中线法尾矿库安全在线监测方案研究

刘建东，苏 军，韩志磊

（北京矿冶研究总院，北京100160）

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所，是维持矿山进行正常生产的必要设施，同时也是矿山的重大危险源之一［1］。开展尾矿坝的安全监测工作，对提高尾矿库的本质安全状态和安全管理水平，减少和控制尾矿库运行中的危险、有害因素，减少各类隐患、降低安全风险、预防事故发生，保护企业及下游居民的生命财产安全，保持库区周边的自然环境和社会稳定等方面都具有重要意义［2］。国家安全监督管理总局于2011年9月出台规定，要求三等及三等以上尾矿库必须安装在线监测系统［3］。然而，现行技术规范对中线法尾矿库不尽完全适用，国内真正成功实施中线法尾矿库在线监测的案例寥寥无几。因此，结合德兴四号库现状，研究提出中线法尾矿库安全在线监测技术方案，为项目实施奠定了良好基础，也为类似工程提供了重要借鉴。

1 尾矿库在线监测常用技术手段

1）坝体表面位移监测：坝体表面变形监测主要采用智能全站仪或GPS监测技术。智能全站仪可以自动搜索、跟踪、辨识和精确找准目标并测量角度、距离、三维坐标以及影像信息等，其监测成本低、管理维护便捷、监测精度高，但要求全站与仪监测点之间能够通视且测量距离有限，受地形和气象条件影响大。GPS监测基于全球卫星定位系统实现坝体变形监测，具有全天候监测、抗干扰强、精度高等特点，但系统维护量大、费用相对较高。

2）坝体内部位移监测：主要使用测斜仪或沉降仪。测斜仪安装于带标准导槽的测斜管中，通过测量滑轮的倾斜长度和角度计算出横向和纵向水平位移。沉降仪通过将整套仪器安装在钻孔中来监测灌浆锚头和沉降板之间的压缩沉降变形量。

3）浸润线监测：一般采用测压管的方式测量，通常在坝体内钻凿钻孔安装测压管，在孔内安装压力传感器，通过测量孔内水压力转换为水头高度，结合安装深度及孔口高度即可得到坝体或绕坝的浸润线高度。

4）库水位监测：尾矿库的水位监测常采用接触式和非接触式方式。接触式主要通过埋设在水中的压力传感器测量水面高度，虽然精度高，但是不利于维护，传感器易于被淤泥堵塞从而影响精度和可靠性。非接触式，主要在库岸边水面以上安装超声波液位计或雷达液位计测量水面高度。

5）滩顶标高与干滩长度监测：通常采用的方法是选择监测断面，建立平面直角坐标系，使用移动GPS或超声波液位计等仪器测量监测断面上若干个点的高程，结合各测点间的距离计算出于滩坡度，或拟合出干滩曲线方程，再利用库水位、滩顶标高分别得出干滩与库水面和尾矿坝外坡面的交点，从而求出干滩长度或安全超高。近几年国内发展了激光测量干滩和摄影测量干滩等技术［4－5］，但成本较高、应用效果一般。

6）尾矿库安全在线监测系统软件平台：软件是在线监测系统的核心，主要提供以下功能：①数据采集、处理、存储与分析；②数据管理、查询、生成图表、打印、报表、故障诊断；③网络发布，提供客户端远程网络访问功能；④综合报警，当监测数据超出预设的报警阈值时，系统依据设定的报警条件发出声光或短信报警信息以提醒管理人员。近几年，北京矿冶研究总院开发了基于webgis的尾矿库安全监测三维软件平台，通过该平台可在三维环境中实时查看监测信息，实现尾矿库安全状况三维动态演变模拟，为尾矿库的安全管理提供有力支持［6］。

