尾矿库安全预评价(尾矿库开发利用方案) 尾矿库设计方案评价
在尾矿库设计中，无论是尾矿排放方法还是尾矿库选址与布置型式，都存在多方案求优问题，以往因所确立的目标单一，即以费用估计为评价准则，最佳方案确定比较简单，常选定费用最低方案为最优方案。近些年来，在尾矿管理中，环境因素日趋引起重视，其重要程度往往不亚于、甚至或高于经济因素，这样，方案选择成了多目标决策问题。 决策过程涉及众多客观因素如场地自然条件和尾矿状态参数，和众多主观因素如价值冲突和行政法规，为了实现最优化决策，必须构造一个合理框架，确立一个科学的评价和选择方法，使之在满足生产要求和达到费用最低化的同时实现环境保护和公众健康。 第一节 系统方法 图1示出系统评价程序，其主要由以下5个单元组成：
图1 系统评价程序框图 一、确定目标 明确地确定尾矿排放策略应当达到的目标是系统评价的最重要步骤，按照这个目标制定各种可能的排放方法和各个备选的尾矿库场地，如果没有明确的目标描述就不可能进行逻辑平价。 选择尾矿排方方法的目标包括： （一）使尾矿库的完整性最佳，确保尾矿不释放； （二）排放费用最低化； （三）渗漏量最小化； （四）土地恢复期间最大化地使排放面积恢复到其原状态的面积； （五）对正在进行的采矿作业破坏最小。 为进行尾矿库场地比较，前面所述的许多选址因素可作为目标，例如： （一）尾矿库至选厂距离最短； （二）汇水面积最小； （三）总填筑材料量最小。 （四）与环境有关的目标包括： （五）渗漏对地下水的影响最小； （六）扰动的地表面积最小； （七）对珍奇物中和生境扰动最小。 有关环境目标主要是依据政府部门制定的法规、准则确定的。 二、有效性测度的量化表达 要为每个目标的有效性确定量化单元，以量度某一备选策略是否达到特定目标，否则所确定的目标是没有意义的，因此说，这也是评价过程的基本元素。有效性测度应满足以下两个准则： （一）是一个量化的数值单位； （二）可以通过计算或通过现场测量检验。 许多目标的有效性测度是直达式的，例如至选厂距离和高程可以直接量度选厂接近度目标。材料有效利用系数可以作为填筑材料量最少化程度的良好测度。有些环境影响可能与尾矿库扰动面积相关，尾矿库面积可作为有效性间接的、但有益的测度。 有效性测度对备选方案的最终确定极为重要，有些目标必须明确定义有效性测度，例如目标“尾矿库渗漏的不利影响最小”，陈述简单，但可能的后果范围颇为含糊，依照其严格和限制程度递增顺序，可能有以下5个不同的有效性测度： （一）最近水井的水质不变坏：只需要把尾矿库定位在最近水井的足够距离即可满足这一测度； （二）地下水质量不变坏：限制采矿之后地下水利用不低于原质量水平，这主要决定于原地下水质量，可能对尾矿库定址有极小的影响； （三）矿区境界外污染物无迁移:因尾矿库区水文地质和地球化学特性不同,该目标的有效性测度也不同,可从不控制渗流到铺设不透水垫层。 （四）污染物不进入地下：防止污染物进入地下水，实际上允许一定的渗漏，其量大小决定于地下水位的深度、天然土通过PH缓冲和离子交换吸收污染物的能力； （五）尾矿库的渗流不释放：限制尾矿库场地处在不透水天然地层上，或者需要采取结构措施如垫层等。 理想地，有效性测度应当就尾矿库允许的额定渗漏率给出一个的数值限度，或者标志出指定地点和时间不能超越的特定污染物和浓度。 在确定尾矿排放费用的有效性测度时，除了作业费一定要考虑外，必须决定是以初始建设费还是以总费用量度费用最低化，特别是在对比单一型尾矿库和多级型尾矿库时尤为重要。各单个尾矿库的初始费用较低，但最终的总费用较高。如果不适当地确定费用的有效性测度，可能使备选方案的断后评价失真。 