李 爽，孫圣添，劉津源

(河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司廟溝鐵礦，河北 秦皇島 066500)

0 引言

馬糞溝尾礦庫位于秦皇島市青龍滿族自治縣祖山鎮(zhèn)柏樹村一自然溝谷內(nèi)，東、南、西三面環(huán)山，西北面為溝口，走向大致呈西北-東南。初期壩位于溝口位置，壩體近東北-西南布置，自初期壩外壩坡腳處起算，西北面下游約80 m向北為廟溝鐵礦選礦作業(yè)區(qū)和輔助生產(chǎn)車間；下游約300～810 m處為柏樹村，有常住居民約979人，下游約3 km處為廟溝鐵礦生活區(qū)。庫區(qū)上游南部400 m處為礦山排土場，東南約3 km處為祖山風(fēng)景區(qū)。由于當(dāng)時設(shè)計原因及歷史局限性選擇了馬糞溝位置屬于頭頂庫，隨著各級應(yīng)急管理部門對安全工作的日益重視，對尾礦庫智能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級，保證庫內(nèi)各項運行參數(shù)在合理范圍內(nèi)，確保尾礦庫安全穩(wěn)定運行，保障下游人民的生命財產(chǎn)安全。

1 尾礦庫智能監(jiān)測系統(tǒng)組成及現(xiàn)有系統(tǒng)缺陷分析

尾礦庫智能監(jiān)測系統(tǒng)是由安置在尾礦壩、尾礦庫庫區(qū)及排洪設(shè)施等構(gòu)建筑物上的自動監(jiān)測儀器設(shè)備、監(jiān)控監(jiān)測中心與遠(yuǎn)程監(jiān)控端三大部分構(gòu)成，結(jié)合傳感器使用技術(shù)、信號傳輸使用技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)以及軟件應(yīng)用技術(shù)，從而使人體視覺感受與數(shù)據(jù)對比結(jié)果相結(jié)合，進(jìn)而監(jiān)控監(jiān)測對尾礦庫壩體產(chǎn)生影響的各項安全技術(shù)指標(biāo)，并記錄歷史和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，全面分析研判未來可能的發(fā)展趨勢，幫助尾礦庫企業(yè)和地方政府進(jìn)行決策，提高尾礦庫現(xiàn)行安全保障水平，最大限度的防范和遏制可能發(fā)生的安全生產(chǎn)事故[1-4]。馬糞溝尾礦庫現(xiàn)有智能監(jiān)測系統(tǒng)僅為低平臺子壩部分監(jiān)控設(shè)施，需要完善現(xiàn)有子壩監(jiān)測系統(tǒng)，增補(bǔ)內(nèi)部位移監(jiān)測和應(yīng)急排洪等監(jiān)測保障設(shè)施。

2 智能監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化升級

尾礦庫監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)是專門針對尾礦庫開發(fā)的實時在線監(jiān)測、分析及預(yù)警管理平臺，收集了探頭數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，通過與預(yù)警管控功能相結(jié)合并以圖形化的方式進(jìn)行展示，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控監(jiān)測地表降雨量、沉降、內(nèi)部外部位移以及視頻監(jiān)控等重要運行參數(shù)，將有關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)一并呈現(xiàn)在同一時間軸的數(shù)據(jù)坐標(biāo)曲線圖上，結(jié)合曲線圖形得到尾礦庫在運行過程中數(shù)據(jù)的時間與空間關(guān)聯(lián)性，從而對尾礦庫運行健康情況進(jìn)行綜合分析研判，并通過對尾礦庫以往位移數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化分析，比對出具有尾礦庫位移變動特點的趨勢數(shù)據(jù)，通過產(chǎn)生的趨勢數(shù)據(jù)可以更加直接的表達(dá)出尾礦庫位移變化速率，讓監(jiān)測人員更加容易發(fā)現(xiàn)尾礦庫位移變化情況[5]。通過此類監(jiān)測手段，還可測算出相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)點在靠向平穩(wěn)時的最終位移值。通過尾礦庫監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)相結(jié)合，利用大數(shù)據(jù)的對比分析功能，實現(xiàn)自動發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常并且能夠?qū)崟r預(yù)警，為確保尾礦庫安全穩(wěn)定運行提供了有力保障。

2.1 在線位移監(jiān)測升級

尾礦庫在線位移監(jiān)測可分為表面位移監(jiān)測與內(nèi)部位移監(jiān)測[6]。馬糞溝尾礦庫已設(shè)置了在線表面位移監(jiān)測點5個，在線表面位移監(jiān)測點數(shù)據(jù)正常，隨著壩體升高，原有設(shè)計中因無內(nèi)部位移點而存在設(shè)計缺陷，加之現(xiàn)有在線表面位移監(jiān)測點已不能滿足當(dāng)前尾礦庫整體的位移安全監(jiān)測要求，根據(jù)設(shè)計院現(xiàn)場勘察計算結(jié)果，確定了本次馬糞溝尾礦庫在線位移監(jiān)測升級方案。

