柳树箐磷石膏尾矿库在线安全监测方案设计

葛小博　张建博　席灿勇

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司；2.三峡大学水利与环境学院)



柳树箐磷石膏尾矿库在线安全监测方案设计

葛小博1,2张建博1席灿勇1

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司；2.三峡大学水利与环境学院)

摘要尾矿库安全监测是获得尾矿库运行中的各种准确数据，适时掌握尾矿库运行状态，指导尾矿库安全运行管理，预防生产事故的重要手段。通过分析我国安全监测研究现状，论述了尾矿库全程在线安全监测系统的必要性和国内尾矿库安全监测发展的态势,提出并制定了坝体表面位移变形监测(磷石膏坝和水工坝)、坝体内部位移监测、浸润线监测、干滩监测、库水位监测、雨量监测、浊度监测等主要监测项目的在线安全监测方案，为后期安全生产提供保障。

关键词尾矿库在线监测坝体位移浸润线干滩库水位

磷石膏尾矿库受到自然因素和人为因素的影响，其工作状态随时都在发生变化。根据国家相关规范要求和矿山企业的需求，借助计算机技术、网络技术、测控技术和现代通讯技术增强对尾矿库的安全监测和对监测设备运行状态的监测，实行多级综合监测，及时发现、处理隐患，防止事故，有利于尾矿库的安全生产，也可提高尾矿库的科学管理水平。

国内学者在尾矿库安全监测研究方面做了很多工作，为研究和开发尾矿库自动化安全监测系统提供了很好的借鉴和参考。胡军通过论述影响尾矿坝安全因素，确定了尾矿坝安全监测系统的监测内容，继而开发了基于Internet-Intranet的尾矿坝自动化安全监测系统[1]；曾群伟等通过尾矿库溃坝事故的原因分析，提出将浸润线、防洪容量、坝体位移和降雨量作为尾矿库监测预警系统的监测指标[2]；许同乐等通过分析光纤传输基本原理和其在尾矿库安全监测预警系统中的作用，提出了基于光纤传输的尾矿库安全监测预警系统[3]；于广明等综述了我国尾矿坝稳定性、抗震性能、安全管理、在线监测等方面的研究现状，并与国际上相关研究进行了对比、分析和讨论[4]。这些均表明高科技在尾矿库在线监测中的应用是我国尾矿坝安全管理发展的必然趋势。

1工程概况

柳树箐磷石膏尾矿库是湿法上游式筑坝法形成的典型山谷型尾矿库，该堆积坝的最终高程为2 070 m，堆积坝高约130 m，库底高程为1 940 m，设计总库容(有效库容)为5 905.2万m3，二等库。堆场满足堆存15～20 a磷石膏排放量的要求。

柳树箐磷石膏尾矿库初期坝设计坝顶高程为1 970 m，坝高30 m；堆积坝坝高约130 m，5 m一级形成子坝，总共20级，迎水面坡比为1∶1.5，坝后坡比为1∶2；防洪系统由排水竖井和排水隧洞组成，排水竖井共有3个；在1 994.8，2 013 m高程设置水平导渗；初期坝后布置回水系统，由调节水池和水工坝(挡水坝)组成，坝顶宽5 m，坝长约190 m，高约30 m，水池库容为130万m3。

目前，该尾矿库正在使用第十级子坝右岸部分的滩面堆存磷石膏，堆存量约1 520万m3，干滩长度约600 m。该尾矿库通过坝前均匀分散的放矿支管进行磷石膏渣浆的排放，这样可以保证粗颗粒沉积于坝前，不出现威胁堆积坝坝体安全稳定的粗、细尾矿颗粒夹层软弱滑动面。

2尾矿库安全监测系统重要性及设计原则

目前人工定期用传统仪器到现场测量收集柳树箐磷石膏尾矿库的安全运行技术参数，容易受天气、现场、人员等诸多因素的影响，而且工作量大，观测周期长，最大缺点是不能及时掌握尾矿库的各项安全技术指标和动态技术参数，这些都会对尾矿库的安全运行和管理产生重大影响。

