基于在線監測的尾礦庫防治處理研究

黃 敬，李 毅，王 濤，蔣成成，張曉博

（1.四川煤礦安全監察局安全技術中心，四川 成都 610046；2.西南交通大學計算機與人工智能學院，四川 成都 611756）

0 引言

尾礦庫是礦山產業組成中的部分，貯存著礦石冶煉后的礦渣和泥漿，避免污染周圍的環境，隨著存儲物的增多，尾礦堆積不斷加高，形成后期堆積壩，具有潛在的垮壩風險。2001—2015年，全國尾礦庫事故共發生99起，平均每年6起多事故，大多數為尾礦庫潰壩。在2008年9月8日山西省臨汾市新塔礦業的980平硐尾礦庫發生特大潰壩[1]，造成了277人死亡、33人受傷、4人失蹤，泄容26.8萬m3尾砂量。我國大部分尾礦庫采用人工和傳統儀器對尾礦庫的庫水位、干灘、壩體位移等技術指標數據進行測量采集，易受外界環境等因素干擾，測量精度和時效性較低。在線監測技術可以使尾礦庫的運行現狀和儀器設備狀態直觀和實時地展現給各監管和工作人員，提高尾礦庫的可管理性和安全性，以及有效防止尾礦庫事故的發生。該技術應用于尾礦庫防治監測場景，有助于政府和企業的共同管理，并且具有重要的實際研究意義。

1 尾礦庫概況

尾礦庫是金屬及非金屬礦山經工業處理后排出尾礦的貯存點，是由尾礦等廢棄物堆積形成的產生高勢能危險性的來源。尾礦庫潰壩時會產生大量泥石流且流速較快，從壩腳到距離下游1km處往往只需幾分鐘，事故應急措施的實施時間非常短[2]。

1.1 尾礦庫的特點

尾礦庫既是礦山采選中不可缺少的生產設施，同時也是環境污染源和高勢能危險源[3]。并且根據以往事故經驗來看，若尾礦庫失事，將造成生命、財產和生產的巨大損失。

1）尾礦庫是礦山采選中必不可少的生產設施；

2）尾礦庫通過就近圍地或攔擋谷口，可以用于堆存工業廢渣或選礦產生的尾礦，防止廢渣或尾礦隨意排放造成額外的環境污染。只要礦山正常運行就會有尾礦產生，尾礦庫是維持礦山正常運營的必要場所設施；

3）尾礦庫是環境污染源和高勢能危險源；

4）尾礦庫在數十年之長的周期里，可能會由于地震、強降水等自然原因而發生滲透破壞，再輔以設計或施工問題、管理不善、超負荷運營等人為原因造成安全事故，威脅到下游人民生命財產安全；

5）尾礦庫一旦失事后果嚴重。我國人口基數大、分布廣，有相當一部分尾礦庫的設置選址難以避開居民區、工業區和重要公共設施或建筑。尾礦庫一旦發生滲漏、垮壩等重大事故，必將對下游造成巨大災害和損失。

1.2 尾礦庫安全度

安全度劃分的主要依據原則是根據尾礦庫防洪能力和尾礦壩體穩定性的安全程度來進行判斷。

1）尾礦庫防洪能力的安全程度或可靠程度：主要指防洪標、調洪、排洪能力及排洪設施安全可靠性是否符合安全規定；

2）尾礦壩穩定性安全程度：主要指壩體在規定的工況條件下靜力、動力和滲流穩定性是否符合安全規定及符合程度。

1.3 尾礦庫的安全問題

據統計，從2001—2015年，我國發生尾礦庫事故共計99起[3,4]，加上從20世紀60年代到2000年，造成10起重大傷亡尾礦庫事故[5]，對總計109起尾礦庫事故按類型統計分析發現[6]，主要是由潰壩和尾礦泄漏引起，潰壩事故占比約2/3，尾礦泄漏事故占比約1/3，二者之和占到總事故的96.33%。

