爐場溝尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究

趙勁彤，趙長中

（洛陽鉬業(yè)集團股份有限公司選礦二公司，河南欒川471500）

0 前言

尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，是金屬、非金屬礦山企業(yè)最大的安全隱患。尾礦庫一旦失事，將對庫區(qū)下游人民生命財產(chǎn)造成災難性危害。近年來，尾礦庫潰壩造成人員傷亡和污染物下泄事故時有發(fā)生，在造成巨大生命財產(chǎn)損失的同時，對環(huán)境安全造成巨大威脅。因此，加強尾礦庫安全監(jiān)管力度，把握尾礦庫安全現(xiàn)狀，減少安全事故發(fā)生，對提高企業(yè)經(jīng)濟效益具有重要意義。

圖1 我國尾礦庫潰壩事故致災因素統(tǒng)計圖

由圖1可知：穩(wěn)定性不足、洪水漫頂、結(jié)構(gòu)破壞、滲流破壞是造成尾礦庫潰壩事故的主要原因。加強對浸潤線、干灘長度、庫區(qū)水位、壩 體位移、降雨量等信息參數(shù)的實時監(jiān)控，是預防致災因素發(fā)生的有效途徑。

過去爐場溝尾礦庫主要采用人工監(jiān)測手段對各項數(shù)據(jù)信息進行采集分析，存在著數(shù)據(jù)上的誤差性和時間上的滯后性等缺陷，隨著生產(chǎn)的持續(xù)進行，尾礦庫庫容逐漸增大，人工監(jiān)測越來越難以滿足安全管理需求，利用當前先進的光纖傳感器技術(shù)設(shè)計一套在線監(jiān)測系統(tǒng)對尾礦庫實施在線監(jiān)控就顯得十分必要。

1 爐場溝尾礦庫簡介

爐場溝尾礦庫建于1980年，由長沙有色冶金設(shè)計研究院設(shè)計，設(shè)計總庫容5 184.8萬m3，現(xiàn)堆積庫容為2 050萬m3。該庫為二級庫，屬山谷型上游式堆積壩，排洪方式為塔、隧洞式排洪。設(shè)計主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 爐場溝尾礦庫主要設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)

1.1 初期壩

初期壩地基層為坡洪積粉質(zhì)粘土。早期初期壩為均質(zhì)土壩，壩底標高為1 193 m，壩頂標高為1 210 m，壩高17 m，壩頂寬2 m，內(nèi)外坡比分別為1∶1.47、1∶1.55。第2次加固后為土石壩。土壩外坡面從內(nèi)到外分別鋪設(shè)0.2 m厚粗砂、300 g/m2無紡土工布一層、0.2 m厚粗砂、小塊石過渡層、加固堆實體、大塊石護坡，加固后外坡比為1∶2.5，壩頂標高1 211m，壩頂寬3 m。

后期初期壩壩頂寬度增加至56 m，外坡比為1∶2.3，底部設(shè)一漿砌塊石擋墻，高6.5 m。2004年，萬噸選廠擴建，經(jīng)請示長沙有色冶金設(shè)計研究院，將選廠處理地基中的土石方運送至初期壩夯平壓實堆存在原初期壩上層，堆積后現(xiàn)在初期壩高度為19.5 m、長66 m、寬51 m。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 爐場溝尾礦庫初級壩結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 堆積壩（壩面）

爐場溝尾礦庫采取上游式尾砂堆筑。二期工程設(shè)計壩高217 m，擴容改造后服務年限為9.8年。目前堆積壩頂標高約1 352 m，堆積總高度為139 m。在壩坡上每隔4～7 m高差設(shè)置一條馬道，寬度2～10 m，壩坡現(xiàn)已設(shè)置56級馬道。各級馬道斜坡坡比約1∶2.2～1∶3.4，壩體平均外坡比為1∶4.25。庫內(nèi)干灘長約380～520 m，壩軸線長約610 m。沿壩坡鋪設(shè)有9根尾礦輸送管道，管道口徑為0.5 m，壩頂有5根管道全天候放礦。為防止山坡和壩坡雨水對壩間、壩面及壩肩的沖刷，各級馬道坡腳、壩坡壩肩分別設(shè)置了橫向排水渠、縱向排水渠，兩道壩肩排水渠，排水渠規(guī)格為1.1 m×1.2 m。均采用水泥砂漿砌筑。為防止雨水、滲流沖蝕以及大風揚塵造成環(huán)境破壞，在壩面上鋪設(shè)了約0.4 m厚的粘性土層，全部種植了植被，植被護坡面積在85 000 m2左右。

