柳樹箐磷石膏尾礦庫在線安全監測方案設計

葛小博　張建博　席燦勇

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司；2.三峽大學水利與環境學院)

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柳樹箐磷石膏尾礦庫在線安全監測方案設計

葛小博1,2張建博1席燦勇1

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司；2.三峽大學水利與環境學院)

摘要尾礦庫安全監測是獲得尾礦庫運行中的各種準確數據，適時掌握尾礦庫運行狀態，指導尾礦庫安全運行管理，預防生產事故的重要手段。通過分析我國安全監測研究現狀，論述了尾礦庫全程在線安全監測系統的必要性和國內尾礦庫安全監測發展的態勢,提出并制定了壩體表面位移變形監測(磷石膏壩和水工壩)、壩體內部位移監測、浸潤線監測、干灘監測、庫水位監測、雨量監測、濁度監測等主要監測項目的在線安全監測方案，為后期安全生產提供保障。

關鍵詞尾礦庫在線監測壩體位移浸潤線干灘庫水位

磷石膏尾礦庫受到自然因素和人為因素的影響，其工作狀態隨時都在發生變化。根據國家相關規范要求和礦山企業的需求，借助計算機技術、網絡技術、測控技術和現代通訊技術增強對尾礦庫的安全監測和對監測設備運行狀態的監測，實行多級綜合監測，及時發現、處理隱患，防止事故，有利于尾礦庫的安全生產，也可提高尾礦庫的科學管理水平。

國內學者在尾礦庫安全監測研究方面做了很多工作，為研究和開發尾礦庫自動化安全監測系統提供了很好的借鑒和參考。胡軍通過論述影響尾礦壩安全因素，確定了尾礦壩安全監測系統的監測內容，繼而開發了基于Internet-Intranet的尾礦壩自動化安全監測系統[1]；曾群偉等通過尾礦庫潰壩事故的原因分析，提出將浸潤線、防洪容量、壩體位移和降雨量作為尾礦庫監測預警系統的監測指標[2]；許同樂等通過分析光纖傳輸基本原理和其在尾礦庫安全監測預警系統中的作用，提出了基于光纖傳輸的尾礦庫安全監測預警系統[3]；于廣明等綜述了我國尾礦壩穩定性、抗震性能、安全管理、在線監測等方面的研究現狀，并與國際上相關研究進行了對比、分析和討論[4]。這些均表明高科技在尾礦庫在線監測中的應用是我國尾礦壩安全管理發展的必然趨勢。

1工程概況

柳樹箐磷石膏尾礦庫是濕法上游式筑壩法形成的典型山谷型尾礦庫，該堆積壩的最終高程為2 070 m，堆積壩高約130 m，庫底高程為1 940 m，設計總庫容(有效庫容)為5 905.2萬m3，二等庫。堆場滿足堆存15～20 a磷石膏排放量的要求。

柳樹箐磷石膏尾礦庫初期壩設計壩頂高程為1 970 m，壩高30 m；堆積壩壩高約130 m，5 m一級形成子壩，總共20級，迎水面坡比為1∶1.5，壩后坡比為1∶2；防洪系統由排水豎井和排水隧洞組成，排水豎井共有3個；在1 994.8，2 013 m高程設置水平導滲；初期壩后布置回水系統，由調節水池和水工壩(擋水壩)組成，壩頂寬5 m，壩長約190 m，高約30 m，水池庫容為130萬m3。

目前，該尾礦庫正在使用第十級子壩右岸部分的灘面堆存磷石膏，堆存量約1 520萬m3，干灘長度約600 m。該尾礦庫通過壩前均勻分散的放礦支管進行磷石膏渣漿的排放，這樣可以保證粗顆粒沉積于壩前，不出現威脅堆積壩壩體安全穩定的粗、細尾礦顆粒夾層軟弱滑動面。

2尾礦庫安全監測系統重要性及設計原則

目前人工定期用傳統儀器到現場測量收集柳樹箐磷石膏尾礦庫的安全運行技術參數，容易受天氣、現場、人員等諸多因素的影響，而且工作量大，觀測周期長，最大缺點是不能及時掌握尾礦庫的各項安全技術指標和動態技術參數，這些都會對尾礦庫的安全運行和管理產生重大影響。