全程在线安全监测系统将有利于企业、安全监管部门掌握最新、最准确的尾矿库运行技术指标和安全状况，将有利于尾矿库事故预防和库区人民生命财产安全保障。

柳树箐磷石膏尾矿库安全监测系统设计遵循以下几个原则：

(1)满足2个层次标准(现行国家标准和相关行业标准)的技术要求。

(2)充分考虑本工程实际，选择必要的监测项目以及合适的安全监测点；监测点布置必须体现代表性和特殊性。

(3)监测系统必须能准确、全面地监测尾矿坝及水工坝的工作状态，及时发现坝体异常迹象，为坝体现代化运行管理提供数据资料。

(4)监测系统的设计和设备选型要遵循先进、实用的原则，在满足安全监测各项基本要求的情况下做到经济合理。

3安全监测系统方案设计

柳树箐磷石膏尾矿库为二等库，根据规范要求[5]，应进行浸润线、位移、库水位、干滩、降水量等项目的监测。根据工程实际情况，还需要对尾矿库的渗流水混浊度进行监测。

3.1坝体表面位移变形监测

坝体位移是尾矿库溃坝灾害演化过程中的直观反映指标[6]。尾矿坝坝体变形率和发展速度的监测主要通过坝体下游坡变形来掌握，这样可以及时采取相应预防措施。坝体表面位移监测主要范围包括磷石膏堆积体初期坝(初始坝)、堆积子坝(堆积坝)。

坝体表面变形监测的方法很多，有人工监测方法，以传感器、激光技术和全站仪TPS为基础的自动化变形监测系统以及GPS自动化变形监测系统等。柳树箐磷石膏渣库不仅要监测磷石膏坝体表面位移，还要监测回水井上方的边坡弃土，原则上考虑采用监测范围跨度较大的GPS监测方案，但必须解决几个问题：①磷石膏坝体渗流的液体具有强酸腐蚀性，不利于GPS埋线布设；②GPS监测点的布设必须考虑防雷措施；③后期维护成本较高；④GPS监测墩不具有灵活可移动性；⑤GPS监测系统不利于系统的扩容。综合分析，在保证监测精度和施工方便的前提下，本方案设计采用全站仪监测方法。

磷石膏坝体监测点可根据规范中关于断面选择和布置方式进行布设。为了使位移监测点与浸润线监测孔一起印证、相互校核，将位移监测点就近布设在水位孔旁，同时兼顾规范中监测点布设的要求。

根据规范规定[6]：初期坝顶和后期坝顶各布设一排，每30～60 m高差布设一排，一般不少于3排。测点的间距，一般坝长小于300 m时，宜取20～100 m；坝长大于300 m时，宜取50～200 m；坝长大于1 000 m 时，宜取100～300 m。柳树箐磷石膏堆积坝、初期坝位移监测点及工作基点参数见表1。

表1　磷石膏坝体位移监测点及工作基点相关参数

目前，尾矿库坝体表面位移的预警值尚不明确，本系统初步设计为水平方向预警值10 mm,垂直方向预警值10 mm;最小预警值为水平方向1 mm，垂直方向2 mm;可根据实际情况设置多级预警值。

3.2坝体内部位移监测

尾矿库坝体内部位移监测主要是堆积坝代表性子坝坝体内部位移监测和库基底内部位移监测。

常见的坝体内部位移监测设备有测斜兼沉降仪和垂直水平位移计。垂直水平位移计由沉降位移监测和水平位移监测组成，一般同时布置。这种设备观测数据精度较低，易受掺气、渗漏、线路、不均匀沉降等的影响，而且埋设安装难度较大。测斜兼沉降仪系统则采用由活动式测斜仪和电磁式沉降仪组成的埋设在坝体中的测斜管、沉降管进行观测，在施工初期就能进行埋设和观测，并对位移进行累加记录，可监测到整个施工期坝体内部位移情况。

根据坝体内部位移监测的国家相关规范要求，柳树箐磷石膏尾矿库拟采用不锈钢测斜兼沉降仪系统，在一般尾矿库50 m孔深以内，其精度可以达到或优于2mm。结合工程的实际情况，由于其坝体较大，分别在第四级、第六级、第八级子坝表面位移监测点附近布设3条监测垂线，其中第六级子坝的监测垂线设在坝体中轴线附近；3级子坝的监测孔中分别埋设3、4、5个测斜仪兼沉降仪，共计12个。

3.3浸润线监测

浸润线即渗流网的自由水面线，是尾矿坝安全的生命线，浸润线的高度直接关系到坝体稳定及安全状况。因此，浸润线位置的监测是尾矿库安全监测的重要内容之一[7]。浸润线监测范围主要是堆积坝坝体内部。

由于特殊的监测环境，各种钢式材料传感器都不适合本项目的长期埋设监测，必须考虑具有防强腐蚀的陶瓷材料传感器。本工程采用防强腐蚀液位变送器。浸润线监测点布设见图1。浸润线监测点参数见表2。测压管布设见图2。

图1　浸润线监测点布设

位置标高/m坝长/m监测点数目/个监测孔间距/m备注第2级子坝1980224350沿用老孔第4级子坝1990320450沿用老孔3个,新增钻孔1个第6级子坝2000382450第8级子坝2010450450新增钻孔

图2　测压管布设示意

3.4干滩监测

尾矿坝自身的运行特点决定了干滩标高不同于其他点标高的测量，随着尾矿坝不断填筑加高，由于滩顶标高和设计最高洪水位下允许达到的干滩标高是2个动态指标，标高监测设备不能固定设置在某一位置。

