中線法尾礦庫安全在線監(jiān)測方案研究

劉建東，蘇 軍，韓志磊

（北京礦冶研究總院，北京100160）

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的，用以堆存金屬或非金屬礦山礦石選別后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所，是維持礦山進(jìn)行正常生產(chǎn)的必要設(shè)施，同時也是礦山的重大危險源之一［1］。開展尾礦壩的安全監(jiān)測工作，對提高尾礦庫的本質(zhì)安全狀態(tài)和安全管理水平，減少和控制尾礦庫運行中的危險、有害因素，減少各類隱患、降低安全風(fēng)險、預(yù)防事故發(fā)生，保護(hù)企業(yè)及下游居民的生命財產(chǎn)安全，保持庫區(qū)周邊的自然環(huán)境和社會穩(wěn)定等方面都具有重要意義［2］。國家安全監(jiān)督管理總局于2011年9月出臺規(guī)定，要求三等及三等以上尾礦庫必須安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)［3］。然而，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范對中線法尾礦庫不盡完全適用，國內(nèi)真正成功實施中線法尾礦庫在線監(jiān)測的案例寥寥無幾。因此，結(jié)合德興四號庫現(xiàn)狀，研究提出中線法尾礦庫安全在線監(jiān)測技術(shù)方案，為項目實施奠定了良好基礎(chǔ)，也為類似工程提供了重要借鑒。

1 尾礦庫在線監(jiān)測常用技術(shù)手段

1）壩體表面位移監(jiān)測：壩體表面變形監(jiān)測主要采用智能全站儀或GPS監(jiān)測技術(shù)。智能全站儀可以自動搜索、跟蹤、辨識和精確找準(zhǔn)目標(biāo)并測量角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像信息等，其監(jiān)測成本低、管理維護(hù)便捷、監(jiān)測精度高，但要求全站與儀監(jiān)測點之間能夠通視且測量距離有限，受地形和氣象條件影響大。GPS監(jiān)測基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)壩體變形監(jiān)測，具有全天候監(jiān)測、抗干擾強、精度高等特點，但系統(tǒng)維護(hù)量大、費用相對較高。

2）壩體內(nèi)部位移監(jiān)測：主要使用測斜儀或沉降儀。測斜儀安裝于帶標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)槽的測斜管中，通過測量滑輪的傾斜長度和角度計算出橫向和縱向水平位移。沉降儀通過將整套儀器安裝在鉆孔中來監(jiān)測灌漿錨頭和沉降板之間的壓縮沉降變形量。

3）浸潤線監(jiān)測：一般采用測壓管的方式測量，通常在壩體內(nèi)鉆鑿鉆孔安裝測壓管，在孔內(nèi)安裝壓力傳感器，通過測量孔內(nèi)水壓力轉(zhuǎn)換為水頭高度，結(jié)合安裝深度及孔口高度即可得到壩體或繞壩的浸潤線高度。

4）庫水位監(jiān)測：尾礦庫的水位監(jiān)測常采用接觸式和非接觸式方式。接觸式主要通過埋設(shè)在水中的壓力傳感器測量水面高度，雖然精度高，但是不利于維護(hù)，傳感器易于被淤泥堵塞從而影響精度和可靠性。非接觸式，主要在庫岸邊水面以上安裝超聲波液位計或雷達(dá)液位計測量水面高度。

5）灘頂標(biāo)高與干灘長度監(jiān)測：通常采用的方法是選擇監(jiān)測斷面，建立平面直角坐標(biāo)系，使用移動GPS或超聲波液位計等儀器測量監(jiān)測斷面上若干個點的高程，結(jié)合各測點間的距離計算出于灘坡度，或擬合出干灘曲線方程，再利用庫水位、灘頂標(biāo)高分別得出干灘與庫水面和尾礦壩外坡面的交點，從而求出干灘長度或安全超高。近幾年國內(nèi)發(fā)展了激光測量干灘和攝影測量干灘等技術(shù)［4－5］，但成本較高、應(yīng)用效果一般。