全程在線安全監測系統將有利于企業、安全監管部門掌握最新、最準確的尾礦庫運行技術指標和安全狀況，將有利于尾礦庫事故預防和庫區人民生命財產安全保障。

柳樹箐磷石膏尾礦庫安全監測系統設計遵循以下幾個原則：

(1)滿足2個層次標準(現行國家標準和相關行業標準)的技術要求。

(2)充分考慮本工程實際，選擇必要的監測項目以及合適的安全監測點；監測點布置必須體現代表性和特殊性。

(3)監測系統必須能準確、全面地監測尾礦壩及水工壩的工作狀態，及時發現壩體異常跡象，為壩體現代化運行管理提供數據資料。

(4)監測系統的設計和設備選型要遵循先進、實用的原則，在滿足安全監測各項基本要求的情況下做到經濟合理。

3安全監測系統方案設計

柳樹箐磷石膏尾礦庫為二等庫，根據規范要求[5]，應進行浸潤線、位移、庫水位、干灘、降水量等項目的監測。根據工程實際情況，還需要對尾礦庫的滲流水混濁度進行監測。

3.1壩體表面位移變形監測

壩體位移是尾礦庫潰壩災害演化過程中的直觀反映指標[6]。尾礦壩壩體變形率和發展速度的監測主要通過壩體下游坡變形來掌握，這樣可以及時采取相應預防措施。壩體表面位移監測主要范圍包括磷石膏堆積體初期壩(初始壩)、堆積子壩(堆積壩)。

壩體表面變形監測的方法很多，有人工監測方法，以傳感器、激光技術和全站儀TPS為基礎的自動化變形監測系統以及GPS自動化變形監測系統等。柳樹箐磷石膏渣庫不僅要監測磷石膏壩體表面位移，還要監測回水井上方的邊坡棄土，原則上考慮采用監測范圍跨度較大的GPS監測方案，但必須解決幾個問題：①磷石膏壩體滲流的液體具有強酸腐蝕性，不利于GPS埋線布設；②GPS監測點的布設必須考慮防雷措施；③后期維護成本較高；④GPS監測墩不具有靈活可移動性；⑤GPS監測系統不利于系統的擴容。綜合分析，在保證監測精度和施工方便的前提下，本方案設計采用全站儀監測方法。

磷石膏壩體監測點可根據規范中關于斷面選擇和布置方式進行布設。為了使位移監測點與浸潤線監測孔一起印證、相互校核，將位移監測點就近布設在水位孔旁，同時兼顧規范中監測點布設的要求。

根據規范規定[6]：初期壩頂和后期壩頂各布設一排，每30～60 m高差布設一排，一般不少于3排。測點的間距，一般壩長小于300 m時，宜取20～100 m；壩長大于300 m時，宜取50～200 m；壩長大于1 000 m 時，宜取100～300 m。柳樹箐磷石膏堆積壩、初期壩位移監測點及工作基點參數見表1。

表1　磷石膏壩體位移監測點及工作基點相關參數

目前，尾礦庫壩體表面位移的預警值尚不明確，本系統初步設計為水平方向預警值10 mm,垂直方向預警值10 mm;最小預警值為水平方向1 mm，垂直方向2 mm;可根據實際情況設置多級預警值。

3.2壩體內部位移監測

尾礦庫壩體內部位移監測主要是堆積壩代表性子壩壩體內部位移監測和庫基底內部位移監測。

常見的壩體內部位移監測設備有測斜兼沉降儀和垂直水平位移計。垂直水平位移計由沉降位移監測和水平位移監測組成，一般同時布置。這種設備觀測數據精度較低，易受摻氣、滲漏、線路、不均勻沉降等的影響，而且埋設安裝難度較大。測斜兼沉降儀系統則采用由活動式測斜儀和電磁式沉降儀組成的埋設在壩體中的測斜管、沉降管進行觀測，在施工初期就能進行埋設和觀測，并對位移進行累加記錄，可監測到整個施工期壩體內部位移情況。

根據壩體內部位移監測的國家相關規范要求，柳樹箐磷石膏尾礦庫擬采用不銹鋼測斜兼沉降儀系統，在一般尾礦庫50 m孔深以內，其精度可以達到或優于2mm。結合工程的實際情況，由于其壩體較大，分別在第四級、第六級、第八級子壩表面位移監測點附近布設3條監測垂線，其中第六級子壩的監測垂線設在壩體中軸線附近；3級子壩的監測孔中分別埋設3、4、5個測斜儀兼沉降儀，共計12個。

3.3浸潤線監測

浸潤線即滲流網的自由水面線，是尾礦壩安全的生命線，浸潤線的高度直接關系到壩體穩定及安全狀況。因此，浸潤線位置的監測是尾礦庫安全監測的重要內容之一[7]。浸潤線監測范圍主要是堆積壩壩體內部。

由于特殊的監測環境，各種鋼式材料傳感器都不適合本項目的長期埋設監測，必須考慮具有防強腐蝕的陶瓷材料傳感器。本工程采用防強腐蝕液位變送器。浸潤線監測點布設見圖1。浸潤線監測點參數見表2。測壓管布設見圖2。

圖1　浸潤線監測點布設

位置標高/m壩長/m監測點數目/個監測孔間距/m備注第2級子壩1980224350沿用老孔第4級子壩1990320450沿用老孔3個,新增鉆孔1個第6級子壩2000382450第8級子壩2010450450新增鉆孔

圖2　測壓管布設示意

3.4干灘監測

尾礦壩自身的運行特點決定了干灘標高不同于其他點標高的測量，隨著尾礦壩不斷填筑加高，由于灘頂標高和設計最高洪水位下允許達到的干灘標高是2個動態指標，標高監測設備不能固定設置在某一位置。