三、确定方案 无论采用任何评价方法，都要确定出适当数量时备选方案（排放方法或尾矿库场地），通过筛选排除明显不可行的方案，从而得到可行的评价方案子集。确定备选方案的主要因素是工程经济和工程判断，以及管理机构的态度。 确定备选方案须全面考虑排放系统的所有元素，各方案应包含有关尾矿排放方法、尾矿库场 地、渗流控制、土地恢复等问题解决办法的最佳结合。例如露天矿坑排放，由于矿坑面积较小，需要把选矿废水排至蒸发地，以消除过多的水量。确定方案时必须考虑蒸发池。从渗漏损失的观点看，这似乎很有利，但很可能是把潜在的渗漏问题从尾矿排放区转移到蒸发池场地。再例如地下矿山尾矿充填方案，还必须考虑为剩余的尾矿泥排放设置的地表尾矿库。总之，每个备选方案的确定都必须包括所有尾矿和废水排放或处理的全部设施。 四、备选方案的评价 确定出一组可行备选方案之后，则依照已确定的有效性测度分别评价和对比各方案，确定综们达到即定目标的程度。常用法方是矩阵评价方法，其由以下几个单元组成： （一）由备选方案子集和判别备选方案的目标子集构造一个二维矩阵。赋予每个目标一个权重系数，以反映其相对重要性，赋予每个备选方案一组数值，以反映其达到每个目标的程度。通过累加每个单独目标分值与相关权重系数之积而求出每个备选方案的总排序。 （二）为了研究不同权重系数所引起的备选方案排序变化，可进行繁感度分析，以提供各个目标重要性的测度，识别出对总体评价起决定作用的目标，并说明不同评价人员可能得出值差异。 （三）在对每个备选方案各个目标赋予分值中，可以通过采用主观概率估计和期望值考虑不确定性的影响。 五、选择最佳方案 通过上述矩阵分析，按照每个备选方案的排序或分值，表明它们达到既定目标的程度。一般，筛除较低级序的方案之后，余下2～3个排序相近的方案，再作敏感度分析，研究不同权重系数对备选方案序别的影响。如果指定方案对特定目标所赋予的权重系数非常繁感，说明其选择可能引起争议。如果关键性权重系数作较大变化而对指定方案的相关值影响很小，这个方案可能是极易接受的。 第二节 矩阵评价方法 一、级序方法 级序方法是多目标项目评价的常用而简便方法。下面以2个实例说明矩阵构造及其应用。 例1：尾矿库选址 美国怀俄明州南方一个正在开采矿山，为增加至少5a的尾矿贮积能力而选择并评价尾矿库。要求渗漏量最小，并剥离地表土壤以供闭库时土地恢复使用。 确定了3个尾矿库场地A、B、C，三者相对于选厂距离和高程基本相当，因此，接近度就不作对比因素。洪水径流采用蓄积法控制。尾矿库场地的一般特性列于表1。 表1 各尾矿库特性空间| 面积/平方米 | 最大坝高/米 | 容量/立方米 | 尾矿库寿命/a | 筑坝材料量/m3 | 字母表8.9×10510.8×1054.3×105 | 10.512.015.0 | 4.6×1067.0×1062.6×106 | 10156 | 0.27×1060.19×1060.09×106 | 空间剥离表层土 | 总土方量 | 材料有效利用系数 | 相对渗透位移势 | | A0.54×106 | 0.81×106 | 5.7 | 最低限度 | | B0.66×106 | 0.85×106 | 8.3 | 媒介 | | C0.20×106 | 0.35×106 | 7.8 | 最高的 | |