6）尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺：軟件是在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心，主要提供以下功能：①數(shù)據(jù)采集、處理、存儲與分析；②數(shù)據(jù)管理、查詢、生成圖表、打印、報表、故障診斷；③網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，提供客戶端遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問功能；④綜合報警，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的報警閾值時，系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的報警條件發(fā)出聲光或短信報警信息以提醒管理人員。近幾年，北京礦冶研究總院開發(fā)了基于webgis的尾礦庫安全監(jiān)測三維軟件平臺，通過該平臺可在三維環(huán)境中實時查看監(jiān)測信息，實現(xiàn)尾礦庫安全狀況三維動態(tài)演變模擬，為尾礦庫的安全管理提供有力支持［6］。

2 中線法尾礦庫在線監(jiān)測實施的技術(shù)難點

中線法尾礦筑壩是以確定的壩軸線，利用分級的沉砂尾礦升高筑壩。其尾礦分級方法是采用水力旋流器進(jìn)行分級，粗粒級尾礦堆積到壩軸線下游尾礦堆積區(qū)，溢流尾礦排放到壩軸線上游庫內(nèi)充填的筑壩［7］。受壩體規(guī)模、壩體形態(tài)、堆壩工藝等因素影響，中線法尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)實施起來要比上游法尾礦庫復(fù)雜得多，主要體現(xiàn)在：①中線法尾礦壩規(guī)模較大，若完全按照現(xiàn)行在線監(jiān)測規(guī)范布置監(jiān)測點（如浸潤線監(jiān)測），將導(dǎo)致監(jiān)測點數(shù)量龐大，一方面會影響壩面施工作業(yè)，另一方面也將造成工程投資的不必要浪費，必須根據(jù)具體情況優(yōu)化監(jiān)測點布置，提高監(jiān)測系統(tǒng)的經(jīng)濟性和適用性；②中線法尾礦庫的筑壩工藝，決定了在運行期內(nèi)壩面總是處于不斷被覆蓋的動態(tài)抬升過程中，在壩面布置監(jiān)測設(shè)備或設(shè)施，必須考慮后期被尾砂“淹沒”的問題；③經(jīng)旋流器分級后，排放到庫內(nèi)的尾礦粒徑較細(xì)，灘面極為細(xì)軟，安裝干灘監(jiān)測設(shè)備較困難；④中線法尾礦堆積壩較高、壩面范圍較大，部分監(jiān)測點要求選擇大量程監(jiān)測設(shè)備，必須考慮設(shè)備量程、精度匹配問題；⑤中線法尾礦壩地勢開闊，易遭雷害，對在線監(jiān)測系統(tǒng)防雷和接地要求較高。

3 中線法尾礦庫安全在監(jiān)測方案

3.1 尾礦庫概況

德興銅礦四號尾礦庫位于大山選廠以北的西源大溝內(nèi)，屬山谷型尾礦庫，采用中線法筑壩工藝，堆積壩利用旋流器二段分級后生產(chǎn)的粗砂進(jìn)行堆筑，溢流直接入庫。該庫設(shè)計總庫容8.35億m3，有效庫容為7.7億m3，匯水面積14.3km2。初期壩為黏土斜墻堆石壩，壩頂標(biāo)高110.00m，壩底標(biāo)高72.00m，壩高38m，壩頂寬10m。初期壩以上采用尾砂筑壩，堆積壩采用中線式分期堆筑，最終壩頂標(biāo)高為＋280m，總壩高為208m，平均內(nèi)坡比為1∶2.5，外坡比為1∶3.0。當(dāng)前堆積壩頂標(biāo)高為249.0m，外坡比為1∶5.3，頂寬40m。壩體下游為農(nóng)田及村莊，下游一帶地勢較為平緩開闊，一旦發(fā)生潰壩，危險性極大。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容選擇

