爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

趙勁彤，趙長(zhǎng)中

（洛陽(yáng)鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司選礦二公司，河南欒川471500）

0 前言

尾礦庫(kù)是一個(gè)具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，是金屬、非金屬礦山企業(yè)最大的安全隱患。尾礦庫(kù)一旦失事，將對(duì)庫(kù)區(qū)下游人民生命財(cái)產(chǎn)造成災(zāi)難性危害。近年來(lái)，尾礦庫(kù)潰壩造成人員傷亡和污染物下泄事故時(shí)有發(fā)生，在造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失的同時(shí)，對(duì)環(huán)境安全造成巨大威脅。因此，加強(qiáng)尾礦庫(kù)安全監(jiān)管力度，把握尾礦庫(kù)安全現(xiàn)狀，減少安全事故發(fā)生，對(duì)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

圖1 我國(guó)尾礦庫(kù)潰壩事故致災(zāi)因素統(tǒng)計(jì)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(kù)潰壩事故的主要原因。加強(qiáng)對(duì)浸潤(rùn)線、干灘長(zhǎng)度、庫(kù)區(qū)水位、壩 體位移、降雨量等信息參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，是預(yù)防致災(zāi)因素發(fā)生的有效途徑。

過(guò)去爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)主要采用人工監(jiān)測(cè)手段對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集分析，存在著數(shù)據(jù)上的誤差性和時(shí)間上的滯后性等缺陷，隨著生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，尾礦庫(kù)庫(kù)容逐漸增大，人工監(jiān)測(cè)越來(lái)越難以滿足安全管理需求，利用當(dāng)前先進(jìn)的光纖傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)尾礦庫(kù)實(shí)施在線監(jiān)控就顯得十分必要。

1 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)簡(jiǎn)介

爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)建于1980年，由長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)總庫(kù)容5 184.8萬(wàn)m3，現(xiàn)堆積庫(kù)容為2 050萬(wàn)m3。該庫(kù)為二級(jí)庫(kù)，屬山谷型上游式堆積壩，排洪方式為塔、隧洞式排洪。設(shè)計(jì)主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)主要設(shè)計(jì)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(biāo)高為1 193 m，壩頂標(biāo)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(wú)紡?fù)凉げ家粚印?.2 m厚粗砂、小塊石過(guò)渡層、加固堆實(shí)體、大塊石護(hù)坡，加固后外坡比為1∶2.5，壩頂標(biāo)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(wàn)噸選廠擴(kuò)建，經(jīng)請(qǐng)示長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院，將選廠處理地基中的土石方運(yùn)送至初期壩夯平壓實(shí)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(zhǎng)66 m、寬51 m。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)初級(jí)壩結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 堆積壩（壩面）

爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)采取上游式尾砂堆筑。二期工程設(shè)計(jì)壩高217 m，擴(kuò)容改造后服務(wù)年限為9.8年。目前堆積壩頂標(biāo)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(jí)馬道。各級(jí)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(kù)內(nèi)干灘長(zhǎng)約380～520 m，壩軸線長(zhǎng)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(duì)壩間、壩面及壩肩的沖刷，各級(jí)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(fēng)揚(yáng)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(hù)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(kù)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(méi)封堵，目前使用6#排水塔。庫(kù)內(nèi)排水塔與尾礦庫(kù)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(guò)程中，1 275 m、1 290 m、1 300 m、1 310 m、1 320 m、1 337 m標(biāo)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(biāo)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(dǎo)出井內(nèi)的積水。該庫(kù)在1 290 m標(biāo)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(kù)底部尾沙粘土層固結(jié)，增強(qiáng)庫(kù)底部尾沙的扛剪強(qiáng)度。

1.5 觀測(cè)設(shè)施

在壩體平面布置浸潤(rùn)線人工觀測(cè)孔34個(gè)。在堆積壩體平均間隔20 m壩高布置2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)點(diǎn)和2個(gè)壩體位移沉降觀測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)已建設(shè)6個(gè)。

1.6 尾礦庫(kù)相關(guān)安全參數(shù)

