尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀及對策分析

倪 微，鄭 紅

（中船重工（武漢）凌久高科有限公司，湖北 武漢 430074）

尾礦庫是保存精礦篩選后“殘留”廢渣的重要設(shè)施，長期堆存易成為具有高勢能的人造泥石流危險源，一旦發(fā)生潰壩事故會帶來巨大的財產(chǎn)損失與人員傷亡[1]。根據(jù)國家應(yīng)急管理部統(tǒng)計資料顯示，截至2020 年3 月，我國仍有尾礦庫8000 余座，其中“頭頂庫”為1112 座，對下游居民的安全造成巨大的威脅。如何保證尾礦庫的安全運(yùn)行逐漸成為制約礦業(yè)發(fā)展的瓶頸問題[2]。

隨著國家大力加強(qiáng)尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，對尾礦庫的安全生產(chǎn)起到了巨大的促進(jìn)作用[3]。與此同時，尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)存在覆蓋面小，穩(wěn)定性差，風(fēng)險預(yù)警能力小等問題。張家榮等人[4]通過尾礦庫潰壩泄漏的事故統(tǒng)計分析以及劉紫曜[5]通過對我國尾礦庫動態(tài)監(jiān)測的現(xiàn)狀分析，都說明了尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的必要性與可行性；白旭東[6]提出一方面通過優(yōu)化尾礦庫在線監(jiān)測安全管理方案，另一方面通過監(jiān)測系統(tǒng)維護(hù)與人際協(xié)作等方式提高尾礦庫安全管理水平，但這些研究都沒有針對尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出具體的改善措施。

本文首先介紹了尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成模塊與功能框架，通過對我國尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，研究其在運(yùn)行及推廣過程中存在的問題，并提出具體對策建議，為尾礦庫的安全監(jiān)測與安全管理決策提供有力支持，以期提高尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警能力，保障企業(yè)的安全生產(chǎn)。

1 尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由四部分組成：第一部分為現(xiàn)場傳感模塊，主要由表面位移、內(nèi)部位移監(jiān)測，降雨量、庫水位、浸潤線、滲流量監(jiān)測與視頻監(jiān)控等子系統(tǒng)組成；第二部分為數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊，具體功能為利用多點(diǎn)同類信號采集儀對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后傳輸至尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)；第三部分為現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備模塊，本模塊通過對各子系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，向監(jiān)測中心值班人員提供日常管理數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)以及報警數(shù)據(jù)；第四部分是中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)布數(shù)據(jù)模塊，企業(yè)各級部門可通過此模塊隨時查看尾礦庫整體運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)不同狀態(tài)采取不同應(yīng)對措施。系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1 所示：

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

如圖1 所示，尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)通過對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和上傳，通過企業(yè)局域網(wǎng)與指定服務(wù)器，向公司各級別管理人員與地方應(yīng)急管理部門實(shí)時發(fā)布尾礦庫運(yùn)行信息。通過以上四個部分共同作用，尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)具有采集、顯示、存儲、通信與報警等功能，可對尾礦庫的實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警與報警。

1.2 尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)功能

尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有基礎(chǔ)的系統(tǒng)管理功能、監(jiān)測信息迅速響應(yīng)報警功能、監(jiān)測報警數(shù)據(jù)跟蹤記錄功能、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理及可視化功能與應(yīng)急救援功能。

（1）尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備基本的用戶分級的權(quán)限管理功能，不同級別的人員具有查看或者編輯系統(tǒng)參數(shù)的權(quán)限；具有用戶賬戶及密碼管理，系統(tǒng)采集、傳輸及存儲數(shù)據(jù)的定期備份及恢復(fù)功能；具有詳細(xì)的用戶操作手冊，為操作人員提供在線指導(dǎo)及幫助。除了用戶信息管理，操作人員可以在系統(tǒng)對不同尾礦庫監(jiān)測參數(shù)的各級預(yù)警及報警的閾值進(jìn)行設(shè)置，并支持用戶對各類監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù)報表進(jìn)行編輯以及導(dǎo)出，用戶可以通過系統(tǒng)巡查等功能檢測各類傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸?shù)裙ぷ鳡顟B(tài)。

（2）尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)對實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)即將超過或已超過警戒值時，應(yīng)當(dāng)通過醒目文字、語音短信、閃爍燈光等形式向安全管理人員發(fā)出預(yù)警及警報，管理人員應(yīng)在極短的時間做出反應(yīng)，否則監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)持續(xù)或者向更高一級的管理人員發(fā)出警報。

（3）在線監(jiān)測系統(tǒng)還應(yīng)對歷次預(yù)警及報警數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤記錄。尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)通過實(shí)時記錄預(yù)警、報警信息點(diǎn)位的基本信息，并對點(diǎn)位的安全狀態(tài)及安全參數(shù)提高監(jiān)測記錄頻率。除此之外，監(jiān)測系統(tǒng)還應(yīng)對預(yù)警及報警信息的頻率、變化趨勢進(jìn)行記錄與分析，可供操作人員隨時調(diào)閱報警參數(shù)與趨勢曲線。

