中線法尾礦庫安全在線監測方案研究

劉建東，蘇 軍，韓志磊

（北京礦冶研究總院，北京100160）

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的，用以堆存金屬或非金屬礦山礦石選別后排出尾礦或其他工業廢渣的場所，是維持礦山進行正常生產的必要設施，同時也是礦山的重大危險源之一［1］。開展尾礦壩的安全監測工作，對提高尾礦庫的本質安全狀態和安全管理水平，減少和控制尾礦庫運行中的危險、有害因素，減少各類隱患、降低安全風險、預防事故發生，保護企業及下游居民的生命財產安全，保持庫區周邊的自然環境和社會穩定等方面都具有重要意義［2］。國家安全監督管理總局于2011年9月出臺規定，要求三等及三等以上尾礦庫必須安裝在線監測系統［3］。然而，現行技術規范對中線法尾礦庫不盡完全適用，國內真正成功實施中線法尾礦庫在線監測的案例寥寥無幾。因此，結合德興四號庫現狀，研究提出中線法尾礦庫安全在線監測技術方案，為項目實施奠定了良好基礎，也為類似工程提供了重要借鑒。

1 尾礦庫在線監測常用技術手段

1）壩體表面位移監測：壩體表面變形監測主要采用智能全站儀或GPS監測技術。智能全站儀可以自動搜索、跟蹤、辨識和精確找準目標并測量角度、距離、三維坐標以及影像信息等，其監測成本低、管理維護便捷、監測精度高，但要求全站與儀監測點之間能夠通視且測量距離有限，受地形和氣象條件影響大。GPS監測基于全球衛星定位系統實現壩體變形監測，具有全天候監測、抗干擾強、精度高等特點，但系統維護量大、費用相對較高。

2）壩體內部位移監測：主要使用測斜儀或沉降儀。測斜儀安裝于帶標準導槽的測斜管中，通過測量滑輪的傾斜長度和角度計算出橫向和縱向水平位移。沉降儀通過將整套儀器安裝在鉆孔中來監測灌漿錨頭和沉降板之間的壓縮沉降變形量。

3）浸潤線監測：一般采用測壓管的方式測量，通常在壩體內鉆鑿鉆孔安裝測壓管，在孔內安裝壓力傳感器，通過測量孔內水壓力轉換為水頭高度，結合安裝深度及孔口高度即可得到壩體或繞壩的浸潤線高度。

4）庫水位監測：尾礦庫的水位監測常采用接觸式和非接觸式方式。接觸式主要通過埋設在水中的壓力傳感器測量水面高度，雖然精度高，但是不利于維護，傳感器易于被淤泥堵塞從而影響精度和可靠性。非接觸式，主要在庫岸邊水面以上安裝超聲波液位計或雷達液位計測量水面高度。

5）灘頂標高與干灘長度監測：通常采用的方法是選擇監測斷面，建立平面直角坐標系，使用移動GPS或超聲波液位計等儀器測量監測斷面上若干個點的高程，結合各測點間的距離計算出于灘坡度，或擬合出干灘曲線方程，再利用庫水位、灘頂標高分別得出干灘與庫水面和尾礦壩外坡面的交點，從而求出干灘長度或安全超高。近幾年國內發展了激光測量干灘和攝影測量干灘等技術［4－5］，但成本較高、應用效果一般。

6）尾礦庫安全在線監測系統軟件平臺：軟件是在線監測系統的核心，主要提供以下功能：①數據采集、處理、存儲與分析；②數據管理、查詢、生成圖表、打印、報表、故障診斷；③網絡發布，提供客戶端遠程網絡訪問功能；④綜合報警，當監測數據超出預設的報警閾值時，系統依據設定的報警條件發出聲光或短信報警信息以提醒管理人員。近幾年，北京礦冶研究總院開發了基于webgis的尾礦庫安全監測三維軟件平臺，通過該平臺可在三維環境中實時查看監測信息，實現尾礦庫安全狀況三維動態演變模擬，為尾礦庫的安全管理提供有力支持［6］。