1）尾礦庫潰壩事故危害的主要形式有:①尾礦設施毀壞等；②導致尾礦庫下游的人員大量傷亡，建筑物、構筑物、公路、鐵路、農田等被沖毀。

2）尾礦庫尾礦泄漏事故危害的主要形式有：①導致潰壩事故的發生；②污染下游河流、農田、植被等。

對于正在運行的尾礦庫，發生潰壩和泄漏等事故的主要原因是洪水漫頂、壩坡穩定性差、以及壩體振動液化[7]。通過對尾礦庫事故原因進行統計分析，針對尾礦庫不同類型制定相應的應對措施，可減少事故隱患。

2 尾礦庫災害防治措施

由于尾礦庫是高危險源，在安全管理上也必須做到科學管理、實時監測。安全監測是尾礦庫安全管理的重要內容，維持尾礦庫健康安全運營、事故預防及應急響應均離不開準確及時的監測信息。尾礦庫在線監測技術，使尾礦庫安全生產管理工作人員可以全面實時地掌握了解到尾礦庫的實際動態，進行安全評價、預報預警。

2.1 科學管理

由于尾礦庫是高危險源，因此除在設計施工方面必須謹慎可靠外，在管理上也必須做到科學管理。加強監測管理工作，堅持每周監測一次庫內水位，每半月監測1次浸潤線，每月監測1次壩體位移、滲透流量、干灘指標[8]，實時關注數據變化，為安全管理提供決策依據；實時發現數據變化異常，立即進行安全響應或技術指標的調整工作，配備專職技術人員，將工作任務落實到個人。

2.2 安全監管

整個尾礦庫全生命周期管理流程，從建設開始，一直到運行和封場結束，涉及到的活動復雜，監管涉及部門眾多。2005年起，原安監總局、環保部等部門多次聯合或者單獨發布尾礦庫隱患綜合治理方案，對尾礦庫安全環境管理提出更高要求。2013年住建部門制定發布《尾礦設施設計規范》，2019年應急部門再次修訂《尾礦庫安全監督管理規定》，2020年應急等多部委聯合出臺《防范化解尾礦庫安全風險工作方案》[9,10]。依托法律法規要求，以風險防控為核心，明確尾礦庫環境管理責任分工，完善尾礦監管細節以及建立健全尾礦庫全生命周期的管理體系。

2.3 提高尾礦技術

隨著國家對尾礦庫管理的法律法規逐漸健全和完善，監管部門對尾礦庫運行的環保和安全要求日益嚴格，迫于環境和安全的壓力，傳統的地表堆存尾礦庫已經無法滿足礦山長期發展的需要，安全、高效、經濟和環境友好的尾礦處理方法將逐步獲得推廣應用，同時也能夠響應國家對尾礦資源進行再利用的倡議。截至2012年底，全國已有738座尾礦庫應用了在線監測技術，279座尾礦庫應用了尾礦充填技術，415座尾礦庫應用了干式堆存技術，285座尾礦庫應用了尾礦綜合利用技術，減少了尾礦的排放，能夠有效提升尾礦庫安全水平[11]。

3 在線監測技術應用研究

在線監測是一種利用智能化設備對現場物理數據實時采集監測，并上傳存入到終端數據庫中，依據特定的數據模型進行計算和診斷分析的信息化技術。在線監測技術的數據采集使用傳感器設備對現場的原始數據進行感知和收集，采用相關的計算機、信息及通信技術對原始數據指標進行實時、連續地采集分析。本節通過尾礦庫監測的數據指標分類，分別介紹了5種尾礦庫安全監測技術原理，并對在線監測技術在尾礦庫防治處理當中的應用前景做了調研及展望。