德興銅礦四號庫為二等尾礦庫，考慮到中線法尾礦壩外坡總處在動態(tài)變化過程中，實施位移在線監(jiān)測存在困難也缺乏實際意義，因此本方案不設(shè)位移在線監(jiān)測，采用人工觀測代替。根據(jù)德興銅礦四號庫中線法堆壩工藝及運行管理需要，設(shè)計在線監(jiān)測內(nèi)容包括浸潤線、干灘、庫水位、降雨量、滲流量及重要場所的視頻監(jiān)控，各監(jiān)測點的布置見圖1。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

采用現(xiàn)場監(jiān)測站、監(jiān)測管理站、監(jiān)測管理中心站三級架構(gòu)，如圖2所示。監(jiān)測站用于在線實時獲取各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，由前端各類監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊等組成；監(jiān)測管理站設(shè)在尾礦工段值班室，由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、管理查詢服務(wù)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、報警模塊等組成，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示、查詢、報警等功能；監(jiān)測管理中心站設(shè)在精尾廠辦公樓，由數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、管理發(fā)布服務(wù)器、視頻服務(wù)器、大屏幕展示系統(tǒng)等組成，負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

圖1 監(jiān)測點布置

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.4 監(jiān)測方案設(shè)計

3.4.1 浸潤線監(jiān)測

浸潤線監(jiān)測點布置本著“經(jīng)濟、科學(xué)、合理”的原則，設(shè)計在垂直壩軸線方向布置四個監(jiān)測斷面，相鄰兩個斷面之間的距離150～200m；除4＃監(jiān)測斷面因受下游山體遮擋布置3個監(jiān)測點外，其他三個監(jiān)測斷面均布置6個監(jiān)測點，監(jiān)測點間距80～150m。如圖3所示，沿監(jiān)測斷面方面上，靠近中線附近浸潤線較陡，監(jiān)測點布置密集；靠近下游攔砂壩附近，浸潤線平緩，監(jiān)測點布置相對稀疏。

圖3 浸潤線監(jiān)測剖面圖

浸潤線鉆孔深度以見水后再下鉆2m為準(zhǔn)。本次設(shè)計安裝的浸潤線傳感器滿足壩體加至最終壩高（壩面抬升20～40m不等）時的監(jiān)測需要。因靠近中線附近浸潤線隨壩面抬升變化較大，在各監(jiān)測斷面臨近中線附近三個孔內(nèi)上、下各設(shè)1個傳感器，量程分別為17m、35m；靠近下游攔砂壩附近浸潤線隨壩面抬升變化較小，故各監(jiān)測斷面臨近攔砂壩的三個孔內(nèi)安裝1個傳感器，量程35m。

受選礦工藝影響，德興四號庫水中富含鈣鎂離子，易與空氣中的氧氣和二氧化碳結(jié)合固化成鈣，從而導(dǎo)致滲壓計表面結(jié)鈣失效，采取以下方式解決：①選擇一次性埋設(shè)并使用通氣式滲壓計，減少測壓管內(nèi)空氣流動，降低結(jié)鈣速度；②埋設(shè)前用清水充分浸泡滲壓計透水石；③在測壓管透水段的反濾層中添加氯化鈉浸泡后的軟水濾料；④在測壓管外使用土工布包裹氯化鈉浸泡的軟水濾料。

3.4.2 干灘監(jiān)測

在壩頂內(nèi)坡底布置3個灘頂高程監(jiān)測點，利用超聲波物位計監(jiān)測灘頂高程。德興四號尾礦庫采用壩前均勻放礦，干灘坡度變化不大，設(shè)計采用人工監(jiān)測干灘坡度，結(jié)合干灘高程和庫水位數(shù)據(jù)，可計算出干灘長度。

干灘監(jiān)測實施重點為傳感器立桿安裝，考慮到灘面細(xì)軟，可鋪設(shè)簡易浮橋至施工地點，采用沉桶方式從桶內(nèi)挖尾砂，沉桶下沉至設(shè)計位置后封底并澆筑混凝土基礎(chǔ)。

