徐明智 幸貞雄 周訓(xùn)兵

（貴州省勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究院，貴州遵義563000）

貴州礦產(chǎn)資源豐富，開采的礦產(chǎn)種類眾多，存在著大量不同類型的礦山排土場(chǎng)。對(duì)貴州典型礦山的排土場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)排土場(chǎng)在設(shè)計(jì)、安全管理、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、排水設(shè)施和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等方面存在著突出的問題［1］；同時(shí)，貴州地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶地貌普遍，降雨及地下水活動(dòng)頻繁，加之排土場(chǎng)的松散堆積特性［2-3］，容易發(fā)生排土場(chǎng)滑坡、泥石流等災(zāi)害事故，貴州礦山排土場(chǎng)的安全現(xiàn)狀不容樂觀。

目前，災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域使用，如露天礦山采場(chǎng)邊坡、尾礦庫(kù)等，能有效預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生?！督饘俜墙饘俚V山排土場(chǎng)安全生產(chǎn)規(guī)則》和《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中規(guī)定，礦山應(yīng)建立排土場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定期進(jìn)行排土場(chǎng)監(jiān)測(cè)；國(guó)家安全監(jiān)管總局《關(guān)于印發(fā)非煤礦山領(lǐng)域遏制重特大事故工作方案的通知》（安監(jiān)總管一［2016］60號(hào)）中也要求，堆置高度200 m以上的排土場(chǎng)，必須進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。而貴州建立排土場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的礦山很少，僅有個(gè)別礦山采用GPS對(duì)表面變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的指標(biāo)單一，不能全面反映排土場(chǎng)的安全狀況。因此，建立礦山排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)影響排土場(chǎng)安全穩(wěn)定的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)是十分必要的。本研究以貴州某礦山排土場(chǎng)為例，選擇一定大小的試驗(yàn)區(qū)域作為該排土場(chǎng)的監(jiān)測(cè)區(qū)域，建立排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 排土場(chǎng)概況

該礦為金礦采選企業(yè)，廢石量大，排土場(chǎng)位于露天礦坑南側(cè)，最大寬度約430 m，長(zhǎng)度約1 178 m。排土場(chǎng)最終堆積坡腳設(shè)置攔渣壩，壩底標(biāo)高為390 m，壩頂標(biāo)高為411 m。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行排土，共分為411 m、430 m、460 m、490 m、520 m、550 m和580 m7個(gè)臺(tái)階，411 m平臺(tái)寬度為20 m，其余平臺(tái)寬度均為24 m。排土方式為使用運(yùn)礦卡車和推土機(jī)自下而上依次排放，累計(jì)排渣12 046萬t，已堆放到設(shè)計(jì)標(biāo)高，并停止排土。其下游有零星住戶，計(jì)有8戶共61人。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立

2.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域

因整個(gè)排土場(chǎng)面積巨大，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性上考慮，前期在460 m臺(tái)階上朝攔渣壩的一面，選擇長(zhǎng)150 m、寬30 m，共4 500 m2的試驗(yàn)區(qū)域作為排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)區(qū)域。

2.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)

在前期研究的基礎(chǔ)上，選擇表面位移、內(nèi)部位移、降雨量、孔隙水壓力、內(nèi)部應(yīng)力和土壤含水量作為監(jiān)測(cè)的指標(biāo)［4-5］。

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

為實(shí)時(shí)獲取各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，結(jié)合排土場(chǎng)實(shí)際情況，礦山排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由前端監(jiān)測(cè)儀器、數(shù)據(jù)采集裝置、供電系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)預(yù)警中心組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。前端監(jiān)測(cè)儀器負(fù)責(zé)獲取各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，數(shù)據(jù)采集裝置采集和匯總監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)預(yù)警中心，監(jiān)測(cè)預(yù)警中心對(duì)傳輸來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、展示，進(jìn)而進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警；供電系統(tǒng)和防雷系統(tǒng)確保各設(shè)備的正常運(yùn)行和免遭雷擊。