场地A提供10a的尾矿贮积能力，占地面积8.9×105㎡，材料有效利用系数（包括表土剥离）为5.7，因为天然土壤沉积层较厚，估计在这三个场地中其渗流潜势量低。 场地B提供15a的尾矿贮积能力，占据较大面积10.8×105㎡，材料有效利用系数最高0.83，粘土沉积层与场地A相似，但因库区较大，估计其渗流潜势中等。 场地C是面积最小的尾矿库，4.3×105㎡，提供6a的尾矿贮积能力，材料有效利用系数为7.8，仅略低于场地B。但场地C，尾矿坝较高，坝肩为强烈隙状页岩，容易产生渗漏问题，且又邻近河流，尾矿库渗漏有直接进入地表水体的可能性，判定场地的渗流潜势最高。 确定3个目标，并依其重要性赋予相应权重系数： （一）土地扰动最小：有效性测度为尾矿库面积。从长远意义讲，考虑到尾矿库废弃后要复垦、覆盖表土和植被，此目标相对不很重要，因此赋予最低的权重系数0.1； （二）费用最低：鉴于3个场地的输送管路费用相当，费用则决定于填筑材料量，因此，取费用的有效性测度为材料有利用系数，应认为此目标最重要，取权重系数0.5。 （三）渗漏的有害影响最小：由于现有渗流资料有限，渗漏目标的有效性测度不能实现量化，故以相对渗漏损失潜势来确定，赋予权重系数0.4。 在此框架下，根据每个目标的有效性测度（见表1），为每个场地方案赋予整数的级值。因为是把每个方案的每个目标排列级序，故相对分级数与方案数相同，此列中3个方案，有效性测度3个等级，其中3为最高级序，1为最低级序。例如土地扰动目标的级序可以直接从表1查出：方案A为2，方案B为1，方案C为3，其它目标类同。如此构造成方案一目标的二维评价矩阵，示于表2。表2 尾矿库选址评价矩阵目标标记| 土地扰动(权重系数0.1) | 费用(权重系数0.50) | 渗漏(权重系数0.4) | 程序a2 | 一个 | 三 | 方案b一个 | 三 | 2 | 方案c三 | 2 | 一个 | 加权排序:立地A:(0.1)(2)+(0.5)(1)+(0.4)(3)= 1.9中立地B:(0.1)(1)+(0.5)(3)+(0.4)(2)= 2.4最有利立地C:
每个方案的总级序通过累加各目标权重系数与相应级值之积求得,如表2所示，方案B总级序最高，表明最有利，方案C最不利，方案A居中。 例2：尾矿排放方法 某铀矿赋存于地下900m深的坚硬岩石中，拟采用地下开采方法，要求全面评价各种排放方法。确立评价目标3： （一）由天然因素提供高度完整的隔离环境，防止经数百年的侵蚀过程造成尾矿扩散； （二）应使初始建设费用最低； （三）应使初始建设费用最低。 针对铀尾矿的特殊性质，在排放方法选择中，实现尾矿的长期隔离是关键、最偏重的目标，从长远观点看，其重要性大体为渗漏量最小或建设费用最低目标的3倍。假设渗漏重最小和费用最低具有相当的重要性，则赋予各目标的权重系数为：目标1为0.6，目标2和目标3分别为0.2。 考虑这些因素，确定出以下3个排放方法的备选方案： 方案Ⅰ：在矿山开始开拓之后，尾矿从选矿泵送地下，贮积在采空的矿房中。矿房围岩的性质允许不构造人工不透水垫层，保持裸壁。选厂生产的尾矿全部返回地下。 方案Ⅱ：在选厂建设期间，专门为排放尾矿在地表挖掘一个大坑，应用合成垫层材料衬垫，在选厂整个工作期间提供尾矿地下排放。 方案Ⅲ：在选厂建设期间，构筑尾矿坝形成普通地表矿库。因当地缺少低渗透性的天然粘土材料，需从远处外运工业膨润土作垫层。 现在，可以为各备选方案能满足评价目标的相对能力确定级序，从而构造评价矩阵： 长期陋离的目标：方案Ⅰ（地下矿山排放），在矿房中深埋尾矿，实现最大程度的隔离；赋予最高级值3；方案Ⅱ（掘坑排放）因埋深较浅，陋离程度略次，赋予级值2；方案Ⅲ（地表尾矿库排放）可能长期受到侵蚀作用，赋予最低级值1。 当达到渗漏量最小的目标，方案Ⅰ的矿房裸露岩石中可能包含有使渗流量大于方案Ⅱ或Ⅲ的节理，所以赋予级值1；方案Ⅱ因合成垫层能消除渗漏，故赋予级值3；方案Ⅱ，因为构造完完全全的土壤—膨润土垫层困难，其防渗效果可能比完整的合成垫层差，而此裸壁好，所以赋予给值2。 