此次升級是在現(xiàn)有監(jiān)測點全部利舊的基礎(chǔ)上新增在線表面位移點13個，新增內(nèi)部位移點6個，新增在線表面位移監(jiān)測點均采用GNSS，內(nèi)部位移采用固定式測斜儀，最下一個傳感器布置在管底，最上一個傳感器在堆積壩頂。結(jié)合現(xiàn)有及新增的人工、在線位移監(jiān)測點，形成8條位移監(jiān)測橫剖面，其中包括2條內(nèi)部位移監(jiān)測橫剖面；形成 5條監(jiān)測縱剖面。

2.2 浸潤線監(jiān)測升級

尾礦庫的浸潤線是尾礦庫的生命線，浸潤線的變化與尾礦庫的穩(wěn)定性直接相關(guān)，馬糞溝尾礦庫已安裝在線浸潤線監(jiān)測點9個，現(xiàn)有在線浸潤線監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，隨著壩體升高，原有在線浸潤線監(jiān)測點已不能整體的反映出當(dāng)前尾礦庫的運行穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)設(shè)計院現(xiàn)場勘察計算結(jié)果，確定了本次馬糞溝尾礦庫在線浸潤線監(jiān)測升級方案。

此次升級是在現(xiàn)有監(jiān)測點全部利舊的基礎(chǔ)上新增監(jiān)測點14個，新增浸潤線監(jiān)測點孔深按15 m控制。結(jié)合現(xiàn)有及新增的人工、在線浸潤線監(jiān)測點，形成8條浸潤線監(jiān)測橫剖面，5條監(jiān)測縱剖面。

2.3 干灘長度監(jiān)測升級

馬糞溝尾礦庫原有干灘長度監(jiān)測為人工監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏及時性、準(zhǔn)確性、系統(tǒng)性和自動預(yù)警功能。根據(jù)設(shè)計院設(shè)計得出，此次升級采用人工與在線相結(jié)合的方式，形成4條在線監(jiān)測剖面，監(jiān)測點隨壩體升高逐步向上移動。在線干灘監(jiān)測點采用超聲波測距儀，太陽能供電，數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信方式，方便隨灘面升高調(diào)整設(shè)備位置。每年汛期來臨前，提前堆筑子壩，盡量降低庫內(nèi)水位，保留足夠的干灘長度并對尾礦庫調(diào)洪能力進(jìn)行復(fù)核，確保尾礦庫安全度汛。結(jié)合調(diào)洪演算復(fù)核結(jié)果、臨界浸潤線計算對應(yīng)的干灘長度及規(guī)范要求確定干灘長度預(yù)警值，相應(yīng)數(shù)值見表1。

表1 干灘長度預(yù)警值

2.4 降雨量監(jiān)測升級

馬糞溝尾礦庫現(xiàn)有一臺翻板式雨量計設(shè)在配電室外邊，該雨量計運行正常，但監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏自動預(yù)警功能。根據(jù)設(shè)計院設(shè)計得出，此次升級增加降雨量與預(yù)警值自動對比功能，使監(jiān)測結(jié)果更加直觀。同時在尾礦庫運行過程中要求值班人員要實時了解和掌握氣象預(yù)報和汛期水情，及時通知全體尾礦工，并落實惡劣及暴雨天氣應(yīng)急預(yù)案。汛期加強(qiáng)降雨監(jiān)測設(shè)施的檢查，保證其正常運行。

2.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級

根據(jù)國家規(guī)范要求，對排水井、放礦的灘面、尾礦排放管路出口、尾礦壩下游坡面、庫區(qū)水位標(biāo)尺等重點關(guān)注部位實行實時視頻監(jiān)控管理。

馬糞溝尾礦庫目前已安裝了8臺視頻監(jiān)控攝像頭，涵蓋范圍包括北邊坡、排洪系統(tǒng)出水口、進(jìn)水口、庫內(nèi)灘面、尾礦庫入口及尾礦管路，這些攝像頭運行正常，缺少對主壩外坡及監(jiān)控室內(nèi)監(jiān)測人員工作狀態(tài)的視頻監(jiān)控。根據(jù)國家規(guī)范要求，此次升級是在現(xiàn)有監(jiān)測點全部利舊的基礎(chǔ)上新增3個監(jiān)控攝像頭，2個用于監(jiān)控主壩外坡，另一個安裝在監(jiān)控室內(nèi)監(jiān)測人員工作狀態(tài)。

隨著沉積灘面的不斷升高，一部分視頻監(jiān)控攝像頭要隨壩體的升高而移動，以保證視頻監(jiān)控范圍滿足規(guī)范要求。

2.6 智能監(jiān)測系統(tǒng)運行管理升級

為了實現(xiàn)馬糞溝尾礦庫智能監(jiān)測系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，發(fā)生故障時能夠做到早發(fā)現(xiàn)早修理，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和及時上傳，實現(xiàn)尾礦庫安全運行，成立了尾礦庫觀測小組保障尾礦庫智能監(jiān)測系統(tǒng)全天候連續(xù)正常運行。