（1）前端監(jiān)測(cè)儀器。為了實(shí)時(shí)獲取各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，選擇相應(yīng)的前端監(jiān)測(cè)儀器［6-7］，具體如表1所示。

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（2）數(shù)據(jù)采集裝置。一類是GPS的接收機(jī)，通過采集GPS信號(hào)，獲得表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；一類是DAG數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，采集除GPS以外的前端監(jiān)測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。按傳輸形式不同，分為有線傳輸和無線傳輸。礦山企業(yè)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇數(shù)據(jù)傳輸形式，并配置公網(wǎng)IP地址，開放網(wǎng)絡(luò)通信端口等。本項(xiàng)目排土場(chǎng)距其調(diào)度中心較遠(yuǎn)，故選擇無線傳輸，數(shù)據(jù)采集裝置配置物聯(lián)網(wǎng)卡，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（4G/3G/2G）接入Internet以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

（4）監(jiān)測(cè)預(yù)警中心。主要由服務(wù)器、顯示器、短信報(bào)警、聲光報(bào)警等硬件設(shè)備和監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件組成，對(duì)傳輸來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、展示，進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警。宜設(shè)置在礦山企業(yè)的調(diào)度中心。

（5）供電系統(tǒng)。主要為前端監(jiān)測(cè)儀器、數(shù)據(jù)采集裝置等供電，在不具備市電供電的條件下，宜采用太陽(yáng)能供電，并具備在連續(xù)15 d無光照條件下的供電能力。

（6）防雷系統(tǒng)。主要保護(hù)前端監(jiān)測(cè)儀器、數(shù)據(jù)采集裝置等免受雷擊，直擊雷防護(hù)采用避雷針，感應(yīng)雷防護(hù)采用單項(xiàng)電源避雷器和通訊電纜防雷器。直擊雷避雷接地系統(tǒng)控制在10 Ω以下，感應(yīng)雷避雷接地系統(tǒng)控制在4 Ω以下。

2.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案

為了準(zhǔn)確獲取反映排土場(chǎng)安全狀況的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，需要對(duì)監(jiān)測(cè)儀器合理布置，具體布置方案如圖2所示。

（1）除GPS基準(zhǔn)站外，所有監(jiān)測(cè)儀器布置在460 m臺(tái)階上的4 500 m2的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，距離邊坡約5 m處，并盡量處于同一直線上；GPS基準(zhǔn)站布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域以外的不發(fā)生位移變化的穩(wěn)定地點(diǎn)。

（2）GPS監(jiān)測(cè)站布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域的中軸線上，并在其附近布置雨量計(jì)和土壤含水計(jì)。

（3）其余前端監(jiān)測(cè)儀器平均分為4組，每組包含3個(gè)固定式測(cè)斜儀、1個(gè)土壓力計(jì)和1個(gè)孔隙水壓力計(jì)。沿監(jiān)測(cè)區(qū)域的中軸線兩側(cè)15 m、45 m的軸線上各設(shè)置1條監(jiān)測(cè)斷面，共計(jì)4個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置1組儀器；每組間距30 m，組內(nèi)的監(jiān)測(cè)儀器之間相距2.5 m。

2.5 監(jiān)測(cè)儀器施工安裝

（1）GPS（監(jiān)測(cè)站和基準(zhǔn)站）及翻斗式雨量計(jì)的施工方式為采用鋼筋混凝土澆筑觀測(cè)墩，在觀測(cè)墩上安裝相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器。

（2）土壤含水計(jì)的施工方式為地面開挖監(jiān)測(cè)坑，在監(jiān)測(cè)坑側(cè)壁安裝4個(gè)土壤含水計(jì)，安裝完成后回填土至與地表平齊。

（3）固定式測(cè)斜儀、孔隙水壓力計(jì)和土壓力計(jì)的施工方式為地面垂直鉆孔，鉆孔深度根據(jù)排土場(chǎng)實(shí)際情況確定，在鉆孔內(nèi)安裝相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器。其中，固定式測(cè)斜儀3個(gè)為1組安裝在同一個(gè)鉆孔內(nèi)，其余儀器每個(gè)鉆孔內(nèi)安裝1個(gè)；土壓力計(jì)安裝完成后需向孔內(nèi)回填土至與地表平齊。