1.3 排洪設(shè)施

排水系統(tǒng)采用鋼筋混凝土框架式排水井+圓拱直墻型隧洞。庫內(nèi)共設(shè)9座排水塔，其中1#、2#、3#塔井筒高H=18.00 m，內(nèi)徑D=3.6 m；4#、5#、6#塔井筒高H=24.00 m，內(nèi)徑D=2.5 m。1#、2#、3#、4#、5#塔已淹沒封堵，目前使用6#排水塔。庫內(nèi)排水塔與尾礦庫右側(cè)山體內(nèi)排水隧洞貫通，供汛期期間泄洪需要，隧洞采用全段鋼筋混凝土襯砌。

1.4 安全輔助設(shè)施

在堆積壩升高過程中，1 275 m、1 290 m、1 300 m、1 310 m、1 320 m、1 337 m標高分別在距離堆積壩灘面200～250 m處各鋪設(shè)了一層排滲席墊，共鋪設(shè)6道。在堆積壩體1 289 m、1 307 m標高處共設(shè)置了4座大口輻射滲井。內(nèi)徑為D=2.9 m，深度H=28 m，其下部有13根水平集滲管和一根水平排滲管，由水平排滲管導出井內(nèi)的積水。該庫在1 290 m標高沿溝底設(shè)置排滲層，鋪設(shè)面積為6 500 m2。其主要作用是加快尾礦庫底部尾沙粘土層固結(jié)，增強庫底部尾沙的扛剪強度。

1.5 觀測設(shè)施

在壩體平面布置浸潤線人工觀測孔34個。在堆積壩體平均間隔20 m壩高布置2個基準點觀測點和2個壩體位移沉降觀測點，現(xiàn)已建設(shè)6個。

1.6 尾礦庫相關(guān)安全參數(shù)

尾礦庫運行期間及洪水時的最小安全超高和最小干灘長度如表2所示。經(jīng)監(jiān)測，2010年汛期期間爐場溝尾礦庫的最小安全超高在1.2 m，最小干灘距離在380 m，滿足《尾礦庫安區(qū)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。

表2 上游式尾礦壩的最小安全超高和最小干灘長度［4］

2 爐場溝尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計要求

（1）以爐場溝尾礦庫設(shè)計方案為基本依據(jù)，設(shè)計院提供基本的觀測點位布設(shè)平面圖，按照設(shè)計要求布置施工。

（2）在線監(jiān)測系統(tǒng)應能滿足夜間視頻監(jiān)控的需要和整個庫區(qū)全方位無死角監(jiān)控的需要。

（3）在線監(jiān)測系統(tǒng)要具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)的整理、分析、報警。預留硬件接口，能與國內(nèi)主流報警主機及國家在線監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)對接。

（4）在線監(jiān)測系統(tǒng)能全面、準確地反映壩體和庫區(qū)的工作形態(tài)，并能設(shè)計參數(shù)比對，及時發(fā)現(xiàn)異常跡象，運行數(shù)據(jù)在一定時期要海量存儲，滿足安全生產(chǎn)管理需要，為生產(chǎn)運行期間管理提供可靠的資料。監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和選型既要有可靠性、先進性、兼容性、互換性，又要體現(xiàn)經(jīng)濟性、實用性。在滿足安全監(jiān)測要求的前提下，力求經(jīng)濟合理。

