用年限延长，工作状态、尾矿固结状态发生改变，使尾矿库变得更加结实、稳定，同时也有可能不再使用到设计标高了，从而使中介机构根据原有数据进行的计算更加偏于保守，不利于资金和资源的节约。
(3)现有模型均由技术人员根据所涉及的尾矿库量身定做，不具备普遍性，甚至一个因素的变化也可能导致其误差过大，而且尾矿库的溃坝由多种因素造成的，只考虑了单一因素的数学模型无法覆盖所有溃坝机理，也没有一种方法可以对不同的尾矿库可能涉及的溃坝机理进行分类，从而影响了溃坝研究成果在实际管理中的应用。
3 尾矿库溃坝研究趋势的思考
3.1 溃坝研究需解决的问题
当前溃坝研究中需要解决的问题为：
(1)从理论上建立与实际相符的溃坝机理理论。溃坝机理的研究可以促进尾矿库运行规律的研究，找出尾矿库运行中的薄弱环节，采用工程、管理、应急等手段来尽可能消除不利因素的影响，从而为尾矿库的运行管理提供正确的思路与方向。
(2)从尾矿库管理的层面上需要建立一个全面、通用的溃坝计算模拟模型，使其能广泛的使用于各种类型的尾矿库以及管理企业，并形成一个统一的标准，以为企业日常管理及应急管理提供相应的、可供参考的依据。
3.2 溃坝研究的重点方向
个人认为，尾矿库溃坝研究有了一个好的开始，但如何走得更好，应从以下几个方面作为重点突破口：
(1)加强尾矿库溃坝机理的研究，从理论上建立与尾矿库实际运行情况相似的模型，利用现有的一些流体变形的模型，解决尾矿库溃坝的机理以及溃坝泥石流的流态问题，以为尾矿库溃坝模型的建立及尾矿库管理工作提供理论依据。
(2)试验中流速流量的测定及其变化规律，应有详尽的数据，应解决提出的流态问题，作出相应的计算模型以供应用，还应根据不同的下游地形条件建立相应的流态变化规律模型。
(3)针对不同条件的尾矿库怎么确定其溃坝的方式、范围及溃坝量，要作出研究，并提出相应的规律，以供广大技术人员参考使用。
4 总结
尾矿库溃坝研究工作在国内发展很快，但远未达到理想的效果，尤其是在提供企业应用的时候还存在很多意想不到的难点与缺点，需要去研究解决，而这其中尤为重要的是需要建立一种简单有效易用的计算模型，以供企业尾矿库管理的技术人员以及中介机构的技术人员使用的统一的模型，是以后工作中需要解决的重点。
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编辑：中冶有色技术网
来源：湖南有色冶金劳动保护研究院
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