張麗莎 溫海民 王福生

(1．河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司承德黑山鐵礦，河北承德 067000;2．河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院采礦系，河北唐山 063009)

截至2010年年底，全國(guó)共有尾礦庫(kù)11 946座(其中:在用庫(kù)6 640座，在建庫(kù)1 507座，停用庫(kù)1 710座，已閉庫(kù)2 089座)，其中，四五等小型庫(kù)占尾礦庫(kù)總量的94．1%。沒有正規(guī)設(shè)計(jì)、沒有按設(shè)計(jì)或規(guī)范施工、未批先建、未取得安全生產(chǎn)許可證擅自生產(chǎn)的現(xiàn)象在一定范圍內(nèi)依然存在，尾礦庫(kù)“小、散、亂、差”，其安全狀況尚未得到根本改變。同時(shí)，我國(guó)大部分尾礦庫(kù)安全運(yùn)行的主要技術(shù)參數(shù)如壩體位移、庫(kù)水位、浸潤(rùn)線埋深等，均由人工定期用傳統(tǒng)儀器到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量(部分還沒有觀測(cè)手段)，安全監(jiān)測(cè)工作量大、受天氣、人工、現(xiàn)場(chǎng)條件等許多因素的影響，存在一定的系統(tǒng)誤差和人工誤差。同時(shí)，人工監(jiān)測(cè)還存在不能及時(shí)監(jiān)測(cè)尾礦庫(kù)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，難以及時(shí)掌握尾礦庫(kù)各項(xiàng)安全技術(shù)指標(biāo)等缺點(diǎn)，這些都嚴(yán)重影響尾礦庫(kù)的安全生產(chǎn)和安全管理水平。

截至2011年年底，全國(guó)已有300余座尾礦庫(kù)安裝了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的壩體位移、浸潤(rùn)線、庫(kù)水位、庫(kù)區(qū)影像，是利用現(xiàn)代電子、信息、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、自動(dòng)、連續(xù)采集、傳輸、管理及分析的監(jiān)測(cè)技術(shù)。為貫徹國(guó)家安全監(jiān)管總局相關(guān)文件及省局工作部署要求，實(shí)施尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)勢(shì)在必行。2010年10月，冀孚晟公司對(duì)黑山礦業(yè)尾礦庫(kù)進(jìn)行了實(shí)地勘察，經(jīng)過與礦方協(xié)商，我們最終確定本次主要監(jiān)測(cè)浸潤(rùn)線、庫(kù)水位，并通過計(jì)算估算出干灘長(zhǎng)度。

1 工程概況

黑山鐵礦是國(guó)家大型黑色金屬礦山企業(yè)，是承鋼公司重要的鐵精粉原料生產(chǎn)基地，年產(chǎn)鐵精粉60多萬噸，其水泉溝尾礦庫(kù)1986年5月建成投入使用，距選礦一車間1．3 km。尾礦庫(kù)初期壩為粉質(zhì)粘土壩，初期壩橫斷面為梯形，壩頂寬4．0 m，長(zhǎng)約130．0 m，壩頂標(biāo)高548．30 m，壩基軸線處壩底標(biāo)高520．0 m，壩高28．3 m，初期壩外壩坡比1∶2．5，內(nèi)壩坡比1∶2．5，初設(shè)計(jì)最終標(biāo)高為600 m，總庫(kù)容為713萬m3，服務(wù)年限為13年。1995年做了加高設(shè)計(jì)，壩堆積標(biāo)高加高到615 m，總庫(kù)容增加到1 096．5萬m3，服務(wù)年限增加17．2年，2011年做了加高設(shè)計(jì)，壩堆積標(biāo)高加高到650 m，總庫(kù)容增加到2 413萬m3，服務(wù)年限增加為23．4年。標(biāo)高自600 m～615 m的壩外坡比為1∶3。目前尾礦庫(kù)實(shí)測(cè)結(jié)果為:現(xiàn)狀堆積壩壩頂高程608 m，沉積灘灘頂高程606．8 m，庫(kù)內(nèi)水位高程602．5 m，沉積灘干灘長(zhǎng)度378 m，干灘平均坡度1．14%，現(xiàn)尾礦庫(kù)等別為二級(jí)。