3.4.3 視頻監(jiān)控

中線法尾礦庫壩面范圍較大，為獲得較好視頻監(jiān)控效果，在壩頂兩側(cè)和壩坡兩側(cè)共布置5個視頻監(jiān)控點，采用高清激光夜視攝像機，可實現(xiàn)500m長距離高分辨率夜視；在攔沙池、泄洪斜槽、回水斜槽等位置，設(shè)置4臺高清低照度網(wǎng)絡(luò)紅外槍機（球機），實現(xiàn)重點部位24小時實時連續(xù)監(jiān)看。

3.4.4 其他監(jiān)測項

在庫內(nèi)回水斜槽處，安裝超聲波液位計監(jiān)測庫水位。在西側(cè)壩頂分級機站處容柵式雨量計監(jiān)測降水量。在壩底滲流匯集處采用量水堰方式監(jiān)測滲流量。

3.4.5 系統(tǒng)供電

為提高系統(tǒng)供電可靠性，設(shè)計采用多層次、高冗余的不間斷供電方案：①正常情況下，采用工業(yè)電源直接供電；②工業(yè)電源發(fā)生中斷后，由應(yīng)急EPS電源提供不小于8小時的穩(wěn)定供電；③應(yīng)急EPS電源電量耗盡時，可人工啟動現(xiàn)場值班室內(nèi)的汽油發(fā)電機為系統(tǒng)供電。另外，在泄洪斜槽和回水斜槽等處配置風(fēng)光互補供電系統(tǒng)，為提供現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備輔助供電。

3.4.6 系統(tǒng)通信

為提高系統(tǒng)的健壯性和可靠性，采用“有線＋無線”環(huán)網(wǎng)冗余的通信方案。環(huán)網(wǎng)路線為：工段值班室－西壩－2＃回水斜槽－東壩壩肩－東壩壩坡－工段值班室，其中2＃回水斜槽－東壩壩肩之間為無線通信。此外，在壩頂西分級站和東側(cè)壩肩之間再設(shè)置一對無線傳輸設(shè)備，形成局部有線無線環(huán)網(wǎng)，進(jìn)一步提高通信線路可靠性。

3.4.7 接地防雷

系統(tǒng)防雷從電源防護(hù)、設(shè)備防護(hù)、直擊雷防護(hù)、接地網(wǎng)建設(shè)、等電位連接、線路防雷等方面全方位整體考慮。設(shè)計沿壩體兩側(cè)岸坡和壩頂埋設(shè)接地扁鐵，并與沿途監(jiān)測設(shè)備接地體連接形成接地網(wǎng)，值班室、回水斜槽等無法并入接地網(wǎng)的地方應(yīng)單獨制作接地體，要求接地電阻小于4Ω。值班室供電系統(tǒng)采用三級防護(hù)，即值班室入戶電源加裝一級SPD浪涌保護(hù)器，在UPS供電前端加裝二級SPD浪涌保護(hù)，用電設(shè)備之前加裝三級SPD浪涌保護(hù)。室外基站和防護(hù)箱內(nèi)電源增設(shè)二級SPD浪涌防護(hù)，各類弱電信號均設(shè)置相應(yīng)SPD浪涌保護(hù)。

4 結(jié)語

通過分析中線法尾礦壩浸潤線分布規(guī)律，優(yōu)化浸潤線監(jiān)測點布置。針對中線法尾礦庫壩體規(guī)模大、庫區(qū)范圍廣、監(jiān)測節(jié)點多等特點，提出了多層次冗余供電、環(huán)網(wǎng)冗余通信、多級防雷保護(hù)等系統(tǒng)安全防護(hù)措施，提高了在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)對極端惡劣氣象條件的能力。實踐中，必須結(jié)合中線法尾礦壩形態(tài)、特征及具體監(jiān)測需要，合理選擇滿足量程和精度要求的監(jiān)測設(shè)備；針對諸如滲壓計結(jié)鈣、灘面立桿困難等特殊復(fù)雜條件，必須提出具體應(yīng)對措施，精心組織施工，方能保證在線監(jiān)測系統(tǒng)順利實施。

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