黑山水泉溝尾礦庫安全在線監測系統的應用

張麗莎 溫海民 王福生

(1．河北鋼鐵集團礦業有限公司承德黑山鐵礦，河北承德 067000;2．河北聯合大學礦業工程學院采礦系，河北唐山 063009)

截至2010年年底，全國共有尾礦庫11 946座(其中:在用庫6 640座，在建庫1 507座，停用庫1 710座，已閉庫2 089座)，其中，四五等小型庫占尾礦庫總量的94．1%。沒有正規設計、沒有按設計或規范施工、未批先建、未取得安全生產許可證擅自生產的現象在一定范圍內依然存在，尾礦庫“小、散、亂、差”，其安全狀況尚未得到根本改變。同時，我國大部分尾礦庫安全運行的主要技術參數如壩體位移、庫水位、浸潤線埋深等，均由人工定期用傳統儀器到現場進行測量(部分還沒有觀測手段)，安全監測工作量大、受天氣、人工、現場條件等許多因素的影響，存在一定的系統誤差和人工誤差。同時，人工監測還存在不能及時監測尾礦庫的各項技術參數，難以及時掌握尾礦庫各項安全技術指標等缺點，這些都嚴重影響尾礦庫的安全生產和安全管理水平。

截至2011年年底，全國已有300余座尾礦庫安裝了在線監測系統。尾礦庫在線監測系統監測的壩體位移、浸潤線、庫水位、庫區影像，是利用現代電子、信息、通信及計算機技術，實現對尾礦庫監測指標數據實時、自動、連續采集、傳輸、管理及分析的監測技術。為貫徹國家安全監管總局相關文件及省局工作部署要求，實施尾礦庫在線監測系統勢在必行。2010年10月，冀孚晟公司對黑山礦業尾礦庫進行了實地勘察，經過與礦方協商，我們最終確定本次主要監測浸潤線、庫水位，并通過計算估算出干灘長度。

1 工程概況

黑山鐵礦是國家大型黑色金屬礦山企業，是承鋼公司重要的鐵精粉原料生產基地，年產鐵精粉60多萬噸，其水泉溝尾礦庫1986年5月建成投入使用，距選礦一車間1．3 km。尾礦庫初期壩為粉質粘土壩，初期壩橫斷面為梯形，壩頂寬4．0 m，長約130．0 m，壩頂標高548．30 m，壩基軸線處壩底標高520．0 m，壩高28．3 m，初期壩外壩坡比1∶2．5，內壩坡比1∶2．5，初設計最終標高為600 m，總庫容為713萬m3，服務年限為13年。1995年做了加高設計，壩堆積標高加高到615 m，總庫容增加到1 096．5萬m3，服務年限增加17．2年，2011年做了加高設計，壩堆積標高加高到650 m，總庫容增加到2 413萬m3，服務年限增加為23．4年。標高自600 m～615 m的壩外坡比為1∶3。目前尾礦庫實測結果為:現狀堆積壩壩頂高程608 m，沉積灘灘頂高程606．8 m，庫內水位高程602．5 m，沉積灘干灘長度378 m，干灘平均坡度1．14%，現尾礦庫等別為二級。

2 尾礦庫安全在線監測系統

2．1 系統功能

尾礦庫在線監測系統是利用傳感器技術、信號傳輸技術，以及網絡技術和軟件技術，從宏觀、微觀相結合的全方位角度，來監測影響尾礦庫及壩體安全的各種關鍵技術指標，記錄歷史、現在的數據，分析未來的走勢，以便輔助企業及政府決策，提升尾礦庫安全保障水平，有效防范和遏制重特大事故發生。

系統依托智能的軟件系統，建立分析預警模型，實現與短消息平臺相結合，當發生異常時，及時自動發布短消息到礦方管理人員，盡快啟動相應的預案。

2．2 監測內容

尾礦庫在線監測系統實現了對尾礦庫運行狀態影像監控、尾礦壩位移(表面、內部);壩體浸潤線及地下水孔隙壓力、庫內水位、干灘指標的自動監測。

2．3 系統組成

系統由庫區數據采集裝置、庫區信號接收及處理裝置、庫區機房及計算機管理系統、無線信號傳輸裝置、企業調度指揮中心五部分組成。其中:企業調度指揮中心平臺接收無線網絡傳輸的數據，實時通過軟件管理平臺展示相關信息及管理預警信息、處理結果等自動存儲備份。調度中心機房建設應按照國家相關規范建設。主要放置電視大屏、監測終端、服務器群、軟件管理平臺及輔助設備。系統已建立開放的數據接口，通過公用互聯網，根據政府監管部門需要，適時接入或遠程查看。尾礦庫在線監測系統主要參考的視頻、數據包括:位移監測單元、視頻監控單元、庫水位監測單元、浸潤線/干灘監測單元。