2 中线法尾矿库在线监测实施的技术难点

中线法尾矿筑坝是以确定的坝轴线，利用分级的沉砂尾矿升高筑坝。其尾矿分级方法是采用水力旋流器进行分级，粗粒级尾矿堆积到坝轴线下游尾矿堆积区，溢流尾矿排放到坝轴线上游库内充填的筑坝［7］。受坝体规模、坝体形态、堆坝工艺等因素影响，中线法尾矿库在线监测系统实施起来要比上游法尾矿库复杂得多，主要体现在：①中线法尾矿坝规模较大，若完全按照现行在线监测规范布置监测点（如浸润线监测），将导致监测点数量庞大，一方面会影响坝面施工作业，另一方面也将造成工程投资的不必要浪费，必须根据具体情况优化监测点布置，提高监测系统的经济性和适用性；②中线法尾矿库的筑坝工艺，决定了在运行期内坝面总是处于不断被覆盖的动态抬升过程中，在坝面布置监测设备或设施，必须考虑后期被尾砂“淹没”的问题；③经旋流器分级后，排放到库内的尾矿粒径较细，滩面极为细软，安装干滩监测设备较困难；④中线法尾矿堆积坝较高、坝面范围较大，部分监测点要求选择大量程监测设备，必须考虑设备量程、精度匹配问题；⑤中线法尾矿坝地势开阔，易遭雷害，对在线监测系统防雷和接地要求较高。

3 中线法尾矿库安全在监测方案

3.1 尾矿库概况

德兴铜矿四号尾矿库位于大山选厂以北的西源大沟内，属山谷型尾矿库，采用中线法筑坝工艺，堆积坝利用旋流器二段分级后生产的粗砂进行堆筑，溢流直接入库。该库设计总库容8.35亿m3，有效库容为7.7亿m3，汇水面积14.3km2。初期坝为黏土斜墙堆石坝，坝顶标高110.00m，坝底标高72.00m，坝高38m，坝顶宽10m。初期坝以上采用尾砂筑坝，堆积坝采用中线式分期堆筑，最终坝顶标高为＋280m，总坝高为208m，平均内坡比为1∶2.5，外坡比为1∶3.0。当前堆积坝顶标高为249.0m，外坡比为1∶5.3，顶宽40m。坝体下游为农田及村庄，下游一带地势较为平缓开阔，一旦发生溃坝，危险性极大。

3.2 监测内容选择

德兴铜矿四号库为二等尾矿库，考虑到中线法尾矿坝外坡总处在动态变化过程中，实施位移在线监测存在困难也缺乏实际意义，因此本方案不设位移在线监测，采用人工观测代替。根据德兴铜矿四号库中线法堆坝工艺及运行管理需要，设计在线监测内容包括浸润线、干滩、库水位、降雨量、渗流量及重要场所的视频监控，各监测点的布置见图1。

3.3 监测系统架构

采用现场监测站、监测管理站、监测管理中心站三级架构，如图2所示。监测站用于在线实时获取各种监测数据，由前端各类监测设备、数据采集装置、数据转换与传输模块等组成；监测管理站设在尾矿工段值班室，由数据采集服务器、管理查询服务器、数据转换模块、报警模块等组成，主要实现数据的采集、存储、显示、查询、报警等功能；监测管理中心站设在精尾厂办公楼，由数据存储服务器、管理发布服务器、视频服务器、大屏幕展示系统等组成，负责监测数据的展示及远程网络发布。

图1 监测点布置

图2 监测系统架构图

3.4 监测方案设计

3.4.1 浸润线监测

浸润线监测点布置本着“经济、科学、合理”的原则，设计在垂直坝轴线方向布置四个监测断面，相邻两个断面之间的距离150～200m；除4＃监测断面因受下游山体遮挡布置3个监测点外，其他三个监测断面均布置6个监测点，监测点间距80～150m。如图3所示，沿监测断面方面上，靠近中线附近浸润线较陡，监测点布置密集；靠近下游拦砂坝附近，浸润线平缓，监测点布置相对稀疏。

图3 浸润线监测剖面图

浸润线钻孔深度以见水后再下钻2m为准。本次设计安装的浸润线传感器满足坝体加至最终坝高（坝面抬升20～40m不等）时的监测需要。因靠近中线附近浸润线随坝面抬升变化较大，在各监测断面临近中线附近三个孔内上、下各设1个传感器，量程分别为17m、35m；靠近下游拦砂坝附近浸润线随坝面抬升变化较小，故各监测断面临近拦砂坝的三个孔内安装1个传感器，量程35m。

受选矿工艺影响，德兴四号库水中富含钙镁离子，易与空气中的氧气和二氧化碳结合固化成钙，从而导致渗压计表面结钙失效，采取以下方式解决：①选择一次性埋设并使用通气式渗压计，减少测压管内空气流动，降低结钙速度；②埋设前用清水充分浸泡渗压计透水石；③在测压管透水段的反滤层中添加氯化钠浸泡后的软水滤料；④在测压管外使用土工布包裹氯化钠浸泡的软水滤料。

