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·