貴州某礦山排土場災害監測系統的建立

徐明智 幸貞雄 周訓兵

（貴州省勞動保護科學技術研究院，貴州遵義563000）

貴州礦產資源豐富，開采的礦產種類眾多，存在著大量不同類型的礦山排土場。對貴州典型礦山的排土場進行現場調研及查閱相關資料，發現排土場在設計、安全管理、現場作業、排水設施和監測系統等方面存在著突出的問題［1］；同時，貴州地質條件復雜，巖溶地貌普遍，降雨及地下水活動頻繁，加之排土場的松散堆積特性［2-3］，容易發生排土場滑坡、泥石流等災害事故，貴州礦山排土場的安全現狀不容樂觀。

目前，災害監測系統已經在多個領域使用，如露天礦山采場邊坡、尾礦庫等，能有效預防災害事故的發生。《金屬非金屬礦山排土場安全生產規則》和《金屬非金屬礦山安全規程》中規定，礦山應建立排土場監測系統，定期進行排土場監測；國家安全監管總局《關于印發非煤礦山領域遏制重特大事故工作方案的通知》（安監總管一［2016］60號）中也要求，堆置高度200 m以上的排土場，必須進行在線監測。而貴州建立排土場監測系統的礦山很少，僅有個別礦山采用GPS對表面變形進行監測，監測的指標單一，不能全面反映排土場的安全狀況。因此，建立礦山排土場災害監測系統，對影響排土場安全穩定的多個指標進行同時監測是十分必要的。本研究以貴州某礦山排土場為例，選擇一定大小的試驗區域作為該排土場的監測區域，建立排土場災害監測系統。

1 排土場概況

該礦為金礦采選企業，廢石量大，排土場位于露天礦坑南側，最大寬度約430 m，長度約1 178 m。排土場最終堆積坡腳設置攔渣壩，壩底標高為390 m，壩頂標高為411 m。在此基礎上進行排土，共分為411 m、430 m、460 m、490 m、520 m、550 m和580 m7個臺階，411 m平臺寬度為20 m，其余平臺寬度均為24 m。排土方式為使用運礦卡車和推土機自下而上依次排放，累計排渣12 046萬t，已堆放到設計標高，并停止排土。其下游有零星住戶，計有8戶共61人。

2 監測系統的建立

2.1 監測區域

因整個排土場面積巨大，從技術性和經濟性上考慮，前期在460 m臺階上朝攔渣壩的一面，選擇長150 m、寬30 m，共4 500 m2的試驗區域作為排土場災害監測區域。

2.2 監測指標

在前期研究的基礎上，選擇表面位移、內部位移、降雨量、孔隙水壓力、內部應力和土壤含水量作為監測的指標［4-5］。

2.3 監測系統組成

為實時獲取各項監測指標，結合排土場實際情況，礦山排土場災害監測系統由前端監測儀器、數據采集裝置、供電系統、防雷系統、數據傳輸網絡和監測預警中心組成，其拓撲結構如圖1所示。前端監測儀器負責獲取各項監測指標，數據采集裝置采集和匯總監測數據后通過數據傳輸網絡傳輸到監測預警中心，監測預警中心對傳輸來的監測數據進行存儲、分析、展示，進而進行災害預警；供電系統和防雷系統確保各設備的正常運行和免遭雷擊。

（1）前端監測儀器。為了實時獲取各項監測指標，選擇相應的前端監測儀器［6-7］，具體如表1所示。

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（2）數據采集裝置。一類是GPS的接收機，通過采集GPS信號，獲得表面位移監測數據；一類是DAG數據采集網關，采集除GPS以外的前端監測儀器的監測數據。

（3）數據傳輸網絡。按傳輸形式不同，分為有線傳輸和無線傳輸。礦山企業根據實際情況合理選擇數據傳輸形式，并配置公網IP地址，開放網絡通信端口等。本項目排土場距其調度中心較遠，故選擇無線傳輸，數據采集裝置配置物聯網卡，通過移動通信網絡（4G/3G/2G）接入Internet以實現數據傳輸。

（4）監測預警中心。主要由服務器、顯示器、短信報警、聲光報警等硬件設備和監測預警軟件組成，對傳輸來的監測數據進行存儲、分析、展示，進行災害預警。宜設置在礦山企業的調度中心。

（5）供電系統。主要為前端監測儀器、數據采集裝置等供電，在不具備市電供電的條件下，宜采用太陽能供電，并具備在連續15 d無光照條件下的供電能力。

（6）防雷系統。主要保護前端監測儀器、數據采集裝置等免受雷擊，直擊雷防護采用避雷針，感應雷防護采用單項電源避雷器和通訊電纜防雷器。直擊雷避雷接地系統控制在10 Ω以下，感應雷避雷接地系統控制在4 Ω以下。