（5）安全監(jiān)測系統(tǒng)要滿足國家關(guān)于尾礦庫管理的相關(guān)標準、規(guī)定等技術(shù)要求。

2.2 監(jiān)測指標的確定

美國謝潑德·米勒公司項目經(jīng)理C斯特拉牽得出的尾礦壩潰壩數(shù)量與事故原因的關(guān)系［5］中指出：壩體邊坡穩(wěn)定性、漫頂和滲流等是潰壩事故發(fā)生的主要原因，應對其進行重點觀測。邊坡穩(wěn)定性可通過觀測壩體的位移、浸潤線高度等來反映。漫頂可以通過觀測庫區(qū)水位、干灘高程和降雨量等來反映，相關(guān)技術(shù)指標在《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》中都作了明確規(guī)定。浸潤線、壩體位移等技術(shù)指標是檢驗尾礦庫安全的重要技術(shù)指標。因此，在監(jiān)測過程中選擇浸潤線、防洪能力、壩體位移和降雨量做為尾礦庫監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測指標。由此建立的監(jiān)控系統(tǒng)包括：浸潤線、壩體位移、庫區(qū)水位、干灘長度和降雨量監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和超限報警等部分。

2.2.1 浸潤線在線監(jiān)測

以人工監(jiān)測的浸潤線位置和長沙院對爐場溝尾礦庫滲流計算得到的浸潤線位置為依據(jù)，設(shè)定最佳浸潤線在線觀測點18個。將整個壩面分成6個水平，每個水平設(shè)3個浸潤線觀測點。采用滲壓傳感器進行數(shù)據(jù)傳輸，觀測孔設(shè)計滿足國家2級庫設(shè)計浸潤線埋深10 m以上的要求。具體情況如圖3所示。

2.2.2 壩體位移監(jiān)測

為隨時了解尾礦壩壩面形變情況，設(shè)計在爐場購尾礦庫壩面安裝位移傳感器監(jiān)測壩體的形變情況，共安裝6個光纖位移傳感器，位移傳感器如圖4所示，在應用時先將錨固端固定在某一固定物上，傳感器與錨固端通過鋼絲繩連接，先預緊鋼絲繩，將位移傳感器調(diào)到合適測量位置，然后固定。位移形變數(shù)據(jù)通過光纖傳輸，并經(jīng)過計算得到位移形變值，顯示在監(jiān)測系統(tǒng)上，具備報警功能。位移監(jiān)測值應以毫米（mm）為單位。具體情況如圖3所示。

圖3 傳感器安裝示意圖

圖4 位移傳感器示意圖

2.2.3 庫區(qū)水位監(jiān)測

對庫區(qū)水位情況進行監(jiān)測，及時掌握尾礦庫在汛期期間的水位上升下降情況以及在排洪泄洪過程中的水位變化情況，確保尾礦庫水位處于最小安全超高以下，保證尾礦庫正常運行，在6#排水塔處設(shè)計安裝水位傳感器，實時監(jiān)測庫區(qū)水位變化，通過光纖及后臺計算得到管理者所需要的數(shù)據(jù)信息，并顯示在監(jiān)測系統(tǒng)上，具備報警功能。水位計算精度≤±0.1 m。具體情況如圖3所示。

2.2.4 干灘長度監(jiān)測

干灘長度是衡量尾礦庫安全性能的重要指標之一［6］。爐場溝尾礦庫設(shè)計的最小干灘長度在300 m，目前爐場溝尾礦庫干灘長度的測量主要依賴于人工測量手段。鄭學明［7］等發(fā)明了一種基于圖像識別計算尾礦庫干灘長度的方法，計算出的干灘長度精度較高，實時性較強，滿足了對尾礦壩干灘長度的在線實時監(jiān)測要求。利用其方法建立干灘長度監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測管理者所需要的干灘數(shù)據(jù)信息。干灘長度監(jiān)測數(shù)據(jù)精度≤15 m。