張記峰詳細介紹了近景攝影測量在礦山尾礦庫干灘監測中的應用，結合實例進行數據處理和精度對比分析[8]。根據干灘監測的國家相關規范要求，在尾礦庫右側3#、4#豎井間布置2臺近景立體攝影測量儀。測量斷面垂直于壩軸線布置，在幾個測量結果中，選最小者作為該尾礦庫的沉積灘干灘長度監測值。沉積干灘坡度按照各測量斷面的磷石膏沉積干灘坡度加權平均計算。

3.5庫水位監測

尾礦庫內一般存有大量尾礦漿沉淀水，庫水位監測的目的是根據水位高低判斷壩體是否滿足安全要求。對于庫水位位置的監控和把握，可以直接防止尾礦庫在汛期因洪水漫頂發生潰壩事故[9]。

由于現場無法靠近或不能實現人力監控庫水位，采用遠程監控。不同的尾礦庫有著不同的實際情況和技術要求，而且庫水位參數的測量方法和測量位置不同，對監測設備的要求也有所不同。因此，在綜合研究柳樹箐磷石膏尾礦庫的實際情況及相關工程經驗的基礎上，根據尾礦庫安全監測技術規范，擬采用分體式超聲波液位計實時測量庫水位。

目前，回水庫水工壩已設置有雷達液位計實時監控。尾礦庫存水的水位則由設置于排洪回水豎井井架上的水位標尺人工讀取。本方案考慮繼續使用水工壩雷達液位計，將該臺液位計讀數納入本方案尾礦庫在線監測系統。目前正在使用的4#溢水井處安裝一臺超聲波液位計，根據庫水位的實際情況，2個不同溢水塔分為初期安裝位置和后期安裝位置，布線時充分考慮不同時期水位計的布設位置。

3.6雨量監測

隨著極端降雨造成的安全事故頻繁出現，降雨量監測越來越重要。結合實地踏勘結果和雨量計安裝點位規范，并考慮到安裝調試難度、后期維護難度等因素，選址在第六級子壩上MCU旁邊，也可在值班室房頂(即視頻監控中心房頂)，本方案選擇在值班室房頂。庫區降水預警值設計參考柳樹箐磷石膏尾礦庫設計資料、往年庫區降水量數據及庫水位等信息，可根據實際情況進行多級預警值設置。

3.7濁度監測

根據尾礦庫安全監測技術規范要求，一、二、三等庫有必要監測混濁度。實地考察后，壩體內常年有水滲出，混濁度反應出庫內漏沙情況，直接關系到尾礦庫的安全。目前，庫區尚未布置濁度監測設施，擬在初期壩腳處布設一臺濁度監測儀。

4結語

尾礦庫安全在線監測系統可以提高尾礦庫的安全技術和監管水平，增強對尾礦庫災害的預警響應能力。但是，我國尾礦庫安全監測的力度和方法仍然存在著一定的漏洞和局限性。主要突出表現在觀測設備陳舊，技術手段單一，監測項目不全面，自動化程度低，觀測周期長，觀測數據并不能完全反映尾礦庫實時動態變化情況。為適應發展的要求，應加快壩體表面位移變形監測、壩體內部位移監測、浸潤線監測、干灘監測、庫水位監測、雨量監測、濁度監測等主要監測項目的尾礦庫全程在線安全監測方案的推廣應用進程，為及時、準確發現尾礦庫的隱患提供技術保障。

參考文獻

[1]胡軍.基于Internet-Intranet的尾礦壩自動化安全監測系統[J].金屬礦山，2010(2)：124-132.

[2]曾群偉，謝殿榮,蘇舉端，等.尾礦庫潰壩的安全監測[J].工業安全與環保，2010，36(1)：44-46.

[3]許同樂，郎學政，裴新才，等. 基于光纖傳輸的尾礦庫安全監測預警系統研究[J]. 黃金，2011，32(7)：43-47.

[4]于廣明，宋傳旺，潘永戰，等．尾礦壩安全研究的國外新進展及我國的現狀和發展態勢[J]．巖石力學與工程學報，2014(S1)：3238-3248．

[5]國家安全生產監督管理總局．AQ 2006—2005尾礦庫安全技術規程[S]．北京：中國標準出版社，2005．

[6]國家安全生產監督管理總局．AQ 2030—2010尾礦庫安全監測技術規范[S]．北京：煤炭工業出版社，2010．

[7]于瑞杰，房志龍，張泓麟，等．尾礦庫安全在線監測技術探討[J]．金屬材料與冶金工程，2013(10)：52-58．

[8]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．

[9]張強．淺淡尾礦庫安全在線監測系統[J]．有色冶金設計與研究，2014(2)：16-17．

(收稿日期2015-12-05)

葛小博(1980—)，男，高級工程師，550081 貴州省貴陽市興黔路16。