初始建设费用最低的目标：方案Ⅰ因尾矿地下输送管路过长，费用适中，赋予给值2；方案Ⅱ专门掘坑排放，费用最高，赋予级值1；方案Ⅲ尾矿坝的建设费用最低，赋予级值3。 表3为依据上述资料构造的评价矩阵，最后求出每个方案的加权总级序。结果表明，方案Ⅰ加权总级值最高，最有利；方案Ⅱ居中；方案Ⅲ为最不利方案。 表3 尾矿排放方法选择的顺序评价矩阵目标标记| 长期隔离(权重系数0.6) | 渗漏(权重系数0.2) | 费用(权重系数0.2) | 方案一三 | 一个 | 一个 | 方案二2 | 三 | 一个 | 方案三一个 | 2 | 三 | 加权排序:方案一:(0.6) (3)+(0.2) (1)+(0.2) (2) = 2.4最有利方案二:(0.6) (2)+(0.2) (3)+(0.2) (1) = 2.0中等方案三:
级序方法简单，适用于可行性研究阶段，实际的和确认的资料有限，所用数据不足以进行可靠的定量分析，但是，可以凭经验取得适当的工程结论，粗略地区分方案的优劣。 级序方法存在两个主要缺点：一是级序并不能完全反映达到目标的有效性差异，例如，假设方案Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的费用分别为100万元、1500万元和1600万元，级序自然为3-2-1，却忽略了方案Ⅱ与方案Ⅲ之相近性。二是加权级值是一个定性指标，并无实际意义，例如上列，方案Ⅲ为方案Ⅰ的1.5倍，只说明方案Ⅰ比方案Ⅲ还有利，并不指方案Ⅰ优于方案Ⅲ50%。 二、评分方法 评分方法在概念上与级序方法相同，但需要更多的数据和判断，可以在一定程上度克服级序方法的缺点，并提供更确切的评价资料。下面以级序分析的同一铀尾矿排放方法选择实例说明这种方法的应用。表4示出以评分方法构造的评价矩阵。 表4 尾矿排放方法选择的评分评价矩阵目标标记| 长期隔离(权重系数0.6) | 渗漏(权重系数0.2) | 费用(权重系数0.2) | 方案13.0 | 1.0 | 1.8 | 方案22.8 | 2.8 | 1.5 | 方案31.5 | 2.8 | 2.0 | 加权排序:方案一:(0.6)(3.0)+(0.2)(1.0)+(0.2)(1.8)= 2.36有利方案二:(0.6) (2.8)+(0.2) (2.8)+(0.2) (1.5)
同样地，渗漏量和费用目标的有效性测度正比于所计算的渗漏量（m3/h）和估计的费用值（元），从而进行适当的评分。与级序方法不同有是允许备选方案在同等程度上满足目标，并赋予相同的分数（见表4）。根据加权分数值可以得出结论：方案2最有利，其次是方案1，明显低分的是方案3，因此不需要再考虑了，而方案1和2之间差异甚小，可能是因为没有考虑次级因素的影响引起的。最佳方案的最终确定应进行敏感度分析。 在能够获得明确的目标有效性测度的场合，可以采用主观方法或计算方法为各备选方案的各目标有效性评分（而不是排序）。假设有效性测度范围从0到3.0，指定为评分的下限和上限。为达到长期隔离的目标评分：认为方案1（地下矿山排放）在永久性隔离方面最有效，因此赋予最高分数3.0；方案2（掘坑排放）略欠有效，赋予分数2.8；方案3（地表尾矿库）长期经受侵蚀，有效性仅为方案1的二分之一，即1.5。 三、敏感度分析 敏感度分析的目的是要辨别矩阵分析中的主观因素，说明方案选择过程中价值差异的原因。敏感度分析基于这样的假定，即在相同情况下，参数值变化范围宽条件下的有利方案比变化范围窄条件下的有利方案更可取。