2．4 監測點的布設及設備選型

1)選擇原則。根據尾礦庫安全監測技術規范，壩體位移監測斷面宜選在最大壩高斷面、合龍段、有排水管通過的斷面、地基工程地質變化較大的地段及運行有異常反應處。壩體滲流壓力監測橫斷面宜選在最大壩高處、合龍段、地形或地質條件復雜壩段;監測橫斷面上的測點布置，應根據壩型結構、斷面大小和滲流場特征確定。

2)壩體位移監測。沿壩體垂直方向向庫內(水面方向)設置位移監測3個剖面共3個位移監測點，系統另設2個基準點，合計共5個位移監測點。位移監測所采用的GPS技術，可進行高精度、全天候的三維變形監測。數據采集每秒1次，以12 h或24 h為周期進行解算。

3)浸潤線、庫水位監測。浸潤線監測儀器埋設位置的選擇，根據AQ 2006-2005尾礦庫安全技術規程中規定的計算工況所得到的壩體浸潤線位置來埋設。在作壩體抗滑穩定分析時，設計規范規定浸潤線須按正常運行和洪水運行兩種工況分別給出。設計時所給出的浸潤線位置應是監測儀器埋設深度的最重要的依據。

共設立3個剖面，一共安裝7個滲壓傳感器，1個庫水位監測點，其安裝示意圖如圖1所示。

通過在尾礦庫壩剖面上布置的測量點，每個測量點上先打孔，將測壓管埋入孔中，再將滲壓傳感器安裝到測壓孔內。通過測量測壓管內水壓，計算出測壓管內水位H1，根據埋入測壓管的長度H，最后計算出該測量點浸潤線深度。

圖1 庫水位浸潤線最大剖面示意圖

監測儀器埋設深度的確定:監測儀器埋設深度根據設計時所給出的浸潤線位置來定，確定浸潤線位置后，根據AQ 2006-2005尾礦庫安全技術規程一般測壓傳感器應該安裝在浸潤線以下1 m～1．5 m 處。

對庫水位的監測根據具體現場情況，選擇在庫內排水構筑物旁，尾礦澄清水區域安裝一個庫水位監測點，將所測信號傳給室內接收機處理得到庫水位，既準確，又適時。

4)干灘指標監測。系統根據灘頂高程、庫水位綜合監測出干灘高程，并通過沉積灘的坡比，實時展現干灘的實際長度。

5)尾礦庫運行狀態影像監控。尾礦庫視頻監控主要用來取代人工庫區日常巡檢，實時掌握尾礦庫庫區表面的情況和運行狀況。通常在壩體、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設置視頻監控裝置，通過現場攝像及數據傳輸系統，在主控制機能夠高清晰的觀察尾礦庫生產放礦及筑壩等運行情況，并且可以作為尾礦庫現場調度管理的有效手段。

3 實際應用效果

1)系統精度。黑山水泉溝尾礦庫自動化在線監測系統經過一年多的運行，目前運行穩定，監測數據準確可靠。每個監測項目的系統精度如下:a．浸潤線監測精度:尾礦庫浸潤線滲壓計監測精度小于30 mm;b．庫水位監測精度:尾礦庫水位的監測精度小于20mm;c．干灘長度監測精度:尾礦庫干灘長度通過曲線擬合計算，干灘長度小于10 m。2)系統效果。黑山水泉溝尾礦庫在線監測系統實現了尾礦庫浸潤線、庫水位、干灘長度等重要監測指標的實時自動化監測目標，便于企業和安全監管部門快速掌握與尾礦庫安全密切相關的技術指標的最新動態，有利于及時掌握尾礦的運行狀況和安全狀況，可以大幅度提高對于尾礦庫潰壩災害機理的認識水平，增強企業對于尾礦庫災害的預警響應能力，為黑山鐵礦的正常生產提供有力保障。

4 結語

將尾礦庫的安全管理納入現代科學的范疇之內，科學、及時、有效的監測監控，以確保人民生命財產的安全和社會的穩定。

［1］田文旗，薛劍光．尾礦庫安全技術與管理［M］．北京:煤炭工業出版社，2006．

［2］林 昭．碾壓式土石壩設計［M］．鄭州:黃河水利出版社，2003．

［3］AQ 2030-2010，尾礦庫安全監測技術規范［S］．

［4］ZBJ 1-90，選礦廠尾礦設施設計規范［S］．

［5］AQ 2006-2005，尾礦庫安全技術規程［S］．

［6］《尾礦壩設計手冊》編委會．尾礦壩設計手冊［M］．北京:冶金工業出版社，2007．

［7］《尾礦設施設計參考資料》編寫組．尾礦設施設計參考資料［M］．北京:冶金工業出版社，1980．

［8］鄭樹剛，謝 理．尾礦在線監測技術現狀及趨勢［A］．2011年第四屆全國尾礦庫安全運行技術高峰論壇論文集［C］．2011．