2.6 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)

通過安裝在監(jiān)測(cè)預(yù)警中心服務(wù)器上的排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)軟件，可以對(duì)排土場(chǎng)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，了解排土場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警，并通過短信報(bào)警和聲光報(bào)警及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，預(yù)警界面如圖3所示。

系統(tǒng)界面左側(cè)為菜單欄，包括排土場(chǎng)信息管理、排土場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和排土場(chǎng)災(zāi)害預(yù)警；右側(cè)以排土場(chǎng)460 m臺(tái)階航拍圖為背景，顯示最新預(yù)警信息和各傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 實(shí)現(xiàn)了排土場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)

通過該系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)了排土場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)每隔30 min對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行巡測(cè)采樣1次，且采樣周期可調(diào)。該礦排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)自2016年12月建成后，已運(yùn)行1年半多，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率小于5%（截至2018年7月）。系統(tǒng)建立前，該礦排土場(chǎng)采用人工監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的指標(biāo)僅有表面位移，而監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性低、工作量大；目前，已采用在線監(jiān)測(cè)為主，少量人工監(jiān)測(cè)為輔的方式，同時(shí)增加了監(jiān)測(cè)指標(biāo)，提高了準(zhǔn)確性，大大減少了工作量。

3.2 預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確

預(yù)警分為單一預(yù)警和綜合預(yù)警2種方式，預(yù)警級(jí)別分為1～4共4個(gè)等級(jí)（1級(jí)最高），預(yù)警過程由系統(tǒng)軟件后臺(tái)自動(dòng)計(jì)算得出，在此不詳細(xì)介紹。以綜合預(yù)警為例，2018-07-27 03∶43時(shí)發(fā)出了3組綜合預(yù)警等級(jí)為4級(jí)的預(yù)警信息（見圖3），對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果（關(guān)聯(lián)度）如表2所示。

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系統(tǒng)預(yù)警后，通過短信報(bào)警和聲光報(bào)警向礦山相關(guān)人員發(fā)出預(yù)警信息，前往排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)查看后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)天大雨，由于降雨量較大導(dǎo)致土壤含水率上升，這也正好同2018-07-27 00:07時(shí)發(fā)出的降雨量4級(jí)單一預(yù)警相吻合，說明該系統(tǒng)的預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確。

3.3 排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還可以對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。以內(nèi)部位移為例，選擇2017-05至2018-05時(shí)間段內(nèi)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，具體如表3所示。

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由表3可知，到2017-05，內(nèi)部位移已經(jīng)很小，最大僅有0.019 7 mm，隨著時(shí)間推移，內(nèi)部位移越來越小，到2018-05僅有0.000 4 mm，幾乎未發(fā)生變化，表明排土場(chǎng)內(nèi)部趨于穩(wěn)定（該排土場(chǎng)已經(jīng)停止排土）。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)貴州礦山排土場(chǎng)安全現(xiàn)狀堪憂，而又少有礦山建立了排土場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的問題，以某礦山排土場(chǎng)為例，選擇4 500 m2試驗(yàn)區(qū)域作為排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)區(qū)域，以表面位移、內(nèi)部位移、降雨量、孔隙水壓力、內(nèi)部應(yīng)力和土壤含水量作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，建立了礦山排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)軟件，可以實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，了解排土場(chǎng)的安全狀況，并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了排土場(chǎng)災(zāi)害的在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度高，采樣周期30 min，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可代替人工監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確，可以對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過在該礦山試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的運(yùn)行，驗(yàn)證了技術(shù)的可行性和實(shí)用性，后期可以在整個(gè)排土場(chǎng)進(jìn)行全面布置，進(jìn)而保障礦山的安全生產(chǎn)和周邊人民生命財(cái)產(chǎn)安全，也為其他礦山建立排土場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供參考。