2.2.5 降雨量監(jiān)測

雨量計可設(shè)在二級砂泵站處，便于數(shù)據(jù)采集和布線方便，降雨量監(jiān)測標準與國家氣象部門使用的標準一致。通過降雨量監(jiān)測，能夠方便管理者實時掌握雨量大小和洪水位的可能位置，便于提前采取措施，防范于未然。雨量計的監(jiān)測精度≤±3％，分辨率為1 mm。

2.2.6 同步視頻監(jiān)控

為了實時掌握尾礦庫的運行狀況，在整個爐場溝尾礦庫庫區(qū)布設(shè)高清攝像機，包括排水塔、壩頂、壩面中部、壩面底部安裝攝像機，對庫區(qū)水位情況、干灘情況、排尾管道放礦情況、排尾管道的工作情況、排水塔的排水情況等進行監(jiān)控，視頻圖像在監(jiān)控中心平臺上顯示，并可自由切換，實現(xiàn)尾礦庫庫區(qū)全方位監(jiān)控。通過控制，可以對觀察的畫面進行調(diào)整，得到滿意的圖像效果，并確保視頻信息能夠保存一周以上，工作人員也可以將重要視頻錄像導出、存檔。

2.2.7 爐場溝尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計示意圖

根據(jù)以上確定的監(jiān)測指標，結(jié)合爐場溝尾礦庫運行實際情況，確定的爐場溝尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 爐場溝尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計示意圖

3 爐場溝尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)預期效果和存在困難

3.1 預期效果

隨著公司生產(chǎn)的持續(xù)進行，尾礦壩壩面持續(xù)升高，其存在的安全隱患越來越大，設(shè)計建設(shè)安全在線監(jiān)測系統(tǒng)十分必要，該系統(tǒng)建成投產(chǎn)之后希望達到以下效果：（1）能夠使公司安全監(jiān)管部門快速獲取與爐場溝尾礦庫安全密切相關(guān)的技術(shù)指標，及時掌握尾礦庫運行狀況和安全狀況；（2）改善人工監(jiān)測存在的諸多弊端，減少人工工作強度，提高企業(yè)的管理水平，為建設(shè)“精品企業(yè)”提供支持；（3）順應建設(shè)數(shù)字化企業(yè)的發(fā)展要求，系統(tǒng)科技含量高，為企業(yè)今后的科技發(fā)展打下基礎(chǔ)。

3.2 系統(tǒng)建設(shè)施工存在的困難

（1）爐場溝尾礦庫是公司生產(chǎn)必不可少的組成部分，在系統(tǒng)建設(shè)過程中，既要保證施工安全，又要確保公司生產(chǎn)不受影響，需要施工單位在系統(tǒng)建設(shè)過程中謹小慎微，有規(guī)范的施工計劃和嚴格的操作規(guī)定；

（2）系統(tǒng)建設(shè)中的光纜架設(shè)、攝像機安置點、浸潤線觀測孔施工、傳感器安裝等都需要反復論證，精確計算施工，保證今后系統(tǒng)在使用過程中的精確性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

研究者憑借多年從事尾礦庫管理工作經(jīng)驗，結(jié)合爐場溝尾礦庫的運行現(xiàn)狀，具體探討了尾礦庫監(jiān)測的主要指標，設(shè)計了尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)。在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計建設(shè)與使用，能夠改善人工檢測存在的時間滯后、數(shù)據(jù)誤差較大等缺陷，便于企業(yè)快速準確掌握尾礦庫相關(guān)技術(shù)指標和運行狀況，提高公司對尾礦庫的管理效率，適用于公司發(fā)展需要。

［1］王昌，王云海，李全明，等.礦山尾礦庫壩光纖在線監(jiān)測技術(shù)［J］.山東科學，2008，21（6）.16－20.

［2］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.尾礦庫安全操作規(guī)程［M］.2005－12－7.

［3］C斯特拉牽.尾礦壩的運行特征［J］.礦物加工，2002（4）：36－42.

［4］李作章.尾礦庫安全技術(shù)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1996：324－327.

［5］鄭學明；黃金英；吳耀昕，等.一種基于圖像識別計算尾礦庫干灘長度的方法［P］.中國：200910248499，2010－06－02.