尾礦庫(kù)運(yùn)行期間及洪水時(shí)的最小安全超高和最小干灘長(zhǎng)度如表2所示。經(jīng)監(jiān)測(cè)，2010年汛期期間爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)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(kù)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(zhǎng)度［4］

2 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

（1）以爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)方案為基本依據(jù)，設(shè)計(jì)院提供基本的觀測(cè)點(diǎn)位布設(shè)平面圖，按照設(shè)計(jì)要求布置施工。

（2）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能滿足夜間視頻監(jiān)控的需要和整個(gè)庫(kù)區(qū)全方位無(wú)死角監(jiān)控的需要。

（3）在線監(jiān)測(cè)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(bào)警。預(yù)留硬件接口，能與國(guó)內(nèi)主流報(bào)警主機(jī)及國(guó)家在線監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

（4）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能全面、準(zhǔn)確地反映壩體和庫(kù)區(qū)的工作形態(tài)，并能設(shè)計(jì)參數(shù)比對(duì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常跡象，運(yùn)行數(shù)據(jù)在一定時(shí)期要海量存儲(chǔ)，滿足安全生產(chǎn)管理需要，為生產(chǎn)運(yùn)行期間管理提供可靠的資料。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型既要有可靠性、先進(jìn)性、兼容性、互換性，又要體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性。在滿足安全監(jiān)測(cè)要求的前提下，力求經(jīng)濟(jì)合理。

（5）安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要滿足國(guó)家關(guān)于尾礦庫(kù)管理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定等技術(shù)要求。

2.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)的確定

美國(guó)謝潑德·米勒公司項(xiàng)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(yīng)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)。邊坡穩(wěn)定性可通過(guò)觀測(cè)壩體的位移、浸潤(rùn)線高度等來(lái)反映。漫頂可以通過(guò)觀測(cè)庫(kù)區(qū)水位、干灘高程和降雨量等來(lái)反映，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)在《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》中都作了明確規(guī)定。浸潤(rùn)線、壩體位移等技術(shù)指標(biāo)是檢驗(yàn)尾礦庫(kù)安全的重要技術(shù)指標(biāo)。因此，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中選擇浸潤(rùn)線、防洪能力、壩體位移和降雨量做為尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。由此建立的監(jiān)控系統(tǒng)包括：浸潤(rùn)線、壩體位移、庫(kù)區(qū)水位、干灘長(zhǎng)度和降雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和超限報(bào)警等部分。

2.2.1 浸潤(rùn)線在線監(jiān)測(cè)

以人工監(jiān)測(cè)的浸潤(rùn)線位置和長(zhǎng)沙院對(duì)爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)滲流計(jì)算得到的浸潤(rùn)線位置為依據(jù)，設(shè)定最佳浸潤(rùn)線在線觀測(cè)點(diǎn)18個(gè)。將整個(gè)壩面分成6個(gè)水平，每個(gè)水平設(shè)3個(gè)浸潤(rùn)線觀測(cè)點(diǎn)。采用滲壓傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，觀測(cè)孔設(shè)計(jì)滿足國(guó)家2級(jí)庫(kù)設(shè)計(jì)浸潤(rùn)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(cè)

為隨時(shí)了解尾礦壩壩面形變情況，設(shè)計(jì)在爐場(chǎng)購(gòu)尾礦庫(kù)壩面安裝位移傳感器監(jiān)測(cè)壩體的形變情況，共安裝6個(gè)光纖位移傳感器，位移傳感器如圖4所示，在應(yīng)用時(shí)先將錨固端固定在某一固定物上，傳感器與錨固端通過(guò)鋼絲繩連接，先預(yù)緊鋼絲繩，將位移傳感器調(diào)到合適測(cè)量位置，然后固定。位移形變數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸，并經(jīng)過(guò)計(jì)算得到位移形變值，顯示在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，具備報(bào)警功能。位移監(jiān)測(cè)值應(yīng)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(kù)區(qū)水位監(jiān)測(cè)