（4）除了監(jiān)測、預(yù)警及報警功能，系統(tǒng)還應(yīng)根據(jù)尾礦庫的安全管理體系、監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警及報警數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)歷史變化趨勢曲線，向操作人員展示相應(yīng)的應(yīng)急救援預(yù)案（預(yù)案由用戶提前上傳至系統(tǒng)），并能對尾礦庫的應(yīng)急救援物資、救援專家與救援隊伍的信息進(jìn)行管理，而且具有操作人員可對特定救援人員進(jìn)行群呼等功能。

2 尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

為保障尾礦庫安全運(yùn)行，保護(hù)下游居民的生命及財產(chǎn)安全，國家持續(xù)建立健全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系，先后發(fā)布AQ 2030-2010《尾礦庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、GB 51108-2015《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。通過持續(xù)推廣先進(jìn)適用技術(shù)，目前我國三等以上的尾礦庫已全部建立在線安全監(jiān)測系統(tǒng)。不過，2001 年至2015 年間，我國仍發(fā)生各類尾礦庫事故99 起，其中潰壩事故69 起，占比69.7%，對下游環(huán)境與人民生命財產(chǎn)安全帶來了巨大損失。近幾年尾礦庫事故發(fā)生的重要原因之一就是在線監(jiān)測系統(tǒng)未達(dá)到要求的監(jiān)測預(yù)警功能，導(dǎo)致尾礦庫安全風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警機(jī)制未能起到有效的作用。由于我國的尾礦庫種類繁多，分布極廣，且所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，相當(dāng)一部分尾礦所處的環(huán)境氣候、通信條件極差，導(dǎo)致尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本高，很多中小企業(yè)難以承受系統(tǒng)的更新及維護(hù)成本，所以尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)面臨以下問題：

（1）占尾礦庫數(shù)量最多的四等、五等庫大都尚未安裝尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)。由于尾礦庫發(fā)展較久，且政府對于低等別尾礦庫監(jiān)管較松，并沒有提出對四等、五等尾礦庫的在線安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)要求，所以低等別尾礦庫的安全管理工作更為粗放；另一方面，四等與五等這類低等庫與個別的高等庫仍采用人工監(jiān)測的形式，由工作人員攜帶傳統(tǒng)儀器到尾礦庫現(xiàn)場，對浸潤線、干灘等項(xiàng)目進(jìn)行測量與數(shù)據(jù)采集工作，不僅工作量大，而且易受惡劣天氣的影響，一旦出現(xiàn)惡劣天氣，操作人員將無法及時獲取尾礦的最新狀態(tài)，且受人工測量誤差大的影響，壩體即使出現(xiàn)隱患也無法及時分析并做出有效的應(yīng)急管理措施，故低等別尾礦庫面臨更高的潰壩風(fēng)險。

（2）企業(yè)建立的尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)未能正常運(yùn)行，或缺少部分功能，或未按照尾礦庫等別配置齊全的監(jiān)測設(shè)備，且未配備專業(yè)的系統(tǒng)維護(hù)人員。由于尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行成本較高，不少中小企業(yè)難以維持，在線監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)與校正工作不能保證，系統(tǒng)未能正常運(yùn)行，常常是監(jiān)測指標(biāo)不滿足國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，或根本沒有運(yùn)行，且在尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)故障下，缺少專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行及時的更新與維修工作，這類情況在二等、三等與四等尾礦庫中存在較多，故無法保證尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警的功能要求。

（3）尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)外部監(jiān)測設(shè)備的精度達(dá)不到規(guī)定的要求，且可靠性較差。不少尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)初期建設(shè)混亂，監(jiān)測設(shè)備質(zhì)量良莠不齊，在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目與技術(shù)要求不一致，且監(jiān)測設(shè)備的可靠性與耐用性較差，難以保證監(jiān)測時長與通信的穩(wěn)定性，不能滿足在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行的要求。與此同時，監(jiān)測項(xiàng)目與技術(shù)要求的差異導(dǎo)致地方應(yīng)急管理部門建設(shè)統(tǒng)一的預(yù)警平臺十分困難，不同尾礦庫企業(yè)之間監(jiān)測數(shù)據(jù)指標(biāo)不同導(dǎo)致應(yīng)急管理部門數(shù)據(jù)采集工作難以推進(jìn)，地方政府監(jiān)測預(yù)警平臺的風(fēng)險防控能力被大大降低。

（4）尾礦庫位置大都較為偏僻，多為人跡罕至的山區(qū)，尾礦庫安全管理模式較為落后，很多尾礦庫的壩體巡檢人員及安全監(jiān)測人員不具備相關(guān)專業(yè)知識，不能對監(jiān)測及預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行有效、及時地分析處理，同樣降低了尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警能力。

