趙勁彤，趙長(zhǎng)中

（洛陽(yáng)鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司選礦二公司，河南欒川471500）

0 前言

尾礦庫(kù)是一個(gè)具有高勢(shì)能的人造泥石流危險(xiǎn)源，是金屬、非金屬礦山企業(yè)最大的安全隱患。尾礦庫(kù)一旦失事，將對(duì)庫(kù)區(qū)下游人民生命財(cái)產(chǎn)造成災(zāi)難性危害。近年來，尾礦庫(kù)潰壩造成人員傷亡和污染物下泄事故時(shí)有發(fā)生，在造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失的同時(shí)，對(duì)環(huán)境安全造成巨大威脅。因此，加強(qiáng)尾礦庫(kù)安全監(jiān)管力度，把握尾礦庫(kù)安全現(xiàn)狀，減少安全事故發(fā)生，對(duì)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

圖1 我國(guó)尾礦庫(kù)潰壩事故致災(zāi)因素統(tǒng)計(jì)圖

由圖1可知：穩(wěn)定性不足、洪水漫頂、結(jié)構(gòu)破壞、滲流破壞是造成尾礦庫(kù)潰壩事故的主要原因。加強(qiáng)對(duì)浸潤(rùn)線、干灘長(zhǎng)度、庫(kù)區(qū)水位、壩 體位移、降雨量等信息參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，是預(yù)防致災(zāi)因素發(fā)生的有效途徑。

過去爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)主要采用人工監(jiān)測(cè)手段對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集分析，存在著數(shù)據(jù)上的誤差性和時(shí)間上的滯后性等缺陷，隨著生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，尾礦庫(kù)庫(kù)容逐漸增大，人工監(jiān)測(cè)越來越難以滿足安全管理需求，利用當(dāng)前先進(jìn)的光纖傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)尾礦庫(kù)實(shí)施在線監(jiān)控就顯得十分必要。

1 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)簡(jiǎn)介

爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)建于1980年，由長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)總庫(kù)容5 184.8萬m3，現(xiàn)堆積庫(kù)容為2 050萬m3。該庫(kù)為二級(jí)庫(kù)，屬山谷型上游式堆積壩，排洪方式為塔、隧洞式排洪。設(shè)計(jì)主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)主要設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

1.1 初期壩

初期壩地基層為坡洪積粉質(zhì)粘土。早期初期壩為均質(zhì)土壩，壩底標(biāo)高為1 193 m，壩頂標(biāo)高為1 210 m，壩高17 m，壩頂寬2 m，內(nèi)外坡比分別為1∶1.47、1∶1.55。第2次加固后為土石壩。土壩外坡面從內(nèi)到外分別鋪設(shè)0.2 m厚粗砂、300 g/m2無紡?fù)凉げ家粚印?.2 m厚粗砂、小塊石過渡層、加固堆實(shí)體、大塊石護(hù)坡，加固后外坡比為1∶2.5，壩頂標(biāo)高1 211m，壩頂寬3 m。

后期初期壩壩頂寬度增加至56 m，外坡比為1∶2.3，底部設(shè)一漿砌塊石擋墻，高6.5 m。2004年，萬噸選廠擴(kuò)建，經(jīng)請(qǐng)示長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院，將選廠處理地基中的土石方運(yùn)送至初期壩夯平壓實(shí)堆存在原初期壩上層，堆積后現(xiàn)在初期壩高度為19.5 m、長(zhǎng)66 m、寬51 m。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)初級(jí)壩結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 堆積壩（壩面）

爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)采取上游式尾砂堆筑。二期工程設(shè)計(jì)壩高217 m，擴(kuò)容改造后服務(wù)年限為9.8年。目前堆積壩頂標(biāo)高約1 352 m，堆積總高度為139 m。在壩坡上每隔4～7 m高差設(shè)置一條馬道，寬度2～10 m，壩坡現(xiàn)已設(shè)置56級(jí)馬道。各級(jí)馬道斜坡坡比約1∶2.2～1∶3.4，壩體平均外坡比為1∶4.25。庫(kù)內(nèi)干灘長(zhǎng)約380～520 m，壩軸線長(zhǎng)約610 m。沿壩坡鋪設(shè)有9根尾礦輸送管道，管道口徑為0.5 m，壩頂有5根管道全天候放礦。為防止山坡和壩坡雨水對(duì)壩間、壩面及壩肩的沖刷，各級(jí)馬道坡腳、壩坡壩肩分別設(shè)置了橫向排水渠、縱向排水渠，兩道壩肩排水渠，排水渠規(guī)格為1.1 m×1.2 m。均采用水泥砂漿砌筑。為防止雨水、滲流沖蝕以及大風(fēng)揚(yáng)塵造成環(huán)境破壞，在壩面上鋪設(shè)了約0.4 m厚的粘性土層，全部種植了植被，植被護(hù)坡面積在85 000 m2左右。

