黑山水泉沟尾矿库安全在线监测系统的应用

张丽莎 温海民 王福生

(1．河北钢铁集团矿业有限公司承德黑山铁矿，河北承德 067000;2．河北联合大学矿业工程学院采矿系，河北唐山 063009)

截至2010年年底，全国共有尾矿库11 946座(其中:在用库6 640座，在建库1 507座，停用库1 710座，已闭库2 089座)，其中，四五等小型库占尾矿库总量的94．1%。没有正规设计、没有按设计或规范施工、未批先建、未取得安全生产许可证擅自生产的现象在一定范围内依然存在，尾矿库“小、散、乱、差”，其安全状况尚未得到根本改变。同时，我国大部分尾矿库安全运行的主要技术参数如坝体位移、库水位、浸润线埋深等，均由人工定期用传统仪器到现场进行测量(部分还没有观测手段)，安全监测工作量大、受天气、人工、现场条件等许多因素的影响，存在一定的系统误差和人工误差。同时，人工监测还存在不能及时监测尾矿库的各项技术参数，难以及时掌握尾矿库各项安全技术指标等缺点，这些都严重影响尾矿库的安全生产和安全管理水平。

截至2011年年底，全国已有300余座尾矿库安装了在线监测系统。尾矿库在线监测系统监测的坝体位移、浸润线、库水位、库区影像，是利用现代电子、信息、通信及计算机技术，实现对尾矿库监测指标数据实时、自动、连续采集、传输、管理及分析的监测技术。为贯彻国家安全监管总局相关文件及省局工作部署要求，实施尾矿库在线监测系统势在必行。2010年10月，冀孚晟公司对黑山矿业尾矿库进行了实地勘察，经过与矿方协商，我们最终确定本次主要监测浸润线、库水位，并通过计算估算出干滩长度。

1 工程概况

黑山铁矿是国家大型黑色金属矿山企业，是承钢公司重要的铁精粉原料生产基地，年产铁精粉60多万吨，其水泉沟尾矿库1986年5月建成投入使用，距选矿一车间1．3 km。尾矿库初期坝为粉质粘土坝，初期坝横断面为梯形，坝顶宽4．0 m，长约130．0 m，坝顶标高548．30 m，坝基轴线处坝底标高520．0 m，坝高28．3 m，初期坝外坝坡比1∶2．5，内坝坡比1∶2．5，初设计最终标高为600 m，总库容为713万m3，服务年限为13年。1995年做了加高设计，坝堆积标高加高到615 m，总库容增加到1 096．5万m3，服务年限增加17．2年，2011年做了加高设计，坝堆积标高加高到650 m，总库容增加到2 413万m3，服务年限增加为23．4年。标高自600 m～615 m的坝外坡比为1∶3。目前尾矿库实测结果为:现状堆积坝坝顶高程608 m，沉积滩滩顶高程606．8 m，库内水位高程602．5 m，沉积滩干滩长度378 m，干滩平均坡度1．14%，现尾矿库等别为二级。

2 尾矿库安全在线监测系统

2．1 系统功能

尾矿库在线监测系统是利用传感器技术、信号传输技术，以及网络技术和软件技术，从宏观、微观相结合的全方位角度，来监测影响尾矿库及坝体安全的各种关键技术指标，记录历史、现在的数据，分析未来的走势，以便辅助企业及政府决策，提升尾矿库安全保障水平，有效防范和遏制重特大事故发生。

系统依托智能的软件系统，建立分析预警模型，实现与短消息平台相结合，当发生异常时，及时自动发布短消息到矿方管理人员，尽快启动相应的预案。

2．2 监测内容

尾矿库在线监测系统实现了对尾矿库运行状态影像监控、尾矿坝位移(表面、内部);坝体浸润线及地下水孔隙压力、库内水位、干滩指标的自动监测。

2．3 系统组成

系统由库区数据采集装置、库区信号接收及处理装置、库区机房及计算机管理系统、无线信号传输装置、企业调度指挥中心五部分组成。其中:企业调度指挥中心平台接收无线网络传输的数据，实时通过软件管理平台展示相关信息及管理预警信息、处理结果等自动存储备份。调度中心机房建设应按照国家相关规范建设。主要放置电视大屏、监测终端、服务器群、软件管理平台及辅助设备。系统已建立开放的数据接口，通过公用互联网，根据政府监管部门需要，适时接入或远程查看。尾矿库在线监测系统主要参考的视频、数据包括:位移监测单元、视频监控单元、库水位监测单元、浸润线/干滩监测单元。