觀測小組由選礦專業(yè)技術(shù)人員和電氣專業(yè)技術(shù)人員及尾礦工組成，尾礦工負(fù)責(zé)智能監(jiān)測系統(tǒng)運行情況的日?？垂芄ぷ?，每2小時檢查1次視頻信號、數(shù)據(jù)信號是否正常，出現(xiàn)無信號或信號異常等故障時要及時上報作業(yè)區(qū)領(lǐng)導(dǎo)，并做好記錄。在故障沒有解除時要隨時關(guān)注信號變化，專業(yè)技術(shù)人員負(fù)責(zé)為智能監(jiān)測系統(tǒng)提供技術(shù)保障。

在每年汛期前一個月觀測小組要對尾礦庫智能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行全方位的排查，發(fā)現(xiàn)問題及時修復(fù)，保證系統(tǒng)在汛期能夠穩(wěn)定運行，同時在汛期中和汛期結(jié)束后以及發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害后，觀測小組也要及時對尾礦庫智能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行全方位的排查。

3 增加應(yīng)急排洪設(shè)施

馬糞溝尾礦庫已升級為二等庫，根據(jù)國家對尾礦庫的相關(guān)安全管理要求，馬糞溝尾礦庫屬于頭頂庫，需提等管理，庫內(nèi)汛期最小安全超高1.0 m，最小干灘長度100 m，針對在汛期如何保證在尾礦庫智能監(jiān)測系統(tǒng)報警狀態(tài)下降低安全超高和庫內(nèi)浸潤線高度開展了系列研究，確定了增加應(yīng)急排洪設(shè)施方案。

設(shè)計應(yīng)急排洪設(shè)施采用溢洪道，在西側(cè)壩肩布設(shè)，由庫內(nèi)臨時溢洪道與庫外永久溢洪道、消力池和排洪鋼管組成。庫內(nèi)臨時溢洪道設(shè)置在庫區(qū)西側(cè)干灘與山坡交界位置，進(jìn)水口標(biāo)高應(yīng)低于規(guī)范允許最高洪水位1.5 m。根據(jù)馬糞溝尾礦庫灘面實際情況，臨時溢洪道初始長度約252 m，后期尾礦壩最終標(biāo)高約為287 m。

臨時溢洪道采用倒梯形斷面，過水?dāng)嗝娴讓?.2 m，深1.5 m，兩側(cè)邊坡坡比為1：0.5，側(cè)壁和底板厚度不小于0.5 m，縱坡不小于1%。溢洪道開挖后先在底部鋪設(shè)一層土工膜，然后采用尾砂袋砌筑，砌筑厚度不小于500 mm。設(shè)計采用的土工膜為0.35 mm厚HDPE土工膜，其技術(shù)指標(biāo)要求：拉伸強(qiáng)度大于17 MPa，斷裂伸長率大于450%，直角撕裂強(qiáng)度大于80 N/mm?，F(xiàn)已建成并投入使用，見圖1。

圖1 臨時溢洪道 圖2 永久溢洪道

庫外永久溢洪道沿西側(cè)壩肩布設(shè)，與庫區(qū)臨時溢洪道連接，采用漿砌石結(jié)構(gòu)，過水?dāng)嗝鏋榈讓?.2 m，深1.5 m，兩側(cè)邊坡坡比為1：0.5，側(cè)壁和底板厚度0.5 m，漿砌石水泥砂漿強(qiáng)度等級為M7.5。庫外溢洪道初始長度約為45 m，隨著尾礦壩的升高，逐步延長，最終長度約248 m。在標(biāo)高約565.5 m位置將原有值班室拆除，修建消力池，與永久溢洪道連接。消力池凈斷面尺寸為10 m×5 m×3 m，側(cè)壁和底板厚度0.3 m，采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。消力池下游連接2條排洪鋼管，延伸至初期壩下游原有消力池，將洪水排到庫外。排洪鋼管總長度1 306 m，直徑700 mm，壁厚10 mm。現(xiàn)已建成并投入使用，見圖2。

4 結(jié)語

馬糞溝尾礦庫系危險等級相對較高的“頭頂庫”，是國家安全生產(chǎn)專項整治三年行動計劃中的重點關(guān)注對象。馬糞溝尾礦庫通過此次智能監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化升級，增加了對壩體內(nèi)部位移等參數(shù)的監(jiān)控監(jiān)測和應(yīng)急排洪設(shè)施，對各項監(jiān)測指標(biāo)實行連續(xù)跟蹤測定，最大程度降低了造成尾礦泄漏、潰壩、環(huán)境污染等重大安全事故的可能，保證了下游村莊人民群眾的生命財產(chǎn)安全以及庫區(qū)下游的生態(tài)環(huán)境安全，對降低重特大事故發(fā)生概率，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失以及確保尾礦庫高效生產(chǎn)運行具有重要的安全效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。