對(duì)庫(kù)區(qū)水位情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握尾礦庫(kù)在汛期期間的水位上升下降情況以及在排洪泄洪過(guò)程中的水位變化情況，確保尾礦庫(kù)水位處于最小安全超高以下，保證尾礦庫(kù)正常運(yùn)行，在6#排水塔處設(shè)計(jì)安裝水位傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)庫(kù)區(qū)水位變化，通過(guò)光纖及后臺(tái)計(jì)算得到管理者所需要的數(shù)據(jù)信息，并顯示在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，具備報(bào)警功能。水位計(jì)算精度≤±0.1 m。具體情況如圖3所示。

2.2.4 干灘長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)

干灘長(zhǎng)度是衡量尾礦庫(kù)安全性能的重要指標(biāo)之一［6］。爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)的最小干灘長(zhǎng)度在300 m，目前爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度的測(cè)量主要依賴于人工測(cè)量手段。鄭學(xué)明［7］等發(fā)明了一種基于圖像識(shí)別計(jì)算尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度的方法，計(jì)算出的干灘長(zhǎng)度精度較高，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，滿足了對(duì)尾礦壩干灘長(zhǎng)度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求。利用其方法建立干灘長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理者所需要的干灘數(shù)據(jù)信息。干灘長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度≤15 m。

2.2.5 降雨量監(jiān)測(cè)

雨量計(jì)可設(shè)在二級(jí)砂泵站處，便于數(shù)據(jù)采集和布線方便，降雨量監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)家氣象部門(mén)使用的標(biāo)準(zhǔn)一致。通過(guò)降雨量監(jiān)測(cè)，能夠方便管理者實(shí)時(shí)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(jì)的監(jiān)測(cè)精度≤±3％，分辨率為1 mm。

2.2.6 同步視頻監(jiān)控

為了實(shí)時(shí)掌握尾礦庫(kù)的運(yùn)行狀況，在整個(gè)爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)布設(shè)高清攝像機(jī)，包括排水塔、壩頂、壩面中部、壩面底部安裝攝像機(jī)，對(duì)庫(kù)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(jìn)行監(jiān)控，視頻圖像在監(jiān)控中心平臺(tái)上顯示，并可自由切換，實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)全方位監(jiān)控。通過(guò)控制，可以對(duì)觀察的畫(huà)面進(jìn)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(dǎo)出、存檔。

2.2.7 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

根據(jù)以上確定的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，結(jié)合爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)運(yùn)行實(shí)際情況，確定的爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

3 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)期效果和存在困難

3.1 預(yù)期效果

隨著公司生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，尾礦壩壩面持續(xù)升高，其存在的安全隱患越來(lái)越大，設(shè)計(jì)建設(shè)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要，該系統(tǒng)建成投產(chǎn)之后希望達(dá)到以下效果：（1）能夠使公司安全監(jiān)管部門(mén)快速獲取與爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)安全密切相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，及時(shí)掌握尾礦庫(kù)運(yùn)行狀況和安全狀況；（2）改善人工監(jiān)測(cè)存在的諸多弊端，減少人工工作強(qiáng)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(yīng)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(chǎng)溝尾礦庫(kù)是公司生產(chǎn)必不可少的組成部分，在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)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(guò)程中謹(jǐn)小慎微，有規(guī)范的施工計(jì)劃和嚴(yán)格的操作規(guī)定；

（2）系統(tǒng)建設(shè)中的光纜架設(shè)、攝像機(jī)安置點(diǎn)、浸潤(rùn)線觀測(cè)孔施工、傳感器安裝等都需要反復(fù)論證，精確計(jì)算施工，保證今后系統(tǒng)在使用過(guò)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(kù)管理工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)的運(yùn)行現(xiàn)狀，具體探討了尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)，設(shè)計(jì)了尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)與使用，能夠改善人工檢測(cè)存在的時(shí)間滯后、數(shù)據(jù)誤差較大等缺陷，便于企業(yè)快速準(zhǔn)確掌握尾礦庫(kù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和運(yùn)行狀況，提高公司對(duì)尾礦庫(kù)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(kù)壩光纖在線監(jiān)測(cè)技術(shù)［J］.山東科學(xué)，2008，21（6）.16－20.

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

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

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

［5］鄭學(xué)明；黃金英；吳耀昕，等.一種基于圖像識(shí)別計(jì)算尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度的方法［P］.中國(guó)：200910248499，2010－06－02.