1.3 排洪設(shè)施

排水系統(tǒng)采用鋼筋混凝土框架式排水井+圓拱直墻型隧洞。庫(kù)內(nèi)共設(shè)9座排水塔，其中1#、2#、3#塔井筒高H=18.00 m，內(nèi)徑D=3.6 m；4#、5#、6#塔井筒高H=24.00 m，內(nèi)徑D=2.5 m。1#、2#、3#、4#、5#塔已淹沒封堵，目前使用6#排水塔。庫(kù)內(nèi)排水塔與尾礦庫(kù)右側(cè)山體內(nèi)排水隧洞貫通，供汛期期間泄洪需要，隧洞采用全段鋼筋混凝土襯砌。

1.4 安全輔助設(shè)施

在堆積壩升高過程中，1 275 m、1 290 m、1 300 m、1 310 m、1 320 m、1 337 m標(biāo)高分別在距離堆積壩灘面200～250 m處各鋪設(shè)了一層排滲席墊，共鋪設(shè)6道。在堆積壩體1 289 m、1 307 m標(biāo)高處共設(shè)置了4座大口輻射滲井。內(nèi)徑為D=2.9 m，深度H=28 m，其下部有13根水平集滲管和一根水平排滲管，由水平排滲管導(dǎo)出井內(nèi)的積水。該庫(kù)在1 290 m標(biāo)高沿溝底設(shè)置排滲層，鋪設(shè)面積為6 500 m2。其主要作用是加快尾礦庫(kù)底部尾沙粘土層固結(jié)，增強(qiáng)庫(kù)底部尾沙的扛剪強(qiáng)度。

1.5 觀測(cè)設(shè)施

在壩體平面布置浸潤(rùn)線人工觀測(cè)孔34個(gè)。在堆積壩體平均間隔20 m壩高布置2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)點(diǎn)和2個(gè)壩體位移沉降觀測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)已建設(shè)6個(gè)。

1.6 尾礦庫(kù)相關(guān)安全參數(shù)

尾礦庫(kù)運(yùn)行期間及洪水時(shí)的最小安全超高和最小干灘長(zhǎng)度如表2所示。經(jīng)監(jiān)測(cè)，2010年汛期期間爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)的最小安全超高在1.2 m，最小干灘距離在380 m，滿足《尾礦庫(kù)安區(qū)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。

表2 上游式尾礦壩的最小安全超高和最小干灘長(zhǎng)度［4］

2 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

（1）以爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)方案為基本依據(jù)，設(shè)計(jì)院提供基本的觀測(cè)點(diǎn)位布設(shè)平面圖，按照設(shè)計(jì)要求布置施工。

（2）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能滿足夜間視頻監(jiān)控的需要和整個(gè)庫(kù)區(qū)全方位無死角監(jiān)控的需要。

（3）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)的整理、分析、報(bào)警。預(yù)留硬件接口，能與國(guó)內(nèi)主流報(bào)警主機(jī)及國(guó)家在線監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

（4）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能全面、準(zhǔn)確地反映壩體和庫(kù)區(qū)的工作形態(tài)，并能設(shè)計(jì)參數(shù)比對(duì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常跡象，運(yùn)行數(shù)據(jù)在一定時(shí)期要海量存儲(chǔ)，滿足安全生產(chǎn)管理需要，為生產(chǎn)運(yùn)行期間管理提供可靠的資料。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型既要有可靠性、先進(jìn)性、兼容性、互換性，又要體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性。在滿足安全監(jiān)測(cè)要求的前提下，力求經(jīng)濟(jì)合理。

（5）安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要滿足國(guó)家關(guān)于尾礦庫(kù)管理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定等技術(shù)要求。