2 尾礦庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2．1 系統(tǒng)功能

尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)、信號(hào)傳輸技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件技術(shù)，從宏觀、微觀相結(jié)合的全方位角度，來監(jiān)測(cè)影響尾礦庫(kù)及壩體安全的各種關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，記錄歷史、現(xiàn)在的數(shù)據(jù)，分析未來的走勢(shì)，以便輔助企業(yè)及政府決策，提升尾礦庫(kù)安全保障水平，有效防范和遏制重特大事故發(fā)生。

系統(tǒng)依托智能的軟件系統(tǒng)，建立分析預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)與短消息平臺(tái)相結(jié)合，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)自動(dòng)發(fā)布短消息到礦方管理人員，盡快啟動(dòng)相應(yīng)的預(yù)案。

2．2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)尾礦庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)影像監(jiān)控、尾礦壩位移(表面、內(nèi)部);壩體浸潤(rùn)線及地下水孔隙壓力、庫(kù)內(nèi)水位、干灘指標(biāo)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2．3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由庫(kù)區(qū)數(shù)據(jù)采集裝置、庫(kù)區(qū)信號(hào)接收及處理裝置、庫(kù)區(qū)機(jī)房及計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、無線信號(hào)傳輸裝置、企業(yè)調(diào)度指揮中心五部分組成。其中:企業(yè)調(diào)度指揮中心平臺(tái)接收無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)通過軟件管理平臺(tái)展示相關(guān)信息及管理預(yù)警信息、處理結(jié)果等自動(dòng)存儲(chǔ)備份。調(diào)度中心機(jī)房建設(shè)應(yīng)按照國(guó)家相關(guān)規(guī)范建設(shè)。主要放置電視大屏、監(jiān)測(cè)終端、服務(wù)器群、軟件管理平臺(tái)及輔助設(shè)備。系統(tǒng)已建立開放的數(shù)據(jù)接口，通過公用互聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)政府監(jiān)管部門需要，適時(shí)接入或遠(yuǎn)程查看。尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要參考的視頻、數(shù)據(jù)包括:位移監(jiān)測(cè)單元、視頻監(jiān)控單元、庫(kù)水位監(jiān)測(cè)單元、浸潤(rùn)線/干灘監(jiān)測(cè)單元。

2．4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)及設(shè)備選型

1)選擇原則。根據(jù)尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，壩體位移監(jiān)測(cè)斷面宜選在最大壩高斷面、合龍段、有排水管通過的斷面、地基工程地質(zhì)變化較大的地段及運(yùn)行有異常反應(yīng)處。壩體滲流壓力監(jiān)測(cè)橫斷面宜選在最大壩高處、合龍段、地形或地質(zhì)條件復(fù)雜壩段;監(jiān)測(cè)橫斷面上的測(cè)點(diǎn)布置，應(yīng)根據(jù)壩型結(jié)構(gòu)、斷面大小和滲流場(chǎng)特征確定。

2)壩體位移監(jiān)測(cè)。沿壩體垂直方向向庫(kù)內(nèi)(水面方向)設(shè)置位移監(jiān)測(cè)3個(gè)剖面共3個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，系統(tǒng)另設(shè)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，合計(jì)共5個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。位移監(jiān)測(cè)所采用的GPS技術(shù)，可進(jìn)行高精度、全天候的三維變形監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)采集每秒1次，以12 h或24 h為周期進(jìn)行解算。

3)浸潤(rùn)線、庫(kù)水位監(jiān)測(cè)。浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)位置的選擇，根據(jù)AQ 2006-2005尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的計(jì)算工況所得到的壩體浸潤(rùn)線位置來埋設(shè)。在作壩體抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定浸潤(rùn)線須按正常運(yùn)行和洪水運(yùn)行兩種工況分別給出。設(shè)計(jì)時(shí)所給出的浸潤(rùn)線位置應(yīng)是監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)深度的最重要的依據(jù)。

共設(shè)立3個(gè)剖面，一共安裝7個(gè)滲壓傳感器，1個(gè)庫(kù)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其安裝示意圖如圖1所示。