2.4 監測系統布置方案

為了準確獲取反映排土場安全狀況的監測指標，需要對監測儀器合理布置，具體布置方案如圖2所示。

（1）除GPS基準站外，所有監測儀器布置在460 m臺階上的4 500 m2的監測區域內，距離邊坡約5 m處，并盡量處于同一直線上；GPS基準站布置在監測區域以外的不發生位移變化的穩定地點。

（2）GPS監測站布置在監測區域的中軸線上，并在其附近布置雨量計和土壤含水計。

（3）其余前端監測儀器平均分為4組，每組包含3個固定式測斜儀、1個土壓力計和1個孔隙水壓力計。沿監測區域的中軸線兩側15 m、45 m的軸線上各設置1條監測斷面，共計4個斷面，每個斷面布置1組儀器；每組間距30 m，組內的監測儀器之間相距2.5 m。

2.5 監測儀器施工安裝

（1）GPS（監測站和基準站）及翻斗式雨量計的施工方式為采用鋼筋混凝土澆筑觀測墩，在觀測墩上安裝相應的監測儀器。

（2）土壤含水計的施工方式為地面開挖監測坑，在監測坑側壁安裝4個土壤含水計，安裝完成后回填土至與地表平齊。

（3）固定式測斜儀、孔隙水壓力計和土壓力計的施工方式為地面垂直鉆孔，鉆孔深度根據排土場實際情況確定，在鉆孔內安裝相應的監測儀器。其中，固定式測斜儀3個為1組安裝在同一個鉆孔內，其余儀器每個鉆孔內安裝1個；土壓力計安裝完成后需向孔內回填土至與地表平齊。

2.6 監測預警管理系統

通過安裝在監測預警中心服務器上的排土場災害監測預警管理系統軟件，可以對排土場災害的監測指標進行實時監測，了解排土場的運行狀態，并根據監測數據進行相應的預警，并通過短信報警和聲光報警及時發出預警信息，預警界面如圖3所示。

系統界面左側為菜單欄，包括排土場信息管理、排土場數據監測和排土場災害預警；右側以排土場460 m臺階航拍圖為背景，顯示最新預警信息和各傳感器實時監測數據。

3 現場應用

3.1 實現了排土場的在線監測

通過該系統的建立，實現了排土場的在線監測，系統每隔30 min對監測指標進行巡測采樣1次，且采樣周期可調。該礦排土場災害監測預警系統自2016年12月建成后，已運行1年半多，系統運行穩定，故障率小于5%（截至2018年7月）。系統建立前，該礦排土場采用人工監測，監測的指標僅有表面位移，而監測準確性低、工作量大；目前，已采用在線監測為主，少量人工監測為輔的方式，同時增加了監測指標，提高了準確性，大大減少了工作量。

3.2 預警結果準確

預警分為單一預警和綜合預警2種方式，預警級別分為1～4共4個等級（1級最高），預警過程由系統軟件后臺自動計算得出，在此不詳細介紹。以綜合預警為例，2018-07-27 03∶43時發出了3組綜合預警等級為4級的預警信息（見圖3），對應的監測數據和計算結果（關聯度）如表2所示。

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系統預警后，通過短信報警和聲光報警向礦山相關人員發出預警信息，前往排土場現場查看后，發現當天大雨，由于降雨量較大導致土壤含水率上升，這也正好同2018-07-27 00:07時發出的降雨量4級單一預警相吻合，說明該系統的預警結果準確。

3.3 排土場穩定性分析

該系統監測數據還可以對排土場穩定性進行分析。以內部位移為例，選擇2017-05至2018-05時間段內的部分數據，具體如表3所示。

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由表3可知，到2017-05，內部位移已經很小，最大僅有0.019 7 mm，隨著時間推移，內部位移越來越小，到2018-05僅有0.000 4 mm，幾乎未發生變化，表明排土場內部趨于穩定（該排土場已經停止排土）。

4 結語

針對貴州礦山排土場安全現狀堪憂，而又少有礦山建立了排土場監測系統的問題，以某礦山排土場為例，選擇4 500 m2試驗區域作為排土場災害監測區域，以表面位移、內部位移、降雨量、孔隙水壓力、內部應力和土壤含水量作為監測指標，建立了礦山排土場災害監測系統。通過監測預警管理系統軟件，可以實時獲取監測數據，了解排土場的安全狀況，并進行相應的預警。

該監測系統實現了排土場災害的在線監測，監測精度高，采樣周期30 min，系統運行穩定，可代替人工監測；系統預警結果準確，可以對排土場穩定性進行分析。通過在該礦山試驗區域內的運行，驗證了技術的可行性和實用性，后期可以在整個排土場進行全面布置，進而保障礦山的安全生產和周邊人民生命財產安全，也為其他礦山建立排土場監測系統提供參考。