2．4 监测点的布设及设备选型

1)选择原则。根据尾矿库安全监测技术规范，坝体位移监测断面宜选在最大坝高断面、合龙段、有排水管通过的断面、地基工程地质变化较大的地段及运行有异常反应处。坝体渗流压力监测横断面宜选在最大坝高处、合龙段、地形或地质条件复杂坝段;监测横断面上的测点布置，应根据坝型结构、断面大小和渗流场特征确定。

2)坝体位移监测。沿坝体垂直方向向库内(水面方向)设置位移监测3个剖面共3个位移监测点，系统另设2个基准点，合计共5个位移监测点。位移监测所采用的GPS技术，可进行高精度、全天候的三维变形监测。数据采集每秒1次，以12 h或24 h为周期进行解算。

3)浸润线、库水位监测。浸润线监测仪器埋设位置的选择，根据AQ 2006-2005尾矿库安全技术规程中规定的计算工况所得到的坝体浸润线位置来埋设。在作坝体抗滑稳定分析时，设计规范规定浸润线须按正常运行和洪水运行两种工况分别给出。设计时所给出的浸润线位置应是监测仪器埋设深度的最重要的依据。

共设立3个剖面，一共安装7个渗压传感器，1个库水位监测点，其安装示意图如图1所示。

通过在尾矿库坝剖面上布置的测量点，每个测量点上先打孔，将测压管埋入孔中，再将渗压传感器安装到测压孔内。通过测量测压管内水压，计算出测压管内水位H1，根据埋入测压管的长度H，最后计算出该测量点浸润线深度。

图1 库水位浸润线最大剖面示意图

监测仪器埋设深度的确定:监测仪器埋设深度根据设计时所给出的浸润线位置来定，确定浸润线位置后，根据AQ 2006-2005尾矿库安全技术规程一般测压传感器应该安装在浸润线以下1 m～1．5 m 处。

对库水位的监测根据具体现场情况，选择在库内排水构筑物旁，尾矿澄清水区域安装一个库水位监测点，将所测信号传给室内接收机处理得到库水位，既准确，又适时。

4)干滩指标监测。系统根据滩顶高程、库水位综合监测出干滩高程，并通过沉积滩的坡比，实时展现干滩的实际长度。

5)尾矿库运行状态影像监控。尾矿库视频监控主要用来取代人工库区日常巡检，实时掌握尾矿库库区表面的情况和运行状况。通常在坝体、滩顶放矿处、坝体下游坡等重要部位设置视频监控装置，通过现场摄像及数据传输系统，在主控制机能够高清晰的观察尾矿库生产放矿及筑坝等运行情况，并且可以作为尾矿库现场调度管理的有效手段。

3 实际应用效果

1)系统精度。黑山水泉沟尾矿库自动化在线监测系统经过一年多的运行，目前运行稳定，监测数据准确可靠。每个监测项目的系统精度如下:a．浸润线监测精度:尾矿库浸润线渗压计监测精度小于30 mm;b．库水位监测精度:尾矿库水位的监测精度小于20mm;c．干滩长度监测精度:尾矿库干滩长度通过曲线拟合计算，干滩长度小于10 m。2)系统效果。黑山水泉沟尾矿库在线监测系统实现了尾矿库浸润线、库水位、干滩长度等重要监测指标的实时自动化监测目标，便于企业和安全监管部门快速掌握与尾矿库安全密切相关的技术指标的最新动态，有利于及时掌握尾矿的运行状况和安全状况，可以大幅度提高对于尾矿库溃坝灾害机理的认识水平，增强企业对于尾矿库灾害的预警响应能力，为黑山铁矿的正常生产提供有力保障。

4 结语

将尾矿库的安全管理纳入现代科学的范畴之内，科学、及时、有效的监测监控，以确保人民生命财产的安全和社会的稳定。

［1］田文旗，薛剑光．尾矿库安全技术与管理［M］．北京:煤炭工业出版社，2006．

［2］林 昭．碾压式土石坝设计［M］．郑州:黄河水利出版社，2003．

［3］AQ 2030-2010，尾矿库安全监测技术规范［S］．

［4］ZBJ 1-90，选矿厂尾矿设施设计规范［S］．

［5］AQ 2006-2005，尾矿库安全技术规程［S］．

［6］《尾矿坝设计手册》编委会．尾矿坝设计手册［M］．北京:冶金工业出版社，2007．

［7］《尾矿设施设计参考资料》编写组．尾矿设施设计参考资料［M］．北京:冶金工业出版社，1980．

［8］郑树刚，谢 理．尾矿在线监测技术现状及趋势［A］．2011年第四届全国尾矿库安全运行技术高峰论坛论文集［C］．2011．