2.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)的確定

美國(guó)謝潑德·米勒公司項(xiàng)目經(jīng)理C斯特拉牽得出的尾礦壩潰壩數(shù)量與事故原因的關(guān)系［5］中指出：壩體邊坡穩(wěn)定性、漫頂和滲流等是潰壩事故發(fā)生的主要原因，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)。邊坡穩(wěn)定性可通過觀測(cè)壩體的位移、浸潤(rùn)線高度等來反映。漫頂可以通過觀測(cè)庫(kù)區(qū)水位、干灘高程和降雨量等來反映，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)在《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》中都作了明確規(guī)定。浸潤(rùn)線、壩體位移等技術(shù)指標(biāo)是檢驗(yàn)尾礦庫(kù)安全的重要技術(shù)指標(biāo)。因此，在監(jiān)測(cè)過程中選擇浸潤(rùn)線、防洪能力、壩體位移和降雨量做為尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。由此建立的監(jiān)控系統(tǒng)包括：浸潤(rùn)線、壩體位移、庫(kù)區(qū)水位、干灘長(zhǎng)度和降雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和超限報(bào)警等部分。

2.2.1 浸潤(rùn)線在線監(jiān)測(cè)

以人工監(jiān)測(cè)的浸潤(rùn)線位置和長(zhǎng)沙院對(duì)爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)滲流計(jì)算得到的浸潤(rùn)線位置為依據(jù)，設(shè)定最佳浸潤(rùn)線在線觀測(cè)點(diǎn)18個(gè)。將整個(gè)壩面分成6個(gè)水平，每個(gè)水平設(shè)3個(gè)浸潤(rùn)線觀測(cè)點(diǎn)。采用滲壓傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，觀測(cè)孔設(shè)計(jì)滿足國(guó)家2級(jí)庫(kù)設(shè)計(jì)浸潤(rùn)線埋深10 m以上的要求。具體情況如圖3所示。

2.2.2 壩體位移監(jiān)測(cè)

為隨時(shí)了解尾礦壩壩面形變情況，設(shè)計(jì)在爐場(chǎng)購(gòu)尾礦庫(kù)壩面安裝位移傳感器監(jiān)測(cè)壩體的形變情況，共安裝6個(gè)光纖位移傳感器，位移傳感器如圖4所示，在應(yīng)用時(shí)先將錨固端固定在某一固定物上，傳感器與錨固端通過鋼絲繩連接，先預(yù)緊鋼絲繩，將位移傳感器調(diào)到合適測(cè)量位置，然后固定。位移形變數(shù)據(jù)通過光纖傳輸，并經(jīng)過計(jì)算得到位移形變值，顯示在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，具備報(bào)警功能。位移監(jiān)測(cè)值應(yīng)以毫米（mm）為單位。具體情況如圖3所示。

圖3 傳感器安裝示意圖

圖4 位移傳感器示意圖

2.2.3 庫(kù)區(qū)水位監(jiān)測(cè)

對(duì)庫(kù)區(qū)水位情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握尾礦庫(kù)在汛期期間的水位上升下降情況以及在排洪泄洪過程中的水位變化情況，確保尾礦庫(kù)水位處于最小安全超高以下，保證尾礦庫(kù)正常運(yùn)行，在6#排水塔處設(shè)計(jì)安裝水位傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)庫(kù)區(qū)水位變化，通過光纖及后臺(tái)計(jì)算得到管理者所需要的數(shù)據(jù)信息，并顯示在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，具備報(bào)警功能。水位計(jì)算精度≤±0.1 m。具體情況如圖3所示。

2.2.4 干灘長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)

干灘長(zhǎng)度是衡量尾礦庫(kù)安全性能的重要指標(biāo)之一［6］。爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)的最小干灘長(zhǎng)度在300 m，目前爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度的測(cè)量主要依賴于人工測(cè)量手段。鄭學(xué)明［7］等發(fā)明了一種基于圖像識(shí)別計(jì)算尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度的方法，計(jì)算出的干灘長(zhǎng)度精度較高，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，滿足了對(duì)尾礦壩干灘長(zhǎng)度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求。利用其方法建立干灘長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理者所需要的干灘數(shù)據(jù)信息。干灘長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度≤15 m。

2.2.5 降雨量監(jiān)測(cè)