3 對策分析

結(jié)合尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，本文提出以下幾方面的對策，以提升在線監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力與風(fēng)險防控能力。

（1）推動尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)的發(fā)展。軟件開發(fā)企業(yè)將監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)端部署在云端，企業(yè)根據(jù)尾礦庫實(shí)際情況定制所需產(chǎn)品（例如不同尾礦庫有不同監(jiān)測指標(biāo)類別與精度的要求等），企業(yè)無需購買硬件、軟件與專職系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)人員，軟件服務(wù)機(jī)構(gòu)自動將監(jiān)測系統(tǒng)采集與報警數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶，可減少尾礦庫企業(yè)的資金與人員投入，同時也使得在線監(jiān)測系統(tǒng)更加規(guī)范化，促進(jìn)尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的配置與推廣。

（2）進(jìn)一步擴(kuò)大尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋范圍，對低等別的尾礦庫，可降低監(jiān)測指標(biāo)，通過前期的風(fēng)險評估，確定易導(dǎo)致潰壩的風(fēng)險點(diǎn)，對個別風(fēng)險點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測；與此同時，加強(qiáng)政府監(jiān)管，通過加強(qiáng)對尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀評價與可靠性評估（包括在線監(jiān)測系統(tǒng)的安全性、適用性、耐久性與穩(wěn)定性），以及落實(shí)整改機(jī)制，減少尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)“建而不用”等問題，提高尾礦庫安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警能力。與此同時，低等別尾礦庫中的濕排尾礦庫要實(shí)現(xiàn)對壩體位移、浸潤線、庫水位等的在線監(jiān)測和重要部位的視頻監(jiān)控，干式堆存尾礦庫要實(shí)現(xiàn)對壩體表面位移的在線監(jiān)測。

（3）除了進(jìn)一步擴(kuò)大尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)在不同等別尾礦庫中的覆蓋范圍，另一方面，可通過結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)研究尾礦庫中尾礦砂的級配曲線、抗剪強(qiáng)度等基礎(chǔ)參數(shù)為尾礦庫風(fēng)險評估提供基礎(chǔ)參數(shù)，從而幫助確定尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測指標(biāo)；通過結(jié)合FLAC 等有限元軟件建立尾礦庫計算模型，計算并分析尾礦壩在尾礦庫正常作業(yè)期間的靜力學(xué)與動力學(xué)行為，得出尾礦壩的應(yīng)力、應(yīng)變、速度等指標(biāo)的分布規(guī)律，以優(yōu)化尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的工作效率。尾礦庫在線監(jiān)測方案優(yōu)化流程如圖2 所示，結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究影響尾礦壩穩(wěn)定性的相關(guān)因素，最后通過尾礦庫的風(fēng)險評估優(yōu)化尾礦庫的監(jiān)測方案，調(diào)整監(jiān)測指標(biāo)，監(jiān)測點(diǎn)位及基礎(chǔ)參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化尾礦庫在線安全監(jiān)測的目標(biāo)。

圖2 尾礦庫在線監(jiān)測方案優(yōu)化

（4）采用冗余配置在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信模塊，利用有線通信與5G 無線通信相互輔助的方式增加系統(tǒng)通信與傳輸?shù)目煽慷龋惶岣弑O(jiān)測設(shè)備要求，以滿足在高溫、高濕以及山區(qū)低溫干燥等惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性，降低設(shè)備的失效率及更換頻率，在降低設(shè)備換代成本的同時也保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)高效、持續(xù)記錄；提高尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的硬件雷電防護(hù)能力。

（5）通過建立地方政府的綜合監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)平臺，推進(jìn)不同等別尾礦庫監(jiān)測項(xiàng)目、技術(shù)要求規(guī)范化建設(shè)。地方各級應(yīng)急管理部門要建立完善尾礦庫安全風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警信息平臺，實(shí)現(xiàn)與企業(yè)尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的互聯(lián)互通；同時，各省的尾礦庫安全風(fēng)險相關(guān)信息要接入國家災(zāi)害風(fēng)險綜合監(jiān)測預(yù)警信息平臺，提高尾礦庫安全監(jiān)管的信息化水平。

4 結(jié)束語

通過推動尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)發(fā)展、進(jìn)一步擴(kuò)大尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋范圍、通過加強(qiáng)對尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀評價機(jī)制、采用冗余配置在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信模塊、建立地方政府的綜合監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)平臺等方式推動尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋范圍與穩(wěn)定性。

只有政府與企業(yè)加強(qiáng)對系統(tǒng)的監(jiān)管，不斷推進(jìn)最新技術(shù)的應(yīng)用才能提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，才能提高尾礦庫企業(yè)的安全生產(chǎn)管理水平與風(fēng)險防控能力，從而保障人民的生命財產(chǎn)安全。