3.1 尾礦庫安全監測技術

3.1.1 庫水位監測技術

庫水位是尾礦庫實際運轉中水平面的高度，反映了當前尾礦庫的存量狀況。庫水位監測可采用遙測水位計、滲壓計、超聲波液位計等器材，得到水位的高度，并對尾礦庫的水位實時跟蹤及監測，判斷尾礦庫此時防汛防洪的能力水平，確保處于安全范圍內。滲壓計監測是浸入式測量方式，集成水壓敏感元器件，內核附有計算芯片和溫度傳感器，能夠對數據自動地處理，減少人工計算誤差和修正外部溫度帶來的影響。監測點一般選擇庫中的較平穩水位，可以布置在庫內的排水構筑物，庫水淹沒區域中心，溢流塔出口等位置。庫水位監測可以及時掌握庫水位的位置信息[12]，預留調洪庫容防止在汛期時出現水漫頂潰壩的危害。在汛期到來之前，庫水位監測有助于安全監管部門和相應的企業了解尾礦庫是否超出限制水位，以便采取防治處理措施來降低水位排除隱患。

3.1.2 滲漏量監測技術

尾礦庫的存儲過程中，無法避免地出現庫液滲漏使浮選藥劑和黃藥等污染物流入地下水，這也是采礦活動中比較難處理的問題。庫滲漏分為壩基滲漏、壩體滲漏等部分，庫運行過程的中后期，由隔水層作用使滲透能力減弱，壩基滲漏測量采用均勻質地基計算公式[13]：

式中：QJ為壩基滲漏總量，L為壩體滲漏段斜高，W為滲漏透水層厚度，K為壩基滲漏透水層系數，H為尾礦庫上下游水頭高度差，B為壩基底部寬度。壩體滲漏測量采用均質壩體滲流公式：

式（2）、（3）中：QT為壩體滲漏總量，K為壩體滲漏透水層系數[14]，L為壩體滲漏段斜高，H為尾礦庫上下游水頭高度差，A為下坡水位臨界點高度，B為壩基底部寬度，m為下游壩坡系數。滲漏量監測設備使用磁致伸縮量水堰儀，由集水渠直線堰板、量水堰計等部件組成，監測點布設在壩腳處。

3.1.3 位移監測技術

尾礦庫壩體位移技術指標能夠直觀地反映出壩體災害承受能力，是尾礦庫監測的一個重要部分，實際工程中投入使用比重較大，位移監測根據尾礦庫壩體不同監測位可分為內部位移監測和全方位位移監測等。內部位移監測可采用固定式測斜儀，該設備內部組有高精度角度傳感器芯片，使用場景中將儀器導入壩體指定鉆孔內，通過測量傾斜角度計算出尾礦庫壩體內部位移的變化量和變化速率。

全方位位移監測可以使用靜力水準儀、GPS技術和自動型全站儀[1]等設備和技術，因測量時可以獲取監測點的三維坐標值，又稱為三維位移監測技術。靜力水準儀內部由各個通過連通管連接的儲液罐和系列的液位傳感器構成，使用中根據測量點的容器內頁面的相對變化，計算測量點關于基準點相對位移的變化。該設備監測方式使用中便捷易操作，但是測量周期長，不滿足自動化、在線監測的需求，還易受地形地勢的限制。GPS技術是基于GNSS進行庫體位移監測，通過監測點和基準點的接受機實時獲取GPS信號，利用數字通信網絡傳入到數據控制中心，在解算系統中解算得監測點和基準點的三維坐標并對比計算出位移變化量及位移速率，具有自動化、全天候監測、受地形限制較小等特性，但建造和維護成本較高。自動型全站儀測量精度高、布設成本低，能夠采集角度、三維坐標等相關信息，實現搜索、傳輸、辨識與處理等自動化功能。