雨量計(jì)可設(shè)在二級(jí)砂泵站處，便于數(shù)據(jù)采集和布線方便，降雨量監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)家氣象部門使用的標(biāo)準(zhǔn)一致。通過降雨量監(jiān)測(cè)，能夠方便管理者實(shí)時(shí)掌握雨量大小和洪水位的可能位置，便于提前采取措施，防范于未然。雨量計(jì)的監(jiān)測(cè)精度≤±3％，分辨率為1 mm。

2.2.6 同步視頻監(jiān)控

為了實(shí)時(shí)掌握尾礦庫(kù)的運(yùn)行狀況，在整個(gè)爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)布設(shè)高清攝像機(jī)，包括排水塔、壩頂、壩面中部、壩面底部安裝攝像機(jī)，對(duì)庫(kù)區(qū)水位情況、干灘情況、排尾管道放礦情況、排尾管道的工作情況、排水塔的排水情況等進(jìn)行監(jiān)控，視頻圖像在監(jiān)控中心平臺(tái)上顯示，并可自由切換，實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)全方位監(jiān)控。通過控制，可以對(duì)觀察的畫面進(jìn)行調(diào)整，得到滿意的圖像效果，并確保視頻信息能夠保存一周以上，工作人員也可以將重要視頻錄像導(dǎo)出、存檔。

2.2.7 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

根據(jù)以上確定的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，結(jié)合爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)運(yùn)行實(shí)際情況，確定的爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

3 爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)期效果和存在困難

3.1 預(yù)期效果

隨著公司生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，尾礦壩壩面持續(xù)升高，其存在的安全隱患越來越大，設(shè)計(jì)建設(shè)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要，該系統(tǒng)建成投產(chǎn)之后希望達(dá)到以下效果：（1）能夠使公司安全監(jiān)管部門快速獲取與爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)安全密切相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，及時(shí)掌握尾礦庫(kù)運(yùn)行狀況和安全狀況；（2）改善人工監(jiān)測(cè)存在的諸多弊端，減少人工工作強(qiáng)度，提高企業(yè)的管理水平，為建設(shè)“精品企業(yè)”提供支持；（3）順應(yīng)建設(shè)數(shù)字化企業(yè)的發(fā)展要求，系統(tǒng)科技含量高，為企業(yè)今后的科技發(fā)展打下基礎(chǔ)。

3.2 系統(tǒng)建設(shè)施工存在的困難

（1）爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)是公司生產(chǎn)必不可少的組成部分，在系統(tǒng)建設(shè)過程中，既要保證施工安全，又要確保公司生產(chǎn)不受影響，需要施工單位在系統(tǒng)建設(shè)過程中謹(jǐn)小慎微，有規(guī)范的施工計(jì)劃和嚴(yán)格的操作規(guī)定；

（2）系統(tǒng)建設(shè)中的光纜架設(shè)、攝像機(jī)安置點(diǎn)、浸潤(rùn)線觀測(cè)孔施工、傳感器安裝等都需要反復(fù)論證，精確計(jì)算施工，保證今后系統(tǒng)在使用過程中的精確性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

研究者憑借多年從事尾礦庫(kù)管理工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合爐場(chǎng)溝尾礦庫(kù)的運(yùn)行現(xiàn)狀，具體探討了尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)，設(shè)計(jì)了尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)與使用，能夠改善人工檢測(cè)存在的時(shí)間滯后、數(shù)據(jù)誤差較大等缺陷，便于企業(yè)快速準(zhǔn)確掌握尾礦庫(kù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和運(yùn)行狀況，提高公司對(duì)尾礦庫(kù)的管理效率，適用于公司發(fā)展需要。

［1］王昌，王云海，李全明，等.礦山尾礦庫(kù)壩光纖在線監(jiān)測(cè)技術(shù)［J］.山東科學(xué)，2008，21（6）.16－20.

［2］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.尾礦庫(kù)安全操作規(guī)程［M］.2005－12－7.

［3］C斯特拉牽.尾礦壩的運(yùn)行特征［J］.礦物加工，2002（4）：36－42.

［4］李作章.尾礦庫(kù)安全技術(shù)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1996：324－327.

［5］鄭學(xué)明；黃金英；吳耀昕，等.一種基于圖像識(shí)別計(jì)算尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度的方法［P］.中國(guó)：200910248499，2010－06－02.