3.4.2 干滩监测

在坝顶内坡底布置3个滩顶高程监测点，利用超声波物位计监测滩顶高程。德兴四号尾矿库采用坝前均匀放矿，干滩坡度变化不大，设计采用人工监测干滩坡度，结合干滩高程和库水位数据，可计算出干滩长度。

干滩监测实施重点为传感器立杆安装，考虑到滩面细软，可铺设简易浮桥至施工地点，采用沉桶方式从桶内挖尾砂，沉桶下沉至设计位置后封底并浇筑混凝土基础。

3.4.3 视频监控

中线法尾矿库坝面范围较大，为获得较好视频监控效果，在坝顶两侧和坝坡两侧共布置5个视频监控点，采用高清激光夜视摄像机，可实现500m长距离高分辨率夜视；在拦沙池、泄洪斜槽、回水斜槽等位置，设置4台高清低照度网络红外枪机（球机），实现重点部位24小时实时连续监看。

3.4.4 其他监测项

在库内回水斜槽处，安装超声波液位计监测库水位。在西侧坝顶分级机站处容栅式雨量计监测降水量。在坝底渗流汇集处采用量水堰方式监测渗流量。

3.4.5 系统供电

为提高系统供电可靠性，设计采用多层次、高冗余的不间断供电方案：①正常情况下，采用工业电源直接供电；②工业电源发生中断后，由应急EPS电源提供不小于8小时的稳定供电；③应急EPS电源电量耗尽时，可人工启动现场值班室内的汽油发电机为系统供电。另外，在泄洪斜槽和回水斜槽等处配置风光互补供电系统，为提供现场监测设备辅助供电。

3.4.6 系统通信

为提高系统的健壮性和可靠性，采用“有线＋无线”环网冗余的通信方案。环网路线为：工段值班室－西坝－2＃回水斜槽－东坝坝肩－东坝坝坡－工段值班室，其中2＃回水斜槽－东坝坝肩之间为无线通信。此外，在坝顶西分级站和东侧坝肩之间再设置一对无线传输设备，形成局部有线无线环网，进一步提高通信线路可靠性。

3.4.7 接地防雷

系统防雷从电源防护、设备防护、直击雷防护、接地网建设、等电位连接、线路防雷等方面全方位整体考虑。设计沿坝体两侧岸坡和坝顶埋设接地扁铁，并与沿途监测设备接地体连接形成接地网，值班室、回水斜槽等无法并入接地网的地方应单独制作接地体，要求接地电阻小于4Ω。值班室供电系统采用三级防护，即值班室入户电源加装一级SPD浪涌保护器，在UPS供电前端加装二级SPD浪涌保护，用电设备之前加装三级SPD浪涌保护。室外基站和防护箱内电源增设二级SPD浪涌防护，各类弱电信号均设置相应SPD浪涌保护。

4 结语

通过分析中线法尾矿坝浸润线分布规律，优化浸润线监测点布置。针对中线法尾矿库坝体规模大、库区范围广、监测节点多等特点，提出了多层次冗余供电、环网冗余通信、多级防雷保护等系统安全防护措施，提高了在线监测系统应对极端恶劣气象条件的能力。实践中，必须结合中线法尾矿坝形态、特征及具体监测需要，合理选择满足量程和精度要求的监测设备；针对诸如渗压计结钙、滩面立杆困难等特殊复杂条件，必须提出具体应对措施，精心组织施工，方能保证在线监测系统顺利实施。

［1］ 李全明，陈仙，王云海.基于模糊理论的尾矿库溃坝风险评价模型研究［J］.中国安全生产科学技术，2008，4（6）：57－61.

［2］ 李亚龙，刘玉峰.矿山尾矿坝变形监测技术综述［J］.中国钼业，2012，36（5）：17－20.

［3］ AQ2030－2010，尾矿库安全监测技术规范［S］.2010.

［4］ 李道明，余国平，沈楼燕，等.尾矿库干滩自动化监测预警系统应用研究［J］.现代矿业，2014（4）：42－44.

［5］ 张记峰，李少波.近景摄影测量在矿山尾矿库干滩监测中的应用［J］.现代矿业，2014（6）：54－57.

［6］ 张宣，张元生，张达，等.基于webgis的尾矿库安全监测系统设计与实现［C］.第三届全国数字矿山高新技术成果交流会论文集，2014.

［7］ 王柏纯，王臣，顾全钢，等.一种加高扩容老尾矿库的新型技术［C］.2010年中国矿业科技创新与应用技术高峰论坛论文集，2010.