3.1.4 干灘監測技術

干灘長度是尾礦庫安全運轉重要指標之一[15]，能反映出庫的防洪處理能力，除此之外工程中還需要監測灘頂高程、干灘坡度，干灘長度是從灘頂標高到壩內水面的最短距離，灘頂標高是沉積灘的表面與壩體外坡的的交界處，尾礦庫投入使用時需要設計最小干灘長度，即設計的最高洪水位下的灘長。常用的干灘長度監測方法有坡度推算法、圖像分析等，坡度推算法[16]通過設置多個剖面點和監測點，監測點之間的間隔按照有關國家標準選擇，并在各個監測點建設立桿并在桿頂放置超聲波物位計，根據立桿頂端到灘面高度的變化測出干灘高程及干灘坡度，結合水位高度換算出干灘長度。圖像分析[17]方法在尾礦庫壩體設置2臺雙目視覺儀設備，放置時需平行等距，由影像拍攝后獲取現場場景，通過攝像測量構建出三維立體場景，輔助圖像分析獲取干灘水際輪廓并與設定參數經過算法處理后可得干灘長度及相應的數據。

3.1.5 視頻監測技術

在黑夜或惡劣天氣條件下，值班工作人員難以對尾礦庫工作運行和抵御自然災害等情況做出準確及時的判斷，視頻監測技術可以解決上述問題，不受氣候和人工等條件限制。使用紅外高清攝像機對進出水口、壩面滑坡、危險地點等情況進行監視，為減少使用數量和觀察遠距離物體可以加裝電動變焦鏡頭，攝像機采集到的圖像數據信號選擇視頻基帶、射頻及光纖等方式進行圖像的傳輸工作，在傳輸時要確保采集到的原始圖像無明顯失真，通過網絡交換技術將存儲的影像數據和控制臺控制的影像數據保持一致，視頻監測技術原理如圖1所示。視頻監測技術可用于計算干灘長度，攝像機捕捉到的圖像畫面劃分出水面區域和干灘區域，根據現場標定物的位置參數來計算干灘長度，高清攝像機實時采集畫面中判斷是否處于設定的安全干灘長度，達到預警提示作用。

圖1 視頻監測原理

3.2 應用前景

隨著各行各業及市場經濟的快速發展，礦山的開采量不斷增大，尾礦庫的數量也隨之增多。由于多年來的運轉，尾礦庫容量正在逐漸縮小，抵御自然災害的能力也在逐步下降中，增加了安全隱患[18]。尾礦庫是一個重要且應該做好防治處理的危險源，隨意地排放會造成環境的嚴重污染、資源損失，尾礦庫的安全問題關系到周圍區域內人民的生命財產安全及環境污染等問題[19]，因此做好尾礦庫的安全監測工作具有重要意義。

尾礦庫的傳統監測防治方法，多數通過工作人員到現場中使用傳統儀器進行測量，這存在著誤差大、測量周期長、工作繁多等問題隱患，易受天氣和現場環境等因素干擾，人力和物力的損耗較大。隨著信息化和計算機技術的飛速發展，在線監測技術也受到廣泛的關注。相較于傳統的監測手段,在線監測系統由傳感器自動采集技術、無線網絡傳輸技術、計算機技術等多種技術結合實現，根據收集的指標數據分析判斷尾礦庫是否處于不安全狀態，給防治處理、排除隱患及救援工作提供充足的時間，讓管理人員充分地掌握當前尾礦庫準確有效的安全狀況信息。其智能化管理減少了現場人員的調動，提高尾礦庫的安全監督能力。安全狀態的及時反饋，有效地預防了突發事故的發生，保障尾礦庫的安全運行，減少資源的損耗。

4 總結

文中介紹了尾礦庫的基本信息和存在的安全性問題，及提出尾礦庫災害防治的一些常規措施，并總結了在線監測技術在尾礦庫的庫水位、滲漏量、位移、干灘和視頻監測5個方面的應用，為尾礦庫防治處理增添解決思路及更好地保護尾礦庫做參考。使用計算機技術和傳感器技術等現代科技應用在尾礦庫的防治處理工作中，能極大地減少人力和節約資源，比傳統人工測量結果更加精準。尾礦庫事故的產生，是受多方面因素關聯的，傳統監測手段無法全面及時地做出反應，在線監測技術可以結合壩體位移、滲漏量、庫水位等多數據指標對尾礦庫進行實時、動態以及全面地監測與預警，并且在尾礦庫防治處理工程中發揮出重要作用。