2 中線法尾礦庫在線監測實施的技術難點

中線法尾礦筑壩是以確定的壩軸線，利用分級的沉砂尾礦升高筑壩。其尾礦分級方法是采用水力旋流器進行分級，粗粒級尾礦堆積到壩軸線下游尾礦堆積區，溢流尾礦排放到壩軸線上游庫內充填的筑壩［7］。受壩體規模、壩體形態、堆壩工藝等因素影響，中線法尾礦庫在線監測系統實施起來要比上游法尾礦庫復雜得多，主要體現在：①中線法尾礦壩規模較大，若完全按照現行在線監測規范布置監測點（如浸潤線監測），將導致監測點數量龐大，一方面會影響壩面施工作業，另一方面也將造成工程投資的不必要浪費，必須根據具體情況優化監測點布置，提高監測系統的經濟性和適用性；②中線法尾礦庫的筑壩工藝，決定了在運行期內壩面總是處于不斷被覆蓋的動態抬升過程中，在壩面布置監測設備或設施，必須考慮后期被尾砂“淹沒”的問題；③經旋流器分級后，排放到庫內的尾礦粒徑較細，灘面極為細軟，安裝干灘監測設備較困難；④中線法尾礦堆積壩較高、壩面范圍較大，部分監測點要求選擇大量程監測設備，必須考慮設備量程、精度匹配問題；⑤中線法尾礦壩地勢開闊，易遭雷害，對在線監測系統防雷和接地要求較高。

3 中線法尾礦庫安全在監測方案

3.1 尾礦庫概況

德興銅礦四號尾礦庫位于大山選廠以北的西源大溝內，屬山谷型尾礦庫，采用中線法筑壩工藝，堆積壩利用旋流器二段分級后生產的粗砂進行堆筑，溢流直接入庫。該庫設計總庫容8.35億m3，有效庫容為7.7億m3，匯水面積14.3km2。初期壩為黏土斜墻堆石壩，壩頂標高110.00m，壩底標高72.00m，壩高38m，壩頂寬10m。初期壩以上采用尾砂筑壩，堆積壩采用中線式分期堆筑，最終壩頂標高為＋280m，總壩高為208m，平均內坡比為1∶2.5，外坡比為1∶3.0。當前堆積壩頂標高為249.0m，外坡比為1∶5.3，頂寬40m。壩體下游為農田及村莊，下游一帶地勢較為平緩開闊，一旦發生潰壩，危險性極大。

3.2 監測內容選擇

德興銅礦四號庫為二等尾礦庫，考慮到中線法尾礦壩外坡總處在動態變化過程中，實施位移在線監測存在困難也缺乏實際意義，因此本方案不設位移在線監測，采用人工觀測代替。根據德興銅礦四號庫中線法堆壩工藝及運行管理需要，設計在線監測內容包括浸潤線、干灘、庫水位、降雨量、滲流量及重要場所的視頻監控，各監測點的布置見圖1。

3.3 監測系統架構

采用現場監測站、監測管理站、監測管理中心站三級架構，如圖2所示。監測站用于在線實時獲取各種監測數據，由前端各類監測設備、數據采集裝置、數據轉換與傳輸模塊等組成；監測管理站設在尾礦工段值班室，由數據采集服務器、管理查詢服務器、數據轉換模塊、報警模塊等組成，主要實現數據的采集、存儲、顯示、查詢、報警等功能；監測管理中心站設在精尾廠辦公樓，由數據存儲服務器、管理發布服務器、視頻服務器、大屏幕展示系統等組成，負責監測數據的展示及遠程網絡發布。

圖1 監測點布置

圖2 監測系統架構圖

3.4 監測方案設計

3.4.1 浸潤線監測

浸潤線監測點布置本著“經濟、科學、合理”的原則，設計在垂直壩軸線方向布置四個監測斷面，相鄰兩個斷面之間的距離150～200m；除4＃監測斷面因受下游山體遮擋布置3個監測點外，其他三個監測斷面均布置6個監測點，監測點間距80～150m。如圖3所示，沿監測斷面方面上，靠近中線附近浸潤線較陡，監測點布置密集；靠近下游攔砂壩附近，浸潤線平緩，監測點布置相對稀疏。

圖3 浸潤線監測剖面圖

浸潤線鉆孔深度以見水后再下鉆2m為準。本次設計安裝的浸潤線傳感器滿足壩體加至最終壩高（壩面抬升20～40m不等）時的監測需要。因靠近中線附近浸潤線隨壩面抬升變化較大，在各監測斷面臨近中線附近三個孔內上、下各設1個傳感器，量程分別為17m、35m；靠近下游攔砂壩附近浸潤線隨壩面抬升變化較小，故各監測斷面臨近攔砂壩的三個孔內安裝1個傳感器，量程35m。

受選礦工藝影響，德興四號庫水中富含鈣鎂離子，易與空氣中的氧氣和二氧化碳結合固化成鈣，從而導致滲壓計表面結鈣失效，采取以下方式解決：①選擇一次性埋設并使用通氣式滲壓計，減少測壓管內空氣流動，降低結鈣速度；②埋設前用清水充分浸泡滲壓計透水石；③在測壓管透水段的反濾層中添加氯化鈉浸泡后的軟水濾料；④在測壓管外使用土工布包裹氯化鈉浸泡的軟水濾料。