为反映不同评价者的不同价值，例如管理部门可能强调环境保护，而矿山公司可能偏重经济效益，现改变权重系数如下：长期隔离0.3渗漏量最小0.3，费用最低0.4，而目标分值保持同前（当然也可作目标分值的敏感度分析），重新求得各方案的加权分数，示于表5。 表5 敏感度分析的评价矩阵目标标记| 长期隔离(权重系数0.3) | 渗漏(权重系数0.3) | 费用(权重系数0.4) | 方案一3.0 | 1.0 | 1.8 | 方案二2.8 | 2.8 | 1.5 | 方案三1.5 | 2.8 | 2.0 | 加权排序:方案一:(0.3)(3.0)+(0.3)(1.0)+(0.4)(1.8)= 1.92不利方案二:(0.3) (2.8)+(0.3) (2.8)+(0.4) (1.5)
与表4的结果相比较，方案2仍保持为最有利，这是因为在敏感度分析中提高了费用目标的重要性，而方案Ⅰ的分数降低是因为降低了长期隔离的重要性。基此分析，可选方案Ⅱ作为铀矿优选排放方法。 四、不确定性分析 在尾矿库设计中，常常遇到重大的不确定性和风险，例如在评价尾矿库对长期侵蚀的敏感度时，在估计特定土地恢复规划再植被成功的可能性时，在评价尾矿排放对生物群影响时，这时，在矩陈评价中，可以通过概率方法求得矩阵元素的期望值，代入评价矩阵，以考虑不确定性的影响。 期望值是根据随机事件的出现概率加权每个可能结果表明其结果。对于具有n个可能结果的随机事件X，其期望值为 n E(x)=Σ piCi i=1 且 n Σ pi=1 i=1 式中，E（x）为期望值，各可能结果相互独立并构成一个穷举的集合；Pi为结果ί的出现概率；Ci为与结果ί有关的值。 随机事件的概率有两种解释，一是相对频率的概念，通过重复试验确定其概率；二是信赖程度的概念，主观赋值表明对某预测结果的置信度，后者对矩阵评价是非常有用的。 下现，以渗流控制中选取合成垫层有效性的实例说明主观概率和期望值在矩阵评价方法中的应用。某一设计服务年限50a、深度90m的尾矿库，拟采用合成垫层，但只有20a以内垫层老化特性的资料记载，而深度无如此深、时间无如此长的设计先例。因此，除了不知道与设计和施工质量有关的短期整体性外，垫层的长期整体性也存在一定不确定性。 假设此例中垫层整体性有3个可能结果： （一）在整个50a间垫层完全有效，不发生渗漏，赋予这一结果的矩阵分数值3.0。评价者基于经验判断，估计垫层完全有效的概率为0.5； （二）由于不完善施工，难以实现垫层的完全接合，估计发生渗漏概率为0.3，如果发生渗漏量为10m3/h，赋予分数值2.0； （三）由于不了解垫层长期完整性，认为50a服务期限结束之前，垫层老化的概率为0.2，如果发生老化，渗漏量达50 m3/h，赋予其分数值0.5。 渗漏控制目标的期望分数值通过累加3个可能结果各自分数值与相应概率之积求得： E（χ）=（0.5）（3.0）+（0.3）（2.0）+（0.2）（0.5）=2.2 图2以决策树形式说明这一计算过程.对于表3中方案Ⅱ的渗漏控制目标，应以上述计算的期望值2.2替代原分数值2.8。如果矩阵中所有不确定元素都如此采用期望值，则可以全面实现不确定性分析。图2 期望分数值计算 免责声明：本网部分内容来自互联网媒体、机构或其他网站的信息转载以及网友自行发布，并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。本网所有信息仅供参考，不做交易和服务的根据。本网内容如有侵权或其它问题请及时告之，本网将及时修改或删除。凡以任何方式登录本网站或直接、间接使用本网站资料者，视为自愿接受本网站声明的约束。