通過在尾礦庫(kù)壩剖面上布置的測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上先打孔，將測(cè)壓管埋入孔中，再將滲壓傳感器安裝到測(cè)壓孔內(nèi)。通過測(cè)量測(cè)壓管內(nèi)水壓，計(jì)算出測(cè)壓管內(nèi)水位H1，根據(jù)埋入測(cè)壓管的長(zhǎng)度H，最后計(jì)算出該測(cè)量點(diǎn)浸潤(rùn)線深度。

圖1 庫(kù)水位浸潤(rùn)線最大剖面示意圖

監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)深度的確定:監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)深度根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)所給出的浸潤(rùn)線位置來定，確定浸潤(rùn)線位置后，根據(jù)AQ 2006-2005尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程一般測(cè)壓傳感器應(yīng)該安裝在浸潤(rùn)線以下1 m～1．5 m 處。

對(duì)庫(kù)水位的監(jiān)測(cè)根據(jù)具體現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇在庫(kù)內(nèi)排水構(gòu)筑物旁，尾礦澄清水區(qū)域安裝一個(gè)庫(kù)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將所測(cè)信號(hào)傳給室內(nèi)接收機(jī)處理得到庫(kù)水位，既準(zhǔn)確，又適時(shí)。

4)干灘指標(biāo)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)根據(jù)灘頂高程、庫(kù)水位綜合監(jiān)測(cè)出干灘高程，并通過沉積灘的坡比，實(shí)時(shí)展現(xiàn)干灘的實(shí)際長(zhǎng)度。

5)尾礦庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)影像監(jiān)控。尾礦庫(kù)視頻監(jiān)控主要用來取代人工庫(kù)區(qū)日常巡檢，實(shí)時(shí)掌握尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)表面的情況和運(yùn)行狀況。通常在壩體、灘頂放礦處、壩體下游坡等重要部位設(shè)置視頻監(jiān)控裝置，通過現(xiàn)場(chǎng)攝像及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在主控制機(jī)能夠高清晰的觀察尾礦庫(kù)生產(chǎn)放礦及筑壩等運(yùn)行情況，并且可以作為尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度管理的有效手段。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

1)系統(tǒng)精度。黑山水泉溝尾礦庫(kù)自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過一年多的運(yùn)行，目前運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。每個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的系統(tǒng)精度如下:a．浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)精度:尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)精度小于30 mm;b．庫(kù)水位監(jiān)測(cè)精度:尾礦庫(kù)水位的監(jiān)測(cè)精度小于20mm;c．干灘長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)精度:尾礦庫(kù)干灘長(zhǎng)度通過曲線擬合計(jì)算，干灘長(zhǎng)度小于10 m。2)系統(tǒng)效果。黑山水泉溝尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線、庫(kù)水位、干灘長(zhǎng)度等重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)目標(biāo)，便于企業(yè)和安全監(jiān)管部門快速掌握與尾礦庫(kù)安全密切相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)的最新動(dòng)態(tài)，有利于及時(shí)掌握尾礦的運(yùn)行狀況和安全狀況，可以大幅度提高對(duì)于尾礦庫(kù)潰壩災(zāi)害機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平，增強(qiáng)企業(yè)對(duì)于尾礦庫(kù)災(zāi)害的預(yù)警響應(yīng)能力，為黑山鐵礦的正常生產(chǎn)提供有力保障。

4 結(jié)語

將尾礦庫(kù)的安全管理納入現(xiàn)代科學(xué)的范疇之內(nèi)，科學(xué)、及時(shí)、有效的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，以確保人民生命財(cái)產(chǎn)的安全和社會(huì)的穩(wěn)定。

［1］田文旗，薛劍光．尾礦庫(kù)安全技術(shù)與管理［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2006．

［2］林 昭．碾壓式土石壩設(shè)計(jì)［M］．鄭州:黃河水利出版社，2003．

［3］AQ 2030-2010，尾礦庫(kù)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］．

［4］ZBJ 1-90，選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［5］AQ 2006-2005，尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程［S］．

［6］《尾礦壩設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì)．尾礦壩設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2007．

［7］《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》編寫組．尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1980．

［8］鄭樹剛，謝 理．尾礦在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)［A］．2011年第四屆全國(guó)尾礦庫(kù)安全運(yùn)行技術(shù)高峰論壇論文集［C］．2011．