3.4.2 干灘監測

在壩頂內坡底布置3個灘頂高程監測點，利用超聲波物位計監測灘頂高程。德興四號尾礦庫采用壩前均勻放礦，干灘坡度變化不大，設計采用人工監測干灘坡度，結合干灘高程和庫水位數據，可計算出干灘長度。

干灘監測實施重點為傳感器立桿安裝，考慮到灘面細軟，可鋪設簡易浮橋至施工地點，采用沉桶方式從桶內挖尾砂，沉桶下沉至設計位置后封底并澆筑混凝土基礎。

3.4.3 視頻監控

中線法尾礦庫壩面范圍較大，為獲得較好視頻監控效果，在壩頂兩側和壩坡兩側共布置5個視頻監控點，采用高清激光夜視攝像機，可實現500m長距離高分辨率夜視；在攔沙池、泄洪斜槽、回水斜槽等位置，設置4臺高清低照度網絡紅外槍機（球機），實現重點部位24小時實時連續監看。

3.4.4 其他監測項

在庫內回水斜槽處，安裝超聲波液位計監測庫水位。在西側壩頂分級機站處容柵式雨量計監測降水量。在壩底滲流匯集處采用量水堰方式監測滲流量。

3.4.5 系統供電

為提高系統供電可靠性，設計采用多層次、高冗余的不間斷供電方案：①正常情況下，采用工業電源直接供電；②工業電源發生中斷后，由應急EPS電源提供不小于8小時的穩定供電；③應急EPS電源電量耗盡時，可人工啟動現場值班室內的汽油發電機為系統供電。另外，在泄洪斜槽和回水斜槽等處配置風光互補供電系統，為提供現場監測設備輔助供電。

3.4.6 系統通信

為提高系統的健壯性和可靠性，采用“有線＋無線”環網冗余的通信方案。環網路線為：工段值班室－西壩－2＃回水斜槽－東壩壩肩－東壩壩坡－工段值班室，其中2＃回水斜槽－東壩壩肩之間為無線通信。此外，在壩頂西分級站和東側壩肩之間再設置一對無線傳輸設備，形成局部有線無線環網，進一步提高通信線路可靠性。

3.4.7 接地防雷

系統防雷從電源防護、設備防護、直擊雷防護、接地網建設、等電位連接、線路防雷等方面全方位整體考慮。設計沿壩體兩側岸坡和壩頂埋設接地扁鐵，并與沿途監測設備接地體連接形成接地網，值班室、回水斜槽等無法并入接地網的地方應單獨制作接地體，要求接地電阻小于4Ω。值班室供電系統采用三級防護，即值班室入戶電源加裝一級SPD浪涌保護器，在UPS供電前端加裝二級SPD浪涌保護，用電設備之前加裝三級SPD浪涌保護。室外基站和防護箱內電源增設二級SPD浪涌防護，各類弱電信號均設置相應SPD浪涌保護。

4 結語

通過分析中線法尾礦壩浸潤線分布規律，優化浸潤線監測點布置。針對中線法尾礦庫壩體規模大、庫區范圍廣、監測節點多等特點，提出了多層次冗余供電、環網冗余通信、多級防雷保護等系統安全防護措施，提高了在線監測系統應對極端惡劣氣象條件的能力。實踐中，必須結合中線法尾礦壩形態、特征及具體監測需要，合理選擇滿足量程和精度要求的監測設備；針對諸如滲壓計結鈣、灘面立桿困難等特殊復雜條件，必須提出具體應對措施，精心組織施工，方能保證在線監測系統順利實施。

［1］ 李全明，陳仙，王云海.基于模糊理論的尾礦庫潰壩風險評價模型研究［J］.中國安全生產科學技術，2008，4（6）：57－61.

［2］ 李亞龍，劉玉峰.礦山尾礦壩變形監測技術綜述［J］.中國鉬業，2012，36（5）：17－20.

［3］ AQ2030－2010，尾礦庫安全監測技術規范［S］.2010.

［4］ 李道明，余國平，沈樓燕，等.尾礦庫干灘自動化監測預警系統應用研究［J］.現代礦業，2014（4）：42－44.

［5］ 張記峰，李少波.近景攝影測量在礦山尾礦庫干灘監測中的應用［J］.現代礦業，2014（6）：54－57.

［6］ 張宣，張元生，張達，等.基于webgis的尾礦庫安全監測系統設計與實現［C］.第三屆全國數字礦山高新技術成果交流會論文集，2014.

［7］ 王柏純，王臣，顧全鋼，等.一種加高擴容老尾礦庫的新型技術［C］.2010年中國礦業科技創新與應用技術高峰論壇論文集，2010.