张记峰详细介绍了近景摄影测量在矿山尾矿库干滩监测中的应用，结合实例进行数据处理和精度对比分析[8]。根据干滩监测的国家相关规范要求，在尾矿库右侧3#、4#竖井间布置2台近景立体摄影测量仪。测量断面垂直于坝轴线布置，在几个测量结果中，选最小者作为该尾矿库的沉积滩干滩长度监测值。沉积干滩坡度按照各测量断面的磷石膏沉积干滩坡度加权平均计算。

3.5库水位监测

尾矿库内一般存有大量尾矿浆沉淀水，库水位监测的目的是根据水位高低判断坝体是否满足安全要求。对于库水位位置的监控和把握，可以直接防止尾矿库在汛期因洪水漫顶发生溃坝事故[9]。

由于现场无法靠近或不能实现人力监控库水位，采用远程监控。不同的尾矿库有着不同的实际情况和技术要求，而且库水位参数的测量方法和测量位置不同，对监测设备的要求也有所不同。因此，在综合研究柳树箐磷石膏尾矿库的实际情况及相关工程经验的基础上，根据尾矿库安全监测技术规范，拟采用分体式超声波液位计实时测量库水位。

目前，回水库水工坝已设置有雷达液位计实时监控。尾矿库存水的水位则由设置于排洪回水竖井井架上的水位标尺人工读取。本方案考虑继续使用水工坝雷达液位计，将该台液位计读数纳入本方案尾矿库在线监测系统。目前正在使用的4#溢水井处安装一台超声波液位计，根据库水位的实际情况，2个不同溢水塔分为初期安装位置和后期安装位置，布线时充分考虑不同时期水位计的布设位置。

3.6雨量监测

随着极端降雨造成的安全事故频繁出现，降雨量监测越来越重要。结合实地踏勘结果和雨量计安装点位规范，并考虑到安装调试难度、后期维护难度等因素，选址在第六级子坝上MCU旁边，也可在值班室房顶(即视频监控中心房顶)，本方案选择在值班室房顶。库区降水预警值设计参考柳树箐磷石膏尾矿库设计资料、往年库区降水量数据及库水位等信息，可根据实际情况进行多级预警值设置。

3.7浊度监测

根据尾矿库安全监测技术规范要求，一、二、三等库有必要监测混浊度。实地考察后，坝体内常年有水渗出，混浊度反应出库内漏沙情况，直接关系到尾矿库的安全。目前，库区尚未布置浊度监测设施，拟在初期坝脚处布设一台浊度监测仪。

4结语

尾矿库安全在线监测系统可以提高尾矿库的安全技术和监管水平，增强对尾矿库灾害的预警响应能力。但是，我国尾矿库安全监测的力度和方法仍然存在着一定的漏洞和局限性。主要突出表现在观测设备陈旧，技术手段单一，监测项目不全面，自动化程度低，观测周期长，观测数据并不能完全反映尾矿库实时动态变化情况。为适应发展的要求，应加快坝体表面位移变形监测、坝体内部位移监测、浸润线监测、干滩监测、库水位监测、雨量监测、浊度监测等主要监测项目的尾矿库全程在线安全监测方案的推广应用进程，为及时、准确发现尾矿库的隐患提供技术保障。

参考文献

[1]胡军.基于Internet-Intranet的尾矿坝自动化安全监测系统[J].金属矿山，2010(2)：124-132.

[2]曾群伟，谢殿荣,苏举端，等.尾矿库溃坝的安全监测[J].工业安全与环保，2010，36(1)：44-46.

[3]许同乐，郎学政，裴新才，等. 基于光纤传输的尾矿库安全监测预警系统研究[J]. 黄金，2011，32(7)：43-47.

[4]于广明，宋传旺，潘永战，等．尾矿坝安全研究的国外新进展及我国的现状和发展态势[J]．岩石力学与工程学报，2014(S1)：3238-3248．

[5]国家安全生产监督管理总局．AQ 2006—2005尾矿库安全技术规程[S]．北京：中国标准出版社，2005．

[6]国家安全生产监督管理总局．AQ 2030—2010尾矿库安全监测技术规范[S]．北京：煤炭工业出版社，2010．

[7]于瑞杰，房志龙，张泓麟，等．尾矿库安全在线监测技术探讨[J]．金属材料与冶金工程，2013(10)：52-58．

[8]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．

[9]张强．浅淡尾矿库安全在线监测系统[J]．有色冶金设计与研究，2014(2)：16-17．

(收稿日期2015-12-05)

葛小博(1980—)，男，高级工程师，550081 贵州省贵阳市兴黔路16。